高温连续测斜仪探棒数字信号的处理方法 ( 一 )、 技术领域 : 本发明涉及一种仪器输出信号的校正方法, 特别是涉及一种高 温连续测斜仪探棒数字信号的处理方法。
( 二 )、 背景技术 : 连续测斜仪是石油钻井工程中经常使用的一种测量仪器, 它主 要用来检测井眼的倾斜角、 方位角等参数。 由于连续测斜仪输出的重力加速度 Gx、 重力加速 度 Gy、 重力加速度 Gz、 磁向量 Mx、 磁向量 My 和磁向量 Mz 的数值常会有偏差, 就需要对其进 行校正, 现有校正主要通过硬件方式对连续测斜仪的输出信号进行校正调节 ( 就是把连续 测斜仪中的 3 个重力加速度计和 3 个磁通门式传感器都用硬件的方式调整到所需角度 ), 这 种方法调整复杂、 耗时长、 维护难, 并且对维护人员的技术要求高, 不利于推广。 以往连续测 斜仪中测量重力加速度 Gx、 Gy、 Gz、 磁向量 Mx、 My、 Mz 的探棒都是不耐高温的, 所以要使用保 温瓶来对它们进行保护, 这样造成连续测斜仪的长度非常长, 对连续测斜仪的使用影响很 大。
( 三 )、 发明内容 :
本发明要解决的技术问题是 : 克服现有技术的缺陷, 提供一种校正简单、 方便的高 温连续测斜仪探棒数字信号的处理方法。
本发明的技术方案 :
首先, 选用耐温 155℃的重力加速度计及磁通门传感器探棒, 重力加速度计及磁通 门传感器探棒的型号为 LT-1, 其生产厂家为中国电子科技集团公司第二十二研究所, 使用 这种耐高温的探棒后, 可去掉保温瓶, 在保证重力加速度计及磁通门传感器的测量精度的 情况下使仪器变短, 有利于石油钻井工程中的测量使用。
一种高温连续测斜仪探棒数字信号的处理方法, 首先, 将安装有耐高温重力加速 度计及磁通门传感器探棒的连续测斜仪放置在校验台上, 接通连续测斜仪的电源使其输出 以下信号 : 重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 重力加速度 Gz、 磁向量 Mx、 磁向量 My 和磁向量 Mz ; 在校验台上, 连续测斜仪可绕其自身的轴顺时针自转, 连续测斜仪的倾斜角可任意调 节, 连续测斜仪的方位角可在 0 ~ 360 度范围内变化, 其中, 倾斜角为连续测斜仪的轴与铅 垂线的夹角, 方位角是指从磁北在水平面上的投影到连续测斜仪的轴在水平面上的投影的 顺时针角 ; 然后, 进行下列参数的计算 :
参数计算 a : 进行重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 的零点偏 值 BGx、 BGy、 BMx、 BMy 的计算 ;
参数计算 b : 进行重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 的标量系 数值 KGx、 KGy、 KMx、 KMy 的计算 ;
参数计算 c : 进行重力加速度 Gz 的零点偏值 BGz 的计算 ;
参数计算 d : 进行磁向量 Mz 的零点偏值 BMz 的计算 ;
参数计算 e : 进行重力加速度 Gz、 磁向量 Mz 的标量系数值 KGz、 KMz 的计算 ;
根据以上计算得出的参数, 在实际应用中对实际测量的重力加速度 Gx、 重力加速 度 Gy、 重力加速度 Gz、 磁向量 Mx、 磁向量 My 和磁向量 Mz 的值 GxS、 GyS、 GzS、 MxS、 MyS 和 MzS进行修正计算, 得到修正后的重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 重力加速度 Gz、 磁向量 Mx、 磁 向量 My 和磁向量 Mz 的值 GxX、 GyX、 GzX、 MxX、 MyX 和 MzX, GxX、 GyX、 GzX、 MxX、 MyX 和 MzX 的 修正计算公式为 :
GxX = KGx*GxS+BGx,
GyX = KGy*GyS+BGy,
GzX = KGz*GzS+BGz,
MxX = KMx*MxS+BMx,
MyX = KMy*MyS+BMy,
