RU2186966C2 - Method of determination and compensation of inclinometer magnetic deviation - Google Patents

Method of determination and compensation of inclinometer magnetic deviation Download PDF

Info

Publication number
RU2186966C2
RU2186966C2 RU2000122591A RU2000122591A RU2186966C2 RU 2186966 C2 RU2186966 C2 RU 2186966C2 RU 2000122591 A RU2000122591 A RU 2000122591A RU 2000122591 A RU2000122591 A RU 2000122591A RU 2186966 C2 RU2186966 C2 RU 2186966C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
azimuth
inclinometer
angle
dependence
coefficients
Prior art date
Application number
RU2000122591A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000122591A (en
Inventor
А.А. Сидоров
В.Я. Харбаш
С.В. Шурыгин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью предприятие "АРКОН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью предприятие "АРКОН" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью предприятие "АРКОН"
Priority to RU2000122591A priority Critical patent/RU2186966C2/en
Publication of RU2000122591A publication Critical patent/RU2000122591A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2186966C2 publication Critical patent/RU2186966C2/en

Links

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

FIELD: precision instrumentation engineering; applicable in improved determination of azimuth orientation of movable object using three-axis flux-gate inductive transducers and accelerometers. SUBSTANCE: method is realized with use of three-axis inductive transducer in entire rotation sphere of inclinometer including steps: determination of deviation error of azimuth during calibration, approximation of azimuth deviation error by results of calibration by Fourier harmonic series (including determination of coefficients of series by any suitable method, for instance, by method of least squares), compensation of azimuth deviation error in inclinometer working conditions algorithmically in computer. Azimuth deviation error is determined during calibration depending on all three angles of inclinometer orientation (azimuth, longitudinal rotation and zenith). Approximation is effected by continuous dependence directly on angle of longitudinal rotation by Fourier harmonic series up to 7-th order. Approximation is effected by continuous dependence on azimuth angle by Fourier harmonic series, at least, to 5-th order. Approximation is effected by discontinuous dependence of error on zenith angle. For which purpose, two above described operations are carried out on different zenith angles alternating every 10-15 dwg for determination of dependence on azimuth and angle of longitudinal rotation. In this case, formed on each zenith angle is respective set of coefficients B0,0, B1,0...B10,14, which is stored in configuration file. EFFECT: higher accuracy of azimuth determination.

Description

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано для улучшения определения азимутальной ориентации подвижного объекта, использующего в качестве датчиков трехосные феррозондовые индукционные датчики и акселерометры. The invention relates to precision instrumentation and can be used to improve the determination of the azimuthal orientation of a moving object using triaxial flux-gate induction sensors and accelerometers as sensors.

Преимущественно изобретение может быть применено для обследования нефтяных и геофизических скважин. В частности, способ может быть использован в инклинометрах магнитогравитационного типа (далее - инклинометр), применяемого для определения кривизны и траектории не обсаженных буровых (или использующих немагнитные ЛБТ трубы) скважин при наклонном бурении. Advantageously, the invention can be applied to the examination of oil and geophysical wells. In particular, the method can be used in magnetogravity type inclinometers (hereinafter referred to as the inclinometer), used to determine the curvature and trajectory of uncased drilling (or using non-magnetic LBT pipes) wells during directional drilling.

Известен способ устранения ошибок определения азимута (патент США 4,761,889), возникающих, если поле Земли в месте измерения было искажено внешними магнитными полями. Способ основан на предположении, что заранее известны величина (модуль) вектора напряженности магнитного поля Земли в данной точке местности и угол наклонения этого вектора. Результаты замеров магнитного поля, полученные с помощью магнитометров, сравниваются с заранее известным вектором, и по разнице их значений определяется требуемая поправка к азимуту. Недостатком этого способа является то, что он предназначен для определения ошибки только от внешних искажений магнитного поля, тогда как в современных методах бурения используются немагнитные материалы для обсадки скважин и влияние внешних искажающих полей становится не значимым. Кроме того, при обследовании необсаженных скважин влияние внешних полей (от скважинного оборудования и оснастки) также становится незначимым, следовательно, на первый план выходит проблема собственной точности измерительного прибора (инклинометра), обусловленная собственными погрешностями датчиков, которая в данном способе не устраняется. Кроме того, для данного способа требуется знание вектора напряженности магнитного поля Земли, а его определение требует точной измерительной аппаратуры, не имеющей собственной магнитной девиации, с датчиками, не имеющими собственных инструментальных погрешностей, что на практике недостижимо. Таким образом, в этом способе заранее заложена методическая ошибка из-за неопределенности вектора напряженности магнитного поля Земли и неучета собственных погрешностей измерительного прибора. A known method of eliminating errors in determining the azimuth (US patent 4,761,889) arising if the Earth's field at the measurement location was distorted by external magnetic fields. The method is based on the assumption that the magnitude of the vector of the magnetic field of the Earth at a given point in the terrain and the angle of inclination of this vector are known in advance. The results of measurements of the magnetic field obtained using magnetometers are compared with a previously known vector, and the required correction to azimuth is determined by the difference in their values. The disadvantage of this method is that it is designed to determine the error only from external distortions of the magnetic field, while modern drilling methods use non-magnetic materials for casing and the influence of external distorting fields becomes insignificant. In addition, when examining open-hole wells, the influence of external fields (from downhole equipment and rigs) also becomes insignificant, therefore, the problem of the intrinsic accuracy of the measuring device (inclinometer) comes to the forefront, due to the intrinsic errors of the sensors, which cannot be eliminated in this method. In addition, this method requires knowledge of the Earth's magnetic field vector, and its determination requires accurate measuring equipment that does not have its own magnetic deviation, with sensors that do not have their own instrumental errors, which is unattainable in practice. Thus, in this method, a methodological error is in advance due to the uncertainty of the Earth's magnetic field vector and the neglect of the intrinsic errors of the measuring device.

