CN100392208C - 一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置及消除误差方法 - Google Patents

Abstract

一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置，由后轴、X轴加速度计座、Y轴加速度计座、陀螺信号接口、陀螺后罩、绝缘层、绝缘接线柱、密封罩、壳体、惯性体前罩和前轴组成，可以安装一个双轴动力调谐陀螺仪和两个加速度计。该装置能够保证惯性器件的高精度安装，结构紧凑，适用于小型高精度钻井测斜仪；此外采用该装置能够消除惯性测量组件常值误差，即X轴加速度计座所安装的X轴加速度计、Y轴加速度计座所安装的Y轴加速度计以及动力调谐陀螺仪绕后轴和前轴转动某个角度，获取转动前后动力调谐陀螺仪与加速度计两个位置的输出量，将二者相减，从而消除动力调谐陀螺仪与加速度计误差模型中的常值项。

Description

一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置及消除误差方法

技术领域

本发明属于惯性测量领域，涉及到一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置，适用于小型高精度钻井测斜仪。

背景技术

在钻井测量中，要求所使用的测量仪器在径向尺寸上有比较严格的限制：在套管井中所使用的套管、钻杆越小，留给测量仪器的空间越小，对测量仪器的径向尺寸要求越小；在小曲率井中，特别是套管开窗小曲率井，测量仪器的轴向尺寸也和径向尺寸同样有很高的要求和限制。因此，需要使用特殊的结构来解决尺寸限制问题。

在采用惯性技术的测斜定向***中，惯性器件的高精度安装十分重要，这将影响到惯性器件对外部信号敏感的精度，直接影响到***的测量精度和整体性能，因此惯性器件的高精度安装是***的关键问题之一。在现代陀螺测斜***中，惯性器件普遍采用捷联编排，要求加速度计的敏感轴严格正交，陀螺仪的敏感轴严格正交，敏感同一方向的加速度计的敏感轴与陀螺仪的敏感轴严格平行，使整个惯性测量组件的敏感轴处于某一三维坐标系内，使得惯性器件的输入轴失准角尽可能的小。

现有的采用动力调谐陀螺仪的测斜仪，其惯性器件是分立安装的，不易保证安装精度，结构不紧凑，测斜仪的精度受安装误差的影响较大。因此，对于采用动力调谐陀螺仪的测斜仪，设计与测斜仪结构尺寸相匹配的一体化惯性器件安装装置是保证测斜仪精度的必要措施。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置，保证了惯性器件安装精度，满足了结构紧凑小型化的要求。

本发明的技术解决方案是：一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置，其特征在于：包括后轴、用于安装Y轴加速度计的Y轴加速度计座、用于安装X轴加速度计的X轴加速度计座、陀螺信号接口、陀螺后罩、绝缘层、绝缘接线柱、密封罩、壳体、惯性体前罩和前轴，其中后轴与Y轴加速度计座相连且相互垂直，Y轴加速度计座与X轴加速度计座相连且相互垂直，X轴加速度计座与陀螺后罩相连且相互垂直，陀螺信号接口位于陀螺后罩中；后轴、Y轴加速度计座、X轴加速度计座、陀螺信号接口和陀螺后罩为一体化加工；前轴位于惯性体前罩的后端，惯性体前罩和前轴相连且共轴；后轴、Y轴加速度计座、X轴加速度计座、陀螺后罩、密封罩、壳体、惯性体前罩和前轴共轴；陀螺后罩与密封罩由第一密封焊缝焊接在一起；壳体将密封罩与惯性体前罩承接在一起，并通过第二密封焊缝将密封罩、壳体和惯性体前罩焊接在一起；绝缘接线柱与密封罩通过与密封罩材料特性相近的玻璃烧结为一体，将动力调谐陀螺仪外壳所围绕的内部空间分为隔离的两部分，第一部分用于安装动力调谐陀螺仪信号处理电路，绝缘层为电路安装基座，第二部分用于安装陀螺组件，陀螺组件与壳体同轴安装，安装好后充入惰性气体，电信号由陀螺信号接口引出。

