专利名称：一种九加速度计连续测斜仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油、天然气等矿业勘探领域，涉及一种油气井的测量工具，尤其涉及一种测量油气井轨迹时所用的九加速度计连续测斜仪。
背景技术：
在钻井、开窗侧钻和打水平井的过程中，需要了解井眼轨迹，确保钻井工程的质量满足设计要求，测斜仪器正是基于此种目的而出现。国内外测斜仪器种类比较多，但总体上分为两类磁通门测斜仪和陀螺测斜仪。它们采用不同的测斜原理，使用的范围也不同，具体介绍如下磁通门测斜仪通常采用三个磁通门传感器测量地磁场矢量在仪器坐标系三个坐标轴上的投影分量，采用三个加速度计测量重力加速度矢量在仪器坐标系三个坐标轴上的投影分量，由于每个地理坐标的地磁场矢量和重力加速度矢量已知，通过坐标变换，并利用六个测量值可计算出油井在每个点上的倾斜角、工具面角和方位角，从而获得井眼轨迹。磁通门测斜仪分点测和连测，抗震性能和抗冲击性能比较强，可以用于随钻测量。但磁通门测斜仪易受周围磁场的影响，要求调试环境在3米内无铁磁物质，10米内无强磁场存在，只能用于裸眼井的测量，应用范围受到一定的限制。陀螺测斜仪分为点测陀螺测斜仪和连续陀螺测斜仪。点测陀螺测斜仪进行工作时，有意识的将井深分成若干段，将仪器在每个节点上停留几分钟，测量该节点的倾斜角、 工具面角和方位角，然后将所有节点的轨迹连接起来就可以获得井眼的轨迹。点测陀螺测斜仪通常采用一个二自由度陀螺测量地球自转角速度矢量在仪器平面的两个轴向的投影角速度分量，采用三个加速度计测量重力加速度矢量在仪器坐标系三个坐标轴上的投影分量，由于每个地理坐标的地球自转角速度矢量和重力加速度矢量已知，通过坐标变换，并利用五个测量值和油井当地纬度即可计算出油井在每个点上的倾斜角、工具面角和方位角， 从而获得井眼轨迹。点测陀螺测斜仪不受磁场环境的限制，既可以测试裸眼井，还可以测试套管井，但其抗震性能和抗冲击性能比较弱，不适合随钻测量，由于采用分段测量，测量精度较低，另外点测陀螺测斜仪在进行测量前先等仪器静止，测量时间比较长。连续陀螺测斜仪无需将井深分段，可以对油气井进行连续测量，但考虑到陀螺飘移的变化，在工程应用中每隔一定的时间需要将仪器停下来，对陀螺进行零点对准。连续陀螺测斜仪通常采用两个二自由度动调陀螺或三个单自由度的光纤陀螺，测量仪器坐标系中三个坐标轴上的角速度分量，采用三个加速度计测量重力加速度矢量在仪器坐标系三个坐标轴上的投影分量，在测量开始前先要采用寻北算法进行寻北。完成寻北后就可以进行测量，通常采用四元数捷联导航算法，计算出每个点的倾斜角、工具面角和方位角，从而获得井眼轨迹。连续陀螺测斜仪测量时间比点测陀螺测斜仪测量时间要缩短很多，测量精度也有一定的提高，不受磁场环境的限制，既可以测试裸眼井，也可以测试套管井，但其结构复杂，抗震性能和抗冲击性能比较弱，不适合随钻测量。由于采用寻北算法和陀螺捷联导航算法，数据处理比较复杂。[0006]目前裸眼井的测量通常采用磁通门测斜仪，套管井主要采用陀螺测斜仪，但磁通门测斜仪受磁场环境的影响，应用领域有一定的限制，陀螺测斜仪受陀螺技术的限制，抗震性能和抗冲击性能较弱，成本高，寿命有限，体积大，操作复杂，测量效率较低。随着国内外无陀螺捷联惯性导航系统研究的深入，将其应用于测井技术领域已成为可能，采用加速度计传感器的无陀螺测斜仪器的出现成为发展的必然。
实用新型内容为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种成本低、不受现场环境限制、使用寿命长、有较强的抗震性能和抗冲击性能、结构简单、可靠性高、反应快速、低功耗的九加速度计连续测斜仪。本实用新型的技术解决方案是本实用新型提供了一种九加速度计连续测斜仪， 其特殊之处在于所述九加速度计连续测斜仪包括传感器单元、信号调理和数据采集单元以及控制和数据处理单元；所述传感器单元输出信号通过信号调理和数据采集单元后送给控制和数据处理单元；所述传感器功能单元包括三组加速度计组，所述加速度计组同轴设
置在一起。上述加速度计组同轴平行设置在一起。上述加速度计组包括第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计；所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计相互正交设置在一起。上述传感器功能单元还包括用于测量传感器工作环境的温度的温度传感器。上述加速度计是石英挠性加速度计或硅微机械加速度计。上述九加速度计连续测斜仪还包括通信单元，所述通信单元与控制和数据处理单元电性连接。上述信号调理和数据采集单元包括运算放大器以及AD转换器；所述运算放大器与AD转换器电性连接。上述AD转换器是M位、8通道的AD转换器。上述控制和数据处理单元是基于DSP为核心的控制和数据处理单元。本实用新型的优点是本实用新型所提供的九加速度计连续测斜仪既可用于裸眼井的测量，也可以用于套管井的测量，即可用于随钻测量，也可用于井迹复查等独立使用的场合。由于本实用新型采用了无陀螺捷联惯性导航技术，避免了在陀螺测斜仪中陀螺控制电路的设计，使控制电路变得简单，功耗明显降低，由于加速度计的漂移比陀螺明显要低，以及高精度的加速度计的出现，使九加速度计测斜仪能够满足井眼轨迹的测量精度要求，其具体优点表现在以下几个方面1)测量速度快。