CN104879121A - 总线结构随钻测量工具磁方位角补偿技术实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种总线结构随钻测量工具磁方位角补偿技术实现方法，其先在无磁干扰的环境下通过测量总线上的实时电流，找到总线电流I与Bx、By、Bz三轴磁场分量的变化关系，对Bx、By、Bz三轴磁场分量进行补偿，消除总线电流对Bx、By、Bz三轴磁场分量的影响，用补偿后的Bx、By、Bz三轴磁场分量计算磁方位角Az，则计算得到的Az是定向传感器所在位置真实的磁方位角。

Description

总线结构随钻测量工具磁方位角补偿技术实现方法

技术领域

本发明涉及涉及石油天然气随钻测量技术领域，尤其是一种总线结构随钻测量工具磁方位角补偿技术实现方法。

背景技术

石油天然气钻井工程中，定向井、水平井、大位移井的数量在钻井总量中所占比例越来越高，随钻测量工具/仪器的应用范围越来越广，常用的石油钻井随钻工具/仪器有MWD(无线随钻测量仪)、LWD(无线随钻测井仪)、RSS(旋转导向钻井系统)等。

磁方位角Azimuth是随钻测量工具测量的井筒重要参数之一。随钻测量工具中装有定向传感器，定向传感器含有3个重力加速度传感器和3个磁场传感器，3个重力加速度传感器与3个磁场传感器分别正交安装于由无磁材料加工的传感器骨架上，重力加速度传感器分别为Gx、Gy、Gz，磁场传感器分别为Bx、By、Bz。重力加速度传感器用于测量地球的重力加速度分量Gx、Gy、Gz，磁场传感器用于测量地球磁场的磁感应强度分量Bx、By、Bz，根据测量的上述6个参数，即可以计算出传感器中心轴线所指的磁方位角(注:本申请文件中提到的传感器的名称与其输出量，采用同一符号描述)。

随钻测量工具是由多个测量短节串接而成的，如图1所示，测量短节间采用单总线连接，这种结构的优点是井下工具连接方便，井下测量系统的功能扩展性强，井下系统模块化结构易于维修保养。随钻测量工具是在专用钻杆上装有测量电路、传感器等电子模块。在钻井过程中，专用钻杆向下传递钻压、扭矩、钻井液，电路进行井筒及地层信息测量、存储、发送及进行相关的控制操作。磁方位角Azimuth是随钻测量工具测量的井筒重要参数之一，易受外部磁干扰的影响，磁干扰越强，磁方位角Azimuth的测量误差就越大。

对于一般的MWD/LWD系统，定向传感器安装于井下测量工具组合的最下端，上部电路对定向传感器磁方位角Azimuth的影响可忽略不计。随着石油钻探技术的发展，随钻工具的功能越来越多，不但进行测量，同时还要进行控制操作，由于井下工具组合的限制，定向传感器需要安装于井下工具组合的中部，井下工具组合的下部还有其他测量控制短节。当井下系统工作时，通过总线向井下工具的每个短节进行供电与通讯，流经总线的直流电流所产生的磁场，会改变定向传感器所在位置的磁场环境，使定向传感器测量磁方位角的误差变大，所以必须对定向传感器所测磁分量进行校验，以消除总线直流电流所产生的磁场对磁方位角的测量误差，提高磁方位角的测量精度。

总线直流电流所产生的磁场可使磁方位角的测量误差增加几倍，甚至几十倍，这时磁方位角的测量结果因误差太大而没有实际意义，所以在总线结构随钻测量系统中，确立磁方位角的补偿技术及实现方法，有着重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种总线结构随钻测量工具磁方位角补偿技术实现方法，消除总线电流产生的磁场对磁方位角的测量误差的影响，提高定向传感器的测量精度，实现对磁方位角的精确测量。

为了解决上述技术问题，本发明包括如下步骤：

在无磁干扰的环境下，将随钻测量工具水平放置在无磁支架上，由直流稳压电源通过总线向随钻测量工具供电，随钻测量工具的另一端接电子负载，其中，调节电子负载可改变流经总线的电流，随钻测量工具中含有定向传感器、总线电流测量电路；

设定流经总线的电流为I，当I＝I1、I2、I3时，分别测得每个磁分量传感器所对应的3个分量值，即Bx＝Bx1、Bx2、Bx3，By＝By1、By2、By3，Bz＝Bz1、Bz2、Bz3，见表1，

