CN117514146A - 一种测井系统及测井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测井系统及测井方法，属于钻井测量领域，测井系统的传感器模块的加速度计用于获取测井设备的加速度值，磁性传感器用于测量测井环境的当前磁场矢量值，陀螺仪用于对磁性传感器进行初对准；微处理器用于对接收到的数据进行处理，得到测井设备的姿态角；通信接口用于接收姿态角，并将姿态角传输至显示终端。测井方法包括如下步骤：根据加速度计的测量值解算测井设备的倾角和工具面角；采用磁性传感器测量测井环境的当前磁场矢量值；判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若是，则当前磁场矢量值无效，则使用陀螺仪对磁性传感器进行初对准；根据初对准结果解算测井设备的方位角数据；根据测井设备的倾角、工具面角和方位角进行测井。

Description

一种测井系统及测井方法

技术领域

本发明属于钻井测量领域，具体涉及一种测井系统及测井方法。

背景技术

测井，也叫地球物理测井或矿场地球物理，简称测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法(包括重、磁、电、震、核)之一。石油钻井时，在钻到设计井深深度后都必须进行测井，又称完井电测，以获得各种石油地质及工程技术资料，作为完井和开发油田的原始资料。

在实际的钻进工程中，现有的基于磁性传感器的测井系统容易受到设备附近铁磁物质干扰，因此，为了保证方位角的测量精度，需要定期对磁性传感器进行重新标定；然而，对磁性传感器进行标定会影响钻井作业的连续性，不利于快速测井，从而容易造成施工延误。

发明内容

为了克服对磁性传感器进行标定影响钻井作业的连续性的问题，本发明提供了一种测井系统及测井方法。其测井系统包括：

传感器模块，包括加速度计、磁性传感器和陀螺仪，所述加速度计用于获取测井设备的加速度值；所述磁性传感器用于测量测井环境的当前磁场矢量值，并通过磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若是，则当前磁场矢量值无效，则使用陀螺仪对磁性传感器进行初对准；

微处理器，用于接收所述加速度值、当前磁场矢量值及初对准结果；并对接收到的数据进行处理，得到测井设备的姿态角数据；

通信接口，用于接收所述姿态角数据，并将姿态角数据传输至显示终端。

优选的，所述测井系统还包括供电接口，所述供电接口用于对所述传感器模块、微处理器及通信接口供电。

优选的，所述姿态角包括倾角、工具面角和方位角。

本发明还包括有一种基于所述测井系统的测井方法，包括如下步骤：

采用加速度计获取测井设备的加速度值，根据加速度值解算测井设备的倾角和工具面角；

采用磁性传感器测量测井环境的当前磁场矢量值；

使用磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若是，则当前磁场矢量值无效，则使用陀螺仪对磁性传感器进行初对准；

根据所述初对准结果解算测井设备的方位角；

根据测井设备的倾角、工具面角和方位角进行测井。

优选的，还包括使用磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若否，则当前磁场矢量值有效，则根据当前磁场矢量值解算测量设备的方位角。

优选的，当前磁场矢量值是否有效通过如下模型判定：

式中，T为磁场强度，m_mag，x、m_mag，y、m_mag，z分别为x、y、z方向的磁场矢量值；

当前磁场测量值无异常时，若期望值，则/>；

当前磁场测量值有异常时，若期望值，则/>，其中，μ为均值，R表示残差r的方差。

优选的，所述加速度计在静止状态下的测量值为：

式中，m_acc，x、m_acc，y、m_acc，z分别为加速度计在静止状态下在x、y、z方向的测量值。

优选的，所述倾角的计算公式为：

式中，g为重力加速度，m_acc，x为加速度计在静止状态下的测量值在x方向的测量值；

所述工具面角的计算公式为：

式中，m_acc，y、m_acc，z分别为加速度计在静止状态下在y、z方向的测量值。

优选的，所述磁场矢量值为：

式中，m_mag，x、m_mag，y、m_mag，z分别为x、y、z方向的磁场矢量值。

优选的，所述方位角为：

式中，、/>分别表示磁场矢量值投影至水平状态时在y、x方向的值。

本发明提供的测井系统及测井方法具有以下有益效果：

本发明通过磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，当磁场矢量值受到磁场干扰时，通过陀螺仪能够初对磁性传感器进行初对准，从而对磁性传感器进行快速校正，保证钻进作业的连续性和可靠性，减少因磁性传感器受干扰而造成施工延误的概率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的测井系统；

