一种可动态测量井轨迹的探管装置以及动态补偿方法与流程

本公开涉及探管装置的领域，尤其涉及一种可动态测量井轨迹的探管装置以及动态补偿方法。

背景技术：

1、在石油天然气钻井过程中，随钻测量（measurement while drilling，mwd）技术被广泛应用于井眼轨迹的实时监测与控制。探管作为随钻测量系统的核心部件，内部通常搭载加速度计、磁力计或陀螺仪等惯性传感器，用于实时测量钻具的倾角、方位角和工具面角等姿态参数，进而解算得到井眼轨迹。

2、然而，井下钻进环境极为恶劣，钻头破岩过程中会产生十分剧烈的钻柱振动与冲击，涵盖轴向振动（跳钻）、横向振动以及扭转振动（粘卡、涡旋）等多种形式。这些振动会通过钻柱直接传递至探管装置，严重影响测量传感器的稳定性与数据采集精度。

3、现有技术中已经出现了不少针对随钻测量仪器的减振设计方案。例如，部分方案采用多级减震结构，包含轴向减振器以及上、下、前部径向减振器；又如部分方案采用无源磁力组合减振装置，通过磁力减振器实现轴向减振，利用橡胶材料和减振液实现径向减振。现有专利202610495214.3《一种随钻高精度动态连续测斜仪》，公开了采用径向减震o圈组+轴向螺旋减震器的全方位减振方案、探管骨架减振安装方式，以实现动态连续测斜目标；专利202610266057.9《一种定向井钻井过程中实现连续测斜、实时传输的方法和系统》，公开了基于磁通门实时转速计算加速度计向心加速度（a=ω²×r）并完成校正的方法。

4、但是，上述现有技术仍存在以下不足：

5、第一，现有减振装置多采用单一减振方式（如弹簧减振、橡胶减振或磁力减振），难以同时对轴向、径向和扭转方向的多维振动进行有效衰减，减振带宽有限，无法适配井下宽频带振动环境。

6、第二，现有探管装置的传感器多采用刚性固定安装方式，传感器与探管壳体之间缺少隔离缓冲结构，振动能量仍会通过安装基座传递至传感器，影响动态测量精度。

7、第三，现有技术中缺乏将多维减振设计与动态测量算法有机结合的探管装置，难以在钻进过程中实时获取高精度的井轨迹参数，相关测量结果通常仅能作为辅助参考，难以支撑高质量钻井决策。

8、第四，现有探管装置在测量过程中往往需要停钻校准，无法实现真正的随钻连续动态测量，严重影响钻井效率。

9、综上，目前亟需一种能够有效衰减井下多维振动、保护测量传感器、实现随钻连续动态测量的探管装置，以解决上述现有技术存在的缺陷。

技术实现思路

1、本公开提供了一种可动态测量井轨迹的探管装置以及动态补偿方法，完成动态测量的目的。

2、根据本公开的一个方面，提供了一种可动态测量井轨迹的探管装置，包括探管壳体、设置于所述探管壳体内的测量单元和减振单元，以及与所述测量单元电连接的信号处理单元；所述减振单元包括轴向减振组件、径向减振组件和扭转减振组件，分别用于衰减沿探管轴向、径向和扭转方向传播的振动；所述测量单元包括传感器支架和设置于所述传感器支架上的惯性测量模块，所述传感器支架通过所述减振单元悬浮安装于所述探管壳体内部；所述信号处理单元被配置为执行动态补偿算法，根据仪器实时转速选择静态安装偏角补偿或动态离心偏置补偿，对所述惯性测量模块输出的井斜值进行修正。

3、进一步的，所述轴向减振组件包括橡胶阻尼器，所述橡胶阻尼器包括固定支架和阻尼橡胶，所述橡胶阻尼器设置于所述测量单元的轴向端，所述橡胶阻尼器同时作为所述扭转减振组件，在提供轴向减振的同时限制所述测量单元相对所述探管壳体的扭转。

4、进一步的，所述径向减振组件包括沿周向均布的若干径向弹性支撑件，各所述径向弹性支撑件的一端固定于所述探管壳体的内壁，另一端抵接于所述测量单元的外壁。

5、进一步的，所述减振单元还包括硅脂阻尼器，所述硅脂阻尼器包括扶正环、骨架、硅脂、阻尼滑块和密封头，所述阻尼滑块采用高密度合金材料，通过运动挤压所述硅脂将振动动能转换为热能释放。

