一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置的制作方法

1.本发明涉及石油与天然气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置。


背景技术：

2.钻井过程中，受井身结构、管柱结构、地层性质、施工参数以及扭冲等提速工具的共同影响，钻头在地下受到不同幅值和频率的振动干扰，并在机械钻速、钻头寿命、钻具变形情况上直接体现。因此，对钻头处真实振动情况进行测量与研究，是油气井工程领域中钻速预测、钻具损伤分析、地层认识等具有重要意义。
3.现有技术中，普遍采用地面钻机处振动测量或近钻头位置随钻振动测量的方式。但相关研究表明，由于受到钻杆柱力学与结构特性影响，基于地面采集与随钻近钻头测量的数据与钻头实际振动存在明显的数值偏差，且现有装置采样率仅为0.5-2hz，远小于钻头300hz以上的振动频率，无法全面、客观、准确的反映钻头真实振动情况。小型化、分布式、高频率、耐高温的井下振动测量装置是油气钻井领域的迫切要求。
4.此外，现有钻具内振动测量装置多采用“内居中安装、旁通流道”或“偏心安装、三轴加速度估算”的方式，分别面临“沿程压力损耗大”与“抗噪性差、无法测量钻具涡动”的问题。常规测量领域中，六自由度振动测量可基于空间或平面两类传感器阵列进行；但现有技术中，空间阵列要求阵列等效坐标系各轴中均排布至少一个振动传感器，无法同时满足阵列等效坐标系与钻具坐标系同轴且维持钻具内部中空的要求；平面阵列结构虽能够满足钻具内部中空要求，但基于刚体运动理论，其参数方程组欠定不相容，其扭转振动参数(角速度)仅能通过角加速度积分获取，长时间测量将面临巨大累计误差。
5.针对现有技术的问题，本发明提供了一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术的问题，本发明提供了一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，所述装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，所述装置包含：
7.电子模块，其包含测量电路板，用于测量得到井下钻具的三轴振动数据以及三轴冲击数据；
8.主体，其为轴对称结构，中部设置有支撑定位台，所述支撑定位台为内圆外方的六边形台，内部为钻井流体通道，六边形台的外部棱面上各安装一个所述测量电路板，相邻所述测量电路板的长边两两相接，并在空间高度上交错排布。
9.根据本发明的一个实施例，所述主体包含上密封端以及下密封端，所述上密封端与所述下密封端为两个带半圆槽的圆环，其中，所述上密封端中部位置开有上密封端圆槽，所述下密封端中部位置开有下密封端圆槽。
10.根据本发明的一个实施例，所述装置还包含用于实现液体密封的上游密封圈以及下游密封圈，所述上游密封圈设置在所述上密封端圆槽内，所述下游密封圈设置在所述下密封端圆槽内。
11.根据本发明的一个实施例，所述测量电路板包含测量模块，所述测量模块包含：
12.第一加速度传感器，其用于进行井下钻具的三轴振动测量；
13.第二加速度传感器，其用于进行井下钻具的三轴冲击测量；
14.温度传感器，其用于获取所述测量模块的温度，以实现各传感器温漂的实时校正。
15.根据本发明的一个实施例，相邻的所述测量电路板在安装位置上存在180
°
旋转对应关系，从而实现所述测量模块在空间高度上的交错排布，相邻的所述测量电路板长边两两相接，整体呈现为六棱柱空间结构，从而实现所述测量模块在平面上的六边形排布。
16.根据本发明的一个实施例，所述测量电路板包含支持模块，所述支持模块包含：
17.滤波与整流电路，其用于对所述测量模块的系统噪声、数字与模拟信号进行降噪与平滑化预处理；
18.存储芯片，其用于对所述测量模块得到的测量数据及控制参数进行存储、查询、擦除以及读写操作；
19.控制芯片，其用于配合嵌入式系统，对所述测量模块内各芯片以及传感器的行为进行控制；
20.通讯接口，其用于实现相邻所述测量电路板间的数据交互，并实现所述测量模块与上位机间数据交互。
21.根据本发明的一个实施例，所述测量电路板包含电源模块，所述电源模块包含：
22.电源保护模块，其用于实现电源的稳压输出、过载保护、短路保护；
23.耐高温电池，其用于在井下环境中对所述电子模块供电。
24.根据本发明的一个实施例，所述测量电路板包含左连接线以及右连接线，用于实现相邻所述测量电路板间的数据、电力交互连接。
25.根据本发明的一个实施例，基于所述左连接线与所述右连接线实现各个所述测量电路板中所述电源模块的并联，以保证所述电子模块的电力冗余。
26.根据本发明的一个实施例，六边形台各棱面的四角位置各开有一个定位螺栓孔，用于实现所述电子模块的安装与定位。
27.根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量方法，通过如上任一项所述的装置执行，所述装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，所述方法包含以下步骤：
28.获取所述三轴振动数据以及所述三轴冲击数据，以得到待测钻具各测量深度处的加速度数据；
29.基于所述加速度数据，解算得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动加速度与角加速度；
