[发明专利]小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法

说明书

本发明公开了一种小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法，测斜装置的基座上连接有直流电机，直流电机输出轴端部设有转台，在转台上安装光纤陀螺仪和双轴加速度计组件，其中光纤陀螺仪敏感轴为X轴，双轴加速度计敏感轴为X轴、Y轴，还包括测量电机输出轴转速的转速传感器；在另一机械固件上固定安装有ARM微处理器和电机驱动模块，ARM微处理器主要完成陀螺仪和加速度计信号实时采集、电机控制信号的发出与定向测斜算法解算，并提取北向角度信息；转速传感器的输出接ARM微处理器，ARM微处理器将计算出的转速信息给电机驱动模块，以控制直流电机匀速转动。本发明解决了目前小孔径水平井难以测量的问题，且测量精度高、装置成本低。

技术领域

本发明涉及钻井中的定向技术，具体涉及一种小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法，属于大地测量、油气井测量技术领域。

背景技术

现代社会对于能源的消耗量极大，随着石油、煤炭等不可再生资源的日益剧减，水平井与小井眼井钻井技术得到不断发展与完善。目前在地质勘探和油气井测量用的定向测斜仪主要有：磁性测量法，照相测量法，惯性测量法等。磁性传感测量系统具有体积小、抗冲击、耐高温、成本低等特点，但在有磁场干扰或套管井等无磁环境中无法获取有效的轨迹参数。照相系统易受到光照和使用环境影响。惯性测量法中，挠性陀螺测量系统抗冲击能力较差、使用寿命短，在野外测井环境下很难实现长期可靠的测试任务；MEMS陀螺系统虽然具有达数千g的抗冲击能力，但其漂移较大；三轴光纤陀螺系统虽然可以做到水平井测量，但尺寸较大、且成本高昂。上述定向测斜系统无法满足对日益增多的小孔径水平井高精度自主测量的迫切需要。在我国小孔径(直径小于45mm)水平井(井斜大于85°)定向测斜领域，目前还未曾见到有关小口径单陀螺水平井定向、测斜仪器的相关技术研究报道和实际产品问世。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法，本发明解决了目前小孔径水平井难以测量的问题，且测量精度高、装置成本低。

本发明的技术方案是这样实现的：

小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置，其特征在于：包括两机械固件，在其中一个机械固件上设置一个表面平整度满足安装要求的基座，在基座上刚性连接有直流电机，直流电机采用伺服电机；直流电机输出轴呈水平状态，直流电机输出轴端部设有转台，转台轴线与电机输出轴重合；在转台上刚性安装单轴小口径光纤陀螺仪和双轴MEMS加速度计组件，其中光纤陀螺仪敏感轴为X轴，双轴MEMS加速度计敏感轴分别为X轴、Y轴，转台在直流电机输出轴带动下绕Y轴转动，陀螺仪和双轴MEMS加速度计组合构成本装置的惯性测量单元；还包括测量电机输出轴转速的转速传感器；

在另一机械固件上固定安装有ARM微处理器和电机驱动模块，ARM微处理器中含有解算模块，ARM微处理器主要完成陀螺仪和加速度计信号实时采集、接口通信、电机控制信号的发出、传感器误差补偿与定向测斜算法解算，并提取北向角度信息；转速传感器的输出接ARM微处理器，ARM微处理器通过鉴相计数计算转速信息，同时发出PWM信号，给电机驱动模块，电机驱动模块输出接直流电机以控制直流电机匀速转动。

小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜方法，本方法采用前述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置实现，该方法包括如下步骤：

1)将所述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置放入小孔径水平井内，直流电机输出轴沿水平井长度方向设置；

2)装置上电后即开始工作，使直流电机输出轴绕Y轴连续旋转，并通过转速传感器采集直流电机转速，并将该转速信号传递给ARM微处理器，经闭环反馈由电机驱动模块根据转速传感器采集信息使直流电机转速稳定；

3)ARM微处理器中的解算模块实时获取双轴MEMS加速度计和陀螺仪输出数据，提取微弱方向信息和倾斜角信息，采用粒子滤波算法解算北向角；具体过程如下：