CN205047212U - 一种底部钻具空间姿态连续测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种底部钻具空间姿态连续测量装置，包括测量短节，其特征在于，所述测量短节包括测控箱，测控箱内设有加速度计和陀螺仪；所述测量短节还包括第一伺服电机，所述第一伺服电机通过传动机构能够带动测控箱沿第一伺服电机转轴的轴向运动；第二伺服电机，所述第二伺服电机能够带动测控箱旋转；所述第一伺服电机连接有第一旋转变压器；所述第二伺服电机连接有第二旋转变压器。该装置在保持连续测量钻具空间姿态的条件下，能够有效消除钻井内复杂环境以及钻柱振动产生的测量噪声。

Description

一种底部钻具空间姿态连续测量装置

技术领域

本实用新型涉及旋转导向钻井技术领域，特别是一种底部钻具空间姿态连续测量装置。

背景技术

目前，一种底部钻具空间姿态连续测量装置旋转导向钻井技术是一种面向二十一世纪的新型钻井技术，具有大的位移延伸能力、精确的井眼轨迹控制精度和灵活性，可极大地提高钻井效率及安全性。在旋转导向钻井技术中，如何在旋转方式下实时精确地测量井下工具的姿态参数是其技术难点之一。通常的随钻测量仪器是在钻柱停止旋转时，采用静态测量的方式来测量井斜和方位，然而自动垂直或旋转导向系统需要在井下钻具动态旋转的情况下实时测量其空间姿态。本文基于理论分析与现场随钻测量数据，从运动状态分析这个角度来完成井下测量信号的滤波与底部旋转钻具空间姿态的解算，对于提高自动垂直或旋转导向钻井底部钻具姿态测量精度，提高自动垂直或旋转导向钻井的制导能力具有重要意义。

随钻测量技术(MWD-Measurementwhiledrilling)的测量参数包括轨迹参数(井斜，方位)、工具面、地层参数(电阻率、自然伽马、孔隙度等)以及其他的一些工程参数(压力、扭矩、温度等)。

理论上讲，只有完成井下工具空间姿态的连续测量，才能真正意义上实现旋转导向的井下闭环控制，目前成熟应用的旋转导向系统通常配备有两部分测量系统，一部分是传统的MWD随钻测量系统，主要用来测量井眼的空间位置参数、井下钻压、扭矩、温度、压力等；第二部分是专用于旋转导向系统的近钻头空间姿态测量系统，主要用于测量近钻头处的空间姿态参数(井斜、方位、钻头转速等)，以便实现实时控制。国外的商业化公司虽然开发成功旋转导向系统并广泛应用于生产实践当中，然而动态测量系统依然在不断完善当中，在2013年美国休斯敦举行的SPE年会上，同时出现两篇专门探讨连续测量技术的文章，可见该技术依然处于重点攻关的过程当中。

斯伦贝谢公司的推靠式旋转导向系统，为了解决动态测量问题，将测控装置安装在了一个不随钻柱旋转，相对于地面静止的稳定平台内，该装置大大增加了机械设计难度并且降低了工具的可靠性，由此可见动态测量技术在旋转导向技术中是一个难点问题。其次，连续测量技术属于旋转导向中的测控部分，属于核心技术，各大商业公司均技术保密，基本无法查到关于这个方面技术细节的资料。抛开旋转导向系统，就普通的MWD技术，如果能将旧的每接一根单根测一个单点的静态测量技术提升为旋转过程中的连续测量，也是非常具有现实意义。其一，随钻测量轨迹便不会有盲点，使得定向钻井更为精确；其二，在水平井的水平段钻进过程中，钻头由于重力作用极其容易下陷，使得水平段井眼轨迹质量变差，在一根钻柱9m的前进过程中，钻头在软地层中将会迅速的偏离水平轨迹。连续监测井眼轨迹在这种情况下变得极为重要。

