CN105909238B - 一种惯性测量单元及单轴伺服连续测斜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种惯性测量单元及单轴伺服连续测斜方法，惯性组件采用两个光纤陀螺和两个加速度计，减小惯性测量单元的体积，通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制及小井斜角伺服连续测斜方法和基于第一加速度计的伺服电机控制及大井斜角伺服连续测斜方法分别解决小井斜角和大井斜角下连续测斜问题，实现连续全方位测量井眼方位角、井斜角和工具面角，继而连续获得井眼轨迹。同时，小井斜下通过第一光纤陀螺伺服控制电机，可减小实际工作过程中由于工作面连续变化导致的陀螺漂移，降低测量误差，延长单次工作时间，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明属于油田钻探用惯性测量领域，特别涉及一种惯性测量单元及单轴伺服连续测斜方法。
背景技术
随着石油资源的日益枯竭，国内外各大钻井公司纷纷将目光投向滩海、湖泊、稠油油藏及海洋等复杂地况的勘探和开发。小块零散油层的开采和大位移井、大斜度井、丛式井、水平井的日益增多，需要精度更高、使用上更加可靠的测斜仪器，同时，对方位和井斜的测量提出更高的要求。
传统的油井测斜仪大都采用磁通门和机械式框架陀螺完成井斜测量，但其工作精度易受外部环境干扰，如磁场、振动和冲击等，且存在自身原理缺陷，测量范围较窄，结构复杂，不利于复杂工作环境下进行测量。近年来国内虽出现了基于光纤陀螺的测斜仪，但是此类测斜仪多是三个陀螺加三个加速度计或两个陀螺加三个加速度计的机械结构，体积大、结构复杂，且大多不能进行动态连续测量。
专利CN101876244A所述的一种惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜仪，其惯性测量单元采用两个动力调谐陀螺和三个加速度计，虽然可以全方位连续测量井眼轨迹，但动力调谐陀螺制造复杂，尤其挠性接头十分脆弱，在振动过程中极易断裂，导致陀螺损毁；若加大挠性接头刚度，则精度将大大下降。专利CN203783564U所述的一种用于随钻测量的光纤陀螺测斜仪，其测量单元采用三轴光纤陀螺仪和三个三轴加速度计。当井斜角较大时，加速度计对井斜角变化的敏感力将急速下降，读数变得不可靠，致使仪器测量精度有所下降。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种惯性测量单元，所述测量单元包括保护壳体、旋转变压器、伺服电机、电机固定架、旋转机构、过孔式导电滑环和角接触球轴承；
所述旋转变压器、伺服电机、电机固定架、旋转机构、过孔式导电滑环和角接触球轴承均设置在所述保护壳体的内部；
所述旋转变压器位于保护壳体底端，所述旋转变压器的转子与伺服电机的尾轴连接；
所述伺服电机固定设置在旋转变压器上端和电机固定架下端，所述伺服电机输出轴与旋转机构通过螺栓相连接，所述伺服电机输出轴为D型轴；
所述电机固定架位于伺服电机与旋转机构之间，固定于所述保护壳体上；
所述旋转机构位于电机固定架与角接触球轴承之间；
所述过孔式导电滑环套装在旋转机构上端转动轴上，所述过孔式导电滑环的定子通过沉头螺钉固定于保护壳体上；
所述角接触球轴承固定于保护壳体的顶端
进一步地，所述旋转机构包括旋转机构骨架、第一光纤陀螺、第二光纤陀螺、第一加速度计、第二加速度计和数据采集单元；
所述第一光纤陀螺和第二光纤陀螺通过螺钉分别固定于旋转机构骨架内，用于保证敏感轴相互正交；
所述第一加速度计和第二加速度计通过螺钉分别固定于旋转机构骨架上，用于保证敏感轴相互正交；
