隨鑽測量系統的製作方法
2023-05-01 16:15:06
專利名稱：隨鑽測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及地下方位隨鑽測量技術領域。
背景技術：
定向鑽井技術中需實時獲取鑽具當前的姿態信息，這些信息包括方位角、傾斜角和工具面角，其中方位角是鑽具軸線在水平面內的投影與磁北方向之間的夾角，它反映了水平面內鑽具運動的方向，傾斜角為鑽具軸線與水平面之間的夾角，它反映的是鑽具前進方向相對水平面的傾斜程度，工具面角是在與鑽具軸線垂直的平面內，鑽具的斜面法線方向與參考方向間的夾角，反映的是鑽具下一步鑽進的造斜方向。
現有技術中通常採用三個安裝方向相互垂直的加速度計以及三個相互垂直的磁強計來實現上述姿態信息的測量，其中加速度計用以測量重力場的分量，而磁強計用於測量地磁場的分量，通過相對重力場和地石茲場方向解算上述的各姿態角度。這種測量方式容易受到外界電、磁場幹擾，影響測量精度，在實際鑽井工作中，為增強鑽具強度，常採用磁性材料製作鑽具，為保證測量精度，需要將靠近隨鑽測量裝置部分的材料改為無磁性的高強度材料，其成本高昂。
現有技術中，還有採用三個陀螺與三個加速度計來進行姿態信息測量的隨鑽測量裝置，其中的陀螺採用動調式機械陀螺，但其抗沖擊振動能力差，無法滿足隨鑽測量的要求。
發明內容
有鑑於此，為了解決上述問題，本發明提供一種隨鑽測量裝置，通過採用固態振動型角速率傳感器作為核心測量器件，有效減小隨鑽測量裝置體積，抗衝擊振動，能夠適應隨鑽測量環境，並且不受外界電、磁場幹擾。
本發明的目的是這樣實現的，隨鑽測量系統，包括探管，所述探管內有測
量倉，所述測量倉內設置有三軸加速度傳感器、兩軸角速率傳感器及處理電路；所述三軸加速度傳感器用以測量三個方向的重力加速度並輸出到處理電路；所述兩軸角速率傳感器為固態振動角速率傳感器，用以測量兩個方向的運動角速率並輸出到外圍處理電路；所述處理電路接收三軸加速度傳感器和兩軸角速率傳感器輸出的測量結果，運算獲得探管在井下各個測量點的姿態信息。
進一步，所述固態振動角速率傳感器包括敏感體和傳感器電路，所述敏感體包括振梁和設置于振梁表面的換能器，所述換能器與傳感器電路電連接，所述傳感器電路將換能器輸出振梁的振動信號輸出到處理電路；
進一步，所述振梁為長方體，所述振梁的4個側表面分別設置有換能器，傳感器電路包括驅動電路、調製電路和阻尼電路。所述驅動電路與振梁反饋面的換能器連接，提供使梁在振動軸振動的驅動電壓，所述調製電路與振梁讀出面的換能器連接，完成驅動信號的加載和角速率信號的解調,所述阻尼電路與振梁阻尼面的換能器連接，將調幅電壓加到振梁上，從而提高阻尼率。
進一步，所述振梁的基波振動的波節處與測量倉內壁固定連接，振梁沿長度方向的兩端呈自由懸臂；
進一步，所述振梁的長度方向與探管的軸向傾斜；
進一步，所述振梁的長度方向與探管的軸向成45度角；
進一步，固態振動角速率傳感器的隨機遊走為0.077Vh,短期零位漂移為0細。/s，刻度因子為3500mv/ 7s,輸出噪聲為lsigma範圍內12加r，測量帶寬為0至6Hz;
進一步，所述探管由設置有加強筋的金屬合金材料製成。本發明通過採用角速率傳感器作為核心測量器件，有效減小隨鑽測量裝置體積，抗衝擊振動，能夠適應隨鑽測量環境，並且不受外界電、磁場幹擾。在進一步的技術方案中，角速率傳感器採用固態振動角速率傳感器，體積小、可靠性高、抗衝擊、抗振動、線性度好、壽命長和成本低的優點，甚至初態無需
精確調至水平，只需在同一平面轉動；抗幹擾能力強，有效地減小了包括角速率傳感器的常值漂移、隨機噪聲在內的誤差源幹擾，這些誤差源對目前的其它方位測量系統來說是固有的和主要的。
本發明的其他優點、目標，和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述
