CN113227536A - 用于确定井下定向传感器中的轴向磁干扰的系统及方法 - Google Patents

用于确定井下定向传感器中的轴向磁干扰的系统及方法 Download PDF

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CN113227536A CN201980084198.7A CN201980084198A CN113227536A CN 113227536 A CN113227536 A CN 113227536A CN 201980084198 A CN201980084198 A CN 201980084198A CN 113227536 A CN113227536 A CN 113227536A
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Abstract

描述了用于在勘测点处使用定向传感器实现对地磁场和轴向磁干扰场的测量的系统及方法。通常，定向传感器用于在定向传感器内沿着传感器工具轴线的三个或更多分开的位置处进行轴向磁场测量。计算系统接收轴向磁场测量并求解一组联立方程，以获得地磁场的轴向分量。

Description

用于确定井下定向传感器中的轴向磁干扰的系统及方法
背景技术
在钻井中，可以使用随钻测量(MWD)定向传感器来确定井的定向。定向测量在行业中也被称为勘测(surveys)。一般而言，MWD定向传感器被封装在钻柱靠近钻头的部段中。该传感器部段是底部钻具组件(BHA)的一部分，各种传感器和机械装置都位于BHA处。钻头在BHA的底端处。
在钻探期间，定期进行勘测。通常，MWD传感器部段和钻柱在勘测操作期间必须处于静止状态。因此，通常在添加一段钻管或从钻柱移除一段钻管时进行勘测。在换管过程期间，钻柱处于静止状态。每次勘测的结果通过遥测系统从井下传输到地面。每次勘测时井的定向和钻柱长度的变化被用于计算井段在该勘测点处或其附近的轨迹。
MWD定向传感器可以由加速度计和磁力计组成。定向传感器中的磁力计可用于测量地球磁场(即，地磁场)矢量
Figure BDA0003121207440000011
的分量。沿着定向传感器坐标系的正交轴(x,y,z)的三个分量是(Bx,By,Bz)。当定向传感器处于静止状态时，定向传感器中的加速度计可用于测量重力矢量
Figure BDA0003121207440000012
测量到的重力分量是(Gx,Gy,Gz)。
定向传感器坐标系中的两个矢量的定向可用于唯一地确定传感器坐标系相对于重力竖向和磁北的定向。因为传感器被牢固地封装在钻柱上，一旦得到定向传感器的定向，就可以得到钻柱和井的定向，反之亦然。
钻柱的轴线向下指向的方向通常被定义为定向传感器坐标系的z轴。这是轴向方向。x轴和y轴是横轴。在大多数定向传感器中，磁力计和加速度计的硬件轴线与定向传感器坐标系按标定地对齐。但是，可能会有这样的情况，例如由于封装的限制，分量传感器的硬件轴线没有与定向传感器坐标系的硬件轴线基本对齐。此外，磁力计的硬件轴线可能没有与加速度计的硬件轴线按标定地对齐。沿着定向传感器轴线的测量通过矢量投影和坐标转换获得。矢量在一个方向上的分量也是矢量。因此，地磁场的轴向分量也可以被称为轴向地磁场。
井倾角是指井与由重力矢量的方向定义的竖向之间的角度。如此，井倾角可以是井偏离竖向的程度的度量。加速度计测量结果可用于计算该倾角。相对于地磁场矢量的北方(North)分量的井方位角被定义为磁北与井轴线在水平面上的投影之间的角度，如图1中所示的角度
Figure BDA0003121207440000021
水平面被定义为垂直于重力的平面。
加速度计和磁力计的测量结果可用于计算该方位角。存在许多关于如何计算该方位角的公式。这些公式在本质上是相互等同的。其中一种关于方位角的表达式是：
Figure BDA0003121207440000022
其中，ATAN2[]是两个参数的反正切函数，×是矢量叉积符号，下标z表示矢量的z轴分量，G是
Figure BDA0003121207440000023
的大小，
Figure BDA0003121207440000024
是由以下式子给出的地磁场矢量的水平分量：
Figure BDA0003121207440000025
其中，·是矢量点积符号。
在定向勘测中，测量到的重力矢量和磁力矢量被用于方程(1)和(2)，以产生方位角。
Figure BDA0003121207440000026
是地磁场测量中的误差矢量。ΔB是
Figure BDA0003121207440000027
的大小。该误差矢量可能来自两个来源。第一个误差源可能是对传感器位置处的磁场测量不准确。另一个误差源是传感器位置处的磁场不是纯地磁的。在定向传感器附近可能存在由钻柱系统中的磁源产生的磁场。
测量到的磁场是：
Figure BDA0003121207440000031
在实践中，
Figure BDA0003121207440000032
被用于代替EQ(2)中的
Figure BDA0003121207440000033
如果
Figure BDA0003121207440000034
沿着竖向方向，即沿着
Figure BDA0003121207440000035
或者与
Figure BDA0003121207440000036
相反，则
Figure BDA0003121207440000037
与
Figure BDA0003121207440000038
相同。如此，方位角不受误差矢量的竖向分量的影响。
方位角误差来源于来自传感器测量的在水平面内远离真实磁北指向的感知磁北矢量。图2中示出了方位角误差的水平面视图。磁场测量误差的水平分量在图2所示被示出为ΔBh。该误差分量导致水平地磁矢量
Figure BDA0003121207440000039
相对于真实磁北矢量
Figure BDA00031212074400000310