Известен другой способ улучшения определения азимута и наклона (зенитного угла) скважины (патент США 4,956,921). Способ состоит в том, что перед началом работы производится начальная выставка с целью определения векторов напряженности магнитного поля и гравитационного поля Земли, а также угла между ними. Затем в процессе измерения скважины находятся неопределенности показаний датчиков - по оценкам дисперсий источников неопределенности (инструментальные ошибки), оценкам ковариаций между источниками неопределенностей и показаниям датчиков. После этого компенсируются ошибки показаний датчиков посредством минимизации условной функции совокупной ошибки. There is another way to improve the determination of the azimuth and dip (zenith angle) of the well (US patent 4,956,921). The method consists in the fact that before starting work, an initial exhibition is made to determine the vectors of the magnetic field and the gravitational field of the Earth, as well as the angle between them. Then, in the process of measuring the well, the uncertainties of the sensor readings are found - according to estimates of the variances of the sources of uncertainty (instrumental errors), estimates of the covariances between the sources of uncertainties and the readings of the sensors. After that, the errors of the sensor readings are compensated by minimizing the conditional function of the total error.

Недостатком данного метода является то, что рассматриваются только инструментальные погрешности датчиков, такие как смещение нулевого сигнала, погрешность крутизны, погрешности базирования датчиков; ошибки же, возникающие от наличия магнитно-жесткого и магнитно-мягкого железа не рассматриваются. Кроме того, необходимость начальной выставки на скважине, во-первых, дает дополнительную погрешность от влияния металлического оборудования, имеющегося на устье скважины, во-вторых, увеличивает время работы на скважине, что экономически невыгодно. А также то, что компенсируются ошибки не по азимутальному углу, а непосредственно в показаниях датчиков, что приводит к увеличению совокупной случайной ошибки по показаниям феррозондов индукционного датчика, т.к. в канал каждого феррозонда поправка вводится с некоторой случайной погрешностью и в результате корреляции этих ошибок погрешность может увеличиться в три раза. Кроме того, в этом способе, как и в предыдущем, требуется знать с высокой точностью вектор напряженности магнитного поля Земли в точке проведения обследования, что в реальных условиях эксплуатации инклинометров практически невозможно. К тому же возникают случайные ошибки из-за того, что используются случайные параметры, такие как оценки дисперсий источников неопределенностей и оценки ковариаций между ними, определенные статистически, со случайной ошибкой; таким образом, дополнительная ошибка вводится при попытке скорректировать показания акселерометров и феррозондов приближенным методом. The disadvantage of this method is that only instrumental errors of the sensors are considered, such as the offset of the zero signal, the slope error, the errors of the sensors based; errors arising from the presence of magnetically hard and magnetically soft iron are not considered. In addition, the need for an initial exhibition at the well, firstly, gives an additional error from the influence of metal equipment available at the wellhead, and secondly, it increases the working time at the well, which is economically disadvantageous. And also the fact that errors are compensated not by the azimuthal angle, but directly in the readings of the sensors, which leads to an increase in the total random error according to the readings of the flux gates of the induction sensor, because The correction is introduced into the channel of each fluxgate with some random error, and as a result of the correlation of these errors, the error can increase by a factor of three. In addition, in this method, as in the previous one, it is required to know with high accuracy the vector of the Earth's magnetic field at the point of survey, which is practically impossible under actual operating conditions of inclinometers. In addition, random errors arise due to the fact that random parameters are used, such as estimates of variances of sources of uncertainties and estimates of covariances between them, determined statistically, with a random error; thus, an additional error is introduced when trying to correct the readings of accelerometers and fluxgates by an approximate method.

Следовательно, вышеописанные способы не в состоянии произвести измерения оптимально, с высокой точностью. Therefore, the above methods are not able to make measurements optimally, with high accuracy.

Известен способ компенсации ошибки азимутального угла от магнитной девиации, применяемый в магнитных компасах, работающих только в одной плоскости (горизонтальной), описанный, например, в [2] . Этот способ не может быть применен по отношению к инклинометрам, т.к. в случае применения трехосного индукционного датчика ставится задача компенсации девиации во всей сфере вращения прибора. Специфика этой задачи заключается в том, что магнитное поле девиации не анизотропно по различным направлениям и зависит от ориентации прибора в трехмерном пространстве, а значит, данный способ неприменим для инклинометров. Кроме того, компенсация осуществляется за счет применения специального девиационного прибора, что усложняет конструкцию прибора, увеличивает трудоемкость настройки и дает погрешность при настройке, т.к. она делается вручную. A known method of compensating for azimuthal angle errors from magnetic deviation, used in magnetic compasses operating in only one plane (horizontal), is described, for example, in [2]. This method cannot be applied to inclinometers, because in the case of using a triaxial induction sensor, the task is to compensate for deviation in the entire sphere of rotation of the device. The specificity of this problem is that the magnetic field of deviation is not anisotropic in various directions and depends on the orientation of the device in three-dimensional space, which means that this method is not applicable for inclinometers. In addition, compensation is carried out through the use of a special deviation device, which complicates the design of the device, increases the complexity of the settings and gives an error in the settings, because it is done manually.

Наиболее близким прототипом является способ компенсации ошибки азимутального угла в инклинометрическом преобразователе (патент RU 2102596, МКИ Е 21 В 47/02 от 20.01.98). Способ заключается в том, что поправки формируют в виде непрерывных функций, аппроксимирующих зависимости систематических погрешностей преобразователей от заданных значений параметров, представленных измеренными значениями параметров, а также в том, что поправки формируют в виде непрерывных функций, аппроксимирующих разности между измеренными значениями и заданными значениями параметров в зависимости от измеренных значений параметров. The closest prototype is a method of compensating for azimuthal angle errors in an inclinometric transducer (patent RU 2102596, MKI E 21 V 47/02 of 01/20/98). The method consists in the fact that the corrections are formed in the form of continuous functions approximating the dependences of the systematic errors of the converters on the given parameter values represented by the measured parameter values, and also that the corrections are formed in the form of continuous functions approximating the differences between the measured values and the specified parameter values depending on the measured values of the parameters.