30.依据所述加速度数据、所述运动加速度、所述角加速度，解算得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动角速度。
31.根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量方法步骤的一系列指令。
32.根据本发明的另一个方面，还提供了一种钻具内振动测量装置的睡眠模式与测量模式切换方法，通过如上任一项所述的装置执行，所述装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，所述方法包含以下步骤：
33.配置睡眠模式与测量模式的初始化数据；
34.所述装置通电后，对内部时钟与模式时间区间进行比对；
35.重复进行内部时钟与模式时间区间的比对，直至所述装置断电或内部时钟对应时间超过所有模式时间区间的上限。
36.根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行一种钻具内振动测量装置的睡眠模式与测量模式切换方法步骤的一系列指令。
37.根据本发明的另一个方面，还提供了一种钻具内振动测量装置的自动变频存储实现方法，通过如上任一项所述的装置执行，所述装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，所述方法包含以下步骤：
38.所述装置通电后，其控制芯片对当前工作模式进行监测；
39.若自动变频存储功能生效，则传感器进行数据采集过程中，当采集数据或推算的振动参数达到上位机配置的阈值条件时，控制芯片控制装置读取当前时刻的缓存数据并回溯存储于存储芯片中，同时控制芯片临时调整当前模式时间区间对应的存储频率大小等同于测量频率，当持续存储至上位机配置的持续时长后，控制芯片将存储芯片的存储频率修正为当前模式区间内对应的存储频率。
40.根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行一种钻具内振动测量装置的自动变频存储实现方法步骤的一系列指令。
41.本发明提供的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，与现有技术相比，本发明能够满足就钻具振动测量的小型化、分布式、高频率、耐高温要求，能够在不改变现有油气井行业工艺技术的前提下直接安装于包含钻头在内的各种井下钻具内部，可靠性高、可拓展性强。基于六棱柱空间阵列设计，同时满足阵列等效坐标系与钻具坐标系同轴且维持钻具内部中空的结构要求。基于测量传感器上下交错的结构设计，克服了刚体运动方程组欠定不相容问题，配合线性代数理论与机器学习算法实现了等效坐标系三轴加速度、角加速度、角速度的求解。
42.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
43.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
44.图1显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置内部装配爆炸图；
45.图2显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置内部装配效果图；
46.图3显示了根据本发明的一个实施例一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振
动测量装置主体结构示意图；
47.图4显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置主体水平剖面图；
48.图5显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置主体垂直剖面图；
49.图6显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置电子模块结构示意图；
50.图7显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置水平剖面图；
51.图8显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置俯视图；
52.图9显示了根据本发明的一个实施例的井下钻具公扣接箍半剖示意图；
53.图10显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置外部装配示意图；
54.图11显示了根据本发明的另一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置外部装配示意图；
55.图12显示了根据本发明的一个实施例的空间阵列结构与等效坐标系α示意图；
56.图13显示了根据本发明的一个实施例的基准坐标系β示意图；
57.图14显示了根据本发明的一个实施例的确定性误差校正姿态示意图；
58.图15显示了根据本发明的一个实施例的神经网络结构示意图。
59.附图中，相同的部件使用相同的附图标记。另外，附图并未按照实际的比例绘制。
60.在附图中各附图标记的含义如下：1-主体；2-电子模块；3-上游密封圈；4-下游密封圈；5-圆形通孔；6-上密封端；7-下密封端；8-支撑定位台；9-上密封端圆槽；10-下密封端圆槽；11-定位螺栓孔；12-第一测量电路板；13-第二测量电路板；14-第三测量电路板；15-第四测量电路板；16-第五测量电路板；17-第六测量电路板；18-测量模块；19-支持模块；20-电源模块；21-左连接线；22-右连接线；23-内部变径台阶；24-井下钻具公扣接箍；25-井下钻具母扣接箍；26-下游密封垫；27-上游密封垫。
