一种近钻头方位动态测量装置与测量方法技术领域
本发明提供一种用于石油、天然气、地热等地下资源勘探开发中的钻孔方位测量
方法，特别涉及一种在钻进过程中实现近钻头方位动态测量的装置与方法。
背景技术
随着油气勘探开发的不断深入，水平井、大位移井、分支井等高难度定向井越来越
多,定向钻井技术为扩大勘探领域，高效开发油气资源提供了新的技术手段。定向钻井是指
按照预先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻达目的层的钻井工艺方法，预先设计的井眼
轨迹往往是一条直线或是一条平滑曲线，但受地层各向异性、定向钻井工具的机械性能、司
钻经验等因素的影响，实际井眼轨迹往往不能严格沿设计的轨迹前进。为了准确钻达目标
点，必须随时了解井斜角和方位角随井身的变化情况，以便监视和调整井眼轨迹使其尽可
能沿设计的轨迹钻进。另外，通过对井斜和方位随井身变化情况的监测，可以计算井眼曲
率，控制"狗腿"严重度，从而防止井下钻具事故的发生。
现有技术主要利用随钻测量系统(Measurement While Drilling，简称MWD)进行
井斜角和井斜方位角测量，MWD系统测量井眼轨迹使用加速度计、磁力计、陀螺仪等姿态测
量传感器，井斜通过三轴加速度计测量地球的重力场获得，方位角通过三轴加速度计和三
轴磁力计组合测量地球重力场和地磁场获得。为了避免钻具磁化对地磁场测量的影响，所
有的传感器和测量电路被安装在一段无磁钻铤中，以此来隔离钻具产生的磁干扰，测量的
井斜角和方位角编码后通过泥浆脉冲或电磁波传输方式发送到地面。
在整个井底钻具组合(Bottom Hole Assembly，BHA)中，随钻测量系统安装在造斜
工具(螺杆钻具或旋转导向工具)之后，距离井底钻头8-20米。随着造斜工具性能的提升，可
以钻出曲率半径更小的井眼轨迹，加上井下钻具弯曲和扭曲等因素的影响，MWD系统在距离
钻头8-20米处测量的井斜角和方位角往往与钻头附近的井眼姿态不一致。另外，为了避免
钻进过程中振动、冲击和旋转的影响，MWD系统需要在停钻后进行静态测量，比如在停钻时
钻柱中加入钻杆的过程中进行测量，测量间隔为每次加入钻杆的长度，大约为30米，这样获
得沿着井眼轴线的一些离散测点，这些离散的测量结果，通过最小曲率假设方法计算三维
井眼轨迹。即假设井眼轨迹从上一个测量点以最小半径沿着平滑曲线向下一个测量点延
伸。由于每30米左右才进行一次数据采集，从而增加了井下钻进的不确定性。
虽然静态测量的优势是可以获得足够的井斜角和方位角精度，但是为了获得更及
时的钻井方位指示，需要在钻进的过程中实时测量井斜和方位。
当沿用随钻测量系统中广泛采用的三轴加速度计和三轴磁力计进行动态井斜和
方位测量时，存在如下两个问题：
1、进行地磁场测量时，轴向的磁力计受钻具磁化产生的磁干扰影响最大，这些磁
干扰来自磁力计上下的钻柱，包括钻头、泥浆马达、造斜工具等，尤其不适合近钻头的安装
场合。
2、井斜角和方位角计算需要使用径向加速度计测量结果，但径向加速度计测量数
据受径向振动、离心加速度的影响较大，这些影响来源于钻柱自身振动、粘滑、旋转以及钻
柱与井壁的作用。
中国专利CN200520032626.7公开了一种随钻近钻头井斜角测量装置，但仅通过加
速度传感器测量井斜角，没有涉及近钻头方位参数的测量，也没有考虑径向加速度计测量
结果的影响。中国专利201110459707.5公开了一种随钻近钻头定向参数测量装置，但测量
定向参数的仅有井斜传感器，无法提供工具面及方位信息。中国专利CN106246163 A公开了
一种近钻头动态井斜测量方法及装置，通过1个轴向加速度计和2n个径向加速度计测量动
态井斜角，利用对置的径向加速度计消除离心加速度的影响，通过滤波器滤除信号中的高
频振动和冲击信号。上述方法仅通过加速度传感器实现井斜的动态测量，并未涉及方位角
的动态测量，单一的井斜角参数无法确定井眼轨迹信息。另外该方法存在使用传感器较多，
相应带来功耗的增加，这将给近钻头有限空间下安装及电池供电时井下长时间工作带来困
难。
发明内容
