CN103696753A - 一种基于磁检测的井中随钻导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁检测的井中随钻导航方法，本方法为先将磁矢量探测器与钻头固定放入探测井的底部，人工磁源放入目标井底部；给人工磁源通电流产生感应磁场，调整电流的大小，使探测井中的磁矢量探测器能接收到磁感应信号；探测器将接收到的信号传输到地面计算机，计算机根据磁感应强度在球坐标系下计算钻头相对于人工磁源的距离，水平偏角和垂直偏角，并绘制出钻头平面投影图，显示中心偏移量；再根据偏移量和角度调整钻头钻探方向，使钻头朝向人工磁源方向前进。钻进过程中每隔2～10分钟测量并计算一次偏移量和角度，随时校正钻头方向，最终使水平井与直井连通。本方法采用人工磁源，导航距离远，实现随钻随测，计算方法简单，精度高。

Description

一种基于磁检测的井中随钻导航方法

技术领域

本发明涉及一种基于磁检测的井中随钻导航方法，具体地说是涉及水平井与2个直井连通的随钻导航方法。

背景技术

人工磁导航技术在上世纪80年代在美国开始兴起，经过几十年的发展，该技术在地质测量行业得到了广泛的应用。例如在水溶固体矿产开采，采用U型钻探开采占地面积小，环保清洁，是一种事半功倍的方法；煤矿开采中事先钻定向孔排出煤层气，可以作为工业燃料，也可以减少在煤层开采中的瓦斯爆炸事故。除此之外，深部找矿，地热工程以及石油开采中都涉及定向钻探技术。我国的人工磁导航技术处于起步阶段，国内现存的十几口井都是依靠于国外钻探技术服务公司，服务费用昂贵，因此发展属于我国自主知识产权的钻探导航技术迫在眉睫，只有掌握自主知识产权的钻探导航技术才能进一步推进我国井中采矿技术的发展。近年我国国内进行的地下磁导航的研究，主要是实现短距离双井连通开采，如2011年公开的南昌航空大学的“一种地下磁导航方法”发明申请，其将永磁短节固定在钻头端，发出磁信号，而另一口竖井中放入磁矢量传感器，接收永磁短节发出的磁信号，其不足之处是永磁短节发射的磁场强度弱，限制了磁检测导航的距离，也限制了其在强磁性地质条件下的应用；同时其将永磁短节固定在钻头端，造成检测的信号坐标是动态的，因此使计算方法复杂化。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的不足，而提供一种可方便调整人工磁源的磁场强度和采用简单方法计算检测信号及对钻头定位，到达易编程，避免因需要复杂运算影响对钻头实时评估，实现导航精度高的基于磁检测的井中导航方法，完成水平井与直井的精确连通。

为了实现上述目的，本发明采取的措施是：提供一种基于磁检测的井中随钻导航方法，按如下步骤操作：

步骤一、分别钻2个竖井，为探测井与目标井，将磁矢量探测器固定在钻头端，放入探测井的底部，将人工磁源放入目标井底部，给人工磁源通以电流产生感应磁场；

步骤二、调整通入人工磁源的电流，使探测井中的磁矢量探测器接收到磁感应信号；

步骤三、磁矢量探测器将接收到的信号传输到地面计算机，地面计算机根据接收到的磁感应强度在球坐标系下计算出钻头的位置，即钻头相对于人工磁源的距离，水平偏角和垂直偏角，并绘制出钻头平面投影图，显示中心偏移量；

步骤四、地面计算机根据计算出的偏移量和角度调整钻头钻探方向，使钻头朝向人工磁源方向前进；

步骤五、钻头在前进的过程中，每隔2～10分钟测量并计算一次偏移量和角度，随时对钻头方向进行校正，最终使水平井与直井连通。

本发明步骤一中所述的人工磁源由缠绕在条状铁磁体上的线圈构成，磁矢量探测器采用Mag611型高温三轴磁通门探头,工作温度可达215℃。

本发明步骤三中所述的地面计算机计算出钻头的位置，具体步骤是：

①、将人工磁源看做磁偶极子模型，其在空间任一点产生的磁感应强度与一环形电流产生磁场相同,人工磁源在空间任一点P产生的磁感应强度三分量B_x,B_y,B_z球坐标系表示为:

其中μ为空间磁导率，θ为水平偏角，为垂直偏角，r为空间任一点P到磁源中心的距离，I为电流强度，n为线圈匝数，R为线圈半径；

②、磁矢量探测器获得B_x,B_y，B_z信号，然后计算出θ，r大小，就确定钻头相对于目标井的位置；

③、用(2)式除以(1)式，得到B_y/B_x=tanθ，进行反三角运算得到(4)式：

$\mathrm{\&theta;}={\tan }^{-1}\frac{B_y}{B_x}(0<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;})---\left(4\right)$