所述数据采集单元通过螺栓固定于旋转机构骨架末端；
进一步地，所述第一光纤陀螺为新型光纤陀螺，其敏感轴方向沿陀螺轴向方向，所述第二光纤陀螺为新型光纤陀螺，其敏感轴方向沿陀螺径向方向；
进一步地，一种单轴伺服连续测斜方法，所述方法包括
S1:通过伺服电机驱动旋转机构完成四位置初始对准；
S2：小井斜角下通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制及小井斜角伺服连续测斜方法实现小井斜角下连续测井；
S3大井斜角下通过基于第一加速度计的伺服电机控制及大井斜角伺服连续测斜方法实现大井斜角下连续测井；
进一步地，S1中所述四位置初始对准方法包括：
S11：伺服电机驱动旋转机构，分别旋转0°、90°、180°和270°，旋转变压器保证旋转机构旋转位置的精确度；
S12：所述第二光纤陀螺、第一加速度计和第二加速度计在四个位置通过数据采集单元分别采集角速度和加速度信息；
S13:对第二光纤陀螺、第一加速度计和第二加速度计在0°和180°两位置的结果相减对消，分别记为：ωx、ax和ay，第二光纤陀螺在90°和270°两位置的结果相减对消，记为：ωy；
S14:根据公式a、b和c进行计算，得到方位角、井斜角和工具面角的初始值分别为A0、I0和T0；
式中
为当地测井纬度；ωe：为地球自转角速度；
进一步地，S2中所述小井斜角伺服连续测斜方法包括：
S21:通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制，使得第一光纤陀螺的敏感轴与导航坐标系的相对位置始终保持不变，即
S22:计算方位角A的变化率
和井斜角I的变化率
通过计算获得方位角A和井斜角I的增量，继而获得井眼轨迹；
当方位角和井斜角的初始值A0和I0已知时，可通过递推公式e来计算井眼轨迹
式中Δt为时间步长；
连续测量时，载体系OXbYbZb相对导航系OXnYnZn的旋转角速率
可表示为公式f所示：
将公式f第三项展开，并结合公式d可得到公式g，
方位角变化率
的计算公式为公式h：
公式g中工具面角变化率
由公式i得到，
其中：axtn为tn时刻第一加速度计的输出，aytn为tn时刻第二加速度计的输出，
为tn-1时刻第一加速度计的输出，
为tn-1时刻第二加速度计的输出；
将公式f中的第二项展开，并结合公式h，可得井斜角变化率的计算公式为公式j
根据公式e，计算得到各个时刻的方位角A和井斜角I；
工具面角T根据公式k计算：
其中ax为当前时刻第一加速度计的输出，ay为当前时刻第二加速度计的输出，φ为旋转变压器的输出；
进一步地，S2中所述小井斜角伺服连续测斜方法过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制，使得第一光纤陀螺的敏感轴与导航坐标系的相对位置始终保持不变；
进一步地，S3中所述大井斜角伺服连续测斜方法为包括：
S31：通过基于第一加速度计的伺服电机控制，使得第一加速度计的输出始终为0，实现工具面角伺服；
S32：根据公式c计算工具面角
T’＝0 (l)
S33:将公式f第一项展开，并结合公式l，可得大井斜角情况下方位角的变化率，公式m
由递推公式e计算得到各时刻的方位角A；
S34:大井斜角情况下，井斜角I变化很小，可直接通过公式n计算
此时，实际工具面角T由公式o计算
T＝-φ (o)；
本发明的有益效果如下：
1)本发明所提出的单轴伺服连续测斜方法，其不受顶角大小的限制，可连续全范围测量井眼轨迹，测量精度高，效率高，可在井迹测量、成像测井技术中使用，不仅适用于油井、天然气井、煤矿井，也适用于定向井、有磁干扰的井；