6、进一步的，所述惯性测量模块包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，所述三轴加速度计和所述三轴陀螺仪集成于同一电路板上，并通过柔性安装座设置于所述传感器支架的安装孔内。

7、进一步的，所述信号处理单元包括信号处理电路板和电容，所述信号处理电路板以预定采样频率采集所述惯性测量模块输出的三轴加速度信号和三轴角速度信号，进行数字滤波处理后基于捷联惯性导航算法解算获得实时姿态参数。

8、进一步的，所述探管壳体由无磁铍青铜材料制成，所述探管壳体的两端分别设置有上接头和下接头，所述上接头和所述下接头分别设置有连接螺纹。

9、一种随钻测量井轨迹的动态补偿方法，包括以下步骤：获取仪器实时转速、工具面角和原始井斜值；当所述实时转速不大于预定转速阈值时，执行静态安装偏角补偿，根据静态标定得到的安装偏角幅值和初相位，结合实时工具面角计算静态井斜误差并对所述原始井斜值进行修正；当所述实时转速大于所述预定转速阈值时，执行动态离心偏置补偿，根据静态标定得到的翘曲方向确定补偿符号，结合动态误差系数和所述实时转速计算动态井斜偏置并对所述原始井斜值进行修正。

10、进一步的，所述静态安装偏角补偿的误差模型为δinc_static＝a·cos(tf+φ0)，补偿后井斜为inc_correct＝inc_calc－δinc_static，其中a为安装偏角幅值，φ0为误差初相位，tf为实时工具面角，inc_calc为原始井斜值。

11、进一步的，所述动态离心偏置补偿的误差模型为δinc_dynamic＝sign×k_z×n²，补偿后井斜为inc_correct＝inc_calc－δinc_dynamic，其中sign为符号系数，由翘曲方向决定，k_z为动态误差系数，n为仪器实时转速。

12、进一步的，所述静态标定包括以下步骤：将仪器置于v型支撑块上，保证仪器仅绕自身机械轴旋转且整体倾角固定不变；以机械刻线或键槽为0°高边基准，以预定角度间隔在0°至360°范围内采集多个位置的工具面角和原始井斜值；利用正弦误差整周均值为零的特性计算等效真实井斜，再计算各点偏差，通过最小二乘正弦拟合得到安装偏角幅值a和初相位φ0。

13、进一步的，所述翘曲方向通过计算工具面0°位置的偏差值δinc_0＝a·sin(φ0)进行判断，当δinc_0＞0时判定仪器机械轴上翘、补偿符号为正，当δinc_0＜0时判定仪器机械轴下翘、补偿符号为负。

14、进一步的，所述动态误差系数k_z根据理论公式计算，k_z＝(4π²/(3600×9.81))×r×sin(a×π/180)，其中r为传感器敏感中心相对机械旋转轴的偏心距，单位为米，a为静态标定得到的安装偏角幅值，单位为度，计算正弦时转换为弧度。

15、进一步的，静态标定得到的安装偏角幅值a、初相位φ0、翘曲方向以及动态误差系数k_z写入仪器非易失性存储器，一次装配标定后固化使用。

16、在本实施例的技术方案中，本技术的方案具有以下益处：

17、1. 多维振动全面衰减：本发明通过设置轴向减振组件、径向减振组件和扭转减振组件，实现了对井下钻柱轴向振动、径向振动和扭转振动的全面衰减，克服了现有技术仅能单一方向减振的缺陷，显著提高了探管装置在恶劣井下环境中的工作稳定性；

18、2. 宽频带减振性能：本发明阻尼器消减振幅，形成相对平缓的振动曲线，能够有效衰减井下宽频带振动能量，适应不同钻进工况下的振动特征；

19、3. 测量精度显著提高：本发明通过多维减振设计将测量单元悬浮安装于探管壳体内部，有效隔离了钻柱振动对惯性测量模块的干扰，使传感器在稳定的力学环境中工作，大幅提高了动态测量精度；

20、4. 实现随钻连续动态测量：本发明将多维减振设计与惯性导航算法、滤波算法有机结合，无需停钻校准即可在钻进过程中连续获取高精度的井斜角、方位角和工具面角等井轨迹参数，显著提高了钻井效率；

21、5. 延长仪器使用寿命：本发明通过有效衰减井下振动冲击，保护了探管内部的精密传感器和电子元器件，降低了仪器故障率，延长了探管装置的使用寿命。