旋转
Figure BDA00031212074400000311
因此，
Figure BDA00031212074400000312
由测量结果确定，并且是
Figure BDA00031212074400000313
与ΔBh的矢量和。
方位角误差随误差矢量的方向而变化。使(ΔBN,ΔBE,ΔBV)分别为
Figure BDA00031212074400000314
沿地磁北轴、地磁东轴和重力竖向轴。由于
Figure BDA00031212074400000315
导致的方位角误差
Figure BDA00031212074400000316
由以下式子给出：
Figure BDA00031212074400000317
其中BN是
Figure BDA00031212074400000318
的大小。该表达式可以简化为：
对于|ΔBN|<BN，
Figure BDA00031212074400000319
竖向分量ΔBV不起作用。可以证明，在测量地球磁场时，由于误差矢量的大小ΔB而产生的最大方位角误差(即，最大的方位角误差)是：
对于ΔB<BN，
Figure BDA00031212074400000320
当在以下情况下时有最大值：
Figure BDA0003121207440000041
并且ΔBV＝0 (EQ.7)
对于大多数BHA与钻柱的组合而言，ΔB要比BN小得多。因此：
对于ΔB＜＜BN，
Figure BDA0003121207440000042
如果ΔB＜＜BN为真，则当误差矢量处于水平和东/西(HEW)方向(
Figure BDA0003121207440000043
Figure BDA0003121207440000044
并且ΔBV＝0)时，出现最大的方位角误差。在许多情况下ΔB确实比BN小得多，使得EQ.8可用于估计可能的最大方位角误差。但是，在这些情况下，与定向传感器的规范相比，方位角误差仍然可能非常大。只有当产生的方位角误差小于方位角的误差规范时，ΔB才被认为可以忽略不计。
钻柱的大多数部段以及BHA的许多部段和部件由铁、钢和其它铁磁性金属制成。这些金属中的未知磁化作用在定向传感器部段附近产生磁场。该磁场与地球磁场叠加。对于定向感测，这个额外的场是偏离噪声。定向信息在地球的磁场中。磁力传感器系统可以正确测量传感器位置处的磁场，但磁场本身被这个额外的场破坏。由定向传感器附近的铁磁性金属的磁化产生的额外场干扰对地球磁场的测量。为了正确确定定向传感器的定向，需要将这种干扰减少到可忽略的程度和/或对这种干扰进行修正。
BHA的定向传感器部段由非磁性材料制成。该传感器部段轴向上方和下方的部段可以是非磁性的(即，“上方”是指远离钻头，并且“下方”是指趋近钻头，就像BHA是竖向的，而钻头在下端处)。由钻柱和BHA中的磁化产生的场随着定向传感器和磁化源之间的距离的增大而减少。如果非磁性部分足够长，则传感器位置处的磁干扰就可以忽略不计，并且测量到的磁场就是地球磁场。
由于各种限制，在某些钻井操作中，在传感器位置的上方和下方设置很长的非磁性部分是不现实的。在这些情况下，磁干扰可能是不可避免的。传感器位置处的总磁场是干扰场和地球磁场的矢量和。可以确定干扰并将其从传感器测量中减去，使得能正确测量地球磁场。
修正由于非磁性部段短而产生的干扰的方法在钻井行业中被称为短钻铤修正法或短钻铤算法。在没有任何磁干扰修正的情况下从定向传感器输出获得的传统方位角有时被称为长钻铤方位角。
由于钻柱和BHA的横轴尺寸有限，钻柱和BHA中的磁化大多沿着轴向方向。非磁性部段上方的轴向磁化可以近似为沿着钻柱轴线的长磁偶极。横轴方向的磁化也可以被视为沿着横轴方向的磁偶极。即使沿着轴向方向和沿着横轴方向的磁极强度相似，有效的横轴偶极矩也比轴向偶极矩小得多。干扰场通常由轴向或纵向的磁化作用决定。来自非磁性部段下方的部段的干扰场可以具有类似的特征。
定向传感器在轴向上距离轴向偶极一定距离。干扰磁场沿着轴向。因此，几乎所有的短钻铤修正都是关于在测量沿着z轴的磁分量时修正磁干扰。
由定向传感器附近的磁化产生的磁场中的主导项沿着z轴方向。地球磁场测量中的相关误差矢量
Figure BDA0003121207440000051
由项
Figure BDA0003121207440000052
主导，其中
Figure BDA0003121207440000053
是传感器z轴的单位矢量，ΔBz是
Figure BDA0003121207440000054
的轴向分量。如果定向传感器的真实倾角和方位角分别为θ和
Figure BDA0003121207440000055
则：
Figure BDA0003121207440000056
其中，
Figure BDA0003121207440000057
分别为地磁北、地磁东和竖向的单位向量。
由于
Figure BDA0003121207440000058
项导致的方位角误差由EQ.5给出为：
Figure BDA0003121207440000061
当|ΔBz|＜＜BN时，则：
Figure BDA0003121207440000062
因此，在θ＝90度并且
Figure BDA0003121207440000063
或270度的情况下，在接近HEW方向的井段中，轴向磁干扰可能导致最大的方位角误差。因此，当井处于HEW方向或接近HEW方向时，对有效短钻铤修正的需求最为强烈。
在短钻铤修正过程中，来自独立于定向传感器的来源的信息可被用于确定地磁场的z轴分量。在一种短钻铤算法中，要求修正后的测量地磁场的大小等于从来源而非定向传感器获得的值，即：
Figure BDA0003121207440000064
