專利名稱：一種慣性測量單元以及動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于油田、鉆探、勘探用慣性測量領域，尤其涉及一種慣性測量單元以及動 力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜儀。
背景技術：
在油田開發(fā)的初期，由于測井技術落后，加上鉆井和開發(fā)技術的限制，鉆桿在地下 的實際運行軌跡并不十分清楚。而且開發(fā)過程中只注重主力油藏的開發(fā)，而邊遠、臨近的復 雜油藏、薄油藏沒有得到有效開發(fā)，且呈不均勻狀態(tài)分布。剩余油藏潛力巨大，如果在避免風險的情況下進行有效開發(fā)，將會促進油田增油 上產(chǎn)目標的實現(xiàn)。在石油資源日益枯竭的情況下，如何使老油井煥發(fā)新的活力，改善油田的 整體開發(fā)效果，充分開采老油區(qū)剩余油氣資源，提高油氣資源的采收率；同時在新油井開發(fā) 過程中，如何為鉆頭走向提供正確的控制信息，提高油井的產(chǎn)出效費比，運用現(xiàn)代測斜技術 是一種必不可少的手段。目前國內(nèi)各油田廣泛使用的測斜儀器主要是磁通門測斜儀，它采用三軸正交磁通 門測量地球磁場矢量和三軸正交加速度計測量地球重力矢量，測量方法簡單，性能穩(wěn)定可 靠，但只能用于無磁污染的裸眼井，對于套管井、加密井、叢式井卻無能無力。在這種情況 下，采用陀螺測斜儀可以進行穩(wěn)定可靠的測量。國內(nèi)測斜儀器中使用較多的陀螺測斜儀由一個雙自由度的撓性陀螺和兩或三個 石英加速度計所組成。這種測斜儀采用靜態(tài)點測方法，在測斜過程中必須保持儀器靜止2、 3分鐘。而且連續(xù)兩個測量點間的數(shù)據(jù)無法獲得，只能依靠對兩測量點間的數(shù)據(jù)取平均值來 近似估計。為了獲得油井更多信息，必須增加測量點，這樣大大降低了測量效率。目前也有單位在研發(fā)光纖陀螺測斜儀，光纖陀螺抗震性好，但其對溫度非常敏感， 而且光纖陀螺的精度與其大小呈正比，而井下溫度高，對儀器的外徑要求也很嚴格，所以一 定時期內(nèi)光纖陀螺測斜儀要占主導地位還需要很長的路要走。動力調(diào)諧陀螺技術成熟，價格較低，開發(fā)一種基于動力調(diào)諧陀螺的連續(xù)測斜儀是 市場的必然要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種能全方位測量和連 續(xù)測量井眼軌跡以及提高測量效率的慣性測量單元以及動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜儀。本發(fā)明的技術解決方案是本發(fā)明提供了一種慣性測量單元，其特殊之處在于 所述慣性測量單元包括測量短節(jié)骨架、第一動力調(diào)諧陀螺、旋轉機構骨架、第二動力調(diào)諧陀 螺、第一加速度計、第二加速度計、第三加速度計、電機；所述第一動力調(diào)諧陀螺沿測量短節(jié) 骨架的徑向方向設置于測量短節(jié)骨架上；所述第二動力調(diào)諧陀螺沿旋轉機構骨架的軸向方 向設置于旋轉機構骨架上；所述第一加速度計、第二加速度計以及第三加速度計依次沿旋 轉機構骨架的軸向方向正交設置于旋轉機構骨架的軸向方向上；所述第二動力調(diào)諧陀螺設置于第一動力調(diào)諧陀螺和第一加速度計之間；所述測量短節(jié)骨架和旋轉機構骨架同軸；所 述電機驅動旋轉機構骨架繞旋轉機構骨架軸線旋轉。上述慣性測量單元還包括光電編碼盤，所述光電編碼盤設置于電機和旋轉機構骨 架之間并套接于電機上；所述光電編碼盤控制電機帶動旋轉機構骨架繞軸線旋轉。上述第一加速度計、第二加速度計以及第三加速度計是石英加速度計。上述石英加速度計是石英撓性加速度計。上述電機是直流伺服電機。一種動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)，其特殊之處在于所述動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜 系統(tǒng)包括如上述的慣性測量單元以及與慣性測量單元相連的電源。