背景技術(shù)：

1、在鉆井中，可以使用隨鉆測量(mwd)定向傳感器來確定井的定向。定向測量在行業(yè)中也被稱為勘測(surveys)。一般而言，mwd定向傳感器被封裝在鉆柱靠近鉆頭的部段中。該傳感器部段是底部鉆具組件(bha)的一部分，各種傳感器和機械裝置都位于bha處。鉆頭在bha的底端處。

2、在鉆探期間，定期進行勘測。通常，mwd傳感器部段和鉆柱在勘測操作期間必須處于靜止?fàn)顟B(tài)。因此，通常在添加一段鉆管或從鉆柱移除一段鉆管時進行勘測。在換管過程期間，鉆柱處于靜止?fàn)顟B(tài)。每次勘測的結(jié)果通過遙測系統(tǒng)從井下傳輸?shù)降孛?。每次勘測時井的定向和鉆柱長度的變化被用于計算井段在該勘測點處或其附近的軌跡。

3、mwd定向傳感器可以由加速度計和磁力計組成。定向傳感器中的磁力計可用于測量地球磁場(即，地磁場)矢量的分量。沿著定向傳感器坐標(biāo)系的正交軸(x,y,z)的三個分量是(bx,by,bz)。當(dāng)定向傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)時，定向傳感器中的加速度計可用于測量重力矢量測量到的重力分量是(gx,gy,gz)。

4、定向傳感器坐標(biāo)系中的兩個矢量的定向可用于唯一地確定傳感器坐標(biāo)系相對于重力豎向和磁北的定向。因為傳感器被牢固地封裝在鉆柱上，一旦得到定向傳感器的定向，就可以得到鉆柱和井的定向，反之亦然。

5、鉆柱的軸線向下指向的方向通常被定義為定向傳感器坐標(biāo)系的z軸。這是軸向方向。x軸和y軸是橫軸。在大多數(shù)定向傳感器中，磁力計和加速度計的硬件軸線與定向傳感器坐標(biāo)系按標(biāo)定地對齊。但是，可能會有這樣的情況，例如由于封裝的限制，分量傳感器的硬件軸線沒有與定向傳感器坐標(biāo)系的硬件軸線基本對齊。此外，磁力計的硬件軸線可能沒有與加速度計的硬件軸線按標(biāo)定地對齊。沿著定向傳感器軸線的測量通過矢量投影和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得。矢量在一個方向上的分量也是矢量。因此，地磁場的軸向分量也可以被稱為軸向地磁場。

6、井傾角是指井與由重力矢量的方向定義的豎向之間的角度。如此，井傾角可以是井偏離豎向的程度的度量。加速度計測量結(jié)果可用于計算該傾角。相對于地磁場矢量的北方(north)分量的井方位角被定義為磁北與井軸線在水平面上的投影之間的角度，如圖1中所示的角度水平面被定義為垂直于重力的平面。

7、加速度計和磁力計的測量結(jié)果可用于計算該方位角。存在許多關(guān)于如何計算該方位角的公式。這些公式在本質(zhì)上是相互等同的。其中一種關(guān)于方位角的表達式是：

8、

9、其中，atan2[]是兩個參數(shù)的反正切函數(shù)，×是矢量叉積符號，下標(biāo)z表示矢量的z軸分量，g是的大小，是由以下式子給出的地磁場矢量的水平分量：

10、

11、其中，·是矢量點積符號。

12、在定向勘測中，測量到的重力矢量和磁力矢量被用于方程(1)和(2)，以產(chǎn)生方位角。是地磁場測量中的誤差矢量。δb是的大小。該誤差矢量可能來自兩個來源。第一個誤差源可能是對傳感器位置處的磁場測量不準確。另一個誤差源是傳感器位置處的磁場不是純地磁的。在定向傳感器附近可能存在由鉆柱系統(tǒng)中的磁源產(chǎn)生的磁場。

