静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置及方法与流程

本发明涉及石油工业技术领域，特别涉及一种静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置及方法。

背景技术：

现有技术中，随钻测井仪器依靠其自身携带的加速度计采集的加速度数据判断重力工具面，然而，在钻井过程中，随钻测井仪器随钻柱旋转，其内置的加速度传感器很难测得准确的重力工具面。在可调研的现有技术中，旋转导向后方的随钻测井仪器的分辨率最高为16扇区，不利于方位测井的进一步精细化。降低了旋转导向系统中的随钻测井仪器的姿态监测的准确度，不利于旋转导向系统的自动巡航。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置，以解决现有技术中监测旋转导向系统姿态的过程存在准确度低的技术问题。该系统包括，静态偏置旋转地质导向系统至少包括一个不旋转偏置单元和在所述不旋转偏置单元的中心轴线上设置的驱动轴，所述驱动轴与钻头保持同等转速，所述不旋转偏置单元与大地保持相对静止(该相对静止是指：由于静态偏置旋转导向一般通过设置于不旋转偏置单元外圆周面上的推靠臂或推靠滚轮与井壁抵靠接触，以通过摩擦力限制不旋转偏置单元的旋转，进而使得不旋转偏置单元与大地保持相对静止)，该装置包括：

第二姿态测量模块，所述第二姿态测量模块设置于所述不旋转偏置单元上，用于测量所述不旋转偏置单元的重力工具面角，所述第二姿态测量模块包括至少一个第二加速度测量子模块，所述第二姿态测量模块中的第二加速度测量子模块至少包含两个可测量不旋转偏置单元径向加速度分量的加速度传感器；

转动测量模块，设置于所述不旋转偏置单元和/或所述驱动轴上，所述转动测量模块用于测量所述不旋转偏置单元与所述驱动轴之间的相对转动数据，其中，所述静态偏置旋转地质导向系统中设置有随所述驱动轴同步旋转的随钻测井仪器；

计算设备，与所述第二姿态测量模块和所述转动测量模块电连接，所述计算设备用于获取所述第二姿态测量模块测得的所述不旋转偏置单元的重力工具面角和所述转动测量模块测得的相对转动数据，根据获取的所述不旋转偏置单元的重力工具面角和相对转动数据计算所述随钻测井仪器的重力工具面角。

本发明实施例还提供了一种静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测方法，以解决现有技术中监测旋转导向系统姿态的过程存在准确度低的技术问题。该方法包括：

静态偏置旋转地质导向系统至少包括一个不旋转偏置单元和在所述不旋转偏置单元的中心轴线上设置的驱动轴，所述驱动轴与钻头保持同等转速，所述不旋转偏置单元与大地保持相对静止，所述方法包括：

在所述不旋转偏置单元上设置第二姿态测量模块，采用所述第二姿态测量模块测量所述不旋转偏置单元的重力工具面角，其中，所述第二姿态测量模块包括至少一个第二加速度测量子模块，所述第二姿态测量模块中的第二加速度测量子模块至少包含两个可测量不旋转偏置单元径向加速度分量的加速度传感器；

采用转动测量模块测量所述不旋转偏置单元与所述驱动轴之间的相对转动数据其中，所述静态偏置旋转地质导向系统中设置有随所述驱动轴同步旋转的随钻测井仪器；

获取所述第二姿态测量模块测得的不旋转偏置单元的重力工具面角和所述转动测量模块测得的相对转动数据，根据获取的不旋转偏置单元的重力工具面角和相对转动数据计算所述随钻测井仪器的重力工具面角。

在本发明实施例中，提出了通过第二姿态测量模块测量不旋转偏置单元的重力工具面角，通过转动测量模块测量不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据，进而根据获取的重力工具面角和相对转动数据计算随驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角。由于该类型旋转导向的不旋转偏置单元相对大地是大体上不旋转的，可以获得较为精准的不旋转偏置单元的重力工具面角，通过转动测量模块也能避免磁干扰等问题进而获取相对较准确的不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据，使得基于不旋转偏置单元的重力工具面角以及不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据的计算结果可以相对更准确，即本申请可以获取相对更准确的随驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的另一种静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置安装在静态偏置旋转地质导向系统上的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的图1中a部分的放大示意图；

图3是本发明实施例提供的一种旋转导向系统设置随钻测井仪器的连接示意图；

图4是本发明实施例提供的一种旋转导向系统中导向单元后方顺序设置柔性节和随钻测井仪器的连接示意图；

图5是本发明实施例提供的一种静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测方法的流程图。

附图标号如下：

1不旋转偏置单元

2驱动轴

21驱动轴上旋转部

22驱动轴中心轴

23驱动轴下旋转部

3随钻测井仪器

31随钻测井电路

11乏液存储腔

10翼肋

12活塞缸

14活塞

13翼肋盖板

15电器接头

4液压动力模块

42电动机

41泵

43动力管路

44回液管路

51能量传输模块输出端

52能量传输模块接收端

55第二姿态测量模块

54液压模块驱动电路

81第二止推轴承

82第二扶正轴承

83第一扶正轴承

84第一止推轴承

118能量传输模块输出端控制电路

119驱动轴电路骨架

91滑环下环

92滑环上环

171滑环下本体

172滑环上本体

174滑环下本体内置数据线

175滑环上本体内置数据线

142柔性管体

143中心管

151加速度传感器

152第一姿态测量电路

153磁场强度传感器

161承压壳体

162蓄电装置

163伽马探测器

164伽马探测器盖板

165承压壳体第一扶正器

166承压壳体第二扶正器

173流道转换器

176超深孔

177数据线

178流道转换器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明实施例中，如图1、图3、图4所示，本申请的静态偏置旋转地质导向系统包括不旋转偏置单元1、驱动轴总成、静态偏置旋转导向的液压系统4、静态偏置旋转导向的偏置系统以及静态偏置旋转导向的电力系统等，所述驱动轴总成至少包括驱动轴上旋转部21、驱动轴中心轴22以及驱动轴下旋转部23，其中，

