CN105806364A - 一种矿用回转钻机测斜仪探管的校准方法 - Google Patents

Abstract

一种矿用回转钻机测斜仪探管的校准方法是采用三轴重力加速度传感器椭球拟合法，识别三轴重力加速度传感器的非正交误差、灵敏度误差和常值漂移误差；采用绕探管轴线旋转空间几何法，将三轴重力加速度传感器坐标系和载具坐标系对准；采用标量积不变法，识别三轴磁阻传感器的非正交误差、灵敏度误差、常值误差、以及和载具坐标系的未对准误差。本发明测量获得的有效数据经过本方法校准后获得较准确的航向角、倾角、以及工具面向角，利用该数据绘制获得理论钻孔轨迹，经测试获得的理论钻孔轨迹与实际设定的轨迹偏差不大于1m/100m。

Description

一种矿用回转钻机测斜仪探管的校准方法

技术领域

本发明涉及一种矿用离线式随钻测斜仪的数据校准方法，具体而言是类似于电子罗盘校准，但又有自身的特性，其中涉及三轴重力加速度计校准、三轴磁阻传感器校准，以及两组三轴传感器和载具坐标系对准校准，它是辅助于轨迹绘制的一种数据融合方法。

背景技术

随钻测斜仪在定向钻井技术中主要完成钻孔轨迹测量工作，为了能有效控制钻孔轨迹，必须对井斜角、方位角和工具面角，即倾角、航向角和横滚角等参数进行精确测量。然而这些参数都得由安装在测斜仪探管中的三轴重力加速度计和三轴磁强计的所测值推出，所以三轴传感器的测量值的精度就成为绘制钻孔轨迹是否精确的关键性因素。对于两组三轴传感器而言，生产装配误差以及本身制造特性的差异成为测量误差的根本来源，数学表现形式是灵敏度误差、非正交误差、零偏误差、空间坐标系未对准误差以及交叉轴干扰误差等等。

测斜技术中姿态数据，即倾角、航向角和横滚角的数据获得方法和电子罗盘基本相同，由三轴重力加速度计和三轴磁强计的所测值推出，但是对于三轴传感器的校准方面，测斜技术要根据实际工况，借鉴电子罗盘校准方法，重新设计一套适用于矿用回转钻机探管的校准方法。目前电子罗盘的校准有基于三轴转台的标定法、有十二位置不对北标定法，椭球拟合+两步法标定，标量积不变法等，每种方法都不是完全能应用于测斜技术，每一种都有应用瓶颈，比如三轴转台标定法，它适用于体积较小的部件，而对于体积较大的探管来说，需要定做三轴转台，成本也就很可观了，同时，其校准精度完全依赖于三轴转台的机械制造精度；对于十二位置不对北标定法，它同样适用于体积较小部件，而且其校准精度也是完全依赖于铝制六面体。对于矿用回转钻机探管的校准，公开号为CN103089242A公开了“一种有源磁场标定法”，它采用三轴亥姆霍兹线圈和三轴无磁转台标定，不足之处之一是三轴亥姆霍兹线圈和三轴无磁转台价格昂贵，不利于小微企业生产；之二是标定精度依赖于两种仪器的制造工艺精度，以及被标定测量单元在标定时的安装精度，存在误差累积，标定精度较低。公开号为CN104234696A公开了“一种通过构建姿态角的误差模型曲线”并列表，然后通过查表的方式解算姿态角的标定方法，该方法虽然也是通过数学的方法来标定测量单元，但是所构建的列表需要存储空间较大，而且该方法不是从根本传感器误差本身层面解决误差问题，需要更进一步深入研究安装于探管中的三轴组合传感器的校准问题。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是如何校准现有矿用回转钻机探管的偏置及比例因子以及非正交误差、磁传感器的软硬铁误差、磁传感器和加速度传感器与探管外壳载体之间的未对准误差，并提供一种矿用回转钻机测斜仪探管的校准方法。

为了解决上述问题，本发明所采取的措施如下。

一种矿用回转钻机测斜仪探管的校准方法，所述校准方法是采用一三轴无磁转台及其校准探管以及上位机读取数据软件；所述校准探管是按既定空间角度旋转并测量空间点位的三轴重力加速度值和三轴地磁场值的姿态参数值，上位机软件通过RS-232接口和校准探管连接，并导出所测有效点位的测量值，然后由椭球拟合法，旋转几何法和标量积不变法依次执行，实现矿用随钻测斜仪的校准。

