鉆井測(cè)斜儀磁通門精準(zhǔn)化的主要技術(shù)措施

岳　巍，張曉華，陸怡良

(陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

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鉆井測(cè)斜儀磁通門精準(zhǔn)化的主要技術(shù)措施

岳巍，張曉華，陸怡良

(陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

摘要：根據(jù)鉆井測(cè)斜儀磁通門的使用要求，描述了磁通門應(yīng)用原理，分析了磁通門測(cè)量的誤差來源及其對(duì)測(cè)量的影響，提出了12系數(shù)分量校正方法，并給出了數(shù)學(xué)公式和計(jì)算方法。實(shí)際應(yīng)用表明，12系數(shù)分量校正方法可以大大提高鉆井測(cè)斜儀的測(cè)量精度，使國(guó)產(chǎn)鉆井測(cè)斜儀的測(cè)量精度達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。

關(guān)鍵詞：鉆井測(cè)斜儀；磁通門；12系數(shù)；方位；誤差

1引言

眾所周知，鉆井測(cè)斜儀技術(shù)源自于飛機(jī)航向姿態(tài)儀表和慣性導(dǎo)航技術(shù)，其系統(tǒng)原理相同，只是所選傳感器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式有別。測(cè)斜儀常用磁通門測(cè)向，加速度計(jì)測(cè)斜。磁通門因其原理特點(diǎn)以及易受環(huán)境磁場(chǎng)的影響等，測(cè)量方位誤差往往比較大，成為影響測(cè)斜儀精準(zhǔn)性的主要因素。測(cè)斜儀是否精準(zhǔn)，事關(guān)鉆井、測(cè)井(檢驗(yàn)鉆井是否合格)是否真的成功、能否中靶和采油能否干凈的全局，意義重大。

多年來，鉆井測(cè)斜儀經(jīng)幾代更新，迄今國(guó)外鉆井測(cè)斜儀器的斜度α和井斜方位ψ精度能夠達(dá)到0.1°和2°，而大多數(shù)國(guó)產(chǎn)儀器的測(cè)量精度尤其是井斜方位ψ的技術(shù)指標(biāo)、實(shí)際測(cè)量精度距國(guó)外儀器水平還差很多，特別是校驗(yàn)設(shè)備和檢驗(yàn)方法欠缺，實(shí)際使用效果并不理想。因此，找到一種便捷有效的磁通門方位誤差修正方法，有效地減小井斜方位ψ的誤差Δψ一直是鉆井測(cè)斜儀研制生產(chǎn)單位的努力方向。

2測(cè)斜儀的基本功能原理

測(cè)斜儀的基本功能是運(yùn)用與井眼同軸下放的探管來測(cè)定井眼軌跡各處的斜度α和井斜方位ψ。

ψ=ψM-ψH

其中，αx、αy、αz為探管坐標(biāo)系X、Y、Z三軸方向安裝的3個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的重力加速度g的分量；ψM為磁通門羅盤測(cè)得的相對(duì)于自身刻有方位基準(zhǔn)線的探管磁方位；ψH為探管相對(duì)于自身其方位基準(zhǔn)的傾斜方向。

另由井深傳感器同步測(cè)定探管下放所到處實(shí)時(shí)井深L，其垂直分量、北向分量和東向分量的數(shù)學(xué)模型分別為：

可見，在L無誤差時(shí)，井眼軌跡3分量的測(cè)量精度主要取決于ψM和αx、αy、αz的精準(zhǔn)度。

3測(cè)斜儀磁通門測(cè)量誤差因素分析及補(bǔ)償計(jì)算方法

對(duì)于如何提高國(guó)產(chǎn)測(cè)斜儀的性能水平，首先總結(jié)了航空用同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)工藝技術(shù)，包括為改進(jìn)美國(guó)同類航空用磁通門所做的結(jié)構(gòu)更新、誤差分析和工藝調(diào)整等方法，然后針對(duì)進(jìn)口測(cè)斜儀的功能和使用特點(diǎn)，移植要點(diǎn)和系統(tǒng)分析總結(jié)，歸納各種誤差因素，發(fā)現(xiàn)它們的共同規(guī)律，即須對(duì)正交三軸(三分量)磁通門羅盤進(jìn)行精確調(diào)整和校正。為此，首先對(duì)各個(gè)分量的誤差因素做出定性和定量分析。

