СИСТЕМА И СПОСОБ КАЛИБРОВКИ И ПРОВЕРКИ СКВАЖИННОГО ДАТЧИКА НАПРАВЛЕНИЯ, КОМПЬЮТЕРНОЕ УСТРОЙСТВО И КОМПЬЮТЕРОЧИТАЕМЫЙ НОСИТЕЛЬ
SYSTEM AND METHOD FOR CALIBRATION AND VERIFICATION OF THE BOREHOLE DIRECTION SENSOR, COMPUTER DEVICE AND COMPUTER-READABLE MEDIA

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] В этой заявке заявлены приоритеты по заявке КНР №201910969321.5, озаглавленной «Способ калибровки датчика направления» и поданной 12 октября 2019 г., и заявке КНР №201921671017.4, озаглавленной «Система калибровки и проверки датчика направления» и поданной 8 октября 2019 г., полное содержание которых включено в настоящую заявку путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к технической области калибровки и проверки скважинных датчиков направления в нефтяной промышленности и, в частности, к системе и способу калибровки и проверки датчика направления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Этот раздел описывает предысторию или контекст для вариантов осуществления настоящего изобретения, изложенных в формуле изобретения. Описанное здесь не следует рассматривать как предшествующий уровень техники, хотя он и включен в этот раздел.
[0004] При бурении и каротаже скважины датчик направления, основанный на структуре магнитных датчиков и датчиков ускорения, обычно применяется для измерения положения скважинного устройства, и точность измерения датчика направления влияет на точность траектории скважины. Чтобы обеспечить точность измерения, необходимо отслеживать и калибровать каждый из датчиков направления.
[0005] В документе US 9863785 В2 раскрыта усовершенствованная система калибровки полного поля и способ уменьшения смещения при вращении между магнитным датчиком и датчиком гравитации в системе измерения направления.
[0006] Этот способ полной полевой калибровки также подробно описан в статье Р. Эстеса и др. «Улучшение точности азимута путем использования техники итеративной калибровки по общему полю и компенсации окружения системы» (Improvement of Azimuth Accuracy by Use of Iterative Total Field Calibration Technique and Compensation for System Environment Effects), опубликованной на ежегодной технической конференции SPE в октябре 1989 г. Этот способ решает калибровочную матрицу, используя величину и направление магнитного и гравитационного полей Земли, для определения положения и выходных значений магнитного датчика и датчика ускорения в датчике ориентации по трем осям в пространстве. Однако в такой технологии для отслеживания используется магнитное поле окружающей среды, и к нему предъявляются строгие требования. Более того, поскольку магнитное поле окружающей среды и гравитационное поле Земли не направлены одинаково, процедура калибровки требует многократного сбора данных множества пространственных положений.
[0007] Кроме того, калибровочное устройство, использующее способ «калибровки по общему полю», не может точно идентифицировать угол наклона, азимут или инструментальную поверхность, а откалиброванный датчик направления часто использует способ проверки вращением на калибровочном устройстве для подтверждения точности измерения результата калибровки. В таком способе отсутствует проверка указанных выше ключевых данных измерений.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Варианты осуществления настоящего изобретения предлагают систему для калибровки и проверки датчика направления, с тем чтобы преодолеть недостаток, связанный с необходимостью раздельной калибровки магнитного датчика и датчика ускорения в процедуре калибровки датчика направления. Система содержит:
[0009] первую трехосную катушку 1 Гельмгольца, калибровочный поворотный стол 3 с подогревом, промышленный компьютер 11 управления, систему 12 сбора сигналов датчика и датчик 15 направления;
[0010] при этом промышленный компьютер 11 управления соединен с первой трехосной катушкой 1 Гельмгольца и системой 12 сбора сигналов датчика соответственно, причем система 12 сбора сигналов датчика соединена с калибровочным поворотным столом 3 с подогревом, помещенным в первую трехосную катушку 1 Гельмгольца, а датчик 15 направления помещен на калибровочный поворотный стол 3 с подогревом;
[0011] первая трехосная катушка 1 Гельмгольца выполнена с возможностью генерации дополнительного магнитного поля после компенсации статического магнитного поля окружающей среды путем регулировки под управлением промышленного компьютера 11 управления, причем значение напряженности дополнительного магнитного поля равно значению напряженности геомагнитного поля, а направление напряженности дополнительного магнитного поля совпадает с направлением гравитационного поля;
[0012] калибровочный поворотный стол 3 с подогревом выполнен с возможностью регулировки температуры и трехосных углов под воздействием дополнительного магнитного поля и с возможностью генерации первых данных сбора датчика 15 направления в различных положениях;
[0013] система 12 сбора сигналов датчика выполнена с возможностью сбора первых данных сбора и калибровки датчика 15 направления согласно первым данным сбора под управлением промышленного компьютера 11 управления.