MzX = KMz*MzS+BMz。
参数计算 a 的具体步骤如下 :
步骤 a1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 10° ;
步骤 a2 : 分别记录重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 的输出 值 Gx0、 Gy0、 Mx0、 My0 ;
步骤 a3 : 使连续测斜仪自转 90°, 分别记录重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 此时的输出值 Gx90、 Gy90、 Mx90、 My90 ; 步骤 a4 : 再使连续测斜仪自转 90°, 分别记录重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向 量 Mx 和磁向量 My 此时的输出值 Gx180、 Gy180、 Mx180、 My180 ;
步骤 a5 : 再使连续测斜仪自转 90°, 分别记录重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向 量 Mx 和磁向量 My 此时的输出值 Gx270、 Gy270、 Mx270、 My270 ;
步骤 a6 : 分别计算重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 的零点 偏值 BGx、 BGy、 BMx、 BMy, 其中,
BGx = (Gx0+Gx90+Gx180+Gx270)/4,
BGy = (Gy0+Gy90+Gy180+Gy270)/4,
BMx = (Mx0+Mx90+Mx180+Mx270)/4,
BMy = (My0+My90+My180+My270)/4。
参数计算 b 的具体步骤如下 :
步骤 b1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 90° ;
步骤 b2 : 自转连续测斜仪, 使重力加速度 Gx 的值为 -4mV ~ 4mV 范围内的一个数 值; 分别记录此时重力加速度 Gy、 磁向量 My 的值 GyC、 MyC ;
步骤 b3 : 分别计算重力加速度 Gy、 磁向量 My 的标量系数值 KGy、 KMy, 其中, KGy = GyB/GyC, KMy = MyB/MyC ; GyB 为重力加速度 Gy 的标量, MyB 为磁向量 My 的标量 ;
步骤 b4 : 自转连续测斜仪, 使重力加速度 Gy 的值为 -4mV ~ 4mV 范围内的一个数 值; 分别记录此时重力加速度 Gx、 磁向量 Mx 的值 GxC、 MxC ;
步骤 b5 : 分别计算重力加速度 Gx、 磁向量 Mx 的标量系数值 KGx、 KMx, 其中, KGx = GxB/GxC, KMx = MxB/MxC ; GxB 为重力加速度 Gx 的标量, MxB 为磁向量 Mx 的标量。
GxB、 GyB 为 8000mV ; MxB、 MyB 为 6000mV。
参数计算 c 的具体步骤如下 :
步骤 c1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 90° ;
步骤 c2 : 记录重力加速度 Gz 此时的输出值 Gz0 ;
步骤 c3 : 使连续测斜仪自转 90°, 记录重力加速度 Gz 此时的输出值 Gz90 ;
步骤 c4 : 再使连续测斜仪自转 90°, 记录重力加速度 Gz 此时的输出值 Gz180 ;
步骤 c5 : 再使连续测斜仪自转 90°, 记录重力加速度 Gz 此时的输出值 Gz270 ;
步骤 c6 : 计算重力加速度 Gz 的零点偏值 BGz, 其中,
BGz = (Gz0+Gz90+Gz180+Gz270)/4。
参数计算 d 的具体步骤如下 :
步骤 d1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 90°, 将连续测斜仪的方位角调节在 45° ; 记录磁向量 Mz 此时的输出值 Mz45 ;
