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1.1 摘要 为准确测量旋转钻井时的钻具姿态#xff0c;提出了一种新的信号处理方法。测斜仪旋转时#xff0c;垂直于其旋转轴方向加速度计的输出信号中重力加速度信号分量具有周期性特征#xff0c;以及非周期性离心加速度分量频率低于重力加速度信号分量频率…一、 论文内容
1.1 摘要 为准确测量旋转钻井时的钻具姿态提出了一种新的信号处理方法。测斜仪旋转时垂直于其旋转轴方向加速度计的输出信号中重力加速度信号分量具有周期性特征以及非周期性离心加速度分量频率低于重力加速度信号分量频率的特征用高通或带通滤波将非周期性离心加速度分量分离对于常规滤波方法无法滤除的通频带内振动信号增加一个对置加速度计采取不同隔振措施补偿振动信号滤除通频带内的振动信号。仿真分析表明测斜仪旋转时离心力作用所导致的测斜仪加速度信息失真可以被高通或带通滤波器有效滤除与旋转频率耦合的一个振动信号可以分解为2个频率的振动信号采取不同隔振措施的对置加速度计可以对振动信号进行补偿滤除通频带内的振动信号。台架试验也证实增加一个对置加速度计并采取隔振措施棳可以补偿振动信号滤除通频带内的振动信号。该处理方法为准确计算井斜角和工具面角等钻具姿态参数提供了技术手段。 1.2 加速度计的动态输出信号 原论文中的测斜仪测斜原理部分就不再赘述直接从下文开始。 当加速度计静置时输出信号基本为重力加速度信号而当存在振动或因旋转产生离心力时加速度计的输出信号中便混合了振动或离心加速度信号即 s f s g s v s e s_fs_gs_vs_e sfsgsvse 上式中 s g s_g sg为重力加速度信号 s v s_v sv为振动加速度信号 s e s_e se为离心加速度信号。
1.3 重力加速度分量的提取方法
1.3.1 去除离心加速度 井斜角传感器的三轴加速度计输出信号为 s x s g x s v x s e x s_xs_{gx}s_{vx}s_{ex} sxsgxsvxsex s y s g y s v y s e y s_ys_{gy}s_{vy}s_{ey} sysgysvysey s z s g z s v z s e z s_zs_{gz}s_{vz}s_{ez} szsgzsvzsez s x , s y , s z 分别是 s_x,s_y,s_z分别是 sx,sy,sz分别是 x , y , z x,y,z x,y,z加速度计的输出信号。 当井斜角传感器随钻柱旋转时如图所示如果z轴平行于钻柱旋转 轴线则在轴方向不存在离心力,即 e z 0 e_z0 ez0。此时z轴方向重力分量不随转动改变如果井斜角固定其为常值而z轴方向振动加速度可通过低通滤波滤除于是有 s ˉ z s g z \bar{s}_zs_{gz} sˉzsgz其中 s ˉ z \bar{s}_z sˉz为z轴加速度计低通滤波后输出信号。因为重力加速度已知此时以静态测量时g的统计值为准可以用下式计算井斜角 c o s α s ˉ z g cos \alpha \frac{\bar{s}_z}{g} cosαgsˉz 设 g x y g_{xy} gxy为重力加速度在xy平面内分量则有: g x − g x y c o s θ g_x-g_{xy}cos\theta gx−gxycosθ g y − g x y s i n θ g_y-g_{xy}sin\theta gy−gxysinθ 旋转钻进时工具面角因旋转而发生周期变化因此由上式可知x,y轴重力加速度分量也随之周期变化其角频率与旋转角速度有关。因此该情况下仅采用低通滤波并不能得到真实的重力加速度分量。 钻柱匀速旋转时离心加速度为常值x、y轴重力加速度分量为周期信号因此可用一个高通滤波器滤去直流成分将离心加速度分量去除。于是有 : s x ′ s v x − s g x y c o s θ s_x s_{v_x}-s_{g_{xy}}cos\theta sx′svx−sgxycosθ s y ′ s v y − s g x y s i n θ s_y s_{v_y}-s_{g_{xy}}sin\theta sy′svy−sgxysinθ