静态偏置旋转导向的液压系统4(或称为液压动力模块)：所述液压系统4包括连接有电动机42的液压泵41、动力液管路43和回液管路44，所述动力液管路43上设有节流阀，所述不旋转偏置单元1的筒壁上设有液压动力容置腔和回液存储腔，所述电动机42和所述液压泵41设置于所述液压动力容置腔内，各所述缸筒通过所述动力液管路与所述液压泵41密封连通，所述动力液管路通过所述回液管路与所述回液存储腔相连通。

静态偏置旋转导向的偏置系统：所述旋转导向是依靠不旋转偏置单元1改变井眼轨迹的，所述偏转控制机构包括至少一组驱动组件，所述驱动组件包括设置于所述不旋转偏置单元的至少三组沿所述不旋转偏置单元的径向间隔设置的活塞缸12、活塞14和翼肋10，所述活塞缸12与动力液管路密封联通，所述活塞14能朝向或者远离所述驱动轴总成的轴线移动使推靠机构推抵井壁，实现导向。

静态偏置旋转导向的电力系统：所述定向钻孔装置还包括电力系统，所述电力系统包括能量传输件、设置于所述不旋转偏置单元1的内部设置有控制电路和测量电路，所述能量传输模块包括在所述驱动轴总成与不旋转偏置单元之间套设于驱动轴上的能量传输模块输出端51、以及在所述不旋转偏置单元1与驱动轴总成之间位置设置于不旋转偏置单元上的能量传输模块接收端52，所述能量传输模块输出端51与所述电路接头电连接，所述能量传输模块接收端52与所述能量传输模块输出端控制电路118和所述第二姿态测量模块55连接，所述控制电路118与所述电动机42电连接，所述能量传输模块为无线能量传输模块，所述能量传输模块输出端51为无线能量传输模块输出端，所述能量传输模块接收端52是无线能量传输模块接收端。

在本发明实施例中，提供了一种静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置，静态偏置旋转地质导向系统至少包括一个不旋转偏置单元1和从所述不旋转偏置单元1中间穿越设置的驱动轴2，所述驱动轴与钻头保持同等转速，所述不旋转偏置单元与大地保持相对静止，如图1所示，静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置设置于静态偏置旋转地质导向系统上，该装置包括：

第二姿态测量模块55，所述第二姿态测量模块55设置于所述不旋转偏置单元1上，用于测量所述不旋转偏置单元1的重力工具面角，所述第二姿态测量模块包括至少一个第二加速度测量子模块，所述第二姿态测量模块中的第二加速度测量子模块至少包含两个可测量不旋转偏置单元径向加速度分量的加速度传感器；

转动测量模块，设置于所述不旋转偏置单元1和/或所述驱动轴2上(例如，转动测量模块设置于不旋转偏置单元1上或设置于驱动轴2上，还可以分体设置于所述不旋转偏置单元1和所述驱动轴2上，即转动测量模块包括多部分器件时，一部分器件可以设置于所述不旋转偏置单元1，另一部分器件可以设置于所述驱动轴2上)，所述转动测量模块用于测量所述不旋转偏置单元1与所述驱动轴2之间的相对转动数据，其中，静态偏置旋转地质导向系统中设置有随所述驱动轴2同步旋转的随钻测井仪器3(如图3、图4所示)；具体的，随钻测井仪器3可以采用包括但不限于螺纹连接、插接、耦合连接等方式与驱动轴相连，即随钻测井仪器3可以位于驱动轴2上也可以位于驱动轴2的后方。

计算设备，与所述第二姿态测量模块和所述转动测量模块电连接，所述计算设备用于获取所述第二姿态测量模块测得的重力工具面角和所述转动测量模块测得的相对转动数据，根据获取的重力工具面角和相对转动数据计算随所述驱动轴同步旋转的随钻测井仪器3的重力工具面角。

由图1所示可知，在本发明实施例中，提出了通过第二姿态测量模块测量不旋转偏置单元的重力工具面角，通过转动测量模块测量不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据，进而根据获取的重力工具面角和相对转动数据计算随驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角。由于该类型旋转导向的不旋转偏置单元相对大地是大体上不旋转的，可以获得较为精准的不旋转偏置单元的重力工具面角，通过转动测量模块也能避免近钻头磁干扰等问题进而获取相对较准确的不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据，使得基于不旋转偏置单元的重力工具面角以及不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据的计算结果可以相对更准确，即本申请可以获取相对更准确的随驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角。

具体实施时，转动测量模块可以包括磁体(该磁体可以是永磁体或者是电磁体)和磁场传感器，所述磁场传感器用于测量所述磁体的磁场，随着所述驱动轴的旋转，将所述磁场传感器感应到所述磁体产生的磁场达到预设强度的时刻作为对标时刻，即当所述磁场传感器测量到所述磁体的磁场达到预设强度时，表明驱动轴已经转过一个周期，其中，所述磁体设置在所述驱动轴的中心轴上，同时所述磁场传感器设置在所述不旋转偏置单元上；或者，所述磁场传感器设置在所述驱动轴的中心轴上，同时所述磁体设置在所述不旋转偏置单元上；此外，转动测量模块还可以包括旋转变压器，该旋转变压器测量所述驱动轴与所述不旋转偏置单元间的相对转动角度。

