旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的姿態(tài)測量是導(dǎo)向控制的關(guān)鍵,導(dǎo)向控制所需的姿態(tài)參數(shù)主要有工具的井斜角、工具面角和轉(zhuǎn)速等,這些參數(shù)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測量是工具實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向控制的前提條件。但工具的高速旋轉(zhuǎn)、近鉆頭的強(qiáng)振動(dòng)以及工具周圍的干擾磁場,使慣性加速度計(jì)和磁通門傳感器的輸出信號中不可避免的混雜了大量干擾信號,導(dǎo)致工具姿態(tài)參數(shù)嚴(yán)重失真。本文針對以上問題,提出了一種導(dǎo)向鉆井工具姿態(tài)多傳感器組合測量方法,并通過仿真和模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。主要的研究成果如下:1、研究了工具在旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)和干擾磁場的情況下,其姿態(tài)參數(shù)存在嚴(yán)重失真的問題。對此,分別采用了轉(zhuǎn)速補(bǔ)償方法和硬磁補(bǔ)償方法來消除旋轉(zhuǎn)和干擾磁場對姿態(tài)測量的影響;提出了多傳感器WLS加權(quán)融合方法,有效的濾除了加速度計(jì)中的振動(dòng)干擾信號。2、基于三軸慣性加速度計(jì)、三軸磁通門傳感器和角速率陀螺儀構(gòu)成的姿態(tài)測量系統(tǒng),提出了一種多傳感器組合測量方法。數(shù)值仿真分析表明,當(dāng)井斜角為0.3°時(shí),解算得到的井斜角和工具面角的最大解算誤差分別為0.05°和20°,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。3、根據(jù)工具姿態(tài)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,完成了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試,并開發(fā)了相應(yīng)的軟件程序,制成了導(dǎo)向鉆井工具姿態(tài)測量裝置。4、多種振動(dòng)模式下的模擬實(shí)驗(yàn)表明,多傳感器組合測量方法可有效消除振動(dòng)和干擾磁場對姿態(tài)測量的影響。當(dāng)井斜角為1.5°時(shí),井斜角最大解算誤差為1.8°,工具面角最大解算誤差為28°,與未用該方法前相比,其解算誤差大大降低,驗(yàn)證了該方法可有效的解決工具姿態(tài)的動(dòng)態(tài)測量問題,提高工具姿態(tài)的動(dòng)態(tài)測量精度。這些研究成果可為進(jìn)一步研究導(dǎo)向鉆井工具姿態(tài)的動(dòng)態(tài)測量方法提供有益的參考。
【學(xué)位單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP212;TE921
【部分圖文】：

15第三章工具姿態(tài)多傳感器組合測量方法通過分析工具姿態(tài)在動(dòng)態(tài)測量過程中存在的問題及其解決方法，本章將設(shè)計(jì)一種由三軸慣性加速度計(jì)、三軸磁通門和角速率陀螺儀所構(gòu)建的工具姿態(tài)測量系統(tǒng)，并提出工具姿態(tài)多傳感器組合測量方法，研究三者的組合測量原理，給出組合測量方案。利用后兩組傳感器對振動(dòng)不敏感和鉆進(jìn)過程中井斜角變化緩慢的特點(diǎn)，提出一種濾除近鉆頭振動(dòng)信號的多傳感器WLS加權(quán)融合方法，并詳細(xì)闡述該方法的基本理論及推導(dǎo)過程。最后針對提出的組合測量方案建立仿真模型，用數(shù)值仿真方法對轉(zhuǎn)速補(bǔ)償方法和多傳感器WLS加權(quán)融合方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。3.1多傳感器組合測量方案三軸慣性加速度計(jì)、三軸磁通門傳感器和角速率陀螺儀的安裝示意圖如圖3-1所示。圖中Z軸表示井眼軸線方向，三個(gè)傳感器的軸線近似一致，且前兩組傳感器的三個(gè)軸兩兩垂直。XZXZYYω圖3-1傳感器的安裝示意圖在三軸慣性加速度計(jì)、三軸磁通門傳感器和角速率陀螺儀構(gòu)建的工具姿態(tài)測量系統(tǒng)中，先利用安裝在Z軸的角速率陀螺儀測出工具的轉(zhuǎn)速，對加速度計(jì)的原始信號進(jìn)行轉(zhuǎn)速補(bǔ)償后得到一組三軸信號（記為A組），而后利用后兩組傳感器對振動(dòng)不敏感和鉆進(jìn)過程中井斜角變化緩慢的特點(diǎn)，反解得到加速度計(jì)信號的兩組參考值（記為B、C組），最后將三組三軸信號送入多傳感器WLS加權(quán)融合算法進(jìn)行加權(quán)融合，以濾除近鉆頭中的振動(dòng)干擾信號，最終解算出相對準(zhǔn)確的工具姿態(tài)角度。組合測量方案如圖3-2所示。θ圖3-2多傳感器組合測量方案

