本發(fā)明主要屬于石油鉆井隨鉆測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度測(cè)量裝置與提取方法。

背景技術(shù)：

隨鉆測(cè)量是指在鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量井眼軌跡參數(shù)，并利用鉆井液、電磁波等作為媒介將信息傳送到地表的過程。隨鉆測(cè)量?jī)x器是定向鉆井工程師的“眼睛”，是控制井眼軌跡必不可少的工具。在定向鉆進(jìn)過程中，鉆頭的方向信息對(duì)于正確鉆進(jìn)是至關(guān)重要的，對(duì)鉆頭方向的精確測(cè)量不但能夠保證高效鉆遇既定目標(biāo)，同時(shí)也避免造成與相鄰井眼的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。因此，除了傳統(tǒng)的底部鉆具組合(包括鉆頭、螺桿鉆具、扶正器、鉆鋌等)，定向鉆井工具需要使用位置傳感器測(cè)量井下鉆具姿態(tài)，包括方位角(在水平面上與北向的偏角)、傾角(與垂直方向的偏角，亦稱井斜角)和工具面角(相當(dāng)于導(dǎo)航中的橫滾角)，這些傳感器與檢測(cè)鉆井工程參數(shù)的傳感器(壓力、振動(dòng)、扭矩等)共同構(gòu)成了隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(Measurement While Drill,MWD)，該系統(tǒng)安裝在距離鉆頭10米左右的無磁鉆鋌中。當(dāng)前MWD系統(tǒng)使用三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量井斜角和工具面角，使用三軸磁通門磁力計(jì)，并結(jié)合加速度計(jì)測(cè)量的井斜角和工具面角信息來測(cè)量方位角。

現(xiàn)有的MWD系統(tǒng)必須停鉆測(cè)量，測(cè)量過程中除了泥漿循環(huán)外，整個(gè)鉆柱是靜止的，這種測(cè)量方式的好處是鉆具旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)、沖擊等因素對(duì)加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響非常小，有利于提高測(cè)量精度。但缺點(diǎn)是只能隔一定的距離進(jìn)行間斷測(cè)量，實(shí)際工程應(yīng)用中通常為每隔30米測(cè)量一次，測(cè)量點(diǎn)之間的井眼軌跡只能通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算得來，因此無法獲得精確的井眼軌跡信息。同時(shí)，由于靜態(tài)測(cè)量，鉆井作業(yè)必須頻繁地停下來，特別是在定向井段，嚴(yán)重影響鉆井效率，另外停鉆還會(huì)影響井壁的穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)束后鉆柱重新轉(zhuǎn)動(dòng)的過程需要承受較大的扭矩，給鉆井安全帶來一系列問題。近年來，頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的水平井開發(fā)、老油田開發(fā)后期精細(xì)開采、薄層和超薄層(1米以下)油氣藏的開發(fā)對(duì)軌跡控制精度的要求越來越高，現(xiàn)有MWD的停鉆間歇式測(cè)量模式難以滿足要求。

