基于有限元分析的方位角誤差計(jì)算和修正

孟慶威， 姜天杰， 劉泳敬， 楊 杰， 王越支,4

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院, 湖北 武漢 430000；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院, 北京 101149；3.中國(guó)石油渤海鉆探第三鉆井分公司, 天津 300450；4.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430000）

利用磁力隨鉆測(cè)斜儀（如MWD工具）實(shí)時(shí)測(cè)量井眼軌跡時(shí)[1-2]，由于鐵磁性鉆具材料在地磁場(chǎng)作用下發(fā)生磁化而產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)，對(duì)磁力測(cè)斜儀精度產(chǎn)生影響而導(dǎo)致方位角測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確[3-4]。目前，通常采用井眼測(cè)量精度行業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)（ISCWSA）提供的誤差模型[5]，但I(xiàn)SCWSA的誤差模型是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)所給定的參考值，而鉆具的磁化受很多因素影響[6]，在所有情況下都使用同一套數(shù)據(jù)顯然是不準(zhǔn)確的[7]。而且，隨著各種測(cè)井工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的發(fā)展[8]，ISCWSA所提供的磁極強(qiáng)度指導(dǎo)數(shù)據(jù)并不能涵蓋所有類(lèi)型；不同公司使用不同標(biāo)準(zhǔn)的磁性材料，也給井底鉆具組合干擾磁場(chǎng)的計(jì)算帶來(lái)了難度。簡(jiǎn)而言之，對(duì)于各種情況下的磁干擾，根據(jù)同一套標(biāo)準(zhǔn)去計(jì)算方位角，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可靠[9-10]。

針對(duì)鉆具磁干擾引起的方位角誤差，可通過(guò)增加無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度來(lái)減小傳感器位置的干擾磁場(chǎng)，以減小方位角計(jì)算誤差，也可以通過(guò)校正算法來(lái)校正磁干擾造成的誤差。其中，使用無(wú)磁鉆鋌減小方位角誤差時(shí)，要考慮無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)問(wèn)題，無(wú)磁鉆鋌過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加鉆井成本，過(guò)短則不能有效消除誤差。磁干擾校正算法主要分為軸向磁干擾校正和徑向磁干擾校正[11]：徑向磁干擾誤差較小，在同一井深處旋轉(zhuǎn)鉆柱，測(cè)量?jī)x器沿井眼估計(jì)軸線旋轉(zhuǎn)并連續(xù)或者離散記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，徑向磁干擾隨鉆柱旋轉(zhuǎn)且與儀器坐標(biāo)系相對(duì)靜止，在徑向磁干擾作用下，由磁通門(mén)徑向連續(xù)或離散數(shù)據(jù)可確定出一個(gè)偏離坐標(biāo)原點(diǎn)的圓，原點(diǎn)到圓心的距離便是徑向磁干擾[12]；軸向磁干擾校正方法有短箍校正法、羅素法、矢量和法和鉆具截面法[13]，都是通過(guò)地磁場(chǎng)和磁通門(mén)傳感器的徑向讀數(shù)來(lái)消除軸向的誤差；但在鉆桿軸向磁場(chǎng)很小時(shí)（鉆桿在東西向），地磁場(chǎng)在鉆具軸向上的分量較小，對(duì)軸向上的磁場(chǎng)變化極為敏感，很小的鉆具軸向磁干擾誤差就會(huì)在地磁場(chǎng)方向引起很大的計(jì)算誤差，導(dǎo)致計(jì)算方位角時(shí)產(chǎn)生誤差，從而影響井眼軌跡計(jì)算的準(zhǔn)確性[14]。所以，在方位角位于東/西20°范圍內(nèi)、井斜角超過(guò)70°的非非區(qū)不宜采用該方法，在高緯度地區(qū)非非區(qū)誤差還會(huì)增大[15]。

