CN202100251U - 一种九加速度计连续测斜仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及测量油气井轨迹时所用的一种九加速度计连续测斜仪，包括传感器功能单元、信号调理和数据采集单元以及控制和数据处理单元；传感器功能单元通过信号调理和数据采集单元接入控制和数据处理单元；传感器功能单元包括至少三组加速度计组，加速度计组同轴设置在一起。本实用新型提供了一种成本低、不受现场环境限制、使用寿命长、有较强的抗震性能和抗冲击性能、结构简单、可靠性高、反应快速、低功耗的九加速度计连续测斜仪。

Description

一种九加速度计连续测斜仪

技术领域

本实用新型属于石油、天然气等矿业勘探领域，涉及一种油气井的测量工具，尤其涉及一种测量油气井轨迹时所用的九加速度计连续测斜仪。

背景技术

在钻井、开窗侧钻和打水平井的过程中，需要了解井眼轨迹，确保钻井工程的质量满足设计要求，测斜仪器正是基于此种目的而出现。国内外测斜仪器种类比较多，但总体上分为两类：磁通门测斜仪和陀螺测斜仪。它们采用不同的测斜原理，使用的范围也不同，具体介绍如下：

磁通门测斜仪通常采用三个磁通门传感器测量地磁场矢量在仪器坐标系三个坐标轴上的投影分量，采用三个加速度计测量重力加速度矢量在仪器坐标系三个坐标轴上的投影分量，由于每个地理坐标的地磁场矢量和重力加速度矢量已知，通过坐标变换，并利用六个测量值可计算出油井在每个点上的倾斜角、工具面角和方位角，从而获得井眼轨迹。磁通门测斜仪分点测和连测，抗震性能和抗冲击性能比较强，可以用于随钻测量。但磁通门测斜仪易受周围磁场的影响，要求调试环境在3米内无铁磁物质，10米内无强磁场存在，只能用于裸眼井的测量，应用范围受到一定的限制。

陀螺测斜仪分为点测陀螺测斜仪和连续陀螺测斜仪。点测陀螺测斜仪进行工作时，有意识的将井深分成若干段，将仪器在每个节点上停留几分钟，测量该节点的倾斜角、工具面角和方位角，然后将所有节点的轨迹连接起来就可以获得井眼的轨迹。点测陀螺测斜仪通常采用一个二自由度陀螺测量地球自转角速度矢量在仪器平面的两个轴向的投影角速度分量，采用三个加速度计测量重力加速度矢量在仪器坐标系三个坐标轴上的投影分量，由于每个地理坐标的地球自转角速度矢量和重力加速度矢量已知，通过坐标变换，并利用五个测量值和油井当地纬度即可计算出油井在每个点上的倾斜角、工具面角和方位角，从而获得井眼轨迹。点测陀螺测斜仪不受磁场环境的限制，既可以测试裸眼井，还可以测试套管井，但其抗震性能和抗冲击性能比较弱，不适合随钻测量，由于采用分段测量，测量精度较低，另外点测陀螺测斜仪在进行测量前先等仪器静止，测量时间比较长。

连续陀螺测斜仪无需将井深分段，可以对油气井进行连续测量，但考虑到陀螺飘移的变化，在工程应用中每隔一定的时间需要将仪器停下来，对陀螺进行零点对准。连续陀螺测斜仪通常采用两个二自由度动调陀螺或三个单自由度的光纤陀螺，测量仪器坐标系中三个坐标轴上的角速度分量，采用三个加速度计测量重力加速度矢量在仪器坐标系三个坐标轴上的投影分量，在测量开始前先要采用寻北算法进行寻北。完成寻北后就可以进行测量，通常采用四元数捷联导航算法，计算出每个点的倾斜角、工具面角和方位角，从而获得井眼轨迹。连续陀螺测斜仪测量时间比点测陀螺测斜仪测量时间要缩短很多，测量精度也有一定的提高，不受磁场环境的限制，既可以测试裸眼井，也可以测试套管井，但其结构复杂，抗震性能和抗冲击性能比较弱，不适合随钻测量。由于采用寻北算法和陀螺捷联导航算法，数据处理比较复杂。