3.1分量信號(hào)不準(zhǔn)確的誤差因素

圖1　磁通門信號(hào)與磁場(chǎng)關(guān)系圖

磁通門的各分量信號(hào)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。一般表達(dá)式為：

V=V0+KH

式中，V0是輸出信號(hào)V的偏離值，K是被測(cè)物理量H(地磁場(chǎng)強(qiáng)度)的標(biāo)度因數(shù)。

定義Hx0、Hy0、Hz0和Hxm、Hym、Hzm分別為載體坐標(biāo)系三軸方向的地磁場(chǎng)強(qiáng)度分量和實(shí)測(cè)分量，則三軸分量與磁場(chǎng)關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式可以寫為：

Hx0=h4+h1·Hxm

Hy0=h8+h5·Hym

Hz0=h12+h9·Hzm

上式中，h4、h8、h12實(shí)質(zhì)就是偏離值V0，h1、h5、h9則是標(biāo)度因數(shù)K，V0比較穩(wěn)定，稱為零場(chǎng)誤差，K有誤差，應(yīng)加不同修正。

3.2探頭敏感方向不對(duì)準(zhǔn)時(shí)的誤差因素

當(dāng)一個(gè)探頭的各分量敏感方向不對(duì)準(zhǔn)載體坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)軸方向，偏離載體坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)軸方向Δ1度時(shí)，其應(yīng)得的理論分量H0將減小為H0·cosΔ1，而與其它兩軸方向的夾角都將偏離90°，因而，還同時(shí)感應(yīng)到載體坐標(biāo)系另外兩個(gè)軸方向的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的分量。所以，應(yīng)有：

Hx0=h1·Hxm+h2·Hym+h3·Hzm

Hy0=h5·Hxm+h6·Hym+h7·Hzm

Hz0=h9·Hxm+h10·Hym+h11·Hzm

這項(xiàng)誤差因素源自于3個(gè)探頭互相不垂直、它們與垂直安裝基座不垂直或不平行、Y和X兩軸探頭與側(cè)面安裝基準(zhǔn)不垂直或不平行。特別當(dāng)探頭較小時(shí)，例如磁芯僅長(zhǎng)10mm時(shí)，鐵芯的安裝和探頭的裝配間隙導(dǎo)致的鐵芯偏斜0.2mm時(shí)，即可導(dǎo)致敏感軸方向1°的偏斜，測(cè)算所得ΔψM就不會(huì)小于2°。即使測(cè)得各個(gè)分量信號(hào)，然后調(diào)整探頭和鐵芯指向的方法，也很難保證合格。實(shí)踐證明，探頭不對(duì)準(zhǔn)是最嚴(yán)重的誤差因素。

3.3載體硬、軟鐵干擾導(dǎo)致的誤差

載體的硬、軟鐵可以分別用等效的硬、軟鐵棒代表。等效的硬鐵棒的剩磁分別對(duì)三軸探頭鐵芯形成干擾磁場(chǎng)。由于它們?cè)谳d體(測(cè)斜儀探管)上都是捷聯(lián)安裝的，始終沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以在每個(gè)探頭信號(hào)造成的干擾也不變，是一個(gè)常值誤差。等效的軟鐵棒被地磁場(chǎng)和等效硬鐵棒剩磁分別磁化，再分別干擾三軸探頭，其中，軟鐵棒的磁化場(chǎng)中，地磁場(chǎng)視為其在三軸方向的分量Hxm、Hym、Hzm分別磁化和疊加之，并分畫表示磁化和干擾關(guān)系，并用相關(guān)系數(shù)表示。

不能認(rèn)為探管是無磁性的，至少加速度計(jì)是帶有磁性的。還有一些誤差因素，如計(jì)算ψM公式中所列Δα、ΔψH和ΔψM的其它誤差因素。歸納各項(xiàng)誤差因素，可以綜合表達(dá)為：

Hx0=h1·Hxm+h2·Hym+h3·Hzm+h4

Hy0=h5·Hxm+h6·Hym+h7·Hzm+h8

Hz0=h9·Hxm+h10·Hym+h11·Hzm+h12

其中，Hx0、Hy0、Hz0分別為傳感器信號(hào)的三軸分量理論值，作為校正后的精確值；Hxm、Hym、Hzm分別為傳感器信號(hào)的三軸分量實(shí)測(cè)值；h1、h2…、h12分別為傳感器信號(hào)的三軸校正常系數(shù)。