Этот способ имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, непрерывные функции, аппроксимирующие измеренное значение параметра ориентации (или его отклонения от заданного значения) описаны как функции от одного (одноименного) параметра. Другие же факторы, имеющиеся в аппроксимирующей функции, отражают лишь особенности построения и условия эксплуатации инклинометра. Однако в случае реального применения инклинометра ставится задача компенсации девиации во всей сфере его вращения, т.е. в зависимости от всех трех углов, описывающих пространственную ориентацию инклинометра. Т.к. магнитное поле девиации не анизотропно по различным направлениям и зависит от ориентации инклинометра в трехмерном пространстве. This method has several significant disadvantages. Firstly, continuous functions approximating the measured value of the orientation parameter (or its deviation from the set value) are described as functions of one (of the same name) parameter. Other factors available in the approximating function reflect only the features of the construction and operating conditions of the inclinometer. However, in the case of the actual use of the inclinometer, the task is to compensate for deviation in the entire sphere of its rotation, i.e. depending on all three angles describing the spatial orientation of the inclinometer. Because the magnetic field of deviation is not anisotropic in different directions and depends on the orientation of the inclinometer in three-dimensional space.

Во-вторых, для вычисления поправки к параметру в функцию, описывающую эту поправку, подставляется измеренное в этом же такте значение параметра, но т. к. параметр измерен с погрешностью (причем погрешностью, зависящей от ориентации инклинометра), то при вычислении поправки также может возникнуть ошибка. Secondly, to calculate the correction to the parameter, the function describing this correction is substituted with the parameter value measured in the same measure, but since the parameter is measured with an error (moreover, an error depending on the orientation of the inclinometer), it can also an error occurs.

В-третьих, в способе предполагается графоаналитический (а не автоматический) метод подбора вида функции погрешности, наиболее подходящий для ее математического описания, и также графоаналитический метод для определения амплитуд гармоник. Thirdly, the method assumes a graphoanalytic (rather than automatic) method for selecting the form of the error function, most suitable for its mathematical description, and also a graphoanalytic method for determining the amplitudes of harmonics.

Кроме того, практика показывает, что разложение функции погрешности в ряд Фурье до второго и даже третьего порядка не обеспечивает оптимальной точности определения поправки. In addition, practice shows that the expansion of the error function in a Fourier series to the second and even third order does not provide optimal accuracy for determining the correction.

Цель изобретения - обеспечить повышение точности определения азимутального угла за счет способа калибровки девиационной ошибки определения азимута, который вводил бы коррекцию в виде непрерывной функции не в показания датчиков, а по азимутальному углу, не требующий знать вектор напряженности магнитного поля Земли, не требующий начальной выставки перед началом каждого замера скважины, вводящий поправку к измерениям алгоритмическим путем в вычислителе, чтобы исключить инструментальную ошибку компенсации девиации, которая неизбежно возникает при вводе компенсации вручную. The purpose of the invention is to improve the accuracy of determining the azimuthal angle due to the method of calibrating the deviation error of determining the azimuth, which would introduce a correction as a continuous function not in the sensor readings, but in the azimuthal angle, which does not require knowing the Earth's magnetic field vector, which does not require an initial exposure before at the beginning of each well measurement, introducing an amendment to the measurements algorithmically in the calculator in order to eliminate the instrumental error of deviation compensation, which is inevitable during it appears when entering compensation manually.

Поставленную цель достигает способ, предлагаемый в данной заявке. Способ определения и компенсации собственной магнитной девиации инклинометра с применением трехосного индукционного датчика во всей сфере вращения инклинометра, включающий определение девиационной ошибки азимута во время калибровки, аппроксимацию девиационной ошибки азимута по результатам калибровки гармоническим рядом Фурье, включающим определение коэффициентов ряда методом наименьших квадратов, компенсацию девиационной ошибки азимута в рабочем режиме инклинометра алгоритмически на ЭВМ. При этом девиационную ошибку азимута определяют во время калибровки в зависимости от всех трех углов ориентации инклинометра азимута, продольного вращения и зенита и аппроксимируют непрерывной зависимостью непосредственно от угла продольного вращения гармоническим рядом Фурье до седьмого порядка

Figure 00000001

где γ - угол продольного вращения инклинометра, град;
Δψ - поправка азимута, град;
A0, A1 ... A14 - коэффициенты аппроксимации, определяемые методом наименьших квадратов; для чего инклинометр устанавливают на заданный азимут и обеспечивают его вращение вокруг продольной оси, при этом производят непрерывную регистрацию результатов измерений для последующей обработки, далее аппроксимируют неявной непрерывной зависимостью от азимутального угла гармоническим рядом Фурье не менее чем пятого порядка
Figure 00000002

где ψy - истинный азимут инклинометра, определенный по шкале установки;
В0,0, B1,0 . .. B10,14 - коэффициенты аппроксимации, описывающие зависимость коэффициентов А0, A1 ... А14, а следовательно, и ошибки азимута от азимутальной ориентации инклинометра, определяемые методом наименьших квадратов,
для определения последних инклинометр устанавливают на различные азимуты, чередующиеся через 30o, и производят вышеописанную операцию по определению зависимости ошибки от угла продольного вращения, при этом также производят непрерывную регистрацию измерений для последующей обработки, далее аппроксимируют релейной или ступенчатой зависимостью ошибки от зенитного угла, для чего на различных зенитных углах производят две вышеописанные операции по определению зависимости от азимута и угла продольного вращения, при этом на каждом зенитном угле формируют соответствующий набор коэффициентов В0,0, B1,0 . . . B10,14, хранящийся в файле конфигурации, с помощью которых во время рабочих измерений вводят поправку к определяемому азимуту в зависимости от зенитного угла посредством выбора набора коэффициентов В0,0, B1,0 . . . В10,14 из файла конфигурации, после чего зависимость от азимута определяют посредством подстановки коэффициентов В0,0, B1,0 ... B10,14 в формулы
Figure 00000003

