定向钻进姿态测量系统的研究

定向钻进姿态测量系统的研究

1地下地下管线定向钻进定向钻孔技术是利用定向孔的可控孔轨迹，在不同层和深度上钻孔，用定位仪跟踪到达设计位置的新技术。它主要用来不开挖路面铺设各种地下管线，也可用于实现地下的地质勘探与资源开采，目前发展十分迅速。定向钻进的一个显著特点是钻孔轨迹不要求是直的，可实现弯曲钻进，因此它可根据实际要求绕过各种障碍，实现智能可控向钻进。它的导向功能是通过斜面钻头来完成的，其导向机理如1所示。当钻头一边回转一边进给时，则钻出一个直孔，实现保直钻进；当钻头只进给而不回转时，由于斜面钻头受到的阻力，钻孔将向斜面的朝向方向弯曲。这样，如果事先调整好斜面方向，就可根据要求实现可控向钻进。2钻具角度和接头位置地下定向钻进中，实时姿态测量是保证地下钻具按照设定钻孔轨迹运动的基础。在导航学中，载体的姿态测量常用三组角度——航向角、俯仰角和横滚角来表示。与之对应，地下钻进中钻具的姿态也用这三组角度来表示，称为方位角、倾角和面向角。方位角是钻孔当前点的切线在水平面的投影与正北方向之间的夹角，它反映了水平面内钻具运动的方向。倾角是钻孔当前点的切线与水平面之间的夹角，它反映了钻具前进方向相对水平面的倾斜程度。工具面向角为钻具的造斜方向与某一参考方向间的夹角，它反映了下一步钻进的造斜方向。面向角通常采用时钟盘面上的刻度来表示，如12点方向为向上，6点方向表示向下。为了给出清晰的定义，首先要建立合适的参考坐标系。我们在传感器探头所在位置的地理坐标系北-东-地坐标系（即N-E-D）中，建立探头坐标系X-Y-Z，如图2所示。其中，X轴沿钻具轴线指向探头运动前向，Y轴位于探头横截平面内指向右方，Z轴在探头横截平面内指向下方。根据前述角度的定义，方位角为X轴在水平面的投影与正北之间的夹角，图中用ψ表示，倾角为X轴与水平面间的夹角，图中用è表示，面向角为探头横截面内Z轴与6点钟方向的夹角(即Y轴与水平面的夹角)，如图中ϕ所示。角度的定义均参照右手规则，满足右手规则为正，反之为负。我们设计的姿态测量系统，就是通过一定的敏感器以及后续处理电路来获得这些姿态角度。3定向钻进测量系统的组成及原理在航空航天领域，空间载体姿态的测量常用加速度计和陀螺仪来组成。地下钻进中的姿态测量有其本身的特殊性，因为传感器要放在狭小的钻具空腔内（截面直径一般小于4cm），并在钻进过程中随钻具一起破土旋转进给，要求各种测量传感器除满足精度要求外，还必须做到体积小、重量轻、结构可靠、耐振动、耐冲击，经受剧烈的温度变化等。传统的加速度计和陀螺仪，体积大、成本高、对环境适应性差，并不适合地下定向钻进的测量。在石油钻井领域，对于斜度测量（倾角、面向角）通常采用以地球重力方向为基准的摆式倾角传感器来进行，如电位器式、电容式、电感式等固体摆式倾角传感器以及电介液式、电解液式、磁性流体式等液体摆式倾角传感器等。对于定向测量（方位角），通常采用以地球磁场方向为基准的磁通门磁强计进行。但现有的传感器都存在尺寸较大、结构复杂、制作工艺难度大等不足，大多属作坊作业，需要大量的人工调试，不宜批量生产；且成本偏高，不是全固态，动态范围较窄，抗冲击、抗振动性能不高。随着微电子机械系统（MEMS）技术的发展，从上个世纪末开始出现了在单片上集成的加速度计和磁强计器件，这些器件采用MEMS技术，在单片上集成加速度敏感元件及相应的调理电路，具有体积小、重量轻、功耗低、易于大规模批量生产、成本低等优点。利用这些器件组成的姿态测量系统，非常适合定向钻进测量，如ADI公司的ADXL系列加速度计，HONEYWELL公司的HMC系列磁阻式磁强计等。ADXL加速度计的传感原理基于差动电容，主要由质量弹性元件、位移测量系统及信号调理电路等组成。弹性元件是由硅材料制成的横梁，如图3所示。横梁四角与弹性系数一致的活动折叠片连接构成运动部件。