表1：各磁分量传感器的标定数据记录表

总线电流I	磁分量Bx	磁分量By	磁分量Bz
				I1	Bx1	By1	Bz1
I2	Bx2	By2	Bz2
				I3	Bx3	By3	Bz3

设定I1＝0，测得的磁分量Bx、By、Bz为无磁干扰时真实的磁分量，I2设定为实际总线电流的1/2，I3设定为实际总线电流的最大值；

由表1可得出各磁分量传感器的修正参数Bx’、By’、Bz’，见表2，

表2：各磁分量传感器的修正参数Bx’、By’、Bz’记录表

总线电流I	磁分量Bx’	磁分量By’	磁分量Bz’
				I0	0	0	0
I1	Bx1-Bx0	By1-By0	Bz1-Bz0
				I2	Bx2-Bx0	By2-By0	Bz2-Bz0

根据表2，利用线性曲线拟合技术，得出每个磁分量修正参数的拟合函数：

Bx’＝f(I，Bx0，Bx1，Bx2)

By’＝g(I，By0，By1，By2)

Bz’＝h(I，By0，By1，By2)

在随钻测量过程中，设定3个磁场传感器测到的磁分量分别为Bx0、By0、Bz0，总线电流为I，磁分量修正参数分别为Bx’、By’、Bz’，则修正后的磁分量分别为：Bx＝Bx0-Bx’，By＝By0-By’，Bz＝Bz0-Bz’；

将磁分量Bx、By、Bz代入磁方位角Az计算公式，

Az＝Arctan(BzGy-ByGz)G/(Bx(Gy²+Gz²)-ByGxGy-BzGxGz)

其中重力加速度G＝(Gx²+Gy²+Gz²)^1/2，Gx、Gy、Gz为定向传感器测量的三轴重力加速度分量，

即可得出真实的定向传感器所在的磁方位角。

本发明的有益效果是：通过测量总线上的实时电流，找到总线电流I与Bx、By、Bz三轴磁场分量的变化关系，对Bx、By、Bz三轴磁场分量进行补偿，消除总线电流对Bx、By、Bz三轴磁场分量的影响，用补偿后的Bx、By、Bz三轴磁场分量计算磁方位角Az，则计算得到的Az是定向传感器所在位置真实的磁方位角。

附图说明

图1为随钻测量工具的总线结构示意图；

图2为总线产生磁场对定向传感器的影响示意图；

图3为本发明中磁场传感器Bx、By、Bz的标定方法示意图；

图4为磁传感器分量线性拟合曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

根据“安培定则”，当电流流过导线时，在导线周围产生圆形磁场，磁场方向与电流方向的关系服从“右手定则”，磁感应强度B与磁导率μ₀、电流I及某点与长直导线的垂直距离R有关。

磁感应强度B＝μ₀*I/(2π*R)

μ₀：导磁率，真空磁导率μ₀＝2π*10^-7H/m

I：流经总线的电流值

R：总线与传感器中心轴的垂直距离

根据上述计算公式，随钻测量工具总线周围的环境材料全为非磁材料，磁导率μ₀恒定；总线与传感器的位置固定，其垂直距离R恒定；流经总线电流所产生磁感应强度B，随电流I的大小而变化，所以精确测量总线电流是实现磁方位角补偿的基础。

磁方位角Az的计算公式为：

Az＝Arctan(BzGy-ByGz)G/(Bx(Gy²+Gz²)-ByGxGy-BzGxGz)

其中重力加速度G＝(Gx²+Gy²+Gz²)^1/2；

Gx、Gy、Gz为定向传感器测量的三轴重力加速度分量；

Bx、By、Bz为定向传感器测量的三轴磁场分量；

从上述计算公式中可以看出，总线电流产生的磁场会影响到Bx、By、Bz的大小，从而计算得到的磁方位角Az是不准确的。

本发明首先在无磁干扰的环境下对定向传感器中的磁场传感器进行标定，根据标定结果计算出每个磁分量传感器的标定系数，再用标定系数修正磁分量，得到真实的磁分量Bx、By、Bz，利用前述的Az计算公式，即可计算出真实的磁方位角。具体方案如下：

在无磁干扰的环境下，将随钻测量工具水平放置在无磁支架上，无磁支架应由木材、铝、铜等无磁材料制成，由直流稳压电源通过总线向随钻测量工具供电，随钻测量工具的另一端接电子负载，其中，调节电子负载可改变流经总线的电流，随钻测量工具中含有定向传感器、总线电流测量电路；

