一种用于钻井的动态旋转姿态测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于油田钻井技术领域，涉及钻井的姿态测量，特别是在进行旋转钻进的 特殊使用环境下的动态旋转姿态测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 20世纪80年代以来，国内外大部分油田相继进入开发后期，新探区块大部分处于 特殊环境，如海洋、滩海、沙漠等地区，这就使得勘探开发难度和成本大大增加。另一方面， 老油田为实现稳产，面临着大量的边缘油气藏、独立小油气藏、复杂断块油气藏、超薄油气 藏等难动用储量的开发问题。勘探开发形势的需要推动着井型的演变与发展，大位移井、超 薄油层水平井、多分枝井等复杂结构井在油气田勘探开发中所占的比例越来越大。旋转导 向钻井技术正是为了适应这些复杂结构井钻井作业的需要而出现的一项高新钻井技术，是 现代导向钻井的研究重点和发展方向。
[0003] 利用旋转导向钻井技术进行钻井作业时，不需要频繁起下钻就可以实现三维井眼 轨迹控制，且具有井眼轨迹更光滑，延伸距离更大的优点，对保证井眼轨迹质量，提高钻井 速度和效率，满足钻复杂结构井的需求都有重要意义。但这些现有的钻井系统只能在静态 情况下计算钻井姿态，需要等到系统钻停后再进行姿态解算，不能在系统钻进过程中实时 给出姿态信息，从而使得系统的工作效率比较低。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种能够动态情况下对钻井姿态进行测量的装置及方法，解决了钻井 系统只能在静态情况下进行姿态结算的难题，能够有效提高动态钻井系统的工作效率。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006] -种用于钻井的动态旋转姿态测量装置，包括：
[0007] 悬挂浆，用于搭载钻井装置的旋转导向系统；
[0008] 抗压筒，与悬挂浆连接，其内设有电源板、电路板、磁性传感器、加速度计和陀螺 仪；所述磁性传感器、加速度计和陀螺仪分别测量地球磁场分量、地球重力分量和整个装置 的转速；所述电路板实时采集所述磁性传感器、加速度计和陀螺仪的测量数据，进而计算动 态旋转状态中的钻井姿态。
[0009] 进一步地，还包括一机械框架，固定于所述抗压筒内，所述电源板、电路板、磁性传 感器、加速度计和陀螺仪固定于该机械框架上。
[0010] 进一步地，所述机械框架通过螺纹的方式与抗压筒相连，电源板和电路板通过螺 钉与机械框架连接，磁性传感器采用胶封的方式固定在机械框架中的凹槽中，惯性传感器 通过螺钉与机械框架紧固相连。
[0011] 进一步地，所述悬挂浆通过螺纹和连接器与所述抗压筒连接。
[0012] 进一步地，所述电路板通过连接器与所述磁性传感器、加速度计和陀螺仪相连，电 路板上设有A/D转换芯片和单片机，其中A/D转换芯片用于将检测到的各个传感器的输出 电压并由模拟量转换成数字量，单片机实时采集数字量的数据，以便进行下一步的姿态和 物理量的计算。
[0013] 进一步地，在各传感器（磁性传感器、加速度计和陀螺仪）、电路板和电源板与机 械框架安装的地方设有若干密封槽，其内安装有密封圈，起到多重密封作用，防止工作过程 中井下液体进入装置中。
[0014] 一种利用上述装置的钻井的动态旋转姿态测量方法，其步骤包括：
[0015] 1)通过磁性传感器、加速度计和陀螺仪分别测量地球磁场分量、地球重力分量和 整个装置的转速，将各个传感器采集的物理输入转换成电压输出；
[0016] 2)根据安装误差系数和陀螺仪得到的转速，在加速度计的输出项中去除有害加速 度项，实现误差补偿；
[0017] 3)根据加速度计和磁性传感器采集的地球磁场和地球重力数据计算钻井的动态 旋转姿态。
[0018] 进一步地，在电路板中设置计时功能，步骤3)首先判断系统时间是否大于计算时 间点，如果大于计算时间点则进行姿态计算，否则继续进行时间累计和存储数据。
[0019] 本发明的动态旋转姿态测量装置和方法具有实时性的特点，不需等到系统钻停后 再进行姿态解算，可以测量动态旋转状态下的钻井姿态，在系统钻进过程中实时给出姿态 信息，有效的提高了系统的工作效率，对动态钻井具有重要作用。
【附图说明】
[0020] 图1是动态姿态旋转测量装置的结构图。
[0021] 图2是悬挂浆的形状示意图。
[0022] 图3是应用动态姿态旋转测量装置进行姿态测量的流程图。
[0023] 其中：1.悬挂浆；2.抗压筒；3.电源板；4.电路板；5.磁通门（磁性传感器）； 6.机械框架；7.密封圈；8.加速度计；9.陀螺仪。
【具体实施方式】
[0024] 下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
[0025] 图1是本发明的动态旋转姿态测量装置的的结构图。该装置包括：悬挂浆1 ;抗压 筒2 ;电源板3 ;电路板4 ;磁通门5 (磁性传感器）；机械框架6 ;密封圈7 ;加速度计8 ;陀螺 仪9,其中8和9为惯性传感器。
[0026] 其中，悬挂浆1设于抗压筒2的两端，图2是悬挂浆1的具体形状放大图。悬挂浆 上设有凸起，使得整个装置能够更方便地与旋转导向系统其它的钻井装置连接，提高安装 精度和工作效率。
[0027] 悬挂浆1通过螺纹和连接器与抗压筒2连接。抗压筒2采用不锈钢等抗压材料实 现。机械框架6通过螺纹的方式与抗压筒2相连。电源板3和电路板4通过螺钉与机械框 架6连接，磁性传感器5采用胶封的方式固定在机械框架6中的凹槽中，惯性传感器8、9通 过螺钉与机械框架紧固相连。各个部件之间的电气连接采用连接器的方式相连。惯性传感 器陀螺仪9负责测量整个系统的转速，起到了一个关键的作用。本发明创新性的利用磁性 传感器和惯性传感器陀螺仪共同作用来进行钻井的姿态测量。在传感器、电路板和电源板 与机械框架安装的地方都设有密封槽，用于安装密封圈7,与抗压筒连接之后起到多重密封 的作用，防止工作过程中井下液体进入此装置中。
[0028] 电源板3用于为装置中的其它需要用电的部件供电。电路板4通过连接器与各个 传感器5、8、9相连，电路板4上设有A/D转换芯片和单片机，其中A/D转换芯片用于将检测 到的各个传感器的输出电压由模拟量转换成数字量，单片机实时采集数字量的数据，以便 进行下一步的姿态和物理量的计算。
[0029] 在钻井过程中，本发明的动态旋转姿态测量装置搭载在钻井装置的旋转导向系统 上，由电机带动系统进行旋转钻进。在钻进过程中，电路板4上的采集计算机（单片机） 高速采集磁性和惯性传感器数据，通过电路板4上的A/D转换芯片将传感器输出的电压模 拟量转换成数字量，然后利用这些数据进行计算，得到系统的姿态，并将数据发送给地面主 机，达到控制系统钻进方向的目的。在有转速测量的情况下，进行数据高速采集、滤波，根据 陀螺传感器采集的转速，利用最小二乘法对磁性传感器和惯性传感器进行加速度补偿，之 后根据进行数据平均后计算出姿态角和需要的物理量。
[0030] 具体来说，采用上述系统进行动态旋转姿态测量的流程如图3所示，具体包括如 下步骤：
[0031] 1)采集数据
[0032] 工作过程中，磁性传感器、加速度计和陀螺