[发明专利]借助于外部导航系统的井孔勘测陀螺仪器和惯性仪器的方位初始化和校准

说明书

介绍

本发明涉及用于井孔勘测的陀螺和/或惯性仪器的方位初始化和校准的系统和方法。

背景

井孔勘测因为很多原因而进行。最佳的井布置包括撞击地质目标、避免断层或危险区的能力以及像目标进入角、转弯限制(dogleg restriction)等其他方向性的考虑。安全性方面包括避免与其他井的碰撞以及减压井的正确布置。另外，通过油藏模型(reservoir model)和油藏工程(reservoir engineering)的改进，勘测有助于油藏的开发。

图1显示用于井孔勘测的原理。勘测的目的是得到沿着井孔w的位置坐标NEV，其中N是北、E是东且V是竖直坐标。NEV坐标系是正交的。在地面下的情形下，没有能够直接测量NEV坐标的方法。相反，常规的步骤是从以下三个参数的测量结果中推导出这些坐标：沿着钻孔的深度(D)，其从钻探设备上的参考点起测量；倾角(I)，其偏离竖直方向；方位角(A)，其为与水平(N-E)面上的井孔投影的北方向所成的角。特定井孔位置处的NEV坐标被计算为井孔起始位置加上源自测量的D、I、A的坐标增量。测量可以在钻探期间(MWD)进行，或者作为钻探后的绳索操作(wireline operation)来进行。D被测量为插入钻孔中的钻柱或绳索的长度。I通过一组加速计测量，其记录仪器主体相对于地球重力方向的定向。相同的原理用于钻探期间和绳索操作期间。方位角A能够通过两种不同的传感器原理测量：通过磁力计，利用地球的磁场和磁北方向作为参照物；或者通过陀螺传感器(gyroscopic sensor)，其记录仪器主体的旋转，包括地球自身的旋转。陀螺仪的参考方向因此是地理北极。磁性仪器由于坚固性而对于MWD目的来说通常是优选的，而陀螺仪器对于绳索勘测来说是优选的。对于两种仪器类型来说，倾斜度和深度通常用相同的原理测量。

GB2445201涉及一种使用全球定位系统(GPS)的井孔勘测系统。GPS系统在获得初始表面位置和定向数据时是受质疑的。US20040148093A1、US20070136019A1和US007219013B1涉及GPS和惯性/陀螺系统的整合。GPS是单个天线系统，其提供离散的位置和惯性系统测量移动。所有的测量结果送到导航过滤器中，其处理关注目标的位置和动态。惯性平台不使自身与北方向相对地对准，并且该对准被引入作为过滤器中的参数，其间接地由GPS和惯性数据确定。然而，对准角的精确估计依赖于目标的实质移动。这与本发明的实施方式相反，在本发明的实施方式中，惯性平台的对准仅由多天线的GPS系统确定。在下面的文献中探讨了GPS在方位对准方面的现有技术使用的原理：A.O.Salycheva，M.E.Cannon，2004：“Kinematic Azimuth Alignment of INS using GPS Velocity Information(使用GPS速度信息的INS的运动学方位对准)”.NTM 2004Conference(NTM2004会议)，San Diego(圣地哥)，CA(加利福尼亚)，January 2004(2004年1月)。

井孔勘测在对井进行钻探时进行(MWD；随钻测量)或者在钻探完成后进行。MWD勘测传统地使用磁性仪器；然而，MWD陀螺勘测(gyroscopic surveying)是即将到来的技术。MWD测量是静止的。钻探后勘测主要以静止或连续的模式使用陀螺仪器。根据精度和可靠性的需求以及操作和环境的限制，典型的勘测程序将包括各种磁性和陀螺的勘测。陀螺方位测量能够以静止或连续的模式完成。

静止模式

静止模式中，方位由陀螺平台指北(gyrocompassing)确定，即方位角根据沿着陀螺仪的量测轴线的地球旋转投影来计算。为了减小陀螺仪不规则噪音的影响，传感器读数通过在典型地1-20分钟的一段时间期间进行平均来获得。在用于井孔勘测的很多工具中，陀螺仪偏移(系统噪音)通过使传感器在陀螺仪工具壳体内部旋转而在两个相反方向上进行测量来抵消。平均和偏移抵消过程两者都需要工具在这些类型的测量期间保持稳定。因此，该操作被称为静止模式。方位角在沿着井孔的离散位置处被直接测量，并且非常耗时。

图3显示静止陀螺勘测的流程图。术语静止意指仪器沿着井孔在有规律的间隔处暂停，并且在这些勘测站处进行方位测量，称为陀螺平台指北。在这些测量期间，仪器必须完全地稳定。

勘测步骤包括：