圖1為本發明的結構組成原理圖2為固態振動角速率傳感器中敏感體的橫截面圖3為傳感器電路和信號處理原理框圖4為本發明的隨鑽測量系統進行井下尋方位算法的原理示意圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。如圖l所示，隨鑽測量系統，包括探管l，所述探管內l有測量倉2，所述測量倉2內設置有三軸加速度傳感器、兩軸角速率傳感器4及處理電路5;所述三軸加速度傳感器3包括三個互相垂直設置的加速度傳感器沿探管1軸向設置的X軸加速度計31 、沿探管1徑向設置的Y軸加速器32、沿探管1徑向設置，並與X軸加速度計31、 Y軸加速器32垂直的Z軸加速器33,用以測量三個方向的重力加速度並輸出到處理電路5;所述兩軸角速率傳感器4包括兩個角速率傳感器，用以測量兩個方向的運動角速率並輸出到處理電路5;所述處理電路5接收三軸加速度傳感器和兩軸角速率傳感器4輸出的測量結果，運算獲得探管1的行進狀態，所述處理電路5由24位並行接口模數轉換器^D7656(最高採樣頻率250A7/z) , 32位浮點運算精度數位訊號處理器TMS320F2812及其相關的電源管理和數據通訊模塊組成，數據採集的觸發信號可由增量式圓光柵碼盤的位置方波(單路正弦或餘弦方波)上升沿控制，這樣可以保證調平加速度傳感器與角速率傳感器輸出信號相位的同 一性，同時可以提高所採集數據相位的位置精度；
所述探管1由設置有加強筋的金屬合金材料製成，所述測量倉內填充矽橡膠或其它吸波材料，並進行固化封裝，因此本實施的隨鑽測量系統對外連接不需減振器，且能滿足惡劣的力學環境要求。
角速率傳感器4採用固態振動角速率傳感器，所述固態振動角速率傳感器包括敏感體和傳感器電路，參見圖2，所述敏感體包括合金的振梁41和設置于振梁41表面的壓電換能器42，所述壓電換能器42與傳感器電路電連接，將振梁41的震動轉換為電信號輸出到傳感器電路，傳感器電路將所述電信號處理後輸出到處理電路；
本實施例的振梁41為長方體，所述振梁41的4個側表面分別設置有換能器42,振梁41由鎳鉻鈦合金(Ni-sPan-c)製成，換能器42由壓電陶瓷製成，參見圖3，振梁41的4個側表面分別作為相對的驅動面、反饋面，以及相對的讀出面、阻尼面，以便消除相位耦合。這樣，輸出平面運動的相位漂移可低於規定的最小值(r);驅動振梁的力由驅動面的壓電換能器的反壓電效應所產生，讀出面的壓電換能器的壓電效應用來來敏感哥氏力，反饋面的壓電換能器的壓電效應使驅動電路保持梁的振幅恆定，並在基波諧振頻率振動，阻尼面的壓電換能器連接到傳感器電路中的阻尼電路，保持讀出換能器輸出動態特性良好。驅動面的壓電換能器加上電壓後，由於反壓電效應，使振梁的外表受到力的作用，作用力使節點或固定點之間的振梁表層收縮或擴張，產生沿振動軸的驅動運動。作用力還產生一個繞振梁節點的有效轉矩，使振梁在其基波頻率彎曲。如果外加電壓的頻率為振梁的固有基波頻率，則產生諧^t展。若輸入角速率通過固定點加到振梁的縱軸，則由于振梁在振動軸的速度產生哥氏力而引起振梁沿輸出軸振動。振動使讀出壓電換能器彎曲。由於壓電效應，讀出面的壓電換能器產生一個振幅正比於輸入角速率的交流輸出電壓。
所述振梁41的基波振動的波節處的與測量倉2內壁固定連接，振梁41沿長度方向的兩端自由；本實施例的振梁41尺寸為2.24X2.24X36.80mm，振梁的振動頻率和節點位置計算採用ANSYS公司開發的有限元通用軟體實現，即在有限元分析的過程中考慮兩種或多種工程學科(物理場)的交叉作用和相互影響(耦合)，對本發明中的振梁就是進行電-結構耦合場分析，其分析方法採用直接耦合法。分析軟體為MSC.Patran 2004 r2 + MSCNastran 2004。模型為壓電片和懸臂梁，主體採用固定連接，不考慮粘貼材料。梁主體和壓電材料網格劃分均為六面體。懸臂梁主體的材料屬性為鋼鐵屬性，壓電材料為PZT屬性，材料各向同性。計算結果顯示一階彎曲模態頻率為7779.7Hz，振動最小位置為距離左右端點10.1mm處，即波節為2個，分別位於距振梁兩端10.10mm處。
