CN104343438A - 测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪，包括永久磁钢钻铤，井下探测仪和地面接口箱，永久磁钢钻铤固定在钻头后部，与钻头一起旋转产生旋转磁场，以提供磁场信号源；井下探测仪包括两个三轴磁通门和三个加速度表；地面接口箱用于对得到的数据进行处理，并给井下探测仪供电，永久磁钢钻铤为斜置安装的永久磁钢钻铤或垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤。根据本发明的磁场测距仪以及测量方法，能够直接测量钻头和目标靶点的相对位置。避免了误差的积累，实现了精确测量钻头和靶点的相对位置。除在蒸汽辅助重力泻油(SAGD)、煤层气开发等矿产资源的开发之外，还在隧道穿越、煤矿冻结建井、密集竖井等施工中，实现高精度的相对位置测量。

Description

测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪及其测量方法

技术领域

本申请涉及一种磁场测距仪及其测量方法，具体地，涉及一种测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪及其测量方法。

背景技术

有了MWD(随钻测量Measure While Drilling)后，定向井和水平井等各种三维轨迹的井都可以实现。但是在两口以上的三维轨迹的井，进行对接或保持平行或绕障，MWD的积累误差会随井深增加，只有MWD无法为轨迹控制提供准确的相对间距。这时候需要测量钻头与已钻井的相对间距，消除MWD的积累误差。

现有技术中，大多是采用磁场测距的方法实现相对测量，磁场信号源包括已钻井套管磁化的磁场、螺线管在已钻井中通电流产生磁场和钻头上装永久磁钢的磁场。由于磁场的随距离的三次方衰减，已钻井套管磁化的磁场敏感距离太近，永久磁钢比螺线管的敏感距离远，故永久磁钢最实用，应用范围最广。如稠油SAGD井、稠油THAI井、煤层气对接井、煤炭地下气化的U型V型井、煤矿救援井、煤矿冻结建井中冻结孔、海洋平台密集竖井、管线的对接穿越、盐碱矿的连通、加密井的绕障等施工中，磁场信号源大都采用永久磁钢的方式。目前需要提高测量距离和提高测量可信度，需要以永久磁钢为基础做多方面改进。

例如，US5258755采用NS极垂直与钻头轴的永久磁钢再加上一个NS极平行与钻头轴的螺线管，但是实际中这个螺线管的通电难以实现，只能把螺线管换成永久磁钢。US5258755中的螺线管通交变电流，产生交变磁场。永久磁钢的磁场是不变的。

CN101799558B提出用两个感应式磁力仪，形成同步地测量空间两个位置的磁场三分量。一个感应式磁力仪该测量旋转磁钢产生的旋转磁场。另外一个感应式磁力仪测量地球磁场与加速度表一起建立地球重力和地球磁场坐标系。但该方法精度不高。

US5589775专利提出偶极子的磁场分布计算间距，但是偶极子的磁场分布受到钻头和螺杆及目标井的磁性材料干扰，会影响计算间距的准确性。

US5485089提出用一个可以移动的螺旋管在已钻井产生磁场。CN101852078B提出已钻井产生磁场，用两个螺旋管产生磁场，用MWD的磁通门测量，但是MWD的磁通门的远离钻头，测量的数据也很少，并且影响MWD的正常工作任务。

因此，如何克服现有技术中磁场测量的各种缺陷，避免误差的积累，精确测量钻头和靶点的相对位置成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪及其测量方法，精确测量钻头和靶点的相对位置

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪，包括永久磁钢钻铤，井下探测仪和地面接口箱，其中，

永久磁钢钻铤包括永久磁钢钻铤本体，以及固定在所述永久磁钢钻铤本体内部的多个永久磁钢，所述永久磁钢钻铤固定在钻头后部，成为旋转磁场短节，与钻头一起旋转产生旋转磁场，以提供磁场信号源；

所述井下探测仪包括两个三轴磁通门和三个加速度表，所述两个三轴磁通门之间间距固定，对旋转磁场两个位置的磁场进行测量，加速度表和磁通门在地球重力场和地球磁场中为磁通门建立坐标系；

所述地面接口箱用于对得到的数据进行处理，并给井下探测仪供电，所述井下探测仪和地面接口箱之间通过具有电缆进行数据和电源连接。

优选地，所述永久磁钢钻铤为斜置安装的永久磁钢钻铤或垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤，