[0014] Варианты осуществления настоящего изобретения предлагают способ калибровки и проверки датчика направления, с тем чтобы преодолеть недостаток, связанный с необходимостью раздельной калибровки магнитного датчика и датчика ускорения в процедуре калибровки датчика направления. Способ включает:
[0015] управление посредством промышленного компьютера 11 управления первой трехосной катушкой 1 Гельмгольца для генерации дополнительного магнитного поля после компенсации статического магнитного поля окружающей среды, причем значение напряженности дополнительного магнитного поля равно значению напряженности геомагнитного поля, а направление напряженности дополнительного магнитного поля совпадает с направлением гравитационного поля;
[0016] регулировку температуры и трехосных углов калибровочного поворотного стола 3 с подогревом под воздействием дополнительного магнитного поля и генерацию первых данных сбора датчика 15 направления в различных положениях;
[0017] управление посредством промышленного компьютера 11 управления системой 12 сбора сигналов датчика для сбора первых данных сбора и калибровки датчика 15 направления согласно первым данным сбора;
[0018] при этом датчик 15 направления размещен на калибровочном поворотном столе 3 с подогревом, а калибровочный поворотный стол 3 с подогревом помещен в первую трехосную катушку 1 Гельмгольца.
[0019] Варианты осуществления настоящего изобретения также предлагают компьютерное устройство, содержащее память, процессор и компьютерную программу, хранящуюся в памяти и исполняемую процессором, причем процессор реализует вышеупомянутый способ калибровки и проверки датчика направления при исполнении компьютерной программы.
[0020] Варианты осуществления настоящего изобретения также предлагают компьютерочитаемый носитель для хранения, который хранит компьютерную программу для выполнения вышеупомянутого способа калибровки и проверки датчика направления.
[0021] В вариантах осуществления настоящего изобретения датчик направления установлен на калибровочном поворотном столе с подогревом; первая трехосная катушка Гельмгольца регулируется для генерации дополнительного магнитного поля после компенсации статического магнитного поля окружающей среды, при этом величина напряженности дополнительного магнитного поля равна величине напряженности геомагнитного поля, а направление напряженности дополнительного магнитного поля совпадает с направлением гравитационного поля; температура и трехосные углы калибровочного поворотного стола с подогревом регулируются для генерации первых данных сбора датчика направления. Калибровка датчика направления решает проблему, состоящую в том, что данные магнитного датчика и датчика ускорения необходимо многократно собирать в процедуре калибровки, поскольку магнитное поле окружающей среды и гравитационное поле земли направлены по-разному. Таким образом, процедура калибровки упрощается и повышается эффективность калибровки датчика направления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0022] Чтобы более ясно представить технические решения по вариантам осуществления настоящего изобретения или предшествующему уровню техники, ниже приведено краткое описание чертежей по вариантам осуществления или предшествующему уровню техники. Следует понимать, что чертежи, описанные ниже, включают только некоторые варианты осуществления, описанные здесь, и специалисты в данной области техники могут прийти к чертежам для других вариантов осуществления без творческих усилий.
[0023] Фиг. 1 представляет схематический чертеж системы для калибровки и проверки датчика направления согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0024] Фиг. 2 представляет блок-схему управления трехосной катушкой Гельмгольца согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0025] Фиг. 3 представляет блок-схему сбора данных посредством датчика направления согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0026] Фиг. 4 представляет схематический чертеж калибровки трехосной катушки Гельмгольца согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
B
[0027] Фиг. 5 представляет принципиальную схему коррекции нулевого отклонения и калибровочного коэффициента оси X трехосной катушки Гельмгольца согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0028] Фиг. 6 представляет принципиальную схему коррекции перпендикулярного отклонения трехосной катушки Гельмгольца согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0029] Фиг. 7 представляет принципиальную схему конструкции датчика направления, установленного на калибровочном поворотном столе с подогревом, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0030] Фиг. 8 представляет принципиальную схему конструкции калибровочного поворотного стола с подогревом согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0031] Фиг. 9 представляет принципиальную схему конструкции датчика направления согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0032] Фиг. 10 представляет принципиальную блок-схему способа калибровки датчика направления согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0033] Фиг. 11 представляет принципиальную блок-схему конкретного способа калибровки датчика направления согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0034] Фиг. 12 представляет принципиальную блок-схему корректировки азимута калибровочного поворотного стола с подогревом согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
B
[0035] Фиг. 13 представляет принципиальную блок-схему коррекции нулевого отклонения и калибровочного коэффициента оси X трехосной катушки Гельмгольца согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0036] Фиг. 14 представляет принципиальную блок-схему коррекции перпендикулярного отклонения трехосной катушки Гельмгольца согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0037] Фиг. 15 представляет принципиальную блок-схему способа проверки датчика направления согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0038] Ссылочные позиции на чертежах следующие:
1 - первая трехосная катушка Гельмгольца;
2 - вторая трехосная катушка Гельмгольца;
3 - калибровочный поворотный стол с подогревом;
4 -поворотный стол для проверки угла наклона и азимута с высокой точностью;
5 - первое основание;
6 - второе основание;
7 - источник питания первой трехосной катушки Гельмгольца;
8 - источник питания второй трехосной катушки Гельмгольца;
9 - контроллер источника питания трехосной катушки Гельмгольца;
10 - контроллер переключения трехосной катушки Гельмгольца;
11 - промышленный компьютер управления;
12 - система сбора сигналов датчика;
13 - дисплей;
14 - контроллер температуры калибровочного поворотного стола с подогревом;
15 - датчик направления;
1501 - магнитный датчик;
1502 - датчик ускорения;
16 - измеритель уровня;
17 - трехосный магнитный датчик.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0039] Чтобы задачи, технические решения и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения были более понятными, варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Здесь иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения и их описания используются для объяснения настоящего изобретения, но не в качестве ограничения настоящего изобретения.