13、測量到的磁場是：

14、

15、在實踐中，被用于代替eq(2)中的如果沿著豎向方向，即沿著或者與相反，則與相同。如此，方位角不受誤差矢量的豎向分量的影響。

16、方位角誤差來源于來自傳感器測量的在水平面內(nèi)遠離真實磁北指向的感知磁北矢量。圖2中示出了方位角誤差的水平面視圖。磁場測量誤差的水平分量在圖2所示被示出為δbh。該誤差分量導(dǎo)致水平地磁矢量相對于真實磁北矢量旋轉(zhuǎn)因此，由測量結(jié)果確定，并且是與δbh的矢量和。

17、方位角誤差隨誤差矢量的方向而變化。使(δbn,δbe,δbv)分別為沿地磁北軸、地磁東軸和重力豎向軸。由于導(dǎo)致的方位角誤差由以下式子給出：

18、

19、其中bn是的大小。該表達式可以簡化為：

20、對于|δbn|<bn，

21、豎向分量δbv不起作用?？梢宰C明，在測量地球磁場時，由于誤差矢量的大小δb而產(chǎn)生的最大方位角誤差(即，最大的方位角誤差)是：

22、對于δb<bn，

23、當(dāng)在以下情況下時有最大值：

24、

25、對于大多數(shù)bha與鉆柱的組合而言，δb要比bn小得多。因此：

26、對于δb＜＜bn，

27、如果δb＜＜bn為真，則當(dāng)誤差矢量處于水平和東/西(hew)方向(并且δbv＝0)時，出現(xiàn)最大的方位角誤差。在許多情況下δb確實比bn小得多，使得eq.8可用于估計可能的最大方位角誤差。但是，在這些情況下，與定向傳感器的規(guī)范相比，方位角誤差仍然可能非常大。只有當(dāng)產(chǎn)生的方位角誤差小于方位角的誤差規(guī)范時，δb才被認為可以忽略不計。

28、鉆柱的大多數(shù)部段以及bha的許多部段和部件由鐵、鋼和其它鐵磁性金屬制成。這些金屬中的未知磁化作用在定向傳感器部段附近產(chǎn)生磁場。該磁場與地球磁場疊加。對于定向感測，這個額外的場是偏離噪聲。定向信息在地球的磁場中。磁力傳感器系統(tǒng)可以正確測量傳感器位置處的磁場，但磁場本身被這個額外的場破壞。由定向傳感器附近的鐵磁性金屬的磁化產(chǎn)生的額外場干擾對地球磁場的測量。為了正確確定定向傳感器的定向，需要將這種干擾減少到可忽略的程度和/或?qū)@種干擾進行修正。

29、bha的定向傳感器部段由非磁性材料制成。該傳感器部段軸向上方和下方的部段可以是非磁性的(即，“上方”是指遠離鉆頭，并且“下方”是指趨近鉆頭，就像bha是豎向的，而鉆頭在下端處)。由鉆柱和bha中的磁化產(chǎn)生的場隨著定向傳感器和磁化源之間的距離的增大而減少。如果非磁性部分足夠長，則傳感器位置處的磁干擾就可以忽略不計，并且測量到的磁場就是地球磁場。

30、由于各種限制，在某些鉆井操作中，在傳感器位置的上方和下方設(shè)置很長的非磁性部分是不現(xiàn)實的。在這些情況下，磁干擾可能是不可避免的。傳感器位置處的總磁場是干擾場和地球磁場的矢量和?？梢源_定干擾并將其從傳感器測量中減去，使得能正確測量地球磁場。

31、修正由于非磁性部段短而產(chǎn)生的干擾的方法在鉆井行業(yè)中被稱為短鉆鋌修正法或短鉆鋌算法。在沒有任何磁干擾修正的情況下從定向傳感器輸出獲得的傳統(tǒng)方位角有時被稱為長鉆鋌方位角。

