CN117145456A - 一种钻具欧拉角参数动态测量方法、介质及系统 - Google Patents

一种钻具欧拉角参数动态测量方法、介质及系统 Download PDF

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CN117145456A CN202311020751.5A CN202311020751A CN117145456A CN 117145456 A CN117145456 A CN 117145456A CN 202311020751 A CN202311020751 A CN 202311020751A CN 117145456 A CN117145456 A CN 117145456A
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Abstract

本发明提供了一种钻具欧拉角参数动态测量方法、介质及系统，属于钻具测量技术领域，该钻具欧拉角参数动态测量方法、介质及系统包括以下步骤：确定钻具的初始欧拉角度[Af,If,Tf]，依据初始工具面角、转速、旋转方向获取所述欧拉角在下一测点的取值区间；在钻具开始运动后前t次采样内，形成方位角与井斜角解算误差阈值；获得解算误差阈值后，获取判别数组，并对判别数组进行分类；根据得到的判别数组的分类，判断钻具当前运动状态，并对所述方位角、井斜角在下一测点的取值区间进行缩小，提高所述欧拉角度的解算精度与效率；本发明能够解决磁三分量方程组进行求解时计算量大、存在多解性的问题，满足实时测量的要求。

Description

一种钻具欧拉角参数动态测量方法、介质及系统
技术领域
本发明属于钻具测量技术领域，具体而言，涉及一种钻具欧拉角参数动态测量方法、介质及系统。
背景技术
旋转导向钻井系统是一项尖端自动化钻井新技术，可以随钻实时完成导向功能，在资源勘探上发挥了重大作用。其中，钻具姿态参数的求解是旋转导向钻井技术的关键部分,关系到井下工具姿态控制和井眼轨迹跟踪控制问题。常见的姿态计算方法有：欧拉角法、方向余弦法、四元数法和等效旋转矢量法等。其中欧拉角法也称为三参数法，即若载体在初始时间位于参考坐标系中，则可以通过三个方向余弦矩阵来描述载体以一定顺序执行三次旋转动作的过程，其姿态信息可由沿不同坐标轴旋转三次不同的角度表示，这三个角度被称为欧拉角。在旋转导向钻井系统中，这三个角度分别称为方位角(A)、井斜角(I)、工具面角(T)。欧拉角法较为简单，应用较广，它通过采用重力加速度计、磁通门三分量仪、角陀螺仪组成姿态测量系统，称为探管。通过探管采集重力加速度三分量gx,gy,gz,与磁三分量bx,by,bz，带入到式(1)、(2)中，可以联合解算出工具面角(T)、井斜角(I)、方位角(A)的精确值。但是钻具在工作情况下，会产生强烈震动，导致重力加速度计的测量结果严重失真，因此采用加速度计和磁通门三分量仪器的测量结果对欧拉角姿态参数只能在钻具静态时使用，不能满足动态测量的要求。
由于式(2)没有解析解，因此在重力加速度计不可用的状态下，只能对式(2)求取数值解，即在A、I、T的取值范围内，遍历搜索出一组可以满足式(2)的最优的欧拉角组合。方位角、井斜角、工具面角在全空间的取值范围分别为[0，360]°、[0，180]°、[0，360]°，在如此庞大的空间内搜索最优欧拉角组合，计算量巨大，很难满足实时测量的要求，并且会有多组欧拉角组合可以在误差范围内满足式(2)，从而导致解算错误。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种钻具欧拉角参数动态测量方法、介质及系统，能够解决磁三分量方程组进行求解时计算量大、存在多解性的问题，满足实时测量的要求。
本发明是这样实现的：
