專利名稱：測定鉆孔方向的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在對一鉆孔進行穿鑿過程中來測定此鉆孔方向的方法。
具體地說，本發(fā)明涉及在對鉆孔進行穿鑿時，利用裝設在所用鉆桿柱中的三軸加速器/磁強計組件，來探測鉆孔方向的方法，此方法包括以下步驟測量已知局部重力加速度矢量 g的重力加速度分量gx、gy、gz，用來測定傾角θ與高側角；同時測量總磁場 B的磁場分量Bx、By、Bz，用來測定方位角ψ。
x、y與z指在上述穿鑿過程中固定到所說組件上的笛卡兒XYZ坐標系中的矢量分量，而ψ、θ與指界定出在上述XYZ系統(tǒng)與笛卡兒NEV坐標系之間的轉動的角度，這里的N指磁北方向，V指垂直的 g方向而E指東向。
這樣一種方法已公開于美國專利4163324號中。其中示明，在采用的鉆桿柱中包括有一個鉆頭，它的一側由一個非磁性的鉆鋌連接而它的另一側則由一組磁性材料的鉆鋌連接。隨后，這樣一個組又連接到一鉆管上。這一非磁性的鉆鋌包括一個監(jiān)視儀，例如三軸加速器/磁強計組件。在測量總磁場 B時，除地磁場 Be外，還包括例如來自上述鉆頭和/或這種鉆鋌的擾動磁場。在上述專利中，對于磁性鉆桿柱的影響，假定只是一個沿著鉆孔軸線Z的 Bp矢量近似 Bpz即已足夠。這樣一種假設能在第一步中計算出一個不正確的方位角，在下一步中應用迭代程序來確定出至少一個第一級修正量。但在許多情況下，假設只是一個 Bpz和 Bpz的近似值是遠離現實的。
例如，周知在穿鑿過程中，非磁性的鉆鋌可以成為磁化的，結果導致在所謂的熱點包圍的擾動磁場中具有無法預定的方向。
在美國專利4682421號中提出了一種通過在測量儀器所在位置計算擾動的誤差磁場M，來確定正確方位角的方法。
具體地說，該項專利中公開了一種對上述問題的兩步處理法。在第一步中，確定了重力加速度向量 g和測量了等于( Be＋ M)的總磁場 Bm后，便測定了 M的交叉軸向分量 Mxy。對于此第一步來說，至少需要三個x—y測量值，這是因為 Mxy是由上述測量值構成的圓用圖解方法推導出的。因此，在進行上述測量時，是使鉆桿柱在一個位置上沿著鉆孔的軸線，即沿著此測量坐標系的Z軸轉動。內行的人當知，鉆桿柱在上述位置上沿著鉆孔軸線轉動將會延遲鉆孔的穿鑿作業(yè)。
在此專利的第二步中，示明了對 Mz進行幾何方法的測定。但由于應用了余弦律(如該專利的圖3中所示)來獲取最小誤差值，從數字上就必須限制在一個包括有θ與θ0在內的所有相關參數的平面內，因而所提供的測定結果只能看作是一種近視。結果， Mz與ψ中的可能誤差將依賴于此余弦律中已用到的參數的誤差。
為此，本發(fā)明的第一個目的在于解決在每次轉動鉆桿柱時都需測定鉆孔方向的問題。
本發(fā)明的第二目的在于提供一種能通過直接計算來確定方位角的方法。
本發(fā)明的第三個目的在于給出一種能獲得獨立計算出的參數值而避免傳播誤差計算的方法。
因此，根據本發(fā)明，對上述方法的改進之處在于 g與 B至少是在兩個鉆孔深度Li與Li＋1處測出的，使得i≠i＋1；而ψi與ψi＋1是根據 Bi＝〔i〕T〔θi〕T{〔ψi〕TBe}＋ Bp與sin2ψi＋cos2ψi＝sin2ψi＋1＋cos2ψi＋1或它的一個等價公式算出的，這里的i＝1，2，…， Be是局部地磁場， Bp是擾動 Be的磁場，而〔〕T是用于在歐拉角、θ與ψ下從NEV系列ZYZ系的坐標變換中的所謂“轉置”矩陣。
在本發(fā)明的另一實施例中， g與 B是在至少三個鉆孔深度li、li＋1與li＋2下測量的，使得i≠i＋1≠i＋2；而ψ、ψi＋1與ψi＋2則是依據Bi＝〔i〕T〔θi〕T{〔ψi〕TBe}＋ Bp算出的，i＝1，2，3，…。
在如上所述的本發(fā)明的一個最佳實施例中，提供了檢驗所求得的方位角結果的一個步驟，即去核實恒等式sin2ψ＋cos2ψ＝1，同時對每一個ψ進行比較。