图2为本发明实施例的测井方法流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

实施例

本发明提供了一种测井系统及测井方法，其测井系统具体如图1所示，包括传感器模块、微处理器、通信接口和供电接口。传感器模块包括加速度计、磁性传感器和陀螺仪，加速度计用于获取测井设备的加速度值；磁性传感器用于测量测井环境的当前磁场矢量值，并通过磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若是，则当前磁场矢量值无效，则使用陀螺仪对磁性传感器进行初对准；微处理器用于接收加速度值、当前磁场矢量值及初对准结果，并对接收到的数据进行处理，得到测井设备的姿态角数据；通信接口用于接收方位角数据，并将其方位角传输至显示终端。供电接口用于对传感器模块、微处理器及通信接口供电。

姿态角包括倾角、工具面角和方位角。其中，加速度计、磁性传感器和陀螺仪分别为三轴加速度计、三轴MEMS磁性传感器和三轴MEMS高精度陀螺仪。

本发明还包括有一种基于测井系统的测井方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：在启动测井工作时，根据加速度计在静止状态下的测量值解算测井设备的倾角和工具面角。

记当地重力加速度大小为g，加速度计在静止状态下的测量值为：

式中，m_acc，x、m_acc，y、m_acc，z分别为加速度计在静止状态下在x、y、z方向的测量值。

倾角的计算公式为：

式中，g为重力加速度，m_acc，x为加速度计在静止状态下的测量值在x方向的测量值。

工具面角的计算公式为：

式中，m_acc，y、m_acc，z分别为加速度计在静止状态下在y、z方向的测量值。

步骤2：采用磁性传感器测量测井环境的当前磁场矢量值。

磁场矢量值为：

式中，m_mag，x、m_mag，y、m_mag，z分别为x、y、z方向的磁场矢量值。

步骤3：使用磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若是，则当前磁场矢量值无效，则进入步骤4，若否，则当前磁场矢量值有效，则进入步骤5。