当有加速度产生时，横梁移动，带动连接片一起移动，加速度正比于质量元件的位移。ADXL系列加速度计根据不同测量范围有不同的类型。从敏感轴来分，有单轴加速度计和双轴加速度计等，在应用时可灵活选用。HONEYWELL公司的HMC系列磁强计基于强磁金属的各项异性磁阻效应（AMR），当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场，合金带自身的阻值将发生变化。HMC系列磁强计由四个磁阻组成惠斯通电桥，在电桥上施加一个偏置磁场，使得两个相对位置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动，引起电阻阻值增加；另外两个相对放置的电阻的磁化方向背向电流方向转动，引起电阻阻值减小，在线形区域输出和外加磁场成正比，灵敏度和传递函数的线形区成反比。同样，HMC系列磁强计有单轴和双轴之分，甚至有封装好的三轴磁强计。基于以上器件，我们设计的地下定向钻进姿态测量系统结构如图4所示。系统采用三轴微硅加速度计和三轴磁强计分别测量三维空间中重力加速度分量和磁场分量，模数转换将传感器输出的模拟量转化数字信号，由数据总线并行送入微处理器。微处理器接受传感信号以后，将其进行信号处理，并进行姿态角的解算，解算出的姿态角可以通过RS-232接口以有线的方式进行输出。但由于传感器是在钻具内部，更经常的做法是将数据编码调制，通过线圈以无线电磁波的形式向地表发射，由地面上的仪器进行接收。这样，地面司钻人员就能实时掌握钻头的运动姿态，并可进行相应的控制，以使钻具按照设定轨迹钻进，从而实现导向的目的。4加工后的姿态测量姿态解算要在一定的坐标系下进行，我们按照图2的方式在NED坐标系中建立探头坐标系XYZ。根据导航学中的欧拉定理，载体在空间中的姿态可用载体坐标系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欧拉角，常用航向角、俯仰角和滚动角来表示。同样，地下定向钻进中，探头在空间的任一姿态也可用相对于地理坐标系的一系列旋转来表示，只不过旋转的角度被定义为方位角、倾角和面向角。这样，起始时地理坐标系于探头坐标系重合（N与X轴、E与Y轴、D与Z轴相对应），随后载体绕Z轴旋转ψ角，绕Y轴旋转θ角，绕X轴旋转ϕ角，就得到探头当前的姿态，如图5所示。每次的旋转相当于一次坐标变换，可以用相应的变换矩阵来表示，它们具有如下的标准形式：这样就得到地理坐标系到探头坐标系的变换矩阵，此矩阵由各转动角度和次序唯一确定：斜度测量是根据沿探头坐标系安装的三轴加速度计并结合重力场的特性来完成的。在地理坐标系中，重力场有非常简单的形式，它始终朝向D轴，大小为g(当地重力加速度)，而在其它轴向上的分量为0，如图6所示。设当前姿态下加速度计的输出为gx、gy、gz，于是重力矢量从地理坐标系到探头坐标系之间的变换满足：定向测量是根据沿探头坐标系安装的三轴磁强计并结合地磁场的特性来完成的。地球本身是一个带有N、S两个磁极的大球体，其表面的直流磁场大体上比较均匀，在地球表面的任意一点都可将磁场的强度分解为水平和垂直两个分量。在地理坐标系中，在北坐标轴为磁北的情况下，地磁场矢量可由图6来表示，其中，β为磁倾角，表示地磁场与水平面的夹角，其大小视不同地点而异。设当前姿态下三轴磁强计的输出为mx,my,mz，根据地理坐标系到探头坐标系的变换有：根据式（3）(4），可解算出姿态角为：经过进一步简化，可得到用加速度计输出和磁强计输出表示的最终表达式：其中为重力场矢量。由此，我们就得到任意姿态角度测量公式。任何时候只要知道三轴加速度计和三轴磁强计的输出，即可确定当前钻具的姿态。5定向钻进测量方法针对地下钻进的特殊要求，本文描述了一种定向钻进姿态测量系统。该系统采用新型微硅加速度计和磁阻式磁强计作为姿态敏感器件