所述斜置安装的永久磁钢钻铤为所有永久磁钢排列成NS极相对纵向轴线的垂直方向偏一定的角度的方式斜置安装，

所述垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤为部分永久磁钢排列成NS相对纵向轴线垂直，另一部分永久磁钢排列成与NS极和纵向轴线平行。

优选地，所述井下探测仪包括两个传感器舱、一个CPU舱和一个电源舱，其中两个传感器舱相隔一定间距，每个传感器舱由三个相互垂直的重力加速度计和一个高精度三轴磁通门传感器组成，三个加速度计的作用是确定井下探测仪的井斜角和重力高边，给磁通门建立坐标系，三轴磁通门传感器测量旋转磁场该磁通门传感器中心处三个坐标轴上的分量；电源舱从电缆取电，并通过电缆传输数据；CPU舱采集传感器舱电压，并将所采集的两个传感器舱的电压数据传送给电源舱。

优选地，所述电缆为单芯钢丝电缆。

本发明还公开了一种利用上述的旋转磁场测距仪对钻井相对距离进行测量的方法，其特征在于：

将旋转磁场短节安装在钻头上，随钻头一起旋转地产生磁场，井下探测仪放置在另一个井中，测量旋转磁场在井下探测仪上的每个位置上的磁场分量；

用磁通门测量的时间波形和深度的时间波形构建RMtop1、RMside1、RMforth1、RMtop2、RMside2、RMforth2六个磁场分量与钻头转角和深度的3D图像、构建每个磁通门位置处三个磁场分量的平方和、或每个位置处两个磁场分量的平方和、或六个磁场分量当中的几个分量的其他运算与钻头转角和深度的3D图像，读取这些波形的峰值和峰谷及等值线所对应的钻头转角和深度值，结合推导出的钻头转角、钻头深度和钻头相对已钻井的间距与每个磁通门位置的各个磁场分量之间的函数关系，经标定文件计算和各个分量之间的相互关系，得出钻头相对已钻井的间距和方向；

其中RMforth为永久磁钢钻铤的旋转轴方向，RMtop方向为RMforth轴到观测点的方向，根据右手法则确定RMside方向。

优选地，所述标定文件指的是按照应用工况，用变形后的磁场分布进行标定的相关系数文件，用于拟合3D图像的特征与所求的间距和方向。

优选地，对于斜置安装的永久磁钢钻铤，所述函数关系为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{JRMtop}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ (({2s}^2-h^2)\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+3\mathrm{hs}\sin \mathrm{\β})\\ \mathrm{JRMside}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{1.5}}\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{JRMforth}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ (3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+({2s}^2-h^2)\sin \mathrm{\β})\end{array}\right.$

优选地，对于垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤，所述函数关系

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{TRMtop}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}[({2h}^2-s^2)\cos \mathrm{\α}+3\mathrm{hs}]\\ \mathrm{TRMside}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{1.5}}\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{TRMforth}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}[3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\α}+{2s}^2-h^2]\end{array}\right.$

其中，μ为永久磁钢钻铤所在介质的导磁率，M为磁矩矢量，α为永久磁钢钻铤的旋转角度，h为观察点到RMforth轴的距离，s为观察点在RMforth轴上的对应位置。

优选地，当在成对水平井中测量两个井的间距时，在一个钻杆结束后，有两个测量结果，冗余数据提高置信度，除间距与间距高边角之外，还能测出钻头轴线与已钻井轴线的角度。

当在垂直对接井和水平对接井中测量两个井的间距时，用这两个三轴磁通门能够得到冗佘计算结果，用这两个三轴磁通门的已知间距实时标定计算结果，提高数据的可信度和准确性。

综上，本发明的旋转磁场测距仪包括永久磁钢钻铤、井下探测仪、地面接口箱。永久磁钢钻铤作为信号源，井下探测仪作为信号探测端，测量钻头到已钻井的间距和方向的计算方法使用井下探测仪探测到的信号来计算量钻头到已钻井的间距和方向。

本发明测量钻头相对另一井的测距，所用的永久磁钢短钻铤，由多个永久型磁钢排列。一种是所有永久磁钢排列成NS相对轴线垂直方向偏一定的角度安装，一种是一部分排列成NS相对轴线垂直，另一部分排列成与NS极和轴线平行。这两种方式都可以使旋转磁场的特征更加明显，最有利于测量。并且在平行水平井施工中，间距5米只需要2米的深度位移，或10米的深度位移可以实现间距为25米的测量范围，即可以做25米间距的平行井，能缩短钻头的深度位移要求。对于垂直对接井和水平对接井，把磁钢装体积最大，使每米偏移对应的磁场幅值的变化更大，提高敏感距离。

