CN101012745A - 一种油气井井眼轨迹的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种油气井井眼轨迹的测量方法，利用陀螺和加速度计的输出值进行惯导解算，计算井迹坐标，并根据井下电缆长度已知的特点，把由惯导系统推算出的井下电缆长度增量与放下电缆的实际长度信息进行数据融合，对井迹坐标进行修正，实现高精度井迹测量。本发明具有精度高、成本低的优点，适用于油气井定向钻井中的井迹测量与开窗侧钻，也可用于煤矿及地质勘探领域的井迹测量。

Description

一种油气井井眼轨迹的测量方法

技术领域

本发明涉及一种油气井井眼轨迹的测量方法，属于惯性测量领域，可提高惯性器件的测量精度和油气井井眼轨迹的计算精度。适用于油气井定向钻井中的井迹测量与开窗侧钻，也可用于煤矿及地质勘探领域的井迹测量。

背景技术

我国大部分老油田经过多次调整和不断的强化开采，开发难度越来越大、困难越来越多，对测井技术要求也越来越高。为了保证我国油气产量，一方面要在老井基础上进行开窗侧钻，以节省开采费用、提高采油生产率；另一方面由于我国油田多属于块状分布，需要打水平井、大斜度井、侧钻井、分枝井、丛式井等以开发山脉、湖泊、居民楼下的油藏及海上油气资源，以挖掘我国石油产量；再有国家地质部门要建立已打井的井史来记录我国已开采井的分布及单井的井迹。以上需求背景要求得到高精度的油气井井眼轨迹。现有的井眼轨迹测量方法主要有采用陀螺罗盘方式进行单点井迹测斜和捷联惯性导航系统(SINS)方法进行井迹测量。其中采用陀螺罗盘方式进行单点井迹测斜测量时间较长，效率不高；单纯采用SINS进行井迹测量的方法必须依靠提高惯性导航系统的精度来保证井眼轨迹的计算精度，这归根到底是对惯性器件提出了很高的要求，而惯性器件的误差随时间积累，在地面及空中惯性导航系统可通过和卫星导航系统、无线电导航系统组合等方式提高系统的精度，但是由于井下的特殊情况，如井下几千米的温度、振动和钻杆狭小的空间使提高惯性器件的精度变得更加困难，这使得达到预定精度要求的井眼轨迹惯性测量装置的成本很高，相应的实现技术也有很大的难度。

发明内容

本发明的目的：克服现有技术的不足，提出一种油气井井眼轨迹的测量方法，该方法充分利用了井下电缆长度已知的信息，一方面对惯性器件误差进行补偿，另一方面直接对计算的井眼轨迹进行修正。提高井迹测量精度，并降低测量系统成本。

本发明的技术解决方案是：一种油气井井眼轨迹的测量方法，其特征在于：利用陀螺和加速度计的输出值进行惯导解算，计算井迹坐标，并根据井下电缆长度已知的特点，把由惯导系统推算出的井下电缆长度增量与放下电缆的实际长度信息进行数据融合，对井迹坐标进行修正，实现高精度井迹测量，包括以下步骤：

(1)分别建立陀螺、加速度计的误差模型，并在转台上进行多位置标定实验，计算出误差模型的参数。

(2)进行惯导解算，计算井迹上每点的三维井迹坐标(x_i，y_i，z_i)，并实时推算电缆长度增量l′，当所放电缆实际长度增量小于l时重复第二步，为l时，执行第(3)步。

(3)由惯导推算出的电缆长度增量l′与l进行数据融合，估计出惯性器件常值误差和井迹坐标误差。

(4)利用估计出的惯性器件常值误差和井迹坐标误差来修正井迹坐标。

(1)重复(2)至(4)步，直到测量结束。

本发明的原理：惯性导航系统是自主的导航系统，将其应用于井眼轨迹测量中，能独立计算井眼任一点的空间位置，惯导系统的核心器件是陀螺和加速度计。其中陀螺敏感载体相对惯性空间的角速度，加速度计测量载体的比力。陀螺的作用是建立导航系的坐标基准，用于得到载体的姿态并将比力信息投影到导航坐标系上。

陀螺的输出可以表示为：

U_G(ω)＝U_G(0)+k_Gω+f_G(a)+ε_G    (1)

式中U_G(ω)是载体角速度ω对应的陀螺输出电压，U_G(0)是角速度为零时的陀螺输出电压，k_G是陀螺标度因数，f_G(a)是与比力有关的误差，ε_G是陀螺的噪声。

加速度计的输出为：

U_A(a)＝U_A(0)+k_Aa+f_A(a)+ε_A    (2)

式中U_A(a)是载体加速度a对应的加速度计输出电压，U_A(0)是a为零时的加速度计输出电压，k_A是加速度计标度因数，f_A(a)是与加速度有关的误差项，ε_A是加速度计的噪声。