在1970年，装有三轴加速度计和三轴磁强计的电子仪器被开发出来，用于测量井斜和方位，比如美国专利US3791043，3862499，4163324。在这些专利中，给出了一些基本的计算公式。后来应用最为广泛的是Walters在其专利US4709486中提出的六轴方位角计算公式。三轴井斜和六轴方位角公式用于随钻测量系统中成为工业上标准的测量方法，由于井下信号处理能力的限制，在20世纪70年代到80年代早期，随钻测量系统一直局限于静态测量。80年代后期，出现了小部分专利尝试在钻柱旋转的情况下计算井斜和方位。Dipersio和Cobern提出了一套有用的井斜方位计算公式，可以利用加速度计和磁强计两样传感器来实现。合加速度G_o在静态情况下获得并假设在钻井过程中保持不变。给出的公式允许传感器在跟随钻柱旋转的情况下解算井斜和方位。

ElGizawy,Noureldin,Mintchev等人采用陀螺仪和加速度计建立了连续测量系统，采用了航空航天领域的捷联导航算法。该研究组对于加速度计和陀螺仪在井下冲击和振动的环境下的输出响应进行了详细的实验分析，并用小波分析方法完成了噪声信号的滤波处理，整个测量系统采用Kalman滤波进行校正。然而由于研究是基于实验室实验的基础上，对于冲击和振动也仅是考虑了特定的频率和幅度范围内的影响，和真实的井下工况还有很大差别，况且对于旋转导向底部钻井的运动特性考虑明显不足，对于井下钻具粘滑振动、涡动等运动状态均未考虑。另外，在导航算法中，极其重要的一点是Kalman滤波当中的误差校正，在地面上可以采用GPS配合捷联内部导航的方法。然而将此技术用在钻井上以后，在地下没有GPS信号，捷联导航算法中不断积累的误差就会成为影响姿态测量的一个主要问题。Noureldin等人在解算的过程中，将井深作为一个校正参数，在实验仿真的条件下这个是可行的，然而在实际钻井现场中，井深参数并无法通过井下传感器直接获得，这就限制了该方法的进一步应用。

专利CN101493008公开了基于MEMS器件的捷联惯性导航陀螺测斜仪,该专利所采用的传感器类别和本专利相同，都是采用了陀螺、加速度计、磁传感器，这些都是惯性导航中常用的传感器，该专利的优点是采用了MEMS器件，这也将在本专利中采用，然而该专利并没有考虑井下的复杂状况，对于Kalman滤波方法的校正采用的是传统零速校正的方法，在井下剧烈振动产生的测量噪声背景下，无法实现准确的解算空间姿态。

专利CN102562031B公开了一种定向井连续陀螺测斜系统，该发明基于惯性原理以及建立的角速率误差和加速度误差数学模型，在消除零偏、温漂等误差的基础上，实现了测斜仪静态下初始寻北作业以及动态、连续、全方位测斜功能，且对测斜误差可进行重力和地速补偿，同样的，该专利并没有考虑井下的复杂状况，也没有说明是否采用或者采用了那种滤波算法，对于钻柱振动所产生的测量噪声考虑不足。

参考文献

[1]AdamBowler,JunichiSugiura,etal.AnInnovativeSurveyMethodUsingRotatingSensorsSignificantlyImprovestheContinuousAzimuthandInclinationMeasurementNearVerticalandOffersImprovedKickoffCapabilities.SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibitionheldinNewOrleans,Louisiana,USA,30September–2October2013.

[2]JunichiSugiura,SPE,AdamBowler,SPE,etal.DownholeSteeringAutomationandNewSurveyMeasurementMethodSignificantlyImprovesHigh-DoglegRotarySteerableSystemPerformance.SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibitionheldinNewOrleans,Louisiana,USA,30September–2October2013.

[3]DiPersio,R.D.,andCobernM.E.1987.MethodforMeasurementofAzimuthofaBoreholewhileDrilling.UnitedStatesPatentNo.4813274.27May.

