一種九加速度計連續測斜儀的製作方法

2023-04-25 13:27:51

專利名稱：一種九加速度計連續測斜儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於石油、天然氣等礦業勘探領域，涉及一種油氣井的測量工具，尤其涉及一種測量油氣井軌跡時所用的九加速度計連續測斜儀。
背景技術：
在鑽井、開窗側鑽和打水平井的過程中，需要了解井眼軌跡，確保鑽井工程的質量滿足設計要求，測斜儀器正是基於此種目的而出現。國內外測斜儀器種類比較多，但總體上分為兩類磁通門測斜儀和陀螺測斜儀。它們採用不同的測斜原理，使用的範圍也不同，具體介紹如下磁通門測斜儀通常採用三個磁通門傳感器測量地磁場矢量在儀器坐標系三個坐標軸上的投影分量，採用三個加速度計測量重力加速度矢量在儀器坐標系三個坐標軸上的投影分量，由於每個地理坐標的地磁場矢量和重力加速度矢量已知，通過坐標變換，並利用六個測量值可計算出油井在每個點上的傾斜角、工具面角和方位角，從而獲得井眼軌跡。磁通門測斜儀分點測和連測，抗震性能和抗衝擊性能比較強，可以用於隨鑽測量。但磁通門測斜儀易受周圍磁場的影響，要求調試環境在3米內無鐵磁物質，10米內無強磁場存在，只能用於裸眼井的測量，應用範圍受到一定的限制。陀螺測斜儀分為點測陀螺測斜儀和連續陀螺測斜儀。點測陀螺測斜儀進行工作時，有意識的將井深分成若干段，將儀器在每個節點上停留幾分鐘，測量該節點的傾斜角、 工具面角和方位角，然後將所有節點的軌跡連接起來就可以獲得井眼的軌跡。點測陀螺測斜儀通常採用一個二自由度陀螺測量地球自轉角速度矢量在儀器平面的兩個軸向的投影角速度分量，採用三個加速度計測量重力加速度矢量在儀器坐標系三個坐標軸上的投影分量，由於每個地理坐標的地球自轉角速度矢量和重力加速度矢量已知，通過坐標變換，並利用五個測量值和油井當地緯度即可計算出油井在每個點上的傾斜角、工具面角和方位角， 從而獲得井眼軌跡。點測陀螺測斜儀不受磁場環境的限制，既可以測試裸眼井，還可以測試套管井，但其抗震性能和抗衝擊性能比較弱，不適合隨鑽測量，由於採用分段測量，測量精度較低，另外點測陀螺測斜儀在進行測量前先等儀器靜止，測量時間比較長。連續陀螺測斜儀無需將井深分段，可以對油氣井進行連續測量，但考慮到陀螺飄移的變化，在工程應用中每隔一定的時間需要將儀器停下來，對陀螺進行零點對準。連續陀螺測斜儀通常採用兩個二自由度動調陀螺或三個單自由度的光纖陀螺，測量儀器坐標系中三個坐標軸上的角速度分量，採用三個加速度計測量重力加速度矢量在儀器坐標系三個坐標軸上的投影分量，在測量開始前先要採用尋北算法進行尋北。完成尋北後就可以進行測量，通常採用四元數捷聯導航算法，計算出每個點的傾斜角、工具面角和方位角，從而獲得井眼軌跡。連續陀螺測斜儀測量時間比點測陀螺測斜儀測量時間要縮短很多，測量精度也有一定的提高，不受磁場環境的限制，既可以測試裸眼井，也可以測試套管井，但其結構複雜，抗震性能和抗衝擊性能比較弱，不適合隨鑽測量。由於採用尋北算法和陀螺捷聯導航算法，數據處理比較複雜。[0006]目前裸眼井的測量通常採用磁通門測斜儀，套管井主要採用陀螺測斜儀，但磁通門測斜儀受磁場環境的影響，應用領域有一定的限制，陀螺測斜儀受陀螺技術的限制，抗震性能和抗衝擊性能較弱，成本高，壽命有限，體積大，操作複雜，測量效率較低。隨著國內外無陀螺捷聯慣性導航系統研究的深入，將其應用於測井技術領域已成為可能，採用加速度計傳感器的無陀螺測斜儀器的出現成為發展的必然。

