針對鉆井過程復雜振動環(huán)境下單獨使用加速度計和陀螺儀都無法準確獲得近鉆頭處工具面角測量值的情況,提出一種融合單軸陀螺儀和雙三軸加速度計測量數(shù)據(jù)的組合濾波方案。采用擴展卡爾曼濾波算法,根據(jù)加速度計測量信息自適應地調(diào)整濾波參數(shù)使測量結(jié)果最佳,能夠準確估計出工具面角和陀螺儀漂移。仿真與實際測試結(jié)果表明,該方法能夠適應鉆井工具不同運行工況并大幅減弱井下振動、陀螺儀漂移等因素對工具面角動態(tài)測量精度的影響,工具面角誤差小于6°,為旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的研制奠定了基礎。 

【文章來源】：中國慣性技術(shù)學報. 2020年03期 北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

陀螺儀漂移估計Fig.3Gyroscopedriftestimation3實驗和結(jié)果

第28期耿艷峰等：動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具面角的動態(tài)測量-327-圖3陀螺儀漂移估計Fig.3Gyroscopedriftestimation3實驗和結(jié)果3.1實驗平臺介紹課題組自行開發(fā)的動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具原理樣機如圖4所示，原理樣機內(nèi)部含有完備的測控硬件電路，能夠模擬各種典型的鉆井工況。兩個MMA8451三軸加速度計和一個HTG-1200單軸陀螺儀安裝在穩(wěn)定平臺儀器倉內(nèi)，穩(wěn)定平臺半徑R0.025m。穩(wěn)定平臺由電機驅(qū)動，穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機連接著旋轉(zhuǎn)變壓器，可以采集電機轉(zhuǎn)速和位置信息。實驗過程中原理樣機的鉆鋌是不旋轉(zhuǎn)的，此時旋轉(zhuǎn)變壓器的測量值可作為轉(zhuǎn)速和工具面角的參考值。鉆鋌驅(qū)動電機鉆鋌穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機穩(wěn)定平臺鉆頭穩(wěn)定平臺儀器倉圖4動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具原理樣機結(jié)構(gòu)圖Fig.4Structuralschematicoftheprototypeofdynamicpoint-the-bitrotarysteerabledrillingtool3.2實驗設計鉆井工具的軸向振動對工具面角的測量無影響，而平行于工具面的橫向振動會嚴重影響工具面角的測量精度。實驗時將動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具原理樣機水平牢固地固定在振動臺上，令振動臺垂直振動。開啟振動時，振動臺振動頻率從0Hz快速增加到50Hz，之后保持50Hz振動，關(guān)閉時振動頻率逐漸減小到0Hz，振動頻率逐漸增加和減小的過程增加了振動的復雜性，能夠更好的模擬鉆井工況。振動臺及旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具原理樣機實驗如圖5所示。粘滑運動是鉆井過程中常見的一種工況，粘滑運動是鉆井工具的一種扭轉(zhuǎn)振動，頻率在0.05~0.5Hz之間低頻波動[13]。根據(jù)鉆井工藝要求，實際鉆進時工具面角波動應小于15°[14]�？刂茍D4中鉆鋌驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速變化，即可模擬粘滑工況，考慮更為嚴苛的鉆井工況，用幅值為20°，頻率為0.5Hz的正弦

tructuralschematicoftheprototypeofdynamicpoint-the-bitrotarysteerabledrillingtool3.2實驗設計鉆井工具的軸向振動對工具面角的測量無影響，而平行于工具面的橫向振動會嚴重影響工具面角的測量精度。實驗時將動態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具原理樣機水平牢固地固定在振動臺上，令振動臺垂直振動。開啟振動時，振動臺振動頻率從0Hz快速增加到50Hz，之后保持50Hz振動，關(guān)閉時振動頻率逐漸減小到0Hz，振動頻率逐漸增加和減小的過程增加了振動的復雜性，能夠更好的模擬鉆井工況。振動臺及旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具原理樣機實驗如圖5所示。粘滑運動是鉆井過程中常見的一種工況，粘滑運動是鉆井工具的一種扭轉(zhuǎn)振動，頻率在0.05~0.5Hz之間低頻波動[13]。根據(jù)鉆井工藝要求，實際鉆進時工具面角波動應小于15°[14]�？刂茍D4中鉆鋌驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速變化，即可模擬粘滑工況，考慮更為嚴苛的鉆井工況，用幅值為20°，頻率為0.5Hz的正弦運動模擬粘滑工況進行實驗。電機控制板振動臺控制箱原理樣機振動臺圖5振動臺Fig.5Thevibrationtable3.3組合濾波實驗3.3.1不同振動強度測試考慮鉆井過程中導向鉆井工具的四種工作狀態(tài)來對比自適應卡爾曼濾波算法對不同振動強度的適應性，振動強度由小到大分別為：靜止不振動、粘滑不振動、靜止振動和粘滑振動，各工況分別運行30s。另外，為便于對比組合濾波效果，將雙加速度計、陀螺儀的單獨解算結(jié)果一并列出。當系統(tǒng)過程噪聲Q的大小無法準確獲得時，若知道其取值范圍，一般采用可能的較大值，可以在一定程度上防止濾波發(fā)散。實驗時，系統(tǒng)采樣周期0.005ssT，陀螺儀測量噪聲協(xié)方差最大為2300(/s)，則陀螺儀測量噪聲引起的工具面角預測值的噪聲協(xié)方差為：2221q3000.

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：2955580