CN106917621B - 小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法，测斜装置的基座上连接有直流电机，直流电机输出轴端部设有转台，在转台上安装光纤陀螺仪和双轴加速度计组件，其中光纤陀螺仪敏感轴为X轴，双轴加速度计敏感轴为X轴、Y轴，还包括测量电机输出轴转速的转速传感器；在另一机械固件上固定安装有ARM微处理器和电机驱动模块，ARM微处理器主要完成陀螺仪和加速度计信号实时采集、电机控制信号的发出与定向测斜算法解算，并提取北向角度信息；转速传感器的输出接ARM微处理器，ARM微处理器将计算出的转速信息给电机驱动模块，以控制直流电机匀速转动。本发明解决了目前小孔径水平井难以测量的问题，且测量精度高、装置成本低。

Description

小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法

技术领域

本发明涉及钻井中的定向技术，具体涉及一种小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法，属于大地测量、油气井测量技术领域。

背景技术

现代社会对于能源的消耗量极大，随着石油、煤炭等不可再生资源的日益剧减，水平井与小井眼井钻井技术得到不断发展与完善。目前在地质勘探和油气井测量用的定向测斜仪主要有：磁性测量法，照相测量法，惯性测量法等。磁性传感测量系统具有体积小、抗冲击、耐高温、成本低等特点，但在有磁场干扰或套管井等无磁环境中无法获取有效的轨迹参数。照相系统易受到光照和使用环境影响。惯性测量法中，挠性陀螺测量系统抗冲击能力较差、使用寿命短，在野外测井环境下很难实现长期可靠的测试任务；MEMS陀螺系统虽然具有达数千g的抗冲击能力，但其漂移较大；三轴光纤陀螺系统虽然可以做到水平井测量，但尺寸较大、且成本高昂。上述定向测斜系统无法满足对日益增多的小孔径水平井高精度自主测量的迫切需要。在我国小孔径(直径小于45mm)水平井(井斜大于85°)定向测斜领域，目前还未曾见到有关小口径单陀螺水平井定向、测斜仪器的相关技术研究报道和实际产品问世。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法，本发明解决了目前小孔径水平井难以测量的问题，且测量精度高、装置成本低。

本发明的技术方案是这样实现的：

小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置，其特征在于：包括两机械固件，在其中一个机械固件上设置一个表面平整度满足安装要求的基座，在基座上刚性连接有直流电机，直流电机采用伺服电机；直流电机输出轴呈水平状态，直流电机输出轴端部设有转台，转台轴线与电机输出轴重合；在转台上刚性安装单轴小口径光纤陀螺仪和双轴MEMS加速度计组件，其中光纤陀螺仪敏感轴为X轴，双轴MEMS加速度计敏感轴分别为X轴、Y轴，转台在直流电机输出轴带动下绕Y轴转动，陀螺仪和双轴MEMS加速度计组合构成本装置的惯性测量单元；还包括测量电机输出轴转速的转速传感器；

在另一机械固件上固定安装有ARM微处理器和电机驱动模块，ARM微处理器中含有解算模块，ARM微处理器主要完成陀螺仪和加速度计信号实时采集、接口通信、电机控制信号的发出、传感器误差补偿与定向测斜算法解算，并提取北向角度信息；转速传感器的输出接ARM微处理器，ARM微处理器通过鉴相计数计算转速信息，同时发出PWM信号，给电机驱动模块，电机驱动模块输出接直流电机以控制直流电机匀速转动。

小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜方法，本方法采用前述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置实现，该方法包括如下步骤：

1)将所述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置放入小孔径水平井内，直流电机输出轴沿水平井长度方向设置；

2)装置上电后即开始工作，使直流电机输出轴绕Y轴连续旋转，并通过转速传感器采集直流电机转速，并将该转速信号传递给ARM微处理器，经闭环反馈由电机驱动模块根据转速传感器采集信息使直流电机转速稳定；

3)ARM微处理器中的解算模块实时获取双轴MEMS加速度计和陀螺仪输出数据，提取微弱方向信息和倾斜角信息，采用粒子滤波算法解算北向角；具体过程如下：

3.1)首先建立四个坐标系，地理坐标系OX_nY_nZ_n，方向为东北天；转台坐标系OX_bY_bZ_b，方向为右前上；以及两个过度坐标系OX₁Y₁Z₁、OX₂Y₂Z₂；转台坐标系是地理坐标系经过如下三次转动α、θ、γ角后产生的，

