CN1888385A - 消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构 - Google Patents

Abstract

一种消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构，主要用于动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的消除，它主要由轴承、铅配重块、定位模块、力矩电机、正反转定位臂、控制电路、惯性体组件组成，通过微控制器给出方波控制信号，由控制电路控制力矩电机，当方波信号为高电平时，力矩电机正转，电机正转定位臂与0°位定位模块接触；当方波信号为低电平时，力矩电机反转，电机反转定位臂与180°位定位模块接触，在力矩电机带动下惯性体组件绕轴承实现了0°和180°对转定位。本发明具有体积小、结构紧凑等优点，适于井下工作的特殊要求，对转定位后可实时消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的影响，使误差不积累，大大提高了系统的测量精度。

Description

消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构

技术领域

本发明属于石油工业中定向钻井技术领域，涉及一种油井测斜用动调式陀螺测斜仪，特别涉及一种消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构，适用于动调式陀螺测斜仪在井下实时测量时，消除其惯性器件的常值误差。

背景技术

动调式陀螺测斜仪是一种精密测斜系统，其核心—惯性体组件采用了航空惯导尖端技术。惯性体组件由一个动力调谐陀螺和两个加速度计组成，其中陀螺用来敏感地球自转角速度分量，加速度计用来敏感重力加速度分量。通过解算可以获得井孔的倾斜角、方位角以及工具面角。

系统的测量精度与惯性体组件所选用的惯性器件的精度有关，通过提高加工工艺，可以提高惯性器件的精度，但是成本巨大。通常对惯性器件误差进行建模，通过转台试验标定出误差系数，并采用误差补偿措施来提高惯性器件的性能及使用精度。其中，惯性器件误差模型中的固定项，即常值误差是影响测量精度的重要因素。

对于动调式陀螺测斜仪，其惯性器件常值误差项是随着环境等因素的变化而变化的，如动调陀螺仪的该项误差不仅与环境温度有关而且和陀螺马达的转速、挠性接头的结构材料、电源电压的波动以及振动等多种因素有关，尤其是壳体具有两倍陀螺马达转速频率的角振动和一倍陀螺马达转速频率的线振动，都会引起较大的误差。现有动调式陀螺测斜仪通过转台试验标定出其惯性器件常值误差项，然后在实际测量时采用软件进行补偿。但是采用软件补偿的方法无法把握温度、湿度、压力、电磁场等不可控因素对常值误差项的影响，造成系统测量精度不高。因此在动调陀螺测斜仪实际测量时实时、精确补偿惯性器件常值误差项是比较困难的。

发明内容

本发明的目的是：为提高系统测量精度，抑制温度、湿度、压力、电磁场等不可控因素的影响，提供一种适于井下工作的小体积、耐高温、高精度的对转定位机构，该机构在测量时可以实时消除陀螺测斜仪中惯性器件的常值误差，使陀螺测斜仪在井下长时间工作而误差不积累，提高了系统的测量精度。

本发明的技术解决方案是：消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构，其特点在于：由轴承(1)、铅配重块(2)、定位模块(3)、力矩电机(4)、正反转定位臂(5)、控制电路(6)、惯性体组件(7)组成，惯性体组件(7)前端由轴承(1)支承，后端与力矩电机(4)连接；力矩电机(4)带有专门正反转定位臂(5)，性体组件(7)外壳上固定有配重模块(2)，定位模块(3)与测斜仪外壳固连，过控制电路(6)控制力矩电机(4)，带动惯性体组件(7)绕轴承(1)转动，与定位模块(3)一起实现0和180对转定位。

利用铅配重块对惯性体组件沿旋转轴方向分别对0°位置和180°位置进行静平衡，适当选取力矩电机也可不进行静平衡。而定位模块分别置于0°和180°位置，并与外壳固连。采用的力矩电机带有专门的正反转定位臂，对转时电机正反转定位臂分别与定位模块接触。其中控制电路选用高温器件，用于接收方波控制信号，控制继电器的常闭触点和常开触点，进而控制电机的正反转，实现惯性体组件的0°和180°正反对转定位。

