CN109356568B - 一种测斜探管传感器标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于随钻测量(MWD)工程领域，尤其涉及一种测斜探管传感器标定方法。包括以下有效步骤：a、在测斜探管骨架上选用室温下加速度传感器灵敏度小于1mg的加速度传感器和室温下磁通门灵敏度小于5nT的磁通门作为测斜探管的传感器使用；b、构建测斜探管传感器标定数学模型及公式；c、计算加速度传感器及磁通门的标定系数，将计算得到的标定系数带入到测斜探管传感器标定数学模型中，任意摆置仪器姿态，进而得到井斜、方位、工具面计算数值，依此来验证标定系数准确性；d、将标定系数写入测斜探管内存，完成测斜探管传感器标定。本发明所提供的一种测斜探管传感器标定方法大为减少硬件校准的工作量，提高石油钻探井下钻具姿态测量的精度。

Description

一种测斜探管传感器标定方法
技术领域
本发明属于随钻测量(MWD)工程领域，尤其涉及一种测斜探管传感器标定方法。
背景技术
能源行业，尤其是石油能源行业是国家的生命产业之一，每个国家对其都有着高度的重视。当前油气勘探开发面对资源品质劣质化、油气目标复杂化、安全环保严格化等的严峻挑战，全球油气勘探开发目标正从直井向定向井和水平井、从浅层向深层和超深层发展。国外的相关文献表明，北美陆地新投产水平井数量于2009年中期首次超过常规井数量。国内外的海洋钻井，受限于高额的钻机日费，开钻的油井绝大多数是水平井。还需注意到的一点是，其他钻井中的大斜度井，或者是有特殊设计的井，譬如说防碰、联通井等，也需要MWD进行辅助。
技术的日新月异，亦对MWD仪器的高精度等性能都提出了更高的要求。 MWD已成为石油钻井工程***中尤为重要的一环，井下数据的获取，更是重中之重。测斜探管是MWD***中最主要的测量仪器，其中，3个加速度传感器和3个磁通门是非常普遍的测斜探管传感器配置。传感器敏感轴不正交以及偏置误差是MWD中测斜探管误差的主要束源。安装误差解决的办法有两种，一种是在硬件上的校正，尽量调整使其正交；另一种是在软件上采取补偿的方法。实际应用中，即使精心调校三个加速度传感器和三个磁通门传感器，也会由于安装的原因、测量的视觉等误差，无法避免因敏感轴不正交而引起偏差。此外，还存在零点漂移、传感器内部干扰等影响，使得三轴传感器在不同形态下，对同一重力场或者磁场测量的数值与实际值之间有一个较大的误差。
发明内容
本发明针对上述的测斜探管在使用时所存在的技术问题，提出一种设计合理、方法简单、计算方便且标定准确的一种测斜探管传感器标定方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提供一种测斜探管传感器标定方法，包括以下有效步骤：
a、在测斜探管骨架上选用室温下加速度传感器灵敏度小于1mg的加速度传感器和室温下磁通门灵敏度小于5nT的磁通门作为测斜探管的传感器使用；
b、构建测斜探管传感器标定数学模型及公式为：
Figure RE-GDA0001939608140000021
Figure RE-GDA0001939608140000022
式中，Gx，Gy，Gz为加速度传感器的原始输出，Gx′，Gy′，Gz′为经过标定后的加速度传感器输出，Bx，By，Bz为磁通门的原始输出，Bx′，By′，Bz′为经过标定后的磁通门输出，GKx0、GKxx、GKxy、GKxz、GKy0、GKyx、GKyy、GKyz、 GKz0、GKzx、GKzy、GKzz、BKx0、BKxx、BKxy、BKxz、BKy0、BKyx、BKyy、BKyz、 BKz0、BKzx、BKzy、BKzz为加速度传感器及磁通门的标定系数；
c、计算加速度传感器及磁通门的标定系数，将计算得到的标定系数带入到测斜探管传感器标定数学模型中，任意摆置仪器姿态，进而得到井斜、方位、工具面计算数值，依此来验证标定系数准确性；
d、将标定系数写入测斜探管内存，完成测斜探管传感器标定。
作为优选，所述b步骤中，加速度传感器及磁通门的标定系数的计算公式为：
Figure RE-GDA0001939608140000031
Figure RE-GDA0001939608140000032
Figure RE-GDA0001939608140000033
Figure RE-GDA0001939608140000034
Figure RE-GDA0001939608140000035
Figure RE-GDA0001939608140000036
Figure RE-GDA0001939608140000037
Figure RE-GDA0001939608140000038
Figure RE-GDA0001939608140000039
Figure RE-GDA00019396081400000310
Figure RE-GDA00019396081400000311
Figure RE-GDA00019396081400000312
Figure RE-GDA00019396081400000313
Figure RE-GDA00019396081400000314
Figure RE-GDA00019396081400000315
Figure RE-GDA00019396081400000316
Figure RE-GDA00019396081400000317
Figure RE-GDA00019396081400000318
Figure RE-GDA00019396081400000319
