一種適用于小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種適用于小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的方法及裝置，以解決井下振動(dòng)和沖擊干擾環(huán)境中無法準(zhǔn)確真實(shí)反映井斜和工具面實(shí)時(shí)情況的問題，該裝置主要包括：信號(hào)采集單元，用于采集加速度信號(hào)，并將所述加速度信號(hào)通過采樣和濾波等方式轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以作后續(xù)處理。數(shù)字信號(hào)處理單元，用于將所述信號(hào)采集單元輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)所述加速度信號(hào)輸出井斜和工具面的參數(shù)。
【專利說明】一種適用于小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的方法及 裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油、天然氣鉆井領(lǐng)域，更具體地講，本發(fā)明涉及一種適用于小井斜條 件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著東部地區(qū)的油田開采逐漸進(jìn)入中后期，必須尋找新的儲(chǔ)量用以接替，西部地 區(qū)是當(dāng)前石油的主要接替區(qū)。我國西部石油產(chǎn)量的主要接替區(qū)是新疆的塔里木、準(zhǔn)噶爾和 吐哈，青海的柴達(dá)木盆地和四川川東等地區(qū)。但這些地區(qū)2/3以上的油氣儲(chǔ)量埋藏在復(fù)雜 的深部地層，在這些地方鉆井時(shí)井身質(zhì)量很難保證，其中上部井段的井斜問題是主要困難 之一。隨著石油開采的不斷深入，地層結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，加之井下的高壓、高溫環(huán)境影響，使 井眼軌跡控制難度增加。為解決深井上部井段的井斜控制難題，引入了自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)， 在此系統(tǒng)中需要精確測量小井斜角狀態(tài)下的井斜和工具面角，以達(dá)到對控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精 確定向。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用于井下的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，能夠在一定程度上解決鉆井中"防 斜打直"問題。但是在現(xiàn)有的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)中對加速度計(jì)測量信號(hào)的處理是基于傳統(tǒng) 的數(shù)字信號(hào)處理方式，這種數(shù)字信號(hào)處理方式的精度較差，同時(shí)在井下開鉆狀態(tài)下系統(tǒng)會(huì) 受到振動(dòng)和沖擊信號(hào)的干擾，尤其是在小井斜條件下干擾對系統(tǒng)工具軸垂直面上加速度計(jì) 的輸出會(huì)造成較大的影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法準(zhǔn)確測量井斜和工具面角。
[0004] 為了解決該技術(shù)問題，現(xiàn)有技術(shù)中提出了各種各樣的技術(shù)方案。
[0005] 例如在對比文件1(CN102425409A)中，提供了一種井斜和工具面測量裝置及垂 直鉆井設(shè)備，通過將開鉆狀態(tài)下測量到的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理，濾除三軸加 速度計(jì)在隨鉆測量不停鉆的情況下測量得到的各種各樣的震動(dòng)動(dòng)力源造成的干擾信號(hào)，能 夠準(zhǔn)確的采集到加速度信號(hào)進(jìn)而確定出井斜和工具面以及井斜傾角，為垂直鉆井設(shè)備能夠 準(zhǔn)確糾斜控制提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。但是該專利提供的測量設(shè)備所使用的小波均值濾波處理方 法，需要進(jìn)行一次小波變換和多個(gè)子信號(hào)的重構(gòu)及多個(gè)均值濾波處理，運(yùn)算量較大，計(jì)算處 理時(shí)間較長，不利于信號(hào)的實(shí)時(shí)去噪處理。
[0006] 還例如，在專利文獻(xiàn)2(CN102108856A)中公開了一種小角度井斜姿態(tài)測量方法及 裝置，將常規(guī)的正交測量坐標(biāo)系OXYZ繞Y軸旋轉(zhuǎn)Θ角得到新的測量儀器坐標(biāo)系οχουοζο， 即將X加速度計(jì)繞Y軸旋轉(zhuǎn)Θ角，Z加速度計(jì)同時(shí)也繞Y軸旋轉(zhuǎn)Θ角，X加速度計(jì)與Z加 速度計(jì)仍然保持正交，Y加速度計(jì)方位不變，然后根據(jù)新的測量儀器坐標(biāo)系下加速度計(jì)輸出 的值，通過坐標(biāo)變換公式得到常規(guī)的正交測量坐標(biāo)系OXYZ下加速度計(jì)輸出的值，其采用非 正交坐標(biāo)系，使垂直小角度井斜時(shí)測量傳感器工作在線性度最好的區(qū)域，其輸出有較大的 輸出幅度，可避免信號(hào)淹沒，減小傳感器的非線性失真，提高信號(hào)的精確度，得出精確的小 角度井斜姿態(tài)測量結(jié)果。但是該專利所提供的方法僅在靜態(tài)條件下能正常工作，在井下有 強(qiáng)振動(dòng)沖擊干擾的環(huán)境中依然無法提供精確的井斜姿態(tài)測量結(jié)果，不能實(shí)現(xiàn)井斜工具面角 的動(dòng)態(tài)測量。
[0007] 因此，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，現(xiàn)有的技術(shù)方案中，隨鉆井斜和工具面角測量裝置仍 然不能準(zhǔn)確完美真實(shí)反映井斜和工具面的實(shí)時(shí)情況，不能為自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)井下控制閉 環(huán)提供可靠地執(zhí)行導(dǎo)向依據(jù)，從而影響系統(tǒng)進(jìn)一步的工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種適用于小井斜條件下井斜工 具面角動(dòng)態(tài)測量的方法及裝置，以解決井下振動(dòng)和沖擊干擾環(huán)境中無法準(zhǔn)確真實(shí)反映井斜 和工具面實(shí)時(shí)情況的問題。
[0009] 本發(fā)明主要提供一種適用于小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的方法及裝 置，通過實(shí)時(shí)采樣開鉆狀態(tài)下加速度計(jì)的輸出，將其存儲(chǔ)后通過一系列濾波和相關(guān)檢測等 后續(xù)信號(hào)處理方式，去除振動(dòng)和沖擊信號(hào)帶來的干擾，從而得到準(zhǔn)確的加速度計(jì)輸出并求 取出相應(yīng)的井斜和工具面角，為垂直鉆井系統(tǒng)的糾斜提供準(zhǔn)確的依據(jù)。
[0010] 具體的，本發(fā)明提供一種適用于小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其 特征在于，該裝置主要包括：信號(hào)采集單元，用于采集加速度信號(hào)，并將所述加速度信號(hào)通 過采樣和濾波等方式轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以作后續(xù)處理；數(shù)字信號(hào)處理單元，用于將所述信號(hào) 采集單元輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)所述加速度信號(hào)輸出井斜和工具面的參數(shù)。
[0011] 進(jìn)一步，如上述所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于， 所述的信號(hào)采集單元包括：傳感器模塊，用于采集所述3軸加速度信號(hào)；低通濾波器模塊， 用于濾除加速度信號(hào)中的高頻噪聲；采樣模塊，用于對加速度信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)。
[0012] 進(jìn)一步，如上述所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于， 所述的數(shù)字信號(hào)處理單元包括：滑動(dòng)窗處理模塊，用于通過限幅濾波、低通濾波和自相關(guān)檢 測對所述加速度值輸入進(jìn)行處理，輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確的加速度值；井斜計(jì)算模塊，用于讀取所述 加速度值進(jìn)行計(jì)算，確定對應(yīng)的井斜角；工具面角計(jì)算模塊，用于讀取所述加速度值進(jìn)行計(jì) 算，確定對應(yīng)的工具面角；輸出模塊，用于輸出所述井斜和工具面角。
[0013] 進(jìn)一步，如上述所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于， 所述的井斜和工具面角動(dòng)態(tài)測量裝置還包括：微處理器控制單元，用于控制所述的信號(hào)采 集單元和所述的數(shù)字信號(hào)處理單元。
[0014] 進(jìn)一步，如上述所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于， 所述的井斜和工具面角動(dòng)態(tài)測量裝置還包括：電源供電單元，用于為所述井斜和工具面角 動(dòng)態(tài)測量裝置正常運(yùn)行提供電力支持。
[0015] 進(jìn)一步，本發(fā)明還提供一種小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量方法，利用上述 小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置進(jìn)行測量，通過實(shí)時(shí)采樣開鉆狀態(tài)下加速度計(jì) 的輸出，將其存儲(chǔ)后通過一系列濾波和相關(guān)檢測等后續(xù)信號(hào)處理方式，去除振動(dòng)和沖擊信 號(hào)帶來的干擾，從而得到準(zhǔn)確的加速度計(jì)輸出以及相應(yīng)的井斜和工具面角。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明，所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置主要包括：信號(hào) 采集單元、數(shù)字信號(hào)處理單元。
