CN101713285B - 一种利用探管接收磁短节产生的磁信号确定钻头与直井靶点相对位置的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用探管接收磁短节产生的磁信号确定钻头与直井靶点相对位置的方法，主要包括采集数据的处理、磁短节周围空间磁场计算模型、地面磁短节等效磁矩的测定方法及邻井距离导向算法等，通过把磁短节看成是磁偶极子，导出磁短节周围空间远场磁感应强度的计算公式；根据磁偶极子计算模型，获得一种在地表测定磁短节等效磁矩的实用方法以及一种邻井距离随钻电磁探测系统应用于水平井与直井连通的测距导向算法；根据井下磁短节的等效磁矩与地表等效磁矩的关系和随钻电磁探测系统测得的磁偏角与当地磁偏角的关系，反复计算可得较为精确的计算结果。同时，这种算法也适用于邻井距离随钻电磁探测系统在双水平井和邻井防碰中的应用。

Description

一种利用探管接收磁短节产生的磁信号确定钻头与直井靶点相对位置的方法

技术领域

本发明涉及地下资源钻采工程技术领域，特别是一种确定钻头与直井靶点相对位置的方法，属于。

背景技术

在石油、天然气及煤层气开采中，双水平井、连通井及U型井等复杂结构井钻井轨迹复杂，定向控制难度大，要求对邻井距离进行随钻精确探测。目前，国内普遍使用的随钻测量工具不能直接测量邻井距离，因而难以满足复杂结构井邻井距离随钻探测的特殊要求。另外，国外虽已研制出能够基本满足以上要求的随钻电磁引导系统，但其核心技术仍被保密和垄断。因此，本发明者特研究设计了“一种邻井距离随钻电磁探测系统”(另作专利申请)，本项发明即是该系统的核心算法，可精确计算钻头到邻井的空间位置。

邻井距离随钻电磁探测系统主要由磁短节、电磁测量仪及邻井距离测量计算方法等组成，可以随钻探测邻井距离，精确实现复杂结构井导向钻井控制目标。磁短节是由横行排列的多个永磁体安装在两端带有API标准口型的无磁钻铤中组成，紧跟在正钻井钻头后，与钻具一同旋转产生交变磁场是电邻井距离随钻电磁探测系统的信号源。电磁探测仪主要由井下探管和地面系统两部分组成，其主要作用是检测与钻头串联在一起的磁短节的磁信号，并将检测到的磁信号数据通过电缆传输到地面系统。

利用邻井距离随钻电磁探测系统进行导向钻井时，有效测距可达50～60m，能够提供钻头到目标点的精确距离和偏角。根据该系统测量与计算获取的邻井距离及其偏角数据，并结合常规的MWD测量数据，工程技术人员可有效地控制钻头运动轨迹，以便精确连通两口井或者保持两口井之间的相对距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据电磁探测仪接收到的磁信号，计算磁短节与井下探管的相对位置，进而确定钻头与直井连通点的相对位置的方法。

为达到上述目的，本发明提供一种确定钻头与直井连通点相对位置的方法，包括下列步骤：

步骤1，提取水平井与直井的井况信息；其中，所述水平井与直井的井况信息包括水平井与直井井眼轨迹测量信息、水平井与直井的井口坐标、水平井与直井的钻盘平面高度和地面海拔高度、直井好水平井连通处的井深和长度；