本发明的原理是：对于动调式陀螺测斜仪，在每个测量点上保持静止，并进行测量。因此，为说明对转定位机构消除惯性器件常值误差的原理，可以选取惯性器件的静态漂移数学模型进行研究。

对于动调陀螺仪，其静态漂移数学模型如下：

${\mathrm{\ω}}_g=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gx}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gy}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x+D\left(x\right)\\ {\mathrm{\ω}}_y+D\left(y\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{D\left(x\right)}_F\\ {D\left(y\right)}_F\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{D\left(x\right)}_x& {D\left(x\right)}_y\\ {D\left(y\right)}_x& {D\left(y\right)}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{D\left(x\right)}_z\\ {D\left(y\right)}_z\end{array}\right]a_z---\left(1\right)$

式中

ω_gx、ω_gy分别为陀螺仪x轴和y轴输出值；

ω_x、ω_y分别为陀螺仪x轴和y轴输入真实角速度；

α_x、α_y、α_z分别为陀螺仪x、y、z轴上的加速度分量；

D(x)、D(y)分别为x、y轴上干扰力矩引起的漂移角速度；

D(x)_F、D(y)_F分别为x、y轴上与加速度无关的漂移，称为常值漂移；

D(x)_x、D(y)_y分别为由于转子静不平衡引起的沿x、y轴的漂移系数；

D(x)_y、D(y)_x分别为由于挠性接头误差产生的正交不平衡而引起的沿x、y轴的漂移系数；

D(x)_z、D(y)_z分别为由于转子径向不平衡引起的沿x、y轴的漂移系数。

通常动调陀螺仪工作在力反馈状态，通过反馈电流的变化来敏感地球自转角速度分量。动调陀螺稳态时输出电流与地球自转角速度分量及陀螺漂移的关系为：

ω_gx＝I_yS_Ty＝ω_x+D(x)

ω_gy＝I_xS_Tx＝ω_y+D(y)

                                                        (2)

式中，S_Tx、S_Ty分别为陀螺仪x轴、y轴的标度因数；

I_x、I_y分别为x轴、y轴的力反馈电流。

在每个测量点，惯性体组件进行0°和180°对转定位，如图3所示，其中ox₁y₁z₁为位置1，即0°位置，相应的变量均以下标1表示；旋转180°后得到ox₂y₂z₂为位置2，即180°位置，相应的变量均以下标2表示。

陀螺仪0°位置时，测得其输出为：

${\mathrm{\ω}}_{g1}=\left[\begin{array}{c}{I}_{y1}{S}_{\mathrm{Ty}}\\ I_{x1}{S}_{\mathrm{Ty}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x+{D\left(x\right)}_1\\ {\mathrm{\ω}}_y{+D\left(y\right)}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{D\left(x\right)}_F\\ {D\left(y\right)}_F\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{D\left(x\right)}_x& {D\left(x\right)}_y\\ {D\left(y\right)}_x& {D\left(y\right)}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{D\left(x\right)}_z\\ {D\left(y\right)}_z\end{array}\right]a_z---\left(3\right)$

陀螺仪在180°位置时，测得其输出为：

${\mathrm{\ω}}_{g2}=\left[\begin{array}{c}{I}_{y2}{S}_{\mathrm{Ty}}\\ I_{x2}{S}_{\mathrm{Ty}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ω}}_x+{D\left(x\right)}_2\\ {-\mathrm{\ω}}_y{+D\left(y\right)}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{-\mathrm{\ω}}_x\\ {-\mathrm{\ω}}_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{D\left(x\right)}_F\\ {D\left(y\right)}_F\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{D\left(x\right)}_x& {D\left(x\right)}_y\\ {D\left(y\right)}_x& {D\left(y\right)}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{-a}_x\\ {-a}_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{D\left(x\right)}_z\\ {D\left(y\right)}_z\end{array}\right]a_z---\left(4\right)$

