基于MEMS技术的井下工具姿态测量与校正

摘要

目前我国石油对外依存度过高，石油安全形势异常严峻，而我国待开发油气资源主要集中在低渗透、深层、海洋、非常规油气藏等区域。导向钻井技术是当今石油钻井技术的最高水平，正带领着钻井技术走向全球第四次石油技术革命，更改变着世界能源格局，因此发展我国导向钻井技术迫在眉睫。
　　本文研究的旋转导向钻井工具稳定平台控制系统中，采用了惯性加速度计来实现石油井下钻井工具姿态参数的测量。采用正交坐标系时，制造、加工、安装和二次集成等形成了正交性（位置）误差，导致传感器三轴输出信号存在非线性误差，降低了测量精度。因此，实现井下全角度导向钻井的重点就在于精确测量井下姿态参数（即井斜角I、工具面角T、方位角A）。
　　本文对旋转导向钻井工具稳定平台控制系统和国内外姿态测量技术两个方面进行了简要介绍，采用了3个轴向安装、相互垂直的惯性加速度计作为姿态测量传感器，实现石油井下钻井工具姿态参数的测量。同时重点对由于轴不正交、不同轴、安装、加工等产生的位置误差进行理论分析，基于各轴独立的概念，构造3个虚拟的正交坐标系，并推导了非正交性位置误差的模型。
　　研究了常规位置误差校正方法，分析了误差补偿时校正矩阵的精度影响以及常规校正方法的补偿矩阵的数值精度，提出均衡补偿概念，对均衡补偿与常规补偿两种方法进行对比，并在 TX-3S测斜仪上进行了测量验证。结果表明， ADXL206双轴加速度计作为测量井下工具姿态参数的传感器，其精度达到要求。在对非正交性误差补偿矩阵的选取方面，均衡补偿消除了常规补偿的周期性系统误差，精度较常规补偿也显著提高。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 旋转导向钻井的发展概述

1.2 旋转导向钻井工具系统

1.3 本课题的研究内容、难点及技术路线

第二章 姿态测量的理论基础

2.1 惯性导航平台姿态测量理论

2.2 姿态测量技术发展

2.3 井下工具姿态测量坐标变换原理

2.4 本章小结

第三章 MEMS传感器

3.1 MEMS技术的概念

3.2 MEMS传感器特点

3.3 MEMS传感器的分类

3.4 MEMS传感器的现状及应用

3.5 ADXL206双轴加速度传感器

3.6 本章小结

第四章 正交姿态测量与校正

4.1 实验台设计与安装

4.2 基于ADXL206的测量仪安装

4.3 正交姿态测量模型

4.4 姿态测量误差来源分析

4.5 补偿精度分析

4.6 本章小结

第五章 实验数据处理与分析

5.1 测量数据补偿校正

5.2 测量数据的零点漂移

5.3 实验数据对比与分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文