旋转导向测斜系统的研究

2023.02.12

秦琼++周静++陈勇

摘要：旋转导向钻井姿态（井斜角、方位角和工具面角）决定了井下钻头的钻井方向，因此需要高精度旋转导向测斜系统以及校正方法。为此设计测斜系统的上位机软件和下位机硬件数据采集系统，并根据测出的试验数据确定传感器的性能，设计传感器的标定流程。同时采取K+Q系数进行标定，使测斜传感器的误差符合设计的指标。应用结果表明，井斜角和工具面角绝对误差都在允许的误差范围之内，均满足工业标准要求。

关键词：旋转导向测斜；测斜传感器；数据采集系统；误差自动校正

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0230-02

1 确定空间井眼姿态

井斜角、方位角和工具面角是构成空间井眼姿态的三个重要参数，这三个角度参数决定了随钻的井眼轨迹。此三个参数的测量过程为：通过测斜仪上面的三个磁通门传感器和三个加速度传感器分别测出六个传感器上的电压信号，然后将此电压信号经过随钻测斜系统传输到地面 [1]，对输出的电压信号进行数据分析，就会得到井斜和方位的信息，从而指导下一步钻井方向[2]。三个磁通门传感器两两相互垂直，三个加速度传感器也是两两之间相互垂直，此外在实际应用中测斜系统还有两个温度传感器。

数据采集系统主要是采集三个磁通门传感器和三个加速度传感器上面的输出数据，井眼轨迹的三个角度参数就可以得到，即工具面角RB，井斜角DEV和方位角AZIM。角度参数的计算公式如下：

2 测斜数据采集系统与标定

2.1 整体框架

上位机软件和下位机硬件两部分组成了整个测斜的数据采集系统，软件部分的功能是实现数据的处理和保存；硬件部分的功能是实现数据的采集。其整体逻辑框图如图1所示。

2.2 软件设计

上位机数据逻辑框图如图 2 所示，用7组传感器测出各个传感器的输出的电压信号，得到相关的角度。如图2所示海拔高度等信息由GPS提供， IGRF国际地磁模型用来计算当地的磁倾角等信息，由参考值与实际计算值进行对比分析得出误差值，从而确定测斜系统的精度 [3]。

2.3 标定模型建立

K系数校正主要是进行温度补偿，零位偏差补偿。以Y轴磁通门为例，其数学模型[4]

式中，q（1）至q（9）分别是传感器对应的q因子。因为K系数校正对轴正交校正存在不足，其优势对温度进行校正，而Q系数主要优势就是对不同轴正交以及轴不正交进行校正，所以K+Q就是用结合K系数校正（温度校正）和Q系数校正（轴不正交校正以及不同轴正交）。

2.4 标定流程

在传感器实际标定过程中，将方位角和井斜角固定在 90°，依次调整工具面角，在加速度计下测量-180.000、-135.000、-45.000、0.000、45.000、90.000、135.000；在磁通门传感器下测量-141.100、-96.100、-51.100、-6.100、38.900、83.900、128.900、173.900，常温下采集探管传出的数据。

3 数据分析

图 3为室温下测试所得的各轴传感器输出电压曲线。从图中可以明显可以看出，当井斜角和方位角锁定为90°时，测试工具面角，AZ轴输出值基本上为零或者是在零上下摆动，一般在理想状况下，AZ 轴输出值应该为零，不会是在零上下摆动。这应该是测斜探管没有安装好，导致传感器轴与旋转轴不同心，消除这种误差就需要用对所获得的数据进行标定。

综合上面的拟合曲线图和误差曲线图，可以得出以下结论：采用K+Q参数校正之后，图4中井斜角的绝对误差都基本上都在零度附近，绝对误差范围都在±0.2度以内，误差在可接受范围之内，可以提高井斜角的精度，达到校正井斜的目的；图5中，工具面角绝对误差姐基本上在±1度以内，绝对误差达到了预想的指标。

4 结束语

1）通过以上实验数据表明该套测斜系统达到了我们的预期指标，可以实现数据的采集与存储，有较

好的精度和可靠性。

2）使用K + Q 系数模型对测斜探管进行综合标定。通过实验得出的结果说明此校正方法可以改善井

斜角和工具面角的绝对误差，提高测量井斜角和工具面的精度，运用此校正算法可以精确的指导钻井的进一步钻进。

参考文献：

[1] 刘树坤，汪勤学，梁占良，等. 国内外随钻测量技术简介及发展前景展望[J]. 录井工程， 2008， 19（4）： 32- 37.

[2] 苏义脑. 定向钻井[M]. 北京：石油工业出版社， 1995： 1-2.

[3] 尚海燕，饶飞，周静，等. 高精度油井测斜系统及校正方法的研究[J]. 石油机械， 2015， 43（4）： 5-9.

[4] 周静，胡毅，付浩. 三轴重力加速度传感器标定方法研究[J]. 石油仪器， 2010， 24（4）： 44- 46.