所述椭球拟合法是假设现有N个传感器测点均匀分布在空间八个象限内，即g_n(g_xn,g_yn,g_zn)(n=1,2,…,N)，式1简化为g^’=K_g(g_i-b_g)，采用矢量模的表示方法：

‖g’‖²=g^’Tg^’=g_i ^TK_g ^TK_gg_i-2b_g ^TK_g ^TK_gg_i+b_g ^TK_g ^TK_gb_g=const

其中g_i(g_xi,g_yi,g_zi)[i∈(1,N)]为一测点，逐点代入g_n并展开得到二次型椭球面，后用递推式最小二乘法计算K_g ^TK_g，再用Cholesky分解得到上三角矩阵K_g和零偏量b_g，即为校准重力加速度传感器的椭球拟合法。

所述旋转几何法是通过绕探管x轴线缓慢匀速旋转，并记录采点和N个测点；三轴重力加速度传感器的x轴测量经过椭球拟合法校准后为g^’ _xi[i∈(1,N)]，根据α_m=arcos(g^’ _xm/g₀)，后计算三轴重力加速度传感器的x轴与探管坐标系x轴的夹角，再经过冒泡法找到一最大角和一最小角度α_max和α_min，得到α=(α_max-α_min)/2，即三轴重力加速度传感器的x轴和探管坐标系的空间夹角；同理计算三轴重力加速传感器坐标系y轴g^’ _y与探管坐标系x轴之间的夹角ψ+90^o，后按三余弦定理cosα=cosψ×cosθ计算另一旋转角度θ，得到三轴重力加速度传感器坐标系到探管坐标系的旋转矩阵的三个旋转角度，获得椭球拟合校准后的三轴重力加速度计坐标系和探管坐标系的对准误差。

所述标量积不变法是在探管坐标系下选取已校准重力加速度矢量作为辅助矢量，地磁场矢量作为待校准矢量，通过采点后逐点做数量积，形成关于数量积的超定方程组，然后再通过递推式最小二乘法求解出三轴磁阻传感器相对于探管坐标系的误差。

实现上述一种矿用回转钻机测斜仪探管校准方法的技术方案，该方法是通过椭球拟合法、旋转几何法和标量积不变法三种方法依次执行校准，其中的旋转几何法是是通过绕探管轴线旋转并记录数据，再通过空间几何方法求出两个坐标系的夹角，最后通过旋转坐标系的方法将两个坐标系对准。与现有技术相比，本方法采用三种方法依步骤执行，配合使用，校准了非正交误差、灵敏度误差、常值漂移误差和未对准误差，测量获得的有效数据经过本方法校准后获得较准确的航向角、倾角、以及工具面向角，利用该数据绘制获得理论钻孔轨迹，经测试获得的理论钻孔轨迹与实际设定的轨迹偏差不大于1m/100m。

附图说明

图1是本发明经过椭球拟合后的三轴重力加速度坐标系绕探管坐标系x_TG轴线旋转的空间示意图。

图2是本发明探管坐标系按照绕z_TG轴旋转，再绕y_TG轴旋转的矢量旋转示意图。

图3是本发明在地球上某个固定地点，地磁场矢量和重力加速度矢量的示意图。

图4是本发明测量探管的校准流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

本发明是针对现有矿用回转钻机测斜仪探管的校准硬件，在电子罗盘校正方法的基础上，提出一种结构更加完善、成本更加低廉的探管校准方法，即在标量积不变法的基础上，使用一台辅助三维无磁转台，或者其他辅助可旋转机械装置开发的一种组合校准方法，具体来说就是椭球拟合法+载具旋转法+标量积不变法。

实施本发明上述所提供的一种矿用回转钻机测斜仪探管的校准方法，该方法的实现装置是包括一个三轴无磁转台和一根内部安装了三轴重力加速度传感器和三轴磁阻传感器以及CPU等辅助器件的探管，上位机读取数据软件。

其中，三轴无磁转台用于固定探管，并按既定的空间角度旋转。探管用于测量空间点位的姿态参数，包括三轴重力加速度值和三轴地磁场的值。上位机软件通过RS-232接口和探管连接，用于导出所测点位的测量值，然后用于后续校准算法开发。具体校准方法包含有三个步骤如下。