由于对转定位的时间很短，可以认为各个漂移项的系数近似保持不变，然后将两个位置相减并取平均，作为对转消差后陀螺仪的输出：

${\mathrm{\ω}}_g=\frac{{\mathrm{\ω}}_{g1}-{\mathrm{\ω}}_{g2}}{2}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{D\left(x\right)}_x& {D\left(x\right)}_y\\ {D\left(y\right)}_x& {D\left(y\right)}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{K}_y(I_{y1}-I_{y2})\\ K_x(I_{x1}-I_{x2})\end{array}\right]---\left(5\right)$

此时，陀螺仪的输出不再包含常值漂移项D(x)_F和D(y)_F，但是有与加速度一次方有关的漂移项，这些剩余漂移需要用软件来进行补偿。上式解算出测量点的地球自转角速度分量为：

${\mathrm{\ω}}_x=\frac{K_y(I_{y1}-I_{y2})}{2}-D{\left(x\right)}_x{a}_x-D{\left(x\right)}_y{a}_y$

(6)

${\mathrm{\ω}}_y=\frac{K_x(I_{x1}-I_{x2})}{2}-D{\left(y\right)}_x{a}_x-{D\left(y\right)}_y{a}_y$

对于石英挠性加速度计同样也工作于力反馈状态，通过反馈电流的变化来敏感重力加速度分量。考虑到钻井测斜定向的精度要求和加速度计本身的精度，在工程上通常采用其简化的静态数学模型方程：

E＝K₀+K₁·α_i                                            (7)

式中：E为加速度计的输出值；

K₀为常值偏置；

K₁为标度因数；

a_i为输入真实加速度。

同样，在每个测量点，惯性体组件进行0°和180°对转定位。

加速度计在0°位置时，测得其输出为：

$E_1=\left[\begin{array}{c}{E}_{x1}\\ E_{y1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_{0x}\\ K_{0y}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{K}_{1x}{\·a}_x\\ K_{1y}{\·a}_y\end{array}\right]---\left(8\right)$

加速度计在180°位置时，测得其输出为：

$E_2=\left[\begin{array}{c}{E}_{x2}\\ E_{y2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_{0x}\\ K_{0y}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{K}_{1x}\·\left({-a}_x\right)\\ K_{1y}\·\left({-a}_y\right)\end{array}\right]---\left(9\right)$

然后将两个位置相减并取平均，作为加速度计的输出：

$E=\frac{E_1-E_2}{2}=\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_{1x}{\·a}_x\\ K_{1y}{\·a}_y\end{array}\right]---\left(11\right)$

此时的输出已经不包含常值项K_0x和K_0y，上式解算出测量点的重力加速度分量为：

$a=\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_x/K_{1x}\\ E_y/K_{1y}\end{array}\right]---\left(12\right)$

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明结合陀螺测斜仪在测量点静止测量的工作特点，采用机械对转的方式消除了惯性器件的常值误差，可抑制不可控因素如环境温度、湿度、压力、电磁场对系统精度的影响，提高了测量精度。

(2)本发明的对转定位机构体积小、结构紧凑，可以安装在直径仅为45mm的陀螺测斜仪探管中。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构俯视图；

图3为本发明对转定位消除常值误差原理示意图；

图4为本发明控制电路原理图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明由轴承1、铅配重块2、定位模块3、力矩电机4、正反转定位臂5、控制电路6、由动力调谐陀螺仪和加速度计组成的惯性体组件7组成，惯性体组件7前端由轴承1支承，后端与力矩电机4连接。力矩电机4带有专门正反转定位臂5，性体组件7外壳上固定有配重模块2，定位模块3与测斜仪外壳固连，定位模块3具有0°定位挡块和180°定位挡块，通过微控制器发出方波控制信号，由控制电路6控制力矩电机4，当方波信号为高电平时，力矩电机4转，正反转定位臂5与定位模块3中的0°定位挡块接触；当方波信号为低电平时，力矩电机4反转，力矩电机4的正反转定位臂5与180°位定位模块3接触，在力矩电机4带动下惯性体组件7绕轴承1实现了0°和180°对转定位。

