一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法技术

本发明专利技术公开了一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，包括以下步骤：利用Allan方差法对陀螺进行随机噪声分析，得到随机噪声项和随机噪声系数；利用随机噪声项和随机噪声系数建立方位角误差分析模型；方位角误差分析模型、初始点位置误差范围模型以及井斜角误差模型构成陀螺仪器连测模式下的误差模型，误差模型按照误差叠加原理进行叠加后，进行多元正态分布得到井眼轨迹误差范围。本发明专利技术利用Allan方差法线对陀螺的随机噪声项进行分析，根据Allan方差分析的结果选择随机噪声进行误差建模，进而计算井眼轨迹位置的误差范围，为井眼防碰等领域提供更可靠的信息。

【技术实现步骤摘要】
一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法
本专利技术涉及石油测斜
，更具体的说是涉及一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法。
技术介绍
自上世纪八十年代以来，国内很多油田开始进入开发中后期，勘探对象日益复杂，老油田稳产难度加大，新区油气勘探不断出现新的技术难题。为了提高薄油藏、隐蔽油藏等复杂油藏的开发效率，充分开采老油田，定向井、水平井、分支井和大位移井等复杂井结构得到了广泛应用。而精确的井眼轨迹的误差范围在实现以上目标的过程中起着关键的作用。传统的测斜仪主要是由磁通门和加速度计组成的测斜仪。由加速度计和磁强计构成基于地磁场的捷联式姿态测量系统，这种基于地磁场的方法由于系统中没有可动部件因而具有良好的抗冲击和抗干扰性，其结构简单、体积小、重量轻、启动迅速、成本低，成为许多随钻姿态测量的首选，但其容易受地下矿物磁场的干扰，测量精度严重下降。目前惯性测量技术用于测斜领域的应用越来越多，利用机械陀螺和加速度计组合实现井眼轨迹测量。目前光纤陀螺具有测量精度高、抗振动、较强抗磁干扰能力等优点，在测斜领域逐渐发展起来。因此陀螺捷联惯导系统在井眼轨迹测量领域具有广阔的应用前景。早期的井眼轨迹误差范围分析模型是WdW模型，是由Wolff和deWardt于1981年提出的，该模型研究的主要对象是磁性罗盘或自由陀螺的仪器。Williamson在WdW模型的基础上，针对当时钻井的发展提出了针对MWD(Measurementwhiledrilling)新的模型框架，主要包括针对基本的MWD测量的误差模型、数学基础以及简单的数据验证。TorgeirTorkildsen等人在Williamson等人的工作的基础上，针对陀螺测斜仪建立误差模型，该模型适用于大多数陀螺测斜仪。该模型研究了新的误差项集合以及这些误差项是怎么在传感器配置和操作模式方面对误差椭球做出贡献的。但在恶劣的井下环境中，陀螺连续测量过程中，不同陀螺的主要随机噪声项不一样，不能对陀螺仪器的建模过程一概而论。因此，如何提供一种能够对陀螺随机噪声进行分析的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，该方法可有效估计在连测模式下井眼轨迹的误差范围，为井眼防碰等应用领域提供合理的分析条件。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，包括以下步骤：S1：利用Allan方差法对陀螺进行随机噪声分析，得到随机噪声项和随机噪声系数；S2：利用随机噪声项和随机噪声系数建立方位角误差分析模型；S3：利用方位角误差分析模型，并结合初始点位置误差范围模型以及井斜角误差模型构建陀螺仪器连测模式下的误差模型，误差模型按照误差叠加原理进行叠加后，进行多元正态分布得到井眼轨迹误差范围。进一步，S1：利用Allan方差法对陀螺进行随机噪声分析，得到随机噪声项和随机噪声系数的具体步骤为：S11：输入陀螺的平均角速率序列Ω，并假设采样间隔为τi，角速率样本个数为Ni，循环条件i＝0，通过采集陀螺输出得到原始角速率样本其中为原始角速率样本序列，N0表示原始角速率样本个数；S12：根据原始角速率样本序列或新的采样点序列，计算采样间隔为τi时对应的Allan方差S13：循环条件加1，i＝i+1，采样间隔加倍τi＝2τi-1，角速率样本个数减半Ni＝[Ni-1/2]，在相邻奇偶序号角速率样本之间作算数平均，得到新的采样点序列；S14：判断角速率样本个数Ni是否小于3，如是，则执行S15，否则返回至S12；S15：绘制采样间隔τi与对应Allan方差的曲线图，并根据每个采样间隔得到的Allan方差进行曲线拟合得到随机噪声项以及随机噪声系数。进一步，Allan方差的计算公式为：其中，K表示当前样本序列的个数，分别表示当前样本序列的第K+1个值和第K个值，进一步，根据每个采样间隔得到的Allan方差进行曲线拟合得到随机噪声系数的具体步骤为：拟合公式为：其中，表示量化噪声Allan方差，表示角度随机游走噪声Allan方差，表示零偏不稳定性噪声Allan方差，表示角速率随机游走噪声Allan方差，表示速率斜坡噪声Allan方差，τ表示采样时间，A-2,A-1,A0,A1,A2分别与量化噪声系数Qcoe、角度随机游走噪声系数Ncoe、零偏不稳定性噪声系数Bcoe、角速率随机游走噪声系数Kcoe和速率斜坡噪声系数Rcoe有关；根据曲线图以及Allan方差对公式(2)进行拟合，得到A-2,A-1,A0,A1,A2；并根据以下公式得到随机噪声系数：其中，h表示小时，(°)表示度，(″)表示角度分。进一步，S2：利用随机噪声项和随机噪声系数进行方位角误差分析建模的具体步骤为：S21：如果S1分析结果中包含零偏不稳定性噪声项，那么零偏不稳定性噪声项标志为GB，误差量级为零偏不稳定性噪声系数Bcoe，传播模式为S，零偏不稳定性误差权重函数为：其中，hGB(i-1)为上一测段零偏不稳定性噪声项的误差权重函数，c表示陀螺匀速运动的速度，ΔDi表示运行距离间隔；S22：如果S1分析结果中包含角度随机游走噪声项，那么角度随机游走噪声项标志为GN，误差量级为角度随机游走随机系数Ncoe，传播模式为S，角度随机游走误差权重函数为：其中，hGN(i-1)为上一测段角度随机游走噪声项的误差权重函数，c表示陀螺匀速运动的速度，ΔDi表示运行距离间隔；S23：如果S1分析结果中包含角速率随机游走噪声项，那么角速率随机游走噪声项标志为GK，误差量级为角速率随机游走噪声系数Kcoe，传播模式为S，角速率随机游走误差权重函数为：其中，hGK(i-1)表示上一测段角速率随机游走噪声项的误差权重函数，c表示陀螺匀速运动的速度，ΔDi表示运行距离间隔；S24：如果S1分析结果中包含速率斜坡噪声项，则速率斜坡噪声项标志为GR，误差量级为速率斜坡噪声系数Rcoe，传播模式为S，速率斜坡权重函数为：其中，hGR(i-1)表示上一测段速率斜坡噪声项的误差权重函数，c表示陀螺匀速运动的速度，ΔDi表示运行距离间隔；传播模式S表示系统性传播；通过各项噪声的误差量级、传播模式以及权重函数就得到了方位角误差分析模型。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，利用Allan方差法对陀螺的随机噪声进行分析，根据Allan方差分析的结果选择随机噪声进行误差建模，进而计算井眼轨迹位置的误差范围，为井眼防碰等领域提供更可靠的信息。该专利技术能够根据不同陀螺仪器的特点选择不同的随机噪声进行建模，能够使模型输出，即井眼轨迹误差椭球更加准确。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1附图为本专利技术提供的利用Allan方差法进行随机噪声分析的流程图。图2附图为本专利技术提供的振动条件下利用Allan方差法分析光纤陀螺随机误差噪声输出结果，其中，采样间隔0.1s，采集时间是3000s。图3附图为本专利技术提供的模型与ISCWS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：利用Allan方差法对陀螺进行随机噪声分析，得到随机噪声项和随机噪声系数；S2：利用随机噪声项和随机噪声系数建立方位角误差分析模型；S3：利用方位角误差分析模型，并结合初始点位置误差范围模型以及井斜角误差模型构建陀螺仪器连测模式下的误差模型，误差模型按照误差叠加原理进行叠加后，进行多元正态分布得到井眼轨迹误差范围。

