耿艷峰，宋志勇，王偉亮，楊毅森

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266580）

動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具有位移延伸能力強(qiáng)、井眼軌跡平滑易調(diào)控、井眼凈化效果好等優(yōu)點(diǎn)[1]，其優(yōu)勢(shì)在于它的閉環(huán)控制功能，而其工具面角的動(dòng)態(tài)精確測(cè)量是準(zhǔn)確控制的基礎(chǔ)。

常用的工具面角測(cè)量傳感器有:加速度計(jì)、磁通門(mén)、陀螺儀。其中，使用加速度計(jì)測(cè)量值可以直接解算得到工具面角[2]，但鉆井過(guò)程中加速度計(jì)測(cè)量值中不僅包含重力分量，還含有運(yùn)動(dòng)加速度和鉆具振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度，導(dǎo)致工具面角測(cè)量不準(zhǔn)確甚至無(wú)法測(cè)量。對(duì)于運(yùn)動(dòng)加速度噪聲，實(shí)踐中通常采用測(cè)量轉(zhuǎn)速的方式對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[3]采用陀螺儀測(cè)量轉(zhuǎn)速，但陀螺儀長(zhǎng)期工作時(shí)漂移較大，該方法并不能完全消除運(yùn)動(dòng)加速度噪聲。針對(duì)陀螺儀漂移較大的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[4]提出采用多加速度計(jì)配置來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角加速度，但是該方法在井下強(qiáng)振動(dòng)的環(huán)境下難以工作。文獻(xiàn)[5]提出采用磁通門(mén)信號(hào)作為參考信號(hào)，采用相關(guān)檢測(cè)算法來(lái)提取重力加速度分量，但動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具近鉆頭處磁通門(mén)輸出信號(hào)受穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)磁場(chǎng)的影響，磁通門(mén)輸出信號(hào)中噪聲很大而無(wú)法直接使用。陀螺儀測(cè)量角速率積分也可以得到工具面角[6]，但陀螺儀長(zhǎng)期工作時(shí)存在漂移，對(duì)其角速率積分將會(huì)對(duì)該誤差累積，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)測(cè)量誤差會(huì)很大[7]。單獨(dú)使用加速度計(jì)和單獨(dú)使用陀螺儀都無(wú)法實(shí)現(xiàn)工具面角的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

大量研究表明通過(guò)融合不同傳感器數(shù)據(jù)可以顯著提高測(cè)量精度，互補(bǔ)濾波和卡爾曼濾波是兩種常用的數(shù)據(jù)融合方法?；パa(bǔ)濾波原理簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便，在陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)融合中應(yīng)用廣泛[8]。文獻(xiàn)[9]使用互補(bǔ)濾波器融合陀螺儀和加速度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)取得了良好效果，但是在陀螺儀漂移很大時(shí)工具面角的測(cè)量精度會(huì)降低?？柭鼮V波方法可以根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，在井斜角和鉆井工具姿態(tài)角的測(cè)量中已有成功應(yīng)用[10]。

本文使用兩個(gè)三軸加速度計(jì)對(duì)置來(lái)消除運(yùn)動(dòng)加速度的影響，并提出一種融合加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量數(shù)據(jù)的組合濾波方案，該方案采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，能夠充分利用加速度計(jì)長(zhǎng)期測(cè)量時(shí)漂移較小的優(yōu)點(diǎn)和陀螺儀測(cè)量工具面角短時(shí)精度高的優(yōu)點(diǎn)。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方法能夠在井下振動(dòng)環(huán)境下完成工具面角的動(dòng)態(tài)精確測(cè)量，且不受陀螺儀漂移的影響。

1 工具面角測(cè)量方法

1.1 加速度計(jì)測(cè)量工具面角方法

動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的測(cè)控系統(tǒng)安裝在鉆鋌內(nèi)部的穩(wěn)定平臺(tái)上，工作時(shí)外部鉆鋌旋轉(zhuǎn)，而穩(wěn)定平臺(tái)可以保持對(duì)地靜止或緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制穩(wěn)定平臺(tái)的位置可以改變鉆具的工具面角，從而控制鉆進(jìn)方向[11]。當(dāng)前系統(tǒng)主加速度計(jì)和輔助加速度計(jì)的安裝方式如圖1所示，圖中φ為工具面角，α為井斜角。

當(dāng)兩個(gè)加速度計(jì)之間夾角為180 °時(shí)，兩加速度計(jì)測(cè)量值相減便可以消除穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)加速度[9]，此時(shí)加速度計(jì)各軸測(cè)量值用ax、ay和az表示。工具面角的計(jì)算公式為:

