專利名稱：采用固態(tài)振動角速率傳感器組實現(xiàn)井下尋北的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及鉆井測量裝置，具體是一種由固態(tài)振動角速率傳感器組構(gòu)成，采用加速度輔助權(quán)重分配算法提高角速率傳感測量精度，從而實現(xiàn)隨鉆井下方位測量的裝置。
背景技術(shù)：
測井技術(shù)是伴隨石油工業(yè)而產(chǎn)生和發(fā)展起來的一門科學(xué)技術(shù)，是一種井下油氣勘探技術(shù)。測井是在油氣勘探和開發(fā)過程中測量、記錄、分析井下巖石或流體的物理特性，并對儲集層進行油氣評價的一種技術(shù)。它的應(yīng)用主要集中在兩個領(lǐng)域地層評價和完井評價， 目的只有一個，就是用于發(fā)現(xiàn)油氣礦藏、評估油氣儲量及其產(chǎn)量。定向技術(shù)應(yīng)用于石油開發(fā)和油氣儲量探測鉆井中。在某些情況下，定向鉆探可以避免復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)。使用定向技術(shù)可以從一個公共區(qū)域開始鉆探出大量的鉆孔，每個鉆孔進行較淺的垂直鉆探，以此最終確定真正的垂直方向。定向鉆井技術(shù)同樣也適用于水平鉆探中，例如為水、電、氣和電話、電纜鉆探管道，這些水平鉆探一般在離地表不遠的地下進行，并且可以進行重復(fù)鉆探。定向鉆井技術(shù)中需實時獲取鉆具當(dāng)前的姿態(tài)信息，這些信息包括方位角、傾斜角和工具面角，其中方位角是鉆具軸線在水平面內(nèi)的投影與磁北方向之間的夾角，它反映了水平面內(nèi)鉆具運動的方向，傾斜角為鉆具軸線與水平面之間的夾角，它反映的是鉆具前進方向相對水平面的傾斜程度，工具面角是在與鉆具軸線垂直的平面內(nèi)，鉆具的斜面法線方向與參考方向間的夾角，反映的是鉆具下一步鉆進的造斜方向。目前，在油/礦鉆井施工使用的定向測井儀主要采用磁通門測量和雙自由度擾性角速率傳感器測量兩種方式，磁通門測量要求周圍5米內(nèi)不能有任何鐵磁物質(zhì)，而老井有套管，無法給儀器提供良好的無磁環(huán)境，因此磁通門測量無法實現(xiàn)老井的井眼軌跡測量；擾性角速率傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部裝有高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子，對使用環(huán)境苛刻，抗振性能不好，稍微不注意就會損壞，擾性接頭壽命有限，需要定期更換傳感器；新型激光角速率傳感器和光纖角速率傳感器精度高，能夠滿足戰(zhàn)術(shù)級精度慣性系統(tǒng)應(yīng)用需要，但其體積大，不能裝入小口徑探管中，其抗沖擊振動性能指標也不能很好的滿足隨鉆測量的要求，且成本高;MEMS 角速率傳感器在體積、成本和抗沖擊振動方面有優(yōu)勢，但目前還不能滿足方位測量精度要求。在隨鉆測井(MWD)系統(tǒng)中，測量工具是鉆探系統(tǒng)的一部分，一般與鉆頭相近，并且在整個鉆探過程中都停留在鉆孔內(nèi)。測量方向和位置時無需將鉆具從鉆孔中移出。應(yīng)用 MWD測量不必停止鉆探過程或者移除(或替換)測量工具來測量鉆孔路徑，因此可以節(jié)省大量的時間，從而節(jié)省了鉆探的成本。隨鉆測量技術(shù)(MWD)是富有發(fā)展前景并適用于我國復(fù)雜油氣藏勘探開發(fā)的重點核心技術(shù)之一。MWD的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是隨鉆測井最重要應(yīng)用之一。開展MWD方位測量研究工作的難點有兩個方面一是使用新材料和新工藝設(shè)計出高強度的、耐高溫高壓、適應(yīng)強烈振動和沖擊的井下傳感器；二是要進行機電一體化的整體研制。隨鉆測井用角速率傳感器無疑是這項技術(shù)的核心，其較之地面和常溫用傳感器，受使用環(huán)境的影響具有以下特點首先是精度要達到尋北定位的要求，包括其在整個測量區(qū)域和測量范圍內(nèi)噪聲特性指標符合應(yīng)用要求；二是體積要求嚴格，尤其直徑要小；三是高抗振性，隨鉆過程中不會損壞傳感器本體；還有寬溫要求，即儀器能在100°c甚至更高的環(huán)境中正常工作，且在環(huán)境溫度-10°c -175°C范圍內(nèi)儀器總體精度滿足設(shè)計要求。因此，隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向是儀器在接近極限工作的惡劣環(huán)境下的高精度定位技術(shù)，研發(fā)的技術(shù)難度相當(dāng)大，資金投入多，研發(fā)周期長，具有較大的風(fēng)險。隨鉆方位測量對于儀器工作條件近乎極限的要求，使得大部分在非隨鉆方位測量下適用的角速率傳感器都受到限制，所有有活動部件的機械角速率傳感器和動力調(diào)諧角速率傳感器，在體積和抗沖擊振動方面理論上均已超出了設(shè)計要求，沒有實現(xiàn)隨鉆方位測量的可能。從這個角度來看，應(yīng)用慣性器件進行隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向測量的方法和手段十分有限，國外測井技術(shù)發(fā)達國家也沒有研制出更加適用的隨鉆角速率傳感器，而是采用了無角速率傳感器測量甚至非慣性器件的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向測量方法，但精度和可靠性不高，而成本卻相當(dāng)昂貴。