針對(duì)上述問(wèn)題，利用有限元方法，模擬分析了不同情況下的方位角誤差和各個(gè)因素對(duì)方位角誤差的影響規(guī)律。該方法打破了實(shí)驗(yàn)方法的局限性，考慮了更多的誤差因素，并且可以靈活調(diào)整誤差影響因素的數(shù)值，綜合分析所有誤差項(xiàng)，從而得到方位角誤差模型。根據(jù)實(shí)際使用的鉆具組合，設(shè)計(jì)不同的模型并選擇相應(yīng)的材料，可以突破ISCWSA誤差模型的局限性，模擬出更準(zhǔn)確的磁干擾誤差，然后根據(jù)磁干擾的分布設(shè)計(jì)無(wú)磁鉆鋌的長(zhǎng)度。傳統(tǒng)校正方法在非非區(qū)計(jì)算誤差很大，采用有限元模擬方法可以得到更準(zhǔn)確的方位角測(cè)量誤差。模擬結(jié)果可對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中方位角計(jì)算、方位角修正和無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度選擇提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 方位角誤差模型的建立及數(shù)據(jù)處理

1.1 模型的建立與參數(shù)設(shè)置

Ansys Maxwell[16]是一款基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中電磁場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為矩陣求解的軟件。該軟件是處理電磁問(wèn)題的專(zhuān)業(yè)軟件，具有高精度的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能、用戶可自定義的材料庫(kù)及強(qiáng)大的后處理功能。

鉆桿和井底鉆具組合本身帶有一定磁性，在地磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)。而方位角通常通過(guò)測(cè)量三軸磁通量來(lái)計(jì)算得出，干擾磁場(chǎng)會(huì)使鉆桿內(nèi)部的磁通量發(fā)生變化，從而影響方位角的計(jì)算結(jié)果。為降低鐵磁鉆具對(duì)隨鉆磁力測(cè)斜儀的干擾，通常將隨鉆磁力測(cè)斜儀置于無(wú)磁鉆鋌中，但無(wú)磁鉆鋌上下部仍會(huì)產(chǎn)生干擾場(chǎng)，影響傳感器位置的磁場(chǎng)。通過(guò)有限元模擬，可以準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)前情況下干擾磁場(chǎng)的大小，從而計(jì)算出干擾磁場(chǎng)所產(chǎn)生的方位角誤差。

井底鉆具組合的結(jié)構(gòu)、材料和外部地磁場(chǎng)分布是建立方位角誤差模型的關(guān)鍵。其中，當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)強(qiáng)度、磁傾角和磁偏角，可根據(jù)具體井位信息通過(guò)NOAA（美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局）網(wǎng)站查得。磁場(chǎng)的磁傾角和磁偏角主要影響外部磁場(chǎng)的方向，由于鐵磁材料具有電磁屏蔽效應(yīng)，磁場(chǎng)與鉆桿夾角的不同，會(huì)導(dǎo)致鉆桿內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度不同。外磁場(chǎng)垂直于鉆桿軸向和平行于鉆桿軸向時(shí)鉆桿內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況如圖1所示。

圖1 磁場(chǎng)垂直于和平行于鉆桿軸向時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.1 Magnetic field strength distribution when the magnetic field is perpendicular or parallel to the drill pipe axis

選取中國(guó)海油科技攻關(guān)項(xiàng)目“救援井關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)鉆工程示范”（編號(hào)：YJB18YF003）研究中的試驗(yàn)井（該井位于天津附近的渤海灣內(nèi)），利用其鉆具相關(guān)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），建立了方位角誤差模型，具體建模步驟如圖2所示。

圖2 方位角誤差模型建模流程Fig.2 Modeling process of the azimuth error model

表1 方位角誤差模型采用的鉆具數(shù)據(jù)Table 1 Data of drill tools used in the azimuth error model

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

通過(guò)上述有限元建模，可以得到傳感器位置處的三軸磁感應(yīng)強(qiáng)度。這些數(shù)據(jù)是基于儀器坐標(biāo)系（O-XYZ）下的三軸磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，而通常是基于大地坐標(biāo)系（O-NEV）描述井眼軌跡，儀器坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系可以通過(guò)井斜角、方位角和工具面角等參數(shù)相互轉(zhuǎn)換[11-13]。

式中： φ為方位角，（°）； α為井斜角，（°）； φ為高邊工具面角，（°）；g為重力加速度， m /s2；gX，gY和gZ為X，Y和Z方向的重力加速度分量， m /s2；BX，BY和BZ為磁場(chǎng)在為X，Y和Z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量，μT。