步骤2，对提取的水平井与直井的井况信息进行处理；

步骤3，建立磁短节周围空间磁感应强度计算模型；

步骤4，求得磁短节在地面的等效磁矩并给出井下磁短节等效磁矩的变化范围；

步骤5，提取探管采集的磁短节产生的磁信号；

步骤6，根据处理后的井况信息、探管采集数据、磁短节在地面的等效磁矩和当地磁偏角，计算探管与磁短节的相对位置进而确定钻头与直井靶点的相对位置。

附图说明

图1是邻井距离随钻电磁探测系统工作示意图。

图2是磁短节周围空间磁感应强度计算模型。

图3是邻井距离随钻电磁探测系统测距计算模型。

图4是水平井与直井井口信息示图。

图5是本发明邻井距离随钻电磁探测系统测距导向计算方法的流程图。

图中：

1探管        2磁短节    3钻头    4电缆

5地面设备    6水平井    7直井    8连通点

具体实施方式

如附图5所示，本发明可基于探管接收的磁短节信号确定钻头与直井靶点的相对位置，其计算方法包括下列主要步骤：

步骤1，提取水平井与直井的井况信息。水平井与直井井眼轨迹测量信息；水平井与直井的井口坐标；水平井与直井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；直井的井身结构，特别是连通处的井深和长度或洞穴的井深和近似尺寸。

步骤2，处理提取的水平井与直井的井况信息。

提取水平井与直井的井况信息后，以水平井井口位置为参考建立全局坐标系，然后计算直井的井口坐标。为确保计算的正确，最后是绘制如图4所示示意图，在图上标出水平井与直井的井口坐标。具体算法如下：

根据水平井与直井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，计算水平井钻盘平面高度比直井钻盘平面高度高多少或低多少。

确定井眼轨迹数据是相对于钻盘平面高度还是地面海拔高度。

根据水平井与直井井口坐标计算直井井口相对水平井井口的偏移。

在探管和连通点的实际垂直深度(TVD)、北坐标(N)、东坐标(E)数据上加上或减去所述偏移量。

步骤3，建立磁短节周围空间磁感应强度计算模型。

磁短节中由永磁体来提供永磁场。不同个数的圆柱形永磁体以一定的方式在磁短节中堆栈在一起，形成不同强度的永磁场，这种设计方式不仅易于改变磁短节磁场的强度，而且经济，又能尽可能小的降低磁短节的强度。对于圆柱形永磁体空间磁场分布的计算有磁偶极子法、等效磁荷法、有限元仿真等方法。其中磁偶极子法最为简单，而且在旋转磁场矢量引导系统中要测的磁场范围在距磁短节5～60m之间，满足磁偶极子法适应于计算远场的要求。

如图1所示，磁短节周围空间远场磁感应强度B计算如下：

$B=\frac{1}{4\mathrm{\π}}(\frac{3(m\·r)r}{r^5}-\frac{m}{r^3})---\left(1\right)$

在直角坐标系中，磁感应强度的三轴分量R_x、R_y、R_z计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{m}{4\mathrm{\π}}\frac{3\mathrm{zx}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}\\ B_y=\frac{m}{4\mathrm{\π}}\frac{3\mathrm{zy}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}\\ B_z=\frac{m}{4\mathrm{\π}}(\frac{{3z}^2}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}-\frac{1}{{(x^2+y^2+z^2)}^{3/2}})\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中m：为磁短节的等效磁矩。

步骤4，在地表测定磁短节的等效磁矩并给出井下磁短节等效磁矩可能的变化范围。

由(2)式，取z＝y＝0得：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=0\\ B_y=0\\ B_z=-m/\left({4\mathrm{\πx}}^3\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

所以，磁短节等效磁矩m计算如下：

m＝-4πx³B_z                                          (4)

测量时为避免其它电器与铁器对磁信号的干扰，应尽量在平坦空旷的地方做实验。由于系统探管量程的限制，磁短节与探管的间距至少要3米，所以应选择在足够大的地方。磁短节与探管相对平行放置，间距至少3米，且放在相同高度。放在轴上的磁短节应可以旋转。

根据探管测得磁场感应强度三轴分量，适当调整探管高度和位置，当控管测得的磁场感应强度B_x和B_y近似等于零时，固定探管。在探管持续采集测量的同时，慢慢旋转磁短节，至少要3周。然后，停止接收磁信号。记录波形上波峰和波谷处的磁场感应强度B_z(+)和B_z(-)。根据场强迭加原理，探管测得的磁场感应强度B_z(+)和B_z(-)可分别表示成两项之和：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_z(+)=B_z+B_{\mathrm{oz}}\\ B_z(-)=B_z^{\′}+B_{\mathrm{oz}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中：B_z表示m与OZ轴同向时磁短节单独产生的磁场感应强度的Z分量；B′_z表示m与OZ轴反向时磁短节单独产生的磁场感应强度的Z分量；B_oz表示地磁场及其它恒定干扰磁场磁感应强度的Z分量，它在换向测量时保持不变。

