CN106968665A - 一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法，包括如下步骤：1)将惯导系统安装于载体上；2)将载体置于石油井中，通过惯导系统进行测量，获得载体当前位置的坐标矩阵；3)对惯导系统输出的坐标矩阵进行解算，得到石油井的姿态角：倾斜角I＝arccos(cosγcosθ)；工具面角方位角本发明能够通过惯导系统直接进行石油井测斜，从而有效提高石油井的测斜精度。

Description

一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法

技术领域

本发明涉及石油测井技术领域，尤其涉及一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法。

背景技术

目前，石油测井领域主要通过陀螺测斜仪进行测量，传统的测斜仪只能输出井斜角、工具面角、方位角，当井斜角＜3°时，就无法输出方位角；同时，传统的测斜仪只是对姿态角计算是开环方式误差随时间积累，从而造成测量精确度也较低。

惯导系统因其定位精确度高，响应速度快而被广泛应用于导航、寻北等技术领域；由于陀螺测斜仪不管是点测还是连续测量，其解算算法都是基于石油姿态角坐标系推导的公式进行计算的。因此，对于专业从事惯性器件研制的单位需要重新学习和推导并且进行大量的试验，开发周期长，测试标定都需要熟悉掌握，对长期从事惯性导航开发调试的人员来说特别容易搞乱概念。

虽然石油测井领域定义的姿态角和坐标系与惯导系统的导航角和坐标系有所不同，但它们都是由陀螺和加速度计组成通过姿态算法计算载体空间位置的，所以根据它们的共性，使惯导系统输出的导航角与测斜仪输出的姿态角一致，即可实现利用惯导系统进行石油井测斜。因此，如何提供一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有测斜仪测量范围有限，测量精确度低，目前的惯导系统不能进行石油井测斜的问题，提供一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法，能够通过惯导系统直接进行石油井测斜，从而有效提高石油井的测斜精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将惯导系统安装于载体上，其中，

导航坐标系：用o-x_ny_nz_n表示，原点为载体重心，x_n轴指向东，y_n轴指向北，z_n轴指向天；

载体坐标系：用o-x_by_bz_b表示，原点为载体的重心，x_b轴沿载体横轴向右，y_b轴沿载体纵轴向前，z_b轴沿载体立轴向上；

2)将载体置于石油井中，通过惯导系统进行测量，获得载体当前位置的坐标矩阵：

其中：

Ψ为航向角，指载体纵轴在水平面的投影与地理子午线之间的夹角，以地理北向为起点，北偏东方向为正；

θ为俯仰角，指载体纵轴与纵向水平轴之间的夹角，以纵向水平轴为起点，向上为正，向下为负；

γ为横滚角，指载体纵向对称面与纵向铅垂面之间的夹角，从铅垂面算起，右倾为正，左倾为负；

3)石油井姿态角输出：

由于利用陀螺测斜仪进行石油井测量过程中，载体位于同一位置时的输出坐标矩阵为：

其中：

A为方位角，指载体纵轴在水平面的投影与地理北向之间的夹角，以地理北向为起点，北偏东为正；

I为井斜角，指载体纵轴与铅垂线之间的夹角；

T为工具面角，指在石油井里面陀螺测斜仪自转的角度，即仪器的高边与仪器Y轴之间的夹角；

而此时的惯导系统输出坐标矩阵与陀螺测斜仪输出坐标矩阵相等，因此：

最后，对惯导系统输出的坐标矩阵进行如下解算，得到石油井的姿态角：

倾斜角I＝arccos(cosγcosθ)；

工具面角

方位角

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、测量范围广，当井斜角＜3°时，也能通过惯导系统输出的航向角确定载体的基准线与真北夹角。

2、测量精度高，通过惯导系统对姿态角、速度、位置的综合解算过程，能够进行闭环零速修正提高系统精度。

3、在不改变惯导原有定义概念、算法的基础上，从输出的姿态矩阵表示的载体空间位置进行变换得到载体在石油测井领域的姿态角信息，从而适用于从事惯导技术开发调试，对石油领域不了解的技术研发人员运用现有惯导技术算法开发陀螺测斜仪。

附图说明

图1为陀螺测斜仪的坐标系示意图。

图2为惯导系统的坐标系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2，一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法，包括如下步骤：

