CN102337883B - 随钻测量系统钻孔深度实时跟踪测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻测量系统钻孔深度实时跟踪测量方法，包括以下步骤：1）在钻孔中钻杆的尾端处安装惯性导航元件；2）计算感应轴加速度分量（gz）；3）计算钻杆移动行程S：4）对每钻进一根钻杆的行程进行修正：5）计算钻头当前位置L_p：6）对钻孔深度进行重新赋值，确定孔深L的参数，该方法基于三轴磁阻传感分量与三轴加速度的测量，通过紧凑而合理的测量步骤，为随钻测量系统提供简单实用的测量深度方法，在降低设备复杂性的同时提高了系统的准确性和实时性。

Description

随钻测量系统钻孔深度实时跟踪测量方法

技术领域

本发明涉及矿用钻井技术，特别涉及一种用于随钻测量系统钻孔深度测量的实时跟踪测量方法。

背景技术

现有的随钻测量系统(MWD)通过近钻头监测装置获取倾斜角、工具面角、方位角三个方向参数，对于孔深参数无法通过近钻头监测装置直接获取，而是通过其他方式获取钻孔深度再发送给近钻头监测装置进行接收、处理，这降低了系统的准确度，延长系统最终接收数据的时间。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种随钻测量系统钻孔深度实时跟踪测量方法，从而可以利用随钻测量系统的近钻头监测装置，快速准确可靠地获取钻孔深度参数。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

该方法包括以下步骤：

1）在钻孔中钻杆的尾端处安装惯性导航元件，形成计算钻孔三维空间角的仪器坐标系，本实施例中，所述惯性导航元件包括三轴磁感应计和三轴加速度计，分别用于测出空间三轴磁感应分量与空间三轴加速度分量；

2) 解算出倾斜角θ，根据导航学中的欧拉定理有如下关系：

      ；                                    ；            

                ；                                  

其中、、、分别为倾斜角、方位角、工具面角和磁倾角；G_X、G_Y和G_Z为重力加速度在仪器坐标系的投影 ，G_N、G_E和G_D为重力加速度在地理坐标系的投影，B_X、B_Y和B_Z为磁感应分量在仪器坐标系的投影，B_N、B_E、B_D分别表示地理坐标系的北向、东向、地向磁场分量，为变换矩阵；为当地重力加速度，B_o为当地磁感应强度；

解上面三个式子就能解算出倾斜角θ：

           ；                                                  

只要知道三轴磁感应计和三轴加速度计各自分量的输出，同时结合式子中分子分母的符号，就能求得倾斜角θ，θ是钻孔某点的切线与铅垂线之间的夹角，反映的是钻头的倾斜程度；

3）在钻进过程中，当钻杆在钻进方向上的加速度发生变化时，与钻进中轴线（z轴）平行的加速度分量将发生变化，该加速度分量为钻进加速度与重力加速度在该轴向的分量（g*sin(θ)）之和，

即： ，其中θ为倾斜角；t为时间参数；                                        

4）计算单杆钻杆移动行程S：

 ;                                             

5）计算钻头当前位置：

：

其中， 是指过测量钻孔过程中钻杆从钻孔孔口顺着钻孔轨迹到钻头位置的长度而得到的，一般是曲线长度，表示钻完第(n-1)根钻杆时的钻头位置，为单根钻杆长度；

6）对每钻进一根钻杆的行程进行修正：

                                

其中：f为钻杆转动频率；a为误差范围系数；为单根钻杆的行程误差，上式表示，当钻杆停止旋转，并且单根钻杆的行程在设定的误差范围内时，说明已经钻完一根完整的钻杆，此时需要对单杆钻杆行程S修正到一根钻杆的长度；

7）对钻孔深度进行重新赋值：

当钻完第n根钻杆时：

，其中n为钻杆数；

；

从而确定钻孔深度L的参数。

本领域中，钻孔深度L是指通过测量钻孔过程中钻杆从钻孔孔口顺着钻孔轨迹到钻孔底部的长度而得到的，一般是曲线长度。

本发明的有益效果是：

该方法基于三轴磁阻传感分量与三轴加速度的测量，通过紧凑而合理的测量步骤，为随钻测量系统提供简单实用的测量深度方法，在降低设备复杂性的同时提高了系统的准确性和实时性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为轴加速度分量(g_z)、钻进加速度(g_m)与重力加速度(g)在z轴方向的分量(g*sin(θ))在坐标系上的分解示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明的随钻测量系统钻孔深度实时跟踪测量方法，包括以下步骤：

1）在钻孔中钻杆的尾端处安装惯性导航元件，形成计算钻孔三维空间角的仪器坐标系，本实施例中，所述惯性导航元件包括三轴磁感应计和三轴加速度计，分别用于测出空间三轴磁感应分量与空间三轴加速度分量，图1为轴加速度分量(g_z)、钻进加速度(g_m)与重力加速度(g)在z轴方向的分量(g*sin(θ))在坐标系上的分解示意图，图中坐标系OEND为地理坐标系，坐标系OXYZ为仪器坐标系统；

2) 解算出倾斜角θ，根据导航学中的欧拉定理有如下关系：

      ；                                  ；                                   

               ；                                   

其中、、、分别为倾斜角、方位角、工具面角和磁倾角；G_X、G_Y和G_Z为重力加速度在仪器坐标系的投影 ，G_N、G_E和G_D为重力加速度在地理坐标系的投影，B_X、B_Y和B_Z为磁感应分量在仪器坐标系的投影，B_N、B_E、B_D分别表示地理坐标系的北向、东向、地向磁场分量，为变换矩阵；为当地重力加速度，B_o为当地磁感应强度；

