CN86101119A - 确定钻孔方位角的方法 - Google Patents

Abstract

借助包含在具有纵轴的钻具组中的磁强计装置，首先通过钻具组的不同角度取向上的磁强计读数消除钻具组磁化垂直于轴向的分量的影响，然后消除钻具组磁化的轴向分量的影响，从而消除钻具组磁化对钻孔中方位角测量的影响。

Description

本发明涉及用于确定钻在地下地层中的钻孔方位角的方法。

本发明特别涉及借助包括在钻具组中的磁检测器装置来确定和修正偏差磁场对方位角测量的影响的方法，该偏差磁场是由于钻具组的磁化造成的。

在深孔钻孔操作中，一般的做法是用检测器装置时时测量钻孔的进程，该检测器装置包括在钻具组靠近其底端处。检测器装置一般包括测量局部磁场在三个正交方向上的分量的一组磁强计。因为地球磁场矢量的方向与局部重力矢量的方向一起，是确定钻孔进程的合适参照，所以目的是要使由检测器部件测出的磁场作为地球磁场的精确表示。

当测量钻具组存在于钻孔中时的检测装置相对于地球磁场的取向时，由于钻具组的磁化而引起的偏差磁场会使如此测得的取向出现明显的偏差。为尽可能减小这个偏差的幅度，现行的做法是将检测器装置安置在由无磁性物质制成的钻孔套管中。此外，这种套管通常安置在包括有一系列套管的钻具组部件中，以达到使钻孔组件的钢部件，如套管上的钻头和钻管，对检测器所在部位的磁场的影响减到最小。使用无磁性钻孔套管要遇到的问题是这些套管在钻孔中可能磁化，特别是在靠近检测器组件处存在所谓磁点会显著地损害方位角测量的精确度。

由美国专利说明书第4，163，324号可知道部分消除由于在检测器装置处的偏差磁场造成的方位角测量偏差的方法，该磁场主要是钻具组磁化的结果。在该已知方法中，假定在检测器的位置上偏差磁场矢量是沿着钻孔轴。尽管已知的修正方法一般提高了方位角测量的精确度，但它没有修正垂直于轴向的偏差磁场。所述垂直于轴向的偏差磁场可能源于磁点的存在或钻孔组件中的钢部件。

本发明的目的是提供改进的方位角测量，其中由钻具组磁化而造成的偏差得到了比现有技术方法更精确的修正。

根据本发明，提供了确定钻具组磁化对钻孔中方位角测量的影响的方法，该方法借助包括在钻具组中的具有大致与钻孔的纵轴共轴的中心轴2的检测器装置，该装置还包括至少一个磁强计，用于测量检测器部件处磁场

的垂直于轴向的分量，该方法包括既消除磁强计处钻具组磁化垂直于轴向的分量，也消除它的轴向分量的影响，其中在消除轴向钻具组磁化的影响之前，通过绕钻孔纵轴旋转带检测器装置的钻具组，同时对钻具组的不同取向测量所述垂直轴向的分量，从而消除垂直于轴向的钻具组磁化的影响。

在本发明的最佳实施方案中，检测器装置包括三个用于测量三个互相正交的方向X、Y和Z上的分量Bx，By和Bz的磁强计，其中钻具组磁化引起的垂直于轴向的偏差分量Mx和My的对测出磁场的影响通过在以Bx作为横坐标而将By作为纵坐标的图中标绘出钻孔中的检测器装置在不同取向上测出的磁场垂直于轴向的分量Bx和By而确定。如果钻具组旋转过大约360°的角度范围，可在该坐标图中通过这样测得的垂直于轴向的分量Bx和By作出封闭的圆形曲线，在其上钻具组的磁化矢量

垂直于轴向的偏差分量Mx和My可根据该坐标图中的圆形曲线的中心的确定。

下面将参考附图对本发明加以详细的描述，其中：

图1是包括三维测量装置的钻具组的透视示意图;

图2是坐标图，在其中当钻具组在钻孔中旋转时，标绘出由垂直于轴向的检测器测出的垂直于轴向的磁场;

