专利名称：采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的测量装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及钻井测量装置，具体是一种由固态振动角速率传感器组构成，采用加速度辅助权重分配算法提高角速率传感测量精度，从而实现随钻井下方位测量的装置。
背景技术：
测井技术是伴随石油工业而产生和发展起来的一门科学技术，是一种井下油气勘探技术。测井是在油气勘探和开发过程中测量、记录、分析井下岩石或流体的物理特性，并对储集层进行油气评价的一种技术。它的应用主要集中在两个领域地层评价和完井评价， 目的只有一个，就是用于发现油气矿藏、评估油气储量及其产量。定向技术应用于石油开发和油气储量探测钻井中。在某些情况下，定向钻探可以避免复杂的地下结构。使用定向技术可以从一个公共区域开始钻探出大量的钻孔，每个钻孔进行较浅的垂直钻探，以此最终确定真正的垂直方向。定向钻井技术同样也适用于水平钻探中，例如为水、电、气和电话、电缆钻探管道，这些水平钻探一般在离地表不远的地下进行，并且可以进行重复钻探。定向钻井技术中需实时获取钻具当前的姿态信息，这些信息包括方位角、倾斜角和工具面角，其中方位角是钻具轴线在水平面内的投影与磁北方向之间的夹角，它反映了水平面内钻具运动的方向，倾斜角为钻具轴线与水平面之间的夹角，它反映的是钻具前进方向相对水平面的倾斜程度，工具面角是在与钻具轴线垂直的平面内，钻具的斜面法线方向与参考方向间的夹角，反映的是钻具下一步钻进的造斜方向。目前，在油/矿钻井施工使用的定向测井仪主要采用磁通门测量和双自由度扰性角速率传感器测量两种方式，磁通门测量要求周围5米内不能有任何铁磁物质，而老井有套管，无法给仪器提供良好的无磁环境，因此磁通门测量无法实现老井的井眼轨迹测量；扰性角速率传感器结构复杂，内部装有高速转动的转子，对使用环境苛刻，抗振性能不好，稍微不注意就会损坏，扰性接头寿命有限，需要定期更换传感器；新型激光角速率传感器和光纤角速率传感器精度高，能够满足战术级精度惯性系统应用需要，但其体积大，不能装入小口径探管中，其抗冲击振动性能指标也不能很好的满足随钻测量的要求，且成本高;MEMS 角速率传感器在体积、成本和抗冲击振动方面有优势，但目前还不能满足方位测量精度要求。在随钻测井(MWD)系统中，测量工具是钻探系统的一部分，一般与钻头相近，并且在整个钻探过程中都停留在钻孔内。测量方向和位置时无需将钻具从钻孔中移出。应用 MWD测量不必停止钻探过程或者移除(或替换)测量工具来测量钻孔路径，因此可以节省大量的时间，从而节省了钻探的成本。随钻测量技术(MWD)是富有发展前景并适用于我国复杂油气藏勘探开发的重点核心技术之一。MWD的地质导向技术是随钻测井最重要应用之一。开展MWD方位测量研究工作的难点有两个方面一是使用新材料和新工艺设计出高强度的、耐高温高压、适应强烈振动和冲击的井下传感器；二是要进行机电一体化的整体研制。随钻测井用角速率传感器无疑是这项技术的核心，其较之地面和常温用传感器，受使用环境的影响具有以下特点首先是精度要达到寻北定位的要求，包括其在整个测量区域和测量范围内噪声特性指标符合应用要求；二是体积要求严格，尤其直径要小；三是高抗振性，随钻过程中不会损坏传感器本体；还有宽温要求，即仪器能在100°c甚至更高的环境中正常工作，且在环境温度-10°c -175°C范围内仪器总体精度满足设计要求。因此，随钻地质导向是仪器在接近极限工作的恶劣环境下的高精度定位技术，研发的技术难度相当大，资金投入多，研发周期长，具有较大的风险。随钻方位测量对于仪器工作条件近乎极限的要求，使得大部分在非随钻方位测量下适用的角速率传感器都受到限制，所有有活动部件的机械角速率传感器和动力调谐角速率传感器，在体积和抗冲击振动方面理论上均已超出了设计要求，没有实现随钻方位测量的可能。从这个角度来看，应用惯性器件进行随钻地质导向测量的方法和手段十分有限，国外测井技术发达国家也没有研制出更加适用的随钻角速率传感器，而是采用了无角速率传感器测量甚至非惯性器件的随钻地质导向测量方法，但精度和可靠性不高，而成本却相当昂贵。因此在这方面迫切需要拓展基于角速率传感器的随钻地质导向测量研制思路，寻找更为简单有效的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用固态振动角速率传感器组进行垂直轴的高精度测量，同时使用高精度的的MEMS陀螺和加速度计进行水平轴测量，以实现井下寻北的随钻测量装置，即通过采用固态振动型角速率传感器和加速度计作为核心测量器件，将固态振动角速率传感器的动态测量特性与加速度计的静态测量特性很好地结合起来，有效地抑制测量误差，提高测量精度，并通过使用固态振动角速率传感器组实现高精度测量以较大程度地节约成本。