根据陀螺和加速度计的输出就可以由惯导方程计算空间任一点的坐标。惯导解算过程如附图1所示。附图1中f^b是在载体坐标系下的比力，fⁿ是在导航坐标系下的比力，ω^b _ib是载体相对惯性空间的角速度，ωⁿ _in是导航系相对惯性空间的角速度。cⁿ _b是载体系到导航系的方向余弦阵，其变化可表示为：

其中ω^b _nb是载体相对于导航系的角速度，ω^b _nb×是ω^b _nb的反对称阵。有了cⁿ _b便可把f^b转换为fⁿ，在fⁿ中去掉引力加速度后得到载体的运动加速度aⁿ。对aⁿ进行一次积分得到速度，再次积分得到位置，即空间中的坐标(x_i，y_i，z_i)。

在l区间内进行惯导解算时，要计算出井迹的空间坐标，还要由惯导系统的输出推算出井下电缆长度增量l′。附图2中B点井迹的坐标为(x_B，y_B，z_B)，C点井迹的坐标为(x_C，y_C，z_C)，B点与C点间是真实的电缆长度增量l。在B点与C点之间进行惯导解算，实时连续计算出井迹上每一点上的空间坐标(x_i，y_i，z_i)，形成井眼的空间轨迹。根据相邻两点间的空间坐标(x_i，y_i，z_i)、(x_i+1，y_i+1，z_i+1)可计算出相邻两点间的电缆长度l″_i：

${l^{\′\′}}_i=\sqrt{{(x_{i+1}-x_i)}^2+{(y_{i+1}-y_i)}^2+{(z_{i+1}-z_i)}^2}---\left(4\right)$

在B点C点区间内对l″_i进行积分则可得到B~C区间的电缆长度l′。

惯导解算是随时间发散的，单纯应用惯导系统来计算井眼轨迹坐标会产生比较大的误差。因此计算的井下电缆长度增量l′是有误差的。由地面放下的井下电缆长度增量l是已知的。l′与l的差值反映了惯导系统的误差。每当地面放下电缆长度增加l时，进行一次数据融合。数据融合采用成熟的Kalman滤波算法或神经网络方法，系统状态方程采用惯导系统的误差方程。数据融合的结果一方面对陀螺、加速度计的误差模型进行修正，间接提高井迹计算精度，同时估计出井迹误差，对井迹坐标直接进行修正。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)充分利用了电缆长度已知这一有用信息，实现了对测量结果的修正及对惯性器件误差的在线标定补偿。

(2)通过与放下电缆长度的组合，提高了测井用SINS的精度，减小了测量井迹用惯性导航系统对惯性器件的精度要求，从而提高了测量系统的性价比。

附图说明

图1为惯导解算方框图；

图2为本发明的井迹计算原理示意图；

图3为本发明的井迹计算流程图。

具体实施方式：

图3是井迹计算流程图，图中G是陀螺，A是加速度计，l是进行两次信息融合间隔的实际电缆长度增量，l′是进行两次信息融合间隔内由SINS推算出的电缆长度增量，(x_i，y_i，z_i)是第i时刻井迹的空间坐标。井迹计算分以下几个步骤：

(1)分别建立陀螺、加速度计的误差模型，并在转台上进行多位置标定实验，计算出误差模型的参数。

采取在转台上标定的方法标定出公式(1)、(2)中的模型误差系数U_G(0)_j、U_A(0)_j、k_Gj、k_Aj、f_G(a)_j、f_A(a)_j(j＝1，2，3，分别代表X、Y、Z轴)。根据f_A(a)_j、f_G(a)_j中取的与a有关项系数的不同可采取不同的标定方案，本实施例采用二十位置标定方案，可以采用六位置或二十四位置等多位置标定方案。

多位置标定方案是利用不同位置下陀螺、加速度的输出值与标称值之间的关系列写方程组，其中惯性器件的输出是含有待定误差系数的，通过求解方程组解出这些误差系数就实现了对误差系数的标定。求解误差系数越多所需要的方程越多，也需要更多的位置。根据所具有的实验条件和器件精度要求不同而选择不同的标定方案。多位置实验是在转台上进行的，记转台坐标系为ox_py_pz_p，其中x_p、y_p、z_p分别指向东、北、天，惯性测量单元的坐标系为oxyz。

六位置方案是将惯性测量单元的x轴、y轴、z轴分别指向转台坐标系z_p轴的正向和负向，共六个位置，在每一个位置列写相应的方程。

二十位置方案通常是先将惯性测量单元的坐标系oxyz与转台坐标系ox_py_pz_p重合，旋转转台主轴在0度、90度、180度、270度四个位置，然后把转台绕俯仰轴转90度，转动惯性测量单元到0度、45度、90度、135度、180度、225度、270、315度八个位置，重新安装惯性测量单元，将其x轴与转台z_p轴重合，再绕转台z_p轴转动惯性测量单元到0度、45度、90度、135度、180度、225度、270、315度八个位置，在每一位置采集数据，列写相应方程。