由(4)式(参见图2)当m与OZ轴同向时，B_z＝-m/(4πx³)；当m与OZ轴反向时，B_z＝m/(4πx³)。另一方面，在同一测点处x不变，所以

B_z＝-B′_z                                  (6)

由式(5)～式(6)可得：

B_z(+)-B_z(-)＝B_z-B′_z＝2B_z                     (7)

$B_z=\frac{1}{2}(B_z(+)-B_z(-))---\left(8\right)$

把(8)式代入(4)式就可求得磁短节的等效磁矩：

m＝-2πx³(B_z(+)-B_z(-))                      (9)

由(9)式即可求得磁短节在地面的等效磁矩。一般情况下，井下磁短节的等效磁矩在地面测定的100％～90％范围内；在特殊地层，井下磁短节的等效磁矩在地面测定的100％～80％范围内。

步骤5，提取探管采集的磁短节产生的磁信号。

步骤6，利用所述处理后的井况信息、探管采集数据、磁短节等效磁矩、当地磁偏角，计算探管与磁短节的相对位置，进而确定钻头与直井靶点的相对位置。

建立如图3所示坐标系，磁短节周围空间轴向磁感应强度B_R和径向磁感应强度B_Z计算公式为：

$B_z=\frac{m(2{(Z/R)}^2-1)}{4\mathrm{\π}{R}^3{(1+{(Z/R)}^2)}^{5/2}}---\left(10\right)$

$B_R=\frac{3m(Z/R)}{4\mathrm{\π}{R}^3{(1+{(Z/R)}^2)}^{5/2}}---\left(11\right)$

由(10)式和(11)式可得：

$B_R/B_Z=\frac{3(Z/R)}{(2{(Z/R)}^2-1)}---\left(12\right)$

如果磁短节和探管的Z向间距和R向间距满足|Z/R|＜0.707，则可由(12)式求得Z/R的值。

$Z/R=\frac{3}{4(B_R/B_Z)}(1-\sqrt{1+\frac{8}{9}{\left(\frac{B_R}{B_Z}\right)}^2})\≡\mathrm{\α}---\left(13\right)$

假设在水平井两井深L₁和L₂处α的值为α₁和α₂。则当水平井钻至井深L₂处时，磁短节与探管的R向间距可由下式求得：

Z·ΔL＝(α₂-α₁)(R+ΔL)R                              (14)

式中：ΔL＝L₂-L₁。计算时，可选择B_R/B_Z≈1和B_R/B_Z≈-1处计算，这时Z/R≈±0.3，由(14)式可得到较为精确的计算结果。

一旦由上述方法得到磁短节与探管的R向间距，那么就可由井深L₂处的R、Z/R、B_Z的值联合(10)式就可计算磁短节在井下的等效磁矩，这个值应与我们的估计值比较接近，否则重新计算，经过多次反复计算就可求得较为精确的值。

由(2)式可得：

B_x/B_y＝x/y                                              (15)

由(15)式可求得磁短节与探管的相对方位；由磁短节与探管的间距和相对方位进而也就确定了钻头与连通点的相对位置。

Claims (5)

1.一种利用探管接收磁短节产生的磁信号确定钻头与直井靶点相对位置的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤1，提取水平井与直井的井况信息；其中，所述水平井与直井的井况信息包括水平井与直井井眼轨迹测量信息、水平井与直井的井口坐标、水平井与直井的钻盘平面高度和地面海拔高度、直井和水平井连通处的井深和长度；

