CN110107281A - 一种基于实际采集传感器数据的钻铤姿态测量方法 - Google Patents

一种基于实际采集传感器数据的钻铤姿态测量方法 Download PDF

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康鹏
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Abstract

本发明公开了一种基于实际采集传感器数据的钻铤姿态测量方法，包括以下步骤：(a)根据钻铤的运动过程及传感器数据特性，对加速度计数据进行低通滤波；(b)使用钻铤静止时数据估计加速度计零偏；(c)根据(b)结果补偿加速计零偏，对钻铤旋转运动阶段加速度计输出进行修正；(d)计算相应时间序列下钻铤的磁工具面角MHS及重力在重力在钻铤的投影；(e)计算相应时间序列下的井斜工具面角INCMHS和井斜角INC。能够提高钻铤磁工具面角、井斜角、井斜工具面角解算稳定性。

Description

一种基于实际采集传感器数据的钻铤姿态测量方法
技术领域
本发明涉及测量领域，特别涉及一种基于实际采集传感器数据的钻铤姿态测量方法。
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，钻铤工作在较为恶劣的环境下，各个传感 器的输出数据随时间而积累可能会产生无法估计的误差，，捷联系统的姿态解算原理决定了传 感器输出误差会严重影响钻铤姿态角的解算。因此提高钻铤姿态角的解算稳定性成为解决旋 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基于实际采集传感器数据的钻铤姿态测量方法，能 够提高钻铤磁工具面角、井斜角、井斜工具面角解算稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种基于实际采集传感器数据的钻铤姿态解算方法，包括以下步骤：
(a)根据钻铤的运动过程及传感器数据特性，对加速度计数据进行低通滤波；
(b)使用钻铤静止时数据估计加速度计零偏；
(c)根据(b)结果补偿加速计零偏，对钻铤旋转运动阶段加速度计输出进行修正；
(d)计算相应时间序列下钻铤的磁工具面角MHS及重力在重力在钻铤的投影；
(e)计算相应时间序列下的井斜工具面角INCMHS和井斜角INC。
优选地，在步骤(a)中，所述加速度计的有效数据集中于低频6Hz之内。
优选地，在步骤(a)中，选用切比雪夫I型滤波器对所述数据进行滤波，其中通带上限 频率为ωp＝15Hz，阻带下限频率为ωs＝20Hz，通带和阻带对应的最大衰减系数分别为：ap＝0.5dB,as＝20dB。
优选地，在步骤(a)中，其中所述切比雪夫I型滤波器的传递函数为
优选地，在步骤(b)中钻铤运动过程可知前20s内钻铤处于静止状态。
优选地，在步骤(b)中的零偏估算过程为：对于加速度计在钻铤运动过程中不可避免的 存在振动加速度av，由传感器配置，x轴和y轴上都分别反正有两个加速度计，旋转中加速 度计测量到的比力可以表示为：
其中，ax和ay分别是x轴和y轴真实要测量的加速度，av,x和av,y分别是x轴和y轴加速度计测得的振动加速度，和为加速计每次启动后常值零偏，随机零偏和为白噪声，联立不定方程组，并在线性空间内拟合求可对加速度计零偏进行估算。
优选地，在步骤(d)中，计算方式为：
优选地，在步骤(d)中，重力在钻铤的投影Gp：
优选地，在步骤(e)中，计算方式为：
采用上述技术方案，使得本发明的有益效果在于：
(1)根据钻铤的运动过程及传感器数据特性，通过仿真分析，设计五阶切比雪夫低通滤 波器，对传感器输出数据进行预处理，提高数据有效性的和精度；
(2)根据钻铤的运动过程，利用前20s内钻铤处于静止状态数据，对加速度计零偏进行 估算，并根据加速度计零偏估算结果，对钻铤旋转运动阶段加速度计输出进行补偿；
(3)根据钻铤不同姿态及磁工具面角MHS与和关系，建立磁工具面角MHS真值解算表。
附图说明
图1为x轴磁通门局部数据曲线
图2为x正轴加速度计数据曲线
图3为数字低通滤波器的幅频响应曲线
图4为x正轴加速度计滤波效果曲线
图5为前20s磁工具面角MHS解算结果
图6为处理前后旋转阶段井斜角INC解算结果
图7为处理前后旋转阶段井斜工具面角INCMHS解算结果
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。
本发明提供了一种测量系统，所述测量系统包括一实际采集传感器和一滤波器，所述实 际采集传感器采集数据并处理，所述滤波器对所述实际采集传感器的输出数据进行预处理， 提高了数据的有效性和精度。所述实际采集传感器包括多个加速度计和一磁通门，通过所述 加速度计和所述磁通门的数据进行数据采集和数据处理。
根据所述测量系统所实施的测量过程包括以下步骤：
第一步、首先对加速度计数据低通滤波，提高数据有效性的和精度；
第二步、使用钻铤静止时数据估计加速度计零偏；
第三步、根据S2结果补偿加速度计零偏，对钻铤旋转运动阶段加速度计输出进行修正；
第四步、计算相应时间序列下钻铤的磁工具面角MHS及重力在重力在钻铤的投影；
第五步、计算相应时间序列下的井斜工具面角INCMHS和井斜角INC。