步骤 d2 : 将连续测斜仪的方位角调节在 135°, 记录磁向量 Mz 此时的输出值 Mz135 ;
步骤 d3 : 将连续测斜仪的方位角调节在 225°, 记录磁向量 Mz 此时的输出值 Mz225 ;
步骤 d4 : 将连续测斜仪的方位角调节在 315°, 记录磁向量 Mz 此时的输出值 Mz315 ;
步骤 d5 : 计算磁向量 Mz 的零点偏值 BMz, 其中, BMz = (Mz45+Mz135+Mz225+Mz315)/4。
参数计算 e 的具体步骤如下 :
步骤 e1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 0° ;
步骤 e2 : 分别记录此时重力加速度 Gz、 磁向量 Mz 的值 GzC、 MzC ;
步骤 e3 : 分别计算重力加速度 Gz、 磁向量 Mz 的标量系数值 KGz、 KMz, 其中, KGz = GzB/GzC, KMz = MzB/MzC ; GzB 为重力加速度 Gz 的标量, MzB 为磁向量 Mz 的标量。
GzB 为 8000mV ; MzB 为 6000mV。
连续测斜仪测量井眼的倾斜角、 方位角的原理如下 ( 参见图 1 ~图 5) :
首先定义名词 :
倾斜角 β(DEV) :
连续测斜仪的轴 ( 井眼轴 ) 与铅垂线的夹角, 用 DEV 表示。
倾斜方位角 α(DAZ) :
向下看, 从磁北到井眼方向在水平面上的顺时针角, 用 DAZ 表示。
相对方位角 γ(RB) :
绕连续测斜仪的轴按顺时针方向转动的角, 也叫自转角, 用 RB 表示。
磁倾角 :
地球表面任何一点的地磁场总强度矢量和水平面间的夹角。
磁偏角 :
磁子午线与真子午线间的夹角, 因地球两极与地磁两极不重合所致。
倾斜角 β 和倾斜方位角 α 的计算方法如下 :
采用石英挠性重力加速度计和磁力计组成的连续测斜仪, 测量原理基于重力场和 地磁场, 并且以地磁场为基准建立一个参考坐标系即大地坐标系、 以三维正交安装的重力 加速度传感器和磁通门传感器建立测量坐标系即连续测斜仪坐标系。
大地坐标系 XoYoZo, Xo 指向水平东, Yo 指向水平北, Zo 垂直地面向上 ( 如图 1 所
示 ), 连续测斜仪坐标系 X、 Y、 Z, 由连续测斜仪轴线方向 Z, 1 号探头 Y 方向, 2 号探头 X 方向, 并且确保三轴正交 ( 如图 2 所示 )。
前面我们已经建立了参考坐标系和测量坐标系, 连续测斜仪在井眼中静止或匀速 运动时, 利用这两个坐标系和连续测斜仪坐标轴上分别正交安装的三个重力加速度传感器 和三个磁通门传感器的测量值, 就可以计算出仪器的方位角和倾斜角。
如果人为地将两个坐标系重合, 则 Xo 对应 X, Yo 对应 Y, Zo 对应 Z。当连续测斜仪 改变姿态时, 连续测斜仪坐标系 X、 Y、 Z 可以认为相对于大地坐标系 Xo、 Yo、 Zo 经过旋转而 得到。在计算过程中, 首先以 Z0 轴为轴心逆时针旋转 α( 方位角 ) 变换成坐标系 X1、 Y1、 Z1( 如图 3 所示 )。
X1、 Y1、 Z1 与 X0、 Y0、 Z0 的关系如下 :
X1 = X0cosα+Y0sinα
Y1 = -X0sinα+Y0cosα
Z1 = Z0
可得关系式 :
可记关系矩阵
以 X1 为轴逆时针旋转 β( 倾斜角 ), 形成坐标系 X2 Y2 Z2( 如图 4 所示 )。 X2、 Y2、 Z2 与 X1、 Y1、 Z1 的关系如下 :
X2 = X1
Y2 = Y1cosβ+Z1sinβ
Z2 = -Y1sinβ+Z1cosβ
可得关系式 :
可记关系矩阵 :
以 Z2 为轴逆时针旋转 γ( 自转角 ), 形成坐标系 X2 Y2 Z2( 如图 5 所示 )。X、 Y、 Z 与 X2、 Y2、 Z2 的关系如下 : X = X2cosγ+Y2sinγ Y = -X2sinγ+Y2cosγ Z = Z2 可得关系式 :