где ψи - азимут, измеренный инклинометром, взятый с предыдущего такта, скорректированный на предыдущем такте,
далее зависимость от угла продольного вращения определяется посредством подстановки коэффициентов A0, A1 ... А14 формулу
Figure 00000004

найденную поправку Δψ далее учитывают в показаниях инклинометра.The goal is achieved by the method proposed in this application. A method for determining and compensating for the intrinsic magnetic deviation of an inclinometer using a triaxial induction sensor in the entire scope of the inclinometer rotation, including determining the azimuth deviation error during calibration, approximating the azimuth deviation error from the results of calibration with the Fourier harmonic series, including determining the coefficients of the series using the least squares method, and compensating for the deviation error azimuth in the operating mode of the inclinometer algorithmically on a computer. In this case, the azimuth deviation error is determined during calibration, depending on all three angles of orientation of the azimuth inclinometer, longitudinal rotation and zenith, and is approximated by a continuous dependence directly on the longitudinal rotation angle by the Fourier harmonic series up to the seventh order
Figure 00000001

where γ is the angle of longitudinal rotation of the inclinometer, deg;
Δψ - azimuth correction, degrees;
A 0 , A 1 ... A 14 - approximation coefficients determined by the least squares method; why the inclinometer is set to a given azimuth and its rotation around the longitudinal axis is provided, while the measurement results are continuously recorded for subsequent processing, then they are approximated by an implicit continuous dependence on the azimuthal angle of not less than fifth order Fourier harmonic series
Figure 00000002

where ψ y is the true azimuth of the inclinometer, determined on the scale of the installation;
B 0.0 , B 1.0 . .. B 10.14 - approximation coefficients describing the dependence of the coefficients A 0 , A 1 ... A 14 , and therefore the azimuth errors from the azimuthal orientation of the inclinometer, determined by the least squares method,
to determine the latter, the inclinometer is set to different azimuths, alternating through 30 o , and the above operation is performed to determine the dependence of the error on the angle of longitudinal rotation, while also continuously recording measurements for subsequent processing, then approximate the relay or stepwise dependence of the error on the zenith angle, for which, at different zenith angles, carry out the two operations described above to determine the dependence on the azimuth and the angle of longitudinal rotation, with each zenith ohm carbon form a corresponding set of coefficients B 0,0, B 1,0. . . B 10.14 , stored in the configuration file, by which, during operational measurements, a correction is made to the determined azimuth depending on the zenith angle by selecting a set of coefficients B 0,0 , B 1,0 . . . 10.14 from the configuration file, after which the dependence on the azimuth is determined by substituting the coefficients B 0,0 , B 1,0 ... B 10,14 in the formula
Figure 00000003

where ψ and is the azimuth measured by the inclinometer, taken from the previous measure, adjusted at the previous measure,
further, the dependence on the angle of longitudinal rotation is determined by substituting the coefficients A 0 , A 1 ... A 14 the formula
Figure 00000004

the found correction Δψ is then taken into account in the inclinometer readings.

Изначально предполагается, что инструментальные ошибки акселерометров (смещение нуля, погрешность крутизны, нелинейности, погрешности базирования) определены в лабораторных условиях с высокой точностью, как это делается в инклинометре МИНК 42-100/60, производства ООО "Арас-плюс", г. Арзамас [1]. Значит, мы можем быть уверены в истинности показаний акселерометров и, следовательно, в правильности определения углов зенита и продольного вращения. Инструментальные погрешности феррозондов (смещение нуля, погрешность крутизны, нелинейности, погрешности базирования) также могут быть определены в процессе калибровки (если есть такая возможность) - это уменьшит совокупную ошибку индукционного датчика и в целом улучшит точность измерений. Таким образом, погрешность определения азимута будет обусловлена лишь магнитной девиацией от присутствия в конструкции инклинометра токовых систем, магнитно-мягкого и магнитно-жесткого железа. Initially, it is assumed that the instrumental errors of the accelerometers (zero offset, slope error, nonlinearity, baseline error) are determined in laboratory conditions with high accuracy, as is done with the MINK 42-100 / 60 inclinometer manufactured by Aras-plus LLC, Arzamas [1]. So, we can be sure of the accuracy of the accelerometers and, therefore, the correct determination of the zenith angles and longitudinal rotation. Instrumental errors of flux gates (zero offset, slope error, nonlinearity, base error) can also be determined during the calibration process (if possible) - this will reduce the total error of the induction sensor and generally improve the accuracy of measurements. Thus, the error in determining the azimuth will be due only to magnetic deviation from the presence of current systems, magnetically soft and magnetically hard iron in the inclinometer design.