本发明的井下探测仪由两个三轴磁通门构成，对旋转磁场进行两个位置的测量。对于垂直对接井和水平对接井，用这两个三轴磁通门的已知间距实时标定计算结果，提高数据的可信度和准确性。对于平行井，间距与间距高边角有冗余数据，还能测出钻头轴线与已钻井轴线的角度。

本发明建立了钻头轴线与井下探测仪的磁通门之间旋转磁场坐标系，在该坐标系中定义了旋转磁场在两个磁通门位置的RMtop1、RMside1、RMforth1、RMtop2、RMside2、RMforth2六个磁场分量，并推导出了每个分量与钻头转角、钻头深度和钻头相对已钻井的间距之间的函数关系。构建出各个磁场分量与钻头转角和深度的3D图像，读取这些图像的峰值和峰谷及等值线所对应的钻头转角和深度值，经标定文件计算，得出钻头相对已钻井的间距和方向。

为了消除旋转磁钢的容差和温度系数的影响，消除钻头和螺杆的导磁性的影响，消除已钻井的套管导磁性的影响，确保测量的可信度和精度。本发明给出了标定和检验方法，求解和检验每个磁场分量的3D图像的特征与钻头相对已钻井的间距和方向的标定系数。

根据本发明的磁场测距仪以及测量方法，能够直接测量钻头和目标靶点的相对位置。避免了误差的积累，实现了精确测量钻头和靶点的相对位置。除在蒸汽辅助重力泻油(SAGD)、煤层气开发等矿产资源的开发之外，还在隧道穿越、煤矿冻结建井、密集竖井等施工中，实现高精度的相对位置测量。

附图说明

图1示出了静态磁偶极子在空间磁场强度分布图；

图2示出了磁偶极子的椭圆极化磁力线模型；

图3示出了磁偶极子的椭圆极化磁场模型；

图4示出了静态磁偶极子在空间磁场强度分布图；

图5示出了根据本发明具体实施例的永久磁钢钻铤的外观图；

图6示出了根据本发明具体实施例的斜置安装的永久磁钢钻铤的轴向截面图；

图7示出了根据本发明具体实施例的垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤的横向截面图；

图8示出了磁偶极子的椭圆极化磁场倾斜后模型；

图9示出了磁偶极子的椭圆极化磁场倾斜后空间磁场强度分布图；

图10示出了根据本发明的具体实施例的地面接口箱和井下探测仪的示意图；

图11示出了根据本发明的具体实施例的成对水平井测距示意图；

图12示出了根据本发明的具体实施例的成对水平井测距空间磁场强度分布图；

图13示出了根据本发明的具体实施例的成对水平井RMtop的3D图像；

图14示出了根据本发明的具体实施例的成对水平井RMside的3D图像；

图15示出了根据本发明的具体实施例的成对水平井RMforth的3D图像；

图16示出了根据本发明的具体实施例的水平井与直井的连通的测距示意图；

图17示出了根据本发明的具体实施例的水平井与直井的连通的空间磁场强度分布图；

图18-21分别示出了根据本发明的具体实施例的RMtop、RMside、RMforth、RMtotal的3D图像；

图22示出了根据本发明的具体实施例的水平井对接的测距示意图；

图23示出了根据本发明的具体实施例的水平井对接的空间磁场强度分布图；

图24示出了根据本发明的具体实施例的密集竖井的施工的测距示意图；

图25示出了根据本发明的具体实施例的密集竖井的施工的空间示意图。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、永久磁钢钻铤；11、永久磁钢钻铤本体；12、永久磁钢；2、井下探测仪；21、传感器舱；22、CPU舱；23、电源舱；3、地面接口箱；4、电缆；5、数据处理设备。

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详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明的永久磁钢钻铤安装在钻头之后，与钻头一起旋转产生旋转磁场。旋转磁场在目标位置处的井下探测仪上的每个位置，产生三个正交分量，频率与旋转磁场同步。因此，首先必须计算如何给予旋转的永久磁钢钻铤对磁场强度进行测量。