求解h1、h2…、h12的步驟是：先用函數(shù)f(Hx0、Hy0、Hz0、Hxm、Hym、Hzm)求解h1、h2…、h12，此函數(shù)中Hx0、Hy0、Hz0為三軸分量無誤差理論計(jì)算值。之后，根據(jù)實(shí)測(cè)值，再用f(Hxm、Hym、Hzm、h1、h2…、h12)計(jì)算得到經(jīng)過修正之后的三軸分量理論值Hx0、Hy0、Hz0，求解校正后所得Hx0、Hy0、Hz0，可以視為近似準(zhǔn)確的三分量。最后求得：

上述校正方法，完全適用于加速度計(jì)三分量實(shí)現(xiàn)α和ψH的精準(zhǔn)化，并把ψH和ψ的適用工作范圍從目前國(guó)內(nèi)外的α≥5°大大拓寬，達(dá)到α≥1°甚至更小。

4結(jié)束語

本文針對(duì)鉆井測(cè)斜儀磁通門的誤差影響進(jìn)行了分析，提出了精準(zhǔn)化的12系數(shù)分量校正法。應(yīng)用這種常系數(shù)軟件校正之后的分量計(jì)算的αx和ψ精度可以提高10倍，斜度α和井斜方位ψ精度能夠達(dá)到0.1°和1°,達(dá)到了國(guó)外儀器的技術(shù)水平。這一方法已經(jīng)應(yīng)用于LCX-7A型鉆井測(cè)斜儀的研制中，該型測(cè)斜儀經(jīng)過國(guó)內(nèi)外油田100余口井的測(cè)井實(shí)踐驗(yàn)證，取得了很好的效果，并形成了專利技術(shù)。

在目前國(guó)內(nèi)普遍使用的進(jìn)口儀器中，通常采用多點(diǎn)修正法，修正點(diǎn)多達(dá)100多點(diǎn)，修正點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率不高，所需檢測(cè)設(shè)備不但復(fù)雜龐大，而且昂貴，修正效果只能達(dá)到Δα≥0.1°，Δψ≥2°，還要經(jīng)常重新修正。12系數(shù)分量校正方法，正是針對(duì)國(guó)外進(jìn)口設(shè)備多點(diǎn)修正法的創(chuàng)新性研究。采用12系數(shù)分量校正法進(jìn)行校正作業(yè)時(shí)，只需在探管安裝完畢后求取h1、h2、…h(huán)12共12個(gè)系數(shù)數(shù)據(jù)，之后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成校正工作。只要鉆井測(cè)斜儀不拆卸重裝，則12個(gè)常系數(shù)不變，不必重新校驗(yàn)，大大提高了鉆井效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，因而具有很高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]張學(xué)孚,陸怡良.磁通門技術(shù)[M].國(guó)防工業(yè)出版社,1995．

[2]孟?。S磁強(qiáng)計(jì)誤差分析與校正研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011:1-10．

[收稿日期]2016-05-09

[作者簡(jiǎn)介]岳巍(1966-)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事機(jī)載儀表及鉆井測(cè)斜儀技術(shù)方面的設(shè)計(jì)與研究工作。

中圖分類號(hào)：TE28

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.010

Major Technical Measures to Improve Accuracy of Fluxgate Magnetometer for Drilling Inclinometer

Yue Wei, Zhang Xiaohua, Lu Yiliang

(Shaanxi Baocheng Aviation Instrument Co., Ltd. Baoji 721006, Shaanxi, China)

Abstract：According to the operating requirements of the fluxgate magnetometer for drilling inclinometer, the operating principle of the fluxgate magnetometer is described, and the error source of fluxgate magnetometer measurement and the influences of error source on the measurement are analyzed. Then, a 12-coefficient correction method is presented, and the mathematic formulas and algorithms are given. Practical application shows that the 12-coefficient correction method can improve the accuracy of the drilling inclinometer so significantly that the accuracy of the domestically produced drilling inclinometer attains the level of similar products produced abroad.

Keywords:drilling inclinometer; fluxgate magnetometer; 12-coefficient; azimuth; error