Mwd系統(tǒng)的精確標定方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MWD系統(tǒng)的精確標定方法及其應(yīng)用，所述的精確標定方法為：利用誤差模型對MWD系統(tǒng)姿態(tài)角的實時解算結(jié)果進行標定。本發(fā)明在井斜角與方位角設(shè)定值不變的情況下，通過利用誤差模型對MWD系統(tǒng)的姿態(tài)角進行標定，從而可以有效減小井斜角、方位角解算結(jié)果的波動，消除姿態(tài)角解算過程中的系統(tǒng)誤差，由于井斜角和方位角的測量是為了指導鉆機的鉆進，因此本發(fā)明的精確標定方法可有效幫助精確控制井眼軌跡與提高鉆井精度。此外，本發(fā)明的精確標定算法也可推廣應(yīng)用到自動垂直鉆井系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)導向等系列產(chǎn)品的標定流程中。
【專利說明】MWD系統(tǒng)的精確標定方法及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種標定方法，尤其涉及一種MWD系統(tǒng)的精確標定方法及其應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] MWD(Measure While Dring)系統(tǒng)能夠隨鉆實時測量井眼軌跡參數(shù)，包括：井斜角、 方位角、工具面角及輔助參數(shù)（如溫度等），并在鉆井過程中將測量結(jié)果實時傳輸?shù)降孛孢M 行處理，以便達到控制井眼軌跡和提高鉆井精度的目的，因此所測的井眼軌跡參數(shù)在滿足 實時性的同時，還必須具有一定的精度。所述的井斜角是指鉆孔某點的切線與鉛垂線之間 的夾角，其反映的是鉆頭的傾斜程度，變化范圍為0°?180°，即鉆具垂直向下方向時的 井斜角為0°，鉆具水平方向時的井斜角為90° ;所述的方位角是指鉆孔某點的切線在水平 面上的投影與正北方向之間的夾角（順時針方向）；實際中磁北方向和真北方向不同，它們 之間的夾角稱為磁偏角，同時地球上各地的磁偏角不同；所述的工具面角是指在與鉆具垂 直的平面內(nèi)，造斜方向與鉆孔終點方向（在鉆孔彎曲平面內(nèi)）之間的夾角，它決定了鉆孔軌 跡的下一步延伸方向。
[0003] 現(xiàn)有隨鉆測井系列產(chǎn)品的標定工作（如申請?zhí)枮?01110336795. X、名稱為"MWD定 向探管有源磁場標定方法"的專利申請以及《北京工業(yè)大學》公開的"MWD定向探管有源磁 場標定系統(tǒng)的研究"）主要圍繞傳感器的輸出精度方面展開，在已知當?shù)卮艌鰪姸?、磁傾角、 重力加速度等信息的基礎(chǔ)上，通過對不同姿態(tài)條件下的測控短節(jié)上的磁通門和加速度計的 輸出結(jié)果進行觀測來糾正傳感器的安裝誤差，同時計算出零位誤差系數(shù)和比例誤差系數(shù)， 并通過標定公式對磁通門和加速度計的輸出結(jié)果進行修正，利用修正后的測量數(shù)據(jù)解算井 斜、方位角等姿態(tài)信息，從而達到標定目的，保證磁通門、加速度計輸出結(jié)果的精度基本滿 足姿態(tài)角解算的要求。但是MWD系統(tǒng)在同井斜與方位的姿態(tài)條件下，當工具面角MHS發(fā)生 變化時，井斜角INC與方位角AZ的解算結(jié)果也會發(fā)生相應(yīng)的偏移，即在井斜角與方位角設(shè) 定值不變的情況下，井斜角和方位角的解算結(jié)果仍然存在較大的波動性，因而上述現(xiàn)有方 法并不能從根本上達到精確標定的目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，提供一種MWD系統(tǒng)的精確標定方法及其應(yīng)用，它可以有效解 決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，尤其是在井斜角與方位角設(shè)定值不變的情況下，井斜角和方位 角的解算結(jié)果仍然存在較大的波動性，不能從根本上達到精確標定目的的問題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：MWD系統(tǒng)的精確標定方法，利 用誤差模型對MWD系統(tǒng)姿態(tài)角（井斜角、方位角）的實時解算結(jié)果進行標定。
[0006] 具體的說，包括以下步驟：
[0007] a.根據(jù)MWD系統(tǒng)姿態(tài)角（井斜角、方位角）的實時解算結(jié)果查表，獲得誤差模型曲 線系數(shù)；
[0008] b.通過誤差模型曲線系數(shù)構(gòu)建誤差模型曲線，并利用誤差模型曲線對MWD系統(tǒng)的 姿態(tài)角（井斜角、方位角）解算結(jié)果進行標定，得精確標定后的姿態(tài)角（井斜角、方位角）。
