定向鉆進姿態測量系統的研究

1地下地下管線定向鉆進定向鉆孔技術是利用定向孔的可控孔軌跡，在不同層和深度上鉆孔，用定位儀跟蹤到達設計位置的新技術。它主要用來不開挖路面鋪設各種地下管線，也可用于實現地下的地質勘探與資源開采，目前發展十分迅速。定向鉆進的一個顯著特點是鉆孔軌跡不要求是直的，可實現彎曲鉆進，因此它可根據實際要求繞過各種障礙，實現智能可控向鉆進。它的導向功能是通過斜面鉆頭來完成的，其導向機理如1所示。當鉆頭一邊回轉一邊進給時，則鉆出一個直孔，實現保直鉆進；當鉆頭只進給而不回轉時，由于斜面鉆頭受到的阻力，鉆孔將向斜面的朝向方向彎曲。這樣，如果事先調整好斜面方向，就可根據要求實現可控向鉆進。2鉆具角度和接頭位置地下定向鉆進中，實時姿態測量是保證地下鉆具按照設定鉆孔軌跡運動的基礎。在導航學中，載體的姿態測量常用三組角度——航向角、俯仰角和橫滾角來表示。與之對應，地下鉆進中鉆具的姿態也用這三組角度來表示，稱為方位角、傾角和面向角。方位角是鉆孔當前點的切線在水平面的投影與正北方向之間的夾角，它反映了水平面內鉆具運動的方向。傾角是鉆孔當前點的切線與水平面之間的夾角，它反映了鉆具前進方向相對水平面的傾斜程度。工具面向角為鉆具的造斜方向與某一參考方向間的夾角，它反映了下一步鉆進的造斜方向。面向角通常采用時鐘盤面上的刻度來表示，如12點方向為向上，6點方向表示向下。為了給出清晰的定義，首先要建立合適的參考坐標系。我們在傳感器探頭所在位置的地理坐標系北-東-地坐標系（即N-E-D）中，建立探頭坐標系X-Y-Z，如圖2所示。其中，X軸沿鉆具軸線指向探頭運動前向，Y軸位于探頭橫截平面內指向右方，Z軸在探頭橫截平面內指向下方。根據前述角度的定義，方位角為X軸在水平面的投影與正北之間的夾角，圖中用ψ表示，傾角為X軸與水平面間的夾角，圖中用è表示，面向角為探頭橫截面內Z軸與6點鐘方向的夾角(即Y軸與水平面的夾角)，如圖中?所示。角度的定義均參照右手規則，滿足右手規則為正，反之為負。我們設計的姿態測量系統，就是通過一定的敏感器以及后續處理電路來獲得這些姿態角度。3定向鉆進測量系統的組成及原理在航空航天領域，空間載體姿態的測量常用加速度計和陀螺儀來組成。地下鉆進中的姿態測量有其本身的特殊性，因為傳感器要放在狹小的鉆具空腔內（截面直徑一般小于4cm），并在鉆進過程中隨鉆具一起破土旋轉進給，要求各種測量傳感器除滿足精度要求外，還必須做到體積小、重量輕、結構可靠、耐振動、耐沖擊，經受劇烈的溫度變化等。傳統的加速度計和陀螺儀，體積大、成本高、對環境適應性差，并不適合地下定向鉆進的測量。在石油鉆井領域，對于斜度測量（傾角、面向角）通常采用以地球重力方向為基準的擺式傾角傳感器來進行，如電位器式、電容式、電感式等固體擺式傾角傳感器以及電介液式、電解液式、磁性流體式等液體擺式傾角傳感器等。對于定向測量（方位角），通常采用以地球磁場方向為基準的磁通門磁強計進行。但現有的傳感器都存在尺寸較大、結構復雜、制作工藝難度大等不足，大多屬作坊作業，需要大量的人工調試，不宜批量生產；且成本偏高，不是全固態，動態范圍較窄，抗沖擊、抗振動性能不高。隨著微電子機械系統（MEMS）技術的發展，從上個世紀末開始出現了在單片上集成的加速度計和磁強計器件，這些器件采用MEMS技術，在單片上集成加速度敏感元件及相應的調理電路，具有體積小、重量輕、功耗低、易于大規模批量生產、成本低等優點。利用這些器件組成的姿態測量系統，非常適合定向鉆進測量，如ADI公司的ADXL系列加速度計，HONEYWELL公司的HMC系列磁阻式磁強計等。ADXL加速度計的傳感原理基于差動電容，主要由質量彈性元件、位移測量系統及信號調理電路等組成。彈性元件是由硅材料制成的橫梁，如圖3所示。