32、由于鉆柱和bha的橫軸尺寸有限，鉆柱和bha中的磁化大多沿著軸向方向。非磁性部段上方的軸向磁化可以近似為沿著鉆柱軸線的長磁偶極。橫軸方向的磁化也可以被視為沿著橫軸方向的磁偶極。即使沿著軸向方向和沿著橫軸方向的磁極強度相似，有效的橫軸偶極矩也比軸向偶極矩小得多。干擾場通常由軸向或縱向的磁化作用決定。來自非磁性部段下方的部段的干擾場可以具有類似的特征。

33、定向傳感器在軸向上距離軸向偶極一定距離。干擾磁場沿著軸向。因此，幾乎所有的短鉆鋌修正都是關(guān)于在測量沿著z軸的磁分量時修正磁干擾。

34、由定向傳感器附近的磁化產(chǎn)生的磁場中的主導(dǎo)項沿著z軸方向。地球磁場測量中的相關(guān)誤差矢量由項主導(dǎo)，其中是傳感器z軸的單位矢量，δbz是的軸向分量。如果定向傳感器的真實傾角和方位角分別為θ和則：

35、

36、其中，分別為地磁北、地磁東和豎向的單位向量。

37、由于項導(dǎo)致的方位角誤差由eq.5給出為：

38、

39、當(dāng)|δbz|＜＜bn時，則：

40、

41、因此，在θ＝90度并且或270度的情況下，在接近hew方向的井段中，軸向磁干擾可能導(dǎo)致最大的方位角誤差。因此，當(dāng)井處于hew方向或接近hew方向時，對有效短鉆鋌修正的需求最為強烈。

42、在短鉆鋌修正過程中，來自獨立于定向傳感器的來源的信息可被用于確定地磁場的z軸分量。在一種短鉆鋌算法中，要求修正后的測量地磁場的大小等于從來源而非定向傳感器獲得的值，即：

43、

44、其中，bref是井現(xiàn)場處在定向傳感器測量時的地磁場大小的參考值，(bx,by)是沿著傳感器(x,y)方向的測量磁場分量，bz是對地磁場的z軸分量的最佳估計。這是全場匹配短鉆鋌(tfmsc)方法。參考值從與定向傳感器測量無關(guān)的獨立來源獲得。在tfmsc中，參考值被用作對bz必須如何的約束。也就是說，滿足eq.12的bz被認為是地磁場的z軸分量的正確值。z軸磁力計輸出與解之間的差是干擾項。eq.12有兩個解。隨后可以使用一些標(biāo)準來選擇一個解而不是另一個解來作為正確的解。例如，對于單個勘測點，當(dāng)沒有其它信息可用時，可以選擇導(dǎo)致較小干擾項的解。對于沿井段的多個勘測點，如果預(yù)期干擾項在井段上是恒定的，則可以選擇產(chǎn)生共同干擾項的解。

45、在van?dongen等人名下的專利文獻(美國專利號4,682,421，在下文稱為“vandongen”)描述的方法中，關(guān)于地磁場的大小和傾角的參考值被用來確定bz的正確值。使vandongen中定義的函數(shù)e最小化的bz被認為是地磁場的正確bz。在van?dongen中，是在修正后由定向傳感器測得的地磁矢量，由參考源給出。這些值被假定為在同一平面內(nèi)。e是差向量的大小。van?dongen的方法可以被標(biāo)記為最小矢量差短鉆鋌(mvdsc)算法。

46、在另一種方法中，選擇bz，使得使用所選bz加上測得的(gx,gy,gz,bx,by)計算得到的bn等于bn的參考值。這種方法可以被稱為水平分量匹配短鉆鋌(hcmsc)算法。可以證明，在mvdsc或者hvmsc中，都會有多個解。使用一些標(biāo)準來選擇一個解來作為正確的解。

