专利名称：一种惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于油田、钻探、勘探用惯性测量领域，尤其涉及一种惯性测量单元以 及动力调谐陀螺连续测斜系统。
背景技术：
在油田开发的初期，由于测井技术落后，加上钻井和开发技术的限制，钻杆在地下 的实际运行轨迹并不十分清楚。而且开发过程中只注重主力油藏的开发，而边远、临近的复 杂油藏、薄油藏没有得到有效开发，且呈不均勻状态分布。剩余油藏潜力巨大，如果在避免风险的情况下进行有效开发，将会促进油田增油 上产目标的实现。在石油资源日益枯竭的情况下，如何使老油井焕发新的活力，改善油田的 整体开发效果，充分开采老油区剩余油气资源，提高油气资源的采收率；同时在新油井开发 过程中，如何为钻头走向提供正确的控制信息，提高油井的产出效费比，运用现代测斜技术 是一种必不可少的手段。目前国内各油田广泛使用的测斜仪器主要是磁通门测斜仪，它采用三轴正交磁通 门测量地球磁场矢量和三轴正交加速度计测量地球重力矢量，测量方法简单，性能稳定可 靠，但只能用于无磁污染的裸眼井，对于套管井、加密井、丛式井却无能无力。在这种情况 下，采用陀螺测斜仪可以进行稳定可靠的测量。国内测斜仪器中使用较多的陀螺测斜仪由一个双自由度的挠性陀螺和两或三个 石英加速度计所组成。这种测斜仪采用静态点测方法，在测斜过程中必须保持仪器静止2、 3分钟。而且连续两个测量点间的数据无法获得，只能依靠对两测量点间的数据取平均值来 近似估计。为了获得油井更多信息，必须增加测量点，这样大大降低了测量效率。目前也有单位在研发光纤陀螺测斜仪，光纤陀螺抗震性好，但其对温度非常敏感， 而且光纤陀螺的精度与其大小呈正比，而井下温度高，对仪器的外径要求也很严格，所以一 定时期内光纤陀螺测斜仪要占主导地位还需要很长的路要走。动力调谐陀螺技术成熟，价格较低，开发一种基于动力调谐陀螺的连续测斜仪是 市场的必然要求。

实用新型内容为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种能全方位测量 和连续测量井眼轨迹以及提高测量效率的惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜系统。本实用新型的技术解决方案是本实用新型提供了一种惯性测量单元，其特殊之 处在于所述惯性测量单元包括测量短节骨架、第一动力调谐陀螺、旋转机构骨架、第二动 力调谐陀螺、第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、电机；所述第一动力调谐陀螺沿 测量短节骨架的径向方向设置于测量短节骨架上；所述第二动力调谐陀螺沿旋转机构骨架 的轴向方向设置于旋转机构骨架上；所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计 依次沿旋转机构骨架的轴向方向正交设置于旋转机构骨架的轴向方向上；所述第二动力调谐陀螺设置于第一动力调谐陀螺和第一加速度计之间；所述测量短节骨架和旋转机构骨架 同轴；所述电机驱动旋转机构骨架绕旋转机构骨架轴线旋转。上述惯性测量单元还包括光电编码盘，所述光电编码盘设置于电机和旋转机构骨 架之间并套接于电机上；所述光电编码盘控制电机带动旋转机构骨架绕轴线旋转。上述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计是石英加速度计。上述石英加速度计是石英挠性加速度计。上述电机是直流伺服电机。一种动力调谐陀螺连续测斜系统，其特殊之处在于所述动力调谐陀螺连续测斜 系统包括如上述的惯性测量单元以及与惯性测量单元相连的电源。上述动力调谐陀螺连续测斜系统还包括遥传电子单元以及信号采集及处理单元， 所述遥传电子单元通过信号采集及处理单元和惯性测量单元相连。上述动力调谐陀螺连续测斜系统还包括减震引鞋，所述减震引鞋和惯性测量单元 相连。上述信号采集及处理单元包括采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器、可编 程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP ；所述采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换 器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP依次连接。本实用新型的优点是本实用新型采用捷联惯性导航技术的陀螺测斜仪能全方位 测量和连续测量井眼轨迹，既可以提高测量效率，又能获得较单点测斜更多的信息。本实用 新型在钻井或测井过程中通过对测斜仪的瞬时角速度进行积分来获得测斜仪沿三个轴向 旋转的角度，实时输出油井的方位信息。同时为了消除噪声干扰、陀螺的随机漂移，采用卡 尔曼滤波方法对输入数据进行处理。测斜过程只需要仪器完成一次从井口到井底或从井底 到井口的运动，便可以得到油井的完整信息。