由于永久磁钢钻铤的尺寸远小于两个井的间距，故可以将永久磁场钻铤看作一个磁偶极子。

设静态磁偶极子位于坐标原点，静态磁偶极子在远场空间任意点处磁场强度H的表达式为

其中，Hx，Hy，Hz分别表示X、Y、Z三个方向的磁场强度，μ为永久磁钢钻铤所在介质的导磁率，M为磁矩矢量，r为原点O到点P的矢径，表示矢径与Z轴的夹角，θ₀表示矢径在XY平面上与X轴的夹角。

磁偶极子的磁场分布为一个椭圆极化磁场，根据公式(1)可知，在磁场方向水平，即Top方向的磁场为零时，由Htop表达式可知

即则椭圆极化磁场的模型如图2、图3所示。

则，参见图4，定义新的变量α、h、s，静态磁偶极子在远场空间任意点处磁场强度H的表达式的变形为

$\left\{\begin{array}{c}{H}_X=\frac{\mathrm{\μM}}{8\mathrm{\π}{r}^5}{3h}^2\sin 2\mathrm{\α}\\ H_y=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{r}^5}3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\α}\\ H_z=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{r}^5}(3\·h^2\·{\cos }^2\mathrm{\α}-r^2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，α表示P点在OZX面上的投影和Z轴的角度，h表示P点在OZX面上的投影，s表示P点在Y轴上的投影。

当永久磁钢钻铤磁钢进行旋转时，可看作椭圆极化磁场在中心处沿其水平径向进行旋转，如图1按照Y轴旋转。建立RMtop、RMside、RMforth坐标系，定义RMforth为永久磁钢钻铤的旋转轴方向，RMtop方向为RMforth轴到观测点的方向，根据右手法则确定RMside方向。

RMtop、RMside、RMforth坐标系下，定义α为旋转磁场短节，即永久磁钢钻铤的旋转角度，h为观察点到RMforth轴的距离，s为观察点在RMforth轴上的对应位置。则观察点处三个方向的磁场分量为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{RMtop}=H_z\cos \mathrm{\α}+H_x\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{RMside}=H_x\cos \mathrm{\α}-H_z\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{RMforth}=H_y\end{array}\right.---\left(3\right)$

带入公式(2)得

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{RMtop}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}({2h}^2-s^2)\cos \mathrm{\α}\\ \mathrm{RMside}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{1.5}}\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{RMforth}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(4\right)$

为了具体施工中更加方便和旋转磁场的特征值与钻头相对已钻井的间距的相关性更加鲜明，本发明的永久磁钢钻铤优选采用特定的安装模式。

参见图5，公开了根据本发明的永久磁钢钻铤1的外观图；其包括永久磁钢钻铤本体11和永久磁钢12，其中永久磁钢12位于永久磁钢钻铤11的内部。

参见图6，示出了根据本发明具体实施例的斜置安装的永久磁钢钻铤的轴向截面图，所有永久磁钢12排列成NS极相对纵向轴线的垂直方向偏一定的角度的方式斜置安装。

参见图7，示出了根据本发明具体实施例的垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤的横向截面图，其中部分永久磁钢12排列成NS相对纵向轴线垂直，另一部分永久磁钢12排列成与NS极和纵向轴线平行。

参见图8，图9，斜置安装的永久磁钢钻铤的磁场模型就相当于磁偶极子的椭圆极化磁场模型偏一定的角度β。磁偶极子倾斜角度β时，在远场空间任意点处磁场强度H的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_x=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ 3(h^2\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{hs}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α})\\ H_y=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ (3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+({2s}^2-h^2)\sin \mathrm{\β})\\ H_z=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ ({3h}^2\cos \mathrm{\β}{\cos }^2\mathrm{\α}+3\mathrm{hs}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}-r^2\cos \mathrm{\β})\end{array}\right.---\left(5\right)$

斜置安装的永久磁钢钻铤沿轴线进行旋转时，如图1按照Y轴旋转。建立RMtop、RMside、RMforth坐标系定义旋转轴为RMforth，RMtop方向为RMforth轴到观测点的方向，根据右手法则确定RMside方向。

RMtop、RMside、RMforth坐标系下，定义α为旋转磁场短节的旋转角度，h为观察点到RMforth轴的距离，s为观察点在RMforth轴上的对应位置。则观察点处三个方向的磁场分量为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{JRMtop}=H_z\cos \mathrm{\α}+H_x\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{JRMside}=H_x\cos \mathrm{\α}-H_z\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{JRMforth}=\mathrm{HY}\end{array}\right.---\left(6\right)$

