CN201277027Y - 水平导向钻自主定向定位仪 - Google Patents

Abstract

一种水平导向钻自主定向定位仪，包含：通过通信电缆连接的井下测量单元和地面测量单元；所述的井下测量单元包含三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计、倾斜计、电路连接所述三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计和倾斜计的数据同步采集子系统，包含电路连接所述数据同步采集子系统的数据通信子系统，还包含分别电路连接上述各系统的电源管理子系统；所述的地面测量单元包含电路连接所述的数据通信子系统的计算机处理模块以及电路连接计算机处理模块的全球定位系统接收机和里程计。该水平导向钻自主定向定位仪测量精度高、抗干扰性强、操作方便、自动化程度高，可广泛用于各种水平钻的姿态及位置测量。

Description

水平导向钻自主定向定位仪

技术领域

本实用新型涉及水平导向钻管线轨迹自主测绘与定位系统，尤其是一种高可靠性、高精度的水平导向钻自主定向定位仪。

背景技术

目前，国内外普遍采用的水平钻定向定位仪，按照其工作原理主要分为两类，即1)光电式测斜仪，2)电磁式测斜仪。第一类是采用光源经纬仪摄像原理，通过光-电转换实现对水平钻井方位角和倾斜角的测量，由于光电设备对环境的要求非常苛刻，并且测量精度低，从而不能满足水平钻井恶劣环境的使用条件。第二类是通过地磁场测量的方法来给出方位角和倾斜角，这类仪器，由于测量结果易受附近铁磁物质干扰，从而不能精确测量水平钻井的姿态和位置。

实用新型内容

现有的水平钻定向定位仪具有可靠性差、测量精度低的缺点，为了克服此不足，本实用新型公开了一种水平导向钻自主定向定位仪。

该水平导向钻自主定向定位仪包含通过通信电缆连接的井下测量单元和地面测量单元。

所述的井下测量单元包含三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计、倾斜计、电路连接所述三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计和倾斜计的数据同步采集子系统，还包含电路连接所述数据同步采集子系统的数据通信子系统。

所述的三轴光纤陀螺用来测量水平导向钻的角速度信号，三轴加速度计用来测量水平导向钻X、Y、Z方向的加速度信号，磁强计用来测量地下磁场强度信号，倾斜计用来测量水平导向钻倾角信号。

所述的水平导向钻自主定向定位仪还包含分别电路连接数据同步采集子系统、数据通信子系统、三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计、倾斜计的电源管理子系统。

所述的电源管理子系统用于电源充电管理和电量测量。

所述的地面测量单元包含电路连接所述的数据通信子系统的计算机处理模块以及电路连接计算机处理模块的全球定位系统接收机和里程计。

该全球定位系统接收机用于确定水平导向钻的工作位置地理坐标。里程计安装在水平导向钻机上，用于测量钻杆行程。计算机处理模块将采集的里程计、全球定位系统接收机的数据和井下测量单元采集的数据进行数据融合。

所述的数据同步采集子系统包含电路连接磁强计、倾斜计的可编程门阵列；还包含电路连接三轴光纤陀螺、三轴加速度计和可编程门阵列的模/数转换芯片；还包含电路连接模/数转换芯片、可编程门阵列和数据通信子系统的控制数据采集时序控制器单元。

所述的模/数转换芯片用于采集三轴光纤陀螺、三轴加速度计输出的姿态测量信号。可编程门阵列用于完成控制器单元模/数转换芯片、磁强计、倾斜计之间的数据接口。控制器单元用于控制数据采集时序，保证采集到的姿态数据是同步的，同时将采集到的数据转换成约定格式的串行数据，向地面系统进行数据高速传送。

所述的数据通信子系统包含电路连接控制器单元的总线收发器，以及电路连接总线收发器的总线驱动器。

所述的数据通信子系统用来将数据同步采集子系统采集到的姿态数据转换成约定格式的串行数据，向地面系统传递。所述的总线收发器用来将探测指令、声波激励信号和探测响应数据转换成约定格式的串行数据，完成井下测量单元与地面测量单元之间数据的高速传送。

所述的电源管理子系统包含电路连接总线收发器的电源管理芯片，还包含电路连接电源管理芯片的电池组，以及电路连接所述电池组和电源管理芯片的电源变换模块。

电源变换模块用于进行电压变换，向地下系统各电路板供电。电池组用于地下系统供电。

所述的井下测量单元中的三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计、倾斜计、数据同步采集子系统、数据通信子系统、电源管理子系统逐序分别装在圆柱形刚体内，由穿线活塞、密封金属端盖、顶紧O形圈将其连接并密封，组装形成一体。

