CN117365450A - 一种测斜仪器及其使用方法与标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测井技术领域，具体公开了一种测斜仪器及其使用方法与标定方法。一种测斜仪器，包括外壳，外壳内设有加速度计组、磁通门组、陀螺仪组、测量电路和电源。本发明采用加速度计、磁通门以及陀螺仪三组传感器，利用磁通门传感器受铁磁物质影响严重，但不易产生温漂或时漂，以及陀螺仪传感器不受铁磁物质影响，但容易产生温漂或时漂的特点，在无铁磁干扰环境下使用磁方位数值，在有铁磁干扰环境下使用陀螺方位数值，互补不足，得到全环境应用的效果。

Description

一种测斜仪器及其使用方法与标定方法

技术领域

本发明属于测井技术领域，具体涉及一种测斜仪器及其使用方法与标定方法。

背景技术

目前，对油气水井井身结构进行测量的仪器主要是连续测斜仪器，在钻井过程中，需要经历两次或两次以上的换不同直径钻头打钻的过程，每钻完一个直径的井段后，需要进行连续测斜测井，以掌握井身的结构参数(井斜和方位两个参数)，这段测井数据假定称为上段数据。然后用钢套管将钻完的井段裸眼井段固定上，称之为固井，固井后的井段我们称之为套管井井段或环境，然后再继续钻下一个井段，再测量井斜和方位两个参数，这段测井数据假定称为下段数据。现有连续测斜仪器从裸眼井段测量进入套管井段时，方位数据会受到套管的干扰，造成套管口附近7m-20m左右方位数据缺失，最终影响到上、下两段数据的连接，资料不完整。同时，现有连续测斜仪器测量只能测到套管口为止，不能继续向上测量到井口形成一次性测量的完整资料，只能通过多段数据拼接的方式合并成“完整”资料导致测量结果不准，影响后续工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测斜仪器及其使用方法与标定方法，以解决现有连续测斜仪器无法形成对一口井进行完整的测量，无法生成完整资料，导致测量结果不准确的技术问题。

第一方面，一种测斜仪器，包括外壳，所述外壳内设有加速度计组、磁通门组、陀螺仪组、测量电路和电源；

所述加速度计组包括三个中心轴互成90°的加速度计，三个加速度计分别为Ax、Ay、Az；

所述磁通门组包括三个中心轴互成90°的磁通门，三个磁通门分别为Mx、My、Mz；

所述陀螺仪组包括三个中心轴互成90°的陀螺仪，三个陀螺仪分别为Gx、Gy、Gz；

所述测量电路用于对加速度计组、磁通门组和陀螺仪组输出的数据进行放大、采集、运算和输出；

所述电源用于给加速度计组、磁通门组、陀螺仪组和测量电路供电。

本发明的进一步改进在于：所述测量电路九个仪表放大器，所述Mx、My、Mz、Gx、Gy、Gz、Mx、My和Mz的信号输出端分别与一个仪表放大器相连，九个所述仪表放大器通过电子开关与A/D转换器相连，所述A/D转换器信号输出端与单片机系统信号输入端相连，所述单片机系统用于对经过A/D转换器的九个信号进行处理，并将处理后的数据通过传输电路传输给地面仪器。

本发明的进一步改进在于：所述单片机系统中的数据处理过程具体包括以下步骤：

采集经过A/D转换器转化过得Ax、Ay、Az、Mx、My、Mz、Gx、Gy和Gz九个传感器模拟电压信号；

通过归一化系数对九个传感器模拟电压信号进行归一化处理；

根据Ax、Ay和Az的标定系数，结合归一化后的Ax、Ay和Az数值，计算出倾斜角；

根据Mx、My和Mz的标定系数，结合归一化后的Ax、Ay、Az、Mx、My和Mz数值，计算出磁方位角；

根据Mx、My和Mz的标定系数，利用Mx、My和Mz和Gx、Gy和Gz之间的归一化关系解算出Gx、Gy和Gz的归一化数值，根据归一化后的Ax、Ay、Az、Gx、Gy和Gz计算出陀螺方位角；

将井斜角、磁方位角、陀螺方位角数值传输到地面仪器。

本发明的进一步改进在于：在计算陀螺方位角时，先通过磁方位角进行赋值，令Gx＝Mx；Gy＝My；Gz＝Mz。

本发明的进一步改进在于：所述外壳采用非铁磁材料制成。

第二方面，一种测斜仪器的使用方法，具体包括以下步骤：

将外壳下入井中，通过电源给加速度计组、磁通门组、陀螺仪组和测量电路供电，使加速度计组、磁通门组和陀螺仪组获取的数据传输给测量电路，测量电路根据测量电路，计算出井斜角、磁方位角、陀螺方位角；

