[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

说明书

技术领域

本发明涉及钻井方位角测量技术，具体是一种磁性套管中基于磁测斜仪的钻井方位角测量方法。

背景技术

石油、煤炭、地质勘探、采矿以及桥梁、地铁等工程中，为控制钻井前进的方向以及防止事故发生，需及时测量钻井的姿态角。特别是石油丛式井和其它工程中的斜井、定向井、水平井，要求钻井姿态角的测量精度非常高。由加速度计和磁传感器组成的磁测斜仪是目前常用的钻井测斜仪器。但钻井的套管一般为合金钢制成，属铁磁材料，易受地磁场磁化产生磁性，因此会对置于其中的磁测斜仪产生干扰，尤其对方位角的测量影响很大。因此根据现有钻井方位角测量技术，要求磁测斜仪应用于未下套管或者无磁套管的钻井或者钻具中，不仅提高了工程的成本，而且测量精度不够高，同时大大限制了磁测斜仪的使用范围。基于此，有必要发明一种全新的钻井方位角测量技术，以解决在钻井方位角测量中磁性套管的磁场对磁性测斜仪产生干扰的问题。

发明内容

本发明为了解决在钻井方位角测量中磁性套管的磁场对磁性测斜仪产生干扰的问题，提供了一种磁性套管中基于磁测斜仪的钻井方位角测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种磁性套管中基于磁测斜仪的钻井方位角测量方法，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。

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：