具体实施时，当所述转动测量模块包括磁体和磁场传感器时，所述计算设备通过以下方式计算随钻测井仪器的重力工具面角：

在所述对标时刻a，记录所述第二姿态测量模块测得的所述不旋转偏置单元1的重力工具面角β，将所述不旋转偏置单元的重力工具面角β作为所述驱动轴的重力工具面角，并将所所述不旋转偏置单元的重力工具面角β附加上所述随钻测井仪器3与所述述驱动轴2在所述对标时刻的结构角度差γ，将该附加结果α(即β+γ＝α)作为所述随钻测井仪器3在所述对标时刻a的重力工具面角，可以将任意一次对标时刻ai的随钻测井仪器3的重力工具面角记为αi；在非对标时刻的任意时刻t，将所述不旋转偏置单元的重力工具面角β附加上所述随钻测井仪器3从该任意时刻前的任意一次对标时刻ai至该任意时刻t转过的相对转角w得到第一附加结果(即β+w)将该第一附加结果(即β+w)作为所述驱动轴2在该任意时刻t的重力工具面角，将所述驱动轴2在该任意时刻t的重力工具面角附加上所述随钻测井仪器3与所述驱动轴2的结构角度差γ得到第二附加结果(即β+w+γ)，将该第二附加结果(即β+w+γ)作为所述随钻测井仪器3在该任意时刻t的重力工具面角，其中，所述结构角度差γ为所述随钻测井仪器的工具面角与所述驱动轴的工具面角之间的角度差。

具体的，所述磁场传感器可以采用霍尔传感器在内的任意一种磁场传感器。所述磁体可以采用电磁铁、磁钢在内的任意一种磁体。

具体实施时，所述相对转角w可以由驱动轴转速乘以时间间隔计算得到，也可以由角速度传感器直接测得，例如，上述静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置还可以包括，角速度传感器，设置于所述驱动轴2上或设置于所述驱动轴2上方的任意井下仪器(例如随钻测井仪器3)中，所述角速度传感器用于测量所述随钻测井仪器3的旋转角速度，通过随钻测井仪器3的旋转角速度乘以任意时刻前的任意一次对标时刻至该任意时刻之间的时长，即可得出随钻测井仪器3从该任意时刻前的任意一次对标时刻至该任意时刻转过的相对转角w。

具体的，上述角速度传感器可以采用陀螺仪。

具体实施时，当静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置包括角速度传感器时，所述角速度传感器随所述驱动轴2旋转，用于测量所述随钻测井仪器的旋转角速度，此时，上述计算设备通过以下方式计算随钻测井仪器3的重力工具面角：

在所述对标时刻a，记录所述第二姿态测量模块测得的所述不旋转偏置单元1的重力工具面角β，将所述不旋转偏置单元的重力工具面角β作为所述驱动轴的重力工具面角，并将所所述不旋转偏置单元的重力工具面角β附加上所述随钻测井仪器3与所述述驱动轴2在所述对标时刻的结构角度差γ，将该附加结果α(即β+γ＝α)作为所述随钻测井仪器3在所述对标时刻a的重力工具面角，可以将任意一次对标时刻ai的随钻测井仪器3的重力工具面角记为αi；在非对标时刻的任意时刻t，根据角速度传感器测得的随钻测井仪器的旋转角速度计算出所述随钻测井仪器3从该任意时刻前的任意一次对标时刻ai至该任意时刻t转过的相对转角w，将所述不旋转偏置单元的重力工具面角β附加上相对转角w得到第一附加结果(即β+w)将该第一附加结果(即β+w)作为所述驱动轴2在该任意时刻t的重力工具面角，将所述驱动轴2在该任意时刻t的重力工具面角附加上所述随钻测井仪器3与所述驱动轴2的结构角度差γ得到第二附加结果(即β+w+γ)，将该第二附加结果(即β+w+γ)作为所述随钻测井仪器3在该任意时刻t的重力工具面角，其中，所述结构角度差γ为所述随钻测井仪器的工具面角与所述驱动轴的工具面角之间的角度差。

具体实施时，在本实施例中，还可以更便捷地计算随钻测井仪器3的重力工具面角：

所述转动测量模块包括至少两个磁体和至少一个磁场传感器，所述磁场传感器用于测量所述磁体的磁场，其中，至少两个所述磁体沿不旋转偏置单元的径向设置在所述不旋转偏置单元上且相邻两个磁体互成预设夹角，至少一个所述磁场传感器设置在所述驱动轴上；或者，至少两个所述磁体沿驱动轴的径向设置在所述驱动轴上且相邻两个磁体互成预设夹角，至少一个所述磁场传感器设置在所述旋转偏置单元上；

所述计算设备，还用于在任意时刻根据所述磁场传感器测得的所述磁体的磁场强度计算所述不旋转偏置单元与所述驱动轴之间的相对角，将所述相对角附加上在该任意时刻所述第二姿态测量模块测得的所述不旋转偏置单元的重力工具面角得到第三附加结果，将该第三附加结果作为所述驱动轴在该任意时刻的重力工具面角，将所述驱动轴在该任意时刻的重力工具面角附加上所述随钻测井仪器与所述驱动轴的结构角度差得到第四附加结果，将该第四附加结果作为所述随钻测井仪器的重力工具面角。

具体实施时，为了可以获取准确的驱动轴2与所述随钻测井仪器3的结构角度差，在本实施例中，通过以下方式测取驱动轴2与所述随钻测井仪器3的结构角度差：

上述静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置还包括：

第一姿态测量模块，设置于所述驱动轴2上，所述第一姿态测量模块至少包括第一加速度测量子模块，其中，所述第一加速度测量子模块用于测量钻柱在静态下时所述驱动轴的重力工具面角；

第三加速度测量子模块，设置于所述钻测井仪器3内，所述第三加速度测量子模块用于测量钻柱在静态下时所述随钻测井仪器3的重力工具面角；

所述计算设备，还用于计算钻柱在静态下时所述驱动轴的重力工具面角和钻柱在静态下时所述随钻测井仪器的重力工具面角之间的角度差值，该角度差值为所述驱动轴与所述随钻测井仪器的结构角度差γ。

