一種適用於全光纖數字測斜儀的初始對準方法

2023-10-04 18:30:59

專利名稱：一種適用於全光纖數字測斜儀的初始對準方法
技術領域：
本發明涉及一種為全光纖數字測斜儀在進入精確測量狀態之前的初始對準方法，該初始對準採用兩位置差值比較對準模式完成全光纖數字測斜儀的精確測量基準建立。
背景技術：
隨著石油資源的貧化，開採的難度越來越大。在石油鑽採的過程中，迫切需要能夠精確測量井眼軌跡參數的測斜儀器為工業部門提供可靠的設計、開發信息。尤其是對於超深井，當發生深的高壓地層井噴事件時，需要根據精確的井眼軌跡鑽減壓井來終止井噴。此外，現代鑽採技術的發展，使隨鑽測量(MWD)成為現實，理想測斜儀是能在鑽頭鑽進的過程中實時監測和顯示鑽頭的位置，以便於操作人員及時調整鑽頭，使其按預先設計軌跡達到目標靶區。這都需要有高精度的井眼軌跡測量儀器。
初始對準是慣性測量系統中的一個十分重要的問題，初始對準的精度直接關係到慣性測量系統的工作精度。衡量系統初始對準的兩個指標是對準的精度和速度。初始對準的精度對系統的導航性能產生直接的影響，初始對準速度則是衡量系統反應能力的重要指標。這兩個指標是相互矛盾的。因此，尋找一種對準精度高，對準速度快的初始對準方法是人們追求的目標。慣性測量系統的初始對準通常分成兩個階段粗對準和精對準。粗對準可以通過慣性器件測量當地的重力加速度和地球自轉角速率，直接估算載體坐標繫到導航坐標系的轉換距陣為精對準提供基礎，要求速度快，精度可以低一些。精對準是在粗對準的基礎上，估算方位失準角，要求在保證對準精度的前提下儘量快。

發明內容
本發明的目的是提出一種適用於全光纖數字測斜儀的初始對準方法，該初始對準方法通過下井探管的機體坐標系ObXbYbZb與被測井口的當地地理坐標系OtXtYtZt的轉換關係，從而得到表徵下井探管的姿態矩陣Ctb，同時也能夠標定出各軸光纖陀螺的常值漂移和各軸加速度計的常值偏置。採用本發明初始對準方法的測斜儀具有自尋北、對準速度快、對準精度高、使用範圍廣的優點。
本發明的適用於全光纖數字測斜儀的初始對準方法有下列對準步驟第一步系統上電後，檢測下井探管的工作狀態是否正常；第二步在正常工作狀態下，設定下井探管所在當前位置為第一位置F，設定下井探管繞其主軸OZb旋轉180°後所在位置為第二位置S；第三步採集第一位置F時下井探管上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數據XFOG1、Y軸光纖陀螺數據YFOG1、Z軸光纖陀螺數據ZFOG1、X軸加速度計數據XA1、Y軸加速度計數據YA1、Z軸加速度計數據ZA1，並將所採集的數據輸出給全光纖數字測斜儀的慣性測量系統；採集第二位置S時下井探管上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數據XFOG2、Y軸光纖陀螺數據YFOG2、Z軸光纖陀螺數據ZFOG2、X軸加速度計數據XA2、Y軸加速度計數據YA2、Z軸加速度計數據ZA2，並將所採集的數據輸出給全光纖數字測斜儀的慣性測量系統；第四步將上述第二步驟和第三步驟採集來的傳感數據在中心控制處理單元中進行兩位置差值比較，獲得下井探管的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，從而得到下井探管機體坐標系ObXbYbZb與當地地理坐標系OtXtYtZt之間的轉換矩陣Ctb=coscos+sinsinsin-sincos+cossinsin-cossinsincoscoscossincossin-sinsincos-sinsin-cossincoscoscos.]]>所述的全光纖數字測斜儀的初始對準方法，其下井探管姿態的初始方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ是經 轉換得到，式中，Ob1Xb1Yb1tZb1表示當地地理坐標系OtXtYtZt繞軸OtZt旋轉—方位角ψ後的得到的第一過渡坐標系；Ob2Xb2Yb2Zb2表示第一過渡坐標系Ob1Xb1Yb1tZb1繞軸Ob1Xb1旋轉一傾斜角θ後的得到的第二過渡坐標系。