實用新型內容為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本實用新型提供了一種成本低、不受現場環境限制、使用壽命長、有較強的抗震性能和抗衝擊性能、結構簡單、可靠性高、反應快速、低功耗的九加速度計連續測斜儀。本實用新型的技術解決方案是本實用新型提供了一種九加速度計連續測斜儀， 其特殊之處在於所述九加速度計連續測斜儀包括傳感器單元、信號調理和數據採集單元以及控制和數據處理單元；所述傳感器單元輸出信號通過信號調理和數據採集單元後送給控制和數據處理單元；所述傳感器功能單元包括三組加速度計組，所述加速度計組同軸設
置在一起。上述加速度計組同軸平行設置在一起。上述加速度計組包括第一加速度計、第二加速度計以及第三加速度計；所述第一加速度計、第二加速度計以及第三加速度計相互正交設置在一起。上述傳感器功能單元還包括用於測量傳感器工作環境的溫度的溫度傳感器。上述加速度計是石英撓性加速度計或矽微機械加速度計。上述九加速度計連續測斜儀還包括通信單元，所述通信單元與控制和數據處理單元電性連接。上述信號調理和數據採集單元包括運算放大器以及AD轉換器；所述運算放大器與AD轉換器電性連接。上述AD轉換器是M位、8通道的AD轉換器。上述控制和數據處理單元是基於DSP為核心的控制和數據處理單元。本實用新型的優點是本實用新型所提供的九加速度計連續測斜儀既可用於裸眼井的測量，也可以用於套管井的測量，即可用於隨鑽測量，也可用於井跡複查等獨立使用的場合。由於本實用新型採用了無陀螺捷聯慣性導航技術，避免了在陀螺測斜儀中陀螺控制電路的設計，使控制電路變得簡單，功耗明顯降低，由於加速度計的漂移比陀螺明顯要低，以及高精度的加速度計的出現，使九加速度計測斜儀能夠滿足井眼軌跡的測量精度要求，其具體優點表現在以下幾個方面1)測量速度快。在陀螺測斜儀中，點測在每個測量點都要使儀器停下來進行測量， 耗時費力，陀螺連續測量儀雖然可以進行連續測量，但由於陀螺的隨機漂移，經過一段時間需要將儀器停下來，進行校準，而本實用新型所提供的九加速度計連續測斜儀不使用陀螺， 並且加速度計的隨機漂移比陀螺的隨機漂移小得多，無需在測試時校準，因此測量時間縮短很多。2)功耗低。在陀螺測斜儀中，由高速旋轉的電機帶動陀螺轉子高速旋轉，不僅容易產生熱量，而且功耗大，而在無陀螺的九加速度計連續測斜儀中不存在此問題，功耗明顯降低。3)結構簡單。在陀螺測斜儀中，通常使用撓性陀螺或光纖陀螺，不僅陀螺結構複雜，而且控制電路複雜，要取得良好的效果，需要陀螺和控制電路很好的配合，另外陀螺的體積比較大，對工作溫度的要求也比較高，在進行結構設計時要考慮多種因素，因此結構比較複雜。在無陀螺的九加速度計連續測斜儀中，由於加速度計的體積比較小，不需要複雜的控制電路，對工作溫度要求不高，因此結構上容易設計，最終的結構也比較簡單。4)可靠性高。在陀螺測斜儀中，陀螺的壽命有時間限制，抗衝擊能力弱，在使用過程中又存在常值漂移，一次通電隨機漂移，逐日漂移等隨機漂移，使電路和算法的設計比較複雜，而在無陀螺的九加速度計連續測斜儀中，加速度計的壽命原則上沒有時間限制，抗衝擊能力也比較強，隨機漂移比陀螺小得多，控制電路和算法也比較簡單，可靠性明顯提高。幻壽命長。在陀螺測斜儀中，陀螺轉子繞定點高速旋轉，將轉子支撐在摩擦力極小的軸承上，由於陀螺在工作中存在磨損，因此陀螺測斜儀的壽命不長，而在無陀螺的九加速度計連續測斜儀中，加速度計的壽命原則上沒有時間限制，壽命比較長，維護簡單。6)應用範圍廣。九加速度計連續測斜儀不受磁場環境的限制，既可以用於裸眼井中，也可以用於套管井中，而且由於其抗衝擊能力比較強，即可以用於隨鑽測量，也可以用於完井後，井眼軌跡測量。

圖1是載體系在地球系中的位置示意圖；圖2是本實用新型所提供的九加速度測斜儀的配置方案示意圖；圖3是九加速度陀螺測斜儀的總體結構示意圖；圖4是本發明所提供的測斜儀的電路實現框具體實施方式