可记关系矩阵 :
由此可得 X、 Y、 Z 与 Xo、 Yo、 Zo 关系 : 由于
在基准状态既大地坐标系与连续测斜仪坐标系重合时对重力场有 :
对磁力场有 :
(I 为磁倾角 )因此, 连续测斜仪在任意状态下, 各测量轴上重力加速度传感器所测得的重力加 速度值为 :
各测量轴上的磁通门传感器感应的地磁场值为 :
对 (11) 式展开得 Gx = -Gsinγsinβ Gy = -Gcosγsinβ Gz = -Gcosβ(13) (14) (15) (16) (17)对 (12) 式展开得 Mx = (cosγsinα+sinγcosαcosβ)McosI+sinγsinβMsinI My = (-sinαsinγ+cosαcosβcosγ)McosI+cosγsinβMsinI Mz = -sinβcosαMcosI+cosβM sinI (18) 由 ((13)2+(14)2)÷(15)2 得倾斜角计算公式 :
由 (13)÷(14) 得相对方位角计算公式 :
10由 (16)·cosγ-(17)·sinγ 得 MXcosγ-Mysinγ = sinαMcosI (23) 由 (16)·cosβsinγ+(17)·cosβcosγ-(18)·sinβ 得 Mxcosβsinγ+Mycosβcosγ-Mzsinβ = cosαMcosI (24) 得倾斜方位角计算公式102121375 A CN 102121382说明书7/10 页通过以上方程的解算, 我们已经得出了利用重力场和地磁场测量井眼的倾斜角和 倾斜方位角的测量计算方法, 计算出了倾斜角 (DEV)β 和倾斜方位角 (DAZ)α。 连续测斜仪 利用重力场和地磁场测量井眼的倾斜角和倾斜方位角, 在测量过程中只要准确地测量出安 装在连续测斜仪坐标系上的三个重力分量 Gx、 Gy、 Gz 和三个地磁场分量 Mx、 My、 Mz, 通过解 算式 (20) 和式 (26) 就可以求出仪器的倾斜角和倾斜方位角, 即井眼的倾斜角和倾斜方位 角。
以上是连续测斜的理论基础, 我们从计算方法的特点可以看出, 它主要通过六个 基础量 ( 重力加速度 Gx、 Gy、 Gz 和磁向量 Mx、 My、 Mz) 来进行计算, 针对这个特点, 我们在计 算时只要把这六个量修正准确就可以计算出准确的倾角和方位了。
本发明的有益效果 :
1、 本发明首先在校验台上对连续测斜仪的重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 重力加 速度 Gz、 磁向量 Mx、 磁向量 My 和磁向量 Mz 的零点偏值和标量系数值进行测定, 在实际应 用中再根据各输出信号的零点偏值和标量系数值对实际测量的数据进行修正计算。这样, 在实际使用连续测斜仪检测井眼的倾斜角、 方位角时, 只要把测定好的零点偏值和标量系 数值发到单片机里参与倾斜角、 方位角的运算就可以校正连续测斜仪的偏差, 校正简单、 快 捷、 维护方便。
( 四 )、 附图说明 :
图 1 为连续测斜仪测量井眼的倾斜角、 方位角的原理示意图之一 ; 图 2 为连续测斜仪测量井眼的倾斜角、 方位角的原理示意图之二 ; 图 3 为连续测斜仪测量井眼的倾斜角、 方位角的原理示意图之三 ; 图 4 为连续测斜仪测量井眼的倾斜角、 方位角的原理示意图之四 ; 图 5 为连续测斜仪测量井眼的倾斜角、 方位角的原理示意图之五。( 五 )、 具体实施方式 :
首先, 选用耐温 155℃的重力加速度计及磁通门传感器探棒, 重力加速度计及磁通 门传感器探棒的型号为 LT-1, 其生产厂家为中国电子科技集团公司第二十二研究所, 使用 这种耐高温的探棒后, 可去掉保温瓶, 在保证重力加速度计及磁通门传感器的测量精度的 情况下使仪器变短, 有利于石油钻井工程中的测量使用。