角速率傳感器4的敏感體和傳感器電路可分拆安裝在測量艙2的狹窄空間內，相關的性能參數如下隨機遊走"A『)0.077々h，短期零位漂移0.0017s，刻度因子3500mv/。/s,輸出噪聲在lsigma範圍內為12wK,測量帶寬0至6Hz。傳感單元尺寸為長39mm，寬14mm,高6mm,驅動與讀出電路長20mm，寬18mm。加速度傳感器3為採用MEMS技術加工的傳感器件，量程為lg。慣性測量艙形狀為圓柱形，能容納儀表的有效內直徑僅為26mm，本發明採用的角速率傳感器4通過分拆組裝，振梁的長度方向與探管的軸向成45度角的傾斜設置，從而在不明顯減小測量精度條件滿足了小井徑MFD要求。
本實施例的探管l採用薄壁加筋的金屬合金結構，角速率傳感器的敏感體採用局部矽橡膠加固，測量硬體系統全部用矽橡膠填充，並進行固化封裝，因此整個慣性測量系統對外連接不需減振器，且能滿足惡劣的力學環境要求。
所述傳感器電路可採用現有的電路，也可採用如圖3所示的電路，參見圖3,所述傳感器電路包括驅動電路、調 電路和阻尼電路。所述驅動電路提供使梁在振動軸振動的驅動電壓，包括驅動放大器43、阻抗變換器44,所述驅動放大器43的輸出端與阻抗變換器44的輸入端連接，所述阻抗變換器44的輸出端通過壓電片接觸電極與振梁驅動面的換能器連接，所述驅動放大器43用於壓電振動片的驅動控制，阻抗變換器44用於將產生的交流驅動信號進行阻抗變換，以適應驅動壓電振動片的需要；
所述調製電路完成驅動信號的加載和角速率信號的解調，包括阻抗變換器45和讀出放大器46,所述阻抗變換器45的輸入端通過壓電振動電極與振梁讀出面的換能器連接，阻抗變換器45的輸出端與讀出放大器46的輸入端連接，阻抗變換器45用於將感應的交流振動信號進行阻抗變換，以適應讀出放大器的信號調理，讀出放大器46用於將獲得的信號進行功率放大；
所述阻尼電路用於將調幅電壓加到振梁上，從而提高阻尼率，包括阻尼放大器47和阻尼濾波器48，阻尼放大器47的輸入端通過壓電振動電極與阻尼面的換能器連接，阻尼放大器47將交流驅動信號進行阻抗變換，以適應阻尼濾波的需要，阻尼濾波器48對阻尼信號進行濾波處理。
反饋面的換能器通過阻抗變換器54與濾波器和解調參考模塊55連接，輸出反饋電壓。
半波峰值檢波器50、斬波調製器51和調製放大器52組成的電路用於輸出一個驅動電壓，輸入角速率的方向可由斬波解調器51的極性指示。
如圖4所示，本發明的測量算法如下選取地理坐標系(北西天)m和探管坐標系平兩個坐標系，設最初兩坐標系各相應的軸《皮此重合，則方位角、傾斜角和工具面角分別對應於坐標系的相位旋轉
首先ATZ系繞Z軸負方向旋轉角度Z ,此即方位角,得到A"," 系；然後
系繞y,軸負方向旋轉角度/,此即傾斜角，得到^"系；最後Ay^系繞^的負方向^:轉角度r，此即工具面角；
根據上述規定的各坐標系之間的相對轉角關係可以得5 lj地理坐標系與
探管坐標系之間的方位角餘弦矩陣c,"，使得有如下關係成立(1)
地球自轉角速度與重力加速度在地理坐標系中的分量為已知，根據(1)
式得到
化
=C,。
。/—0
。，0
g
(2)
因而可以得到地球自轉角速度A和重力加速度s在探管坐標系中的各個
分量:
& = g cos r sin / =gsinTsin/
6^ = (cos ^ cos T cos / - sin J sin+ cos T cos 了
<yy = eW (cos爿sin T cos / - sin爿cos T) + weK sin T sin /
6;z = — eW cos爿sin r + weK cos /