当外壳进入裸眼井段后，从地面仪器向测量电路发送赋值命令，使磁方位角和陀螺方位角相等；

当外壳到达预设测量位置时，将外壳向井外提出，当外壳距离套管口接近预设距离时，再次从地面仪器向测量电路发送赋值命令，使磁方位角和陀螺方位角相等；

继续上提外壳，直至磁方位角的值出现跳动现象，通过测量电路输出陀螺方位角作为方位数据到地面仪器，完成测量。

本发明的进一步改进在于：从第一次从地面仪器向测量电路发送赋值命令，使磁方位角和陀螺方位角相等后，若磁方位角和陀螺方位角再次出现差异，则测量电路4通过磁方位角和陀螺方位角的差值计算出漂移系数，再次根据漂移系数从地面仪器向测量电路发送赋值命令，使磁方位角和陀螺方位角相等。

本发明的进一步改进在于：所述预设距离大于等于30m。

本发明的进一步改进在于：在裸眼井段测量过程中，可任意对陀螺方位角进行赋值；进入套管井段测量后，不再对陀螺方角进行赋值。

第三方面，一种测斜仪器的标定方法，上述的一种测斜仪器，具体包括以下步骤：

将外壳固定在连斜校验台上，将测量电路与标定计算机电性相连，运行标定程序；

调整连斜校验台，分别调整出加速度计传感器Ax、Ay、Az，以及磁通门传感器Mx、My、Mz六个传感器的最大值、最小值和零值的位置，并记录，同时记录磁通门传感器Mx在不同位置时陀螺仪传感器Gx的数值，记录磁通门传感器My在不同位置时陀螺仪传感器Gy的数值，记录磁通门传感器Mz在不同位置时陀螺仪传感器Gz的数值；

归一化所有传感器的最大值、最小值以及零值，并将归一化系数保存在单片机系统中；

令归一化后的陀螺仪传感器Gx、Gy、Gz与归一化后的磁通门传感器Mx、My、Mz全测量范围值相等；

调整连斜校验台，分别调整出不同的方位角值和倾斜角值，同时记录加速度计传感器Ax、Ay、Az，以及磁通门传感器Mx、My、Mz六个传感器的值，利用倾斜角计算公式和方位角计算公式，得到各个传感器的标定系数并保存在测量电路中；

调整连斜校验台，分别调整出不同的方位角值和倾斜角值，根据方位角值和倾斜角值，若方位角值与调整的方位角值误差在±2°范围内，倾斜角与调整的倾斜角值误差在±0.2°范围内，则标定完成；否则，重新进行标定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用加速度计、磁通门以及陀螺仪三组传感器，比现有技术多使用一组传感器。利用磁通门传感器受铁磁物质影响严重，但不易产生温漂或时漂，以及陀螺仪传感器不受铁磁物质影响，但容易产生温漂或时漂的特点，在无铁磁干扰环境下使用磁方位数值，在有铁磁干扰环境下使用陀螺方位数值，互补不足，得到全环境应用的效果。

陀螺方位的数值是这样得到的，在无铁磁干扰环境下将磁方位数值等值赋给陀螺方位，强制令二者相等，陀螺仪的温漂或时漂可以借助磁方位数值进行校正，使得本发明无论在有铁磁干扰环境下还是无铁磁干扰环境下均能得到至少一个正确的方位数值，从而保证整个测量结果的准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明一种测斜仪器的结构示意图；

图2为本发明一种测斜仪器的电路原理框图；

图3为本发明一种测斜仪器的单片机程序流程图；

图4为本发明一种测斜仪器的在连斜校验台上进行标定的示意图；

图5为本发明一种测斜仪器中加速度计组1、磁通门组2或陀螺仪组3中传感器三轴示意图。

图中：1、加速度计组；2、磁通门组；3、陀螺仪组；4、测量电路；5、电源；6、外壳；7、连斜校验台。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1

一种测斜仪器，包括外壳6，外壳6为圆柱形，外壳6内设有加速度计组1、磁通门组2、陀螺仪组3、测量电路4和电源5，

加速度计组1、磁通门组2和陀螺仪组3为传感器部分，测量电路4和电源5组成基础电路，它们共同安装在外壳6的内部，如图1所示，所有电路部分的原理方框图见图2所示，单片机程序流程图见图3所示。