在陀螺测斜仪中，点测在每个测量点都要使仪器停下来进行测量， 耗时费力，陀螺连续测量仪虽然可以进行连续测量，但由于陀螺的随机漂移，经过一段时间需要将仪器停下来，进行校准，而本实用新型所提供的九加速度计连续测斜仪不使用陀螺， 并且加速度计的随机漂移比陀螺的随机漂移小得多，无需在测试时校准，因此测量时间缩短很多。2)功耗低。在陀螺测斜仪中，由高速旋转的电机带动陀螺转子高速旋转，不仅容易产生热量，而且功耗大，而在无陀螺的九加速度计连续测斜仪中不存在此问题，功耗明显降低。3)结构简单。在陀螺测斜仪中，通常使用挠性陀螺或光纤陀螺，不仅陀螺结构复杂，而且控制电路复杂，要取得良好的效果，需要陀螺和控制电路很好的配合，另外陀螺的体积比较大，对工作温度的要求也比较高，在进行结构设计时要考虑多种因素，因此结构比较复杂。在无陀螺的九加速度计连续测斜仪中，由于加速度计的体积比较小，不需要复杂的控制电路，对工作温度要求不高，因此结构上容易设计，最终的结构也比较简单。4)可靠性高。在陀螺测斜仪中，陀螺的寿命有时间限制，抗冲击能力弱，在使用过程中又存在常值漂移，一次通电随机漂移，逐日漂移等随机漂移，使电路和算法的设计比较复杂，而在无陀螺的九加速度计连续测斜仪中，加速度计的寿命原则上没有时间限制，抗冲击能力也比较强，随机漂移比陀螺小得多，控制电路和算法也比较简单，可靠性明显提高。幻寿命长。在陀螺测斜仪中，陀螺转子绕定点高速旋转，将转子支撑在摩擦力极小的轴承上，由于陀螺在工作中存在磨损，因此陀螺测斜仪的寿命不长，而在无陀螺的九加速度计连续测斜仪中，加速度计的寿命原则上没有时间限制，寿命比较长，维护简单。6)应用范围广。九加速度计连续测斜仪不受磁场环境的限制，既可以用于裸眼井中，也可以用于套管井中，而且由于其抗冲击能力比较强，即可以用于随钻测量，也可以用于完井后，井眼轨迹测量。
图1是载体系在地球系中的位置示意图；图2是本实用新型所提供的九加速度测斜仪的配置方案示意图；图3是九加速度陀螺测斜仪的总体结构示意图；图4是本发明所提供的测斜仪的电路实现框具体实施方式
本实用新型的原理是本实用新型采用无陀螺捷联惯导技术，而无陀螺捷联惯导系统的加速度计都安装在载体的非质心处，载体的非质心处的比力方程是研究无陀螺捷联惯导系统的基础，具体推导如下参见图ι中，地球坐标系为0ΛΥΛ，载体坐标系为ObXbYbZb,载体运动角速度为 conb(rad/s)，设载体质心到地心的矢径为R，载体上任意一点P (非质心处)到其质心处的矢径为L，则P点到地心的矢径为R’为R' = R+L在惯性坐标系中，对上式求导得 dR
权利要求1.一种九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述九加速度计连续测斜仪包括传感器功能单元、信号调理和数据采集单元以及控制和数据处理单元；所述传感器功能单元通过信号调理和数据采集单元接入控制和数据处理单元；所述传感器功能单元包括至少三组加速度计组，所述加速度计组同轴设置在一起。
2.根据权利要求1所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述加速度计组同轴平行设置在一起。
3.根据权利要求2所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述加速度计组包括第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计；所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计相互正交设置在一起。
4.根据权利要求3所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述传感器功能单元还包括用于测量传感器工作环境的温度的温度传感器。
5.根据权利要求4所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述加速度计是石英挠性加速度计或硅微机械加速度计。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述九加速度计连续测斜仪还包括通信单元，所述通信单元与控制和数据处理单元电性连接。
7.根据权利要求6所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述信号调理和数据采集单元包括运算放大器以及AD转换器；所述运算放大器与AD转换器电性连接。
8.根据权利要求7所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述AD转换器是M 位、8通道的AD转换器。
9.根据权利要求8所述的九加速度计连续测斜仪，其特征在于所述控制和数据处理单元是基于DSP为核心的控制和数据处理单元。
专利摘要本实用新型涉及测量油气井轨迹时所用的一种九加速度计连续测斜仪，包括传感器功能单元、信号调理和数据采集单元以及控制和数据处理单元；传感器功能单元通过信号调理和数据采集单元接入控制和数据处理单元；传感器功能单元包括至少三组加速度计组，加速度计组同轴设置在一起。本实用新型提供了一种成本低、不受现场环境限制、使用寿命长、有较强的抗震性能和抗冲击性能、结构简单、可靠性高、反应快速、低功耗的九加速度计连续测斜仪。
文档编号E21B47/022GK202100251SQ20112020286
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者孙国鼎, 李晓东, 胡国峰, 胡森强 申请人:西安思坦仪器股份有限公司