一种高温连续测斜仪探棒数字信号的处理方法, 首先, 将安装有耐高温重力加速 度计及磁通门传感器探棒的连续测斜仪放置在校验台上, 接通连续测斜仪的电源使其输出 以下信号 : 重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 重力加速度 Gz、 磁向量 Mx、 磁向量 My 和磁向量 Mz ; 在校验台上, 连续测斜仪可绕其自身的轴顺时针自转, 连续测斜仪的倾斜角可任意调 节, 连续测斜仪的方位角可在 0 ~ 360 度范围内变化, 其中, 倾斜角为连续测斜仪的轴与铅 垂线的夹角, 方位角是指从磁北在水平面上的投影到连续测斜仪的轴在水平面上的投影的 顺时针角 ; 然后, 进行下列参数的计算 :
参数计算 a : 进行重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 的零点偏值 BGx、 BGy、 BMx、 BMy 的计算 ;
参数计算 b : 进行重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 的标量系 数值 KGx、 KGy、 KMx、 KMy 的计算 ;
参数计算 c : 进行重力加速度 Gz 的零点偏值 BGz 的计算 ;
参数计算 d : 进行磁向量 Mz 的零点偏值 BMz 的计算 ;
参数计算 e : 进行重力加速度 Gz、 磁向量 Mz 的标量系数值 KGz、 KMz 的计算 ;
根据以上计算得出的参数, 在实际应用中对实际测量的重力加速度 Gx、 重力加速 度 Gy、 重力加速度 Gz、 磁向量 Mx、 磁向量 My 和磁向量 Mz 的值 GxS、 GyS、 GzS、 MxS、 MyS 和 MzS 进行修正计算, 得到修正后的重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 重力加速度 Gz、 磁向量 Mx、 磁 向量 My 和磁向量 Mz 的值 GxX、 GyX、 GzX、 MxX、 MyX 和 MzX, GxX、 GyX、 GzX、 MxX、 MyX 和 MzX 的 修正计算公式为 :
GxX = KGx*GxS+BGx,
GyX = KGy*GyS+BGy,
GzX = KGz*GzS+BGz,
MxX = KMx*MxS+BMx, MyX = KMy*MyS+BMy,
MzX = KMz*MzS+BMz。
参数计算 a 的具体步骤如下 :
步骤 a1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 10° ;
步骤 a2 : 分别记录重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 的输出 值 Gx0、 Gy0、 Mx0、 My0 ;
步骤 a3 : 使连续测斜仪自转 90°, 分别记录重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 此时的输出值 Gx90、 Gy90、 Mx90、 My90 ;
步骤 a4 : 再使连续测斜仪自转 90°, 分别记录重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向 量 Mx 和磁向量 My 此时的输出值 Gx180、 Gy180、 Mx180、 My180 ;
步骤 a5 : 再使连续测斜仪自转 90°, 分别记录重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向 量 Mx 和磁向量 My 此时的输出值 Gx270、 Gy270、 Mx270、 My270 ;
步骤 a6 : 分别计算重力加速度 Gx、 重力加速度 Gy、 磁向量 Mx 和磁向量 My 的零点 偏值 BGx、 BGy、 BMx、 BMy, 其中,
BGx = (Gx0+Gx90+Gx180+Gx270)/4,
BGy = (Gy0+Gy90+Gy180+Gy270)/4,
BMx = (Mx0+Mx90+Mx180+Mx270)/4,
BMy = (My0+My90+My180+My270)/4。
参数计算 b 的具体步骤如下 :
