泥浆脉冲陀螺随钻测量系统的构建方法及其构建的系统与流程

本发明属于随钻测量，涉及一种泥浆脉冲陀螺随钻测量系统的构建方法及其构建的系统。

背景技术：

1、随钻测量技术在油气钻探、矿山开采、地质勘探等领域应用广泛。其工作原理通常是在钻井过程中，由井下测量单元实时采集钻头的姿态与轨迹参数（如井斜角、方位角、工具面角），并通过数据传输单元将信息传送至地面接收装置，实现钻孔轨迹的可视化监控与动态调控。其中，地下测量单元多采用磁传感器与加速度计组合定向，依赖地磁场作为方位参考，并通过有线或无线方式将数据传输至地面。

2、然而，在实际作业中，尤其是在深井、高磁纬度地区或强磁性地层（如磁铁矿层）环境下，井下金属钻具及地层磁性矿物会对地磁场产生强烈干扰，导致磁方位角误差高达3°~5°，无法满足高精度钻井（误差≤1°）的需求。这种误差会造成井眼轨迹偏离靶区，增加返工成本，甚至在极端条件下导致磁测系统完全失效。此外，现有无线传输方式存在明显短板：泥浆脉冲传输在充气泥浆或泡沫泥浆中信号衰减严重；电磁波传输受地层电阻率限制，深井应用受限；声波传输虽速率高，但衰减快且需频繁加装中继器，成本高且可靠性不足。有线方案虽传输稳定，却需专用钻杆或复杂接头，施工效率低，且不适用于连续管钻井等特殊工艺。

3、目前行业解决方案多为单一模式或简单组合，如采用通缆钻杆和陀螺测量，虽可解决磁干扰问题，但依赖专用钻具和高密封性接头，施工灵活性差；或将泥浆脉冲与电磁波传输组合，在不同工况间切换，但对仪器兼容性与数据融合算法要求极高，成本高且实施复杂。这些方案往往是在问题发生后才进行补救，缺乏在复杂环境下提前规避测量失效和传输不稳定的方案。

4、因此，如何在常规泥浆脉冲传输平台上，提供一种不依赖地磁场、抗干扰能力强、能在多种复杂工况下稳定工作的随钻测量系统，并实现低成本、高可靠性的姿态测量与数据传输，是至关重要的。

技术实现思路

1、基于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种泥浆脉冲陀螺随钻测量系统的构建方法及其构建的系统。

2、根据本发明实施例的第一方面，提供了一种泥浆脉冲陀螺随钻测量系统的构建方法。

3、所述方法，包括以下步骤：

4、实时采集井下钻具的惯性测量数据；

5、基于所述惯性测量数据，采用四元数法结合扩展卡尔曼滤波算法进行姿态解算，得到校准后的轨迹参数；

6、响应于单根钻杆钻进完成的停泵信号，将所述校准后的轨迹参数按照预设帧结构进行编码；

7、驱动脉冲发生器改变钻井液过流面积，以产生泥浆正压力脉冲，将所述编码后的轨迹参数传输至地面进行预警。

8、在上述方案的基础上，所述实时采集井下钻具的惯性测量数据，包括；

9、在钻井过程中，实时采集井下钻具中mems陀螺仪测得的角速度数据和mems加速度计测得的重力分量数据。

10、在上述方案的基础上，所述基于所述惯性测量数据，采用四元数法结合扩展卡尔曼滤波算法进行姿态解算，得到校准后的轨迹参数，包括：

11、利用扩展卡尔曼滤波算法，融合mems陀螺仪与mems加速度计的数据，融合解算包括井斜角、方位角、工具面角的轨迹参数，并对数据进行实时误差校准，抑制mems陀螺仪漂移。

12、在上述方案的基础上，所述利用扩展卡尔曼滤波算法，融合mems陀螺仪与mems加速度计的数据，融合解算包括井斜角、方位角、工具面角的轨迹参数，并对数据进行实时误差校准，抑制mems陀螺仪漂移，包括：

