【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数据处理，具体涉及基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统。
技术介绍
1、井斜方位测量是油气井、地热井及矿井钻探过程中必不可少的一项技术，其目的是通过监测钻井工具的姿态和方位，确保井眼轨迹的设计与施工要求一致，从而提高钻井作业的安全性与效率。在井下环境中，复杂的地质结构、强烈的温压变化以及局部磁场干扰，给井斜方位测量带来了巨大的技术挑战。现有技术中，普遍采用基于惯性传感器和磁传感器的数据融合方法进行井斜方位解算，但由于误差累积、动态干扰和环境因素的影响，依然存在一些亟待解决的问题。
2、目前，井斜方位测量系统大多基于惯性导航技术（ins）和地磁测量技术，通过加速度计、陀螺仪、磁强计等传感器获取井下工具的加速度、角速度和地磁场数据，再结合重力场和地磁场基准，解算出井斜角和方位角。惯性传感器（如陀螺仪和加速度计）能够提供井下工具的线性加速度和角速度信息。通过时间积分，理论上可以得到井下工具的姿态和位置。然而，由于惯性传感器普遍存在噪声、零偏和漂移问题，长时间运行会导致累积误差的迅速放大，最终影响测量精度。一些研究提出了使用低成本微机电系统（mems）惯性传感器的方法，但这类传感器受漂移和噪声影响较大，仅适用于短时间高精度测量。磁强计能够感知井下工具的三轴地磁场分量，通过与地磁场基准矢量的比较，计算出工具的方位角。然而，地磁场受井下局部环境影响显著，局部干扰场可能由井筒周围的铁磁性物质、电磁装置或地质结构中的磁性异常引起。这些干扰会导致磁强计测量数据与实际地磁场分布之间出现显著偏差。尽管现有技术提出了一些干扰场
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于提供基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，在井斜方位测量系统的精度、稳定性和鲁棒性方面均取得了显著的提升。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，所述系统包括：基准矢量构建部分、补偿部分和卡尔曼滤波测量部分；所述基准矢量构建部分，用于根据地磁模型和地球重力场特性，构建地磁场基准矢量和重力场基准矢量，确定井下环境中地磁场和重力场的参考基准；所述补偿部分，根据温度和压力的耦合关系，计算温度压力补偿系数，结合地磁场基准矢量，对井下传感器组测量得到的原始传感器数据进行补偿，得到补偿后数据，根据补偿后数据中的补偿后加速度计数据和补偿后磁强计数据，估计井下初始姿态角；根据井下初始姿态角，对陀螺仪数据的累积误差进行修正，计算姿态变化数据；根据姿态变化数据，构建局部干扰场模型，从补偿后磁强计数据中剔除干扰场分量，得到校正后磁强计数据；所述卡尔曼滤波测量部分，用于将所有的误差来源建模为状态向量，通过卡尔曼滤波算法，实时修正测量误差，输出最终的井斜方位。
3、进一步的，所述原始传感器数据为一个向量，其向量元素包括：原始加速度计数据、原始磁强计数据、原始陀螺仪数据、原始井下深度、原始温度和原始压力；所述井斜方位包括：井斜角和方位角；所述井下传感器组包括：加速度计、磁强计、陀螺仪、深度传感器、温度传感器和压力传感器；所述井下初始姿态角包括：初始井斜角和初始方位角。
4、进一步的，所述基准矢量构建部分，使用如下公式，根据地磁模型和地球重力场特性，构建地磁场基准矢量和重力场基准矢量：
5、；
6、；
7、其中，为地表地磁场强度；为地磁倾角，表示地磁场与水平面的夹角；为地磁偏角，表示地磁北与地理北的夹角；为地磁场衰减系数，表示地磁场强度随深度的线性变化速率，为设定值；为原始井下深度；为特征衰减深度，表示地磁场随深度指数衰减的特性深度，为设定值；为地表重力加速度；为地球半径。
8、进一步的，所述补偿部分，根据温度和压力的耦合关系，通过如下公式，计算温度压力补偿系数：
9、；
10、其中，为原始温度；为原始压力；为平均温度，为历史测量得到的温度的均值；为平均压力，为历史测量得到的压力的均值；为压力系数，取值范围为0.5到0.9；为温压耦合系数，取值范围为1到1.5；为玻尔兹曼常数；为传感器温度特征能，通过对温度传感器进行标定实验确定；再通过如下公式，结合地磁场基准矢量，对井下传感器组测量得到的原始传感器数据进行补偿，得到补偿后数据：
11、；
12、其中，原始传感器数据；为补偿后数据；为地磁场基准矢量的强度；为原始磁强计数据的强度。
13、进一步的，所述补偿部分，通过如下公式，根据补偿后数据中的补偿后加速度计数据和补偿后磁强计数据，估计井下初始姿态角：
14、；
15、；
16、；
17、；
18、其中，为补偿后加速度计数据；为归一化加速度矢量；为井下初始姿态角中的初始井斜角；为水平分量；为补偿后磁强计数据；井下初始姿态角中的初始方位角。
19、进一步的，所述补偿部分，使用如下公式，根据井下初始姿态角，对陀螺仪数据的累积误差进行修正，计算姿态变化数据：
20、；
21、；
22、其中，为原始陀螺仪数据，为一个角速度；为补偿后陀螺仪数据；为姿态变化数据；为井下初始姿态角；；为地球自转角速度；为陀螺仪所处的测量点的地理纬度；为当前时间；为第一时间积分变量，取值范围为0到；为向量叉乘；为第二时间积分变量，取值范围为0到；为矩阵转置运算。
23、进一步的，所述补偿部分，使用如下公式，根据姿态变化数据，构建局部干扰场模型，从补偿后磁强计数据中剔除干扰场分量，得到校正后磁强计数据：
24、；
25、；
26、其中，为干扰场梯度向量；为井下局部空间体积；为井下局部空间中任意一点的矢量位置；表示的旋转矩阵。
27、进一步的，所述卡尔曼滤波测量部分，通过如下公式，将所有的误差来源建模为状态向量：
28、；
29、；
30、其中，为的第一个元素；为的第二个元素；、、、和均为的元素。