1.2 陀螺儀測(cè)量工具面角方法

陀螺儀敏感軸與穩(wěn)定平臺(tái)軸向平行，用來(lái)測(cè)量穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)地轉(zhuǎn)速，陀螺儀測(cè)量轉(zhuǎn)速模型為[12]:

式中，ω是陀螺儀輸出轉(zhuǎn)速值，ω0是穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)速真實(shí)值，b是陀螺儀漂移，rg是陀螺儀測(cè)量噪聲。對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)速積分可得到工具面角，陀螺儀測(cè)量工具面角的公式為:

式中，φgk表示k時(shí)刻工具面角，ωk為k時(shí)刻陀螺儀輸出轉(zhuǎn)速，Ts為采樣周期。

圖1 雙加速度計(jì)示意圖Fig.1 The dual-accelerometer placement

1.3 組合濾波測(cè)量工具面角方法

1.3.1 狀態(tài)方程

考慮陀螺儀測(cè)量工具面角短時(shí)間的精度高，故使用陀螺儀測(cè)量值對(duì)工具面角進(jìn)行一步預(yù)測(cè)，式(2)帶入式(3)得:

陀螺儀漂移bk為隨機(jī)游走過(guò)程，表達(dá)式為:

式中，rb是影響陀螺儀漂移的噪聲。

陀螺儀轉(zhuǎn)速ω的積分對(duì)k時(shí)刻的工具面角φk進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)將陀螺儀漂移bk作為狀態(tài)變量，建立的組合濾波模型的狀態(tài)方程為:

1.3.2 觀測(cè)方程

工具面角的取值范圍為0 ≤φ＜360°，若直接將加速度計(jì)測(cè)量到的工具面角作為觀測(cè)值，則由于工具面角在360 °時(shí)陀螺儀的預(yù)測(cè)值和加速度計(jì)的測(cè)量值存在差別，兩者跳變不同步將導(dǎo)致計(jì)算出很大的測(cè)量新息，嚴(yán)重影響濾波器性能。故此處將連續(xù)變化的加速度計(jì)y軸和z軸測(cè)量值作為組合濾波方案模型的觀測(cè)變量，觀測(cè)方程為:

式中，Zk表示觀測(cè)量；ayk,azk分別表示k時(shí)刻三軸加速度計(jì)y軸和z軸的測(cè)量值；Vk為測(cè)量噪聲；gyzk表示k時(shí)刻重力加速度在yz平面的分量，當(dāng)井斜角為α?xí)r有:

結(jié)合井下噪聲特性[3]，將組合濾波模型中的系統(tǒng)噪聲Wk和測(cè)量噪聲Vk假設(shè)如下:

其中:

此處:

q1:影響工具面角φ的過(guò)程噪聲協(xié)方差；

q2:影響陀螺儀漂移b的過(guò)程噪聲協(xié)方差；

r1:加速度計(jì)y軸測(cè)量噪聲協(xié)方差；

r2:加速度計(jì)z軸測(cè)量噪聲協(xié)方差。

組合濾波模型的觀測(cè)方程為非線性方程，因此選擇擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(Extended Kalman Filter，EKF)進(jìn)行解算。

2 組合濾波方法與仿真

2.1 自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作時(shí)，不同地質(zhì)條件下穩(wěn)定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受振動(dòng)強(qiáng)度與形式差別很大，導(dǎo)致加速度計(jì)測(cè)量噪聲變化很大，而陀螺儀受振動(dòng)影響較小，因此陀螺儀測(cè)量方程（狀態(tài)方程）中過(guò)程噪聲變化較小，故采用測(cè)量噪聲自適應(yīng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器。

Sage-Husa 自適應(yīng)方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，可以實(shí)時(shí)估計(jì)出測(cè)量噪聲方差Rk。但Sage-Husa 算法在估計(jì)Rk時(shí)采用了減法運(yùn)算，這可能會(huì)導(dǎo)致Rk失去正定性而引起卡爾曼濾波發(fā)散，此處使用Sage-Husa 算法的改進(jìn)。Rk的極大后驗(yàn)估計(jì)器為:

用代替則:

則，式(11)可得:

Rk的均值為:

利用指數(shù)加權(quán)法，可得Rk的次優(yōu)估計(jì)為:

