CN112082572B - 一种标定钻具磁干扰的装置及方法 - Google Patents

一种标定钻具磁干扰的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种标定钻具磁干扰的装置及方法，该方法利用单位强度人工磁场在空间中的旋转，模拟定向传感器磁通门测量轴的标定旋转，实现在BHA磁干扰环境中，确定定向传感器测量点的干扰磁场强度，标定定向传感器磁通门测量值；再通过对比定向传感器固有的标定系数后，确定BHA干扰磁场的强度。在现场应用中，定向传感器通过建模消除BHA干扰磁场的影响，提高工程参数的测量精度，从而减少钻井施工的成本，提高中靶率。

Description

一种标定钻具磁干扰的装置及方法
【技术领域】
本发明属于石油行业井下定向传感器标定校准领域，尤其是标定井下钻具磁化干扰，具体为一种标定钻具磁干扰的装置及方法。
【背景技术】
在钻井工程中，为了对井眼轨迹进行精确控制，通常采用基于三个加速度计和三个磁通门结构的定向传感器测量井眼的工程参数。定向传感器在测量方位角时，需要磁通门测量地球磁场的矢量强度。而地球磁场是弱磁场，易受到其它磁性干扰源影响。
在钻井施工现场，定向传感器通常安装在钻具组合(Bottom hole assembly，简称BHA)的无磁钻铤中，用以减少外界磁干扰源对磁通门测量的影响。可是，BHA在运输或者施工中，进行运动和切割磁场线，导致BHA的其它磁性材料被逐渐磁化，形成了磁性干扰源，通常，BHA磁化会在无磁钻铤两端形成磁极；两端磁极在BHA轴向形成一个干扰磁场；干扰磁场对定向传感器的影响，干扰程度取决于无磁钻铤的长度和BHA的组成结构。为了提高定向传感器对地球磁场测量的准确性，需要排除BHA磁化的影响。目前，一般通过调节无磁钻铤长度的方法，降低BHA磁化对定向传感器的影响，但是该方法能够减弱干扰磁场的影响，但无法消失。
通常，参考经验值，通过估算BHA磁极强度，计算消除BHA磁化对定向传感器的影响，例如，采用井筒测量精度行业指导委员会(Industry Steering Committee onWellbore Survey Accuracy，简称ISCWSA)提供的磁化钻柱上极、动力钻具、扶正器等BHA组件磁极强度数据。但是，由于BHA干扰磁场和地球磁场方向的夹角在不同地理纬度和井眼轨迹中会有变化，所以BHA干扰磁场对工程参数测量的影响会有不同，现有参考经验值的方法很难完全消除影响。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种标定钻具磁干扰的装置及方法，用于解决定向传感器受钻具磁干扰影响的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种标定钻具磁干扰的方法，包括：
步骤1，调整三轴亥姆霍兹线圈中的磁场值，抵消外界磁场，然后在Z轴方向产生标准磁场；
步骤2，将钻具固定在标定台架上，钻具中的磁性传感器Bx、磁性传感器By和磁性传感器Bz均在三轴亥姆霍兹线圈的中心区域内；
步骤3，所述标准磁场以Y轴为其轴线转动，同时钻具在标准磁场中磁化产生干扰磁场；
步骤4，标准磁场转动一个设定角度，磁性传感器Bz输出一个数值，通过不同角度对应的数值，获得磁性传感器Bz在干扰磁场干扰下的零位偏差；
步骤5，将磁性传感器Bz在干扰磁场干扰下的零位偏差，和磁性传感器Bz在无干扰环境中的零位偏差进行对比，得到标定值ΔU。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤1中，所述磁场值为矢量磁场XB、矢量磁场YB和矢量磁场ZB。
优选的，步骤2中，所述三轴亥姆霍兹线圈的中心区域为：以三轴亥姆霍兹线圈中心点为中心点的立方体。
优选的，步骤3中，调整三轴亥姆霍兹线圈内的矢量磁场XB和矢量磁场ZB，使得三轴亥姆霍兹线圈内的磁场的强度为定值，且围绕Y轴转动。
优选的，步骤5中，所述无干扰环境中的零位偏差是磁性传感器Bz为无钻具磁干扰环境下得到的标定结果。
优选的，步骤5后还包括步骤6，步骤6为重复步骤1到步骤5，标定磁性传感器Bx和磁性传感器By。