47、tfmsc、mvdsc和hcmsc都是基于參考的修正方法。選擇軸向地磁場分量bz，使得當(dāng)其與其它測得的場分量(gx,gy,gz,bx,by)一起使用以計算地磁場的一個屬性時，結(jié)果與參考值完全或盡可能匹配。當(dāng)存在bz的多個解時，傳感器輸出bz可用于選擇一個作為解。修正方法的解與測得的bz之間的差是干擾項δbz。如果鉆柱和bha靠近定向傳感器的部段沒有經(jīng)過強磁源，則干擾項可能不會改變。在這種情況下，對于接下來的幾次定向勘測，可以直接從軸向磁傳感器的輸出中減去干擾項，以得到修正的bz，從而用于計算定向參數(shù)。

48、在基于參考的修正方法中，參考值和橫軸磁力計測量值bx和by被假定為準確無誤的。在現(xiàn)實中，參考值和橫軸測量值都不可能是完美的。

49、如果橫軸磁力測量值是無誤差的，則根據(jù)eq.12，存在：

50、

51、其中，dbref是關(guān)于地磁場大小的參考值的誤差，dbz是在bz由eq.12的解給出時由短鉆鋌修正產(chǎn)生的bz的誤差。

52、在接近hew方向的井中，真實的地磁場分量bz幾乎為零。dbz可以比干擾項δbz大得多。也就是說，使用修正后bz的方位角誤差可以比干擾項的誤差大得多。在恰好處于hew方向的井段中，地磁場的真實軸向分量為0。因此，不能使用eq.13。來自tfmsc的bz的誤差可以通過eq.12直接計算。如果地磁場的大小是50000nt(nano?tesler)，并且dbref是50010nt，則eq.12給出了bz＝±1000nt。參考值偏離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誤差。如果干擾項δbz小于1000nt，則短鉆鋌修正使方位角誤差更大。

53、正如eq.11所示，當(dāng)井處于hew方向時，軸向干擾會導(dǎo)致最大的誤差。但是在這個井姿態(tài)或其附近，由于參考值不準確，tfmsc的有效性可能是最低的。

54、在參考值完美的情況下，橫軸測量的不精確性也會導(dǎo)致通過短鉆鋌修正確定的軸向地磁分量出現(xiàn)非常大的誤差。當(dāng)井的姿態(tài)接近hew方向時，地磁場的實際軸向分量幾乎為零。地磁場在橫軸平面上的大?。?/p>

55、

56、幾乎等于總的大小。也就是說，通過使用完美參考值的tfmsc確定的軸向分量的誤差由以下式子給出：

57、

58、其中，dbxy是bxy的誤差。當(dāng)bz幾乎為零并且bxy幾乎是地磁場的總大小時，通過tfmsc確定bz的誤差可以比橫軸磁力計的誤差大很多倍。例如，如果運用tfmsc，則bxy的10nt誤差在50000nt的地磁場中會導(dǎo)致bz的1000nt誤差。橫軸方向的10nt誤差通過短鉆鋌修正被轉(zhuǎn)化和放大為沿著軸向方向的1000nt誤差。

59、一般而言，使用tfmsc的bz誤差由以下式子給出：

60、

61、由于參考值是從與定向傳感器操作無關(guān)的來源獲得的，dbxy與dbref是不相關(guān)的。因此：

62、

63、其中，上劃線是指統(tǒng)計平均值。

64、可以看出，其它基于參考的短鉆鋌修正方法存在著與tfmsc非常相似的參考值和/或橫軸測量值不準確的問題。業(yè)界眾所周知的是，當(dāng)對軸向干擾修正的需求最為迫切時，所有已知的基于參考的短鉆鋌修正往往會在軸向地磁分量中產(chǎn)生比要消除的干擾項更大的誤差。當(dāng)井姿態(tài)接近hew方向時，通常不使用短鉆鋌修正。

65、存在明確不使用參考源的修正方法。這些方法是多站分析方法的子類。如前所述，干擾沿著z軸方向。其可以是對于一個bha和鉆柱組合在一個井段的多次勘測中的常數(shù)。因此，該干擾可被視為地磁場測量中的z軸磁力計偏移誤差。