本发明的第一方面提供一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其中，包括以下步骤：
S10、确定钻具的初始欧拉角度Af,If,Tf，转速，旋转方向，确定下一次测点的所述欧拉角取值区间，其中，所述Af为钻具的方位角，所述If为钻具的井斜角，所述Tf为钻具的工具面角；
S20、确定钻具的方位角与井斜角解算误差阈值；
S30、获取判别数组，并对判别数组进行分类；
S40、根据得到的判别数组的分类，对所述方位角、井斜角的取值区间进行缩小，提高所述欧拉角度的精度。
在上述技术方案的基础上，本发明的一种钻具欧拉角参数动态测量方法还可以做如下改进:
其中，对Af,If的变化区间进行扩大的方法为：以初始欧拉角度为中心，向两端各拓展1°作为Af、If的初始变化区间。
其中，所述Tf的变化区间进行扩大的公式为：
其中，,ΔT为工具面角在采样区间内转过的大致角度,v为钻具钻速，f为磁通门三分量仪的采样频率，RangeT为工具面角在下一测点的变化区间即搜索范围。
进一步的，所述确定钻具的方位角与井斜角解算误差阈值的步骤，具体为：
当钻具开始钻进，制定一个时间-误差曲线ε，用于调整解算误差阈值；当方位角与井斜角角度处于这个阈值内时，则认为方位角和井斜角未发生变化；
其中，所述时间-误差曲线制定的步骤，具体为：
步骤1、初始化一条时间-误差曲线，所述时间-误差曲线上只有一个点，横纵坐标均为0；
步骤2、当钻具开始钻进后，由于钻具造斜能力有限，在前t次采样内，可以认为钻具的井斜角与方位角并未发生实质变化，解算出来的方位角、井斜角与初始方位角、井斜角之间的差值，可以认为是噪声引起的误差。采集当前测点解算的方位角、井斜角解算值，并与初始方位角、井斜角做差，存入时间-误差曲线；
具体的时间-误差曲线公式为：
εA(i)＝A(i)-Af；
εI(i)＝I(i)-If；
其中i＜t，t的取值取决于钻具具体的造斜能力与磁通门三分量仪的采样频率，εA(i)为当前方位角的误差，A(i)为当前方位角解算值，εI(i)为当前井斜角的误差，I(i)为当前井斜角解算值。
其中，所述获取判别数组，并对判别数组进行分类的步骤，具体为：
步骤一、设置判别数组JugleArray，具体是：
其中，i为判别数组索引，A为当前采样点的方位角，A′为上一采样点的方位角，ε为时间-误差曲线最大解算误差，abs为绝对值函数，N为超参数，取值在2000-4000之间。JugleArray[i]为判别数组元素，表示当前方位角相较于上一测点方位角的旋转方向。“0”表示并未发生旋转，“1”表示发生顺时针旋转，“0”表示发生逆时针旋转。
步骤二、判别数组填满后，根据JugleArray内的数值，对所述JugleArray进行分类，包括：
第一分类、JugleArray内的数值全为0；
第二分类、JugleArray的内数值只包含0、1，且1的数量超过
第三分类、JugleArray的内数值只包含0、-1，且-1的数量超过
进一步的，所述根据得到的判别数组的分类，对所述欧拉角度的范围进行缩小，提高所述欧拉角度的精度的方法，具体是：
当所述JugleArray为第一分类，则将当前方位角Af的搜变化区间可以缩减为一个单值；
当所述JugleArray为第二分类，则当前Af的变化区间可以减少到原来的一半，即RangeA＝[Af，Af+C]；
当所述JugleArray为第三分类，则将Af的变化区间设置为RangeA＝[Af-C，Af]，其中C的取值为[0，1]。
当JugleArray为第一分类时，说明此时钻具的方位角在判别窗口内不变，因此当前方位角A的搜索区间可以缩减为一个单值，不需要对A进行解算，可以降低数值解搜索维度，大量减少解算时间；
当JugleArray为第二分类时，说明钻具的方位角有顺时针旋转的趋势，因此当前A的搜索区间可以减少到原来的一半；
当JugleArray为第三分类时，说明钻具的方位角有逆时针旋转的趋势。