图3是矢量图，显示测出的磁场矢量的位置，相对于由重力矢量和地球磁场矢量确定的圆锥面，对垂直于轴向的钻具组的磁化进行修正;

图4是坐标图，在其中对于轴向的钻具组磁化的不同假定量值，计算圆锥底和所述修正矢量之间的距离;

图5显示本发明的另一实施方案，其中检测器部件包括单一的磁强计;

图6显示图5中的装置的磁强计的读数，该读数是对于装置的不同取向旋转钻具组而得到的。

在图1中显示了钻孔部件1，它包括连接在钻具组3下端的钻头2。钻具组3的最下部分包括两个无磁性钻孔套管4。无磁性钻孔套管4之一上安置有三维测量装置5，该装置用于测定套管4的中心轴Z的方位角和倾角，该轴在钻头2的部位处大体同钻孔的纵轴共轴。

测量装置5包括三个加速度计（未显示）和三个磁强计（未显示）上述三个加速度计用来检测三个互相正交方向X、Y和Z上的重力分量，上述三个磁强计用来测量该装置部位处同样三个互相正交方向上的磁场。

图1中显示了由装置5测量的重力矢量

和局部磁场矢量 ，矢量

等于由加速度计量的分量gx，gy和gz的矢量和，矢量

等于装置5的磁强计测量的分量Bx，By，Bz的矢量和。如图所示;矢量Bm相对于重力矢量

成θm角，该夹角可根据已知的数学公式计算出来。

图1中还显示了真实地球磁场矢量B。和这个矢量相对于重力矢量

的倾角Q_o。磁场矢量 和它相对于重力矢量 的取向可由钻孔测量独立地得到，如由钻孔外部或内部的测量或地磁绘图数据得到。

如在图1中可看见的，测量出的磁场矢量

同真实的磁场矢量

并不一致。这是由在测量装置处的偏差磁场矢量M造成的，该磁场主要是无磁性钻孔套管4中存在分离的磁点S和钻孔组件1中存在钢部件的结果。在图1中，矢量

被分解成轴向分量Mz和垂直于轴向的矢量

xy，该垂直于轴向的矢量 等于分量Mx和My的矢量和。

根据本发明，通过先测定偏差磁场垂直于轴向的矢量

，然后测定轴向分量Mz，从而消除偏差磁场 的影响。

垂直于轴向的矢量

xy的测定，是通过将钻具组绕中心轴Z转约360°，从而同时绕中心轴Z旋转装置5，同时对于装置5相对于中心轴Z的不同取向连续或断续地测量磁场

m而实现的。如图1中显示的那样，钻孔组件沿箭头的方向旋转360°将导致矢量

xy同时沿着同样的方向旋转，这样作出圆周C。矢量

xy的量值和方向是由图2显示的曲线图确定的，在该图中，把测量出访磁场

垂直于轴向的分量Bx和By对于装置相对于中心轴Z的不同取向作图。在该图中，Bx和By的测量值位于偏离该图中心（0，0）的圆周上。矢量

xy根据圆心10相对于图中心（0，0）的位置而确定。如图所示，矢量

的量值是由圆心10和图的中心（0，0）之间的距离确定的。

现在，在图1的矢量图中引入矢量B，该矢量

等于

-

。

由于矢量

可用下面的公式表示：

＝（Mx，My，O）

并且

＝（Bx，By，Bz）

故矢量B可表示成

＝（Bx，By，Bz）-（Mx，My，O）。

现定义分量Bx-Mx为Bxc

且

By-My为Byc

则：

＝（Bxc，Byc，Bz）＝（Bx，By，Bz）-（Mx，My，O）……（1）

公式（1）给出了钻具组垂直于轴向的磁化对检测装置5测量磁场的影响的修正。

在如此消除了钻具组垂直于轴向的磁化

对测量的影响后，可用与美国专利说明书第4，163，324号中所公布的类似的方法对轴向偏差分量M_z的影响进行修正。

然而，最好用下面参照图3所描述的计算方法来就轴向钻具组磁化对装置5的测量结果的影响进行修正。

矢量

的量值可以表示为：

