CN103089243B

CN103089243B - 一种磁性套管中钻井方位角的测量方法

Info

Publication number: CN103089243B
Application number: CN201310024666.6A
Authority: CN
Inventors: 张晓明; 马宗敏; 张彦军; 刘俊; 李�杰; 石云波; 唐军; 郭涛; 鲍爱达; 王宇; 龙达峰; 陈国彬; 白渚铨; 赵鑫炉
Original assignee: North University of China
Current assignee: Jinan Jinfengyuan Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103089243A

Abstract

本发明涉及钻井方位角测量技术，具体是一种磁性套管中钻井方位角的测量方法。本发明解决了现有钻井方位角测量技术应用范围有限、以及对外部环境适应性差的问题。一种磁性套管中钻井方位角的测量方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）将磁测斜仪安装于磁性套管中，并将磁性套管安装于钻井中；所述磁测斜仪包括三轴加速度计和三轴磁传感器；2）由三轴加速度计对磁性套管自身的重力加速度进行测量并输出；3）由三轴磁传感器对磁性套管内部的磁场进行测量并输出，计算得到钻井的方位角。本发明适用于石油、煤炭、地质勘探、采矿以及桥梁、地铁等工程中的钻井方位角测量。

Description

一种磁性套管中钻井方位角的测量方法

技术领域

本发明涉及钻井方位角测量技术，具体是一种磁性套管中钻井方位角的测量方法。

背景技术

在石油、煤炭、地质勘探、采矿以及桥梁、地铁等工程中，为了精确控制钻井前进的方向、防止意外事故的发生，需要实时测量钻井的方位角。中国专利ZL201110454594.X公开了一种磁性套管中基于磁测斜仪的钻井方位角测量方法。此种方法仅考虑了磁性套管的感应磁场对钻井方位角测量精度的影响，但并未考虑磁性套管磁化后产生的干扰磁场对钻井方位角测量精度的影响，因此其应用范围较有限、对外部环境适应性较差。基于此，有必要发明一种全新的钻井方位角测量技术，以解决现有钻井方位角测量技术应用范围有限、以及对外部环境适应性差的问题。

发明内容

本发明为了解决现有钻井方位角测量技术应用范围有限、以及对外部环境适应性差的问题，提供了一种磁性套管中钻井方位角的测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种磁性套管中钻井方位角的测量方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）将磁测斜仪安装于磁性套管中，并将磁性套管安装于钻井中；所述磁测斜仪包括三轴加速度计和三轴磁传感器；三轴加速度计用于测量磁性套管自身的重力加速度；三轴磁传感器用于测量磁性套管内部的磁场；2）由三轴加速度计对磁性套管自身的重力加速度进行测量并输出，进而利用三轴加速度计输出的信号求得钻井的倾斜角和工具面角；3）由三轴磁传感器对磁性套管内部的磁场进行测量并输出，进而利用三轴磁传感器输出的信号，结合求得的钻井的倾斜角和工具面角，计算得到钻井的方位角。

