一种旋转状态下重力加速度测量装置与提取方法与流程

本发明主要属于石油钻井随钻测量领域，具体涉及一种旋转状态下重力加速度测量装置与提取方法。

背景技术：

随钻测量是指在钻进过程中实时测量井眼轨迹参数，并利用钻井液、电磁波等作为媒介将信息传送到地表的过程。随钻测量仪器是定向钻井工程师的“眼睛”，是控制井眼轨迹必不可少的工具。在定向钻进过程中，钻头的方向信息对于正确钻进是至关重要的，对钻头方向的精确测量不但能够保证高效钻遇既定目标，同时也避免造成与相邻井眼的碰撞风险。因此，除了传统的底部钻具组合(包括钻头、螺杆钻具、扶正器、钻铤等)，定向钻井工具需要使用位置传感器测量井下钻具姿态，包括方位角(在水平面上与北向的偏角)、倾角(与垂直方向的偏角，亦称井斜角)和工具面角(相当于导航中的横滚角)，这些传感器与检测钻井工程参数的传感器(压力、振动、扭矩等)共同构成了随钻测量系统(Measurement While Drill,MWD)，该系统安装在距离钻头10米左右的无磁钻铤中。当前MWD系统使用三个加速度计测量井斜角和工具面角，使用三轴磁通门磁力计，并结合加速度计测量的井斜角和工具面角信息来测量方位角。

现有的MWD系统必须停钻测量，测量过程中除了泥浆循环外，整个钻柱是静止的，这种测量方式的好处是钻具旋转、振动、冲击等因素对加速度计测量结果的影响非常小，有利于提高测量精度。但缺点是只能隔一定的距离进行间断测量，实际工程应用中通常为每隔30米测量一次，测量点之间的井眼轨迹只能通过数学方法计算得来，因此无法获得精确的井眼轨迹信息。同时，由于静态测量，钻井作业必须频繁地停下来，特别是在定向井段，严重影响钻井效率，另外停钻还会影响井壁的稳定，测量结束后钻柱重新转动的过程需要承受较大的扭矩，给钻井安全带来一系列问题。近年来，页岩气等非常规油气资源的水平井开发、老油田开发后期精细开采、薄层和超薄层(1米以下)油气藏的开发对轨迹控制精度的要求越来越高，现有MWD的停钻间歇式测量模式难以满足要求。

现有MWD系统停钻测量的轨迹测量点数和测量效率之间存在矛盾，井眼轨迹动态连续测量已经成为定向钻井测量的发展趋势，例如近年来推出的近钻头随钻井斜测量仪和旋转导向工具均在近钻头处安装了三轴重力加速度计,进行井斜角和工具面角的测量，但测量精度与常规MWD还有差距。这是因为在钻进过程中，钻具的高速旋转、钻头切削岩石及钻柱与井壁的摩擦碰撞产生的强振动、强冲击井下环境给重力加速度测量带来了极大干扰，离心加速度、振动加速度和冲击加速度与重力加速度叠加在一起输出，如何从干扰环境中有效提取重力加速度对于提高井斜和工具面角的测量精度至关重要。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种旋转状态下重力加速度测量装置与提取方法，可有效压制旋转动态测量过程中，离心加速度、振动加速度和冲击加速度对重力加速度的干扰，实现重力加速度的精确提取，进而提高井斜和工具面的测量精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种旋转状态下重力加速度测量装置，所述装置包括传感器和测量电路，所述传感器包括三轴重力加速度计、参考测量传感器和温度传感器，所述三轴重力加速度计测量三个正交方向的加速度分量信号，所述参考测量传感器产生随旋转变化且不受振动和冲击影响的信号作为参考信号；所述温度传感器测量该装置内部的温度，用于重力加速度计的温度补偿，消除钻具温度对重力加速度计的影响；测量电路采集所述传感器的输出信号，利用参考信号和分别与温度补偿后的加速度分量信号做互相关处理，消除因旋转产生的离心加速度、振动和冲击等干扰得到无干扰的重力加速度。

