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专利号: 201110454594X
申请人: 中北大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 土层或岩石的钻进;采矿
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

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; 所述步骤1)中,套管坐标系与地理坐标系的关系为: 当钻井无倾斜或者无偏转的时候,套管坐标系的x、y、z轴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,套管坐标系能通过旋转地理坐标系得到;坐标系旋转的顺序为:先将地理坐标系绕z0轴旋转到坐标系x1y1z0,旋转角度为方位角 然后将坐标系x1y1z0绕y1轴旋转到坐标系x2y1z1,旋转角度为θ,是倾斜角α的余角;最后将坐标系x2y1z1绕x2轴旋转到坐标系x2y2z2,即套管坐标系xyz,旋转角度为工具面角γ;上述旋转关系用矩阵表示如下: 式(1)中: 为从地理坐标系到套管坐标系的转换矩阵; 所述步骤1)中,磁测斜仪坐标系的三轴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: 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α和工具面角γ:

所述步骤4)中,在地理坐标系下,地磁矢量为: 式(3)中:F为地磁矢量;Fx、Fy、Fz为地磁矢量在地理坐标系下的三轴分量;F0为地磁矢量的模, I为当地磁倾角; 地磁矢量沿套管坐标系的三轴分量为:

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: bm

式(5)中:F 为三轴磁传感器测量输出的地磁矢量;K为磁屏蔽系数矩阵,kx、ky和kz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y、z两轴在套管径向上的等价性,假设ky和kz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沿套管坐标系x、y轴方向上的磁屏蔽系数kx、ky;此时方位角的表达式为: 式(6)中:γ、θ根据三轴加速度计测量数据求得; 由三轴磁传感器测得;I为当地磁倾角;ky为套管沿套管坐标系y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,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): 整理式(7)可以得到方程组:

令 即

方程组可以表示为式(9)的形式:

式(9)中:f1、f2、f3表示关于k、ky、 的函数,z1、z2、z3表示式(8)各方程中与k、ky、无关的常数部分; 根据泰勒展开:

令:

以上矩阵中,k0、ky0、 分别为k、ky、 的初值,Δk、Δky、 分别为k、ky、 的修正值;

Z表示式(8)各方程中与k、ky、无关的常数部分;A为f1、f2、f3对k、ky、 的一阶偏导矩阵;B表示当k、ky、 取初值k0、ky0、 时,z1-f1、z2-f2、z3-f3的值;方程组(10)改写为B=-1A·ΔX的形式,根据ΔX=A B,求得ΔX;进一步由X=X0+ΔX求得X,再将当前X作为初值代入原方程组进行迭代求解;当ΔX的二范数满足某一阈值时迭代结束,视当前X为方程组的最优解,此时求得套管的磁屏蔽系数kx、ky和方位角