[0009] 由于MWD系統(tǒng)（即隨鉆測量系統(tǒng)）的作用就是測量鉆進過程中的鉆具的姿態(tài)角， 因而本發(fā)明中選擇對姿態(tài)角（井斜角、方位角）進行標定，即可實現(xiàn)對MWD系統(tǒng)的精確標 定。
[0010] 步驟b中所述的利用誤差模型曲線對MWD系統(tǒng)的姿態(tài)角（井斜角、方位角）解算 結(jié)果進行標定，得精確標定后的姿態(tài)角（井斜角、方位角）是指：利用加速度計與磁通門傳 感器的輸出結(jié)果解算井斜角、方位角，通過誤差模型計算出此時MWD系統(tǒng)井斜角或方位角 的誤差估計值；再用井斜角或方位角的系統(tǒng)計算值（即實時解算結(jié)果）減去井斜角或方位 角的誤差估計值，即可消除MWD系統(tǒng)誤差，獲得精確標定后的姿態(tài)角（即井斜角或方位角）。
[0011] 本發(fā)明中通過以下方法對步驟a中所述的誤差模型曲線系數(shù)進行建表：
[0012] SI.在設(shè)定的姿態(tài)條件下利用三軸轉(zhuǎn)臺對MWD系統(tǒng)的姿態(tài)角（井斜角、方位角）進 行測量，獲得加速度計與磁通門傳感器的輸出結(jié)果；
[0013] S2.標定軟件系統(tǒng)根據(jù)加速度計與磁通門傳感器的輸出結(jié)果解算出MWD系統(tǒng)的姿 態(tài)角（即井斜角、方位角）；
[0014] S3.利用不同姿態(tài)條件下的姿態(tài)角（井斜角、方位角）解算結(jié)果建立井斜角和方位 角的誤差模型；
[0015] S4.將所述誤差模型的系數(shù)建表，并存入MWD系統(tǒng)中。
[0016] 步驟Sl中，所述的設(shè)定的姿態(tài)條件是指進行試驗前，首先對試驗時的井斜角、方 位角設(shè)置一個值（同時工具面角在〇?350度變化），便于觀察解算結(jié)果的誤差情況，驗證 方法的有效性。
[0017] 步驟S3中，由于試驗過程中是固定井斜角或方位角的情況下，0?350度變化工具 面角，這時可發(fā)現(xiàn)井斜角或方位角解算結(jié)果的誤差值曲線符合三角函數(shù)規(guī)律（正弦）；因此 設(shè)誤差模型曲線函數(shù)為X = B+A*sin(W*(MHS)+N)，即可根據(jù)工具面角、井斜角或方位角解 算結(jié)果、井斜角或方位角設(shè)定值，計算出B、A、W、N，進而確定誤差模型。本發(fā)明中需要對井 斜角和方位角分別建模。
[0018] 優(yōu)選的，步驟S3所述的利用不同姿態(tài)條件下的姿態(tài)角（井斜角、方位角）解算結(jié) 果建立井斜角和方位角的誤差模型包括：當保持井斜角和方位角的設(shè)定值不變時，利用不 同工具面角條件下井斜角和方位角解算值的偏移量建立相應(yīng)的誤差模型，也就是說，保持 井斜角和方位角的設(shè)定值不變時，利用不同工具面角條件下井斜角和方位角解算值的偏移 量建立相應(yīng)的誤差模型，然后再改變井斜角和方位角的設(shè)定值，再建立相應(yīng)的誤差模型； 在實際使用過程中，采用查表的方式，根據(jù)實時計算得到的井斜角和方位角（即姿態(tài)角的 實時解算結(jié)果），分別獲取井斜角與方位角的誤差模型參數(shù)B、A、W、N，再根據(jù)實時計算的 MHS (工具面角），通過X = B+A*sin (W* (MHS) +N)，就可以計算出井斜角與方位角的實時的系 統(tǒng)誤差；最后利用井斜角與方位角的解算結(jié)果減去誤差，即得精確標定之后井斜角與方位 角的解算結(jié)果。
[0019] 前述的誤差模型為：X = B+A*sin(W*(MHS)+N)，其中，X為井斜角或方位角解算結(jié) 果的偏移值，MHS為工具面角值，B、A、W、N為誤差模型曲線系數(shù)。
[0020] 前述的MWD系統(tǒng)的精確標定方法在鉆機自動糾正中的應(yīng)用。
[0021] 所述的應(yīng)用方法為：執(zhí)行機構(gòu)利用精確標定后的姿態(tài)角（井斜角、方位角）對鉆機 進行自動糾正。
[0022] 為了得到本發(fā)明的技術(shù)方案，發(fā)明人進行了一系列的試驗研究，具體如下：
