CN202926316U - 一种方位角与倾角测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种方位角与倾角测量仪，包括采集系统，处理器和探管，处理器依据地球自转角速度、重力加速度、测试点处的纬度值，以及采集系统采集的地球自转角速度的水平分量、地球自转角速度的垂直分量、重力加速度的水平分量和垂直分量计算方位角，并依据采集系统采集的相互垂直的两个方向的重力加速度计算钻孔的倾角角度，通过一次测量，同时获取钻孔的方位角和倾角角度，避免现有技术中，倾角和方位角是通过独立的设备进行测量，使得测量过程繁琐的问题。

Description

一种方位角与倾角测量仪

技术领域

本实用新型涉及钻井测量领域，更具体地说，涉及一种方位角与倾角测量仪。 

背景技术

在钻井工作中，钻井工程孔（简称钻孔）的倾角和方位角是很重要的参数，钻孔的倾角是指钻孔的轴线与重力方向的夹角，钻孔的方位角是指钻孔的轴线在水平面的投影的地里北的夹角，通过测量这两个参数可以判断钻孔的倾斜度及钻孔轨迹。 

现有技术中，倾角和方位角是通过独立的设备进行测量，其测量过程繁琐，且倾角的测量装置是机械式结构，通过重锤等多个零部件的动作及相互作用进行测量，但是由于各个零部件间有摩擦力的存在，使得现有的方位角测量装置的测量精度低，而方位角测量装置是利用磁阻传感器进行测量，这种测量方法受磁场环境的影像大，也会降低测量的精度。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种方位角与倾角测量仪，以解决现有技术中，倾角和方位角是通过独立的设备进行测量，使得测量过程繁琐的问题。 

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案： 

一种方位角与倾角测量仪，包括：采集系统，处理器和封装所述采集系统和处理器的探管； 

其中，所述采集系统包括： 

获取测试点处重力加速度的水平分量的第一加速度计； 

获取所述测试点处重力加速度的垂直分量的第二加速度计； 

动调陀螺； 

与所述动调陀螺相连接，在接收到控制信号时，驱动所述动调陀螺旋转的驱动器； 

与所述动调陀螺相连接，获取所述动调陀螺输出的所述测试点处地球自转角速度水平分量和垂直分量的测量电路； 

采集所述测试点处相互垂直的两个方向的重力加速度的双轴加速度传感器； 

分别与所述第一加速度计、所述第二加速度计、所述驱动器、所述测量电路和所述双轴加速度传感器相连接，发送控制信号，并依据所述测试点处地球自转角速度、地球自转角速度的水平分量、地球自转角速度的垂直分量、重力加速度、重力加速度的水平分量和垂直分量，以及所述测试点处的纬度值计算方位角；依据所述相互垂直的两个方向的重力加速度计算钻孔倾角角度的处理器； 

