一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法、介质及系统

1.本发明属于钻具测量技术领域，具体而言，涉及一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法、介质及系统。


背景技术：

2.旋转导向钻井系统是一项尖端自动化钻井新技术，可以随钻实时完成导向功能，在资源勘探上发挥了重大作用。其中，钻具姿态参数的求解是旋转导向钻井技术的关键部分,关系到井下工具姿态控制和井眼轨迹跟踪控制问题。常见的姿态计算方法有：欧拉角法、方向余弦法、四元数法和等效旋转矢量法等。其中欧拉角法也称为三参数法，即若载体在初始时间位于参考坐标系中，则可以通过三个方向余弦矩阵来描述载体以一定顺序执行三次旋转动作的过程，其姿态信息可由沿不同坐标轴旋转三次不同的角度表示，这三个角度被称为欧拉角。在旋转导向钻井系统中，这三个角度分别称为方位角(a)、井斜角(i)、工具面角(t)。欧拉角法较为简单，应用较广，它通过采用重力加速度计、磁通门三分量仪、角陀螺仪组成姿态测量系统，称为探管。通过探管采集重力加速度三分量g
x
,gy,gz,与磁三分量b
x
,by,bz，带入到式(1)、(2)中，可以求出工具面角(t)、井斜角(i)、方位角(a)解析解或者数值解。此外还可以根据解算结果，对角陀螺仪测量的仪器钻速进行校正，进而更好的掌握钻具的工作状态。
[0003][0004][0005]
钻具在井下进行钻进时，会伴随强烈的震动，导致姿态测量系统精度严重下降，其中重力加速度计受到的影响尤为严重。由于噪声的频率和幅值与信号相近，信噪比较低，目前常用的高通、低通、带通等滤波器无法有效的去除干扰。即使放弃重力加速度计的测量数据，仅用受到污染较小的磁三分量数据对欧拉角进行数值解算，虽然解算精度较高，但是同样存在计算量大、计算时间长的缺点，无法满足钻具姿态实时、动态测量的要求。
[0006]
通常我们的解算过程还需要和滤波算法相结合。滤波算法是信号处理中的重要步骤，常见的滤波算法包括低通滤波、高通滤波，限幅滤波、均值滤波等等，针对不同场景使用合适的滤波方法可以有效的消除干扰，得到合适的数据。
[0007]
在理想情况下，钻具在井下按照确定的功率钻进时，钻具的钻速应该已知并且保持不变。但是在钻具在实际工作时对其钻速进行测量，钻速总是在预设的钻速上下波动，其原因有两个，一是由于钻进时钻头受到岩石摩擦的阻力变化，导致钻速发生轻微的波动，此为内因；二是由于钻进时钻具整体发生剧烈震动、电磁干扰等影响，导致姿态测量系统的各
类仪器受到不同程度的干扰，导致测量结果偏离真实值，此为外因，这个原因是我们测量结果波动严重的主要原因。