其中，Hk為k時(shí)刻系統(tǒng)觀測(cè)矩陣；Zk為k時(shí)刻測(cè)量值；ek為k時(shí)刻測(cè)量新息；Kk為k時(shí)刻卡爾曼濾波增益矩陣；dk=(1 -b)/(1 -bk)，b為遺忘因子，一般取0.9 ＜b＜ 0.999。遺忘因子b越小對(duì)最新測(cè)量數(shù)據(jù)的使用程度就越大，嘗試不同b值后，此處選擇b=0.97。

狀態(tài)方程為線性方程，觀測(cè)方程為非線性方程的自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波步驟為:

Step1:狀態(tài)一步預(yù)測(cè)。根據(jù)k-1 時(shí)刻陀螺儀測(cè)量轉(zhuǎn)速及k-1 時(shí)刻陀螺儀漂移計(jì)算k時(shí)刻工具面角:

Step2:測(cè)量新息計(jì)算。

Step3:狀態(tài)更新。根據(jù)卡爾曼濾波增益和測(cè)量新息計(jì)算濾波結(jié)果:

Step4:求觀測(cè)矩陣。

Step5:濾波增益矩陣計(jì)算。

Step6:一步預(yù)測(cè)協(xié)方差陣計(jì)算。

Step7:協(xié)方差陣更新。

2.2 井斜角對(duì)濾波效果的影響

組合濾波方案中，系統(tǒng)觀測(cè)方程用到了井斜角，即式(8)中井斜角α必須已知。井斜角常由隨鉆測(cè)量（Measurement While Drilling,MWD）系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量，且MWD 系統(tǒng)安裝位置距鉆頭較遠(yuǎn)，故MWD 系統(tǒng)并不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得鉆頭處井斜角。井斜角也可由安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上加速度計(jì)動(dòng)態(tài)測(cè)量，但是加速度計(jì)受振動(dòng)影響大，測(cè)量存在較大誤差，下面對(duì)井斜角α對(duì)濾波效果的影響進(jìn)行仿真。

2.2.1 井斜角不變仿真

令井斜角恒為45 °，并在加速度計(jì)上加上均值為0、方差為 0.5g2的測(cè)量噪聲，此時(shí)加速度計(jì)的測(cè)量值為:

在濾波計(jì)算時(shí)分別令式(17)和式(19)中g(shù)yz=gsinαn,(n=11,12,13)，比較n取不同值時(shí)濾波效果。其中:

α11=45°:表示濾波過(guò)程中井斜角準(zhǔn)確已知；

α12=90°:表示濾波過(guò)程中井斜角無(wú)法測(cè)量，設(shè)置井斜角固定為90 °；

α13=45°+ω13:表示濾波過(guò)程中井斜角可測(cè)量，但存在測(cè)量誤差，ω13表示測(cè)量噪聲。

表1是α取不同值時(shí)濾波結(jié)果的仿真對(duì)比，數(shù)據(jù)為10 次仿真的平均值。

表1 井斜角不變時(shí)不同α值組合濾波均方根誤差（RMSE）Tab.1 Combined filtering RMSE with different α values when deviation angle is a constant

2.2.2 井斜角連續(xù)變化

表2是粘滑工況下井斜角從90 °連續(xù)變化到5 °時(shí)α不同取值時(shí)濾波結(jié)果的仿真對(duì)比，數(shù)據(jù)為10 次仿真的平均值。其中:

α21=αtrue:表示濾波過(guò)程中井斜角準(zhǔn)確已知；

α22=90°:表示濾波過(guò)程中井斜角無(wú)法測(cè)量，設(shè)置井斜角固定為90 °；

α23=αtrue+ω23:表示濾波過(guò)程中井斜角可測(cè)量，但存在測(cè)量誤差，ω23表示測(cè)量噪聲。

表2 井斜角變化時(shí)不同α 組合濾波均方根誤差（RMSE）Tab.2 Combined filtering RMSE with different α values when the deviation angle changes continuously

表1、表2的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，井斜角已知和采用固定值時(shí)濾波結(jié)果差別很?。徊捎镁苯堑膶?shí)時(shí)測(cè)量值時(shí)，測(cè)量噪聲將使濾波效果變差。為簡(jiǎn)化組合濾波模型并減小計(jì)算量，下面在使用該組合濾波模型時(shí)均令:

