一种近钻头钻具姿态随钻测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种近钻头钻具姿态随钻测量装置及测量方法，包含测量传感器和测量电路，所述测量传感器测量信号传输至测量电路，测量电路对信号进行处理和计算得到姿态数据。所述测量传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器，利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算姿态角1，利用姿态角1对四元数初始化，根据三轴陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴陀螺仪的累积误差，从而提高近钻头钻具姿态随钻测量的精度。

Device and method for measuring near drill bit drilling while drilling

The invention relates to a near drill drilling drilling attitude measuring device and method, including measuring sensor and measuring circuit, the measuring signal is transmitted to the sensor measuring circuit, measuring circuit for processing and calculation of attitude data signal. The sensor includes three axis accelerometer, three axis gyroscope, three axis magnetic sensor and a temperature sensor, the measurement data were corrected three axis accelerometer, three axis gyroscope and three axis magnetic sensor using the temperature sensor measurement data, to calculate the attitude angle of 1 by using the measurement data of three axis accelerometer and the modified three axis magnetic sensor, the attitude angle 1 to four yuan to four yuan according to the number of initialization, the number of the initialization time to update the measurement data of three axis gyroscope, and then use the number of four yuan after the update calculation of attitude angle, four yuan by the number of periodic initialization, to eliminate the accumulated error of three axis gyroscope in order to improve the attitude, near bit measurement precision drilling drill.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要属于石油钻井随钻测量领域，具体涉及一种近钻头钻具姿态随钻测量装置及测量方法。
技术介绍
定向钻井(Directional Drilling)是使井身沿着预先设计的轨迹钻达地下目标层的钻井工艺技术，是实现老井侧钻、多分支井、大位移井、水平井的重要技术手段。采用定向钻井技术可以使地面和井下条件受到限制的油气资源得到经济、有效地开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护环境，具有显著的经济效益和社会效益。在定向钻进过程中，钻头的方向信息对于正确钻进是至关重要的。对井下钻具姿态的精确测量不但能够保证高效钻遇既定目标，同时也避免造成与相邻井眼的碰撞风险。因此，除了传统的底部钻具组合(包括钻头、螺杆钻具、扶正器、钻铤等)，定向钻井工具需要使用位置传感器测量井下钻具姿态，包括方位角(在水平面上与北向的偏角)、倾角(与垂直方向的偏角，亦称井斜角)和工具面角(相当于导航中的横滚角)。随着油田勘探开发的深入，薄油藏、断块油藏、边际油藏、剩余油藏等难动用储量的开发已大规模展开，对轨迹控制精度的要求也日益提高，为了增大油藏在井眼中的裸露面积，提高油井的产量，要求井眼轨迹准确的钻穿储层。为了能够精确地获得钻头处的轨迹参数，井下轨迹参数传感器离钻头的距离(测点零长)至关重要。现有随钻测量(Measurement While Drilling，MWD)系统的姿态测量工具通常位于造斜工具之后，是在距离井底钻头位置8-20米的位置测量井斜、方位、工具面等参数，得不到钻头处的井眼位置，无法判断进入储层的实际情况。现有的随钻测量(MWD)系统，从姿态角测量原理方面，包括基于磁传感器和加速度计，基于陀螺仪和加速度计两大技术主线。(1)基于磁传感器和加速度计的MWD系统该类型MWD系统角度测量单元由三个正交的加速度计和三个正交的磁传感器组成，加速度计通常选用石英挠性加速度计，磁传感器通常选用磁通门磁强计。加速度计测量结果用于计算倾角和工具面角，而方位角利用倾角、工具面角和地磁场数据获得。由于参照磁北测量方位，因此磁强计需要一个无磁的环境。当前基于磁强计的MWD系统面临最主要的问题是磁干扰，主要包括钻柱本身的磁干扰和周围环境产生的外部磁干扰。钻柱磁干扰主要影响沿着钻具旋转轴方向的磁强计，而外部磁干扰对三个磁强计都有影响，外部磁干扰主要来自附近生产井铁磁性套管、黄铁矿等地层、太阳风暴、钻井液组分、磁热点等等。磁干扰的存在严重影响方位测量精度。常规MWD系统通常安装在近9米长的无磁钻铤中间来尽量隔离上下钻杆的磁干扰，但近钻头姿态测量装置需要紧邻钻头安装，钻头和导向钻具产生的磁干扰比常规MWD系统更严重。(2)基于陀螺仪和加速度计的MWD系统该类型MWD系统利用陀螺仪测量角速度沿传感器敏感轴的变化，目前在定向钻井领域已经得到应用。陀螺技术的优势在于地磁场被屏蔽或磁干扰严重的应用场合，因为磁干扰不会影响陀螺的性能。受仪器尺寸、振动冲击下易损坏、陀螺测量精度等因素影响，目前陀螺技术主要应用于有线测量系统中，在随钻应有场合还有一定的限制。基于陀螺仪和及速度计的MWD系统最大的问题是角速度陀螺输出信号漂移速率较大，积分后的姿态角发散速度较快，会引入较大的稳态误差,陀螺仪的输出随着测量时间的增加，存在累积误差，特别是在井下高温环境累积误差更大，且体积和可靠性难以满足随钻恶劣工况和近钻头处的狭小空间。综上所述,无论是基于磁传感器和加速度计的MWD系统还是基于陀螺仪和加速度计的MWD系统,均存在应用场合的限制,特别对于近钻头钻具姿态测量,难以满足井底高温、强振动冲击、强磁干扰、有限安装空间等复杂应用环境。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种基于微惯性和地磁组合的近钻头井下钻具姿态随钻测量装置和测量方法，利用组合姿态测量技术克服单一姿态测量方法存在的固有缺陷(微惯性器件累积误差问题和地磁场测量干扰问题)，通过多传感器信息融合有效提高井下钻具的姿态测量精度，具有体积小、功耗低的优点，有利于在电池供电的条件下实现井下长时间工作。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种近钻头钻具姿态随钻测量装置，包含测量传感器和测量电路，所述测量传感器测量信号传输至测量电路，测量电路对信号进行处理和计算得到姿态数据；所述测量传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器，利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算初始姿态角，利用初始姿态角对四元数初始化，根据三轴MEMS陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴MEMS陀螺仪的积累误差。进一步地，所述测量传感器为采取X,Y,Z三轴正交安装，在每个轴向上，加速度计、陀螺仪和磁传感器的敏感轴方向保持平行。进一步地，所述测量电路包括模数转换器、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器、处理器和低通滤波器，所述低通滤波器分别滤除所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器的输出信号中的高频干扰，根据加速度计、陀螺仪、磁传感器和温度传感器的频带和钻井转速选用设计低通截止频率与之匹配的滤波器。进一步地，所述测量电路结构如下：测量传感器输出的模拟信号通过低通滤波器滤除高频干扰，经过滤波的测量传感器输出信号通过模数转换器进行数据采集，采集的时序控制由FPGA实现，同时FPGA将采集的原始数据进行数字滤波，打包后根据通信协议发送给处理器，处理器将原始时间数据存储到存储器里,同时进行姿态角的解算，所述处理器包括姿态角计算模块、四元数初始化模块和四元数更新模块。进一步地，所述存储器存储有加速度计、磁传感器和陀螺仪的标定系数。进一步地，所述加速度计为MEMS加速度计、所述陀螺仪为MEMS陀螺仪、所述磁传感器为磁阻传感器。进一步地，所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器采取同步采集方式测量。进一步地，所述姿态角包括倾角、方位角和工具面。进一步地，所述装置安装在钻铤中心的泥浆通道中或在钻铤表面开槽安装。一种近钻头钻具姿态随钻测量方法，使用上述装置，所述方法为利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算姿态角1，利用姿态角1对四元数初始化，根据三轴MEMS陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴MEMS陀螺仪的积累误差。进一步地，所述方法中还包括利用存储的加速度计和磁传感器和陀螺仪的标定系数，修正加速度计和磁传感器标度系数和安装误差。进一步地，所述周期为1-10秒，具体根据钻具转速和姿态数据更新速率确定。本专利技术的有益技术效果：(1)基于微惯性器件和磁阻传感器的组合，体积小，功耗低，满足近钻头姿态测量装置安装空间和电池供电下工作时间要求；(2)利用惯性和地磁组合导航实现姿态测量，克服单一姿态测量方法存在的固有缺陷(微惯性器件累积误差问题和地磁场测量干扰问题)，通过多传感器信息融合有效提高井下钻具的姿态测量精度，适应复杂的钻井测量应用场合。附图说明图1为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，包含测量传感器和测量电路，所述测量传感器测量信号传输至测量电路，测量电路对信号进行处理和计算得到姿态数据；所述测量传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器，利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算姿态角1，利用姿态角1对四元数初始化，根据三轴MEMS陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴MEMS陀螺仪的积累误差。