技术实现要素：

[0008]
有鉴于此，本发明提供一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法、介质及系统，能够解决姿态测量系统测量结果波动严重的问题，测量结果更加精确。
[0009]
本发明是这样实现的：
[0010]
本发明的第一方面提供一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其中，包括以下步骤：
[0011]
s10、获取预先设置的历史工具面角速度曲线v_history、历史工具面角加速度曲线acc_history、速度权值矩阵vwight和加速度权值矩阵accwight以及工具面角基点tf，其中，所述历史工具面角速度曲线上的每个点按照时间顺序形成第一数组，所述历史工具面角加速度曲线上的每个点按照时间顺序形成第二数组；
[0012]
s20、根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新并得到同比加权工具面角；
[0013]
s30、根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新并得到环比加权工具面角；
[0014]
s40、对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波；
[0015]
s50、在钻具钻进时重复以上步骤s10～s40，以实现实时的高精度测量。
[0016]
本发明提供的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法的技术效果如下：通过获取预先设置的历史工具面角速度曲线v_history、历史工具面角加速度曲线acc_history、速度权值矩阵vwight和加速度权值矩阵accwight以及工具面角基点tf，方便后续滤波；通过根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新，方便得到同比加权工具面角；通过根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新，方便得到环比加权工具面角；通过对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波，避免测点在测量时测量系统收到较大干扰影响测量数据，导致测量数据超出合理范围。
[0017]
在上述技术方案的基础上，本发明的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法还可以做如下改进:
[0018]
其中，所述历史工具面角速度曲线和所述历史工具面角加速度曲线的曲线长度相同，均为n，其中n的计算公式为：
[0019][0020]
其中，v为预定转速，f为采样频率。
[0021]
进一步的，所述速度权值矩阵的取值为：
[0022]
vwight[i]＝i*2,i＝1,2,
…
n；
[0023]
所述加速度权值矩阵的取值为：
[0024][0025]
其中，所述根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新并得到同比加权工具面角的步骤，具体为：
[0026]
首先，从姿态测量系统的采样测量并初步解算的工具面角变化推算钻具在当前采样点的加速度acc；
[0027]
其次，将acc填入acc_history[n/2]处，计算整体加权加速度acc
w-m
，其中，acc_history[n/2]位于第二数组中点处；
[0028]
再次，将acc
w-m
赋给acc_history[n/2]，然后将第二数组各元素依次向前移动一位，第二数组的首元素插入第二数组尾部；
[0029]
最后，通过对加权加速度进行积分，得到当前工具面角tyoy。
[0030]
其中，所述根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新并得到环比加权工具面角的步骤，具体为：
[0031]
首先，从姿态测量系统的采样测量并初步解算的工具面角变化推算钻具在当前采样点的转速v
rpm
，计算公式如下：
[0032][0033]
其次，将第二数组的首元素删除，第二数组的其他元素各向前递进一位，将当前测点的钻速放在第二数组尾部；
[0034]
再次，将第一数组与vwight数组进行点乘，求出v_history的加权均值v
w-m,rpm
，其中，计算速度如下：
[0035][0036]
最后，将所述第一数组的尾元素改为v
w-m，rpm
，并计算当前工具面角tmom，其中计算公式为：
[0037][0038]
其中，所述对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波的步骤，具体包括：
[0039]
步骤1、对环比加权工具面角度与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度t，其中计算公式为：
[0040][0041]
步骤2、计算下一测点钻具工具面角变化范围δt，其中，计算公式为：
[0042][0043]
步骤3、计算下一测点的取值范围ranget，其中，计算公式为：
[0044]
ranget＝tf+δt
±
ε；
[0045]
步骤4、根据下一测点的取值范围，对下一测点工具面角的解算值限幅进行滤波，若下一测点解算的工具面角值超出rangt范围，则直接舍弃该下一测点解算的工具面角值。
[0046]
其中，所述在钻具钻进时重复以上步骤s10～s40，以实现实时的高精度测量的步骤，具体包括：
[0047]
当钻具钻进时重复以上步骤s10～s40；
[0048]
当钻具在井下进行更换钻头等操作等处于停钻状态时，将v_history曲线与acc_history曲线置零。
[0049]
其中，所述v_history和acc_history初值均为0。
[0050]
本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被执行时实现如上述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法。
[0051]
本发明的第三方面提供一种基于历史信息的钻具测量加权滤波系统，包括钻具和姿态测量系统，所述姿态测量系统内包含有如上述的计算机可读存储介质的代码。
[0052]
与现有技术相比较，本发明提供的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法、介质及系统的有益效果是：通过获取预先设置的历史工具面角速度曲线v_history、历史工具面角加速度曲线acc_history、速度权值矩阵vwight和加速度权值矩阵accwight以及工具面角基点tf，方便后续滤波；通过根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新，方便得到同比加权工具面角；通过根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新，方便得到环比加权工具面角；通过对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波，避免测点在测量时测量系统收到较大干扰影响测量数据，导致测量数据超出合理范围。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0054]