解上面三个式子就能得到倾斜角θ：

       ；                                                      

只要知道三轴磁感应计和三轴加速度计各自分量的输出，同时结合式子中分子分母的符号，就能求得倾斜角θ。θ是钻孔某点的切线与铅垂线之间的夹角，它反映的是钻头的倾斜程度；

3）在钻进过程中，当钻杆在钻进方向上的加速度发生变化时，与钻进中轴线（z轴）平行的加速度分量将发生变化，该加速度分量为钻进加速度与重力加速度在该轴向的分量（g*sin(θ)）之和，

即： ，其中θ为倾斜角；t为时间参数；                                        

4）计算单杆钻杆移动行程S：

 ;                                 

5）计算钻头当前位置：

：

其中，其中钻孔深度是指过测量钻孔过程中钻杆从钻孔孔口顺着钻孔轨迹到钻头位置的长度而得到的，本领域中一般是指曲线长度，表示钻完第(n-1)根钻杆时的钻头位置，为单根钻杆长度；

6）对每钻进一根钻杆的行程进行修正：

                                     

其中：f为钻杆转动频率；a为误差范围系数；为单根钻杆的行程误差，上式表示，当钻杆停止旋转，并且单根钻杆的行程在设定的误差范围内时，说明已经钻完一根完整的钻杆，此时需要对单杆钻杆行程S修正到一根钻杆的长度。

7）对钻孔深度进行重新赋值：

当钻完第n根钻杆时：

，其中n为钻杆数；

否则；

从而确定钻孔深度L的参数。

本领域中，钻孔深度L是指通过测量钻孔过程中钻杆从钻孔孔口顺着钻孔轨迹到钻孔底部的长度而得到的，本领域中一般是指曲线长度。

本发明为随钻测量系统提供简单实用的测量深度方法，在降低设备复杂性的同时提高了系统的准确性和实时性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.随钻测量系统钻孔深度实时跟踪测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在钻孔中钻杆的尾端处安装惯性导航元件，形成计算钻孔三维空间角的仪器坐标系，所述惯性导航元件包括三轴磁感应计和三轴加速度计，分别用于测出空间三轴磁感应分量与空间三轴加速度分量；

2)解算出倾斜角θ：根据导航学中的欧拉定理有如下关系：

$C_P=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\φ}& 0& -\sin \mathrm{\φ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\φ}& 0& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

$;\left(\begin{array}{c}{G}_X\\ G_Y\\ G_Z\end{array}\right)=C_P\left(\begin{array}{c}{G}_N\\ G_E\\ G_D\end{array}\right)=C_P\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ {-G}_0\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}{B}_X\\ B_Y\\ B_Z\end{array}\right)=C_P\left(\begin{array}{c}{B}_E\\ B_N\\ B_D\end{array}\right)=C_P\left(\begin{array}{c}0\\ B_0\cos \mathrm{\β}\\ -B_0\sin \mathrm{\β}\end{array}\right);$

其中θ、ψ、φ、β分别为倾斜角、方位角、工具面角和磁倾角；G_X、G_Y和G_Z为重力加速度在仪器坐标系的投影，G_N、G_E和G_D为重力加速度在地理坐标系的投影，B_X、B_Y和B_Z为磁感应分量在仪器坐标系的投影，B_N、B_E、B_D分别表示地理坐标系的北向、东向、地向磁场分量，C_P为变换矩阵；G_O为当地重力加速度，B_o为当地磁感应强度；

由上述三式解联立解得倾斜角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{{-G}_Y}{G_X^2+G_Z^2}\right);$

3)在钻进过程中，当钻杆在钻进方向上的加速度发生变化时，与钻进中轴线z轴平行的加速度分量将发生变化，该加速度分量g_Z为钻进加速度g_m与重力加速度g在该轴向的分量g*sin(θ)之和，

即：g_Z(t)＝g_m(t)+g·sin(θ)，其中θ为倾斜角；t为时间参数；

4)利用下式计算单杆钻杆移动行程S：

$S=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}v\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{g}_m\mathrm{dtdt};$

5)计算钻头当前位置L_p：

L_p＝L_p(n-1)+S＝(n-1)L_zg+S：

其中，L_p(n-1)表示钻完第(n-1)根钻杆时的钻头位置，L_zg为单根钻杆长度；

6)对每钻进一根钻杆的行程进行修正：

$\left\{\begin{array}{c}f=0\\ S=L_{\mathrm{zg}}+S_{\mathrm{err}}(-a\&CenterDot;L_{\mathrm{zg}}<S_{\mathrm{err}}<a\&CenterDot;L_{\mathrm{ag}})\\ S=L_{\mathrm{zg}}\end{array}\right.$

其中：f为钻杆转动频率；a为误差范围系数；S_err为单根钻杆的行程误差，上式表示，当钻杆停止旋转，并且单根钻杆的行程在设定的误差范围内时，说明已经钻完一根完整的钻杆，此时需要对单杆钻杆行程S修正到一根钻杆的长度；

7)对钻孔深度进行重新赋值：

当钻完第n根钻杆时：

L＝nL_zg，其中n为钻杆数；

否则L＝L_p(L_p＞L)；

从而确定钻孔深度L的参数。