CN104234696A

CN104234696A - Mwd系统的精确标定方法及其应用

Info

Publication number: CN104234696A
Application number: CN201410418056.9A
Authority: CN
Inventors: 林恩怀; 李成志; 刘瑞娟; 王鑫; 蒋威
Original assignee: Beijing Pulimen Electronic Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Pulimen Electronic Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: CN104234696B

Abstract

本发明公开了一种MWD系统的精确标定方法及其应用，所述的精确标定方法为：利用误差模型对MWD系统姿态角的实时解算结果进行标定。本发明在井斜角与方位角设定值不变的情况下，通过利用误差模型对MWD系统的姿态角进行标定，从而可以有效减小井斜角、方位角解算结果的波动，消除姿态角解算过程中的系统误差，由于井斜角和方位角的测量是为了指导钻机的钻进，因此本发明的精确标定方法可有效帮助精确控制井眼轨迹与提高钻井精度。此外，本发明的精确标定算法也可推广应用到自动垂直钻井系统、旋转导向等系列产品的标定流程中。

Description

MWD系统的精确标定方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种标定方法，尤其涉及一种MWD系统的精确标定方法及其应用。

背景技术

MWD(Measure While Dring)系统能够随钻实时测量井眼轨迹参数，包括：井斜角、方位角、工具面角及辅助参数(如温度等)，并在钻井过程中将测量结果实时传输到地面进行处理，以便达到控制井眼轨迹和提高钻井精度的目的，因此所测的井眼轨迹参数在满足实时性的同时，还必须具有一定的精度。所述的井斜角是指钻孔某点的切线与铅垂线之间的夹角，其反映的是钻头的倾斜程度，变化范围为0°～180°，即钻具垂直向下方向时的井斜角为0°，钻具水平方向时的井斜角为90°；所述的方位角是指钻孔某点的切线在水平面上的投影与正北方向之间的夹角(顺时针方向)；实际中磁北方向和真北方向不同，它们之间的夹角称为磁偏角，同时地球上各地的磁偏角不同；所述的工具面角是指在与钻具垂直的平面内，造斜方向与钻孔终点方向(在钻孔弯曲平面内)之间的夹角，它决定了钻孔轨迹的下一步延伸方向。

现有随钻测井系列产品的标定工作(如申请号为201110336795.X、名称为“MWD定向探管有源磁场标定方法”的专利申请以及《北京工业大学》公开的“MWD定向探管有源磁场标定系统的研究”)主要围绕传感器的输出精度方面展开，在已知当地磁场强度、磁倾角、重力加速度等信息的基础上，通过对不同姿态条件下的测控短节上的磁通门和加速度计的输出结果进行观测来纠正传感器的安装误差，同时计算出零位误差系数和比例误差系数，并通过标定公式对磁通门和加速度计的输出结果进行修正，利用修正后的测量数据解算井斜、方位角等姿态信息，从而达到标定目的，保证磁通门、加速度计输出结果的精度基本满足姿态角解算的要求。但是MWD系统在同井斜与方位的姿态条件下，当工具面角MHS发生变化时，井斜角INC与方位角AZ的解算结果也会发生相应的偏移，即在井斜角与方位角设定值不变的情况下，井斜角和方位角的解算结果仍然存在较大的波动性，因而上述现有方法并不能从根本上达到精确标定的目的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种MWD系统的精确标定方法及其应用，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是在井斜角与方位角设定值不变的情况下，井斜角和方位角的解算结果仍然存在较大的波动性，不能从根本上达到精确标定目的的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：MWD系统的精确标定方法，利用误差模型对MWD系统姿态角(井斜角、方位角)的实时解算结果进行标定。

具体的说，包括以下步骤：

a.根据MWD系统姿态角(井斜角、方位角)的实时解算结果查表，获得误差模型曲线系数；

b.通过误差模型曲线系数构建误差模型曲线，并利用误差模型曲线对MWD系统的姿态角(井斜角、方位角)解算结果进行标定，得精确标定后的姿态角(井斜角、方位角)。

由于MWD系统(即随钻测量系统)的作用就是测量钻进过程中的钻具的姿态角，因而本发明中选择对姿态角(井斜角、方位角)进行标定，即可实现对MWD系统的精确标定。

步骤b中所述的利用误差模型曲线对MWD系统的姿态角(井斜角、方位角)解算结果进行标定，得精确标定后的姿态角(井斜角、方位角)是指：利用加速度计与磁通门传感器的输出结果解算井斜角、方位角，通过误差模型计算出此时MWD系统井斜角或方位角的误差估计值；再用井斜角或方位角的系统计算值(即实时解算结果)减去井斜角或方位角的误差估计值，即可消除MWD系统误差，获得精确标定后的姿态角(即井斜角或方位角)。