[0040] Фиг. 1 представляет схематический чертеж системы для калибровки и проверки датчика направления согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, при калибровке датчика направления система содержит первую трехосную катушку 1 Гельмгольца, калибровочный поворотный стол 3 с подогревом, промышленный компьютер 11 управления, систему 12 сбора сигналов датчика и датчик 15 направления;
[0041] при этом промышленный компьютер 11 управления соединен с первой трехосной катушкой 1 Гельмгольца и системой 12 сбора сигналов датчика соответственно, причем система 12 сбора сигналов датчика соединена с калибровочным поворотным столом 3 с подогревом, помещенным в первую трехосную катушку 1 Гельмгольца, а датчик 15 направления помещен на калибровочный поворотный стол 3 с подогревом;
[0042] первая трехосная катушка 1 Гельмгольца выполнена с возможностью генерации дополнительного магнитного поля после компенсации статического магнитного поля окружающей среды путем регулировки под управлением промышленного компьютера 11 управления, причем значение напряженности дополнительного магнитного поля равно значению напряженности геомагнитного поля, а направление напряженности дополнительного магнитного поля совпадает с направлением гравитационного поля;
[0043] калибровочный поворотный стол 3 с подогревом выполнен с возможностью регулировки температуры и трехосных углов под воздействием дополнительного магнитного поля, и с возможностью генерации первых данных сбора датчика 15 направления в различных положениях;
[0044] система 12 сбора сигналов датчика выполнена с возможностью сбора первых данных сбора и калибровки датчика 15 направления согласно первым данным сбора под управлением промышленного компьютера 11 управления;
[0045] при этом калибровочный поворотный стол 3 с подогревом представляет собой калибровочный поворотный стол модели 1503-TS-SPL компании IDEAL AEROSMITH.
[0046] На основании вышеприведенной системы вариант осуществления настоящего изобретения также предлагает способ калибровки и проверки датчика направления, как показано на фиг. 10, включающий:
[0047] S1: управление посредством промышленного компьютера 11 управления первой трехосной катушкой 1 Гельмгольца для генерации дополнительного магнитного поля после компенсации статического магнитного поля окружающей среды, причем значение напряженности дополнительного магнитного поля равно значению напряженности геомагнитного поля, а направление напряженности дополнительного магнитного поля совпадает с направлением гравитационного поля;
[0048] S2: регулировку температуры и трехосных углов калибровочного поворотного стола 3 с подогревом под воздействием дополнительного магнитного поля, и генерацию первых данных сбора датчика 15 направления в различных положениях;
[0049] S3: управление посредством промышленного компьютера 11 управления системой 12 сбора сигналов датчика для сбора первых данных сбора и калибровки датчика 15 направления согласно первым данным сбора;
[0050] при этом датчик 15 направления размещен на калибровочном поворотном столе 3 с подогревом, а калибровочный поворотный стол 3 с подогревом помещен в первую трехосную катушку 1 Гельмгольца.
[0051] В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 4, измеритель 16 уровня, размещенный на калибровочном поворотном столе 3 с подогревом, также предусмотрен для калибровки горизонтального положения калибровочного поворотного стола 3 с подогревом.
[0052] В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 4, трехосный магнитный датчик 17, размещенный на калибровочном поворотном столе 3 с подогревом, также предусмотрен для калибровки калибровочного коэффициента, нулевого отклонения и перпендикулярности первой трехосного катушки 1 Гельмгольца. Трехосный магнитный датчик 17 представляет собой датчик mag-03 или mag-13 компании Bartington.
[0053] Следовательно, до этапов S1 и S2, способ также включает следующие этапы:
[0054] (1) отслеживание трехосного магнитного датчика в стандартном магнитном поле источника, что обеспечивает точность измерения, точность самого трехосного магнитного датчика 17 и достоверность данных магнитных измерений, передаваемых на трехосную катушку Гельмгольца и датчик направления;
[0055] (2) калибровка азимута калибровочного поворотного стола 3 с подогревом.
[0056] Со ссылкой на фиг. 4, которая представляет схематический чертеж калибровки трехосной катушки Гельмгольца, способ калибровки азимута, показанный на фиг. 12, включает:
B
[0057] S121: генерацию посредством первой трехосной катушки 1 Гельмгольца векторного магнитного поля вдоль оси X после компенсации статического магнитного поля окружающей среды и получение посредством трехосного магнитного датчика 17 значения измерения под воздействием векторного магнитного поля, при этом трехосный магнитный датчик 17 после отслеживания и калибровки закреплен на калибровочном поворотном столе 3 с подогревом;
[0058] S122: регулировку азимута калибровочного поворотного стола 3 с подогревом путем контроля значений измерения трехосного магнитного датчика 17 так, что истинное северное направление измерения калибровочного поворотного стола 3 с подогревом совмещено с положительным направлением векторного магнитного поля вдоль оси Хв первой трехосной катушки 1 Гельмгольца.