【技术特征摘要】
1.一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：利用Allan方差法对陀螺进行随机噪声分析，得到随机噪声项和随机噪声系数；S2：利用随机噪声项和随机噪声系数建立方位角误差分析模型；S3：利用方位角误差分析模型，并结合初始点位置误差范围模型以及井斜角误差模型构建陀螺仪器连测模式下的误差模型，误差模型按照误差叠加原理进行叠加后，进行多元正态分布得到井眼轨迹误差范围。2.根据权利要求1所述的一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，其特征在于，S1：利用Allan方差法对陀螺进行随机噪声分析，得到随机噪声项和随机噪声系数的具体步骤为：S11：输入陀螺的平均角速率序列Ω，假设采样间隔为τi，角速率样本个数为Ni，循环条件i＝0，通过采集陀螺输出得到原始角速率样本其中为原始角速率样本序列，N0表示原始角速率样本个数；S12：根据原始角速率样本序列或新的采样点序列，计算采样间隔为τi时对应的Allan方差S13：循环条件加1，i＝i+1，采样间隔加倍τi＝2τi-1，角速率样本个数减半Ni＝[Ni-1/2]，[.]表示取整，在相邻奇偶序号角速率样本之间作算数平均，得到新的采样点序列；S14：判断角速率样本个数Ni是否小于3，如是，则执行S15，否则返回至S12；S15：绘制采样间隔τi与对应Allan方差的曲线图，并根据每个采样间隔得到的Allan方差进行曲线拟合得到随机噪声项以及随机噪声系数。3.根据权利要求2所述的一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，其特征在于，Allan方差的计算公式为：其中，<·>表示对总体数据求平均，K表示当前样本序列的个数，分别表示当前样本序列的第K+1个值和第K个值，4.根据权利要求3所述的一种用于陀螺测量仪器的误差范围分析方法，其特征在于，绘制采样间隔τi与对应Allan方差的曲线图，并根据每个采样间隔得到的Allan方差进行曲线拟合得到随机噪声项以及随机噪声系数的具体步骤为：拟合公式为：其中，表示量化噪声Allan方差，表示角度随机游走噪声Allan方差，表示零偏不稳定性噪声Allan方差，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高爽，李玲玲，蔡晓雯，卢鑫，张若愚，纪少文，周文彬，
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