CN106246168B - 一种近钻头钻具姿态随钻测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种近钻头钻具姿态随钻测量装置及测量方法，包含测量传感器和测量电路，所述测量传感器测量信号传输至测量电路，测量电路对信号进行处理和计算得到姿态数据。所述测量传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器，利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算姿态角1，利用姿态角1对四元数初始化，根据三轴陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴陀螺仪的累积误差，从而提高近钻头钻具姿态随钻测量的精度。
Description
技术领域
本发明主要属于石油钻井随钻测量领域，具体涉及一种近钻头钻具姿态随钻测量装置及测量方法。
背景技术
定向钻井(DirectionalDrilling)是使井身沿着预先设计的轨迹钻达地下目标层的钻井工艺技术，是实现老井侧钻、多分支井、大位移井、水平井的重要技术手段。采用定向钻井技术可以使地面和井下条件受到限制的油气资源得到经济、有效地开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护环境，具有显著的经济效益和社会效益。在定向钻进过程中，钻头的方向信息对于正确钻进是至关重要的。对井下钻具姿态的精确测量不但能够保证高效钻遇既定目标，同时也避免造成与相邻井眼的碰撞风险。因此，除了传统的底部钻具组合(包括钻头、螺杆钻具、扶正器、钻铤等)，定向钻井工具需要使用位置传感器测量井下钻具姿态，包括方位角(在水平面上与北向的偏角)、倾角(与垂直方向的偏角，亦称井斜角)和工具面角(相当于导航中的横滚角)。
随着油田勘探开发的深入，薄油藏、断块油藏、边际油藏、剩余油藏等难动用储量的开发已大规模展开，对轨迹控制精度的要求也日益提高，为了增大油藏在井眼中的裸露面积，提高油井的产量，要求井眼轨迹准确的钻穿储层。为了能够精确地获得钻头处的轨迹参数，井下轨迹参数传感器离钻头的距离(测点零长)至关重要。现有随钻测量(MeasurementWhileDrilling，MWD)系统的姿态测量工具通常位于造斜工具之后，是在距离井底钻头位置8-20米的位置测量井斜、方位、工具面等参数，得不到钻头处的井眼位置，无法判断进入储层的实际情况。
现有的随钻测量(MWD)系统，从姿态角测量原理方面，包括基于磁传感器和加速度计，基于陀螺仪和加速度计两大技术主线。
(1)基于磁传感器和加速度计的MWD系统
该类型MWD系统角度测量单元由三个正交的加速度计和三个正交的磁传感器组成，加速度计通常选用石英挠性加速度计，磁传感器通常选用磁通门磁强计。加速度计测量结果用于计算倾角和工具面角，而方位角利用倾角、工具面角和地磁场数据获得。由于参照磁北测量方位，因此磁强计需要一个无磁的环境。当前基于磁强计的MWD系统面临最主要的问题是磁干扰，主要包括钻柱本身的磁干扰和周围环境产生的外部磁干扰。钻柱磁干扰主要影响沿着钻具旋转轴方向的磁强计，而外部磁干扰对三个磁强计都有影响，外部磁干扰主要来自附近生产井铁磁性套管、黄铁矿等地层、太阳风暴、钻井液组分、磁热点等等。磁干扰的存在严重影响方位测量精度。常规MWD系统通常安装在近9米长的无磁钻铤中间来尽量隔离上下钻杆的磁干扰，但近钻头姿态测量装置需要紧邻钻头安装，钻头和导向钻具产生的磁干扰比常规MWD系统更严重。
(2)基于陀螺仪和加速度计的MWD系统
该类型MWD系统利用陀螺仪测量角速度沿传感器敏感轴的变化，目前在定向钻井领域已经得到应用。陀螺技术的优势在于地磁场被屏蔽或磁干扰严重的应用场合，因为磁干扰不会影响陀螺的性能。受仪器尺寸、振动冲击下易损坏、陀螺测量精度等因素影响，目前陀螺技术主要应用于有线测量系统中，在随钻应有场合还有一定的限制。基于陀螺仪和及速度计的MWD系统最大的问题是角速度陀螺输出信号漂移速率较大，积分后的姿态角发散速度较快，会引入较大的稳态误差,陀螺仪的输出随着测量时间的增加，存在累积误差，特别是在井下高温环境累积误差更大，且体积和可靠性难以满足随钻恶劣工况和近钻头处的狭小空间。
