一种定向仪、基于该定向仪的测量方法及系统与流程

本发明属于石油行业随钻测井，涉及一种定向仪、基于该定向仪的测量方法及系统。

背景技术：

1、在石油钻井、测井工程中，为了对井眼轨迹进行精确控制和测量，通常采用基于三个加速度计和三个磁性传感器结构的定向仪器测量井眼的工程参数。定向仪在测量井斜角、磁方位角和工具面角时，需要加速度传感器测量地球的重力矢量，磁性传感器测量地球的磁场矢量。

2、施工时，定向仪通常是作为随钻测井系统的组成部分在井下钻具中进行实时测量。井下的高温、强振动、冲击等施工环境影响定向仪的测量质量。三个加速度传感器和三个磁性传感器长时间在井下工作，可能会在不同温度段和振动环境下测量数据短暂失效，需要及时的维修和标定，以免影响二次施工。

3、目前，在随钻测井行业中，通常会根据总重力场监控加速度传感器测量数据的质量；用总磁场监控磁性传感器测量数据的质量。

4、但是，在随钻作业中，随着钻具的移动产生了振动、冲击和旋转影响定向仪器重力矢量的测量，进而使用总重力场监控数据无法判断测量数据的在准确性，导致定向仪不能分辨环境影响，及在环境因素的影响下，加速度传感器和磁性传感器组串发生短暂的失效，进而影响定向仪测量的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中由于钻具振动、冲击和旋转导致的定向仪在钻井作业中准确性差的问题，提供一种定向仪、基于该定向仪的测量方法及系统，可根据该定向仪可排除钻头产生的振动、冲击和旋转等对加速度传感器准确性的影响以及传感器短暂失效影响定向仪自身测量结果的的数据，筛选出有效的测量数据，提高井斜角、磁方位角和工具面角测量的准确性。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种定向仪器，包括加速度传感器组、磁性传感器组、振动传感器组、温度传感器和存储器；

4、所述加速度传感器组用于测量井眼的重力矢量；

5、所述磁性传感器组用于测量井眼的磁场矢量；

6、所述振动传感器组用于测量井眼施工钻具的振动矢量；

7、所述温度传感器用于测量井眼的温度；

8、所述存储器用接收和存储加速度传感器组、磁性传感器组、振动传感器组和温度传感器的测量数据，并传输给上位机。

9、优选地，所述的加速度传感器组包括加速度传感器gx、加速度传感器gy和加速度传感器gz，所述加速度传感器gx、加速度传感器gy和加速度传感器gz的测量轴互为90°；

10、所述磁性传感器组包括磁性传感器bx、磁性传感器by和磁性传感器bz，所述磁性传感器bx、磁性传感器by和磁性传感器bz的测量轴互为90°；

11、所述振动传感器组包括振动传感器vibrx、振动传感器vibry和振动传感器vibrz，所述振动传感器vibrx、振动传感器vibry和振动传感器vibrz的测量轴互为90°；

12、所述钻具轴向指向钻头的方向作为定向仪的z轴方向，建立直角坐标系x、y和z，则所述加速度传感器gx、磁性传感器bx和振动传感器vibrx沿直角坐标系x轴方向设置；所述加速度传感器gy、磁性传感器by和振动传感器vibry沿坐标系y轴方向设置；所述加速度传感器gz、磁性传感器bz和振动传感器vibrz沿坐标系z方向轴设置。

13、优选地，所述加速度传感器组为石英挠性加速度传感器组或mems加速度传感器组；所述磁性传感器组为磁通门传感器组或巨磁阻传感器组。

14、优选地，所述振动传感器组为mems振动传感器组；所述温度传感器为集成温度传感器。

15、一种基于上述定向仪的测量方法，包括以下步骤：

16、获取加速度传感器组、磁性传感器组、振动传感器组和温度传感器的测量数据并存储；

17、根据温度传感器的测量数据，筛选速度传感器组、磁性传感器组和振动传感器组的有效测量数据，作为第一组有效数据；

18、根据振动传感器组的测量数据，筛选加速度传感器组的有效测量数据及对应同一时刻磁性传感器组的测量数据，作为第二组有效数据；

19、根据磁性传感器组的测量数据，筛选加速度传感器组的有效测量数据及同一时刻磁性传感器组的测量数据，作为第三组有效数据；

20、取第一组有效数据、第二组有效数据和第三组有效数据的交集，计算施工地总磁场、总重力场和磁倾角；

21、将计算的施工地总磁场、总重力场和磁倾角与实际施工场地的总磁场、总重力场和磁倾角对比，获取最终的有效数据；

22、利用最终的有效数据，获取井斜角、磁方位角和工具面角。

23、优选地，根据温度传感器的测量数据，筛选速度传感器组、磁性传感器组和振动传感器组的有效测量数据，作为第一组有效数据的具体方法为：根据施工周期内温度传感器的测量数据，剔除温度传感器的测量数据中变化异常的数据对应同一时刻的速度传感器组、磁性传感器组和振动传感器组的测量数据，剩余的数据即为第一组有效数据。