2 方位角誤差的影響因素

實(shí)測(cè)方位角誤差主要受鉆具的軸向磁干擾影響。產(chǎn)生鉆具軸向磁干擾的因素包括鉆具與地磁場(chǎng)的夾角和無(wú)磁鉆鋌上端、下端的磁極強(qiáng)度。井眼軌跡幾何形態(tài)和地磁場(chǎng)方向決定著鉆具與地磁場(chǎng)的夾角，地磁場(chǎng)方向與經(jīng)度、緯度有關(guān)，井眼軌跡的幾何形態(tài)與方位角和井斜角有關(guān)。無(wú)磁鉆鋌上、下端的磁極強(qiáng)度與井底鉆具組合有關(guān)?；诖耍謩e分析了井眼軌跡方位角、井斜角、經(jīng)度、緯度和底部鉆具組合對(duì)實(shí)測(cè)方位角誤差的影響。

2.1 井眼軌跡方位角的影響

保持外界磁場(chǎng)不變，旋轉(zhuǎn)鉆具模型，使井斜角分別為30°，60°和90°，導(dǎo)出鉆具內(nèi)部磁通門(mén)傳感器位置處的磁場(chǎng)大小，使用該磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算出此時(shí)方位角測(cè)量值的大小，將方位角測(cè)量值與方位角設(shè)定值比較，得出方位角誤差。外部磁場(chǎng)取試驗(yàn)井所在地區(qū)的地磁數(shù)據(jù)為：磁感應(yīng)強(qiáng)度B=5.42507×104nT，磁傾角 β =58.169 6°，磁偏角φ =-7.29°。

將鉆桿從方位角0°開(kāi)始，依次旋轉(zhuǎn)30°，直至330°，得到方位角誤差隨鉆具擺放方位的變化情況，如圖3所示。

圖3 不同井斜角下鉆具方位對(duì)磁測(cè)方位角誤差的影響Fig.3 Influence of drill tool azimuth on azimuth error of magnetic survey at different deviation angles

由圖3可知，方位角誤差在鉆具方位角為0°和180°時(shí)取得最小值，在90°和270°時(shí)取得最大值，即定向組件的方位測(cè)量誤差越接近東西方向，誤差越大；越接近南北方向，誤差越小。

2.2 井眼軌跡井斜角的影響

為了驗(yàn)證軸向干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的方位誤差與井斜角的關(guān)系，保持外部地磁場(chǎng)的大小和方向不變，設(shè)置鉆桿方位分別為 0°，30°，60°和 90°，模擬了正北至正東方向的鉆桿方位，在這些方位角下分別調(diào)整鉆桿的傾斜角，記錄測(cè)量點(diǎn)在模型內(nèi)的測(cè)量值，計(jì)算不同井斜角下方位角的測(cè)量誤差。方位角0°～90°時(shí)的誤差隨井斜角增大的變化如圖4所示。

由圖4可知，井斜角越接近水平方向時(shí)，軸向磁干擾對(duì)定向組件的方位測(cè)量值影響越大。

圖4 不同軌跡方位角下井斜角對(duì)磁測(cè)方位角誤差的影響Fig.4 Influence of deviation angles on azimuth error of magnetic survey under different azimuth of hole trajectories

2.3 經(jīng)度和緯度的影響

經(jīng)度和緯度變化主要影響總磁場(chǎng)和磁傾角的變化。地球磁場(chǎng)在水平面的投影可以用 c osβ表示，干擾磁場(chǎng)對(duì)定向組件方位測(cè)量的誤差 Δ φ可以表示為：

式中： ΔBc為 干擾磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分量， n T。

由此可以推論，井位的地理緯度越高時(shí)，磁傾角越大，軸向磁場(chǎng)干擾對(duì)方位測(cè)量的影響越大。定向組件在井斜角為90°、方位角為90°或270°時(shí)，鉆具和地磁場(chǎng)的夾角最大，此時(shí)方位角的誤差達(dá)到最大值。

選取天津地區(qū)的經(jīng)度東經(jīng)117.2°，改變緯度來(lái)觀測(cè)緯度對(duì)方位角的影響。緯度從0°至北緯72°依次選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用有限元法模擬不同緯度下當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的狀態(tài)，通過(guò)導(dǎo)出的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算方位角的測(cè)量值。由此得到不同緯度下方位角誤差的變化情況，如圖5所示。

