一種用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置，包括懸掛漿和抗壓筒，抗壓筒內(nèi)設(shè)有電源板、電路板、磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀■’所述磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀分別測(cè)量地球磁場(chǎng)分量、地球重力分量和整個(gè)裝置的轉(zhuǎn)速；所述電路板實(shí)時(shí)采集所述磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中的鉆井姿態(tài)。本實(shí)用新型具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，不需等到系統(tǒng)鉆停后再進(jìn)行姿態(tài)解算，可以測(cè)量動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的鉆井姿態(tài)，在系統(tǒng)鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)給出姿態(tài)信息，有效的提高了系統(tǒng)的工作效率，對(duì)動(dòng)態(tài)鉆井具有重要作用。
【專利說明】一種用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于油田鉆井【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及鉆井的姿態(tài)測(cè)量，特別是在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的特殊使用環(huán)境下的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)80年代以來，國(guó)內(nèi)外大部分油田相繼進(jìn)入開發(fā)后期，新探區(qū)塊大部分處于特殊環(huán)境，如海洋、灘海、沙漠等地區(qū)，這就使得勘探開發(fā)難度和成本大大增加。另一方面，老油田為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)，面臨著大量的邊緣油氣藏、獨(dú)立小油氣藏、復(fù)雜斷塊油氣藏、超薄油氣藏等難動(dòng)用儲(chǔ)量的開發(fā)問題?？碧介_發(fā)形勢(shì)的需要推動(dòng)著井型的演變與發(fā)展，大位移井、超薄油層水平井、多分枝井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在油氣田勘探開發(fā)中所占的比例越來越大。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)正是為了適應(yīng)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井作業(yè)的需要而出現(xiàn)的一項(xiàng)高新鉆井技術(shù)，是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。
[0003]利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，不需要頻繁起下鉆就可以實(shí)現(xiàn)三維井眼軌跡控制，且具有井眼軌跡更光滑，延伸距離更大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)保證井眼軌跡質(zhì)量，提高鉆井速度和效率，滿足鉆復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的需求都有重要意義。但這些現(xiàn)有的鉆井系統(tǒng)只能在靜態(tài)情況下計(jì)算鉆井姿態(tài)，需要等到系統(tǒng)鉆停后再進(jìn)行姿態(tài)解算，不能在系統(tǒng)鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)給出姿態(tài)信息，從而使得系統(tǒng)的工作效率比較低。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型提供一種能夠動(dòng)態(tài)情況下對(duì)鉆井姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量的裝置，解決了鉆井系統(tǒng)只能在靜態(tài)情況下進(jìn)行姿態(tài)結(jié)算的難題，能夠有效提高動(dòng)態(tài)鉆井系統(tǒng)的工作效率。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置，包括:
[0007]懸掛漿，用于搭載鉆井裝置的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)；
[0008]抗壓筒，與懸掛漿連接，其內(nèi)設(shè)有電源板、電路板、磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀；所述磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀分別測(cè)量地球磁場(chǎng)分量、地球重力分量和整個(gè)裝置的轉(zhuǎn)速；所述電路板實(shí)時(shí)采集所述磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中的鉆井姿態(tài)。
[0009]進(jìn)一步地，還包括一機(jī)械框架，固定于所述抗壓筒內(nèi)，所述電源板、電路板、磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀固定于該機(jī)械框架上。
[0010]進(jìn)一步地，所述機(jī)械框架通過螺紋的方式與抗壓筒相連，電源板和電路板通過螺釘與機(jī)械框架連接，磁性傳感器采用膠封的方式固定在機(jī)械框架中的凹槽中，慣性傳感器通過螺釘與機(jī)械框架緊固相連。
[0011]進(jìn)一步地，所述懸掛漿通過螺紋和連接器與所述抗壓筒連接。
[0012]進(jìn)一步地，所述電路板通過連接器與所述磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀相連，電路板上設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)，其中A/D轉(zhuǎn)換芯片用于將檢測(cè)到的各個(gè)傳感器的輸出電壓并由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)字量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步的姿態(tài)和物理量的計(jì)算。