2.3 典型鉆井工況仿真

為驗(yàn)證組合濾波的效果及陀螺儀漂移對(duì)濾波效果的影響，對(duì)導(dǎo)向鉆井工具典型工況進(jìn)行仿真。設(shè)定導(dǎo)向鉆井工具首先工作在造斜工況，此時(shí)工具面角固定為90 °；然后是粘滑運(yùn)動(dòng)，此時(shí)工具面角在90 °附近以頻率為0.05 Hz、幅值為20 °正弦波動(dòng)；最后是穩(wěn)斜鉆進(jìn)，此時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)以9 °/s 緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，工具面角0～360 °連續(xù)變化，測(cè)試濾波器在所有工具面角下的濾波性能。為驗(yàn)證濾波過(guò)程中能否實(shí)時(shí)估計(jì)陀螺儀漂移，設(shè)不同工況下陀螺儀漂移分別為1 °/s、0 °/s 和2 °/s。設(shè)定加速度計(jì)測(cè)量噪聲方差為 1g2，陀螺儀測(cè)量噪聲方差為 100(°/s)2。

加速度計(jì)、陀螺儀和組合濾波后工具面角的對(duì)比如圖2所示，加速度計(jì)測(cè)量的工具面角完全淹沒(méi)在了噪聲中，單獨(dú)使用加速度計(jì)無(wú)法獲得工具面角；陀螺儀由于有漂移，其轉(zhuǎn)速積分得到的工具面角幾乎隨時(shí)間線性變化；組合濾波后得到的工具面角可以緊緊跟隨工具面角的真實(shí)值，工具面角測(cè)量誤差小于6 °。圖3是組合濾波估計(jì)到的陀螺儀漂移，濾波過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確估計(jì)出陀螺儀漂移。

圖2 仿真典型鉆井工況下工具面角測(cè)量值Fig.2 Toolface estimation in typical drilling conditions by simulation

圖3 陀螺儀漂移估計(jì)Fig.3 Gyroscope drift estimation

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

課題組自行開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理樣機(jī)如圖4所示，原理樣機(jī)內(nèi)部含有完備的測(cè)控硬件電路，能夠模擬各種典型的鉆井工況。兩個(gè)MMA 8451 三軸加速度計(jì)和一個(gè)HTG-1200 單軸陀螺儀安裝在穩(wěn)定平臺(tái)儀器倉(cāng)內(nèi)，穩(wěn)定平臺(tái)半徑R=0.025m 。穩(wěn)定平臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接著旋轉(zhuǎn)變壓器，可以采集電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置信息。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中原理樣機(jī)的鉆鋌是不旋轉(zhuǎn)的，此時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量值可作為轉(zhuǎn)速和工具面角的參考值。

圖4 動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural schematic of the prototype of dynamic point-the-bit rotary steerable drilling tool

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鉆井工具的軸向振動(dòng)對(duì)工具面角的測(cè)量無(wú)影響，而平行于工具面的橫向振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響工具面角的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)時(shí)將動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理樣機(jī)水平牢固地固定在振動(dòng)臺(tái)上，令振動(dòng)臺(tái)垂直振動(dòng)。開(kāi)啟振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率從0 Hz 快速增加到50 Hz，之后保持50 Hz 振動(dòng)，關(guān)閉時(shí)振動(dòng)頻率逐漸減小到0 Hz，振動(dòng)頻率逐漸增加和減小的過(guò)程增加了振動(dòng)的復(fù)雜性，能夠更好的模擬鉆井工況。振動(dòng)臺(tái)及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)如圖5所示。

粘滑運(yùn)動(dòng)是鉆井過(guò)程中常見(jiàn)的一種工況，粘滑運(yùn)動(dòng)是鉆井工具的一種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，頻率在0.05～0.5 Hz之間低頻波動(dòng)[13]。根據(jù)鉆井工藝要求，實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)工具面角波動(dòng)應(yīng)小于15 °[14]?？刂茍D4中鉆鋌驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，即可模擬粘滑工況，考慮更為嚴(yán)苛的鉆井工況，用幅值為20 °，頻率為0.5 Hz 的正弦運(yùn)動(dòng)模擬粘滑工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5 振動(dòng)臺(tái)Fig.5 The vibration table

3.3 組合濾波實(shí)驗(yàn)

3.3.1 不同振動(dòng)強(qiáng)度測(cè)試

考慮鉆井過(guò)程中導(dǎo)向鉆井工具的四種工作狀態(tài)來(lái)對(duì)比自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對(duì)不同振動(dòng)強(qiáng)度的適應(yīng)性，振動(dòng)強(qiáng)度由小到大分別為:靜止不振動(dòng)、粘滑不振動(dòng)、靜止振動(dòng)和粘滑振動(dòng)，各工況分別運(yùn)行30 s。另外，為便于對(duì)比組合濾波效果，將雙加速度計(jì)、陀螺儀的單獨(dú)解算結(jié)果一并列出。

