基于加速度计和磁强计的方位测量与校正技术研究

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1、基于加速度计和磁强计的方位测量与校正技术研究摘　要：根据随钻测量的要求，描述了基于三轴加速度计与三轴磁强计测量钻具方位的方法，并针对铁磁性材料造成干扰磁场对方位测量引入的误差，提出了两种利用当地地磁场进行方位校正的方法——直接校正法和间接校正法，前者通过校正公式直接进行校正，后者通过循环递推逐次收敛于真实的方位。在原理分析的基础上，得出具体的校正算法，并通过数据仿真进行验证。结果表明，两种校正方法均能消除钻具干扰磁场的影响，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：随钻测量；方位角；方位校正；加速

2、度计；磁强计ResearchonazimuthmeasurementandcorrectiontechniquewithaccelerometerandmagnetometerAbstract：Accordingtothedemandsforattitudemeasurementwhiledrilling,thispaperintroducesanapproachfordeterminingtheazimuthwiththreemutuallyorthogonalaccelerometersandmagnetometers.I

3、nordertocompensatefortheeffectsofperturbingmagneticfieldsassociatedwithmagnetizedsectionsofthedrillcollar,twocorrectiontechniques-directcorrectionandindirectcorrectionareproposed,whichrelyontheknowledgeoflocalgeomagneticfield.Theformeradoptsdirectcorrectionformula,a

4、ndthelatteradoptsconstantconvergencealgorithm.Thecorrectionalgorithmandcorrespondingcorrectionprocessaredescribed.Finallythecorrectionvalidityisprovedbysimulationdata.Resultsshowthatthecorrectiontechniquescaneliminatethebadeffectsbyperturbingmagneticfieldsanddetermi

5、netheaccurateazimuth,sotheycanminimizethelengthofnon-magneticdrillcollarandsavedrillingcostsgreatly.Keywords：measurementwhiledrilling;azimuthangle;azimuthcorrection;accelerometer;magnetometer基于加速度计和磁强计的方位测量与样正技术研究1　引　　言随钻测量技术，是指在钻进的同时实现各种参数连续测量的技术，这些参数主要包括姿态方向及地质特性（

6、电阻率、自然伽马、孔隙度）等[1-3]。对定向钻具而言，姿态方向是由倾角、方位角和面向角来衡量的。倾角为钻具轴线方向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。方位角为磁北方向与钻具轴线水平投影方向之间的夹角，它反映了水平面内钻具运动的方向。工具面向角是指在与钻具轴线垂直的平面内（孔眼平面），钻孔的终点方向顺时针转向钻头斜面法线（造斜方向）所成的角度，它反映了钻具钻进的造斜方向。2　方位测量方法为了给出严格的定义，建立适当的坐标系进行说明。首先取地理坐标系为以“东、北、天”（ENU）为顺序构成的直角坐标系，再

7、以钻具3个基本轴建立钻具坐标系（XYZ坐标系），取Y轴和钻具的轴线方向一致，Z轴与工具面的法线方向一致，X轴跟二者垂直并构成右手直角坐标系。于是，地理坐标系中的姿态角度如图1所示。其中，H为水平面，V为钻孔弯曲平面，P代表钻具横截面。基于加速度计和磁强计的方位测量与样正技术研究图1　地理坐标系中姿态角度的定义Fig.1Definitionoftheattitudeangles在XYZ系中，沿着其3个基本坐标轴分别安装3个加速度计和3个磁强计，就构成了基本的随钻测量系统，如图2所示，加速度计测量的是3个轴向的重力场分量，磁强计测

8、量的是地磁场分量。图2　基于加速度计和磁强计的随钻测量系统Fig.2MWDsystemwithaccelerometersandmagnetometers根据欧拉定理，钻具在空间中的姿态可用相对于地理坐标系有限次的转动来表示。起始时XYZ坐标系与ENU坐标系重合（E与X轴、N