CN110094199A - 一种mems传感器以及钻铤姿态测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS传感器以及钻铤姿态测量方法，包括：一Z轴陀螺，所述Z轴陀螺具有X轴、Y轴与Z轴；以及多个加速度计和一三轴磁通门，在所述Z轴陀螺的X轴、Y轴与Z轴的正半轴和负半轴各安装有一个加速度计，所述三轴磁通门采用冗余设计。根据各MEMS传感器的输出数据漂移的误差，对传感器输出进行滤波，降低传感器输出噪声，提高钻铤的磁工具面角的解算精度，整体提高了旋转自动导向系统姿态的解算精度。
Description
技术领域
本发明涉及测量领域，特别涉及一种MEMS传感器件以及钻铤姿态测量方法。
背景技术
旋转自动导向技术是上世纪九十年代发展起来的一项高新钻井技术。该技术可以实现对旋转钻井工具的几何导向控制，使实钻井眼轨迹与设计经验轨迹一致，可以提高钻井效率，降低钻井成本。国外各大石油服务公司大都研制了自己的旋转导向钻井系统，国内的很多单位也进行了相关研究，但总体和国外仍有较大差距。
旋转自动导向技术的关键在钻铤姿态的计算，而捷联系统的姿态解算原理决定了它的解算误差随时间而积累。钻铤工作在较为恶劣的环境下，各个传感器的输出数据可能会产生无法估计的误差，而这些误差也会对姿态解算造成较大影响。井斜角和井斜工具面角是通过钻铤的磁工具面姿态角进行相应计算获得的，因此磁工具面姿态角的误差对井斜角和井斜工具面角的影响较大。
因此，提高钻铤磁工具面姿态角的解算精度成为解决旋转导向技术的一个重要的手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种MEMS传感器以及钻铤姿态测量方法，根据各MEMS 传感器的输出数据漂移的误差，对传感器输出进行滤波，降低传感器输出噪声，提高钻铤的钻铤的磁工具面角的解算精度，整体提高了旋转自动导向系统姿态的解算精度。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种MEMS传感器，应用于所述钻铤姿态测量系统，包括：
一Z轴陀螺，所述Z轴陀螺具有X轴、Y轴与Z轴；以及
多个加速度计和一三轴磁通门，在所述Z轴陀螺的X轴、Y轴与Z轴的正半轴和负半轴各安装有一个加速度计，所述三轴磁通门采用冗余设计。
本发明还提供了一种钻铤姿态测量方法，包括以下步骤：
(a)对所述MEMS传感器的所述加速度计和三轴磁通门进行误差漂移；
(b)对所述加速度计和磁通门的采样数据进行滤波处理；
(c)利用磁工具面角MHS与和关系计算磁工具面角MHS；
(d)利用井斜工具面角INCMHS和加速度计、磁通门输出关系计算井斜工具面角INCMHS；
(e)利用井斜角INC与重力在磁工具面上的投影和加速度计输出关系计算井斜角INC。
采用上述技术方案，由于所述MEMS传感器，使得本发明的有益效果在于：第一、降低所述MEMS传感器的输出噪声；第二、提高了钻铤的磁工具面角的解算精度；第三、整体提高了旋转自动导向系统姿态的解算精度。
附图说明
图1为钻铤立体模型示意图；
图2为X轴加速度原始数据和处理后数据对比曲线图；
图3为Y轴加速度原始数据和处理后数据对比曲线图；
图4为Z轴加速度原始数据和处理后数据曲线对比图；
图5为MHS差值对比曲线局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，钻铤姿态测量系统中包括一MEMS传感器，所述MEMS传感器包括一Z轴陀螺10、三个加速度计20和一三轴磁通门30，在X轴、Y轴与Z轴的正半轴和负半轴各安装有一个所述加速度计20，所述三轴磁通门30采用冗余设计。
根据所述MEMS传感器对所述加速度计20和所述三轴磁通门30的误差漂移特性进行分析，进一步地利用二阶差分方程对所述加速度计20和所述三轴磁通门30的采样数据进行滤波处理。
所述加速度计20的误差漂移为：
其中，分别为X、Y、Z轴上加速度计的常值零偏。
所述三轴磁通门30的误差漂移为：
其中，Hp为地磁在磁工具面的投影，Δη为磁工具面角误差。
进一步地，利用磁工具面角MHS与和关系计算磁工具面角MHS：
进一步地，利用井斜工具面角INCMHS和加速度计、磁通门输出关系计算井斜工具面角 INCMHS：
其中，Gp为重力在磁工具面上的投影。
最后，利用井斜角INC与重力在磁工具面上的投影和加速度计输出关系计算井斜角INC。
根据上述测量数据并且计算，如图2-5所示，本发明系统中的处理数据与原始数据进行对比，其中原始数据表示采样加速度计原始数据，处理数据表明采样本发明公开的算法所得结果。