1.3.2 去除振动加速度 不同于钻柱静止或非旋转状态钻柱旋转时x、y轴上的振动信号分量耦合了旋转角度的变化。设 v x y v_{xy} vxy为振动加速度在xy平面内分量, v x y v_{xy} vxy相对于高边的夹角为 ϕ \phi ϕ ω v \omega_v ωv为振动角频率则有 v x v x y s i n ( w v t β ) c o s ( θ − ϕ ) v_xv_{xy}sin(w_vt\beta)cos(\theta-\phi) vxvxysin(wvtβ)cos(θ−ϕ) v y v x y s i n ( w v t β ) s i n ( θ − ϕ ) v_yv_{xy}sin(w_vt\beta)sin(\theta-\phi) vyvxysin(wvtβ)sin(θ−ϕ) 上式表明一个周期振动信号在x、y轴上分量的幅值随钻柱旋转角度呈周期变化。设旋转角速度为 ω r \omega_r ωr则有 θ ω r t θ 0 \theta\omega_rt\theta_0 θωrtθ0其中 θ 0 \theta_0 θ0为t0时刻的工具面角可做如下变形 上式表明在钻柱旋转时一个周期振动信号在x、y轴上的分量耦合了旋转角频率可分别用2个不同频率、不同相位的半幅值周期振动信号等效 。 如果振动频率远大于钻柱旋转角速度( ω v ≥ 3 ω r \omega_v≥3\omega_r ωv≥3ωr)则振动信号所等效分解的2个分量的频率均远离重力加速度分量的变化频率因此可以采,用合适的滤波器滤除振动信号。 当 ω v ≈ 2 ω r \omega_v≈2\omega_r ωv≈2ωr即振动信号的角频率接近钻柱旋转角频率的2倍时振动信号中的低频率分量的角频率将接近旋转角速度会对重力加 速度分量造成严重干扰而且采用常规滤波方法很难滤除这种干扰。 当 ω v ≈ ω r \omega_v≈\omega_r ωv≈ωr时振动信号低频分量接近于0高频分,接近于 2 ω r 2\omega_r 2ωr此时振动信号可以被有效滤除。 由于旋转角速度较低也就是说x、y轴方向重力加速度分量的变化频率较低(一般不超过4Hz)则 2 ω r B 2\omega_rB 2ωrB以下的振动信号由于低频分量角频率( ω v − ω r \omega_v-\omega_r ωv−ωr)与旋转角速度的绝对差值较小一般难于完全滤除而且振动信号的频率分量越接近旋转角速度越难以滤除。此时用滤波后信号计算工具面角或井斜角会有较大误差。 解决该问题的有效方法是椇增加1个加速度传感器与x或y轴背对放置并对其采取隔振措施使其对振动的敏感强度与对称轴有明显不同。例如与轴背对放置第4个加速度计-x则其输出信号 s − x s − g x − k s v x s e x s_{-x}s_{-g{x}}-ks_{v{x}}s_{e{x}} s−xs−gx−ksvxsex其中k为系数于是有 s v x ( s x s − x − 2 s e x ) / ( 1 − k ) s_{v{x}}(s_xs_{-x}-2s_{e{x}})/(1-k) svx(sxs−x−2sex)/(1−k) 高通滤波器可将 s e x s_{e{x}} sex滤除因此可写成 s v x ( s x ′ s − x ′ ) / ( 1 − k ) s_{v{x}}(s_xs_{-x})/(1-k) svx(sx′s−x′)/(1−k) 现在问题的关键是确定系数k。测斜仪不旋转时 s g x s_{g{x}} sgx为常数 s e x s_{e{x}} sex为0,因此k可由下式求得 k − s x ′ / s − x ′ k-s_x/s_{-x} k−sx′/s−x′ 注意本论文没有讨论电路以及采样中的白噪声因为白噪声可以通过低通或者电筒滤波器。所以一般在进行数据处理前均需要进行低通或者带通滤波器处理。 此外棳在进行振动信号补偿分析时假定2个传感器的离心加速度大小相同方向相反。事实上由于装配等其他原因2个传感器的离心加速度不一 定大小相同方向相反。由于通常情况下旋转钻进时钻柱近似匀速旋转离心加速度近似恒定可利用高通或带通滤波器滤除上文给出的方法仍然有效。
1.3 仿真及实验验证 二、往期回顾
课题学习(一)----静态测量 课题学习(二)----倾角和方位角的动态测量方法基于磁场的测量系统 课题学习(三)----倾角和方位角的动态测量方法基于陀螺仪的测量系统 课题学习(四)----四元数解法 课题学习(五)----阅读论文《抗差自适应滤波的导向钻具动态姿态测量方法》 课题学习(六)----安装误差校准、实验方法 课题学习(七)----粘滑运动的动态算法 课题学习(八)----卡尔曼滤波动态求解倾角、方位角 课题学习(九)----阅读《导向钻井工具姿态动态测量的自适应滤波方法》论文笔记 课题学习(十)----阅读《基于数据融合的近钻头井眼轨迹参数动态测量方法》论文笔记 课题学习(十一)----阅读《Attitude Determination with Magnetometers and Accelerometers to Use in Satellite》 课题学习(十二)----阅读《Extension of a Two-Step Calibration Methodology to Include Nonorthogonal Sensor Axes》 课题学习(十三)----阅读《Calibration of Strapdown Magnetometers in Magnetic Field Domain》论文笔记 课题学习(十四)----三轴加速度计三轴陀螺仪传感器-ICM20602