综上所述,无论是基于磁传感器和加速度计的MWD系统还是基于陀螺仪和加速度计的MWD系统,均存在应用场合的限制,特别对于近钻头钻具姿态测量,难以满足井底高温、强振动冲击、强磁干扰、有限安装空间等复杂应用环境。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于微惯性和地磁组合的近钻头井下钻具姿态随钻测量装置和测量方法，利用组合姿态测量技术克服单一姿态测量方法存在的固有缺陷(微惯性器件累积误差问题和地磁场测量干扰问题)，通过多传感器信息融合有效提高井下钻具的姿态测量精度，具有体积小、功耗低的优点，有利于在电池供电的条件下实现井下长时间工作。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种近钻头钻具姿态随钻测量装置，包含测量传感器和测量电路，所述测量传感器测量信号传输至测量电路，测量电路对信号进行处理和计算得到姿态数据；所述测量传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器，利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算初始姿态角，利用初始姿态角对四元数初始化，根据三轴MEMS陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴MEMS陀螺仪的积累误差。
进一步地，所述测量传感器为采取X,Y,Z三轴正交安装，在每个轴向上，加速度计、陀螺仪和磁传感器的敏感轴方向保持平行。
进一步地，所述测量电路包括模数转换器、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器、处理器和低通滤波器，所述低通滤波器分别滤除所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器的输出信号中的高频干扰，根据加速度计、陀螺仪、磁传感器和温度传感器的频带和钻井转速选用设计低通截止频率与之匹配的滤波器。
进一步地，所述测量电路结构如下：测量传感器输出的模拟信号通过低通滤波器滤除高频干扰，经过滤波的测量传感器输出信号通过模数转换器进行数据采集，采集的时序控制由FPGA实现，同时FPGA将采集的原始数据进行数字滤波，打包后根据通信协议发送给处理器，处理器将原始时间数据存储到存储器里,同时进行姿态角的解算，所述处理器包括姿态角计算模块、四元数初始化模块和四元数更新模块。
进一步地，所述存储器存储有加速度计、磁传感器和陀螺仪的标定系数。
进一步地，所述加速度计为MEMS加速度计、所述陀螺仪为MEMS陀螺仪、所述磁传感器为磁阻传感器。
进一步地，所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器采取同步采集方式测量。
进一步地，所述姿态角包括倾角、方位角和工具面。
进一步地，所述装置安装在钻铤中心的泥浆通道中或在钻铤表面开槽安装。
一种近钻头钻具姿态随钻测量方法，使用上述装置，所述方法为利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算第一姿态角，利用第一姿态角对四元数初始化，根据三轴MEMS陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴MEMS陀螺仪的积累误差。
进一步地，所述方法中还包括利用存储的加速度计和磁传感器和陀螺仪的标定系数，修正加速度计和磁传感器标度系数和安装误差。
进一步地，所述周期为1-10秒，具体根据钻具转速和姿态数据更新速率确定。
本发明的有益技术效果：
(1)基于微惯性器件和磁阻传感器的组合，体积小，功耗低，满足近钻头姿态测量装置安装空间和电池供电下工作时间要求；
(2)利用惯性和地磁组合导航实现姿态测量，克服单一姿态测量方法存在的固有缺陷(微惯性器件累积误差问题和地磁场测量干扰问题)，通过多传感器信息融合有效提高井下钻具的姿态测量精度，适应复杂的钻井测量应用场合。
附图说明
图1为三轴轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器安装示意图；
图2为一种近钻头钻具姿态随钻测量装置电路图；
图3为一种近钻头钻具姿态随钻测量方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种近钻头钻具姿态随钻测量装置，包含测量传感器和测量电路，所述测量传感器测量信号传输至测量电路，测量电路对信号进行处理和计算得到姿态数据；所述测量传感器包括三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪、三轴磁阻传感器和一个温度传感器，所述测量传感器采取X,Y,Z三轴正交安装，在每个轴向上，安装的不同传感器的敏感轴方向保持平行。如图1所示。