其中，Bref是井现场处在定向传感器测量时的地磁场大小的参考值，(Bx,By)是沿着传感器(x,y)方向的测量磁场分量，Bz是对地磁场的z轴分量的最佳估计。这是全场匹配短钻铤(TFMSC)方法。参考值从与定向传感器测量无关的独立来源获得。在TFMSC中，参考值被用作对Bz必须如何的约束。也就是说，满足EQ.12的Bz被认为是地磁场的z轴分量的正确值。z轴磁力计输出与解之间的差是干扰项。EQ.12有两个解。随后可以使用一些标准来选择一个解而不是另一个解来作为正确的解。例如，对于单个勘测点，当没有其它信息可用时，可以选择导致较小干扰项的解。对于沿井段的多个勘测点，如果预期干扰项在井段上是恒定的，则可以选择产生共同干扰项的解。
在van Dongen等人名下的专利文献(美国专利号4,682,421，在下文称为“vanDongen”)描述的方法中，关于地磁场的大小和倾角的参考值被用来确定Bz的正确值。使vanDongen中定义的函数E最小化的Bz被认为是地磁场的正确Bz。在van Dongen中，
Figure BDA0003121207440000071
是在修正后由定向传感器测得的地磁矢量，
Figure BDA0003121207440000072
由参考源给出。这些值被假定为在同一平面内。E是差向量
Figure BDA0003121207440000073
Figure BDA0003121207440000074
的大小。van Dongen的方法可以被标记为最小矢量差短钻铤(MVDSC)算法。
在另一种方法中，选择Bz，使得使用所选Bz加上测得的(Gx,Gy,Gz,Bx,By)计算得到的BN等于BN的参考值。这种方法可以被称为水平分量匹配短钻铤(HCMSC)算法。可以证明，在MVDSC或者HVMSC中，都会有多个解。使用一些标准来选择一个解来作为正确的解。
TFMSC、MVDSC和HCMSC都是基于参考的修正方法。选择轴向地磁场分量Bz，使得当其与其它测得的场分量(Gx,Gy,Gz,Bx,By)一起使用以计算地磁场的一个属性时，结果与参考值完全或尽可能匹配。当存在Bz的多个解时，传感器输出Bz可用于选择一个作为解。修正方法的解与测得的Bz之间的差是干扰项ΔBz。如果钻柱和BHA靠近定向传感器的部段没有经过强磁源，则干扰项可能不会改变。在这种情况下，对于接下来的几次定向勘测，可以直接从轴向磁传感器的输出中减去干扰项，以得到修正的Bz，从而用于计算定向参数。
在基于参考的修正方法中，参考值和横轴磁力计测量值Bx和By被假定为准确无误的。在现实中，参考值和横轴测量值都不可能是完美的。
如果横轴磁力测量值是无误差的，则根据EQ.12，存在：
Figure BDA0003121207440000075
其中，dBref是关于地磁场大小的参考值的误差，dBz是在Bz由EQ.12的解给出时由短钻铤修正产生的Bz的误差。
在接近HEW方向的井中，真实的地磁场分量Bz几乎为零。dBz可以比干扰项ΔBz大得多。也就是说，使用修正后Bz的方位角误差可以比干扰项的误差大得多。在恰好处于HEW方向的井段中，地磁场的真实轴向分量为0。因此，不能使用EQ.13。来自TFMSC的Bz的误差可以通过EQ.12直接计算。如果地磁场的大小是50000nT(nano Tesler)，并且dBref是50010nT，则EQ.12给出了Bz＝±1000nT。参考值偏离10nT(比任何全球地磁模型的精度都要小得多)，并且TFMSC造成了Bz的1000nT误差。如果干扰项ΔBZ小于1000nT，则短钻铤修正使方位角误差更大。
正如EQ.11所示，当井处于HEW方向时，轴向干扰会导致最大的误差。但是在这个井姿态或其附近，由于参考值不准确，TFMSC的有效性可能是最低的。
在参考值完美的情况下，横轴测量的不精确性也会导致通过短钻铤修正确定的轴向地磁分量出现非常大的误差。当井的姿态接近HEW方向时，地磁场的实际轴向分量几乎为零。地磁场在横轴平面上的大小：
Figure BDA0003121207440000081
几乎等于总的大小。也就是说，
Figure BDA0003121207440000083
通过使用完美参考值的TFMSC确定的轴向分量的误差由以下式子给出：
Figure BDA0003121207440000082
其中，dBxy是Bxy的误差。当Bz几乎为零并且Bxy几乎是地磁场的总大小时，通过TFMSC确定Bz的误差可以比横轴磁力计的误差大很多倍。例如，如果运用TFMSC，则Bxy的10nT误差在50000nT的地磁场中会导致Bz的1000nT误差。横轴方向的10nT误差通过短钻铤修正被转化和放大为沿着轴向方向的1000nT误差。
一般而言，使用TFMSC的Bz误差由以下式子给出：
Figure BDA0003121207440000091
由于参考值是从与定向传感器操作无关的来源获得的，dBxy与dBref是不相关的。因此：
Figure BDA0003121207440000092
其中，上划线是指统计平均值。
可以看出，其它基于参考的短钻铤修正方法存在着与TFMSC非常相似的参考值和/或横轴测量值不准确的问题。业界众所周知的是，当对轴向干扰修正的需求最为迫切时，所有已知的基于参考的短钻铤修正往往会在轴向地磁分量中产生比要消除的干扰项更大的误差。当井姿态接近HEW方向时，通常不使用短钻铤修正。
存在明确不使用参考源的修正方法。这些方法是多站分析方法的子类。如前所述，干扰沿着z轴方向。其可以是对于一个BHA和钻柱组合在一个井段的多次勘测中的常数。因此，该干扰可被视为地磁场测量中的z轴磁力计偏移误差。
如果井的部段非常弯曲，则可能通过要求干扰被减去的测量值在多次勘测中产生具有最小差异的地磁场的一个或多个恒定大小来确定干扰项。确定干扰项是优化过程。这种修正方法可以被标记为恒定总场(CTF)算法。
在CTF中，修正程序是校准过程。在校准过程中，直接的传感器输出被处理，以产生要与一些参考值进行比较的测量值。用于将原始传感器输出转换为传感器测量值的传感器校准参数被调整，使得传感器测量值与参考值相匹配。在CTF中，由轴向磁干扰引起的z轴磁偏移是待确定的校准参数。地磁场的恒定大小是待匹配的参考值。