图1为一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法的流程图；
具体实施方式
[0055]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0056]
如图1所示，是本发明第一方面提供一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法的第一实施例，在本实施例中，包括以下步骤：
[0057]
s10、获取预先设置的历史工具面角速度曲线v_history、历史工具面角加速度曲线acc_history、速度权值矩阵vwight和加速度权值矩阵accwight以及工具面角基点tf，其中，历史工具面角速度曲线上的每个点按照时间顺序形成第一数组，历史工具面角加速度曲线上的每个点按照时间顺序形成第二数组；
[0058]
s20、根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新并得到同比加权工具面角；
[0059]
s30、根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新并得到环比加权工具面角；
[0060]
s40、对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波；
[0061]
s50、在钻具钻进时重复以上步骤s10～s40，以实现实时的高精度测量。
[0062]
通过获取预先设置的历史工具面角速度曲线v_history、历史工具面角加速度曲线acc_history、速度权值矩阵vwight和加速度权值矩阵accwight以及工具面角基点tf，方便后续滤波；通过根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新，方便得到同比加权工具面角；通过根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新，方便得到环比加权工具面角；通过对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波，避免测点在测量时测量系统收到较大干扰影响测量数据，导致测量数据超出合理范围。
[0063]
其中，工具面角基点tf为钻具初始工具面角，取值为0-360
°
。
[0064]
其中，在上述技术方案中，历史工具面角速度曲线和历史工具面角加速度曲线的曲线长度相同，均为n，其中n的计算公式为：
[0065][0066]
其中，v为预定转速，取值为0-400rpm，f为采样频率，取值为0-200hz。
[0067]
进一步的，在上述技术方案中，速度权值矩阵的取值为：
[0068]
vwight[i]＝i*2,i＝1,2,
…
n；
[0069]
加速度权值矩阵的取值为：
[0070][0071]
其中，在上述技术方案中，根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新并得到同比加权工具面角的步骤，具体为：
[0072]
首先，从姿态测量系统的采样测量并初步解算的工具面角变化推算钻具在当前采样点的加速度acc：
[0073][0074]
其中，t为上一次测量的最终工具面角度，vb为基速度，即上一采样点的工具面角转速，其初值与预定转速相同，即vb＝v。
[0075]
其次，将acc填入acc_history[n/2]处，计算整体加权加速度acc
w-m
：
[0076][0077]
其中，acc_history[n/2]位于第二数组中点处；
[0078]
再次，将acc
w-m
赋给acc_history[n/2]，然后将第二数组各元素依次向前移动一位，第二数组的首元素插入第二数组尾部；
[0079]
最后，通过对加权加速度进行积分，得到当前工具面角tyoy：
[0080][0081]
其中，在上述技术方案中，根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新并得到环比加权工具面角的步骤，具体为：
[0082]
首先，从姿态测量系统的采样测量并初步解算的工具面角变化推算钻具在当前采样点的转速v
rpm
，计算公式如下：
[0083][0084]
其次，将第二数组的首元素删除，第二数组的其他元素各向前递进一位，将当前测点的钻速放在第二数组尾部；
[0085]
再次，将v_history与vwight数组进行点乘，求出v_history的加权均值v
w-m,rpm
，其中，计算速度如下：
[0086][0087]
最后，将第一数组的尾元素改为v
w-m，rpm
，并计算当前工具面角tmom，其中计算公式为：
[0088][0089]
其中，工具面角tmom为环比加权工具面角。
[0090]
其中，在上述技术方案中，对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波的步骤，具体包括：
[0091]
步骤1、对环比加权工具面角度与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度t，其中计算公式为：
[0092][0093]
步骤2、计算下一测点钻具工具面角变化范围δt，其中，计算公式为：
[0094][0095]
步骤3、计算下一测点的取值范围ranget，其中，计算公式为：
[0096]
ranget＝tf+δt
±
ε；
[0097]
步骤4、根据下一测点的取值范围，对下一测点工具面角的解算值限幅进行滤波，若下一测点解算的工具面角值超出rangt范围，则直接舍弃该下一测点解算的工具面角值。
[0098]
ε为因岩石摩擦作用导致的工具面角实质变化的值，ε取值在δt,/4以内。
[0099]
其中，在上述技术方案中，在钻具钻进时重复以上步骤s10～s40，以实现实时的高精度测量的步骤，具体包括：
[0100]
当钻具钻进时重复以上步骤s10～s40；
[0101]
当钻具在井下进行更换钻头等操作等处于停钻状态时，将v_history曲线与acc_history曲线置零。
[0102]
其中，在上述技术方案中，v_history和acc_history初值均为0。
[0103]
具体的，本发明的原理是：通过获取预先设置的历史工具面角速度曲线v_history、历史工具面角加速度曲线acc_history、速度权值矩阵vwight和加速度权值矩阵accwight以及工具面角基点tf，方便后续滤波；通过根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新，方便得到同比加权工具面角；通过根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新，方便得到环比加权工具面角；通过对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波，避免测点在测量时测量系统收到较大干扰影响测量数据，导致测量数据超出合理范围；在钻具钻进时重复以上步骤，以实现实时的高精度测量。