В соответствии с классическим представлением о структуре магнитной девиации [2] она разделяется на круговую, полукруговую, четверть круговую (или четвертную). При этом круговая девиация понимается как смещение нуля ошибки, полукруговая - как первая гармоника ошибки, четвертная - как вторая гармоника. Исходя из этого, можно представить зависимость ошибки определения азимута Δψ в виде гармонического ряда Фурье, причем ошибка будет зависеть от углов ориентации инклинометра. В заявляемом способе предлагается, что порядок ряда должен превышать второй (в отличие от классических представлений о девиации, описанных в [2]), и третий (в отличие от способа, предлагаемого в патенте RU 2102596, МКИ Е 21 В 47/02), т.к. исследования показали, что весомое значение имеют и гармоники девиации более высокого порядка и их также необходимо учитывать. В зависимость, например, от угла продольного вращения (как показали исследования) целесообразно вводить гармоники, по крайней мере, до 7-го порядка. При этом зависимость вводится непосредственно (ошибка от угла), как показано в уравнении (1):

Figure 00000005

где γ - угол продольного вращения прибора;
A0, A1, А2 ... A14 - коэффициенты аппроксимации.In accordance with the classical concept of the structure of magnetic deviation [2], it is divided into circular, semicircular, quarter circular (or quarter). In this case, circular deviation is understood as the zero offset of the error, semicircular as the first harmonic of the error, and the fourth as the second harmonic. Based on this, one can imagine the dependence of the error in determining the azimuth Δψ in the form of a harmonic Fourier series, and the error will depend on the orientation angles of the inclinometer. In the inventive method, it is proposed that the order of the series should exceed the second (in contrast to the classical concepts of deviation described in [2]), and the third (in contrast to the method proposed in patent RU 2102596, MKI E 21 B 47/02), because Studies have shown that higher-order harmonics of deviation are also significant and must also be taken into account. It is advisable to introduce harmonics into the dependence, for example, on the angle of longitudinal rotation (as studies have shown), at least up to the 7th order. In this case, the dependence is introduced directly (error from the angle), as shown in equation (1):
Figure 00000005

where γ is the angle of longitudinal rotation of the device;
A 0 , A 1 , A 2 ... A 14 - approximation coefficients.

Для определения коэффициентов аппроксимации можно использовать метод "наименьших квадратов" (см. справочник: Корн Г., Корн Т. "Справочник по математике для научных работников и инженеров" М. Наука, 1974 г. [3]). Предлагается, что необходимый для этого массив данных можно набрать, установив инклинометр на калибровочную установку на заданный азимут (и зенит) и вращая его на этой установке вокруг своей продольной оси (т.е. по углу γ не менее одного полного оборота), непрерывно записывая при этом показания датчиков. Процесс сбора и обработки данных измерения может быть автоматизирован применением соответствующего программного обеспечения. Таким образом, можно аппроксимировать зависимость ошибки по азимуту от угла продольного вращения на одном азимуте и одном зенитном угле. To determine the approximation coefficients, you can use the method of "least squares" (see reference: Korn G., Korn T. "Handbook of mathematics for scientists and engineers" M. Nauka, 1974 [3]). It is proposed that the data array necessary for this can be obtained by setting the inclinometer on the calibration unit at a given azimuth (and zenith) and rotating it on this unit around its longitudinal axis (i.e., at least one full revolution along the angle γ), continuously recording while the readings of the sensors. The process of collecting and processing measurement data can be automated using appropriate software. Thus, the dependence of the error in azimuth on the angle of longitudinal rotation at one azimuth and one zenith angle can be approximated.

Располагая инклинометр на разных азимутах (например, чередующихся через 30o от 0 до 330o) и повторяя вышеописанную операцию на том же самом зенитном угле, можно получить набор коэффициентов A0, A1 ... А14 для разных азимутов:

Figure 00000006

При этом азимут (указанный в скобках) задается по шкале установки, на которой производится калибровка инклинометра и поэтому его можно считать истинным.By placing the inclinometer at different azimuths (for example, alternating through 30 o from 0 to 330 o ) and repeating the above operation on the same zenith angle, you can get a set of coefficients A 0 , A 1 ... A 14 for different azimuths:
Figure 00000006

In this case, the azimuth (indicated in brackets) is set on the installation scale on which the inclinometer is calibrated and therefore it can be considered true.

Далее определяется зависимость ошибки азимута от азимутальной ориентации инклинометра. Порядок разложения (т.е. число гармоник) при определении этой зависимости также должен превышать два. Например, при чередовании азимутов через 30o допускается определение до пяти гармоник. Эта зависимость описывается не явно, а как зависимость коэффициентов А0, A1 ... А14 от азимута ψ, которая аппроксимируется рядом Фурье, аналогично зависимости (1)

Figure 00000007

где ψ - истинный азимут инклинометра, определяемый по шкале установки;
B0,0, B1,0 . .. B10,14 - коэффициенты аппроксимации, описывающие зависимость коэффициентов А0, A1 ... A14, а следовательно, и ошибки азимута от азимутальной ориентации инклинометра.Next, the dependence of the azimuth error on the azimuthal orientation of the inclinometer is determined. The decomposition order (i.e., the number of harmonics) in determining this dependence should also exceed two. For example, when alternating azimuths through 30 o, it is possible to determine up to five harmonics. This dependence is not described explicitly, but as the dependence of the coefficients A 0 , A 1 ... A 14 on the azimuth ψ, which is approximated by the Fourier series, similarly to the dependence (1)
Figure 00000007

where ψ is the true azimuth of the inclinometer, determined by the installation scale;
B 0.0 , B 1.0 . .. B 10,14 - approximation coefficients describing the dependence of the coefficients A 0 , A 1 ... A 14 , and therefore the azimuth error from the azimuthal orientation of the inclinometer.

Для определения коэффициентов аппроксимации В0,0, В1,0 ... B10,14 также можно использовать известный метод "наименьших квадратов". Предлагается, что процесс сбора и обработки данных измерения также может быть автоматизирован применением соответствующего программного обеспечения. Таким образом, можно аппроксимировать зависимость ошибки по азимуту совместно от азимутальной ориентации и угла продольного вращения инклинометра на одном зенитном угле.To determine the approximation coefficients B 0,0 , B 1,0 ... B 10,14 , you can also use the well-known method of least squares. It is proposed that the process of collecting and processing measurement data can also be automated using appropriate software. Thus, it is possible to approximate the dependence of the azimuth error together on the azimuthal orientation and the angle of longitudinal rotation of the inclinometer at one zenith angle.