步骤 b 1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 90° ;
步骤 b2 : 自转连续测斜仪, 使重力加速度 Gx 的值为 -4mV ~ 4mV 范围内的一个数 值; 分别记录此时重力加速度 Gy、 磁向量 My 的值 GyC、 MyC ;
步骤 b3 : 分别计算重力加速度 Gy、 磁向量 My 的标量系数值 KGy、 KMy, 其中, KGy = GyB/GyC, KMy = MyB/MyC ; GyB 为重力加速度 Gy 的标量, MyB 为磁向量 My 的标量 ;
步骤 b4 : 自转连续测斜仪, 使重力加速度 Gy 的值为 -4mV ~ 4mV 范围内的一个数 值; 分别记录此时重力加速度 Gx、 磁向量 Mx 的值 GxC、 MxC ;
步骤 b5 : 分别计算重力加速度 Gx、 磁向量 Mx 的标量系数值 KGx、 KMx, 其中, KGx = GxB/GxC, KMx = MxB/MxC ; GxB 为重力加速度 Gx 的标量, MxB 为磁向量 Mx 的标量。
GxB、 GyB 为 8000mV ; MxB、 MyB 为 6000mV。
参数计算 c 的具体步骤如下 :
步骤 c1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 90° ;
步骤 c2 : 记录重力加速度 Gz 此时的输出值 Gz0 ;
步骤 c3 : 使连续测斜仪自转 90°, 记录重力加速度 Gz 此时的输出值 Gz90 ;
步骤 c4 : 再使连续测斜仪自转 90°, 记录重力加速度 Gz 此时的输出值 Gz180 ;
步骤 c5 : 再使连续测斜仪自转 90°, 记录重力加速度 Gz 此时的输出值 Gz270 ;
步骤 c6 : 计算重力加速度 Gz 的零点偏值 BGz, 其中,
BGz = (Gz0+Gz90+Gz180+Gz270)/4。
参数计算 d 的具体步骤如下 :
步骤 d1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 90°, 将连续测斜仪的方位角调节在 45° ; 记录磁向量 Mz 此时的输出值 Mz45 ;
步骤 d2 : 将连续测斜仪的方位角调节在 135°, 记录磁向量 Mz 此时的输出值 Mz135 ;
步骤 d3 : 将连续测斜仪的方位角调节在 225°, 记录磁向量 Mz 此时的输出值 Mz225 ;
步骤 d4 : 将连续测斜仪的方位角调节在 315°, 记录磁向量 Mz 此时的输出值 Mz315 ;
步骤 d5 : 计算磁向量 Mz 的零点偏值 BMz, 其中,
BMz = (Mz45+Mz135+Mz225+Mz315)/4。
参数计算 e 的具体步骤如下 :
步骤 e1 : 将连续测斜仪的倾斜角调节在 0° ;
步骤 e2 : 分别记录此时重力加速度 Gz、 磁向量 Mz 的值 GzC、 MzC ;
步骤 e3 : 分别计算重力加速度 Gz、 磁向量 Mz 的标量系数值 KGz、 KMz, 其中, KGz = GzB/GzC, KMz = MzB/MzC ; GzB 为重力加速度 Gz 的标量, MzB 为磁向量 Mz 的标量。
GzB 为 8000mV ; MzB 为 6000mV。
采用本发明的方法对连续测斜仪的输出信号进行校正后测得的井眼的倾斜角、 方 位角的数据如表 1、 表 2 所示, 采用硬件方式对连续测斜仪的输出信号进行校正调节后测得 的井眼的倾斜角、 方位角的数据如表 3、 表 4 所示。 从中可以看出, 采用本发明的校正方法时 倾斜角的误差≤ ±0.2 度, 方位角 ( 倾斜角 3 度时 ) 的误差≤ ±2 度, 而采用硬件校正方式 时测得的倾斜角、 方位角的误差要大于采用本发明的校正方法时的误差。
表1: 采用本发明的校正方法时倾斜角的测试记录
表2: 采用本发明的校正方法时方位角的测试记录 ( 倾斜角 3 度时 )
表3: 采用硬件校正方法时倾斜角的测试记录
表4: 采用硬件校正方法时方位角的测试记录 ( 倾斜角 3 度时 )