专利名称：小角度井斜姿态测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明应用于石油工程，属于精密测量仪器领域，特别涉及小角度井斜姿态测量 方法及装置。
背景技术：
垂直钻井是未来国内外深井和超深井石油勘探开发的主要技术，其中小角度井斜 姿态测量是一个关键技术“瓶颈”。根据井下姿态测量原理，姿态传感器的输出是井斜角、 工具面角和方位角的三角函数，在垂直小角度井斜时，传感器输出信号非常微弱，很难同时 兼顾分辨率和抗干扰的性能要求。而小角度井斜姿态的精确测量是垂直钻井控制的基本依 据，测不准就无从谈起精确控制，也就无法达到垂直钻井的目的。采用3个轴向安装、互相垂直的加速度计来实现姿态测量。在地理坐标系(北西 天ONWS坐标系)中建立钻具仪器坐标系(0ΧΥΖ坐标系)。两个坐标系初始重合，N轴沿当 地子午线指北，W轴沿当地纬线指西，S轴沿当地地垂线指天，NW面为当地水平面，NS面为 当地子午面。定义方位角A为工具在水平面内从地理北向旋转到井轨迹在水平面投影的 角，井斜角I为井眼轴线与重力矢量之间的夹角(锐角)，工具面角T为从重力高边旋转到 工具高边的夹角。ONWS坐标系绕OS轴旋转角A到0&Y石，绕OY1轴旋转角I到0 ,再 绕0 轴旋转角T到OX3YJ3,就得到钻具当前OXYZ坐标系。将地球重力加速度g向仪器坐标系上投影，可得三轴加速度计输出为
权利要求
1. 一种小角度井斜姿态测量方法，利用捷联式惯性导航平台来实现姿态测量，平台上 有三个轴向安装、互相垂直但不相交的加速度计，三个加速度计分别为X加速度计，Y加速 度计和Z加速度计，X加速度计方向沿当地子午线指北，Y加速度计方向沿当地纬线指西，Z 加速度计方向沿当地地垂线指天，XY面为当地水平面，)(Z面为当地子午面，即通常的北西 天坐标系，其特征在于，首先，以位于中间位置的加速度计检测元件的中心0为原点，以通过点0且平行于X加 速度计的直线为X轴，以通过点0且平行于Y加速度计的方向为Y轴，以通过点0且平行于 Z加速度计的方向为Z轴，建立常规的正交测量仪器坐标系OXYZ ；然后，将常规的正交测量仪器坐标系(》^绕￥轴逆时针或顺时针旋转θ角， 30°彡θ <60°，得到新的测量仪器坐标系OXciYciZci,即将X加速度计绕Y轴逆时针或顺时 针旋转θ角，Z加速度计同时也绕Y轴逆时针或顺时针旋转θ角，30° < θ <60°，Y加 速度计方位不变，其中X加速度计、Y加速度计和Z加速度计的检测元件的中心始终在同一 直线上；接着，根据非正交的测量仪器坐标系0ΧΛΛ下各加速度计的测量结果，和公式计算常规的正交测量坐标系OXYZ下加速度计输出的值，其中G',指坐标系OXtlYc^下X加速度计输出的值，G',指坐标系OXtlY^1T Y加速度 计输出的值，G' 2指坐标系0ΧΛΛ下Z加速度计输出的值，θ指旋转的角度，(^指坐标系 OXYZ下X加速度计输出的值，Gy指坐标系OXYZ下Y加速度计输出的值，Gz指坐标系OXYZ 下Z加速度计输出的值；最后，定义仪器斜角I为仪器的三个加速度计的中心轴线与指向地心的重力矢量 的夹角，工具面角T为从正交坐标系下的重力铅垂面指北方向旋转到仪器三轴加速度 计中心轴线的铅垂面上倾方向的夹角，再由T = arctg(Gy/Gx)和I = arccos (-Gz/g)=90° +arcsin(Gz/g)或/ = arcsin(^/Gy2 + Gx2 /g)计算得到相应的仪器斜角I和工具面角T，而井斜角等于仪器斜角I，故可得出井斜姿态。
2.根据权利要求1所述的一种小角度井斜姿态测量方法，其特征在于，三个加速度计 从上到下的安装顺序为xyz、XZY, YXZ, YZX, ζχγ或者τι
3.根据权利要求1所述的一种小角度井斜姿态测量方法，其特征在于，所述的旋转角 度 θ =30°、45° 或者 60°。
4.一种小角度井斜姿态测量装置，该装置以捷联式惯性导航平台为基础，平台上有三 个轴向安装、互相垂直但不相交的加速度计，三个加速度计分别为X加速度计，Y加速度计 和Z加速度计，其特征在于，X加速度计与当地地垂线夹角为λ且X加速度计在水平面的 投影方向为沿当地子午线指北，Y加速度计方向沿当地纬线指西，Z加速度计与当地地垂线 夹角为λ且Z加速度计在垂直面上投影方向为当地地垂线指天，30° ^ λ <60°，其中X 加速度计、Y加速度计和Z加速度计的检测元件的中心始终在同一直线上，λ为锐角。
5.根据权利要求4所述的一种小角度井斜姿态测量装置，其特征在于，三个加速度计从上到下的安装顺序为xyz、XZY, YXZ, YZX, ζχγ或者τι
6.根据权利要求4所述的一种小角度井斜姿态测量装置，其特征在于，λ =30°、45° 或者60°。
全文摘要
本发明公开了一种小角度井斜姿态测量方法及装置，将常规的正交测量坐标系OXYZ绕Y轴旋转θ角得到新的测量仪器坐标系OX0Y0Z0，即将X加速度计绕Y轴旋转θ角，Z加速度计同时也绕Y轴旋转θ角，X加速度计与Z加速度计仍然保持正交，Y加速度计方位不变，然后根据新的测量仪器坐标系下加速度计输出的值，通过坐标变换公式得到常规的正交测量坐标系OXYZ下加速度计输出的值，本发明采用非正交坐标系，使垂直小角度井斜时测量传感器工作在线性度最好的区域，其输出有较大的输出幅度，可避免信号淹没，减小传感器的非线性失真，提高信号的精确度，得出精确的小角度井斜姿态测量结果。
文档编号E21B47/02GK102108856SQ20101058066
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者汤楠, 汪跃龙, 程为彬, 霍爱清 申请人:西安石油大学