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
其中，= ^c。sp為地球自轉角速度的水平分量，= ^sinp為地球自轉角速度的垂直分量，P為當地綿度，
由(3) - (8)式我們可以求出方位角^、工具面角/和傾斜角r:
/ = sin_1Va (9)
(10)
OAgwe)/sin /
A，a》分別由沿x,y軸敏感的加速度計測量獲得，A,^分別由沿x，y軸敏
感的固態振動角速率傳感器測量獲得。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，顯然，本
阮離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.隨鑽測量系統，其特徵在於包括探管，所述探管內有測量倉，所述測量倉內設置有三軸加速度傳感器、兩軸角速率傳感器及處理電路；所述三軸加速度傳感器用以測量三個方向的重力加速度並輸出到處理電路；所述兩軸角速率傳感器為固態振動角速率傳感器，用以測量兩個方向的運動角速率並輸出到處理電路；所述處理電路接收三軸加速度傳感器和兩軸角速率傳感器輸出的測量結果，運算獲得探管的行進狀態。
2. 如權利要求1所述的隨鑽測量系統，其特徵在於所述固態振動角速率 傳感器包括敏感體和傳感器電路，所述敏感體包括振梁和設置于振梁表面的換 能器，所述換能器與傳感器電路電連接，所述傳感器電路將換能器輸出振梁的 振動信號輸出到處理電路。
3. 如權利要求2所述的隨鑽測量系統，其特徵在於所述振梁為長方體， 所述振梁的4個側表面分別設置有換能器，傳感器電路包括驅動電路、調製電 路和阻尼電路。所述驅動電路與振梁反饋面的換能器連接，提供使梁在振動軸 振動的驅動電壓，所述調製電路與振梁讀出面的換能器連接，完成驅動信號的 加載和角速率信號的解調,所述阻尼電路與振梁阻尼面的換能器連接，將調幅電 壓加到振梁上，從而提高阻尼率。
4. 如權利要求2所述的隨鑽測量系統，其特徵在於所述振梁的基波振動 的波節處與測量倉內壁固定連接，振梁沿長度方向的兩端呈自由懸臂。
5. 如權利要求4所述的隨鑽測量系統，其特徵在於所述振梁的長度方向 與探管的軸向傾斜。
6. 如權利要求2所述的隨鑽測量系統，其特徵在於所述振梁的長度方向 與探管的軸向成45度角。
7. 如權利要求2所述的隨鑽測量系統，其特徵在於固態振動角速率傳感 器的隨機遊走為0.07。A/h,短期零位漂移為0.001。/s，刻度因子為3500mv/。/s，輸出噪聲為lsigma範圍內12/n 測量帶寬為0至6Hz。
8. 如權利要求1所述的隨鑽測量系統，其特徵在於所述測量倉內填充吸 波材料。
9. 如權利要求1至8中任一項所述的隨鑽測量系統，其特徵在於所述探 管由設置有加強筋的金屬合金材料製成。
全文摘要
本發明涉及地下方位隨鑽測量技術領域，通過採用固態振動角速率傳感器作為核心測量器件，有效減小隨鑽測量裝置體積，抗衝擊振動，能夠適應隨鑽測量環境，並且不受外界電、磁場幹擾；本發明的目的是這樣實現的，隨鑽測量系統，包括探管，所述探管內有測量倉，所述測量倉內設置有三軸加速度傳感器、兩軸角速率傳感器及處理電路；所述三軸加速度傳感器用以測量三個方向的重力加速度並輸出到處理電路；所述兩軸角速率傳感器用以測量兩個方向的運動角速率並輸出到外圍處理電路，其敏感軸採用懸臂振梁結合節點支撐傳感方案；所述處理電路接收三軸加速度傳感器和兩軸角速率傳感器輸出的測量結果，運算獲得探管在鑽進過程中各測量點的姿態信息。
文檔編號E21B47/12GK101581221SQ20091010414
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者俊 劉, 宇 劉, 劉嘉敏, 曾燎燎, 潘英俊, 程國徽, 路永樂, 黎蕾蕾 申請人:重慶郵電大學