加速度计组1包括三个中心轴互成90°的加速度计，三个加速度计分别为Ax、Ay、Az，由Ax、Ay、Az输出的数据可以计算出斜度数据。

磁通门组2包括三个中心轴互成90°的磁通门，三个磁通门分别为Mx、My、Mz，由Ax、Ay、Az、Mx、My、Mz输出的数据可以计算出磁方位数据。

陀螺仪组3包括三个中心轴互成90°的陀螺仪，三个陀螺仪分别为Gx、Gy、Gz，由Ax、Ay、Az、Gx、Gy、Gz输出的数据可以计算出陀螺方位数据。

传感器部分中的九个输出九个传感器信号。

x、y、z分别代表大地坐标系中的x轴、y轴、z轴，形成空间的三维直角坐标系，每个三维坐标点都可以代表一个空间位置点。

Ax、Mx、Gx传感器的底座都朝向同一个方向，在一个轴向上，命名为x轴；Ay、My、Gy传感器的底座都朝向同一个方向，在一个轴向上，命名为y轴，与x轴成90°夹角；Az、Mz、Gz传感器的底座都朝向同一个方向，在一个轴向上，命名为z轴，与x轴、y轴都成90°夹角。三轴的示意图如图5所示。

测量电路4包括九道放大电路和单片机组成用于传感器部分输出的9个传感器信号进行放大、采集、运算及输出。

如图2所示，测量电路4包括九个仪表放大器、电子开关、传输电路和A/D转换器，九个仪表放大器分别与加速度计组1中的三个加速度计、磁通门组2中的三个磁通门和陀螺仪组3中的三个陀螺仪相连，所有仪表放大器输出端都与电子开关相连，电子开关的信号输出端与A/D转换器相连，A/D转换器与单片机系统电性相连，所述单片机系统控制电子开关的通断，单片机系统信号输出端通过传输电路传输到外接显示器或其它终端。

电源5包括变压器、整流电路和稳压电路，为加速度计组1、磁通门组2、陀螺仪组3和测量电路4提供直流电源。

外壳6使用非铁磁物质制作，如钛合金。

Ax、Ay、Az为加速度计传感器，受地球重力加速度影响，Ax、Ay、Az传感器电连接到后续的仪表放大器进行放大、滤波，仪表放大器信号电连接到后续的电子开关；

Mx、My、Mz为磁通门传感器，受地球磁场影响，Mx、My、Mz传感器电连接到后续的仪表放大器进行放大、滤波，仪表放大器信号电连接到后续的电子开关；

Gx、Gy、Gz为陀螺传感器，受自身姿态影响，Gx、Gy、Gz传感器电连接到后续的仪表放大器进行放大、滤波，仪表放大器信号电连接到后续的电子开关；

电连接到电子开关的九个传感器模拟电压信号电连接到A/D采样电路变成数字信号，进入单片机系统，以数字方式进行计算、存储和传输。

单片机系统中的数据处理过程具体包括以下步骤：

初始化系统运行环境和用户程序；

通过A/D转换器的采集指令，将Ax、Ay、Az、Mx、My、Mz、Gx、Gy、Gz九个传感器模拟电压信号采集到系统中，转换成数字信号，并进行简单的去跳点处理。

调出标定时的归一化系数，对九个数据进行归一化处理。

调出标定时Ax、Ay、Az的标定系数，结合归一化后的Ax、Ay、Az数值，利用倾斜角计算公式，计算出倾斜角。

调出标定时Mx、My、Mz的标定系数，结合归一化后的Ax、Ay、Az、Mx、My、Mz数值，利用方位角计算公式，计算出磁方位角。

调出标定时Mx、My、Mz的标定系数，利用Mx、My、Mz和Gx、Gy、Gz之间的归一化关系解算出Gx、Gy、Gz的归一化数值，利用方位角计算公式，用Ax、Ay、Az、Gx、Gy、Gz计算出陀螺方位角。陀螺方位角应通过磁方位角进行赋值(令Gx＝Mx、Gy＝My、Gz＝Mz)才能计算正确数值。

将井斜角、磁方位角、陀螺方位角数值传输到地面仪器。

实施例2

测斜仪器需要定期标定，用以确保测量结果的准确性，一种测斜仪器的标定方法，基于实施例1中的一种测斜仪器，具体包括以下步骤：

S1：将外壳6固定在连斜校验台7上，如图4所示，将测量电路4通过电缆到标定计算机电性相连，运行标定程序；

S2：调整连斜校验台7，分别调整出加速度计传感器Ax、Ay、Az，以及磁通门传感器Mx、My、Mz六个传感器的最大值、最小值和零值的位置，并记录，同时记录磁通门传感器Mx在不同位置时陀螺仪传感器Gx的数值，记录磁通门传感器My在不同位置时陀螺仪传感器Gy的数值，记录磁通门传感器Mz在不同位置时陀螺仪传感器Gz的数值；

