一种底部钻具空间姿态连续测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及旋转导向钻井技术领域，特别是一种底部钻具空间姿态连续测量装置。
【背景技术】
[0002]目前，一种底部钻具空间姿态连续测量装置旋转导向钻井技术是一种面向二十一世纪的新型钻井技术，具有大的位移延伸能力、精确的井眼轨迹控制精度和灵活性，可极大地提高钻井效率及安全性。在旋转导向钻井技术中，如何在旋转方式下实时精确地测量井下工具的姿态参数是其技术难点之一。通常的随钻测量仪器是在钻柱停止旋转时，采用静态测量的方式来测量井斜和方位，然而自动垂直或旋转导向系统需要在井下钻具动态旋转的情况下实时测量其空间姿态。本文基于理论分析与现场随钻测量数据，从运动状态分析这个角度来完成井下测量信号的滤波与底部旋转钻具空间姿态的解算，对于提高自动垂直或旋转导向钻井底部钻具姿态测量精度，提高自动垂直或旋转导向钻井的制导能力具有重要意义。
[0003]随钻测量技术(MWD-Measurement while drilling)的测量参数包括轨迹参数(井斜，方位)、工具面、地层参数(电阻率、自然伽马、孔隙度等)以及其他的一些工程参数(压力、扭矩、温度等)。
[0004]理论上讲，只有完成井下工具空间姿态的连续测量，才能真正意义上实现旋转导向的井下闭环控制，目前成熟应用的旋转导向系统通常配备有两部分测量系统，一部分是传统的MffD随钻测量系统，主要用来测量井眼的空间位置参数、井下钻压、扭矩、温度、压力等；第二部分是专用于旋转导向系统的近钻头空间姿态测量系统，主要用于测量近钻头处的空间姿态参数(井斜、方位、钻头转速等)，以便实现实时控制。国外的商业化公司虽然开发成功旋转导向系统并广泛应用于生产实践当中，然而动态测量系统依然在不断完善当中，在2013年美国休斯敦举行的SPE年会上，同时出现两篇专门探讨连续测量技术的文章，可见该技术依然处于重点攻关的过程当中。
[0005]斯伦贝谢公司的推靠式旋转导向系统，为了解决动态测量问题，将测控装置安装在了一个不随钻柱旋转，相对于地面静止的稳定平台内，该装置大大增加了机械设计难度并且降低了工具的可靠性，由此可见动态测量技术在旋转导向技术中是一个难点问题。其次，连续测量技术属于旋转导向中的测控部分，属于核心技术，各大商业公司均技术保密，基本无法查到关于这个方面技术细节的资料。抛开旋转导向系统，就普通的MffD技术，如果能将旧的每接一根单根测一个单点的静态测量技术提升为旋转过程中的连续测量，也是非常具有现实意义。其一，随钻测量轨迹便不会有盲点，使得定向钻井更为精确；其二，在水平井的水平段钻进过程中，钻头由于重力作用极其容易下陷，使得水平段井眼轨迹质量变差，在一根钻柱9m的前进过程中，钻头在软地层中将会迅速的偏离水平轨迹。连续监测井眼轨迹在这种情况下变得极为重要。
[0006]在1970年，装有三轴加速度计和三轴磁强计的电子仪器被开发出来，用于测量井斜和方位，比如美国专利US3791043，3862499，4163324。在这些专利中，给出了一些基本的计算公式。后来应用最为广泛的是Walters在其专利US4709486中提出的六轴方位角计算公式。三轴井斜和六轴方位角公式用于随钻测量系统中成为工业上标准的测量方法，由于井下信号处理能力的限制，在20世纪70年代到80年代早期，随钻测量系统一直局限于静态测量。80年代后期，出现了小部分专利尝试在钻柱旋转的情况下计算井斜和方位。Dipers1和Cobern提出了一套有用的井斜方位计算公式，可以利用加速度计和磁强计两样传感器来实现。合加速度Gci在静态情况下获得并假设在钻井过程中保持不变。给出的公式允许传感器在跟随钻柱旋转的情况下解算井斜和方位。
[0007]ElGizawy, Noureldin, Mintchev等人采用陀螺仪和加速度计建立了连续测量系统，采用了航空航天领域的捷联导航算法。该研究组对于加速度计和陀螺仪在井下冲击和振动的环境下的输出响应进行了详细的实验分析，并用小波分析方法完成了噪声信号的滤波处理，整个测量系统采用Kalman滤波进行校正。然而由于研究是基于实验室实验的基础上，对于冲击和振动也仅是考虑了特定的频率和幅度范围内的影响，和真实的井下工况还有很大差别，况且对于旋转导向底部钻井的运动特性考虑明显不足，对于井下钻具粘滑振动、涡动等运动状态均未考虑。另外，在导航算法中，极其重要的一点是Kalman滤波当中的误差校正，在地面上可以采用GPS配合捷联内部导航的方法。然而将此技术用在钻井上以后，在地下没有GPS信号，捷联导航算法中不断积累的误差就会成为影响姿态测量的一个主要问题。Noureldin等人在解算的过程中，将井深作为一个校正参数，在实验仿真的条件下这个是可行的，然而在实际钻井现场中，井深参数并无法通过井下传感器直接获得，这就限制了该方法的进一步应用。
[0008]专利CN101493008公开了基于MEMS器件的捷联惯性导航陀螺测斜仪，该专利所采用的传感器类别和本专利相同，都是采用了陀螺、加速度计、磁传感器，这些都是惯性导航中常用的传感器，该专利的优点是采用了 MEMS器件，这也将在本专利中采用，然而该专利并没有考虑井下的复杂状况，对于Kalman滤波方法的校正采用的是传统零速校正的方法，在井下剧烈振动产生的测量噪声背景下，无法实现准确的解算空间姿态。
[0009]专利CN 102562031B公开了一种定向井连续陀螺测斜系统，该发明基于惯性原理以及建立的角速率误差和加速度误差数学模型，在消除零偏、温漂等误差的基础上，实现了测斜仪静态下初始寻北作业以及动态、连续、全方位测斜功能，且对测斜误差可进行重力和地速补偿，同样的，该专利并没有考虑井下的复杂状况，也没有说明是否采用或者采用了那种滤波算法，对于钻柱振动所产生的测量噪声考虑不足。
[0010]参考文献
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【发明内容】
[0020]本发明的目的是提供一种底部钻具空间姿态连续测量装置，在保持连续测量钻具空间姿态的条件下，能够有效消除钻井内复杂环境以及钻柱振动产生的测量噪声。
[0021]为了实现上述目的，本发明提供的一种底部钻具空间姿态连续测量装置，包括测量短节，所述测量短节包括测控箱，测控箱内设有加速度计和陀螺仪；所述测量短节还包括
[0022]第一伺服电机，所述第一伺服电机通过传动机构能够带动测控箱沿第一伺服电机转轴的轴向运动；
[0023