（1）判断磁场测量值是否有效的规则如下：

已知施工现场的磁场强度为T，且理想情况下磁性传感器所测量的当地磁场矢量的模应当满足以下模型：

其中，T为磁场强度，m_mag，x、m_mag，y、m_mag，z分别为x、y、z方向的磁场矢量值。

残差r可以视为服从零均值高斯分布，且其方差R可以在出厂前标定时获取。

若当前磁场测量值受到未知磁场干扰时，则残差r的均值不再为零，因此，通过对残差r的均值进行检验来判定当前磁场测量值是否异常。

对r做以下二元假设，其中表示残差r的方差：

当前磁场测量值无异常时，若期望值，则/>；

当前磁场测量值有异常时，若期望值，则/>，其中，μ为均值。

基于上述二元假设，可以得到异常判定函数：

其中，是服从自由度为1的/>分布，即/>。

根据分布表，可以得到异常判定准则为：

若λ>τ，判定为有异常；

若λ≤τ，判定为无异常；

其中，阈值τ基于用户期望的误警率和分布表得到。

步骤4：使用陀螺仪对磁性传感器进行初对准，根据初对准结果解算测井设备的方位角数据。

具体初对准算法如下：

在静止状态下，速度恒为零，且已知当前地点的纬度，则姿态的误差方程为：

其中，表示地球转速，/>、/>、/>表示零均值高斯白噪声，/>为倾角和/>为工具面角，/>为方位角，/>、/>、/>表示陀螺仪的漂移量，可以将其建模为：

令加速度的输出作为量测量，则

其中，、/>表示加速度计水平轴输出的高斯白噪声测量值；/>、/>为加速度计水平轴的偏置测量值，可以将其建模为：

综上，结合系统可观测性分析，选取状态向量为：

并将状态方程和量测方程抽象为：

进而可以基于卡尔曼滤波算法对状态方程和量测方程进行求解，得到初对准结果。

步骤5：根据步骤1中解算得到的倾角和工具面角/>，得到测井设备的载体坐标系与当地导航坐标系仅在水平姿态上的变换关系：

已知磁性传感器的磁场矢量值为，利用将/>投影至水平，即

式中，、/>、/>分别表示磁场矢量值投影至水平状态时在x、y、z方向的值；

则方位角根据下式进行计算：

式中，、/>分别表示磁场矢量值投影至水平状态时在y、x方向的值。

步骤6：将全部姿态角，即倾角、工具面角、方位角数据传输至显示终端，以执行钻井工作，直至完成施工任务。

在实际施工过程中，在作业环境未受异常磁场干扰时，可以基于磁性传感器快速地实现方位角的解算，具有即时、低功耗的优势，延长随钻测量系统内电池的续航时间；而在作业环境受到磁场干扰时，本发明通过基于高精度陀螺执行初对准寻北程序，最大程度地保证钻进作业的连续性和可靠性，减少因磁性传感器受干扰而造成施工延误的概率。

以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测井系统，其特征在于，包括：

传感器模块，包括加速度计、磁性传感器和陀螺仪，所述加速度计用于获取测井设备的加速度值；所述磁性传感器用于测量测井环境的当前磁场矢量值，并通过磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若是，则当前磁场矢量值无效，则使用陀螺仪对磁性传感器进行初对准；

微处理器，用于接收所述加速度值、当前磁场矢量值及初对准结果；并对接收到的数据进行处理，得到测井设备的姿态角数据；

通信接口，用于接收所述姿态角数据，并将姿态角数据传输至显示终端。

2.根据权利要求1所述的测井系统，其特征在于，所述测井系统还包括供电接口，所述供电接口用于对所述传感器模块、微处理器及通信接口供电。

3.根据权利要求1所述的测井系统，其特征在于，所述姿态角包括倾角、工具面角和方位角。

4.一种基于权利要求1所述的测井系统的测井方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用加速度计获取测井设备的加速度值，根据加速度值解算测井设备的倾角和工具面角；

采用磁性传感器测量测井环境的当前磁场矢量值；

使用磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若是，则当前磁场矢量值无效，则使用陀螺仪对磁性传感器进行初对准；

根据所述初对准结果解算测井设备的方位角；

根据测井设备的倾角、工具面角和方位角进行测井。

5.根据权利要求4所述的测井方法，其特征在于，还包括使用磁性传感器的标定系统判定当前磁场矢量值是否受到干扰，若否，则当前磁场矢量值有效，则根据当前磁场矢量值解算测量设备的方位角。

6.根据权利要求5所述的测井方法，其特征在于，当前磁场矢量值是否有效通过如下模型判定：

式中，T为磁场强度，m_mag，x、m_mag，y、m_mag，z分别为x、y、z方向的磁场矢量值；

当前磁场测量值无异常时，若期望值，则/>；

当前磁场测量值有异常时，若期望值，则/>，其中，μ为均值，R表示残差r的方差。

7.根据权利要求4所述的测井方法，其特征在于，所述加速度计在静止状态下的测量值为：

式中，m_acc，x、m_acc，y、m_acc，z分别为加速度计在静止状态下在x、y、z方向的测量值。

8.根据权利要求4所述的测井方法，其特征在于，所述倾角的计算公式为：

式中，g为重力加速度，m_acc，x为加速度计在静止状态下的测量值在x方向的测量值；

所述工具面角的计算公式为：

式中，m_acc，y、m_acc，z分别为加速度计在静止状态下在y、z方向的测量值。

9.根据权利要求4所述的测井方法，其特征在于，所述磁场矢量值为：

式中，m_mag，x、m_mag，y、m_mag，z分别为x、y、z方向的磁场矢量值。

10.根据权利要求4所述的测井方法，其特征在于，所述方位角为：

式中，、/>分别表示磁场矢量值投影至水平状态时在y、x方向的值。