31、进一步的，所述卡尔曼滤波测量部分，基于状态向量，通过卡尔曼滤波算法，实时修正测量误差：
32、；
33、；
34、；
35、；
36、其中，为滤波的时间步数索引，取值为1到；为设定的滤波的时间步数索引的上限；为卡尔曼滤波的状态转移矩阵；为过程噪声，满足高斯分布；为第个卡尔曼滤波时间步的状态向量；为第个卡尔曼滤波时间步的状态向量；为第个卡尔曼滤波时间步的测量误差向量；为第个卡尔曼滤波时间步的测量矩阵；为测量噪声，满足高斯分布，其协方差为；为遗忘因子，取值范围为0.9到1；为初始卡尔曼滤波时间步的测量矩阵；为更新状态协方差矩阵；为预测状态协方差矩阵；为第个卡尔曼滤波时间步的状态估计值；第个卡尔曼滤波时间步的状态估计值；为卡尔曼增益。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述系统包括：基准矢量构建部分、补偿部分和卡尔曼滤波测量部分；所述基准矢量构建部分，用于根据地磁模型和地球重力场特性，构建地磁场基准矢量和重力场基准矢量，确定井下环境中地磁场和重力场的参考基准；所述补偿部分，根据温度和压力的耦合关系，计算温度压力补偿系数，结合地磁场基准矢量，对井下传感器组测量得到的原始传感器数据进行补偿，得到补偿后数据，根据补偿后数据中的补偿后加速度计数据和补偿后磁强计数据，估计井下初始姿态角；根据井下初始姿态角，对陀螺仪数据的累积误差进行修正，计算姿态变化数据；根据姿态变化数据，构建局部干扰场模型，从补偿后磁强计数据中剔除干扰场分量，得到校正后磁强计数据；所述卡尔曼滤波测量部分，用于将所有的误差来源建模为状态向量，通过卡尔曼滤波算法，实时修正测量误差，输出最终的井斜方位。
2.如权利要求1所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述原始传感器数据为一个向量，其向量元素包括：原始加速度计数据、原始磁强计数据、原始陀螺仪数据、原始井下深度、原始温度和原始压力；所述井斜方位包括：井斜角
3.如权利要求2所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述基准矢量构建部分，使用如下公式，根据地磁模型和地球重力场特性，构建地磁场基准矢量和重力场基准矢量：
4.如权利要求3所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述补偿部分，根据温度和压力的耦合关系，通过如下公式，计算温度压力补偿系数：
5.如权利要求4所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述补偿部分，通过如下公式，根据补偿后数据中的补偿后加速度计数据和补偿后磁强计数据，估计井下初始姿态角：
6.如权利要求5所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述补偿部分，使用如下公式，根据井下初始姿态角，对陀螺仪数据的累积误差进行修正，计算姿态变化数据：
7.如权利要求6所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述补偿部分，使用如下公式，根据姿态变化数据，构建局部干扰场模型，从补偿后磁强计数据中剔除干扰场分量，得到校正后磁强计数据：
8.如权利要求7所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波测量部分，通过如下公式，将所有的误差来源建模为状态向量：
9.如权利要求7所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波测量部分，基于状态向量，通过卡尔曼滤波算法，实时修正测量误差：
10.如权利要求9所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波测量部分，通过如下公式，输出最终的井斜方位：
...【技术特征摘要】
1.基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述系统包括：基准矢量构建部分、补偿部分和卡尔曼滤波测量部分；所述基准矢量构建部分，用于根据地磁模型和地球重力场特性，构建地磁场基准矢量和重力场基准矢量，确定井下环境中地磁场和重力场的参考基准；所述补偿部分，根据温度和压力的耦合关系，计算温度压力补偿系数，结合地磁场基准矢量，对井下传感器组测量得到的原始传感器数据进行补偿，得到补偿后数据，根据补偿后数据中的补偿后加速度计数据和补偿后磁强计数据，估计井下初始姿态角；根据井下初始姿态角，对陀螺仪数据的累积误差进行修正，计算姿态变化数据；根据姿态变化数据，构建局部干扰场模型，从补偿后磁强计数据中剔除干扰场分量，得到校正后磁强计数据；所述卡尔曼滤波测量部分，用于将所有的误差来源建模为状态向量，通过卡尔曼滤波算法，实时修正测量误差，输出最终的井斜方位。
2.如权利要求1所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述原始传感器数据为一个向量，其向量元素包括：原始加速度计数据、原始磁强计数据、原始陀螺仪数据、原始井下深度、原始温度和原始压力；所述井斜方位包括：井斜角和方位角；所述井下传感器组包括：加速度计、磁强计、陀螺仪、深度传感器、温度传感器和压力传感器；所述井下初始姿态角包括：初始井斜角和初始方位角。
3.如权利要求2所述的基于高精度补偿算法的井斜方位测量系统，其特征在于，所述基准矢量构建部分，使用如下公式，根据地磁模...
【专利技术属性】
技术研发人员：程金晶，王晓伟，陈梦婕，刘军，刘欣，朱艳玲，
申请(专利权)人：青岛智腾微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：
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