一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法技术方案

本发明专利技术是一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法，用于石油、地矿行业。本发明专利技术针对测量空间不足的问题，采用的惯性测量单元包括两个光纤陀螺仪和三个加速度计，利用三个加速度计测量获得载体坐标系中的比力，利用两个光纤陀螺仪测量获得载体坐标系xb和yb轴上的角速度，然后计算获取载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系zb轴的角速度，再利用载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系的角速度进行四元数更新，获得捷联姿态矩阵，实时解算方位角、井斜角和工具面角。本发明专利技术减小了测斜仪的体积、重量和功耗，并实现了连续测斜，可更加适用于石油套管井测斜环境中，具有实际应用价值并将能产生良好的经济效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于石油、地矿钻井轨道引导系统的方法，特别涉及一种基于改 进航向姿态参考系统的姿态解算方法。
技术介绍
随着石油资源的日益紧张，石油油井井眼轨迹的精确测井越来越显示出其重要 性，这就需要高精度的油井测斜仪器。陀螺油井测斜仪主要用于测量套管井（油井）井眼 轨迹及各处的方位角、井斜角和工具面角等参数。目前国内各油田广泛使用的测斜仪器均 采用磁通门技术或机械陀螺技术，由于这两种技术原理上的缺陷，导致现有仪器精度不足、 使用范围受限和寿命短的弊病。光纤陀螺是轻型的固态结构，它具有寿命长，响应快、能够 耐冲击和振动、瞬间启动以及有很宽的动态范围等优点，而且由于光纤陀螺不受铁磁物质 的影响，非常适合在石油套管井中测量方位。基于惯性测量的测斜仪测量方案有陀螺罗盘 方案、航向姿态参考系统方案和惯性导航系统方案，其中陀螺罗盘方案测斜仪的工作原理 是在静态下通过陀螺仪、加速度计测量地球重力加速度矢量与地球自转角速度矢量在测量 坐标系上的投影分量，以此计算出井眼的方位角、井斜角和工具面角，其特点是测量时要保 持静止，测量效率低；基于航向姿态参考系统采用3个陀螺仪和3个加速度计，可直接输出 井眼的方位角、井斜角和工具面角，此方案可用于动态连续测量；基于惯性导航系统方案也 是采用3个陀螺仪与3个加速度计，通过惯性导航解算可直接输出井眼的方位角、井斜角和 工具面角，还可以输出井眼的三维空间轨迹。此方案可用于静态单点测量、动态连续测量和 随钻测量，惯性导航算法定位精度随时间发散，但在独立井下应用有一定难度。目前在石油 套管井测斜环境下的测量，存在空间有限，不能提供充足是空间给惯性测量单元，因此不能 直接应用现有方法进行测量的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对石油套管井测斜环境的特点，通过减小惯性测量单元体积以 适用测量环境，提供了。本专利技术方法以基于改 进航向姿态参考系统测斜仪的姿态解算方法为核心，采用两轴光纤陀螺和三轴加速度计组 成惯性测量单元，惯性测量单元输出数据用于计算动态连续测量时的井斜角、方位角和工 具面角，比之传统的连续测斜仪减少了一个陀螺，降低了成本、体积和功耗，并实现了连续 测斜。 本专利技术的，采用2个单自由度光纤陀 螺仪和3个加速度计构成惯性测量单元；设置导航坐标系〇xny nzn为当地地理坐标系，设置 固联于测斜仪的载体坐标系为〇xbybzb，Zb沿测斜仪轴线指向井口，Xyb轴组成平面垂直 于井孔轴线、并与Zb组成右手坐标系。 本专利技术的两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法的步骤如下： 步骤1，利用3个加速度计测量获得载体坐标系中的比力，利用2个光纤陀螺仪测 量获得载体坐标系&和yb轴上的角速度，然后获取载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐 标系zb轴的角速度。 其中，tk表示第k次测量的时刻，乂t(4)、/丨,.?)和乂分别为第k次加速度计 在载体坐标系三轴上测量的比力，?i.(U、和?为第k次测量中导航坐标系 在三轴xb、yb和Zb轴上的角速度，_/^.札+1)和_/!(々+,)分别为第k+1次加速度计在载体坐标 系知和yb轴上测量的比力，AT为两次测量之间的时间差。 步骤2,利用?ii(々）、<乜)和《4爲）进行四元数更新，获得捷联姿态矩阵q， 进而根据捷联姿态矩阵实时解算得到方位角、井斜角和工具面角。 