專利名稱：姿態(tài)測量系統(tǒng)和方法以及油井井眼軌跡測量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性測量領(lǐng)域，并且尤其涉及利用兩軸陀螺連續(xù)測量處于重力場剛性支架姿態(tài)的方法和系統(tǒng)以及連續(xù)測量油井井眼軌跡的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了應(yīng)對世界經(jīng)濟(jì)對石油需求的日益增大，生產(chǎn)測井中對油井井眼軌跡的精確而且高效率的測量愈加重要，這就需要精度高而且測井效率高的儀器。通過測量處于油井井眼中儀器的姿態(tài)就可以得到油井井眼軌跡，儀器的姿態(tài)由三個參量唯一確定傾斜角、方位角和高邊角。如圖I所示，傾斜角是指儀器的中心軸線與當(dāng)?shù)卮怪狈较虻膴A角；方位角是指由儀器頂部指向儀器底部的中心軸向射線與當(dāng)?shù)亟?jīng)線北向在水平面上的順時針轉(zhuǎn)角；高邊角是指從儀器頂部向底部看，儀器外殼的基準(zhǔn)參考線與儀器在當(dāng)?shù)卮怪狈较蛏献罡呔€的順時針夾角。目前在國內(nèi)各個油田中測井井眼軌跡主要有兩種測量方位角的方法一是利用 磁通門傳感器，二是利用陀螺傳感器。前一種方法要求工作環(huán)境中不得有除地磁場外其他磁場或磁性介質(zhì)，所以它的使用范圍被限制在只有地磁場的環(huán)境下。后一種方法沒有對環(huán)境的苛刻要求，所以應(yīng)用范圍比較廣泛，無論裸眼井還是套管井均可以正常工作。在現(xiàn)階段利用第二種方法測井時，一方面是陀螺點測的方法，該方法要求在陀螺測量時必須使其剛性支架(儀器上的剛性支架)處于靜止?fàn)顟B(tài)下，由于在測井操作中要反復(fù)的讓剛性支架停止和運動，因此這種測量方法操作很繁瑣而且耗時，效率很低，而且會隨測量間距的減小，操作量和耗時會成倍增加；另一方面是采用三軸陀螺連續(xù)測量的方法，該方法要求在與剛性支架中心軸垂直的兩個正交方向上和剛性支架中心軸方向上分別設(shè)置一個陀螺傳感器的角速度敏感軸，首先在剛性支架靜止?fàn)顟B(tài)下測量其初始姿態(tài)(包括方位角、傾斜角和高邊角)，然后使剛性支架連續(xù)運動，通過分列于三個軸向上的陀螺傳感器的角速度敏感軸測量三個軸向上的角速度，計算得到剛性支架在任意時刻時相對于初始時刻在三個軸向上改變的角度，從而計算剛性支架在該任意時刻時的姿態(tài)。該方法雖然解決了陀螺點測操作繁瑣而且耗時的問題，但因為必須在剛性支架的中心軸方向上設(shè)置一個陀螺傳感器的角速度敏感軸，而在現(xiàn)有的技術(shù)條件下這就導(dǎo)致三軸陀螺連續(xù)測量儀器的外徑增大，所以它只能用于測量大直徑井眼的油井，而且硬件制造成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
為克服陀螺點測操作繁瑣且耗時的弊端，同時避免三軸陀螺連續(xù)測量外徑大且硬件成本高的不足，本發(fā)明特提供一種利用兩軸陀螺連續(xù)測量處于重力場剛性支架的姿態(tài)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括陀螺傳感器，該陀螺傳感器與所述剛性支架剛性連接且陀螺傳感器的兩個角速度敏感軸與所述剛性支架中心軸正交，用于測量陀螺傳感器的兩個角速度敏感軸方向上的角速度；加速度計，與所述剛性支架剛性連接，用于測量剛性支架的傾斜角和高邊角；計算單元，用于根據(jù)剛性支架在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度，計算剛性支架在任意時刻的方位角，之后結(jié)合加速度計所測量的剛性支架在該任意時刻的傾斜角和高邊角，確定剛性支架在該任意時刻的姿態(tài)。本發(fā)明另提供一種利用兩軸陀螺傳感器連續(xù)測量姿態(tài)的方法，該方法包括確定剛性支架在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角；將陀螺傳感器與所述剛性支架剛性連接且陀螺傳感器的兩個角速度敏感軸與所述剛性支架中心軸正交，測量陀螺傳感器的兩個角速度敏感軸方向上的角速度；測量剛性支架在任意時刻的傾斜角和高邊角；根據(jù)剛性支架初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度，計算剛性支架在任意時刻的方位角；以及結(jié)合剛性支架在所述任意時刻的傾斜角、高邊角和方位角，確定剛性支架在所述任意時刻的姿態(tài)。