钻井测斜仪磁通门精准化的主要技术措施

岳　巍，张晓华，陆怡良

(陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西 宝鸡 721006)



钻井测斜仪磁通门精准化的主要技术措施

岳巍，张晓华，陆怡良

(陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西 宝鸡 721006)

摘要：根据钻井测斜仪磁通门的使用要求，描述了磁通门应用原理，分析了磁通门测量的误差来源及其对测量的影响，提出了12系数分量校正方法，并给出了数学公式和计算方法。实际应用表明，12系数分量校正方法可以大大提高钻井测斜仪的测量精度，使国产钻井测斜仪的测量精度达到国外同类产品的水平。

关键词：钻井测斜仪；磁通门；12系数；方位；误差

1引言

众所周知，钻井测斜仪技术源自于飞机航向姿态仪表和惯性导航技术，其系统原理相同，只是所选传感器的参数和结构形式有别。测斜仪常用磁通门测向，加速度计测斜。磁通门因其原理特点以及易受环境磁场的影响等，测量方位误差往往比较大，成为影响测斜仪精准性的主要因素。测斜仪是否精准，事关钻井、测井(检验钻井是否合格)是否真的成功、能否中靶和采油能否干净的全局，意义重大。

多年来，钻井测斜仪经几代更新，迄今国外钻井测斜仪器的斜度α和井斜方位ψ精度能够达到0.1°和2°，而大多数国产仪器的测量精度尤其是井斜方位ψ的技术指标、实际测量精度距国外仪器水平还差很多，特别是校验设备和检验方法欠缺，实际使用效果并不理想。因此，找到一种便捷有效的磁通门方位误差修正方法，有效地减小井斜方位ψ的误差Δψ一直是钻井测斜仪研制生产单位的努力方向。

2测斜仪的基本功能原理

测斜仪的基本功能是运用与井眼同轴下放的探管来测定井眼轨迹各处的斜度α和井斜方位ψ。

ψ=ψM-ψH

其中，αx、αy、αz为探管坐标系X、Y、Z三轴方向安装的3个加速度计测得的重力加速度g的分量；ψM为磁通门罗盘测得的相对于自身刻有方位基准线的探管磁方位；ψH为探管相对于自身其方位基准的倾斜方向。

另由井深传感器同步测定探管下放所到处实时井深L，其垂直分量、北向分量和东向分量的数学模型分别为：

可见，在L无误差时，井眼轨迹3分量的测量精度主要取决于ψM和αx、αy、αz的精准度。

3测斜仪磁通门测量误差因素分析及补偿计算方法

对于如何提高国产测斜仪的性能水平，首先总结了航空用同类产品的设计、研发、生产工艺技术，包括为改进美国同类航空用磁通门所做的结构更新、误差分析和工艺调整等方法，然后针对进口测斜仪的功能和使用特点，移植要点和系统分析总结，归纳各种误差因素，发现它们的共同规律，即须对正交三轴(三分量)磁通门罗盘进行精确调整和校正。为此，首先对各个分量的误差因素做出定性和定量分析。

3.1分量信号不准确的误差因素

图1　磁通门信号与磁场关系图

磁通门的各分量信号的数学模型如图1所示。一般表达式为：

V=V0+KH

式中，V0是输出信号V的偏离值，K是被测物理量H(地磁场强度)的标度因数。

定义Hx0、Hy0、Hz0和Hxm、Hym、Hzm分别为载体坐标系三轴方向的地磁场强度分量和实测分量，则三轴分量与磁场关系数学表达式可以写为：

Hx0=h4+h1·Hxm

Hy0=h8+h5·Hym

Hz0=h12+h9·Hzm

上式中，h4、h8、h12实质就是偏离值V0，h1、h5、h9则是标度因数K，V0比较稳定，称为零场误差，K有误差，应加不同修正。

3.2探头敏感方向不对准时的误差因素

当一个探头的各分量敏感方向不对准载体坐标系对应轴方向，偏离载体坐标系对应轴方向Δ1度时，其应得的理论分量H0将减小为H0·cosΔ1，而与其它两轴方向的夹角都将偏离90°，因而，还同时感应到载体坐标系另外两个轴方向的地磁场强度的分量。所以，应有：

Hx0=h1·Hxm+h2·Hym+h3·Hzm

Hy0=h5·Hxm+h6·Hym+h7·Hzm

Hz0=h9·Hxm+h10·Hym+h11·Hzm

这项误差因素源自于3个探头互相不垂直、它们与垂直安装基座不垂直或不平行、Y和X两轴探头与侧面安装基准不垂直或不平行。特别当探头较小时，例如磁芯仅长10mm时，铁芯的安装和探头的装配间隙导致的铁芯偏斜0.2mm时，即可导致敏感轴方向1°的偏斜，测算所得ΔψM就不会小于2°。即使测得各个分量信号，然后调整探头和铁芯指向的方法，也很难保证合格。实践证明，探头不对准是最严重的误差因素。