具体实施方式
61.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
62.现有技术(面向油气钻井振动测量的空间三轴加速度传感器阵列研究，电子测量技术.2021,44(08)，黄哲)公开了一种六棱柱框架的空间加速度传感器阵列，以同心圆形式预留中央流体通道，基于无约束最小二乘与神经网络推算，从理论上通过冗余配置实现了钻具三轴振动(加速度)与扭转(角速度、角加速度)的求解。
63.但是，上述现有技术处在理论研究阶段，仅仅理想化的构想了“六棱柱框架的空间加速度传感器阵列”，并未实际提出振动测量装置的具体结构设计。因此，为了解决上述现有技术的问题上，本发明提供一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置。
64.实施例一：
65.图1显示了根据本发明的一个实施例的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置内部装配爆炸图。一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置具体针对钻井工具管柱串六自由度振动测量点，如图1所示，一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置由主体1、电子模块2、上游密封圈3、下游密封圈4构成。
66.如图3所示，主体1由上密封端6、下密封端7、支撑定位台8构成。具体来说，主体1为轴对称结构，中部设置有支撑定位台8，支撑定位台8为内圆外方的六边形台，内部为圆形通孔5，用以提供钻井流体通道，六边形台的外部棱面上各安装一个测量电路板，相邻测量电路板的长边两两相接，并在空间高度上交错排布。在一个实施例中，主体1整体采用车、铣加工制造，一体成型。
67.如图3所示，上密封端6与下密封端7为两个带半圆槽的圆环，其中，如图5所示，上密封端6中部位置开有上密封端圆槽9，下密封端7中部位置开有下密封端圆槽10。
68.如图2以及图3所示，上游密封圈3以及下游密封圈4用于实现液体密封，其中，上游密封圈3设置在上密封端圆槽9内，下游密封圈4设置在下密封端圆槽10内。具体来说，上游密封圈3与下游密封圈4为橡胶密封圈，用于在一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置安装后实现液体密封。
69.如图3以及图4所示，六边形台各棱面的四角位置各开有一个定位螺栓孔11，用于实现电子模块2的安装与定位。
70.电子模块2包含测量电路板，用于测量得到井下钻具的三轴振动数据以及三轴冲击数据。如图6所示，电子模块2由第一测量电路板12、第二测量电路板13、第三测量电路板14、第四测量电路板15、第五测量电路板16、第六测量电路板17构成。在一个实施例中，第一至第六测量电路板12-17结构一致，均由测量模块18、支持模块19、电源模块20、左连接线21、右连接线22构成。
71.在一个实施例中，如图6所示，电子模块2由第一至第六测量电路板12-17两两相接构成空间六棱柱结构，相邻的测量电路板在安装位置上存在180
°
旋转对应关系，从而实现测量模块18在空间高度上的交错排布，相邻的测量电路板长边两两相接，整体呈现为六棱柱空间结构，从而实现测量模块18在平面上的六边形排布。
72.在一个实施例中，测量模块18包含：第一加速度传感器、第二加速度传感器、温度传感器。其中，第一加速度传感器用于进行井下钻具的三轴振动测量，第二加速度传感器用于进行井下钻具的三轴冲击测量，温度传感器用于获取测量模块18的温度，以实现各传感器温漂的实时校正。具体来说，第一加速度传感器量程
±
40g，第二加速度传感器量程
±
200g，基于不同量程区间的合理配置，保证井下测量数据的精度；基于嵌入式系统设计，实现井下振动的变频测量。
73.在一个实施例中，支持模块19包含：滤波与整流电路、存储芯片、控制芯片、通讯接口。其中，滤波与整流电路用于对测量模块18的系统噪声、数字与模拟信号进行降噪与平滑化预处理；存储芯片用于对测量模块18得到的测量数据及控制参数进行存储、查询、擦除以及读写操作；控制芯片用于配合嵌入式系统，对测量模块18内各芯片以及传感器的行为进行控制；通讯接口用于实现相邻测量电路板间的数据交互，并实现测量模块18与上位机间数据交互。
74.在一个实施例中，电源模块20包含：电源保护模块、耐高温电池。其中，电源保护模
块用于实现电源的稳压输出、过载保护、短路保护；耐高温电池用于在井下环境中对电子模块2供电。
75.在一个实施例中，左连接线21以及右连接线22，用于实现相邻测量电路板间的数据、电力交互连接。具体来说，左连接线21与右连接线22为多pin排线，用以实现第一至第六测量电路板12-17每相邻两块测量电路板的数据、电力交互连接。
76.在一个实施例中，如图6、图7、图8所示，基于左连接线21与右连接线22实现各个测量电路板中电源模块20的并联，以保证电子模块2的电力冗余。具体来说，第一至第六测量电路板12-17，其各自电源模块20基于左连接线21与右连接线22实现各测量电路板中电源模块20的并联；在对所在测量电路板供电的基础上，实现电子模块2的电力冗余，其电源模块20除对所在电路板供电外，亦能对其他测量电路板进行供电；从而使电子模块2在一块及以上电源模块20失效的极端工况下，仍然具备正常作业能力。