2)本发明所提出的小井斜角伺服连续测斜方法，通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制，使得第一光纤陀螺的敏感轴与导航坐标系的相对位置始终保持不变，可减小实际工作过程中由于工作面连续变化导致的陀螺漂移，降低测量误差；
3)本发明所采用的惯性测量单元采用两个光纤陀螺加两个加速度计的结构，体积小、成本低。
附图说明
图1为本发明惯性测量单元示意图；
图2为本发明旋转机构示意图；
图3为本发明旋转机构骨架示意图；
图4为本发明单轴伺服连续测斜方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
如图1所示，本发明所述的一种惯性测量单元，主要包括：保护壳体(1)、旋转变压器(2)、伺服电机(3)、电机固定架(4)、旋转机构(5)、过孔式导电滑环(6)和角接触球轴承(7)；旋转变压器(2)、伺服电机(3)、电机固定架(4)、旋转机构(5)、过孔式导电滑环(6)和角接触球轴承(7)布置于保护壳体(1)的内部，旋转变压器(2)位于保护壳体(1)底端，旋转变压器(2)定子通过螺钉固定，旋转变压器(2)转子与伺服电机(3)尾轴配合连接，伺服电机(3)位于旋转变压器上端和电机固定架(4)下端，通过螺栓固定，电机固定架(4)位于伺服电机(3)与旋转机构(5)之间，通过沉头螺钉固定于保护壳体(1)上，伺服电机(3)输出轴为D型轴与旋转机构(5)通过螺栓相连接，旋转机构(5)位于电机固定架(4)与角接触球轴承(7)之间，过孔式导电滑环套装在旋转机构(5)上端转动轴上，通过螺钉固定，过孔式导电滑环(6)定子通过沉头螺钉固定于保护壳体(1)上，角接触球轴承(7)固定于保护壳体(1)的顶端。
如图2、图3所示，所述旋转机构(5)包括：旋转机构骨架(5-1)、第一光纤陀螺(5-2)、第二光纤陀螺(5-3)、第一加速度计(5-4)、第二加速度计(5-5)和数据采集单元(5-6)；第一光纤陀螺(5-2)和第二光纤陀螺(5-3)通过螺钉分别固定于旋转机构骨架(5-1)的第一光纤陀螺安装槽(5-1a)和第二光纤陀螺安装槽(5-1b)内，保证其敏感轴相互正交，第一加速度计(5-4)和第二加速度计(5-5)通过螺钉分别固定于旋转机构骨架(5-1)的第一加速度计安装平台(5-1c)和第二加速度计安装平台(5-1d)上，保证其敏感轴相互正交，数据采集单元(5-6)通过螺栓固定于旋转机构骨架(5-1)末端的电路安装平台(5-1e)上。
在实际设计中第一光纤陀螺(5-2)可选为新型光纤陀螺，其敏感轴方向沿陀螺轴向方向，第二光纤陀螺(5-3)可选为新型光纤陀螺，其敏感轴方向沿陀螺径向方向。
如图4所示，本发明单轴伺服连续测斜方法原理为：
1)初始对准
初始对准采取四位置的初始寻北，伺服电机(3)驱动旋转机构(5)，分别旋转0°、90°、180°和270°，旋转变压器(2)用来保证旋转机构(5)旋转位置的精确度，第二光纤陀螺(5-3)、第一加速度计(5-4)和第二加速度计(5-5)在四个位置通过数据采集单元(5-6)分别采集加速度和角速度信息，然后对第二光纤陀螺(5-3)、第一加速度计(5-4)和第二加速度计(5-5)在0°和180°两位置的结果相减对消，分别记为：ωx、ax和ay，第二光纤陀螺(5-3)在90°和270°两位置的结果相减对消，记为：ωy。根据公式(a)、(b)、(c)进行计算，得到方位角、井斜角和工具面角的初始值A0、I0、T0。
式中
ωe：地球自转角速度
2)小井斜角情况下连续测量
小井斜角情况下连续测量时通过基于第一光纤陀螺(5-2)的伺服电机(3)控制，使得第一光纤陀螺(5-2)的敏感轴始终相对于导航坐标系的相对位置不变，即