根据上述过程，实际编排中在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， 磁通门采用冗余设计。
采集信息如下：
(1)钻铤X、Y、Z轴加速度表分量(“+”和“－”分别表示坐标系的正轴和负轴)；
(2)磁通门X、Y、Z轴分量
其中x轴磁通门局部数据曲线、x正轴加速度计数据曲线分别如图2、图3所示。
具体地，在第一步中，根据所述测量系统应用背景，加速度计有效数据集中于低频6Hz 以内，存在频带比较宽的高频噪声，因此前期对加速度计数据进行低通滤波可以提高数据有 效性的和精度，截止频率处要求较为陡降，而且对于数字滤波器来说，较低的阶数才能使得 通带相位接近于线性，也便于计算，同时对于通带的纹波可以不必过多考虑。
具体地，在第二步中，根据上述的选定原则，本发明选定切比雪夫I型滤波器，选定通 带上限频率为ωp＝15Hz，阻带下限频率为ωs＝20Hz，通带和阻带对应的最大衰减系数分 别为：ap＝0.5dB,as＝20dB。
通过仿真分析，使用五阶滤波器可满足上述要求，设计的切比雪夫滤波器传递函数为：
其中数字低通滤波器的幅频响应如图4所示，x正轴加速度计滤波效果如图5所示。根据钻铤运动过程可知前20s内钻铤处于静止状态，再利用20s内采集到的传感器数据，计算磁工具面角MHS，则MHS平均值可作为此时钻铤真实磁工具面角。
在上述过程中，根据钻铤运动过程可知前20s内钻铤处于静止状态，再利用20s内采集 到的传感器数据，计算磁工具面角MHS，则MHS平均值可作为此时钻铤真实磁工具面角。 另一方面，对于加速度计在钻铤运动过程中不可避免的存在振动加速度，由传感器配置，x 轴和y轴上都分别反正有两个加速度计，旋转中加速度计测量到的比力可以表示为：
其中，ax和ay分别是x轴和y轴真实要测量的加速度，av,x和av,y分别是x轴和y轴加速度计测得的振动加速度，和为加速计每次启动后常值零偏，可认为都是恒值，随机零偏和为白噪声，联立不定方程组，并在线性空间内拟合求可对加速度计零偏进行估算。
在第四步中，根据磁工具面角MHS与和关系，可得MHS计算公式如表1所示的MHS的真值解。其中前20s磁工具面叫MHS解算结果如图6所示。
具体地，根据磁工具面角MHS与和关系，可得MHS计算公式如表1所示：
表1 MHS的真值解
进一步地，计算方式为：
其中，重力在钻铤的投影Gp：
在第五步中，计算方式为：
利用本发明公开的方法对实际采集数据进行处理，通过对比分析，发现本发明可提高井 斜角INC、井斜工具面角INCMHS解算稳定性。处理前后旋转阶段井斜角INC、井斜工具面 角INCMHS解算结果如图7所示。
根据上述的实施内容，本发明进一步地提供了一种钻铤姿态解算方法，包括以下步骤：
(a)根据钻铤的运动过程及传感器数据特性，对加速度计数据进行低通滤波；
(b)使用钻铤静止时数据估计加速度计零偏；
(c)根据(b)结果补偿加速计零偏，对钻铤旋转运动阶段加速度计输出进行修正；
(d)计算相应时间序列下钻铤的磁工具面角MHS及重力在重力在钻铤的投影；
(e)计算相应时间序列下的井斜工具面角INCMHS和井斜角INC。
根据上述钻铤姿态解算方法，在步骤(a)中，所述加速度计的有效数据集中于低频6Hz 之内。
根据上述钻铤姿态解算方法，在步骤(a)中，选用切比雪夫I型滤波器对所述数据进行 滤波，其中通带上限频率为ωp＝15Hz，阻带下限频率为ωs＝20Hz，通带和阻带对应的最 大衰减系数分别为：ap＝0.5dB,as＝20dB。
根据上述钻铤姿态解算方法，在步骤(a)中，其中所述切比雪夫I型滤波器的传递函数 为
根据上述钻铤姿态解算方法，在步骤(b)中钻铤运动过程可知前20s内钻铤处于静止状 态。
根据上述钻铤姿态解算方法，在步骤(b)中的零偏估算过程为：对于加速度计在钻铤运 动过程中不可避免的存在振动加速度av，由传感器配置，x轴和y轴上都分别反正有两个加 速度计，旋转中加速度计测量到的比力可以表示为：
其中，ax和ay分别是x轴和y轴真实要测量的加速度，av,x和av,y分别是x轴和y轴加速度计测得的振动加速度，和为加速计每次启动后常值零偏，随机零偏和为白噪声，联立不定方程组，并在线性空间内拟合求可对加速度计零偏进行估算。
根据上述钻铤姿态解算方法，在步骤(d)中，计算方式为：
根据上述钻铤姿态解算方法，在步骤(d)中，重力在钻铤的投影Gp：
根据上述钻铤姿态解算方法，在步骤(e)中，计算方式为：
具体地，如图1和图2所示的x轴磁通门局部数据曲线、x正轴加速度计数据曲线。
如图3所示的数字低通滤波器的幅频响应。如图4所示的x正轴加速度计滤波效果；如 图5所示的其中前20s磁工具面叫MHS解算结果。其中根据磁工具面角MHS与和关系， 可得MHS计算公式如表1所示的MHS的真值解。
利用本发明公开的方法对实际采集数据进行处理，通过对比分析，发现本发明可提高井 斜角INC、井斜工具面角INCMHS解算稳定性。处理前后旋转阶段井斜角INC、井斜工具面 角INCMHS解算结果如图6、图7所示。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公认常识。
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)