上述動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)還包括遙傳電子單元以及信號采集及處理單元， 所述遙傳電子單元通過信號采集及處理單元和慣性測量單元相連。上述動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)還包括減震引鞋，所述減震引鞋和慣性測量單元 相連。上述信號采集及處理單元包括采樣器、放大器、濾波器、調(diào)理器、AD轉換器、可編程 邏輯器件CPLD以及數(shù)字信號處理器DSP ；所述采樣器、放大器、濾波器、調(diào)理器、AD轉換器、 可編程邏輯器件CPLD以及數(shù)字信號處理器DSP依次連接。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明采用捷聯(lián)慣性導航技術的陀螺測斜儀能全方位測量和連 續(xù)測量井眼軌跡，既可以提高測量效率，又能獲得較單點測斜更多的信息。本發(fā)明在鉆井或 測井過程中通過對測斜儀的瞬時角速度進行積分來獲得測斜儀沿三個軸向旋轉的角度，實 時輸出油井的方位信息。同時為了消除噪聲干擾、陀螺的隨機漂移，采用卡爾曼濾波方法對 輸入數(shù)據(jù)進行處理。測斜過程只需要儀器完成一次從井口到井底或從井底到井口的運動， 便可以得到油井的完整信息。


圖1是本發(fā)明所提供的慣性測量單元的結構示意圖；圖2是本發(fā)明所提供的動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)結構示意圖；圖3是本發(fā)明所采用的信號采集及處理單元框圖；圖4是本發(fā)明所提供的動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)信號框圖。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明首先提供了一種慣性測量單元8，該慣性測量單元是由兩個動力 調(diào)諧陀螺和三個石英撓性加速度計組成，包括測量短節(jié)骨架81，第一動力調(diào)諧陀螺82，上 端軸承83，旋轉機構骨架84，第二動力調(diào)諧陀螺85，三個正交方向安裝的第一速度計86、 第二加速度計87、第三加速度計88，旋轉機構下端軸承89，光電編碼盤810，直流伺服電機 811。第一動力調(diào)諧陀螺82沿測量短節(jié)骨架81的徑向方向設置于測量短節(jié)骨架81上；第 二動力調(diào)諧陀螺85沿旋轉機構骨架84的軸向方向設置于旋轉機構骨架84上；第一加速度 計86、第二加速度計87以及第三加速度計88沿依次旋轉機構骨架84的軸向方向正交設置 于旋轉機構骨架84的軸向方向上；測量短節(jié)骨架81和旋轉機構骨架84同軸；旋轉機構骨 架84設置于光電編碼盤810上方；光電編碼盤810控制直流伺服電機811驅動旋轉機構骨
4架84繞軸線旋轉。第一加速度計86、第二加速度計87以及第三加速度計88是石英撓性加 速度計。旋轉機構骨架84由伺服電機驅動811可繞旋轉機構骨架84的軸線旋轉任意角 度，此旋轉角度通過光電編碼盤810控制，第一動力調(diào)諧陀螺82、第二動力調(diào)諧陀螺85與第 一速度計86、第二加速度計87、第三加速度計88機械編排參照圖2，第一動力調(diào)諧陀螺82、 第二動力調(diào)諧陀螺85與第一速度計86、第二加速度計87、第三加速度計88通過精密校準， 三軸保持高度一致。根據(jù)慣性導航原理，儀器工作時先在井口或井底進行初始對準，獲得初 始捷聯(lián)矩陣，然后采用捷聯(lián)慣導算法來測量方位角、工具面角和傾斜角。參見圖2，本發(fā)明還提供了一種基于慣性測量單元8的動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系 統(tǒng)，包括地面部分和井下部分。