计算方位角A的变化率
和井斜角I的变化率
通过结算获得方位角A和井斜角I的增量，继而获得井眼轨迹。
当方位角和井斜角的初始值A0和I0已知时，可通过递推算法，公式(e)
来计算井眼轨迹，其中Δt为时间步长。
当仪器缓慢匀速运动时，哥氏加速度和仪器相对地球转动产生的向心加速度与g相比较小，因此，连续匀速运动时仍然只考虑g的投影分量。
连续测量时，载体系OXbYbZb相对导航系OXnYnZn的旋转角速率
可表示为公式(f)所示：
将公式(f)第三项展开，并结合公式(d)可得到公式(g)，
方位角变化率
的计算公式为公式(h)：
公式(8)中工具面角变化率
由公式(i)得到，
其中：axtn为tn时刻第一加速度计(5-2)的输出，aytn为tn时刻第二加速度计(5-3)的输出，
为tn-1时刻第一加速度计(5-2)的输出，
为tn-1时刻第二加速度计(5-3)的输出。
将公式(f)中的第二项展开，并结合公式(h)，可得井斜角变化率的计算公式为公式(j)
根据公式(e)，计算得到各个时刻的方位角A和井斜角I。
工具面角T根据公式(k)计算：
其中ax为当前时刻第一加速度计(5-2)的输出，ay为当前时刻第二加速度计(5-3)的输出，φ为旋转变压器(2)的输出。
小井斜角伺服连续测斜方法通过基于第一光纤陀螺(5-2)的伺服电机(3)控制，使得第一光纤陀螺(5-2)的敏感轴与导航坐标系的相对位置始终保持不变，可减小实际工作过程中由于工作面连续变化导致的陀螺漂移，降低测量误差。
3)大井斜角情况下连续测量
大井斜角情况下连续测量时通过基于第一加速度计(5-2)的伺服电机(3)控制，使得第一加速度计(5-2)的输出始终为0，实现工具面角伺服，根据公式(c)可知，此时计算工具面角
T’＝0 (l)
将公式(f)第一项展开，并结合公式(l)，可得大井斜角情况下方位角的变化率，公式(m)
由递推公式(e)计算得到各时刻的方位角A。
大井斜角情况下，井斜角I变化很小，可直接通过公式(n)计算
此时，实际工具面角T由公式(o)计算
T＝-φ (o)
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种单轴伺服连续测斜方法，其特征在于，所述方法通过一种惯性测量单元实现，所述测量单元包括保护壳体、旋转变压器、伺服电机、电机固定架、旋转机构、过孔式导电滑环和角接触球轴承；
所述旋转变压器、伺服电机、电机固定架、旋转机构、过孔式导电滑环和角接触球轴承均设置在所述保护壳体的内部；
所述旋转变压器位于保护壳体底端，所述旋转变压器的转子与伺服电机的尾轴连接；
所述伺服电机固定设置在旋转变压器上端和电机固定架下端，所述伺服电机输出轴与旋转机构通过螺栓相连接，所述伺服电机输出轴为D型轴；
所述电机固定架位于伺服电机与旋转机构之间，固定于所述保护壳体上；
所述旋转机构位于电机固定架与角接触球轴承之间；
所述过孔式导电滑环套装在旋转机构上端转动轴上，所述过孔式导电滑环的定子通过沉头螺钉固定于保护壳体上；
所述角接触球轴承固定于保护壳体的顶端；
所述旋转机构包括旋转机构骨架、第一光纤陀螺、第二光纤陀螺、第一加速度计、第二加速度计和数据采集单元；
所述第一光纤陀螺和第二光纤陀螺通过螺钉分别固定于旋转机构骨架内，用于保证敏感轴相互正交；
所述第一加速度计和第二加速度计通过螺钉分别固定于旋转机构骨架上，用于保证敏感轴相互正交；
所述数据采集单元通过螺栓固定于旋转机构骨架末端；
所述第一光纤陀螺敏感轴方向沿陀螺轴向方向，所述第二光纤陀螺敏感轴方向沿陀螺径向方向；
所述方法包括：
S1:通过伺服电机驱动旋转机构完成四位置初始对准；
