随钻测量磁干扰消除的研究

１ 随钻测量系统工作原理 随钻测量系统［ ４ － ８ ］ 主要包括两大部分，近钻头测量装
置和监视器，核心为近钻头测量装置。如图 １ 所示，近钻头 测量装置中的三轴加速度计、三轴磁阻传感器、三轴陀螺 仪等传感器组成的探测单元将检测到空间姿态角等信息 传给信号处理单元进行滤波、累积等处理后，将数据传给 数据发送单元调制在一定的载波上进行无线发射，由监视 器上的数据接收模块进行接收解调，送给数据处理中心处 理后将相应的信息显示给司钻人员，进而调整施工策略。
图２ 姿态角定义
（２）
（３）
其中， 为工具面角； 为钻孔倾斜角； 为钻孔方位 角；ＧＸ、ＧＹ 和 ＧＺ 为重力加速度在仪器坐标系的投影；ＧＮ、ＧＥ 和 Ｇ Ｄ 为重力加速度在地理坐标系的投影； Ｇ ０ 为当地重力加速 度的值； Ｂ Ｘ、Ｂ Ｙ 和 Ｂ Ｚ 为地磁场强度在仪器坐标系的投影；Ｂ Ｎ、 Ｂ Ｅ 和 Ｂ Ｄ 为地磁场强度在地理坐标系的投影； Ｂ Ｏ 为当地磁场 强度。
经过解算分别可以求出钻孔方位角的表达式：
（４） 从式子可以看出方位角的求取与重力加速度和地磁 感强度有关，易受磁干扰的影响，需考虑对方位角进行磁 干扰的消除，才使轨迹的监测不受磁干扰的影响。
３ 磁干扰消除法 近
近钻头监测，获取的信息再通过无线传送给监视器。由于 上、下无磁性钻杆外的钻杆通常有磁性，这就造成固定的 钻 具 磁 场 干 扰；另 外 ，还 存 在 不 确 定 的 环 境 随 机 磁 场 干 扰，如大地磁场本身的变化、岩层中存在磁石、电磁波发 射场等。因此，需想办法消除这些磁干扰。 ３．１ 直接消除法
０ 引 言 随钻测量技术（Ｍ Ｗ Ｄ ），是指在钻进的同时实现各种参
数连续测量的技术［ １ － ２ ］ ，其主要获取方位角、倾斜角、工具 面 角 、温 度 等 参 数 ，为 安 全 高 效 钻 进 提 供 可 靠 的 策 略 依 据。近年来随着非开挖技术发展，地下水平定向钻进技术 得到越来越广泛的应用，为了实现水平定向钻进中的轨迹 监控和精确导向，必须实时获取地下钻头的姿态参数和钻 头的空间位置［ ３ ］ 。但是因磁性干扰的存在，影响随钻测量 系统准确获取姿态参数，进而制约其更广泛的发展。
（５）
这样利用当地磁场 Ｂ Ｕ Ｏ 分量，可直接修正方位角。 ３．２ 大值消除法
直 接 消 除 法 只 消 除 固 有 干 扰 磁 场 ，对 于 钻 孔 过 程 中 突 变 磁 场 的 干 扰（ 如 大 地 磁 场 本 身 的 变 化 、遇 到 强 的 震 动、高的温度变化等）却无法消除。不消除这些大值干扰， 对钻孔轨迹的测量就会引起大的误差，进而使司钻人员对 钻具产生错误的调整。所以本文提出了用来消除此类磁干 扰的大值消除法。 ３ ． ２ ． １ 大值消除法原理
随钻测量磁干扰消除的研究
摘 要：针对钻探领域存在钻具固有的磁干扰及环境的随机磁干扰，从理论模型的角度研究，在前人研究的 钻具自身磁干扰直接消除法的基础上，提出了大值消除法及增加陀螺仪法解决环境的随机磁干扰问题。最后将三 种方法结合进行仿真，结果表明能可靠地解决磁干扰问题。
关 键 词：随钻测 量；磁干扰；模型；解决方法；仿真 Abstract: In order to solve the problems that the inherent magnetic interference of drilling tool and random magnetic interference of environment are exist in the drilling area,this paper studied on the theoretical model point. On the previous studies of drilling tools magnetic interference about the directly elimination put forward the methods of large value elimination and adding gyro to solve the environmental random magnetic interference.This article integrated with these methods for simulating and the results show that it can resolve interference problem reliably.
对 于 空 间 姿 态 角 的 获 得 ，根 据 导 航 学 旋 转 变 换 中 的 欧拉定理，载体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，每次转动的角度即为航向角、俯仰角 和横滚角［ ９ ］ ，即是钻进工程的方位角、倾角和工具面角， 它们的定义如图２ 所示。
具体数学关系如下：
（１）
根据上面的理论“干扰磁场基本上都沿钻具轴线方 向”可得Ｙ 轴分量的磁场增加了 ，Ｘ 轴、Ｚ 轴分量不变。地 磁场数据 的获得，一方面可以根据当地的经纬度通过 查表得到，更通常的做法是通过已有的磁强计在确保没有 磁场干扰的情况下（ 如将随钻测量装置装入钻具前） 事先 测得［ ６ ］ 。经推导可得［ ３ ］：
空间三点坐标与方位角 有关，而当有外加突变的 大的磁干扰时，钻孔方位角 会受到大的影响，进而影响 轨迹的记录。消除此类干扰，可用大值消除法，该法的核 心是利用前后监测值的变化趋势来判断是否剔除当前值。
钻具固有磁干扰消除可考虑将全部钻具换成无磁性 高强度的钻具，但其成本太高。为了更好方便地解决钻具 固有磁场干扰问题，早在 ２ ０ 世纪 ７ ０ 年代，英国的 Ｍ ．Ｋ ． Ｒ ｕ ｓ ｓ ｅ ｌ ｌ 等人就研究了垂直钻井中的方位角测量问题，得 出干扰磁场基本上都沿钻具轴线方向，并可以通过利用当 地地磁场的数值对所得方位角重新校正的办法来补偿干 扰磁场的影响［ １ ０ ］ 。