圖5 不同緯度下方位角誤差的變化Fig.5 Variations of azimuth error at different latitudes

由圖5可知，隨著緯度升高（磁傾角增大），鉆具磁干擾對(duì)定向組件的影響越大，即在高緯度地區(qū)誤差增長(zhǎng)越快，這與之前的理論分析結(jié)果相吻合。

不同緯度下，方位角誤差隨鉆桿方位的變化如圖6所示。從圖6也可以看出，高緯度地區(qū)方位角誤差在急劇變大。

圖6 不同緯度下方位角誤差隨鉆桿方位的變化Fig.6 Variations of azimuth error with drill pipe azimuth at different latitudes

綜合考慮經(jīng)度和緯度進(jìn)行試驗(yàn)。在北緯0°～60°，從西經(jīng) 160°每隔 40°選取一個(gè)測(cè)點(diǎn)至東經(jīng)160°（這些測(cè)點(diǎn)的范圍基本覆蓋了北半球的常見(jiàn)坐標(biāo)），模擬該處地磁場(chǎng)強(qiáng)度下方位角誤差的變化。不同經(jīng)緯度下方位角誤差的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 不同經(jīng)度和緯度下方位角誤差的變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of azimuth error under different longitudes and latitudes

結(jié)合國(guó)際地磁參考場(chǎng)（international geomagnetic reference field，IGRF）[17]，可以計(jì)算出不同經(jīng)度、緯度下的地磁場(chǎng)和磁傾角，通過(guò)地磁場(chǎng)可以得到方位角隨經(jīng)度緯度變化的云圖（見(jiàn)圖8）。

由圖8可知，方位角誤差整體上隨著緯度升高而增大，在某些磁異常地區(qū)方位角誤差也會(huì)偏大，根據(jù)國(guó)際地磁參考模型結(jié)合有限元分析可以很好地估算出方位角誤差。

圖8 方位角誤差等值線圖Fig.8 Contour plot of azimuth error

2.4 井底鉆具組合的影響

前面只討論了地磁場(chǎng)對(duì)鉆桿的磁化，但實(shí)際情況是，鉆具組合所帶的磁性會(huì)產(chǎn)生更大的干擾場(chǎng)（見(jiàn)圖9，圖中：PU，PL分別為無(wú)磁鉆鋌頂部和底部鉆具的磁極強(qiáng)度， μ Wb，為計(jì)算方便，鉆鋌頂部磁場(chǎng)取向下為正方形，鉆鋌底部磁場(chǎng)取向上為正方形；L為無(wú)磁鉆鋌的長(zhǎng)度，m；LBit為無(wú)磁鉆鋌底部距離鉆頭的距離，m），導(dǎo)致更大的方位角誤差。為此，選擇4種典型的井底鉆具組合（見(jiàn)表2），研究了鉆具磁干擾對(duì)方位角測(cè)量的影響（仍取天津地區(qū)地磁數(shù)據(jù)，添加不同鉆具組合磁干擾來(lái)觀測(cè)方位角的變化），固定井斜角為90°，結(jié)果如圖10所示。

表2 4種典型井底鉆具組合對(duì)比Table 2 Comparison of four typical BHAs

圖9 底部鉆具組合磁場(chǎng)分布示意Fig.9 Magnetic field distribution of BHA

由圖10可知，底部鉆具組合對(duì)方位角誤差的影響巨大，尤其是螺桿鉆具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具自身所帶磁性較大，會(huì)產(chǎn)生很大的干擾場(chǎng)。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要選擇合適的底部鉆具組合，以更好地消除誤差。

圖10 4種不同鉆具組合下鉆具磁干擾引起方位角測(cè)量誤差模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of azimuth measurement errors caused by magnetic interference of four different BHAs

3 方位角誤差的修正

測(cè)定井眼軌跡過(guò)程中，采用磁力隨鉆測(cè)斜儀來(lái)測(cè)定井斜角、方位角等數(shù)據(jù)。但鉆柱磁化所產(chǎn)生的軸向磁干擾，會(huì)影響內(nèi)部磁通門(mén)傳感器對(duì)地磁場(chǎng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。為有效降低干擾磁場(chǎng)的影響，通常采用增加無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度的方法，以增大傳感器與鐵磁鉆具端部的距離，從而減小鐵磁鉆具端部磁場(chǎng)在傳感器位置的干擾磁場(chǎng)，但使用過(guò)長(zhǎng)的無(wú)磁鉆鋌會(huì)增加鉆井成本。使用軸向磁干擾的校正算法，也能修正方位角誤差，但在井斜角或方位角過(guò)大時(shí)計(jì)算結(jié)果并不準(zhǔn)確。為了得到更準(zhǔn)確的方位角誤差和更通用的方位角誤差修正方法，筆者提出了基于有限元模擬的方位角誤差修正方法，通過(guò)模擬計(jì)算出方位角誤差，消去誤差，得到準(zhǔn)確的方位角。