具体的，上述计算设备可以设置在静态偏置旋转导向的姿态监测装置中，也可以设置在静态偏置旋转导向的姿态监测装置之外。

具体实施时，如图1所示，驱动轴2与不旋转偏置单元1通过第一扶正轴承83和第二扶正轴承82保持同轴连接，驱动轴与不旋转偏置单元1通过第一止推轴承84和第二止推轴承81实现悬挂连接。

具体实施时，上述静态偏置旋转地质导向系统可以包含静态推靠式旋转导向系统、静态指向式旋转导向系统、静态混合式旋转导向系统等静态偏置旋转导向系统工具。

具体的，所述扶正结构可以是扶正器、流道转换器178等能在承压壳体161和外管体之间起到扶正作用的结构。所述第一姿态测量模块通过位于其上部和下部的两个扶正结构保证其所在的承压壳体161与外管体同轴，第一姿态测量模块所在电路骨架固定于承压壳体161内部，因此第一姿态测量模块与承压壳体161同轴。例如，如图1所示，采用的第二扶正结构就是扶正器166，扶正器166与柔性节的接触点在柔性段的下起始点处。而第一扶正结构可以是如图1所示的第一扶正器165，也可以是流道转换器178。

具体实施时，所述第一姿态测量模块可以包括至少一套第一加速度测量子模块，可利用第一加速度测量子模块中的加速度计对井斜角和/或驱动轴2的重力工具面角进行测量，所述第一姿态测量模块设置于承压壳体161内，所述承压壳体161设置于钻具的内部流道中，所述承压壳体161与钻具外壁采用扶正结构支撑，所述钻具外壁可以是柔性节外壳也可以是驱动轴外壳。

具体实施时，如图1所示，第一姿态测量电路152可以承载第一加速度测量子模块的分析电路。

具体实施时，如图1所示，所述第一姿态测量模块可以设置于旋转导向的芯轴轴线上，例如，可以设置于柔性节内部但在柔性段下方的位置，如图4所示，柔性节设置在不旋转偏置单元下方，图4中b所示区段为柔性节(例如，柔性节区段可以采用一段直径小于不旋转偏置单元的低刚度过钻杆实现)，柔性段是柔性节上外直径比所述驱动轴上旋转部21的外直径小75％的区段，或者柔性段是所述柔性节上惯性矩比不旋转偏置单元的惯性矩小60％的区段，本申请发明人发现，在柔性节上惯性矩比不旋转偏置单元的惯性矩小60％的区段的范围内，钻柱刚度不会发生过大的变化。第一姿态测量模块具体可以设置于承压壳体161内，承压壳体161与柔性节柔性段下方的任意位置采用扶正结构进行同轴扶正，例如，承压壳体161上端设置有多个第二扶正器166和承压壳体161下端设置有多个第一扶正器165，第一姿态测量模块所在的承压壳体161上部的第一个第二扶正器166可以设置在柔性段下起始点上方300毫米以下的位置，第一姿态测量模块所在的承压壳体161下部的第一个第一扶正器165可以设置于不旋转偏置单元的上方。

具体实施时，第一姿态测量模块所在的承压壳体161下部也可以仅设置一个第一扶正器165，以便于第一姿态测量模块所在的承压壳体161从柔性节上部插入。

具体实施时，第二扶正器166和第一扶正器165可以为橡胶减震扶正器，也可以是包裹橡胶的扶正器或者是橡胶材料制作的扶正器。

具体实施时，第一姿态测量模块中的加速度传感器151(即第一加速度测量子模块)可以设置于承压壳体161上部的第一个第二扶正器166和承压壳体161下部的第一个第一扶正器156之间的任意位置上。

具体实施时，所述第二姿态测量模块55中的所述第二加速度测量子模块包括三个加速度传感器时，该三个加速度传感器两两正交安装。当所述第二姿态测量模块55中的所述第二加速度测量子模块包括三个加速度传感器时，一般相互正交安装，且沿着不旋转偏置单元1径向方向安装。

具体的，第二加速度测量子模块包括三个加速度传感器时，其中2个加速度传感器沿不旋转偏置单元的径向安装，第三个加速度传感器沿不旋转偏置单元的轴向安装。第二加速度测量子模块包括三个以上的加速度传感器时，其中2个加速度传感器沿不旋转偏置单元的径向安装，第三个加速度传感器沿不旋转偏置单元的轴向安装，其余的加速度传感器的安装需要于前三个加速度传感器均保持一定的角度间隔进行安装，用于辅助测量。

具体实施时，上述加速度传感器可以为挠性石英加速度传感器、压阻式微机械加速度传感器或电容式微机械加速度传感器。做为优选，第二姿态测量模块既可用于测量旋转导向工具不旋转偏置单元在振动条件下的重力工具面角，也可用于测量动态井斜。

具体实施时，所述静态偏置旋转导向中可以包括3-4个液压系统，所述3-4个液压系统沿周向布置于不旋转偏置单元1的外侧，所述液压系统包括液压动力模块4和液压模块驱动电路54；在导向作业期间，主控电路会根据第二姿态测量模块55的测量结果标定各个液压模块工具面角度，进而通过对液压模块进行调整，使各个液压模块产生的推力的合力朝向需求导向的方向。

具体实施时，主控电路、液压模块驱动电路54和第二姿态测量模块55可以沿周向成环状布置于不旋转偏置单元1上。

具体实施时，为了提高测量不旋转偏置单元的工具面的精度，在本实施例中，所述第二姿态测量模块55，还包括：

至少一套角速度测量设备，用于测量静态偏置旋转导向的所述不旋转偏置单元以导向单元轴线为中心旋转的角速度，其中，所述角速度用于辅助加速度测量子模块测得重力工具面角。具体的，所述角速度测量子模块可以采用单轴、双轴或三轴的陀螺仪。

