在旋转状态下准确测定工具面角的装置及方法与流程

本发明涉及石油测井和钻井，尤其涉及一种在旋转状态下准确测定工具面角的装置及方法。

背景技术：

1、目前，页岩油气藏普遍采用水平井技术开发，对井眼轨迹控制的精度要求也大幅提高，控制难度显著提升，同时钻井周期缩短，需尽可能提高钻速以便降低成本。旋转导向钻井系统是典型的闭环控制系统，主要通过“测、传、导”引导控制钻柱沿目标轨迹钻进。其中“测”主要指井眼轨迹、钻柱姿态测量等近钻头参数的测量，姿态参数主要有方位角、井斜角和工具面角等，而工具面角参数则是钻柱姿态测量中一项重要的姿态参数，其表征了钻头的钻进方向，精准测量工具面角可以提高目的层钻遇率。工具面角的测量主要通过重力加速度传感器来测量，而传感器准确获取姿态参数是实现工具精确导向控制的必要条件。

2、现有一般通过随钻测量系统(mwd)和旋转导向仪进行工具面角的测量。mwd在测量过程中需停钻测量，即钻柱在停钻条件下对井眼轨迹进行测量，该过程可以避免钻柱旋转，在无振动、无冲击的情况下测定井眼轨迹，有效减轻在旋转过程中其他干扰因素对重力加速度传感器的影响，但缺点是其无法连续的测量井眼轨迹，在工程施工中只能间断性测量后再利用数学方法计算井眼轨迹，与实际偏差较大，同时在施工过程中频繁停钻严重影响钻进效率，也易发生安全事故。近年来的旋转导向仪器增加了三轴重力加速度传感器，虽然三轴重力加速度传感器安装在轴芯处可以在一定程度上降低旋转对加速度的影响，但是由于微小旋转半径的存在，仍然无法消除旋转对加速度测量的影响，进而会对测量精度造成干扰。

3、现有技术中，公开号为cn 105041212b的专利公开了一种旋转导向钻井控制系统及其控制方法，其中，控制系统包括地面控制系统、地面控制箱、旁通阀、mwd系统、具有解码单元的井下总控板以及能够控制导向工具中翼肋动作的主控板；还包括井下发电机、发电机安装段、耦合器以及用于安装该耦合器的耦合器安装段、近钻头姿态数据获取组间和电源板。然而，该方案中mwd部分测量是静态测量，其中的工具面角的测量是在转速低于30rpm的情况下测试的，不能应用在如近钻头以及旋转导向等高速旋转的随钻测井仪器中。

4、有鉴于此，有必要设计一种在旋转状态下准确测定工具面角的装置及方法，以解决上述动态测量的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种通过利用三轴重力加速度传感器的对称设置消除旋转对加速度测量的影响，并在此基础上设置正切算法以在旋转状态下准确测定工具面角的装置及方法。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种在旋转状态下准确测定工具面角的装置，包括依次连接的测量传感器模块、信号处理与采集模块和数据存储模块以及与所述信号处理与采集模块连接的数据通讯模块，其中，所述测量传感器模块的重力加速度传感器为三轴重力加速度传感器，所述三轴重力加速度传感器沿钻柱的钻轴中心对称设置。

3、作为本发明的进一步改进，所述三轴重力加速度传感器按左手坐标系安装，三轴两两正交。

4、作为本发明的进一步改进，所述信号处理与采集模块包括巴特沃斯低通滤波器、模拟数字转换器和微处理器。

5、作为本发明的进一步改进，所述数据存储模块为flash。

6、作为本发明的进一步改进，所述测量传感器模块和所述信号处理与采集模块之间通过spi总线连接。

7、作为本发明的进一步改进，所述数据存储模块和所述信号处理与采集模块之间通过spi总线连接。

8、作为本发明的进一步改进，所述数据通讯模块和所述信号处理与采集模块之间通过can总线连接。

9、作为本发明的进一步改进，所述数据通讯模块还与其他随钻测井工具相连，用于数据的导入和导出。

10、一种在旋转状态下准确测定工具面角的方法，采用上述技术方案中任一技术方案所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置进行处理，通过利用三轴重力加速度传感器的对称设置消除旋转对加速度测量的影响，再在此基础上设置正切算法以在旋转状态下准确测定工具面角。