本发明给出一种近钻头方位动态测量方法，通过加速度计测量重力加速度沿钻具
轴向的分量，磁力计测量地磁场沿钻具径向的分量，根据当地的地磁场强度、磁倾角和重力
场总强度数据，从而计算动态方位角。与传统MWD系统相比，该方法不测量沿钻具轴向的地
磁场分量和径向的重力场分量，避免了钻具磁化产生的轴向磁干扰对轴向地磁场分量测量
的影响，以及旋转产生的离心加速度和径向振动对径向重力场分量测量的影响，可实现钻
进过程中方位角的动态测量。本发明提供的方位动态测量装置，使用的传感器数量由6支减
少为3支，节省了安装空间，降低了传感器部分的功耗，特别适合于近钻头测量对安装尺寸
和功耗要求敏感的应用场合。
本发明所采用的技术方案如下：
一种近钻头方位动态测量装置，所述测量装置包括：近钻头测量短节(14)，钻头
(18)和定向钻井工具(13)，所述近钻头测量短节(14)分别与钻头(18)和定向钻井工具(13)
相连，所述近钻头测量短节(14)随所述钻头(18)一起旋转；
近钻头方位动态测量传感器安装在所述近钻头测量短节(14)中；
所述近钻头方位动态测量传感器包括1支加速度计(17)和2支磁力计(15，16)，所
有传感器均紧邻所述钻头(18)安装，1支所述加速度计沿钻具轴向安装，测量重力加速度沿
钻具轴向分量Az，2支所述磁力计沿钻具径向安装，测量地磁场沿径向的2个分量Bx和By，Bx
和By两个分量相互垂直，且与轴向相互正交，X，Y，Z方向符合右手坐标系。
其中，所述近钻头测量短节(14)内安装加速度计和磁力计信号采集和处理电路
(19)，所述信号采集和处理电路(19)与所述加速度计(17)和所述磁力计相连(15，16)。
其中，所述近钻头测量短节(14)可安装振动测量传感器、伽马传感器等。
一种采用上述近钻头方位动态测量装置的近钻头方位动态测量方法，
(1)在钻井的过程中，一段时间内连续记录磁力计和加速度计数据，测量数据包括
一个轴向加速度计数据Az，和两个径向磁力计数据Bx，By；
(2)处理轴向加速度计测量的加速度数据Az，消除因加速度计非严格轴向安装而
观测到的径向加速度分量，获得无干扰的轴向加速度计测量结果az；
(3)利用无干扰的轴向加速度计测量数据az和当地的重力加速度总场值G，计算动
态井斜角θ；
(4)处理两个径向磁力计测量的磁场数据，修正硬铁干扰和软铁干扰，获得无干扰
的径向磁力计测量数据bx,by；
(5)根据当地地磁总场值B0和地磁倾角β，计算地磁场垂向分量BV和北向分量BN；
(6)根据当地地磁总场值B0和无干扰的径向磁力计测量数据bx,by，计算沿钻具轴
向的地磁场分量Bz；
(7)根据地磁场垂向分量BV，轴向磁场分量Bz、动态井斜角θ，计算钻具轴向在水平
面投影方向的水平磁场分量BH；
(8)根据钻具轴向在水平面投影方向的水平磁场分量BH和地磁场北向分量BN,计算
动态方位角ψ。
其中，所述近钻头方位动态测量方法中步骤(2)，处理轴向加速度计测量的加速度
数据Az，消除因加速度计非严格轴向安装而观测到的径向加速度分量的方法包括低通滤波
法、滑动平均滤波法中的一种或两种方法组合。
其中，所述近钻头方位动态测量方法中步骤(4)，处理两个径向磁力计测量的磁场
数据，修正硬铁干扰和软铁干扰方法包括以下两种方法中的一种或两种方法组合：1)求取
在旋转过程中X，Y轴测量的地磁场分量的最大值和最小值，计算补偿系数进行干扰磁场的
修正；2)根据受到干扰后的磁场服从椭圆分布，利用椭圆的数学模型和旋转测量数据，拟合
椭圆参数进行干扰磁场的修正。
附图说明
图1钻井平台及井下钻具组合示意图；
图2随钻测量(MWD)系统传感器安装结构图；
图3近钻头方位动态测量装置结构及连接示意图；
图4轴向加速度计测量数据修正前后对比图；
图5无误差和干扰下的径向磁场分布图；
图6存在误差和干扰下的径向磁场分布图；
图7近钻头方位动态测量坐标系示意图；
图8径向磁场分量修正后的波形图；
图9近钻头方位动态测量方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合
附图，对本发明进一步详细说明。