這樣，如上所公開的本發(fā)明具有這樣的優(yōu)點在穿鑿鉆孔過程中，基本上是以連續(xù)的方式求得測量值的，這無論是對于鉆孔方向的測定還是對于檢驗測量值本身都是如此。因此，測量過程中的不規(guī)則性，例如起因于未預料到的地層條件或設備缺陷的不規(guī)則性，是可以快速和可靠地查出的。
在本發(fā)明的另一實施例中，測定了擾動磁場 Bp。有利的是， Bp是從直接計算求得，從而避免了例如在迭代過程與圖解測定中的近似方法。
下面參看附圖以舉例方式更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中

圖1示明了鉆孔內加速度計/磁強計組件的，用來相對于同一笛卡兒坐標架來測量 g與 B的布置方式；圖2A與2B分別表示地球參考坐標價NEV與固定工具和連接組件的XYZ坐標架；圖3表明了由歐拉角坐標變換所連接的鉆孔方向與坐標架定向的周知原理；而圖4示意地表明了依據本發(fā)明的在穿鑿過程中進行測量的方法。
參看圖1，其中示意地繪出了設在一鉆孔內的測量儀表。此儀表包括一種周知的加速度計/磁強計組件，用來測量重力矢量分量gx、gy、gz與磁場向量分量Bx、By、Bz。此儀表布置成使它的Z軸與鉆孔的Z軸準直。因此，加速度計與磁強計儀表部件的X軸與Y軸如此圖所示相互準直。
圖2A與2B中示意地表明了所用的坐標架。圖2A中示明了地球的參考坐標架NEV，N指局部磁北方向，V指垂直方向即具體所說的局部重力矢量的方向，而E指東向，垂直于N與V構成的平面。圖2B中示明了笛卡兒XYZ軸，其中的Z軸與鉆孔Z軸線準直。
圖3(例如可在美國專利4163324號中看到)示意地表明了相對于鉆孔1的NEV與XYZ坐標架和它們相互相對的關系。如此圖所示，有三個轉動組成的序列NEV—ψ→N，E，V—θ→N2E1Z—→XYZ與各個坐標架的矢量，即方位角ψ、傾角θ與高側角這些所謂的歐拉角相關聯(lián)，而這是熟悉本項技術的人所周知的。上述轉動屬一般的坐標變換，可由矩陣表示，對于矢量PXYZ與PNEV給出一公式PNEV＝〔ψ〕〔θ〕〔〕PXYZ或等價地有PXYZ＝〔〕T〔θ〕T〔ψ〕TPNEV，其中[ψ]=cosψ-sinψ0sinψcosψ0001---(1)]]>[θ]=cosθ0sinθ010-sinθ0cosθ---(2)]]>[φ]=cosφ-sinφ0sinφcosφ0001---(3)]]>而〔ψ〕T〔θ〕T與〔〕T是相應的所謂“轉置矩陣”。如上所述，對于任何PXYZ—PNEV矢量偶，可把同樣的結果用于在NEV坐標架中的重力矢量 g即(o，o，g)以及 B即(BN，O，BV)。這樣有 BxByBz=[φ]T[θ]T[ψ]TBN0BV---(5)]]>對于這一重力矢量的具體例子，應看到傾角θ與高側角對每一個測量位置都能容易地測定，例如這可以從前述的美國專利4163324號中看到。
圖4示意地表明了用來在穿鑿一鉆孔時來測定此鉆孔方向的方法。從地球表面S上的鉆機處穿鑿出一個鉆孔b。為清楚起見，繪出一平行的曲線/(以虛線標出)L，用來指明鉆孔的深度(或鉆孔長度，或鉆孔位置)L0，L1…，它們是沿著鉆孔測量的，而L0是在S處，在這樣一些位置上進行 g與 B的測量。圖中示意地表明了Xi、Yi、Zi，指出了測量儀表在此鉆孔中的變動位置。如前所述， Bp被認為是與鉆桿柱的特點有關，從而又導致所說矢量根據XYZ坐標架的轉動與移動，隨著鉆桿柱中的測量儀表轉動與移動。
從以上所述可清楚地了解到，在每一種鉆孔深度或位置Li處，總磁場 Bi可以寫作 Bi＝ Be＋ Bp。但是，為了計算出此矢量和，必須選擇公共的基或公共的坐標架。如上所述，通常是采用XYZ坐標架與NEV坐標架的。
