定向測(cè)斜儀標(biāo)定方法研究

張巍巍

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院鉆井工藝研究所，黑龍江大慶163000）

1 研究目的及意義

現(xiàn)代定向鉆井技術(shù)隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)展已經(jīng)發(fā)展成橫跨多個(gè)學(xué)科并將其有序結(jié)合運(yùn)用的高級(jí)技術(shù)。隨著近幾十年電子技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，隨鉆測(cè)井技術(shù)也開(kāi)始大規(guī)模運(yùn)用電子技術(shù)，但在我國(guó)大部分的鉆井工作還是直井，與國(guó)際上的先進(jìn)鉆井區(qū)塊所完成的鉆井作業(yè)水平差距巨大。現(xiàn)今，國(guó)際上大力發(fā)展的鉆井技術(shù)是隨鉆地層參數(shù)評(píng)價(jià)（FEWD技術(shù)）以及井眼導(dǎo)向技術(shù)（旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)），這是各國(guó)主要攻關(guān)突破的技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，井眼軌跡測(cè)量以及定向過(guò)程中，必不可少的是井下隨鉆定斜測(cè)量?jī)x器。定向鉆井測(cè)斜儀測(cè)量井斜角、方位角和工具面角等,這些參數(shù)是控制井眼軌跡必不可少的參數(shù)。定向鉆井測(cè)斜儀的測(cè)量誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩大類[1]。無(wú)論是室內(nèi)檢測(cè),還是在井場(chǎng)實(shí)際測(cè)量中,定向鉆井測(cè)斜儀的直線度是影響系統(tǒng)誤差的主要因素之一。

2 三軸正交技術(shù)關(guān)鍵及原理計(jì)算

2.1 技術(shù)關(guān)鍵

（1）通過(guò)重力場(chǎng)及加速度計(jì)標(biāo)定架對(duì)定向探管進(jìn)行標(biāo)定，使定向探管的井斜測(cè)量精準(zhǔn)度得到了提高。

（2）通過(guò)地磁場(chǎng)及三腳架對(duì)定向探管進(jìn)行標(biāo)定，使定向探管的方位測(cè)量精準(zhǔn)度得到了提高。

2.2 原理計(jì)算

2.2.1 加速度計(jì)標(biāo)定方法的計(jì)算

三軸加速度計(jì)的矢量理論值應(yīng)是相互垂直，同時(shí)Z軸方向與探管軸向相同[2]。由此進(jìn)行數(shù)學(xué)建模：

式中：C——儀器的真實(shí)值；

A——三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣，主對(duì)角線元素均為1；

R——儀器的測(cè)量值；

K——R的比例因子（標(biāo)度因數(shù)），是對(duì)角陣；

B——R的零偏誤差；

R′——中間變量，代表R經(jīng)比例因子和零偏修正的數(shù)據(jù)。

由于A、K、B均為模塊的固有參數(shù)，所以在儀器姿態(tài)改變時(shí)不會(huì)改變。取2組數(shù)據(jù)（C1，R1）和（C2，R2），帶入上式，得到：

在式（2）中：

由此，所需數(shù)據(jù)都可使用MATLAB計(jì)算得出。

2.2.2 磁通門標(biāo)定方法的改進(jìn)

由本地地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可得出：

總地磁場(chǎng)強(qiáng)度為：55930.2nT；

磁傾角為：64.165°；

地磁場(chǎng)垂直分量為：50340.0nT；

地磁場(chǎng)水平分量為：24373.7nT。

將此數(shù)據(jù)代入磁通門計(jì)算模型中，計(jì)算模型與方法和加速度計(jì)校準(zhǔn)模型及計(jì)算方法相同[3]。

3 測(cè)斜儀測(cè)試結(jié)果誤差規(guī)律

定向測(cè)斜儀的同軸度是一項(xiàng)重要指標(biāo)，旋轉(zhuǎn)測(cè)試可以測(cè)量其同軸度。其方法是將測(cè)斜儀以中軸線為中心，自轉(zhuǎn)一周旋轉(zhuǎn)的同時(shí)取9個(gè)采樣點(diǎn)。一周360°，分成8份，每個(gè)采樣點(diǎn)之間間隔45°，第一個(gè)采樣點(diǎn)和最后一個(gè)重合。測(cè)斜儀的直線度如果不夠精準(zhǔn)，則會(huì)繞著中軸線進(jìn)行擺動(dòng)，如圖1中（a）所示。圖1中（b）為俯視圖中觀測(cè)到測(cè)斜儀直線度不好時(shí)，整根測(cè)斜儀的擺動(dòng)情況，只有當(dāng)測(cè)斜儀始終位于0位置時(shí)，直線度才滿足要求。

圖1 儀器直線度不好時(shí)旋轉(zhuǎn)測(cè)試情況

為了排除掉系統(tǒng)誤差，通過(guò)分析可知，Δx、Δy誤差大小變化規(guī)律為1，0，1，0，1。在這里，取的是量化后的值。從Z軸正方向往負(fù)方向看，所取值的變化規(guī)律為：0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°，360°。這個(gè)值正好滿足余弦的變化規(guī)律。

旋轉(zhuǎn)曲面為一個(gè)近似圓，設(shè)它的半徑為r，工具面角為ψ，由此可以得到圓的方程為：

在實(shí)際測(cè)試中，將測(cè)斜儀放在三角形測(cè)量標(biāo)定架上進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，標(biāo)定架傾角為45°。在標(biāo)定架上完成的是直線度旋轉(zhuǎn)測(cè)試。其旋轉(zhuǎn)曲面為近似的圓形或者橢圓或者為不規(guī)則的圓形，計(jì)算時(shí)都將其作為標(biāo)準(zhǔn)的圓形處理。當(dāng)旋轉(zhuǎn)曲面截面圓心坐標(biāo)變?yōu)門時(shí)，如圖2所示，y軸定位工具面角,旋轉(zhuǎn)曲面截面曲線上任意一點(diǎn)為P,根據(jù)前面分析可得到校正后傾角Inc的計(jì)算公式:

圖2 儀器在45°標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)架上旋轉(zhuǎn)測(cè)試的空間立體圖

其中,GTF為工具面角。在實(shí)際情況中，測(cè)斜儀的外筒會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，從而導(dǎo)致直線度出現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)往往也會(huì)伴隨扭曲現(xiàn)象，所以公式可以變?yōu)椋?/p>

上式中，偏移工具面的度數(shù)角為θ。

同理,得到方位角Az的計(jì)算公式[3]：

因?yàn)閮x器的彎曲程度和變形程度估算麻煩，所以各個(gè)估算值r、PO以及FO需要通過(guò)特殊的近似方法求得，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)arcsin取值是測(cè)量參數(shù)的最大值減最小值的差的二分之一。arcsin取值與arcsin方法一樣。通過(guò)將測(cè)斜儀在標(biāo)定架上擺出不同的姿態(tài)角度，測(cè)量出多個(gè)θ值。將測(cè)量得到的θ取平均數(shù)，所得的角度就是工具面角GTF的度數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)加速度計(jì)的正交校正，定向測(cè)斜儀的井斜測(cè)量精度可以達(dá)到±0.2°，姿態(tài)方位角測(cè)量精度達(dá)到±1°，達(dá)到鉆井時(shí)井眼軌跡控制的要求。

[1]蔣煥文,孫續(xù).電子測(cè)量[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1988.

[2]三軸加速度計(jì)CXL10TG3手冊(cè)[E].

[3]三軸捷聯(lián)磁場(chǎng)計(jì)HMR2300手冊(cè)[E].