3.1 用無(wú)磁鉆鋌減小方位角誤差

為降低鐵磁鉆具對(duì)隨鉆磁力測(cè)斜儀的干擾，通常將隨鉆磁力測(cè)斜儀置于無(wú)磁鉆鋌中。無(wú)磁鉆鋌的優(yōu)點(diǎn)是，可省去后續(xù)誤差修正過(guò)程中繁瑣的迭代計(jì)算。使用無(wú)磁鉆鋌時(shí)應(yīng)合理選擇其長(zhǎng)度，過(guò)短時(shí)隨鉆磁力測(cè)斜儀無(wú)法避開(kāi)鉆具磁干擾的影響，過(guò)長(zhǎng)時(shí)由于無(wú)磁材料價(jià)格昂貴會(huì)導(dǎo)致鉆井成本升高。

為了研究無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度對(duì)磁方位角誤差的影響，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：將無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度從3 m依次遞增至30 m，鉆桿總長(zhǎng)度和其他外部條件不變，測(cè)量其方位角誤差。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)磁鉆鋌可為磁力隨鉆測(cè)斜儀提供一個(gè)無(wú)磁環(huán)境，從根本上減小鉆具磁化所產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)導(dǎo)致的方位角測(cè)量誤差；隨著無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度增加，磁方位角誤差逐漸減小。但增加無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度，只能減小方位角誤差，無(wú)法從根本上消除鉆具磁干擾對(duì)隨鉆磁力測(cè)斜儀的影響；而且，考慮成本因素，無(wú)磁鉆鋌不能太長(zhǎng)。

3.2 軸向磁干擾校正

軸向磁干擾校正的前提是，磁力隨鉆測(cè)斜儀徑向磁通門(mén)傳感器測(cè)得的地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分量BX和BY是準(zhǔn)確的，而影響儀器的干擾磁場(chǎng)沿鉆具軸線方向。無(wú)磁鉆鋌前后的鉆鋌或鉆桿不僅沿軸線對(duì)稱，而且相對(duì)鉆具軸線上的磁力隨鉆測(cè)斜儀測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，故其造成的干擾磁場(chǎng)為鉆具軸線方向。比較常用的軸向磁干擾校正方法是短箍校正法，地磁場(chǎng)分量之間的關(guān)系如圖11所示（圖11中：BX'為BX在井底圓平面上高邊方向的分量，μT；BY'為BY在井底圓平面上在側(cè)邊（高邊方向在井底圓平面上順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°）上的分量，μT；BX''為BX'在水平面上的分量，μT）。

圖11 軸向及徑向磁干擾示意Fig.11 Axial and radial magnetic interference

短箍校正法校正軸向磁干擾的基本原理是：在沒(méi)有磁干擾的情況下，井斜角、方位角可以通過(guò)3個(gè)重力加速度分量和3個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度分量之間的關(guān)系計(jì)算得到，也可以利用這種關(guān)系來(lái)反求軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分量BZc，然后再利用計(jì)算得到的BZc求解方位角。其基本計(jì)算公式為：

式中：BH為地磁場(chǎng)的水平分量， μ T；BV為地磁場(chǎng)的垂向分量， μ T ； β為磁傾角，(°)；BZc為磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量， μ T。

當(dāng)存在軸向磁干擾時(shí)，式（9）和式（10）計(jì)算的BZc和 φ都不準(zhǔn)確，需要迭代求解。設(shè)置精度值ε，如果當(dāng)前求解出來(lái)的φi+1與上次循環(huán)得出的φi相差小于ε，則循環(huán)結(jié)束；如果大于ε，繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)求解。具體求解過(guò)程如圖12所示。