带入公式(5)，得

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{JRMtop}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ (({2s}^2-h^2)\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+3\mathrm{hs}\sin \mathrm{\β})\\ \mathrm{JRMside}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{1.5}}\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{JRMforth}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ (3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+({2s}^2-h^2)\sin \mathrm{\β})\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，JRMforth表示RMforth，即旋转轴方向的磁场强度，JRMtop表示RMforth轴，即旋转轴到观测点的方向的磁场强度，JRMside表示根据右手法则确定的RMside轴方向的磁场强度。

永久磁钢沿轴向安装时，就相当于磁偶极子磁偶极子的椭圆极化磁场模型偏90度，即公式(7)中角度β为90度。则

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{ARMtop}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}3\mathrm{hs}\\ \mathrm{ARMside}=0\\ \mathrm{ARMforth}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}({2s}^2-h^2)\end{array}\right.---\left(8\right)$

垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤的旋转磁场模型为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{TRMtop}=\mathrm{RMtop}+\mathrm{HRMtop}\\ \mathrm{TRMside}=\mathrm{RMside}+\mathrm{HRMside}\\ \mathrm{TRMforth}=\mathrm{RMforth}+\mathrm{HRMforth}\end{array}\right.---\left(9\right)$

带入公式(4)和公式(9)，得

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{TRMtop}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}[({2h}^2-s^2)\cos \mathrm{\α}+3\mathrm{hs}]\\ \mathrm{TRMside}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{1.5}}\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{TRMforth}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}[3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\α}+{2s}^2-h^2]\end{array}\right.---\left(10\right)$

构建成磁场分量与钻头转角和深度的3D图像，该图像的特征值与钻头相对已钻井的间距的相关性更加鲜明。根据是对接还是保持平行或绕障的用途，按照最鲜明的相关性，可以选择不同排列方式的永久磁钢钻铤。

其中，TRMforth表示RMforth，即旋转轴方向的磁场强度，TRMtop表示RMforth轴，即旋转轴到观测点的方向的磁场强度，TRMside表示根据右手法则确定的RMside轴方向的磁场强度。

构建成磁场分量与钻头转角和深度的3D图像，该图像的特征值与钻头相对已钻井的间距的相关性更加鲜明。根据是对接还是保持平行或绕障的用途，按照最鲜明的相关性，可以选择不同排列方式的永久磁钢钻铤。

根据上述的理论分析，本发明的旋转磁场测距仪包括永久磁钢钻铤1，井下探测仪2和地面接口箱3。其中，永久磁钢钻铤1包括永久磁钢钻铤本体11，以及固定在所述永久磁钢钻铤本体11内部的多个永久磁钢12，所述永久磁钢钻铤1固定在钻头后部，成为旋转磁场短节，与钻头一起旋转产生旋转磁场，以提供磁场信号源；井下探测仪2包括两个三轴磁通门和三个加速度表，所述两个三轴磁通门之间间距固定，对旋转磁场两个位置的磁场进行测量，加速度表和磁通门在地球重力场和地球磁场中为磁通门建立坐标系。地面接口箱3用于对得到的数据进行处理，并给井下探测仪供电。所述井下探测仪2和地面接口箱之间通过具有电缆4进行数据和电源连接。

其中，所述地面接口箱3还可以通过例如USB电缆的方式，连接各种数据处理设备5，例如PC机。

优选地，所述永久磁钢钻铤1包括斜置安装的永久磁钢钻铤，和垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤。

所述斜置安装的永久磁钢钻铤中，所有永久磁钢12排列成NS极相对纵向轴线的垂直方向偏一定的角度的方式斜置安装。

所述垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤，其中部分永久磁钢12排列成NS相对纵向轴线垂直，另一部分永久磁钢12排列成与NS极和纵向轴线平行。

上述两种永久磁钢钻铤能够使得在具体施工中更加方便，且使得旋转磁场的特征值与钻头相对已钻井的间距的相关性更加鲜明

优选地，参见图10，所述井下探测仪2包括两个传感器舱21、一个CPU舱22和一个电源舱23，其中两个传感器舱21相隔一定间距，例如，可以使得CPU舱22和电源舱23位于两个传感器舱21之间。每个传感器舱21由三个相互垂直的重力加速度计和一个高精度三轴磁通门传感器组成，三个加速度计的作用是确定井下探测仪的井斜角和重力高边，给磁通门建立坐标系，三轴磁通门传感器测量旋转磁场该磁通门传感器中心处三个坐标轴上的分量，两个传感器舱，得到两个位置的磁场三分量，六个正弦波信号。两个磁通门传感器之间的距离已知，可以对旋转磁场进行实时标定，并对得到的数据进行验证，不但冗佘而且实时标定；电源舱23从电缆4取电，并通过电缆4传输数据；CPU舱22采集传感器舱电压，并将所采集的两个传感器舱的电压数据以诸如曼彻斯特编码的形式传送给电源舱23。