步骤2，对提取的水平井与直井的井况信息进行处理；

步骤3，建立磁短节周围空间磁感应强度计算模型；

步骤4，求得磁短节在地面的等效磁矩并给出井下磁短节等效磁矩的变化范围；

步骤5，提取探管采集的磁短节产生的磁信号；

步骤6，根据处理后的井况信息、探管采集数据、磁短节在地面的等效磁矩和当地磁偏角，计算探管与磁短节的相对位置进而确定钻头与直井靶点的相对位置。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2具体包括：

步骤21，根据水平井与直井的钻盘平面高度和地面海拔高度，确定水平井钻盘平面高度比直井钻盘平面高度高多少或低多少；

步骤22，确定井眼轨迹数据是相对于钻盘平面高度还是地面海拔高度；

步骤23，根据水平井与直井井口坐标计算直井井口相对水平井井口的偏移量；

步骤24，在探管和连通点的实际垂直深度、北坐标、东坐标数据上加上或减去所述偏移量。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3创建磁短节周围空间磁感应强度计算模型具体包括：

计算磁短节周围空间远场磁感应强度时，把磁短节设置成磁偶极子，其周围空间远场磁感应强度B计算公式如下：

$B=\frac{1}{4\mathrm{\π}}(\frac{3(m\·r)r}{r^5}-\frac{m}{r^3})$

在直角坐标系中，磁感应强度的三轴分量B_x、B_y、B_z计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{m}{4\mathrm{\π}}\frac{3\mathrm{zx}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}\\ B_y=\frac{m}{4\mathrm{\π}}\frac{3\mathrm{zy}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}\\ B_z=\frac{m}{4\mathrm{\π}}(\frac{{3z}^2}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}-\frac{1}{{(x^2+y^2+z^2)}^{3/2}})\end{array}\right.$

式中m为磁短节的等效磁矩。

4.权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4具体包括：利用所述磁短节周围空间磁感应强度的计算模型，取z＝y＝0得：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=0\\ B_y=0\\ B_z=-m/\left({4\mathrm{\πx}}^3\right)\end{array}\right.$

磁短节等效磁矩m为：

m＝-4πx³B_z

在探管持续采集测量的同时，通过慢慢旋转磁短节，至少要3周，然后，停止接收磁信号，记录采集波形上波峰磁场感应强度B_z(+)和波谷处的磁场感应强度B_z(-)，获得径向磁场感应强度B_Z的公式如下：

$B_z=\frac{1}{2}(B_z(+)-B_z(-))$

根据场强迭加原理，求得磁短节在地面的等效磁矩m的公式如下：

m＝-2πx³(B_z(+)-B_z(-))

由上式求得磁短节在地面的等效磁矩；

磁短节的井下等效磁矩在磁短节在地面的等效磁矩m的100％～90％范围内。

5.权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6具体包括：

根据所述磁短节周围空间磁感应强度的计算模型，如果磁短节和探管的径向间距Z和轴向间距R满足|Z/R|＜0.707，则Z/R的值计算如下：

$Z/R=\frac{3}{4(B_R/B_Z)}(1-\sqrt{1+\frac{8}{9}{\left(\frac{B_R}{B_Z}\right)}^2})\≡\mathrm{\α}$

式中：B_R、B_z表示磁感应强度的径向分量和轴向分量；

假设在水平井两井深L1和L2处α的值分别为α₁和α₂，则当水平井钻至井深L2处时，磁短节与探管的轴向间距由下式求得：

Z·ΔL＝(α₂-α₁)(R+ΔL)R

式中：ΔL＝L₂-L₁；

通过上式得到磁短节与探管的轴向间距R，以及Z/R和径向磁场感应强度B_Z的值，联合公式

进而求得磁短节在井下的等效磁矩，这个值应与估计值比较接近，否则重新计算；

由磁感应强度分量B_x、B_y的比值近似求得磁短节与探管的相对方位角；

根据磁短节与探管的间距以及磁短节与探管的相对方位角确定钻头与直井靶点的相对位置。

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