專利名稱：一種適用于全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種為全光纖數(shù)字測斜儀在進入精確測量狀態(tài)之前的初始對準方法，該初始對準采用兩位置差值比較對準模式完成全光纖數(shù)字測斜儀的精確測量基準建立。
背景技術：
隨著石油資源的貧化，開采的難度越來越大。在石油鉆采的過程中，迫切需要能夠精確測量井眼軌跡參數(shù)的測斜儀器為工業(yè)部門提供可靠的設計、開發(fā)信息。尤其是對于超深井，當發(fā)生深的高壓地層井噴事件時，需要根據(jù)精確的井眼軌跡鉆減壓井來終止井噴。此外，現(xiàn)代鉆采技術的發(fā)展，使隨鉆測量(MWD)成為現(xiàn)實，理想測斜儀是能在鉆頭鉆進的過程中實時監(jiān)測和顯示鉆頭的位置，以便于操作人員及時調整鉆頭，使其按預先設計軌跡達到目標靶區(qū)。這都需要有高精度的井眼軌跡測量儀器。
初始對準是慣性測量系統(tǒng)中的一個十分重要的問題，初始對準的精度直接關系到慣性測量系統(tǒng)的工作精度。衡量系統(tǒng)初始對準的兩個指標是對準的精度和速度。初始對準的精度對系統(tǒng)的導航性能產生直接的影響，初始對準速度則是衡量系統(tǒng)反應能力的重要指標。這兩個指標是相互矛盾的。因此，尋找一種對準精度高，對準速度快的初始對準方法是人們追求的目標。慣性測量系統(tǒng)的初始對準通常分成兩個階段粗對準和精對準。粗對準可以通過慣性器件測量當?shù)氐闹亓铀俣群偷厍蜃赞D角速率，直接估算載體坐標系到導航坐標系的轉換距陣為精對準提供基礎，要求速度快，精度可以低一些。精對準是在粗對準的基礎上，估算方位失準角，要求在保證對準精度的前提下盡量快。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法，該初始對準方法通過下井探管的機體坐標系ObXbYbZb與被測井口的當?shù)氐乩碜鴺讼礝tXtYtZt的轉換關系，從而得到表征下井探管的姿態(tài)矩陣Ctb，同時也能夠標定出各軸光纖陀螺的常值漂移和各軸加速度計的常值偏置。采用本發(fā)明初始對準方法的測斜儀具有自尋北、對準速度快、對準精度高、使用范圍廣的優(yōu)點。
本發(fā)明的適用于全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法有下列對準步驟第一步系統(tǒng)上電后，檢測下井探管的工作狀態(tài)是否正常；第二步在正常工作狀態(tài)下，設定下井探管所在當前位置為第一位置F，設定下井探管繞其主軸OZb旋轉180°后所在位置為第二位置S；第三步采集第一位置F時下井探管上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數(shù)據(jù)XFOG1、Y軸光纖陀螺數(shù)據(jù)YFOG1、Z軸光纖陀螺數(shù)據(jù)ZFOG1、X軸加速度計數(shù)據(jù)XA1、Y軸加速度計數(shù)據(jù)YA1、Z軸加速度計數(shù)據(jù)ZA1，并將所采集的數(shù)據(jù)輸出給全光纖數(shù)字測斜儀的慣性測量系統(tǒng)；采集第二位置S時下井探管上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數(shù)據(jù)XFOG2、Y軸光纖陀螺數(shù)據(jù)YFOG2、Z軸光纖陀螺數(shù)據(jù)ZFOG2、X軸加速度計數(shù)據(jù)XA2、Y軸加速度計數(shù)據(jù)YA2、Z軸加速度計數(shù)據(jù)ZA2，并將所采集的數(shù)據(jù)輸出給全光纖數(shù)字測斜儀的慣性測量系統(tǒng)；第四步將上述第二步驟和第三步驟采集來的傳感數(shù)據(jù)在中心控制處理單元中進行兩位置差值比較，獲得下井探管的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，從而得到下井探管機體坐標系ObXbYbZb與當?shù)氐乩碜鴺讼礝tXtYtZt之間的轉換矩陣Ctb=cosψcosφ+sinψsinθsinφ-sinψcosφ+cosψsinθsinφ-cosθsinθsinψcosθcosψcosθsinθcosψsinθ-sinψsinθcosφ-sinψsinφ-cosψsinθcosφcosθcosφ.]]>所述的全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法，其下井探管姿態(tài)的初始方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ是經 轉換得到，式中，Ob1Xb1Yb1tZb1表示當?shù)氐乩碜鴺讼礝tXtYtZt繞軸OtZt旋轉—方位角ψ后的得到的第一過渡坐標系；Ob2Xb2Yb2Zb2表示第一過渡坐標系Ob1Xb1Yb1tZb1繞軸Ob1Xb1旋轉一傾斜角θ后的得到的第二過渡坐標系。
