基于加速度计和磁强计的定向钻进姿态测量及方位校正

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1、国防科技大学学报第2卷第1期OUrNALOFNATIONALUNIVErSITYOFdEFENSETECHNOLOGYVol.2No.12007文章编号：1001-248（2007）01-010-05!基于加速度计和磁强计的定向钻进姿态测量及方位校正罗武胜，徐涛，杜列波（国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙41007）摘要：描述了用三轴加速度计与三轴磁强计测量地下钻头倾斜角、工具面向角和方位角的方法，给出了具体的系统结构和详细的姿态解算。针对由于钻具铁磁性材料引入干扰磁场对方位测量的误差，提出了利用当地地磁场进行方位角校正的方法，并给出仿真结果。结果表明，这种校正方法能够在不更

2、换钻具即测量装置仍放在一段无磁钻铤内部的情况下，获得准确的方位角，因此可以大大减少无磁钻铤的长度，节省钻进成本。关键词：定向钻进；姿态测量；方位角；方位校正；磁强计中图分类号：TH824+.4文献标识码：ADirectionalDrillingAttitudemeasurementandAzimuthCorrectionwithAccelerometersandmagnetometersLUOWu-sheng，XUTao，dULie-bo（CollegeofmechatronicsEngineeringandAutomation，NationalUniv.ofdefenseTechn

3、ology，Changhsha41007，China）Abstract：Thispaperproposesanapproachofdeterminingthepitch，therollandtheazimuthWiththreemutuallyorthogonalaccelerometersandmagnetometers.TheconfigurationofthesystemandthecalculationoftheattitudeWerefirstlydescribed.Inordertocompensatefortheeffectsofperturbingmagneticfi

4、eldsassociatedWithmagnetizedsectionsofthedrillcollar，acorrectionmethodofdeterminingtheazimuthWhichreliesontheknoWledgeoflocalgeomagneticfieldWasdescribedingreatdetail.Furthermore，thecorrectionprocessandsimulationWerepresented.resultsfromsimulationshoWthatthecorrectionmethodcandetermineanabsolut

5、eazimuthbymeansofusingameasuringinstrumentdisposedinarelativelyshortnon-magneticdrillcollar，soitminimizesthelengthofnon-magneticdrillcollarandsavesdrillingcostsgreatly.Keywords：directionaldrilling；attitudemeasurement；azimuthangle；azimuthcorrection；magnetometer地下定向钻进（directionaldrilling）是利用专门的定向

6、钻机以可控钻孔轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进的一种钻进方法，目前在石油钻井、地质勘探以及方兴未艾的非开挖管线铺设领域，获得迅速而广泛的应用［1-2］。定向钻进过程中，为了能有效控制钻进轨迹，需要实时获取钻具方位等姿态信息。这些姿态信息的获取是由安装在钻具内的随钻测量仪器来完成的，如图1所示。定向钻具一般由一系列钻杆、多节钻铤和导向钻头等组成，测量仪器安装在钻铤的内部，完成钻具姿态的实时测量，并将数据传输到地面。这些需要测量的姿态信息包括方位角、倾斜角和工具面向角等。方位角是钻具当前点的切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。倾斜角是钻孔当前点的切

7、线与水平面之间的夹角，它反映了钻具前进方向相对水平面的倾斜程度。工具面向角为钻具的造斜方向与参考方向间的夹角，它反映了钻具下一步钻进的造斜方向。为了给出姿态角严格的定义，我们在地理坐标系中（NED北东地坐标系）建立钻具坐标系（XYZ坐标系），如图2所示。图中，H为水平面，V为包含钻进轴线的垂直面，P代表钻具横截面。一般取X轴与钻具的轴线方向一致，Z轴与造斜钻头的造斜方向一致，Y轴跟二者垂直并构成右手直角坐标系。!收稿日期：200-0-1基金项目：国家8基金