CN105134171B - 一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法 - Google Patents
一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法，用于石油、地矿行业。本发明针对测量空间不足的问题，采用的惯性测量单元包括两个光纤陀螺仪和三个加速度计，利用三个加速度计测量获得载体坐标系中的比力，利用两个光纤陀螺仪测量获得载体坐标系xb和yb轴上的角速度，然后计算获取载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系zb轴的角速度，再利用载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系的角速度进行四元数更新，获得捷联姿态矩阵，实时解算方位角、井斜角和工具面角。本发明减小了测斜仪的体积、重量和功耗，并实现了连续测斜，可更加适用于石油套管井测斜环境中，具有实际应用价值并将能产生良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油、地矿钻井轨道引导系统的方法，特别涉及一种基于改进航向姿态参考系统的姿态解算方法。
背景技术
随着石油资源的日益紧张，石油油井井眼轨迹的精确测井越来越显示出其重要性，这就需要高精度的油井测斜仪器。陀螺油井测斜仪主要用于测量套管井(油井)井眼轨迹及各处的方位角、井斜角和工具面角等参数。目前国内各油田广泛使用的测斜仪器均采用磁通门技术或机械陀螺技术，由于这两种技术原理上的缺陷，导致现有仪器精度不足、使用范围受限和寿命短的弊病。光纤陀螺是轻型的固态结构，它具有寿命长，响应快、能够耐冲击和振动、瞬间启动以及有很宽的动态范围等优点，而且由于光纤陀螺不受铁磁物质的影响，非常适合在石油套管井中测量方位。基于惯性测量的测斜仪测量方案有陀螺罗盘方案、航向姿态参考系统方案和惯性导航系统方案，其中陀螺罗盘方案测斜仪的工作原理是在静态下通过陀螺仪、加速度计测量地球重力加速度矢量与地球自转角速度矢量在测量坐标系上的投影分量，以此计算出井眼的方位角、井斜角和工具面角，其特点是测量时要保持静止，测量效率低；基于航向姿态参考系统采用3个陀螺仪和3个加速度计，可直接输出井眼的方位角、井斜角和工具面角，此方案可用于动态连续测量；基于惯性导航系统方案也是采用3个陀螺仪与3个加速度计，通过惯性导航解算可直接输出井眼的方位角、井斜角和工具面角，还可以输出井眼的三维空间轨迹。此方案可用于静态单点测量、动态连续测量和随钻测量，惯性导航算法定位精度随时间发散，但在独立井下应用有一定难度。目前在石油套管井测斜环境下的测量，存在空间有限，不能提供充足是空间给惯性测量单元，因此不能直接应用现有方法进行测量的问题。
发明内容
本发明的目的是针对石油套管井测斜环境的特点，通过减小惯性测量单元体积以适用测量环境，提供了一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法。本发明方法以基于改进航向姿态参考系统测斜仪的姿态解算方法为核心，采用两轴光纤陀螺和三轴加速度计组成惯性测量单元，惯性测量单元输出数据用于计算动态连续测量时的井斜角、方位角和工具面角，比之传统的连续测斜仪减少了一个陀螺，降低了成本、体积和功耗，并实现了连续测斜。
本发明的一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法，采用2个单自由度光纤陀螺仪和3个加速度计构成惯性测量单元；设置导航坐标系oxnynzn为当地地理坐标系，设置固联于测斜仪的载体坐标系为oxbybzb，zb沿测斜仪轴线指向井口，xb和yb轴组成平面垂直于井孔轴线、并与zb组成右手坐标系。
本发明的两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法的步骤如下：
步骤1，利用3个加速度计测量获得载体坐标系中的比力，利用2个光纤陀螺仪测量获得载体坐标系xb和yb轴上的角速度，然后获取载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系zb轴的角速度
其中，tk表示第k次测量的时刻，和分别为第k次加速度计在载体坐标系三轴上测量的比力，和为第k次测量中导航坐标系在三轴xb、yb和zb轴上的角速度，和分别为第k+1次加速度计在载体坐标系xb和yb轴上测量的比力，ΔT为两次测量之间的时间差。
步骤2，利用和进行四元数更新，获得捷联姿态矩阵进而根据捷联姿态矩阵实时解算得到方位角、井斜角和工具面角。