二十四位置方案通常是先将惯性测量单元的坐标系oxyz与转台坐标系ox_py_pz_p重合。分别将惯性测量单元的x轴、y轴、z轴对准转台的z_p轴的正向和负向，并分别转0度、90度、180度、270度四个位置，总共24个位置，在每一位置采集数据，列写相应方程。

在上述六位置、二十位置、二十四位置等多位置列写的方程中选择线性相关性最小的方程来求解相关的误差系数。

(2)如果电缆长度增量信号l没有到来，利用陀螺、加速度计输出的测量值进行惯导解算，采取分段计算井迹的方法，即把电缆分成以l为单位的若干计算区间，在l区间内进行惯导解算。由陀螺输出的数据按式(3)计算出载体坐标系相对导航坐标系的方向余弦阵cⁿ _b。根据cⁿ _b把f^b转换为fⁿ，在fⁿ中去掉引力加速度后得到载体的运动加速度aⁿ。对aⁿ进行二次积分得到位置，即空间中的坐标(x_i，y_i，z_i)。对式(4)积分实时推算井下电缆长度增量，当l信号到达时得到的电缆长度为l′。

(3)每当电缆放下长度增加l时，由惯导推算出的电缆长度增量l′与l进行数据融合，在数据融合中通过Kalman滤波器估计出惯性器件的误差参数和井眼轨迹的计算误差。

(4)修正陀螺、加速度计的误差模型，并对井眼轨迹的计算结果进行修正。

l是进行两次信息融合之间的电缆长度，l的大小可根据井迹的实际情况及测量精度要求而定，可选择为20米左右，l′是两次信息融合之间由步骤(2)中惯导系统推算出的电缆长度，其中陀螺、加速度计信号采样过程包括了陀螺、加速度计输出信号的补偿及滤波。数据融合采用Kalman滤波或神经网络方法计算出的井下电缆长度增量l′与井上实际放下电缆长度增量l的差为：Δl＝l-l′，Δl的分量形式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}=\mathrm{\Δl}\·\cos \mathrm{\α}\\ \mathrm{\Δy}=\mathrm{\Δl}\·\sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}\\ \mathrm{\Δz}=\mathrm{\Δl}\·\sin \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中α是井的井斜角，β是井的方位角。把式(5)中(Δx，Δy，Δz)作为系统量测信息送入Kalman滤波器进行数据融合估计出井眼轨迹坐标的计算误差(dx_n，dy_n，dz_n)和惯性器件的误差参数dU_A(0)、dU_G(0)。以(dx_n，dy_n，dz_n)和dU_A(0)、dU_G(0)分别对井迹坐标(x_i，y_i，z_i)和陀螺、加速度计进行误差修正。n时刻(即i＝n时刻)陀螺、加速度计的误差模型进行修正为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_G\left(0\right)=U_G\left(0\right)+{\mathrm{dU}}_G\left(0\right)\\ U_A\left(0\right)=U_A\left(0\right)+{\mathrm{dU}}_A\left(0\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

n时刻(即i＝n时刻)井迹修正为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_n=x_n-{\mathrm{dx}}_n\\ y_n=y_n-{\mathrm{dy}}_n\\ z_n=z_n-{\mathrm{dz}}_n\end{array}\right.---\left(7\right)$

陀螺、加速度计的误差模型进行修正提高了后续的惯导解算精度，间接提高了井迹测量精度。井迹修正直接提高了井迹测量精度。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1、一种油气井井眼轨迹的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)分别建立陀螺、加速度计的误差模型，并在转台上进行多位置标定实验，计算出误差模型的参数；

(2)进行惯导解算，计算井迹上每点的三维井迹坐标(x_i，y_i，z_i)，并实时推算电缆长度增量l′，当所放电缆实际长度增量小于l时重复第二步，所放电缆实际长度增量为l时，执行第(3)步；

(3)由惯导推算出的电缆长度增量l′与l进行数据融合，估计出惯性器件常值误差和井迹坐标误差；

(4)利用估计出的惯性器件常值误差和井迹坐标误差来修正井迹坐标；

(5)重复(2)至(4)步，直到测量结束。

2、根据权利要求1所述的油气井井眼轨迹的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中数据融合是以电缆长度增量l为周期的，即每当放下电缆长度增加l时，进行一次数据融合。

3、根据权利要求1所述的油气井井眼轨迹的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中数据融合采用Kalman滤波，或采用神经网络。

4、根据权利要求1所述的油气井井眼轨迹的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中的多位置采用二十位置，或采用十位置或二十四位置。

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