所述探管为金属探管，所述双轴加速度传感器的一个敏感轴的轴线与所述探管的轴线平行。 

上述方位角与倾角测量仪，优选的，还包括：分别与所述采集系统和所述处理器相连接，提供所述采集系统和所述处理器器所需工作电源的供电装置。 

上述方位角与倾角测量仪，优选的，还包括： 

与所述处理器相连接，存储所述倾角角度和所述方位角的存储器。 

上述方位角与倾角测量仪，优选的，所述采集系统还包括： 

分别与所述双轴加速度传感器和所述处理器相连接，对所述双轴加速度传感器采集的相互垂直的两个方向的重力加速度进行低通滤波的低通滤波器。 

上述方位角与倾角测量仪，优选的，所述处理器为PIC16C73单片机。 

上述方位角与倾角测量仪，优选的，还包括： 

与所述处理器相连接，将所述钻孔倾角角度及方位角发送至上位机的通讯电路。 

上述方位角与倾角测量仪，优选的，所述探管为铜质探管或钛钢探管。 

上述方位角与倾角测量仪，优选的，还包括：与所述处理器相连接，显示所述钻孔倾角角度及方位角的显示器。 

通过以上方案可知，本申请提供的一种方位角与倾角测量仪，在测试时，处理器依据地球自转角速度、重力加速度、测试点处的纬度值，以及采集系统采集的地球自转角速度的水平分量、地球自转角速度的垂直分量、重力加速度的水平分量和垂直分量计算方位角，并依据采集系统采集的相互垂直的 两个方向的重力加速度计算钻孔的倾角角度，通过一次测量，同时获取钻孔的方位角和倾角角度，避免现有技术中，倾角和方位角是通过独立的设备进行测量，使得测量过程繁琐的问题。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本申请实施例提供的一种方位角与倾角测量仪的结构示意图； 

图2为本申请实施例提供的另一种方位角与倾角测量仪的结构示意图； 

图3为本申请实施例提供的供电装置的结构示意图。 

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的部分，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示的以外的顺序实施。 

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种方位角与倾角测量仪的结构示意图，包括： 

采集系统1、处理器2和封装所述采集系统1和所述处理器2的探管3；其中，采集系统1包括： 

第一加速度传感器101，第二加速度传感器102，动调陀螺103，驱动器104，测量电路105和双轴加速度传感器106； 

第一加速度计101用于获取测试点处重力加速度g的水平分量g_x； 

第二加速度计102用于获取所述测试点处重力加速度g的垂直分量g_y； 

第一加速度计101与第二加速度计102相互垂直，其中一个重力加速度计（第一加速度计101或者第二加速度计102）的敏感轴与探管的轴线是平行的。 

驱动器104分别与处理器2和动调陀螺103相连接，用于在接收到控制信号时，驱动动调陀螺103旋转； 

测量电路105分别与处理器2和动调陀螺103相连接，用于获取所述动调陀螺输出的所述测试点处地球自转角速度ω的水平分量ω_x和垂直分量ω_y； 

需要说明的是，上述测试点处的重力加速度g和地球自转角速度ω是指测试点处，地理坐标系（n系，即北东地坐标系ox_n y_nz_n，也就是说北向坐标轴x_n，东向坐标轴y_n和地向坐标轴z_n构成右手坐标系，x_n轴和y_n轴所在的平面为地理坐标系的水平面）中的重力加速度和地球自转角速度；重力加速度g的水平分量g_x和垂直分量g_y，以及地球自转角速度ω的水平分量ω_x和垂直分量ω_y是指重力加速度g和地球自转角速度ω在探管坐标系中的分量，具体的，探管坐标系ox_by_bz_b中，z_b轴为探管的轴线，x_b轴、y_b轴垂直于探管轴线并在同一平面内，x_b轴、y_b轴和z_b轴构成右手坐标系，x_b轴与y_b轴组所在的平面为探管坐标系的水平面，重力加速度g的水平分量g_x，以及地球自转角速度ω的水平分量ω_x是指重力加速度g和地球自转角速度ω在探管坐标系中x_b轴的分量；重力加速度g的垂直分量g_y，以及地球自转角速度ω的垂直分量ω_y是指重力加速度g和地球自转角速度ω在探管坐标系中y_b轴的分量； 

具体的，可以通过公式（1）计算地理坐标系中的地球自转角速度ω在探管坐标系中的各个分量；通过公式（2）计算地理坐标系中的重力加速度g在探管坐标系中的各个分量； 

$\left[\begin{array}{c}{w}_x\\ w_y\\ w_z\end{array}\right]=C_n^b\left[\begin{array}{c}\mathrm{weh}\\ 0\\ \mathrm{wev}\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ a_z\end{array}\right]=C_n^b\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，为地球自转角速度在地理坐标系中的水平分量； 