所述测量电路包括模数转换器、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器、处理器和低通滤波器，所述低通滤波器分别滤除所述三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪、三轴磁阻传感器和一个温度传感器的输出信号中的高频干扰。
所述装置电路结构如下：传感器输出的模拟信号通过低通滤波器滤除高频干扰，针对不同传感器的频带和钻井转速，设计截止频率与之匹配的滤波器。同时A/D转换器前的低通滤波器还起到抗混叠滤波的作用。经过滤波的传感器输出信号经过模数转换器进行数据采集。采集的时序控制由现场可编程门阵列(FPGA)实现，同时FPGA将采集的原始数据进行数字滤波，打包后根据通信协议发送给ARM微处理器，微处理器将原始时间数据存储到FLASH里,同时进行倾角、方位角和工具面角的解算。原始数据和计算结果均通过USB总线上传到计算机，便于进行复杂算法的处理和验证，如图2所示。所述微处理器包括姿态角计算模块、四元数初始化模块和四元数更新模块，所述微处理器计算姿态角的方法如图3所示。
所述装置安装在钻铤中心的泥浆通道中或在钻铤表面开槽安装。
一种近钻头钻具姿态随钻测量方法，所述方法具体包括以下步骤：
(1)测量三轴加速度计信号Ax，Ay,Az、三轴磁阻感器信号Mx,My,Mz,温度传感器输出值T；
(2)根据温度传感器的测量值，利用存储的温度标定系数，分别对三轴加速度计、三轴磁传感器的每个轴向进行温度修正；
(3)利用存储的三轴加速度计和三轴磁传感器标定系数，修正三轴加速度计和三轴磁传感器标度系数和安装误差；加速度计修正公式：
ax、ay、az为补偿之后的加速度值，Ax、Ay、Az为原始测量的加
速度值，K0和K1为修正系数，
从装置姿态测量电路中的存储器中读取；
磁传感器修正公式：
Mx、My、Mz为补偿之后的磁场值，Mx、My、Mz为补偿之前的磁场值，S0和S1为修正系数,从姿态测量装置电路中的存储器中读取；
(4)利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器数据，计算第一姿态角；
所述θ为井斜角；φ为工具面角；ψ为方位角
(5)利用第一姿态角，初始化四元数；
所述q0、q1、q2和q3代表四元数；
(6)测量三轴陀螺仪信号Ωx、Ωy、Ωz和温度传感器输出信号T，根据温度传感器的测量值，利用存储的温度标定系数，分别对三轴陀螺仪信号的每个轴向进行温度修正；
(7)利用存储的陀螺仪标定系数，修正陀螺仪标度系数和安装误差；
ωx、ωy、ωz为补偿之后的角速度值，Ωx、Ωy、Ωz为原始测量的角速度值，W0和W1为修正系数，从装置姿态测量电路中的存储器中读取；
(8)利用四元数进行时间更新，通过解微分方程计算新的四元数
(9)根据新的四元数值，计算第二姿态角；
θ＝arcsin(2(q1 q3-q0 q2))
(10)测量下一组陀螺仪数据，重复步骤(7)-(9)计算第三姿态角；
(11)经过1-10s后进入步骤(1)，重新利用三轴加速度计和三轴磁传感器的数据计算第一姿态角，并初始化四元数，消除陀螺仪的累计误差。
近钻头钻具姿态随钻测量方法如图3。
Claims (8)
1.一种近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述装置紧邻钻头安装在钻铤中心的泥浆通道中，或者在钻铤表面开槽安装,所述装置随钻铤转动；
所述装置包含测量传感器和测量电路，所述测量传感器测量信号传输至测量电路，所述测量电路对信号进行处理和计算得到姿态数据；所述测量传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器;利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算第一姿态角，利用第一姿态角对四元数初始化，根据三轴陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴陀螺仪的积累误差；
所述测量电路包括模数转换器、现场可编程门阵列、存储器、处理器和低通滤波器，所述低通滤波器与所述测量传感器相连，进行模数转换前，所述低通滤波器分别滤除所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和温度传感器的输出信号中的高频干扰，根据加速度计、陀螺仪、磁传感器和温度传感器的频带和钻井转速选用设计低通截止频率与之匹配的滤波器；