本實用新型的原理是本實用新型採用無陀螺捷聯慣導技術，而無陀螺捷聯慣導系統的加速度計都安裝在載體的非質心處，載體的非質心處的比力方程是研究無陀螺捷聯慣導系統的基礎，具體推導如下參見圖ι中，地球坐標係為0ΛΥΛ，載體坐標係為ObXbYbZb,載體運動角速度為 conb(rad/s)，設載體質心到地心的矢徑為R，載體上任意一點P (非質心處)到其質心處的矢徑為L，則P點到地心的矢徑為R』為R' = R+L在慣性坐標系中，對上式求導得 dR
權利要求1.一種九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述九加速度計連續測斜儀包括傳感器功能單元、信號調理和數據採集單元以及控制和數據處理單元；所述傳感器功能單元通過信號調理和數據採集單元接入控制和數據處理單元；所述傳感器功能單元包括至少三組加速度計組，所述加速度計組同軸設置在一起。
2.根據權利要求1所述的九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述加速度計組同軸平行設置在一起。
3.根據權利要求2所述的九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述加速度計組包括第一加速度計、第二加速度計以及第三加速度計；所述第一加速度計、第二加速度計以及第三加速度計相互正交設置在一起。
4.根據權利要求3所述的九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述傳感器功能單元還包括用於測量傳感器工作環境的溫度的溫度傳感器。
5.根據權利要求4所述的九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述加速度計是石英撓性加速度計或矽微機械加速度計。
6.根據權利要求1或2或3或4或5所述的九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述九加速度計連續測斜儀還包括通信單元，所述通信單元與控制和數據處理單元電性連接。
7.根據權利要求6所述的九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述信號調理和數據採集單元包括運算放大器以及AD轉換器；所述運算放大器與AD轉換器電性連接。
8.根據權利要求7所述的九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述AD轉換器是M 位、8通道的AD轉換器。
9.根據權利要求8所述的九加速度計連續測斜儀，其特徵在於所述控制和數據處理單元是基於DSP為核心的控制和數據處理單元。
專利摘要本實用新型涉及測量油氣井軌跡時所用的一種九加速度計連續測斜儀，包括傳感器功能單元、信號調理和數據採集單元以及控制和數據處理單元；傳感器功能單元通過信號調理和數據採集單元接入控制和數據處理單元；傳感器功能單元包括至少三組加速度計組，加速度計組同軸設置在一起。本實用新型提供了一種成本低、不受現場環境限制、使用壽命長、有較強的抗震性能和抗衝擊性能、結構簡單、可靠性高、反應快速、低功耗的九加速度計連續測斜儀。
文檔編號E21B47/022GK202100251SQ20112020286
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者孫國鼎, 李曉東, 胡國峰, 胡森強 申請人:西安思坦儀器股份有限公司