所述步骤1）中，磁测斜仪与磁性套管均处于套管坐标系（简称b系）；钻井处于地理坐标系（简称n系）；套管坐标系与地理坐标系之间的转换关系为：

（1）；

式（1）中：为从地理坐标系到套管坐标系的转换矩阵；为钻井的工具面角；为钻井的倾斜角的余角；为钻井的方位角。

所述步骤2）中，三轴加速度计输出的信号为：

（2）；

根据式（1），式（2）可以表示为：

（3）；

根据式（3），求得钻井的倾斜角和工具面角分别为：

（4）；

（5）；

式（2）-（5）中：、、为三轴加速度计各轴输出的信号；g为重力加速度；；为钻井的倾斜角；为钻井的工具面角。

所述步骤3）中，在地理坐标系下，地磁矢量为：

（6）；

根据式（1）和式（6），在套管坐标系下，地磁矢量为：

（7）；

式（6）-（7）中：为地磁矢量；、、为地磁矢量在地理坐标系下的三轴分量；、、为地磁矢量在套管坐标系下的三轴分量；为地磁矢量的模；；为地磁倾角；

考虑到磁性套管的磁屏蔽作用以及磁性套管磁化后产生的干扰磁场，将三轴磁传感器输出的信号表示为：

（8）；

式（8）中：，，为三轴磁传感器各轴输出的信号；、、为磁性套管的磁屏蔽系数在套管坐标系下的三轴分量；由于磁性套管沿轴方向不封闭，所以可以得出：；由于轴和轴位于磁性套管的径向，且磁性套管材料均匀，所以可以得出：；、、为磁性套管磁化后产生的干扰磁场在套管坐标系下的三轴分量；由于磁性套管在轴和轴的对称作用，干扰磁场在平面相互抵消，所以可以得出：==0；因此在计算钻井的方位角时，只需考虑磁性套管磁化后产生的干扰磁场在套管坐标系轴方向的分量；

将式（8）整理为：

（9）；

式（9）可以表示为：

（10）；

式（9）-（10）中：、、为以、、为未知量的函数；、、为与未知量、、无关的常数；

利用泰勒公式将式（10）展开为：

（11）；

式（11）可表示为：；其中：

；

、、为未知参数的估计值；、、为未知参量的初值；、、为未知参量的修正值；为、、对、、的一阶偏导；为当、、取初值时，、、的值；为未知参数的修正值矩阵；

根据，求得；然后根据求得；再将当前作为初值代入式（11）进行迭代求解；当的二范数满足某一阈值（所述阈值视求解精度而定）时，迭代结束，以当前作为式（11）的最优解，此时求得磁性套管的磁屏蔽系数、磁性套管磁化后产生的干扰磁场在套管坐标系轴方向的分量、钻井的方位角。

基于上述步骤，与现有钻井方位角测量技术相比，本发明所述的一种磁性套管中钻井方位角的测量方法充分考虑了磁性套管磁化后产生的干扰磁场对钻井方位角测量精度的影响，因而其应用范围更广、对外部环境的适应性更强。

本发明有效解决了现有钻井方位角测量技术应用范围有限、以及对外部环境适应性差的问题，适用于石油、煤炭、地质勘探、采矿以及桥梁、地铁等工程中的钻井方位角测量。

具体实施方式

一种磁性套管中钻井方位角的测量方法，该方法是采用如下步骤实现的：

1）将磁测斜仪安装于磁性套管中，并将磁性套管安装于钻井中；所述磁测斜仪包括三轴加速度计和三轴磁传感器；三轴加速度计用于测量磁性套管自身的重力加速度；三轴磁传感器用于测量磁性套管内部的磁场；

2）由三轴加速度计对磁性套管自身的重力加速度进行测量并输出，进而利用三轴加速度计输出的信号求得钻井的倾斜角和工具面角；

3）由三轴磁传感器对磁性套管内部的磁场进行测量并输出，进而利用三轴磁传感器输出的信号，结合求得的钻井的倾斜角和工具面角，计算得到钻井的方位角。

（1）；

所述步骤2）中，三轴加速度计输出的信号为：

（2）；

根据式（1），式（2）可以表示为：

（3）；

根据式（3），求得钻井的倾斜角和工具面角分别为：

（4）；

（5）；

所述步骤3）中，在地理坐标系下，地磁矢量为：

（6）；

根据式（1）和式（6），在套管坐标系下，地磁矢量为：

（7）；

（8）；

将式（8）整理为：

（9）；

式（9）可以表示为：

（10）；

利用泰勒公式将式（10）展开为：

（11）；

式（11）可表示为：；其中：

；

Claims

1.一种磁性套管中钻井方位角的测量方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

1)将磁测斜仪安装于磁性套管中，并将磁性套管安装于钻井中；所述磁测斜仪包括三轴加速度计和三轴磁传感器；三轴加速度计用于测量磁性套管自身的重力加速度；三轴磁传感器用于测量磁性套管内部的磁场；

2)由三轴加速度计对磁性套管自身的重力加速度进行测量并输出，进而利用三轴加速度计输出的信号求得钻井的倾斜角和工具面角；

3)由三轴磁传感器对磁性套管内部的磁场进行测量并输出，进而利用三轴磁传感器输出的信号，结合求得的钻井的倾斜角和工具面角，计算得到钻井的方位角；

所述步骤1)中，磁测斜仪与磁性套管均处于套管坐标系；钻井处于地理坐标系；套管坐标系与地理坐标系之间的转换关系为：

式(1)中：为从地理坐标系到套管坐标系的转换矩阵；γ为钻井的工具面角；θ为钻井的倾斜角的余角；为钻井的方位角；

所述步骤2)中，三轴加速度计输出的信号为：

a^{b} = {[\begin{matrix} a_{x}^{b} & a_{y}^{b} & a_{z}^{b} \end{matrix}]}^{T} - - - (2);