77.本发明提供的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，可以将装置安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，内含中心流体通道，能够在不改变现有钻井装备结构与施工工艺的前提下实现钻具内振动测量。
78.本发明提供的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，设计了一种六棱柱框架的空间加速度传感器阵列，以同心圆形式预留大尺寸中央流体通道，通过冗余配置实现了钻具六自由度振动参数的求解，解决了常规测量装置与方法“沿程压力损耗大”、“抗噪性差”、“存在累积误差”、“无法求解扭转振动参数”以及“无法测量钻具涡动”等难点；基于微机电传感器进行硬件开发，具有尺寸小、成本低、可靠性高、可拓展性强的优点，能够在不改变现有作业条件和装备结构的前提下安装于包括钻头在内的钻具接箍内部，满足现阶段油气钻井领域井下振动测量装置“小型化、分布式、高频率”的迫切需求。
79.电子模块2的第一至第六测量电路板12-17，每相邻两块测量电路板在安装位置上存在180
°
旋转对应关系，从而实现测量模块18在空间高度上的交错排布，从而得以在理论上符合振动参数方程组正定有解的条件；各测量电路板长边两两相接，整体呈现为六棱柱空间结构，实现测量模块18在平面上的六边形排布，实现装置等效坐标系与钻具坐标系同轴且能够预留中央流体通道的结构要求。
80.实施例二：
81.本发明一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，初次使用时，首先需要进行测量装置内部装配，具体来说：
82.如图3、图7所示，将电子模块2中第一至第六测量电路板12-17按序依次安装于装置主体1中支撑定位台8各棱面之上。各测量电路板长边两两相接，整体呈现为六棱柱空间结构，实现测量模块18在平面上的六边形排布；每相邻两块测量电路板在安装位置上存在180
°
旋转对应关系，实现测量模块18在空间高度上的交错排布。各测量电路板通过支撑定位台8各对应棱面四角的定位螺栓孔11进行定位，通过螺栓进行连接与固定。
83.如图7、图8所示，以第一测量电路板12为基准，分别于其左右两侧使用左连接线21与右连接线22同第二测量电路板13与第六测量电路板17就近一侧连接。同样方式，以第三测量电路板14为基准，分别于其左右两侧使用左连接线21与右连接线22同第四测量电路板15与第二测量电路板13就近一侧连接；以第五测量电路板16为基准，分别于其左右两侧使用左连接线21与右连接线22同第六测量电路板17与第四测量电路板15就近一侧连接。各连
接线与各测量电路板间通过fpc接头或锡焊形式连接。
84.如图2、图3所示，依次将上游密封圈3与下游密封圈4对应安装于上密封端圆槽9与下密封端圆槽10中。
85.实施例三：
86.本发明一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，每次使用时需进行外部装配，具体来说：
87.取井下钻具公扣接箍24，将其内部变径台阶23加工成如图9所示的形状。如图10所示，按顺序将下游密封垫26、一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置、上游密封垫27依次安装于变径台阶23位置。如图11所示，通过螺纹连接井下钻具公扣接箍24与井下钻具母扣接箍25，通过预紧力使两端钻具、密封垫、一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置压紧并密封。
88.每次进行外部装配时，应对上游密封圈3、下游密封圈4、上游密封垫27、下游密封垫26进行更换。
89.实施例四：
90.本发明一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，在完成内部装配后，其使用时应遵循以下步骤：
91.步骤1：电池维护。具体来说，使用万用表直接测量第一至第六测量电路板中12-17电源模块20内电池电压并判断剩余电量。当电池剩余电量低于标准电量30％时，更换电池。
92.步骤2：连接上位机。具体来说，使用数据线，一端连接第一测量电路板12对应的支撑模块19中对应的通讯接口，另一端连接上位机，以此实现测量装置与上位机软件的硬件连接与数据、电力交互。
93.步骤3：测量模块校正。具体来说，久置或多次测量后，需重新进行测量模块18校正。将钻具内振动测量装置安装于钻台，基于上位机使用五点法进行测量模块校正。
94.步骤4：零点漂移二次校正。具体来说，每次测量前，需进行零点漂移二次校正。将钻具内振动测量装置安装于水平台，使其上密封端6垂直向上，基于上位机进行零点漂移二次校正。
95.步骤5：参数配置。具体来说，基于上位机，进行校正参数保存、更新。根据施工方案，对钻具内振动测量装置采样频率、存储频率、高频存储阈值等配置参数进行配置、保存、更新。
96.步骤6：初始化。具体来说，基于上位机，进行存储芯片格式化操作，进行时钟对齐操作。
97.步骤7：断开连接。
98.步骤8：更换密封圈与密封垫，进行外部装配。
99.步骤9：实时施工作业。
100.步骤10：进行外部装配逆操作(拆卸)。
101.步骤11：连接上位机。