一种实现上述方法的标定钻具磁干扰的装置，包括三轴亥姆霍兹线圈，三轴亥姆霍兹线圈中设置有标定台架，钻具中设置有定向传感器，定向传感器中有磁性传感器Bx、磁性传感器By和磁性传感器Bz，磁性传感器Bx(401)、磁性传感器By和磁性传感器Bz均在三轴亥姆霍兹线圈中的中心区域内。
优选的，所述钻具和标定台架为滑动连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种标定钻具磁干扰的装置和方法，该方法利用单位强度人工磁场在空间中的旋转，模拟定向传感器磁通门测量轴的标定旋转，实现在BHA磁干扰环境中，确定定向传感器测量点的干扰磁场强度，标定定向传感器磁通门测量值；再通过对比定向传感器固有的标定系数后，确定BHA干扰磁场的强度。在现场应用中，定向传感器通过建模消除BHA干扰磁场的影响，提高工程参数的测量精度，从而减少钻井施工的成本，提高中靶率。该方法方便在现场应用中消除BHA磁化对定向传感器测量值的影响，提升井眼轨迹的测量精度，与在BHA中增加无磁钻铤长度减小干扰的方法相比，本发明可以优化钻具组合，减小无磁钻铤长度，使定向传感器的测量点更接近动力钻具，方便施工现场的导向判断。
【附图说明】
图1为本发明一种模拟钻具磁干扰对方位测量误差影响的结构示意图；
图2为三轴亥姆霍兹线圈XB和ZB所构成的平面转动示意图；
图3为定向组件磁性传感器Bz磁场干扰示意图。
图4为定向传感器测量数据采集示意图；
其中：1-三轴亥姆霍兹线圈；2-标定台架；3-钻具；301-磁化钻具；302-无磁钻铤；4-定向传感器；401-磁性传感器Bx；402-定向传感器磁性传感器By；403-定向传感器磁性传感器Bz。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种标定钻具磁干扰的装置及方法，装置包括三轴亥姆霍兹线圈1和标定台架2；标定台架2设置在三轴亥姆霍兹线圈1的内部，且三轴亥姆霍兹线圈的X轴和标定台架2的测量轴平行；标定台架2上放置有钻具3，钻具3和标定台架2滑动连接，钻具3包括一体连接的磁化钻具301和无磁钻铤302，磁化钻具302内部装载有定向传感器4，定向传感器4内放置有磁性传感器，磁性传感器包括测量X方向磁场的磁性传感器Bx401、测量Y方向磁场的磁性传感器By402和测量Z方向磁场的磁性传感器Bz403，三个磁性传感器均在三轴亥姆霍兹线圈1的中心区域，三轴亥姆霍兹线圈1的中心区域为一个立方体，该立方体的中心为三轴亥姆霍兹线圈1的中心，优选的，该立方体的尺寸为40cm×40cm×40cm，参见图1，除特殊说明外，本发明中X，Y，Z方向均以三轴亥姆霍兹线圈1的X，Y，Z方向为基准，以下不再赘述。
通过上述装置实现标定钻具磁干扰的方法，包括以下步骤：
(1)调整三轴亥姆霍兹线圈1中的磁场的矢量强度进而调整产生的磁场值，使得产生的磁场抵消外界磁场，然后在Z轴方向产生标准单位磁场ZB，标准单位磁场的数值为设定值；
(2)将钻具3固定至标定台架2上，并调整标定台架2，使钻具3中定向传感器4的Z轴平行于三轴亥姆霍兹线圈1的Z轴，调整磁性传感器Bz403的测量值接近三轴亥姆霍兹线圈磁场的设定值；
(3)调整三轴亥姆霍兹线圈1内的磁场中X轴和Z轴的矢量磁场XB、ZB的强度，使得三轴亥姆霍兹线圈1内产生转动的标准磁场转动，标准磁场围绕三轴亥姆霍兹线圈1的Y轴，标准磁场的磁场强度为定值，标准磁场转动，同时钻具3中无磁钻铤受到磁化钻具产生干扰磁场的影响。
(4)三轴亥姆霍兹线圈1内产生标准磁场转动一圈，记录定向传感器4的磁性传感器Bz403的测量采集值组输出的数值；定向传感器磁性传感器Bz403的测量采集间隔为磁场转动时的一个设定角度，该设定角度根据需求进行设定，保证磁性传感器Bz403的输出数值频率满足计算要求；在该过程中，磁性传感器Bz403在干扰磁场的影响下，输出的数值为干扰环境下输出的数值。
(5)依照标准磁场转动时磁性传感器Bz403输出的数值，拟合计算出定向传感器4的磁性传感器Bz403的输出的数值和标准磁场转定一个设定角度的输出关系；通过数据计算，得到定向传感器4的磁性传感器Bz403在该干扰磁场时受到磁干扰的时的零位偏差；磁性传感器Bz403的输出的数值能够为电压值、电流值或其他设定形式。