具体实施时，为了提高测量不旋转偏置单元的工具面的精度，在本实施例中，所述第二姿态测量模块55，还包括：至少一套磁场强度测量子模块，用于测量静态偏置旋转导向的所述不旋转偏置单元的磁工具面。

具体实施时，在现有技术中，由于导向单元在停钻期间无法获得有效的电力供应，导向单元处的井斜角只能在振动条件下测量，导致旋转导向难以获得精确的近钻头井斜角以及近钻头方位角，为了实现旋转导向的高精度近钻头测量，需确保在关泵、开泵期间都可以测量导向单元的姿态，在本实施例中，所述静态偏置旋转地质导向系统(例如柔性节上部)设置有井下涡轮发电机，所述第一姿态测量模块使用所述旋转导向系统中的井下涡轮发电机和/或蓄电装置162来供电，所述蓄电装置162可以为电池或耐高温电容。

具体的，当井下涡轮发电机工作时，井下涡轮发电机可以通过总线为蓄电装置162充电，可以采用蓄电装置162和/或井下涡轮发电机为第一姿态测量模块供电，其中，井下涡轮发电机和蓄电装置162可以通过总线为旋转导向中的各个用电器供电。当井下涡轮发电机停止供电期间，由蓄电装置162为第一姿态测量模块供电，一般在接单根过程中井下涡轮发电机停止供电。例如，在泥浆泵开泵期间可以采用井下涡轮发电机为第一姿态测量模块供电，也可以采用发电机和蓄电装置162交替为第一姿态测量模块；在泥浆泵关泵期间可以采用蓄电装置162为第一姿态测量模块供电。

具体的，上述电池可以为耐温125摄氏度以上的充电电池或一次性电池。

具体实施时，当所述蓄电装置162为井下耐高温电容或耐高温充电电池时，所述耐高温电容或耐高温充电电池与第一姿态测量模块及随钻测井仪器3中的第三加速度测量子模块电连接，所述电连接方法可以是井下耐高温电容或耐高温充电电池与第一姿态测量模块直接相连，或者通过连接总线实现与第一姿态测量模块的电连接，采用所述井下涡轮发电机工作时，所述井下涡轮发电机通过总线为所述耐高温电容或耐高温充电电池充电，并在所述井下涡轮发电机不工作时，采用所述耐高温电容或耐高温充电电池可为第一姿态测量模块及随钻测井仪器3中的第三加速度测量子模块供电；

当所述蓄电装置162为不可充电电池时，采用所述电池通过电流流向控制器与所述总线连接，所述电流流向控制器仅允许电流由所述电池流向所述总线，采用所述不可充电电池通过所述总线为所述第一姿态测量模块及随钻测井仪器3中的第三加速度测量子模块供电，具体的，所述电流流线控制器可以是电路控制开关，也可以是二极管或类似功能的电子元器件。

具体实施时，上述蓄电装置162可以采用，例如，锂电池、镍氢电池、镍镉电池、耐高温电容组等。

具体实施时，如图2、图4所示，所述静态偏置旋转地质导向系统设置有总线，所述总线设置在中心管143中，所述中心管143设置在柔性节中，所述总线将井下涡轮发电机的电能发送给所述第一姿态测量模块及随钻测井仪器3中的第三加速度测量子模块进行供电。所述中心管143与第一姿态测量模块外侧的承压壳体161相连接，所述总线可从两侧绕过第一姿态测量模块与能量传输模块输出端控制电路118连接，能量传输模块输出端控制电路118将发电机的电能输送给所述第二姿态测量模块55进行供电。具体的，所述电池可以设置于中心管内，所述中心管143是设置于柔性节内部的承压管体，可以是任意直径的承压管体，也可以是直径较小的仅能过线的过线杆。

具体实施时，为了实现为第一姿态测量模块供电，在本实施例中，如图1所示，所述井下涡轮发电机与过线杆中的数据线177连接，过线杆中的数据线177将发电机的电能发送给所述第一姿态测量模块进行供电，过线杆中的数据线177与能量传输模块输出端控制电路118连接，能量传输模块输出端控制电路118将发电机的电能发送给所述第二姿态测量模块55进行供电。

具体的，在井下涡轮发电机可以供电期间(例如，涡轮发电机的供电电压可以是48福特)，电力从涡轮发电机接入，通过过线杆中的数据线177向旋转导向系统进行供电。例如，过线杆中的数据线将发电机的电能发送给所述第一姿态测量模块进行供电，过线杆中的数据线中的电力通过流道转换器178、驱动轴电路骨架119中的能量传输模块输出端控制电路118，进一步的控制驱动轴上的能量传输模块输出端51传递电力给设置于不旋转偏置单元1上的能量传输模块接收端52，进而将电力供应给不旋转偏置单元1上设置的电路(例如第二姿态测量模块55)使用。进一步的在第二姿态测量模块55的控制下，电机控制模块54会将大部分电力分配给电动机42使用，用于驱动液压泵41，并通过液压活塞14使钻具发生偏置。具体的偏置方法可以使通过活塞总成驱动翼肋10推靠井壁，也可以是指向式偏置或者混合式偏置等其他静态偏置旋转导向的偏置执行机构。

具体实施时，所述总线与能量传输模块输出端控制电路118连接，能量传输模块输出端控制电路118将井下涡轮发电机的电能通过能量传输模块输出端输送给所述不旋转偏置单元1进行供电，第一开关元件设置于总线至能量传输模块输出端之间的任意位置上，例如，可以在能量传输模块输出端控制电路118或传输模块输出端控制电路118所在短节的总线电力管理电路上设置第一开关元件；第一开关元件接收触发信号并根据所述触发信号切断或恢复所述不旋转偏置单元1的供电。