即使没有明确要求地磁场的参考值，但在CTF中，强加了恒定大小。事实上，“恒定大小”是关于地磁场属性的信息，其来自与定向传感器操作无关的来源。因此，CTF也是一种基于参考的短钻铤修正。其受到前面所讨论的参考值和/或横轴磁力计测量值不准确所引起的问题的影响。例如，“恒定大小”的约束可能是错误的。在CTF中使用多次勘测期间，某一特定位置的地磁场可能在很短的时间内发生几十或几百nT的改变。
当隐含参考值和横轴磁力测量准确时，如果在井的弯曲部段进行多次勘测，则诸如CTF之类的方法会是有效的。这组勘测中的一些勘测是在远离HEW方向的井姿态下进行的。在这些姿态下，磁场的大小对干扰引起的轴向偏移是敏感的。干扰项可以通过在这些姿态下的勘测数据的恒定大小要求来准确确定。对于所有的勘测数据，包括HEW那些的勘测数据(如果存在)，正确的干扰项被移除。但是，要求在井的弯曲部分上的勘测数据对CTF可以应用的位置造成了限制。
如今正在钻探许多水平井。水平井通常由靠近地面的竖向开始。一旦达到所需深度，该井就会迅速转为水平。有时，水平井的竖向部段由多口水平井共用。在典型的水平井中，井的水平部段可以非常长。尽管每口水平井都从竖向变为水平，但是用于井的水平部段的后期部分的BHA可能不是用于钻出弯曲段的同一BHA。因此，用于多站分析的多次勘测可能不会在水平井的弯曲部段上进行。
在水平井的水平部段上，井姿态变化不大。尽管井姿态的微小变化对井的生产潜力很重要，但这些变化在几何上是很小的。在一组多次勘测中，无论用怎样的z轴偏移来计算大小，测量到的地磁场大小几乎是常数。因此，“恒定大小”无助于确定z轴的偏移。因此，无法确定和/或消除轴向干扰。
任何多站分析方法都使用一些隐含的参考场属性。这些属性被用作对多站勘测数据集的约束。
除了不准确的参考值和横轴磁力计测量值可能导致干扰修正比干扰更错误的问题外，多站分析方法还可能受到要求多站勘测必须在井的非常弯曲的部段上的限制。往往不能满足这个条件。
发明内容
磁场的z轴分量是在传感器封装中轴向间隔的几个位置测量到的，以用于一个定向勘测点。轴向变化的干扰场和地球磁场的恒定z分量直接由传感器输出确定。不使用参考场值。地球分量随后被用于磁方位角计算。
由于轴向磁干扰是由距离定向传感器一定距离定位的磁单极产生的磁场来近似的。在几个已知轴向位置对沿z轴的场分量进行多次测量，并用于确定极强度、极位置和地球场的分量。需要在至少三个位置进行测量。
附图说明
本发明的这些以及其它目的和特征将通过以下对本发明的详细描述得到更充分的披露或变得显而易见，以下对本发明的详细描述应与附图一起考虑，在附图中类似的数字指代类似的部分，并且在附图中：
图1是关于本公开内容描述的各种角度的图示，包括井方位
Figure BDA0003121207440000111
传感器z轴是指向下的井轴线，OP代表z轴在水平面上的投影。
图2是方位角误差的水平面视图的图示。在该图示中，OP是z轴的水平面投影，
Figure BDA0003121207440000121
是真磁北矢量，
Figure BDA0003121207440000122
是从传感器测量结果利用水平磁场误差的磁北矢量
Figure BDA0003121207440000123
得到的磁北矢量。
图3是根据本公开内容的具有三个轴向磁力计的示例性定向传感器系统的示意图。
图4A是根据本公开内容的具有单个轴向磁力计的另一示例性定向传感器系统的侧视图。
图4B是沿着图4A中的线4B-4B截取的根据本公开内容构造的磁力计组件的横截面图。
图5是根据本公开内容的利用单极轴向干扰去除(SPAIR)提供勘测的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本公开的示例针对定向感测系统，其包括至少三个轴向磁力计，以用于直接测量和/或消除对测量地球磁场的轴向磁干扰。所述至少三个轴向磁力计可以绕着定向感测系统的轴线设置在不同位置处。可以同时确定来自定向感测系统附近的钻柱上最近的磁极的轴向干扰和地球磁场。测量到的地球磁场可以不受轴向磁干扰。
在一些示例中，定向感测系统可用于测量地磁场和轴向磁干扰场。一般而言，定向感测系统可以获得在该定向感测系统内沿着该定向感测系统的轴线的三个或更多个分开的位置处的轴向磁场测量值。可以同时求解一组第一方程，以获得地磁场的轴向分量。此外，在一些实施例中，可以同时求解一组第二方程，以获得磁极强度参数和极位置。可以额外地测量重力矢量和横轴磁场。
在一些实施例中，该定向感测系统可用于测量沿着井段的几个勘测点处的地磁场。
在详细解释当前公开和要求保护的发明概念的至少一个实施例之前，应理解当前公开和要求保护的发明概念在其应用中并不限于以下描述中提出的或附图中说明的部件的结构、实验、示例性数据和/或布置的细节。当前公开和要求保护的发明概念能够具有其它实施方案，或者能够以各种方式实施或执行。此外，应当理解，在此采用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应当被视为限制性的。
在以下对本发明概念的实施例的详细描述中，为了提供对本发明概念更透彻的理解，列出了许多具体细节。但是，对于本领域的普通技术人员来说，显然可以在没有这些具体细节的情况下实施本公开的发明概念。在其它情况下，某些众所周知的特征可能不会被详细描述，以避免不必要地使即时披露复杂化。
如在本文中所使用的，术语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”、“具有”、“具备”或者它们的任何其它改型将是覆盖非唯一性的涵盖。例如，除非另外指出，否则包括一系列元素的过程、方法、物品或设备并不必然限制于仅仅那些元素，而还可以包括未专门列出的或者对此类过程、方法、物品或设备固有的其它元素。
除非相反地明确表达，否则“或”是指包含性的且非排他性的“或”。例如，条件A或B由以下之一满足：A是真的(或存在的)并且B是假的(或不存在的)；A是假的(或不存在的)并且B是真的(或存在的)。
