定向测斜仪标定方法研究

2018-06-19张巍巍

西部探矿工程 2018年6期

张巍巍

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院钻井工艺研究所，黑龙江大庆163000）

1 研究目的及意义

现代定向钻井技术随着电子技术的不断进展已经发展成横跨多个学科并将其有序结合运用的高级技术。随着近几十年电子技术的爆发式发展，随钻测井技术也开始大规模运用电子技术，但在我国大部分的钻井工作还是直井，与国际上的先进钻井区块所完成的钻井作业水平差距巨大。现今，国际上大力发展的钻井技术是随钻地层参数评价（FEWD技术）以及井眼导向技术（旋转导向技术），这是各国主要攻关突破的技术难点和技术发展趋势，井眼轨迹测量以及定向过程中，必不可少的是井下随钻定斜测量仪器。定向钻井测斜仪测量井斜角、方位角和工具面角等,这些参数是控制井眼轨迹必不可少的参数。定向钻井测斜仪的测量误差可分为系统误差和随机误差两大类[1]。无论是室内检测,还是在井场实际测量中,定向钻井测斜仪的直线度是影响系统误差的主要因素之一。

2 三轴正交技术关键及原理计算

2.1 技术关键

（1）通过重力场及加速度计标定架对定向探管进行标定，使定向探管的井斜测量精准度得到了提高。

（2）通过地磁场及三脚架对定向探管进行标定，使定向探管的方位测量精准度得到了提高。

2.2 原理计算

2.2.1 加速度计标定方法的计算

三轴加速度计的矢量理论值应是相互垂直，同时Z轴方向与探管轴向相同[2]。由此进行数学建模：

式中：C——仪器的真实值；

A——三维坐标转换的转换矩阵，主对角线元素均为1；

R——仪器的测量值；

K——R的比例因子（标度因数），是对角阵；

B——R的零偏误差；

R′——中间变量，代表R经比例因子和零偏修正的数据。

由于A、K、B均为模块的固有参数，所以在仪器姿态改变时不会改变。取2组数据（C1，R1）和（C2，R2），带入上式，得到：

在式（2）中：

由此，所需数据都可使用MATLAB计算得出。

2.2.2 磁通门标定方法的改进

由本地地磁场数据可得出：

总地磁场强度为：55930.2nT；

磁倾角为：64.165°；

地磁场垂直分量为：50340.0nT；

地磁场水平分量为：24373.7nT。

将此数据代入磁通门计算模型中，计算模型与方法和加速度计校准模型及计算方法相同[3]。

3 测斜仪测试结果误差规律

定向测斜仪的同轴度是一项重要指标，旋转测试可以测量其同轴度。其方法是将测斜仪以中轴线为中心，自转一周旋转的同时取9个采样点。一周360°，分成8份，每个采样点之间间隔45°，第一个采样点和最后一个重合。测斜仪的直线度如果不够精准，则会绕着中轴线进行摆动，如图1中（a）所示。图1中（b）为俯视图中观测到测斜仪直线度不好时，整根测斜仪的摆动情况，只有当测斜仪始终位于0位置时，直线度才满足要求。

图1 仪器直线度不好时旋转测试情况

为了排除掉系统误差，通过分析可知，Δx、Δy误差大小变化规律为1，0，1，0，1。在这里，取的是量化后的值。从Z轴正方向往负方向看，所取值的变化规律为：0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°，360°。这个值正好满足余弦的变化规律。

旋转曲面为一个近似圆，设它的半径为r，工具面角为ψ，由此可以得到圆的方程为：

在实际测试中，将测斜仪放在三角形测量标定架上进行标定测试，标定架倾角为45°。在标定架上完成的是直线度旋转测试。其旋转曲面为近似的圆形或者椭圆或者为不规则的圆形，计算时都将其作为标准的圆形处理。当旋转曲面截面圆心坐标变为T时，如图2所示，y轴定位工具面角,旋转曲面截面曲线上任意一点为P,根据前面分析可得到校正后倾角Inc的计算公式:

图2 仪器在45°标准校验架上旋转测试的空间立体图

其中,GTF为工具面角。在实际情况中，测斜仪的外筒会出现弯曲现象，从而导致直线度出现问题，同时往往也会伴随扭曲现象，所以公式可以变为：

上式中，偏移工具面的度数角为θ。

同理,得到方位角Az的计算公式[3]：

因为仪器的弯曲程度和变形程度估算麻烦，所以各个估算值r、PO以及FO需要通过特殊的近似方法求得，通过反复试验，发现arcsin取值是测量参数的最大值减最小值的差的二分之一。arcsin取值与arcsin方法一样。通过将测斜仪在标定架上摆出不同的姿态角度，测量出多个θ值。将测量得到的θ取平均数，所得的角度就是工具面角GTF的度数。