相对于现有技术，本发明的优点与积极效果在于：本发明所实现系统与传统测斜系统相比减少了一个陀螺，从而减小了测斜仪的体积、重量和功耗，并且本发明所实现的系统能够进行连续测斜，从而可更加适用于石油套管井测斜环境中，具有实际应用价值并将能产生良好的经济效益。
附图说明
图1是光纤陀螺连续测斜系统的物理模型示意图；
图2是获取捷联姿态矩阵时进行坐标系旋转的数学模型示意图；
图3是本发明的两轴光纤陀螺连续测斜系统进行姿态解算的整体示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法。光纤陀螺连续测斜系统的物理模型如图1所示。该系统主要包括地面部分和井下部分，井下部分就是光纤陀螺测斜仪，由惯性测量单元(IMU)、电源等部分构成，惯性测量单元由光纤陀螺和加速度计组成。其中IMU测得的数据经由数据采集单元采集、A/D转换、CPU处理，交由数据通信单元经电缆向地面传送。地面部分是一套专用的便携式计算机测控、信号采集系统，包括测控接口箱、深度测量仪、不间断电源(UPS)、上位机等，主要负责接收井下系统传上来的数据，再通过软件界面对数据进行处理，以图表的形式展现给地面工作人员，同时，地面部分还具有控制功能，能够控制井下仪的运行模式，包括定点测量、连续测量、对准等模式，由地面工作人员根据现场情况进行控制。井下部分和地面部分构成了一个完整的陀螺连续测斜系统。
传统姿态航向系统的IMU采用3个陀螺仪与3个加速度计，用3个陀螺仪分别敏感三轴角速度，用3个加速度计分别敏感测量仪三轴比力，通过姿态解算得出载体系相对导航系的坐标转换矩阵。针对石油套管井测斜环境测量空间小的特点，本发明角度测量部分采用改进的航向姿态参考系统方案，即选用两个单自由度光纤陀螺仪和3个加速度计构成惯性测量单元，其中3个加速度计用以敏感3轴比力，2个光纤陀螺仪分别敏感载体坐标系x轴和y轴的角速度，用该惯性测量单元输出数据首先计算出第三根轴的数据，然后将上述数据相结合计算出姿态角。本发明利用基于改进航向姿态参考系统测斜仪的姿态解算算法计算连续测斜的实时姿态角。
本发明的两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法，整体如图3所示，下面进行具体说明。
首先，说明所涉及的坐标系。本发明采用当地地理坐标系oxnynzn作为导航坐标系，记为n系，xn轴指向东，yn轴指向北，ozn轴指向天；定义载体坐标系oxbybzb固联于测斜仪，zb沿测斜仪轴线指向井口，xb和yb轴组成平面垂直于井孔轴线，与zb组成右手坐标系，载体坐标系标记为b系。采用地心惯性坐标系，标记惯性坐标系为i系，标记地球坐标系为e系。
步骤1，载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系zb轴的角速度。
如图2所示，第一次将坐标系oxnynzn绕ozn轴转动角度A，形成坐标系ox1y1z1；A为方位角。第二次将坐标系ox1y1z1绕oy1轴转动角度I，形成坐标系ox2y2z2；I为井斜角。第三次将坐标系ox2y2z2绕oz2轴转动角度T，形成坐标系oxbybzb；T为工具面角。经过三次一定顺序的转动，获得导航坐标系变换到载体坐标系的捷联姿态矩阵可表示为：
其中，C1、C2和C3分别为第一次转动、第二次转动和第三次转动的转动矩阵。I、A和T分别为随钻井斜测量中的井斜角、方位角和工具面角，为需要测量的数据。
式(1)转置得到载体坐标系变换到导航坐标系的捷联姿态矩阵
其中，Tab表示捷联姿态矩阵中第a行第b列元素，a∈[1,2,3],b∈[1,2,3]。
由式(2)可解出方位角A、井斜角I和工具面角T，如下：
由于进行连续测量时，仪器相对地理坐标系是运动的，因此光纤陀螺仪敏感到的角速度除了地球自转角速度外还有仪器相对地球坐标系的转动速度，表示如下式：
其中，表示在导航坐标系中地球坐标系相对惯性坐标系的角速度，表示在导航坐标系中导航坐标系相对地球坐标系的角速度，两者相加得到导航坐标系中导航坐标系相对惯性坐标系的角速度为载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系的角速度，也就是导航坐标系中的角速度；为载体坐标系中载体坐标系相对于惯性坐标系的角速度，即光纤陀螺仪测量的值。
在三轴上的分量分别为和建立如下数学模型：
其中，和分别为载体三次转动的角速率。
比力转换，即将加速度计在载体坐标系测得的值通过姿态矩阵转换成导航坐标系中的值。
表示在导航坐标系中的比力，表示载体坐标系中加速度计测量的比力。
由公式(5)和(6)可以导出：
其中，tk表示第k次测量的时刻，和分别为第k次加速度计在载体坐标系三轴上测量的比力，和为第k次测量中根据公式(5)计算出的导航坐标系在三轴xb、yb和zb轴上的角速度，根据光纤陀螺仪和加速度计所测量的数据计算出来。和分别为第k+1次加速度计在载体坐标系xb和yb轴上测量的比力，ΔT为两次测量之间的时间差，即tk+1与tk之间的差。此处公式(7)利用第k+1次与第k次测量的数据来计算，也可以用第k次与第k-1次的数据来计算，但由于一般设置的时间间隔ΔT很小，两种方式的计算基本没有差别，为了获得初始值，采用第k+1次与第k次测量的数据来计算。