314.2.2系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的供電電源主要包括三軸慣性加速度計(jì)、三軸磁通門、角速率陀螺儀和主控芯片的5V供電電壓；信號處理模塊中運(yùn)放的12V供電電壓；主控芯片片內(nèi)ADC模塊的5.00V基準(zhǔn)電壓。其中5V電池組能完全滿足三個(gè)傳感器和主控芯片的電能消耗，而5.00V的基準(zhǔn)電壓可以用低噪聲基準(zhǔn)電壓芯片ADR435獲取，ADR435的供電電壓范圍為7~18V，可用TI公司的DC/DC升壓芯片LM2735提供12V電壓供給，其還可為運(yùn)放提供電源。由主控芯片dsPIC30F4011的數(shù)據(jù)手冊可知[57]，片內(nèi)ADC模塊的參考輸入電壓范圍為2.7V~5.0V，最大的電流消耗為300uA，下表4-2表明，使用低噪聲基準(zhǔn)電壓芯片ADR435可輸出5.00VDC的低紋波基準(zhǔn)電壓，并且該芯片的最大輸出電流為30mA，完全滿足主控芯片片內(nèi)ADC的電流消耗。利用TI公司的4通道軌至軌運(yùn)算放大器芯片TLV2374構(gòu)成信號處理電路，該芯片的最大靜態(tài)工作電流為660uA/通道（典型值為550uA），信號處理電路中共用了4片TLV2374，即總共16個(gè)通道，滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的最大電流約為11mA，由表4-2可知，DC/DC升壓芯片LM2735的輸出電流高達(dá)2.1A，完全滿足系統(tǒng)工作要求，且表中的電源芯片均為SOT封裝，大大的縮減了電路板的尺寸。表4-2電源管理芯片相關(guān)參數(shù)芯片名稱芯片功能輸入電壓（V）輸出電壓（V）最大輸出電流（A）ADR435輸出基準(zhǔn)電壓7~185.000.03LM2735升壓2.7~5.53~242.1整個(gè)工具姿態(tài)測量系統(tǒng)的供電關(guān)系如圖4-5所示。圖4-5系統(tǒng)供電關(guān)系示意圖其中，DC/DC升壓芯片LM2735的升壓電路如圖4-6所示，其外圍電路的電容、電感和電阻值需要計(jì)算得到。

濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterLab完成濾波電路的搭建。工具在無振動(dòng)狀態(tài)下，三軸慣性加速度計(jì)信號的頻率通常不會(huì)超過ω/60（ω為工具的轉(zhuǎn)速）[31]。當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，三軸慣性加速度計(jì)信號的頻率通常為0Hz~20Hz，振動(dòng)干擾信號主要集中在200Hz~300Hz范圍內(nèi)[58]。在上述分析的基礎(chǔ)上，利用FilterLab軟件設(shè)計(jì)有源低通濾波器的性能指標(biāo)如下：（1）通帶信號衰減小于等于0.5dB；（2）邊沿頻率（頻率為20Hz）衰減小于等于3dB；（3）阻帶衰減40dB以上（即濾波器的濾波范圍為0Hz~40Hz）。則利用FilterLab軟件設(shè)計(jì)出七階有源低通濾波器如圖4-7所示。圖4-7七階有源低通濾波器由FilterLab軟件設(shè)計(jì)出濾波器器件參數(shù)均為理想化的，并沒有考慮電阻電容的溫漂等干擾對濾波性能的影響。因此，利用Multisim電路仿真軟件對此濾波器進(jìn)行詳細(xì)的仿真，確保所設(shè)計(jì)的濾波器的正確性。在Multisim電路仿真軟件中搭建的濾波電路如圖4-8所示，其中運(yùn)算放大器選用高轉(zhuǎn)換率、軌至軌輸入和輸出的運(yùn)算放大器TLV2374，按照實(shí)際電路中的電阻電容參數(shù)，將電阻容差設(shè)置為1%，電容容差設(shè)置為20%。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2862823