相對應(yīng)的，將本發(fā)明應(yīng)用于石油測井中得到了一種利用兩軸陀螺傳感器連續(xù)測井、測井效率高的測量油井井眼軌跡的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明提供的連續(xù)測量油井井眼軌跡的系統(tǒng)包括剛性支架，該剛性支架沿著油 井井眼軌跡運動；陀螺傳感器，與所述剛性支架剛性連接且陀螺傳感器的兩個角速度敏感軸與所述剛性支架中心軸正交，用于測量陀螺傳感器的兩個角速度敏感軸方向上的角速度；加速度計，與所述剛性支架剛性連接，測量處于重力場的剛性支架的傾斜角和高邊角；深度測量單元，用于測量所述剛性支架不同時刻所處于的深度；計算單元，用于根據(jù)剛性支架在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度，計算剛性支架在任意時刻的方位角，之后結(jié)合加速度計所測量的剛性支架在該任意時刻的傾斜角和高邊角，確定剛性支架在該任意時刻的姿態(tài)；重復(fù)上述確定過程，確定剛性支架在多個連續(xù)時刻的姿態(tài)，結(jié)合所述深度測量單元所測量的剛性支架在所述多個連續(xù)時刻的深度，確定井眼軌跡。本發(fā)明提供了一種連續(xù)測量油井井眼軌跡的方法，該方法包括以下步驟步驟SI :將剛性支架下放到待測井的目標(biāo)深度位置；步驟S2 :在靜止?fàn)顟B(tài)下，測量剛性支架在初始時刻h的傾斜角、高邊角和方位角；步驟S3 :使剛性支架沿油井井眼軌跡連續(xù)運動；步驟S4 :根據(jù)上述利用兩軸陀螺傳感器連續(xù)測量姿態(tài)的方法，確定剛性支架在任意時刻的姿態(tài)；步驟S5 :測量剛性支架在所述任意時刻所處的深度；以及步驟S6 :重復(fù)步驟S3-S5，得到剛性支架在多個連續(xù)時刻的姿態(tài)及所對應(yīng)的深度，以確定油井的井眼軌跡。本發(fā)明的利用兩軸陀螺連續(xù)測量處于重力場的剛性支架的姿態(tài)，采用兩軸陀螺與加速度計結(jié)合的方法，使陀螺傳感器的兩個角速度敏感軸與所述剛性支架中心軸正交，首先使剛性支架靜止，以測量剛性支架的初始傾斜角、高邊角和方位角；然后使剛性支架連續(xù)運動，利用陀螺傳感器測量得到的兩個角速度敏感軸方向上的角速度結(jié)合任意時刻的高邊角以及所計算的初始傾斜角、高邊角和方位角，便可以通過計算得到任意時刻的剛性支架的方位角，之后結(jié)合加速度計所測量的該任意時刻的傾斜角和高邊角，確定剛性支架在該任意時刻的姿態(tài)。本發(fā)明既克服了陀螺點測操作繁瑣且耗時的弊端，又避免三軸陀螺連續(xù)測量外徑大且硬件成本高的不足，可以在剛性支架運動過程中實現(xiàn)油井軌跡的連續(xù)測量，縮短了測井時間，提高了測井效率，降低了硬件制造成本。


圖I示出了確定剛性支架姿態(tài)的三個參量的示意圖；圖2是本發(fā)明的兩軸陀螺連續(xù)測量姿態(tài)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是陀螺傳感器與剛性支架之間的安裝關(guān)系示意圖；圖4a和圖4b分別示出了陀螺坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系；圖5示出了剛性支架任意姿態(tài)時地面坐標(biāo)系與陀螺坐標(biāo)系的空間關(guān)系；圖6示出了剛性支架在初始時刻和任意時刻在陀螺坐標(biāo)系中的位置；圖7為本發(fā)明的兩軸陀螺連續(xù)測量姿態(tài)的方法的流程圖；圖8是本發(fā)明的連續(xù)測量油井井眼軌跡的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；以及
圖9為本發(fā)明的連續(xù)測量油井井眼軌跡的方法的流程圖。
具體實施例方式下面參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。如圖2所示，本發(fā)明提供了一種利用兩軸陀螺連續(xù)測量處于重力場剛性支架100的姿態(tài)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括陀螺傳感器200，該陀螺傳感器200與所述剛性支架100剛性連接且陀螺傳感器200的兩個角速度敏感軸與所述剛性支架100中心軸正交(請參見圖3)，用于測量陀螺傳感器200的兩個角速度敏感軸方向上的角速度；加速度計300，與所述剛性支架100剛性連接，用于測量剛性支架100的傾斜角和高邊角；計算單元500，用于根據(jù)剛性支架100在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器200所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度，計算剛性支架100在任意時刻的方位角，之后結(jié)合加速度計300所測量的剛性支架100在該任意時刻的傾斜角和高邊角，確定剛性支架100在該任意時刻的姿態(tài)。其中，所述根據(jù)剛性支架100在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器200所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度計算剛性支架100在任意時刻的方位角包括(I)通過以下關(guān)系式來計算t時刻時陀螺傳感器200在陀螺坐標(biāo)系的X軸和Y軸方向上相對于h時刻改變的角度，
^ ⑴=fx(kx,cox(t)Jx(t0))<!