如图3所示，每次测量，根据加速度计的测量数据，能得到载体坐标系中的比力三轴上分量为和根据光纤陀螺仪的测量数据，得到在载体坐标系xb和yb轴上测量的角速度和结合加速度计和光纤陀螺仪的测量数据，根据公式(7)获得导航坐标系zb轴的角速度本发明由于减少了一个光纤陀螺仪，因此获取第三轴的角速度是由于本发明设备改进所带来的方法改动。
每次测量中，载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系xb和yb轴的角速度和如图3所示，通过下面过程获得：测得的载体系三轴比力利用上次测量中计算得到的捷联姿态矩阵经比力转换得到导航系的比力从而进行速度解算得到载体在导航系中的速度vn，利用vn求得位移角速度与地球自转角速度相加得到导航坐标系中导航坐标系相对于惯性坐标系的角速度经角速度转换(上次计算得到的姿态矩阵)得到载体坐标系中导航坐标系相对于惯性坐标系的角速度光纤陀螺仪测得的与相减得到和
步骤2，利用前两个步骤得到的和进行四元数更新，获得捷联姿态矩阵进而实时解算获得随钻井斜测量中的方位角A、井斜角I和工具面角T。
如图3所示，和前面得到的一起用于四元数的更新，进而得到更新的捷联姿态矩阵最后进行姿态提取，根据公式(3)来实时解算A、I和T。根据图3可看出，本发明在减少了一个光纤陀螺仪的基础上，也实现了连续测量，具有实际应用价值。
利用载体坐标系三轴上的角速度与惯性测量单元所测得数据相结合实时计算姿态角。具体计算方法如下：
采用四元数来描述刚体旋转：
Q(q0,q1,q2,q3)＝q0+q1i+q2j+q3k，其中，q0,q1,q2,q3为四个实数，i、j、k为三个虚数单位，四元数的模||Q||＝q0 2+q1 2+q2 2+q3 2＝1。
捷联姿态矩阵可由四元数的四个元来表示：
四元数更新方程为：
其中，表示更新后的四元数，更新后的四个实数为和公式(9)可表示为如下：
其中，表示中间关于的矩阵。
利用毕卡逼近四阶算法求解微分方程式(9)，得到：
其中，且ΔT为两次测量的时间间隔，Δθx、Δθy和Δθz为定时采样时三个轴的角增量，E表示单位矩阵。
四元数中的四个实数q0,q1,q2,q3通过上面的更新方程迭代更新，初始四元数通过对准的得到的初始姿态矩阵得到。每次更新的四元数，通过式(8)可以得到捷联转换矩阵再经公式(3)即可得到A、I、T。
Claims (1)
1.一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法，采用2个单自由度光纤陀螺仪和3个加速度计构成惯性测量单元；设置导航坐标系oxnynzn为当地地理坐标系，设置固联于测斜仪的载体坐标系为oxbybzb，zb沿测斜仪轴线指向井口，xb和yb轴组成平面垂直于井孔轴线、并与zb组成右手坐标系；其特征在于，所述的两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法包括如下步骤：
步骤1，利用3个加速度计测量获得载体坐标系中的比力，利用2个光纤陀螺仪测量获得载体坐标系xb和yb轴上的角速度，然后获取载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系zb轴的角速度
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其中，tk表示第k次测量的时刻，和分别为第k次加速度计在载体坐标系三轴上测量的比力，和为第k次测量中导航坐标系在三轴xb、yb和zb轴上的角速度，和分别为第k+1次加速度计在载体坐标系xb和yb轴上测量的比力，ΔT为两次测量之间的时间差；
步骤2，利用和进行四元数更新，获得载体坐标系变换到导航坐标系的捷联姿态矩阵进而根据捷联姿态矩阵实时解算得到方位角、井斜角和工具面角。
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Inventor after: Zhu Yanbo Inventor after: Shi Xiaofeng Inventor after: Li Chenxi Inventor after: Wei Bo Inventor before: Shi Xiaofeng Inventor before: Li Chenxi Inventor before: Wei Bo |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |