专利名称：一种钻井用的高精度测斜仪传感器正交安装误差的补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种钻井用的高精度测斜仪传感器正交安装误差的补偿方法，用 于石油探勘领域，属于高精度测斜仪技术领域。现有钻井用的测斜仪通常用3个重力加速度计和3个磁通门传感器，通过 正交安装，来测量测点处的倾斜角和方位角等参数，由于重力加速度的种类繁多， 性能差异大，而高精度测斜仪不仅对传感器性能要求高，而且对正交垂直度要求 高，安装时对操作人员要求高，费时费力。测斜仪的基本原理是利用地球重力场和磁场在三个坐标轴上的分量值计算 得出所被测处的倾斜角、方位角等姿态参数。为以后描述方便，在北西天坐标系中(北为地磁北，均为顺时针旋转)，倾斜角用r表示，方位角用"表示，重力工具面用6g，磁性工具面用Sm， gx、gy、 gz为重力加速度三轴分量；^4、 A^为地磁三轴分量。运用坐标变换可推导测试原理<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula>由于正交安装误差是导致测斜仪产生测量系统误差的主要因素，一般可以通 过调整传感器安装姿态，来达到减少非正交安装所引起的误差，缺点是费时费力， 并且给今后用户的维护造成困扰。 发明内容本发明的目的是提供一种可以消除因为加速度传感器和磁传感器安装不正 确所产生的测量误差的钻井用的高精度测斜仪传感器正交安装误差的补偿方法。 为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种钻井用的高精度测斜仪传感器正交安装误差的补偿方法，其特征在于，用c语言编制程序，运行在计算机上，其补偿方法为第一步.选择噪声误差小于0. lmg的3个加速度传感器和3个磁传感器CFG-S 小于lnT;第二步.在高精度测斜仪分别安装步骤1选择的3个加速度传感器和3个磁传感器，每三个传感器两两正交； 第三步.将安装好的高精度测斜仪装到三轴转台上，校正时将任一传感器置于垂直方向，即使X轴加速度传感器与三轴转台上的坐标系Z轴重合，使X轴加速度传感器输出最大，记录3个加速度传感器的读数X^ 、少^、Zwl，其它以此类推；第四步.再使X轴加速度传感器在0_90度范围内分别偏转两个角度，记录每次偏转后相应传感器的读数，得Xm2 ，少附2， Zw2 ; Xw3 ， _yOT3 ， Zm3 ; 第五步.求出每个轴与理论轴之间的偏转角，即补偿系数,从而消除非正交影响，具体公式如下<formula>formula see original document page 5</formula>其中，^、 t、 ^yx、 l、 ^c、 Ay表示补偿系数，Xi 、 JV ^表 示真实值，XOT、 >^、 Z/w表示测量值；第六步.每个传感器各有二个正交补偿系数，如X轴加速度计需分别测定对Y 轴和对Z轴的正交补偿系数，共有十二个正交补偿系数，并计算机中保 存十二个正交补偿系数；假设三个传感器之间的夹角为"、"、^ ，则上述系数 ^qy、 0xz、 ^yx、 ^x:z、 ^zx、 分别为l = Ax = cos "^ = ^ = cos /第七步.求出三个传感器之间的夹角为"、"、y第八步.根据夹角"、p、 y消除非正交影响。本发明通过正确选择加速度传感器和磁传感器，在安装好加速度传感器和磁 传感器后，不再需进行保证正交的调校，仅需一次性测定安装轴与理论轴之间的 偏转角，就可以通过软件算法消除这些误差。本发明的优点是仅需一次性测定安装轴与理论轴之间的偏转角，就可以通过 软件算法消除这些误差，并且为用户维护测斜仪时提供了重新标定的方便方法。
图1为正交补偿系数测定流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 实施例如图1所示，为正交补偿系数测定流程示意图，由于测斜仪的输出是多个传 感器组合下的结果，因此影响测斜输出精度的因素比较多，而且关系相当复杂， 由此要考虑解决的问题如下1、 单个传感器的影响 经理论推导得知，1) 若要满足当倾斜角为0.7 3。，方位角测试误差在±5°内的要求，需保 证加速度计的最大测试误差必须小于0. 6mg,磁方位传感器的最大测试误差必须 小于l^个地磁场，约50nT;注小倾角的起始点为0.7。，而不是标准中的O。。2) 若要满足当倾斜角3. i 5°时，方位角测试误差在土r内的要求，需保证加速度计的最大测试误差必须小于0. 5mg，磁方位传感器的最大测试误差必须 小于0. 5%。个地磁场，约25nT;3) 若要满足当倾斜角大于5。(指90°范围内)，方位角测试误差在±0.5° 内的要求，保证加速度计的最大测试误差必须小于0. 4mg，磁方位传感器的最大 测试误差必须小于0. 1%。个地磁场，约5nT;4) 以上计算，仅针对我国地区的磁倾角范围，即在一70 70°区域里，若 在具有更高的磁倾角区域，仍保证上述精度，需进一步提高传感器指标。根据以上分析，选用的一种加速度传感器FLEX15001噪声误差小于0. lmg， 磁通门传感器CFG-S小于lnT，从而从原理上充分满足了以上技术指标要求，构 成了高精度测斜仪的基本条件.