13、（1）误差状态向量的定义为：

14、

15、其中，位置误差向量，速度误差向量，姿态角误差向量，陀螺仪零偏误差向量，加速度计零偏误差向量；

16、（2）量化预测质量状态方程可以被离散化表示为：

17、

18、其中表示采样时间间隔；

19、（3）ekf的计算流程可以分为时间更新和测量更新两个子过程，在时间更新过程中，滤波器根据时刻的状态估计值预测时刻的状态估计值，并计算预测值的均方误差对预测的质量优劣进行定量描述，具体计算公式如下：

20、

21、

22、其中是过程噪声的协方差协矩阵；

23、（4）在测量更新过程中，滤波器通过时间更新的质量优劣、传感器测量值的噪声特性以及测量方程等对状态向量的预测值进行修正，在得到时刻的状态估计值的同时，计算估计值的均方误差，具体计算公式如下：

24、

25、

26、

27、其中是卡尔曼滤波器的滤波增益矩阵。

28、在上述方案的基础上，所述响应于单根钻杆钻进完成的停泵信号，将所述校准后的轨迹参数按照预设帧结构进行编码，包括：

29、将解算校准后的轨迹参数按预设通信协议进行打包，并在单根钻杆钻进完成后执行分时编码策略：

30、利用停泵间歇期采集并编码高精度的静态轨迹参数，在开泵循环后采集动态钻进参数，并按照预设通信协议将静态轨迹参数与动态钻进参数进行编码。

31、根据本发明实施例的第二方面，提供了一种所述的方法构建的泥浆脉冲陀螺随钻测量系统。

32、根据本发明实施例的第三方面，提供了一种泥浆脉冲陀螺随钻测量系统。

33、所述系统，包括：

34、测量外管；

35、在所述测量外管内部设置的用于作为内部电子设备的安装基座的电路骨架；

36、在所述测量外管的两端设置的用于产生正压力脉冲的脉冲发生器和中间接头；

37、在所述中间接头的一侧设置的电池外管；

38、在所述电池外管内部设置的电池减震结构和锂电池；

39、在所述电池外管的端部设置的悬挂接头；

40、其中，所述电路骨架上设置有mems陀螺仪与mems加速度计。

41、根据本发明实施例的第四方面，提供了一种使用泥浆脉冲陀螺随钻测量系统进行泥浆脉冲陀螺随钻测量的方法。

42、所述方法，包括：

43、s1、系统初始化：

44、对mems陀螺仪、mems加速度计进行上电自检，并执行自适应真北寻北操作，同时完成井下与地面间的通讯测试，确保系统状态正常；

45、s2、采集实时数据：

46、在钻井过程中，实时采集mems陀螺仪测得的钻具旋转角速度数据，以及mems加速度计测得的重力分量数据；

47、s3、姿态融合解算与误差校准：

48、利用扩展卡尔曼滤波算法，融合mems陀螺仪与mems加速度计的数据，融合解算包括井斜角、方位角、工具面角的轨迹参数，并对数据进行实时误差校准，抑制mems陀螺仪漂移；

49、s4、数据编码与脉冲生成：

50、将校准后的轨迹参数按照预设的帧结构进行编码，驱动脉冲发生器动作，通过改变钻井液过流面积，产生泥浆正压力脉冲信号；

51、s5、地面信号接收与解码：

52、地面压力传感器捕获泥浆中的压力脉冲信号，经由滤波、放大处理后，进行解码还原，得到井下的轨迹参数；

53、s6、轨迹显示与钻进调控：

54、系统实时显示井眼轨迹，根据参数偏差调整钻具方向，重复步骤s2-s5，直至钻头按预设轨迹钻至预定井深。

55、根据本发明实施例的第五方面，提供了一种计算机可读存储介质。

56、在一些实施例中，所述计算机可读存储介质包括用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的泥浆脉冲陀螺随钻测量的方法的步骤。

57、根据本发明实施例的第六方面，提供了一种计算机设备。

58、在一些实施例中，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述泥浆脉冲陀螺随钻测量的方法的步骤。

59、本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

60、本发明采用mems陀螺仪与mems加速度计组合的方式替代磁传感器，通过四元数法姿态解算结合扩展卡尔曼滤波实时校正陀螺漂移，并利用泥浆正脉冲实现无线数据传输，辅以抗振、居中、电池管理等多重机械与电气优化，从而在强磁干扰、深井、高纬度等环境中仍能将轨迹控制误差降至1°以内，显著提升钻井安全性、效率与经济性。

61、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。