S3：归一化各传感器的最大值、最小值以及零值，优选最大值位置为1000，最小值位置为-1000，零值位置为0，并将归一化系数保存在单片机系统中；

S4：令归一化后的陀螺仪传感器Gx、Gy、Gz与磁通门传感器Mx、My、Mz全测量范围值相等；

S5：调整连斜校验台7，分别调整出不同的方位角值和倾斜角值，同时记录加速度计传感器Ax、Ay、Az，以及磁通门传感器Mx、My、Mz六个传感器的值，利用倾斜角计算公式和方位角计算公式，得到各个传感器的标定系数并保存在单片机系统中，标定系数包括方位角值和倾斜角值；

S5：调整连斜校验台7，分别调整出不同的方位角值和倾斜角值，根据方位角值和倾斜角值，若方位角值与调整的方位角值误差在±2°范围内，倾斜角与调整的倾斜角值误差在±0.2°范围内，则标定完成；否则，重新进行标定。

标定工作完成后，实施例1中的一种测斜仪器即可在现场使用。

实施例3

一种测斜仪器的使用方法，基于实施例1中的一种测斜仪器，具体包括以下步骤：

A1：在井场，将外壳6连接在入井仪器串上，与仪器串一起下入井中，通过电源5给加速度计组1、磁通门组2、陀螺仪组3和测量电路4供电，加速度计组1、磁通门组2、陀螺仪组3获取的数据传输给测量电路4中的单片机系统，单片机自动调出标定过程中形成的归一化系数和标定系数，计算出井斜角、磁方位角、陀螺方位角；

A2：待外壳6进入裸眼井段后，从地面仪器向测量电路4发送赋值命令，使磁方位值和陀螺方位值是相等的，二者数值同步变化；

A3：经过一段时间后，由于工作时间的加长和井内温度的影响，磁方位值和陀螺方位值可能会出现差异，测量电路4中的单片机系统通过磁方位值和陀螺方位值的差值计算出漂移系数，再次从地面仪器向测量电路4发送赋值命令，使磁方位值和陀螺方位值是相等的；

A4：外壳6到达测量位置后，上提外壳6进行测量，测量过程中，继续观察磁方位值和陀螺方位值的差异情况，当外壳6距离套管口接近预设距离时，再次从地面仪器向测量电路4发送赋值命令，使磁方位值和陀螺方位值是相等的，预设距离在本实施例中大于等于30m；

A5：继续上提外壳6，磁方位数值开始出现跳动现象，说明磁方位受到了套管的干扰，但此时，陀螺方位数值是正确的，可以使用陀螺方位数值作为方位数值，通过测量电路4传输陀螺方位到地面仪器，完成测量，这样就能保证方位数据的正确；

在裸眼井段测量过程中，可任意对陀螺方位进行赋值。进入套管井段测量后，不可对陀螺方位进行赋值。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测斜仪器，其特征在于，包括外壳(6)，所述外壳(6)内设有加速度计组(1)、磁通门组(2)、陀螺仪组(3)、测量电路(4)和电源(5)；

所述加速度计组(1)包括三个中心轴互成90°的加速度计，三个加速度计分别为Ax、Ay、Az；

所述磁通门组(2)包括三个中心轴互成90°的磁通门，三个磁通门分别为Mx、My、Mz；

所述陀螺仪组(3)包括三个中心轴互成90°的陀螺仪，三个陀螺仪分别为Gx、Gy、Gz；

所述测量电路用于对加速度计组(1)、磁通门组(2)和陀螺仪组(3)输出的数据进行放大、采集、运算和输出；

所述电源(5)用于给加速度计组(1)、磁通门组(2)、陀螺仪组(3)和测量电路(4)供电。

2.根据权利要求1所述的一种测斜仪器，其特征在于，所述测量电路(4)九个仪表放大器，所述Mx、My、Mz、Gx、Gy、Gz、Mx、My和Mz的信号输出端分别与一个仪表放大器相连，九个所述仪表放大器通过电子开关与A/D转换器相连，所述A/D转换器信号输出端与单片机系统信号输入端相连，所述单片机系统用于对经过A/D转换器的九个信号进行处理，并将处理后的数据通过传输电路传输给地面仪器。