电源管理芯片收到地面测量单元发送的开机命令，开启电源变换模块，井下测量单元开始工作。数据同步采集子系统内控制器单元产生时间同步信号，对其内部的模/数转换芯片和可编程门阵列进行时间同步，并对三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计、倾斜计进行同步数据采集，同时控制器单元对采集的数据进行低通滤波和抗干扰滤波，并将处理后的数据通过数据通信子系统中的总线收发器和总线驱动器发送到计算机处理模块。输入至计算机处理模块的陀螺、加速度计的原始信息是水平钻的角速度和加速度的函数，通过数据预处理进行零偏、非正交误差、温度误差补偿，得到载体的角速度和加速度的测量值。在进行动态姿态解算前，首先需要在静态下利用角速度和加速度测量值、GPS测量的初始位置进行初始对准，得到载体的初始姿态。在初始对准完成后，可以开始进行动态姿态测量。利用三轴光纤陀螺和三轴加速度计的姿态测量值、里程计的测量值、磁强计的测量值、倾斜计的测量值、全球定位系统接收机的测量值，并结合水平钻的运行状态，进行数据融合，得到水平钻的姿态、位置信息，从而完成对水平钻的定向定位测量。另外，电源管理芯片每隔一段时间采集一次电池组的电量，并将电量数据通过数据通信子系统发送到计算机处理模块，从而告知用户井下测量单元电池的使用情况。

本实用新型解决水平钻井中钻头姿态及位置精确测量问题。能够稳定可靠的连续输出水平钻井的姿态和位置信息，具有测量精度高、抗干扰性强、操作方便、自动化程度高等优点。

附图说明

图1是水平导向钻自主定向定位仪的原理示意图；

图2是井下测量单元的电路方框图；

图3是水平导向钻自主定向定位仪的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图3具体说明本发明的较佳实施方式：

如图1所示，本实用新型水平导向钻自主定向定位仪，包含通过通信电缆连接的井下测量单元和地面测量单元。

所述的井下测量单元包含三轴光纤陀螺(型号为NT100)1、三轴加速度计(型号为QTZ-1)2、磁强计(型号为HMR3000)3、倾斜计(型号为SANG1000)4、电路连接所述三轴光纤陀螺1、三轴加速度计2、磁强计3和倾斜计4的数据同步采集子系统6，还包含电路连接所述数据同步采集子系统6的数据通信子系统7。

所述的三轴光纤陀螺1用来测量水平导向钻的角速度信号，三轴加速度计2用来测量水平导向钻X、Y、Z方向的加速度信号，磁强计3用来测量地下磁场强度信号，倾斜计4用来测量水平导向钻倾角信号。

所述的水平导向钻自主定向定位仪还包含分别电路连接数据同步采集子系统6、数据通信子系统7、三轴光纤陀螺1、三轴加速度计2、磁强计3、倾斜计4的电源管理子系统5。

所述的电源管理子系统5用于电源充电管理和电量测量。

所述的地面测量单元包含电路连接所述的数据通信子系统7的计算机处理模块10以及电路连接计算机处理模块10的全球定位系统接收机(型号为GPS--OEM-G2L-3111RS)8和里程计(型号为hls L)9。

该全球定位系统接收机8用于确定水平导向钻的工作位置地理坐标。里程计9安装在水平导向钻机上，用于测量钻杆行程，计算机处理模块10将采集的里程计9、全球定位系统接收机8的数据和井下测量单元采集的数据进行数据融合。

如图2所示，所述的数据同步采集子系统6包含电路连接磁强计3、倾斜计4的可编程门阵列(型号为XC3S1500-4FG456)13；还包含电路连接三轴光纤陀螺1、三轴加速度计2和可编程门阵列13的6路24位模/数转换芯片(型号为ADS1211)11；还包含电路连接模/数转换芯片11、可编程门阵列13和数据通信子系统7的控制数据采集时序的控制器单元(型号为TMS320F240)12。

所述的6路24位模/数转换芯片11用于采集三轴光纤陀螺1、三轴加速度计2输出的姿态测量信号。可编程门阵列13用于完成控制器单元12与6路24位模/数转换芯片11、磁强计3、倾斜计4之间的数据接口。控制器单元12用于控制数据采集时序，保证采集到的姿态数据是同步的，同时将采集到的数据转换成约定格式的串行数据，向地面系统进行数据高速传送。

所述的数据通信子系统7包含电路连接控制器单元12的CAN总线收发器17，以及电路连接CAN总线收发器17的CAN总线驱动器18。

所述的数据通信子系统7用来将数据同步采集子系统采集到的姿态数据转换成约定格式的串行数据，向地面测量单元传递。所述的总线收发器17用来将探测指令、声波激励信号和探测响应数据转换成约定格式的串行数据，完成井下测量单元与地面测量单元之间数据的高速传送。

所述的电源管理子系统包含电路连接CAN总线收发器17的电源管理芯片(型号为NR12D12/50A)15，还包含电路连接电源管理芯片15的电池组14，以及电路连接所述电池组14和电源管理芯片15的电源变换模块(型号为NR12D12/50A、WRH39-12S5)16。

电源变换模块16用于将15V直流供电电源变换成5V和±15V电压，向地下系统各电路板供电。电池组14用于地下系统供电。

如图3所示，所述的井下测量单元中的三轴光纤陀螺1、三轴加速度计2、磁强计3、倾斜计4、数据同步采集子系统6、数据通信子系统7、电源管理子系统5逐序分别装在圆柱形刚体19内，由穿线活塞20、密封金属端盖21、顶紧O形圈22将其连接并密封，组装形成一体。

