MEMS惯性随钻测量关键技术

Aiming at key problems of MEMS inertial measurement while drilling, motion parameters’ measurement of the bit,wear and geological prediction are studied.1)According to the bit environment characteristics,MEMS inertial measurement while drilling program is designed,using magnetometer aided, non-magnetic insulation and reinforcement.2)In order to improve the accuracy of azimuth angle, the azimuth angle is corrected intermitly by the magnetometer and gyro drift is estimated by calculating the inclination according to the accelerometer signal to compensate azimuth,realizing azimuth complementary.3)A pair of magnetometers,symmetrically installed,torsion angle and torsion vibration are calculated through the bit magnetic torsion model.4)Referring to comprehensive estimation prediction of considering various factors, according to the precession of drill wear,a wear prediction method of the bit is designed based on velocity, angular velocity,vibration and geological parameters.5)A geological prediction model is established based on inertial parameters such as velocity, angular velocity,velocity and pososion according to the change of the bit motion parameters under the different geologies combined with the instance data.Finally,MEMS inertial measurement drilling is comparatively studied by the theoretical analysis,numerical simulation and experiment to find out the impact factors of the bit motion measurement,torsion,wear and geological prediction for more measurement parameters and better accuracy.this topic research provides an important theoretical foundation for the development and utilization of low cost, small size of the development of measurement while drilling system.

针对MEMS惯性随钻测量中的关键问题，对钻头的运动参数测量、磨损和地质预测进行研究。1)根据钻头环境特点，设计MEMS惯性随钻测量方案，采用磁强计辅助，并进行无磁性隔热和加固处理。2)为提高方位角测量精度，采用磁强计间歇性修正和根据加速度计信号计算的倾角估计陀螺漂移进而补偿，实现方位角互补。3)采用一对磁强计，对称安装，通过钻头磁扭转模型，计算扭转角和扭转振动。4)参考多种因素的综合预测，利用钻头磨损时的进动性，设计一种基于钻速、振动、角速度的磨损预测方法。5)根据不同地质引起钻头运动参数变化，结合实例数据，建立一种基于加速度、角速度、速度和位置等惯性参数的地质预测模型。最后对MEMS惯性随钻测量采用理论分析、仿真和实验对比研究，找到影响钻头运动测量、扭转、磨损和地质预测的因素，以获得更多的测量参数及更好的测量精度，为低成本、小孔径的随钻测量系统的开发和利用提供重要的理论基础。

微惯性随钻测量以其独特的技术优势，不但在石油钻井、地质勘探和非开挖领域得到广泛应用，近几年也逐步推广到煤矿领域，如煤层气(瓦斯)抽采、底板加固、注浆堵水的钻孔等，能够真正实现随钻的概念，具有重要的科学意义和应用价值。. (1) 随钻测量系统设计及制作：采用三轴加速度计和三轴陀螺仪+温度计+磁强计的全MEMS器件，STMF411处理器和抗振Flash存储器，设计并制作了MEMS惯性随钻测量系统。. (2) 随钻测量信号处理：①利用拟合的方法改进卡尔曼滤波算法处理陀螺仪零点随机误差，提出小波卡尔曼混合算法的陀螺仪去噪方法；②对随钻测量MEMS陀螺仪信号采用MP算法分解信号，进而提取真实信号，提出了随钻测量MEMS陀螺仪信号特性的稀疏提取方法，去噪前后的均方差8.22byte/s和2.23byte/s，提高了3.68倍。. (3) 随钻测量姿态解算：①建立重力四元数估计陀螺仪误差四元数模型，通过补偿后的姿态四元数解算出钻具姿态，提出基于重力四元数的MEMS惯性随钻姿态测量方法，实验表明方位角误差由平均12deg/h减小到约0.46deg/h；②通过PI调节的航姿参考系统进行初步姿态校准，然后经过卡尔曼滤波实现方位角、倾斜角和工具面角的全姿态融合互补。. (4) 基于惯性测量参数的地质预测及钻头磨损预测：①根据第1段数据建立地质模式P1，依次采集的数据处代入P1，利用欧氏距离判断与地质模式P1的匹配程度，如果完全不匹配以此数据建立地质模式P2，以此循环建立地质模式，提出了基于惯性测量参数的地质预测方法；②新钻头钻进信号作为第1数据段，利用第i数据段与第1段数据的欧氏距离判断磨损程度，递推计算欧氏距离的欧氏距离推导磨损规律，提出了基于惯性测量参数的钻头磨损预测方法。. (5) 采用一对MEMS磁强计，对称安装，根据补偿后两磁强计数据的差值和磁扭转模型计算扭转角，利用扭转角度的导数求出扭转振动，提出一种钻头扭转测量装置及测量方法。