CN109033646B - 基于小量程mems加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法 - Google Patents

基于小量程mems加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油钻井工程领域，尤其涉及一种基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法。首先确保探随钻测斜仪上的小量程MEMS加速度传感器和磁通门满足室温下，加速度传感器灵敏度小于1mg，磁通门灵敏度小于5nT；采集的保存静态工况下的井斜(INC)、方位(Az)以及磁倾角(λ)的数据；建立传感器正交校准数学模型：每隔固定时间段，将获取的加速度传感器和磁通门分量数值分别按传统算法和c步骤所提供的算法对重力工具面角进行计算，并存储到两个数组里；持续数个固定时间段后，分别计算两数组内数据的标准差，选取标准差相对小的数组末尾数据，作为真实的重力工具面角计算值。本发明大为提升小量程MEMS加速度传感器的适用范围、降低MWD系统成本。

Description

基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计 算方法
技术领域
本发明属于石油钻井工程领域，尤其涉及一种基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法。
背景技术
目前，随钻测量(MWD)系统已成为石油钻井工程领域不可或缺的一部分，井下数据的获取，更是重中之重。在地质勘探中，为了能够确定出地层侧面倾角和倾斜方位角，必须连续测量井筒的倾角和倾斜方位角以及作为参考标志的井下仪器方位角。为了使井眼轨迹与设计相符，在钻进过程中难免要进行相应的井斜或方位调整，此时，就需要在定向钻进时能够准确、实时监测重力工具面角(小井斜时为磁性工具面角)。
大井斜时(一般大于5°)，重力工具面角的计算多是由加速度计的水平分量计算而来。当前绝大多数MWD系统中的加速度计均是石英加速度计，其优点是精度高、量程大、可重复性好，但也存在抗振效果差、功耗大的缺点，且价格昂贵。随着MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)加速度传感器技术的不断发展，也有越来越多的MEMS加速度传感器应用到MWD系统中。MEMS加速度传感器功耗低、抗振效果好，但存在大量程时精度差、重复性不好的致命缺点。小量程的MEMS加速度传感器虽然精度高、重复性佳、成本低廉，但不适合井底振动工况，小量程MEMS加速度传感器，无法滤除超量程的振动对真实信号的干扰。
MWD系统中随钻测斜仪的工况可大致分为三类：静态工况；定向钻进；复合钻进。静态工况下，振动极小，小量程MEMS加速度传感器符合要求；定向钻进工况下，振动较大，小量程MEMS加速度传感器应用传统算法无法测量重力工具面角；复合钻进工况下，对重力工具面角不做要求。
井底振动对加速度传感器的影响较大，而对磁通门的输出影响较小，若能建立磁通门与重力工具面的数学模型，则小量程的MEMS加速度传感器通过相应的算法调整，能适应定向钻进的工况要求，则必然有较佳的推广价值。
发明内容
本发明针对上述的现有小量程的MEMS加速度传感器在重力工具面角的计算中所存在的技术问题，提出一种设计合理、方便简单、计算方便且数据准确的基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法，包括以下有效步骤：
a、首先确保探随钻测斜仪上的小量程MEMS加速度传感器和磁通门满足室温下，加速度传感器灵敏度小于1mg，磁通门灵敏度小于5nT；
b、采集的保存静态工况下的井斜(INC)、方位(Az)以及磁倾角(λ)的数据；
c、建立传感器正交校准数学模型：
Bx＝cosλcosAzcosINCcosGTF-sinλsinINCcosGTF-cosλsinAzsinGTF
By＝cosλsinAzcosGTF+cosλcosAzcosINCsinGTF-sinλsinINCsinGTF
进而得到
Figure BDA0001748740570000021
Figure BDA0001748740570000022
Figure BDA0001748740570000023
式中，Bx、By为磁通门X分量和Y分量数值；GTF为重力工具面；
d、每隔固定时间段，将获取的加速度传感器和磁通门分量数值分别按传统算法
