1.本發(fā)明涉及隨鉆測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法。

背景技術(shù)：

2.隨鉆測量mwd是指鉆機(jī)在鉆進(jìn)的同時連續(xù)不斷地檢測有關(guān)鉆孔或鉆頭的信息，靠跟蹤與導(dǎo)向儀實現(xiàn).因此,跟蹤與導(dǎo)向儀是水平定向鉆機(jī)施工的必備測量設(shè)備.隨鉆測井lwd是在mwd的基礎(chǔ)上,增加若干用于地層評價的參數(shù)傳感器,如補償雙側(cè)向電阻率、自然伽馬、方位中子密度、聲波、補償中子密度等發(fā)展起來的，陀螺定向測量是用陀螺經(jīng)緯儀測定某控制網(wǎng)邊的陀螺方位角，并經(jīng)換算獲得此邊真方位角的測量工作，常用于定向連接測量。陀螺方位角，是從陀螺儀子午線(測站上通過假想的陀螺軸穩(wěn)定位置的子午面，即陀螺儀子午面與地平面的交線)北方向順時針量至某定向邊的水平角，確定測站真子午線北方向的常用方向有：中天法，是通過對陀螺儀軸運轉(zhuǎn)的觀測，先確定近似北方向，在連續(xù)讀記擺動的指標(biāo)線(陀螺軸)反復(fù)經(jīng)過分劃線板零線時的時間，和到達(dá)東、西逆轉(zhuǎn)點時的水平度盤讀數(shù)，經(jīng)計算獲得近似北方向的改正數(shù)，進(jìn)而確定測站真北方向；逆轉(zhuǎn)點法，是用陀螺經(jīng)緯儀跟蹤觀測擺動的指標(biāo)線(陀螺軸)反復(fù)到達(dá)東、西逆轉(zhuǎn)點時的水平度盤讀數(shù)，經(jīng)計算確定測站真北方向。

3.現(xiàn)有技術(shù)中，通過測量油井的井身結(jié)構(gòu)來測繪出油井的井眼軌跡，井身測點的位置可以由井深、井斜角和方位角三個參數(shù)唯一確定，傳統(tǒng)的采用磁性定向儀器的方法，由于受到套管磁場的影響而無法實現(xiàn)對其測量，導(dǎo)致測量結(jié)果受干擾，導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差；因此，我們提出一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，有效的克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

5.本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

6.一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，包括以下步驟：

7.步驟一、對底部鉆具組合進(jìn)行導(dǎo)向，控制所述底部鉆具組合的隨機(jī)運動，具體的，通過控制器控制偏置作用在底部鉆具組合上的側(cè)向力；

8.步驟二、根據(jù)地質(zhì)條件和儲層位置，設(shè)計目標(biāo)井眼軌跡；

9.步驟三、根據(jù)目標(biāo)井眼軌跡得到鉆進(jìn)的軌跡參數(shù)，其中，軌跡參數(shù)包括井深、井斜角、方位角的目標(biāo)值和允許變化率范圍值；

10.步驟四、將陀螺儀安裝在鉆柱內(nèi)，同時建立陀螺儀與控制器之間的信號通訊；

11.步驟五、井下鉆進(jìn)，并在鉆進(jìn)過程中連續(xù)采集底部鉆具中鉆柱在三個方向上的實時姿態(tài)測量值，其中，實時姿態(tài)測量值包括井深、井斜角、方位角的測量值；

12.步驟六、采用卡爾曼濾波融合算法以及遞歸算法，通過鉆柱上一時刻的估計值和

當(dāng)前時間的測量值計算當(dāng)前鉆柱的實時姿態(tài)估計值；

13.步驟七、根據(jù)實時姿態(tài)估計值與設(shè)計的軌跡參數(shù)進(jìn)行對比，調(diào)整鉆進(jìn)方向；

14.步驟八、反復(fù)多次按照步驟六至步驟八的方法繼續(xù)鉆進(jìn)，直至到達(dá)目的層或點。

15.在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

16.進(jìn)一步，所述底部鉆具組合包括偏置機(jī)構(gòu)、方向傳感器、控制器、電源模塊和無線通信模塊，所述陀螺儀采用無線三軸組合式陀螺儀，其z軸與鉆柱的軸線重合，并且，步驟一中，控制器控制偏置機(jī)構(gòu)的運行，從而控制偏置作用在底部鉆具組合上的側(cè)向力。