在测斜仪工作前，通过调整铅配重模块1对惯性体组件7进行静平衡。陀螺测斜仪在预定的测量点静止后，采用定时对转方式，对转间隔取决于陀螺输出信号的稳定时间和数据采集时间，本发明对转间隔取为35秒。由微控制器输出控制方波给控制电路6，方波的占空比为50％，控制电路6由三极管P1，线圈L以及继电器组成。三极管P1的基极用于接收方波控制信号；线圈L与三极管P1的集电极相连；继电器连接电源和力矩电机，其电路图如图4所示，当方波信号为低电平时，P1管不导通，线圈L不通电，-5V电压由继电器常闭触点加给力矩电机4使电机正反转定位臂5与定位模块3的0°位挡块接触。当方波信号为高电平时，P1管导通，线圈L通电，继电器常开触点闭合，-5V电压加给力矩电机4使电机正反转定位臂5与定位模块3的180°位档块接触。这样，力矩电机4带动惯性体组件7绕轴承1实现了0°和180°对转定位。由于油井井口和井底的温度差很大，通常温度梯度约为3℃/100米，对于3000米的油井，从井口到井底的温度范围约为90℃。因此，要求测量装置可在125℃高温下工作，所以控制电路6要选用耐125℃高温的高温器件。分别测得0°和180°两个位置上陀螺和加速度计输出的电流值，首先代入式(12)中，其中系数K_1x、K_1y通过四点法重力场试验确定，作为加速度计的已知量，可计算出消除常值误差后该测量点处的重力加速度分量α_x、α_y；然后再代入式(6)中，其中系数S_Tx、S_Ty、D(x)_x、D(x)_y、D(y)_x和D(y)_y通过八位置试验确定，作为陀螺的已知量，由此可计算出误差补偿后该测量点的地球自转角速度分量ω_x、ω_y。进而可以进行测量点处倾斜角、方位角等参数的计算。

Claims (5)

1、消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构，其特征在于：由轴承(1)、铅配重块(2)、定位模块(3)、力矩电机(4)、正反转定位臂(5)、控制电路(6)、惯性体组件(7)组成，惯性体组件(7)前端由轴承(1)支承，后端与力矩电机(4)连接；力矩电机(4)带有专门正反转定位臂(5)，体组件(7)外壳上固定有配重模块(2)，定位模块(3)与测斜仪外壳固连，过控制电路(6)控制力矩电机(4)，带动惯性体组件(7)绕轴承(1)转动，与定位模块(3)一起实现0°和180°对转定位。

2、根据权利要求1所述的消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构，其特征在于：所述的铅配重块(2)对惯性体组件(7)沿旋转轴方向分别对0°位置和180°位置进行静平衡；或适当选取力矩电机不进行静平衡。

3、根据权利要求1所述的一种消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构，其特征在于：所述的定位模块(3)与外壳固连，分别置于0°和180°位置，对转时电机正反转定位臂(5)分别与之接触。

4、根据权利要求1所述的消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构，其特征在于：所述的控制电路(6)由三极管、线圈以及继电器组成，极管接收方波控制信号，控制线圈的导通，圈产生电磁力，控制继电器的触点的吸合，进而控制电机的正反转。

5、根据权利要求1所述的消除动调式陀螺测斜仪惯性器件常值误差的对转定位机构，其特征在于：所述的惯性体组件(7)由动力调谐陀螺仪和加速度计组成。

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