102.步骤12：下载测量数据，并基于上位机进行振动参数推算。
103.步骤13：取下电池。
104.实施例五：
105.本发明一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，测量模块18校正方法，如下：
106.步骤1：使用数据线，一端连接第一测量电路板12对应的支撑模块19中对应的通讯接口，另一端连接上位机，以此实现测量装置与上位机软件的硬件连接与数据、电力交互。
107.步骤2：计算基准坐标系到测量模块坐标系的基变换矩阵。具体来说，根据传感器误差构成，可知各测量模块输出数据gm与该模块真实数据g
real
存在如下对应关系：
[0108][0109]
其中，s
x
、sy、sz为敏感性误差，α、β、γ为安装误差对应的欧拉角，g
offset
为零点偏移。
[0110]
为描述方便，建立如图12所示的测量装置中心位置处的等效坐标系α，并如图13所示，以转台或被测钻具为基准建立基准坐标系β。在进行后续校正与测量作业时，令等效坐标系与基准坐标系在空间上重合。
[0111]
则各测量模块坐标系与基准坐标系β具有如下对应关系：
[0112][0113][0114]
式中，与g
(β)
分别为当前转台位置姿态下，测量模块18真实值与转台真实值。为从基准坐标系到测量模块坐标系的基变换矩阵。θ1、θ2、θ3为两个坐标系的欧拉角度关系。
[0115]
根据几何关系可以推导得到，两坐标系欧拉角如下：
[0116][0117]
步骤3：以测量装置上密封端6垂直向上放置于转台上，通过转台将测量装置分别旋转至如图14所示的五个姿态，并使用上位机记录当前姿态下各测量模块输出值。
[0118]
步骤4：计算测量装置各测量模块确定性误差参数。具体来说，联立上述各公式，则可推导得出第一至第六测量电路板12-17中测量模块18确定性误差参数如下：
[0119][0120]
步骤5：保存参数，断开连接。
[0121]
实施例六：
[0122]
本发明一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，测量模块18零点漂移的二次校正方法如下：
[0123]
步骤1：使用数据线，一端连接第一测量电路板12对应的支撑模块19中对应的通讯接口，另一端连接上位机，以此实现测量装置与上位机软件的硬件连接与数据、电力交互。
[0124]
步骤2：以测量装置上密封端6垂直向上放置于水平台上，使用上位机记录当前姿态下各测量模块输出值gm。
[0125]
步骤3：计算零点漂移量：
[0126]
步骤4：保存参数，断开连接。
[0127]
实施例七：
[0128]
本发明还提供一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量方法，通过一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置执行，装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，方法包含以下步骤：
[0129]
步骤1：使用数据线，一端连接第一测量电路板12对应的支撑模块19中对应的通讯接口，另一端连接上位机，以此实现测量装置与上位机软件的硬件连接与数据、电力交互。
[0130]
步骤2：下载数据。具体来说，获取三轴振动数据以及三轴冲击数据，以得到待测钻具各测量深度处的加速度数据。
[0131]
步骤3：使用上位机，计算装置等效坐标系中点位置三轴加速度与角加速度。具体来说，基于加速度数据，解算得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动加速度与角加速度。
[0132]
根据刚体运动理论，刚体任意位置处质点的运动加速度ψ与刚体运动参数γ具有如下关系：
[0133][0134]
其中，l
x
、ly、lz为质点相对刚体运动中心的位置。根据几何关系，电子模块2各测量模块位置如下：
[0135][0136]
基于六棱柱空间阵列构型，相邻传感器上下交错lz≠0，基于初等行变换可得阵列载体等效坐标系中点处加速度如下：
[0137][0138]
视wjw
k≠j
为无关变量，联立上述各式，基于无约束最小二乘算法可求得等效坐标系中点处各轴角加速度如下：
[0139][0140]
步骤4：使用上位机，计算等效坐标系中点位置三轴角速度。具体来说，依据加速度数据、运动加速度、角加速度，解算得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动角速度。在一个实施例中，基于神经网络训练，以长短时记忆时序神经网络进行三轴角速度推算。
[0141]
步骤5：断开连接。
[0142]
本发明提供的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量方法，可以得到待测钻具各测量深度处的空间6点18轴加速度数据。基于刚体运动理论、线性代数理论、无约束优化方法，可以推导得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动速度、角速度、角加速度数据计算公式。根据加速度数据，可以解算得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动加速度与角加速度。基于转台试验，可以获得稳定运动状态下18轴加速度原始数据与等效坐标