其中α、θ、γ分别为北向角、俯仰角和横滚角；

3.2)光纤陀螺仪敏感轴与转台坐标系x_b轴重合，考虑陀螺的常值漂移和随机漂移影响，旋转定点采样算法中，转台从初始位置开始，按右手定则以角速度ω绕Y轴转动，光纤陀螺敏感轴的输出表达为：

ω_bx＝kω_ie[cosL(sinαcos(γ+ωt)+cosαsinθsin(γ+ωt)-sinLcosθsin(γ+ωt)]

ε_0x+ε_ix+N_噪 (1)

其中k为标度因数，ω_ie为地球自转角速率，L为当地地理纬度；ε_0x为常值漂移在X轴的分量；ε_ix为陀螺的随机漂移在X轴的分量；N_噪为光纤陀螺仪输出信号噪声；

3.3)假设安装在转台坐标系X轴和Y轴的加速度计的输出分别为：A_xb、A_yb；则

A_xb＝gcosθsin(γ+ωt)

A_yb＝-gsinθ

由上式解算出转台的俯仰角θ和横滚角γ分别为：

其中，g为当地重力加速度，ω为电机转动角速度，t为旋转时间；

3.4)将步骤3.3)中解算出的俯仰角θ和横滚角γ代入步骤3.2)中光纤陀螺敏感轴的输出式中，得到一个北向角α与陀螺仪输出值ω_bx的方程；

3.5)使直流电机连续旋转，改变旋转时间t取值，即采集不同时刻下光纤陀螺敏感轴的输出和双轴加速度计的输出A_xb、A_yb，重复步骤3.2)-3.4)，得到不同时刻下北向角α与陀螺仪输出值ω_bx的多个方程，最后采用粒子滤波算法对该多个方程中方位信息进行最优估计，从而实现对α角的精确测量，由此实现水平井定向测斜。

本发明特点：一、旋转轴由传统的竖直方向改为水平方向，由此能够用于小孔径水平井测斜；二、电机轴水平状态连续旋转；三、电机转速通过闭环控制而匀速恒定。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提出的小口径单轴陀螺连续旋转定向测斜装置与技术，突破了传统位置寻北方法的禁锢，通过连续提取X轴输出信息中包含的北向信息来实现大井斜、水平井的定向测斜，为小口径水平井的定向测斜提供了一种新的测量方法；

(2)通过绕Y轴连续旋转，采用粒子滤波算法对信号进行实时估计，降低寻北时间，提高信息提取精度，有效降低陀螺漂移和噪声对定向精度的影响误差；

(3)通过稳定的电机控制和编码器输出闭环反馈，为微小信号的可靠性提供保障，同时获取数据提取过程中的角度参量，作为解算过程的精密参考和系统标校参考；

(4)传统陀螺旋转信号的核心是将转动信号调制在方位角α上，而本发明旋转信号输出作用在γ上；

(5)由于小口径和陀螺尺寸的限制，绕z轴的旋转结构无法满足小口径需求，而绕y轴的旋转结构不影响口径大小，从而可以实现小孔径单陀螺水平井定向测斜；

(6)绕y轴连续旋转所获取的n个连续数据有利于后续粒子滤波算法对方位角的估计，最大限度降低漂移和噪声对精度的影响。

附图说明

图1为本发明系统组成框图。

图2为本发明坐标系定义示意图。

图3为本发明算法基本原理框图。

具体实施方式

本发明系统组成框图见图1，包括两机械固件，在其中一个机械固件上设置一个表面平整度满足安装要求的基座，在基座上刚性连接有直流电机，直流电机采用伺服电机；直流电机输出轴呈水平状态，直流电机输出轴端部设有转台，转台轴线与电机输出轴重合，转台坐标系为OXYZ，对应右前上；在转台上刚性安装单轴小口径光纤陀螺仪和双轴MEMS加速度计组件，其中光纤陀螺仪敏感轴为X轴，双轴MEMS加速度计敏感轴分别为X轴、Y轴，见图2，转台在电机输出轴带动下绕Y轴转动，陀螺仪和加速度计组合构成本装置的惯性测量单元；还包括测量电机输出轴转速的转速传感器。该机械固件上的构件构成仪器舱内部件。