1)将惯导系统安装于载体上，其中，

导航坐标系：用o-x_ny_nz_n表示，原点为载体重心，x_n轴指向东，y_n轴指向北，z_n轴指向天；

载体坐标系：用o-x_by_bz_b表示，原点为载体的重心，x_b轴沿载体横轴向右，y_b轴沿载体纵轴向前，z_b轴沿载体立轴向上；

另外，地理坐标系为：东—北—天，原点为载体的重心。

2)将载体置于石油井中，通过惯导系统进行测量：

初始位置时，载体坐标系与地理坐标系重合，X_b—东，Y_b—北，Z_b—天；

导航坐标系依次绕Z、X、Y旋转：

获得载体当前位置的坐标矩阵：

其中：

Ψ为航向角，指载体纵轴在水平面的投影与地理子午线之间的夹角，以地理北向为起点，北偏东方向为正；

θ为俯仰角，指载体纵轴与纵向水平轴之间的夹角，以纵向水平轴为起点，向上为正，向下为负；

γ为横滚角，指载体纵向对称面与纵向铅垂面之间的夹角，从铅垂面算起，右倾为正，左倾为负；

3)石油井姿态角输出：

由于利用陀螺测斜仪进行石油井测量过程中：

初始时，载体坐标系与地理坐标系重合，X_b—东，Y_b—北，Z_b—天；

测斜仪坐标系依次绕Z、Y、Z旋转：

得到载体位于同一位置时的输出坐标矩阵为：

其中：

A为方位角，指载体纵轴在水平面的投影与地理北向之间的夹角，以地理北向为起点，北偏东为正；

I为井斜角，指载体纵轴与铅垂线之间的夹角；

T为工具面角，指在石油井里面陀螺测斜仪自转的角度，即仪器的高边与仪器Y轴之间的夹角；

而此时的惯导系统输出坐标矩阵与陀螺测斜仪输出坐标矩阵相等，因此：

最后，对惯导系统输出的坐标矩阵进行如下解算，得到石油井的姿态角：

倾斜角I＝arccos(cosγcosθ)；(I范围为0到180°)。

工具面角(由于I为0到180°，故sinI都大于0，但要注意I是否为0，工具面角正方向为0到360，顺时针为正)。

方位角(要注意I是否为0，方位角范围为0到360°)。

由于当导航角、横滚角为0的时候，石油井姿态角也全为0，因此，需要对姿态角进行强制转换；具体转换方法见下表：

工具面角T真值表：

方位角A真值表：

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种利用惯导系统进行石油井测斜的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将惯导系统安装于载体上，其中，

导航坐标系：用o-x_ny_nz_n表示，原点为载体重心，x_n轴指向东，y_n轴指向北，z_n轴指向天；

载体坐标系：用o-x_by_bz_b表示，原点为载体的重心，x_b轴沿载体横轴向右，y_b轴沿载体纵轴向前，z_b轴沿载体立轴向上；

2)将载体置于石油井中，通过惯导系统进行测量，获得载体当前位置的坐标矩阵：

${C^{\′}}_n^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\ψ}-\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ψ}-\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right];$

其中：

Ψ为航向角，指载体纵轴在水平面的投影与地理子午线之间的夹角，以地理北向为起点，北偏东方向为正；

θ为俯仰角，指载体纵轴与纵向水平轴之间的夹角，以纵向水平轴为起点，向上为正，向下为负；

γ为横滚角，指载体纵向对称面与纵向铅垂面之间的夹角，从铅垂面算起，右倾为正，左倾为负；

3)石油井姿态角输出：

由于利用陀螺测斜仪进行石油井测量过程中，载体位于同一位置时的输出坐标矩阵为：

$C_n^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos T\cos A-\sin T\cos I\sin A& -\cos T\sin A-\sin T\cos I\cos A& -\sin A\sin T\\ \sin I\cos A+\cos T\cos I\sin A& -\sin T\sin A+\cos T\cos I\cos A& \sin I\cos T\\ -\sin A\sin I& -\cos A\sin I& \cos I\end{array}\right];$

其中：

A为方位角，指载体纵轴在水平面的投影与地理北向之间的夹角，以地理北向为起点，北偏东为正；

I为井斜角，指载体纵轴与铅垂线之间的夹角；

T为工具面角，指在石油井里面陀螺测斜仪自转的角度，即仪器的高边与仪器Y轴之间的夹角；

而此时的惯导系统输出坐标矩阵与陀螺测斜仪输出坐标矩阵相等，因此：

${C^{\′}}_b^n\≅C_n^b;$

最后，对惯导系统输出的坐标矩阵进行如下解算，得到石油井的姿态角：

倾斜角I＝arccos(cosγcosθ)；

工具面角

方位角