如图1、2所示，电源管理芯片15收到地面测量单元发送的开机命令，开启电源变换模块16，井下测量单元开始工作。数据同步采集子系统6内控制器单元12产生时间同步信号，对其内部的6路24位模/数转换芯片11和可编程门阵列13进行时间同步，并对三轴光纤陀螺1、三轴加速度计2、磁强计3、倾斜计4进行同步数据采集，采样频率为400Hz，同步精度为100us，同时控制器单元12对采集的数据进行低通滤波和抗干扰滤波，并将处理后的数据通过数据通信子系统7中的CAN总线收发器17和CAN总线驱动器18发送到计算机处理模块10。输入至计算机处理模块10的陀螺、加速度计的原始信息是水平钻的角速度和加速度的函数，通过数据预处理进行零偏、非正交误差、温度误差补偿，得到载体的角速度和加速度的测量值。在进行动态姿态解算前，首先需要在静态下利用角速度和加速度测量值、GPS测量的初始位置进行初始对准，得到载体的初始姿态。在初始对准完成后，可以开始进行动态姿态测量。利用三轴光纤陀螺1和三轴加速度计2的姿态测量值、里程计9的测量值、磁强计3的测量值、倾斜计4的测量值、全球定位系统接收机8的测量值，并结合水平钻的运行状态，采用扩展卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到水平钻的姿态、位置信息，从而完成对水平钻的定向定位测量。另外，电源管理芯片15每隔1s采集一次电池组14的电量，并将电量数据通过数据通信子系统7发送到计算机处理模块10，从而告知用户井下测量单元电池的使用情况。

本实用新型解决了水平钻井中钻头姿态及位置精确测量问题，能够稳定可靠的连续输出水平钻井的姿态和位置信息，具有测量精度高、抗干扰性强、操作方便、自动化程度高等优点。

Claims (7)

1.一种水平导向钻自主定向定位仪，其特征在于，包含：

通过通信电缆连接的井下测量单元和地面测量单元；

所述的井下测量单元包含三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)、磁强计(3)、倾斜计(4)、电路连接所述三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)、磁强计(3)和倾斜计(4)的数据同步采集子系统(6)，还包含电路连接所述数据同步采集子系统(6)的数据通信子系统(7)；

数据同步采集子系统(6)在同步时钟的控制下采集三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)、磁强计(3)、倾斜计(4)的实时数据，并对它们进行滤波；然后数据通信子系统(7)将采集的实时数据发送到地面测量单元；最后由地面测量单元将接收到的井下测量单元和地面测量单元的数据进行融合，计算水平钻的姿态及位置信息，显示并存档。

2.如权利要求1所述的水平导向钻自主定向定位仪，其特征在于，所述的水平导向钻自主定向定位仪还包含：

分别电路连接数据同步采集子系统(6)、数据通信子系统(7)、三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)、磁强计(3)、倾斜计(4)的电源管理子系统(5)；

所述的电源管理子系统(5)用于电源充电管理及电量测量。

3.所权利要求1所述的水平导向钻自主定向定位仪，其特征在于，所述的地面测量单元包含：

电路连接数据通信子系统(7)的计算机处理模块(10)；

电路连接计算机处理模块(10)的全球定位系统接收机(8)和里程计(9)；

所述的计算机处理模块(10)将采集的里程计(9)、全球定位系统接收机(8)的数据和井下测量单元采集的数据进行数据融合。

4.如权利要求1所述的水平导向钻自主定向定位仪，其特征在于，所述的数据同步采集子系统(6)包含：

电路连接磁强计(3)、倾斜计(4)的可编程门阵列(13)；

电路连接三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)和可编程门阵列(13)的模/数转换芯片(11)；

电路连接模/数转换芯片(11)、可编程门阵列(13)和数据通信子系统(7)的控制数据采集时序的控制器单元(12)。

5.如权利要求1所述的水平导向钻自主定向定位仪，其特征在于，所述的数据通信子系统(7)包含：

电路连接控制器单元(12)的总线收发器(17)；

电路连接总线收发器(17)的总线驱动器(18)。

6.如权利要求2所述的水平导向钻自主定向定位仪，其特征在于，所述的电源管理子系统包含：

电路连接总线收发器(17)的电源管理芯片(15)；

电路连接电源管理芯片(15)的电池组(14)；

电路连接所述电池组(14)和电源管理芯片(15)的电源变换模块(16)。

7.如权利要求2所述的水平导向钻自主定向定位仪，其特征在于，所述的三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)、磁强计(3)、倾斜计(4)、数据同步采集子系统(6)、数据通信子系统(7)、电源管理子系统(5)逐序分别装在圆柱形刚体(19)内，由穿线活塞(20)、密封金属端盖(21)、顶紧O形圈(22)将其连接并密封，组装形成一体，并通过通信电缆与地面测量单元相连。

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