目前裸眼井的测量通常采用磁通门测斜仪，套管井主要采用陀螺测斜仪，但磁通门测斜仪受磁场环境的影响，应用领域有一定的限制，陀螺测斜仪受陀螺技术的限制，抗震性能和抗冲击性能较弱，成本高，寿命有限，体积大，操作复杂，测量效率较低。随着国内外无陀螺捷联惯性导航***研究的深入，将其应用于测井技术领域已成为可能，采用加速度计传感器的无陀螺测斜仪器的出现成为发展的必然。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种成本低、不受现场环境限制、使用寿命长、有较强的抗震性能和抗冲击性能、结构简单、可靠性高、反应快速、低功耗的九加速度计连续测斜仪。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种九加速度计连续测斜仪，其特殊之处在于：所述九加速度计连续测斜仪包括传感器单元、信号调理和数据采集单元以及控制和数据处理单元；所述传感器单元输出信号通过信号调理和数据采集单元后送给控制和数据处理单元；所述传感器功能单元包括三组加速度计组，所述加速度计组同轴设置在一起。

上述加速度计组同轴平行设置在一起。

上述加速度计组包括第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计；所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计相互正交设置在一起。

上述传感器功能单元还包括用于测量传感器工作环境的温度的温度传感器。

上述加速度计是石英挠性加速度计或硅微机械加速度计。

上述九加速度计连续测斜仪还包括通信单元，所述通信单元与控制和数据处理单元电性连接。

上述信号调理和数据采集单元包括运算放大器以及AD转换器；所述运算放大器与AD转换器电性连接。

上述AD转换器是24位、8通道的AD转换器。

上述控制和数据处理单元是基于DSP为核心的控制和数据处理单元。

本实用新型的优点是：

本实用新型所提供的九加速度计连续测斜仪既可用于裸眼井的测量，也可以用于套管井的测量，即可用于随钻测量，也可用于井迹复查等独立使用的场合。由于本实用新型采用了无陀螺捷联惯性导航技术，避免了在陀螺测斜仪中陀螺控制电路的设计，使控制电路变得简单，功耗明显降低，由于加速度计的漂移比陀螺明显要低，以及高精度的加速度计的出现，使九加速度计测斜仪能够满足井眼轨迹的测量精度要求，其具体优点表现在以下几个方面：

1)测量速度快。在陀螺测斜仪中，点测在每个测量点都要使仪器停下来进行测量，耗时费力，陀螺连续测量仪虽然可以进行连续测量，但由于陀螺的随机漂移，经过一段时间需要将仪器停下来，进行校准，而本实用新型所提供的九加速度计连续测斜仪不使用陀螺，并且加速度计的随机漂移比陀螺的随机漂移小得多，无需在测试时校准，因此测量时间缩短很多。

2)功耗低。在陀螺测斜仪中，由高速旋转的电机带动陀螺转子高速旋转，不仅容易产生热量，而且功耗大，而在无陀螺的九加速度计连续测斜仪中不存在此问题，功耗明显降低。

3)结构简单。在陀螺测斜仪中，通常使用挠性陀螺或光纤陀螺，不仅陀螺结构复杂，而且控制电路复杂，要取得良好的效果，需要陀螺和控制电路很好的配合，另外陀螺的体积比较大，对工作温度的要求也比较高，在进行结构设计时要考虑多种因素，因此结构比较复杂。在无陀螺的九加速度计连续测斜仪中，由于加速度计的体积比较小，不需要复杂的控制电路，对工作温度要求不高，因此结构上容易设计，最终的结构也比较简单。