所述的全光纖數字測斜儀的初始對準方法，其初始對準是在慣性測量系統進入測量工作狀態之前進行的。
本發明初始對準方法的優點在於(1)採用此方法的儀器能夠自尋北；(2)能夠在初始對準的同時完成各軸光纖陀螺及各軸加速度計的測漂和定標；(3)對準速度快，精度高；(4)儀器對準操作過程方便、簡單，能夠適用於全光纖數字測斜儀實際工程應用環境。


圖1是下井探管的機體坐標繫結構示意圖。
圖2是被測井口的當地地理坐標系示意圖。
圖3是兩種坐標系的相互關係示意圖。
圖4是本發明對準流程圖。
圖中1.X軸光纖陀螺 2.Y軸光纖陀螺 3.Z軸光纖陀螺 4.X軸加速度計5.Y軸加速度計 6.Z軸加速度計 7.下井探管 8.被測井眼軌跡 9.目標油藏具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種採用光纖陀螺捷聯慣性測量技術的一種新型井眼軌跡測量儀器—全光纖數字測斜儀，是現階段提供井眼測量儀器中精度較高的一種。全光纖數字測斜儀由公知計算機、慣性測量軟體系統、信號採集器、光纜鉸盤、井架和下井探管組成，慣性測量軟體系統存儲於計算機的存儲器中，信號採集器安裝於計算機的主板插槽上，信號採集器與光纜鉸盤採用有線連接，光纜鉸盤上的光纜一端與下井探管連接，光纜在井架上滑動實現將下井探管放入井眼中。由於全光纖數字測斜儀能夠在有磁性物質幹擾、小尺寸井眼中對被測油井軌跡進行行之有效的測量。作為慣性測量技術的慣性測量儀器，為使儀器能夠按照一定的測量精度完成測量任務，必須採取有效的初始對準技術措施，使得慣性測量系統有一個精確的初始條件。慣性測量系統初始對準的目的是在慣性測量系統進入測量工作狀態之前建立起的，用於測量基準坐標系OtXtYtZt到下井探管7的機體坐標系ObXbYbZb的姿態矩陣Ctb，為全光纖數字測斜儀提供精確的基準，從而獲得自尋北、對準速度快、對準精度高、使用範圍廣的優點。在本發明中，對下井探管7採集回的多個數據進行初始對準處理是通過全光纖數字測斜儀中的慣性測量系統完成的。
本發明初始對準方法的設計構思是通過對兩個位置狀態下的下井探管7上傳感器件輸出的參數進行不同坐標系下的參數差值比較，獲得下井探管7的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，從而引入至公知的坐標轉換矩陣中計算出下井探管7到達目標油藏9時的被測井眼軌跡8的測量精度。參數差值比較是通過將欲執行初始對準任務的控制程序存入所述全光纖數字測斜儀的計算機的存儲器中，運用慣性測量軟體系統進行監控下井探管7的初始對準運行狀態。
本發明是一種適用於全光纖數字測斜儀的初始對準方法，是將欲執行初始對準任務的控制程序存入所述全光纖數字測斜儀的計算機的存儲器中，其初始對準是在慣性測量系統進入測量工作狀態之前進行的，其初始對準包括下列對準步驟(參見圖4所示)第一步系統上電後，檢測下井探管7的工作狀態是否正常；第二步在正常工作狀態下，設定下井探管7(參見圖1所示)所在當前位置為第一位置F，設定下井探管7繞其主軸OZb旋轉180°後所在位置為第二位置S；第三步採集第一位置F時下井探管7上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數據XFOG1、Y軸光纖陀螺數據YFOG1、Z軸光纖陀螺數據ZFOG1、X軸加速度計數據XA1、Y軸加速度計數據YA1、Z軸加速度計數據ZA1，並將所採集的數據輸出給全光纖數字測斜儀的慣性測量系統；採集第二位置S時下井探管7上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數據XFOG2、Y軸光纖陀螺數據YFOG2、Z軸光纖陀螺數據ZFOG2、X軸加速度計數據XA2、Y軸加速度計數據YA2、Z軸加速度計數據ZA2，並將所採集的數據輸出給全光纖數字測斜儀的慣性測量系統；第四步將上述第二步驟和第三步驟採集來的傳感數據在中心控制處理單元中進行兩位置差值比較，獲得下井探管7的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，從而得到下井探管7機體坐標系ObXbYbZb與當地地理坐標系OtXtYtZt之間的轉換矩陣Ctb=coscos+sinsinsin-sincos+cossinsin-cossinsincoscoscossincossin-sinsincos-sinsin-cossincoscoscos.]]