3.根据权利要求2所述的一种测斜仪器，其特征在于，所述单片机系统中的数据处理过程具体包括以下步骤：

采集经过A/D转换器转化过得Ax、Ay、Az、Mx、My、Mz、Gx、Gy和Gz九个传感器模拟电压信号；

通过归一化系数对九个传感器模拟电压信号进行归一化处理；

根据Ax、Ay和Az的标定系数，结合归一化后的Ax、Ay和Az数值，计算出倾斜角；

根据Mx、My和Mz的标定系数，结合归一化后的Ax、Ay、Az、Mx、My和Mz数值，计算出磁方位角；

根据Mx、My和Mz的标定系数，利用Mx、My和Mz和Gx、Gy和Gz之间的归一化关系解算出Gx、Gy和Gz的归一化数值，根据归一化后的Ax、Ay、Az、Gx、Gy和Gz计算出陀螺方位角；

将井斜角、磁方位角、陀螺方位角数值传输到地面仪器。

4.根据权利要求3所述的一种测斜仪器，其特征在于，在计算陀螺方位角时，先通过磁方位角进行赋值，令Gx＝Mx；Gy＝My；Gz＝Mz。

5.根据权利要求1所述的一种测斜仪器，其特征在于，所述外壳(6)采用非铁磁材料制成。

6.一种测斜仪器的使用方法，基于权利要求1-5中任一项所述的一种测斜仪器，具体包括以下步骤：

将外壳(6)下入井中，通过电源(5)给加速度计组(1)、磁通门组(2)、陀螺仪组(3)和测量电路(4)供电，使加速度计组(1)、磁通门组(2)和陀螺仪组(3)获取的数据传输给测量电路(4)，测量电路(4)根据测量电路(4)，计算出井斜角、磁方位角、陀螺方位角；

当外壳(6)进入裸眼井段后，从地面仪器向测量电路(4)发送赋值命令，使磁方位角和陀螺方位角相等；

当外壳(6)到达预设测量位置时，将外壳(6)向井外提出，当外壳(6)距离套管口接近预设距离时，再次从地面仪器向测量电路(4)发送赋值命令，使磁方位角和陀螺方位角相等；

继续上提外壳(6)，直至磁方位角的值出现跳动现象，通过测量电路(4)输出陀螺方位角作为方位数据到地面仪器，完成测量。

7.根据权利要求8所述的一种测斜仪器的使用方法，其特征在于，从第一次从地面仪器向测量电路(4)发送赋值命令，使磁方位角和陀螺方位角相等后，若磁方位角和陀螺方位角再次出现差异，则测量电路(4)通过磁方位角和陀螺方位角的差值计算出漂移系数，再次根据漂移系数从地面仪器向测量电路(4)发送赋值命令，使磁方位角和陀螺方位角相等。

8.根据权利要求8所述的一种测斜仪器的使用方法，其特征在于，所述预设距离大于等于30m。

9.根据权利要求8所述的一种测斜仪器的使用方法，其特征在于，在裸眼井段测量过程中，可任意对陀螺方位角进行赋值；进入套管井段测量后，不再对陀螺方角进行赋值。

10.一种测斜仪器的标定方法，基于权利要求1-5中任一项所述的一种测斜仪器，具体包括以下步骤：

将外壳(6)固定在连斜校验台(7)上，将测量电路(4)与标定计算机电性相连，运行标定程序；

调整连斜校验台(7)，分别调整出加速度计传感器Ax、Ay、Az，以及磁通门传感器Mx、My、Mz六个传感器的最大值、最小值和零值的位置，并记录，同时记录磁通门传感器Mx在不同位置时陀螺仪传感器Gx的数值，记录磁通门传感器My在不同位置时陀螺仪传感器Gy的数值，记录磁通门传感器Mz在不同位置时陀螺仪传感器Gz的数值；

归一化所有传感器的最大值、最小值以及零值，并将归一化系数保存在单片机系统中；

令归一化后的陀螺仪传感器Gx、Gy、Gz与归一化后的磁通门传感器Mx、My、Mz全测量范围值相等；

调整连斜校验台(7)，分别调整出不同的方位角值和倾斜角值，同时记录加速度计传感器Ax、Ay、Az，以及磁通门传感器Mx、My、Mz六个传感器的值，利用倾斜角计算公式和方位角计算公式，得到各个传感器的标定系数并保存在测量电路(4)中；

调整连斜校验台(7)，分别调整出不同的方位角值和倾斜角值，根据方位角值和倾斜角值，若方位角值与调整的方位角值误差在±2°范围内，倾斜角与调整的倾斜角值误差在±0.2°范围内，则标定完成；否则，重新进行标定。