所述的Y轴加速度计座的安装面和X轴加速度计座的安装面垂直，保证Y轴加速度计和X轴加速度计的敏感轴严格正交；动力调谐陀螺仪的敏感轴X与X轴加速度计的敏感轴平行，动力调谐陀螺仪的敏感轴Y与Y轴加速度计的敏感轴平行。

采用上述的一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置消除惯性测量组件常值误差的方法，将X轴加速度计座所安装的X轴加速度计、Y轴加速度计座所安装的Y轴加速度计以及动力调谐陀螺仪绕后轴和前轴转动某个角度，获取转动前后动力调谐陀螺仪与加速度计两个位置的输出量，将二者相减，消除动力调谐陀螺仪与加速度计误差模型中的常值项。

本发明的原理是：测斜***主要是根据各测量点的方位角、倾斜角来确定井筒轴线空间位置，进行定向钻井时，还需随时测得工具面角。

如图4所示，为得到方位角、倾斜角和工具面角，我们选取两个坐标系：地理坐标系(北东地)XYZ和探测器坐标系xyz。最初两坐标系各相应轴彼此重合，首先XYZ系绕Z轴负向转一方位角A，得到x₁y₁z₁系，其次x₁y₁z₁绕y₁轴的负向转一倾斜角I得到x₂y₂z₂系，最后x₂y₂z₂绕z₂轴的负向转一工具面角T得到x₃y₃z₃系，为书写方便令x₃y₃z₃系为xyz系。根据上述规定的各坐标系间的相对转角关系，可得到地理坐标系与探测器坐标系之间的方向余弦阵C_t ^d为：

$C_t^d=\left[\begin{array}{ccc}\cos T\cos I\cos A-\sin A\sin T& -\cos T\cos I\sin A-\sin T\cos A& \mathrm{sniI}\cos T\\ \sin T\cos I\cos A+\sin A\cos T& -\sin T\cos I\sin A+\cos T\cos A& \sin T\sin I\\ -\sin I\cos A& \sin I\sin A& \cos I\end{array}\right]---\left(1\right)$

地球自转速率Ω与重力G在地理坐标系XYZ的分量Ω、G是已知的为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_X\\ {\mathrm{\ω}}_Y\\ {\mathrm{\ω}}_Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EH}}\\ 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EV}}\end{array}\right]$ $\stackrel{\‾}{G}=\left[\begin{array}{c}{g}_X\\ g_Y\\ g_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中

ω_EH＝ΩcosФ-地球自转速率在地理坐标系XYZ的水平分量；

ω_EV＝ΩsinФ-地球自转速率在地理坐标系XYZ的垂直分量。

式中Ф为当地纬度。

地球自转速率Ω与重力G在探测器系xyz上的分量与其在地理坐标系XYZ上的分量有如下关系：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]=C_t^d\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}$ $\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ a_z\end{array}\right]=C_t^d\stackrel{\‾}{G}---\left(3\right)$

其中ω_x、ω_y、ω_z为地球自转速率Ω在探测器系xyz上的分量；a_x、a_y、a_zω_z为重力G在探测器系xyz上的分量。

通过式(1)、(2)、(3)可得Ω与G在探测器系上的分量为：

a_x＝gcosTsinI                                   (4)

a_y＝gsinTsinI                                   (5)

a_z＝gcosI                                       (6)

ω_x＝ω_EH(cosAcosTcosI-sinAsinT)+ω_EVcosTsinI    (7)

ω_y＝ω_EH(cosAsinTcosI+sinAcosT)+ω_EVsinTsinI    (8)

ω_z＝-ω_EHcosAsinI+ω_EVcosI                      (9)

由式(4)-(8)可导出A、I、T的表达式。

由式(7)×sinT-式(8)×cosT得：

ω_xsinT-ω_ycosT＝-ω_EHsinA

所以 $\sin A=\frac{-{\mathrm{\ω}}_x\sin T+{\mathrm{\ω}}_y\cos T}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EH}}}---\left(10\right)$

由式(4)和(5)可知：

$\cos T=\frac{a_x}{g\sin I}---\left(11\right)$

$\sin T=\frac{a_y}{g\sin I}---\left(12\right)$

将式(11)、(12)代入式(10)并整理得：

$\sin A=\frac{a_x{\mathrm{\ω}}_y-a_y{\mathrm{\ω}}_x}{g{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EH}}\sin I}---\left(13\right)$