Figure RE-GDA00019396081400000320
Figure RE-GDA00019396081400000321
Figure RE-GDA00019396081400000322
Figure RE-GDA00019396081400000323
Figure RE-GDA00019396081400000324
式中，α为当地磁倾角，GmN(m＝x,y,z；N＝1～6)为测斜探管在一系列不同姿态下加速度传感器的原始输出，BmN(m＝x,y,z；N＝1～6)为测斜探管在一系列不同姿态下磁通门的原始输出。
作为优选，所述GmN(m＝x,y,z；N＝1～6)，BmN(m＝x,y,z；N＝1～6)取值为：
(1)工具面90°，井斜0°，方位180°，取值Gx1、Gy1、Gz1、Bx1、 By1、Bz1；
(2)工具面270°，井斜180°，方位180°，取值Gx2、Gy2、Gz2、Bx2、 By2、Bz2；
(3)工具面270°，井斜90°，方位180°，取值Gx3、Gy3、Gz3、Bx3、 By3、Bz3；
(4)工具面90°，井斜90°，方位180°，取值Gx4、Gy4、Gz4、Bx4、 By4、Bz4；
(5)工具面180°，井斜90°，方位180°，取值Gx5、Gy5、Gz5、Bx5、 By5、Bz5；
(6)工具面0°，井斜90°，方位180°，取值Gx6、Gy6、Gz6、Bx6、 By6、Bz6。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
1、本发明提供一种测斜探管传感器标定方法，利用构建的测斜探管传感器标定数学模型及公式，使测斜探管传感器经过标定后，传感器敏感轴与仪器坐标系坐标轴能够实现精确同轴，进而改进了测斜探管标定的原有方法，大为减少硬件校准的工作量，提高石油钻探井下钻具姿态测量的精度。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1，本实施例提供一种测斜探管传感器标定方法
首先为了保证获得数据的准确性，在测斜探管上安装的加速度传感器和磁通门在室温下加速度传感器灵敏度小于1mg，磁通门灵敏度小于5nT，选用上述标准是为了尽可能的得到较为准确的数字；
然后，收集测斜探管在一个系列内不同姿态下，三个加速度传感器(在本实施例中，标记为x，y，z)和三个磁通门(在本实施例中，标记为x，y，z) 所传输的数据。
在本实施例中，选取工具面90°，井斜0°，方位180°，得到数据Gx1、 Gy1、Gz1、Bx1、By1、Bz1；选取工具面270°，井斜180°，方位180°，得到数据Gx2、Gy2、Gz2、Bx2、By2、Bz2；选取工具面270°，井斜90°，方位 180°，得到数据Gx3、Gy3、Gz3、Bx3、By3、Bz3；选取工具面90°，井斜90°，方位180°，得到数据Gx4、Gy4、Gz4、Bx4、By4、Bz4；选取工具面180°，井斜90°，方位180°，得到数据Gx5、Gy5、Gz5、Bx5、By5、Bz5；选取工具面0°，井斜90°，方位180°，得到数据Gx6、Gy6、Gz6、Bx6、By6、Bz6。
在本实施例中，以东营某采油区第N号测斜探管作为实验对象，得到传输数据为：
表1：特定姿态传感器输出
Figure RE-GDA0001939608140000051
根据上述数据，结合东营当地的磁倾角，通过公式：
Figure RE-GDA0001939608140000061
Figure RE-GDA0001939608140000062
Figure RE-GDA0001939608140000063
Figure RE-GDA0001939608140000064
Figure RE-GDA0001939608140000065
Figure RE-GDA0001939608140000066
Figure RE-GDA0001939608140000067
Figure RE-GDA0001939608140000068
Figure RE-GDA0001939608140000069
Figure RE-GDA00019396081400000610
Figure RE-GDA00019396081400000611
Figure RE-GDA00019396081400000612
Figure RE-GDA00019396081400000613
Figure RE-GDA00019396081400000614
Figure RE-GDA00019396081400000615
Figure RE-GDA00019396081400000616
Figure RE-GDA00019396081400000617
Figure RE-GDA00019396081400000618
Figure RE-GDA00019396081400000619
Figure RE-GDA00019396081400000620
Figure RE-GDA00019396081400000621
Figure RE-GDA00019396081400000622
Figure RE-GDA00019396081400000623
Figure RE-GDA00019396081400000624
计算得到加速度传感器及磁通门的标定系数；
Figure RE-GDA0001939608140000071
