本文是一篇工程硕士论文，本研究分别对煤矿井下水平定向钻机中随钻测量单元的设计、姿态传感器数据优化及轨迹校正展开研究。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
我国的主体能源是煤炭，随着我国经济发展不断加快，并且我国信息化、市场化、国际化进程不断向前，对于煤炭的需求显著增加，迫使我国加快煤炭资源的开采与利用[1]。但是煤炭开采的深度与开采的难度成正比，尤其是高浓度瓦斯的大量溢出、煤层地质的复杂结构和煤岩石力学属性等原因容易造成较大开采事故[2]。2016年 8月15日，山东能源肥矿集团梁宝寺能源有限责任公司35000采区集中皮带巷发生冲击地压事故，事故发生时，该矿下井人数110人，在事故区域附近作业的有38人。2018年9月20日，中国新闻网报到，5月以来，河南省连续发生河南能源焦煤公司中马村矿“5·14”、义煤公司新义矿“5·22”和中国平煤神马集团十三矿“8·16”三起煤与瓦斯突出事故，共造成7人死亡，且均发生在国有大型煤矿企业，造成严重的负面影响。这几起事故同时存在有：瓦斯抽采存在空白带、煤层属性相关信息不足，瓦斯抽采达标评判和区域措施效果检验验证不真实等问题。因此加强高分辨动态监测、提升瓦斯治理能力，采用高精度设备进行探测与地层信息的数据采集已成为迫切需要。
如今，大多数企业及勘探所利用定向钻井技术完成煤炭开采工作，随钻测量技术（MWD-Measurement While Drilling）和随钻测井技术（LWD- Logging While Drilling）最早用于石油钻井领域并由此发展起来[3]，并且这两种技术在石油勘探开采工作中发挥着极为重要的作用。MWD技术可以实时获得井下煤层地质、井眼轨迹、地层环境等参数的实时信息[4]。并且该技术能够测量随钻所在位置的井斜角、工具面向角及方位角等三维空间位置数据，由此可以解算出在随钻开采过程中任意时刻的轨迹信息。LWD技术能够测量随钻电阻、中子、密度和伽马等信息。中国石油天然气集团有限公司研发的随钻测量系统DREMWD，其传输速度最高可达到11bit/s，最高工作压力为100Mpa[5]; 例如北京蓝海科技 公司研制一种具有较高抗振性、结构小巧、适合小井眼钻井的泥浆脉冲随钻测量系统。在未来，随钻测斜技术越来越像向着高度智能化方向发展。
1.2 国内外研究现状
1.2.1随钻测量技术及其发展现状
MWD最早由国外发展，在1980年Schlumberger公司率先发布了首个MWD Tool：M1，该设备可以测量煤炭下随钻的井斜角、工具面向叫及方位角，但不足以满足复杂煤层下的作业需求。其具备更高的传输速率、稳定性、耐磨性、抗振性，并且体积小、工作频率可变等优点[6]。因受限于技术等原因，煤炭开采服务尤其是一些重要领域对外依存度较高，行业垄断现象逐渐形成。最近几年，水平井、深井、超深井等数量显著提升，对相关技术要求也越来越高。例如中石油资助研发的DREMWD(无线电磁波随钻测量系统)，利用空气作为循环流体来定向钻井，适合应用于低压、低渗油田，同时该技术也同样适用于煤炭的开采。我国MWD技术在世界范围内起步较晚，但发展极为迅速。目前国内普遍应用且技术发展较为成熟的应用有电池驱动的LWD和涡轮发电驱动的LWD。钻井作业中井底循环温度很容易超过150℃。国内外常见的随钻测量仪器耐高温范围在125-175℃之间，但随钻遇到高温地层和地热井中对钻井和测量仪器的耐高温具有较高的要求。我国高温MWD仪器耐温高达175℃，武汉探道能源技术有限公司完成了绕组在高温175℃下线性衰减的问题，具备低功耗和仪器外径小于44.5mm等优点。
国外已有相当成熟的MWD技术，在世界范围内普遍应用，基本满足不同场合的钻井需求。Schlumberger公司推出的随钻测量工具TeleScope，能够测量随钻处于旋转状态下的井斜角、方位角和工具面向角。并且还能够测量轴向、径向、随钻扭矩和温度等信息。同时该公司在2000年发布了Slim Pulse随钻测量工具，能够在150℃的环境下稳定工作。面对小井眼的MWD工具：IMPulse的耐温性能够达到175℃。随钻采样在随钻测量技术领域里又是一项创新。Halliburton公司的Azimuthal Deep Resistivity ADRTM首次使用了全方位随钻测量技术。2010年，全球首个随钻地层流体采样仪器Geo Tep IDS（哈里伯顿）下井使用，利用涡轮发电供电，一趟钻能够采集15个流体样品。在随钻领域，未来的主流将是智能钻机。
2 煤矿井下随钻轨迹测量理论基础
2.1随钻测量的基本要素
在测斜过程中，对一系列离散点的其中一个进行研究，通过该侧点获得描述井眼轴迹的三个基本要素：井斜角、方位角和井深。该信息能够通过轨迹模式识别方法获得每个测点的基本要素。而测点的切线表示随钻在当前点处的前进方向。通过以上三个基本要素能够求得坐标增量，再由上一点的坐标值跟坐标增量求得下一测点处的坐标，最后连接所有测点的坐标值绘制随钻轨迹。
