定向钻进连续取心钻具姿态监测系统设计.pdf
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1、定向钻进连续取心钻具姿态监测系统设计林婷婷1,刘泽楷1,马银龙2,朱金宝1(1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院,吉林 长春 130012;2.吉林大学 建设工程学院,吉林 长春 130012)摘要:定向钻进连续取心作为一项新兴的地质勘探技术,在矿产资源勘探方面有广阔前景,为研发具有自主知识产权的定向连续取心钻具,设计了基于姿态传感和无线通信技术的姿态监测系统。硬件系统设计方面,选用 MPU9250 姿态传感器和 STM32F103C8T6 主控芯片监测钻具姿态的变化,通过 LoRa 无线模块实现穿透地层的通信,同时为适应钻具的结构和随钻测量的要求,自主设计了小型化的系统电路,其长宽高尺寸分别
2、为 70 mm25 mm7 mm。软件设计方面,通过互补滤波和卡尔曼滤波对 MPU9250 获取的数据进行处理,建立了钻具姿态解算误差补偿模型,设计上位机实现钻具姿态的实时展示。最后,通过强电磁干扰环境的模拟测试对硬件和软件的可靠性与准确性进行了验证。结果表明,设计的系统有效地抑制了惯性传感组件的漂移、累积误差以及噪声,能够持续、稳定地对钻具姿态进行实时监测,为实现定向钻进连续取心钻具的姿态监测提供了一种新思路。关键词:定向钻进;连续取心;惯性传感器;互补滤波;卡尔曼滤波中图分类号:P634.7 文献标志码:A 文章编号:1001-1986(2023)09-0138-09Designofatt
3、itudemonitoringsystemfordirectionaldrillingcontinuouscoringtoolsLIN Tingting1,LIU Zekai1,MA Yinlong2,ZHU Jinbao1(1.College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China;2.College of Construction Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China)Abstract:Dire
4、ctional drilling continuous coring,as an emerging geological exploration technique,holds vast potentialin the field of mineral resource exploration.To facilitate the development of directional continuous coring tools with pro-prietary intellectual property rights,an attitude monitoring system based
5、on attitude sensing and wireless communicationtechnology was designed in this paper.Concerning the hardware system design,the MPU9250 attitude sensor andSTM32F103C8T6 main control chip were adopted to monitor the attitude change of drilling tools,where the communic-ation through geological layers wa
6、s achieved using a LoRa wireless module.Additionally,to accommodate the structur-al of the drilling tool and the requirements of measurement while drilling,a downsized system circuit was autonomouslydesigned,which is sized 70 mm 25 mm 7 mm(L W H).In terms of software design,data collected by MPU9250
7、was processed by complementary filtering and Kalman filtering.Besides,an error compensation model for solution ofdrilling tool attitude was established,and an upper computer was designed to exhibit the real-time attitude of a drillingtool.Ultimately,the reliability and accuracy of both hardware and
8、software were verified through simulation tests underthe environment with strong electromagnetic interference.The outcomes reveal that the designed system effectively mit-igates the drift,cumulative errors,and noise in the inertial sensing components,capable of achieving the continuous andstable rea