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[8]A.Noureldin,D.Irvine-Halliday,andM.P.Mintchev,“AccuracylimitationsofFOG-basedcontinuousmeasurement-while-drillingsurveyinginstrumentsforhorizontalwells,”IEEETrans..Instrum.Means.,vol.51,no.6,pp.1177–1191,Dec.2002.

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实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种底部钻具空间姿态连续测量装置，在保持连续测量钻具空间姿态的条件下，能够有效消除钻井内复杂环境以及钻柱振动产生的测量噪声。

为了实现上述目的，本实用新型提供的一种底部钻具空间姿态连续测量装置，包括测量短节，所述测量短节包括测控箱，测控箱内设有加速度计和陀螺仪；所述测量短节还包括

第一伺服电机，所述第一伺服电机通过传动机构能够带动测控箱沿第一伺服电机转轴的轴向运动；

第二伺服电机，所述第二伺服电机能够带动测控箱旋转；

所述第一伺服电机连接有第一旋转变压器；

所述第二伺服电机连接有第二旋转变压器。

优选地，所述第二伺服电机和测控箱置于一个壳体内，壳体下方设有导轨，所述第一伺服电机通过传动机构与壳体连接，并带动壳体在导轨上沿第一伺服电机转轴的轴向运动。

优选地，所述传动机构包括第一齿轮，第一齿轮通过第一减速器与第一伺服电机驱动连接，第一齿轮上啮合有第二齿轮，第二齿轮上固设有传动螺丝；所述壳体上沿第一伺服电机转轴的径向设有凸缘，凸缘上开设有螺孔并通过该螺孔与传动螺丝连接。

优选地，所述测量短节还包括扶正槽或扶正环，传动螺丝远离第二齿轮的一端从所述扶正环内穿过，或传动螺丝远离第二齿轮的一端置于扶正槽内。

优选地，所述测控箱内还设有温度传感器。

优选地，所述底部钻具空间姿态连续测量装置还包括控制器，所述控制器包括模数转换器、数字信号处理器和电机驱动模块，模数转换器与控制器上相应的IO端连接；

所述测控箱内的加速度计、陀螺仪和温度传感器的输出端连接至所述模数转换器的输入端，

所述第一旋转变压器和第二旋转变压器的输出端连接至所述模数转换器的输入端；

所述数字信号处理器的输出端通过电机驱动模块与第一伺服电机和第二伺服电机的控制端连接。

优选地，所述第一伺服电机和第二伺服电机的电源线路通过电流采样电路连接至所述数字信号处理器的输入端。

优选地，所述陀螺仪为MEMS陀螺仪，所述加速度计为MEMS加速度计。

优选地，所述凸缘设置在所述壳体靠近第一伺服电机的侧壁上。

本实用新型提供的底部钻具空间姿态连续测量装置，设置有第一伺服电机和第二伺服电机，分别可以给测控箱内的各传感器件施加轴向运动和旋转运动，第一旋转变压器和第二旋转变压器能够采集测控箱的运动信号，由于第一旋转变压器和第二旋转变压器直接连接伺服电机，采集的信号更加准确，受底部钻具振动的影响较小，而加速度计和陀螺仪传感器在测量测控箱运动状态的同时，还受到钻具振动噪声信号的影响，从而，可以将第一旋转变压器和第二旋转变压器所反映的测控箱运动状态作为校正信号，来消除由于井下复杂环境以及钻具振动给测控箱内传感器所带来的噪声干扰。

附图说明

图1为本实用新型所提供的底部钻具空间姿态连续测量装置的结构示意图；

图2为底部钻具空间姿态连续测量装置控制器的系统模块结构示意图；

图3为第一伺服电机和第二伺服电机的控制电路示意图；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1，本实用新型提供的底部钻具空间姿态连续测量装置，包括测量短节，测量短节的外壳即是钻井仪器的抗压筒1。所述测量短节包括一个测控箱2，测控箱2内设有加速度计3、陀螺仪4和温度传感器5，用于测量钻具的各项空间姿态，如井斜、方位、钻头转速等，其中加速度计3采用的是MEMS三轴加速度计，陀螺仪4采用的是MEMS三轴陀螺仪，MEMS器件在体积、成本、功耗、抗冲击力和测量精度上都具有显著的优势，因此可作为优选地方案应用于本测量装置中。

