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铁磁钻具引起上海昌吉测斜仪方位角的误差校正

返回列表 来源:未知 发布日期:2019-07-06 22:15【
针对铁磁钻具引入的附加干扰磁场会造成方位角测量误差,提出了借助当地地磁场对方位角误差进行校正的方法。测试结果表明,相比于使用前、后无磁钻具时方位角的测量结果,去掉测斜仪前后的无磁钻具并采用该校正方法,仍可获得高精度的方位角。该校正方法只需在软件算法做改进就可以使测斜仪钻铤抛掉配套的前、后无磁钻具,在保证测量精度的同时大幅节约了仪器成本并拓宽了测斜仪的应用。
 
煤矿井下瓦斯抽采孔、地质勘查孔及探放水孔等各种措施孔都需要对钻孔轨迹进行准确测量,以便为后续的生产作业提供指导。由于煤矿井下钻孔多数为近水平钻孔,构成钻孔轨迹的基本要素包括深度、方位角、倾角及工具面向角。对于普通回转钻进而言只需要确定方位角、倾角,而对于定向钻进需要确定方位角、倾角及工具面向角。
 
由于制造工艺及安装误差的原因,通常会来带传感器温度漂移及传感器与钻具三轴不重合等误差,如果不消除或抑制这些误差则测量结果是不可信的。实际工作中常采用多位置标定的方法将这些误差加以补偿。这种系统设计的优点是成本低、测量精度较高,适合于大规模推广应用。其缺点是前后钻具本身为铁磁材料,必然引入干扰磁场,导致方位角测量产生较大误差。为避免钻具铁磁材料的影响通常在测斜仪器的前端及后端各增加一段无磁钻铤(即前、后无磁钻铤),无磁钻铤的长度依据方位角测量的精度来确定。无磁钻铤通常采用铍铜或无磁不锈钢,其材料成本和加工成本均很高、且使用不便。考虑到测斜仪安装在钻头之后的某两节钻杆之间,而钻杆为均匀的空心圆柱体,即造成干扰磁场的磁性钻杆是轴线对称的且距离测斜仪器的测量传感器较远,这样可认为其造成的干扰磁场为一个固定方向的磁场,其方向沿着钻杆轴线,只要将这个固定方向的磁场大小估计出来在软件中加以补偿,则抛弃前、后无磁钻铤时并不影响测斜仪的测量精度。这对于降低测斜仪成本、简化测斜仪的安装及使用具有重要的意义。
 
上海昌吉测斜仪原理
基于磁强计和加速度计的测斜仪器通常沿着三个基本轴分别安装三个加速度计和三个磁强计。当测斜仪器稳定时,三个加速度计测量沿着钻铤三个轴向的重力场分量,三个磁强计测量三个轴向的地磁场分量,经过姿态解算,获得测量的姿态信息包括方位角、倾角及工具面向角。方位角是钻孔当前点的切线在水平面的投影与磁北方向的夹角,反映钻孔在水平面内的当前走向。倾角是钻孔当前点的切线与水平面之间的夹角,反映钻孔当前走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(通常钻具横截面 12 点钟定义为 0°工具面向角)之间的夹角,反映了钻具后续钻进的造斜方向。
 
在实际使用中,为了不影响地磁场的测量,基于磁强计和加速度计的测传感器仪周围不能有磁性材料的存在,故通常将测斜装置安装在一段无磁钻铤内部。此外,为了减小或消除前、后的钢制钻具对无磁钻铤内测斜装置的影响,通常在无磁钻铤前后还需要再加装一系列的无磁钻具(前、后无磁钻具长度均为 3 m 或 6 m)。煤矿井下由于特殊的工况环境,对于无磁钻具的材料选择具有很大局限性。目前,只能采用铍铜或无磁不锈钢作为无磁钻具的材料,不论铍铜或无磁不锈钢,其材料成本昂贵、加工难度大且由于强度不如钢制钻具导致测量装置及前端的钻具存在掉钻的安全隐患。如果能在保证测量精度的前提下,抛掉前、后的无磁钻具,则既提高了仪器装置在孔内测量的安全性,又节约了前、后无磁钻具的成本。基于这一目的,本文提出了借助于当地地磁场信息对方位角测量结果进行校正,以消除或减小铁磁钻具对方位角测量的影响。这种校正方法的应用基础是认为铁磁钻具造成的干扰磁场具有特定的方向性,即仅仅沿着钻具轴线方向,而在其他方向没有分量。
 
结论
(1) 基于地磁场和地球重力场的测量方法是煤矿井下各种钻孔测斜仪(随钻测斜系统、存储式轨迹测量仪)开发和应用的基础,本文介绍了该测量方法的原理,推导了钻孔测斜中三个姿态角的解算公式。
 
(2) 影响测斜仪测量精度的因素很多,本文介绍了主要的误差源:器件误差、 安装误差及磁罗差,并对各种误差补偿方法做了相应的说明。
 
(3) 针对铁磁钻具(钻杆)造成的干扰磁场对方位角测量的影响,建立误差补偿模型,提出方位角校正算法,经实验验证可以有效去除该干扰磁场的影响,提高仪器测量精度。