B＝（B² _xc+B² _yc+B² _z）^1/2……（2）

而重力矢量

的量值为：

g＝（g² _x+g² _y+g² _z）^1/2……（3）

这样就能够通过下列公式计算出矢量

和 之间的倾角θ：

θ＝Cos^-1〔（B_xcg_x+B_ycg_y+B_zg_z）/Bg〕……（4）

角θ在图1中表示了，也在图3中表示了，图3是与图1中显示的矢量图相似，但它简化了。

由于矢量

只由其相对于重力矢量

的倾角θ所限定，因此矢量

相对于矢量

的位置的确定被复杂化了。此外，真实磁场矢量

。相对于轴x，y和z的精确取向仍然是未知的。然而。由于真实磁场矢量

相对于重力矢量

有倾角θ_o，因而可以理解到在图3的矢量图中，矢量

将位于锥面12上，该锥面12具有与矢量 重合的中心轴，并且其顶角等于2θ_o。角θ_o是已知的，因为它是独立地从钻孔测量得到的。

现在，在矢量图中引入距离E，其中E表示锥面12的底周边13和矢量

的顶点之间的距离。

距离E的量值由下列方程给出：

E＝〔B²+B² _o-2BB_oCos（θ-θ_o）〕^1/2……（5）

把这样得到的E的值标绘在显示在图4当中的曲线图中，在其中Bz是横坐标，E是纵坐标。

下一步假定装置5测出的磁场的轴向分量Bz可由于偏差磁场的轴向分量Mz而变化。这样，Bz取成不同的假定值，而对于每个假定值，通过方程（2），（3），（4）和（5）计算出距离E的相应值。把这样得到的E的不同值画在图4的坐标图中，它给出了曲线14，其中在Bz的某一值Bzc处会出现极小值15。这样偏差磁场的轴向分量Mz的量值就可由该曲线图确定，它等于Bz和Bzc之间的距离，因为Bzc＝Bz-Mz。

在这样确定了装置5处的磁场轴向分量量值Bzc后，可用修正后的值Byc，Byc，Bzc根据已知的公式计算出钻孔的方位角。

显然，检测器装置可以不同的方式包括在钻具组之中。该装置可用电缆悬挂在钻具组中，并用已知的方式固定在无磁性部件上，其中检测器产生的信号通过电缆传送到地面上。该装置还可以固定在钻具组上，或落放到在钻具组内选定的位置，其中检测器产生的信号可通过无线遥测系统传送到地面，或储存在记忆组件中，然后在将钻孔组件从钻孔中取出后读出。

此外，除了显示在图2和图4中的坐标图外，也可用计算机计算程序来确定磁场的所述修正分量Bxc，Byc和Bzc。

另外，象参考图5和6所要解释的那样，可在倾斜的钻孔中用包括单一磁强计的测量装置得到测出的磁场垂直于轴向的分量的修正垂直轴向分量值Bxc和Byc。在图5所示的实施方案中，测量装置包括安置在垂直于钻具组纵轴的单一平面内的两个互相正交的加速度计和单一的磁强计。这些加速度计沿互相垂直的轴x和y放置，而磁强计的轴M平行于x轴加速度计。如图5所示，由磁强计测出的磁场分量Bmx等于地球磁场

o的x分量Box和由于钻具组磁化造成的偏差磁场

的x分量Mx的和。当钻具组在钻孔中旋转时，相对于钻具组是静止的磁强计对于每个重力高侧角（high side angle）φ读出恒定磁场贡献Mx，而上述高侧角φ是由x轴向和y轴向加速度计确定的。另外，磁强计同时读出地球磁场 正弦变化的磁场贡献Box。当钻具组相对于倾斜钻孔的纵轴旋转过大约360°时，该磁强计读出如图6所示的正弦变化磁场，它是幅度Bxyc和零偏移Mxo与重力高侧角φ的关系曲线。对于钻孔中钻具组的选定角度取向，因而对于选定的重力高侧角φ₁、Bxc通过对磁强计读数就零偏移Mx进行修正而得到。Byc于是通过在与钻具组的选定取向相距90°重力高侧角处对磁强计读数就零偏移Mx进行修正而从图6所示的曲线得到。