现有技术中用于石油等地下资源开发的定向钻井平台及井下钻具组合示意如图1
所示：
其中
1为钻井平台，安装在地面，主要由井架、钻机、钻杆提升和下放装置、钻杆液压拆
装装置、上传数据地面检测装置及钻井工程师操作平台等组成；
2为井眼，钻井完成后需要下入套管以保护井壁；
3为钻杆，用于连接和向钻头传递动力；
4为随钻测量(MWD)系统，由定向参数测量单元、井下数据传输单元(泥浆脉冲发生
器或电磁波发射单元)、井下电源单元(高温锂电池组或泥浆发电机)等组成，用于测量井
斜、工具面、方位等井眼轨迹参数并实时发送到地面；
5为随钻测井(LWD)系统，用于测量地层的物性参数(如伽马、电阻率、声速等)，提
供地质导向信息，LWD系统涉及工具种类繁多，可根据钻遇地层的复杂程度决定是否使用
LWD系统，或者使用哪种LWD工具；
6为定向钻井工具，用于在井下实现造斜，改变井眼轨迹，定向钻井工具包括螺杆
钻具和旋转导向工具等；
7为近钻头测量短节，用于测量近钻头处的井眼轨迹参数(井斜、工具面、方位等)，
也可以测量地层物性参数，如自然伽马等；
8为钻头，用于在旋转时冲击、压碎和剪切破碎地层岩石。
图1中随钻测量系统(MWD)安装在定向钻井工具和随钻测井(LWD)系统之后，距离
井底钻头8-20米，当钻井过程中使用的LWD工具越多，MWD系统离钻头越远，在复杂结构井
中，MWD系统测量的井斜角和方位角往往与钻头附近真实的井眼姿态存在一定的误差。
图2为随钻测量(MWD)系统传感器安装结构图。
随钻测量系统使用加速度计、磁力计等传感器测量井斜角、工具面角和方位角。井
斜角I通过三轴加速度计测量地球的重力场获得，方位角A通过三轴加速度计和三轴磁力计
组合测量地球重力场和地磁场获得。井斜角I和方位角A计算方法如下：
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如图2所示，11为三轴加速度计组合，通常选用石英加速度计或MEMS加速度计，12
为三轴磁力计组合，通常选用磁通门磁传感器或各向异性磁阻传感器。安装时Z轴沿钻具的
轴向方向并指向钻头，X，Y轴沿钻具径向，X，Y，Z三个轴向相互正交，符合右手坐标系。
为了避免钻具磁化对地磁场测量的影响，MWD系统所有的传感器和测量电路被安
装在一段无磁钻铤中，见图2中13，无磁钻铤长度通常9米左右，以保证传感器上下3米范围
内无铁磁性物质，以此隔离因钻具磁化产生的磁干扰。另外，为了减小钻进过程中因钻具旋
转、振动和冲击对加速度测量的影响，MWD采取停钻静态测量的工作方式，通常在加钻杆期
间测量，每隔30米左右测量一次。测量的井斜角和方位角编码后通过泥浆脉冲或电磁波传
输方式发送到地面。
常规随钻测量系统的井斜角和方位角测量方法难以应用于近钻头动态测量，主要
原因有：
1、为了保证定向钻井工具的造斜性能，希望近钻头测量短节的尺寸越短越好，因
此无法依靠较长的无磁钻铤来隔离钻具的磁干扰，钻具因磁化产生的轴向磁干扰很难消
除，这些磁干扰来自传感器上下的钻柱，包括钻头、泥浆马达、造斜工具等，因此不适合近钻
头的安装场合。
2、在钻进过程中测量时，沿钻具径向安装的加速度计受径向振动、旋转产生的离
心力影响较大，这些影响来源于钻柱自身振动、粘滑、旋转以及钻柱与井壁的作用，因此不
适合钻进过程中动态测量。
针对随钻测量系统存在距离钻头远，采用停钻测量的工作方式存在的缺点，以及
MWD中采用的井斜角和方位角测量方法难以直接应用于近钻头方位动态测量的问题，本发
明给出一种可以不测量沿钻具轴向的地磁场分量和径向的重力场分量而实现近钻头方位
动态测量的装置和方法。
(一)、测量装置
如图3所示，本发明给出近钻头方位动态测量装置只需测量沿钻具径向相互垂直
的两个磁场分量，以及沿钻具轴向的一个加速度分量。近钻头测量短节14分别与钻头18和
定向钻井工具13相连，近钻头测量短节随钻头一起旋转，旋转的动力可由地面机械驱动设
备(顶驱，转盘)产生，也可由井下动力钻具(涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具等)产生，也可由
二者共同作用产生。
