水平定向钻进随钻姿态测量及误差补偿

水平定向钻进是一种利用水平定向钻机,以导向孔轨迹可控方式进行钻进的非开挖铺设管线方法。作为非开挖铺管法,它具有挖槽铺管法所不可比拟的优点,目前在石油、天然气和通信等管线铺设领域已经得到了广泛应用[1]。

在水平定向钻进中,为了实现导向孔轨迹的可控,必须实时获取钻具当前的姿态信息,包括倾角、方位角和工具面向角,这些信息的获取是由安装在钻具无磁钻铤内的随钻测量单元完成的,如图1所示。倾角为钻具轴线与竖直方向之间的夹角,它反映了钻具相对水平面的倾斜程度。方位角为钻具轴线在水平面的投影与正北方向之间的夹角,它反映了水平面内钻具运动的方向。工具面向角为钻头的造斜方向在钻具横截面内的投影与某一参考方向之间的夹角,反映了导向孔轨迹下一步的延伸方向。实际测量中存在着不同误差源。对于单个传感器,主要是温度变化引起的零位误差和灵敏度误差;对于3轴加速度计和3轴磁阻传感器,主要存在正交误差;此外,随钻测量单元所在的无磁钻铤前后段均有磁性材料存在,磁阻传感器受周围干扰磁场的影响,输出会存在误差[2-4]。因此,为了保证测量精度,必须进行误差补偿。

1　随钻测量单元

1.1　系统结构

目前,姿态测量大都采用在钻具的X、Y、Z3轴上安装3个互相正交的加速度计和磁阻传感器的方法来实现,加速度计测量重力场分量,磁阻传感器测量地磁场分量。系统结构如图2所示。多路传感器输出信号经过滤波放大、采样保持和AD转换后得到3个方向的重力分量和地磁场强度分量,以及压力、温度等数据,经过进一步的运算和标定,得到钻具的倾角、方位角和工具面向角等姿态信息以及压力、温度等环境信息。

1.2　坐标系定义

为了描述钻头姿态,建立地理坐标系ONED和钻具坐标系oXYZ。其中, N、E、D轴分别指向正北、正东和重力方向, X轴沿钻具轴线指向钻头前进方向, Z轴位于钻具横截面内,指向钻头造斜方向, Y轴与X轴、Z轴垂直并构成右手正交坐标系。具体的角度定义见文[5]。根据矩阵理论,为了得到姿态角的计算公式,需要得到两个坐标系之间的过渡矩阵。重力加速度在仪器坐标系下的坐标为利用加速度计测量的重力加速度分量,地磁场强度在仪器坐标系下的坐标为利用磁传感器测量的地磁场分量。利用两个坐标系下的坐标变换关系,即可以得到姿态角的计算公式[5-10]。倾角θ、方位角γ、面向角α的计算公式分别为:

其中: GX、GY、GZ为重力加速度g在X、Y、Z这3轴上的分量,由3轴加速度计测量得到; HX、HY、HZ为地磁场强度H在X、Y、Z这3轴上的分量,由3轴磁阻传感器测量得到。因此,只要已知3轴加速度计和3轴磁阻传感器的测量值,通过式(1)—(3)即可计算得到倾角、方位角和工具面向角,从而确定钻具的姿态。