[0059] (3) калибровка магнитного поля трехосной катушки Гельмгольца с использованием трехосного магнитного датчика.
B
[0060] Обратимся к фиг. 5, которая представляет принципиальную схему коррекции нулевого отклонения и калибровочного коэффициента оси X трехосной катушки Гельмгольца. Конкретная процедура калибровки калибровочного коэффициента и нулевого отклонения первой трехосной катушки 1 Гельмгольца показана на фиг. 13 и включает:
B
B
B
B1
B1
B1
B2
B2
B2
[0061] S131: регулировку первой трехосной катушки 1 Гельмгольца для генерации двух векторных магнитных полей с одинаковой величиной и противоположными направлениями на каждой из осей X, Y и Z после компенсации статического магнитного поля окружающей среды, причем значения измерения трехосного магнитного датчика 17 под воздействием векторных магнитных полей обозначены как X, Y, Z и X, Y, Z;
[0062] S132: регулировку калибровочного коэффициента первой трехосной катушки 1 Гельмгольца до тех пор, пока установленные значения первой трехосной катушки 1 Гельмгольца не будут равны значениям измерения трехосного магнитного датчика 17, при этом установленное значение первой трехосной катушки 1 Гельмгольца относится к величине магнитного поля, сгенерированного трехосной катушкой Гельмгольца, а калибровочный коэффициент относится к коэффициенту усиления;
Bmin
Bmin
Bmin
Bmin
B1
B2
Bmin
B1
B2
Bmin
B1
B2
Bmin
Bmin
Bmin
[0063] S133: регулировку нулевого отклонения первой трехосной катушки 1 Гельмгольца так, чтобы X, Y, Z имели минимальные значения, причем X=X+X, Y=Y+Y И Z=Z+Z, a X, Y, Z рассчитываются как нулевые отклонения первой трехосной катушки 1 Гельмгольца.
[0064] В варианте осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на фиг. 6, которая представляет принципиальную схему коррекции перпендикулярного отклонения трехосной катушки Гельмгольца, конкретная процедура калибровки перпендикулярности первой трехосной катушки 1 Гельмгольца показана на фиг. 14 и включает:
B
B
B
B3
B3
B3
[0065] S141: регулировку первой трехосной катушки 1 Гельмгольца для генерации векторного магнитного поля на каждой из осей X, Y и Z после компенсации статического магнитного поля окружающей среды, причем значения измерения трехосного магнитного датчика 17 под воздействием векторного магнитного поля равны X, Y и Z;
B
B3
B
B3
B
B3
B
B
B
[0066] S142: вращение трех осей калибровочного поворотного стола 3 с подогревом вдоль направления векторных магнитных полей для регулировки перпендикулярности первой трехосной катушки 1 Гельмгольца путем контроля значений измерения трехосного магнитного датчика 17 для двух осей в перпендикулярном направлении до тех пор, пока векторное магнитное поле X, генерируемое первой трехосной катушкой 1 Гельмгольца, не будет параллельно значению измерения X, векторное магнитное поле Y - параллельно значению измерения Y, а ось Z - параллельна значению измерения Z, в то время как X, Y и Z перпендикулярны друг другу.
[0067] Калибровка датчика направления с использованием трехосной катушки Гельмгольца будет подробно описана ниже.
B
G
[0068] В варианте осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на фиг. 7, которая представляет принципиальную схему конструкции датчика направления, установленного на калибровочном поворотном столе с подогревом, датчик 15 направления, подлежащий калибровке, устанавливается на калибровочном поворотном столе 3 с подогревом. Ось Z первой трехосной катушки 1 Гельмгольца регулируется после компенсации статического магнитного поля окружающей среды для генерации дополнительного магнитного поля. Сгенерированный вектор магнитного поля имеет величину, равную величине геомагнитного поля, и направление, параллельное направлению гравитационного поля Z.
[0069] В варианте осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на фиг. 8, которая представляет принципиальную схему конструкции калибровочного поворотного стола с подогревом, все три оси калибровочного поворотного стола с подогревом могут вращаться для регулировки угла. Путем регулировки температуры на калибровочном поворотном столе 3 с подогревом, три оси калибровочного поворотного стола 3 с подогревом вращаются при разных температурах для калибровки датчика направления.
