一種底部鉆具空間姿態(tài)連續(xù)測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種底部鉆具空間姿態(tài)連續(xù)測(cè)量
目.ο
【背景技術(shù)】
[0002]目前，一種底部鉆具空間姿態(tài)連續(xù)測(cè)量裝置旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是一種面向二十一世紀(jì)的新型鉆井技術(shù)，具有大的位移延伸能力、精確的井眼軌跡控制精度和靈活性，可極大地提高鉆井效率及安全性。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)中，如何在旋轉(zhuǎn)方式下實(shí)時(shí)精確地測(cè)量井下工具的姿態(tài)參數(shù)是其技術(shù)難點(diǎn)之一。通常的隨鉆測(cè)量?jī)x器是在鉆柱停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用靜態(tài)測(cè)量的方式來(lái)測(cè)量井斜和方位，然而自動(dòng)垂直或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)需要在井下鉆具動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的情況下實(shí)時(shí)測(cè)量其空間姿態(tài)。本文基于理論分析與現(xiàn)場(chǎng)隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)，從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析這個(gè)角度來(lái)完成井下測(cè)量信號(hào)的濾波與底部旋轉(zhuǎn)鉆具空間姿態(tài)的解算，對(duì)于提高自動(dòng)垂直或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井底部鉆具姿態(tài)測(cè)量精度，提高自動(dòng)垂直或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的制導(dǎo)能力具有重要意義。
[0003]隨鉆測(cè)量技術(shù)(MWD-Measurement while drilling)的測(cè)量參數(shù)包括軌跡參數(shù)(井斜，方位)、工具面、地層參數(shù)(電阻率、自然伽馬、孔隙度等)以及其他的一些工程參數(shù)(壓力、扭矩、溫度等)。
[0004]理論上講，只有完成井下工具空間姿態(tài)的連續(xù)測(cè)量，才能真正意義上實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的井下閉環(huán)控制，目前成熟應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)通常配備有兩部分測(cè)量系統(tǒng)，一部分是傳統(tǒng)的MWD隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，主要用來(lái)測(cè)量井眼的空間位置參數(shù)、井下鉆壓、扭矩、溫度、壓力等；第二部分是專用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的近鉆頭空間姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，主要用于測(cè)量近鉆頭處的空間姿態(tài)參數(shù)(井斜、方位、鉆頭轉(zhuǎn)速等)，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。國(guó)外的商業(yè)化公司雖然開(kāi)發(fā)成功旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，然而動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)依然在不斷完善當(dāng)中，在2013年美國(guó)休斯敦舉行的SPE年會(huì)上，同時(shí)出現(xiàn)兩篇專門探討連續(xù)測(cè)量技術(shù)的文章，可見(jiàn)該技術(shù)依然處于重點(diǎn)攻關(guān)的過(guò)程當(dāng)中。
[0005]斯倫貝謝公司的推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，為了解決動(dòng)態(tài)測(cè)量問(wèn)題，將測(cè)控裝置安裝在了一個(gè)不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，相對(duì)于地面靜止的穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)，該裝置大大增加了機(jī)械設(shè)計(jì)難度并且降低了工具的可靠性，由此可見(jiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)中是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。其次，連續(xù)測(cè)量技術(shù)屬于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向中的測(cè)控部分，屬于核心技術(shù)，各大商業(yè)公司均技術(shù)保密，基本無(wú)法查到關(guān)于這個(gè)方面技術(shù)細(xì)節(jié)的資料。拋開(kāi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，就普通的MWD技術(shù)，如果能將舊的每接一根單根測(cè)一個(gè)單點(diǎn)的靜態(tài)測(cè)量技術(shù)提升為旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的連續(xù)測(cè)量，也是非常具有現(xiàn)實(shí)意義。其一，隨鉆測(cè)量軌跡便不會(huì)有盲點(diǎn)，使得定向鉆井更為精確；其二，在水平井的水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭由于重力作用極其容易下陷，使得水平段井眼軌跡質(zhì)量變差，在一根鉆柱9m的前進(jìn)過(guò)程中，鉆頭在軟地層中將會(huì)迅速的偏離水平軌跡。連續(xù)監(jiān)測(cè)井眼軌跡在這種情況下變得極為重要。
