[发明专利]一种旋转导向钻井工具的姿态动态测量和解算方法

说明书

本发明提供一种旋转导向钻井工具的姿态动态测量和解算方法，包括：利用两个三轴磁强计分别测量旋转导向钻井工具内部不同位置上的两组磁分量；建立每一组磁分量与旋转导向钻井工具的姿态参数之间的第一关系式，其中，第一关系式中包括多个中间参数；根据光电定位传感器确定的光电定位点的不同位置，建立多个中间参数与两组磁分量之间的第二关系式；计算求解得到多个中间参数，进而计算得到旋转导向钻井工具的姿态参数。本发明采用不敏感振动的磁强计进行动态测量；针对地磁测量敏感的磁场异常干扰，融合光电定位所获得的信息，通过数学解算得到磁场异常分量，并严格求得三个姿态参数的唯一解析解，避免数值迭代解算产生较大的计算量和多解。

技术领域

本发明涉及钻进姿态测量领域，更具体地，涉及一种旋转导向钻井工具的姿态动态测量和解算方法。

背景技术

在石油天然气勘探开发过程中，一方面需要开采难采或难动用储量、开发石油剩余资源和特殊经济边际油藏、以及页岩气、煤层气等稀缺资源；另一方面石油资源越来越集中于深部地层和深水海域，导向钻井是油气钻探技术发展的最高水平。

安全、快速地钻进而又准确中靶，离不开以井下实时测量数据为基础的正确决策，钻进过程中，目前技术均基于传统的静态测量方式，由于自身特征引入的强振动/冲击和旋转干扰问题无法回避，大量应用表明其特征复杂，消除困难，测不准甚至不可测问题严重，阻碍连续钻进过程中的动态姿态测量和解算技术的发展。

井下姿态测量传感器包括成熟应用的加速度计、陀螺仪、磁强计和新兴的MEMS(硅微机械加工技术)、光纤传感器等。目前普遍采用的加速度计是一种较好的静态测量技术，但对振动/冲击、旋转离心力、温度都非常敏感，不适用于连续钻进时的动态测量。陀螺短时间测量精度高，长时间工作时存在累积误差，并且受温度影响大。磁强计不受钻具振动/冲击、旋转离心力和温度影响，但受地磁异常影响。

传统的姿态解算算法有欧拉角法、方向余弦法以及四元数法。动态解算时，欧拉角微分方程会产生奇异点，各种改进欧拉角方法能提高精度，但不能回避奇异点。方向余弦法没有奇异点，但多参数的动态实时性不足。垂直发射的地空导弹大机动飞行时，四元数法姿态更新也存在奇异性。最新发展的旋转矢量法可以解决传感器采样频率有限时，载体角振动和线振动引起较大的圆锥误差，高精度的多子样要求大幅增加旋转多子样矢量法的计算量，各种改进旋转矢量法可补偿圆锥误差，保持相当的计算量。

转子陀螺采用先进的温度校准、实时零偏修正和重力驱动误差源监测与修正等方案，显著提高测量精度；最新的全姿态GWD(3单轴加速度计+2双轴陀螺)在油田中得到应用，但也采用了加速度计，其动态测量缺陷仍然存在。

振动是井下姿态动态测量的主要误差来源，井下钻具时刻处于随机非线性运动状态,在纵振、横振、涡动、黏滑振动等联合作用下，动力学行为复杂，加速度计动态误差很大。通过大量存储数据回放，提取底部旋转钻柱的横向振动、纵向振动时间序列，发现钻具振动具有正的有限时间Lyapunov指数，以及低维混沌现象。振动干扰严重影响动态测量，特别是还具有混沌广(宽)谱特征，此时目前各种具有截断频率特征的滤波算法就无法适应。

发明内容

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种旋转导向钻井工具的姿态动态测量和解算方法，包括：

利用两个三轴磁强计分别测量旋转导向钻井工具内部不同位置上的两组磁分量；建立每一组磁分量与旋转导向钻井工具的姿态参数之间的第一关系式，其中，第一关系式中包括多个中间参数；根据光电定位传感器确定的光电定位点的不同位置，建立多个中间参数与两组磁分量之间的第二关系式；计算求解得到多个中间参数，进而计算得到旋转导向钻井工具的姿态参数。

本发明实施例提供的旋转导向钻进工具的姿态动态测量和解算方法，采用不敏感振动的磁强计进行动态测量；针对地磁测量敏感的磁场异常干扰，融合光电定位所获得的信息，通过数学解算得到磁场异常分量，并严格求得三个姿态参数的唯一解析解，避免数值迭代解算产生较大的计算量和多解。

附图说明