Зависимость ошибки азимута от зенитного угла (угла наклона скважины) описывается также не явно, а через зависимость коэффициентов аппроксимации В0,0, B1,0 . . . В10,14 от зенита. Введение зависимости ошибки азимута от зенитного угла осложняется тем, что она может иметь негармонический характер, поэтому в описываемом здесь способе она вводится следующим образом. Все вышеописанные операции по определению зависимости ошибки от угла продольного вращения и азимута (т.е. определение коэффициентов В0,0, B1,0 ... В10,14) производятся на нескольких зенитных углах. При этом получаем серию коэффициентов B0,0i), B1,0i), ... B10,14i), которые будут различными на различных зенитных углах Θi (где Θ - зенитный угол, i=1, 2, ...). Далее во время рабочих измерений скважины инклинометром с применением данного способа вводится ступенчатое или релейное переключение массива коэффициентов

Figure 00000008
которые подставляются в уравнение (2), в зависимости от текущего зенитного угла.The dependence of the azimuth error on the zenith angle (angle of inclination of the well) is also not described explicitly, but through the dependence of the approximation coefficients B 0.0 , B 1.0 . . . At 10.14 from the zenith. The introduction of the dependence of the azimuth error on the zenith angle is complicated by the fact that it can have a non-harmonic character, therefore, in the method described here it is introduced as follows. All the above operations to determine the dependence of the error on the angle of longitudinal rotation and azimuth (i.e., the determination of the coefficients В 0,0 , B 1,0 ... В 10,14 ) are performed at several zenith angles. In this case, we obtain a series of coefficients B 0,0i ), B 1,0i ), ... B 10,14i ), which will be different at different zenith angles Θ i (where Θ is the zenith angle , i = 1, 2, ...). Then, during working measurements of the well with an inclinometer using this method, stepwise or relay switching of the coefficient array is introduced
Figure 00000008
which are substituted into equation (2), depending on the current zenith angle.

Например, получены коэффициенты B0,0i), B1,0i), ... B10,14i) на зенитных углах 10, 30, 50 и 70o. Тогда в диапазоне зенитов Θ≤20° будет использоваться набор

Figure 00000009
в диапазоне 20°<Θ≤40° будет использоваться набор
Figure 00000010
в диапазоне 40°<Θ≤60° будет использоваться набор
Figure 00000011
в диапазоне 60°<Θ будет использоваться набор
Figure 00000012
Эти наборы коэффициентов могут храниться в специальном файле конфигурации, а переключение с одного набора на другой будет происходить автоматически, если создать соответствующее программное обеспечение (например, как сделано в инклинометре МИНК 42-100/60 производства ООО "Арас-плюс", г. Арзамас, [1]).For example, the coefficients B 0,0i ), B 1,0i ), ... B 10,14i ) at the zenith angles of 10, 30, 50 and 70 o are obtained. Then in the zenith range Θ≤20 ° the set will be used
Figure 00000009
in the range of 20 ° <Θ≤40 ° the set will be used
Figure 00000010
in the range of 40 ° <Θ≤60 ° the set will be used
Figure 00000011
in the range 60 ° <Θ the set will be used
Figure 00000012
These sets of coefficients can be stored in a special configuration file, and switching from one set to another will happen automatically if you create the appropriate software (for example, as done with the MINK 42-100 / 60 inclinometer manufactured by Aras-plus LLC, Arzamas , [1]).

Работа алгоритма в соответствии с данным способом будет производиться в следующей последовательности:
1) Определение зенитного угла Θ по показаниям акселерометров, ранее откалиброванных с необходимой точностью.
The algorithm in accordance with this method will be performed in the following sequence:
1) Determination of the zenith angle Θ from the readings of accelerometers previously calibrated with the necessary accuracy.

2) Выбор в соответствии с зенитным углом Θ определенным на предыдущем шаге, необходимого набора коэффициентов B0,0i), B1,0i), ... B10,14i) из файла конфигурации и вычисление коэффициентов А0, A1 ... A14 по формуле (2). При этом азимут ψ можно брать с предыдущего такта измерения (после коррекции по данному способу), т.к. азимутальный угол скважины обычно изменяется медленно по глубине. А на первом такте можно брать не скомпенсированный угол ψ, тогда в этом такте поправка будет определяться не точно, но с каждым последующим тактом все точнее, и приблизится к реальной ошибке азимута за 3-4 такта (что при достаточно высокой тактовой частоте инклинометра составляет ≤1 секунды).2) The selection, in accordance with the zenith angle Θ defined in the previous step, of the necessary set of coefficients B 0,0i ), B 1,0i ), ... B 10,14i ) from the configuration file and the calculation of the coefficients A 0 , A 1 ... A 14 according to the formula (2). In this case, the azimuth ψ can be taken from the previous measurement step (after correction by this method), because the azimuthal angle of the well usually varies slowly in depth. And at the first measure, you can take the uncompensated angle ψ, then in this measure the correction will be determined not exactly, but with each subsequent measure everything will be more accurate, and will approach the real azimuth error for 3-4 measures (which at a sufficiently high clock frequency of the inclinometer is ≤ 1 second).

3) Вычисление азимутальной поправки Δψ по формуле (1) с использованием коэффициентов A1, А2 . .. А14, найденных в предыдущем шаге. При этом угол продольного вращения γ определяется из показаний акселерометров.3) Calculation of the azimuthal correction Δψ according to the formula (1) using the coefficients A 1 , A 2 . .. And 14 are found in the previous step. In this case, the angle of longitudinal rotation γ is determined from the readings of the accelerometers.