2.1.1 坐标系定义
大地坐标系从地球的起始子午面与赤道面作为起始面，以地球椭球面作为参考面建立地球椭球面坐标系。在观察并监控随钻轨迹的变化时需要用到的是井口坐标系，而大地坐标系与井口坐标系并不能直接转换，需要借助地固坐标系实现坐标的转换。设井口坐标系为系统的导航坐标系（n系），井口坐标系O—NEH以井口点O为坐标原点，N轴沿子午线方向指向地理北，H轴沿当前位置铅锤方向指向地球的质心，E轴垂直于H轴与N轴朝向地理东方向，如图2-1所示。
2.2 随钻轴迹模型
通过求得的井斜变化率、方位变化率以及上下两个测点的井斜角、方位角可算得工具面向角。目前存在多种轨迹模型算法，不同的轨迹模型适应于不同的井眼环境。以下给出常见的几种轨迹模型：
井下随钻测量过程中，会获得一系列的离散测点，测点是每隔一段距离由姿态测量单元测量得到[28]。每个测点在地固坐标系下拥有对应的坐标量，在获得坐标量前需要明确每个测点处的三个基本要素：井深、井斜角和井斜工具面向角，地固坐标系的原点（0，0，0）取开孔坐标系。初始基本三要素根据所放置的随钻初始位置决定，通过井下前一测点的坐标值和坐标增量获得下一测点的坐标值，由此类推可得到井下所有离散测点的坐标值。目前根据不同情况以及不同钻井，有多种轨迹坐标算法。
曲率半径法将前后相邻的两个测段近似看作为以圆弧，铅锤面上的圆弧与水平投影圆弧的中心角分别是前后两侧点井斜角和井斜方位角之差。剖面线上圆弧的长度是前后两侧点的间距。表现为钻孔的轨迹是由一系列曲率半径不相等的圆弧组成的弧线，井下任意两侧点井斜角和井斜方位角随着井深发生变化。
3随钻姿态测量单元校正方法 ...................... 15
3.1传感器误差模型研究.......................... 16
3.1.1传感器误差模型及 ......................................... 16
3.1.2坐标系及坐标转换矩阵 ........................... 17
4基于OSS-ASRUKF的姿态传感器数据融合算法 ........................ 39
4.1引言.................................. 39
4.2 滤波算法............................... 40
5井眼轨迹及不确定性可视化 ............................ 65
5.1坐标系与转换关系.................................. 65
5.2国际地磁场模型及磁偏角.................................. 66
5井眼轨迹及不确定性可视化
5.1坐标系与转换关系
在进行随钻轨迹监测时选择井口坐标系，地磁场模型（Geomagnetic Reference Field，GRF）使用大地坐标系，所以利用第三章的知识可知井口坐标系与大地坐标系在空间中存在旋转矩阵，该旋转矩阵与地固坐标系有关，所以需要明确三个坐标系之间的转换关系。
大地坐标系以赤道面及起始子午线作为初始面，其中以地球形状为椭球作为标准，所以参考面为地球椭球面并建立起椭球坐标系。大地坐标系是以地球的经度L与纬度B作为基本参数的坐标系。地固坐标系O-XYZ的Z轴指向地球的北极；X轴指向地球椭球面，为赤道面与初始子午面的交线；Y轴与X轴在同一个赤道面且正交，指向地球的东方向。
国际地磁场模型（International Geomagnetic Reference Field，IGRF）是有关地球主磁场与长期变化的模型[54]。基本磁场是地磁场的主要部分，于地球内部，变化缓慢稳定。变化的磁场包括地磁场的各种短期变化，与微弱电离层的变化和太阳活动有关。地磁场模型包括全球和局部地区两种，而地球的磁场还在不断发生变化，其变化方式也在发生变化。不同地方的磁场方向和强度均以不同的方式发生变化，可能变小，也可能南北极发生大翻转。由于地球磁场的复杂性，要预计它在遥远的将来会是什么样子是不可能的。地球物理学家们利用分布在世界许多地方的磁场观测点收集的数据，通过数学模型分析出磁场将如何变化。
6.总结与展望
6.1 总结
为解决水平定向钻机轴迹测量与绘制不精确问题，本研究分别对煤矿井下水平定向钻机中随钻测量单元的设计、姿态传感器数据优化及轨迹校正展开研究，其获得的主要成果有：
（1）依据煤矿井下施工环境，结合航姿参考系统及惯性导航相关理论知识，自主设计随钻测量单元。根据姿态传感器存在相关误差，导致输出数据精度较低，建立传感器误差