所述的全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法，其初始對準是在慣性測量系統(tǒng)進入測量工作狀態(tài)之前進行的。
本發(fā)明初始對準方法的優(yōu)點在于(1)采用此方法的儀器能夠自尋北；(2)能夠在初始對準的同時完成各軸光纖陀螺及各軸加速度計的測漂和定標；(3)對準速度快，精度高；(4)儀器對準操作過程方便、簡單，能夠適用于全光纖數(shù)字測斜儀實際工程應用環(huán)境。


圖1是下井探管的機體坐標系結構示意圖。
圖2是被測井口的當?shù)氐乩碜鴺讼凳疽鈭D。
圖3是兩種坐標系的相互關系示意圖。
圖4是本發(fā)明對準流程圖。
圖中1.X軸光纖陀螺 2.Y軸光纖陀螺 3.Z軸光纖陀螺 4.X軸加速度計5.Y軸加速度計 6.Z軸加速度計 7.下井探管 8.被測井眼軌跡 9.目標油藏具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明是一種采用光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量技術的一種新型井眼軌跡測量儀器—全光纖數(shù)字測斜儀，是現(xiàn)階段提供井眼測量儀器中精度較高的一種。全光纖數(shù)字測斜儀由公知計算機、慣性測量軟件系統(tǒng)、信號采集器、光纜鉸盤、井架和下井探管組成，慣性測量軟件系統(tǒng)存儲于計算機的存儲器中，信號采集器安裝于計算機的主板插槽上，信號采集器與光纜鉸盤采用有線連接，光纜鉸盤上的光纜一端與下井探管連接，光纜在井架上滑動實現(xiàn)將下井探管放入井眼中。由于全光纖數(shù)字測斜儀能夠在有磁性物質干擾、小尺寸井眼中對被測油井軌跡進行行之有效的測量。作為慣性測量技術的慣性測量儀器，為使儀器能夠按照一定的測量精度完成測量任務，必須采取有效的初始對準技術措施，使得慣性測量系統(tǒng)有一個精確的初始條件。慣性測量系統(tǒng)初始對準的目的是在慣性測量系統(tǒng)進入測量工作狀態(tài)之前建立起的，用于測量基準坐標系OtXtYtZt到下井探管7的機體坐標系ObXbYbZb的姿態(tài)矩陣Ctb，為全光纖數(shù)字測斜儀提供精確的基準，從而獲得自尋北、對準速度快、對準精度高、使用范圍廣的優(yōu)點。在本發(fā)明中，對下井探管7采集回的多個數(shù)據(jù)進行初始對準處理是通過全光纖數(shù)字測斜儀中的慣性測量系統(tǒng)完成的。
本發(fā)明初始對準方法的設計構思是通過對兩個位置狀態(tài)下的下井探管7上傳感器件輸出的參數(shù)進行不同坐標系下的參數(shù)差值比較，獲得下井探管7的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，從而引入至公知的坐標轉換矩陣中計算出下井探管7到達目標油藏9時的被測井眼軌跡8的測量精度。參數(shù)差值比較是通過將欲執(zhí)行初始對準任務的控制程序存入所述全光纖數(shù)字測斜儀的計算機的存儲器中，運用慣性測量軟件系統(tǒng)進行監(jiān)控下井探管7的初始對準運行狀態(tài)。
本發(fā)明是一種適用于全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法，是將欲執(zhí)行初始對準任務的控制程序存入所述全光纖數(shù)字測斜儀的計算機的存儲器中，其初始對準是在慣性測量系統(tǒng)進入測量工作狀態(tài)之前進行的，其初始對準包括下列對準步驟(參見圖4所示)第一步系統(tǒng)上電后，檢測下井探管7的工作狀態(tài)是否正常；第二步在正常工作狀態(tài)下，設定下井探管7(參見圖1所示)所在當前位置為第一位置F，設定下井探管7繞其主軸OZb旋轉180°后所在位置為第二位置S；第三步采集第一位置F時下井探管7上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數(shù)據(jù)XFOG1、Y軸光纖陀螺數(shù)據(jù)YFOG1、Z軸光纖陀螺數(shù)據(jù)ZFOG1、X軸加速度計數(shù)據(jù)XA1、Y軸加速度計數(shù)據(jù)YA1、Z軸加速度計數(shù)據(jù)ZA1，并將所采集的數(shù)據(jù)輸出給全光纖數(shù)字測斜儀的慣性測量系統(tǒng)；采集第二位置S時下井探管7上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數(shù)據(jù)XFOG2、Y軸光纖陀螺數(shù)據(jù)YFOG2、Z軸光纖陀螺數(