优选地，所述电缆4为单芯钢丝电缆，以提高电缆的强度。

本发明还公开了一种利用上述的磁场测距仪进行钻井相对距离测量的方法，包括将旋转磁场短节安装在钻头上，随钻头一起旋转地产生磁场，井下探测仪2放置在另一个井中，旋转磁场在目标位置处的井下探测仪上的每个位置，产生三个正交分量，频率与旋转磁场同步。

用磁通门测量的时间波形和深度的时间波形构建RMtop1、RMside1、RMforth1、RMtop2、RMside2、RMforth2六个磁场分量与钻头转角和深度的3D图像、构建每个磁通门位置处三个磁场分量的平方和、或每个位置处两个磁场分量的平方和、或六个磁场分量当中的几个分量的其他运算与钻头转角和深度的3D图像，读取这些波形的峰值和峰谷及等值线所对应的钻头转角和深度值，结合推导出的钻头转角、钻头深度和钻头相对已钻井的间距与每个磁通门位置的各个磁场分量之间的函数关系，经标定文件计算和各个分量之间的相互关系，得出钻头相对已钻井的间距和方向。这样就消除了上述磁场干扰带来的误差，得到可信高精度的结果。

由于钻头和螺杆及目标井的磁性材料的干扰，造成磁场分布的变形，影响测量结果。因此，标定文件指的是按照应用工况，用变形后的磁场分布进行标定的相关系数文件，用于拟合3D图像的特征与所求的间距和方向。

其中，对于斜置安装的永久磁钢钻铤，所述函数关系指的是公式(7)，对于垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤，所述函数关系指的是公式(10)。

实施例1：旋转磁场测距仪在SAGD成对水平井中的应用

参见图11，SAGD成对水平井采取一对上下平行的水平井，上面的水平井为注汽井，下面的为采油井。在施工中，井下探测仪通过电缆放在已钻井中，超前钻头半根钻杆长度。在这根钻杆开始钻进时开始数据采集，在这根钻杆结束后停止数据采集，同时记录钻头深度随时间的变化。

在SAGD成对水平井施工中，两口井水平段的井斜控制比较准确，两口井之间主要存在偏航角。旋转磁场和井下探测仪的相对关系如图12所示。

在Top、Side、Forth坐标系中：Top轴方向垂直向上，Forth轴与井下探测仪轴线方向相同，根据右手螺旋法则确定Side轴。RMforth轴为旋转磁场短节旋转轴线，RMtop轴为RMforth轴指向磁通门所在位置的矢量，根据右手螺旋法则确定RMside轴。两个磁通门所处位置到旋转磁场短节的距离为s1和s2，两个磁通门磁通门所处位置到RMforth轴的距离为h1和h2，两个磁通门所处位置在RMforth轴上的垂足到旋转磁场短节之间的距离为d1和d2。旋转磁场短节的旋转角度，以磁通门所处位置参考，旋转角度所以旋转角度为θ1和θ2。旋转磁场短节的旋转轴线和井下探测仪的轴线之间，存在偏航角v。

已钻井中的井下探测仪上的两个磁通门测量旋转磁场，两处的六个磁场分量的频率与旋转磁场同步，其幅值和相位随着钻头的井深变化。一根钻杆通常是约10m，在SAGD成对水平井施工中，两口井水平段的垂直距离为5.0m±0.5m，水平距离为0.0m±0.5m。钻完一根钻杆，井下探测仪的传感器位置处的磁场如图11。在top、side、forth坐标系中，h0为5m，d0为-5m到+5m范围，ω0为0到360度范围的条件下，得到的3D图像如图13-15所示。