當(dāng)系統(tǒng)過(guò)程噪聲Q的大小無(wú)法準(zhǔn)確獲得時(shí)，若知道其取值范圍，一般采用可能的較大值，可以在一定程度上防止濾波發(fā)散。實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)采樣周期Ts=0.005s，陀螺儀測(cè)量噪聲協(xié)方差最大為300(°/s)2，則陀螺儀測(cè)量噪聲引起的工具面角預(yù)測(cè)值的噪聲協(xié)方差為:

陀螺儀零值漂移最大為200 °/h，卡爾曼濾波算法中漂移b的協(xié)方差可設(shè)為:

故系統(tǒng)過(guò)程噪聲方差Q為:

系統(tǒng)觀測(cè)噪聲方差R初始值設(shè)置為:

振動(dòng)強(qiáng)度變化時(shí)工具面角測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖6所示，組合濾波得到的工具面角在振動(dòng)和不振動(dòng)的情況下都可以緊緊跟隨工具面角的參考值，該濾波方案可以適應(yīng)不同振動(dòng)狀態(tài)。不同方式下獲取到的工具面角與參考值的均方根誤差(RMSE)對(duì)比如表3所示。

圖6 振動(dòng)強(qiáng)度變化時(shí)工具面角測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of toolface estimation results when vibration intensity changes

圖7 模擬井下工況工具面角測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of toolface estimation results in lab simulated test

表3 振動(dòng)強(qiáng)度變化工具面角測(cè)量結(jié)果均方根誤差（RMSE）Tab.3 RMSE of different toolface estimations results when vibration intensity changes

表4 模擬井下工況工具面角測(cè)量結(jié)果均方根誤差（RMSE）Tab.4 RMSE of different toolface estimations results in lab simulated test

3.3.2 穩(wěn)定平臺(tái)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)試

為驗(yàn)證濾波器對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的適應(yīng)性，保持上述濾波參數(shù)不變，設(shè)計(jì)了4 種典型的穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。首先是工具面角穩(wěn)定在180 °位置，此時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)保持對(duì)地靜止；然后是粘滑狀態(tài)，此時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)周期性地在180 °附近波動(dòng)；之后是穩(wěn)斜狀態(tài)，此時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)以36 °/s 的轉(zhuǎn)速0～360 °連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；最后是調(diào)節(jié)工具面角，穩(wěn)定平臺(tái)快速轉(zhuǎn)動(dòng)和停止，位置階躍變化。

雙加速度計(jì)、陀螺儀和組合濾波得到的工具面角的對(duì)比如圖7所示，雙加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果由于振動(dòng)的影響無(wú)法解出工具面角的真實(shí)變化；陀螺儀由于含有漂移誤差，積分的工具面角誤差隨時(shí)間線性漂移；組合濾波后工具面角可以準(zhǔn)確跟隨工具面角真實(shí)值，最大誤差小于6 °。圖7表明，組合濾波方案能夠適應(yīng)穩(wěn)定平臺(tái)不同運(yùn)動(dòng)方式，不同方式下獲取到的工具面角與參考值的均方根誤差（RMSE）對(duì)比如表4所示。

4 結(jié) 論

針對(duì)動(dòng)態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具面角難以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種融合雙三軸加速度計(jì)和單軸陀螺儀的組合濾波方案，采用自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，多種仿真與室內(nèi)模擬測(cè)試證實(shí)了該方法的有效性，組合濾波測(cè)量工具面角誤差小于6 °。

1)獲得一種高效的工具面角動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法，該方法利用自適應(yīng)卡爾曼濾波器融合了雙加速度計(jì)和單軸速率陀螺儀的測(cè)量結(jié)果，有效減小了鉆井過(guò)程的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、溫度變化等參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)工具面角測(cè)量的影響。

2)利用了自適應(yīng)卡爾曼濾波器參數(shù)調(diào)整方法，實(shí)時(shí)更新濾波器參數(shù)，準(zhǔn)確地估計(jì)出鉆井過(guò)程中陀螺儀的漂移隨工作參數(shù)與環(huán)境的變化，從而大幅減弱了其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3)本測(cè)試采用的實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試與實(shí)際鉆井環(huán)境仍有差別，下一步需要通過(guò)實(shí)際鉆井環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。