本實用新型主要屬于石油鉆井隨鉆測量領域，具體涉及一種近鉆頭鉆具姿態(tài)隨鉆測量裝置。

背景技術：

定向鉆井(Directional Drilling)是使井身沿著預先設計的軌跡鉆達地下目標層的鉆井工藝技術，是實現老井側鉆、多分支井、大位移井、水平井的重要技術手段。采用定向鉆井技術可以使地面和井下條件受到限制的油氣資源得到經濟、有效地開發(fā)，能夠大幅度提高油氣產量和降低鉆井成本，有利于保護環(huán)境，具有顯著的經濟效益和社會效益。在定向鉆進過程中，鉆頭的方向信息對于正確鉆進是至關重要的。對井下鉆具姿態(tài)的精確測量不但能夠保證高效鉆遇既定目標，同時也避免造成與相鄰井眼的碰撞風險。因此，除了傳統(tǒng)的底部鉆具組合(包括鉆頭、螺桿鉆具、扶正器、鉆鋌等)，定向鉆井工具需要使用位置傳感器測量井下鉆具姿態(tài)，包括方位角(在水平面上與北向的偏角)、傾角(與垂直方向的偏角，亦稱井斜角)和工具面角(相當于導航中的橫滾角)。

隨著油田勘探開發(fā)的深入，薄油藏、斷塊油藏、邊際油藏、剩余油藏等難動用儲量的開發(fā)已大規(guī)模展開，對軌跡控制精度的要求也日益提高，為了增大油藏在井眼中的裸露面積，提高油井的產量，要求井眼軌跡準確的鉆穿儲層。為了能夠精確地獲得鉆頭處的軌跡參數，井下軌跡參數傳感器離鉆頭的距離(測點零長)至關重要?，F有隨鉆測量(Measurement While Drilling，MWD)系統(tǒng)的姿態(tài)測量工具通常位于造斜工具之后，是在距離井底鉆頭位置8-20米的位置測量井斜、方位、工具面等參數，得不到鉆頭處的井眼位置，無法判斷進入儲層的實際情況。

現有的隨鉆測量(MWD)系統(tǒng)，從姿態(tài)角測量原理方面，包括基于磁傳感器和加速度計，基于陀螺儀和加速度計兩大技術主線。

(1)基于磁傳感器和加速度計的MWD系統(tǒng)

該類型MWD系統(tǒng)角度測量單元由三個正交的加速度計和三個正交的磁傳感器組成，加速度計通常選用石英撓性加速度計，磁傳感器通常選用磁通門磁強計。加速度計測量結果用于計算傾角和工具面角，而方位角利用傾角、工具面角和地磁場數據獲得。由于參照磁北測量方位，因此磁強計需要一個無磁的環(huán)境。當前基于磁強計的MWD系統(tǒng)面臨最主要的問題是磁干擾，主要包括鉆柱本身的磁干擾和周圍環(huán)境產生的外部磁干擾。鉆柱磁干擾主要影響沿著鉆具旋轉軸方向的磁強計，而外部磁干擾對三個磁強計都有影響，外部磁干擾主要來自附近生產井鐵磁性套管、黃鐵礦等地層、太陽風暴、鉆井液組分、磁熱點等等。磁干擾的存在嚴重影響方位測量精度。常規(guī)MWD系統(tǒng)通常安裝在近9米長的無磁鉆鋌中間來盡量隔離上下鉆桿的磁干擾，但近鉆頭姿態(tài)測量裝置需要緊鄰鉆頭安裝，鉆頭和導向鉆具產生的磁干擾比常規(guī)MWD系統(tǒng)更嚴重。

(2)基于陀螺儀和加速度計的MWD系統(tǒng)

該類型MWD系統(tǒng)利用陀螺儀測量角速度沿傳感器敏感軸的變化，目前在定向鉆井領域已經得到應用。陀螺技術的優(yōu)勢在于地磁場被屏蔽或磁干擾嚴重的應用場合，因為磁干擾不會影響陀螺的性能。受儀器尺寸、振動沖擊下易損壞、陀螺測量精度等因素影響，目前陀螺技術主要應用于有線測量系統(tǒng)中，在隨鉆應有場合還有一定的限制。基于陀螺儀和及速度計的MWD系統(tǒng)最大的問題是角速度陀螺輸出信號漂移速率較大，積分后的姿態(tài)角發(fā)散速度較快，會引入較大的穩(wěn)態(tài)誤差,陀螺儀的輸出隨著測量時間的增加，存在累積誤差，特別是在井下高溫環(huán)境累積誤差更大，且體積和可靠性難以滿足隨鉆惡劣工況和近鉆頭處的狹小空間。

