王 銳，崔朋波，劉培軍

(中油冀東油田公司，河北 唐山 063000)

MWD獨立誤差源的確定分析

王 銳，崔朋波，劉培軍

(中油冀東油田公司，河北 唐山 063000)

為分析隨鉆測量儀MWD在實際測量中的獨立誤差源，根據(jù)大地坐標(biāo)系到儀器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換對MWD的測量原理進行了系統(tǒng)推導(dǎo)，得出測量井眼軌跡的基本參數(shù)，進而結(jié)合典型測量儀器的4項獨立誤差源及MWD進行井眼軌跡測量的特點，在性質(zhì)和量度方面詳細分析了MWD的各項獨立誤差源，并通過對獨立誤差源進行分析修正，得出MWD現(xiàn)場應(yīng)用的優(yōu)點。關(guān)鍵詞:MWD;測量誤差;獨立誤差源

引 言

MWD是在鉆井過程中進行井下信息實時測量和上傳的儀器系統(tǒng)，目前已成為石油鉆井施工中必不可少的隨鉆測量工具。MWD系統(tǒng)可在鉆頭附近測得定向數(shù)據(jù)、地層數(shù)據(jù)和鉆井參數(shù)等信息，不需中斷正常鉆進操作而將信息傳送到地面，為下一步施工設(shè)計提供依據(jù)［1－5］。MWD系統(tǒng)已成為連續(xù)監(jiān)測鉆井軌跡和及時糾斜必不可少的工具，但同時由MWD的測量誤差引起的井眼軌跡位置不確定性，對需要精確定位的鉆井作業(yè)產(chǎn)生了重要的影響［6］。因此，對引起MWD測量誤差的獨立誤差源進行定性和定量的系統(tǒng)分析至關(guān)重要。

1 MWD測量原理

1.1 坐標(biāo)系的建立

建立鉆具 XYZ 坐標(biāo)系［7］(圖1)，其中，Z 軸與儀器軸線重合并指向儀器下部，X軸與Y軸都在儀器橫截面上，Y軸與造斜鉆頭的造斜方向一致，而X軸與Y軸垂直，且其正方向和Y軸、Z軸一起遵循右手法則，三軸兩兩正交。α為井斜角，φ為井斜方位角，ω為重力工具面角。

MWD由裝在無磁鉆鋌中的信號發(fā)射器和探管組成，探管內(nèi)有兩兩相互垂直的三軸重力加速度計和三軸磁通門傳感器，分別測量3個方向上的重力分量和磁力分量，分別以 GX、GY、GZ和 BX、BY、BZ表示。Z軸方向即為探管的軸向，即鉆具和井眼方向?，F(xiàn)場作業(yè)中所需要的儀器參考數(shù)據(jù)和井眼幾何參數(shù)均由這6個分量計算得到。

圖1 大地坐標(biāo)系與儀器坐標(biāo)系

1.2 坐標(biāo)系的3次旋轉(zhuǎn)

圖2為歐拉旋轉(zhuǎn)變換。

圖2 歐拉旋轉(zhuǎn)變換

(1)第1次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。繞D軸旋轉(zhuǎn)φ角，成為Z1X1D坐標(biāo)系。

(2)第2次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。繞X1軸旋轉(zhuǎn)π/2－α角，成為ZX1Y1坐標(biāo)系，即:

(3)第3次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。繞Z軸旋轉(zhuǎn)ω角，成為ZXY2坐標(biāo)系，即:

1.3 確定井斜角和重力工具面角

1.4 確定井斜方位角

在地磁場中，東方向分量為零，可得:

式中:G=(G2X+G2Y+G2Z)。

2 獨立誤差源定義及分類

2.1 獨立誤差源定義

誤差源是一種物理現(xiàn)象，它使儀器在測量過程中對測量值產(chǎn)生誤差。理論上，誤差產(chǎn)生獨立誤差源由要建立的誤差模型的復(fù)雜性和獲得量化誤差項所需數(shù)據(jù)的可能性確定。測量工具、測量環(huán)境、測量方法和建模技術(shù)的不同均會帶來不同的獨立誤差源［8］。

1個獨立誤差源通常由幾個誤差項組成。1個誤差項描述了所屬誤差源對1組特定的儀器測量值起的作用。誤差項可以通過以下參數(shù)唯一確定:名稱、均值μ、幅值σ。通常作為1倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差值來應(yīng)用。傳播模式包括:隨機性(R)、系統(tǒng)性(S)、單井性(W)以及全局性(G)。

2.2 獨立誤差源分類

理論上說，各誤差源產(chǎn)生的原因有很多，主要包括比例系數(shù)、線性度、同軸度、溫度、溫度曲線擬合以及數(shù)值量化等。此處對獨立誤差源的分類是以實用為基礎(chǔ)，可將誤差源對儀器測量誤差的作用進行建模，并可用此模型對各誤差的實際數(shù)值進行評估。

對普通測量儀器而言，通用的獨立誤差源主要有傳感器誤差、深度測量誤差、磁偏角基準(zhǔn)誤差、陀螺基準(zhǔn)誤差、鉆柱磁化、外部磁場干擾、測量間距計算方法、井眼軌跡計算方法、重力場不穩(wěn)定以及過失誤差等。