在另一机械固件上固定安装有ARM微处理器和电机驱动模块，ARM微处理器中含有解算模块，ARM微处理器主要完成陀螺仪和加速度计信号实时采集、接口通信、电机控制信号的发出、传感器误差补偿与定向测斜算法解算，并提取北向角度信息；转速传感器的输出接ARM微处理器，ARM微处理器通过鉴相计数计算转速信息，同时发出PWM信号，给电机驱动模块，电机驱动模块输出接直流电机以控制直流电机匀速转动。该另一机械固件上的构件构成电气舱内部件。

转速传感器为光电编码器，光电编码器设置在电机轴上，光电编码器选用微小型光编，光电编码器轴向与电机输出轴对齐。

本发明小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜方法，包括如下步骤：

1)将所述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置放入小孔径水平井内，直流电机输出轴沿水平井长度方向设置；

2)装置上电后即开始工作，使直流电机输出轴绕Y轴连续旋转，并通过转速传感器采集直流电机转速，并将该转速传递给ARM微处理器，经闭环反馈由电机驱动模块根据转速传感器采集信息使直流电机转速稳定；

3)解算模块实时获取双轴MEMS加速度计和陀螺仪输出数据，提取微弱方向信息和倾斜角信息，采用粒子滤波算法解算北向角；具体过程如下：

3.1)首先建立四个坐标系，地理坐标系OX_nY_nZ_n，方向为东北天；转台坐标系OX_bY_bZ_b，方向为右前上；以及两个过度坐标系OX₁Y₁Z₁、OX₂Y₂Z₂；转台坐标系是地理坐标系经过如下三次转动α、θ、γ角后产生的，见图2；

其中α、θ、γ分别为北向角、俯仰角和横滚角；

3.2)光纤陀螺仪敏感轴与转台坐标系x_b轴重合，考虑陀螺的常值漂移和随机漂移影响，旋转定时采样算法中，转台从初始位置开始，按右手定则以角速度ω绕Y轴转动，光纤陀螺敏感轴的输出表达为：

ω_bx＝kω_ie[cosL(sinacos(γ+ωt)+cosαsinθsin(γ+ωt)-sinLcosθsin(γ+ωt)]

+ε_0x+ε_ix+N_噪 (1)

其中k为标度因数，ω_ie为地球自转角速率；ε_0x为常值漂移在X轴的分量；ε_ix为陀螺的随机漂移在X轴的分量；N_噪为光纤陀螺仪输出信号噪声。

3.3)假设安装在转台坐标系X轴和Y轴的加速度计的输出分别为：A_xb、A_yb；则

A_xb＝gcosθsin(γ+ωt)

A_yb＝-gsinθ

由上式解算出转台的俯仰角θ和横滚角γ分别为：

其中，g为当地重力加速度，ω为电机转动角速度，t为旋转时间；

3.4)将步骤3.3)中解算出的俯仰角θ和横滚角γ代入步骤3.2)中光纤陀螺敏感轴的输出式中，得到一个北向角α与陀螺仪输出值ω_bx的方程；当忽略ε_0x，ε_ix，N_噪时，在多个不同t时刻均可解得北向角α的唯一值；

3.5)由于ε_0x，ε_ix，N_噪的存在，因此使直流电机连续旋转，改变旋转时间t取值，即采集不同时刻下光纤陀螺敏感轴的输出和双轴加速度计的输出A_xb、A_yb，重复步骤3.2)-3.4)，得到不同时刻下北向角α与陀螺仪输出值ω_bx的多个方程，并采用粒子滤波算法对方位信息进行最优估计，从而实现对α角的精确测量，由此实现水平井定向测斜。

本发明算法原理框图见图3。

本发明较传统单陀螺旋转寻北的区别：

①传统陀螺旋转信号的核心是将转动信号调制在方位角α上，而本发明旋转信号输出作用在γ上；

②由于小口径和陀螺尺寸的限制，绕z轴的旋转结构无法满足小口径需求，而绕y轴的旋转结构不影响口径大小；

③绕y轴连续旋转所获取的多个连续数据有利于后续粒子滤波算法对方位角的估计，最大限度降低漂移和噪声对精度的影响。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜方法，其特征在于：本方法采用小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置实现，