本文使用的术语“及其组合”是指该术语前面所列项目的所有排列或组合。例如，“A、B、C及其组合”旨在包括以下中的至少一个：A、B、C、AB、AC、BC或ABC，并且如果在特定情况下顺序很重要，还包括BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。继续该示例，明确包括包含一个或多个项目或术语的重复的组合，诸如BB、AAA、AAB、BBC、AAABCCCC、CBBAAA、CABABB等。本领域的普通技术人员将理解，除非从上下文中可以看出，否则通常对任何组合中的项目或术语的数量没有限制。
“一”或“一个”的使用被用于描述在此的实施例的元素和部件。这仅仅是出于方便的原因才做的，并且赋予了本发明的内容的一般性含义。这种说明应当被理解为包括一个或多个，并且单数也包括复数，除非显然意味着有其它意思。
术语“至少一个”和“一个或多个”的使用将被理解为包括一个以及超过一个的任何数量，包括但不限于2、3、4、5、10、15、20、30、40、50、100中的每者，以及它们之间的所有整数和分数(如果适用)。术语“至少一个”和“一个或多个”可以扩展到100个或1000个或更多，这取决于其所连接的术语；此外，100/1000的数量不应视为限制性的，因为更高的限制也可能产生满意的结果。
此外，正如在本文中使用的，任何提及“一个实施例”或“实施例”意味着与实施例关联描述的特定的元素、特征、结构或特点被包含在至少一个实施例中。例如，在说明书中不同地方出现的短语“在一个实施例中”并不必然都指的是同一实施例。
在本文中使用的“计算系统”或“计算机”可包括微处理器、或FPGA、或电子设备、或台式PC。
如在本文中使用的诸如“大约”、“近似”和“基本”之类的修饰语旨在表示被修饰的项目不限于指定的精确值，而是包括一些轻微的变化或偏离，例如由测量误差、制造公差、施加在各种部件上的应力、磨损以及其组合造成的变化或偏离。
现在将参照附图描述本发明的某些示例性实施例。如图3、图4A和图4B所示，一般而言，此类实施例涉及钻柱系统10，尤其涉及用于直接测量和/或消除对测量地球磁场的轴向磁干扰的系统及方法。钻柱系统10一般包括具有三个轴向磁力计14、16和18的定向传感器系统12。定向传感器系统12包括z轴。
如图3所示，每个轴向磁力计14、16和18可以被定位在定向传感器12的z轴上。例如，轴向磁力计14被定位在定向传感器系统12的z轴上的位置L1处。轴向磁力计16被定位在定向传感器系统12的z轴上的位置L2处。轴向磁力计18被定位在定向传感器系统12的z轴上的位置L3处。应注意，定向传感器系统12可以包括额外的部件，包括但不限于加速度计15、横轴磁力计17、数据采集系统19。此外，定向传感器系统12还可以包括总线、互连和/或类似的部件，以用于在轴向磁力计14、16、18、加速计15、横轴磁力计17和(一个或多个)数据采集系统19之间建立通信。(一个或多个)数据采集系统19从轴向磁力计14、16、18、加速度计15、横轴磁力计17接收传感器数据，并且将这些传感器数据提供给一个或多个计算机系统20。此外，加速度计15或横轴磁力计17可以位于三个轴向磁力计14、16和18中的一个处或其附近。为了简化描述，本文将进一步详细描述轴向磁力计14、16和18在定向传感器系统12内的位置和使用。
此外，钻柱系统10可以进一步包括一个或多个计算机系统20，其能够体现和/或执行本文描述的过程的逻辑。呈软件指令和/或固件形式体现的逻辑可以在任何适当的硬件上执行。例如，呈软件指令和/或固件形式体现的逻辑可以在一个或多个专用系统、分布式处理计算机系统和/或类似系统上执行。在一些实施例中，逻辑可以在单个系统上运行的独立环境中实现，和/或逻辑可以在网络环境中实现，诸如使用多个计算机和/或处理器的分布式系统。(一个或多个)计算机系统20可以一起工作或独立工作，使用一个或多个存储器22(例如，非暂时性存储器)执行处理器可执行代码。在一些实施例中，定向传感器系统12可以具有壳体23，并且(一个或多个)计算机系统20可以位于定向传感器系统12的壳体23内。
轴向磁干扰可以由钻柱系统10的(例如，靠近定向传感器系统12附近的)各部段中的磁化引起。在传统的定向传感器中，单个z轴磁力计的位置是固定的。干扰项可以被视为地磁场测量中的偏移误差。但是，干扰场不是常数。这些磁化所产生的磁场的z轴分量在数值上因磁化和传感z轴磁力计之间的距离而变化。这些磁化大多是轴向偶极子。在许多情况下，只有一个长偶极子是主要的。这个偶极子可能来自定向传感器上方或下方的部段。来自长轴偶极子的磁场可以被计算为由两个单极子产生的总磁场。这两个单极子在强度上相等，但符号相反。它们位于井部段的轴线上。在井轴线上的z位置，长偶极子产生的轴向磁场ΔBz(z)是：
Figure BDA0003121207440000161
其中，q与单极子的强度成正比，zn和zf分别是近极和远极的轴向位置。
点偶极子的磁场大小以1/r3的函数递减，其中，r是远离偶极子的距离。如果磁化的尺寸远远小于观察点和磁化之间的距离，则磁化可以被视为点偶极子。但是，在短钻铤BHA系统中，磁化不能被当作点偶极子。磁源的轴向尺寸可以且经常大于定向传感器和最近的极之间的距离。因此，有|z-zn|<|zn-zf|。EQ.18是用于计算由长轴偶极子产生的轴向磁场的公式。
对于长偶极子，EQ.18表明，干扰场的大小是极和观察点之间距离的倒数的二次函数。zn可以在传感器的非磁性部段端部和BHA/钻柱的铁磁性部段开始的点处。如果主导的长偶极子来自传感器部段下方，则zf就在BHA的底部处或其附近，在zn下方几十英尺处。如果长偶极子在定向传感器上方，则zf可能比zn高几百英尺。在大多数钻井环境中，如果|z-zn|大于20英尺，则ΔBz（z）可以忽略不计。因此，在干扰不能被忽略的情况下，EQ.18右边的第二项远小于第一项。来自远极的场可以忽略不计，并且因此：
Figure BDA0003121207440000171