因此在這方面迫切需要拓展基于角速率傳感器的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向測量研制思路，尋找更為簡單有效的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用固態(tài)振動角速率傳感器組進行垂直軸的高精度測量，同時使用高精度的的MEMS陀螺和加速度計進行水平軸測量，以實現(xiàn)井下尋北的隨鉆測量裝置，即通過采用固態(tài)振動型角速率傳感器和加速度計作為核心測量器件，將固態(tài)振動角速率傳感器的動態(tài)測量特性與加速度計的靜態(tài)測量特性很好地結(jié)合起來，有效地抑制測量誤差，提高測量精度，并通過使用固態(tài)振動角速率傳感器組實現(xiàn)高精度測量以較大程度地節(jié)約成本。由上可知，此方案的技術(shù)重點在于采用一種新型的固態(tài)振動角速率傳感器組來等效高精度傳感器進行井下測量，以最大程度節(jié)約成本。為實現(xiàn)上述目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，即一種采用固態(tài)振動角速率傳感器組實現(xiàn)井下尋北的隨鉆測量裝置，包括進行垂直軸測量的固態(tài)振動角速率傳感器組和進行水平軸測量的固態(tài)振動角速率傳感器組和加速度計組，其特征是所述固態(tài)振動角速率傳感器組和加速度計組中的加速度計和固態(tài)振動角速率傳感器呈對應(yīng)排列；在水平方向各固態(tài)振動角速率傳感器在敏感方向和在最小加速度敏感方向分別在360°范圍內(nèi)依次錯位相同的角度，并均分360° ；每個固態(tài)振動角速率傳感器的敏感軸相互平行；每個固態(tài)振動角速率傳感器產(chǎn)生沿敏感軸輸出的角速度，由第一信號表征；每個加速度計沿敏感方向檢測并輸出加速度，由第二信號表征；一個控制器，以離散頻率獲取第一信號和第二信號，計算由各固態(tài)振動角速率傳感器檢測的角速度的平均權(quán)重，所述平均權(quán)重包含每個固態(tài)振動角速率傳感器沿它的敏感軸輸出的角速度與加速度計沿最小加速度敏感方向輸出的加速度的加權(quán)，則最終平均加權(quán)角速度&和最終平均加權(quán)加速度Ap計算表達式如下
權(quán)利要求
1. 一種采用固態(tài)振動角速率傳感器組實現(xiàn)井下尋北的隨鉆測量裝置，包括進行垂直軸測量的固態(tài)振動角速率傳感器和進行水平軸測量的固態(tài)振動角速率傳感器組和加速度計組，其特征是所述固態(tài)振動角速率傳感器組和加速度計組中的加速度計(30)和固態(tài)振動角速率傳感器(20)呈對應(yīng)排列；在水平方向各固態(tài)振動角速率傳感器的最小加速度敏感方向02) 和加速度計的敏感方向(31)分別在360°范圍內(nèi)依次錯位相同的角度，并均分360° ；每個固態(tài)振動角速率傳感器的敏感軸相互平行；每個固態(tài)振動角速率傳感器產(chǎn)生沿敏感軸輸出的角速度，由第一信號04)表征；每個加速度計沿敏感方向檢測并輸出加速度，由第二信號(34)表征； 一個控制器，以離散頻率獲取第一信號04)和第二信號(34)，計算由各固態(tài)振動角速率傳感器OO)檢測的角速度的平均權(quán)重，所述平均權(quán)重包含每個固態(tài)振動角速率傳感器 (20)沿它的敏感軸輸出的角速度與加速度計沿最小加速度敏感方向0 輸出的加速度的加權(quán)，最終平均加權(quán)角速度&和最終平均加權(quán)加速度Ap計算表達式如下
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用固態(tài)振動角速率傳感器組實現(xiàn)井下尋北的隨鉆測量裝置，其特征是每個固態(tài)振動角速率傳感器OO)安裝在固態(tài)振動角速率傳感器殼體(50) 中，使用環(huán)氧基樹脂(51)將多個分別封裝在殼體(50)中的固態(tài)振動角速率傳感器OO)粘合成組成固態(tài)振動角速率傳感器組(60)，并使固態(tài)振動角速率傳感器OO)的敏感軸21相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用固態(tài)振動角速率傳感器組實現(xiàn)井下尋北的隨鉆測量裝置，其特征是控制器運用&的標準差的計算來實現(xiàn)對測量角速度的實時精度控制，選擇性排除一個或多個固態(tài)振動角速率傳感器所產(chǎn)生的明顯性錯誤，Rp的標準差的計算表達式如下
全文摘要
一種采用固態(tài)振動角速率傳感器組實現(xiàn)井下尋北的隨鉆測量裝置，包括進行垂直軸測量的固態(tài)振動角速率傳感器組和進行水平軸測量的固態(tài)振動角速率傳感器組和加速度計組，其特征是固態(tài)振動角速率傳感器組和加速度計組中的加速度計和固態(tài)振動角速率傳感器呈對應(yīng)排列；在水平方向各固態(tài)振動角速率傳感器的最小加速度敏感方向和加速度計的敏感方向分別在360°范圍內(nèi)依次錯位相同的角度；每個固態(tài)振動角速率傳感器的敏感軸相互平行；每個固態(tài)振動角速率傳感器產(chǎn)生沿敏感軸輸出的角速度，每個加速度計沿敏感方向檢測并輸出加速度；由控制器完成對某個鉆探方向的選取，并對測量信號進行數(shù)字權(quán)重集成與計算。裝置在降低成本的同時滿足了高測量精度。
文檔編號E21B47/02GK102182449SQ20101061654
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者劉俊, 劉宇, 劉申, 曾燎燎, 歐毅, 段耀宇, 路永樂, 邁克爾 申請人:重慶郵電大學(xué)