專利名稱：一種方位角與傾角測量儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及鉆井測量領域，更具體地說，涉及一種方位角與傾角測量儀。
背景技術：
在鉆井工作中，鉆井工程孔(簡稱鉆孔)的傾角和方位角是很重要的參數(shù)，鉆孔的傾角是指鉆孔的軸線與重力方向的夾角，鉆孔的方位角是指鉆孔的軸線在水平面的投影的地里北的夾角，通過測量這兩個參數(shù)可以判斷鉆孔的傾斜度及鉆孔軌跡?，F(xiàn)有技術中，傾角和方位角是通過獨立的設備進行測量，其測量過程繁瑣，且傾角的測量裝置是機械式結構，通過重錘等多個零部件的動作及相互作用進行測量，但是由于各個零部件間有摩擦力的存在，使得現(xiàn)有的方位角測量裝置的測量精度低，而方位角測量裝置是利用磁阻傳感器進行測量，這種測量方法受磁場環(huán)境的影像大，也會降低測量的精度。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種方位角與傾角測量儀，以解決現(xiàn)有技術中，傾角和方位角是通過獨立的設備進行測量，使得測量過程繁瑣的問題。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了如下技術方案:一種方位角與傾角測量儀，包括:采集系統(tǒng)，處理器和封裝所述采集系統(tǒng)和處理器的探管；其中，所述采集系統(tǒng)包括:獲取測試點處重力加速度的水平分量的第一加速度計；獲取所述測試點處重力加速度的垂直分量的第二加速度計；動調(diào)陀螺；與所述動調(diào)陀螺相連接，在接收到控制信號時，驅動所述動調(diào)陀螺旋轉的驅動器；與所述動調(diào)陀螺相連接，獲取所述動調(diào)陀螺輸出的所述測試點處地球自轉角速度水平分量和垂直分量的測量電路；采集所述測試點處相互垂直的兩個方向的重力加速度的雙軸加速度傳感器；分別與所述第一加速度計、所述第二加速度計、所述驅動器、所述測量電路和所述雙軸加速度傳感器相連接，發(fā)送控制信號，并依據(jù)所述測試點處地球自轉角速度、地球自轉角速度的水平分量、地球自轉角速度的垂直分量、重力加速度、重力加速度的水平分量和垂直分量，以及所述測試點處的緯度值計算方位角；依據(jù)所述相互垂直的兩個方向的重力加速度計算鉆孔傾角角度的處理器；所述探管為金屬探管，所述雙軸加速度傳感器的一個敏感軸的軸線與所述探管的軸線平行。上述方位角與傾角測量儀，優(yōu)選的，還包括:分別與所述采集系統(tǒng)和所述處理器相連接，提供所述采集系統(tǒng)和所述處理器器所需工作電源的供電裝置。上述方位角與傾角測量儀,優(yōu)選的,還包括:與所述處理器相連接，存儲所述傾角角度和所述方位角的存儲器。上述方位角與傾角測量儀，優(yōu)選的，所述采集系統(tǒng)還包括:分別與所述雙軸加速度傳感器和所述處理器相連接，對所述雙軸加速度傳感器采集的相互垂直的兩個方向的重力加速度進行低通濾波的低通濾波器。上述方位角與傾角測量儀，優(yōu)選的，所述處理器為PIC16C73單片機。上述方位角與傾角測量儀,優(yōu)選的,還包括:與所述處理器相連接，將所述鉆孔傾角角度及方位角發(fā)送至上位機的通訊電路。上述方位角與傾角測量儀，優(yōu)選的，所述探管為銅質探管或鈦鋼探管。上述方位角與傾角測量儀，優(yōu)選的，還包括:與所述處理器相連接，顯示所述鉆孔傾角角度及方位角的顯示器。通過以上方案可知，本申請?zhí)峁┑囊环N方位角與傾角測量儀，在測試時，處理器依據(jù)地球自轉角速度、重力加速度、測試點處的緯度值，以及采集系統(tǒng)采集的地球自轉角速度的水平分量、地球自轉角速度的垂直分量、重力加速度的水平分量和垂直分量計算方位角，并依據(jù)采集系統(tǒng)采集的相互垂直的兩個方向的重力加速度計算鉆孔的傾角角度，通過一次測量，同時獲取鉆孔的方位角和傾角角度，避免現(xiàn)有技術中，傾角和方位角是通過獨立的設備進行測量，使得測量過程繁瑣的問題。