用（2）式除以（3）式，相对于距离r，线圈半径R的大小可忽略，得到（5）式：

利用三角函数二倍角公式

代入（5）式得到（6）式：

④对（6）式利用三角代换辅助角公式 $A\sin \mathrm{\&alpha;}+B\cos \mathrm{\&alpha;}=\sqrt{A^2+B^2}\sin (\mathrm{\&alpha;}+\arctan (B/A)),$ 整理后得到（7）式：

对（7）式求反三角，最终得到垂直偏角

的表达式（8）

⑤已知垂直偏角

的大小后，利用（3）式求得距离r的表达式（9）

其中μ,I,R,n都为已知常数；得到了钻头在空间任一点（θ，r）位置理论表达式，只要知道磁三分量信息就可算出钻头相对于人工磁源的位置；

将磁探测器获得的磁三分量信号输入计算机，根据上述计算公式计算出钻头与目标井的距离r,水平偏角θ，垂直偏角

本发明的一种基于磁检测的井中随钻导航方法与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明采用将磁矢量探测器安装在钻头端，探测器与地面计算机都位于探测井一侧，减少了磁矢量探测器数据传送的损失和时间。

2、本发明改变了现有技术采用将永磁短节固定在钻头端，且发射磁信号强度大小是固定的状况，所以现有技术只能近距离随钻导航。而本发明采用了将线圈缠绕在条状铁磁体上构成的人工磁源，通过调整通入的电流的大小可方便调整人工磁源的磁场强度，磁源强度大小可以随不同的地质情况进行调节，因此本发明不受水平距离和地层磁性强度的限制，使导航距离扩大了。

3、现有技术由于将磁源和钻头安装在一起，磁源随着钻头一起运动，会产生各种变化情况，因此计算方法复杂，而本发明通过磁矢量探测器接收人工磁源信号是固定的，计算机计算检测信号的方法简单，易编程实现，检测和纠偏导航精度高。

附图说明

图1为本发明人工磁源结构示意图。

图2为本发明井中人工磁源与磁矢量探测器安装位置示意图。

图3为本发明的磁矢量探测器探测空间任一点磁感应强度三分量示意图。

图4为计算机程序界面及计算结果示意图。

图5为X-Z平面偏移量示意图。

上述图中：1-条状铁磁体，2-线圈，3-人工磁源，4-钻头，5-磁矢量探测器，6-探测井，7-目标井，8-钻头在X-Z平面的投影，9-计算机界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：本发明提供一种基于磁检测的井中随钻导航方法，按如下步骤操作：

步骤一、分别钻2个竖井，为探测井6与目标井7，将磁矢量探测器5固定在钻头4端，放入探测井6的底部，将人工磁源3放入目标井7底部，探测井6、目标井7两竖直井深1000米，两井相距200米。如图2所示。所述的人工磁源是由缠绕在条状铁磁体1上的线圈2构成，如图1所示。人工磁源匝数n为1000,半径R为0.1米。所述的磁矢量探测器5采用Mag611型高温三轴磁通门探头,可以通过磁矢量探测器5拥有4个固定孔，将磁矢量探测器5固定在钻头顶部，因此磁矢量探测器位置可代表钻头位置。磁矢量探测器5可测得磁场三分量信息，高温三轴磁通门探头工作温度可达215℃。给人工磁源3通以100A电流产生感应磁场。

步骤二、调整通入人工磁源3的电流，人工磁源使探测井6中的磁矢量探测器5接收到磁感应信号。

步骤三、磁矢量探测器5将接收到的信号传输到地面计算机，地面计算机根据接收到的磁感应强度计算出钻头4相对于人工磁源3的距离，水平偏角和垂直偏角，并绘制出钻头平面投影图，显示中心偏移量。

步骤四、地面计算机根据计算出的偏移量和角度调整钻头4钻探方向，使钻头朝向人工磁源3方向前进；从而指导下一步钻探方向。

步骤五、钻头4在整个钻进过程中，测量间隔时间可以视每次测量结果的正误程度，随机选取间隔2～10分钟测量并计算一次偏移量和角度，随时对钻头4方向进行校正，最终使水平井与探测井6、目标井7两直井连通。

本发明步骤三所述的钻头定位计算方法是在球坐标系下计算完成，是根据毕奥萨伐尔推导出圆点电流在空间任一点产生的磁感应强度，以球坐标为方程建立坐标系，利用三角代换辅助角公式，推导出距离，水平偏角和垂直偏角的表达式；通过测定的磁三分量，计算出上述三个参数的值，从而确定出探头在以人工磁源为坐标原点的球坐标系中的位置,具体步骤是：

①、人工磁源可以看做磁偶极子模型，其在空间任一点P产生的磁感应强度三分量B_x,B_y,B_z球坐标系有如下表示:

其中μ为空间磁导率，θ为水平偏角，

为垂直偏角，r为空间任一点P到磁源中心的距离如图3所示，I为电流强度，n为线圈匝数，R为线圈半径；

②、磁矢量探测器获得B_x,B_y，B_z信号，然后计算出θ，

r大小，就可以确定钻头相对于目标井的位置。

③用（2）式除以（1）式，得到B_y/B_x=tanθ，进行反三角运算得到（4）式：

$\mathrm{\&theta;}={\tan }^{-1}\frac{B_y}{B_x}(0<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;})---\left(4\right)$