4)可靠性高。在陀螺测斜仪中，陀螺的寿命有时间限制，抗冲击能力弱，在使用过程中又存在常值漂移，一次通电随机漂移，逐日漂移等随机漂移，使电路和算法的设计比较复杂，而在无陀螺的九加速度计连续测斜仪中，加速度计的寿命原则上没有时间限制，抗冲击能力也比较强，随机漂移比陀螺小得多，控制电路和算法也比较简单，可靠性明显提高。

5)寿命长。在陀螺测斜仪中，陀螺转子绕定点高速旋转，将转子支撑在摩擦力极小的轴承上，由于陀螺在工作中存在磨损，因此陀螺测斜仪的寿命不长，而在无陀螺的九加速度计连续测斜仪中，加速度计的寿命原则上没有时间限制，寿命比较长，维护简单。

6)应用范围广。九加速度计连续测斜仪不受磁场环境的限制，既可以用于裸眼井中，也可以用于套管井中，而且由于其抗冲击能力比较强，即可以用于随钻测量，也可以用于完井后，井眼轨迹测量。

附图说明

图1是载体系在地球系中的位置示意图；

图2是本实用新型所提供的九加速度测斜仪的配置方案示意图；

图3是九加速度陀螺测斜仪的总体结构示意图；

图4是本发明所提供的测斜仪的电路实现框图；

具体实施方式

本实用新型的原理是：本实用新型采用无陀螺捷联惯导技术，而无陀螺捷联惯导***的加速度计都安装在载体的非质心处，载体的非质心处的比力方程是研究无陀螺捷联惯导***的基础，具体推导如下：

参见图1中，地球坐标系为O_eX_eY_eZ_e，载体坐标系为O_bX_bY_bZ_b，载体运动角速度为ω_nb(rad/s)，设载体质心到地心的矢径为R，载体上任意一点P(非质心处)到其质心处的矢径为L，则P点到地心的矢径为R’为：

R′＝R+L

在惯性坐标系中，对上式求导得：

$\frac{{\mathrm{dR}}^{\′}}{\mathrm{dt}}{|}_i=V_e+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}\×L+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\×R^{\′}$

其中Ve为载体质心对地速度(m/s)，ω_ie为地球自转角速度(rad/s)。在惯性坐标系中，对上式的两边求导，则：

$\frac{d^2{R}^{\′}}{{\mathrm{dt}}^2}{|}_i={\stackrel{\·}{V}}_e+\stackrel{\·}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}}\×L+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}\×({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}\×L)+(2*{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}})\×(V_e+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}\×L)+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\×({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\×R^{\′})$

其中

为载体质心对地加速度，

载体运动角加速度，ω_en为惯导的位置角速度。

当载体上非质心处的绝对加速度为

时，根据牛顿第二定律得：

$\frac{d^2{R}^{\′}}{{\mathrm{dt}}^2}{|}_i=f+g_m$

其中f为比力，g_m为引力加速度。

设重力加速度g＝g_m-ω_ie×(ω_ie×R′)，则载体非质心点P在载体坐标系中的比力方程为：

$f^b={\stackrel{\·}{V}}_e^b+\stackrel{\·}{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}}^b}\×L^b+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}}^b\×({{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}}^b\×L^b)+(2*{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}}^b+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}}^b)\×(V_e^b+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}}^b\×L^b)+g^b+{\▿}^b$

其中：

----为加速度计测得的比力(m/s²)；

----为载体质心对地加速度(m/s²)；

----为载体质心对地速度(m/s)；

----为载体角加速度(rad/s2)；

----为载体角速度(rad/s)；

----为地球自转角速度(rad/s)；

----为惯导的位置角速度(rad/s)；

----为加速度计安装在载体坐标系中的位置(m)；

----为重力加速度(m/s²)；

----为加速度计的零偏(m/s²)。

九加速度计测斜仪的加速度配置方案如图2所示，将九个加速度计分成三组，每组包括三个相互正交安装的加速度计，安装方向平行于仪器坐标轴方向，每相邻两组加速度计相距0.6米，分别与仪器固联，G_x1、G_x2与G_x3相互平行，G_y1、G_y2与G_y3相互平行，G_z1、G_z2与G_z3相互同轴。