地面部分包括地面計算機1，地面控制箱2 ；地面計算機通過 以太網(wǎng)連接線與地面控制箱連接，地面控制箱通過單芯電纜3與井下部分連接；井下部分 包括馬龍頭4，二次電源倉5，遙傳電子單元6，信號采集及處理單元7，慣性測量單元8，儀器 減震引鞋9。遙傳電子單元6包括接收模塊和發(fā)送模塊，接收模塊是將調(diào)制于單芯電纜上的信 號解調(diào)后送給微處理器，它包括電容器和信號調(diào)理電路，電容器負責信號解調(diào)，調(diào)理電路負 責將解調(diào)后的信號轉換成適合處理器外設電平需要的信號。發(fā)送模塊是將處理器輸出信號 耦合到電壓較高的電纜芯上，通過電纜芯將數(shù)據(jù)傳回到地面，它包括功率放大電路和電容 器，功率放大電路將微處理器輸出信號進行功率放大后，經(jīng)電容調(diào)制到單芯電纜上?，F(xiàn)有 TD823功放集成、擴大運算放大器輸出功率電路等都可以實現(xiàn)其功能。地面部分由一臺微型計算機和地面控制箱組成。微型計算機用來控制井下儀器工 作，其通過Ethernet接口與地面控制箱連接，地面控制箱完成向井下發(fā)送指令和將井下測 量數(shù)據(jù)解碼后傳給地面計算機，另外為井下儀器提供電源供電，其通過單芯電纜與井下儀 器連接。井下部分處理任務包括(1)利用存儲的標定數(shù)據(jù)對陀螺和加速度計的輸出進行在線補償。(2)對補償后的陀螺和加速度計輸出進行卡爾曼濾波。(3)慣性導航系統(tǒng)解算。整個操作過程中，地面部分和井下部分保持通信，使測量數(shù)據(jù)發(fā)回地面用于存儲 和顯示，所有與慣性系統(tǒng)和慣性輔助處理系統(tǒng)有關的信號處理都在井下處理器內(nèi)完成。參見圖3，信號采集及處理單元7由兩個動力調(diào)諧陀螺測量的角速率信息、三個石 英加速度計測量的比力信息、溫度傳感器測量的慣性測量單元溫度信息經(jīng)過采樣、放大、濾 波、調(diào)理環(huán)節(jié)處理后送給8路并行A/D轉換器ADS1278后，送給CPLD芯片EPM7256進行處 理，完成后將處理結果送CPU進行慣性導航算法解算，信號采集及處理單元7包括采樣器、 放大器、濾波器、調(diào)理器、轉換器、可編程邏輯器件CPLD以及數(shù)字信號處理器DSP ；采樣器、 放大器、濾波器、調(diào)理器、轉換器、可編程邏輯器件CPLD以及數(shù)字信號處理器DSP依次連接。本發(fā)明系統(tǒng)信號框圖如圖4所示。本發(fā)明是具體工作時1.機械編排原理參照圖1，兩個動力調(diào)諧陀螺和三個石英撓性加速度計安裝骨架在機械加工過程中通過精密校準，三軸保持高度一致，安裝誤差小于1°，安裝時第一動力調(diào)諧陀螺82的x 向敏感軸與第三加速度計88的敏感軸方向保持一致，第一動力調(diào)諧陀螺82的Y向敏感軸 與第一加速度計86的敏感軸方向保持一致，第二動力調(diào)諧陀螺85的x向敏感軸與第一動 力調(diào)諧陀螺82的x向敏感軸方向保持一致，第二動力調(diào)諧陀螺85的y向敏感軸與第二加 速度計87的敏感軸方向保持一致。2.傳感器數(shù)學模型
動力調(diào)諧陀螺測量的角速率測量值(御)可用■[學的方法表達成如下形式
式中
Sx標度因數(shù)誤差；
my, mz—交叉耦合系數(shù)；
"x-陀螺繞其輸入軸的旋轉速率；
ax, ay—沿輸入軸的加速度；
az沿自轉軸的加速度；
Bfx "-對加速度不敏感的零偏系數(shù)；
D D gx' Dgy----對加速度敏感的零偏系數(shù)；
D axz-非等彈性零偏系數(shù)；
nx隨機誤差。
加速度計測量的加速度衫可分別用沿其敏感軸ax的加速度以及沿擺軸ay和鉸鏈軸az的加速度來表示
式中
Sx標度因數(shù)誤差；
my, mz—交叉耦合系數(shù)；
bf測量零偏；
bv振擺誤差系數(shù)；
nx隨機零偏。
影響傳感器的主要輸出誤差為確定性部分的刻度因數(shù)誤差、零偏和非確定性部分
