[发明专利]基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法

说明书

本发明公开了基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法，其中基于多传感器数据融合的钻具动态姿态测量系统包括钻具、三轴加速度计、三轴磁通门、角速率陀螺仪和局部滤波器；三轴加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪均安装在钻具上，三轴加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪分别安装有局部滤波器；本发明提出的矩阵加权数据融合算法无需对局部状态估计进行处理，克服了标准UKF算法的缺陷，且无需通过全局状态估计对局部滤波器进行重置，因此具有较强的容错性。

技术领域

本发明属于石油钻井工程技术领域，特别涉及基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法。

背景技术

随着石油工业的不断发展和开采形势的异常严峻，目前采用提高采收率、开采难采/难动用储量，开发石油剩余资源和低渗、超薄、稠油和超稠油等特殊经济边际油藏，以及页岩气、煤层气等稀缺资源；以深井/超深井垂直钻井开发深部地层和深水海域。导向钻井技术是解决上述问题的重要手段。

井下动态姿态参数(井斜角、方位角和工具面角)的实时测量是导向钻井工具能够实现实时导向控制的前提条件。因此，在钻井工程中，对井下姿态参数测量的实时性、精确性以及连续、动态测量的要求越来越高。然而井下钻具近钻头由于直接承受钻头破岩时所产生的强烈振动及钻柱旋转振动，使得传感器输出信号混杂大量的干扰和噪声，导致姿态参数测量不准。

国内外导向钻井工具姿态参数测量大多采用静态测量方法，即钻具不旋转、不振动情况下，进行姿态参数测量。目前主要是借鉴惯性测量技术和地磁场，采用三轴加速度计或三轴磁强计单独完成，或两者简单组合，三个加速度计测量地球的重力场分量，三个磁强计测量地球的地磁场分量。该方法虽然能够满足姿态测量精度的要求，但是以牺牲成本和钻井时效，换取姿态测量精度，或者借用惯性测量技术，基于地磁场或者陀螺仪，对传感器进行简单组合测量，受近钻头影响，传感器输出误差较大，导致测量不准确甚至不可测。

发明内容

本发明的目的在于提供基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法，其中基于多传感器数据融合的钻具动态姿态测量系统包括钻具、三轴加速度计、三轴磁通门、角速率陀螺仪和局部滤波器；三轴加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪均安装在钻具上，三轴加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪分别安装有局部滤波器；基于多传感器数据融合的钻具动态姿态测量系统的测量方法包括以下步骤：

步骤一：在姿态测量系统中建立理想正交的地理坐标系，根据欧拉定理，井下钻进过程中，钻具在空间的任一姿态可以用相对于地理坐标系的一系列旋转来表示，旋转的角度为井斜角、方位角和工具面角；根据四元数的定义和欧拉定理，把三维空间和四维空间联系起来，用四维空间的四元数性质和运算规则研究三维空间中的刚体定点转动问题；

步骤二：针对钻具安装三轴加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪，实现导向钻井工具姿态组合测量，联合建立多传感器、动态测量系统的非线性数学模型，得到非线性状态方程和量测方程；

步骤三：根据近钻头振动信号特性，判断钻具运动状态，分析钻具运动状态与振动加速度之间的关系以及钻具振动的主要干扰因素；根据模型及噪声特性，分别采用局部滤波器，利用无迹卡尔曼滤波算法对干扰信号进行滤除，消除近钻头强振动对姿态参数测量的影响，采用数据融合理论进行全局估计，进而得到最优姿态估计；

步骤四：利用最优姿态估计，将滤波后的传感器参数进行姿态动态解算，从而得到滤波后的导向钻井工具精确的姿态参数。

进一步的，步骤三中局部滤波消除近钻头强振动对动态姿态测量的影响包括以下步骤：

步骤1：对基于四元数的状态方程和量测方程进行离散化；