3.3载体硬、软铁干扰导致的误差

载体的硬、软铁可以分别用等效的硬、软铁棒代表。等效的硬铁棒的剩磁分别对三轴探头铁芯形成干扰磁场。由于它们在载体(测斜仪探管)上都是捷联安装的，始终没有相对运动，所以在每个探头信号造成的干扰也不变，是一个常值误差。等效的软铁棒被地磁场和等效硬铁棒剩磁分别磁化，再分别干扰三轴探头，其中，软铁棒的磁化场中，地磁场视为其在三轴方向的分量Hxm、Hym、Hzm分别磁化和叠加之，并分画表示磁化和干扰关系，并用相关系数表示。

不能认为探管是无磁性的，至少加速度计是带有磁性的。还有一些误差因素，如计算ψM公式中所列Δα、ΔψH和ΔψM的其它误差因素。归纳各项误差因素，可以综合表达为：

Hx0=h1·Hxm+h2·Hym+h3·Hzm+h4

Hy0=h5·Hxm+h6·Hym+h7·Hzm+h8

Hz0=h9·Hxm+h10·Hym+h11·Hzm+h12

其中，Hx0、Hy0、Hz0分别为传感器信号的三轴分量理论值，作为校正后的精确值；Hxm、Hym、Hzm分别为传感器信号的三轴分量实测值；h1、h2…、h12分别为传感器信号的三轴校正常系数。

求解h1、h2…、h12的步骤是：先用函数f(Hx0、Hy0、Hz0、Hxm、Hym、Hzm)求解h1、h2…、h12，此函数中Hx0、Hy0、Hz0为三轴分量无误差理论计算值。之后，根据实测值，再用f(Hxm、Hym、Hzm、h1、h2…、h12)计算得到经过修正之后的三轴分量理论值Hx0、Hy0、Hz0，求解校正后所得Hx0、Hy0、Hz0，可以视为近似准确的三分量。最后求得：

上述校正方法，完全适用于加速度计三分量实现α和ψH的精准化，并把ψH和ψ的适用工作范围从目前国内外的α≥5°大大拓宽，达到α≥1°甚至更小。

4结束语

本文针对钻井测斜仪磁通门的误差影响进行了分析，提出了精准化的12系数分量校正法。应用这种常系数软件校正之后的分量计算的αx和ψ精度可以提高10倍，斜度α和井斜方位ψ精度能够达到0.1°和1°,达到了国外仪器的技术水平。这一方法已经应用于LCX-7A型钻井测斜仪的研制中，该型测斜仪经过国内外油田100余口井的测井实践验证，取得了很好的效果，并形成了专利技术。

在目前国内普遍使用的进口仪器中，通常采用多点修正法，修正点多达100多点，修正点数据的获得费时费力，效率不高，所需检测设备不但复杂庞大，而且昂贵，修正效果只能达到Δα≥0.1°，Δψ≥2°，还要经常重新修正。12系数分量校正方法，正是针对国外进口设备多点修正法的创新性研究。采用12系数分量校正法进行校正作业时，只需在探管安装完毕后求取h1、h2、…h12共12个系数数据，之后由计算机自动完成校正工作。只要钻井测斜仪不拆卸重装，则12个常系数不变，不必重新校验，大大提高了钻井效率，降低了劳动强度，因而具有很高的实用性和推广价值。

参考文献

[1]张学孚,陆怡良.磁通门技术[M].国防工业出版社,1995．

[2]孟健．三轴磁强计误差分析与校正研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2011:1-10．

[收稿日期]2016-05-09

[作者简介]岳巍(1966-)，男，学士，高级工程师，现从事机载仪表及钻井测斜仪技术方面的设计与研究工作。

中图分类号：TE28

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.010

Major Technical Measures to Improve Accuracy of Fluxgate Magnetometer for Drilling Inclinometer

Yue Wei, Zhang Xiaohua, Lu Yiliang

(Shaanxi Baocheng Aviation Instrument Co., Ltd. Baoji 721006, Shaanxi, China)

Abstract：According to the operating requirements of the fluxgate magnetometer for drilling inclinometer, the operating principle of the fluxgate magnetometer is described, and the error source of fluxgate magnetometer measurement and the influences of error source on the measurement are analyzed. Then, a 12-coefficient correction method is presented, and the mathematic formulas and algorithms are given. Practical application shows that the 12-coefficient correction method can improve the accuracy of the drilling inclinometer so significantly that the accuracy of the domestically produced drilling inclinometer attains the level of similar products produced abroad.

Keywords:drilling inclinometer; fluxgate magnetometer; 12-coefficient; azimuth; error