shù)據(jù)ZFOG2、X軸加速度計數(shù)據(jù)XA2、Y軸加速度計數(shù)據(jù)YA2、Z軸加速度計數(shù)據(jù)ZA2，并將所采集的數(shù)據(jù)輸出給全光纖數(shù)字測斜儀的慣性測量系統(tǒng)；第四步將上述第二步驟和第三步驟采集來的傳感數(shù)據(jù)在中心控制處理單元中進行兩位置差值比較，獲得下井探管7的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，從而得到下井探管7機體坐標系ObXbYbZb與當?shù)氐乩碜鴺讼礝tXtYtZt之間的轉換矩陣Ctb=cosψcosφ+sinψsinθsinφ-sinψcosφ+cosψsinθsinφ-cosθsinθsinψcosθcosψcosθsinθcosψsinθ-sinψsinθcosφ-sinψsinφ-cosψsinθcosφcosθcosφ.]]>在本發(fā)明中，代表下井探管7姿態(tài)的初始方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ可以按下列順序分三次轉動得到即 式中，Ob1Xb1Yb1tZb1表示當?shù)氐乩碜鴺讼礝tXtYtZt繞軸OtZt旋轉—方位角ψ后的得到的第一過渡坐標系；Ob2Xb2Yb2Zb2表示第一過渡坐標系Ob1Xb1Yb1tZb1繞軸Ob1Xb1旋轉一傾斜角θ后的得到的第二過渡坐標系。
三次坐標轉換可得到的轉換矩陣為Ctb=cosψcosφ+sinψsinθsinφ-sinψcosφ+cosψsinθsinφ-cosθsinθsinψcosθcosψcosθsinθcosψsinθ-sinψsinθcosφ-sinψsinφ-cosψsinθcosφcosθcosφ]]>則，當?shù)氐乩碜鴺讼礝tXtYtZt與下井探管7機體坐標系ObXbYbZb兩個坐標系的關系表示為xbybzb=Ctbxtytzt.]]>參見圖1、圖2、圖3所示，下井探管7中傳感器組件的X軸光纖陀螺1、Y軸光纖陀螺2、Z軸光纖陀螺3、X軸加速度計4、Y軸加速度計5和Z軸加速度計6的輸入分別為沿下井探管7機體坐標系ObXbYbZb的各個軸向，保持下井探管7靜止時，則在第一位置F時各軸光纖陀螺及加速度計的輸出分別如下XFOG1=KFOGX[ωey(cosψsinθsinφ-sinψcosφ)-ωezsinφcosθ]+ϵx---(1)]]>YFOG1=KFOGY[ωeycosψcosθ+ωezsinθ]+ϵy---(2)]]>ZFOG1=KFOGZ[ωey(-sinψsinφ-cosψsinθsinφ)+ωezcosθcosφ]+ϵz---(3)]]>XA1=-KAXcosθsinφ+ΔX---(4)]]>YA1=KAYsinθ+ΔY---(5)]]>ZA1=KAZcosθcosφ+ΔZ---(6)]]>式中ωey表示地球自轉角速率在北向的分量，ωez表示地球自轉角速率在天向的分量，表示被測井口的當?shù)鼐暥?，ωie表示地球的自轉角速度，KFOGX表示X軸光纖陀螺1的標度因數(shù)，KFOGY表示Y軸光纖陀螺2的標度因數(shù)，KFOGZ表示Z軸光纖陀螺3的標度因數(shù)，εx表示X軸光纖陀螺1的常值漂移，εy表示Y軸光纖陀螺2的常值漂移，εz表示Z軸光纖陀螺3的常值漂移，KAX表示X軸加速度計4的標度因數(shù)，
KAY表示Y軸加速度計5的標度因數(shù)，KAZ表示Z軸加速度計6的標度因數(shù)，ΔX表示X軸加速度計4的零偏，ΔY表示Y軸加速度計5的零偏，ΔZ表示Z軸加速度計6的零偏。
當下井探管7繞其主軸ozb旋轉180°后，到達指定位置，即第二位置S處時保持靜止，此時采集各軸光纖陀螺及加速度計的輸出數(shù)據(jù)為XFOG2=KFOGX[-ωey(cosψsinθsinφ-sinψcosφ)+ωezsinφcosθ]+ϵx---(7)]]>YFOG2=KFOGY[-ωeycosψcosθ-ωezsinθ]+ϵy---(8)]]>ZFOG2=KFOGZ[ωey(-sinψsinφ-cosψsinθsinφ)+ωezcosθcosφ]+ϵz---(9)]]>XA2=KAXcosθsinφ+ΔX---(10)]]>YA2=-KAYsinθ+ΔY---(11)]]>ZA2=KAZcosθcosφ+ΔZ---(12)]]>由上式(1)～(12)可以推導出X軸光纖陀螺1的常值漂移εx、Y軸光纖陀螺2的常值漂移εy、Z軸光纖陀螺3的常值漂移εz、X軸加速度計4的零偏ΔX、Y軸加速度計5的零偏ΔY、Z軸加速度計6的零偏ΔZ及下井探管7初始的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，兩個坐標系下的位置參數(shù)轉換如下θ=arcsin[(YA1-YA2)/2KAY]---(13)]]>φ=arcsin[-(