由于井的直径有限，定向传感器系统12在轴向方向上的尺寸可能比在横轴方向的长得多。一般而言，例如在声纳式定向传感器中，定向模块(OM)的直径可能为大约1至2英寸，传感器部段的长度为大约1至5英尺。对于基于钻铤的定向传感器，传感器系统可以设置在短节(sub)的切口上，短节(sub)的直径为传感器部分的直径。
定向传感器系统12和钻柱系统10上的磁化部之间的轴向距离也可能远大于钻柱系统10和/或BHA的直径。因此，可以认为传感器测量值是在钻柱系统10和/或BHA的轴线上作出的。在一些实施例中，也可以忽略井的弯曲以及BHA与井之间的未对准。
参考图3，定向传感器系统12的壳体23内的三个位置z1、z2和z3处的轴向磁场可以通过至少三个单独的轴向磁力计14、16和18测量，以用于一次勘测。壳体23可以由不会干扰由轴向磁力计14、16和18接收的磁场的材料制成。例如，壳体23可以由非铁材料制成，如铜或铜合金。
在每个磁力计14、16和18的轴向尺寸上，地磁场是常数。每个位置z1、z2和z3处的轴向场是地球场和干扰场的总和。这三个测量值可以通过以下式子给出：
Figure BDA0003121207440000181
Figure BDA0003121207440000182
Figure BDA0003121207440000183
其中，Bz是地磁场的轴向分量，(B1,B2,B3)是在BHA/钻柱轴线上的三个已知位置(z1,z2,z3)处测得的总磁场的轴向分量，q与极强度成正比。z1、z2和z3在z轴指向井下的定向传感器系统中按升序排列。
q与磁极强度的比例性(proportionality)取决于用于极强度、z轴坐标和磁场的单位。比例性和极强度的乘积是q，其可以被视为干扰磁场的来源。该乘积是未知数，需要作为单个参数来确定。没有必要知道比例性是什么。q可以是比例性为1的某个单位系统中的极强度。因此，q将在下文中被称为极强度参数，或者简称极强度。
Bz、q和zn在EQ.(20)-(22)中是未知的。定向传感器系统12由非磁性材料制成。主导干扰场的磁极必须在定向传感器系统12上方或下方。因此，zn必须小于z1或大于z3才能成为有效的解。因此，当B1>B2>B3或者B1<B2<B3(可以改写为
Figure BDA0003121207440000184
)时，可以存在EQ.(20)-(22)的有效解。
根据EQ.(20)-(22)，zn的方程为：
Figure BDA0003121207440000185
其中：
Figure BDA0003121207440000186
因为z3>z2>z1，不等式
Figure BDA0003121207440000191
等同于ΔBRS>0。可以证明，如果ΔBRS>0且ΔBRS≠1，则EQ.23有解。此外，如果ΔBRS>1，则解zn大于z3，如果ΔBRS<1，则zn小于z1。
EQ.23在zn中是立方的。可以证明，EQ.23的三个无限制解都是实数。三个无限制解中有且仅有一个在域[z1,z3]之外。因此，存在EQ.23的有效解，并且该解是唯一的。一旦找到zn的唯一解，EQ.20-22成为Bz和q的线性方程。三个等式EQ.20-22中的任意两个可用来解Bz和q。EQ.20-22右边的第二项是对三个测量值z1、z2和z3的干扰。
如果钻柱系统10靠近定向传感器系统12的部段没有经过或经过强磁源，则该部端的磁化作用可以保持不变。一旦在一个勘测点确定了干扰项，就可以从多个后续勘测点的轴向测量中减去干扰项，而不需要再次求解EQ.23。因此，这些后续勘测只需要在三个已知位置(z1,z2,z3)处的三个轴向磁场测量值中的一个。例如，在一个勘测点作出所有三个轴向磁场测量值，EQ.23以及EQ.20-22被解出。除了正确的轴向地磁场之外，位于z1,
Figure BDA0003121207440000192
处的第一轴向磁力计的干扰项变成已知的。这个项可以被储存。对于接下来的几个勘测点，可以从每个勘测点的B1中减去这个项，以获得每个勘测点处的地磁场的正确轴向分量Bz。如果用于求解EQ.20-22的系统是在地面计算机上，而不是在井下，则对于第一勘测点，三个轴向场测量值从井下传输到地面。对于随后的勘测点，没有必要将另外两个轴向磁场测量值从井下传输到地面。因为井下到地面的数据速率非常有限，不必为每个勘测点传输两个测量值代表了操作速度的重大改善。
轴向场测量可以在每个勘测点进行测量。在钻井过程期间，可以定期进行勘测。例如，在向钻柱添加一段钻管或从钻柱上移除一段钻管时，可以进行勘测。在更换钻管过程期间，钻柱处于静止状态。每次勘测的结果可以通过遥测系统从井下传送到地面。每次勘测时井的定向和钻柱长度的改变可用于计算该勘测点处或其附近井段的轨迹，从而用于操纵钻柱。
当ΔBRS≤0或者ΔBRS＝1，单极近似可能不再准确。随后，三个轴向测量中的一个可用于生成长钻铤方位角。可选择地，可以应用基于参考的短钻铤修正方法。
当|B3-B2|或者|B2-B1|小于磁力计14、16和/或18的精度时，可能不存在干扰和/或单极近似可能是错误的。可以不执行干扰测定。
可能希望在z1、z2和z3之间具有大的距离间隔，使得B1、B2和B3之间的差异可以大于定向传感器系统12的精度。限制性因素可以是定向传感器系统12的长度。距离间隔可以被选择为定向传感器系统12的长度所允许的最大距离。为了同样好地检测磁极，无论磁极是在定向传感器的上方或者下方，两个距离z2-z1和z3-z2可以类似。如果这两个距离在定向传感器系统12中基本不同，则定向传感器系统12在确定距离较短一侧的磁极时可能更准确。
根据EQ.21和EQ.22，并使用z代表zn，得到：
Figure BDA0003121207440000201
如此：
Figure BDA0003121207440000202
其中，l(＝z3-z2)是轴向磁力计间隔，d(＝z2-z)是干扰磁极与中间轴向磁力计之间的距离，dB(＝B2-B3)是由干扰磁极引起的轴向磁场的差，
Figure BDA0003121207440000211
