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

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。

说明书

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。

背景技术

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γ表示，方位角用α表示，重力工具面用θ_G，磁性工具面用θ_M，g_x、g_y、g_z为重力加速度三轴分量；M_x、M_y M_z为地磁三轴分量。运用坐标变换可推导测试原理：

$\gamma ={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\sqrt{g_x^2+g_y^2}}{g_z}$

$\alpha ={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{(g_x{M}_y-g_y{M}_x)\sqrt{g_x^2+g_y^2+g_z^2}}{M_z(g_x^2+g_y^2)+g_z(g_x{M}_x+g_y{M}_y)}$

${\theta }_G={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{g_y}{g_x}$

${\theta }_M={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{M_y}{M_x}$

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0.1mg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x_m1、y_m1、z_m1，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x_m2，y_m2，z_m2；x_m3，y_m3，z_m3；

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：

x_R＝x_m+φ_xyy_m+φ_xzz_m

y_R＝y_m+φ_yxx_m+φ_yzz_m

z_R＝z_m+φ_zxx_m+φ_zyy_m

其中，φ_xy、φ_xz、φ_yx、φ_xz、φ_zx、φ_zy表示补偿系数，x_R、y_R、z_R表示真实值，x_m、y_m、z_m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φ_xy、φ_xz、φ_yx、φ_xz、φ_zx、φ_zy分别为：

φ_xy＝φ_yx＝cosα

φ_xz＝φ_zx＝cosβ

φ_yz＝φ_zy＝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。

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。

附图说明

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1‰个地磁场，约50nT；注：小倾角的起始点为0.7°，而不是标准中的0°。

2)若要满足当倾斜角3.1～5°时，方位角测试误差在±1°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-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0.1mg，磁通门传感器CFG-S小于1nT，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：

x_R＝x_m+φ_xyy_m+φ_xzz_m

y_R＝y_m+φ_yxx_m+φ_yzz_m

z_R＝z_m+φ_zxx_m+φ_zyy_m

其中，φ_xy、φ_xz、φ_yx、φ_xz、φ_zx、φ_zy等表示补偿系数，x_R、y_R、z_R等表示真实值，x_m、y_m、z_m等表示测量值。

假设三个传感器之间的夹角为α、β、γ，则上述系数φ_xy、φ_xz、φ_yx、φ_xz、φ_zx、φ_zy分别为：

φ_xy＝φ_yx＝cosα

φ_xz＝φ_zx＝cosβ

φ_yz＝φ_zy＝cosγ

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_m1＝9.80，y_m1＝2.90，z_m1＝1.42；

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

x_m2＝8.48，y_m2＝0.35，z_m2＝1.42；

x_m3＝4.90，y_m3＝0.38，z_m3＝0.99；

得到的线性方程组为：

求解上述方程组得到：

$\left(\begin{array}{c}\cos \alpha =\frac{\frac{1}{2}{x}_{m1}{z}_{m2}+\frac{\sqrt{3}}{2}{x}_{m3}{z}_{m1}+x_{m2}{z}_{m3}-x_{m3}{z}_{m2}-\frac{\sqrt{3}}{2}{x}_{m1}{z}_{m3}-\frac{1}{2}{x}_{m2}{z}_{m1}}{\frac{1}{2}{x}_{m1}{z}_{m2}-\frac{\sqrt{3}}{2}{y}_{m3}{z}_{m1}-y_{m2}{z}_{m3}+y_{m3}{z}_{m2}+\frac{\sqrt{3}}{2}{y}_{m1}{z}_{m3}+\frac{1}{2}{y}_{m2}{z}_{m1}}\\ \cos \beta =\frac{\frac{1}{2}{x}_{m2}{y}_{m1}+\frac{\sqrt{3}}{2}{x}_{m1}{y}_{m3}+x_{m3}{y}_{m2}-x_{m2}{y}_{m3}-\frac{\sqrt{3}}{2}{x}_{m3}{y}_{m1}-\frac{1}{2}{x}_{m1}{y}_{m2}}{\frac{1}{2}{x}_{m1}{z}_{m2}-\frac{\sqrt{3}}{2}{y}_{m3}{z}_{m1}-y_{m2}{z}_{m3}+y_{m3}{z}_{m2}+\frac{\sqrt{3}}{2}{y}_{m1}{z}_{m3}+\frac{1}{2}{y}_{m2}{z}_{m1}}\end{array}\right)$

使Y轴加速度传感器垂直，记录三个传感器的读数

x_m4＝0.71，y_m4＝9.79，z_m4＝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_m4，y_m4，z_m4；

得到的线性方程为：

g＝y_m4+x_m4cosα+z_m4cosγ

利用上一方程组的解得到：

$\cos \gamma =\frac{g-y_{m4}-x_{m4}\cos \alpha }{z_{m4}}$

根据上述求解公式得到：

φ_xy＝φ_yx＝0.017

φ_xz＝φ_zx＝0.035

φ_yz＝φ_zy＝10^-4

最后求出三个传感器之间的夹角为α、β、γ，根据夹角α、β、γ消除非正交影响。