橫梁四角與彈性系數一致的活動折疊片連接構成運動部件。當有加速度產生時，橫梁移動，帶動連接片一起移動，加速度正比于質量元件的位移。ADXL系列加速度計根據不同測量范圍有不同的類型。從敏感軸來分，有單軸加速度計和雙軸加速度計等，在應用時可靈活選用。HONEYWELL公司的HMC系列磁強計基于強磁金屬的各項異性磁阻效應（AMR），當沿著一條長而且薄的鐵磁合金帶的長度方向施加一個電流，在垂直于電流的方向施加一個磁場，合金帶自身的阻值將發生變化。HMC系列磁強計由四個磁阻組成惠斯通電橋，在電橋上施加一個偏置磁場，使得兩個相對位置的電阻的磁化方向朝著電流方向轉動，引起電阻阻值增加；另外兩個相對放置的電阻的磁化方向背向電流方向轉動，引起電阻阻值減小，在線形區域輸出和外加磁場成正比，靈敏度和傳遞函數的線形區成反比。同樣，HMC系列磁強計有單軸和雙軸之分，甚至有封裝好的三軸磁強計?；谝陨掀骷?，我們設計的地下定向鉆進姿態測量系統結構如圖4所示。系統采用三軸微硅加速度計和三軸磁強計分別測量三維空間中重力加速度分量和磁場分量，模數轉換將傳感器輸出的模擬量轉化數字信號，由數據總線并行送入微處理器。微處理器接受傳感信號以后，將其進行信號處理，并進行姿態角的解算，解算出的姿態角可以通過RS-232接口以有線的方式進行輸出。但由于傳感器是在鉆具內部，更經常的做法是將數據編碼調制，通過線圈以無線電磁波的形式向地表發射，由地面上的儀器進行接收。這樣，地面司鉆人員就能實時掌握鉆頭的運動姿態，并可進行相應的控制，以使鉆具按照設定軌跡鉆進，從而實現導向的目的。4加工后的姿態測量姿態解算要在一定的坐標系下進行，我們按照圖2的方式在NED坐標系中建立探頭坐標系XYZ。根據導航學中的歐拉定理，載體在空間中的姿態可用載體坐標系相對于地理坐標系有限次的轉動來表示，每次轉動的角度即為歐拉角，常用航向角、俯仰角和滾動角來表示。同樣，地下定向鉆進中，探頭在空間的任一姿態也可用相對于地理坐標系的一系列旋轉來表示，只不過旋轉的角度被定義為方位角、傾角和面向角。這樣，起始時地理坐標系于探頭坐標系重合（N與X軸、E與Y軸、D與Z軸相對應），隨后載體繞Z軸旋轉ψ角，繞Y軸旋轉θ角，繞X軸旋轉?角，就得到探頭當前的姿態，如圖5所示。每次的旋轉相當于一次坐標變換，可以用相應的變換矩陣來表示，它們具有如下的標準形式：這樣就得到地理坐標系到探頭坐標系的變換矩陣，此矩陣由各轉動角度和次序唯一確定：斜度測量是根據沿探頭坐標系安裝的三軸加速度計并結合重力場的特性來完成的。在地理坐標系中，重力場有非常簡單的形式，它始終朝向D軸，大小為g(當地重力加速度)，而在其它軸向上的分量為0，如圖6所示。設當前姿態下加速度計的輸出為gx、gy、gz，于是重力矢量從地理坐標系到探頭坐標系之間的變換滿足：定向測量是根據沿探頭坐標系安裝的三軸磁強計并結合地磁場的特性來完成的。地球本身是一個帶有N、S兩個磁極的大球體，其表面的直流磁場大體上比較均勻，在地球表面的任意一點都可將磁場的強度分解為水平和垂直兩個分量。在地理坐標系中，在北坐標軸為磁北的情況下，地磁場矢量可由圖6來表示，其中，β為磁傾角，表示地磁場與水平面的夾角，其大小視不同地點而異。設當前姿態下三軸磁強計的輸出為mx,my,mz，根據地理坐標系到探頭坐標系的變換有：根據式（3）(4），可解算出姿態角為：經過進一步簡化，可得到用加速度計輸出和磁強計輸出表示的最終表達式：其中為重力場矢量。由此，我們就得到任意姿態角度測量公式。任何時候只要知道三軸加速度計和三軸磁強計的輸出，即可確定當前鉆具的姿態。5定向鉆進測量方法針對地下鉆進的特殊要求，本文描述了一種定向鉆進姿態測量系統。該系統采用新型微硅加速度計和磁阻式磁強計作為姿態敏感器件