1.一种基于实际采集传感器数据的钻铤姿态解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)根据钻铤的运动过程及传感器数据特性，对加速度计数据进行低通滤波；
(b)使用钻铤静止时数据估计加速度计零偏；
(c)根据(b)结果补偿加速计零偏，对钻铤旋转运动阶段加速度计输出进行修正；
(d)计算相应时间序列下钻铤的磁工具面角MHS及重力在重力在钻铤的投影；
(e)计算相应时间序列下的井斜工具面角INCMHS和井斜角INC。
2.根据权利要求1所述的钻铤姿态解算方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述加速度计的有效数据集中于低频6Hz之内。
3.根据权利要求2所述的钻铤姿态解算方法，其特征在于，在步骤(a)中，选用切比雪夫I型滤波器对所述数据进行滤波，其中通带上限频率为ωp＝15Hz，阻带下限频率为ωs＝20Hz，通带和阻带对应的最大衰减系数分别为：ap＝0.5dB,as＝20dB。
4.根据权利要求3所述的钻铤姿态解算方法，其特征在于，在步骤(a)中，其中所述切比雪夫I型滤波器的传递函数为
5.根据权利要求1所述的钻铤姿态解算方法，其特征在于，在步骤(b)中钻铤运动过程可知前20s内钻铤处于静止状态。
6.根据权利要求5所述的钻铤姿态解算方法，其特征在于，在步骤(b)中的零偏估算过程为：对于加速度计在钻铤运动过程中不可避免的存在振动加速度av，由传感器配置，x轴和y轴上都分别反正有两个加速度计，旋转中加速度计测量到的比力可以表示为：
fx+＝ax+av,x++▽0,x++▽1,x+
fx-＝-ax+av,x-+▽0,x-+▽1,x-
fy+＝ay+av,y++▽0,y++▽1,y+
fy-＝-ay+av,y-+▽0,y-+▽1,y-，
其中，ax和ay分别是x轴和y轴真实要测量的加速度，av,x和av,y分别是x轴和y轴加速度计测得的振动加速度，▽0,x和▽0,y为加速计每次启动后常值零偏，随机零偏▽1,x和▽1,y为白噪声，联立不定方程组，并在线性空间内拟合求可对加速度计零偏进行估算。
7.根据权利要求1所述的钻铤姿态解算方法，其特征在于，在步骤(d)中，计算方式为：
8.根据权利要求7所述的钻铤姿态解算方法，其特征在于，在步骤(d)中，重力在钻铤的投影Gp：
9.根据权利要求1所述的钻铤姿态解算方法，其特征在于，在步骤(e)中，计算方式为：
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