具体的，触发信号可以来自于第一开关元件的上位机，该上位机可以是井下旋转导向系统的任意控制电路或者地面的控制仪器。例如，井下涡轮发电机和电池可以通过总线为旋转导向中的各个用电器供电，在电池供电期间，旋转导向系统控制电路可以通过发电机转速或者总线电压变化等方式判断发电机的工作状态，来控制第一开关元件的断开和闭合，进而通过第一开关元件来切断或恢复不旋转偏置单元的供电，以节省电池的能量。

具体实施时，上述静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置还包括：

第二开关元件，设置在所述不旋转偏置单元1的能量传输模块接收端51和液压模块电机驱动电路54之间，第二开关元件用于接收所述总线的指令，并根据所述指令断开或连通所述能量传输模块接收端51至所述液压模块电机驱动电路54之间的供电。以便在电池为旋转导向中的各个用电器供电期间，可以通过第二开关元件实现对液压系统的断电，以节省电池的能量。

具体的，上述第二开关元件可以设置于不旋转偏置单元1中包括主控电路在内的任意位置。所述主控电路负责根据导向力的方向，将导向力进行分解，并控制各个液压系统实现旋转导向的偏置，所述实现旋转导向偏置的方法可以是将偏置力传递至井壁实现导向，也可以是将偏置力传递至驱动轴，通过迫使驱动轴发生挠曲实现导向，也可以是上述两种方法的结合。所述主控电路、液压模块电机驱动电路沿周向设置于不旋转偏置单元内。

具体实施时，为了进一步避免钻井工况下柔性节的挠性变形导致中心管143发生挠曲并进一步的影响第一姿态测量模块的测量精度，在本实施例中，如图1、图2所示，上述静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置还包括：柔性管体142，静态偏置旋转导向的钻柱内部设置有承压壳体161，所述第一姿态测量模块设置于所述承压壳体161内，所述旋转导向系统设置有用于传输电力的总线，所述总线设置在中心管143中，所述中心管143和所述第一姿态测量模块外侧的承压壳体161之间设置有所述柔性管体142。具体的，柔性管体142的使用，使得探管总成具有柔性，使第一姿态测量模块不会因柔性节的挠性变形而发生形变，有利于增加了第一姿态测量模块于导向单元的同轴度，有利于实现了第一姿态测量模块高精度的静态下的近钻头测量。

具体实施时，所述第二姿态测量模块55包括至少两个第二加速度测量子模块时，其中，一个第二加速度测量子模块设置为备用，其他第二加速度测量子模块设置为主用，上述静态偏置旋转导向的姿态监测装置还包括：

分析电路，用于根据所述第二姿态测量模块55中每套第二加速度测量子模块的测量结果来确定每个第二加速度测量子模块的信任程度。

具体的，所述加速度测量子模块可以包括相互垂直布置的双轴加速度传感器或两两相互垂直布置的多轴的加速度传感器。

具体的，分析电路根据每套第二加速度测量子模块的测量结果来确定每个第二加速度测量子模块的信任程度。例如，根据每套第二加速度测量子模块的测量结果来为每个第二加速度测量子模块设置一个加权值，该加权值表示信任程度，一般情况下，如第二加速度测量子模块c中有加速度传感器恰好处于近零状态或者异常强烈振动状态时，分析电路会选择不信任这个第二加速度测量子模块c，将信任程度设为0；或者降低该第二加速度测量子模块c的信任程度。或者例如，当某一加速度测量子模块无数据输出或输出数据明显有误时，那个该第二加速度测量子模块的信任值就是0，而另一套加速度测量子模块的信任之就是100％。

具体实施时，第二姿态测量模块55包括两套第二加速度测量子模块，两套第二加速度测量子模块中的一套第二加速度测量子模块采用石英加速度计作为加速度传感器，另一套第二加速度测量子模块采用微机械加速度计作为加速度传感器。使得同时利用了石英加速度计精度高的优势和微机械加速度计量程大且不易损坏的优势。

具体实施时，分析电路根据每套第二加速度测量子模块的信任程度对上述两套第二加速度测量子模块测量得到的重力工具面角数据进行加权，进而计算出最终的重力工具面角。

例如，当石英加速度传感器正常工作时，配备石英加速度传感器的加速度测量子模块的信任之可以是100％或者是大于50％的任意值，而当强烈震动导致石英加速度传感器无法输出准确值时，则在原有基础上降低对石英加速度传感器的信任值。

具体实施时，所述第一姿态测量模块设置于承压壳体161内，所述承压壳体161设置于钻具的内部流道中，所述承压壳体161与钻具外壁之间采用扶正器支撑，所述钻具外壁可以是柔性节外壳也可以是驱动轴外壳。

具体实施时，在钻进期间，可以依靠上述第二姿态测量模块55测量的不旋转偏置单元中的工具面向需要导向的方向施加导向力。

具体实施时，钻进期间的工具姿态或井眼轨迹的动态监测方法：

(1)依靠特定型号旋转导向合推力、机械钻速与井眼轨迹变化特性之间的关系对导向单元的姿态或井眼轨迹的变化进行预测。

(2)与(1)并列的，还可以依靠监测旋转导向第一扶正器至柔性段或钻头至第一扶正器间任意位置相对井眼的偏心距来实现旋转导向姿态或井眼轨迹的动态监测。

在钻柱静止期间，读取第一姿态测量模块测得的静态姿态数据，对旋转导向近钻头姿态或井眼轨迹进行监测和验证，一般情况下第一姿态测量模块是在接单根期间完成静态条件下的姿态测量，测得的静态姿态数据可以是井斜角、方位角中的任意一种或组合。

具体实施时，可以通过不继续送钻和停止旋转钻柱的方式消除钻头破岩带来的井下振动，在钻头停止切削的状态下利用第一姿态测量模块或第二姿态测量模块55中的任意之一或组合的工具姿态参数来监测近钻头工具姿态。