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本申請實施例提供的一種方位角與傾角測量儀的結構示意圖；圖2為本申請實施例提供的另一種方位角與傾角測量儀的結構示意圖；圖3為本申請實施例提供的供電裝置的結構示意圖。說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”、“第三” “第四”等(如果存在)是用于區(qū)別類似的部分，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當情況下可以互換，以便這里描述的本申請的實施例例如能夠以除了在這里圖示的以外的順序實施。
具體實施方式
下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。請參閱圖1，圖1為本申請實施例提供的一種方位角與傾角測量儀的結構示意圖，包括:[0034]采集系統(tǒng)1、處理器2和封裝所述采集系統(tǒng)I和所述處理器2的探管3 ;其中，采集系統(tǒng)I包括:第一加速度傳感器101，第二加速度傳感器102，動調(diào)陀螺103，驅動器104，測量電路105和雙軸加速度傳感器106 ；第一加速度計101用于獲取測試點處重力加速度g的水平分量gx ;第二加速度計102用于獲取所述測試點處重力加速度g的垂直分量gy ;第一加速度計101與第二加速度計102相互垂直，其中一個重力加速度計(第一加速度計101或者第二加速度計102)的敏感軸與探管的軸線是平行的。驅動器104分別與處理器2和動調(diào)陀螺103相連接，用于在接收到控制信號時，驅動動調(diào)陀螺103旋轉；測量電路105分別與處理器2和動調(diào)陀螺103相連接，用于獲取所述動調(diào)陀螺輸出的所述測試點處地球自轉角速度ω的水平分量ωχ和垂直分量coy;需要說明的是，上述測試點處的重力加速度g和地球自轉角速度ω是指測試點處，地理坐標系(η系，即北東地坐標系0Xn ynzn,也就是說北向坐標軸χη，東向坐標軸yn和地向坐標軸Zn構成右手坐標系，Xn軸和7 軸所在的平面為地理坐標系的水平面)中的重力加速度和地球自轉角速度；重力加速度g的水平分量gx和垂直分量gy，以及地球自轉角速度ω的水平分量ωχ和垂直分量GJy是指重力加速度g和地球自轉角速度ω在探管坐標系中的分量，具體的，探管坐標系oxbybzb中，Zb軸為探管的軸線，Xb軸、yb軸垂直于探管軸線并在同一平面內(nèi)，Xb軸、yb軸和Zb軸構成右手坐標系，Xb軸與yb軸組所在的平面為探管坐標系的水平面，重力加速度g的水平分量gx，以及地球自轉角速度ω的水平分量(^是指重力加速度g和地球自轉角速度ω在探管坐標系中Xb軸的分量；重力加速度g的垂直分量gy，以及地球自轉角速度ω的`垂直分量0丨是指重力加速度g和地球自轉角速度ω在探管坐標系中yb軸的分量；具體的，可以通過公式(I)計算地理坐標系中的地球自轉角速度ω在探管坐標系中的各個分量；通過公式(2)計算地理坐標系中的重力加速度g在探管坐標系中的各個分量；
wxwehWv:C，7 O( I )wz wev
axOay =C b O(2)其中，Weh^mcos(p，為地球自轉角速度在地理坐標系中的水平分量；weV=msmf，為地球自轉角速度在地理坐標系中的垂直分量；爐為測試點處的緯度值，可以由測試者輸入為地球自轉角速度，15° /h 變換矩陣，是一個3X3的矩陣，為已知量。雙軸加速度傳感器106用于采集相互垂直的兩個方向的重力加速度；雙軸加速度傳感器106內(nèi)設置有兩個加速度計，這兩個加速度計的敏感軸的軸線相互垂直(如雙軸加速度傳感器106中兩個箭頭方向所示)，所以，這里所說的相互垂直的兩個方向，就是指雙軸加速度傳感器106的兩個加速度計的敏感軸的軸線所在的方向。處理器2分別與所述第一加速度計101、所述第二加速度計102、所述驅動器104、所述測量電路105和所述雙軸加速度傳感器106相連接，用于發(fā)送控制信號，并依據(jù)所述測試點處地球自轉角速度、地球自轉角速度的水平分量、地球自轉角速度的垂直分量、重力加速度、重力加速度的水平分量和垂直分量，以及所述測試點處的緯度值計算方位角；依據(jù)所述相互垂直的兩個方向的重力加速度計算鉆孔傾角角度；優(yōu)選的，處理器2可以為DSP處理器，具體可以為PLC16C73單片機。具體的，鉆孔傾角角度的計算公式為:
