动态指向式旋转导向钻井工具面角的动态测量
发布时间：2021-01-03 22:19
针对钻井过程复杂振动环境下单独使用加速度计和陀螺仪都无法准确获得近钻头处工具面角测量值的情况,提出一种融合单轴陀螺仪和双三轴加速度计测量数据的组合滤波方案。采用扩展卡尔曼滤波算法,根据加速度计测量信息自适应地调整滤波参数使测量结果最佳,能够准确估计出工具面角和陀螺仪漂移。仿真与实际测试结果表明,该方法能够适应钻井工具不同运行工况并大幅减弱井下振动、陀螺仪漂移等因素对工具面角动态测量精度的影响,工具面角误差小于6°,为旋转导向钻井工具的研制奠定了基础。
【文章来源】：中国惯性技术学报. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
陀螺仪漂移估计Fig.3Gyroscopedriftestimation3实验和结果
第28期耿艳峰等：动态指向式旋转导向钻井工具面角的动态测量-327-图3陀螺仪漂移估计Fig.3Gyroscopedriftestimation3实验和结果3.1实验平台介绍课题组自行开发的动态指向式旋转导向钻井工具原理样机如图4所示，原理样机内部含有完备的测控硬件电路，能够模拟各种典型的钻井工况。两个MMA8451三轴加速度计和一个HTG-1200单轴陀螺仪安装在稳定平台仪器仓内，稳定平台半径R0.025m。稳定平台由电机驱动，稳定平台驱动电机连接着旋转变压器，可以采集电机转速和位置信息。实验过程中原理样机的钻铤是不旋转的，此时旋转变压器的测量值可作为转速和工具面角的参考值。钻铤驱动电机钻铤稳定平台驱动电机稳定平台钻头稳定平台仪器仓图4动态指向式旋转导向钻井工具原理样机结构图Fig.4Structuralschematicoftheprototypeofdynamicpoint-the-bitrotarysteerabledrillingtool3.2实验设计钻井工具的轴向振动对工具面角的测量无影响，而平行于工具面的横向振动会严重影响工具面角的测量精度。实验时将动态指向式旋转导向钻井工具原理样机水平牢固地固定在振动台上，令振动台垂直振动。开启振动时，振动台振动频率从0Hz快速增加到50Hz，之后保持50Hz振动，关闭时振动频率逐渐减小到0Hz，振动频率逐渐增加和减小的过程增加了振动的复杂性，能够更好的模拟钻井工况。振动台及旋转导向钻井工具原理样机实验如图5所示。粘滑运动是钻井过程中常见的一种工况，粘滑运动是钻井工具的一种扭转振动，频率在0.05~0.5Hz之间低频波动[13]。根据钻井工艺要求，实际钻进时工具面角波动应小于15°[14]。控制图4中钻铤驱动电机的转速变化，即可模拟粘滑工况，考虑更为严苛的钻井工况，用幅值为20°，频率为0.5Hz的正弦
tructuralschematicoftheprototypeofdynamicpoint-the-bitrotarysteerabledrillingtool3.2实验设计钻井工具的轴向振动对工具面角的测量无影响，而平行于工具面的横向振动会严重影响工具面角的测量精度。实验时将动态指向式旋转导向钻井工具原理样机水平牢固地固定在振动台上，令振动台垂直振动。开启振动时，振动台振动频率从0Hz快速增加到50Hz，之后保持50Hz振动，关闭时振动频率逐渐减小到0Hz，振动频率逐渐增加和减小的过程增加了振动的复杂性，能够更好的模拟钻井工况。振动台及旋转导向钻井工具原理样机实验如图5所示。粘滑运动是钻井过程中常见的一种工况，粘滑运动是钻井工具的一种扭转振动，频率在0.05~0.5Hz之间低频波动[13]。根据钻井工艺要求，实际钻进时工具面角波动应小于15°[14]。控制图4中钻铤驱动电机的转速变化，即可模拟粘滑工况，考虑更为严苛的钻井工况，用幅值为20°，频率为0.5Hz的正弦运动模拟粘滑工况进行实验。电机控制板振动台控制箱原理样机振动台图5振动台Fig.5Thevibrationtable3.3组合滤波实验3.3.1不同振动强度测试考虑钻井过程中导向钻井工具的四种工作状态来对比自适应卡尔曼滤波算法对不同振动强度的适应性，振动强度由小到大分别为：静止不振动、粘滑不振动、静止振动和粘滑振动，各工况分别运行30s。另外，为便于对比组合滤波效果，将双加速度计、陀螺仪的单独解算结果一并列出。当系统过程噪声Q的大小无法准确获得时，若知道其取值范围，一般采用可能的较大值，可以在一定程度上防止滤波发散。实验时，系统采样周期0.005ssT，陀螺仪测量噪声协方差最大为2300(/s)，则陀螺仪测量噪声引起的工具面角预测值的噪声协方差为：2221q3000.