的隨機噪聲誤差。在外部環(huán)境保持不變的情況下，傳感器刻度因數(shù)的非線性度較小，因此在 工作境變化不大的應用中，可以不考慮非線性造成的影響。根據(jù)儀器指標，忽略部分因素， 最終確定陀螺儀和加速度計的數(shù)學模型如下
3.初始對準初始對準的目的是確定捷聯(lián)矩陣的初始值。測斜儀使用一個沿儀器軸向安裝的第 二動力調(diào)諧陀螺85測量地球自轉角速度的兩個水平分量，通過三個正交安裝的石英撓性 第一速度計86、第二加速度計87、第三加速度計88測量儀器坐標系三個軸向的重力加速度 分量，來確定儀器的初始位置。根據(jù)公式(5)、(6)、(7)進行計算，得到傾斜角I，方位角A， 工具面角T。
式中ωβν = Ω sin Φ ；Ω------地球自轉角速度；φ------測井當?shù)鼐S度。為了提高儀器的測量精度，采用多位置對準的方法。如圖1所示，將第二動力調(diào)諧 陀螺85和三個正交安裝的石英撓性第一速度計86、第二加速度計87、第三加速度計88安 裝于旋轉骨架84上，儀器使用者在地面通過操作軟件可以控制骨架84繞儀器垂直軸任意 旋轉，實現(xiàn)多位置尋北。以兩位置尋北為例，儀器在初始位置尋北測量計算傾斜角、方位角、 工具面角后，儀器在不關閉電源的情況下，由地面計算機發(fā)送指令通過光電編碼盤810控 制旋轉電機811帶動旋轉骨架84繞儀器垂直軸順時針旋轉180°，在新的指向位置進行第 二次傾斜角、方位角、工具面角的測量。然后將兩個位置的測量值相減，從而基本上消除測 量中的任何初始零偏。再用測量值之比來計算出儀器的初始位置。將得到初始傾斜角、方 位角、工具面角輸入捷聯(lián)矩陣(8)計算即可得到捷聯(lián)矩陣初始值。
4.姿態(tài)角實時解算
式中I------單位四元數(shù)c Qb—探管相對大地坐標系的旋轉角速度的斜對稱矩陣c 取At非常小時，可以認為在At時間內(nèi)其對應的角速度《x，coY, z是不變的， 此時有，Aex At.cox, A9Y At.coY, A9Z At.coz(14)上式中At是系統(tǒng)采樣周期，《x，《Y，《z分別是陀螺X，Y，Z方向的角速度。根據(jù) 四元數(shù)與捷聯(lián)矩陣的關系可以求得矩陣ctb，則工具面角，方位角，傾角由以下公式確定。
四元數(shù)與捷聯(lián)矩陣的關系用q = a+ib+jc+kd表示四元數(shù)，式中a、b、c、d代表實數(shù)，i、j、k為3個虛數(shù)單位c捷聯(lián)矩陣和四元數(shù)的關系表為 為了消除陀螺隨機漂移、噪聲干擾，系統(tǒng)采用自適應卡爾曼濾波方法，建立卡爾曼 濾波的系統(tǒng)模型和測量模型進行方位角解算，取得了良好的效果。本發(fā)明基于捷聯(lián)慣性導航技術，設計的兩個動力調(diào)諧陀螺、三個石英撓性加速度 計對準機械編排方案。建立的動態(tài)連續(xù)測斜空間數(shù)學模型，準確描述連續(xù)測斜過程中慣性 元件的運動情況，推導出的連續(xù)測斜動態(tài)解算公式。系統(tǒng)實現(xiàn)對油井的動態(tài)連續(xù)測量，能降 低采油勘探成本、提高油田采油生產(chǎn)率。以上對本發(fā)明實施例進行了詳細介紹，本文中應用了具體實施方式
對本發(fā)明進行 了闡述，以具體實例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的系統(tǒng)及方法；同時，對于本領域的技 術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本 說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。
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權利要求