>在本發明中，代表下井探管7姿態的初始方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ可以按下列順序分三次轉動得到即 式中，Ob1Xb1Yb1tZb1表示當地地理坐標系OtXtYtZt繞軸OtZt旋轉—方位角ψ後的得到的第一過渡坐標系；Ob2Xb2Yb2Zb2表示第一過渡坐標系Ob1Xb1Yb1tZb1繞軸Ob1Xb1旋轉一傾斜角θ後的得到的第二過渡坐標系。
三次坐標轉換可得到的轉換矩陣為Ctb=coscos+sinsinsin-sincos+cossinsin-cossinsincoscoscossincossin-sinsincos-sinsin-cossincoscoscos]]>則，當地地理坐標系OtXtYtZt與下井探管7機體坐標系ObXbYbZb兩個坐標系的關係表示為xbybzb=Ctbxtytzt.]]>參見圖1、圖2、圖3所示，下井探管7中傳感器組件的X軸光纖陀螺1、Y軸光纖陀螺2、Z軸光纖陀螺3、X軸加速度計4、Y軸加速度計5和Z軸加速度計6的輸入分別為沿下井探管7機體坐標系ObXbYbZb的各個軸向，保持下井探管7靜止時，則在第一位置F時各軸光纖陀螺及加速度計的輸出分別如下XFOG1=KFOGX[ey(cossinsin-sincos)-ezsincos]+x---(1)]]>YFOG1=KFOGY[eycoscos+ezsin]+y---(2)]]>ZFOG1=KFOGZ[ey(-sinsin-cossinsin)+ezcoscos]+z---(3)]]>XA1=-KAXcossin+X---(4)]]>YA1=KAYsin+Y---(5)]]>ZA1=KAZcoscos+Z---(6)]]>式中ωey表示地球自轉角速率在北向的分量，ωez表示地球自轉角速率在天向的分量，表示被測井口的當地緯度，ωie表示地球的自轉角速度，KFOGX表示X軸光纖陀螺1的標度因數，KFOGY表示Y軸光纖陀螺2的標度因數，KFOGZ表示Z軸光纖陀螺3的標度因數，εx表示X軸光纖陀螺1的常值漂移，εy表示Y軸光纖陀螺2的常值漂移，εz表示Z軸光纖陀螺3的常值漂移，KAX表示X軸加速度計4的標度因數，
KAY表示Y軸加速度計5的標度因數，KAZ表示Z軸加速度計6的標度因數，ΔX表示X軸加速度計4的零偏，ΔY表示Y軸加速度計5的零偏，ΔZ表示Z軸加速度計6的零偏。
當下井探管7繞其主軸ozb旋轉180°後，到達指定位置，即第二位置S處時保持靜止，此時採集各軸光纖陀螺及加速度計的輸出數據為XFOG2=KFOGX[-ey(cossinsin-sincos)+ezsincos]+x---(7)]]>YFOG2=KFOGY[-eycoscos-ezsin]+y---(8)]]>ZFOG2=KFOGZ[ey(-sinsin-cossinsin)+ezcoscos]+z---(9)]]>XA2=KAXcossin+X---(10)]]>YA2=-KAYsin+Y---(11)]]>ZA2=KAZcoscos+Z---(12)]]>由上式(1)～(12)可以推導出X軸光纖陀螺1的常值漂移εx、Y軸光纖陀螺2的常值漂移εy、Z軸光纖陀螺3的常值漂移εz、X軸加速度計4的零偏ΔX、Y軸加速度計5的零偏ΔY、Z軸加速度計6的零偏ΔZ及下井探管7初始的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，兩個坐標系下的位置參數轉換如下=arcsin[(