为地球自转角速度在地理坐标系中的垂直分量；为测试点处的纬度值，可以由测试者输入；ω_e为地球自转角速度，15°/h；变换矩阵，是一个3×3的矩阵，为已知量。 

双轴加速度传感器106用于采集相互垂直的两个方向的重力加速度；双轴加速度传感器106内设置有两个加速度计，这两个加速度计的敏感轴的轴线相互垂直（如双轴加速度传感器106中两个箭头方向所示），所以，这里所说的相互垂直的两个方向，就是指双轴加速度传感器106的两个加速度计的敏感轴的轴线所在的方向。 

处理器2分别与所述第一加速度计101、所述第二加速度计102、所述驱动器104、所述测量电路105和所述双轴加速度传感器106相连接，用于发送控制信号，并依据所述测试点处地球自转角速度、地球自转角速度的水平分量、地球自转角速度的垂直分量、重力加速度、重力加速度的水平分量和垂直分量，以及所述测试点处的纬度值计算方位角；依据所述相互垂直的两个方向的重力加速度计算钻孔倾角角度；优选的，处理器2可以为DSP处理器，具体可以为PLC16C73单片机。 

具体的， 

钻孔倾角角度的计算公式为： 

$\mathrm{\α}=\mathrm{arcSin}\sqrt{g_x^2+g_y^2},---\left(3\right)$

其中，α为为钻孔倾角角度值；g_x和g_y分别为所述两个相互垂直方向的重力加速度值。 

钻孔的方位角的计算方法可以为： 

具体的，依据所述测试点处地球自转角速度ω、地球自转角速度ω的水平分量ω_x、地球自转角速度ω的垂直分量ω_y、重力加速度g、重力加速度g的水平分量g_x和垂直分量g_y，以及所述测试点处的纬度值

计算俯仰角θ（探管坐标系中的x_b轴（水平纵轴）与地理坐标系的水平面之间的夹角），横滚角γ（探管坐标系的纵向对称平面（x_b轴与z_b轴组成的平面）与纵向铅垂面（x_b轴与z_n轴组成的平面）之间的夹角），北向工具面角ψ（探管坐标系中x_b轴（水平纵轴）在地理坐标系的水平面上的投影与地理子午线（北向轴）之间的夹角），具体计算公式见公式（4）-（6）； 

θ=arcsin(a_x/g)   （4） 

γ=arcsin[a_y/(g*cosθ)]   （5） 

依据所述俯仰角θ，横滚角γ，北向工具面角ψ以及所述测试点处的纬度值

计算方位角Δψ， 

其中，ε_x，ε_y分别为陀螺仪内相互垂直的两个轴（为了方便，这里记为x轴和y轴）的随机漂移量。 

x轴与y轴互相垂直。其中一个轴（x轴或y轴）与探管轴线平行。 

在封装时，双轴加速度传感器11的一个敏感轴的轴线（即双轴加速度传感器106中，其中一个加速度计的敏感轴的轴线）与探管3的轴线平行。 

在测试时，将探管贴合钻孔壁放置进行测量。 

本申请实施例提供的方位角与倾角测量仪，在测试时，处理器依据地球自转角速度、重力加速度、测试点处的纬度值，以及采集系统采集的地球自转角速度的水平分量、地球自转角速度的垂直分量、重力加速度的水平分量和垂直分量计算方位角，并依据采集系统采集的相互垂直的两个方向的重力加速度计算钻孔的倾角角度，通过一次测量，同时获取钻孔的方位角和倾角角度，避免现有技术中，倾角和方位角是通过独立的设备进行测量，使得测量过程繁琐的问题，同时，由于对方位角的测量不依赖于磁场强度，只通过探管当前的俯仰角θ，横滚角γ，北向工具面角ψ、所述测试点处的纬度值

以及陀螺仪的随机漂移来计算方位角，避免受外磁场环境影响而不能准确确定钻孔的方位角的问题，提高了方位角的测量精度；并且在测量过程中，各个组成部分不需要动作及相互作用，避免各个组成部分之间的相互摩擦，提高了倾角的测量精度。 

