MWD独立误差源的确定分析

王 锐，崔朋波，刘培军

(中油冀东油田公司，河北 唐山 063000)

MWD独立误差源的确定分析

王 锐，崔朋波，刘培军

(中油冀东油田公司，河北 唐山 063000)

为分析随钻测量仪MWD在实际测量中的独立误差源，根据大地坐标系到仪器坐标系的转换对MWD的测量原理进行了系统推导，得出测量井眼轨迹的基本参数，进而结合典型测量仪器的4项独立误差源及MWD进行井眼轨迹测量的特点，在性质和量度方面详细分析了MWD的各项独立误差源，并通过对独立误差源进行分析修正，得出MWD现场应用的优点。关键词:MWD;测量误差;独立误差源

引 言

MWD是在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的仪器系统，目前已成为石油钻井施工中必不可少的随钻测量工具。MWD系统可在钻头附近测得定向数据、地层数据和钻井参数等信息，不需中断正常钻进操作而将信息传送到地面，为下一步施工设计提供依据［1－5］。MWD系统已成为连续监测钻井轨迹和及时纠斜必不可少的工具，但同时由MWD的测量误差引起的井眼轨迹位置不确定性，对需要精确定位的钻井作业产生了重要的影响［6］。因此，对引起MWD测量误差的独立误差源进行定性和定量的系统分析至关重要。

1 MWD测量原理

1.1 坐标系的建立

建立钻具 XYZ 坐标系［7］(图1)，其中，Z 轴与仪器轴线重合并指向仪器下部，X轴与Y轴都在仪器横截面上，Y轴与造斜钻头的造斜方向一致，而X轴与Y轴垂直，且其正方向和Y轴、Z轴一起遵循右手法则，三轴两两正交。α为井斜角，φ为井斜方位角，ω为重力工具面角。

MWD由装在无磁钻铤中的信号发射器和探管组成，探管内有两两相互垂直的三轴重力加速度计和三轴磁通门传感器，分别测量3个方向上的重力分量和磁力分量，分别以 GX、GY、GZ和 BX、BY、BZ表示。Z轴方向即为探管的轴向，即钻具和井眼方向。现场作业中所需要的仪器参考数据和井眼几何参数均由这6个分量计算得到。

图1 大地坐标系与仪器坐标系

1.2 坐标系的3次旋转

图2为欧拉旋转变换。

图2 欧拉旋转变换

(1)第1次坐标旋转。绕D轴旋转φ角，成为Z1X1D坐标系。

(2)第2次坐标旋转。绕X1轴旋转π/2－α角，成为ZX1Y1坐标系，即:

(3)第3次坐标旋转。绕Z轴旋转ω角，成为ZXY2坐标系，即:

1.3 确定井斜角和重力工具面角

1.4 确定井斜方位角

在地磁场中，东方向分量为零，可得:

式中:G=(G2X+G2Y+G2Z)。

2 独立误差源定义及分类

2.1 独立误差源定义

误差源是一种物理现象，它使仪器在测量过程中对测量值产生误差。理论上，误差产生独立误差源由要建立的误差模型的复杂性和获得量化误差项所需数据的可能性确定。测量工具、测量环境、测量方法和建模技术的不同均会带来不同的独立误差源［8］。

1个独立误差源通常由几个误差项组成。1个误差项描述了所属误差源对1组特定的仪器测量值起的作用。误差项可以通过以下参数唯一确定:名称、均值μ、幅值σ。通常作为1倍的标准偏差值来应用。传播模式包括:随机性(R)、系统性(S)、单井性(W)以及全局性(G)。

2.2 独立误差源分类

理论上说，各误差源产生的原因有很多，主要包括比例系数、线性度、同轴度、温度、温度曲线拟合以及数值量化等。此处对独立误差源的分类是以实用为基础，可将误差源对仪器测量误差的作用进行建模，并可用此模型对各误差的实际数值进行评估。

对普通测量仪器而言，通用的独立误差源主要有传感器误差、深度测量误差、磁偏角基准误差、陀螺基准误差、钻柱磁化、外部磁场干扰、测量间距计算方法、井眼轨迹计算方法、重力场不稳定以及过失误差等。

3 MWD独立误差源分析确定

现结合普通测量仪器通用误差源，根据MWD结构及测量原理，对MWD典型独立误差源进行定性和定量的分析。

3.1 传感器误差

MWD探管由三轴重力加速度计和磁通门传感器组成，对井斜角和井斜方位角进行测量时，传感器系统误差和仪器校正误差将使测量产生误差。最终可形成4个误差项:加速度计偏移误差、加速度计刻度误差、磁力计偏移误差以及磁力计刻度误差。其结果见表1。

表1 传感器误差

3.2 深度测量误差

在使用MWD进行测量时，深度测量误差是由钻柱拉伸和热膨胀等因素引起的。与其他误差的区别:对于每个新的误差源，深度测量误差需要从地面开始对整个井眼进行全新的测量，新的测量与前测点无关，与除地面数据外的先前对该点的测量也无关。针对地面钻机和浮式钻机，可以将MWD深度测量误差归为4个独立误差项，即随机参考误差、系统参考误差、刻度误差和拉伸误差，并为其建立模型。其结果见表2。