本发明中通过以下方法对步骤a中所述的误差模型曲线系数进行建表：

S1.在设定的姿态条件下利用三轴转台对MWD系统的姿态角(井斜角、方位角)进行测量，获得加速度计与磁通门传感器的输出结果；

S2.标定软件系统根据加速度计与磁通门传感器的输出结果解算出MWD系统的姿态角(即井斜角、方位角)；

S3.利用不同姿态条件下的姿态角(井斜角、方位角)解算结果建立井斜角和方位角的误差模型；

S4.将所述误差模型的系数建表，并存入MWD系统中。

步骤S1中，所述的设定的姿态条件是指进行试验前，首先对试验时的井斜角、方位角设置一个值(同时工具面角在0～350度变化)，便于观察解算结果的误差情况，验证方法的有效性。

步骤S3中，由于试验过程中是固定井斜角或方位角的情况下，0～350度变化工具面角，这时可发现井斜角或方位角解算结果的误差值曲线符合三角函数规律(正弦)；因此设误差模型曲线函数为X＝B+A*sin(W*(MHS)+N)，即可根据工具面角、井斜角或方位角解算结果、井斜角或方位角设定值，计算出B、A、W、N，进而确定误差模型。本发明中需要对井斜角和方位角分别建模。

优选的，步骤S3所述的利用不同姿态条件下的姿态角(井斜角、方位角)解算结果建立井斜角和方位角的误差模型包括：当保持井斜角和方位角的设定值不变时，利用不同工具面角条件下井斜角和方位角解算值的偏移量建立相应的误差模型，也就是说，保持井斜角和方位角的设定值不变时，利用不同工具面角条件下井斜角和方位角解算值的偏移量建立相应的误差模型，然后再改变井斜角和方位角的设定值，再建立相应的误差模型；在实际使用过程中，采用查表的方式，根据实时计算得到的井斜角和方位角(即姿态角的实时解算结果)，分别获取井斜角与方位角的误差模型参数B、A、W、N，再根据实时计算的MHS(工具面角)，通过X＝B+A*sin(W*(MHS)+N)，就可以计算出井斜角与方位角的实时的系统误差；最后利用井斜角与方位角的解算结果减去误差，即得精确标定之后井斜角与方位角的解算结果。

前述的误差模型为：X＝B+A*sin(W*(MHS)+N)，其中，X为井斜角或方位角解算结果的偏移值，MHS为工具面角值，B、A、W、N为误差模型曲线系数。

前述的MWD系统的精确标定方法在钻机自动纠正中的应用。

所述的应用方法为：执行机构利用精确标定后的姿态角(井斜角、方位角)对钻机进行自动纠正。

为了得到本发明的技术方案，发明人进行了一系列的试验研究，具体如下：

一、将井斜角设定为0.5°，方位角设定为0°时，工具面角设定为0°～350°，工具面角间隔10°变化时，方位角与井斜角的解算结果误差值的变化规律如图1、图2所示，由图1可知：随着工具面角的变化，方位角的解算值围绕方位角的设定值0°波动；由图2可知：随着工具面角的变化，井斜角的解算值围绕井斜角的设定值0.5°波动；而且井斜角与方位角的解算结果的误差值随工具面角的变化规律符合正弦曲线的特性——X＝B+A*sin(W*(MHS)+N)，其中，MHS为工具面角值，该误差模型曲线的截距B、幅值A、初始相位N及频率W与设定的井斜角和方位角有关。图3和图4分别为井斜角与方位角的误差模型曲线与实测曲线的对比图，由图3、图4可知：在井斜角和方位角的设定值不变的情况下，随着工具面角的变化，井斜角和方位角的误差模型曲线始终逼近井斜角与方位角的解算结果的偏移值。由于偏移值的变化是有规律性的，因此可利用误差模型来消除解算结果的系统误差，减小解算结果的波动范围，实现精确标定的目的，具体的标定效果如图5、图6所示，由图5、图6可知：精确标定处理后，井斜角与方位角的解算结果误差曲线的波动明显减小，从而证明了本发明的精确标定方法能有效减小井斜角与方位角解算结果中的系统误差分量；本发明将系统误差分量变为可标定误差进行消除，达到了预期效果。