Claims (7)

1、借助包含在钻具组中的检测器装置消除钻具组磁化对钻孔中方位角测量的影响的方法，该检测器装置具有大致与钻孔纵轴共轴的中心轴，并且包括至少一个用于测量该检测器装置处的磁场Bm垂直于轴向的分量的磁强计，该方法包括消除磁强计处钻具组磁化垂直于轴向的分量和轴向分量的影响，其中在消除轴向钻具磁化的影响之前，先通过在钻孔中绕其纵轴连同所包含的检测器装置一起旋转钻具组，同时对于钻具组的不同取向测量磁场的所述垂直于轴向的分量，从而消除垂直于轴向的钻具组磁化的影响。

2、权利要求1的方法，其中检测器装置包括三个磁强计，用于测量磁场

在三个互相正交的方向x，y和z方向上的分量Bx，By和Bz，并且其中通过在以Bx为横坐标并以By为纵坐标的图上标绘出在检测器装置在钻孔中处于不同取向时测得的磁场垂直于轴向的分量Bx和By，来确定钻具组磁化垂直于轴向的偏差分量Mx和My对测出的磁场的影响。

3、权利要求2的方法，其中钻具组相对于中心轴Z旋转过大约360°范围的角度，并且其中在图上对检测器装置的不同取向如此测出的磁场垂直于轴向的分量Bx和By绘出封闭的圆形曲线，并且其中钻具组磁化矢量 垂直于轴向的偏差分量Mx和My是根据图中的该曲线的中心位置确定的。

4、如在权利要求1至3中的任何一个所要求的方法，其中从测出的磁场垂直于轴向的分量Bx和By中减去如此确定的钻具组磁化矢量 垂直于轴向的偏差分量Mx和My，从而对于测出的磁场的垂直于轴向的分量确定出修正的垂直于轴向的值Bxc和Byc，并且引入对于垂直于轴向的钻具组磁化的修正矢量（Bxc，Bxc，Bz），它由下列公式表示：

（Bxc，Byc，Bz）＝（Bx，By，Bz）-（Mx，My，O）

5、如权利要求4所要求的方法，其中检测器装置装有用于确定局部重力矢量g垂直于轴向的和轴向的分量gx，gy，gz的重力检测器，并且其中轴向钻具组磁化对方位角测量的影响通过下列步骤确定：

-由g＝（gx²+gy²+gz²）^1/2计算出重力场强度，由B＝（Bxc²+Byc²+Bz²）^1/2计算出对于垂直于轴向的钻具组磁化的修正磁场强度B，接着由θ＝Cos^-1〔（Bxcgx+Bycgy+Bzgz）/Bg〕计算矢量

和g之间的倾斜角θ。

-由钻孔中的测量独立地获得地球磁场的真实量值Bc和矢量Bo与

之间的夹角θo，并且在矢量图中确定具有由重力矢量

确定的中心轴和由

所包的圆锥，该圆锥的顶角等于2θo。

-在同一矢量图中表示出矢量

，它从圆锥的顶点相对于重力矢量g成角度θ延伸，

-由下列公式表示矢量

和圆锥底边之间的距离E：

E＝〔B²+Bo²-2BBoCos（θ-θo）〕^1/2

-对于Bz的不同的假定量值，根据关于B、g、θ和E的所述公式计算E，并在具有代表Bz量值的横坐标和代表E的量值的纵坐标的图上标绘出对于Bz的不同的量值如此计算出的E的各个量值，在该坐标图中确定距离E的极小值，并且确定相应于E的极小值的Bz量值，作为由检测器装置测出的磁场轴向分量的修正量值Bzc，

-该方法进一步地包括根据检测器装置测出的磁场分量的修正量值Bxc，Byc，Bzc确定钻孔的方位角。

6、如权利要求1所要求的方法，其中检测器装置包括用于测量在该检测器装置处的磁场B的一个垂直于轴向的分量的单个磁强计。

7、消除钻具组磁化对钻孔中方位角测量影响的方法，基本上如参考附图中的图1至图6所描述的那样。

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