綜上所述,無論是基于磁傳感器和加速度計的MWD系統(tǒng)還是基于陀螺儀和加速度計的MWD系統(tǒng),均存在應用場合的限制,特別對于近鉆頭鉆具姿態(tài)測量,難以滿足井底高溫、強振動沖擊、強磁干擾、有限安裝空間等復雜應用環(huán)境。

技術實現要素：

針對上述問題，本實用新型提出一種基于微慣性和地磁組合的近鉆頭井下鉆具姿態(tài)隨鉆測量裝置，利用組合姿態(tài)測量技術克服單一姿態(tài)測量方法存在的固有缺陷(微慣性器件累積誤差問題和地磁場測量干擾問題)，通過多傳感器信息融合有效提高井下鉆具的姿態(tài)測量精度，具有體積小、功耗低的優(yōu)點，有利于在電池供電的條件下實現井下長時間工作。

本實用新型是通過以下技術方案實現的：

一種近鉆頭鉆具姿態(tài)隨鉆測量裝置，其特征在于，包含測量傳感器和測量電路，所述測量傳感器測量信號傳輸至測量電路，測量電路對信號進行處理和計算得到姿態(tài)數據。所述測量傳感器包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器和一個溫度傳感器，所述測量電路包括模數轉換器、現場可編程門陣列(FPGA)、存儲器、處理器和低通濾波器，所述濾波器與所述測量傳感器相連，所述濾波器與所述模數轉換器相連，所述模數轉換器與現場可編程門陣列相連，所述現場可編程門陣列與所述處理器相連，所述處理器連接有所述存儲器；所述處理器包括姿態(tài)角計算模塊、四元數初始化模塊和四元數更新模塊。利用溫度傳感器測量數據分別修正三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁傳感器的測量數據，利用修正后的三軸加速度計和三軸磁傳感器的測量數據來計算初始姿態(tài)角，利用初始姿態(tài)角對四元數初始化，根據三軸MEMS陀螺儀的測量數據對初始化后的四元數進行時間更新，進而利用更新后的四元數計算姿態(tài)角，通過周期性進行四元數的初始化，消除三軸MEMS陀螺儀的積累誤差。

進一步地，所述測量傳感器為采取X,Y,Z三軸正交安裝，在每個軸向上，加速度計、陀螺儀和磁傳感器的敏感軸方向保持平行。

進一步地，所述測量電路包括模數轉換器、現場可編程門陣列(FPGA)、存儲器、處理器和低通濾波器，所述低通濾波器分別濾除所述三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器和一個溫度傳感器的輸出信號中的高頻干擾，根據加速度計、陀螺儀、磁傳感器和溫度傳感器的頻帶和鉆井轉速選用設計低通截止頻率與之匹配的濾波器。

進一步地，所述測量電路結構如下：測量傳感器輸出的模擬信號通過低通濾波器濾除高頻干擾，經過濾波的測量傳感器輸出信號經過模數轉換器進行數據采集，采集的時序控制由FPGA實現，同時FPGA將采集的原始數據進行數字濾波，打包后根據通信協(xié)議發(fā)送給處理器，處理器將原始時間數據存儲到存儲器里,同時進行姿態(tài)角的解算。

進一步地，所述加速度計為MEMS加速度計、所述陀螺儀為MEMS陀螺儀、所述磁傳感器為磁阻傳感器。

進一步地，所述三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器和一個溫度傳感器采取同步采集方式測量。

進一步地，所述姿態(tài)角包括傾角、方位角和工具面。

進一步地，所述裝置安裝在鉆鋌中心的泥漿通道中或在鉆鋌表面開槽安裝。

一種近鉆頭鉆具姿態(tài)隨鉆測量方法，使用上述裝置，所述方法為利用溫度傳感器測量數據分別修正三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁傳感器的測量數據，利用修正后的三軸加速度計和三軸磁傳感器的測量數據來計算姿態(tài)角一，利用姿態(tài)角一對四元數初始化，根據三軸MEMS陀螺儀的測量數據對初始化后的四元數進行時間更新，進而利用更新后的四元數計算姿態(tài)角，通過周期性進行四元數的初始化，消除三軸MEMS陀螺儀的積累誤差。

進一步地，所述方法中還包括利用存儲的加速度計和磁傳感器和陀螺儀的標定系數，修正加速度計和磁傳感器標度系數和安裝誤差。

進一步地，所述周期為1-10秒，具體根據鉆具轉速和姿態(tài)數據更新速率確定。

本實用新型的有益技術效果：

(1)基于微慣性器件和磁阻傳感器的組合，體積小，功耗低，滿足近鉆頭姿態(tài)測量裝置安裝空間和電池供電下工作時間要求；

(2)利用慣性和地磁組合導航實現姿態(tài)測量，克服單一姿態(tài)測量方法存在的固有缺陷(微慣性器件累積誤差問題和地磁場測量干擾問題)，通過多傳感器信息融合有效提高井下鉆具的姿態(tài)測量精度，適應復雜的鉆井測量應用場合。