其中，α為為鉆孔傾角角度值；gx和gy分別為所述兩個相互垂直方向的重力加速度值。鉆孔的方位角的計算方法可以為:具體的，依據(jù)所述測試點處地球自轉角速度ω、地球自轉角速度ω的水平分量ωχ、地球自轉角速度ω的垂直分量Oy、重力加速度g、重力加速度g的水平分量gx和垂直分量gy，以及所述測試點處的緯度值爐計算俯仰角Θ (探管坐標系中的^軸(水平縱軸)與地理坐標系的水平面之間的夾角)，橫滾角Y (探管坐標系的縱向對稱平面(Xb軸與Zb軸組成的平面)與縱向鉛垂面(xb軸與Zn軸組成的平面)之間的夾角)，北向工具面角Ψ (探管坐標系中Xb軸(水平縱軸)在地理坐標系的水平面上的投影與地理子午線(北向軸)之間的夾角)，具體計算公式見公式(4)- (6)；Θ =arcsin (ax/g) (4)Y =arcsin[ay/ (g*cos Θ ) ] (5)
p = arctan((av * wx + a2x * w): +g*co* av+ co * a y *sinp))( 6 )依據(jù)所述俯仰角Θ，橫滾角Υ，北向工具面角V以及所述測試點處的緯度值爐計算方位角Λ ψ，
Ay/ = secp.(tani9-tany-cosy/ — sec0-siiy).K;c/Au—(secy.seep.cosy/).ε少.,to( 7 )其中，ε χ，ε y分別為陀螺儀內(nèi)相互垂直的兩個軸(為了方便，這里記為X軸和y軸)的隨機漂移量。χ軸與y軸互相垂直。其中一個軸(X軸或I軸)與探管軸線平行。在封裝時，雙軸加速度傳感器11的一個敏感軸的軸線(即雙軸加速度傳感器106中，其中一個加速度計的敏感軸的軸線)與探管3的軸線平行。在測試時，將探管貼合鉆孔壁放置進行測量。本申請實施例提供的方位角與傾角測量儀，在測試時，處理器依據(jù)地球自轉角速度、重力加速度、測試點處的緯度值，以及采集系統(tǒng)采集的地球自轉角速度的水平分量、地球自轉角速度的垂直分量、重力加速度的水平分量和垂直分量計算方位角，并依據(jù)采集系統(tǒng)采集的相互垂直的兩個方向的重力加速度計算鉆孔的傾角角度，通過一次測量，同時獲取鉆孔的方位角和傾角角度，避免現(xiàn)有技術中，傾角和方位角是通過獨立的設備進行測量，使得測量過程繁瑣的問題，同時，由于對方位角的測量不依賴于磁場強度，只通過探管當前的俯仰角Θ，橫滾角Y，北向工具面角Ψ、所述測試點處的緯度值A以及陀螺儀的隨機漂移來計算方位角，避免受外磁場環(huán)境影響而不能準確確定鉆孔的方位角的問題，提高了方位角的測量精度；并且在測量過程中，各個組成部分不需要動作及相互作用，避免各個組成部分之間的相互摩擦,提高了傾角的測量精度。請參看圖2，圖2為本申請實施例提供的方位角與傾角測量儀的另一結構示意圖，在圖1所示的方位角與傾角測量儀的結構的基礎上，還包括:供電裝置4，分別與所述采集系統(tǒng)I和所述處理器2相連接，用于提供所述采集系統(tǒng)I和所述處理器2所需工作電源。具體的，供電裝置4的結構示意圖如圖3所示，包括:開關電源41和型濾波器42 ；開關電源41用于生成所述采集系統(tǒng)I及所述處理器2所需的工作電源；型濾波器42分別與所述開關電源41和所述采集系統(tǒng)I及所述處理器2相連接，用于對開關電源生成的采集系統(tǒng)所需的工作電壓進行η型濾波。因為開關電源41輸出的工作電壓可能出現(xiàn)較大的波紋，所以，為了給采集系統(tǒng)I提供低波紋的供電電源，本申請實施例應用η型濾波器42將開關電源41輸出的工作電壓轉換成低波紋的工作電壓。