垂直导向钻井工具姿态测量方法研究.pdf

· 76 · 录 井 工 程 · 装 备 · 垂直导向钻井工具姿态测量方法研究 贺 艳 汪跃龙 李雨丹 王 彤 (西安石 油大学电子 工程 学院) 贺艳 ，汪跃龙 ，李雨丹 。王彤．垂直导向钻井工具姿态测量方法研究．2016，27(1)：76—79 摘 要 自动垂直导 向钻井工具是复杂结构井的钻井新工具 ，它通过 自动控制怍用在井壁 的推靠力 以控制钻进方 向，实现纠斜稳直 的 目的。因此，导 向钻井工具姿态测量方法研 究是实现 自动垂直导 向钻井 的重要基础 。基于对 垂直导 向钻井工具姿态删量原理 的分析 ，研究 了近垂直条件下果用重力加速度计测量工具姿态时不可测和测不准 的问题，为解决 以上问题 ，提 出了重力加速度计 的非正交测量方法，并对典型姿态角度进行理论分析与计算推导。 解算结果表明，与常规方法相比，非正交测量方法的姿态测量误差大幅减小，改进效果显著，满足 了垂直导 向钻井 工具 的测量精度要求 。通过水力驱动测试试验 ，验证 了重力加速度计非正交测量方法的有效性。 关键词 垂直导 向钻井 姿态测量 非正交测量 重力加速度计 中图分类号 ：TE132．1 文献标识码 ：A D()I：10．3969／j．issn．1672-9803．20l6．01．017 的方法 ，对典型姿态角度进行解算分析 ，进而验证非 0 引 言 正交测量方法的有效性。 自动垂直导 向钻井是在钻柱旋转作业状态下实 l 垂直导向钻井工具的姿态测量原理 现井眼轨迹导向控制 的一种全新钻井技术_1]。钻井 过程中，垂直导 向钻井工具l2(以下简称导向工具) 工具姿态的重力加速度测量原理如 图 1I6]，它 通过控制导 向块在给定方位产生导 向所需 的导 向 是利用重力加速度在各个测试轴上的投影 (分量)来 力 ，达到稳直或纠斜 的 目的，从而控制井眼轨迹、造 实现的。 成垂直井眼¨3]。井下控制系统需要根据导向工具 的 井下姿态参数 (即井斜角 、工具面角)进行反馈控制 ， 以此确保井眼轨迹 的动态稳定 ，因而井下工具姿态 的实时测量至关重要 [4]，是垂直导 向钻井工具实现 导向控制的前提条件。 但在钻井过程中，由于井下环境复杂 ，尤其钻头 处于近垂直条件下 ，这些参数存在 “不可测”和 “测不 准”的问题lc]。目前针对近垂直条件下工具姿态测 量问题，通常采用以下研究来提高姿态测量精度 ：① 图 1 工具 姿态 的重力加速度测量原理示意 采用窄角度或高精度进 口传感器来提 高传感器精 度；②采用 同类或者不 同类型的传感器组合改进测 图中Z、z表示井眼方 向；0XYZ表示井眼未倾 量方法 。以上方法均是在微弱信号的基础上提高测 斜时的坐标系，X0y为水平面；0XyZ表示井 眼 量精度 ，本文提出的非正交测量方法 ，目的在于使传 发生倾斜时的坐标系 ； 、 、 分别为 x、y、Z轴 感器输出幅值增大，依靠原始较大幅度信号来提高 重力 加 速 度 计 在 井 眼 发 生倾 斜 时 的坐 标 系 姿态参数解算精度 。通过采用理论分析和计算推导 (OXYZ)下的输 出信号 ；为井斜角 ，即钻柱轴心 基金项 目：西安石油大学研究生创新基金项 目“垂直导向钻井工具姿态 测量方 法研 究”(编号 ：2014cx130322) 贺艳 硕士研究生 ，1990年生 ，2013年本科毕业于榆林学 院，现就读于西安石油大学控制理论与控制一|：程专业 ，主要从事垂直导向钻井工具 姿态测量研究 。通信地址 ：710065陕西省西安市雁塔 区电子二路东段 18号 。电话 E—mail：