进一步的，所述设置判别数组JugleArray的方法，具体是：
当当前采样点方位角比上一采样点大，且差值的绝对值大于解算误差，设定判别数组JugleArray元素取值为1；
当当前采样点方位角比上一采样点小，且差值的绝对值大于解算误差，设定数组JugleArray元素取值为-1。
8.根据权利要求7所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，所述解算误差阈值为：时间-误差曲线所确定的解算误差阈值。
本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令运行时，用于执行上述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法。
本发明的第三方面提供一种钻具欧拉角参数动态测量系统，其中，包括钻具、姿态测量系统、上位机，所述姿态测量系统用于测量钻具姿态，并向所述上位机传输钻具姿态，所述上位机内存储有上述的计算机可读存储介质。
与现有技术相比较，本发明提供的一种钻具欧拉角参数动态测量方法、介质及系统的有益效果是：通过确定钻具的初始欧拉角度[Af，If，Tf]，对Af，If和Tf的变化区间进行扩大，形成所述欧拉角度的范围，方便进行初始化工作，得到欧拉角度的范围；通过确定钻具的方位角与井斜角解算误差阈值，方便判断方位角和井斜角是否发生变化；通过获取判别数组，并对判别数组进行分类，方便根据类别减少欧拉角度的范围；通过根据得到的判别数组的分类，对所述欧拉角度的范围进行缩小，提高所述欧拉角度的精度，减少欧拉角度范围，从而减少解算过程计算量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为一种钻具欧拉角参数动态测量方法的流程图；
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，是本发明第一方面提供一种钻具欧拉角参数动态测量方法的第一实施例，在本实施例中，包括以下步骤：
S10、确定钻具的初始欧拉角度Af，If，Tf，转速，旋转方向，确定下一次测点的所述欧拉角取值区间，其中，所述Af为钻具的方位角，所述If为钻具的井斜角，所述Tf为钻具的工具面角；
S20、确定钻具的方位角与井斜角解算误差阈值；
S30、获取判别数组，并对判别数组进行分类；
S40、根据得到的判别数组的分类，对所述方位角、井斜角的取值区间进行缩小，提高所述欧拉角度的精度。
确定钻具的初始欧拉角度[Af，If，Tf]，依据初始工具面角、转速、旋转方向获取所述欧拉角在下一测点的取值区间；在钻具开始运动后前t次采样内，形成方位角与井斜角解算误差阈值；获得解算误差阈值后，获取判别数组，并对判别数组进行分类；根据得到的判别数组的分类，判断钻具当前运动状态，并对所述方位角、井斜角在下一测点的取值区间进行缩小，提高所述欧拉角度的解算精度与效率；本发明能够解决磁三分量方程组进行求解时计算量大、存在多解性的问题，满足实时测量的要求。
其中，在上述技术方案中，对Af，If的变化区间进行扩大的方法为：以初始欧拉角度为中心，向两端各拓展1°作为Af、If的初始变化区间。
其中，在上述技术方案中，对Tf的变化区间进行扩大的公式为：
其中，ΔT为工具面角在采样区间内转过的大致角度，v为钻具钻速，f为磁通门三分量仪的采样频率，RangeT为工具面角在下一测点的变化区间即搜索范围。
其中，v为钻具钻速，由角陀螺仪测出。
确定各欧拉角的变化区间后，采用查表等方法寻找出最优的一组欧拉角[A，I，f]，作为解算结果，每次解算结束，需要更新初始欧拉角度[Af，If，Tf]更新为当前的解算结果。
进一步的，在上述技术方案中，确定钻具的方位角与井斜角解算误差阈值的步骤，具体为：
当钻具开始钻进，制定一个时间-误差曲线ε，用于调整解算误差阈值；当方位角与井斜角角度处于这个阈值内时，则认为方位角和井斜角未发生变化；
