随钻测量系统设计

　　0 引 言

　　所谓随钻测量技术，就是在钻进过程中，利用钻井液或电磁波作传输媒介，连续传输测量信号的测量技术[1]。其主要获取方位角、倾斜角、工具面角、深度等参数，为安全、高效钻进提供可靠的策略依据。近年来随着非开挖技术发展，地下钻进技术得到越来越广泛的应用。为了实现水平定向钻进中的轨迹监控和精确导向，必须实时获取地下钻头的姿态参数和钻头的空间位置，因而随钻测量和定位技术作为关键测量问题正受到广泛关注和大力研究[ 2 ]。

　　1 随钻测量系统

　　随钻测量系统主要包括两大部分，近钻头测量装置和监视器，核心为近钻头测量装置。如图1 所示，近钻头监测装置一般安装在无磁性的测量探管进行近钻头监测，获取的信息再通过无线传送给监视器。其中近钻头测量装置中的三轴加速度计、三轴磁阻传感器、三轴陀螺仪等传感器组成的探测单元将检测到空间姿态角等信息传给信号处理单元进行滤波、累积等处理后，将数据传给数据发送单元调制在一定的载波上进行无线发射，由监视器上的数据接收模块进行接收解调，送给数据处理中心处理后将相应的信息显示给司钻人员，进而调整施工策略。

　　2 随钻测量系统的基本原理

　　2.1 基于三轴加速度计和三轴磁阻传感器的随钻测量系统

　　根据导航学旋转变换中的欧拉定理，载体在空间中的姿态可用相对于地理坐标系有限次的转动来表示，每次转动的角度即为航向角、俯仰角和横滚角[ 3 ]，即是钻进工程的方位角、倾角和工具面角，如图2 所示。

　　具体数学关系如下：

　　其中，为工具面角， 为钻孔倾斜角， 为钻孔方位角，GX、GY和GZ为重力加速度在仪器坐标系的投影，GN、GE和GD为重力加速度在地理坐标系的投影，GO为当地重力加速度的值，BX、BY和BZ为地磁场强度在仪器坐标系的投影，BN、BE和BD为地磁场强度在地理坐标系的投影，BO为当地磁场强度。

　　经过解算分别可以求出工具面向角、钻孔倾斜角、钻孔方位角的表达式：

　　由4 式子可知，只要知道三轴加速度计和三轴磁阻传感器的输出，就可求得相应姿态参数。

　　2 . 2 基于三轴加速度计和三轴陀螺仪的随钻测量系统

　　随钻姿态测量，除了可以依靠磁场来进行外，还可利用惯性导航系统(INS—Inertial Navigation System)来实现。I N S 系统以牛顿力学为基础，利用三轴加速度计和三轴陀螺仪作为基本单元(IMU—Inertial MeasurementUnit)，在载体内部测量加速度和角速度，并通过积分运算来得到载体在三维空间中的姿态、速度和位置[ 2 ]。其姿态参数求取模型[ 4 ]如下：