导向钻井工具姿态多传感器组合测量方法研究

发布时间：2020-10-30 18:03

　　 旋转导向钻井工具的姿态测量是导向控制的关键,导向控制所需的姿态参数主要有工具的井斜角、工具面角和转速等,这些参数的准确、实时测量是工具实现导向控制的前提条件。但工具的高速旋转、近钻头的强振动以及工具周围的干扰磁场,使惯性加速度计和磁通门传感器的输出信号中不可避免的混杂了大量干扰信号,导致工具姿态参数严重失真。本文针对以上问题,提出了一种导向钻井工具姿态多传感器组合测量方法,并通过仿真和模拟实验验证了该方法的正确性和有效性。主要的研究成果如下:1、研究了工具在旋转、振动和干扰磁场的情况下,其姿态参数存在严重失真的问题。对此,分别采用了转速补偿方法和硬磁补偿方法来消除旋转和干扰磁场对姿态测量的影响;提出了多传感器WLS加权融合方法,有效的滤除了加速度计中的振动干扰信号。2、基于三轴惯性加速度计、三轴磁通门传感器和角速率陀螺仪构成的姿态测量系统,提出了一种多传感器组合测量方法。数值仿真分析表明,当井斜角为0.3°时,解算得到的井斜角和工具面角的最大解算误差分别为0.05°和20°,仿真结果验证了该方法的正确性和有效性。3、根据工具姿态测量系统的设计要求,完成了系统硬件电路的设计与调试,并开发了相应的软件程序,制成了导向钻井工具姿态测量装置。4、多种振动模式下的模拟实验表明,多传感器组合测量方法可有效消除振动和干扰磁场对姿态测量的影响。当井斜角为1.5°时,井斜角最大解算误差为1.8°,工具面角最大解算误差为28°,与未用该方法前相比,其解算误差大大降低,验证了该方法可有效的解决工具姿态的动态测量问题,提高工具姿态的动态测量精度。这些研究成果可为进一步研究导向钻井工具姿态的动态测量方法提供有益的参考。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP212;TE921
【部分图文】：

15第三章工具姿态多传感器组合测量方法通过分析工具姿态在动态测量过程中存在的问题及其解决方法，本章将设计一种由三轴惯性加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪所构建的工具姿态测量系统，并提出工具姿态多传感器组合测量方法，研究三者的组合测量原理，给出组合测量方案。利用后两组传感器对振动不敏感和钻进过程中井斜角变化缓慢的特点，提出一种滤除近钻头振动信号的多传感器WLS加权融合方法，并详细阐述该方法的基本理论及推导过程。最后针对提出的组合测量方案建立仿真模型，用数值仿真方法对转速补偿方法和多传感器WLS加权融合方法进行仿真验证。3.1多传感器组合测量方案三轴惯性加速度计、三轴磁通门传感器和角速率陀螺仪的安装示意图如图3-1所示。图中Z轴表示井眼轴线方向，三个传感器的轴线近似一致，且前两组传感器的三个轴两两垂直。XZXZYYω图3-1传感器的安装示意图在三轴惯性加速度计、三轴磁通门传感器和角速率陀螺仪构建的工具姿态测量系统中，先利用安装在Z轴的角速率陀螺仪测出工具的转速，对加速度计的原始信号进行转速补偿后得到一组三轴信号（记为A组），而后利用后两组传感器对振动不敏感和钻进过程中井斜角变化缓慢的特点，反解得到加速度计信号的两组参考值（记为B、C组），最后将三组三轴信号送入多传感器WLS加权融合算法进行加权融合，以滤除近钻头中的振动干扰信号，最终解算出相对准确的工具姿态角度。组合测量方案如图3-2所示。θ图3-2多传感器组合测量方案

314.2.2系统供电电路设计本系统的供电电源主要包括三轴惯性加速度计、三轴磁通门、角速率陀螺仪和主控芯片的5V供电电压；信号处理模块中运放的12V供电电压；主控芯片片内ADC模块的5.00V基准电压。其中5V电池组能完全满足三个传感器和主控芯片的电能消耗，而5.00V的基准电压可以用低噪声基准电压芯片ADR435获取，ADR435的供电电压范围为7~18V，可用TI公司的DC/DC升压芯片LM2735提供12V电压供给，其还可为运放提供电源。由主控芯片dsPIC30F4011的数据手册可知[57]，片内ADC模块的参考输入电压范围为2.7V~5.0V，最大的电流消耗为300uA，下表4-2表明，使用低噪声基准电压芯片ADR435可输出5.00VDC的低纹波基准电压，并且该芯片的最大输出电流为30mA，完全满足主控芯片片内ADC的电流消耗。利用TI公司的4通道轨至轨运算放大器芯片TLV2374构成信号处理电路，该芯片的最大静态工作电流为660uA/通道（典型值为550uA），信号处理电路中共用了4片TLV2374，即总共16个通道，满负荷工作状态下的最大电流约为11mA，由表4-2可知，DC/DC升压芯片LM2735的输出电流高达2.1A，完全满足系统工作要求，且表中的电源芯片均为SOT封装，大大的缩减了电路板的尺寸。表4-2电源管理芯片相关参数芯片名称芯片功能输入电压（V）输出电压（V）最大输出电流（A）ADR435输出基准电压7~185.000.03LM2735升压2.7~5.53~242.1整个工具姿态测量系统的供电关系如图4-5所示。图4-5系统供电关系示意图其中，DC/DC升压芯片LM2735的升压电路如图4-6所示，其外围电路的电容、电感和电阻值需要计算得到。

滤波器设计软件FilterLab完成滤波电路的搭建。工具在无振动状态下，三轴惯性加速度计信号的频率通常不会超过ω/60（ω为工具的转速）[31]。当工具旋转时，三轴惯性加速度计信号的频率通常为0Hz~20Hz，振动干扰信号主要集中在200Hz~300Hz范围内[58]。在上述分析的基础上，利用FilterLab软件设计有源低通滤波器的性能指标如下：（1）通带信号衰减小于等于0.5dB；（2）边沿频率（频率为20Hz）衰减小于等于3dB；（3）阻带衰减40dB以上（即滤波器的滤波范围为0Hz~40Hz）。则利用FilterLab软件设计出七阶有源低通滤波器如图4-7所示。图4-7七阶有源低通滤波器由FilterLab软件设计出滤波器器件参数均为理想化的，并没有考虑电阻电容的温漂等干扰对滤波性能的影响。因此，利用Multisim电路仿真软件对此滤波器进行详细的仿真，确保所设计的滤波器的正确性。在Multisim电路仿真软件中搭建的滤波电路如图4-8所示，其中运算放大器选用高转换率、轨至轨输入和输出的运算放大器TLV2374，按照实际电路中的电阻电容参数，将电阻容差设置为1%，电容容差设置为20%。
【参考文献】

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本文编号：2862823