Figure BDA0001748740570000024
和c步骤所提供的算法对重力工具面角进行计算，并存储到两个数组里；
e、持续数个固定时间段后，分别计算两数组内数据的标准差，选取标准差相对小的数组末尾数据，作为真实的重力工具面角计算值。
作为优选，所述b步骤中，所采集的数据仅在静态工况下更新。
作为优选，所述d步骤中，固定时间段为1s。
作为优选，所述d步骤中，固定时间段为5s。
作为优选，所述d步骤中，固定时间段为10s。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明通过提供一种基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法，利用井底振动对磁通门的输出影响较小，构建以磁通门输出数据为基准的数学模型，通过与传统算法的有效结合，进而解决了现有小量程MEMS加速度传感器应用传统算法无法测量重力工具面角的技术问题，确保了重力工具面角数据的准确性，同时，大为提升小量程MEMS加速度传感器的适用范围、降低MWD系统成本，有较好的推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为振动工况下小量程MEMS传感器数据采集及处理图；
图2为井底定向钻进时重力工具面角计算结果图；
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1，本实施例提供一种基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法
首先为了确保采集数据的准确性，在本实施例中，在探随钻测斜仪上的小量程MEMS加速度传感器和磁通门满足室温下，加速度传感器灵敏度小于1mg，磁通门灵敏度小于5nT，这样，就由小量程MEMS加速度传感器和磁通门构成了传感器小节。
然后，采集的保存静态工况下的井斜(INC)、方位(Az)以及磁倾角(λ)的数据，在本实施例中，选用某型号MEMS加速度传感器，该传感器量程为±1.7g(g为重力加速度单位)，内置滑动平均数字滤波器，采样频率为512Hz，滑动步长可选。
若噪声振动幅值小于1.7g，经过MEMS加速度传感器采集的数据，再由低通滤波器后，即可得到稳定的输出信号；若噪声振动幅值大于1.7g，经过MEMS加速度传感器采集的数据，再由低通滤波器后，无法还原真实的输出信号。具体效果可参考图1，同样的信号，添加了不同幅值、同频率的噪声干扰经滤波后的效果。图1中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为加速度值，单位为g。可以很明显的看出，小振幅干扰对MEMS传感器信号的采集及处理基本没有影响；大振幅干扰时，因MEMS对超量程的振动做了截止处理，造成了信号失真，最终得到的数据也是干扰相当严重。井底的振动更为复杂，而不仅仅是图2中所示的定频、定幅值干扰，故小量程的MEMS加速度传感器采集到的井底信号失真更为严重。
小量程MEMS加速度传感器在超量程振动工况下，无法正常采集真实信号，但其优点亦相当显著，在小振动工况下，性能优异。静态测量工况下，由MEMS加速度传感器计算(或参与计算)的井斜角、方位、重力工具面角仍是可信的。
在本实施例中，通过采集数据，获得，井斜(INC)为13.0°，方位(Az)为91.3°，本实施例所采集的数据地为山东东营某油田，当地磁倾角为58.0°。
在定向钻进工况下，收集加速度传感器和磁通门所发送的数据，如表1所示：
表1，定向钻进工况下，加速度传感器(Gx，Gy)和磁通门(Bx，By)数据
Figure BDA0001748740570000051
通过磁通门(Bx，By)数据，构建数学模型：
Bx＝cosλcosAzcosINCcosGTF-sinλsinINCcosGTF-cosλsinAzsinGTF
By＝cosλsinAzcosGTF+cosλcosAzcosINCsinGTF-sinλsinINCsinGTF
进而得到
Figure BDA0001748740570000061
Figure BDA0001748740570000062
Figure BDA0001748740570000063
式中，Bx、By为磁通门X分量和Y分量数值；GTF为重力工具面。
然后，结合传统的算法：
Figure BDA0001748740570000064
式中，Gx、Gy为小量程MEMS加速度传感器X分量和Y分量数值；GTF`为传统算法得到的重力工具面。