表2 深度测量误差

3.3 磁偏角参考误差

外壳异常是磁偏角参考误差的主要来源，特别是在高纬度、岩浆岩近地面的地区。对于MWD，只有磁偏角的假设基准值会影响计算的方位角值，而轴向磁干扰估算中任何的误差都会导致计算的方位角值误差。

对磁偏角的确定会随着磁场水平分量的减小而变得越来越困难。为了确保Shetland Lerwick(BH=15 000 nT)的总磁偏角误差与英国地质调查局预测的相符，建立1个模型，使其常数和与磁场水平投影BH成反比例，并对其进行模拟(表3)。

表3 模拟结果

3.4 钻柱磁化

接近磁力计的磁性钻具组合可通过剩磁和感应磁化对方位的测量产生影响。MWD钻具组合磁干扰可分为轴向和径向2部分。

轴向磁干扰的剩磁没有统一的极性，而感应磁化的极性相同。用钻具组合端部磁极对感应磁化进行拟合，进而对其误差进行校正;将剩磁作为独立误差源进行处理。剩磁方位角误差直接取决于井眼方向，并与sinαsinφm成比例。径向磁干扰值较小，一般不会对总的MWD误差产生较大影响，不必将其考虑在误差模型之内(表4)。

表4 拟合结果

4 现场应用的优点

通过对MWD独立误差源分析确定，可以更好发挥其在现场的应用效果［9－11］。

(1)在现场施工中，根据工程的要求可以对仪器传输数据的速度、探管的工作方式及测量方式进行选择，给钻井作业带来了很大的灵活性。

(2)MWD靠钻柱内泥浆压力的波动传送脉冲信号，简化了应用有线随钻施工所必须的地面准备、井口作业、电缆起下及泵冲仪器等繁琐工序。

(3)用MWD施工时根据需要可以合理调配钻具，使测点尽可能接近井底，以便为工程技术人员预测并控制井深轨迹提供精确可靠的数据。

(4)使用MWD提高了施工的安全可靠性，同时配合导向钻进技术提高了机械钻速。

5 结论

(1)利用坐标系的建立、旋转，根据三轴加速度计和磁通门传感器的测值，推导出井斜角、重力工具面角和井斜方位角的工作原理。

(2)结合普通测量仪器通用误差源，根据MWD测量原理，对MWD测量典型独立误差源进行定性和定量的分析。

［1］ Hugh S，Williamson．Accuracy prediction for directional MWD［C］.SPE56702，1999:12.

［2］Andrew G Brooks，Harry Wilson．An improved method for computing wellbore position uncertainty and its application to collision and target intersection probability analysis［C］．SPE36863，1996:415.

［3］苏义脑，窦修荣.随钻测量、随钻测井与录井工具［J］.石油钻采工艺，2005，27(1):74 －78．

［4］刘修善．井眼轨道几何学［M］.北京:石油工业出版社，2006:68．

［5］匡立新，李涛，张艳梅，等.负脉冲MWD的原理及其在可泡沫钻井液中的应用［J］.石油天然气学报，2008，30(1):362 －363，366.

［6］刘树坤，汪勤学，梁占良，等.国内外随钻测量技术简介及发展前景展望［J］.录井工程，2008，19(4):32－37，41.

［7］《数学手册》编写组．数学手册［M］.北京:人民教育出版社，1979:134．

［8］陈炜卿，管志穿.修正的系统误差分析方法在随钻测斜中的应用［J］.石油天然气学报，2005，27(S2):355－357.

［9］何成柱，张宏阜，俞努.现场实践中的MWD配套应用技术［J］. 西部探矿工程，2004，16(11):48.

［10］董本京，高德利.现代井眼轨迹测量误差分析理论探索［J］.钻采工艺，1999，22(3):1－6.

［11］董本京，高德利，柳贡慧.井眼轨迹不确定性分析方法的探讨［J］.天然气工业，1999，19(4):59－63.

Determinative analysis of MWD independent error sources

WANG Rui，CUI Peng－bo，LIU Pei－jun
(Jidong Oilfield Company，PetroChina，Tangshan，Hebei063000，China)

MWD independent error sources are analyzed by converting from earth coordinates to instrument coordinates and inferring MWD measurement principle．The basic parameters of measuring points are derived．Each independent error source of MWD has been analyzed in terms of nature and magnitude by taking account of the four error sources of typical measuring instrument．The advantages of MWD can be brought into full play in field application by modifying independent error sources．

MWD;measurement error;independent error source

TE241

A

1006－6535(2011)05－0120－04

20110321;改回日期20110610

国家高新技术研究发展计划(“863”计划)“旋转导向钻井系统工程化技术研究”(2007AA090801－04)

王锐(1983－)，男，助理工程师，2005年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，现从事油气田工程技术研究与管理工作。

编辑 王 昱