Разумеется, при нахождении зенитного угла в районе точки переключения (в приведенном выше примере это углы 20, 40 и 60o) показания инклинометра будут наихудшие, но диапазоны зенитных углов и точки переключения можно подобрать таким образом, что даже в наихудшем случае ошибка определения азимута не будет выходить за границы допуска. Таким образом, можно достигнуть весьма высокой точности измерения азимута, увеличив число зенитных углов, на которых производится калибровка инклинометра, уменьшив, соответственно, диапазоны переключения (т. е. увеличив число точек переключения). Или можно снизить трудоемкость процесса калибровки, сократить время калибровки, если уменьшить требования по точности (уменьшив число зенитных углов, на которых производится калибровка).Of course, when finding the zenith angle near the switching point (in the above example, the angles 20, 40 and 60 o ), the inclinometer readings will be the worst, but the ranges of zenith angles and switching points can be selected in such a way that even in the worst case, the error in determining the azimuth is not will go beyond tolerance. Thus, it is possible to achieve very high accuracy in azimuth measurements by increasing the number of zenith angles at which the inclinometer is calibrated, reducing, accordingly, the switching ranges (i.e., increasing the number of switching points). Or you can reduce the complexity of the calibration process, reduce the calibration time, if you reduce the accuracy requirements (by reducing the number of zenith angles at which calibration is performed).

Источники информации
1. Магнитный инклинометр непрерывный кабельный МИНК 42-100/60. Руководство по эксплуатации МИНК 402115.001 РЭ.
Sources of information
1. Continuous magnetic inclinometer cable MINK 42-100 / 60. Operation manual MINK 402115.001 OM.

2. Михайлов О.И., Козлов И.М., Гергель Ф.С. Авиационные приборы. М. Машиностроение, 1949 г. 2. Mikhailov O.I., Kozlov I.M., Gergel F.S. Aviation devices. M. Engineering, 1949

3. Корн Г. , Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Наука, 1974 г. 3. Korn G., Korn T. Handbook of mathematics for scientists and engineers. M. Science, 1974

4. US Patent 4,761,889, МКИ Е 21 В 33/312, 1988 г. 4. US Patent 4,761,889, MKI E 21 B 33/312, 1988

5. US Patent 4,956,921, МКИ Е 41 В 47/22, 1990 г. 5. US Patent 4,956,921, MKI E 41 B 47/22, 1990

6. Патент RU 2102596, МКИ Е 21 В 47/02 от 20.01.98. 6. Patent RU 2102596, MKI E 21 V 47/02 of 01/20/98.

Claims (1)

Способ определения и компенсации собственной магнитной девиации инклинометра с применением трехосного индукционного датчика во всей сфере вращения инклинометра, включающий определение девиационной ошибки азимута во время калибровки, аппроксимацию девиационной ошибки азимута по результатам калибровки гармоническим рядом Фурье, включающую определение коэффициентов ряда методом наименьших квадратов, компенсацию девиационной ошибки азимута в рабочем режиме инклинометра алгоритмически на ЭВМ, отличающийся тем, что девиационную ошибку азимута определяют во время калибровки в зависимости от всех трех углов ориентации инклинометра: продольного вращения, азимута и зенита, и аппроксимируют непрерывной зависимостью непосредственно от угла продольного вращения гармоническим рядом Фурье до седьмого порядка
Figure 00000013

где γ - угол продольного вращения инклинометра, град;
Δψ - поправка азимута, град;
А0, А1, A2 .... A14 - коэффициенты апроксимации, определяемые методом наименьших квадратов,
для чего инклинометр устанавливают на заданный азимут и обеспечивают его вращение вокруг продольной оси, при этом производят непрерывную регистрацию результатов измерений для последующей обработки, далее аппроксимируют не явной непрерывной зависимостью от азимутального угла гармоническим рядом Фурье не менее, чем пятого порядка
Figure 00000014

где ψy - истинный азимут инклинометра, определенный по шкале установки;
В0,0, В1,0, ... B10,14 - коэффициенты аппроксимации, описывающие зависимость коэффициентов А0, A1, ... A14, а следовательно и ошибки азимута от азимутальной ориентации инклинометра, определяемые методом наименьших квадратов,
для определения последних инклинометр устанавливают на различные азимуты, чередующиеся через 30o и производят вышеописанную операцию по определению зависимости ошибки от угла продольного вращения, при этом также производят непрерывную регистрацию измерений для последующей обработки, далее аппроксимируют релейной или ступенчатой зависимостью ошибки от зенитного угла, для чего на различных зенитных углах производят две вышеописанные операции по определению зависимости от азимута и угла продольного вращения, при этом на каждом зенитном угле формируют соответствующий набор коэффициентов В0,0, В1,0, ... B10,14, хранящийся в файле конфигурации, с помощью которых во время рабочих измерений вводят поправку к определяемому азимуту в зависимости от зенитного угла посредством выбора набора коэффициентов В0,0, В1,0, . . . B10,14 из файла конфигурации, после чего зависимость от азимута определяют посредством подстановки коэффициентов В0,0, В1,0, ... B10,14 в формуле
Figure 00000015

где ψи - азимут, измеренный инклинометром, взятый с предыдущего такта, скорректированный на предыдущем такте, далее зависимость от угла продольного вращения определяется посредством подстановки коэффициентов А0, А1, ... А14, в формулу
Figure 00000016