然后，将采集到的Gx、Gy、Bx、By以1S为时间段，将相关数据代入到传统算法和本实施例提供的数学模型中，得到相应的数字，将其归类到两组内。
最后，持续数个固定时间段后，分别计算两数组内数据的标准差，选取标准差相对小的数组末尾数据，作为真实的重力工具面角计算值。
数据结果如下：
表2井底定向钻进时重力工具面角计算数据
Figure BDA0001748740570000065
Figure BDA0001748740570000071
表中，标准差1指传统算法一组的标准差，标准差2指发明所提供算法一组的标准差。
通过数据验证以及图2构建的数据结果图，可以明显的看出本实施例所提供的方法误差在±0.1°之间，数据测量准确。需要说明是，可以将本实施例提供的数学公式或模型应用到软件中，方便快速计算。
实施例2，本实施例提供一种基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法
同实施例1相比，在本实施例中，将时间段选为5s，所获得采集数据如下：
表3，定向钻进工况下，以5s为单位加速度传感器(Gx，Gy)和磁通门(Bx，By)数据
Figure BDA0001748740570000072
Figure BDA0001748740570000081
经过计算，获得数据如下：
表4井底定向钻进时以5s为时间间隔重力工具面角计算数据
Figure BDA0001748740570000082
Figure BDA0001748740570000091
通过数据验证可以明显的看出本实施例所提供的方法误差在±0.1°之间，数据计算准确。
实施例3，本实施例提供一种基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法
同实施例1和实施例2相比，在本实施例中，将时间段选为10s，所获得采集数据如下：
表5，定向钻进工况下，以10s为单位加速度传感器(Gx，Gy)和磁通门(Bx，By)数据
Figure BDA0001748740570000092
经过计算，获得数据如下：
表6井底定向钻进时以10s为时间间隔重力工具面角计算数据
Figure BDA0001748740570000093
Figure BDA0001748740570000101
通过数据验证可以明显的看出本实施例所提供的方法误差在±0.1°之间，数据计算准确。
综上验证，本发明所提供的方法能够准确的计算出实际的重力工具面角，有效的解决现有定向钻进工况下，无法准确计算重力工具面角的技术问题，同时，本发明大为提升小量程MEMS加速度传感器的适用范围、降低MWD系统成本，有较好的推广价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法，其特征在于，包括以下有效步骤：
a、首先确保探随钻测斜仪上的小量程MEMS加速度传感器和磁通门满足室温下，加速度传感器灵敏度小于1mg，磁通门灵敏度小于5nT；
b、采集的保存静态工况下的井斜INC、方位Az以及磁倾角λ的数据；
c、建立传感器正交校准数学模型：
Bx＝cosλcosAz cosINC cosGTF-sinλsinINC cosGTF-cosλsinAz sinGTF
By＝cosλsinAz cosGTF+cosλcosAz cosINC sinGTF-sinλsinINC sinGTF
进而得到
Figure FDA0003893072820000011
Figure FDA0003893072820000012
Figure FDA0003893072820000013
式中，Bx、By为磁通门X分量和Y分量数值；GTF为重力工具面；
d、每隔固定时间段，将获取的加速度传感器和磁通门分量数值分别按
Figure FDA0003893072820000014
和c步骤所提供的算法对重力工具面角进行计算，并存储到两个数组里；
e、持续数个固定时间段后，分别计算两数组内数据的标准差，选取标准差相对小的数组末尾数据，作为真实的重力工具面角计算值。
2.根据权利要求1所述的基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法，其特征在于，所述b步骤中，所采集的数据仅在静态工况下更新。
3.根据权利要求2所述的基于小量程MEMS加速度传感器的随钻测斜仪重力工具面角计算方法，其特征在于，所述d步骤中，固定时间段为1s或5s或10s。
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