存儲器5，與所述處理器2相連接，用于存儲所述傾角角度和所述方位角，方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)；通訊電路6，與所述處理器2相連接，用于將所述鉆孔傾角角度及方位角發(fā)送至上位機；顯示器7，與所述處理器相連接，用于顯示所述鉆孔傾角角度及方位角。為了優(yōu)化上述實施例本申請實施例提供的采集系統(tǒng)I還設置有濾波器107，濾波器107分別與所述雙軸加速度傳感器106和所述處理器2相連接，用于對所述雙軸加速度傳感器采集的相互垂直的兩個方向的重力加速度進行低通濾波。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權利要求1.種方位角與傾角測量儀，其特征在于，包括:采集系統(tǒng)，處理器和封裝所述采集系統(tǒng)和處理器的探管； 其中，所述采集系統(tǒng)包括: 獲取測試點處重力加速度的水平分量的第一加速度計； 獲取所述測試點處重力加速度的垂直分量的第二加速度計； 動調(diào)陀螺； 與所述動調(diào)陀螺相連接，在接收到控制信號時，驅動所述動調(diào)陀螺旋轉的驅動器； 與所述動調(diào)陀螺相連接，獲取所述動調(diào)陀螺輸出的所述測試點處地球自轉角速度水平分量和垂直分量的測量電路； 采集所述測試點處相互垂直的兩個方向的重力加速度的雙軸加速度傳感器； 分別與所述第一加速度計、所述第二加速度計、所述驅動器、所述測量電路和所述雙軸加速度傳感器相連接，發(fā)送控制信號，并依據(jù)所述測試點處地球自轉角速度、地球自轉角速度的水平分量、地球自轉角速度的垂直分量、重力加速度、重力加速度的水平分量和垂直分量，以及所述測試點處的緯度值計算方位角；依據(jù)所述相互垂直的兩個方向的重力加速度計算鉆孔傾角角度的處理器； 所述探管為金屬探管，所述雙軸加速度傳感器的一個敏感軸的軸線與所述探管的軸線平行。
2.據(jù)權利要求1所述的方位角與傾角測量儀，其特征在于，還包括:分別與所述采集系統(tǒng)和所述處理器相連接，提供所述采集系統(tǒng)和所述處理器器所需工作電源的供電裝置。
3.據(jù)權利要求1所述的方位角與傾角測量儀，其特征在于，還包括: 與所述處理器相連接，存儲所述傾角角度和所述方位角的存儲器。
4.據(jù)權利要求1所述的方位角與傾角測量儀，其特征在于，所述采集系統(tǒng)還包括: 分別與所述雙軸加速度傳感器和所述處理器相連接，對所述雙軸加速度傳感器采集的相互垂直的兩個方向的重力加速度進行低通濾波的低通濾波器。
5.據(jù)權利要求1所述的方位角與傾角測量儀，其特征在于，所述處理器為PIC16C73單片機。
6.據(jù)權利要求1所述的方位角與傾角測量儀，其特征在于，還包括: 與所述處理器相連接，將所述鉆孔傾角角度及方位角發(fā)送至上位機的通訊電路。
7.據(jù)權利要求1所述的方位角與傾角測量儀，其特征在于，所述探管為銅質探管或鈦鋼探管。
8.據(jù)權利要求1所述的方位角與傾角測量儀，其特征在于，還包括:與所述處理器相連接，顯示所述鉆孔傾角角度及方位角的顯示器。
專利摘要本實用新型實施例公開了一種方位角與傾角測量儀，包括采集系統(tǒng)，處理器和探管，處理器依據(jù)地球自轉角速度、重力加速度、測試點處的緯度值，以及采集系統(tǒng)采集的地球自轉角速度的水平分量、地球自轉角速度的垂直分量、重力加速度的水平分量和垂直分量計算方位角，并依據(jù)采集系統(tǒng)采集的相互垂直的兩個方向的重力加速度計算鉆孔的傾角角度，通過一次測量，同時獲取鉆孔的方位角和傾角角度，避免現(xiàn)有技術中，傾角和方位角是通過獨立的設備進行測量，使得測量過程繁瑣的問題。
文檔編號E21B47/02GK202926316SQ20122030503
公開日2013年5月8日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權日2012年6月27日
發(fā)明者蔡耀澤, 張 林 申請人:重慶地質儀器廠