{￠^)= fy(ky,cuy(t)jy(t0))其中，cj5x(t)和(ty(t)分別為剛性支架IOOt時刻時在陀螺坐標(biāo)系的X軸和Y軸方向上相對于h時刻改變的角度；kx和ky為陀螺傳感器200角速度刻度因子；《x(t)和 y(t)分別是陀螺傳感器200所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度，是時間t的函數(shù)；^x(tQ)和(j5y(tQ)分別是剛性支架IOOtci時刻時在陀螺坐標(biāo)系的X軸和Y軸方向上轉(zhuǎn)過的角度；以及(2)根據(jù)所改變的角度、任意時刻的高邊角以及剛性支架100在h時刻的傾斜角、高邊角和方位角，計算剛性支架100在t時刻的方位角。以下介紹兩軸陀螺連續(xù)測量剛性支架姿態(tài)的方法。為便于表述，先建立以下兩個直角坐標(biāo)系第一坐標(biāo)系陀螺坐標(biāo)系，如圖4a所示，取剛性支架100的中心軸與頂部的交點0為坐標(biāo)原點，X軸為從O指向剛性支架100外殼的基準(zhǔn)參考線，Z軸是剛性支架100的中心軸，方向為從所述剛性支架的頂部指向底部，Y軸是和X、Z軸符合右手定則的軸，該坐標(biāo)系與剛性支架100固連；第二坐標(biāo)系地面坐標(biāo)系，如圖4b所示，該坐標(biāo)系的原點取儀器所在地Oi, Zi軸沿當(dāng)?shù)卮咕€指向地心，Xi軸為從Oi沿當(dāng)?shù)亟?jīng)線的切線指向北方,Yi軸為從Oi延當(dāng)?shù)鼐暰€的切線指向東方。首先利用陀螺點測的方法，可以得到剛性支架初始時刻h的姿態(tài)傾斜角0、方位角爐和高邊角S，由圖5可以得到剛性支架IOOtci時刻在陀螺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是
權(quán)利要求
1.一種利用兩軸陀螺連續(xù)測量處于重力場剛性支架(100)的姿態(tài)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 陀螺傳感器(200)，該陀螺傳感器(200)與所述剛性支架(100)剛性連接且陀螺傳感器(200)的兩個角速度敏感軸與所述剛性支架(100)中心軸正交，用于測量陀螺傳感器(200)的兩個角速度敏感軸方向上的角速度； 加速度計(300)，與所述剛性支架(100)剛性連接，用于測量剛性支架(100)的傾斜角和聞邊角； 計算單元(500)，用于根據(jù)剛性支架(100)在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器(200)所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度，計算剛性支架(100)在任意時刻的方位角，之后結(jié)合加速度計(300)所測量的剛性支架(100)在該任意時刻的傾斜角和高邊角，確定剛性支架(100)在該任意時刻的姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述根據(jù)剛性支架(100)在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器(200)所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度計算剛性支架(100)在任意時刻的方位角包括 通過以下關(guān)系式來計算t時刻時陀螺傳感器(200)在陀螺坐標(biāo)系的X軸和Y軸方向上相對于h時刻改變的角度，
3.一種利用兩軸陀螺連續(xù)測量處于重力場剛性支架(100)的姿態(tài)的方法，該方法包括 確定剛性支架(100)在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角； 將陀螺傳感器(200)與所述剛性支架(100)剛性連接且陀螺傳感器(200)的兩個角速度敏感軸與所述剛性支架(100)中心軸正交，測量陀螺傳感器(200)的兩個角速度敏感軸方向上的角速度； 測量剛性支架(100)在任意時刻的傾斜角和高邊角； 根據(jù)剛性支架(100)初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)兩個角速度敏感軸方向上的角速度，計算剛性支架(100)在任意時刻的方位角；以及 結(jié)合剛性支架(100)在所述任意時刻的傾斜角、高邊角和方位角，確定剛性支架(100)在所述任意時刻的姿態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述根據(jù)剛性支架(100)初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)兩個角速度敏感軸方向上的角速度計算剛性支架(100)在任意時刻姿態(tài)的方位角包括 通過以下關(guān)系式來計算剛性支架(100) t時刻時在陀螺坐標(biāo)系的X軸和Y軸方向上相對于h時刻改變的角度，