在高精度测斜仪分别安装3个加速度传感器和3个磁传感器，每三个传感器 两两正交。2、 传感器三维正交安装误差测斜仪的原理是基于每三个传感器两两严格正交基础上的，而在实际的制 造过程中，传感器之间很难保证严格正交，因此而带来安装误差,往往成为测斜仪 提高精度的主要障碍，为此，我们通过数理推导和多次试验验证,采用三姿态偏转测补偿角的方法，求出每个轴与理论轴之间的偏转角，即补偿系数，从而消除非正交影响，具体公式如下<formula>formula see original document page 8</formula>其中，^、 Az、 ^yx、 AZ、 4c、 ^;等表示补偿系数，&、 >V Zi 等表示真实值，x附、少附、z附等表示测量值。假设三个传感器之间的夹角为"、"、；k ，则上述系数^y、 Az、 ^yx、 Az、 ^c、 分别为l = l = cos ^ & = ^ = cos尸校正时将任一传感器置于垂直方向，再使其分别偏转两个角度，记录每次 偏转后相应传感器的读数，即可列出线性方程组解出以上系数。应用实例某安装可能不正确的传感器，按照上述流程进行校正首先使x轴加速度传感器垂直，即使x轴加速度传感器输出最大，记录三个传感器的读数X附=9.80， _ywl=2.90， Zwl=l.42;使X轴加速度传感器绕垂直方向分别偏转30、 60度，记录每个姿态下三个 传感器的读数xw2=8.48，少附2=0.35， Zw2=1.42;Xw3=4.90， ；^3=0.38， Zw3=0.99; 得到的线性方程组为g = cos" + zwl COS"g cos 30。 = xw2 + l2 cos " + zw2 cos " —g cos 60。 = xm3 + l3 cos " + zw3 cos / 求解上述方程组得到<formula>formula see original document page 9</formula>使Y轴加速度传感器垂直，记录三个传感器的读数 Xw4=0. 71， _yw4=9. 79， Zw4 =0.001; 使Y轴加速度传感器与坐标系Z轴重合，记录三个传感器的读数X w 4附4 Z/w4 ;得到的线性方程为-cos" + zm4 cosy利用上一方程组的解得到cos ,=Z w 4根据上述求解公式得到-砂=^x = 0.017<formula>formula see original document page 10</formula>最后求出三个传感器之间的夹角为"、"、y，根据夹角"、"、；k消除 非正交影响。
权利要求
1. 一种钻井用的高精度测斜仪传感器正交安装误差的补偿方法，其特征在于，用C语言编制程序，运行在计算机上，其补偿方法为第一步.选择噪声误差小于0.1mg的3个加速度传感器和3个磁传感器CFG-S小于1nT；第二步.在高精度测斜仪分别安装步骤1选择的3个加速度传感器和3个磁传感器，每三个传感器两两正交；第三步.将安装好的高精度测斜仪装到三轴转台上，校正时将任一传感器置于垂直方向，即使X轴加速度传感器与三轴转台上的坐标系Z轴重合，使X轴加速度传感器输出最大，记录3个加速度传感器的读数xm1、ym1、zm1，其它以此类推；第四步.再使X轴加速度传感器在0-90度范围内分别偏转两个角度，记录每次偏转后相应传感器的读数，得xm2，ym2，zm2；xm3，ym3，zm3；第五步.求出每个轴与理论轴之间的偏转角，即补偿系数，从而消除非正交影响，具体公式如下xR＝xm+φxyym+φxzzmyR＝ym+φyxxm+φyzzmzR＝zm+φzxxm+φzyym其中，φxy、φxz、φyx、φxz、φzx、φzy表示补偿系数，xR、yR、zR表示真实值，xm、ym、zm表示测量值；第六步.每个传感器各有二个正交补偿系数，如X轴加速度计需分别测定对Y轴和对Z轴的正交补偿系数，共有十二个正交补偿系数，并计算机中保存十二个正交补偿系数；假设三个传感器之间的夹角为α、β、γ，则上述系数φxy、φxz、φyx、φxz、φzx、φzy分别为φxy＝φyx＝cosαφxz＝φzx＝cosβφyz＝φzy＝cosγ第七步.求出三个传感器之间的夹角为α、β、γ第八步.根据夹角α、β、γ消除非正交影响。
全文摘要
本发明涉及一种钻井用的高精度测斜仪传感器正交安装误差的补偿方法，其特征在于，用C语言编制程序，运行在计算机上，其补偿方法为通过正确选择加速度传感器和磁传感器，在安装好加速度传感器和磁传感器后，不再需进行保证正交的调校，仅需一次性测定安装轴与理论轴之间的偏转角，就可以通过软件算法消除这些误差。本发明的优点是仅需一次性测定安装轴与理论轴之间的偏转角，就可以通过软件算法消除这些误差，并且为用户维护测斜仪时提供了重新标定的方便方法。
文档编号E21B47/02GK101265804SQ200810037020
公开日2008年9月17日 申请日期2008年5月6日 优先权日2008年5月6日
发明者毕东杰, 沈亚光 申请人:上海神开石油化工装备股份有限公司;上海神开石油科技有限公司