現(xiàn)有MWD系統(tǒng)停鉆測(cè)量的軌跡測(cè)量點(diǎn)數(shù)和測(cè)量效率之間存在矛盾，井眼軌跡動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量已經(jīng)成為定向鉆井測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)，例如近年來推出的近鉆頭隨鉆井斜測(cè)量?jī)x和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具均在近鉆頭處安裝了三軸重力加速度計(jì),進(jìn)行井斜角和工具面角的測(cè)量，但測(cè)量精度與常規(guī)MWD還有差距。這是因?yàn)樵阢@進(jìn)過程中，鉆具的高速旋轉(zhuǎn)、鉆頭切削巖石及鉆柱與井壁的摩擦碰撞產(chǎn)生的強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)沖擊井下環(huán)境給重力加速度測(cè)量帶來了極大干擾，離心加速度、振動(dòng)加速度和沖擊加速度與重力加速度疊加在一起輸出，如何從干擾環(huán)境中有效提取重力加速度對(duì)于提高井斜和工具面角的測(cè)量精度至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度測(cè)量裝置與提取方法，可有效壓制旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)測(cè)量過程中，離心加速度、振動(dòng)加速度和沖擊加速度對(duì)重力加速度的干擾，實(shí)現(xiàn)重力加速度的精確提取，進(jìn)而提高井斜和工具面的測(cè)量精度。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度測(cè)量裝置，所述裝置包括傳感器和測(cè)量電路，所述傳感器包括三軸重力加速度計(jì)、參考測(cè)量傳感器和溫度傳感器，所述三軸重力加速度計(jì)測(cè)量三個(gè)正交方向的加速度分量信號(hào)，所述參考測(cè)量傳感器產(chǎn)生隨旋轉(zhuǎn)變化且不受振動(dòng)和沖擊影響的信號(hào)作為參考信號(hào)；所述溫度傳感器測(cè)量該裝置內(nèi)部的溫度，用于重力加速度計(jì)的溫度補(bǔ)償，消除鉆具溫度對(duì)重力加速度計(jì)的影響；測(cè)量電路采集所述傳感器的輸出信號(hào)，利用參考信號(hào)和分別與溫度補(bǔ)償后的加速度分量信號(hào)做互相關(guān)處理，消除因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度、振動(dòng)和沖擊等干擾得到無干擾的重力加速度。

進(jìn)一步地，所述三軸重力加速度計(jì)為三個(gè)正交安裝的重力加速度計(jì)，其中一個(gè)安裝在鉆具軸向上，另外兩個(gè)沿鉆具徑向安裝，三個(gè)重力加速度及安裝方向符合右手坐標(biāo)系；所述三軸重力加速度計(jì)和低通濾波器相連，低通濾波器對(duì)所述三軸重力加速度計(jì)輸出的信號(hào)進(jìn)行模擬濾波，濾除高于旋轉(zhuǎn)頻率的振動(dòng)和沖擊干擾，濾波后的信號(hào)被測(cè)量電路采集，所述低通濾波器的低通截止頻率與所述三軸重力加速度計(jì)的頻帶和鉆井轉(zhuǎn)速相關(guān)。

進(jìn)一步地，安裝時(shí)，所述參考測(cè)量傳感器的敏感軸與旋轉(zhuǎn)軸的夾角取決于傳感器類型，以使鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述參考測(cè)量傳感器能夠在敏感軸方向上產(chǎn)生周期性變化。

進(jìn)一步地，所述測(cè)量電路還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、微控制器和數(shù)據(jù)接口；所述模數(shù)裝換器連接所述傳感器和所述微控制器，所述微控制器連接所述存儲(chǔ)器和所述數(shù)據(jù)接口；所述模數(shù)裝換器與所述三軸重力加速度計(jì)間連接有所述低通濾波器；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所述傳感器經(jīng)過濾波的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述控制器可接收模式；

所述存儲(chǔ)器為EEPROM或FLASH，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)所述傳感器的溫度標(biāo)定系數(shù)、標(biāo)度系數(shù)、偏置參數(shù)和安裝誤差修正系數(shù)；

所述控制器根據(jù)所述算法計(jì)算得到無干擾重力加速度；

所述數(shù)據(jù)接口用于數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出。

進(jìn)一步地，所述微控制器設(shè)計(jì)有數(shù)字濾波器以濾除Z軸向重力加速度計(jì)測(cè)量的因振動(dòng)和沖擊造成的干擾分量。

進(jìn)一步地，所述重力加速度計(jì)是石英撓性加速度計(jì)或MEMS加速度計(jì)；所述參考測(cè)量傳感器為磁力計(jì)、陀螺儀或光電編碼器中的任意一種或任意兩種及以上；

所述參考測(cè)量傳感器為磁力計(jì)，利用磁力計(jì)測(cè)量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)分量變化作為參考信號(hào)；

或所述參考測(cè)量傳感器為陀螺儀，測(cè)量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角速度，并通過積分獲得角位移作為參考信號(hào)；

