CN101713286B - 一种邻井距离随钻电磁探测系统 - Google Patents

Abstract

一种邻井距离随钻电磁探测系统，能为交叉井、U型连通井、双水平井及事故救援井等复杂结构井的井眼轨迹控制提供精确的导向测量与计算。该随钻电磁探测系统主要由磁短节、电磁测量仪及邻井距离计算方法组成。磁短节是由无磁钻铤以及若干永磁铁等组成的两端带有API标准口型的中空圆柱体，是电磁引导系统的信号源。测量仪主要由井下探管和地面系统两部分组成，其主要作用是检测磁短节的磁矢量信号，并将数据通过RS-232接口发送到计算机中。计算机通过邻井距离计算方法对测量信息进行处理与分析，将钻头位置测量信息转化为工程师可读的数据。本发明结构简单，使用方便，为复杂结构井邻井距离随钻探测与控制提供了一个有效的高新技术手段。

Description

一种邻井距离随钻电磁探测系统

技术领域

本发明涉及一种邻井距离随钻电磁探测系统，属于地下资源钻采工程技术领域。本发明主要由磁短节、电磁测量仪及邻井距离测量计算方法组成，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。

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。本发明涉及一种邻井距离随钻电磁探测系统，主要由磁短节、电磁探测仪及邻井距离测量计算方法等组成。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

本发明的主要技术问题是提供一种邻井距离随钻电磁探测系统，它能为复杂结构井邻井距离随钻探测与控制提供一个有效的高新技术手段。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种随钻电磁探测系统，其特征在于：主要包括一个磁短节、一套电磁测量仪，其中：

所述磁短节，其主要作用是产生稳定的磁场，以此来确定钻头的在井中的位置。在使用时，将磁短节和钻头串联在水平井中。

所述电磁测量仪，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。

所述邻井距离测量计算方法，主要是根据复杂结构井钻井工艺和随钻测井工艺编制的可在计算机上运行并能得出一定结果的程序。该程序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。该程序只能在交叉井、U型连通井、双水平井和事故救援等复杂结构井的随钻测井过程中使用。

进一步地，上述电磁引导系统还可具有以下特点：所述无磁钻铤是一个空心的钻杆，两端都是API标准扣型，这些标准扣型能使永磁短节牢固地和钻头及其他钻杆连接在一起，钻井泥浆能通过中空流到井底。在无磁钻铤上有两排平行的孔，每一个孔中安装一个永磁铁。所述永磁铁，是一种高强度磁性材料加工成的圆柱形磁体。永久性磁铁安装在无磁钻铤的孔中，使用孔用卡圈将永久性磁铁固定在无磁钻铤的孔中。所有安装在无磁钻铤上的永久性磁铁的磁性方向都以同一个方向安装。根据钻井工艺的要求，安装在无磁钻铤上的永久性磁铁的数量可以增加或减少，最多可以达到18个。

进一步地，上述电磁引导系统还可具有以下特点：所述电磁测量仪主要由井下探管和地面系统组成，其特征在于：井下探管是一个两端封闭的金属外壳，在壳体里面主要有传感器模块、微控制器模块、电缆驱动模块、电源模块等模块；地面系统主要由电缆驱动模块、微控制器模块、计算机接口模块、电源模块等构成。

进一步地，所述井下探管中的传感器模块包括一个三轴高精度磁通门传感器，一个三轴高精度重力加速度传感器和一个温度传感器。其主要功能是检测永磁短节的磁场矢量、地磁矢量、重力加速度以及井下温度，为后续软件提供数据，进而计算邻井距离的相关数据。

进一步地，所述磁通门传感器是用来检测永磁短节和地磁场的磁矢量。所述重力加速传感器是用来检测井下探管所在位置的重力加速度的方向及大小。所述温度传感器是检测井下探管所在位置的井下温度。

进一步地，所述井下探管中的微控制器模块由一片单片机及其外围电路构成，用于采集传感器模块输出的磁场、重力加速度以及温度数据，并对数据进行编码以便于发送。

进一步地，所述微控制器模块以MD87C52为核心，主要由MD87C52、54HC373、MD27C128、IDT7164、AT24C16、CD4504、MAX813等芯片组成。

