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                水平井随钻测量方法研讨

                发布日期:2020-05-29  浏览次数:785
                 引言

                石油定向钻井中需要对井眼方位角、井斜角、工具面角、井深位置等参数进行准〗确测量,以保证井眼走向顺利到达目标油层。近年来,大斜度井、定向井和水平井等复杂钻井的迅速发展,对测量技术提出了更高要求,尤其是随钻测量要求在钻进过程中实时监测钻头的姿态及位置[1-2]。传统的磁性测量方法其精度受地磁模型精度的限制,并且容易受磁干扰,去磁化成本@ 高[3-5]。随着惯性器件小型化的发展,近年来出现了基于陀螺和加速度计的惯性测井方案[4-8]。该应用本质上是一个惯性导航系统,但是由于成本及井下狭小空间的限制,使得采用高精■度陀螺器件的惯性系统应用受到限制。纯惯性测量误差随时间积累,精度较低的陀螺器件长时间测量误差积累尤为严重。常用零速修正的方法修正测井中的惯性误差[5-7],在停钻间隙使用,对连续测量的改进能力有限。加拿︻大学者AboelmagdNoureldin提出引入钻速和位置进行组合导航的方法[6-7],把各向速度和位置作为新量用于卡尔曼滤波,但是在实际随钻测量中直接计划的各向速度和位置信息均难以得到。本文结合实际应用,提出仅引入井口〇钻杆轴向钻速的方法,利用惯性测量中的姿态转换阵进一步变为各向速度,定量研究只有钻杆轴向速度组合的闭环卡尔曼滤波方法及效果。

                1惯性随钻测量系统

                惯性随钻测井系统将小体积的完整惯性测量单元(InertialMeasurementUnit,IMU)安装在井下距离钻头较▂近的位置,实时测量钻头的姿态和位置。在井口钻杆附近安置特殊的扫描装置测量钻杆下降的速度,一方面用于井面上的钻进过程控制,另一方面通过随钻电缆传至井下惯性测量单元,以辅助单纯惯性测量(见图1)。随钻测量多用于定向井和水平井,文中模拟实际水平井设计随钻测量的井眼轨迹。选取东北天为参考坐标系,本体『坐标系如图1中局部放大图。一般高精度的惯性系统成本较高,文中采用常值漂移为1°/h较低精度的陀螺对比0.1°/h常值漂移的陀螺器件进行仿真,研究采用低精度陀螺达到安卓版高精度测量结果的方法,也为具有独特小体积小成本优势的MEMS器件应♀用创造了前景。

                2速度组合测量方法

                2.1系统误差模型卡尔曼滤波(KalmanFilter,KF)技术通常用于估计和补玩法偿惯性测量误差[7-8],根据不同的需要滤波器设计不同。取陀螺和加速度计的误差模型为随机常数,加上惯性测量姿态误∮差、速度误差、位置误差9个变量,有15维状态误差○方程式中,F为系统的状态转移阵;Q为系统噪声,以惯性器件的噪声统计特性描述;φE、φN、φU为平台角误差;δve、δvn、δvu为速度误差;δL、δλ、δh为位置误差;εgx、εgy、εgz为陀螺误差;Δax、Δay、Δaz为加速度∮计误差。式(1)中F矩阵中的非0元素为式中,ωie为地球自转角速度;R为地球半径;g为地球重◥力加速度;Cnb为计算中的系统状态转移阵;L为当地纬度。以上状态方程描述惯◢性系统本身的测量误差特下载性。

                2.2量测模型KF量测方程反映新的外部量测与惯性测量误差的关技巧系,借助外部较准确观测信息修正惯性测量中的积累误差。量测量的╳不同以及引入组合方式不同,会影响滤波器的估计效果。实际测井中可在井口安装计数码盘等装置较为准确地测量钻杆的下降速度[7,9],即为靠近钻头安装的测斜装置的轴向运动速度,与惯性测量各量紧密关联。本文即将该井口轴向速度信息作为唯一外部观测量,通过惯性解算的姿态矩阵转化为各向速度,设计闭环卡尔曼滤波器,估计并补偿纯惯性的测量误差。

                2.2.1井口轴向速度转化为各向速度设vm为井口测量到的钻柱下降速度(只是大小),则井底惯性本体系内的速度为Vbm=[0vm0]T,测量系中速度为Vnm=Cnb•Vbm(2)式中,Cnb是由惯性力学编排解算中得到的本体系到

                2.2.2速度更新的频率Cnb为惯性解算的姿态转移矩阵,其更新频率与惯性解算的频率相同,通常惯性数据的采集及计算频率较高,故KF中速度更新的频▽率与井口轴向速度的测量频率相同。本仿真中设vm的测量频率与惯性数据采集↘频率相同。较高的更新频率可以避免在各向速度转换时积累较大的误差,同时由于速度转换计算简单,并不占取太大的存储︾空间,适宜井下实时计算。