是中间轴向磁力计的轴向磁干扰。如果
Figure BDA0003121207440000212
则EQ.26变为：
对于
Figure BDA0003121207440000213
对于正的d，
Figure BDA0003121207440000214
|dB|必须等于或者大于轴向磁力计精度dBmin。
因此：
Figure BDA0003121207440000215
满足EQ.28中的不等式的最小|Bint|是|Bint|min，其中：
Figure BDA0003121207440000216
|Bint|min是本公开的示例的感测系统对磁干扰测量的精度。EQ.29显示，磁力计14、16和/或18之间的间隔，称为l，应尽可能大。然而，一般而言，可能希望保持整个定向传感器系统12尽可能短。因此，在一些示例中，磁力计14、16和/或18可以间隔开大约12英寸，例如，导致定向传感器系统12的场传感器部段的最小长度为24英寸。
如果
Figure BDA0003121207440000217
则EQ.29成立。不使用近似值：
Figure BDA0003121207440000218
EQ.30可用于使干扰测量精度与轴向磁场的精度相关。
图4A和图4B示出明了根据本公开的另一示例性定向传感器系统12a，其具有单个轴向磁力计30。单个轴向磁力计30可被配置成能够在定向传感器系统12a的轴向方向上如箭头32表示地移动，从而能够测量定向传感器系统12a的三个分开的位置z1、z2、z3处的轴向磁场。定向传感器系统12a可以具有由非磁性材料(例如不锈钢)形成的壳体33。
在一些示例中，单个轴向磁力计30可以被安装在由步进电机36(例如压电电机)驱动的杆34(例如蜗杆传动)上。在一些示例中，单个轴向磁力计30可以被连接到梭子38，其被配置成使单个轴向磁力计30在杆34上移动。例如，杆34可以是具有螺纹的构件，梭子38上也有螺纹。单个轴向磁力计30可以被连接到梭子38，从而在梭子沿着杆34移动时被移动。
步进电机36和杆34可以被配置成使单个轴向磁力计30在箭头32的方向上移动。例如，步进电机36可以旋转杆34，使得梭子36在定向传感器系统12a内轴向移动，从而使得单个轴向磁力计30在定向传感器系统12a内轴向移动。在一些示例中，步进电机36可以不产生电磁波或不对电磁波施加影响，使得不会由于使用步进电机36和/或杆34而产生和/或提供给单个轴向磁力计30的额外电磁参数。在一些示例中，单个轴向磁力计30可以在壳体32内以偏移关系定位(即，在梭子36内从壳体32的中心偏移)。但是，单个轴向磁力计30可以定位在壳体32内的任何位置(例如，共轴、偏移)。
对差别dB的测量精度是单个轴向磁力计30的传感器分辨率，而不是精度。因此，对于定向传感器系统12a，dBmin是单个轴向磁力计30的分辨率。单个轴向磁力计30的分辨率可以小于其精度。如果每个系统12和12a的轴向磁力计14、16、18和30的位置分别相同，则定向传感器系统12a的精度可以比图3所示的定向传感器系统12的三个单独轴向磁力计14、16和18的精度要高得多。在一些实施例中，定向传感器系统12a可以制造得比具有三个单独轴向磁力计14、16和18的定向传感器系统12更短，但具有相同的干扰测量精度。其代价是，定向传感器系统12a可能包括将轴向磁力计30移动到三个或更多个分开的位置的机械复杂性。
上述过程可以被标记为单极轴向干扰去除(SPAIR)技术。图5示出了使用上述过程获得单次勘测的方法100。在步骤102中，定向传感器系统12可以测量(Gx，Gy，Gz，Bx，By)。在步骤104中，定向传感器系统12可以在三个单独轴向位置测量z1、z2和z3的轴向磁场，以获得B1、B2和B3。步骤102和104可以在同一时间或以任何时间顺序进行。在步骤106中，微处理器20可以确定ΔBRS。如果ΔBRS≤0或者ΔBRS＝1，则在步骤108中，在B1、B2和B3中输出用于长钻铤方位角的一个直接测量值，并将该输出指定为未修正的。如果ΔBRS＞0并且ΔBRS≠1，则在步骤110中，通过首先求解EQ.23来求解EQ.20-22，并输出所得的Bz。在步骤112中，微处理器30可将所得的Bz指定为干扰被修正的。在步骤114中，微处理器30可以可选地存储EQ.20-22右边的q和zn或者第二项，以便在后续勘测点进行干扰修正。
SPAIR的整个系统可以是井下系统的一部分。可选择地，场传感器可以在井下，而计算机系统的方程求解部分可以在地面，并且三个轴向磁场测量值以及其它传感器数据被传输到地面以进行处理和存储。在这种井下-地面系统中，井下部分的操作与现有的井下定向传感器非常相似，只是进行三个轴向测量而不是一个，并传输到地面。这使得可以使用现有的硬件。三个现有的定向模块可以在定向传感器中沿轴向堆叠，以提供三个轴向磁场测量。三个x-y测量中的两个可以关闭或用作冗余的横轴磁场测量，以提高质量。
在沿定向传感器工具轴线的三个以上的位置处测量轴向磁场的实施例中，在联立方程系统中有三个以上的方程使轴向磁场测量结果与三个未知数有关：轴向地磁场、干扰磁极强度和位置。联立方程系统的每个三方程子集都可以用来确定轴向地磁场、极强度和极位置。一些或所有子集的结果可以被平均化，以得到最终结果。可选择地，也可以使用数字优化解，在此过程中，从联立方程中构建罚函数。此后，术语“求解一组联立方程”也可包括求解基于一组联立方程的数值优化问题。
从上述说明清楚，在此公开的本发明的内容很好适于实现在此提及的目的以及获得在此提及的优点以及在此公开的本发明的内容中固有的那些目的和优点。尽管在此公开的本发明的内容的目前优选的实施例已经出于这种公开的目的而被说明，但是应当理解的是可以做出多种改变，而所述改变将容易对本领域技术人员做出启示并且在此处所公开和要求保护的本发明内容的范围和领域内实现。

Claims (22)

1.一种用于在勘测点处使用定向传感器实现对地磁场和轴向磁干扰场的测量的方法，所述方法包括：
