一种近钻头动态井斜角与工具面角的随钻测量方法

本发明主要使用于钻井测量领域，主要涉及一种动态井斜测量方法。

背景技术：

随着油气资源开采量的增加，资源勘探和开采难度也逐渐增加，因此这对定向钻井轨迹的测量精度提出了更高要求。钻进过程中依靠随钻测斜仪(measurementwhiledrilling)实现井斜角、工具面角以及方位角的测量。传统的随钻测斜仪为了避免钻头破岩产生的振动干扰，将其安装位于距离钻头10～20m位置，且通过停钻静态测量的方式实现钻具姿态参数的测量。这样的测量方式能达到减小钻具在工作过程中振动对传感器测量精度的影响，通常30m停钻一次进行测量，不能实现钻具姿态的实时连续动态测量，同时传感器测量位置远离钻头，测得信息存在误差，同时停钻测量的方式使钻井效率变低，停泵也会带来较大的井控风险，并且测量点之间的不连续性只能通过数学方法计算井眼轨迹，因此无法得到精确的井眼轨迹信息，从而影响整个钻进过程。

传感器在随钻测量过程中，距离钻头越近，测得信息的准确性和实效性越高。但是靠近钻头位置的测量环境就越困难复杂，钻头钻进过程中所产生的旋转、振动、冲击等因素都影响井斜角和工具面角的实时动态测量结果。在常规使用的mwd系统中基本都采用加速度计传感器作为井斜角测量的传感器。其中在钻进的过程中，钻具高速旋转与井眼井壁的摩擦以及钻头切削岩石所带来的高强度振动和冲击会给传感器带来极大的干扰，同时高速旋转的钻具将会使传感器测量结果中叠加离心加速度噪声，因此有效滤除传感器输出信号中的振动噪声、冲击噪声和离心加速度噪声是提高测量精度的关键。

存在的问题在于，传统的mwd系统中具有井斜角测量过程中数据滞后，信息不准确的缺点，钻具工作时产生的冲击噪声和离心力加速噪声以及磁通门存在磁干扰噪声使得随钻井斜角且工具面角动态测量精度低。

技术实现要素：

针对上述过程中钻具工作时产生的冲击噪声和离心力加速噪声以及磁通门存在磁干扰噪声使得随钻井斜角和工具面角动态测量精度低的问题，本发明提出一种基于ukf与相关提取算法的钻具井斜角与工具面角动态精确测量方法，采用限幅滤波器和无迹卡尔曼滤波器滤除大部分加速度传感器中的冲击噪声、振动噪声和磁通门中磁干扰带来的噪声信号，再使用过滤后的磁通门输出得周期信号作为互相关检测的参考信号，提取出加速度计中径向和轴向方向的重力加速度分量最终计算井斜角。该方法不仅能有效抑制振动加速度、冲击加速度和离心力加速度三种干扰信号带来的噪声，同时井斜角测量精度优于±0.1°且测量精度不受钻具转速影响。

本发明所采用的技术方案如下：

一种近钻头动态井斜角与工具面角的随钻测量方法，所述方法包括：首先，利用限幅滤波器滤除冲击噪声带来的阶跃激励干扰信号，再使用ukf滤波器滤除大部分振动加速度所产生的有色噪声和三轴磁通门输出信号中的磁干扰有色噪声，然后利用滑动滤波器对三轴加速度传感器中的径向加速度信号进行平滑滤波，最后使用三轴磁通门的径向或切向磁场信号作为参考信号，建立基于互相关检测法的近钻头重力加速度分量的准确提取。

一种采用上述的近钻头动态井斜角与工具面角的随钻测量方法；

(1)采用滑动窗口法将三轴加速度计数据进行限幅滤波，将冲击干扰信号滤除；

(2)基于无迹卡尔曼有色振动噪声针对三轴加速度计和三轴磁通门中的有色噪声和磁干扰噪声滤除；

(3)采用基于相关检测的信号提取的原理，提取重力加速度信号，抑制随机噪声信号；

(4)选与重力加速度信号同为周期信号，且频率相同并对外界干扰信号不敏感的参考信号；

(5)对重力加速度进行互相关提取；

其中，所述近钻头动态井斜角与工具面角的随钻测量方法步骤(1)冲击干扰信号的滤除采用滑动窗口法将三轴加速度计数据进行限幅滤波，对滑动窗口内的数据进行分析比较，将正负两方向出现的最大值附近的一段数据去除，限幅滤波对随机产生的脉冲干扰有较好的效果，限幅后后续信号数据输出到其他滤波器中，具体包括；