第一步、三轴重力加速度坐标系的校准，包括单轴重力加速度计的灵敏度和零漂校准，以及三轴重力加速度坐标系的非正交误差校准。

第二步、三轴重力加速度坐标系和载具坐标系未对准，如附图1所示，让探管和竖直方向(重力方向)呈约30^o左右的角度，然后绕x_TG轴缓慢旋转3周左右，期间连续采点，采集完毕后导出重力加速度传感器的数据，应用椭球拟合法校准完毕后，再应用冒泡法和空间几何法计算出载具坐标系和三轴重力加速度传感器坐标系之间的夹角，如附图2所示，同时计算出两坐标系之间的旋转矩阵。

第三步、在探管(载具)坐标系内用校准后的重力加速度矢量g当作辅助矢量和未校准的地磁场矢量做数量积，即三轴磁阻传感器的测量值做数量积，然后按数据融合法，即递推最小二乘法RLS，估计出三轴磁阻传感器的误差矩阵。即获得整个测斜单元(探管)的校准。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

实施例1

在上述具体实施方式的基础上，进一步实施所述的一种矿用回转钻机测斜仪探管的校准方法，该校准方法是首先给出三轴传感器的误差模型，然后再根据误差模型给出校准方法的实施步骤。

1）三轴重力加速度传感器

三轴重力加速度传感器因为不存在交叉轴干扰，所以其误差矩阵为上三角矩阵。

其中g_TG为重力矢量在探管(载具)坐标系的三轴分量，g为三轴重力加速度传感器在地球重力环境下的测量值，K_g为重力加速度传感器的误差矩阵，b_g是三轴传感器的零漂误差，C_gTG是三轴重力加速度坐标系到探管的载具坐标系的旋转矩阵，即两个坐标系的对准误差矩阵。

2）三轴磁阻传感器

三轴磁阻传感器由于存在交叉轴干扰和对准误差等，其误差矩阵不存在固定形式，所以一般写成如下形式：

式中：B_TG为地磁场矢量在探管(载具)坐标系三轴分量，K_B为三轴磁阻传感器到探管(载具)坐标系的误差矩阵，B为三轴磁阻传感器的在地磁场环境下的测量值，b_B是司钻过程中的加性误差(包括硬铁误差和零漂误差)。

具体实施步骤分如下三步。

第一步、将探管固定到三轴无磁转台上，然后按照等夹角法或者等面积法，或者其他方法旋转并采集数据，要求空间八个象限内都要有点，并且大约分布均匀，采集约N(N≈800)个点左右。然后用上位机软件导出所采的点，先将N个采点的三轴地磁场值B_n(B_xn,B_yn,B_zn)(n=0,1,2,…,N)保存起来供后续校准使用，然后将三轴重力加速的测值用椭球拟合法和递推式最小二乘法(RLS)估计出误差矩阵K_g，然后再用当地的实际重力加速度值g₀(近似值为9.8m/s²)用模相等的方法求出零漂误差b_g。至此，三轴重力加速度传感器坐标系校准了非正交误差、零偏误差和灵敏度误差。

第二步、将探管如附图1放置，即探管轴线(x_TG)和竖直方向(重力加速度方向)夹角约30^o左右，然后绕其轴线(x_TG)缓慢滚动并同时采集测点，要求采集至少三圈，采集M(M…200)个点。然后取下探管，并用上位机软件导出数据，同样只考虑三轴重力加速度测值g_m(g_xm,g_ym,g_zm)(m=0,1,2,…,M)，将导出的M个点的三轴重力加速度值用式1校准后再按照α_m=arcos(g^’ _xm/g₀)，m=(0,1,…,M)计算，α_m为重力加速度矢量和第m个点的x轴(g^’ _xm)的夹角，如图1所示，且在(α₀,α₁,…,α_m)中用冒泡法必能找到一个最大值为α_max，和一个最小值为α_min，根据附图1所示，α=(α_max-α_min)/2，α是经第一步校准后的三轴重力加速度传感器坐标系x轴g^’ _x和探管(载具)坐标系的x_TG的空间夹角。同理可求出三轴重力加速传感器坐标系y轴g^’ _y与载具（探管）坐标系x轴之间的夹角ψ+90^o，其中ψ是g^’ _y与y_TG的空间夹角。然后再根据三余弦定理cosα=cosψ×cosθ计算出另外一个旋转角度θ，即载具坐标系经过绕z轴旋转ψ角，然后再经过绕y轴旋转过θ角就和三轴重力加速度坐标系重合，如附图2所示。由此可获得经椭球拟合校准后的三轴重力加速度传感器坐标系到探管(载具)坐标系的旋转矩阵，即对准误差矩阵，如下式4所示，至此已将三轴重力传感器坐标系和探管(载具)坐标系对准。如果将下式5近似就得到式2的形式。