[0013]進(jìn)一步地，在各傳感器(磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀)、電路板和電源板與機(jī)械框架安裝的地方設(shè)有若干密封槽，其內(nèi)安裝有密封圈，起到多重密封作用，防止工作過程中井下液體進(jìn)入裝置中。
[0014]本實(shí)用新型的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，不需等到系統(tǒng)鉆停后再進(jìn)行姿態(tài)解算，可以測(cè)量動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的鉆井姿態(tài)，在系統(tǒng)鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)給出姿態(tài)信息，有效的提高了系統(tǒng)的工作效率，對(duì)動(dòng)態(tài)鉆井具有重要作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是動(dòng)態(tài)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖2是懸掛漿的形狀示意圖。
[0017]圖3是應(yīng)用動(dòng)態(tài)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的流程圖。
[0018]其中:1.懸掛漿；2.抗壓筒；3.電源板；4.電路板；5.磁通門(磁性傳感器)；
6.機(jī)械框架；7.密封圈；8.加速度計(jì)；9.陀螺儀。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面通過具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
[0020]圖1是本實(shí)用新型的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置的的結(jié)構(gòu)圖。該裝置包括:懸掛漿I ;抗壓筒2 ；電源板3 ；電路板4 ;磁通門5 (磁性傳感器)；機(jī)械框架6 ;密封圈7 ;加速度計(jì)8 ；陀螺儀9，其中8和9為慣性傳感器。
[0021]其中，懸掛漿I設(shè)于抗壓筒2的兩端，圖2是懸掛漿I的具體形狀放大圖。懸掛漿上設(shè)有凸起，使得整個(gè)裝置能夠更方便地與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)其它的鉆井裝置連接，提高安裝精度和工作效率。
[0022]懸掛漿I通過螺紋和連接器與抗壓筒2連接?？箟和?采用不銹鋼等抗壓材料實(shí)現(xiàn)。機(jī)械框架6通過螺紋的方式與抗壓筒2相連。電源板3和電路板4通過螺釘與機(jī)械框架6連接，磁性傳感器5采用膠封的方式固定在機(jī)械框架6中的凹槽中，慣性傳感器8、9通過螺釘與機(jī)械框架緊固相連。各個(gè)部件之間的電氣連接采用連接器的方式相連。慣性傳感器陀螺儀9負(fù)責(zé)測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，起到了一個(gè)關(guān)鍵的作用。本實(shí)用新型創(chuàng)新性的利用磁性傳感器和慣性傳感器陀螺儀共同作用來進(jìn)行鉆井的姿態(tài)測(cè)量。在傳感器、電路板和電源板與機(jī)械框架安裝的地方都設(shè)有密封槽，用于安裝密封圈7，與抗壓筒連接之后起到多重密封的作用，防止工作過程中井下液體進(jìn)入此裝置中。
[0023]電源板3用于為裝置中的其它需要用電的部件供電。電路板4通過連接器與各個(gè)傳感器5、8、9相連，電路板4上設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)，其中A/D轉(zhuǎn)換芯片用于將檢測(cè)到的各個(gè)傳感器的輸出電壓由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)字量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步的姿態(tài)和物理量的計(jì)算。
[0024]在鉆井過程中，本實(shí)用新型的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置搭載在鉆井裝置的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)上，由電機(jī)帶動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，電路板4上的采集計(jì)算機(jī)(單片機(jī))高速采集磁性和慣性傳感器數(shù)據(jù)，通過電路板4上的A/D轉(zhuǎn)換芯片將傳感器輸出的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到系統(tǒng)的姿態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面主機(jī)，達(dá)到控制系統(tǒng)鉆進(jìn)方向的目的。在有轉(zhuǎn)速測(cè)量的情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)高速采集、濾波，根據(jù)陀螺傳感器采集的轉(zhuǎn)速，利用最小二乘法對(duì)磁性傳感器和慣性傳感器進(jìn)行加速度補(bǔ)償，之后根據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)平均后計(jì)算出姿態(tài)角和需要的物理量。
[0025]具體來說，采用上述系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量的流程如圖3所示，具體包括如下步驟:
[0026]I)采集數(shù)據(jù)
[0027]工作過程中，磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀分別測(cè)量地球磁場(chǎng)分量、地球重力分量和整個(gè)裝置的轉(zhuǎn)速，各個(gè)傳感器根據(jù)敏感到的物理輸入，轉(zhuǎn)換成電壓輸出。電路板4通過連接器與各個(gè)傳感器5、8、9相連，檢測(cè)各個(gè)傳感器的輸出電壓，通過電路板4中的A/D轉(zhuǎn)換芯片，將電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，電路板4中的單片機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)字量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步的姿態(tài)和物理量的計(jì)算。
[0028]2)誤差補(bǔ)償
[0029]在此裝置中，加速度計(jì)是敏感加速度的傳感器。而在儀器旋轉(zhuǎn)過程中，會(huì)有有害加速度加入到敏感的加速度中，需要將此有害加速度消除掉，才能得到正確的有用的加速度。根據(jù)安裝誤差系數(shù)和陀螺儀得到的轉(zhuǎn)速，在加速度計(jì)的輸出項(xiàng)中將有害加速度項(xiàng)減掉即可。