对采集到的两个三轴磁通门和三轴加速度计数据进行滤波处理，计算井下探测仪坐标轴上的三个分量，建立井下探测仪的地球重力坐标系，无需磁场坐标系。对采集到两个三轴磁通门的数据进行滤波处理，得到旋转磁场数据，并进行坐标旋转，得到Top、Side、Forth坐标系中两个磁通门处RMtop1、RMside1、RMforth1、RMtop2、RMside2、RMforth2六个旋转磁场分量。用两个传感器处的磁场的三轴分量计算出每个时刻的钻头转角，旋转角度有两个θ1和θ2；根据井深记录，每个时刻的井深。构建每个磁场分量随旋转磁场的角度与井深的3D波形，构建两处旋转磁场的三轴分量平方和、或每处的其中两轴分量的平方和、或这六个分量的其他运算与钻头转角和深度的3D图像。读取这些波形的峰值和峰谷及等值线所对应的钻头转角、深度值和磁场强度值，结合推导出的钻头转角、钻头深度和钻头相对已钻井的间距与每个磁通门位置的各个磁场分量之间的函数关系，经标定文件计算，得出钻头相对已钻井的间距h1和h2和方向ψ1和ψ2，得出间距h和方向ψ，得出偏航角。也可以对照标定时的3D波形库，用图像识别和拟合来确定。

在SAGD成对水平井施工中，斜置的永久磁钢钻铤可以在配合井下探测仪，在两口井间距5米时只需要2米的深度位移就可计算出准确结果，或10米的深度位移可以实现间距为25米的测量范围，即可以做25米间距的平行井。

可见，对于平行井，在一个钻杆结束后，可以有两个测量结果，冗余数据提高置信度。除间距与间距高边角之外，还能测出钻头轴线与已钻井轴线的角度。

实施例2：旋转磁场测距仪在水平井与直井连通中的应用

在水平井和直井施工中，旋转磁场短节接在正钻井的钻头后面，井下探测仪2通过电缆放在直井靶点处，同时在地面设有地面接口箱3和计算机5。井下探测仪2的电缆和地面接口箱3之间需要供电和数据通讯，都通过有线电缆4来实现。在开始钻进后进行数据采集，同时记录钻头深度随时间的变化，在钻进一定距离后停止数据采集。钻进工程师通过分析处理得到的数据，得到靶点位置的偏移半径和偏移高边。

在水平井和直井的连通施工中，旋转磁场和井下探测仪的相对关系如图16、17。

如图17，在U、E、N坐标系中：U轴方向垂直向上，E轴向东，N轴指北。RMforth轴为旋转磁场短节旋转轴线，RMtop轴为RMforth轴指向磁通门所在位置的矢量，根据右手螺旋法则确定RMside轴。两个磁通门所处位置到旋转磁场短节的距离为s1和s2，两个磁通门磁通门所处位置到RMforth轴的距离为h1和h2，两个磁通门所处位置在RMforth轴上的垂足到旋转磁场短节之间的距离为d1和d2，井下探测仪垂直，所以d1和d2重合。旋转磁场短节的旋转角度，以磁通门所处位置参考的旋转角度为θ1和θ2，以重力线为参考旋转角度为θ。旋转磁场短节的旋转轴线和井下探测仪的轴线之间，存在偏航角v。

在U、E、N坐标系下，旋转磁场短节前进3m，根据公式2进行仿真，建立3D模型，磁场的三轴分量变化如下。

对采集到的两个三轴磁通门和三轴加速度计数据进行滤波处理，建立井下探测仪的地球重力和地球磁场坐标系，对采集到两个三轴磁通门的数据进行滤波处理，得到旋转磁场数据，并进行坐标旋转，得到U、E、N坐标系中两个磁通门处的旋转磁场的三轴分量。根据两个传感器处的磁场的三轴分量计算出每个时刻的旋转角度；根据井深记录，每个时刻的井深；根据传感器数据，得到每个时刻的磁场三个分量，两个位置共六个分量。构建每个磁场分量随旋转磁场的角度与井深的3D波形，构建旋转磁场的三轴分量平方和、或其中两个磁场分量的平方和、或这六个分量的其他运算与钻头转角和深度的3D图像。读取这些波形的峰值和峰谷及等值线所对应的钻头转角和深度值及磁场强度值，结合推导出的钻头转角、钻头深度和钻头相对已钻井的间距与每个磁通门位置的各个磁场分量之间的函数关系，经标定文件计算，得出钻头相对已钻井的间距和方向。也对照标定时的3D波形库，可以确定钻头到已钻井的s1和s2、偏移h1和h2和左右偏移。用这两个三轴磁通门得到冗佘计算结果，用这两个三轴磁通门的已知的上下间距，与计算的钻头到已钻井的s1和s2、偏移h1和h2和左右偏移对比，可以按修正计算结果，提高数据的可信度和准确性。