进一步地，所述外围电路主要有多路模拟开关电路、V-F变换电路和编码开关电路。多路模拟开关电路由16路模拟开关芯片CD4067、运放电压跟随电路、滤波电路组成。开关输入通道分配给3个磁通门传感器测量电路输出、3个加速度计测量电路输出、温度传感器测量电路输出、电压基准等。通道选择由CPU通过P1口控制。CD4067模拟开关输出接运算放大器两级电压跟随及阻容滤波电路；V-F变换电路以AD650为核心，通过调节AD650外围满量程电位器，使满量程10V输入时输出频率为200K，便于单片机采集和处理；编码开关电路以16位编码开关为核心，16为编码开关位置决定探管的工作模式，其中方式1到方式8用于井下探管和地面系统的通信，另外添加方式9，方式A，方式B三种方式用于井下探管的测试与设置。

进一步地，所述井下探管中的电缆驱动模块主要由变压器及其驱动电路构成。测井电缆通过四芯插座连接到变压器上，一方面为井下探管提供工作电源，另一方面也作为信号传输的通道。

进一步地，所述井下探管中的电源模块主要由整流电路、稳压电路构成。

进一步地，所述稳压电路由LM7812和LM7805分别提供12V及5V电压为井下探管各个电路模块及传感器供电。

进一步地，所述井下探管中的所有传感器和电路模块都固定在金属骨架上，用塑封胶将所有传感器及电路进行塑封，并固定在圆柱形外壳里面。探管同过四芯插座向地面发送信号和接受交流电源供电。

进一步地，所述地面系统中的电缆驱动模块与井下探管中的电缆驱动模块相同。

进一步地，所述地面系统中的微控制器模块主要由MD87C52、54HC373、MD27C128、AT24C16组成，其主要功能是将电缆传送米的信号解码并重新编码后发送给地面系统中的计算机接口模块。

进一步地，所述地面系统中的计算机接口模块主要由RS-232变换电路构成，其核心芯片是MAX232。其主要功能是对微控制器模块发送的数据进行电平变换，以连接到计算机的串口。

进一步地，所述地面系统中的电源模块主要由电源变压器、整流滤波电路、稳压电路构成。

进一步地，电源变压器使用220V转46V/12V、100W的交流工频变压器。

进一步地，稳压电路由LM7805和大容量滤波电容构成。

本发明结构简单，使用方便，为复杂结构井井眼轨迹控制起到了穿针引线的作用，比现在普遍使用的随钻测量工具(MWD)具有更高精度的导向作用。

附图说明

图1是本发明实施例在交叉井使用示意图。

图中：

1水平井  2磁力线  3磁短节  4钻头  5井下探管

6电缆  7直井  8绞车  9地面系统  10计算机

图2是本发明实施例磁短节的剖面图，A-A，B-B，C-C为磁短节不同方向的剖视图。

图3是井下探管内部传感器轴线方向排列示意图。

图中：

1磁场传感器  2加速度传感器

图4是井下探管功能模块图。

图5是地面系统功能模块图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的磁短节进行说明。

如图1所示，电磁引导系统的硬件由磁短节、探管、地面系统和绞车组成，磁短节和钻头安装在一起，随着钻头被下入到水平井中。磁短节既是钻柱的一部分，同时也是电磁引导系统的信号源，在工作中磁短节通常头被安装在距离钻头的最近钻铤上，在钻进过程中，磁短节的位置可以近似的认为就是钻头的位置。探管用有线电缆通过绞车被下到预先钻好的垂直井中，探管在垂直井中的位置为探管的轴向中心为于垂直井和水平井交叉点上方1.5米处。地面系统是所述地面系统由地面计算机和地面接口箱组成的一个电磁引导的软硬件平台，放置在地面，其主要功能是接受探管传输上来的检测信号，并通过特定的算法和计算软件将探管的信号还原成钻井工程师可以识别的信息。

如图2所示，磁短节由无磁钻铤1、永久性磁铁2和孔用卡圈组成。

无磁钻铤1是用无磁不锈钢加工而成的一段圆柱形钻铤，其两端都是API标准螺纹，无磁钻铤1通过API标准螺纹一段和钻杆连接，另一端和钻头连接，无磁钻铤的中心是空的，泥浆可以从中通过。在无磁钻铤上有与轴线垂直的若干孔，这些孔沿无磁钻铤呈平行布置，分布在无磁钻铤的两侧。