[0017] 對于所述信號(hào)采集單元，主要包括3個(gè)空間上相互垂直的加速度計(jì)，用于測量井 斜和井斜方位角等參數(shù)。加速度傳感器被安裝在鉆柱殼體中，其中Z軸傳感器與鉆具軸線 方向一致，X軸傳感器與Y軸傳感器處于工具軸垂直面，3軸相互正交，根據(jù)各軸向建立儀器 坐標(biāo)系（OXYZ)，OXYZ構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，在與鉆柱固定時(shí)，取Z軸與鉆具的軸線方向一 致，OXY所構(gòu)成的坐標(biāo)系平面與鉆具軸向垂直。該坐標(biāo)系初始時(shí)與地理坐標(biāo)系-北東地 坐標(biāo)系（ONED)重合。3個(gè)加速度計(jì)分別測量井下3個(gè)軸上的重力加速度分量，輸出的信號(hào) 通過低通濾波之后輸入到ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以進(jìn)一步提供給數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行數(shù) 字信號(hào)處理。
[0018] 對于所述數(shù)字信號(hào)處理單元，主要包括信號(hào)采樣單元、信號(hào)濾波單元和數(shù)字信號(hào) 計(jì)算單元。其中信號(hào)采樣單元根據(jù)一定的采樣頻率、采樣信號(hào)采集單元輸入的加速度信號(hào)； 信號(hào)濾波單元按照預(yù)定的時(shí)間窗對采樣的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，采用限幅濾波的方式去除沖擊干 擾的影響，并按照預(yù)定的低通濾波器參數(shù)對信號(hào)進(jìn)行濾波處理，過濾掉振動(dòng)干擾以及傳感 器自身的交流噪聲。為了進(jìn)一步得到穩(wěn)定的信號(hào)輸出，采用自相關(guān)檢測手段來計(jì)算相應(yīng)加 速度計(jì)輸出值。確定性的信號(hào)在不同時(shí)刻取值一般都具有較強(qiáng)的相關(guān)性，而對于干擾噪聲， 因?yàn)槠潆S機(jī)性較強(qiáng)，不同時(shí)刻取值的相關(guān)性一般較弱，利用這一差異可以把確定性信號(hào)和 干擾噪聲區(qū)分開來。將滑動(dòng)時(shí)間窗中的信號(hào)序列作自相關(guān)處理，其結(jié)果作為當(dāng)前滑動(dòng)窗的 加速度值輸出結(jié)果。數(shù)字信號(hào)計(jì)算單元根據(jù)所述加速度值計(jì)算井斜和工具面角的參數(shù)并輸 出結(jié)果。
[0019] 本發(fā)明的有益效果在于，通過將開鉆狀態(tài)下測量的加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行限幅和低通 濾波處理，同時(shí)采用自相關(guān)檢測手段計(jì)算相應(yīng)加速度計(jì)輸出值，能夠有效降低井下強(qiáng)振動(dòng) 信號(hào)和沖擊的干擾帶來的不利影響，從而得到準(zhǔn)確的加速度信號(hào)并得到相應(yīng)的井斜和工 具面角參數(shù)，為自動(dòng)垂直鉆井的自動(dòng)糾斜閉環(huán)控制提供準(zhǔn)確的依據(jù)，提高糾斜控制的準(zhǔn)確 率和精度，進(jìn)而解決高陡構(gòu)造、大傾角地層等易斜地層的防斜問題，提高了鉆井效率，降低 了鉆井成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是示出本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)自動(dòng)糾斜的概念原理圖；
[0021] 圖2是示出本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)中所使用的井斜和工具面角 動(dòng)態(tài)測量裝置框圖；
[0022] 圖3是示出本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)所使用的傳感器概念示意圖；
[0023] 圖4是示出本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)所測量的井斜角和工具面角 的不意圖；
[0024] 圖5是示出本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)所采用的信號(hào)采集單元示意 圖；
[0025] 圖6是示出本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)中的自相關(guān)恢復(fù)信號(hào)示意圖；
[0026] 圖7是示出本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)所采用的數(shù)字信號(hào)處理單元 算法概念示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面將結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作詳細(xì)描述，然而所描述的實(shí)施方式僅 僅是例示性的，本發(fā)明并不僅限于該實(shí)施方式。
[0028] 本發(fā)明提供一種適用于小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的方法及裝置，所述 測量方法利用自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，為本發(fā)明自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)自動(dòng)糾斜 的的概念原理圖。首先，由作為綜合測量單元的傳感器檢測出井斜角和井斜方位角，然后， 利用井下控制單元進(jìn)行控制，通過糾斜模塊進(jìn)行糾斜，從而控制導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（塊）動(dòng)作，使鉆 井（鉆頭）實(shí)際軌跡重新回到垂直位置（設(shè)計(jì)軌跡）。在這一過程中，井斜角和工具面角的 精確測量是自動(dòng)糾斜的先決條件，如果測量不精確，則直接影響垂直效果。所述自動(dòng)垂直鉆 井系統(tǒng)的閉環(huán)控制是由綜合測量單元實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明中，所述綜合測量單元包括3個(gè)空間上 相互垂直的加速度計(jì)，用于測量井斜和井斜方位角等參數(shù)，后面將詳述。
[0029] 圖2是示出本發(fā)明自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)中所使用的井斜和工具面角動(dòng)態(tài)測量裝置 框圖。
[0030] 如圖2所示，所述井斜和工具面角動(dòng)態(tài)測量裝置主要包括信號(hào)采集單元和數(shù)字信 號(hào)處理單元，信號(hào)采集單元將3軸重力加速度分量采樣并進(jìn)行前期處理后輸入到數(shù)字信號(hào) 處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元通過一系列算法處理，準(zhǔn)確反映井下自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的井 斜和工具面角的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)中的導(dǎo)向糾斜模塊根據(jù)所述井斜和工具面角 參數(shù)來控制導(dǎo)向塊的伸縮（參見圖1)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)垂直鉆井。所述裝置還包括微處理器控制 單元和電源供電單元，所述控制單元用于控制所述的信號(hào)采集單元和所述的數(shù)字信號(hào)處理 單元，所述供電單元用于為所述井斜和工具面角動(dòng)態(tài)測量裝置正常運(yùn)行提供電力支持。
[0031] 圖3是示出本發(fā)明自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)所使用的傳感器概念示意圖。本發(fā)明中所使 用的傳感器為加速度傳感器，安裝在鉆柱（桿）殼體中，安裝有3個(gè)，構(gòu)成3個(gè)空間上相互 垂直的加速度計(jì)，圖2中示出了所述各加速度計(jì)的安裝軸向方向，根據(jù)各軸向建立儀器坐 標(biāo)系（OXYZ)，OXYZ構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，在各加速度計(jì)與鉆柱（桿）固定時(shí)，取Z軸與鉆具 的軸線方向一致，OXY所構(gòu)成的坐標(biāo)系平面與鉆具軸向垂直。該坐標(biāo)系初始時(shí)與地理坐標(biāo) 系--北東地坐標(biāo)系（ONED)重合。加速度傳感器被安裝在鉆柱（桿）殼體中，其中Z軸傳 感器與鉆具軸線方向一致，X軸傳感器與Y軸傳感器處于工具軸垂直面，3軸相互正交，3個(gè) 加速度計(jì)分別測量井下3個(gè)軸上的重力加速度分量，輸出的信號(hào)通過低通濾波之后輸入到 ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以進(jìn)一步提供給數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。
[0032] 圖4為井斜角和工具面角示意圖。三軸加速度計(jì)按照OXYZ坐標(biāo)系安裝，假設(shè)測量 的重力場的結(jié)果為[g x gY gz]T，而當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭在地理坐標(biāo)系ONED中為（0, 0, 1)τ，由 幾何關(guān)系可以得到 gx= -cos Φ sin θ gY= sin Φ sin θ gz= cos Θ
[0033] 其中，gx，gy，gz分別表示重力場沿著0X，0Y，OZ三軸方向的分量。OZ表示井眼垂 直時(shí)的方向，OZl表示井眼傾斜時(shí)的方向。XOY是水平面，OXYZ表示井眼未傾斜時(shí)的坐標(biāo)系， (^丫石表示井眼發(fā)生傾斜時(shí)的坐標(biāo)系。其中OA是重力高邊，則井斜角Θ是井眼中心線與 垂線之間的夾角。井斜方位角（數(shù)值上等于重力工具面角）是垂直鉆井中定位鉆具傾斜方 向的一個(gè)量，它是井斜鉛垂面與井眼垂直截面交線（高邊）順時(shí)針旋至參考軸（X軸）所轉(zhuǎn) 過的角度，即常規(guī)定義的井斜鉛垂面與造斜工具面之間的夾角，記為φ 〇