附圖說明

圖1為三軸軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器安裝示意圖；

圖2為一種近鉆頭鉆具姿態(tài)隨鉆測量裝置電路圖；

圖3為一種近鉆頭鉆具姿態(tài)隨鉆測量方法流程圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

相反，本實用新型涵蓋任何由權利要求定義的在本實用新型的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本實用新型有更好的了解，在下文對本實用新型的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本實用新型。

實施例1

一種近鉆頭鉆具姿態(tài)隨鉆測量裝置，包含測量傳感器和測量電路，所述測量傳感器測量信號傳輸至測量電路，測量電路對信號進行處理和計算得到姿態(tài)數據；所述測量傳感器包括三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀、三軸磁阻傳感器和一個溫度傳感器，所述測量傳感器采取X,Y,Z三軸正交安裝，在每個軸向上，安裝的不同傳感器的敏感軸方向保持平行。如圖1所示。

所述測量電路包括模數轉換器、現場可編程門陣列(FPGA)、存儲器、處理器和低通濾波器，所述低通濾波器分別濾除所述三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀、三軸磁阻傳感器和一個溫度傳感器的輸出信號中的高頻干擾。

所述裝置電路結構如下：傳感器輸出的模擬信號通過低通濾波器濾除高頻干擾，針對不同傳感器的頻帶和鉆井轉速，設計截止頻率與之匹配的濾波器。同時A/D轉換器前的低通濾波器還起到抗混疊濾波的作用。經過濾波的傳感器輸出信號通過模數轉換器進行數據采集。采集的時序控制由現場可編程門陣列(FPGA)實現，同時FPGA將采集的原始數據進行數字濾波，打包后根據通信協(xié)議發(fā)送給ARM微處理器，微處理器將原始時間數據存儲到FLASH里,同時進行傾角、方位角和工具面角的解算。原始數據和計算結果均通過USB總線上傳到計算機，便于進行復雜算法的處理和驗證。如圖2所示。

所述存儲器存儲有加速度計、磁傳感器和陀螺儀的標定系數。

所述裝置安裝在鉆鋌中心的泥漿通道中或在鉆鋌表面開槽安裝。

利用所述裝置，一種近鉆頭鉆具姿態(tài)隨鉆測量方法，所述方法具體包括以下步驟：

(1)測量三軸加速度計信號Ax，Ay，Az、三軸磁阻感器信號Mx，My，Mz，溫度傳感器輸出值T；

(2)根據溫度傳感器的測量值，利用存儲的溫度標定系數，分別對三軸加速度計、三軸磁傳感器的每個軸向進行溫度修正；

(3)利用存儲的三軸加速度計和三軸磁傳感器標定系數，修正三軸加速度計和三軸磁傳感器標度系數和安裝誤差；

加速度計修正公式：

a_x、a_y、a_z為補償之后的加速度值，A_x、A_y、A_z為原始測量的加速度值，K₀和K₁為修正系數，從裝置姿態(tài)測量電路中的存儲器中讀??；

磁傳感器修正公式：

m_x、m_y、m_z為補償之后的磁場值，M_x、M_y、M_z為補償之前的磁場值，S₀和S₁為修正系數,從姿態(tài)測量裝置電路中的存儲器中讀??；

(4)利用修正后的三軸加速度計和三軸磁傳感器數據，計算姿態(tài)角一；

所述θ為井斜角；φ為工具面角；ψ為方位角

(5)利用姿態(tài)角一，初始化四元數；

所述q0、q1、q2和q3代表四元數；

(6)測量三軸陀螺儀信號Ωx、Ωy、Ωz和溫度傳感器輸出信號T，根據溫度傳感器的測量值，利用存儲的溫度標定系數，分別對三軸陀螺儀信號的每個軸向進行溫度修正；

(7)利用存儲的陀螺儀標定系數，修正陀螺儀標度系數和安裝誤差；

ω_x、ω_y、ω_z為補償之后的角速度值，Ω_x、Ω_y、Ω_z為原始測量的角速度值，W₀和W₁為修正系數，從裝置姿態(tài)測量電路中的存儲器中讀??；

(8)利用四元數進行時間更新，通過解微分方程計算新的四元數

(9)根據新的四元數值，計算姿態(tài)角二；

θ＝arcsin(2(q₁q₃-q₀q₂))

(10)測量下一組陀螺儀數據，重復步驟(7)-(9)計算姿態(tài)角三；

(11)經過1-10s后進入步驟(1)，重新利用三軸加速度計和三軸磁傳感器的數據計算姿態(tài)角一，并初始化四元數，消除陀螺儀的累計誤差。

近鉆頭鉆具姿態(tài)隨鉆測量方法方法流程圖如圖3。