[0023] -、將井斜角設(shè)定為0.5°，方位角設(shè)定為0°時，工具面角設(shè)定為0°?350°， 工具面角間隔10°變化時，方位角與井斜角的解算結(jié)果誤差值的變化規(guī)律如圖1、圖2所 示，由圖1可知：隨著工具面角的變化，方位角的解算值圍繞方位角的設(shè)定值0°波動；由 圖2可知：隨著工具面角的變化，井斜角的解算值圍繞井斜角的設(shè)定值0. 5°波動；而且井 斜角與方位角的解算結(jié)果的誤差值隨工具面角的變化規(guī)律符合正弦曲線的特性--X= B+A*sin (W* (MHS) +N)，其中，MHS為工具面角值，該誤差模型曲線的截距B、幅值A(chǔ)、初始相位 N及頻率W與設(shè)定的井斜角和方位角有關(guān)。圖3和圖4分別為井斜角與方位角的誤差模型 曲線與實測曲線的對比圖，由圖3、圖4可知：在井斜角和方位角的設(shè)定值不變的情況下，隨 著工具面角的變化，井斜角和方位角的誤差模型曲線始終逼近井斜角與方位角的解算結(jié)果 的偏移值。由于偏移值的變化是有規(guī)律性的，因此可利用誤差模型來消除解算結(jié)果的系統(tǒng) 誤差，減小解算結(jié)果的波動范圍，實現(xiàn)精確標定的目的，具體的標定效果如圖5、圖6所示， 由圖5、圖6可知：精確標定處理后，井斜角與方位角的解算結(jié)果誤差曲線的波動明顯減小， 從而證明了本發(fā)明的精確標定方法能有效減小井斜角與方位角解算結(jié)果中的系統(tǒng)誤差分 量；本發(fā)明將系統(tǒng)誤差分量變?yōu)榭蓸硕ㄕ`差進行消除，達到了預期效果。
[0024] 二、為了對精確標定算法的性能進行分析，設(shè)定井斜角為0. 5°時，針對不同的方 位角，系統(tǒng)對井斜角、方位角解算結(jié)果的誤差曲線進行建模，并將曲線的截距、幅值、初始相 位等系數(shù)建表，通過查表的方式獲取系數(shù)，再進行標定計算（由于在MWD系統(tǒng)應(yīng)用過程中， 井斜角和方位角會發(fā)生變化，而誤差模型曲線中的截距、幅值、初始相位等系數(shù)都是隨著井 斜角和方位角的不同而變化的，因此，對MWD系統(tǒng)進行精確標定時，需要預先對不同井斜角 和方位角條件的模型曲線系數(shù)建表存儲，然后通過查表的方式對解算結(jié)果進行精確標定， 從而消除其中的系統(tǒng)誤差分量）。具體內(nèi)容如下：
[0025] 方位角解算結(jié)果的精確標定效果分析
[0026] 方位角（AZ)的誤差模型曲線解析式為：X = Bl+Al*sin (Wl* (MHS) +NI)，則誤差模 型系數(shù)如表1所示：
[0027] 表1設(shè)定井斜為〇. 5°時，方位角誤差模型系數(shù)表
[0028]

【權(quán)利要求】
1. MWD系統(tǒng)的精確標定方法，其特征在于，利用誤差模型對MWD系統(tǒng)姿態(tài)角的實時解算 結(jié)果進行標定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MWD系統(tǒng)精確標定方法，其特征在于，具體包括以下步驟： a. 根據(jù)MWD系統(tǒng)姿態(tài)角的實時解算結(jié)果查表，獲得誤差模型曲線系數(shù)； b. 通過誤差模型曲線系數(shù)構(gòu)建誤差模型曲線，并利用誤差模型曲線對MWD系統(tǒng)的姿態(tài) 角解算結(jié)果進行標定，得精確標定后的姿態(tài)角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的MWD系統(tǒng)的精確標定方法，其特征在于，通過以下方法對步驟 a中所述的誤差模型曲線系數(shù)進行建表：
51. 在設(shè)定的姿態(tài)條件下利用三軸轉(zhuǎn)臺對MWD系統(tǒng)的姿態(tài)角進行測量，獲得加速度計 與磁通門傳感器的輸出結(jié)果；
52. 標定軟件系統(tǒng)根據(jù)加速度計與磁通門傳感器的輸出結(jié)果解算出MWD系統(tǒng)的姿態(tài) 角；
53. 利用不同姿態(tài)條件下的姿態(tài)角解算結(jié)果建立井斜角和方位角的誤差模型；
54. 將所述誤差模型的系數(shù)建表，并存入MWD系統(tǒng)中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的MWD系統(tǒng)的精確標定方法，其特征在于，步驟S3所述的利用 不同姿態(tài)條件下的姿態(tài)角解算結(jié)果建立井斜角和方位角的誤差模型包括：當保持井斜角和 方位角的設(shè)定值不變時，利用不同工具面角條件下井斜角和方位角解算值的偏移量建立相 應(yīng)的誤差模型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的MWD系統(tǒng)的精確標定方法，其特征在于，所述的誤差模型為： X = B+A*sin(W*(MHS)+N)，其中，X為井斜角或方位角解算結(jié)果的偏移值，MHS為工具面角 值，B、A、W、N為誤差模型曲線系數(shù)。
6. 權(quán)利要求1?5任一所述的MWD系統(tǒng)的精確標定方法在鉆機自動糾正中的應(yīng)用。
【文檔編號】E21B47/02GK104234696SQ201410418056
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】林恩懷, 李成志, 劉瑞娟, 王鑫, 蔣威 申請人:北京市普利門電子科技有限公司