测控箱2置于一个桶型壳体6内部，壳体6下方设有导轨7，导轨7的一面焊接在抗压筒1的内壁上，另一面设置与壳体6配合的弧形面。壳体6一端的外部设有第一伺服电机11，第一伺服电机11的输出轴通过第一减速箱21驱动连接有传动机构，再通过传动机构连接壳体6，进而带动测控箱2及其内部各传感器件沿着第一伺服电机11输出轴的轴向在导轨7上前后移动。移动时由于壳体6与导轨7的弧形面片配合，因此滑动时偏移量小，检测到的位移量更加精确。第一伺服电机11上还连接有第一旋转变压器31，用于测量第一伺服电机11的旋转角度信号。

上述传动机构的具体结构包括一个较大的第一齿轮81，通过第一减速箱21与第一伺服电机11输出轴连接，还有一个较小的第二齿轮82，以可转动的方式安装在一个支架上，第一齿轮81与第二齿轮82相啮合，第二齿轮82的中部固定连接有传动螺丝83，当第一伺服电机11驱动第一齿轮81转动时，带动第二齿轮82从而使传动螺丝83转动。传动螺丝83远离第二齿轮82的一端也设有支架，该支架上设有扶正槽(图中未标出)，传动螺丝83的端部搭设在扶正槽内，提高了传动螺丝83转动的稳定性。

壳体6在靠近第一齿轮81一端的侧壁上设有一个凸缘61，凸缘61的中部开设有螺纹孔，螺纹孔的内螺纹与传动螺丝83的外螺纹匹配，螺纹孔套接在传动螺丝83上，实现了传动机构与桶型壳体6的连接。当传动螺丝83被驱动时，桶型壳体6在外部抗压筒1内壁的限制作用下，沿着传动螺丝83的外螺纹前后移动，从而使其内部的测控箱2及传感器件也随之移动。凸缘设置在近第一伺服电机11的一端可以增长测控箱2的移动距离，工作人员对测控箱2施加的轴向移动量的选择范围更大，适用于不同环境的井下条件。

在壳体6内部还设有第二伺服电机12，其位于测控箱2远离第一伺服电机11的一侧。第二伺服电机12的输出轴通过第二减速箱22驱动连接至测控箱2，带动测控箱2及其内部传感器件以第二伺服电机22的输出轴为轴旋转。第二伺服电机12连接有第二旋转变压器32，用于测量第二伺服电机12旋转角度。第一伺服电机11和第二伺服电机12均采用闭环控制，对运动的控制更加精确。

请一并参考图2、3，在测控箱2内还设有控制器，控制器中包括模数转换器、数字信号处理器(DSP)和电机驱动模块，模数转换器与控制器上相应的IO端连接；电机驱动模块具体可采用L9910电机驱动模块。图中用M代表第一伺服电机11或第二伺服电机12，由于两者与其他电子器件的连接方式都是相同的，故只通过图3一幅图来说明。

测控箱2内的加速度计3、陀螺仪4和温度传感器5的输出端连接至所述模数转换器的输入端；第一旋转变压器31和第二旋转变压器32的输出端连接至模数转换器101的输入端；数字信号处理器的输出端通过电机驱动模块(图2中省略)与第一伺服电机11和第二伺服电机12的控制端连接。数字信号处理器的输入端与上位机连接。

工作时，上位机向数字信号处理器给出伺服电机工作指令，数字信号处理器将接收到的指令解码后，将控制信号发送给电机驱动模块，进而控制第一伺服电机11和第二伺服电机12的转动，给测控箱2施加轴向的位移和旋转角度。