其中，时间-误差曲线制定的步骤，具体为：
步骤1、初始化一条时间-误差曲线，时间-误差曲线上只有一个点，横纵坐标均为0；
步骤2、当钻具开始钻进后，由于钻具造斜能力有限，在前t次采样内，可以认为钻具的井斜角与方位角并未发生实质变化，解算出来的方位角、井斜角与初始方位角、井斜角之间的差值，可以认为是噪声引起的误差。采集当前测点解算的方位角、井斜角解算值，并与初始方位角、井斜角做差，存入时间-误差曲线；
具体的时间-误差曲线公式为：
εA(i)＝A(i)-Af；
εI(i)＝I(i)-If；
其中i＜t，t的取值取决于钻具具体的造斜能力与磁通门三分量仪的采样频率，εA(i)为当前方位角的误差，A(i)为当前方位角解算值，εI(i)为当前井斜角的误差，I(i)为当前井斜角解算值。
其中，在上述技术方案中，获取判别数组，并对判别数组进行分类的步骤，具体为：
步骤一、设置判别数组JugleArray，具体是：
其中，i为判别数组索引，A为当前采样点的方位角，A′为上一采样点的方位角，ε为时间-误差曲线最大解算误差，abs为绝对值函数N为超参数，取值在2000-4000之间。JugleArray[i]为判别数组元素，表示当前方位角相较于上一测点方位角的旋转方向。“0”表示并未发生旋转，“1”表示发生顺时针旋转，“0”表示发生逆时针旋转。
步骤二、判别数组填满后，根据JugleArray内的数值，对所述jugleArray进行分类，包括：
第一分类、JugleArray内的数值全为0；
第二分类、JugleArray的内数值只包含0、1，且1的数量超过
第三分类、JugleArray的内数值只包含0、-1，且-1的数量超过
其中，ε为最大解算误差，由时间-误差曲线得出；
当当前点的方位角与上一采样点的方位角差距在解算误差内时，可以认为两次采样间隔内，方位角没有发生变化，判别数组JugleArray元素取值为0；当当前采样点方位角比上一采样点大时，说明在采样间隔内，方位角顺时针旋转，判别数组JugleArray元素取值为1；当当前采样点方位角比上一采样点小时，说明在采样间隔内，方位角逆时针旋转，判别数组JugleArray元素取值为-1。
进一步的，在上述技术方案中，根据得到的判别数组的分类，对欧拉角度的范围进行缩小，提高欧拉角度的精度的方法，具体是：
当所述JugleArray为第一分类，则将当前方位角Af的搜变化区间可以缩减为一个单值；
当所述JugleArray为第二分类，则当前Af的变化区间可以减少到原来的一半，即RangeA＝[Af，Af+C]；
当所述JugleArray为第三分类，则将Af的变化区间设置为RangeA＝[Af-C，Af]，其中C的取值为[0，1]。
C具体取值取决于钻具钻速的转向能力。
进一步的，在上述技术方案中，设置判别数组JugleArray的方法，具体是：
当当前采样点方位角比上一采样点大，且差值的绝对值大于解算误差，设定判别数组JugleArray元素取值为1；
当当前采样点方位角比上一采样点小，且差值的绝对值大于解算误差，设定数组JugleArray元素取值为-1。
8.根据权利要求7所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，所述解算误差阈值为：时间-误差曲线确定解算误差阈值。
具体的，本发明的原理是：确定钻具的初始欧拉角度[Af，If，Tf]，依据初始工具面角、转速、旋转方向获取所述欧拉角在下一测点的取值区间；在钻具开始运动后前t次采样内，形成方位角与井斜角解算误差阈值；获得解算误差阈值后，获取判别数组，并对判别数组进行分类；根据得到的判别数组的分类，判断钻具当前运动状态，并对所述方位角、井斜角在下一测点的取值区间进行缩小，提高所述欧拉角度的解算精度与效率；本发明能够解决磁三分量方程组进行求解时计算量大、存在多解性的问题，满足实时测量的要求。