图1是本实用新型所提供的惯性测量单元的结构示意图；图2是本实用新型所提供的动力调谐陀螺连续测斜系统结构示意图；图3是本实用新型所采用的信号采集及处理单元框图；图4是本实用新型所提供的动力调谐陀螺连续测斜系统信号框图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型首先提供了一种惯性测量单元8，该惯性测量单元是由两 个动力调谐陀螺和三个石英挠性加速度计组成，包括测量短节骨架81，第一动力调谐陀螺 82，上端轴承83，旋转机构骨架84，第二动力调谐陀螺85，三个正交方向安装的第一速度计 86、第二加速度计87、第三加速度计88，旋转机构下端轴承89，光电编码盘810，直流伺服电 机811。第一动力调谐陀螺82沿测量短节骨架81的径向方向设置于测量短节骨架81上； 第二动力调谐陀螺85沿旋转机构骨架84的轴向方向设置于旋转机构骨架84上；第一加速 度计86、第二加速度计87以及第三加速度计88沿依次旋转机构骨架84的轴向方向正交设 置于旋转机构骨架84的轴向方向上；测量短节骨架81和旋转机构骨架84同轴；旋转机构 骨架84设置于光电编码盘810上方；光电编码盘810控制直流伺服电机811驱动旋转机构
4骨架84绕轴线旋转。第一加速度计86、第二加速度计87以及第三加速度计88是石英挠性 加速度计。旋转机构骨架84由伺服电机驱动811可绕旋转机构骨架84的轴线旋转任意角 度，此旋转角度通过光电编码盘810控制，第一动力调谐陀螺82、第二动力调谐陀螺85与第 一速度计86、第二加速度计87、第三加速度计88机械编排参照图2，第一动力调谐陀螺82、 第二动力调谐陀螺85与第一速度计86、第二加速度计87、第三加速度计88通过精密校准， 三轴保持高度一致。根据惯性导航原理，仪器工作时先在井口或井底进行初始对准，获得初 始捷联矩阵，然后采用捷联惯导算法来测量方位角、工具面角和倾斜角。参见图2，本实用新型还提供了一种基于惯性测量单元8的动力调谐陀螺连续测 斜系统，包括地面部分和井下部分。地面部分包括地面计算机1，地面控制箱2 ；地面计算机 通过以太网连接线与地面控制箱连接，地面控制箱通过单芯电缆3与井下部分连接；井下 部分包括马龙头4，二次电源仓5，遥传电子单元6，信号采集及处理单元7，惯性测量单元8， 仪器减震引鞋9。遥传电子单元6包括接收模块和发送模块，接收模块是将调制于单芯电缆上的信 号解调后送给微处理器，它包括电容器和信号调理电路，电容器负责信号解调，调理电路负 责将解调后的信号转换成适合处理器外设电平需要的信号。发送模块是将处理器输出信号 耦合到电压较高的电缆芯上，通过电缆芯将数据传回到地面，它包括功率放大电路和电容 器，功率放大电路将微处理器输出信号进行功率放大后，经电容调制到单芯电缆上。现有 TD823功放集成、扩大运算放大器输出功率电路等都可以实现其功能。地面部分由一台微型计算机和地面控制箱组成。微型计算机用来控制井下仪器工 作，其通过Khernet接口与地面控制箱连接，地面控制箱完成向井下发送指令和将井下测 量数据解码后传给地面计算机，另外为井下仪器提供电源供电，其通过单芯电缆与井下仪 器连接。井下部分处理任务包括(1)利用存储的标定数据对陀螺和加速度计的输出进行在线补偿。(2)对补偿后的陀螺和加速度计输出进行卡尔曼滤波。(3)惯性导航系统解算。整个操作过程中，地面部分和井下部分保持通信，使测量数据发回地面用于存储 和显示，所有与惯性系统和惯性辅助处理系统有关的信号处理都在井下处理器内完成。参见图3，信号采集及处理单元7由两个动力调谐陀螺测量的角速率信息、三个石 英加速度计测量的比力信息、温度传感器测量的惯性测量单元温度信息经过采样、放大、滤 波、调理环节处理后送给8路并行A/D转换器ADS1278后，送给CPLD芯片EPM7256进行处 理，完成后将处理结果送CPU进行惯性导航算法解算，信号采集及处理单元7包括采样器、 放大器、滤波器、调理器、转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP ；采样器、 放大器、滤波器、调理器、转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP依次连接。本实用新型系统信号框图如图4所示。本实用新型是具体工作时1.机械编排原理参照图1，两个动力调谐陀螺和三个石英挠性加速度计安装骨架在机械加工过程中通过精密校准，三轴保持高度一致，安装误差小于1°，安装时第一动力调谐陀螺82的X 向敏感轴与第三加速度计88的敏感轴方向保持一致，第一动力调谐陀螺82的Y向敏感轴 与第一加速度计86的敏感轴方向保持一致，第二动力调谐陀螺85的X向敏感轴与第一动 力调谐陀螺82的X向敏感轴方向保持一致，第二动力调谐陀螺85的Y向敏感轴与第二加 速度计87的敏感轴方向保持一致。2.传感器数学模型动力调谐陀螺测量的角速率测量值(御)可用数学的方法表达成如下形式
#=(1+ ) 0)Χ+Β χ(1)式中Sx------标度因数误差；MY, Mz------交叉耦合系数；ω χ------陀螺绕其输入轴的旋转速率；ax, ay-------沿输入轴的加速度；az------沿自转轴的加速度；Bfx------对加速度不敏感的零偏系数；Bgx，Bgy------对加速度敏感的零偏系数；Baxz------非等弹性零偏系数；nx------随机误差。加速度计测量的加速度衫可分别用沿其敏感轴\的加速度以及沿摆轴 和铰链
轴^的加速度来表示
^0 = ( 1+ ) ax + MYay + Mzaz + 尽 + Bvaxay +nx(2)式中Sx------标度因数误差；MY, Mz------交叉耦合系数；Bf------测量零偏；Bv------振摆误差系数；nx------随机零偏。影响传感器的主要输出误差为确定性部分的刻度因数误差、零偏和非确定性部分 的随机噪声误差。在外部环境保持不变的情况下，传感器刻度因数的非线性度较小，因此在 工作境变化不大的应用中，可以不考虑非线性造成的影响。根据仪器指标，忽略部分因素， 最终确定陀螺仪和加速度计的数学模型如下
#^(1+ ) % + Bix(3)
^0^(!+^x) ax+Bf(4)[0062]3.初始对准初始对准的目的是确定捷联矩阵的初始值。测斜仪使用一个沿仪器轴向安装的第 二动力调谐陀螺85测量地球自转角速度的两个水平分量，通过三个正交安装的石英挠性 第一速度计86、第二加速度计87、第三加速度计88测量仪器坐标系三个轴向的重力加速度 分量，来确定仪器的初始位置。根据公式(5)、(6)、(7)进行计算，得到倾斜角I，方位角A， 工具面角T。
权利要求1.一种惯性测量单元，其特征在于所述惯性测量单元包括测量短节骨架、第一动力 调谐陀螺、旋转机构骨架、第二动力调谐陀螺、第一加速度计、第二加速度计、第三加速度 计、电机；所述第一动力调谐陀螺沿测量短节骨架的径向方向设置于测量短节骨架上；所 述第二动力调谐陀螺沿旋转机构骨架的轴向方向设置于旋转机构骨架上；所述第一加速度 计、第二加速度计以及第三加速度计依次沿旋转机构骨架的轴向方向正交设置于旋转机构 骨架的轴向方向上；所述第二动力调谐陀螺设置于第一动力调谐陀螺和第一加速度计之 间；所述测量短节骨架和旋转机构骨架同轴；所述电机驱动旋转机构骨架绕旋转机构骨架 轴线旋转。
2.根据权利要求1所述的惯性测量单元，其特征在于所述惯性测量单元还包括光电 编码盘，所述光电编码盘设置于电机和旋转机构骨架之间并套接于电机上；所述光电编码 盘控制电机带动旋转机构骨架绕轴线旋转。
3.根据权利要求1或2所述的惯性测量单元，其特征在于所述第一加速度计、第二加 速度计以及第三加速度计是石英加速度计。
4.根据权利要求3所述的惯性测量单元，其特征在于所述石英加速度计是石英挠性 加速度计。
5.根据权利要求3所述的惯性测量单元，其特征在于所述电机是直流伺服电机。
6.一种动力调谐陀螺连续测斜系统，其特征在于所述动力调谐陀螺连续测斜系统包 括如权利要求1-5任一权利要求所述的惯性测量单元以及与惯性测量单元相连的电源。
7.根据权利要求6所述的动力调谐陀螺连续测斜系统，其特征在于所述动力调谐陀 螺连续测斜系统还包括遥传电子单元以及信号采集及处理单元，所述遥传电子单元通过信 号采集及处理单元和惯性测量单元相连。
8.根据权利要求6或7所述的动力调谐陀螺连续测斜系统，其特征在于所述动力调 谐陀螺连续测斜系统还包括减震引鞋，所述减震引鞋和惯性测量单元相连。
9.根据权利要求8所述的动力调谐陀螺连续测斜系统，其特征在于所述信号采集及 处理单元包括采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字 信号处理器DSP ；所述采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器、可编程逻辑器件CPLD以 及数字信号处理器DSP依次连接。
专利摘要本实用新型涉及一种惯性测量单元和动力调谐陀螺连续测斜系统，该惯性测量单元包括测量短节骨架、第一动力调谐陀螺、旋转机构骨架、第二动力调谐陀螺、第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、电机；所述第二动力调谐陀螺沿旋转机构骨架的轴向方向设置于旋转机构骨架上；所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计依次沿旋转机构骨架的轴向方向正交设置于旋转机构骨架的轴向方向上；该动力调谐陀螺连续测斜系统包括如上述的惯性测量单元以及与惯性测量单元相连的电源；本实用新型提供了全方位测量、连续测量井眼轨迹以及提高测量效率的惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜仪。
文档编号G01P15/08GK201865663SQ20102021344
公开日2011年6月15日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者刘建武, 李晓东, 胡国峰, 黄义军, 黄向东 申请人:西安思坦仪器股份有限公司