对于轴向的速度和位移，通过第一旋转变压器31的测量信号可以精确计算得到，而测控箱2内位于Z轴的加速度计3将测量到此时的轴向运动，进行二次积分得到一个位移量，由于振动信号的影响，积分得到的位移信号将有较大误差，利用旋转变压器测量信号得到的位移进行校正，将提取出振动信号的振动模态，从而在测量算法中将纵向振动的噪音信号滤除；同样的，当测控箱2旋转时，通过第二旋转变压器32的测量信号可以精确计算旋转的角速度和角位移，而此时测控箱2内的XY轴加速度计3和陀螺仪4将同时测量到旋转运动信号，进行校正将得到钻具横向以及扭转振动模态，从而在测量算法中将相应振动的噪音信号滤除；

所述第一伺服电机11和第二伺服电机12的电源线路通过电流采样电路连接至所述数字信号处理器的输入端，因为电机采用电流PWM波进行速度控制，对电流的实时测量能够更精确的控制电机的转速。

以上对本实用新型所提供的底部钻具空间姿态连续测量装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种底部钻具空间姿态连续测量装置，包括测量短节，其特征在于，所述测量短节包括测控箱，测控箱内设有加速度计和陀螺仪；所述测量短节还包括

第一伺服电机，所述第一伺服电机通过传动机构能够带动测控箱沿第一伺服电机转轴的轴向运动；

第二伺服电机，所述第二伺服电机能够带动测控箱旋转；

所述第一伺服电机连接有第一旋转变压器；

所述第二伺服电机连接有第二旋转变压器。

2.根据权利要求1所述的底部钻具空间姿态连续测量装置，其特征在于，所述第二伺服电机和测控箱置于一个壳体内，壳体下方设有导轨，所述第一伺服电机通过传动机构与壳体连接，并带动壳体在导轨上沿第一伺服电机转轴的轴向运动。

3.根据权利要求2所述的底部钻具空间姿态连续测量装置，其特征在于，所述传动机构包括第一齿轮，第一齿轮通过第一减速器与第一伺服电机驱动连接，第一齿轮上啮合有第二齿轮，第二齿轮上固设有传动螺丝；所述壳体上沿第一伺服电机转轴的径向设有凸缘，凸缘上开设有螺孔并通过该螺孔与传动螺丝连接。

4.根据权利要求3所述的底部钻具空间姿态连续测量装置，其特征在于，所述测量短节还包括扶正槽或扶正环，传动螺丝远离第二齿轮的一端从所述扶正环内穿过，或传动螺丝远离第二齿轮的一端置于扶正槽内。

5.根据权利要求1所述的底部钻具空间姿态连续测量装置，其特征在于，所述测控箱内还设有温度传感器。

6.根据权利要求1或5所述的底部钻具空间姿态连续测量装置，其特征在于，所述底部钻具空间姿态连续测量装置还包括控制器，所述控制器包括模数转换器、数字信号处理器和电机驱动模块，模数转换器与控制器上相应的IO端连接；

所述测控箱内的加速度计、陀螺仪和温度传感器的输出端连接至所述模数转换器的输入端，

所述第一旋转变压器和第二旋转变压器的输出端连接至所述模数转换器的输入端；

所述数字信号处理器的输出端通过电机驱动模块与第一伺服电机和第二伺服电机的控制端连接。

7.根据权利要求6所述的底部钻具空间姿态连续测量装置，其特征在于，所述第一伺服电机和第二伺服电机的电源线路通过电流采样电路连接至所述数字信号处理器的输入端。

8.根据权利要求1所述的底部钻具空间姿态连续测量装置，其特征在于，所述陀螺仪为MEMS陀螺仪，所述加速度计为MEMS加速度计。

9.根据权利要求3所述的底部钻具空间姿态连续测量装置，其特征在于，所述凸缘设置在所述壳体靠近第一伺服电机的侧壁上。