使用所述定向传感器在所述定向传感器内沿着传感器工具轴线的三个或更多个分开的位置进行轴向磁场测量；以及
使用计算系统接收所述轴向磁场测量并求解一组联立方程，以获得所述地磁场的轴向分量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括求解一组联立方程以获得磁极强度参数和极位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过首先求解所述极位置的方程来求解一组联立方程。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：通过所述定向传感器测量重力矢量和横轴磁场。
5.一种用于使用定向传感器测量在沿着井的部段的几个勘测点处的地磁场的方法，所述方法包括：
在第一勘测点处使用所述定向传感器在所述定向传感器内沿着传感器工具轴线的三个或更多个分开的位置处进行轴向磁场测量；
使用计算机系统接收在所述第一勘测点处的所述轴向磁场测量并求解一组联立方程，以获得在所述第一勘测点处所述三个或更多个位置处的干扰项和所述地磁场的轴向分量；
将所述干扰项存储在存储器中；
在所述第一勘测点之后的后续勘测点处使用所述定向传感器在所述定向传感器内的一个位置处进行轴向磁场测量；
从在所述后续勘测点处的轴向磁场测量中减去与所述定向传感器内的所述一个位置相关联的干扰项，以获得所述后续勘测点处的地磁场的轴向分量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：使用在所述第一勘测点处获得的测量值来确定磁极强度参数和极位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过首先求解所述极位置的方程来求解一组联立方程。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：在多个勘测点处测量重力矢量和横轴磁场。
9.一种系统，包括：
具有至少一个轴向磁力计的轴向磁传感器，所述轴向磁传感器包括至少一个数据采集系统，所述至少一个数据采集系统被配置成利用所述至少一个轴向磁力计测量所述轴向磁传感器内的至少三个或更多个不同位置处的轴向磁场；
计算系统，所述计算系统用于：
接收所述轴向磁传感器内的不同位置的至少三个轴向磁场测量值；以及
使用所述轴向磁场测量值确定地磁场的轴向分量。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述计算系统还执行指令以确定磁极强度参数和极位置。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，在确定所述磁极强度参数和所述轴向地磁场之前确定极位置。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述轴向磁传感器包括至少三个轴向磁力计，所述至少三个轴向磁力计被配置成测量所述轴向磁传感器的轴线上的至少三个位置处的轴向磁场。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，轴向磁力计被配置成移动到所述轴向磁传感器的轴线上的至少三个不同位置，以测量所述至少三个不同位置处的轴向磁场。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述计算系统还确定磁极强度参数和极位置。
15.一种系统，包括：
定向传感器，所述定向传感器具有：
至少一个轴向磁力计；
数据采集系统，所述数据采集系统被配置成从所述轴向磁力计获得所述定向传感器内三个或更多个位置处的轴向磁场测量值；
计算系统，所述计算系统用于从所述定向传感器接收轴向磁场测量值；以及
使用所述轴向磁场测量值获得地磁场的轴向分量。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述计算系统还确定磁极强度参数和极位置。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，在确定所述磁极强度参数和所述轴向地磁场之前确定所述极位置。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述定向传感器包括至少三个轴向磁力计，所述至少三个轴向磁力计被配置成测量所述至少三个位置处的轴向磁场。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，轴向磁力计被配置成移动到至少三个不同的位置，以测量所述至少三个不同的位置处的轴向磁场。
20.一种系统，包括：
定向传感器，所述定向传感器具有：
多个加速度计；
多个磁力计；
至少一个轴向磁力计；
数据采集系统，所述数据采集系统被配置成利用所述至少一个轴向磁力计测量所述定向传感器内的至少三个位置处的重力矢量、横向磁场和轴向磁场；
计算系统，所述计算系统具有一个或多个非暂时性计算机可读介质，所述一个或多个非暂时性计算机可读介质存储用于在一个或多个处理器上运行的一组计算机可执行指令，所述一组计算机可执行指令在被执行时使所述一个或多个处理器：
从所述定向传感器接收所述重力矢量、所述横向磁场和所述轴向磁场；
确定干扰磁场的至少一个参数和地磁场的轴向分量；以及
使用所述重力矢量、所述横轴磁场和所述地磁场的所述轴向分量确定至少一个定向参数。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述定向传感器包括位于所述定向传感器内的至少三个位置处的至少三个轴向磁力计。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，第一轴向磁力计以相距相邻的第二磁力计八到十八英寸之间的距离定位。
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