[發明專利]小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置及方法

有效

• 申請號: 201710060766.2
• 申請日: 2017-01-25
• 公開（公告）號: CN106917621B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 任春華;胡曉明;周枚林
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: E21B47/022
• 分類號: E21B47/022
• 代理公司: 50212 重慶博凱知識產權代理有限公司
• 代理人: 李海華

本發明公開了一種小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置及方法，測斜裝置的基座上連接有直流電機，直流電機輸出軸端部設有轉臺，在轉臺上安裝光纖陀螺儀和雙軸加速度計組件，其中光纖陀螺儀敏感軸為X軸，雙軸加速度計敏感軸為X軸、Y軸，還包括測量電機輸出軸轉速的轉速傳感器；在另一機械固件上固定安裝有ARM微處理器和電機驅動模塊，ARM微處理器主要完成陀螺儀和加速度計信號實時采集、電機控制信號的發出與定向測斜算法解算，并提取北向角度信息；轉速傳感器的輸出接ARM微處理器，ARM微處理器將計算出的轉速信息給電機驅動模塊，以控制直流電機勻速轉動。本發明解決了目前小孔徑水平井難以測量的問題，且測量精度高、裝置成本低。

技術領域

本發明涉及鉆井中的定向技術，具體涉及一種小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置及方法，屬于大地測量、油氣井測量技術領域。

背景技術

現代社會對于能源的消耗量極大，隨著石油、煤炭等不可再生資源的日益劇減，水平井與小井眼井鉆井技術得到不斷發展與完善。目前在地質勘探和油氣井測量用的定向測斜儀主要有：磁性測量法，照相測量法，慣性測量法等。磁性傳感測量系統具有體積小、抗沖擊、耐高溫、成本低等特點，但在有磁場干擾或套管井等無磁環境中無法獲取有效的軌跡參數。照相系統易受到光照和使用環境影響。慣性測量法中，撓性陀螺測量系統抗沖擊能力較差、使用壽命短，在野外測井環境下很難實現長期可靠的測試任務；MEMS陀螺系統雖然具有達數千g的抗沖擊能力，但其漂移較大；三軸光纖陀螺系統雖然可以做到水平井測量，但尺寸較大、且成本高昂。上述定向測斜系統無法滿足對日益增多的小孔徑水平井高精度自主測量的迫切需要。在我國小孔徑(直徑小于45mm)水平井(井斜大于85°)定向測斜領域，目前還未曾見到有關小口徑單陀螺水平井定向、測斜儀器的相關技術研究報道和實際產品問世。

發明內容

針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在于提出一種小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置及方法，本發明解決了目前小孔徑水平井難以測量的問題，且測量精度高、裝置成本低。

本發明的技術方案是這樣實現的：

小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置，其特征在于：包括兩機械固件，在其中一個機械固件上設置一個表面平整度滿足安裝要求的基座，在基座上剛性連接有直流電機，直流電機采用伺服電機；直流電機輸出軸呈水平狀態，直流電機輸出軸端部設有轉臺，轉臺軸線與電機輸出軸重合；在轉臺上剛性安裝單軸小口徑光纖陀螺儀和雙軸MEMS加速度計組件，其中光纖陀螺儀敏感軸為X軸，雙軸MEMS加速度計敏感軸分別為X軸、Y軸，轉臺在直流電機輸出軸帶動下繞Y軸轉動，陀螺儀和雙軸MEMS加速度計組合構成本裝置的慣性測量單元；還包括測量電機輸出軸轉速的轉速傳感器；

在另一機械固件上固定安裝有ARM微處理器和電機驅動模塊，ARM微處理器中含有解算模塊，ARM微處理器主要完成陀螺儀和加速度計信號實時采集、接口通信、電機控制信號的發出、傳感器誤差補償與定向測斜算法解算，并提取北向角度信息；轉速傳感器的輸出接ARM微處理器，ARM微處理器通過鑒相計數計算轉速信息，同時發出PWM信號，給電機驅動模塊，電機驅動模塊輸出接直流電機以控制直流電機勻速轉動。

小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜方法，本方法采用前述的小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置實現，該方法包括如下步驟：

1)將所述的小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置放入小孔徑水平井內，直流電機輸出軸沿水平井長度方向設置；

2)裝置上電后即開始工作，使直流電機輸出軸繞Y軸連續旋轉，并通過轉速傳感器采集直流電機轉速，并將該轉速信號傳遞給ARM微處理器，經閉環反饋由電機驅動模塊根據轉速傳感器采集信息使直流電機轉速穩定；

3)ARM微處理器中的解算模塊實時獲取雙軸MEMS加速度計和陀螺儀輸出數據，提取微弱方向信息和傾斜角信息，采用粒子濾波算法解算北向角；具體過程如下：