專利名稱：一種九加速度計連續(xù)測斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于石油、天然氣等礦業(yè)勘探領(lǐng)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(xù)測斜儀。
背景技術(shù)：
在鉆井、開窗側(cè)鉆和打水平井的過程中，需要了解井眼軌跡，確保鉆井工程的質(zhì)量滿足設(shè)計要求，測斜儀器正是基于此種目的而出現(xiàn)。國內(nèi)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。它們采用不同的測斜原理，使用的范圍也不同，具體介紹如下磁通門測斜儀通常采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，采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，由于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，并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，抗震性能和抗沖擊性能比較強，可以用于隨鉆測量。但磁通門測斜儀易受周圍磁場的影響，要求調(diào)試環(huán)境在3米內(nèi)無鐵磁物質(zhì)，10米內(nèi)無強磁場存在，只能用于裸眼井的測量，應用范圍受到一定的限制。陀螺測斜儀分為點測陀螺測斜儀和連續(xù)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(jié)點上停留幾分鐘，測量該節(jié)點的傾斜角、 工具面角和方位角，然后將所有節(jié)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采用一個二自由度陀螺測量地球自轉(zhuǎn)角速度矢量在儀器平面的兩個軸向的投影角速度分量，采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，由于每個地理坐標的地球自轉(zhuǎn)角速度矢量和重力加速度矢量已知，通過坐標變換，并利用五個測量值和油井當?shù)鼐暥燃纯捎嬎愠鲇途诿總€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(huán)境的限制，既可以測試裸眼井，還可以測試套管井，但其抗震性能和抗沖擊性能比較弱，不適合隨鉆測量，由于采用分段測量，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(xù)陀螺測斜儀無需將井深分段，可以對油氣井進行連續(xù)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(xù)陀螺測斜儀通常采用兩個二自由度動調(diào)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，采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，在測量開始前先要采用尋北算法進行尋北。完成尋北后就可以進行測量，通常采用四元數(shù)捷聯(lián)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(xù)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(huán)境的限制，既可以測試裸眼井，也可以測試套管井，但其結(jié)構(gòu)復雜，抗震性能和抗沖擊性能比較弱，不適合隨鉆測量。由于采用尋北算法和陀螺捷聯(lián)導航算法，數(shù)據(jù)處理比較復雜。[0006]目前裸眼井的測量通常采用磁通門測斜儀，套管井主要采用陀螺測斜儀，但磁通門測斜儀受磁場環(huán)境的影響，應用領(lǐng)域有一定的限制，陀螺測斜儀受陀螺技術(shù)的限制，抗震性能和抗沖擊性能較弱，成本高，壽命有限，體積大，操作復雜，測量效率較低。隨著國內(nèi)外無陀螺捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)研究的深入，將其應用于測井技術(shù)領(lǐng)域已成為可能，采用加速度計傳感器的無陀螺測斜儀器的出現(xiàn)成為發(fā)展的必然。

實用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種成本低、不受現(xiàn)場環(huán)境限制、使用壽命長、有較強的抗震性能和抗沖擊性能、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、反應快速、低功耗的九加速度計連續(xù)測斜儀。本實用新型的技術(shù)解決方案是本實用新型提供了一種九加速度計連續(xù)測斜儀， 其特殊之處在于所述九加速度計連續(xù)測斜儀包括傳感器單元、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集單元以及控制和數(shù)據(jù)處理單元；所述傳感器單元輸出信號通過信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集單元后送給控制和數(shù)據(jù)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(shè)
置在一起。上述加速度計組同軸平行設(shè)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(shè)置在一起。上述傳感器功能單元還包括用于測量傳感器工作環(huán)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硅微機械加速度計。上述九加速度計連續(xù)測斜儀還包括通信單元，所述通信單元與控制和數(shù)據(jù)處理單元電性連接。上述信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集單元包括運算放大器以及AD轉(zhuǎn)換器；所述運算放大器與AD轉(zhuǎn)換器電性連接。上述AD轉(zhuǎn)換器是M位、8通道的AD轉(zhuǎn)換器。上述控制和數(shù)據(jù)處理單元是基于DSP為核心的控制和數(shù)據(jù)處理單元。本實用新型的優(yōu)點是本實用新型所提供的九加速度計連續(xù)測斜儀既可用于裸眼井的測量，也可以用于套管井的測量，即可用于隨鉆測量，也可用于井跡復查等獨立使用的場合。由于本實用新型采用了無陀螺捷聯(lián)慣性導航技術(shù)，避免了在陀螺測斜儀中陀螺控制電路的設(shè)計，使控制電路變得簡單，功耗明顯降低，由于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(xiàn)，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(yōu)點表現(xiàn)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(xù)測量儀雖然可以進行連續(xù)測量，但由于陀螺的隨機漂移，經(jīng)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(xù)測斜儀不使用陀螺， 并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(zhuǎn)的電機帶動陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，不僅容易產(chǎn)生熱量，而且功耗大，而在無陀螺的九加速度計連續(xù)測斜儀中不存在此問題，功耗明顯降低。