(6)通过比较定向传感器4的磁性传感器Bz403在无钻具磁场干扰条件下原始标定系数的零位偏差，校正定向传感器4磁性传感器Bz403的零位偏差，完成了磁性传感器Bz403的标定。所述无干扰环境中的零位偏差是磁性传感器Bz403在定向传感器4中的固有属性，为无钻具磁干扰环境下得到的标定结果。
因为钻杆3的放置位置为平行于Z轴，因此Z方向产生的最大的干扰磁场，因此标定完Z方向的磁场后，能够重复步骤(1)-(6)，完成磁性传感器Bx401和磁性传感器By402的标定。
实施例
一种标定钻具磁干扰的方法，包括以下步骤：
(1)如图1所示，调整三轴亥姆霍兹线圈1中的磁场值，根据在线圈中心的环境磁场强度，调整三轴亥姆霍兹线圈，发射矢量磁场XB、YB、ZB，用以抵消外界磁场；在线圈中心磁场值为“0”后，调整矢量磁场ZB产生额外50μT磁场作为标准单位磁场；
(2)如图2和图3所示，通过标定台架2上的滑轨将钻具3固定到三轴亥姆霍兹线圈1内部，使无磁钻铤301内部的定向传感器4的磁性传感器Bx401、By402和Bz403靠近三轴亥姆霍兹线圈1的中心40cm×40cm×40cm内；相对于Bx401和By402，磁化钻具301产生的干扰磁场△Bc平行于定向传感器4的Z轴，对定向传感器磁性传感器Bz403的干扰最大；通过调整标定台架2使Bz403的测量值接近50μT，使定向传感器4的Z轴平行于三轴亥姆霍兹线圈1的Z轴；
S3、调整三轴亥姆霍兹线圈1内的磁场XB和ZB的矢量参数，如图3所示，通过式(1)，调整三轴亥姆霍兹线圈1的中磁倾角D，使钻具3的外围磁场沿三轴亥姆霍兹线圈1的Y方向转动；通过式(2)控制三轴亥姆霍兹线圈内的TMF(总磁场的强度)为一个恒定值，如50μT，接近地球磁场大小。
Figure BDA0002647635660000071
Figure BDA0002647635660000072
上式中，为了保证TMF为定值，当XB变大时，则ZB需要变小；XB变小时，则ZB需要变大，因此根据式(1)调整D，在产生干扰磁场的同时，使得TMF为定值。
S4、三轴亥姆霍兹线圈1内标准磁场转动一圈，如图4所示，记录定向传感器磁性传感器Bz403的采集值组，模拟定向传感器磁性传感器Bz403在50μT磁场中转动的过程，并以15°为采样间隔。
S5、在图4中，采集的数值组呈正弦分布，定向传感器磁性传感器Bz403的采集值为式(3)所示的正弦函数。由于定向传感器4的磁性传感器Bz403在标准单位磁场转动中的等间隔角度可以设为参数ti(i＝1,2,3…)，式(3)中，x0、x1、x2和
Figure BDA0002647635660000073
为正弦函数的常数项，式(3)代表了磁性传感器Bz403在干扰磁场干扰的作用下，输出电压值
Figure BDA0002647635660000081
和零位偏差之间的关系，在不同磁场角度ti点的采集磁性传感器Bz403的输出值
Figure BDA0002647635660000082
通过图4的采集点绘制正弦曲线，再通过计算可得到定向传感器磁性传感器Bz403采集值
Figure BDA0002647635660000083
在50μT磁场中转动的输出方程式中的常数项，计算出未知量参数零位偏差
Figure BDA0002647635660000084
Figure BDA0002647635660000085
S6、如图4所示，比较定向传感器磁性传感器Bz403在无干扰环境中的原始标定系数
Figure BDA0002647635660000086
和计算结果
Figure BDA0002647635660000087
的差值，校正定向传感器磁性传感器Bz403，如下式(5)所示，得到标定值ΔU。
Figure BDA0002647635660000088
S7、如式(5)(6)所示，校正定向传感器磁性传感器Bz403的采样值
Figure BDA0002647635660000089
的误差。