根据公式δan＝ad-ag计算出三轴加速度传感器n时刻输出的加速度增量为δan；

根据公式计算出限幅滤波器的限幅阀值ρ；

根据公式计算出滤波后的结果δg；

其中：ω代表钻具在时间段δt内的平均转速，表示之前n-1个三轴加速度增量的均值。

其中，所述近钻头动态井斜角与工具面角的随钻测量方法步骤(2)基于无迹卡尔曼有色振动噪声的滤除采用能够连续递推运算的无迹卡尔曼滤波算法(ukf)滤除，具体包括：

以空间姿态测量过程中广泛应用的四元数形式表示旋转矩阵t；

基于磁通门和加速度计的测量结果，建立非线性动态数学模型，根据得到t时刻的模型状态方程为

其中：n(t)为系统状态噪声，a(t)为状态转移矩阵,q(t)为前一时刻的状态方程；

根据和得到采样t时刻三轴加速度计和三轴磁通门的测量输出矩阵a(t)和m(t)；

其中：ax、ay、az、mx、my、mz分别表示三轴加速度计和三轴磁通门沿钻具径向x轴、切向y轴和轴向z轴方向的重力加速度分量和磁场强度分量；

根据y(t)＝[a(t)m(t)]^t＝h(q(t))+v(t)得到观测方程；

其中：h函数为非线性函数，y(t)为t时刻的传感器测量向量，v(t)为t时刻限幅滤波后的测量噪声；

根据对状态方程和测量方程进行离散化处理；

其中：i为单位矩阵；ts为采样周期；wk为高斯白噪声；vk为传感器测量现付滤波后的噪声，ak为第k步矩阵a的取值。假定k-1步滤波后得到状态变量及协方差矩阵

选取sigma点，计算权值，然后计算时间的更新方程，通过状态方程将sigma点进行非线性传播，结合方差矩阵pk-1得到下一步预测协方差矩阵k,k-1，然后计算观测更新方程，最后滤波更新得到加速度计和磁通门数据的滤波结果；

其中，所述近钻头动态井斜角与工具面角的随钻测量方法步骤(3)基于相关检测的信号提取的原理采用用相关检测的噪声抑制方法提取重力加速度信号，抑制随机噪声信号，相关检测能测量两个时域信号的相似性，通过两周期信号在不同时刻取值具有相关性，将确定的周期信号从随机产生的噪声信号中提取出来，具体包括：

取输出信号s1(t)与s2(t)为同样周期的信号，n1和n1为随机信号；

n1和n1为随机信号周期信号s1(t)与s2(t)叠加，形成复合信号m1和m2；

根据得到互相关函数。

根据权利要求2所述一种近钻头动态井斜角与工具面角的随钻测量方法，其特征在于，步骤(4)相关参考信号的选取采用经过无迹卡尔曼滤波后的磁通门x轴方向输出信号mx作为参考信号作为加速度计x轴和y轴方向的输出信号gx的参考信号，并对幅度进行归一化处理。

附图说明

图1为本发明井斜测量传感器安装方向示意图

图2为本发明重力加速度提取原理框图

图3为本发明近钻头测量短节示意图

图4为本发明井斜角和工具面角计算结果图

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种近钻头动态井斜角与工具面角的随钻测量方法，井斜测量传感器由三轴加速度计和三轴磁通门构成。加速度计和磁通门的安装方向为钻具xyz坐标轴的，xyz方向，其中x轴为钻具的轴方向，y轴为钻具的径向方向，z轴为钻具的切向方向,钻具的xyz轴共同构成右手直角坐标系，如图1所示。

井斜角θ是指井中某点的中轴线与地球铅垂线之间的夹角，其范围为0°～180°，井斜角θ用来指示井眼轨迹的斜度。井斜的不同会导致重力沿井轴与垂向的分量发生变化，因此利用这一变化可以通过对x、y、z三方向的重力加速度分量gx、gy、gz进行计算从而测得井斜角θ：工具面角则需要x、y轴方向的加速度计输出数据gx、gy进行计算：