[0070] В варианте осуществления настоящего изобретения способ обработки данных использует способ калибровки по общему полю для обработки данных. Способ калибровки по общему полю, предложенный в статье «Улучшение точности азимута путем использования техники итеративной калибровки по общему полю и компенсации окружения системы», опубликованной Р. Эстесом и П. Уолтерсом на конференции SPE в 1989 г., является наиболее продвинутым способом калибровки для датчика направления в настоящее время. Следовательно, система 12 сбора сигналов датчика специально выполнена с возможностью калибровки датчика 15 направления с использованием способа калибровки по общему полю. Поскольку датчик 15 направления содержит магнитный датчик 1501 и датчик 1502 ускорения, как показано на фиг. 9, первые данные сбора представляют собой данные датчика ускорения и магнитного датчика (включая угол наклона, азимут, инструментальную поверхность, и т.д.), а калибровка датчика 15 направления представляет собой одновременную калибровку магнитного датчика и датчика ускорения.
[0071] Как показано на фиг. 11, датчик 15 направления калибруется в соответствии с первыми данными сбора следующим образом:
[0072] S111: ввод первых данных сбора в соответствующую калибровочную модель, при этом первые данные сбора генерируются, когда первая трехосная катушка 1 Гельмгольца регулируется так, чтобы выходное магнитное поле удовлетворяло требованию калибровки по значению общего поля;
[0073] S112: запуск калибровочной модели с использованием программы калибровки для вычисления калибровочного коэффициента, нулевого отклонения и перпендикулярного отклонения датчика 15 направления;
[0074] S113: корректировка значений измерения датчика 15 направления согласно калибровочному коэффициенту, нулевому отклонению и перпендикулярному отклонению.
[0075] Со ссылкой на фиг. 9, на примере калибровки магнитного датчика, калибровочная модель выбирается следующим образом:
[0076]
[0077] где
х
y
z
x
М, M и M - трехосные векторы магнитного датчика, V,
y
z
V и V - исходные данные напряжения, собранные магнитным датчиком,
xx
yy
zz
m, m и m - трехосные калибровочные коэффициенты магнитного датчика,
xy
xz
yx
yz
zx
zy
m, m, m, m, m и m - перпендикулярные отклонения, а
ox
oy
oz
V, V и V - трехосные нулевые отклонения магнитного датчика.
[0078] Процедура калибровки представляет собой процедуру вычисления калибровочного коэффициента, нулевого отклонения и перпендикулярного отклонения датчика. Благодаря калибровкам в различных температурных точках калибровочный коэффициент и нулевое отклонение могут быть набором решений функции относительных изменений температуры.
х
y
z
[0079] Множество данных сбора датчика М, M и M получают через трехосное вращение калибровочного поворотного стола 3 с подогревом. Во время измерения датчика способ «калибровки по общему полю» получает значение общего поля посредством других устройств, и значение общего поля представляет собой векторную сумму трех осей магнитного датчика. Например, значение общего поля TMF (total field value) составляет:
[0080]
B
[0081] Путем регулировки напряженности генерируемого магнитного поля первой трехосной катушки 1 Гельмгольца, значение общего поля TMF удовлетворяет требованию калибровки; и путем регулировки оси Z первой трехосной катушки 1 Гельмгольца до значения 50 мкТл, TMF составляет 50 мкТл, чтобы смоделировать локальную напряженность геомагнитного поля.
[0082] При решении формулы (1), 12 калибровочных значений магнитного датчика при одной и той же температуре являются константами.
[0083] Путем использования ограничения напряженности общего поля магнитного датчика во множестве направлений и итерационных вычислений, датчик 15 направления может быть откалиброван без точного калибровочного приспособления.
х
у
z
[0084] 12 калибровочных значений могут быть получены из значений измерения А, А и A трех датчиков ускорения тем же способом.
[0085] Согласно настоящему изобретению, направление магнитного поля первой трехосной катушки 1 Гельмгольца регулируется так, чтобы магнитное поле и гравитационное поле совпадали по направлению, и когда калибровочный поворотный стол 3 с подогревом вращается, магнитный датчик и датчик ускорения датчика 15 направления могут быть одновременно откалиброваны в одном и том же положении.
[0086] В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 1, система также может содержать первое основание 5, размещенное в первой трехосной катушке 1 Гельмгольца, и калибровочный поворотный стол 3 с подогревом размещен на первом основании 5.
[0087] В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 1, система также содержит контроллер 14 температуры калибровочного поворотного стола с подогревом, который соединен с промышленным компьютером 11 управления и калибровочным поворотным столом 3 с подогревом, соответственно, и выполнен с возможностью управления регулировкой температуры калибровочного поворотного стола 3 с подогревом под управлением промышленного компьютера 11 управления, с возможностью повышения температуры калибровочного поворотного стола 3 с подогревом до различных температурных точек и с возможностью повторения калибровки датчика 15 направления.