為了求出鉆孔的方向，除角θi與i外，必須確定方位角ψi。于是，上述矢量和可以表示為BxByBzi=[ψ]iT[θ]iT{[ψ]iTBN0BV}+BpxBpyBpz---(6)]]>對于任意的鉆孔深度Li或測量數i。從以上方程容易看出，Bx、Xy與Bz由于它們是測量值因而是已知的；矩陣與θ矩陣也是已知的，因為它們是以上述方式測定的；BN與BV是根據地磁數據庫得知的；結果，仍然需要去求得方位角ψ與磁場擾動矢量分量。
根據本發(fā)明，至少是對于兩個鉆孔深度Li與Li＋1(可寫作為L1與L2)，測量了 g與 B的分量。然后，對于這兩種測量值，重新改寫以上方程而求得以下方程Bx1By1Bz1=[φ1]T[θ1]T{-BNsinψ1BVBNcosψ1}+BpxBpzBpy---(7)]]>Bx2By2Bz2=[ψ2]T[θ2]T{-BNsonψ2BVBNcosψ2}+BpxBpyBpz---(8)]]>對以上方程(7)與(8)進行周知的直接計算即可得知，對各個矢量分量X、Y與Z所求得的6個標量方程可以認為共包括7個未知參數，即cosψ1、sinψ1、cosψ2、sinψ2、Bpx、Bpy與Bpz。
為了唯一地求得到ψ1與ψ2，將sin2ψ1＋cos2ψ1＝sin2ψ2＋cos2ψ2取作第七個標量方程。內行的人顯然可知，還可使用等價的方程sin2ψ1＋cos2ψ1＝1或sin2ψ2＋cos2ψ2＝1。從數學上顯然可知1≠2，因而鉆桿柱會被帶動旋轉的。這一準則常常能達到的，這是因為鉆桿柱在穿鑿鉆孔時總是在測量位置間轉動的。這樣，最好是利用穿鑿作業(yè)中經常發(fā)生的鉆桿柱的轉動，而不是去中止穿鑿作業(yè)而后再如上所述地去轉動。當對于上述7個參數計算出它們的值以后，便可根據(9)ψi=arctan(sinψicosψi)---(9)]]>求得ψi的值。
根據相同的思路，對于在例如L1、L2與L3相應的三個測量位置處的三個測量值，可以得出以下幾個方程，其中有兩個同(7)與(8)一致Bx1By1Bz1=[ψ1]T[θ1]T{-BNsinψ1BVBNcosψ1}+BpxBpyBpz---(7)]]>Bx2By2Bz2=[ψ2]T[θ2]T{-BNsinψ2BVBNcosψ2}+BpxBpyBpz---(8)]]>Bx3By3Bz3=[ψ3]T[θ3]T{-BNsinψ3BVBNcosψ3}+BpxBpyBpz---(10)]]>由重新構成的上述方程(7)、(8)與(10)求得的9個標量方程可以按上述相同的方式看出對于這9個未知參數來說，以上的方程組是完備的，為了求得以上參數的唯一解是不需另外的方程的。對于現在的方程組，可把cosψ1、sinψ1、cosψ2、sinψ2、cosψ3、sinψ3、Bpx、Bpy與Bpz再次視作為獨立變量。此外，ψi的值可以依據前述方程求得。
類似于只有兩個測量值的情形，注意到1≠2≠3，而不再需要特別的轉動作用。
在本發(fā)明的另一實施例中包括有檢驗程序。
在已然于兩個位置L1與L2上進行了測量后，將等價關系sin2ψ1＋cos2ψ1＝sin2ψ2＋cos2ψ2，即sin2ψ1＋cos2ψ1＝1或sin2ψ2＋cos2ψ2＝1用于檢驗目的。要是出現了距離1的顯著偏差時，在下一個鉆孔深度，取新的一組B與g的測量值，并可以重復此檢驗程序。有利的是，對于這種檢驗也不需作另外的轉動。此外只需測量不同的高側角。
至于已在至少三個位置進行了測量因而用了九個方程來測量方位角ψ1、ψ2與ψ3時，現在首先對于各個i值應用恒等式sin2ψi＋cos2ψi＝1或它的一個等價式sin2ψi＋cos2ψi＝sin2ψi＋1＋cos2ψi＋1。對于前述檢驗程度的應用，作出了相同的觀察結果。
在下一個步驟中可以精確和可靠地測定出Bp。在絕大多數情形下， Bp與鉆桿柱的特性有關。除了這種Bp的測定外，還可求出Bp中的突然變化，例如因工具故障、磁暴、異常的磁場等所造成的這類變化。