根据式(1)，式(2)可以表示为：

[\begin{matrix} a_{x}^{b} \\ a_{y}^{b} \\ a_{z}^{b} \end{matrix}] = C_{n}^{b} [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ - g \end{matrix}] = [\begin{matrix} - g \sin θ \\ - g \cos θ \sin γ \\ - g \cos θ \cos γ \end{matrix}] - - - (3);

根据式(3)，求得钻井的倾斜角和工具面角分别为：

γ = \arctan (\frac{a_{y}^{b}}{a_{z}^{b}}) - - - (5);

式(2)-(5)中：为三轴加速度计各轴输出的信号；g为重力加速度；α为钻井的倾斜角；γ为钻井的工具面角；

所述步骤3)中，在地理坐标系下，地磁矢量为：

F = (\begin{matrix} F_{x} \\ F_{y} \\ F_{z} \end{matrix}] = [\begin{matrix} F_{0} \cos I \\ 0 \\ F_{0} \sin I \end{matrix}] - - - (6);

根据式(1)和式(6)，在套管坐标系下，地磁矢量为：

式(6)-(7)中：F为地磁矢量；F_x、F_y、F_z为地磁矢量在地理坐标系下的三轴分量；为地磁矢量在套管坐标系下的三轴分量；F₀为地磁矢量的模；

F_{0} = \sqrt{{(F_{x})}^{2} + {(F_{y})}^{2} + {(F_{z})}^{2}};

I为地磁倾角；

[\begin{matrix} F_{x}^{bm} \\ F_{y}^{bm} \\ F_{z}^{bm} \end{matrix}] = [\begin{matrix} k_{x} & 0 & 0 \\ 0 & k_{y} & 0 \\ 0 & 0 & k_{z} \end{matrix}] C_{n}^{b} [\begin{matrix} F_{0} \cos I \\ 0 \\ F_{0} \sin I \end{matrix}] + [\begin{matrix} F_{px} \\ F_{py} \\ F_{pz} \end{matrix}] - - - (8);

式(8)中：为三轴磁传感器各轴输出的信号；k_x、k_y、k_z为磁性套管的磁屏蔽系数在套管坐标系下的三轴分量；由于磁性套管沿x轴方向不封闭，所以可以得出：k_x＝1；由于y轴和z轴位于磁性套管的径向，且磁性套管材料均匀，所以可以得出：k_y＝k_z＝k；F_px、F_py、F_pz为磁性套管磁化后产生的干扰磁场在套管坐标系下的三轴分量；由于磁性套管在y轴和z轴的对称作用，干扰磁场在oyz平面相互抵消，所以可以得出：F_py＝F_pz＝0；因此在计算钻井的方位角时，只需考虑磁性套管磁化后产生的干扰磁场在套管坐标系x轴方向的分量；

将式(8)整理为：

式(9)可以表示为：

式(9)-(10)中：f₁、f₂、f₃为以k、F_px、为未知量的函数；z₁、z₂、z₃为与未知量k、F_px、无关的常数；

利用泰勒公式将式(10)展开为：

式(11)可表示为：B＝A×ΔX；其中：

k、F_px、为未知参数的估计值；k₀、F_px0、为未知参量的初值；Δk、ΔF_px、为未知参量的修正值；A为f₁、f₂、f₃对k、F_px、的一阶偏导；B为当k、F_px、取初值时，z₁-f₁、z₂-f₂、z₃-f₃的值；ΔX为未知参数的修正值矩阵；

根据ΔX＝A^-1×B，求得ΔX；然后根据X＝X₀+ΔX求得X；再将当前X作为初值代入式(11)进行迭代求解；当ΔX的二范数满足某一阈值时，迭代结束，以当前X作为式(11)的最优解，此时求得磁性套管的磁屏蔽系数k、磁性套管磁化后产生的干扰磁场在套管坐标系x轴方向的分量F_px、钻井的方位角