3 MWD獨立誤差源分析確定

現(xiàn)結(jié)合普通測量儀器通用誤差源，根據(jù)MWD結(jié)構(gòu)及測量原理，對MWD典型獨立誤差源進行定性和定量的分析。

3.1 傳感器誤差

MWD探管由三軸重力加速度計和磁通門傳感器組成，對井斜角和井斜方位角進行測量時，傳感器系統(tǒng)誤差和儀器校正誤差將使測量產(chǎn)生誤差。最終可形成4個誤差項:加速度計偏移誤差、加速度計刻度誤差、磁力計偏移誤差以及磁力計刻度誤差。其結(jié)果見表1。

表1 傳感器誤差

3.2 深度測量誤差

在使用MWD進行測量時，深度測量誤差是由鉆柱拉伸和熱膨脹等因素引起的。與其他誤差的區(qū)別:對于每個新的誤差源，深度測量誤差需要從地面開始對整個井眼進行全新的測量，新的測量與前測點無關(guān)，與除地面數(shù)據(jù)外的先前對該點的測量也無關(guān)。針對地面鉆機和浮式鉆機，可以將MWD深度測量誤差歸為4個獨立誤差項，即隨機參考誤差、系統(tǒng)參考誤差、刻度誤差和拉伸誤差，并為其建立模型。其結(jié)果見表2。

表2 深度測量誤差

3.3 磁偏角參考誤差

外殼異常是磁偏角參考誤差的主要來源，特別是在高緯度、巖漿巖近地面的地區(qū)。對于MWD，只有磁偏角的假設(shè)基準(zhǔn)值會影響計算的方位角值，而軸向磁干擾估算中任何的誤差都會導(dǎo)致計算的方位角值誤差。

對磁偏角的確定會隨著磁場水平分量的減小而變得越來越困難。為了確保Shetland Lerwick(BH=15 000 nT)的總磁偏角誤差與英國地質(zhì)調(diào)查局預(yù)測的相符，建立1個模型，使其常數(shù)和與磁場水平投影BH成反比例，并對其進行模擬(表3)。

表3 模擬結(jié)果

3.4 鉆柱磁化

接近磁力計的磁性鉆具組合可通過剩磁和感應(yīng)磁化對方位的測量產(chǎn)生影響。MWD鉆具組合磁干擾可分為軸向和徑向2部分。

軸向磁干擾的剩磁沒有統(tǒng)一的極性，而感應(yīng)磁化的極性相同。用鉆具組合端部磁極對感應(yīng)磁化進行擬合，進而對其誤差進行校正;將剩磁作為獨立誤差源進行處理。剩磁方位角誤差直接取決于井眼方向，并與sinαsinφm成比例。徑向磁干擾值較小，一般不會對總的MWD誤差產(chǎn)生較大影響，不必將其考慮在誤差模型之內(nèi)(表4)。

表4 擬合結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用的優(yōu)點

通過對MWD獨立誤差源分析確定，可以更好發(fā)揮其在現(xiàn)場的應(yīng)用效果［9－11］。

(1)在現(xiàn)場施工中，根據(jù)工程的要求可以對儀器傳輸數(shù)據(jù)的速度、探管的工作方式及測量方式進行選擇，給鉆井作業(yè)帶來了很大的靈活性。

(2)MWD靠鉆柱內(nèi)泥漿壓力的波動傳送脈沖信號，簡化了應(yīng)用有線隨鉆施工所必須的地面準(zhǔn)備、井口作業(yè)、電纜起下及泵沖儀器等繁瑣工序。

(3)用MWD施工時根據(jù)需要可以合理調(diào)配鉆具，使測點盡可能接近井底，以便為工程技術(shù)人員預(yù)測并控制井深軌跡提供精確可靠的數(shù)據(jù)。

(4)使用MWD提高了施工的安全可靠性，同時配合導(dǎo)向鉆進技術(shù)提高了機械鉆速。

5 結(jié)論

(1)利用坐標(biāo)系的建立、旋轉(zhuǎn)，根據(jù)三軸加速度計和磁通門傳感器的測值，推導(dǎo)出井斜角、重力工具面角和井斜方位角的工作原理。

(2)結(jié)合普通測量儀器通用誤差源，根據(jù)MWD測量原理，對MWD測量典型獨立誤差源進行定性和定量的分析。

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Determinative analysis of MWD independent error sources

WANG Rui，CUI Peng－bo，LIU Pei－jun
(Jidong Oilfield Company，PetroChina，Tangshan，Hebei063000，China)

MWD independent error sources are analyzed by converting from earth coordinates to instrument coordinates and inferring MWD measurement principle．The basic parameters of measuring points are derived．Each independent error source of MWD has been analyzed in terms of nature and magnitude by taking account of the four error sources of typical measuring instrument．The advantages of MWD can be brought into full play in field application by modifying independent error sources．

MWD;measurement error;independent error source

TE241

A

1006－6535(2011)05－0120－04

20110321;改回日期20110610

國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工程化技術(shù)研究”(2007AA090801－04)

王銳(1983－)，男，助理工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田工程技術(shù)研究與管理工作。

編輯 王 昱