由九个加速度计的比力方程组成一个方程组，经过解算可得到以下两个方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\left[{\mathrm{\ω}}_x^b\right]}^2=\frac{1}{2}[\frac{f_d-f_e}{L_e-L_d}+\frac{f_g-f_h}{L_h-L_g}-\frac{f_a-f_b}{L_b-L_a}]+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}^b\\ {\left[{\mathrm{\ω}}_y^b\right]}^2=\frac{1}{2}[\frac{f_a-f_b}{L_b-L_a}+\frac{f_g-f_h}{L_h-L_g}-\frac{f_d-f_e}{L_e-L_d}]+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}^b\\ {\left[{\mathrm{\ω}}_z^b\right]}^2=\frac{1}{2}[\frac{f_d-f_e}{L_e-L_d}+\frac{f_g-f_h}{L_h-L_g}-\frac{f_a-f_b}{L_b-L_a}]+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}^b\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x^b=\frac{1}{L_i}[\frac{L_d{f}_e-L_e{f}_d}{L_d-L_e}-f_i]+[{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zy}}^b+{\mathrm{\ω}}_z^b{\mathrm{\ω}}_y^b]\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y^b=\frac{1}{L_c}[\frac{L_g{f}_h-L_h{f}_g}{L_g-L_h}-f_c]+[{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}^b+{\mathrm{\ω}}_x^b{\mathrm{\ω}}_z^b]\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z^b=\frac{1}{L_f}[\frac{L_a{f}_b-L_b{f}_a}{L_a-L_b}-f_f]+[{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yx}}^b+{\mathrm{\ω}}_y^b{\mathrm{\ω}}_x^b]\end{array}\right.$

对于角速度的解算通常采用直接积分法和开方法，但直接积分法会导致***误差积累，并且误差是无界的。开方法的误差是有界的，然而由于引入了符号判断过程，在小角速度和小角加速度的情况下容易造成符号误判，同时开方运算增加了***的工作量。在此构造出一种角速度辅助算法，提高角速度解算精度。

对于任一轴向t-1时刻的角速度，可用下式来表示：

${\mathrm{\ω}}_b^2(t-1)={[{\mathrm{\ω}}_b\left(t\right)-{\mathrm{\Δ\ω}}_b\left(t\right)]}^2$

$={\mathrm{\ω}}_b^2\left(t\right)-{2\mathrm{\ω}}_b\left(t\right){\mathrm{\Δ\ω}}_b\left(t\right)+{\mathrm{\Δ\ω}}_b^2\left(t\right)$

$={\mathrm{\ω}}_b^2\left(t\right)-{2\mathrm{\ω}}_b\left(t\right)\·\mathrm{\Δt}\·\stackrel{\·}{{\mathrm{\ω}}_b\left(t\right)}+{\mathrm{\Δt}}^2\·\stackrel{\·}{{\left[{\mathrm{\ω}}_b\left(t\right)\right]}^2}$

由上式可推导出角速度为：

${\mathrm{\ω}}_b\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_b^2\left(t\right)-{\mathrm{\ω}}_b^2(t-1)+{\mathrm{\Δt}}^2\·\stackrel{\·}{{\left[{\mathrm{\ω}}_b\left(t\right)\right]}^2}}{2\·\mathrm{\Δt}\·\stackrel{\·}{{\mathrm{\ω}}_b\left(t\right)}}$