进一步地，所述三轴重力加速度计为三个正交安装的重力加速度计，其中一个安装在钻具轴向上，另外两个沿钻具径向安装，三个重力加速度及安装方向符合右手坐标系；所述三轴重力加速度计和低通滤波器相连，低通滤波器对所述三轴重力加速度计输出的信号进行模拟滤波，滤除高于旋转频率的振动和冲击干扰，滤波后的信号被测量电路采集，所述低通滤波器的低通截止频率与所述三轴重力加速度计的频带和钻井转速相关。

进一步地，安装时，所述参考测量传感器的敏感轴与旋转轴的夹角取决于传感器类型，以使钻具旋转时，所述参考测量传感器能够在敏感轴方向上产生周期性变化。

进一步地，所述测量电路还包括模数转换器、存储器、微控制器和数据接口；所述模数装换器连接所述传感器和所述微控制器，所述微控制器连接所述存储器和所述数据接口；所述模数装换器与所述三轴重力加速度计间连接有所述低通滤波器；

所述模数转换器将所述传感器经过滤波的输出信号转换为所述控制器可接收模式；

所述存储器为EEPROM或FLASH，所述存储器存储所述传感器的温度标定系数、标度系数、偏置参数和安装误差修正系数；

所述控制器根据所述算法计算得到无干扰重力加速度；

所述数据接口用于数据的导入和导出。

进一步地，所述微控制器设计有数字滤波器以滤除Z轴向重力加速度计测量的因振动和冲击造成的干扰分量。

进一步地，所述重力加速度计是石英挠性加速度计或MEMS加速度计；所述参考测量传感器为磁力计、陀螺仪或光电编码器中的任意一种或任意两种及以上；

所述参考测量传感器为磁力计，利用磁力计测量旋转产生的磁场分量变化作为参考信号；

或所述参考测量传感器为陀螺仪，测量旋转产生的角速度，并通过积分获得角位移作为参考信号；

或所述参考测量传感器为光电编码器，测量旋转产生的角度变化作为参考信号。

一种旋转状态下重力加速度测量和提取方法，所述方法为利用三轴重力传感器分别测量钻具轴向Z和径向X、Y的重力加速度，利用所述参考测量传感器产生不受振动和冲击影响的因旋转产生的变化信号作为参考信号；利用所述温度传感器测量该装置内部的温度，对重力加速度计进行温度补偿；测量电路采集所述传感器的输出信号，将三轴重力加速度计测量的X轴向重力加速度和Y轴向重力加速度分别和归一化的参考信号互相关以消除X轴向重力加速度和Y轴向重力加速度因振动和冲击造成的干扰分量；同时利用微控制器设计数字低通滤波器滤除Z轴向重力加速度计测量的因振动和冲击造成的干扰分量，最终测量得到旋转状态下消除振动和冲击影响的三轴重力加速度。

进一步地，所述方法得到的重力加速度可用于计算旋转状态下的井斜态角和工具面角。

本发明的有益技术效果：

1、可有效从旋转、振动、冲击干扰中提取重力加速度信号，解决了传统的低通滤波提取方法无法滤出低于旋转频率的振动和冲击信号的问题；

2、可以实现动态连续测量，克服了现有MWD系统停钻测量的效率问题；

3、在原有重力加速度测量的基础上增加了参考测量传感器，参考测量安装方式灵活，结构简单。

本发明可用于石油钻井领域随钻测量系统、近钻头井斜测量仪器、旋转导向系统中，也可用于其他在旋转状态下需要动态实时测量重力加速度的应用场合，如惯性导航中。

附图说明

图1、实施例一中三轴重力加速度传感器和磁力计安装位置示意图；

图2、实施例一中旋转状态下重力加速度测量装置电路示意图；

图3、实施例一中旋转状态下重力加速度测量方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

一种旋转状态下重力加速度测量装置，包括传感器和测量电路，传感器包括三轴重力加速度计、参考测量传感器和温度传感器，三轴重力加速度计连接有低通滤波器，参考测量传感器的的敏感轴与旋转轴的夹角取决于传感器类型，以使钻具旋转时，所述参考测量传感器能够在敏感轴方向上产生周期性变化。三轴重力加速度计采用正交安装，Z轴沿钻具轴向，X、Y沿钻具径向。温度传感器紧邻三轴重力加速度计安装，以磁力计作为参考测量传感器，磁力计的敏感轴与X轴平行，安装方式如图1所示。测量电路包括模数转换器、存储器、微控制器和数据接口，所述装置的连接方式如图2所示。