用（2）式除以（3）式，相对于距离r，线圈半径R的大小可以忽略，得到（5）式：

利用三角函数二倍角公式

代入（5）式得到（6）式：

④对（6）式利用三角代换辅助角公式 $A\sin \mathrm{\&alpha;}+B\cos \mathrm{\&alpha;}=\sqrt{A^2+B^2}\sin (\mathrm{\&alpha;}+\arctan (B/A)),$ 整理后得到（7）式：

对（7）式求反三角，最终得到垂直偏角

的表达式（8）

⑤已知垂直偏角的大小后，利用（3）式可以求得距离r的表达式（9）

其中μ,I,R,n都为已知常数。至此得到了钻头在空间任一点（θ，

r）位置理论表达式，只要知道磁三分量信息就可以算出钻头相对于人工磁源的位置。

将磁探测器获得的磁三分量信号输入计算机，根据上述计算公式计算出钻头与目标井的距离r,水平偏角θ，垂直偏角

在计算机屏幕上输出如图4所示的界面，得到钻头相对于目标井的方位的空间坐标（r,

θ），计算

X_偏=r×cos(θ)并绘制出钻头在X-Z平面偏移量示意图如图5所示，图中黑点为钻头在X-Z平面的投影，图5显示此时钻头在磁源上方21m，右方3m处，因此钻头向左下方前进。对钻探轨迹进行矫正，指导正确的钻探方向。

按照矫正方向钻探，平均每隔5分钟重复以上步骤，计算钻头所在位置，达到随钻测量，随钻导航的目的，不断的修正钻头轨迹，直至最终使水平井与探测井6、目标井7两直井连通。

Claims (3)

1.一种基于磁检测的井中随钻导航方法，其特征在于：按如下步骤操作：

步骤一、分别钻2个竖井，为探测井与目标井，将磁矢量探测器固定在钻头端，放入探测井的底部，将人工磁源放入目标井底部，给人工磁源通以电流产生感应磁场；

步骤二、调整通入人工磁源的电流，使探测井中的磁矢量探测器接收到磁感应信号；

步骤三、磁矢量探测器将接收到的信号传输到地面计算机，地面计算机根据接收到的磁感应强度在球坐标系下计算出钻头的位置，即钻头相对于人工磁源的距离，水平偏角和垂直偏角，并绘制出钻头平面投影图，显示中心偏移量；

步骤四、地面计算机根据计算出的偏移量和角度调整钻头钻探方向，使钻头朝向人工磁源方向前进；

步骤五、钻头在前进的过程中，每隔2～10分钟测量并计算一次偏移量和角度，随时对钻头方向进行校正，最终使水平井与直井连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁检测的井中随钻导航方法，其特征在于：步骤一中所述的人工磁源由缠绕在条状铁磁体上的线圈构成，磁矢量探测器采用Mag611型高温三轴磁通门探头,工作温度可达215℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁检测的井中随钻导航方法，其特征在于：步骤三中所述的地面计算机计算出钻头的位置，具体步骤是：

①、将人工磁源看做磁偶极子模型，其在空间任一点产生的磁感应强度与一环形电流产生磁场相同,人工磁源在空间任一点P产生的磁感应强度三分量B_x,B_y,B_z球坐标系表示为:

其中μ为空间磁导率，θ为水平偏角，

为垂直偏角，r为空间任一点P到磁源中心的距离，I为电流强度，n为线圈匝数，R为线圈半径；

②、磁矢量探测器获得B_x,B_y，B_z信号，然后计算出θ，

r大小，就确定钻头相对于目标井的位置；

③、用(2)式除以(1)式，得到B_y/B_x=tanθ，进行反三角运算得到(4)式：

$\mathrm{\&theta;}={\tan }^{-1}\frac{B_y}{B_x}(0<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;})---\left(4\right)$

用（2）式除以（3）式，相对于距离r，线圈半径R的大小可忽略，得到（5）式：

利用三角函数二倍角公式

代入（5）式得到（6）式：

④对（6）式利用三角代换辅助角公式 $A\sin \mathrm{\&alpha;}+B\cos \mathrm{\&alpha;}=\sqrt{A^2+B^2}\sin (\mathrm{\&alpha;}+\arctan (B/A)),$ 整理后得到（7）式：

对（7）式求反三角，最终得到垂直偏角的表达式（8）

⑤已知垂直偏角

的大小后，利用（3）式求得距离r的表达式（9）

其中μ,I,R,n都为已知常数；得到了钻头在空间任一点（θ，

r）位置理论表达式，只要知道磁三分量信息就可算出钻头相对于人工磁源的位置；

将磁探测器获得的磁三分量信号输入计算机，根据上述计算公式计算出钻头与目标井的距离r,水平偏角θ，垂直偏角

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