[0088] В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 1, система также содержит вторую трехосную катушку 2 Гельмгольца и поворотный стол 4 для проверки (с высокой точностью) угла наклона и азимута;
[0089] при этом промышленный компьютер 11 управления также соединен со второй трехосной катушкой 2 Гельмгольца, система 12 сбора сигналов датчика также соединена с поворотным столом 4 для проверки угла наклона и азимута, помещенным во вторую трехосную катушку 2 Гельмгольца, а откалиброванный датчик 15 направления размещен на поворотном столе 4 для проверки угла наклона и азимута;
[0090] вторая трехосная катушка 2 Гельмгольца выполнена с возможностью, после компенсации статического магнитного поля окружающей среды, генерации дополнительного магнитного поля путем регулировки под управлением промышленного компьютера 11 управления, при этом величина напряженности дополнительного магнитного поля равна величине напряженности геомагнитного поля, а направление напряженности дополнительного магнитного поля совпадает с направлением гравитационного поля;
[0091] поворотный стол 4 для проверки угла наклона и азимута выполнен с возможностью регулировки угла наклона и азимута под воздействием дополнительного магнитного поля, и с возможностью генерации вторых данных сбора откалиброванного датчика 15 направления в различных положениях;
[0092] система 12 сбора сигналов датчика выполнена с возможностью загрузки калибровочных данных в датчик 15 направления для получения откалиброванного датчика 15 направления, сбора вторых данных сбора и проверки датчика 15 направления в соответствии со вторыми данными сбора.
[0093] В системе генерируются три однородных магнитных поля постоянного тока в диапазоне от -100 мкТл до 100 мкТл на трех осях в пространстве 50 см × 50 см × 50 см внутри каждой из первой трехосной катушки 1 Гельмгольца и второй трехосной катушки 2 Гельмгольца. Высота загрузки и угол наклона оси вращения калибровочного поворотного стола 3 с подогревом устанавливаются в пространстве однородного магнитного поля первой трехосной катушки 1 Гельмгольца, а высота загрузки и угол наклона оси вращения поворотного стола 4 для проверки угла наклона и азимута устанавливаются в пространстве однородного магнитного поля второй трехосной катушки 2 Гельмгольца. Пространственный размер 50 см × 50 см × 50 см больше, чем пространственный диапазон вращения датчиков направления различных характеристик во время калибровки и проверки, что обеспечивает однородность магнитного поля окружающей среды во время калибровки и проверки датчика направления. Напряженность магнитного поля в диапазоне от -100 мкТл до 100 мкТл гарантирует, что магнитного поля, генерируемого каждой осью, будет достаточно, чтобы компенсировать векторное статическое геомагнитное поле в этом направлении. При условии компенсации геомагнитного поля стандартное магнитное поле с напряженностью, аналогичной напряженности геомагнитного поля, может генерироваться в любом направлении.
[0094] Точность определения поворотным столом 4 для проверки угла наклона и азимута угла наклона и азимута составляет меньше чем 0,01° и меньше чем 0,05°, соответственно, что выше, чем точность измерения датчика направления, а это удобно для проверки калибровки.
[0095] Вторая трехосная катушка 2 Гельмгольца корректируется вышеупомянутым способом.
[0096] Фиг. 15 представляет принципиальную блок-схему способа проверки для датчика направления согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 15, способ включает:
[0097] S151: загрузку посредством системы 12 сбора сигналов датчика калибровочных данных в датчик 15 направления для получения откалиброванного датчика 15 направления;
[0098] S152: управление (т.е. регулировку) посредством промышленного компьютера 11 управления второй трехосной катушки 2 Гельмгольца для генерации дополнительного магнитного поля после компенсации статического магнитного поля окружающей среды, причем величина напряженности дополнительного магнитного поля равна величине напряженности геомагнитного поля, а направление напряженности дополнительного магнитного поля совпадает с направлением гравитационного поля;
[0099] S153: регулировку угла наклона и азимута поворотного стола 4 для проверки угла наклона и азимута под воздействием дополнительного магнитного поля, и генерацию вторых данных сбора откалиброванного датчика 15 направления в различных положениях;
[0100] S154: сбор посредством системы 12 сбора сигналов датчика вторых данных сбора, и проверка датчика 15 направления согласно вторым данным сбора,
[0101] при этом откалиброванный датчик 15 направления размещен на поворотном столе 4 для проверки угла наклона и азимута, помещенном во вторую трехосную катушку 2 Гельмгольца.
[0102] Конкретная процедура проверки откалиброванного датчика направления представляет собой следующее:
[0103] Выходное значение скорректированного датчика используется для проверки инструментальной поверхности 0, угла наклона а, азимута со и других параметров, измеренных датчиком 15 направления в определенном положении. Например, для значений измерения Ах, Ау и Az трех датчиков ускорения, формулы (3), (4) и (5) имеют следующий вид:
[0104]
[0105]
[0106]
B
B
[0107] Чтобы облегчить моделирование траекторий скважин на разных широтах, для проверки настраивается магнитное наклонение (DIP). Например, оси Z и X первой трехосной катушки 1 Гельмгольца регулируются, как показано в формуле (6):
[0108]
[0109] Способ проверки точности измерения датчика 15 направления после калибровки, например, выглядит следующим образом:
B
B
[0110] регулируют первую трехосную катушку 1 Гельмгольца, чтобы ось Z имела индукцию равную 40 мкТл, ось X имела индукцию равную 30 мкТл, а магнитный угол наклона был равен 36,9°; фиксируют углы наклона калибровочного поворотного стола 3 с подогревом на 4°, 45° и 90°, соответственно, при различных температурных условиях; вращают инструментальную поверхность калибровочного поворотного стола 3 с подогревом; и регистрируют угол наклона, азимут, инструментальную поверхность и другие параметры, измеренные датчиком 15 направления, от 0° каждые 45°; определяют точность измерения датчика направления путем вычисления разницы между максимальным значением и минимальным значением среди значений измерения, полученных после вращения датчика 15 направления на один круг. Точность измерения составляет для угла наклона ≤ ±0,1° и для азимута ≤ ±0,6°.