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种融合互补滤波和卡尔曼滤波高精度姿态测量算法[J]. 李杰,杨雁宇,冯凯强,李小燕,郑涛,杜思远,许廷金. 中国惯性技术学报. 2018(01)
[2]近钻头井斜动态测量重力加速度信号提取方法研究[J]. 张文秀,陈文轩,底青云,孙云涛,杨永友,郑健. 地球物理学报. 2017(11)
[3]旋转导向钻井技术应用研究及其进展[J]. 孙维. 中国石油和化工标准与质量. 2017(16)
[4]近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法[J]. 高怡,程为彬,汪跃龙. 中国惯性技术学报. 2017(02)
[5]导向钻井稳定控制平台的反馈线性化控制[J]. 汪跃龙,王海皎,康思民,汤楠,霍爱清. 石油学报. 2014(05)
本文编号：2955580
【文章来源】：中国惯性技术学报. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
陀螺仪漂移估计Fig.3Gyroscopedriftestimation3实验和结果
第28期耿艳峰等：动态指向式旋转导向钻井工具面角的动态测量-327-图3陀螺仪漂移估计Fig.3Gyroscopedriftestimation3实验和结果3.1实验平台介绍课题组自行开发的动态指向式旋转导向钻井工具原理样机如图4所示，原理样机内部含有完备的测控硬件电路，能够模拟各种典型的钻井工况。两个MMA8451三轴加速度计和一个HTG-1200单轴陀螺仪安装在稳定平台仪器仓内，稳定平台半径R0.025m。稳定平台由电机驱动，稳定平台驱动电机连接着旋转变压器，可以采集电机转速和位置信息。实验过程中原理样机的钻铤是不旋转的，此时旋转变压器的测量值可作为转速和工具面角的参考值。钻铤驱动电机钻铤稳定平台驱动电机稳定平台钻头稳定平台仪器仓图4动态指向式旋转导向钻井工具原理样机结构图Fig.4Structuralschematicoftheprototypeofdynamicpoint-the-bitrotarysteerabledrillingtool3.2实验设计钻井工具的轴向振动对工具面角的测量无影响，而平行于工具面的横向振动会严重影响工具面角的测量精度。实验时将动态指向式旋转导向钻井工具原理样机水平牢固地固定在振动台上，令振动台垂直振动。开启振动时，振动台振动频率从0Hz快速增加到50Hz，之后保持50Hz振动，关闭时振动频率逐渐减小到0Hz，振动频率逐渐增加和减小的过程增加了振动的复杂性，能够更好的模拟钻井工况。振动台及旋转导向钻井工具原理样机实验如图5所示。粘滑运动是钻井过程中常见的一种工况，粘滑运动是钻井工具的一种扭转振动，频率在0.05~0.5Hz之间低频波动[13]。根据钻井工艺要求，实际钻进时工具面角波动应小于15°[14]。控制图4中钻铤驱动电机的转速变化，即可模拟粘滑工况，考虑更为严苛的钻井工况，用幅值为20°，频率为0.5Hz的正弦
tructuralschematicoftheprototypeofdynamicpoint-the-bitrotarysteerabledrillingtool3.2实验设计钻井工具的轴向振动对工具面角的测量无影响，而平行于工具面的横向振动会严重影响工具面角的测量精度。实验时将动态指向式旋转导向钻井工具原理样机水平牢固地固定在振动台上，令振动台垂直振动。开启振动时，振动台振动频率从0Hz快速增加到50Hz，之后保持50Hz振动，关闭时振动频率逐渐减小到0Hz，振动频率逐渐增加和减小的过程增加了振动的复杂性，能够更好的模拟钻井工况。振动台及旋转导向钻井工具原理样机实验如图5所示。粘滑运动是钻井过程中常见的一种工况，粘滑运动是钻井工具的一种扭转振动，频率在0.05~0.5Hz之间低频波动[13]。根据钻井工艺要求，实际钻进时工具面角波动应小于15°[14]。控制图4中钻铤驱动电机的转速变化，即可模拟粘滑工况，考虑更为严苛的钻井工况，用幅值为20°，频率为0.5Hz的正弦运动模拟粘滑工况进行实验。电机控制板振动台控制箱原理样机振动台图5振动台Fig.5Thevibrationtable3.3组合滤波实验3.3.1不同振动强度测试考虑钻井过程中导向钻井工具的四种工作状态来对比自适应卡尔曼滤波算法对不同振动强度的适应性，振动强度由小到大分别为：静止不振动、粘滑不振动、静止振动和粘滑振动，各工况分别运行30s。另外，为便于对比组合滤波效果，将双加速度计、陀螺仪的单独解算结果一并列出。当系统过程噪声Q的大小无法准确获得时，若知道其取值范围，一般采用可能的较大值，可以在一定程度上防止滤波发散。实验时，系统采样周期0.005ssT，陀螺仪测量噪声协方差最大为2300(/s)，则陀螺仪测量噪声引起的工具面角预测值的噪声协方差为：2221q3000.
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种融合互补滤波和卡尔曼滤波高精度姿态测量算法[J]. 李杰,杨雁宇,冯凯强,李小燕,郑涛,杜思远,许廷金. 中国惯性技术学报. 2018(01)
[2]近钻头井斜动态测量重力加速度信号提取方法研究[J]. 张文秀,陈文轩,底青云,孙云涛,杨永友,郑健. 地球物理学报. 2017(11)
[3]旋转导向钻井技术应用研究及其进展[J]. 孙维. 中国石油和化工标准与质量. 2017(16)
[4]近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法[J]. 高怡,程为彬,汪跃龙. 中国惯性技术学报. 2017(02)
[5]导向钻井稳定控制平台的反馈线性化控制[J]. 汪跃龙,王海皎,康思民,汤楠,霍爱清. 石油学报. 2014(05)
本文编号：2955580
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