найденную поправку Δψ далее учитывают в показаниях инклинометра.
A method for determining and compensating for the intrinsic inclinometer’s own magnetic deviation using a triaxial induction sensor in the entire inclinometer rotation area, including determining the azimuth deviation error during calibration, approximating the azimuth deviation error from the results of calibration with the Fourier harmonic series, including determining the coefficients of the series using the least squares method, and compensating for the deviation error azimuth in the operating mode of the inclinometer algorithmically on a computer, characterized in that the deviation error The azimuth curve is determined during calibration, depending on all three inclinometer orientation angles: longitudinal rotation, azimuth and zenith, and is approximated by a continuous dependence directly on the longitudinal rotation angle by the Fourier harmonic series to the seventh order
Figure 00000013

where γ is the angle of longitudinal rotation of the inclinometer, deg;
Δψ - azimuth correction, degrees;
A 0 , A 1 , A 2 .... A 14 - approximation coefficients determined by the least squares method,
why the inclinometer is set to a given azimuth and its rotation around the longitudinal axis is provided, while the measurement results are continuously recorded for subsequent processing, then they are approximated by an implicit continuous dependence on the azimuthal angle of the Fourier harmonic series of no less than fifth order
Figure 00000014

where ψ y is the true azimuth of the inclinometer, determined on the scale of the installation;
B 0,0 , B 1,0 , ... B 10,14 - approximation coefficients describing the dependence of the coefficients A 0 , A 1 , ... A 14 , and therefore the azimuth errors from the azimuthal orientation of the inclinometer, determined by the least squares method ,
to determine the latter, the inclinometer is set to various azimuths alternating through 30 o and the above operation is performed to determine the dependence of the error on the angle of longitudinal rotation, while also continuously recording measurements for subsequent processing, then approximate the relay or stepwise dependence of the error on the zenith angle, for which at the different zenith angles, the two operations described above are carried out to determine the dependence on the azimuth and the angle of longitudinal rotation, with each zenith m carbon form a corresponding set of coefficients B 0.0, B 1.0, B ... 10.14, stored in a configuration file in which the measurements during working administered correction to the azimuth determined depending on the inclination angle by selecting a set of coefficients B 0.0 , B 1.0,. . . B 10.14 from the configuration file, after which the azimuth dependence is determined by substituting the coefficients B 0,0 , B 1,0 , ... B 10,14 in the formula
Figure 00000015

where ψ and is the azimuth measured by the inclinometer, taken from the previous measure, adjusted on the previous measure, then the dependence on the angle of longitudinal rotation is determined by substituting the coefficients A 0 , A 1 , ... A 14 , in the formula
Figure 00000016

the found correction Δψ is then taken into account in the inclinometer readings.
RU2000122591A 2000-08-28 2000-08-28 Method of determination and compensation of inclinometer magnetic deviation RU2186966C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000122591A RU2186966C2 (en) 2000-08-28 2000-08-28 Method of determination and compensation of inclinometer magnetic deviation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000122591A RU2186966C2 (en) 2000-08-28 2000-08-28 Method of determination and compensation of inclinometer magnetic deviation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000122591A RU2000122591A (en) 2002-07-20
RU2186966C2 true RU2186966C2 (en) 2002-08-10

Family

ID=20239608

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000122591A RU2186966C2 (en) 2000-08-28 2000-08-28 Method of determination and compensation of inclinometer magnetic deviation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2186966C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610957C1 (en) * 2015-12-09 2017-02-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Method of determination of set of angular parameters of spatial orientation of drilling tools
RU2644989C1 (en) * 2016-10-03 2018-02-15 Андрей Владимирович Воробьев Method for assessing impact of geomagnetic activity on metrological characteristics of inclinometric and navigation equipment
RU2712932C1 (en) * 2019-05-30 2020-02-03 Владимир Николаевич Ульянов Method of calibrating an inclination device for determining spatial position of oil and gas wells

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
МИХАЙЛОВ О.И. и др. Авиационные приборы. - М.: Машиностроение, 1977, с. 142-154. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610957C1 (en) * 2015-12-09 2017-02-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Method of determination of set of angular parameters of spatial orientation of drilling tools
RU2644989C1 (en) * 2016-10-03 2018-02-15 Андрей Владимирович Воробьев Method for assessing impact of geomagnetic activity on metrological characteristics of inclinometric and navigation equipment
RU2712932C1 (en) * 2019-05-30 2020-02-03 Владимир Николаевич Ульянов Method of calibrating an inclination device for determining spatial position of oil and gas wells

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2187487C (en) Rotating magnet for distance and direction measurements
Munschy et al. Magnetic mapping for the detection and characterization of UXO: Use of multi-sensor fluxgate 3-axis magnetometers and methods of interpretation
CA2431722C (en) Electronic compass and compensation of large magnetic errors
US6966211B2 (en) Downhole calibration system for directional sensors
US6321456B1 (en) Method of surveying a bore hole
CA2212925C (en) Method to determine local variations of the earth&#39;s magnetic field and location of the source thereof
US9297249B2 (en) Method for improving wellbore survey accuracy and placement
US8180571B2 (en) Wellbore surveying
US6833706B2 (en) Hole displacement measuring system and method using a magnetic field
Sapunov et al. Ground overhauser DNP geophysical devices
CN108061891A (en) A kind of interference SAR base linc vector estimating method at no control point
JP3635092B2 (en) Method for stabilizing the direction indication by a magnetic compass
RU2186966C2 (en) Method of determination and compensation of inclinometer magnetic deviation
Pang et al. A new misalignment calibration method of portable geomagnetic field vector measurement system
CN113227536A (en) System and method for determining axial magnetic interference in a downhole orientation sensor
Sapunov et al. Theodolite-borne vector Overhauser magnetometer: DIMOVER
RU2587111C1 (en) Method of surveying geomagnetic field in water area with towed magnetometer and device therefor
RU2365877C1 (en) Method for definition of magnet deviation on movable object
RU2290673C2 (en) Method for measuring magnetic azimuth in well inclination meter (variants) and device for realization of method
Estes et al. Improvement of Azimuth accuracy by use of iterative total field calibration technique and compensation for system environment effects
RU2250993C1 (en) Method for determining azimuth and zenith angle of well
CN112082572B (en) Device and method for calibrating magnetic interference of drilling tool
RU2644989C1 (en) Method for assessing impact of geomagnetic activity on metrological characteristics of inclinometric and navigation equipment
Welker et al. Magnetic Repeat Station Network on the Baltic Sea-Why So Needed?
RU2750417C1 (en) Method for determining bending stress in wall of underground pipeline

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080829