永久性磁铁2是用磁性材料加工成的圆柱体，其磁性非常大，圆柱体断面的最大剩磁可达到1.4特斯拉。永久性磁铁是磁短节的关键零件，其磁性能关系到磁短节的磁性能。永久性磁铁的表面剩磁越大，磁短节的磁场分布的距离就越远。

孔用卡环3是标准件，它的作用是将永久性磁铁2牢固地固定在无磁钻铤1的孔中，以至于在钻井中永久性磁铁2不能从孔中出来。

另外，本发明磁短节在上述实施例的基础上可以有以下几种变化：

磁短节的直径可以根据钻井工艺进行相应的改变。

磁短节上安装的永久磁铁数量多少可以根据钻井工艺进行增加或者减少。

井下探管的传感器短节安装在探管下部。其中磁通门传感器和加速度传感器均为三轴传感器，其轴线方向排列如图3所示，两个传感器的Z轴与探管轴线重合，X轴和Y轴垂直于探管轴线；两个传感器的X轴位于同一个平面上，且相互平行，Y轴的情况与此相同。

井下探管功能模块如图4所示。各传感器的输出信号经各自的测量电路放大后送入多路模拟开关电路，由微控制器控制模拟开关，选通某一路信号进行V-F变换，再由微处理器进行处理得到适合运算和传输的数据，微处理器将此数据发送到电缆驱动电路，通过测井电缆将数据发送到地面系统。

地面系统功能模块如图5所示。电缆接口电路与测井电缆相连，将电缆上传输的数据转化为微处理器能识别的数据后，将数据发送至微处理器，微处理器将数据进行进一步的处理、整合后，通过电脑接口电路将最终数据通过RS-232接口传输到电脑，由电脑上的软件进行综合处理与计算，得到邻井距离的相关数据。

本发明的提出，为复杂结构井钻井轨迹控制提供了一种导向精度高、结构简单、使用方便的随钻测量工具，并克服了现存随钻测量仪器控制精度低的不足。因为磁短节安装在距离钻头最近的位置，探管检测到的磁短节的位置就是钻头的位置，所以只要精确控制磁短节的位置，就可以控制钻头的空间位置。一般随钻测量仪器传感器安装的位置距离钻头较远处，其检测到的井眼轨迹数据不能实时反映钻头的精确位置，在交叉井、U型连通井、双水平井和事故救援井中很难达到预期的测控效果。

Claims (5)

1.一种邻井距离随钻电磁探测系统，其特征在于：该系统包括磁短节、电磁测量仪；所述的磁短节是一个圆柱形结构，包括一无磁钻铤、固定在该无磁钻铤上的若干永久性磁铁和孔用卡环；磁短节的两端为API标准螺纹，一端为公扣，另一端为母扣；所述磁短节通过API标准螺纹一端和钻头连接，另一端和钻杆连接；所述磁短节是中空的，钻井泥浆通过此中空流入井底；所述永久性磁铁的磁极方向和无磁钻铤的轴向中心线垂直；

所述的电磁测量仪，由井下探管和地面系统组成；

所述的井下探管由传感器短节、金属骨架、金属外壳及电路组成；所述传感器短节由三轴重力加速度传感器、三轴磁通门传感器和温度传感器组成，能检测探管所在位置的重力加速度和磁场强度以及井下温度；传感器短节固定在金属骨架上和金属外壳内；

所述的地面系统能通过测井电缆与井下探管相连，读取探管测量的数据，读出的测量数据通过RS-232接口发送到计算机。

2.如权利要求1所述的邻井距离随钻电磁探测系统，其特征在于：永久性磁铁是用磁性材料加工而成的圆柱体。

3.如权利要求1或2所述的邻井距离随钻电磁探测系统，其特征在于：所述磁短节的直径可以根据钻铤的大小而改变。

4.如权利要求1或2所述的邻井距离随钻电磁探测系统，其特征在于：所述磁短节安装的永久性磁铁的数量可以根据钻井工艺要求增加或者减少。

5.如权利要求3所述的邻井距离随钻电磁探测系统，其特征在于：所述磁短节安装的永久性磁铁的数量可以根据钻井工艺要求增加或者减少。

Images