小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置包括两机械固件，在其中一个机械固件上设置一个表面平整度满足安装要求的基座，在基座上刚性连接有直流电机，直流电机采用伺服电机；直流电机输出轴呈水平状态，直流电机输出轴端部设有转台，转台轴线与电机输出轴重合；在转台上刚性安装单轴小口径光纤陀螺仪和双轴MEMS加速度计组件，其中光纤陀螺仪敏感轴为X轴，双轴MEMS加速度计敏感轴分别为X轴、Y轴，转台在直流电机输出轴带动下绕Y轴转动，陀螺仪和双轴MEMS加速度计组合构成本装置的惯性测量单元；还包括测量电机输出轴转速的转速传感器；

在另一机械固件上固定安装有ARM微处理器和电机驱动模块，ARM微处理器中含有解算模块，ARM微处理器主要完成陀螺仪和加速度计信号实时采集、接口通信、直流电机控制信号的发出与定向测斜算法解算，并提取北向角度信息；转速传感器的输出接ARM微处理器，ARM微处理器通过鉴相计数计算转速信息，同时发出PWM信号，给电机驱动模块，电机驱动模块输出接直流电机以控制直流电机匀速转动；

该方法包括如下步骤：

1)将所述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置放入小孔径水平井内，直流电机输出轴沿水平井长度方向设置；

2)装置上电后即开始工作，使直流电机输出轴绕Y轴连续旋转，并通过转速传感器采集直流电机转速，并将该转速信号传递给ARM微处理器，经闭环反馈由电机驱动模块根据转速传感器采集信息使直流电机转速稳定；

3)ARM微处理器中的解算模块实时获取双轴MEMS加速度计和陀螺仪输出数据，提取微弱方向信息和倾斜角信息，采用粒子滤波算法解算北向角；具体过程如下：

3.1)首先建立四个坐标系，地理坐标系OX_nY_nZ_n，方向为东北天；转台坐标系OX_bY_bZ_b，方向为右前上；以及两个过度坐标系OX₁Y₁Z₁、OX₂Y₂Z₂；转台坐标系是地理坐标系经过如下三次转动α、θ、γ角后产生的，

其中α、θ、γ分别为北向角、俯仰角和横滚角；

3.2)光纤陀螺仪敏感轴与转台坐标系x_b轴重合，考虑陀螺的常值漂移和随机漂移影响，旋转定点采样算法中，转台从初始位置开始，按右手定则以角速度ω绕Y轴转动，光纤陀螺敏感轴的输出表达为：

ω_bx＝kω_ie[cosL(sinαcos(γ+ωt)+cosαsinθsin(γ+ωt)-sinLcosθsin(γ+ωt)]+ε_0x+ε_ix+N_噪 (1)

其中k为标度因数，ω_ie为地球自转角速率，L为当地地理纬度；ε_0x为常值漂移在X轴的分量；ε_ix为陀螺的随机漂移在X轴的分量；N_噪为光纤陀螺仪输出信号噪声；

3.3)假设安装在转台坐标系X轴和Y轴的加速度计的输出分别为：A_xb、A_yb；则

A_xb＝gcosθsin(γ+ωt)

A_yb＝-gsinθ

由上式解算出转台的俯仰角θ和横滚角γ分别为：

其中，g为当地重力加速度，ω为电机转动角速度，t为旋转时间；

3.4)将步骤3.3)中解算出的俯仰角θ和横滚角γ代入步骤3.2)中光纤陀螺敏感轴的输出式中，得到一个北向角α与陀螺仪输出值ω_bx的方程；

3.5)使直流电机连续旋转，改变旋转时间t取值，即采集不同时刻下光纤陀螺敏感轴的输出和双轴加速度计的输出A_xb、A_yb，重复步骤3.2)-3.4)，得到不同时刻下北向角α与陀螺仪输出值ω_bx的多个方程，最后采用粒子滤波算法对该多个方程中方位信息进行最优估计，从而实现对α角的精确测量，由此实现水平井定向测斜。

2.根据权利要求1所述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜方法，其特征在于：所述转速传感器为光电编码器，光电编码器设置在电机输出轴上，光电编码器选用微小型光编，光电编码器轴向与电机输出轴对齐。

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