Figure RE-GDA0001939608140000072
Figure RE-GDA0001939608140000073
Figure RE-GDA0001939608140000074
然后，根据测斜探管传感器标定数学模型及公式
Figure RE-GDA0001939608140000075
Figure RE-GDA0001939608140000076
得到：
Figure RE-GDA0001939608140000077
Figure RE-GDA0001939608140000078
然后，任意选取10种姿态，对标定系数进行校验，
表2标定后校验结果
Figure RE-GDA0001939608140000081
结果如表2所示。井斜误差小于±0.1°，方位误差小于±0.2°，复合随钻测量仪使用要求，证明算法行之有效。
最后，将标定系数写入测斜探管内存，完成测斜探管传感器标定。需要说明是，可以将本实施例提供的数学公式或模型应用到软件中，方便快速计算。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种测斜探管传感器标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在测斜探管骨架上选用室温下加速度传感器灵敏度小于1mg的加速度传感器和室温下磁通门灵敏度小于5nT的磁通门作为测斜探管的传感器使用；
b、构建测斜探管传感器标定数学模型及公式为：
Figure FDA0003520076080000011
Figure FDA0003520076080000012
式中，Gx，Gy，Gz为加速度传感器的原始输出，Gx′，Gy′，Gz′为经过标定后的加速度传感器输出，Bx，By，Bz为磁通门的原始输出，Bx′，By′，Bz′为经过标定后的磁通门输出，GKx0、GKxx、GKxy、GKxz、GKy0、GKyx、GKyy、GKyz、GKz0、GKzx、GKzy、GKzz、BKx0、BKxx、BKxy、BKxz、BKy0、BKyx、BKyy、BKyz、BKz0、BKzx、BKzy、BKzz为加速度传感器及磁通门的标定系数；
c、计算加速度传感器及磁通门的标定系数，将计算得到的标定系数带入到测斜探管传感器标定数学模型中，任意摆置仪器姿态，进而得到井斜、方位、工具面计算数值，依此来验证标定系数准确性；
d、将标定系数写入测斜探管内存，完成测斜探管传感器标定，其中，所述b步骤中，加速度传感器及磁通门的标定系数的计算公式为：
Figure FDA0003520076080000021
Figure FDA0003520076080000022
Figure FDA0003520076080000023
Figure FDA0003520076080000024
Figure FDA0003520076080000025
Figure FDA0003520076080000026
Figure FDA0003520076080000027
Figure FDA0003520076080000028
Figure FDA0003520076080000029
Figure FDA00035200760800000210
Figure FDA00035200760800000211
Figure FDA00035200760800000212
Figure FDA00035200760800000213
Figure FDA00035200760800000214
Figure FDA00035200760800000215
Figure FDA00035200760800000216
Figure FDA00035200760800000217
Figure FDA00035200760800000218
Figure FDA00035200760800000219
Figure FDA00035200760800000220
Figure FDA00035200760800000221
Figure FDA00035200760800000222
Figure FDA00035200760800000223
Figure FDA00035200760800000224
式中，α为当地磁倾角，GmN(m＝x,y,z；N＝1～6)为测斜探管在一系列不同姿态下加速度传感器的原始输出，BmN(m＝x,y,z；N＝1～6)为测斜探管在一系列不同姿态下磁通门的原始输出。
2.根据权利要求1所述的一种测斜探管传感器标定方法，其特征在于，所述GmN(m＝x,y,z；N＝1～6)，BmN(m＝x,y,z；N＝1～6)取值为：
(1)工具面90°，井斜0°，方位180°，取值Gx1、Gy1、Gz1、Bx1、By1、Bz1；
(2)工具面270°，井斜180°，方位180°，取值Gx2、Gy2、Gz2、Bx2、By2、Bz2；
(3)工具面270°，井斜90°，方位180°，取值Gx3、Gy3、Gz3、Bx3、By3、Bz3；
(4)工具面90°，井斜90°，方位180°，取值Gx4、Gy4、Gz4、Bx4、By4、Bz4；
(5)工具面180°，井斜90°，方位180°，取值Gx5、Gy5、Gz5、Bx5、By5、Bz5；
(6)工具面0°，井斜90°，方位180°，取值Gx6、Gy6、Gz6、Bx6、By6、Bz6。
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