Claims (10)

1.一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、确定钻具的初始欧拉角度Af,If,Tf，转速，旋转方向，确定下一次测点的所述欧拉角取值区间，其中，所述Af为钻具的方位角，所述If为钻具的井斜角，所述Tf为钻具的工具面角；
S20、确定钻具的方位角与井斜角解算误差阈值；
S30、获取判别数组，并对判别数组进行分类；
S40、根据得到的判别数组的分类，对所述方位角、井斜角的取值区间进行缩小，提高所述欧拉角度的精度。
2.根据权利要求1所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，对Af,If的变化区间进行扩大的方法为：以初始欧拉角度为中心，向两端各拓展1°作为Af、If的初始变化区间。
3.根据权利要求1所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，所述对Tf的变化区间进行扩大的公式为：
其中，ΔT为工具面角在采样区间内转过的大致角度,v为钻具钻速，f为磁通门三分量仪的采样频率，RangeT为工具面角在下一测点的变化区间即搜索范围。
4.根据权利要求3所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，所述确定钻具的方位角与井斜角解算误差阈值的步骤，具体为：
当钻具开始钻进，制定一个时间-误差曲线ε，用于调整解算误差阈值；当方位角与井斜角角度处于这个阈值内时，则认为方位角和井斜角未发生变化；
其中，所述时间-误差曲线制定的步骤，具体为：
步骤1、初始化一条时间-误差曲线，所述时间-误差曲线上只有一个点，横纵坐标均为0；
步骤2、当钻具开始钻进后，由于钻具造斜能力有限，在前t次采样内，可以认为钻具的井斜角与方位角并未发生实质变化，解算出来的方位角、井斜角与初始方位角、井斜角之间的差值，可以认为是噪声引起的误差；采集当前测点解算的方位角、井斜角解算值，并与初始方位角、井斜角做差，存入时间-误差曲线；
具体的时间-误差曲线公式为：
εA(i)＝A(i)-Af；
εI(i)＝I(i)-If；
其中i＜t，t的取值取决于钻具具体的造斜能力与磁通门三分量仪的采样频率，εA(i)为当前方位角的误差，A(i)为当前方位角解算值，εI(i)为当前井斜角的误差，I(i)为当前井斜角解算值。
5.根据权利要求1所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，所述获取判别数组，并对判别数组进行分类的步骤，具体为：
步骤一、设置判别数组JugleArray，具体是：
其中，i为判别数组索引，A为当前采样点的方位角，A′为上一采样点的方位角，ε为时间-误差曲线最大解算误差，abs为绝对值函数，N为超参数，取值在2000-4000之间；JugleArray[i]为判别数组元素，表示当前方位角相较于上一测点方位角的旋转方向；“0”表示并未发生旋转，“1”表示发生顺时针旋转，“0”表示发生逆时针旋转；
步骤二、判别数组填满后，根据JugleArray内的数值，对所述JugleArray进行分类，包括：
第一分类、JugleArray内的数值全为0；
第二分类、JugleArray的内数值只包含0、1，且1的数量超过
第三分类、JugleArray的内数值只包含0、-1，且-1的数量超过
6.根据权利要求5所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，所述根据得到的判别数组的分类，对所述欧拉角度的范围进行缩小，提高所述欧拉角度的精度的方法，具体是：
当所述JugleArray为第一分类，则将下一测点方位角取值区间可以缩减为一个单值Af；
当所述JugleArray为第二分类，则下一测点方位角取值区间可以减少到原来的一半，即RangeA＝[Af，Af+C]；
当所述JugleArray为第三分类，则将下一测点方位角取值区间设置为RangeA＝[Af-C，Af]，其中C的取值为[0，1]。
7.根据权利要求5所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，所述设置判别数组JugleArray的方法，具体是：
当当前点的方位角与上一采样点的方位角差距在解算误差阈值内时，设定判别数组JugleArray元素取值为0；
当当前采样点方位角比上一采样点大，且差值的绝对值大于解算误差，设定判别数组JugleAvay元素取值为1；
当当前采样点方位角比上一采样点小，且差值的绝对值大于解算误差，设定数组JugleArray元素取值为-1。
8.根据权利要求7所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法，其特征在于，所述解算误差阈值为：时间-误差曲线所确定的解算误差阈值。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令运行时，用于执行权利要求1-8任一项所述的一种钻具欧拉角参数动态测量方法。
10.一种钻具欧拉角参数动态测量系统，其特征在于，包括钻具、姿态测量系统、上位机，所述姿态测量系统用于测量钻具姿态，并向所述上位机传输钻具姿态，所述上位机内存储有如权利要求9所述的计算机可读存储介质。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117823211A (zh) * 2024-03-04 2024-04-05 宁波长壁流体动力科技有限公司 基于数字孪生的液压支架直线度调节方法、装置和设备

Cited By (1)

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CN117823211A (zh) * 2024-03-04 2024-04-05 宁波长壁流体动力科技有限公司 基于数字孪生的液压支架直线度调节方法、装置和设备

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