YA1-YA2)/2KAY]---(13)]]>=arcsin[-(XA1-XA2)/2KAXcos]---(14)]]>=arccos[(YFOG1-YFOG2)/2KFOGY;cos-eztan/ey]---(15)]]>εx＝(XFOG1+XFOG2)/2(16)εy＝(YFOG1+YFOG2)/2(17)z=ZFOG1-KFOGZ[ey(-sinsin-cossinsin)+ezcoscos]---(18)]]>ΔX＝(XA1+XA2)/2(19)ΔY＝(YA1+YA2)/2(20)Z=ZA2-KAZcoscos---(21)]]>將上式(13)～(15)值代入轉換矩陣Ctb中，可得到下井探管7的機體坐標繫到當地地理坐標系的變換距陣，同時也標定出了各軸光纖陀螺的常值漂移和各軸加速度計的常值偏置，是一種簡單有效的初始對準方法。
本發明專利申請中的各符合的物理意義為

權利要求
1.一種適用於全光纖數字測斜儀的初始對準方法，是將欲執行初始對準任務的控制程序存入所述全光纖數字測斜儀的計算機的存儲器中，其特徵在於初始對準包括有下列對準步驟第一步系統上電後，檢測下井探管(7)的工作狀態是否正常；第二步在正常工作狀態下，設定下井探管(7)所在當前位置為第一位置F，設定下井探管(7)繞其主軸OZb旋轉180°後所在位置為第二位置S；第三步採集第一位置F時下井探管(7)上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數據XFOG1、Y軸光纖陀螺數據YFOG1、Z軸光纖陀螺數據ZFOG1、X軸加速度計數據XA1、Y軸加速度計數據YA1、Z軸加速度計數據ZA1，並將所採集的數據輸出給全光纖數字測斜儀的慣性測量系統；採集第二位置S時下井探管(7)上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數據XFOG2、Y軸光纖陀螺數據YFOG2、Z軸光纖陀螺數據ZFOG2、X軸加速度計數據XA2、Y軸加速度計數據YA2、Z軸加速度計數據ZA2，並將所採集的數據輸出給全光纖數字測斜儀的慣性測量系統；第四步將上述第二步驟和第三步驟採集來的傳感數據在中心控制處理單元中進行兩位置差值比較，獲得下井探管(7)的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，從而得到下井探管(7)機體坐標系ObXbYbZb與當地地理坐標系OtXtYtZt之間的轉換矩陣Ctb=coscos+sinsinsin-sincos+cossinsin-cossinsincoscoscossincossin-sinsincos-sinsin-cossincoscoscos.]]>
2.根據權利要求1所述的全光纖數字測斜儀的初始對準方法，其特徵在於所述下井探管(7)姿態的初始方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ是經 式中，Ob1Xb1Yb1tZb1表示當地地理坐標系OtXtYtZt繞軸OtZt旋轉-方位角ψ後的得到的第一過渡坐標系；Ob2Xb2Yb2Zb2表示第一過渡坐標系Ob1Xb1Yb1tZb1繞軸Ob1Xb1旋轉一傾斜角θ後的得到的第二過渡坐標系。
3.根據權利要求1所述的全光纖數字測斜儀的初始對準方法，其特徵在於所述初始對準是在慣性測量系統進入測量工作狀態之前進行的。
全文摘要
本發明公開了一種適用於全光纖數字測斜儀的初始對準方法，該初始對準方法是在慣性測量系統進入測量工作狀態之前建立起的，通過下井探管上裝載的光纖陀螺和加速度計輸出的數據進行兩位置差值比較計量出基準坐標系O
文檔編號E21B47/02GK1888388SQ200610089778
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月17日 優先權日2006年7月17日
發明者高爽, 宋凝芳, 蘆佳振, 朱奎寶, 顏廷洋, 李晨, 祝露峰, 周益 申請人:北京航空航天大學