系(转台)真实运动数据，以等效坐标系角速度数据为输出参数，以18轴加速度原始数据、基于三轴运动计算公式所得运动角加速度、历史运动角速度为输入参数，基于长短时记忆法训练时序神经网络模型。基于神经网络运算，可以解算得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动角速度。
[0143]
实施例八：
[0144]
本发明一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量方法，神经网络参数训练方法，如下：
[0145]
步骤1：使用数据线，一端连接第一测量电路板12对应的支撑模块19中对应的通讯接口，另一端连接上位机，以此实现测量装置与上位机软件的硬件连接与数据、电力交互。
[0146]
步骤2：以测量装置上密封端6垂直向上放置于转台上，通过转台使测量装置以不同的三轴角速度、角加速度、加速度进行运动。记录转台真实运动数据与测量装置各测量模块数据。
[0147]
步骤3：基于一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量方法，计算等效坐标系中心位置处三轴运动角加速度与加速度。
[0148]
步骤4：建立神经网络模型。基于物理意义，任意时刻的刚体旋转角速度与其前一时刻的角速度、角加速度存在历史联系。如图15所示，以等效坐标系中心位置处推算的三轴运动角加速度与加速度、各测量模块实测数据、前序时刻推算角速度数据为输入参数，以等效坐标系中心位置处三轴角速度为输出参数，以转台真实运动数据中角速度为训练反馈，基于长短时记忆法建立神经网络模型。
[0149]
步骤5：保存神经网络参数。
[0150]
步骤6：断开连接。
[0151]
实施例九：
[0152]
受连续作业电力续航时间与存储空间的限制，本发明一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，基于其上位机参数设置与嵌入式系统行为控制，在实际使用中进行休眠/测量模式切换与自动变频存储。睡眠/测量模式切换与自动变频存储方法如下：
[0153]
步骤1：使用数据线，一端连接第一测量电路板12对应的支撑模块19中对应的通讯接口，另一端连接上位机，以此实现测量装置与上位机软件的硬件连接与数据、电力交互。
[0154]
步骤2：使用上位机配置测量装置测量模式与休眠模式的时间区间、测量频率、存储频率(测量频率不得小于存储频率)，配置自动变频存储的阈值条件、回溯时长、持续时长。
[0155]
步骤3：断开连接。
[0156]
实施例十：
[0157]
本发明提供一种钻具内振动测量装置的睡眠模式与测量模式切换方法，通过一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置执行，睡眠/测量模式切换的实现方法，如下：
[0158]
配置睡眠模式与测量模式的初始化数据，即使用上位机配置测量装置测量模式与休眠模式的时间区间、测量频率、存储频率(测量频率不得小于存储频率)，配置自动变频存储的阈值条件、回溯时长、持续时长；
[0159]
一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置通电后，其控制芯片对内部时钟与模式时间区间进行比对。若当前内部时钟对应时间处于某个模式时间区间内时，控制芯片根据当前模式时间区间对应的模式配置对传感器与存储芯片行为进行控制。
[0160]
若当前模式时间区间配置为休眠模式，则控制芯片控制各传感器与存储芯片进行休眠，不进行数据测量与记录操作。
[0161]
若当前模式时间区间配置为测量模式，则控制芯片各传感器以上位机配置的测量频率进行数据采集，控制各存储芯片以上位机配置的存储频率进行数据存储。若测量频率大于存储频率，则每个存储周期内对测量数据进行均值计算后存储于存储芯片中。
[0162]
重复进行内部时钟与模式时间区间的比对，直至一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置断电或内部时钟对应时间超过所有模式时间区间的上限。
[0163]
实施例十一：
[0164]
本发明提供一种钻具内振动测量装置的自动变频存储实现方法，通过一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置执行，自动变频存储的实现方法，如下：
[0165]
一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置通电后，其控制芯片对当前工作模式进行监测。若当前工作模式为测量模式，则控制芯片控制传感器与存储芯片分别以测量频率与存储频率进行数据采集与存储行为。若其测量频率等于其存储频率，则自动变频存储功能不生效。若其测量频率大于其存储频率，则自动变频存储功能生效，控制芯片控制传感器以测量频率进行数据采集，对上位机配置的回溯时长内的采集数据进行覆盖式滚动缓存，对每一个存储周期内的采集数据进行均值计算后存储于存储芯片中。
[0166]
若自动变频存储功能生效，则传感器进行数据采集过程中，当采集数据或推算的振动参数达到上位机配置的阈值条件时，控制芯片控制装置读取当前时刻的缓存数据并回溯存储于存储芯片中；同时控制芯片临时调整当前模式时间区间对应的存储频率大小等同于测量频率。当持续存储至上位机配置的持续时长后，控制芯片将存储芯片的存储频率修正为当前模式区间内对应的存储频率。
[0167]