【技术特征摘要】
1.一种近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，包含测量传感器和测量电路，所述测量传感器测量信号传输至测量电路，测量电路对信号进行处理和计算得到姿态数据；所述测量传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和一个温度传感器，利用温度传感器测量数据分别修正三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器的测量数据，利用修正后的三轴加速度计和三轴磁传感器的测量数据来计算姿态角1，利用姿态角1对四元数初始化，根据三轴MEMS陀螺仪的测量数据对初始化后的四元数进行时间更新，进而利用更新后的四元数计算姿态角，通过周期性进行四元数的初始化，消除三轴MEMS陀螺仪的积累误差。2.如权利要求1所述近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器采取X,Y,Z三轴正交安装，在每个轴向上，加速度计、陀螺仪和磁传感器的敏感轴方向保持平行。3.如权利要求1所述近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述测量电路包括模数转换器、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器、处理器和低通滤波器，所述低通滤波器与所述测量传感器相连，所述低通滤波器分别滤除所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和温度传感器的输出信号中的高频干扰，根据加速度计、陀螺仪、磁传感器和温度传感器的频带和钻井转速选用设计低通截止频率与之匹配的滤波器。4.如权利要求1所述近钻头钻具姿态随钻测量装置，其特征在于，所述测量电路结构如下：所述滤波器与所述模数转换器相连，所述模数转换器与现场可编程门阵列相连，所述现场可编程门阵列与所述处理器相连，所述处理器连接有所述存储器；测量传感器输出的模拟信号通过低通滤波器滤除高频干扰，经过滤波的测量传感器输出信号通过模数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文秀，陈文轩，底青云，杨永友，孙云涛，郑健，刘建光，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11