这样利用加速度计的杆臂效应解算出载体的角速度信息，然后利用捷联导航算法解算出载体的运动轨迹，将此无陀螺捷联导航技术应用于测井领域，就可实现对井眼轨迹的测量。

本仪器***包括地面部分和井下部分，地面部分包括计算机和数控部分，实现对井下仪器的控制和对数据的分析处理，井下部分包括九加速度连续测斜仪，还可根据需要配接其它测量短节。本实用新型的特别之处在于使用新的技术进行井眼轨迹的测量，并进行有关的结构设计，因此以此作为重点在这里作简单的介绍。

九加速度陀螺测斜仪的总体结构如图3所示，从总体上可将该短节分成电源部分、传感器部分和控制部分。电源部分位于电源舱内，将单芯电缆的直流电转换为传感器和控制器所需的低压直流电源，同时完成信号的调制和解调过程，确保通信线路的畅通。传感器部分由传感器舱一、传感器舱二、传感器舱三组成，在每个传感器舱内安装有三个相互正交的加速度计，加速度计的敏感轴与仪器坐标系的坐标轴平行，并且和坐标轴的方向一致，全部九个加速度计组成无陀螺捷联导航***。控制部分完成对传感器数据的采集、卡尔曼滤波、角速度的解算，捷联导航算法解算，及倾斜角、工具面角和方位角的求解。由于无陀螺捷联导航算法比较复杂，计算量大，并且对实时性要求比较严格，所以控制芯片选择DSP芯片，另外由于使用高精度的加速度计，对采样精度提出更高的要求，在此选用高精度、高速、低功耗的AD芯片。在陀螺测斜仪中由于功耗比较大，通常将电源部分置于保温瓶外面，而九加速度计连续测斜仪采用无陀螺导航技术，降低了功耗，可以将所有部件放于保温瓶内，简化了仪器结构，提高可靠性。本实用新型是为了解决背景技术中所描述的测斜仪产品的不足而提出的一种无陀螺的九加速度计连续测斜仪技术，由于该技术采用九加速度计配置方案，使得测斜仪小型化得以实现，标校过程比较简单，抗冲击能力也有很大的提高。下面结合图4说明本实用新型的具体电路实现。

九加速度计连续测斜仪从电路实现上可分为四个功能单元，即传感器功能单元、信号调理和数据采集单元、控制和数据处理单元和通信单元。传感器功能单元由九个加速度传感器和一个温度传感器组成，完成三维空间不同位置的比力测量，以及传感器工作环境的温度测量。信号调理和数据采集单元由高温、高精度的精密运算放大器和24位、高速、8通道模数转换芯片组成，完成传感器信号的取样、放大、调理和采集，并将其转换成数字信号，接受处理。控制和数据处理单元以DSP为核心，完成对数据采集的控制，通信控制，以及数据的存储功能。通信单元完成数据的编码、解码和信号的调制、解调过程，实现九加速度计连续测斜仪与地面数控之间可靠的通信。

Claims (9)

1.一种九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述九加速度计连续测斜仪包括传感器功能单元、信号调理和数据采集单元以及控制和数据处理单元；所述传感器功能单元通过信号调理和数据采集单元接入控制和数据处理单元；所述传感器功能单元包括至少三组加速度计组，所述加速度计组同轴设置在一起。

2.根据权利要求1所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述加速度计组同轴平行设置在一起。

3.根据权利要求2所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述加速度计组包括第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计；所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计相互正交设置在一起。

4.根据权利要求3所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述传感器功能单元还包括用于测量传感器工作环境的温度的温度传感器。

5.根据权利要求4所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述加速度计是石英挠性加速度计或硅微机械加速度计。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述九加速度计连续测斜仪还包括通信单元，所述通信单元与控制和数据处理单元电性连接。

7.根据权利要求6所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述信号调理和数据采集单元包括运算放大器以及AD转换器；所述运算放大器与AD转换器电性连接。

8.根据权利要求7所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述AD转换器是24位、8通道的AD转换器。

9.根据权利要求8所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于：所述控制和数据处理单元是基于DSP为核心的控制和数据处理单元。

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