9、l-time attitude monitoring of drilling tool,thereby offering a novel approach towards achieving the attitudemonitoring in directional drilling continuous coring tools.Keywords:directional drilling;continuous coring;inertial sensor;complementary filtering;Kalman filtering 收稿日期:2023-06-12;修回日期:2023-08
10、-23基金项目:科技部重点研发项目(2021YFC2900200);国家自然科学基金区域联合基金重点项目(U21A2020)第一作者:林婷婷,1983 年生,女,吉林长春人,博士,教授,从事地球物理探测方法及装备研究.E-mail:通信作者:朱金宝,1992 年生,男,吉林延边人,博士,鼎新学者博士后,从事磁共振测井技术及仪器研究.E-mail: 第 51 卷 第 9 期煤田地质与勘探Vol.51 No.92023 年 9 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONSep.2023林婷婷,刘泽楷,马银龙,等.定向钻进连续取心钻具姿态监测系统设计J.煤田地质与勘探,2023,51(9):
11、138146.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.06.0314LIN Tingting,LIU Zekai,MA Yinlong,et al.Design of attitude monitoring system for directional drilling continuous coringtoolsJ.Coal Geology&Exploration,2023,51(9):138146.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.06.0314经济社会发展与矿产资源密不可分,矿产资源在气候变化、资源危机、全球治理、可持续发展等一系列重大挑
12、战都有着非常重要的地位,而战略性关键矿产资源供给安全一直是世界各国必须面对的一大难题1。当前我国约 2/3 的战略性矿产资源需要进口,其中约有 1/2 的战略性矿产对外依存度超出了 50%。而我国在矿产资源勘探还面临着增储方法有限、新增资源储量无法满足国家战略需求的问题2。根据中国矿产资源报告 2022,2021 年我国地质勘查投资 972.87 亿元,较上年增长 11.6%3,为矿产资源勘探提供了有力的支持。但是在钻探技术层面,如何快速定向连续获得岩(矿)心样品,为矿产资源储量评价提供准确参数,是目前阶段国内矿产勘探“卡脖子”技术难题。针对以上矿产资源勘探技术问题,国内外学者和研究机构开展了
13、广泛的研究工作。其中,定向钻进连续取心作为一项新兴技术4,广泛应用于矿产资源勘探、隧道超前探测、非常规能源勘探等领域5。该技术要求在钻进过程中对钻具进行精确定位和控制,针对此问题,本文对定向取心钻具的随钻姿态监测问题展开了研究。在测斜仪器方面,陀螺测斜仪和磁性 MWD(Measurement While Drilling)是广泛使用的姿态监测工具。陀螺测斜仪按信号传输方式可分为有线陀螺测斜仪和无线随钻陀螺测斜仪(GWD),有线陀螺测斜仪已在全世界范围内广泛应用,国内对 GWD 的研究目前正在测试阶段,而国外主要由美国陀螺数据公司主导。美国的 GWD 已广泛应用于钻井测量,相关产品有 20 GW
14、D、40 GWD 和 70 GWD 三种型号,分别适用于最大作业井斜角度为 20、40和 70的情况6;在进行大斜度套管开窗、导斜器定向、海洋平台丛式井或加密井防碰绕障和救援井施工时,由于磁干扰的存在,无法使用磁性 MWD,必须采用不受磁干扰的陀螺测斜仪来有效解决测斜问题。同时,在向东或向西的大斜度井眼中钻进时,应用磁性 MWD 和某些类型的陀螺测斜仪可能会导致较大的方位测量误差。王立兵等7指出惯性传感元件存在的零点漂移问题会对测量造成影响,Chen Weicao 等8进一步分析了零点漂移的影响因素,将两大主要影响因素总结为读数偏移和角度偏移;胡茂晓、蒋硕硕9-10提出,构建姿态监测系统的关键
15、问题有两个:姿态传感器数据的采集与融合;数据的实时回传与分析。为解决这 2 个关键问题,相关研究深入到姿态矩阵11、四元数解算12-13和滤波算法等领域。其中,对于姿态监测系统常用的滤波算法有互补滤波和卡尔曼滤波14-15。黄镇等16基于互补滤波和卡尔曼滤波设计了一种姿态解算方法,实现了误差 2以内的欧拉角测量;M.M.R.Masrafee 等17将卡尔曼滤波应用于姿态监测系统,对卡尔曼滤波算法进行了理论分析;J.Sola、Ruiter 等18-19深入解析了卡尔曼滤波的更新过程。D.M.Henderson 等20将卡尔曼滤波与四元数解算方法结合,用于分析航天飞机的欧拉角和变换矩阵;P.Owc
16、zarek21基于卡尔曼滤波和互补滤波,实现了视觉系统中圆形标志物的中心点追踪捕捉。综上,笔者通过整体框架构建、电路设计、控制与通信编程和数据处理等方面开展了定向钻进连续取心姿态监测系统的设计,并结合模拟实验进行了验证分析,以期研发出具有自主知识产权、质量稳定可靠的定向钻进连续取心姿态监测系统,为定向钻进连续取心提供可靠的技术支撑。1随钻姿态监测技术随钻姿态监测技术通过在钻井过程中依据传感器数据和算法来实时监测钻具的姿态,提供有关钻具的倾斜角度、方位角度和轴向旋转角度等信息,协助钻井操作控制和避免潜在的问题,涉及的关键组件与技术主要包括:MEMS(Micro-Electro-Mechanica
17、l System)传感器、惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)、钻杆振动监测技术、数据融合和算法处理技术等,通过软硬件协同,提升姿态监测系统的准确性和稳定性。为了攻克定向连续取心的技术难题,实现钻具姿态实时监测,推进取心钻具智能化,本文结合了钻探技术、传感器技术与嵌入式系统,寻求钻具姿态监测的最优解。在实际应用中,采用单片机作为核心控制组件,单片机接收传感器回传的数据并进行计算、控制输出以及与其他设备进行通信,实现实时高精度数据处理,从而提高系统的稳定性和精度。对硬件和软件进行联合设计,最终实现姿态监测系统的完整功能,角度测量误差 0.5以内。2系统总体