一種慣性測量單元，其特征在于所述慣性測量單元包括測量短節(jié)骨架、第一動力調(diào)諧陀螺、旋轉機構骨架、第二動力調(diào)諧陀螺、第一加速度計、第二加速度計、第三加速度計、電機；所述第一動力調(diào)諧陀螺沿測量短節(jié)骨架的徑向方向設置于測量短節(jié)骨架上；所述第二動力調(diào)諧陀螺沿旋轉機構骨架的軸向方向設置于旋轉機構骨架上；所述第一加速度計、第二加速度計以及第三加速度計依次沿旋轉機構骨架的軸向方向正交設置于旋轉機構骨架的軸向方向上；所述第二動力調(diào)諧陀螺設置于第一動力調(diào)諧陀螺和第一加速度計之間；所述測量短節(jié)骨架和旋轉機構骨架同軸；所述電機驅動旋轉機構骨架繞旋轉機構骨架軸線旋轉。
2.根據(jù)權利要求1所述的慣性測量單元，其特征在于所述慣性測量單元還包括光電 編碼盤，所述光電編碼盤設置于電機和旋轉機構骨架之間并套接于電機上；所述光電編碼 盤控制電機帶動旋轉機構骨架繞軸線旋轉。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的慣性測量單元，其特征在于所述第一加速度計、第二加 速度計以及第三加速度計是石英加速度計。
4.根據(jù)權利要求3所述的慣性測量單元，其特征在于所述石英加速度計是石英撓性 加速度計。
5.根據(jù)權利要求3所述的慣性測量單元，其特征在于所述電機是直流伺服電機。
6.一種動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)，其特征在于所述動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)包 括如權利要求1-5任一權利要求所述的慣性測量單元以及與慣性測量單元相連的電源。
7.根據(jù)權利要求6所述的動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)，其特征在于所述動力調(diào)諧陀 螺連續(xù)測斜系統(tǒng)還包括遙傳電子單元以及信號采集及處理單元，所述遙傳電子單元通過信 號采集及處理單元和慣性測量單元相連。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)，其特征在于所述動力調(diào) 諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)還包括減震引鞋，所述減震引鞋和慣性測量單元相連。
9.根據(jù)權利要求8所述的動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜系統(tǒng)，其特征在于所述信號采集及 處理單元包括采樣器、放大器、濾波器、調(diào)理器、AD轉換器、可編程邏輯器件CPLD以及數(shù)字 信號處理器DSP ；所述采樣器、放大器、濾波器、調(diào)理器、AD轉換器、可編程邏輯器件CPLD以 及數(shù)字信號處理器DSP依次連接。
全文摘要
一種慣性測量單元，包括測量短節(jié)骨架、第一動力調(diào)諧陀螺、旋轉機構骨架、第二動力調(diào)諧陀螺、第一加速度計、第二加速度計、第三加速度計、電機；第一動力調(diào)諧陀螺沿測量短節(jié)骨架的徑向方向設置于測量短節(jié)骨架上；第二動力調(diào)諧陀螺沿旋轉機構骨架的軸向方向設置于旋轉機構骨架上；第一加速度計、第二加速度計以及第三加速度計依次沿旋轉機構骨架的軸向方向正交設置于旋轉機構骨架的軸向方向上；第二動力調(diào)諧陀螺設置于第一動力調(diào)諧陀螺和第一加速度計之間；測量短節(jié)骨架和旋轉機構骨架同軸；電機驅動旋轉機構骨架繞旋轉機構骨架軸線旋轉。本發(fā)明提供了全方位測量、連續(xù)測量井眼軌跡以及提高測量效率的慣性測量單元以及動力調(diào)諧陀螺連續(xù)測斜儀。
文檔編號E21B47/14GK101876244SQ20101019100
公開日2010年11月3日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權日2010年6月3日
發(fā)明者劉建武, 李曉東, 胡國峰, 黃義軍, 黃向東 申請人:西安思坦儀器股份有限公司