圖12 軸向磁干擾校正流程Fig.12 Correction process of axial magnetic interference

以井斜角為90°時(shí)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的方位角測(cè)量數(shù)據(jù)為例，把ANSYS Maxwell模擬出來(lái)的三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度和計(jì)算得到的方位角代入軸向磁干擾校正程序，對(duì)BZc進(jìn)行迭代修正，得到修正后的方位角和誤差，如圖13所示。

從圖13可以看出，軸向磁干擾校正可以減小磁干擾引起的方位角誤差；但在方位角接近90°和270°（井眼方位朝向正西和正東）時(shí)，修正效果并不是特別明顯。分析認(rèn)為，方位角接近正東或正西向時(shí)，BZc的值很小，總磁場(chǎng)強(qiáng)度B的小誤差就會(huì)對(duì)BZc校正值產(chǎn)生很大的影響。

圖13 校正前后的方位角誤差對(duì)比Fig.13 Comparison of azimuth errors before and after correction

軸向磁干擾校正時(shí)，結(jié)合地磁場(chǎng)和磁力計(jì)傳感器的各軸讀數(shù)，采用循環(huán)迭代算法消除磁干擾磁場(chǎng)在鉆柱軸線上的分量。但這種方法比較依賴地磁場(chǎng)測(cè)量的精度，當(dāng)鉆桿軸向磁場(chǎng)很小（鉆桿在東西向）時(shí)，地磁場(chǎng)很小的誤差就會(huì)對(duì)軸向磁場(chǎng)的計(jì)算產(chǎn)生非常大的影響。某些情況下，校正后的結(jié)果比原始度數(shù)偏離更大，因此不建議在非非區(qū)，即在東/西20°（磁性）范圍內(nèi)、井斜角超過(guò)70°的區(qū)域采用這種方法。

3.3 基于有限元分析的方位角誤差修正

綜合上述分析，通過(guò)導(dǎo)出鉆具內(nèi)部傳感器位置處的三軸磁通量計(jì)算得到測(cè)量方位角，并與模型真實(shí)方位角進(jìn)行比較，就可得出此時(shí)的方位角誤差。這種方法可以準(zhǔn)確控制誤差因素的變化，來(lái)得到更準(zhǔn)確的方位角誤差。具體建模步驟如圖14所示。

圖14 基于有限元分析的方位角誤差修正方法Fig.14 Azimuth error correction method based on FEA

4 結(jié)論與建議

1）隨著井斜角增大，方位角誤差也逐漸變大，在井斜角等于90°（為水平井）時(shí)方位角誤差最大。方位角誤差在井眼方向?yàn)槟媳睍r(shí)較小，隨著井眼方向逐漸靠近東西向，方位角誤差也逐漸變大。高緯度地區(qū)具有較大的磁傾角，磁場(chǎng)與鉆桿始終保持較大的夾角，并且隨著緯度增大，磁傾角變化越來(lái)越快，對(duì)方位角的影響也會(huì)越來(lái)越大。

2）底部鉆具組合具有較大的磁性，會(huì)產(chǎn)生很大的干擾場(chǎng)。尤其是螺桿鉆具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，準(zhǔn)確選擇鉆具組合的類(lèi)型，才能計(jì)算出準(zhǔn)確的方位角誤差。針對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等磁性較大的工具，直接計(jì)算或校正會(huì)產(chǎn)生較大誤差，采用有限元模擬計(jì)算可以得到比較準(zhǔn)確的方位角誤差參考值和無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度推薦值。

3）采用有限元分析方法時(shí)，可以控制干擾源，獨(dú)立地研究鉆具在不同干擾源情況下時(shí)方位角誤差的變化情況?？梢詤⒖加邢拊治鼋Y(jié)果，來(lái)解決工程應(yīng)用時(shí)的方位角誤差和軸向磁干擾等問(wèn)題。

4）在總磁場(chǎng)變化不大的情況下，方位角、井斜角和經(jīng)緯度的變化最終還是體現(xiàn)在鉆桿和磁場(chǎng)的夾角變化上。在水平井、東西向井或者高緯度地區(qū)，可適當(dāng)增大無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度來(lái)減小方位角誤差，之后再通過(guò)SCC短箍校正等軸向磁干擾校正方法來(lái)減小方位角誤差，以保證方位角測(cè)量的準(zhǔn)確性。