[發明專利]一種近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201610772580.5
• 申請日: 2016-08-29
• 公開（公告）號: CN106246168B
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 張文秀;王自力;陳文軒;底青云;楊永友;孫云濤;鄭健;劉建光
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所
• 主分類號: E21B47/13
• 分類號: E21B47/13
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 巴曉艷

1.一種近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量裝置，其特征在于，所述裝置緊鄰鉆頭安裝在鉆鋌中心的泥漿通道中，或者在鉆鋌表面開槽安裝,所述裝置隨鉆鋌轉動；

所述裝置包含測量傳感器和測量電路，所述測量傳感器測量信號傳輸至測量電路，所述測量電路對信號進行處理和計算得到姿態數據；所述測量傳感器包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器和一個溫度傳感器;利用溫度傳感器測量數據分別修正三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁傳感器的測量數據，利用修正后的三軸加速度計和三軸磁傳感器的測量數據來計算第一姿態角，利用第一姿態角對四元數初始化，根據三軸陀螺儀的測量數據對初始化后的四元數進行時間更新，進而利用更新后的四元數計算姿態角，通過周期性進行四元數的初始化，消除三軸陀螺儀的積累誤差；

所述測量電路包括模數轉換器、現場可編程門陣列、存儲器、處理器和低通濾波器，所述低通濾波器與所述測量傳感器相連，進行模數轉換前，所述低通濾波器分別濾除所述三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器和溫度傳感器的輸出信號中的高頻干擾，根據加速度計、陀螺儀、磁傳感器和溫度傳感器的頻帶和鉆井轉速選用設計低通截止頻率與之匹配的濾波器；

所述模數轉換器對經過低通濾波后的三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器和一個溫度傳感器信號采取同步采集方式測量。

2.如權利要求1所述近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量裝置，其特征在于，所述三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器采取X,Y,Z三軸正交安裝，在每個軸向上，加速度計、陀螺儀和磁傳感器的敏感軸方向保持平行。

3.如權利要求1所述近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量裝置，其特征在于，所述測量電路結構如下：所述低通濾波器與所述模數轉換器相連，所述模數轉換器與所述現場可編程門陣列相連，所述現場可編程門陣列與所述處理器相連，所述處理器連接有所述存儲器；測量傳感器輸出的模擬信號通過低通濾波器濾除高頻干擾，經過濾波的測量傳感器輸出信號通過模數轉換器進行數據采集，采集的時序控制由現場可編程門陣列實現，同時現場可編程門陣列將采集的原始數據進行數字濾波，打包后根據通信協議發送給處理器，處理器將原始時間數據存儲到存儲器里,同時進行姿態角的解算，所述處理器包括姿態角計算模塊、四元數初始化模塊和四元數更新模塊。

4.如權利要求1所述近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量裝置，其特征在于，所述加速度計為微機電加速度計、所述陀螺儀為MEMS陀螺儀、所述磁傳感器為磁阻傳感器。

5.如權利要求1所述近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量裝置，其特征在于，所述存儲器存儲有加速度計、磁傳感器和陀螺儀的標定系數。

6.如權利要求1-5任一所述近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量裝置，其特征在于，所述姿態角包括傾角、方位角和工具面角。

7.一種近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量方法，其特征在于，所述方法具體為：

（1）利用如權利要求1-5任一所述裝置測量三軸加速度計數據、三軸陀螺儀數據、三軸磁傳感器數據和溫度傳感器數據；利用溫度傳感器測量數據分別修正三軸加速度計、三軸磁傳感器的測量數據，利用修正后的三軸加速度計和三軸磁傳感器的測量數據來計算第一姿態角；

（2）利用第一姿態角對四元數初始化；

（3）利用溫度傳感器測量數據修正三軸陀螺儀的測量數據，根據修正后的三軸陀螺儀的測量數據對初始化后的四元數進行時間更新，進而利用更新后的四元數計算第二姿態角；

（4）測量下一組三軸陀螺儀數據，重復步驟(3）計算第三姿態角；

（5）經過1-10s后進入步驟(1)，重新利用三軸加速度計和三軸磁傳感器的數據計算第一姿態角，利用第一姿態角初始化四元數，通過周期性進行四元數的初始化，消除三軸陀螺儀的積累誤差。

8.如權利要求7所述一種近鉆頭鉆具姿態隨鉆測量方法，其特征在于，所述方法中還包括利用存儲的加速度計、磁傳感器和陀螺儀的標定系數，修正加速度計、磁傳感器和陀螺儀的標度系數和安裝誤差。