相对于现有技术，本专利技术的优点与积极效果在于：本专利技术所实现系统与传统测斜 系统相比减少了一个陀螺，从而减小了测斜仪的体积、重量和功耗，并且本专利技术所实现的系 统能够进行连续测斜，从而可更加适用于石油套管井测斜环境中，具有实际应用价值并将 能产生良好的经济效益。【附图说明】 图1是光纤陀螺连续测斜系统的物理模型示意图； 图2是获取捷联姿态矩阵时进行坐标系旋转的数学模型示意图； 图3是本专利技术的两轴光纤陀螺连续测斜系统进行姿态解算的整体示意图。【具体实施方式】 下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。 本专利技术提供了。光纤陀螺连续测斜系 统的物理模型如图1所示。该系统主要包括地面部分和井下部分，井下部分就是光纤陀螺 测斜仪，由惯性测量单元（MU)、电源等部分构成，惯性测量单元由光纤陀螺和加速度计组 成。其中頂U测得的数据经由数据采集单元采集、A/D转换、CPU处理，交由数据通信单元经 电缆向地面传送。地面部分是一套专用的便携式计算机测控、信号采集系统，包括测控接口 箱、深度测量仪、不间断电源（UPS)、上位机等，主要负责接收井下系统传上来的数据，再通 过软件界面对数据进行处理，以图表的形式展现给地面工作人员，同时，地面部分还具有控 制功能，能够控制井下仪的运行模式，包括定点测量、连续测量、对准等模式，由地面工作人 员根据现场情况进行控制。井下部分和地面部分构成了一个完整的陀螺连续测斜系统。 传统姿态航向系统的頂U采用3个陀螺仪与3个加速度计，用3个陀螺仪分别敏 感三轴角速度，用3个加速度计分别敏感测量仪三轴比力，通过姿态解算得出载体系相对 导航系的坐标转换矩阵。针对石油套管井测斜环境测量空间小的特点，本专利技术角度测量部 分采用改进的航向姿态参考系统方案，即选用两个单自由度光纤陀螺仪和3个加速度计构 成惯性测量单元，其中3个加速度计用以敏感3轴比力，2个光纤陀螺仪分别敏感载体坐标 系X轴和y轴的角速度，用该惯性测量单元输出数据首先计算出第三根轴的数据，然后将上 述数据相结合计算出姿态角。本专利技术利用基于改进航向姿态参考系统测斜仪的姿态解算算 法计算连续测斜的实时姿态角。 本专利技术的两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法，整体如图3所示，下面进行具 体说明。 首先，说明所涉及的坐标系。本专利技术采用当地地理坐标系〇xny nzn作为导航坐标系， 记为n系，Xn轴指向东，yn轴指向北，ozn轴指向天；定义载体坐标系oxbybzb固联于测斜仪，zb沿测斜仪轴线指向井口，Xyb轴组成平面垂直于井孔轴线，与z3且成右手坐标系，载 体坐标系标记为b系。采用地心惯性坐标系，标记惯性坐标系为i系，标记地球坐标系为e 系。 步骤1，载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系Zb轴的角速度。 如图2所示，第一次将坐标系(《1^1^绕〇211轴转动角度4，形成坐标系〇117121;八为 方位角。第二次将坐标系〇117121绕〇71轴转动角度1，形成坐标系〇127222;1为井斜角。第 三次将坐标系0知722；2绕oz2轴转动角度T，形成坐标系oxbybzb;T为工具面角。经过三次一 定顺序的转动，获得导航坐标系变换到载体坐标系的捷联姿态矩阵<，可表示为： 其中，Q、CjPC3分别为第一次转动、第二次转动和第三次转动的转动矩阵。I、A 和T分别为随钻井斜测量中的井斜角、方位角和工具面角，为需要测量的数据。...

【技术保护点】
一种两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法，其特征在于，采用2个单自由度光纤陀螺仪和3个加速度计构成惯性测量单元；设置导航坐标系oxnynzn为当地地理坐标系，设置固联于测斜仪的载体坐标系为oxbybzb，zb沿测斜仪轴线指向井口，xb和yb轴组成平面垂直于井孔轴线、并与zb组成右手坐标系；所述的两轴光纤陀螺连续测斜系统的实现方法包括如下步骤：步骤1，利用3个加速度计测量获得载体坐标系中的比力，利用2个光纤陀螺仪测量获得载体坐标系xb和yb轴上的角速度，然后获取载体坐标系中载体坐标系相对于导航坐标系zb轴的角速度其中，tk表示第k次测量的时刻，和分别为第k次加速度计在载体坐标系三轴上测量的比力，和为第k次测量中导航坐标系在三轴xb、yb和zb轴上的角速度，和分别为第k+1次加速度计在载体坐标系xb和yb轴上测量的比力，ΔT为两次测量之间的时间差；步骤2，利用和进行四元数更新，获得载体坐标系变换到导航坐标系的捷联姿态矩阵进而根据捷联姿态矩阵实时解算得到方位角、井斜角和工具面角。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓锋，李晨曦，韦博，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11