S2：小井斜角下通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制及小井斜角伺服连续测斜方法实现小井斜角下连续测井；
S3大井斜角下通过基于第一加速度计的伺服电机控制及大井斜角伺服连续测斜方法实现大井斜角下连续测井；
S2中所述小井斜角伺服连续测斜方法通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制，使得第一光纤陀螺的敏感轴与导航坐标系的相对位置始终保持不变；
S3中所述大井斜角伺服连续测斜方法通过基于第一加速度计的伺服电机控制，使得第一加速度计的输出始终为0，实现工具面角伺服。
2.根据权利要求1所述的单轴伺服连续测斜方法，其特征在于，S1中所述四位置初始对准方法包括：
S11：伺服电机驱动旋转机构，分别旋转0°、90°、180°和270°，旋转变压器保证旋转机构旋转位置的精确度；
S12：所述第二光纤陀螺、第一加速度计和第二加速度计在四个位置通过数据采集单元分别采集角速度和加速度信息；
S13:对第二光纤陀螺、第一加速度计和第二加速度计在0°和180°两位置的结果相减对消，分别记为：ωx、ax和ay，第二光纤陀螺在90°和270°两位置的结果相减对消，记为：ωy；
S14:根据公式a、b和c进行计算，得到方位角、井斜角和工具面角的初始值分别为A0、I0和T0；
式中
为当地测井纬度；ωe：为地球自转角速度。
3.根据权利要求2所述的单轴伺服连续测斜方法，其特征在于，S2中所述小井斜角伺服连续测斜方法包括：
S21:通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制，使得第一光纤陀螺的敏感轴与导航坐标系的相对位置始终保持不变，即
S22:计算方位角A的变化率
和井斜角I的变化率
通过计算获得方位角A和井斜角I的增量，继而获得井眼轨迹；
当方位角和井斜角的初始值A0和I0已知时，可通过递推公式e来计算井眼轨迹
式中Δt为时间步长；
连续测量时，载体系OXbYbZb相对导航系OXnYnZn的旋转角速率
可表示为公式f所示：
将公式f第三项展开，并结合公式d可得到公式g，
方位角变化率
的计算公式为公式h：
公式g中工具面角变化率
由公式i得到，
其中：axtn为tn时刻第一加速度计的输出，aytn为tn时刻第二加速度计的输出，
为tn-1时刻第一加速度计的输出，
为tn-1时刻第二加速度计的输出；
将公式f中的第一项展开，并结合公式h，可得井斜角变化率的计算公式为公式j
根据公式e，计算得到各个时刻的方位角A和井斜角I；
工具面角T根据公式k计算：
其中ax为当前时刻第一加速度计的输出，ay为当前时刻第二加速度计的输出，φ为旋转变压器的输出。
4.根据权利要求3所述的单轴伺服连续测斜方法，其特征在于，S3中所述大井斜角伺服连续测斜方法为包括：
S31：通过基于第一加速度计的伺服电机控制，使得第一加速度计的输出始终为0，实现工具面角伺服；
S32：根据公式c计算工具面角的初始值T0
T0＝0 (l)
S33:将公式f第一项展开，并结合公式l，可得大井斜角情况下方位角的变化率，公式m
由递推公式e计算得到各时刻的方位角A；
S34:大井斜角情况下，井斜角I变化很小，可直接通过公式n计算
此时，实际工具面角T由公式o计算
T＝-φ(o)。
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- 2016-06-07 CN CN201610398973.4A patent/CN105909238B/zh active Active
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