或所述參考測(cè)量傳感器為光電編碼器，測(cè)量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角度變化作為參考信號(hào)。

一種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度測(cè)量和提取方法，所述方法為利用三軸重力傳感器分別測(cè)量鉆具軸向Z和徑向X、Y的重力加速度，利用所述參考測(cè)量傳感器產(chǎn)生不受振動(dòng)和沖擊影響的因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變化信號(hào)作為參考信號(hào)；利用所述溫度傳感器測(cè)量該裝置內(nèi)部的溫度，對(duì)重力加速度計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；測(cè)量電路采集所述傳感器的輸出信號(hào)，將三軸重力加速度計(jì)測(cè)量的X軸向重力加速度和Y軸向重力加速度分別和歸一化的參考信號(hào)互相關(guān)以消除X軸向重力加速度和Y軸向重力加速度因振動(dòng)和沖擊造成的干擾分量；同時(shí)利用微控制器設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器濾除Z軸向重力加速度計(jì)測(cè)量的因振動(dòng)和沖擊造成的干擾分量，最終測(cè)量得到旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下消除振動(dòng)和沖擊影響的三軸重力加速度。

進(jìn)一步地，所述方法得到的重力加速度可用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的井斜態(tài)角和工具面角。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

1、可有效從旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)、沖擊干擾中提取重力加速度信號(hào)，解決了傳統(tǒng)的低通濾波提取方法無法濾出低于旋轉(zhuǎn)頻率的振動(dòng)和沖擊信號(hào)的問題；

2、可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量，克服了現(xiàn)有MWD系統(tǒng)停鉆測(cè)量的效率問題；

3、在原有重力加速度測(cè)量的基礎(chǔ)上增加了參考測(cè)量傳感器，參考測(cè)量安裝方式靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

本發(fā)明可用于石油鉆井領(lǐng)域隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、近鉆頭井斜測(cè)量?jī)x器、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中，也可用于其他在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量重力加速度的應(yīng)用場(chǎng)合，如慣性導(dǎo)航中。

附圖說明

圖1、實(shí)施例一中三軸重力加速度傳感器和磁力計(jì)安裝位置示意圖；

圖2、實(shí)施例一中旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度測(cè)量裝置電路示意圖；

圖3、實(shí)施例一中旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度測(cè)量方法示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

實(shí)施例1

一種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度測(cè)量裝置，包括傳感器和測(cè)量電路，傳感器包括三軸重力加速度計(jì)、參考測(cè)量傳感器和溫度傳感器，三軸重力加速度計(jì)連接有低通濾波器，參考測(cè)量傳感器的的敏感軸與旋轉(zhuǎn)軸的夾角取決于傳感器類型，以使鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述參考測(cè)量傳感器能夠在敏感軸方向上產(chǎn)生周期性變化。三軸重力加速度計(jì)采用正交安裝，Z軸沿鉆具軸向，X、Y沿鉆具徑向。溫度傳感器緊鄰三軸重力加速度計(jì)安裝，以磁力計(jì)作為參考測(cè)量傳感器，磁力計(jì)的敏感軸與X軸平行，安裝方式如圖1所示。測(cè)量電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、微控制器和數(shù)據(jù)接口，所述裝置的連接方式如圖2所示。

使用上述裝置測(cè)量旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度的方法為：利用三軸重力加速度計(jì)分別測(cè)量鉆具軸向Z和徑向X、Y的重力加速度，利用所述參考測(cè)量傳感器產(chǎn)生不受振動(dòng)和沖擊影響的因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變化信號(hào)作為參考信號(hào)；利用所述溫度傳感器測(cè)量該裝置內(nèi)部的溫度，對(duì)重力加速度計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；測(cè)量電路采集所述傳感器的輸出信號(hào)，將三軸重力傳感器測(cè)量的X軸向重力加速度和Y軸向重力加速度分別和歸一化的參考信號(hào)互相關(guān)以消除X軸向重力加速度和Y軸向重力加速度因振動(dòng)和沖擊造成的干擾分量；同時(shí)利用微控制器設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器濾除Z軸向重力加速度計(jì)測(cè)量的因振動(dòng)和沖擊造成的干擾分量，最終測(cè)量得到旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下消除振動(dòng)和沖擊影響的三軸重力加速度。根據(jù)本測(cè)量方法得到無干擾的重力加速度可用于計(jì)算鉆具旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的井斜角和工具面角，方法如圖3所示。

旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下重力加速度測(cè)量和提取方法具體為：

(1)加速度計(jì)信號(hào)測(cè)量

所述重力加速度測(cè)量裝置安裝在鉆具上，鉆進(jìn)時(shí)隨鉆具一起繞Z軸旋轉(zhuǎn)，設(shè)鉆具的旋轉(zhuǎn)角速度為ω＝2×π×f，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)的采樣頻率為則沿X軸方向安裝的加速度傳感器輸出信號(hào)為：

為X軸向的加速度傳感器的輸出信號(hào)初始相位，g_x(k)為不含噪聲的X軸重力加速度信號(hào)，n_x(k)為括電路產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度、鉆具受到振動(dòng)及沖擊干擾等在內(nèi)的各種噪聲信號(hào)。

Y軸方向的加速度傳感器輸出信號(hào)與X軸方向的加速度傳感器輸出信號(hào)在相位上相差90度。因此，y軸方向的加速度傳感器的輸出信號(hào)初始相位為度，則有：

g_x(k)為不含噪聲的Y軸重力加速度信號(hào)，n_y(k)為包括電路產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度、鉆具受到振動(dòng)及沖擊干擾等在內(nèi)的各種噪聲信號(hào)。

對(duì)于采集生成的加速度計(jì)數(shù)字信號(hào)，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)度因數(shù)和偏置修正、安裝誤差修正等。

(2)磁參考信號(hào)測(cè)量

在測(cè)量裝置中安裝一個(gè)磁力計(jì)作為參考測(cè)量傳感器，由于磁力計(jì)在水平面上(X和Y方向)測(cè)出的信號(hào)較好，為此安裝時(shí)使磁力計(jì)的敏感軸與X軸平行，其輸出作為參考信號(hào)，歸一化后的磁力計(jì)信號(hào)表示為：

(3)相關(guān)檢測(cè)提取重力加速度方法

X軸和Y軸加速度計(jì)測(cè)得的信號(hào)分別與磁力計(jì)的參考信號(hào)相關(guān)，公式(1)與公式(4)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到X軸與磁力計(jì)的相關(guān)信號(hào)。

式(5)中，正弦信號(hào)與隨機(jī)噪聲不相關(guān)，因此和為零；因磁力計(jì)對(duì)振動(dòng)信號(hào)不敏感，因此加速度信號(hào)的隨機(jī)噪聲與磁參考信號(hào)的隨機(jī)噪聲相關(guān)性很弱，因此

同理，公式(3)與公式(4)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到Y(jié)軸與磁力計(jì)的相關(guān)信號(hào)。

對(duì)比公式(1)與(6)，有：

式(9)為去除噪聲后的X軸方向的加速度傳感器輸出信號(hào)。

對(duì)比公式(2)與(8)，有：

式(10)為去除噪聲后的Y軸方向的加速度傳感器輸出信號(hào)。

由于Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，考慮到實(shí)際鉆井過程中，Z軸向的加速度只有井斜角發(fā)生變化時(shí)才變化，而井斜角變化非常緩慢，因此Z軸加速度信號(hào)為一緩慢變化的直流量，在微控制器里通過設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)和沖擊干擾進(jìn)行濾除。

進(jìn)一步根據(jù)本測(cè)量方法得到的重力加速度可用來計(jì)算鉆具的井斜和工具面角。

(4)井斜和工具面角計(jì)算方法

井斜角為：

工具面角為：

其中g(shù)_z為經(jīng)過數(shù)字低通濾波的Z軸重力加速度信號(hào)。