24、优选地，根据振动传感器组的测量数据，筛选加速度传感器组的有效测量数据及对应同一时刻磁性传感器组的测量数据，作为第二组有效数据的具体操作为：比较同一周期同一时刻的振动传感器组的测量数据和加速度传感器组的测量数据，筛选出加速度传感器组的测量数据值大于或等于振动传感器组的测量数据值的数据，作为第二组有效数据。

25、优选地，根据磁性传感器组的测量数据，筛选加速度传感器组的有效测量数据及同一时刻磁性传感器组的测量数据，作为第三组有效数据的具体操作为：根据磁性传感器组的测量数据，获取磁性传感器组单位时间的脉冲信号，并计算脉冲信号周期；根据脉冲信号周期计算定向仪的角速度；筛选出角速度为零时，对应时刻的加速度传感器组的有效测量数据，作为第三组有效数据。

26、优选地，取第一组有效数据、第二组有效数据和第三组有效数据的交集，计算施工地总磁场、总重力场和磁倾角具体操作为：

27、根据第一组有效数据、第二组有效数据和第三组有效数据的交集中加速度传感器组的测量数据，计算总重力场；

28、根据第一组有效数据、第二组有效数据和第三组有效数据的交集中磁性感器组的测量数据，计算总磁场；

29、根据第一组有效数据、第二组有效数据和第三组有效数据的交集中加速度传感器组的测量数据、磁性传感器组的测量数据、计算的总重力场和总磁场，计算磁倾角。

30、本发明还提供一种测量系统，包括：

31、数据获取模块：用于获取加速度传感器组、磁性传感器组、振动传感器组和温度传感器的测量数据并存储；

32、第一有效数据筛选模块：用于根据温度传感器的测量数据，筛选速度传感器组、磁性传感器组和振动传感器组的有效测量数据，作为第一组有效数据；

33、第二有效数据筛选模块：用于根据振动传感器组的测量数据，筛选加速度传感器组的有效测量数据及对应同一时刻磁性传感器组的测量数据，作为第二组有效数据；

34、第三有效数据筛选模块：用于根据磁性传感器组的测量数据，筛选加速度传感器组的有效测量数据及同一时刻磁性传感器组的测量数据，作为第三组有效数据；

35、施工地总磁场、总重力场和磁倾角计算模块：用于取第一组有效数据、第二组有效数据和第三组有效数据的交集，计算施工地总磁场、总重力场和磁倾角；

36、最终有效数据获取模块：将计算的施工地总磁场、总重力场和磁倾角与实际施工场地的总磁场、总重力场和磁倾角对比，获取最终的有效数据；

37、测量结果获取模块：利用最终的有效数据，获取井斜角、磁方位角和工具面角。

38、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

39、本发明提供一种定向仪，包括加速度传感器组、磁性传感器组、振动传感器组和温度传感器；由于加速度传感器组和磁性传感器组失效后的测量数据与其正常工作的测量数据差距较小，操作人员无法直接从其测量的数据上判断传感器是否发生的短暂的失效，而温度传感器一旦失效，其数值变化交大，操作者很容易筛选出失效的数据。因此通过温度传感器的设置可以将加速度传感器组和磁性传感器组失效后的测量数据差距放大，操作者可以根据温度传感器的测量数据的变化值间接判断其他传感器组是否发生短暂的失效，进而排除由于传感器组短暂失效导致的数据失效，提高定向仪的准确性；其次，通过振动传感器的设置，可以反映出在钻头钻进时的振动、冲击对定向仪准确性的影响，根据振动传感器组的测量数值，可以间接反映出钻头振动和冲击对加速度传感器组的影响，进而排除掉钻头振动和冲击影响下的数据失效；最后通过磁性传感器组的设置进一步排除钻头旋转导致的失效数据，提高定向仪测量井斜角、磁方位角和工具面角的准确性，装置简单易操作，准确性高。

40、本发明提供一种基于上述定向仪的测量方法，该方法基于温度传感器的测量数据，筛选出第一组有效数据；基于振动传感器组的测量数据筛选出第二组有效数据；基于磁性传感器组的测量数据筛选出第三组有效数据；最后，将三组有效数据结合总磁场、总重力场和磁倾角对有效数据进行进一步筛选，从传感器组短暂失效，钻头的冲击、振动和旋转导致的测量数据不准确入手，依次排除传感器组短暂失效，钻头的冲击、振动和旋转影响下的失效数据，减小误差干扰，提高测量数据的可靠性；利用最终获得的有效数据获取井斜角、磁方位角和工具面角，测试结果可靠性、准确性高；该方法简单易行，可有效解决现有技术中的问题。

41、本发明提供一种测量系统，通过数据获取模块、第一有效数据筛选模块、第二有效数据筛选模块、第三有效数据筛选模块、施工地总磁场、总重力场和磁倾角计算模块和最终有效数据获取模块的设置，可对有效数据的层层筛选，根据获得非传感器组短暂失效，钻头的冲击、振动和旋转影响下的有效数据，实现获取井斜角、磁方位角和工具面角准确测量。