基于加速度计和磁强计的定向钻进姿态测量及方位校正

　　地下定向钻进(Directional Drilling)是利用专门的定向钻机以可控钻孔轨迹的方式,在不同地层和深度进行钻进的一种钻进方法,目前在石油钻井、地质勘探以及方兴未艾的非开挖管线铺设领域,获得迅速而广泛的应用[1-2]。

　　定向钻进过程中,为了能有效控制钻进轨迹,需要实时获取钻具方位等姿态信息。这些姿态信息的获取是由安装在钻具内的随钻测量仪器来完成的,如图1所示。定向钻具一般由一系列钻杆、多节钻铤和导向钻头等组成,测量仪器安装在钻铤的内部,完成钻具姿态的实时测量,并将数据传输到地面。这些需要测量的姿态信息包括方位角、倾斜角和工具面向角等。方位角是钻具当前点的切线在水平面的投影与正北方向之间的夹角,它反映了水平面内钻具运动的方向。倾斜角是钻孔当前点的切线与水平面之间的夹角,它反映了钻具前进方向相对水平面的倾斜程度。工具面向角为钻具的造斜方向与参考方向间的夹角,它反映了钻具下一步钻进的造斜方向。

　　为了给出姿态角严格的定义,我们在地理坐标系中(NED北东地坐标系)建立钻具坐标系(XYZ坐标系),如图2所示。图中,H为水平面,V为包含钻进轴线的垂直面,P代表钻具横截面。一般取X轴与钻具的轴线方向一致,Z轴与造斜钻头的造斜方向一致,Y轴跟二者垂直并构成右手直角坐标系。这样,根据以上角度的定义,方位角为X轴在水平面的投影与磁北之间的夹角,图中用Ψ表示,倾斜角为X轴与水平面的夹角,图中用θ表示,面向角为Z轴与钻孔垂直面的夹角,图中角表示。角度的方向都按照XYZ坐标系右手系的方向为正。

　　1　测量系统

　　在航空航天领域,载体姿态的测量常用加速度计和陀螺仪来构成。地下钻进中的姿态测量有其本身的特殊性,由于测量仪器要放在狭小的钻具空腔内,并在钻进过程中随钻具一起破土旋转进给,这就要求各种测量传感器除满足精度要求外,还必须做到体积小、重量轻、结构可靠、耐振动、耐冲击,经受剧烈的温度变化等。传统的加速度计和陀螺仪,体积大、成本高、对环境适应性差,并不适合地下定向钻进的测量。

　　随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,从上个世纪末开始出现了在单片上集成的加速度计和磁强计器件,这些器件采用MEMS技术,在单片上集成加速度敏感元件及相应的调理电路,具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优点,典型产品如ADI公司的ADXL系列加速度计,HONEYWELL公司的HMC系列磁阻式磁强计等。

　　基于这些微惯性器件,我们设计的地下定向钻进姿态测量系统结构如图3所示,系统采用沿钻具三个轴向安装的三个互相垂直的加速度计和三个互相垂直的磁强计来实现,各加速度计测量的是重力场的分量,各磁强计测量的是地磁场的分量,经相应的模数转换后,送入微处理器。为了实现传感器的校正和温度的补偿,测量仪器还配置了温度传感器。微处理器接收这些数据以后,将进行实时的信号处理及姿态解算,此外,为了消除磁场干扰对方位测量造成的影响,还须利用地磁场的数据进行方位校正。校正后的数据可以通过RS-232接口以有线的方式进行输出,但由于传感器是在钻具内部,更通常的做法是将数据编码调制,通过线圈以无线的方式向地表发射,由地面上的仪器进行接收。这样,地面司钻人员就能实时掌握钻头的运动姿态,并可进行相应的控制,以使钻具按照设定轨迹钻进,从而实现导向的目的。