在一个实施例中，变频存储功能的采集数据缓存仅与上位机配置的回溯时长和持续时长有关，存储频率始终与当前时刻传感器实际执行的测量频率一致；其测量频率由当前时刻所在模式时间区间内配置的测量频率决定。即，测量过程中，当某一时刻对应的采集数据缓存经历两个模式时间区间时，采集数据始终以当前时刻对应模式时间区间配置或控制芯片临时调整的测量频率进行缓存，两个时间区间内测量频率的变化不影响数据缓存的进行。数据缓存的滚动与覆盖只与当前缓存数据的起止时间、上位机配置的回溯时长有关。
[0168]
在一个实施例中，当变频存储功能触发时，若其持续时长内经历两个模式时间区间，则持续时长内，在第一个模式区间中以配置测量频率执行，在第二个模式区间中以前序及当前模式区间配置的测量频率最大值执行。即，自动变频存储功能触发时，其变频存储持续时长内的测量将经历两个时间区间，控制芯片首先控制存储芯片对回溯时长内的缓存数据进行回溯存储，同时临时调整存储芯片的存储频率与测量频率相同，持续测量与存储。在变频存储持续时长内，当内部时钟对应时间进入下一个模式时间区间时，控制芯片对前序与当前模式时间区间内配置的测量频率进行大小比对，并临时配置传感器采样频率与前序、当前配置的测量频率中较大的一个相同，配置存储频率与测量频率相同。当持续存储至上位机配置的持续时长后，控制芯片将传感器与存储芯片的测量频率与存储频率分别修正
为当前模式区间内对应的配置频率。
[0169]
本发明提供的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置还可以配合一种计算机可读取的存储介质，存储介质上存储有计算机程序，执行计算机程序以运行一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量方法、一种钻具内振动测量装置的睡眠模式与测量模式切换方法、一种钻具内振动测量装置的自动变频存储实现方法。计算机程序能够运行计算机指令，计算机指令包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。
[0170]
计算机可读取的存储介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
[0171]
需要说明的是，计算机可读取的存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读取的存储介质不包括电载波信号和电信信号。
[0172]
综上，本发明提供的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，与现有技术相比，能够满足就钻具振动测量的小型化、分布式、高频率、耐高温要求，能够在不改变现有油气井行业工艺技术的前提下直接安装于包含钻头在内的各种井下钻具内部，可靠性高、可拓展性强。基于六棱柱空间阵列设计，同时满足阵列等效坐标系与钻具坐标系同轴且维持钻具内部中空的结构要求。基于测量传感器上下交错的结构设计，克服了刚体运动方程组欠定不相容问题，配合线性代数理论与机器学习算法实现了等效坐标系三轴加速度、角加速度、角速度的求解。
[0173]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0174]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0175]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0176]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0177]
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选
择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
[0178]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，所述装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，所述装置包含：电子模块，其包含测量电路板，用于测量得到井下钻具的三轴振动数据以及三轴冲击数据；主体，其为轴对称结构，中部设置有支撑定位台，所述支撑定位台为内圆外方的六边形台，内部为钻井流体通道，六边形台的外部棱面上各安装一个所述测量电路板，相邻所述测量电路板的长边两两相接，并在空间高度上交错排布。2.如权利要求1所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，所述主体包含上密封端以及下密封端，所述上密封端与所述下密封端为两个带半圆槽的圆环，其中，所述上密封端中部位置开有上密封端圆槽，所述下密封端中部位置开有下密封端圆槽。3.如权利要求2所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，所述装置还包含用于实现液体密封的上游密封圈以及下游密封圈，所述上游密封圈设置在所述上密封端圆槽内，所述下游密封圈设置在所述下密封端圆槽内。4.如权利要求1所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，所述测量电路板包含测量模块，所述测量模块包含：第一加速度传感器，其用于进行井下钻具的三轴振动测量；第二加速度传感器，其用于进行井下钻具的三轴冲击测量；温度传感器，其用于获取所述测量模块的温度，以实现各传感器温漂的实时校正。5.如权利要求4所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，相邻的所述测量电路板在安装位置上存在180