[0006]在1970年，裝有三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)的電子儀器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于測(cè)量井斜和方位，比如美國(guó)專利US3791043，3862499，4163324。在這些專利中，給出了一些基本的計(jì)算公式。后來(lái)應(yīng)用最為廣泛的是Walters在其專利US4709486中提出的六軸方位角計(jì)算公式。三軸井斜和六軸方位角公式用于隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中成為工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法，由于井下信號(hào)處理能力的限制，在20世紀(jì)70年代到80年代早期，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)一直局限于靜態(tài)測(cè)量。80年代后期，出現(xiàn)了小部分專利嘗試在鉆柱旋轉(zhuǎn)的情況下計(jì)算井斜和方位。Dipers1和Cobern提出了一套有用的井斜方位計(jì)算公式，可以利用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)兩樣傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。合加速度^在靜態(tài)情況下獲得并假設(shè)在鉆井過(guò)程中保持不變。給出的公式允許傳感器在跟隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的情況下解算井斜和方位。
[0007]ElGizawy, Noureldin, Mintchev等人采用陀螺儀和加速度計(jì)建立了連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)，采用了航空航天領(lǐng)域的捷聯(lián)導(dǎo)航算法。該研究組對(duì)于加速度計(jì)和陀螺儀在井下沖擊和振動(dòng)的環(huán)境下的輸出響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析，并用小波分析方法完成了噪聲信號(hào)的濾波處理，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)采用Kalman濾波進(jìn)行校正。然而由于研究是基于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)于沖擊和振動(dòng)也僅是考慮了特定的頻率和幅度范圍內(nèi)的影響，和真實(shí)的井下工況還有很大差別，況且對(duì)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向底部鉆井的運(yùn)動(dòng)特性考慮明顯不足，對(duì)于井下鉆具粘滑振動(dòng)、渦動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均未考慮。另外，在導(dǎo)航算法中，極其重要的一點(diǎn)是Kalman濾波當(dāng)中的誤差校正，在地面上可以采用GPS配合捷聯(lián)內(nèi)部導(dǎo)航的方法。然而將此技術(shù)用在鉆井上以后，在地下沒(méi)有GPS信號(hào)，捷聯(lián)導(dǎo)航算法中不斷積累的誤差就會(huì)成為影響姿態(tài)測(cè)量的一個(gè)主要問(wèn)題。Noureldin等人在解算的過(guò)程中，將井深作為一個(gè)校正參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)仿真的條件下這個(gè)是可行的，然而在實(shí)際鉆井現(xiàn)場(chǎng)中，井深參數(shù)并無(wú)法通過(guò)井下傳感器直接獲得，這就限制了該方法的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0008]專利CN101493008公開(kāi)了基于MEMS器件的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航陀螺測(cè)斜儀，該專利所采用的傳感器類別和本專利相同，都是采用了陀螺、加速度計(jì)、磁傳感器，這些都是慣性導(dǎo)航中常用的傳感器，該專利的優(yōu)點(diǎn)是采用了 MEMS器件，這也將在本專利中采用，然而該專利并沒(méi)有考慮井下的復(fù)雜狀況，對(duì)于Kalman濾波方法的校正采用的是傳統(tǒng)零速校正的方法，在井下劇烈振動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)量噪聲背景下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的解算空間姿態(tài)。
[0009]專利CN 102562031B公開(kāi)了一種定向井連續(xù)陀螺測(cè)斜系統(tǒng)，該發(fā)明基于慣性原理以及建立的角速率誤差和加速度誤差數(shù)學(xué)模型，在消除零偏、溫漂等誤差的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了測(cè)斜儀靜態(tài)下初始尋北作業(yè)以及動(dòng)態(tài)、連續(xù)、全方位測(cè)斜功能，且對(duì)測(cè)斜誤差可進(jìn)行重力和地速補(bǔ)償，同樣的，該專利并沒(méi)有考慮井下的復(fù)雜狀況，也沒(méi)有說(shuō)明是否采用或者采用了那種濾波算法，對(duì)于鉆柱振動(dòng)所產(chǎn)生的測(cè)量噪聲考慮不足。
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[0020]本實(shí)用新型的目的是提供一種底部鉆具空間姿態(tài)連續(xù)測(cè)量裝置，在保持連續(xù)測(cè)量鉆具空間姿態(tài)的條件下，能夠有效消除鉆井內(nèi)復(fù)雜環(huán)境以及鉆柱振動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)量噪聲。
[0021]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供的一種底部鉆具空間姿態(tài)連續(xù)測(cè)量裝置，包括測(cè)量短節(jié)，所述測(cè)量短節(jié)包括測(cè)控箱，測(cè)控箱內(nèi)設(shè)有加速度計(jì)和陀螺儀；所述測(cè)量短節(jié)還包括
[0022]第一伺服電機(jī)，所述第一伺服電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠帶動(dòng)測(cè)控箱沿第一伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸向運(yùn)動(dòng)；
[0023]第二伺服電機(jī)，所述第二伺服