66、如果井的部段非常彎曲，則可能通過要求干擾被減去的測量值在多次勘測中產(chǎn)生具有最小差異的地磁場的一個或多個恒定大小來確定干擾項。確定干擾項是優(yōu)化過程。這種修正方法可以被標(biāo)記為恒定總場(ctf)算法。

67、在ctf中，修正程序是校準過程。在校準過程中，直接的傳感器輸出被處理，以產(chǎn)生要與一些參考值進行比較的測量值。用于將原始傳感器輸出轉(zhuǎn)換為傳感器測量值的傳感器校準參數(shù)被調(diào)整，使得傳感器測量值與參考值相匹配。在ctf中，由軸向磁干擾引起的z軸磁偏移是待確定的校準參數(shù)。地磁場的恒定大小是待匹配的參考值。

68、即使沒有明確要求地磁場的參考值，但在ctf中，強加了恒定大小。事實上，“恒定大小”是關(guān)于地磁場屬性的信息，其來自與定向傳感器操作無關(guān)的來源。因此，ctf也是一種基于參考的短鉆鋌修正。其受到前面所討論的參考值和/或橫軸磁力計測量值不準確所引起的問題的影響。例如，“恒定大小”的約束可能是錯誤的。在ctf中使用多次勘測期間，某一特定位置的地磁場可能在很短的時間內(nèi)發(fā)生幾十或幾百nt的改變。

69、當(dāng)隱含參考值和橫軸磁力測量準確時，如果在井的彎曲部段進行多次勘測，則諸如ctf之類的方法會是有效的。這組勘測中的一些勘測是在遠離hew方向的井姿態(tài)下進行的。在這些姿態(tài)下，磁場的大小對干擾引起的軸向偏移是敏感的。干擾項可以通過在這些姿態(tài)下的勘測數(shù)據(jù)的恒定大小要求來準確確定。對于所有的勘測數(shù)據(jù)，包括hew那些的勘測數(shù)據(jù)(如果存在)，正確的干擾項被移除。但是，要求在井的彎曲部分上的勘測數(shù)據(jù)對ctf可以應(yīng)用的位置造成了限制。

70、如今正在鉆探許多水平井。水平井通常由靠近地面的豎向開始。一旦達到所需深度，該井就會迅速轉(zhuǎn)為水平。有時，水平井的豎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長。盡管每口水平井都從豎向變?yōu)樗剑怯糜诰乃讲慷蔚暮笃诓糠值腷ha可能不是用于鉆出彎曲段的同一bha。因此，用于多站分析的多次勘測可能不會在水平井的彎曲部段上進行。

71、在水平井的水平部段上，井姿態(tài)變化不大。盡管井姿態(tài)的微小變化對井的生產(chǎn)潛力很重要，但這些變化在幾何上是很小的。在一組多次勘測中，無論用怎樣的z軸偏移來計算大小，測量到的地磁場大小幾乎是常數(shù)。因此，“恒定大小”無助于確定z軸的偏移。因此，無法確定和/或消除軸向干擾。

72、任何多站分析方法都使用一些隱含的參考場屬性。這些屬性被用作對多站勘測數(shù)據(jù)集的約束。

73、除了不準確的參考值和橫軸磁力計測量值可能導(dǎo)致干擾修正比干擾更錯誤的問題外，多站分析方法還可能受到要求多站勘測必須在井的非常彎曲的部段上的限制。往往不能滿足這個條件。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、磁場的z軸分量是在傳感器封裝中軸向間隔的幾個位置測量到的，以用于一個定向勘測點。軸向變化的干擾場和地球磁場的恒定z分量直接由傳感器輸出確定。不使用參考場值。地球分量隨后被用于磁方位角計算。

2、由于軸向磁干擾是由距離定向傳感器一定距離定位的磁單極產(chǎn)生的磁場來近似的。在幾個已知軸向位置對沿z軸的場分量進行多次測量，并用于確定極強度、極位置和地球場的分量。需要在至少三個位置進行測量。