°
旋转对应关系，从而实现所述测量模块在空间高度上的交错排布，相邻的所述测量电路板长边两两相接，整体呈现为六棱柱空间结构，从而实现所述测量模块在平面上的六边形排布。6.如权利要求4所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，所述测量电路板包含支持模块，所述支持模块包含：滤波与整流电路，其用于对所述测量模块的系统噪声、数字与模拟信号进行降噪与平滑化预处理；存储芯片，其用于对所述测量模块得到的测量数据及控制参数进行存储、查询、擦除以及读写操作；控制芯片，其用于配合嵌入式系统，对所述测量模块内各芯片以及传感器的行为进行控制；通讯接口，其用于实现相邻所述测量电路板间的数据交互，并实现所述测量模块与上位机间数据交互。7.如权利要求1所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，所述测量电路板包含电源模块，所述电源模块包含：电源保护模块，其用于实现电源的稳压输出、过载保护、短路保护；耐高温电池，其用于在井下环境中对所述电子模块供电。8.如权利要求7所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，所述测量电路板包含左连接线以及右连接线，用于实现相邻所述测量电路板间的
数据、电力交互连接。9.如权利要求8所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，基于所述左连接线与所述右连接线实现各个所述测量电路板中所述电源模块的并联，以保证所述电子模块的电力冗余。10.如权利要求1所述的一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，其特征在于，六边形台各棱面的四角位置各开有一个定位螺栓孔，用于实现所述电子模块的安装与定位。11.一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量方法，其特征在于，通过如权利要求1-10中任一项所述的装置执行，所述装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，所述方法包含以下步骤：获取所述三轴振动数据以及所述三轴冲击数据，以得到待测钻具各测量深度处的加速度数据；基于所述加速度数据，解算得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动加速度与角加速度；依据所述加速度数据、所述运动加速度、所述角加速度，解算得到待测钻具中心等效坐标系上三轴运动角速度。12.一种存储介质，其特征在于，其包含用于执行如权利要求11所述的方法步骤的一系列指令。13.一种钻具内振动测量装置的睡眠模式与测量模式切换方法，其特征在于，通过如权利要求1-10中任一项所述的装置执行，所述装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，所述方法包含以下步骤：配置睡眠模式与测量模式的初始化数据；所述装置通电后，对内部时钟与模式时间区间进行比对；重复进行内部时钟与模式时间区间的比对，直至所述装置断电或内部时钟对应时间超过所有模式时间区间的上限。14.一种存储介质，其特征在于，其包含用于执行如权利要求13所述的方法步骤的一系列指令。15.一种钻具内振动测量装置的自动变频存储实现方法，其特征在于，通过如权利要求1-10中任一项所述的装置执行，所述装置可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，所述方法包含以下步骤：所述装置通电后，其控制芯片对当前工作模式进行监测；若自动变频存储功能生效，则传感器进行数据采集过程中，当采集数据或推算的振动参数达到上位机配置的阈值条件时，控制芯片控制装置读取当前时刻的缓存数据并回溯存储于存储芯片中，同时控制芯片临时调整当前模式时间区间对应的存储频率大小等同于测量频率，当持续存储至上位机配置的持续时长后，控制芯片将存储芯片的存储频率修正为当前模式区间内对应的存储频率。16.一种存储介质，其特征在于，其包含用于执行如权利要求15所述的方法步骤的一系列指令。

技术总结
本发明提供一种基于加速度计空间阵列排布的钻具内振动测量装置，可以安装于包含钻头在内的任意井下钻具接箍位置，包含：电子模块，其包含测量电路板，用于测量得到井下钻具的三轴振动数据以及三轴冲击数据；主体，其为轴对称结构，中部设置有支撑定位台，支撑定位台为内圆外方的六边形台，内部为钻井流体通道，六边形台的外部棱面上各安装一个测量电路板，相邻测量电路板的长边两两相接，并在空间高度上交错排布。本发明满足就钻具振动测量的小型化、分布式、高频率、耐高温要求，能够在不改变现有油气井行业工艺技术的前提下直接安装于包含钻头在内的各种井下钻具内部，可靠性高、可拓展性强。可拓展性强。可拓展性强。


技术研发人员：黄哲 吴仲华 牛洪波 李建成 刘晓兰 马永乾 薛亚宁 高岩
受保护的技术使用者：中石化胜利石油工程有限公司 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2023/10/7