请参看图2，图2为本申请实施例提供的方位角与倾角测量仪的另一结构示意图，在图1所示的方位角与倾角测量仪的结构的基础上，还包括： 

供电装置4，分别与所述采集系统1和所述处理器2相连接，用于提供所述采集系统1和所述处理器2所需工作电源。 

具体的，供电装置4的结构示意图如图3所示，包括： 

开关电源41和π型滤波器42； 

开关电源41用于生成所述采集系统1及所述处理器2所需的工作电源； 

π型滤波器42分别与所述开关电源41和所述采集系统1及所述处理器2相连接，用于对开关电源生成的采集系统所需的工作电压进行π型滤波。因为开关电源41输出的工作电压可能出现较大的波纹，所以，为了给采集系统1提供低波纹的供电电源，本申请实施例应用π型滤波器42将开关电源41输出的工作电压转换成低波纹的工作电压。 

存储器5，与所述处理器2相连接，用于存储所述倾角角度和所述方位角，方便用户查询历史数据； 

通讯电路6，与所述处理器2相连接，用于将所述钻孔倾角角度及方位角发送至上位机； 

显示器7，与所述处理器相连接，用于显示所述钻孔倾角角度及方位角。 

为了优化上述实施例本申请实施例提供的采集系统1还设置有滤波器107，滤波器107分别与所述双轴加速度传感器106和所述处理器2相连接，用于对所述双轴加速度传感器采集的相互垂直的两个方向的重力加速度进行低通滤波。 

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 

Claims (8)

1.一种方位角与倾角测量仪，其特征在于，包括：采集系统，处理器和封装所述采集系统和处理器的探管； 

其中，所述采集系统包括： 

获取测试点处重力加速度的水平分量的第一加速度计； 

获取所述测试点处重力加速度的垂直分量的第二加速度计； 

动调陀螺； 

与所述动调陀螺相连接，在接收到控制信号时，驱动所述动调陀螺旋转的驱动器； 

与所述动调陀螺相连接，获取所述动调陀螺输出的所述测试点处地球自转角速度水平分量和垂直分量的测量电路； 

采集所述测试点处相互垂直的两个方向的重力加速度的双轴加速度传感器； 

分别与所述第一加速度计、所述第二加速度计、所述驱动器、所述测量电路和所述双轴加速度传感器相连接，发送控制信号，并依据所述测试点处地球自转角速度、地球自转角速度的水平分量、地球自转角速度的垂直分量、重力加速度、重力加速度的水平分量和垂直分量，以及所述测试点处的纬度值计算方位角；依据所述相互垂直的两个方向的重力加速度计算钻孔倾角角度的处理器； 

所述探管为金属探管，所述双轴加速度传感器的一个敏感轴的轴线与所述探管的轴线平行。 

2.根据权利要求1所述的方位角与倾角测量仪，其特征在于，还包括：分别与所述采集系统和所述处理器相连接，提供所述采集系统和所述处理器器所需工作电源的供电装置。 

3.根据权利要求1所述的方位角与倾角测量仪，其特征在于，还包括： 

与所述处理器相连接，存储所述倾角角度和所述方位角的存储器。 

4.根据权利要求1所述的方位角与倾角测量仪，其特征在于，所述采集系统还包括： 

分别与所述双轴加速度传感器和所述处理器相连接，对所述双轴加速度传感器采集的相互垂直的两个方向的重力加速度进行低通滤波的低通滤波器。 

5.根据权利要求1所述的方位角与倾角测量仪，其特征在于，所述处理器为PIC16C73单片机。 

6.根据权利要求1所述的方位角与倾角测量仪，其特征在于，还包括： 

与所述处理器相连接，将所述钻孔倾角角度及方位角发送至上位机的通讯电路。 

7.根据权利要求1所述的方位角与倾角测量仪，其特征在于，所述探管为铜质探管或钛钢探管。 

8.根据权利要求1所述的方位角与倾角测量仪，其特征在于，还包括：与所述处理器相连接，显示所述钻孔倾角角度及方位角的显示器。 

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