                2.3卡尔曼组合滤波器根据式(3)中〗新的速度,卡尔曼滤波器中的量测方程写为Z=HX+V=ve-vnmEvn-vnmNvu-vn[]mUT(4式中,H(1,4)=1;H(2,5)=1;H(3,6)=1;量测噪声V设为白噪ios版声。基于式(4)的量测更新,采用姿态、速度、位置闭环全反馈,KF估计▲并补偿惯性测量误差。图2为惯性测量与井口轴向速度组合的卡尔曼滤波示意图。

                3仿真结果首先设计模拟实际水平井的井眼轨迹,利用轨迹发生器仿真生成惯性测量数据,再加入常值漂移误差以及实验室条件下的器件误差,半物理仿真真实的惯性器件误差,然后进行单纯惯性解算和轴向速度组合的KF解算,解算结果与轨迹发生器生成的真实数据比较。

                3.1仿真条件设计井眼轨迹(见图6)从1800m处开玩法始造斜,第1个2700s井斜角由0.2°匀速变化60°,方位角保持0°,工具面角保持0°;第2个2700s井斜角□保持不变,方位角变化30°,工具面角保持0°;第3个2700s井斜苹果版角匀速变化29.8°,方位角变化30°,工具面角变化10°,之后4500s保持水平钻进,总仿真时间为3.5h。仿真条件:陀螺常值漂移为1°/h(和0.1°/h),加速度□ 常值漂移为100μg,加上该配置IMU实验室静止条件下采集的随机噪声。采用高精度的磁性测量装订惯性初始值,方位角对准误差0.5°,水平姿态◥角对准误差为0.06°。钻进速度0.2m/s,速度误差为0.01m/s,惯性数据频率50Hz,滤波周期为1s。

                3.2仿真结果分析为了对比分析,文中分别进行了0.1°/h常值漂移的陀螺纯↓惯性测量、1°/h常值漂移的陀螺纯惯手机端性测量、1°/h常值漂移的陀螺组合测量的仿真。表1比较了3种方案在⌒整个过程中的最大误差(跳过滤波稳定▲期从第10s算起)。由于纯惯性测量高度通道发散,会严重影响姿态及登陆位置结果,仿真中纯惯性软件测量高度通道给真值。表1中第2、第3列分别是2种精度的陀螺纯惯性测量最大误差结果,可以看出,单纯惯性长时间测量时陀螺的精度对姿态测量误差『影响很大,0.1°/h常值漂移的陀螺可以满足方位角误差1°,井斜角误差㊣ 0.1°的随钻测量要求,而1°/h常值漂移的陀螺无法满足。表1中的第4列是1°/h常值漂移的陀螺经文中方法组合测量的最大误差结果。从姿态角来看,I、A、T的最大▓误差分别达到0.02°、0.92°、1.02°,较纯惯性测量的0.29°、3.54°、2.95°,姿态精度有效提高,达到0.1°/h常值漂移陀玩法螺的纯惯性测量水平。位置的提高效果也非常明显,原本误差都随时间快速发散,不能单独使用,经KF组合补偿后误差受到极大限制,收敛到可以实用的量级。图3、图4、图5为常值漂移为1°/h的陀螺纯惯性测量和加入轴向速度组合滤波后的井斜角、方位角、工具面角的结果ㄨ图。实线是纯惯性结果,虚线为KF结果。在大范围井斜变化及方位变化条件下,采用轴向速度更新的卡尔曼闭环滤波器很好地估计并补偿了纯惯性的测量误差,使得1°/h常值漂移的陀螺对井斜、方位和工具面角的测量误差能够长时间保「持在0.1°、1°和1°左右,达到了0.1°/h漂移的陀螺纯惯性测量水平。图6为合成的井眼◥轨迹走向图,在800m高度变化和2000m水平位移变化的井眼轨迹测量中,测量曲线(见图6中虚线)与实际曲线(见图6中实线)基本一致,经过文中所述方法的修正,较低精度惯性器件测量性能已大大提高。4结论(1)模拟水平井测量ぷ的仿真研究表明,采用常值漂移1°/h的陀螺进行纯惯性测量,姿态误差发╳散较大,必须使用0.1°/h的陀螺才能满足随钻测量要求。(2)本文设计的组合滤波器用钻杆轴向速度信息辅助惯性测量,同样条件下方位角和井斜角误差长时间保持在1°和0.1°左右,位置∩精度也大大提高,使得较低精度的陀螺配置达到较高水平的测井要※求,有效降低了惯性测量的成本。(3)结合钻探中的实际地矿,设计有利客户端于惯性随钻测量的井眼轨迹@ 需要进一步研究。

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