具体实施时，为了更好的实现精准的轨迹测量，需要更好的保障第一姿态测量模块与导向单元的同轴度，在本实施例中，承载第一姿态测量模块的承压壳体161与驱动轴电路骨架119之间通过流道转换器178来固定连接，使承压壳体161内部的第一姿态测量模块可与驱动轴电路骨架119内部的其他电路轻易的实现电连接，例如，当驱动轴电路骨架119成环状设置时，所述承压壳体161通过流到转换器178与驱动轴电路骨架119实现固定连接，在这种情况下，所述流到转换器178就可以作为第一姿态测量模块下方的第一扶正结构，所述第一姿态测量模块可与驱动轴电路骨架119内部的电路可实现电连接。由于承压壳体161与其外部钻柱相对位置固定，中心管与柔性节相对位置固定，因此当承压壳体161外部钻柱与柔性节间上卸扣时，承载第一姿态测量模块的承压壳体161与中心管143需采用可发生相对旋转和轴向滑动的插接方式进行连接，所述承压壳体161与中心管143间的插接处可以采用单芯插针、同轴双芯插针、同轴多芯插针以及电滑环中的任意一种或任意组合来实现插接处上部电路和插接处下部电路的电连接。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测方法，如下面的实施例所述。由于静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测方法解决问题的原理与静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置相似，因此静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测方法的实施可以参见静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测装置的实施，重复之处不再赘述。

图5是本发明实施例的静态偏置旋转地质导向系统的姿态监测方法的一种流程图，静态偏置旋转地质导向系统至少包括一个不旋转偏置单元和从所述不旋转偏置单元中间穿越设置的驱动轴，所述驱动轴与钻头保持同等转速，所述不旋转偏置单元与大地保持相对静止，如图5所示，该方法包括：

步骤502：在所述不旋转偏置单元上设置第二姿态测量模块，采用所述第二姿态测量模块测量所述不旋转偏置单元的重力工具面角，其中，所述第二姿态测量模块包括至少一个第二加速度测量子模块，所述第二姿态测量模块中的第二加速度测量子模块至少包含两个可测量不旋转偏置单元径向加速度分量的加速度传感器；

步骤504：采用转动测量模块测量所述不旋转偏置单元与所述驱动轴之间的相对转动数据，其中，所述静态偏置旋转地质导向系统中设置有随所述驱动轴同步旋转的随钻测井仪器；

步骤506：获取所述第二姿态测量模块测得的重力工具面角和所述转动测量模块测得的相对转动数据，根据获取的重力工具面角和相对转动数据计算随所述驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角。

在一个实施例中，所述转动测量模块包括磁体和磁场传感器，所述磁场传感器用于测量所述磁体的磁场，随着所述驱动轴的旋转，将所述磁场传感器感应到所述磁体产生的磁场达到预设强度的时刻作为对标时刻，其中，所述磁体设置在所述驱动轴的中心轴上，所述磁场传感器设置在所述不旋转偏置单元上，或者，所述磁场传感器设置在所述驱动轴的中心轴上，所述磁体设置在所述不旋转偏置单元上；根据获取的重力工具面角和相对转动数据计算随所述驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角，包括：

在所述对标时刻，记录所述第二姿态测量模块测得的所述不旋转偏置单元的重力工具面角，将所述不旋转偏置单元的重力工具面角作为所述驱动轴的重力工具面角，并将所述不旋转偏置单元的重力工具面角附加上所述随钻测井仪器与所述驱动轴在所述对标时刻的结构角度差，将该附加结果作为所述随钻测井仪器在所述对标时刻的重力工具面角；在非对标时刻的任意时刻，将所述不旋转偏置单元的重力工具面角附加上所述随钻测井仪器从该任意时刻前的任意一次对标时刻至该任意时刻转过的相对转角得到第一附加结果，将该第一附加结果作为所述驱动轴在该任意时刻的重力工具面角，将所述驱动轴在该任意时刻的重力工具面角附加上所述随钻测井仪器与所述驱动轴的结构角度差得到第二附加结果，将该第二附加结果作为所述随钻测井仪器在该任意时刻的重力工具面角。

在一个实施例中，在所述驱动轴上或所述驱动轴上方的任意井下仪器上设置角速度传感器，通过所述角速度传感器于测量所述随钻测井仪器的旋转角速度。

在一个实施例中，所述转动测量模块包括至少两个磁体和至少一个磁场传感器，所述磁场传感器用于测量所述磁体的磁场，其中，至少两个所述磁体沿不旋转偏置单元的径向设置在所述不旋转偏置单元上且相邻两个磁体互成预设夹角，至少一个所述磁场传感器设置在所述驱动轴上；或者，至少两个所述磁体沿驱动轴的径向设置在所述驱动轴上且相邻两个磁体互成预设夹角，至少一个所述磁场传感器设置在所述旋转偏置单元上；根据获取的不旋转偏置单元的重力工具面角和相对转动数据计算随所述驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角，包括：

在任意时刻根据所述磁场传感器测得的所述磁体的磁场强度计算所述不旋转偏置单元与所述驱动轴之间的相对角，将所述相对角附加上在该任意时刻所述第二姿态测量模块测得的所述不旋转偏置单元的重力工具面角得到第三附加结果，将该第三附加结果作为所述驱动轴在该任意时刻的重力工具面角，将所述驱动轴在该任意时刻的重力工具面角附加上所述随钻测井仪器与所述驱动轴的结构角度差得到第四附加结果，将该第四附加结果作为所述随钻测井仪器的重力工具面角。