所述模数转换器对经过低通滤波后的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器信号采取同步采集方式测量。
2.如权利要求1所述近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器采取X,Y,Z三轴正交安装，在每个轴向上，加速度计、陀螺仪和磁传感器的敏感轴方向保持平行。
3.如权利要求1所述近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述测量电路结构如下：所述低通滤波器与所述模数转换器相连，所述模数转换器与所述现场可编程门阵列相连，所述现场可编程门阵列与所述处理器相连，所述处理器连接有所述存储器；测量传感器输出的模拟信号通过低通滤波器滤除高频干扰，经过滤波的测量传感器输出信号通过模数转换器进行数据采集，采集的时序控制由现场可编程门阵列实现，同时现场可编程门阵列将采集的原始数据进行数字滤波，打包后根据通信协议发送给处理器，处理器将原始时间数据存储到存储器里,同时进行姿态角的解算，所述处理器包括姿态角计算模块、四元数初始化模块和四元数更新模块。
4.如权利要求1所述近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述加速度计为微机电加速度计、所述陀螺仪为MEMS陀螺仪、所述磁传感器为磁阻传感器。
5.如权利要求1所述近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述存储器存储有加速度计、磁传感器和陀螺仪的标定系数。
6.如权利要求1-5任一所述近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述姿态角包括倾角、方位角和工具面角。
7.一种近钻头钻具姿态随钻测量方法，其特征在于，所述方法具体为：
（1）利用如权利要求1-5任一所述装置测量三轴加速度计数据、三轴陀螺仪数据、三轴磁传感器数据和温度传感器数据；利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算第一姿态角；
（2）利用第一姿态角对四元数初始化；
（3）利用温度传感器测量数据修正三轴陀螺仪的测量数据，根据修正后的三轴陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算第二姿态角；
（4）测量下一组三轴陀螺仪数据，重复步骤(3）计算第三姿态角；
（5）经过1-10s后进入步骤(1)，重新利用三轴加速度计和三轴磁传感器的数据计算第一姿态角，利用第一姿态角初始化四元数，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴陀螺仪的积累误差。
8.如权利要求7所述一种近钻头钻具姿态随钻测量方法，其特征在于，所述方法中还包括利用存储的加速度计、磁传感器和陀螺仪的标定系数，修正加速度计、磁传感器和陀螺仪的标度系数和安装误差。
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Inventor after: Zhang Wenxiu Inventor after: Wang Zili Inventor after: Chen Wenxuan Inventor after: Di Qingyun Inventor after: Yang Yongyou Inventor after: Sun Yuntao Inventor after: Zheng Jian Inventor after: Liu Jianguang Inventor before: Zhang Wenxiu Inventor before: Chen Wenxuan Inventor before: Di Qingyun Inventor before: Yang Yongyou Inventor before: Sun Yuntao Inventor before: Zheng Jian Inventor before: Liu Jianguang |
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