[0111] Конкретная процедура проверки откалиброванного датчика направления с использованием способа и системы калибровки для датчика направления согласно настоящему изобретению выглядит следующим образом:
[0112] фиксируют откалиброванный датчик 15 направления на поворотном столе 4 для проверки угла наклона и азимута с высокой точностью, регулируют магнитное наклонение (DIP) второй трехосной катушки 2 Гельмгольца согласно вышеупомянутому способу, вращают поворотный стол 4 для проверки угла наклона и азимута с высокой точностью, считывают значения измерения датчика 15 направления, и сравнивают значения измерения с номинальными значениями, отображаемыми на поворотном столе 4 для проверки угла наклона и азимута с высокой точностью для проверки результата калибровки датчика 15 направления. Здесь номинальные значения относятся к результату отображения поворотного стола 4 для проверки угла наклона и азимута для проверки того, соответствует ли результат критерию, путем сравнения со значениями измерения откалиброванного датчика направления. Точность определения угла наклона и азимута поворотным столом 4 для проверки угла наклона и азимута составляет меньше чем 0,01° и меньше чем 0,05°, соответственно, что выше, чем точность измерения датчика направления, и это удобно для проверки калибровки.
[0113] Измеритель 16 уровня размещается на поворотном столе 4 для проверки угла наклона и азимута для калибровки своего горизонтального положения. Трехосный магнитный датчик 17 также может быть размещен на поворотном столе 4 для проверки угла наклона и азимута для калибровки калибровочного коэффициента, нулевого отклонения и перпендикулярности второй трехосной катушки 2 Гельмгольца.
[0114] В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 1, система также может содержать второе основание 6, размещенное во второй трехосной катушке 2 Гельмгольца, и поворотный стол 4 для проверки угла наклона и азимута размещается на втором основании 6.
[0115] В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 1, 2 и 3, система также может содержать источник питания 7 первой трехосной катушки Гельмгольца, источник питания 8 трехосной катушки Гельмгольца, контроллер 9 источника питания второй трехосной катушки Гельмгольца и контроллер 10 переключения трехосной катушки Гельмгольца;
[0116] при этом промышленный компьютер 11 управления, контроллер 9 источника питания трехосной катушки Гельмгольца и контроллер 10 переключения трехосной катушки Гельмгольца соединены последовательно; контроллер 10 переключения трехосной катушки Гельмгольца соединен с источником питания 7 первой трехосной катушки Гельмгольца и с источником питания 8 второй трехосной катушки Гельмгольца, соответственно; источник питания 7 первой трехосной катушки Гельмгольца соединен с первой трехосной катушкой 1 Гельмгольца, а источник питания 8 второй трехосной катушки Гельмгольца соединен со второй трехосной катушкой 2 Гельмгольца;
[0117] промышленный компьютер 11 управления также выполнен с возможностью управления контроллером 10 переключения трехосной катушки Гельмгольца посредством контроллера 9 источника питания трехосной катушки Гельмгольца, чтобы переключать в рабочее положение источник питания 7 первой трехосной катушки Гельмгольца или источник питания 8 второй трехосной катушки Гельмгольца, а затем управлять первой трехосной катушкой 1 Гельмгольца или второй трехосной катушкой 2 Гельмгольца; причем контроллер 10 переключения трехосной катушки Гельмгольца работает на выключение источника питания 7 первой трехосной катушки Гельмгольца и переключение на источник питания 8 второй трехосной катушки Гельмгольца для управления, или выключение источника питания 8 второй трехосной катушки Гельмгольца и переключение на источник питания 7 первой трехосной катушки Гельмгольца для управления.
[0118] В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 1, система также может содержать дисплей 13, соединенный с системой 12 сбора сигналов датчика, для отображения первых данных сбора и/или вторых данных сбора, собранных системой 12 сбора сигналов датчика.
[0119] При этом источник питания 7 первой трехосной катушки Гельмгольца, источник питания 8 второй трехосной катушки Гельмгольца, контроллер 9 источника питания трехосной катушки Гельмгольца, контроллер 10 переключения трехосной катушки Гельмгольца и промышленный компьютер 11 управления размещены в одном корпусе.
[0120] Две группы систем трехосных катушек Гельмгольца управляются посредством контроллера 10 переключения трехосной катушки Гельмгольца, чтобы избежать любой взаимной интерференции магнитного поля между ними, тем самым уменьшаются расстояние между двумя группами катушек (не менее 1 метра), занимаемая площадь системы и стоимость обслуживания системы.