17.進(jìn)一步，所述井深為井口至測點之間的井眼實際長度，所述井斜角為測點處的井眼方向線與重力線之間的夾角。

18.進(jìn)一步，所述方位角為以正北方向線為始邊，順時針旋轉(zhuǎn)至方位線所轉(zhuǎn)過的角度，該方向線在水平面上，所述方位角為0-360

°

。

19.進(jìn)一步，所述陀螺儀通過無線通信模塊與控制器通信連接。

20.進(jìn)一步，所述控制器為plc控制器。

21.進(jìn)一步，所述步驟七中涉及的算法包括：

22.xk＝akxk-1+bkuk-1+wk-1

???????????

(1)

23.zk＝hkxx+vk

?????????????????????

(2)

24.其中，公式(1)中，xk表示k時刻的狀態(tài)變量，zk是k時刻的觀測序列，wk-1、vk分別是過程噪聲和觀測噪聲，ak是k時刻n*n階的增益矩陣用于轉(zhuǎn)換k-1時刻的狀態(tài)變量，uk-1是k-1時刻的可控向量，bk是k時刻n*1階的增益矩陣用于調(diào)節(jié)可控向量uk-1，公式(2)中，hk是k時刻m*n階的增益矩陣，表示k時刻的狀態(tài)對測量值的增益。

25.本發(fā)明的有益效果是：通過底部鉆具組合和陀螺儀結(jié)構(gòu)，陀螺儀通過無線通信模塊與控制器通信連接，對鉆柱的實時姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，同時采用卡爾曼濾波融合算法，采用遞歸算法，通過鉆柱上一時刻的估計值和當(dāng)前時間的測量值計算當(dāng)前鉆柱實時姿態(tài)估計值，以此來獲取實時的偏差值，減少其測量誤差，并根據(jù)測量的偏差值調(diào)節(jié)鉆柱的鉆進(jìn)方向，提高其精確性。

附圖說明

26.圖1為本發(fā)明的用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法的流程圖。

具體實施方式

27.以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

28.實施例：如圖1所示，本實施例的用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

29.步驟一、對底部鉆具組合進(jìn)行導(dǎo)向，控制所述底部鉆具組合的隨機(jī)運動，具體的，通過控制器控制偏置作用在底部鉆具組合上的側(cè)向力；

30.步驟二、根據(jù)地質(zhì)條件和儲層位置，設(shè)計目標(biāo)井眼軌跡；

31.步驟三、根據(jù)目標(biāo)井眼軌跡得到鉆進(jìn)的軌跡參數(shù)，其中，軌跡參數(shù)包括井深、井斜角、方位角的目標(biāo)值和允許變化率范圍值；

32.步驟四、將陀螺儀安裝在鉆柱內(nèi)，同時建立陀螺儀與控制器之間的信號通訊；

33.步驟五、井下鉆進(jìn)，并在鉆進(jìn)過程中連續(xù)采集底部鉆具中鉆柱在三個方向上的實時姿態(tài)測量值，其中，實時姿態(tài)測量值包括井深、井斜角、方位角的測量值；

34.步驟六、采用卡爾曼濾波融合算法以及遞歸算法，通過鉆柱上一時刻的估計值和當(dāng)前時間的測量值計算當(dāng)前鉆柱的實時姿態(tài)估計值；

35.步驟七、根據(jù)實時姿態(tài)估計值與設(shè)計的軌跡參數(shù)進(jìn)行對比，調(diào)整鉆進(jìn)方向；

36.步驟八、反復(fù)多次按照步驟六至步驟八的方法繼續(xù)鉆進(jìn)，直至到達(dá)目的層或點。

37.其中，底部鉆具組合(現(xiàn)有技術(shù))包括偏置機(jī)構(gòu)、方向傳感器、控制器、電源模塊和無線通信模塊，陀螺儀采用無線三軸組合式陀螺儀，其z軸與鉆柱的軸線重合，偏置機(jī)構(gòu)強調(diào)鉆頭相對于地球沿鉆頭的預(yù)定方向的徑向運動的分量。