其工作流程图如附图2所示具体地，包括以下步骤：

首先，对冲击干扰信号的滤除；

针对冲击干扰信号幅值大、变化剧烈、时间跨度短的特点采用滑动窗口法将三轴加速度计数据进行限幅滤波，对滑动窗口内的数据进行分析比较，将正负两方向出现的最大值附近的一段数据去除，限幅滤波对随机产生的脉冲干扰有较好的效果，限幅后后续信号数据输出到其他滤波器中。根据公式δan＝ad-ag计算出三轴加速度传感器n时刻输出的加速度增量为δan；

根据公式计算出限幅滤波器的限幅阀值ρ；

根据公式计算出滤波后的结果δg；

其中：ω代表钻具在时间段δt内的平均转速，表示之前n-1个三轴加速度增量的均值。

其次，采用基于无迹卡尔曼有色振动噪声的滤除；

动态测量过程中由于近钻头处恶劣振动环境以及传感器本身测量精度问题将会导致

针对三轴加速度计和三轴磁通门中的有色噪声和磁干扰噪声，采用能够连续递推运算的无迹卡尔曼滤波算法(ukf)滤除；

本发明中将以空间姿态测量过程中广泛应用的四元数形式表示旋转矩阵t。

四元数具体可表示为：q＝q0+q1j1+q2j2+q3j3；

其中，q0、q2、q3、q4均为实数，j1、j2、j3为虚数单位，由于此表示形式与笛卡儿直角坐标系相似，故三个虚数单位相当于直角坐标系中的单位向量。

其中β1，β2，β3分别表示钻头第一、二、三次旋转与原xyz轴的夹角，因此旋转矩阵t可表示为：

若t时刻加速度计输出矩阵为

其中，ax,ay,az分别表示近钻头位置径向、切向、轴向方向的加速度输出数据m/s²，t(t)为矩阵t在t时刻的值；g为重力加速度，m/s²；

基于磁通门和加速度计的测量结果，建立非线性动态数学模型，若t时刻的模型状态方程为：

其中n(t)为系统状态噪声，a(t)为状态转移矩阵,q(t)为前一时刻的状态方程；

若采样t时刻三轴加速度计和三轴磁通门的测量输出矩阵分别为和

式中ax、ay、az、mx、my、mz分别表示三轴加速度计和三轴磁通门沿钻具径向x轴、切向y轴和轴向z轴方向的重力加速度分量和磁场强度分量；

观测方程为：y(t)＝[a(t)m(t)]^t＝h(q(t))+v(t)；

其中，h函数为非线性函数，y(t)为t时刻的传感器测量向量，v(t)为t时刻限幅滤波后的测量噪声，分别对状态方程和测量方程进行离散化处理得：

其中：i为单位矩阵；ts为采样周期；wk为高斯白噪声；vk为传感器测量现付滤波后的噪声，ak为第k步矩阵a的取值。假定k-1步滤波后得到状态变量及协方差矩阵sigma点选取为：

其中，n为状态方程中状态变量个数，计算权值

其中，分别为求一、二阶统计特性时的权系数，λ为尺度参数，λ＝τ²(n+e)-n；其中e＝0,γ＝2,τ＝0.001；

计算时间的更新方程，通过状态方程将sigma点进行非线性传播：

结合方差矩阵pk-1得到下一步预测协方差矩阵

计算观测更新方程:

其中，

滤波更新得到：

其中，为第k步传感器观测数据yk跟踪变换所得，得到第k步状态变量的滤波结果qk，即为加速度计和磁通门数据的滤波结果；

进一步，采用基于相关检测的信号提取的原理；

加速度计传感器输出信号在通过无迹卡尔曼滤波后能有效的减少钻具振动带来的噪声干扰，但数据中仍然存在部分噪声信号难以去除。为提高在动态测量中井斜角和工具面角计算的精度，现需要在经过无迹卡尔曼滤波后的信号中有效精确地提取重力加速度信号；

动态测量过程中，重力加速度沿切向方向的信号gx、gy为周期信号。而噪声信号中，振动加速度信号和冲击信号为随机信号，离心加速信号的大小在加速度计安装固定后，只随着转速的改变而变化。因此针对重力加速度切向方向信号为周期信号的特点，本文使用相关检测的噪声抑制方法提取重力加速度信号，抑制随机噪声信号；

相关检测能测量两个时域信号的相似性，通过两周期信号在不同时刻取值具有相关性，可以将确定的周期信号从随机产生的噪声信号中提取出来。若输出信号s1(t)与s2(t)为同样周期的信号，n1和n1为随机信号：n1和n1为随机信号周期信号s1(t)与s2(t)叠加，形成复合信号m1和m2，得到：复合函数m1和m2都存在互相关的周期函数，因此m1(t)和m2(t)的互相关函数r(τ)可以表示为：