[0121] Вариант осуществления настоящего изобретения также предлагает компьютерное устройство, содержащее память, процессор и компьютерную программу, хранящуюся в памяти и исполняемую процессором, причем процессор реализует способ калибровки и проверки датчика направления, когда исполняется компьютерная программа.
[0122] Вариант осуществления настоящего изобретения также предлагает компьютерочитаемый носитель для хранения, который хранит компьютерную программу для выполнения способа калибровки и проверки датчика направления.
[0123] Подводя итог, согласно способу и системе для калибровки и проверки датчика направления, предложенным в настоящем изобретении, путем регулировки величины и направления пространственного магнитного поля в системе трехосных катушек Гельмгольца, магнитное поле и гравитационное поле совпадают по направлению, что может обеспечить отслеживаемую стандартную окружающую среду магнитного поля для магнитного датчика датчика направления для каротажа и бурения в нефтяной инженерии и решить проблему, заключающуюся в том, что магнитное поле окружающей среды и гравитационное поле Земли имеют разные направления; путем изменения пространственного положения калибровочного поворотного стола с подогревом данные сбора магнитного датчика и датчика ускорения датчика направления могут быть одновременно получены в одном и том же положении, а калибровочные значения могут быть получены посредством данных, обработанных способом калибровки по общему полю, чтобы откалибровать датчик направления в различных температурных условиях, обеспечить точность измерения датчика направления в различных температурных условиях и решить проблему, состоящую в том, что данные магнитного датчика и датчика ускорения необходимо многократно собирать в процедуре калибровки, тем самым упрощая процедуру калибровки и повышая эффективность калибровки датчика направления; через проверку посредством поворотного стола для проверки угла наклона и азимута можно после калибровки датчика направления проверить значения инженерных измерений, таких как отклонение скважины, азимут, инструментальную поверхность и т.д., и можно сделать вывод о точности калибровки датчика направления для решения в конечном итоге задачи повышения точности измерения траектории скважины, которая может предоставлять данные калибровки датчику направления для каротажа и бурения в нефтяной промышленности при любом магнитном угле наклона и температуре. Кроме того, точность калибровки датчика направления повышается за счет отслеживания магнитного поля трехосной катушки Гельмгольца и регулировки направления этого магнитного поля. В нефтяной инженерии за счет повышения точности калибровки и проверки скважинного датчика направления можно уменьшить неопределенность траектории скважины и повысить скорость наведения буровой конструкции.
[0124] Специалисты в данной области техники должны понимать, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть представлен как способ, система или компьютерный программный продукт. Следовательно, настоящее изобретение может принимать форму полного аппаратного варианта осуществления, полного программного варианта осуществления или варианта осуществления, объединяющего как аппаратное, так и программное обеспечение. Кроме того, настоящее изобретение может принимать форму компьютерных программных продуктов, реализованных на одном или более используемых на компьютере носителей для хранения (включая, помимо прочего, запоминающее устройство на магнитных дисках, CD-ROM, оптическое хранилище и т.д.), содержащих в себе программные коды, используемые компьютером.
[0125] Настоящее изобретение описывается со ссылкой на блок-схемы и/или блок-диаграммы способов, устройств (систем) и компьютерных программных продуктов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что каждый процесс и/или блок в блок-схемах и/или блок-диаграммах, а также комбинация процессов и/или блоков в блок-схемах и/или блок-диаграммах могут быть реализованы с помощью инструкций компьютерной программы. Инструкции компьютерной программы могут быть предоставлены обычному компьютеру, специализированному компьютеру, встроенному процессору или процессору другого программируемого устройства обработки данных, чтобы сформировать машину так, чтобы инструкции, которые исполняются компьютером или процессором другого программируемого устройства обработки данных, создавали средство для реализации функций, указанных в одном или более процессах в блок-схемах и одном или более блоках в блок-диаграммах.
[0126] Инструкции компьютерной программы также могут храниться в машиночитаемой памяти, которая способна направлять компьютер или другое программируемое устройство обработки данных для работы в определенном режиме так, что инструкции, хранящиеся в машиночитаемой памяти, создают продукт, включающий инструктирующее средство для реализации функций, указанных в одном или более процессах блок-схемы и одном или более блоках блок-диаграммы.
[0127] Эти инструкции компьютерной программы также могут храниться в машиночитаемой памяти, которая может управлять компьютером или другим программируемым устройством обработки данных для работы определенным образом, так что инструкции, хранящиеся в машиночитаемой памяти, достигают уровня производства, включающего устройство команд, причем устройство команд реализует функции, указанные в одном или более процессах на блок-схемах и/или в одном или более блоках на блок-диаграммах.
[0128] Вышеупомянутые конкретные варианты осуществления дополнительно подробно объясняют задачи, технические решения и полезные эффекты настоящего изобретения. Следует понимать, что описанные выше варианты являются только конкретными вариантами осуществления настоящего изобретения и не предназначены для ограничения объема охраны настоящего изобретения. Любая модификация, эквивалентная замена или улучшение, выполненные в соответствии с духом и принципом настоящего изобретения, должны подпадать под объем охраны настоящего изобретения.