38.其中，方向傳感器用于確定鉆頭在井下的方向，控制器用于比較預(yù)定方向與方向，其中，當(dāng)方向偏離預(yù)定方向或預(yù)定方向的范圍時，起動偏置機(jī)構(gòu)，陀螺儀通過無線通信模塊與控制器通信連接。

39.本實施例中，控制器采用現(xiàn)有技術(shù)的plc控制器，具體地，該plc控制器是指可編程邏輯控制器，一種具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載內(nèi)存內(nèi)儲存與執(zhí)行，可編程控制器由內(nèi)部cpu，指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元所模組化組合成，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

40.其中，井深指井口至測點間的井眼實際長度，井斜角指測點處的井眼方向線與重力線之間的夾角。

41.其中，方位角指以正北方向線為始邊，順時針旋轉(zhuǎn)至方位線所轉(zhuǎn)過的角度，該方向線是指在水平面上，方位角可在0—360

°

之間變化。

42.其中，plc控制器指可編程邏輯控制器，一種具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載內(nèi)存內(nèi)儲存與執(zhí)行，可編程控制器由內(nèi)部cpu，指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元所模組化組合成，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

43.其中，步驟六的算法為：

44.xk＝akxk-1+bkuk-1+wk-1

45.zk＝hkxx+vk

46.其中，xk表示k時刻的狀態(tài)變量，zk是k時刻的觀測序列，wk-1、vk分別是過程噪聲和觀測噪聲，ak是k時刻n*n階的增益矩陣用于轉(zhuǎn)換k-1時刻的狀態(tài)變量，uk-1是k-1時刻的可控向量，bk是k時刻n*1階的增益矩陣用于調(diào)節(jié)可控向量uk-1，hk是k時刻m*n階的增益矩陣表示k時刻的狀態(tài)對測量值的增益。

47.本實施例中，通過底部鉆具組合和陀螺儀結(jié)構(gòu)，陀螺儀通過無線通信模塊與地面控制器通信連接，對鉆柱的實時姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，同時采用卡爾曼濾波融合算法，采用遞歸算法，通過鉆柱上一時刻的估計值和當(dāng)前時間的測量值計算當(dāng)前鉆柱實時姿態(tài)估計值，以此來獲取實時的偏差值，減少其測量誤差，并根據(jù)測量的偏差值調(diào)節(jié)鉆柱的鉆進(jìn)方向，提高其精確性。

48.本實施例中，需要補充說明的是：底部鉆具組合還包括隨鉆測井(lwd)模塊、隨鉆測量(mwd)模塊、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和馬達(dá)、以及鉆頭，如本領(lǐng)域所公知的，lwd模塊容納在專用

鉆鋌中，并且可以包括一個或多個已知類型的測井儀，還要理解的是可以使用多于一個的lwd和/或mwd模塊。lwd模塊包括用于測量、處理、和存儲信息的能力，以及用于與地面設(shè)備進(jìn)行通信的能力，在本實施例中，lwd模塊包括壓力測量裝置。如本領(lǐng)域所公知的，mwd模塊也容納在專用鉆鋌中，并且可以包括用于測量鉆柱和鉆頭的特征的一個或多個裝置。mwd測井儀還包括用于為井下系統(tǒng)生成電力的設(shè)備。這通?？梢园ㄓ摄@井液的流動提供動力的泥漿渦輪發(fā)電機(jī)，且要理解的是可以使用其它電源和/或電池系統(tǒng)，在本實施例中，mwd模塊包括以下類型測量裝置中的一個或多個：鉆壓測量裝置、扭矩測量裝置、振動測量裝置、沖擊測量裝置、粘滑測量裝置、方向測量裝置、和傾角測量裝置。