周期函数互相关后，随机信号n1和n2得到抑制，互相关函数r(τ)只与周期信号的幅值和相位差有关。作为周期信号的重力加速度与作为随机信号的振动加速度、冲击加速度是不相关的，在提取重力加速度信号的过程中，选用与其相关的周期信号作为参考信号以达到提取重力加速度信号的目的。

再进一步，对相关参考信号的选取；

提取重力加速的参考信号应具备两个特点，1)应与重力加速度信号同为周期信号，且频率相同。2)对外界干扰信号，如冲击加速度信号和振动加速度信号不敏感；

磁通门作为mwd中自带的测量磁场的传感器，其测量方向与加速度计的测量方向相同，x、y、z分别为沿钻具径向方向、沿钻具切向方向、沿钻具轴向方向，mx、my、mz表示x、y、z方向的磁场强度。其中x、y方向的磁场强度信号为周期信号，频率与转速一同变化，并不受冲击加速度信号和振动加速度信号的影响。另外通过无迹卡尔曼滤波后的磁通门输出信号已经有效去除磁干扰所产生的有色噪声，因此选取磁通门输出信号不仅满足作为互相关参考信号的要求，而且不用增加额外的参考信号测量传感器和外部电路；

下文选用经过无迹卡尔曼滤波后的磁通门x轴方向输出信号mx作为参考信号作为加速度计x轴和y轴方向的输出信号gx的参考信号，并对幅度进行归一化处理，为幅度归一化后的输出信号，nm为滤波后未被去除的噪声，ts为采样周期，ω为钻具转速，得到：

最后，重力加速度的互相关提取；

以x轴重力加速度的提取为例，沿x轴方向的加速度计输出信号通过无迹卡尔曼滤波后的信号为：

其中，为加速度计在x轴的输出信号初始相位，为重力加速度在x轴的分量，为滤波后未被去除的噪声；

结合上述m1(t)和m2(t)的互相关函数和进行互相关运算，算得x轴的相关信号为：

其中，周期信号gx和mx与滤波后的残留噪声不相关，因此作为参考信号的磁通门输出信号受振动加速度的影响小，加速度信号的残留噪声nx和磁通门

输出信号在相位上相差90°，所以最终可以得到互相关信号提取后的y轴重力加：速度分量；

z轴方向的重力加速度沿钻杆方向，输出信号不受钻具旋转的影响。根据z轴重力加速度信号与振动冲击干扰的频带差异及电路噪声的随机性，利用低通滤波器和滑动平均滤波器可以提取z轴重力加速度信号。

如附图3所示，在发明中，动态井斜测量系统由近钻头测量短接、传感器参数设置操作箱和信号接收处理装置组成，在实施中采用蓝牙无线数据传输方式模拟泥浆脉冲传输，蓝牙传输采样频率设置1hz。将近钻头测量短节固定在安装在实施平台上，测量短节中的井斜测量传感器包括mems三轴加速度计和fgm3d三轴磁通门。其中近钻头的重力加速度分量和磁场强度分量的测量方向分别为沿钻具的径向x轴方向、切向y轴方向和轴向z轴方向。

实施中采集到的三轴加速度计和三轴磁通门的输出原始信号，其中磁通门输出信号mx已做归一化处理。实施过程中实际井斜角设置为30，钻具转速为150rmin-1，三轴加速度计和三轴磁通门的采样频率调整至200hz。

采用三轴磁通门和三轴加速度计输出的原始信号，因为测试环境中不存在磁干扰条件，所以实施中的噪声中只有内部电路噪声，实施中的干扰噪声小于仿真测试中干扰噪声。受安装误差和转速的非均匀性等因此的影响。

采用上述方法提取出x,y,z轴方向的重力加速度分量，图4为井斜角和工具面角的计算结果。

图4所示，通过基于无迹卡尔曼滤波的重力加速度互相关提取结果可知加速度计x,y轴的重力加速度信号分量被有效提取出，x,y轴的重力加速度信号呈周期信号且基本无噪声叠加，提取后的信号与理想x、y轴的重力加速度信号基本接近，z轴重力加速度信号较仿真测试中结果更加平滑。提取的重力加速度结果所计算的井斜角最大误差为-0.08且整体精度优于0.1，工具面角变化平滑。