3)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復雜，而且控制電路復雜，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(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮多種因素，因此結(jié)構(gòu)比較復雜。在無陀螺的九加速度計連續(xù)測斜儀中，由于加速度計的體積比較小，不需要復雜的控制電路，對工作溫度要求不高，因此結(jié)構(gòu)上容易設(shè)計，最終的結(jié)構(gòu)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，抗沖擊能力弱，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(shè)計比較復雜，而在無陀螺的九加速度計連續(xù)測斜儀中，加速度計的壽命原則上沒有時間限制，抗沖擊能力也比較強，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?；脡勖L。在陀螺測斜儀中，陀螺轉(zhuǎn)子繞定點高速旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)子支撐在摩擦力極小的軸承上，由于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(xù)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)應用范圍廣。九加速度計連續(xù)測斜儀不受磁場環(huán)境的限制，既可以用于裸眼井中，也可以用于套管井中，而且由于其抗沖擊能力比較強，即可以用于隨鉆測量，也可以用于完井后，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(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明所提供的測斜儀的電路實現(xiàn)框具體實施方式
本實用新型的原理是本實用新型采用無陀螺捷聯(lián)慣導技術(shù)，而無陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的加速度計都安裝在載體的非質(zhì)心處，載體的非質(zhì)心處的比力方程是研究無陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的基礎(chǔ)，具體推導如下參見圖ι中，地球坐標系為0ΛΥΛ，載體坐標系為ObXbYbZb,載體運動角速度為 conb(rad/s)，設(shè)載體質(zhì)心到地心的矢徑為R，載體上任意一點P (非質(zhì)心處)到其質(zhì)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(quán)利要求1.一種九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于所述九加速度計連續(xù)測斜儀包括傳感器功能單元、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集單元以及控制和數(shù)據(jù)處理單元；所述傳感器功能單元通過信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集單元接入控制和數(shù)據(jù)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(shè)置在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于所述加速度計組同軸平行設(shè)置在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于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(shè)置在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于所述傳感器功能單元還包括用于測量傳感器工作環(huán)境的溫度的溫度傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于所述加速度計是石英撓性加速度計或硅微機械加速度計。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于所述九加速度計連續(xù)測斜儀還包括通信單元，所述通信單元與控制和數(shù)據(jù)處理單元電性連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于所述信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集單元包括運算放大器以及AD轉(zhuǎn)換器；所述運算放大器與AD轉(zhuǎn)換器電性連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于所述AD轉(zhuǎn)換器是M 位、8通道的AD轉(zhuǎn)換器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的九加速度計連續(xù)測斜儀，其特征在于所述控制和數(shù)據(jù)處理單元是基于DSP為核心的控制和數(shù)據(jù)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(xù)測斜儀，包括傳感器功能單元、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集單元以及控制和數(shù)據(jù)處理單元；傳感器功能單元通過信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集單元接入控制和數(shù)據(jù)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(shè)置在一起。本實用新型提供了一種成本低、不受現(xiàn)場環(huán)境限制、使用壽命長、有較強的抗震性能和抗沖擊性能、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、反應快速、低功耗的九加速度計連續(xù)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(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)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