49.在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

50.此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

51.在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

52.在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

53.在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

54.盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。技術(shù)特征：

1.一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、對底部鉆具組合進(jìn)行導(dǎo)向，控制所述底部鉆具組合的隨機(jī)運動，具體的，通過控制器控制偏置作用在底部鉆具組合上的側(cè)向力；步驟二、根據(jù)地質(zhì)條件和儲層位置，設(shè)計目標(biāo)井眼軌跡；步驟三、根據(jù)目標(biāo)井眼軌跡得到鉆進(jìn)的軌跡參數(shù)，其中，軌跡參數(shù)包括井深、井斜角、方位角的目標(biāo)值和允許變化率范圍值；步驟四、將陀螺儀安裝在鉆柱內(nèi)，同時建立陀螺儀與控制器之間的信號通訊；步驟五、井下鉆進(jìn)，并在鉆進(jìn)過程中連續(xù)采集底部鉆具中鉆柱在三個方向上的實時姿態(tài)測量值，其中，實時姿態(tài)測量值包括井深、井斜角、方位角的測量值；步驟六、采用卡爾曼濾波融合算法以及遞歸算法，通過鉆柱上一時刻的估計值和當(dāng)前時間的測量值計算當(dāng)前鉆柱的實時姿態(tài)估計值；步驟七、根據(jù)實時姿態(tài)估計值與設(shè)計的軌跡參數(shù)進(jìn)行對比，調(diào)整鉆進(jìn)方向；步驟八、反復(fù)多次按照步驟六至步驟八的方法繼續(xù)鉆進(jìn)，直至到達(dá)目的層或點。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，其特征在于：所述底部鉆具組合包括偏置機(jī)構(gòu)、方向傳感器、控制器、電源模塊和無線通信模塊，所述陀螺儀采用無線三軸組合式陀螺儀，其z軸與鉆柱的軸線重合，并且，步驟一中，控制器控制偏置機(jī)構(gòu)的運行，從而控制偏置作用在底部鉆具組合上的側(cè)向力。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，其特征在于：所述井深為井口至測點之間的井眼實際長度，所述井斜角為測點處的井眼方向線與重力線之間的夾角。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，其特征在于：所述方位角為以正北方向線為始邊，順時針旋轉(zhuǎn)至方位線所轉(zhuǎn)過的角度，該方向線在水平面上，所述方位角為0-360

°

。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，其特征在于：所述陀螺儀通過無線通信模塊與控制器通信連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，其特征在于：所述控制器為plc控制器。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，其特征在于，所述步驟七中涉及的算法包括：xk＝akxk-1+bkuk-1+wk-1

?????

(1)zk＝hkxx+vk

??????

(2)其中，公式(1)中，xk表示k時刻的狀態(tài)變量，zk是k時刻的觀測序列，wk-1、vk分別是過程噪聲和觀測噪聲，ak是k時刻n*n階的增益矩陣用于轉(zhuǎn)換k-1時刻的狀態(tài)變量，uk-1是k-1時刻的可控向量，bk是k時刻n*1階的增益矩陣用于調(diào)節(jié)可控向量uk-1，公式(2)中，hk是k時刻m*n階的增益矩陣，表示k時刻的狀態(tài)對測量值的增益。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種用于隨鉆測量的井下陀螺測量方法，包括：對底部鉆具組合進(jìn)行導(dǎo)向，控制所述底部鉆具組合的隨機(jī)運動；設(shè)計目標(biāo)井眼軌跡；根據(jù)目標(biāo)井眼軌跡得到鉆進(jìn)的軌跡參數(shù)，軌跡參數(shù)包括井深、井斜角、方位角的目標(biāo)值和允許變化率范圍值；將陀螺儀安裝在鉆柱內(nèi)，建立陀螺儀與控制器之間的信號通訊；在鉆進(jìn)過程中連續(xù)采集底部鉆具中鉆柱在三個方向上的實時姿態(tài)測量值，實時姿態(tài)測量值包括井深、井斜角、方位角的測量值；采用卡爾曼濾波融合算法以及遞歸算法，計算當(dāng)前鉆柱的實時姿態(tài)估計值；根據(jù)實時姿態(tài)估計值與設(shè)計的軌跡參數(shù)進(jìn)行對比，調(diào)整鉆進(jìn)方向。優(yōu)點：能夠在鉆進(jìn)過程中獲取實時的偏差值，減少其測量誤差。減少其測量誤差。減少其測量誤差。

技術(shù)研發(fā)人員：張燕萍 曹川 羅勇 何坤 吳千里 侯福祥 王軍 劉志同 盧靜

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.12.28

技術(shù)公布日：2022/4/8