一种陀螺测斜仪全方位连续测量方法

摘要

本发明公开了一种陀螺测斜仪全方位连续测量方法，将陀螺测斜仪伸入井眼内，建立仪器坐标系OXbOYbOZb和地理坐标系OXiYiZi，考虑地球自转和仪器运动，利用陀螺敏感到的角速度在仪器坐标系上的分量公式，求出井斜角I、方位角A和工具面角T。本发明的方法可静态单点测量也可连续测量，测量速度快，短时间内无需漂移修正，既可用于井眼轨迹复测，套管定向开窗侧钻，还可在有磁性干扰环境下的套管井内配合其他测井方法，指示测量仪器的方位；本发明采用惯性传感器与仪器直接固联，利用数学平台来完成油井方位的实时连续测量，与采用机械框架结构的陀螺测斜仪相比测量范围宽，测量时不受任何角度上的限制，并能保证精度高，功耗低等优点。

主权项

一种陀螺测斜仪全方位连续测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)、将装有两个双自由度挠性陀螺和三个石英加速度计的陀螺测斜仪固定在载体上，并随载体伸入井眼内；(2)建立仪器坐标系OXbOYbOZb和地理坐标系OXiYiZi：在陀螺测斜仪上建立仪器坐标系OXbOYbOZb，纵轴OZb为仪器探管轴向，指向探管上端；OXb和OYb在水平平面内，其中OXb轴指向仪器的前端，OYb指向仪器左端；仪器坐标系OXbOYbOZb为符合右手定则的正交坐标系；地理坐标系OXiYiZi中，OXi指向惯性真北，OYi指向惯性真西，OZi为地垂线指向天，地理坐标系OXiYiZi为符合右手定则的正交坐标系；(3)定义井斜角I、方位角A和工具面角T：井斜角I是仪器坐标系OZb轴与地理坐标系OZi轴之间的夹角；方位角A是探管轴向OZb轴和地理坐标系OZi所在平面OZbZi与地理坐标系指北轴OXi和OZi轴所在平面OXiZi之间的夹角，顺时针，从北向东转角为正；工具面角T是探管以OZb为轴，顺时针自旋转，从探管轴线OZb轴所在的地垂平面OZbZi转到由仪器坐标系OZb轴和OXb轴所在的平面OXbZb之间的夹角，顺时针为正；(4)将测斜仪的仪器坐标系OXbOYbOZb看作地理坐标系OXiYiZi经过三次坐标旋转得到：第一次旋转是以OZi为旋转轴，将OXi轴顺时针向东转动一个方位角A，转动后的坐标系为OX1Y1Z1，OZ1轴与OZi轴重合；第二次旋转是以OYi为旋转轴，将OZ1轴转动一个井斜角I到OZ2，转动后的坐标系为OX2Y2Z2，OY2轴与OY1轴重合；第三次旋转是以OZ2为旋转轴，转动一个工具面角T，最后转动后的坐标系为OXbYbZb，OZb轴与OZ2轴重合；与三次坐标系旋转相联系的三个旋转矩阵为： C n 1 = cos A sin A 0 - sin A cos A 0 0 0 1 , C 1 2 = cos I 0 - sin I 0 1 0 sin I 0 cos I , C 2 b = cos T sin T 0 - sin T cos T 0 0 0 1 , 可得旋转矩阵为： C n b = C 2 b C 1 2 C n 1 , ( z - y - z ) = cos T sin T 0 - sin T cos T 0 0 0 1 cos I 0 - sin I 0 1 0 sin I 0 cos I cos A sin A 0 - sin A cos A 0 0 0 1 ; = cos A cos I cos T - sin A sin T sin A cos I cos T + cos A sin T - sin I cos T - cos A cos I sin T - cos T sin A - sin A cos I sin T + cos A cos T sin I sin T cos A sin I sin A sin I cos I (1)(5)陀螺敏感的地球自转角速度ωe和重力加速度g在地理坐标系上的投影分别为： ω e = ω eN ω eW ω eU = ω e cos L 0 sin L ; (2) A = A eN A eW A eU = g 0 0 - 1 ; (3)上式中：ωeN为北向地球自转角速度分量；ωeW为西向地球自转角速度分量；ωeU为天向地球自转角速度分量；L为当地纬度；AeN为北向地球重力加速度；AeW为西向地球重力加速度；AeU为天向地球重力加速度；陀螺敏感的仪器相对地理系的转动速度，该转动速度在仪器坐标系上的投影为： C n b 0 0 dA + C 1 b 0 dI 0 + C 2 b 0 0 dT ; - - - ( 4 ) 其中： C 1 b = C 2 b C 1 2 ; dI＝ωxcosT+ωysinT‑ωecosLcosA； dA = 1 sin I ( ω e cos L sin A cos I - ω x sin T + ω y cos T ) - ω e sin L ; 将(1)、(2)、(3)和(4)联立可得： ω x ω y ω z = C n b 0 0 dA + C 1 b 0 dI 0 + C 2 b 0 0 dT + C n b ω e cos L 0 sin L = ω e cos L ( sin A cos I cos T + cos A sin T ) - ω e sin L sin I cos T + dI sin T - dA sin I cos T ω e cos L ( - sin A cos I sin T + cos A cos T ) + ω e sin L sin I sin T + dI cos T + dA sin I sin T ω e cos L sin A sin I + ω e sin L cos I + dAcisU + dT ；上述中：ωx，ωy和ωz为陀螺测量值；(6)、计算井斜角I、方位角A和工具面角T工具面角T： T = a tan - a y a x ; 上式中：‑ay和ax为Y轴、X轴的加速度计测量值；井斜角I：I＝I0+dIΔt；方位角A：A＝A0+dAΔt；上式中：I0为井斜角初始值，A0为方位角初始值，Δt为A/D转换采样时间间隔；(7)、将井斜角I、方位角A和工具面角T输入井上计算机，由井上计算机显示或打印。