如上所述，對于以上的一種或另一種測定程序，分別只需要兩或三組測量值。顯然，通常的作業(yè)條件涉及到數千英尺或若干公里的鉆孔深度，同時取得了許多組測量結果?？傊?，可以很快地和可靠地測定出和依循著鉆孔的方向，而不需在操作上作出特殊的努力。
熟悉本項技術的人將可根據前面的描述作出種種變更型式的，但這種種變更型式應認為屬于本發(fā)明的后附權利要求書之內。
權利要求
1.在對鉆孔進行穿鑿時，利用裝設在所用鉆桿柱中的三軸加速器/磁強計組件來探測此鉆孔方向的一種方法，此方法包括如下步驟測量已知局部重力加速度矢量g的重力加速度分量gx、gy、gz，用來測定傾角θ與高側角；同時測量總磁場 B的磁場分量Bx、By、Bz，用來測定方位角ψ；上面的x，y與z指在所說穿鑿過程中固定到前述組件上的笛卡兒XYZ坐標系中的矢量分量，而ψ、θ與指界定出在上述XYZ系統(tǒng)與笛卡兒NEV坐標系之間的轉動角度，這里的N指磁北方向，V指垂直的 g方向而E指東向，其中 g與 B至少是在兩個鉆孔深度li與li＋1處測出的，使得i≠i＋1；而ψi與ψi＋1是根據 Bi＝〔i〕T〔θi〕T{〔ψi〕TBe}＋ Bp與sin2ψi＋cos2ψi＝sin2ψi＋1＋cos2ψi＋1或其一個等價公式算出的，這里的i＝1，2，…， Be是局部地磁場， Bp是擾動Be的磁場，而〔〕T是用于在歐拉角、θ與ψ下從NEV系到XYZ系的坐標變換中的所謂“轉置”矩陣。
2.如權利要求1所述的方法，特征在于它還包括以下步驟檢驗上述等價式sin2ψi＋cos2ψi是否等于1；如果(sin2ψi＋cos2ψi)≠1且i≠i＋1≠i＋2，至少在又一個鉆孔深度li＋2處測量 g與 B；計算ψi＋2，再進行下一個檢驗步驟。
3.在對鉆孔進行穿鑿時，利用裝設在所用鉆桿柱中的三軸加速器/磁強計組件來探測此鉆孔方向的一種方法，此方法包括如下步驟測量已知局部重力加速度矢量 g的重力加速度分量gx、gy、gz，用來測定傾角θ與高側角；同時測量總磁場 B的磁場分量Bx、By、Bz，用來測量方位角ψ；這里的x、y與z指在所說穿鑿過程中固定到前述組件上的笛卡兒XYZ坐標系中的矢量分量，而ψ、θ與指界定出在上述XYZ系統(tǒng)與笛卡兒NEV坐標系之間的轉動角度，這里的N指磁北方向，V指垂直的 g方向而E指東向，基中 g與 B至少是在三個鉆孔深度li、li＋1與li＋2處測出的，使得i≠i＋1≠i＋2；而ψi、ψi＋1與ψi＋2是根據 Bi＝〔i〕T〔θi〕T{〔ψi〕TBe}＋ Bp計算的，這里的i＝1，2，…， Be是局部地磁場， Bp是擾動 Be的磁場，而〔〕T是用于在歐拉角、θ與ψ下從NEV系列XYZ系的坐標變換中的所謂“轉置”矩陣。
4.如權利要求3所述的方法，特征在于它還包括下述步驟對于至少一個i檢驗是否sin2i＋cos2i＝1，或檢驗它的一個等價公式，如果sin2ψi＋cos2ψi≠1且i≠i＋1≠i＋2≠i＋3，則在至少又一個鉆孔深度li＋3處測量 g與 B；計算ψi＋3，再進行下一個檢驗步驟。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法，特征在于測定出擾動磁場Bp。
全文摘要
穿鑿過程中來測定鉆孔方向的方法，包括根據重力加速度g的測量值來測定傾角θ與高側角Φ，根據磁場B來測定方位角Φ，這些測定是在由歐拉角坐標變換相關聯(lián)的通常為XYZ與NEV坐標系中進行的。特別是g與B是在至少兩個鉆孔深度處進行的，使得Φi≠Φi+1，而Φi與Φi
文檔編號E21B47/022GK1116440SQ94190932
公開日1996年2月7日 申請日期1994年1月12日 優(yōu)先權日1993年1月13日
發(fā)明者威廉·詹姆斯 申請人:國際殼牌研究有限公司