二、为了对精确标定算法的性能进行分析，设定井斜角为0.5°时，针对不同的方位角，系统对井斜角、方位角解算结果的误差曲线进行建模，并将曲线的截距、幅值、初始相位等系数建表，通过查表的方式获取系数，再进行标定计算(由于在MWD系统应用过程中，井斜角和方位角会发生变化，而误差模型曲线中的截距、幅值、初始相位等系数都是随着井斜角和方位角的不同而变化的，因此，对MWD系统进行精确标定时，需要预先对不同井斜角和方位角条件的模型曲线系数建表存储，然后通过查表的方式对解算结果进行精确标定，从而消除其中的系统误差分量)。具体内容如下：

方位角解算结果的精确标定效果分析

方位角(AZ)的误差模型曲线解析式为：X＝B1+A1*sin(W1*(MHS)+N1)，则误差模型系数如表1所示：

表1 设定井斜为0.5°时，方位角误差模型系数表

设定AZ	截距B1	幅值A1	频率W1	初始相位N1
					0	0.0483	16.7850	0.0175	3.7578
60	-0.0194	18.5600	0.0175	2.8725
					120	-0.0792	20.4050	0.0175	1.7309
180	0.0717	21.3150	0.0175	0.8778
					240	0.2511	21.8700	0.0175	0.1228
300	0.3003	20.3400	0.0175	-0.6455

利用该误差模型，对方位角的解算结果进行二次标定(本发明的精确标定方法是建立在背景技术中所述的传感器标定的基础上的，对传感器的标定为一次标定，进而利用本发明的误差模型进行标定为二次标定)，结果如图7～图18所示。由图7～图18可以看出，精确标定算法可根据井斜角与方位角的设定值，通过查表的方式获取误差模型曲线系数，再利用误差模型曲线逼近实际误差值波动的特性，消除方位角解算值的系统误差分量，实现精确标定的目的。

井斜角解算结果精确标定效果分析

井斜角(INC)误差模型曲线解析式：Y＝B2+A2*sin(W2*(MHS)+N2)，则误差模型系数如表2所示。

表2 设定井斜为0.5°时，井斜角误差模型系数表

设定AZ	截距B2	幅值A2	频率W2	初始相位N2
					0	0.0447	0.1550	0.0175	-0.6220
60	0.0469	0.1800	0.0175	-1.2256

120	0.0383	0.1800	0.0175	-2.3148
					180	0.0364	0.1850	0.0175	-3.1754
240	0.0389	0.1900	0.0175	-3.7756
					300	0.0478	0.1800	0.0175	-4.6820

利用该误差模型，对井斜角的解算结果进行二次标定(二次标定的含义同上)，结果如图19～图30所示。由图19～图30可以看出，精确标定算法可根据井斜角与方位角解算值，通过查表的方式获取模型曲线系数，再利用误差模型曲线逼近实际误差值波动的特性，消除井斜角解算值的系统误差分量，实现精确标定的目的。

表1、表2中，建表时设定值与系数是一一对应的关系，在实际使用时，则相应的结算结果与系数是一一对应的关系。

结论：本发明的精确标定算法能有效应用于MWD系统精确标定中，预先对MWD系统在设定的井斜角和方位角的条件下所得到的井斜角与方位角的解算结果误差变化趋势进行建模，并将该模型曲线的系数进行建表、存储；实际应用时在已知系统井斜角及方位角解算结果信息的基础上，通过查表的方式即可获取模型曲线系数，利用误差模型实时逼近井斜角和方位角的解算结果系统误差，从而有效减小井斜角、方位角解算结果的波动，减小系统误差；将系统误差变为可标定误差进行消除，达到了精确标定的目的。

与现有技术相比，本发明通过利用误差模型对MWD系统的姿态角(井斜角、方位角)进行标定，从而可以有效减小井斜角、方位角解算结果的波动，消除姿态角(井斜角、方位角)解算过程中的系统误差。由于井斜角和方位角的测量是为了指导钻机的钻进，因而将该标定方法用于钻机中则可实现精确控制井眼轨迹，提高钻井的精度。此外，本发明的精确标定算法也可推广应用到自动垂直钻井系统、旋转导向等系列产品的标定流程中。据试验数据统计结果表明，采用本发明的标定方法后，可有效消除井斜角与方位角解算结果中的系统误差，提高解算精度。

本发明的难度在于：发明人发现了井斜角与方位角随工具面角变化而波动的规律，可通过对井斜角与方位角解算结果的误差进行建模的方法来消除有规律的系统误差(因为井斜角与方位角已经是设定值本应固定不变的，因而解算结果的波动就是有规律的系统误差造成的)。