11、作为本发明的进一步改进，通过所述正切算法得到的工具面角的计算公式为：

12、

13、其中，φ是实时工具面(后面公式推导过程中实时工具面也以ωt表示，本专利中φ与ωt意义一样)，φ0为钻柱的初始相位，gx为对称设置的两组三轴重力加速度传感器中的x轴传感器测量值与x′轴传感器测量值的差值信号，gy为对称设置的两组三轴重力加速度传感器中的y轴传感器测量值与y′轴传感器测量值的差值信号。

14、本发明的有益效果是：

15、1.本发明的在旋转状态下准确测定工具面角的装置及方法，通过将三轴重力加速度传感器沿钻轴径向对称设置，与常规的将重力加速度传感器尽量设置在钻轴轴线上或轴线附近相比，以逆向思维进行设计，一方面消除了旋转对加速度测量的影响，另一方面由于三轴重力加速度传感器不用安装在钻轴轴心位置，因此简化了机械设计，便于制造和加工。

16、2.本发明通过结合利用巴特沃斯低通滤波器消除各个重力加速度传感器敏感轴输出信号中振动干扰信号的高频振动信号分量，以及对称的两个三轴重力加速度传感器消除旋转对加速度测量的影响，再利用设计的正切算法，从而能准确的求出工具面角，且所述测定方法不受钻柱是否处于旋转状态的限制，即在旋转状态下亦可进行工具面角的准确测量，特别是在如近钻头和旋转导向系统中有方位伽马测量需求的情况下，可以更准确的提高测量精度，有利于提高目的层钻遇率。

技术特征：

1.一种在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：包括依次连接的测量传感器模块、信号处理与采集模块和数据存储模块以及与所述信号处理与采集模块连接的数据通讯模块，其中，所述测量传感器模块的重力加速度传感器为三轴重力加速度传感器，所述三轴重力加速度传感器沿钻柱的钻轴中心对称设置。

2.根据权利要求1所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：所述三轴重力加速度传感器按左手坐标系安装，三轴两两正交。

3.根据权利要求1所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：所述信号处理与采集模块包括巴特沃斯低通滤波器、模拟数字转换器和微处理器。

4.根据权利要求1所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：所述数据存储模块为flash。

5.根据权利要求1所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：所述测量传感器模块和所述信号处理与采集模块之间通过spi总线连接。

6.根据权利要求5所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：所述数据存储模块和所述信号处理与采集模块之间通过spi总线连接。

7.根据权利要求5所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：所述数据通讯模块和所述信号处理与采集模块之间通过can总线连接。

8.根据权利要求7所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：所述数据通讯模块还与其他随钻测井工具相连，用于数据的导入和导出。

9.一种在旋转状态下准确测定工具面角的方法，采用权利要求1-8中任一权利要求所述的在旋转状态下准确测定工具面角的装置，其特征在于：通过利用三轴重力加速度传感器的对称设置消除旋转对加速度对测量的影响，再在此基础上设置正切算法以在旋转状态下准确测定工具面角。

10.根据权利要求9所述的在旋转状态下准确测定工具面角的方法，其特征在于：通过所述正切算法得到的工具面角的计算公式为：

技术总结本发明公开了一种在旋转状态下准确测定工具面角的装置及方法，包括依次连接的测量传感器模块、信号处理与采集模块和数据存储模块以及与信号处理与采集模块连接的数据通讯模块，其中，测量传感器模块的重力加速度传感器为三轴重力加速度传感器，且三轴重力加速度传感器沿钻柱的钻轴中心对称设置。三轴重力加速度传感器的对称设置，一方面消除了旋转对加速度测量的影响，另一方面简化了机械设计，便于加工和制造。同时在传感器对称设置的基础上利用设计的正切算法，能准确求出工具面角，且所述测定方法不受钻柱是否处于旋转状态的限制，即在旋转状态下亦可进行工具面角的准确测量，有利于提高目的层钻遇率。技术研发人员：王华平,吴柏志,潘军,刘策,饶海涛,宿振国受保护的技术使用者：中石化经纬有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23