近钻头方位动态测量的传感器包括1支加速度计和2支磁力计，所有传感器均紧邻
钻头安装。加速度计17沿钻具轴向安装，测量重力加速度沿钻具轴向分量Az，2个磁力计15
和16沿钻具径向安装，测量地磁场沿径向的2个分量Bx和By，这两个分量相互垂直，且与轴
向相互正交，X,Y,Z方向符合右手坐标系。加速度计和磁力计安装在近钻头测量短节14中，
同时近钻头测量短节内安装加速度计和磁力计信号采集和处理电路，信号采集和处理电路
与加速度计和磁力计相连。近钻头测量短节也可安装其他传感器，如振动测量传感器、伽马
传感器等。
加速度计可选择石英挠性加速度计或者MEMS加速度计等，磁力计可选择磁通门磁
力计或各向异性磁阻式传感器等，传感器的安装方式可以是在钻铤外壁开槽安装，也可以
是通过内铤居中安装。
通过对加速度计17和磁力计15和16测量的数据进行处理，并根据当地的地磁场强
度、磁倾角和重力场总强度数据，从而计算动态方位角。与传统MWD系统相比，该方法不测量
沿钻具轴向的地磁场分量和径向的重力场分量，避免了钻具产生的轴向干扰对地磁场分量
测量，以及旋转产生的离心加速度和径向振动对径向重力场分量测量的影响，可实现钻进
过程中方位角的动态测量。方位动态测量使用的传感器数量由6支减少为3支，节省了安装
空间，降低了传感器部分的功耗，特别适合于近钻头测量对安装尺寸和功耗要求敏感的应
用场合。
(二)、测量方法：
本发明提供的近钻头方位动态测量方法，具体实现步骤如下：
1.在钻井的过程中，一段时间内(10s-60s)连续记录磁力计和加速度计数据，测量
数据包括一个轴向加速度计数据Az，和两个径向磁力计数据Bx，By；
在钻井过程中，井斜角和方位角变化缓慢，通过连续记录一段时间的数据进行平
均处理，可提高数据质量，连续记录时间介于10s-60s之间。
通常钻井的转速最大400转/分钟(旋转频率相当于6.67Hz)，连续记录的频率需大
于旋转频率的2倍，通常选择50-5000Hz，记录频率越高越能反映信号随旋转变化的真实情
况，但数据量大对井下电路的存储和处理能力要求较高，通常选择1000Hz左右。
2.处理轴向加速度计测量的加速度数据Az，消除因加速度计非严格轴向安装而观
测到的径向加速度分量，获得无干扰的轴向加速度计测量结果az；
在10s-60s的测量时间内，钻具轴向所指的方向基本不变，因此理想情况下Z轴速
度计测到的数据应为一直流量，如图4所示，az为一条直线。但由于安装误差的存在，Z轴加
速度计的敏感轴难以保证与钻具轴线严格平行，这会导致Z轴加速度计输出中含有径向加
速度分量。由于径向加速度为随着旋转不断变化的周期性正弦信号，因此其在Z轴的分量也
为周期性变化信号，叠加在az上，如图中Az所示。
去除径向加速度分量的方法可选择低通滤波法，其中低通滤波器的截止频率为
0.5Hz。
去除径向加速度分量的方法也可选择滑动平均滤波法，计算方法如下：
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2n+1表示滑动平均滤波的点数，滑动平均滤波的点数根据仪器转速和记录频率确
定，点数需要大于一个周期所记录的样点数，例如转速为4Hz，记录频率为1000Hz，则滑动平
均点数大于250。
去除径向加速度分量的方法也可选择低通滤波法和滑动平均滤波法两种方法组
合。
3.利用无干扰的轴向加速度计测量数据az和当地的重力加速度总场值G，计算动
态井斜角θ；
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az为经过第2步处理得到的轴向加速度计值，G为测点当地的重力加速度总场值，G
可以通过已有的地面重力勘探数据、重力场的数学模型、地面现场观测等方式获得，也可以
利用MWD系统静态测量的加速度分量数据计算得到，计算公式如下：
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4.处理两个径向磁力计测量的磁场数据，修正硬铁干扰和软铁干扰，获得无干扰
的径向磁力计测量数据bx,by；