设定流经总线的电流为I，当I＝I1、I2、I3时，分别测得每个磁分量传感器所对应的3个分量值，即Bx＝Bx1、Bx2、Bx3，By＝By1、By2、By3，Bz＝Bz1、Bz2、Bz3，见表1，

表1：各磁分量传感器的标定数据记录表

总线电流I	磁分量Bx	磁分量By	磁分量Bz
				I1	Bx1	By1	Bz1
I2	Bx2	By2	Bz2
				I3	Bx3	By3	Bz3

设定I1＝0，测得的磁分量Bx、By、Bz为无磁干扰时真实的磁分量，I2设定为实际总线电流的1/2，I3设定为实际总线电流的最大值；如有必要可以再增加1至2组标定数据；

由表1可得出各磁分量传感器的修正参数Bx’、By’、Bz’，见表2，

表2：各磁分量传感器的修正参数Bx’、By’、Bz’记录表

总线电流I	磁分量Bx’	磁分量By’	磁分量Bz’
				I0	0	0	0
I1	Bx1-Bx0	By1-By0	Bz1-Bz0
				I2	Bx2-Bx0	By2-By0	Bz2-Bz0

根据表2，利用线性曲线拟合技术，得出每个磁分量修正参数的拟合函数：

Bx’＝f(I，Bx0，Bx1，Bx2)

By’＝g(I，By0，By1，By2)

Bz’＝h(I，By0，By1，By2)

在随钻测量过程中，设定3个磁场传感器测到的磁分量分别为Bx0、By0、Bz0，总线电流为I，磁分量修正参数分别为Bx’、By’、Bz’，则修正后的磁分量分别为：Bx＝Bx0-Bx’，By＝By0-By’，Bz＝Bz0-Bz’；

将磁分量Bx、By、Bz代入磁方位角Az计算公式，

Az＝Arctan(BzGy-ByGz)G/(Bx(Gy²+Gz²)-ByGxGy-BzGxGz)

其中重力加速度G＝(Gx²+Gy²+Gz²)^1/2，Gx、Gy、Gz为定向传感器测量的三轴重力加速度分量，

即可得出真实的定向传感器所在的磁方位角。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (1)

1.一种总线结构随钻测量工具磁方位角补偿技术实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

在无磁干扰的环境下，将随钻测量工具水平放置在无磁支架上，由直流稳压电源通过总线向随钻测量工具供电，随钻测量工具的另一端接电子负载，其中，调节电子负载可改变流经总线的电流，随钻测量工具中含有定向传感器、总线电流测量电路；

设定流经总线的电流为I，当I＝I1、I2、I3时，分别测得每个磁分量传感器所对应的3个分量值，即Bx＝Bx1、Bx2、Bx3，By＝By1、By2、By3，Bz＝Bz1、Bz2、Bz3，见表1，

表1：各磁分量传感器的标定数据记录表

总线电流I 磁分量Bx 磁分量By 磁分量Bz I1 Bx1 By1 Bz1 I2 Bx2 By2 Bz2 I3 Bx3 By3 Bz3

设定I1＝0，测得的磁分量Bx、By、Bz为无磁干扰时真实的磁分量，I2设定为实际总线电流的1/2，I3设定为实际总线电流的最大值；

由表1可得出各磁分量传感器的修正参数Bx’、By’、Bz’，见表2，

表2：各磁分量传感器的修正参数Bx’、By’、Bz’记录表

总线电流I 磁分量Bx’ 磁分量By’ 磁分量Bz’ I0 0 0 0 I1 Bx1-Bx0 By1-By0 Bz1-Bz0 I2 Bx2-Bx0 By2-By0 Bz2-Bz0

根据表2，利用线性曲线拟合技术，得出每个磁分量修正参数的拟合函数：

Bx’＝f(I，Bx0，Bx1，Bx2)

By’＝g(I，By0，By1，By2)

Bz’＝h(I，By0，By1，By2)

在随钻测量过程中，设定3个磁场传感器测到的磁分量分别为Bx0、By0、Bz0，总线电流为I，磁分量修正参数分别为Bx’、By’、Bz’，则修正后的磁分量分别为：Bx＝Bx0-Bx’，By＝By0-By’，Bz＝Bz0-Bz’；

将磁分量Bx、By、Bz代入磁方位角Az计算公式，

Az＝Arctan(BzGy-ByGz)G/(Bx(Gy²+Gz²)-ByGxGy-BzGxGz)

其中重力加速度G＝(Gx²+Gy²+Gz²)^1/2，Gx、Gy、Gz为定向传感器测量的三轴重力加速度分量，

即可得出真实的定向传感器所在的磁方位角。