Figure BDA00026476356600000810
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种标定钻具磁干扰的方法，其特征在于，包括：
步骤1，调整三轴亥姆霍兹线圈(1)中的磁场值，抵消外界磁场，然后在Z轴方向产生标准磁场；
步骤2，将钻具(3)固定在标定台架(2)上，钻具(3)中的磁性传感器Bx(401)、磁性传感器By(402)和磁性传感器Bz(403)均在三轴亥姆霍兹线圈(1)的中心区域内；
所述三轴亥姆霍兹线圈(1)的中心区域为：以三轴亥姆霍兹线圈(1)中心点为中心点的立方体；
步骤3，所述标准磁场以Y轴为其轴线转动，同时钻具(3)在标准磁场中磁化产生干扰磁场；调整三轴亥姆霍兹线圈(1)内的矢量磁场XB和矢量磁场ZB，使得三轴亥姆霍兹线圈内的磁场的强度为定值，且围绕Y轴转动；
步骤4，标准磁场转动一个设定角度，磁性传感器Bz(403)输出一个数值，通过不同角度对应的数值，获得磁性传感器Bz(403)在干扰磁场干扰下的零位偏差；
步骤5，将磁性传感器Bz(403)在干扰磁场干扰下的零位偏差，和磁性传感器Bz(403)在无干扰环境中的零位偏差进行对比，得到标定值ΔU；
钻具(3)的放置位置为平行于Z轴，Z方向产生的最大的干扰磁场；
采集的数值组呈正弦分布，定向传感器的磁性传感器Bz(403)的采集值为式(3)所示的正弦函数；由于定向传感器(4)的磁性传感器Bz(403)在标准单位磁场转动中的等间隔角度设为参数ti，i＝1、2、3…；式(3)中，x0、x1、x2为正弦函数的常数项，式(3)代表了磁性传感器Bz(403)在干扰磁场干扰的作用下，输出电压值
Figure FDA0004065786020000011
和零位偏差之间的关系，在不同磁场角度ti点的采集磁性传感器Bz(403)的输出电压值
Figure FDA0004065786020000021
通过采集点绘制正弦曲线，再通过计算得到定向传感器磁性传感器Bz(403)采集的输出电压值
Figure FDA0004065786020000022
在50μT磁场中转动的输出方程式中的常数项，计算出未知量参数零位偏差
Figure FDA0004065786020000023
Figure FDA0004065786020000024
比较定向传感器的磁性传感器Bz(403)在无干扰环境中的原始标定系数
Figure FDA0004065786020000025
和计算结果
Figure FDA0004065786020000026
的差值，校正定向传感器的磁性传感器Bz(403)，如下式(5)所示，得到标定值ΔU；
Figure FDA0004065786020000027
如式(6)所示，校正定向传感器磁性传感器Bz(403)的采样值
Figure FDA0004065786020000028
的误差；
Figure FDA0004065786020000029
步骤6，重复步骤1至步骤5，完成磁性传感器Bx(401)和磁性传感器By(402)的标定。
2.根据权利要求1所述的一种标定钻具磁干扰的方法，其特征在于，步骤1中，所述磁场值为矢量磁场XB、矢量磁场YB和矢量磁场ZB。
3.根据权利要求1所述的一种标定钻具磁干扰的方法，其特征在于，步骤5中，所述无干扰环境中的零位偏差是磁性传感器Bz(403)为无钻具磁干扰环境下得到的标定结果。
4.一种实现权利要求1所述方法的标定钻具磁干扰的装置，其特征在于，包括三轴亥姆霍兹线圈(1)，三轴亥姆霍兹线圈(1)中设置有标定台架(2)，钻具(3)中设置有定向传感器(4)，定向传感器(4)中有磁性传感器Bx(401)、磁性传感器By(402)和磁性传感器Bz(403)，磁性传感器Bx(401)、磁性传感器By(402)和磁性传感器Bz(403)均在三轴亥姆霍兹线圈(1)中的中心区域内。
5.根据权利要求4所述的一种标定钻具磁干扰的装置，其特征在于，所述钻具(3)和标定台架(2)为滑动连接。
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