同样，式(7)×cosT+式(8)×sinT得：

ω_xcosT+ω_ysinT＝ω_EHcosAcosI+ω_EVsinI

所以 $\cos A=\frac{{\mathrm{\ω}}_x\cos T+{\mathrm{\ω}}_y\sin T-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EV}}\sin I}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EH}}\cos I}$

$=\frac{{\mathrm{\α}}_x{\mathrm{\ω}}_x+{\mathrm{\α}}_y{\mathrm{\ω}}_y-g{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EV}}{\sin }^{2}I}{g{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EH}}\sin I\cos I}---\left(14\right)$

因 $\tan A=\frac{\sin A}{\cos A}$

将式(13)、(14)代入上式得：

$\tan A=\frac{(a_x{\mathrm{\ω}}_y-a_y{\mathrm{\ω}}_x)\cos I}{a_x{\mathrm{\ω}}_x+a_y{\mathrm{\ω}}_y-g{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EV}}{\sin }^{2}I}$

$A=\arctan \frac{(a_x{\mathrm{\ω}}_y-a_y{\mathrm{\ω}}_x)\cos I}{a_x{\mathrm{\ω}}_x+a_y{\mathrm{\ω}}_y-g{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{EV}}{\sin }^{2}I}---\left(15\right)$

由式(11)和式(12)得：

$T=\arctan \frac{a_y}{a_x}---\left(16\right)$

由式(4)²+式(5)²得：

$a_x^2+a_y^2=g^2{\sin }^{2}I$

所以 $\sin I=\frac{1}{g}\sqrt{a_x^2+a_y^2}$

$I=\arcsin \left(\frac{1}{g}\sqrt{{\mathrm{\α}}_x^2+{\mathrm{\α}}_y^2}\right)---\left(17\right)$

可见，只要测得沿探测器坐标系轴上的ω_x、ω_y、a_x、a_y四个参数和给定当地的纬度就可通过式(15)、(16)、(17)求得探测器的方位角A、倾斜角I和工具面角T。

因此ω_x、ω_y、a_x、a_y的精确测量关系到方位角A、倾斜角I和工具面角T的准确测量，而加速度计和陀螺仪的安装误差都会对ω_x、ω_y、a_x、a_y的精确测量带来误差。因此为了准确获得方位角A、倾斜角I和工具面角T，必须尽量减小加速度计和陀螺仪的安装误差。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)惯性器件敏感轴的正交度、平行度与机械加工的精度量级相同，为微米级，从而保证惯性器件的高精度安装。

(2)动力调谐陀螺仪外壳与加速度计座的一体化结构紧凑、陀螺仪与加速度计安装紧凑，适宜于钻井测斜仪使用。

(3)将装置转动某个角度，获取陀螺仪与加速度计转动前后两个位置的输出量，将二者相减，可消除陀螺仪与加速度计误差模型中的常值项。

附图说明

图1为本发明的剖面图；

图2为本发明未安装加速度计的三维结构示意图；

图3为本发明安装加速度计后的三维示意图；

图4为测斜坐标变换示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由后轴1、Y轴加速度计座2、X轴加速度计座3、陀螺信号接口4、陀螺后罩5、绝缘层6、绝缘接线柱7、密封罩8、壳体9、惯性体前罩10和前轴11组成，其中后轴1与Y轴加速度计座2相连且相互垂直，Y轴加速度计座2与X轴加速度计座3相连且相互垂直，X轴加速度计座3与陀螺后罩5相连且相互垂直，陀螺信号接口4位于陀螺后罩5中；后轴1、Y轴加速度计座2、X轴加速度计座3、陀螺信号接口4和陀螺后罩5为一体化加工；前轴11位于惯性体前罩10的后端，惯性体前罩10和前轴11相连且共轴。

将绝缘接线柱7通过与密封罩8材料特性相近的玻璃与密封罩8烧结在一起，然后通过第一密封焊缝12将陀螺后罩5、密封罩8密封起来；然后再通过壳体9将密封罩8与惯性体前罩10承接起来，并通过第二密封焊缝13将密封罩8、壳体9和惯性体前罩10焊接在一起，陀螺后罩5、密封罩8、壳体9、惯性体前罩10组成动力调谐陀螺仪外壳。