技术特征：
1.一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：s10、获取预先设置的历史工具面角速度曲线v_history、历史工具面角加速度曲线acc_history、速度权值矩阵vwight和加速度权值矩阵accwight以及工具面角基点tf，其中，所述历史工具面角速度曲线上的每个点按照时间顺序形成第一数组，所述历史工具面角加速度曲线上的每个点按照时间顺序形成第二数组；s20、根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新并得到同比加权工具面角；s30、根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新并得到环比加权工具面角；s40、对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波；s50、在钻具钻进时重复以上步骤s10～s40，以实现实时的高精度测量。2.根据权利要求1所述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其特征在于，所述历史工具面角速度曲线和所述历史工具面角加速度曲线的曲线长度相同，均为n，其中n的计算公式为：其中，v为预定转速，f为采样频率。3.根据权利要求2所述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其特征在于，所述速度权值矩阵的取值为：vwight[i]＝i*2,i＝1,2,
…
n；所述加速度权值矩阵的取值为：4.根据权利要求1所述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其特征在于，所述根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新并得到同比加权工具面角的步骤，具体为：首先，从姿态测量系统的采样测量并初步解算的工具面角变化推算钻具在当前采样点的加速度acc；其次，将acc填入acc_history[n/2]处，计算整体加权加速度acc
w-m
,其中，acc_history[n/2]位于第二数组中点处；再次，将acc
w-m
赋给acc_history[n/2]，然后将第二数组各元素依次向前移动一位，第二数组的首元素插入第二数组尾部；最后，通过对加权加速度进行积分，得到当前工具面角tyoy。5.根据权利要求1所述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其特征在于，所述根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新并得到环比加权工具面角的步骤，具体为：首先，从姿态测量系统的采样测量并初步解算的工具面角变化推算钻具在当前采样点的转速v
rpm
，计算公式如下：
其中，t为上一次测量的最终工具面角度；’其次，将第二数组的首元素删除，第二数组的其他元素各向前递进一位，将当前测点的钻速放在第二数组尾部；再次，将第一数组与vwight数组进行点乘，求出v_history的加权均值v
w-m,rpm
，其中，计算速度如下：最后，将所述第一数组的尾元素改为v
w-m，rpm
，并计算当前工具面角tmom，其中计算公式为：6.根据权利要求1所述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其特征在于，所述对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波的步骤，具体包括：步骤1、对环比加权工具面角度与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度t，其中计算公式为：步骤2、计算下一测点钻具工具面角变化范围δt，其中，计算公式为：步骤3、计算下一测点的取值范围ranget，其中，计算公式为：ranget＝t
f
+δt
±
ε；步骤4、根据下一测点的取值范围，对下一测点工具面角的解算值限幅进行滤波，若下一测点解算的工具面角值超出rangt范围，则直接舍弃该下一测点解算的工具面角值。7.根据权利要求1所述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其特征在于，所述在钻具钻进时重复以上步骤s10～s40，以实现实时的高精度测量的步骤，具体包括：当钻具钻进时重复以上步骤s10～s40；当钻具在井下进行更换钻头等操作等处于停钻状态时，将v_history曲线与acc_history曲线置零。8.根据权利要求1所述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法，其特征在于，所述v_history和acc_history初值均为0。9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被执行时实现如权利要求1～8中任一项所述的一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法。10.一种基于历史信息的钻具测量加权滤波系统，包括钻具和姿态测量系统，所述姿态测量系统内包含有如权利要求9所述的计算机可读存储介质的代码。

技术总结
本发明提供了一种基于历史信息的钻具测量加权滤波方法、介质及系统，属于钻具测量技术领域，该基于历史信息的钻具测量加权滤波方法、介质及系统包括以下步骤：获取预先设置的历史工具面角速度曲线、历史工具面角加速度曲线、速度权值矩阵和加速度权值矩阵以及工具面角基点，其中，所述历史工具面角速度曲线上的每个点按照时间顺序形成第一数组，所述历史工具面角加速度曲线上的每个点按照时间顺序形成第二数组；根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角速度曲线进行更新并得到同比加权工具面角；根据姿态测量系统的采样测量对历史工具面角加速度曲线进行更新并得到环比加权工具面角；对环比加权工具面角与同比加权工具面角取平均值，作为当前测点的最终工具面角度，同时对下一测点钻具工具面角进行滤波；在钻具钻进时重复以上步骤，以实现实时的高精度测量；本发明能够解决姿态测量系统测量结果波动严重的问题，测量结果更加精确。测量结果更加精确。测量结果更加精确。


技术研发人员：韦康桂 杨永友
受保护的技术使用者：中国科学院地质与地球物理研究所
技术研发日：2023.08.15
技术公布日：2023/10/7