18、设计本文设计的姿态监测系统以 STM32F103C8T6 单片机为主控,通过姿态传感器 MPU9250 对运动姿态进行监测,提供俯仰角、横滚角和航向角等姿态信息,进一步求取钻具的方位角、顶角和工具面向角。经过校正、消噪、滤波处理后的姿态角度信息通过 LoRa模块发送至地面上位机,上位机软件完成角度数据显示、运动曲线绘制和 3D 姿态展示。设计的系统如图 1 所示。第 9 期林婷婷等:定向钻进连续取心钻具姿态监测系统设计 139 传感器STM32主控制器无线通信模块LoRa上位机LabVIEW锂电池稳压模块LDO图 1 钻具姿态监测系统Fig.1 Block diagram of attitud
19、e monitoring system for drilling tool 3系统硬件设计3.1主控芯片为满足姿态监测系统的要求,选择基于 ARMCortex-M 内核的 STM32F103C8T6 芯片作为主控制器。该芯片具备处理速度快和功耗低等优势,能够满足多参数测量、高实时性和多种扩展功能等要求,能够满足钻具姿态监测系统在定向钻进连续取心钻具上的应用。主控模块如图 2 所示。VCC3.31U1VBATVDD_3VCC3.3GNDR110 KSWCLKVCC3.3GNDSWDIOTXDRXDVDD_2VSS_3VSS_2PB9PB8PB7PB6PB5PB4PB3PA15PA14PA13PB
20、13PB12PB14PB15PA12PA11PA10PA9PA8BOOT0PC13-TAMPER-RTCPC14-OSC32_INPC15-OSC32_OUTPD0-OSC_INPD1-OSC_OUTNRSTVSSAVDDAPA0-WKUPPA1PA2PA3PA4PA5PA5PA7PB0PB1PB2PB10PB11VSS_1VDD_123456789101112131415161718192021222324262728293031323334353637383940414243444546474825VCC3.3VCC3.3PC14PC15OSCINOSCOUTNRSTGNDSCLR310
21、KSDAGNDTXLORARXLORASTM32F103C8T6GNDGND图 2 STM32F103C8T6 芯片连接Fig.2 Schematic diagram of STM32F103C8T6 chip 3.2姿态传感器模块为了实现地下钻具姿态实时监测,需要综合测量精度、模块尺寸和功耗等因素对传感器进行选型。MPU9250 是首个将 9 轴运动姿态监测整合为一体的数字传感器,在解决传感器组合中轴间差异问题的同时,实现了传感器体积的缩小和系统功耗的降低。其内部集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计,并具备 3 个 16 位加速度 AD 输出,3 个 16 位加速度AD 输出和 14
22、位磁力计 AD 输出,可编程陀螺仪参数可选250、500、1 000、2 000()/s,可编程的加速度参数可选2、4、8、16 g,磁力计最大量程可达到4 800 T。在本文应用中,陀螺仪满量程范围设置为2 000()/s,陀螺仪的 ADC 位数为 16 位,由此计算得到灵敏度为:65 536/4 000=16.4 LSB/()s1)。加速度计满量程范围设置为2 g,灵敏度为:65 536/4=16 384 LSB/g。MPU9250 与单片机的数据交互通过IIC 接口实现,最高传输速率可达 400 kHz/s,其外围电路如图 3 所示。VCC3.3VCC3.3VCC3.3VCC3.3U42
23、4SDA/SDISCL/SCLKR2310 KR2110 KR2210 KR2510 KR2410 K2322NCS2120191817161514131RESVAUX_CLAUX_DARESVAD0/SD0REGOUTFSYNCINTMPU9250VDDIONCNCNCNCNC23456710 nFC18C190.1 FC200.1 FVCC3.3FSYNCINTAD0/SD089101112SDA/SDISCL/SCLKnCSAUX_DARESVRESVGNDNCNCNCNCVDDGNDGNDGNDGND图 3 MPU9250 及其外围电路Fig.3 MPU9250 and its per
24、ipheral circuit MPU9250 姿态传感器获取姿态信息的基本原理是:陀螺仪获得角速度源数据,通过积分得到当前的姿态,用加速度计和磁力计的数据分别对陀螺仪进行重力校正和地磁校正。重力校正和地磁校正采用的方法为固定矢量观测法,重力矢量计算可以得到以重力矢量为法向量的当地水平面,从而校正了欧拉角中的俯仰角和横滚角。结合已知的水平面,从地磁矢量分离出水平面上指向磁极的矢量,从而校正了欧拉角中的航向角。3.3无线通信模块LoRa(Long Range Radio)是 Semtech 公司创建的低功耗局域网无线标准,在相同功耗条件下,LoRa 的 140 煤田地质与勘探第 51 卷传输距离
25、相比传统的无线射频通信提升 35 倍,实现了低功耗和远距离的统一。本文选用的 LoRa 模块电路图如图 4 所示,模块传输距离可达 6 000 m,功耗约0.5 W,尺寸为 36 mm20 mm3 mm,同时满足了系统远传输距离、低功耗、小尺寸的要求。U2GNDNCNCRSTAUXTXDRXDLora115141312111098723456NCMD0VCCVCCGNDGNDGNDGNDGNDGNDMD0VCC3.3GNDGNDRXLORATXLORAANTANT图 4 LoRa 模块连接Fig.4 Schematic diagram of LoRa module 3.4锂电池与电源模块为了实
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