径向磁力计进行磁场测量时，受磁场传感器零位偏差、灵敏度误差、传感器不正交
引起的误差、以及传感器附近硬磁和软磁干扰磁场的影响，测量结果需要进行修正。在无上
述误差和干扰的情况下，两个径向安装的磁传感器绕Z轴旋转时，X和Y上测量到的磁场强度
Bx和By应服从原心为坐标系原点的正圆分布，如图5所示。实际情况上述误差和干扰难免存
在，这时Bx和By的分布变为圆心偏离原点的椭圆分布，如图6所示。
根据旋转测量的原始数据，将椭圆重新拟合为圆，可以消除上述误差和干扰。椭圆
拟合方法包括：1)通过求取旋转过程中X，Y轴测量的磁场强度的最大值和最小值，计算补偿
系数，实现干扰磁场的修正；2)利用椭圆数学模型进行拟合修正，即根据受到干扰后的磁场
服从椭圆分布，然后利用椭圆的数学模型和旋转测量数据，拟合出椭圆的参数，最后再反算
出没有干扰情况下的磁场信息，实现干扰磁场的修正；3)利用1)和2)两种方法组合进行修
正。
5.根据当地地磁总场值B0和地磁倾角β，计算地磁场垂向分量BV和北向分量BN；
图7为近钻头方位动态测量的坐标系示意图，参考坐标系为北东地(NEG)，这里的
北指磁北，B0为当地的地磁场总场值，β为当地的地磁倾角值。BV和BN分别为地磁场的垂向分
量和北向分量。
B0和β可以通过当地地面或井中的磁法勘探数据、地磁场的数学模型、地面现场观
测等方式获得，也可以通过MWD系统在无钻具磁干扰情况下静态测量的磁场分量数据计算
获得，计算公式如下：
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6.根据当地地磁总场值B0和无干扰的径向磁力计测量数据bx,by，计算沿钻具轴向
的磁场分量Bz；
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经过第4步处理后无干扰的径向磁力计测量数据bx,by随时间的变化曲线如图8所
示，bx和by幅度相等，相位相差π/2。
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M为bx或by的幅度，因此可通过计算bx或by的幅度M来获得磁场分量Bz。
计算bx或by幅度M的方法包括离散傅里叶变换(DFT)，快速傅里叶变换(FFT)，还包
括利用bx或by进行互相关运算计算幅度，以及利用数值积分方法计算正弦信号的幅度等
等，所有求取正弦信号幅度的方法均适用于bx或by幅度M的计算。
7.根据地磁场垂向分量BV，轴向磁场分量Bz、动态井斜角θ，计算钻具轴向在水平面
投影方向的水平磁场分量BH；
如图7所示，钻具坐标系为XYZ，Bx和By为径向安装的磁力计测量结果，Az为轴向安
装的加速度计测量结果，θ为井斜角，BH为钻具轴向在水平面投影方向的水平磁场分量。
Bz＝BVcosθ+BH sinθ
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8.根据钻具轴向在水平面投影方向的水平磁场分量BH和地磁场北向分量BN,计算
动态方位角ψ
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近钻头方位动态测量方法流程图如图9所示。
本发明涉及的近钻头方位动态测量装置与测量方法具有如下优点：
1、该测量方法不测量沿钻具轴向的磁场分量，避免了钻具磁化产生的轴向磁干扰
对轴向地磁场分量测量的影响，适用于近钻头测量应用场合；
2、该测量方法不测量沿钻具径向的重力场分量，避免了旋转产生的离心加速度和
径向振动对径向重力场分量测量的影响，适用于钻进过程中动态测量；
3、该测量装置使用的传感器数量由现有MWD技术的6支减少为3支，节省了安装空
间，降低了传感器部分的功耗，特别适合于近钻头测量对安装尺寸和功耗要求敏感的应用
场合。
以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来
说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应
该视为本发明的保护范围。