由上可知，此方案的技术重点在于采用一种新型的固态振动角速率传感器组来等效高精度传感器进行井下测量，以最大程度节约成本。为实现上述目的而采用的技术方案是这样的，即一种采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，包括进行垂直轴测量的固态振动角速率传感器组和进行水平轴测量的固态振动角速率传感器组和加速度计组，其特征是所述固态振动角速率传感器组和加速度计组中的加速度计和固态振动角速率传感器呈对应排列；在水平方向各固态振动角速率传感器在敏感方向和在最小加速度敏感方向分别在360°范围内依次错位相同的角度，并均分360° ；每个固态振动角速率传感器的敏感轴相互平行；每个固态振动角速率传感器产生沿敏感轴输出的角速度，由第一信号表征；每个加速度计沿敏感方向检测并输出加速度，由第二信号表征；一个控制器，以离散频率获取第一信号和第二信号，计算由各固态振动角速率传感器检测的角速度的平均权重，所述平均权重包含每个固态振动角速率传感器沿它的敏感轴输出的角速度与加速度计沿最小加速度敏感方向输出的加速度的加权，则最终平均加权角速度&和最终平均加权加速度Ap计算表达式如下
权利要求
1. 一种采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，包括进行垂直轴测量的固态振动角速率传感器和进行水平轴测量的固态振动角速率传感器组和加速度计组，其特征是所述固态振动角速率传感器组和加速度计组中的加速度计(30)和固态振动角速率传感器(20)呈对应排列；在水平方向各固态振动角速率传感器的最小加速度敏感方向02) 和加速度计的敏感方向(31)分别在360°范围内依次错位相同的角度，并均分360° ；每个固态振动角速率传感器的敏感轴相互平行；每个固态振动角速率传感器产生沿敏感轴输出的角速度，由第一信号04)表征；每个加速度计沿敏感方向检测并输出加速度，由第二信号(34)表征； 一个控制器，以离散频率获取第一信号04)和第二信号(34)，计算由各固态振动角速率传感器OO)检测的角速度的平均权重，所述平均权重包含每个固态振动角速率传感器 (20)沿它的敏感轴输出的角速度与加速度计沿最小加速度敏感方向0 输出的加速度的加权，最终平均加权角速度&和最终平均加权加速度Ap计算表达式如下
2.根据权利要求1所述的采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，其特征是每个固态振动角速率传感器OO)安装在固态振动角速率传感器壳体(50) 中，使用环氧基树脂(51)将多个分别封装在壳体(50)中的固态振动角速率传感器OO)粘合成组成固态振动角速率传感器组(60)，并使固态振动角速率传感器OO)的敏感轴21相互平行。
3.根据权利要求1所述的采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，其特征是控制器运用&的标准差的计算来实现对测量角速度的实时精度控制，选择性排除一个或多个固态振动角速率传感器所产生的明显性错误，Rp的标准差的计算表达式如下
全文摘要
一种采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，包括进行垂直轴测量的固态振动角速率传感器组和进行水平轴测量的固态振动角速率传感器组和加速度计组，其特征是固态振动角速率传感器组和加速度计组中的加速度计和固态振动角速率传感器呈对应排列；在水平方向各固态振动角速率传感器的最小加速度敏感方向和加速度计的敏感方向分别在360°范围内依次错位相同的角度；每个固态振动角速率传感器的敏感轴相互平行；每个固态振动角速率传感器产生沿敏感轴输出的角速度，每个加速度计沿敏感方向检测并输出加速度；由控制器完成对某个钻探方向的选取，并对测量信号进行数字权重集成与计算。装置在降低成本的同时满足了高测量精度。
文档编号E21B47/02GK102182449SQ20101061654
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者刘俊, 刘宇, 刘申, 曾燎燎, 欧毅, 段耀宇, 路永乐, 迈克尔 申请人:重庆邮电大学