可以发现，采用本发明公开的算法后对加速度计采样数据噪声衰减了约60％，MHS解算精度提高了1゜。由于，降低所述MEMS传感器的输出噪声，进而提高了钻铤的磁工具面角的解算精度，使得整体提高了旋转自动导向系统姿态的解算精度。
因此，根据上述内容，本发明进一步地提供了一种钻铤姿态测量方法，包括以下步骤：
(a)对所述MEMS传感器的所述加速度计和三轴磁通门进行误差漂移；
(b)对所述加速度计和磁通门的采样数据进行滤波处理；
(c)利用磁工具面角MHS与和关系计算磁工具面角MHS；
(d)利用井斜工具面角INCMHS和加速度计、磁通门输出关系计算井斜工具面角INCMHS；
(e)利用井斜角INC与重力在磁工具面上的投影和加速度计输出关系计算井斜角INC。
其中，步骤(a)中的所述加速度计误差漂移为：
其中，步骤(a)中的所述三轴磁通门误差漂移为：
其中，步骤(c)中的计算方式为：
其中，步骤(d)中的计算方式为：
其中，步骤(e)中的计算方式为：
图2-5展示了上述的实时方式中的具体数据对比曲线和局部放大。上述的实施方式为所述钻铤姿态测量系统的测量过程和测量方式。所述井下旋转自动导向钻井装置包括一稳定平台和一翼肋支出以及一控制导向结构构成。其中所述稳定平台包括井下CPU和控制电路以及所述钻铤姿态测量系统。所述钻铤姿态测量系统测量包括近钻头井斜测量，地层评价测量等测量内容，用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数。
所述井下CPU和控制电路接收到所述钻铤姿态测量系统所测量的信息以及地面监控指令进行处理，进而控制所述控制导向结构以完成导向钻井作业。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种MEMS传感器，应用于所述钻铤姿态测量系统，其特征在于，包括：
一Z轴陀螺，所述Z轴陀螺具有X轴、Y轴与Z轴；以及
多个加速度计和一三轴磁通门，在所述Z轴陀螺的X轴、Y轴与Z轴的正半轴和负半轴各安装有一个加速度计，所述三轴磁通门采用冗余设计。
2.一种钻铤姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)对所述MEMS传感器的所述加速度计和三轴磁通门进行误差漂移；
(b)对所述加速度计和磁通门的采样数据进行滤波处理；
(c)利用磁工具面角MHS与和关系计算磁工具面角MHS；
(d)利用井斜工具面角INCMHS和加速度计、磁通门输出关系计算井斜工具面角INCMHS；
(e)利用井斜角INC与重力在磁工具面上的投影和加速度计输出关系计算井斜角INC。
3.根据权利要求2所述的钻铤姿态测量方法，其特征在于，步骤(a)中的所述加速度计误差漂移为：
4.根据权利要求2所述的钻铤姿态测量方法，其特征在于，步骤(a)中的所述三轴磁通门误差漂移为：
5.根据权利要求2所述的钻铤姿态测量方法，其特征在于，步骤(c)中的计算方式为：
6.根据权利要求2所述的钻铤姿态测量方法，其特征在于，步骤(d)中的计算方式为：
7.根据权利要求2所述的钻铤姿态测量方法，其特征在于，步骤(e)中的计算方式为：
8.根据权利要求6或7所述的钻铤姿态测量方法，其特征在于，Gp为重力在磁工具面上的投影，Gp的计算方式为：
9.根据权利要求2所述的钻铤姿态测量方法，其特征在于，所述钻铤姿态测量方法通过一MEMS传感器完成测量，其中所述MEMS传感器包括：一Z轴陀螺，所述Z轴陀螺具有X轴、Y轴与Z轴；以及多个加速度计和一三轴磁通门，在所述Z轴陀螺的X轴、Y轴与Z轴的正半轴和负半轴各安装有一个加速度计，所述三轴磁通门采用冗余设计。
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|---|---|---|---|---|
| CN111380712A (zh) * | 2020-04-05 | 2020-07-07 | 新疆正通石油天然气股份有限公司 | 一种弯曲水平井眼中屈曲管柱钻进的评价方法 |
| CN112963093A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-15 | 长江大学 | 一种旋转导向钻井工具的姿态动态测量和解算方法 |
| CN115628010A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-01-20 | 中海油田服务股份有限公司 | 一种旋转导向工具和应用其的钻井工具 |
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