绝缘接线柱7通过与密封罩8材料特性相近的玻璃与密封罩8烧结在一起之后，将动力调谐陀螺仪外壳16所围绕的内部空间分为严格隔离的两部分，在第一部分中，将动力调谐陀螺仪信号处理电路安装于绝缘层6上，在第二部分中将陀螺组件与壳体9同轴安装，陀螺组件安装完成后充入惰性气体，将陀螺仪信号通过陀螺信号接口4引出，至此完成陀螺仪的安装。

如图2所示，为本发明装置未安装加速度计的三维示意，其中16为安装好的动力调谐陀螺仪外壳。

如图3所示，将X轴加速度计15安装到X轴加速度计座3上、Y轴加速度计14安装到Y轴加速度计座2上，与安装好的动力调谐陀螺仪形成一体化的惯性体。

如图3所示，该装置内惯性组件的安装精度由一体化结构的加工精度来保证，即保证X轴加速度计座3的安装面、Y轴加速度计座2的安装面具有很高的垂直度，双轴动力调谐陀螺仪外壳16与X轴加速度计座3、Y轴加速度计座2以及前轴11、后轴1同轴，动力调谐陀螺仪的敏感轴X与X轴加速度计15的敏感轴严格平行，动力调谐陀螺仪的敏感轴Y与Y轴加速度计14的敏感轴严格平行。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置，其特征在于：包括后轴(1)、用于安装Y轴加速度计的Y轴加速度计座(2)、用于安装X轴加速度计的X轴加速度计座(3)、陀螺信号接口(4)、陀螺后罩(5)、绝缘层(6)、绝缘接线柱(7)、密封罩(8)、壳体(9)、惯性体前罩(10)和前轴(11)，其中后轴(1)与Y轴加速度计座(2)相连且相互垂直，Y轴加速度计座(2)与X轴加速度计座(3)相连且相互垂直，X轴加速度计座(3)与陀螺后罩(5)相连且相互垂直，陀螺信号接口(4)位于陀螺后罩(5)中；后轴(1)、Y轴加速度计座(2)、X轴加速度计座(3)、陀螺信号接口(4)和陀螺后罩(5)为一体化加工；前轴(11)位于惯性体前罩(10)的后端，惯性体前罩(10)和前轴(11)相连且共轴；后轴(1)、Y轴加速度计座(2)、X轴加速度计座(3)、陀螺后罩(5)、密封罩(8)、壳体(9)、惯性体前罩(10)和前轴(11)共轴；陀螺后罩(5)与密封罩(8)焊接在一起；壳体(9)将密封罩(8)与惯性体前罩(10)承接在一起，并将密封罩(8)、壳体(9)和惯性体前罩(10)焊接在一起；绝缘接线柱(7)与密封罩(8)通过与密封罩(8)材料特性相近的玻璃烧结为一体，将动力调谐陀螺仪外壳所围绕的内部空间分为隔离的两部分，第一部分用于安装动力调谐陀螺仪信号处理电路，绝缘层(6)为电路安装基座，第二部分用于安装陀螺组件，陀螺组件与壳体(9)同轴安装，安装好后充入惰性气体，电信号由陀螺信号接口(4)引出。

2.根据权利要求1所述的一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置，其特征在于：所述的Y轴加速度计座(2)的安装面和X轴加速度计座(3)的安装面垂直，保证Y轴加速度计和X轴加速度计的敏感轴严格正交；动力调谐陀螺仪的敏感轴X与X轴加速度计的敏感轴平行，动力调谐陀螺仪的敏感轴Y与Y轴加速度计的敏感轴平行。

3.采用权利要求1所述的一种测斜仪用惯性测量组件一体化装置消除惯性测量组件常值误差的方法，其特征在于：所述的X轴加速度计座(3)所安装的X轴加速度计、Y轴加速度计座(2)所安装的Y轴加速度计以及动力调谐陀螺仪绕后轴(1)和前轴(11)转动某个角度，获取转动前后动力调谐陀螺仪与加速度计两个位置的输出量，将二者相减，消除动力调谐陀螺仪与加速度计误差模型中的常值项。

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