[0030]3)判斷系統(tǒng)時(shí)間是否大于計(jì)算時(shí)間點(diǎn)
[0031]在電路板4中設(shè)置計(jì)時(shí)功能，系統(tǒng)時(shí)間指計(jì)時(shí)功能獲得的時(shí)間，計(jì)算時(shí)間點(diǎn)指設(shè)定的進(jìn)行一次計(jì)算的時(shí)間，比如可以設(shè)為10s。即在計(jì)算過程中，每1s進(jìn)行一次計(jì)算。如果系統(tǒng)時(shí)間累計(jì)等于10s，則進(jìn)行下一步姿態(tài)計(jì)算，否則繼續(xù)進(jìn)行時(shí)間累計(jì)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0032]4)進(jìn)行姿態(tài)解算
[0033]a)計(jì)算姿態(tài)角井斜角
[0034]加速度計(jì)的輸出表達(dá)式如下:
[0035]Vi = a Jkiail^kwaib
[0036]其中:Vi為3個(gè)加速度計(jì)X、y、z的輸出電壓；a i為3個(gè)加速度計(jì)x、y、z的零偏；kj為3個(gè)加速度計(jì)X、1、z的標(biāo)度因數(shù)；kui為3個(gè)加速度計(jì)X、1、z的有害加速度系數(shù)，此系數(shù)由陀螺儀測(cè)得的轉(zhuǎn)速獲得；aib為3個(gè)加速度計(jì)X、1、z的輸入。
[0037]由上式，根據(jù)輸出電壓Vi得到加速度計(jì)的輸入aib后，采用下面公式計(jì)算姿態(tài)角井斜角:
[0038]Q - arctan ^
141
[0039]b)計(jì)算井斜方位角
[0040]磁性傳感器的輸出表達(dá)式如下:
[0041]Vmi = ct mi+kmiMib
[0042]其中:Vmi為3個(gè)磁性傳感器X、Y、Z的輸出電壓；a mi為3個(gè)磁性傳感器X、Y、Z的零偏；kmi為3個(gè)磁性傳感器X、Y、Z的標(biāo)度因數(shù)；Mib為3個(gè)磁性傳感器X、Y、Z的輸入。
[0043]井斜方位角的計(jì)算公式如下:
Cl ,Α?γ, + Cl KAdτ + Cl hAi7h
Mxh Xh yb Yb zh Zb
V=-1o2-
^jaXb +ayb+a=b
_5] M11 = Plb+M^h+Mlh-M;a,bMYb ?
[0046]r=2
Mnyjaxb+ayb
(axb^Yb - avb^Xb)Jaxb ^vb + azb
[0047]=---—-^-:-
MZbiaxb + ayb) - azb iaxb^Xb + ayb^Yb)
[0048]其中，Mv、Mn、r、s為中間變量，則井斜方位角的表達(dá)式如下:
[0049]ψ = arctan (S)
[0050]本實(shí)用新型利用磁性傳感器、慣性傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)傳感器誤差、姿態(tài)角誤差進(jìn)行補(bǔ)償，鉆井斜度低轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)精度能達(dá)到0.5°、高轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)精度能達(dá)到1°，方位角低轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)精度能達(dá)到1°、高轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)精度能達(dá)到2°，能夠很好的滿足實(shí)際工程需要。
[0051]以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于，包括: 懸掛漿，用于搭載鉆井裝置的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)； 抗壓筒，與懸掛漿連接，其內(nèi)設(shè)有電源板、電路板、磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀；所述磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀分別測(cè)量地球磁場(chǎng)分量、地球重力分量和整個(gè)裝置的轉(zhuǎn)速；所述電路板實(shí)時(shí)采集所述磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中的鉆井姿態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于:還包括一機(jī)械框架，固定于所述抗壓筒內(nèi)，所述電源板、電路板、磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀固定于該機(jī)械框架上。
3.如權(quán)利要求2所述的用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于:所述機(jī)械框架通過螺紋的方式與抗壓筒相連，電源板和電路板通過螺釘與機(jī)械框架連接，磁性傳感器采用膠封的方式固定在機(jī)械框架中的凹槽中，慣性傳感器通過螺釘與機(jī)械框架緊固相連。
4.如權(quán)利要求1所述的用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于:所述懸掛漿通過螺紋和連接器與所述抗壓筒連接。
5.如權(quán)利要求1所述的用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于:所述電路板通過連接器與所述磁性傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀相連，電路板上設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)，其中A/D轉(zhuǎn)換芯片用于將檢測(cè)到的各個(gè)傳感器的輸出電壓由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)字量的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行鉆井姿態(tài)和物理量的計(jì)算。
6.如權(quán)利要求1所述的用于鉆井的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于:所述抗壓筒內(nèi)設(shè)有若干密封槽，所述密封槽內(nèi)設(shè)有密封圈。
【文檔編號(hào)】G01C1/00GK204027551SQ201420330485
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】郭秋芬, 李佳, 劉慶成, 李梅英, 李緯燕, 胡雄, 呂偉, 岳步江 申請(qǐng)人:航天科工慣性技術(shù)有限公司