在一个实施例中，还包括：

在所述驱动轴上设置第一姿态测量模块，所述第一姿态测量模块至少包括第一加速度测量子模块，通过所述第一加速度测量子模块测量钻柱在准静下时所述驱动轴的重力工具面角；

在所述钻测井仪器内设置第三加速度测量子模块，通过所述第三加速度测量子模块测量钻柱在静态下时所述随钻测井仪器的重力工具面角；

计算钻柱在静态下时所述驱动轴的重力工具面角和钻柱在静态下时所述随钻测井仪器的重力工具面角之间的角度差值，该角度差值为所述驱动轴与所述随钻测井仪器的结构角度差。

在一个实施例中，所述第二姿态测量模块中的所述第二加速度测量子模块包括三个加速度传感器时，该三个加速度传感器两两正交安装。

在一个实施例中，所述第二姿态测量模块，还包括：

至少一套角速度测量子模块，通过所述角速度测量子模块测量静态偏置旋转导向的所述不旋转偏置单元以导向单元轴线为中心旋转的角速度，其中，所述角速度用于辅助所述加速度测量子模块测得重力工具面角。

在一个实施例中，所述第二姿态测量模块，还包括：

至少一套磁场强度测量子模块，通过所述磁场强度测量子模块测量静态偏置旋转导向的所述不旋转偏置单元的磁工具面。

在一个实施例中，还包括：

在所述静态偏置旋转地质导向系统上设置有井下涡轮发电机，使用所述静态偏置旋转导向中的井下涡轮发电机和/或蓄电装置来为所述第一姿态测量模块供电，所述蓄电装置为电池或耐高温电容。

在一个实施例中，使用所述旋转导向系统中的井下涡轮发电机和/或蓄电装置来为所述第一姿态测量模块供电，包括：

当所述蓄电装置为井下耐高温电容或耐高温充电电池时，所述耐高温电容或耐高温充电电池与第一姿态测量模块电连接，所述井下涡轮发电机通过总线为所述耐高温电容或耐高温充电电池充电，并在所述井下涡轮发电机不工作时，所述耐高温电容或耐高温充电电池为第一姿态测量模块及所述第三加速度测量子模块供电；

当所述蓄电装置为不可充电电池时，所述电池通过电流流向控制器与所述总线连接，所述电流流向控制器仅允许电流由所述电池流向所述总线，所述不可充电电池通过所述总线为所述第一姿态测量模块及所述第三加速度测量子模块供电。

在一个实施例中，所述静态偏置旋转地质导向系统的所述总线设置在中心管中，所述中心管设置在柔性节中，所述总线将所述井下涡轮发电机的电能发送给所述第一姿态测量模块及第三加速度测量子模块进行供电。

在一个实施例中，将所述总线与能量传输模块输出端控制电路连接，所述能量传输模块输出端控制电路将所述井下涡轮发电机的电能通过能量传输模块输出端输送给所述不旋转偏置单元进行供电，所述静态偏置旋转导向的姿态监测方法还包括：

在所述能量传输模块输出端至总线之间的任意位置上设置第一开关元件，通过所述第一开关元件接收触发信号，并根据所述触发信号切断或恢复不旋转偏置单元的供电。具体的，所述触发信号可以由旋转导向系统控制电路发出，当发电机停止工作后，所述旋转导向系统控制电路使电池为总线供电并同时通过第一开关元件断开不旋转偏置单元的供电。或者也可由地面控制仪器通过下传指令的方式下传触发信号切断不旋转偏置单元的供电。

在一个实施例中，还包括：

在所述不旋转偏置单元的能量传输模块接收端和液压模块电机驱动电路之间设置第二开关元件，通过所述第二开关元件接收所述总线的指令，并根据所述指令断开或连通所述能量传输模块接收端至所述液压模块电机驱动电路之间的供电。

例如，在一个实施例中，设置于不旋转偏置单元上的液压系统由主控电路进行控制，所述主控电路通过对所述第二开关元件进行控制，进而使液压系统停止工作或恢复工作，然而主控电路仍然是接收到触发信号后根据触发信号的指令对所述第二开关元件进行控制来使液压系统的启动和停止，该触发信号可以由旋转导向系统控制电路发出，也可由地面控制仪器通过下传指令的方式下传触发信号。

在一个实施例中，还包括：

静态偏置旋转地质导向系统的钻柱内部设置有承压壳体，所述第一姿态测量模块设置于所述承压壳体内，所述总线设置在中心管中，在中心管和所述第一测量模块外侧的承压壳体之间设置柔性管体。

在一个实施例中，所述第二姿态测量模块包括至少两个第二加速度测量子模块时，其中，一个第二加速度测量子模块设置为备用，其他第二加速度测量子模块设置为主用，所述静态偏置旋转导向的姿态监测装置，所述方法还包括：

通过分析电路根据所述第二姿态测量模块中每个第二加速度测量子模块的测量结果来确定每个第二加速度测量子模块的信任程度。

在一个实施例中，第二姿态测量模块包括两套第二加速度测量子模块，该两套第二加速度测量子模块中的一套第二加速度测量子模块采用石英加速度计作为加速度传感器，另一套第二加速度测量子模块采用微机械加速度计作为加速度传感器。

在一个实施例中，承载所述第一姿态测量模块的承压壳体与驱动轴电路骨架之间通过流道转换器固定连接，承载所述第一姿态测量模块的承压壳体与中心管之间采用插接的连接方式。

本发明实施例实现了如下技术效果：提出了通过第二姿态测量模块测量不旋转偏置单元的重力工具面角，通过转动测量模块测量不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据，进而根据获取的重力工具面角和相对转动数据计算随驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角。由于该类型旋转导向的不旋转偏置单元相对大地是大体上不旋转的，可以获得较为精准的不旋转偏置单元的重力工具面角，通过转动测量模块也能避免近钻头磁干扰等问题进而获取相对较准确的不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据，使得基于不旋转偏置单元的重力工具面角以及不旋转偏置单元与驱动轴之间的相对转动数据的计算结果可以相对更准确，即本申请可以获取相对更准确的随驱动轴同步旋转的随钻测井仪器的重力工具面角。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。所述计算装置可以是单片机、数字信号处理芯片、fpga芯片或plc等具有运算能力的计算装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。