[0034] 圖5是示出本發(fā)明自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)所采用的信號(hào)采集單元示意圖。
[0035] 如圖5所示，信號(hào)采集單元主要由傳感器、低通濾波器，采樣模塊構(gòu)成。所述傳感 器采用加速度傳感器，加速度傳感器輸出的信號(hào)首先通過一個(gè)_3dB截止頻率為400kHz的 4階低通模擬濾波器，這樣就可以在高頻分量到達(dá)ADC之前將其在模擬通路中濾除，以減少 可能存在的頻率混疊。所述采樣模塊采用24bit的Λ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置過采樣結(jié)構(gòu)和 隨奈奎斯特頻率自動(dòng)調(diào)整的數(shù)字低通濾波器。當(dāng)確定采樣頻率，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)，多次反 復(fù)對信號(hào)進(jìn)行采樣，然后通過高性能的濾波器濾除噪聲，提取有用的信號(hào)，從而確保即使在 惡劣環(huán)境中也能夠作為一種提取有效的弱信號(hào)的一種非常有效的手段，從而能夠提高信噪 比及保真度。
[0036] 其中，所述加速度傳感器即加速度計(jì)檢測出的信號(hào)包括有效信號(hào)和干擾信號(hào)（如 振動(dòng)沖擊等）兩部分信號(hào)，在小井斜條件下，重力加速度在工具軸垂直面上的投影分量很 小，例如振動(dòng)信號(hào)等干擾信號(hào)對其影響很嚴(yán)重。利用有效信號(hào)屬于緩變信號(hào)的特征，其變化 頻率遠(yuǎn)低于振動(dòng)信號(hào)的頻率，所以要得到有效信號(hào)可以首先采用低通濾波的方式，之后通 過處理單元對其進(jìn)行處理從而得到所需信息。除了使用低通濾波，為了進(jìn)一步得到穩(wěn)定的 信號(hào)輸出，還采用自相關(guān)檢測的方法來計(jì)算相應(yīng)加速度計(jì)輸出值。另一方面，確定性的信號(hào) 在不同時(shí)刻取值一般都具有較強(qiáng)的相關(guān)性，而對于干擾噪聲，因?yàn)槠潆S機(jī)性較強(qiáng)，不同時(shí)刻 取值的相關(guān)性一般較弱，利用這一差異可以把確定性信號(hào)和干擾噪聲區(qū)分開來。具體而言， 對于疊加了噪聲的信號(hào)，當(dāng)自相關(guān)函數(shù)的時(shí)延較大時(shí)，隨機(jī)噪聲對自相關(guān)函數(shù)的貢獻(xiàn)很小， 此時(shí)該函數(shù)就表現(xiàn)為確定性信號(hào)的一些特征，例如直流分量等。
[0037] 圖6是示出本發(fā)明自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)中的自相關(guān)恢復(fù)信號(hào)示意圖；
[0038] 如圖6所示，傳感器信號(hào)包含有用（有效）信號(hào)和噪聲（干擾）信號(hào)（振動(dòng)和沖 擊信號(hào)），其中振動(dòng)信號(hào)的隨機(jī)性比較強(qiáng)。觀測到的信號(hào)可以表示為X(t) =s(t)+n(t)，其 中s(t)是有用信號(hào)，n(t)是噪聲信號(hào)，對觀測到的信號(hào)x(t)做自相關(guān)運(yùn)算，得
[0039] Rx(t) = E[x(t)x(t-x)] = Rs(x)+Rn(T)+Rsn(T)+Rns(x)
[0040] 當(dāng) n(t)和 s(t)不相關(guān)時(shí)，Rsn( τ ) = Rns( τ ) = 〇,此時(shí)有 [0041 ] Rx ( τ ) = Rs ( τ ) +Rn ( τ )
[0042] 其中，Rx，Rs，Rn分別表示觀測到的信號(hào)，有用信號(hào)和噪聲信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，t表 示信號(hào)的時(shí)間軸，τ用來描述不同時(shí)間信息函數(shù)值的相關(guān)性。對于帶寬較寬的零均值噪聲 n(t)，其自相關(guān)函數(shù)主要反映在τ =〇附近，當(dāng)τ較大時(shí)，Rx(T)只反映 Rs(T)的情況。 如果s(t)是周期性函數(shù)，則Rs(T)仍為周期性函數(shù)，這樣就可以有τ較大時(shí)的艮（1)測 量出s(t)的幅度。因此，對存在振動(dòng)沖擊干擾的加速度計(jì)信號(hào)采用自相關(guān)處理，能夠較好 地提取出其中的加速度計(jì)分量。
[0043] 圖7是示出本發(fā)明自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)所采用的數(shù)字信號(hào)處理單元算法概念示意 圖。