XA1-XA2)/2KAXcosθ]---(14)]]>ψ=arccos[(YFOG1-YFOG2)/2KFOGY;cosθ-ωeztan/ωey]---(15)]]>εx＝(XFOG1+XFOG2)/2(16)εy＝(YFOG1+YFOG2)/2(17)ϵz=ZFOG1-KFOGZ[ωey(-sinψsinφ-cosψsinθsinφ)+ωezcosθcosφ]---(18)]]>ΔX＝(XA1+XA2)/2(19)ΔY＝(YA1+YA2)/2(20)ΔZ=ZA2-KAZcosθcosφ---(21)]]>將上式(13)～(15)值代入轉換矩陣Ctb中，可得到下井探管7的機體坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼档淖儞Q距陣，同時也標定出了各軸光纖陀螺的常值漂移和各軸加速度計的常值偏置，是一種簡單有效的初始對準方法。
本發(fā)明專利申請中的各符合的物理意義為

權利要求
1.一種適用于全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法，是將欲執(zhí)行初始對準任務的控制程序存入所述全光纖數(shù)字測斜儀的計算機的存儲器中，其特征在于初始對準包括有下列對準步驟第一步系統(tǒng)上電后，檢測下井探管(7)的工作狀態(tài)是否正常；第二步在正常工作狀態(tài)下，設定下井探管(7)所在當前位置為第一位置F，設定下井探管(7)繞其主軸OZb旋轉180°后所在位置為第二位置S；第三步采集第一位置F時下井探管(7)上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數(shù)據(jù)XFOG1、Y軸光纖陀螺數(shù)據(jù)YFOG1、Z軸光纖陀螺數(shù)據(jù)ZFOG1、X軸加速度計數(shù)據(jù)XA1、Y軸加速度計數(shù)據(jù)YA1、Z軸加速度計數(shù)據(jù)ZA1，并將所采集的數(shù)據(jù)輸出給全光纖數(shù)字測斜儀的慣性測量系統(tǒng)；采集第二位置S時下井探管(7)上的傳感器組件輸出的X軸光纖陀螺數(shù)據(jù)XFOG2、Y軸光纖陀螺數(shù)據(jù)YFOG2、Z軸光纖陀螺數(shù)據(jù)ZFOG2、X軸加速度計數(shù)據(jù)XA2、Y軸加速度計數(shù)據(jù)YA2、Z軸加速度計數(shù)據(jù)ZA2，并將所采集的數(shù)據(jù)輸出給全光纖數(shù)字測斜儀的慣性測量系統(tǒng)；第四步將上述第二步驟和第三步驟采集來的傳感數(shù)據(jù)在中心控制處理單元中進行兩位置差值比較，獲得下井探管(7)的方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ，從而得到下井探管(7)機體坐標系ObXbYbZb與當?shù)氐乩碜鴺讼礝tXtYtZt之間的轉換矩陣Ctb=cosψcosφ+sinψsinθsinφ-sinψcosφ+cosψsinθsinφ-cosθsinθsinψcosθcosψcosθsinθcosψsinθ-sinψsinθcosφ-sinψsinφ-cosψsinθcosφcosθcosφ.]]>
2.根據(jù)權利要求1所述的全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法，其特征在于所述下井探管(7)姿態(tài)的初始方位角ψ、橫滾角φ、傾斜角θ是經 式中，Ob1Xb1Yb1tZb1表示當?shù)氐乩碜鴺讼礝tXtYtZt繞軸OtZt旋轉-方位角ψ后的得到的第一過渡坐標系；Ob2Xb2Yb2Zb2表示第一過渡坐標系Ob1Xb1Yb1tZb1繞軸Ob1Xb1旋轉一傾斜角θ后的得到的第二過渡坐標系。
3.根據(jù)權利要求1所述的全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法，其特征在于所述初始對準是在慣性測量系統(tǒng)進入測量工作狀態(tài)之前進行的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于全光纖數(shù)字測斜儀的初始對準方法，該初始對準方法是在慣性測量系統(tǒng)進入測量工作狀態(tài)之前建立起的，通過下井探管上裝載的光纖陀螺和加速度計輸出的數(shù)據(jù)進行兩位置差值比較計量出基準坐標系O
文檔編號E21B47/02GK1888388SQ200610089778
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月17日 優(yōu)先權日2006年7月17日
發(fā)明者高爽, 宋凝芳, 蘆佳振, 朱奎寶, 顏廷洋, 李晨, 祝露峰, 周益 申請人:北京航空航天大學