使用上述装置测量旋转状态下重力加速度的方法为：利用三轴重力加速度计分别测量钻具轴向Z和径向X、Y的重力加速度，利用所述参考测量传感器产生不受振动和冲击影响的因旋转产生的变化信号作为参考信号；利用所述温度传感器测量该装置内部的温度，对重力加速度计进行温度补偿；测量电路采集所述传感器的输出信号，将三轴重力传感器测量的X轴向重力加速度和Y轴向重力加速度分别和归一化的参考信号互相关以消除X轴向重力加速度和Y轴向重力加速度因振动和冲击造成的干扰分量；同时利用微控制器设计数字低通滤波器滤除Z轴向重力加速度计测量的因振动和冲击造成的干扰分量，最终测量得到旋转状态下消除振动和冲击影响的三轴重力加速度。根据本测量方法得到无干扰的重力加速度可用于计算钻具旋转状态下的井斜角和工具面角，方法如图3所示。

旋转状态下重力加速度测量和提取方法具体为：

(1)加速度计信号测量

所述重力加速度测量装置安装在钻具上，钻进时随钻具一起绕Z轴旋转，设钻具的旋转角速度为ω＝2×π×f，模数转换器对信号的采样频率为则沿X轴方向安装的加速度传感器输出信号为：

为X轴向的加速度传感器的输出信号初始相位，g_x(k)为不含噪声的X轴重力加速度信号，n_x(k)为括电路产生的随机噪声、旋转产生的离心加速度、钻具受到振动及冲击干扰等在内的各种噪声信号。

Y轴方向的加速度传感器输出信号与X轴方向的加速度传感器输出信号在相位上相差90度。因此，y轴方向的加速度传感器的输出信号初始相位为度，则有：

g_x(k)为不含噪声的Y轴重力加速度信号，n_y(k)为包括电路产生的随机噪声、旋转产生的离心加速度、钻具受到振动及冲击干扰等在内的各种噪声信号。

对于采集生成的加速度计数字信号，需要进行温度补偿、传感器标度因数和偏置修正、安装误差修正等。

(2)磁参考信号测量

在测量装置中安装一个磁力计作为参考测量传感器，由于磁力计在水平面上(X和Y方向)测出的信号较好，为此安装时使磁力计的敏感轴与X轴平行，其输出作为参考信号，归一化后的磁力计信号表示为：

(3)相关检测提取重力加速度方法

X轴和Y轴加速度计测得的信号分别与磁力计的参考信号相关，公式(1)与公式(4)进行互相关运算，得到X轴与磁力计的相关信号。

式(5)中，正弦信号与随机噪声不相关，因此和为零；因磁力计对振动信号不敏感，因此加速度信号的随机噪声与磁参考信号的随机噪声相关性很弱，因此

同理，公式(3)与公式(4)进行互相关运算，得到Y轴与磁力计的相关信号。

对比公式(1)与(6)，有：

式(9)为去除噪声后的X轴方向的加速度传感器输出信号。

对比公式(2)与(8)，有：

式(10)为去除噪声后的Y轴方向的加速度传感器输出信号。

由于Z轴为旋转轴，考虑到实际钻井过程中，Z轴向的加速度只有井斜角发生变化时才变化，而井斜角变化非常缓慢，因此Z轴加速度信号为一缓慢变化的直流量，在微控制器里通过设计数字低通滤波进一步对振动和冲击干扰进行滤除。

进一步根据本测量方法得到的重力加速度可用来计算钻具的井斜和工具面角。

(4)井斜和工具面角计算方法

井斜角为：

工具面角为：

其中g_z为经过数字低通滤波的Z轴重力加速度信号。