[0044] 如圖7所示，首先，對信號(hào)采集單元輸入的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并取一定長度的信號(hào)序 列作為滑動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過限幅濾波器將異常的序列段去除，從而濾除沖擊信號(hào)的 干擾影響。之后將信號(hào)序列通過低通濾波器以去除高頻噪聲信號(hào)。低通濾波器采用傳統(tǒng)的 巴特沃斯低通數(shù)字濾波器，該濾波器的設(shè)計(jì)思想是基于傅立葉變換算法，將信號(hào)在時(shí)間域 和頻率域之間相互轉(zhuǎn)換，從看似復(fù)雜的數(shù)據(jù)中找出一些直觀的信息，再對它進(jìn)行分析。該 濾波器的特點(diǎn)是在通頻帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，能夠較好的保留信號(hào)中的有效成 分。信號(hào)經(jīng)過濾波后，再采用自相關(guān)檢測的方法進(jìn)行處理，即對滑動(dòng)窗的信號(hào)序列做自相關(guān) 運(yùn)算，得到測量信號(hào)的幅度信息，從而提取當(dāng)前的加速度值。其中滑動(dòng)窗的大小選取決定了 信號(hào)序列的長度，對測量結(jié)果的精度和實(shí)時(shí)性有很大的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)仿真 試驗(yàn)來確定滑動(dòng)窗的大小，在精度和實(shí)時(shí)性兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。
[0045] 通過上述算法流程輸出準(zhǔn)確穩(wěn)定的3軸加速度值，將這3個(gè)軸的加速度值代入下 列公式可以計(jì)算得到所需的井斜和工具面角參數(shù)。在小井斜條件下，考慮到3軸加速度計(jì) 輸出受到干擾，尤其是工具軸垂直面兩個(gè)軸輸出值較小，更易受到干擾的影響，實(shí)際選取的 計(jì)算公式中，采用3軸信息即X、Y和Z軸加速度計(jì)的輸出計(jì)算井斜角Θ，為
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 一種適用于小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于，該裝置主要 包括： 信號(hào)采集單元，用于采集加速度信號(hào)，并將所述加速度信號(hào)通過采樣和濾波等方式轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)以作后續(xù)處理。 數(shù)字信號(hào)處理單元，用于將所述信號(hào)采集單元輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)所述加速度 信號(hào)輸出井斜和工具面的參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于， 所述的信號(hào)采集單元包括： 傳感器模塊，用于采集所述3軸加速度信號(hào)； 低通濾波器模塊，用于濾除加速度信號(hào)中的高頻噪聲； 采樣模塊，用于對加速度信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于， 所述的數(shù)字信號(hào)處理單元包括： 滑動(dòng)窗處理模塊，用于通過限幅濾波、低通濾波和自相關(guān)檢測對所述加速度值輸入進(jìn) 行處理，輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確的加速度值； 井斜計(jì)算模塊，用于讀取所述加速度值進(jìn)行計(jì)算，確定對應(yīng)的井斜角； 工具面角計(jì)算模塊，用于讀取所述加速度值進(jìn)行計(jì)算，確定對應(yīng)的工具面角； 輸出模塊，用于輸出所述井斜和工具面角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于， 所述的井斜和工具面角動(dòng)態(tài)測量裝置還包括： 微處理器控制單元，用于控制所述的信號(hào)采集單元和所述的數(shù)字信號(hào)處理單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置，其特征在于， 所述的井斜和工具面角動(dòng)態(tài)測量裝置還包括： 電源供電單元，用于為所述井斜和工具面角動(dòng)態(tài)測量裝置正常運(yùn)行提供電力支持。
6. -種適用于小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量方法，利用如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng) 所述小井斜條件下井斜工具面角動(dòng)態(tài)測量的裝置進(jìn)行測量，通過實(shí)時(shí)采樣開鉆狀態(tài)下加速 度計(jì)的輸出，將其存儲(chǔ)后通過一系列濾波和相關(guān)檢測等后續(xù)信號(hào)處理方式，去除振動(dòng)和沖 擊信號(hào)帶來的干擾，從而得到準(zhǔn)確的加速度計(jì)輸出以及相應(yīng)的井斜和工具面角。
【文檔編號(hào)】E21B47/02GK104500036SQ201410602827
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月2日
【發(fā)明者】張洪濤, 盛利民, 范錦輝, 管康, 彭浩, 高學(xué)之, 鄧樂 申請人:中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院