5.一種連續(xù)測量油井井眼軌跡的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 剛性支架(100)，該剛性支架(100)沿著油井井眼軌跡運動； 陀螺傳感器(200)，與所述剛性支架(100)剛性連接且陀螺傳感器(200)的兩個角速度敏感軸與所述剛性支架(100)中心軸正交，用于測量陀螺傳感器(200)的兩個角速度敏感軸方向上的角速度； 加速度計(300)，與所述剛性支架(100)剛性連接，測量處于重力場的剛性支架(100)的傾斜角和高邊角； 深度測量單元(400)，用于測量所述剛性支架(100)不同時刻所處于的深度；以及 計算單元(500)，用于根據(jù)剛性支架(100)在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器(200)所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度，計算剛性支架(100)在任意時刻的方位角，之后結(jié)合加速度計(300)所測量的剛性支架(100)在該任意時刻的傾斜角和高邊角，確定剛性支架(100)在該任意時刻的姿態(tài)；重復(fù)上述確定過程，確定剛性支架(100)在多個連續(xù)時刻的姿態(tài)，結(jié)合所述深度測量單元(400)所測量的剛性支架(100)在所述多個連續(xù)時刻的深度，確定井眼軌跡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述根據(jù)剛性支架(100)在初始時刻的傾斜角、高邊角和方位角、任意時刻的高邊角以及從初始時刻到任意時刻的時間段內(nèi)陀螺傳感器(200)所測得的兩個角速度敏感軸方向上的角速度計算剛性支架(100)在任意時刻的方位角包括 通過以下關(guān)系式來計算t時刻時剛性支架(100)在陀螺坐標(biāo)系的X軸和Y軸方向上相對于h時刻改變的角度，
7.—種連續(xù)測量油井井眼軌跡的方法，該方法包括以下步驟 步驟SI :將剛性支架(100)下放到待測井的目標(biāo)深度位置； 步驟S2 :在靜止?fàn)顟B(tài)下，測量剛性支架(100)在初始時刻&的傾斜角、高邊角和方位角； 步驟S3 :使剛性支架(100)沿油井井眼軌跡連續(xù)運動； 步驟S4 :根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，確定剛性支架(100)在任意時刻的姿態(tài)；步驟S5 :測量剛性支架(100)在所述任意時刻所處的深度；以及步驟S6 :重復(fù)步驟S3-S5，得到剛性支架(100)在多個連續(xù)時刻的姿態(tài)及所對應(yīng)的深度，以確定油井的井眼軌跡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用兩軸陀螺連續(xù)測量處于重力場剛性支架(100)的姿態(tài)的方法和系統(tǒng)以及連續(xù)測量油井井眼軌跡的系統(tǒng)和方法，所述兩軸陀螺連續(xù)測量姿態(tài)的系統(tǒng)包括陀螺傳感器(200)、加速度計(300)以及計算單元(500)。本發(fā)明既克服了陀螺點測操作繁瑣且耗時的弊端，又避免三軸陀螺連續(xù)測量外徑大且硬件成本高的不足，可以在剛性支架(100)運動過程中實現(xiàn)油井軌跡的連續(xù)測量，縮短了測井時間，提高了測井效率，降低了硬件制造成本。
文檔編號E21B47/022GK102748010SQ20111009604
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者李代甫 申請人:北京紫貝龍科技有限責(zé)任公司