第三步、将第一步采集的N个测点用式1和式2(或者式5)将三轴重力加速测量值校准后，作为辅助矢量，用g_TGn(g_TGxn,g_TGyn,g_TGzn)(n=0,1,2,…,N)表示，然后根据附图3所示，用辅助矢量g_TGn和未校准的地磁场矢量(未校准的三轴磁阻传感器输出值)B_n(B_xn,B_yn,B_zn)(n=0,1,2,…,N)做数量积。理论上对于地球上某一固定地点，重力矢量和地磁场矢量的夹角固定为一个磁倾角β的余角(90-β)，所以两个矢量的数量积是一个固定值。

即g_TGn·B_n=g_TGxn*B_xn+g_TGyn*B_yn+g_TGzn*B_zn=|g₀|*|B₀|*cos(90-β)(n=0,1,2,…,N)(6)

逐点求数量积，然后建立N个点的超定方程组，最后用递推式最小二乘法(RLS)估计出三轴磁阻传感器的误差矩阵K_B，和加性误差b_B。

至此，整个测量单元(探管)完成了所有误差的校准，即求出误差矩阵和零漂误差。

Claims (4)

1.一种矿用回转钻机测斜仪探管的校准方法，所述校准方法是采用一三轴无磁转台及其校准探管以及上位机读取数据软件；所述校准探管是按既定空间角度旋转并测量空间点位的三轴重力加速度值和三轴地磁场值的姿态参数值，上位机软件通过RS-232接口和校准探管连接，并导出所测有效点位的测量值，然后由椭球拟合法，旋转几何法和标量积不变法依次执行，实现矿用随钻测斜仪的校准。

2.根据权利要求1所述的校准方法，所述椭球拟合法是假设现有N个传感器测点均匀分布在空间八个象限内，即g_n(g_xn,g_yn,g_zn)(n=1,2,…,N)，式1简化为g^’=K_g(g_i-b_g)，采用矢量模的表示方法：

‖g’‖²=g^’Tg’=g_i ^TK_g ^TK_gg_i-2b_g ^TK_g ^TK_gg_i+b_g ^TK_g ^TK_gb_g=const

其中g_i(g_xi,g_yi,g_zi)[i∈(1,N)]为一测点，逐点代入g_n并展开得到二次型椭球面，后用递推式最小二乘法计算K_g ^TK_g，再用Cholesky分解得到上三角矩阵K_g和零偏量b_g，即为校准重力加速度传感器的椭球拟合法。

3.根据权利要求1所述的校准方法，所述旋转几何法是通过绕探管x轴线缓慢匀速旋转，并记录采点和N个测点；三轴重力加速度传感器的x轴测量经过椭球拟合法校准后为g^’ _xi[i∈(1,N)]，根据α_m=arcos(g^’ _xm/g₀)，后计算三轴重力加速度传感器的x轴与探管坐标系x轴的夹角，再经过冒泡法找到一最大角和一最小角度α_max和α_min，得到α=(α_max-α_min)/2，即三轴重力加速度传感器的x轴和探管坐标系的空间夹角；同理计算三轴重力加速传感器坐标系y轴g^’ _y与探管坐标系x轴之间的夹角ψ+90^o，后按三余弦定理cosα=cosψ×cosθ计算另一旋转角度θ，得到三轴重力加速度传感器坐标系到探管坐标系的旋转矩阵的三个旋转角度，获得椭球拟合校准后的三轴重力加速度计坐标系和探管坐标系的对准误差。

4.根据权利要求1所述的校准方法，所述标量积不变法是在探管坐标系下选取已校准重力加速度矢量作为辅助矢量，地磁场矢量作为待校准矢量，通过采点后逐点做数量积，形成关于数量积的超定方程组，然后再通过递推式最小二乘法求解出三轴磁阻传感器相对于探管坐标系的误差。