附图说明

图1是方位角解算结果随工具面角的变化图；

图2是井斜角解算结果随工具面角的变化图；

图3是方位角的误差模型曲线与实测曲线的对比图；

图4是井斜角的误差模型曲线与实测曲线的对比图；

图5是方位角精确标定前后的效果对比图；

图6是井斜角精确标定前后的效果对比图；

图7是设定方位角为0°时，方位角实测值(即实际解算结果)曲线与误差模型曲线的对比图；

图8是设定方位角为0°时，方位角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图9是设定方位角为60°时，方位角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图10是设定方位角为60°时，方位角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图11是设定方位角为120°时，方位角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图12是设定方位角为120°时，方位角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图13是设定方位角为180°时，方位角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图14是设定方位角为180°时，方位角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图15是设定方位角为240°时，方位角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图16是设定方位角为240°时，方位角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图17是设定方位角为300°时，方位角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图18是设定方位角为300°时，方位角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图19是设定方位角为0°时，井斜角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图20是设定方位角为0°时，井斜角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图21是设定方位角为60°时，井斜角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图22是设定方位角为60°时，井斜角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图23是设定方位角为120°时，井斜角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图24是设定方位角为120°时，井斜角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图25是设定方位角为180°时，井斜角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图26是设定方位角为180°时，井斜角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图27是设定方位角为240°时，井斜角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图28是设定方位角为240°时，井斜角解算结果精确标定前后的效果对比图；

图29是设定方位角为300°时，井斜角实测值曲线与误差模型曲线的对比图；

图30是设定方位角为300°时，井斜角解算结果精确标定前后的效果对比图。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例：MWD系统的精确标定方法，包括以下步骤：

a.根据MWD系统井斜角、方位角的实时解算结果查表，获得误差模型曲线系数；

b.通过误差模型曲线系数构建误差模型曲线，并利用误差模型曲线对MWD系统的井斜角、方位角解算结果进行标定，得精确标定后的井斜角、方位角。

其中，通过以下方法对步骤a中所述的误差模型曲线系数进行建表：

S1.在设定的姿态条件下(井斜角、方位角设为定值，同时工具面角在0～350度变化)利用三轴转台对MWD系统的井斜角、方位角进行测量，获得加速度计与磁通门传感器的输出结果；

S2.标定软件系统根据加速度计与磁通门传感器的输出结果解算出MWD系统的井斜角、方位角；

S3.利用不同姿态条件下的井斜角、方位角解算结果建立井斜角和方位角的误差模型；所述的误差模型为：X＝B+A*sin(W*(MHS)+N)，其中，X为井斜角或方位角解算结果的偏移值，MHS为工具面角值，B、A、W、N为误差模型曲线系数；

S4.将所述误差模型的系数建表，并存入MWD系统中。

上述的MWD系统的精确标定方法可用于钻机自动纠正中。

Claims

1.MWD系统的精确标定方法，其特征在于，利用误差模型对MWD系统姿态角的实时解算结果进行标定。

2.根据权利要求1所述的MWD系统精确标定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

a.根据MWD系统姿态角的实时解算结果查表，获得误差模型曲线系数；

b.通过误差模型曲线系数构建误差模型曲线，并利用误差模型曲线对MWD系统的姿态角解算结果进行标定，得精确标定后的姿态角。

3.根据权利要求2所述的MWD系统的精确标定方法，其特征在于，通过以下方法对步骤a中所述的误差模型曲线系数进行建表：

S1.在设定的姿态条件下利用三轴转台对MWD系统的姿态角进行测量，获得加速度计与磁通门传感器的输出结果；

S2.标定软件系统根据加速度计与磁通门传感器的输出结果解算出MWD系统的姿态角；

S3.利用不同姿态条件下的姿态角解算结果建立井斜角和方位角的误差模型；

S4.将所述误差模型的系数建表，并存入MWD系统中。

4.根据权利要求3所述的MWD系统的精确标定方法，其特征在于，步骤S3所述的利用不同姿态条件下的姿态角解算结果建立井斜角和方位角的误差模型包括：当保持井斜角和方位角的设定值不变时，利用不同工具面角条件下井斜角和方位角解算值的偏移量建立相应的误差模型。

5.根据权利要求4所述的MWD系统的精确标定方法，其特征在于，所述的误差模型为：X＝B+A*sin(W*(MHS)+N)，其中，X为井斜角或方位角解算结果的偏移值，MHS为工具面角值，B、A、W、N为误差模型曲线系数。

6.权利要求1～5任一所述的MWD系统的精确标定方法在钻机自动纠正中的应用。