[发明专利]一种磁性套管中基于磁测斜仪的钻井方位角测量方法

权利要求书

1.一种磁性套管中基于磁测斜仪的钻井方位角测量方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

1）将参照重力与地磁场的磁测斜仪安装于井下磁性套管中，所述磁测斜仪中包括一个三轴加速度计和一个三轴磁传感器，三轴加速度计用于测量重力场，三轴磁传感器用于测量地磁场；

2）由磁测斜仪中的三轴加速度计对其自身受到的重力加速度信号进行测量并输出；

3）利用三轴加速度计输出的信号求得钻井的倾斜角和工具面角；

4）由磁测斜仪中的三轴磁传感器对井下磁性套管中的磁信号进行测量并输出；

5）利用三轴磁传感器输出的信号，结合利用三轴加速度计输出的信号求得的倾斜角和工具面角，计算得到钻井的方位角。

2.根据权利要求1所述的一种磁性套管中基于磁测斜仪的钻井方位角测量方法，其特征在于：

所述步骤1）中，套管坐标系（简称b系，即固连于井下磁性套管或者钻井的坐标系，沿轴向为                                                轴，沿径向取轴和轴）与地理坐标系（简称n系，三轴为N、E、D，分别指向北、东、地，其中北向为地磁北）的关系为：

当钻井无倾斜或者无偏转的时候，套管坐标系的、、轴与分别与地理坐标系的N、E、D轴重合；当钻井有倾斜和偏转的时候，套管坐标系（b系）能通过旋转地理坐标系（n系）得到；坐标系旋转的顺序为：先将地理坐标系（NED）绕轴旋转到坐标系，旋转角度为方位角；然后将坐标系绕轴旋转到坐标系，旋转角度为，是倾斜角的余角；最后将坐标系绕轴旋转到坐标系，即套管坐标系，旋转角度为工具面角；上述旋转关系用矩阵表示如下：

                   （1）；

式（1）中：为从地理坐标系到套管坐标系的转换矩阵，为工具面角，为倾斜角的余角，为方位角；

所述步骤1）中，磁测斜仪坐标系（简称c系，即固连于磁测斜仪的坐标系）的三轴X、Y、Z为所述三轴加速度计和三轴磁传感器的三个敏感轴；安装磁测斜仪时，令磁测斜仪坐标系与套管坐标系重合；

所述步骤2）中，三轴加速度计测量到的加速度信号为：，根据套管坐标系与地理坐标系的转换关系，由三轴加速度计测得的加速度信号为：

                              （2）；

式（2）中：为三轴加速度计各轴的加速度信号；g为当地重力加速度， ）；

所述步骤3）中，求得倾斜角和工具面角：，；

所述步骤4）中，在地理坐标系下，地磁矢量为：

                                         （3）；

式（3）中：为地磁矢量；、、为地磁矢量在地理坐标系下的三轴分量；为地磁矢量的模，）；为当地磁倾角；

地磁矢量沿套管坐标系的三轴分量为：

；

           （4）；  

由于套管的屏蔽与干扰磁场影响，由三轴磁传感器测量到的地磁矢量为：

                                          （5）；

式（5）中：为三轴磁传感器测量输出的地磁矢量；为磁屏蔽系数矩阵，，、和分别为套管沿套管坐标系各轴方向上的磁屏蔽系数，其中由于、两轴在套管径向上的等价性，假设和相等；

所述步骤5）中，在套管未下井之前，可以由磁传感器事先测得套管的磁屏蔽系数、；此时方位角的表达式为：

                           （6）；

式（6）中：根据三轴加速度计测量数据求得；由三轴磁传感器测得；为当地磁倾角；为套管沿套管坐标系轴方向的磁屏蔽系数；

如果无法事先测得套管的磁屏蔽系数，也可以根据三轴磁传感器在井下套管中的测量数据，求解得到套管的磁屏蔽系数和钻井方位角；由式（5）：

                                 （7）；

整理式（7）可以得到方程组：

                 （8）；

令，即；

方程组可以表示为式（9）的形式：

                                                               （9）；

式（9）中：、、表示关于、、的函数，、、表示式（8）各方程中与、、无关的常数部分；

根据泰勒展开：

         （10）；

令：

，，

以上矩阵中，、、为未知参数的估计值，、、为未知参数的初值，、、为未知参数的修正值；表示式（8）各方程中与、、无关的常数部分；为、、对、、的一阶偏导矩阵；表示当、、取初值、、时，、、的值；为未知参数矩阵；为未知参数初值矩阵；为未知参数的修正值矩阵；

方程组（10）改写为的形式，根据，求得；进一步由求得，再将当前作为初值代入原方程组进行迭代求解；当的二范数满足某一阈值（所述阈值视求解精度而定）时迭代结束，可视当前为方程组的最优解，此时求得套管的磁屏蔽系数和方位角。