实施例3：旋转磁场测距仪在对水平对接井中的应用

在水平井和水平井的连通施工中，旋转磁场和井下探测仪的相对关系如图22。

如图23，在Top、Side、Forth坐标系下，根据公式7进行仿真，建立3D模型，在此本文不再示出其具体的3D图像。

对采集到的两个三轴磁通门和三轴加速度计数据进行滤波处理，建立井下探测仪的地球重力和地球磁场坐标系，对采集到两个三轴磁通门的数据进行滤波处理，得到旋转磁场数据，并进行坐标旋转，得到Top、Side、Forth坐标系中两个磁通门处的旋转磁场的三轴分量。根据两个传感器处的磁场的三轴分量计算出每个时刻的旋转角度；根据井深记录，每个时刻的井深；根据传感器数据，得到每个时刻的磁场三个分量，两个位置共六个分量。构建每个磁场分量随旋转磁场的角度与井深的3D波形，构建这六个分量的其他运算与钻头转角和深度的3D图像。读取这些波形的特制值，结合推导出的钻头转角、钻头深度和钻头相对已钻井的间距与每个磁通门位置的各个磁场分量之间的函数关系，经标定标定文件计算，得出正钻井到靶点的距离、偏移半径、偏移高边。

用这两个三轴磁通门的已知的前后间距，与正钻井到靶点的距离、偏移半径、偏移高边对比，可以按修正计算结果，提高数据的可信度和准确性。

实施例4：密集竖井的施工

参见图24，25。由于在密集竖井施工中无法确定井下探测仪的工具面，故需要使用两个井下探测仪分别放入两口已钻井中，分别得到两个已钻井和正钻井的间距R1和R2，根据R1和R2可以确定正钻井的位置。

每一个井下探测仪，用两个三轴磁通门的数据，计算这两个空间位置的每个时刻的磁场强度三轴分量，计算出钻头在每一个时刻的旋转角度；根据井深记录仪的数据，得到每个时刻的井深位置。按照时间序列进行数据处理，构建磁场分量随旋转磁场的角度与井深的3D波形。

根据两个井下探测仪的四个传感器的磁场分量随旋转磁场的角度与井深的3D波形，对照标定时的3D波形库，可以确定钻头到每个已钻井的距离、可以确定钻头轴线与各个已钻井的轴线夹角。

综上，根据本发明的磁场测距仪以及测量方法，能够直接测量钻头和目标靶点的相对位置。避免了误差的积累，实现了精确测量钻头和靶点的相对位置。除在蒸汽辅助重力泻油(SAGD)、煤层气开发等矿产资源的开发之外，还在隧道穿越、煤矿冻结建井、密集竖井等施工中，实现高精度的相对位置测量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪，包括永久磁钢钻铤，井下探测仪和地面接口箱，其中，

永久磁钢钻铤包括永久磁钢钻铤本体，以及固定在所述永久磁钢钻铤本体内部的多个永久磁钢，所述永久磁钢钻铤固定在钻头后部，成为旋转磁场短节，与钻头一起旋转产生旋转磁场，以提供磁场信号源；

所述井下探测仪包括两个三轴磁通门和三个加速度表，所述两个三轴磁通门之间间距固定，对旋转磁场两个位置的磁场进行测量，加速度表和磁通门在地球重力场和地球磁场中为磁通门建立坐标系；

所述地面接口箱用于对得到的数据进行处理，并给井下探测仪供电，所述井下探测仪和地面接口箱之间通过具有电缆进行数据和电源连接。

2.根据权利要求1所述的测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪，其特征在于：

所述永久磁钢钻铤为斜置安装的永久磁钢钻铤或垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤，

所述斜置安装的永久磁钢钻铤为所有永久磁钢排列成NS极相对纵向轴线的垂直方向偏一定的角度的方式斜置安装，

所述垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤为部分永久磁钢排列成NS相对纵向轴线垂直，另一部分永久磁钢排列成与NS极和纵向轴线平行。

3.根据权利要求1所述的测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪，其特征在于：

所述井下探测仪包括两个传感器舱、一个CPU舱和一个电源舱，其中两个传感器舱相隔一定间距，每个传感器舱由三个相互垂直的重力加速度计和一个高精度三轴磁通门传感器组成，三个加速度计的作用是确定井下探测仪的井斜角和重力高边，给磁通门建立坐标系，三轴磁通门传感器测量旋转磁场该磁通门传感器中心处三个坐标轴上的分量；电源舱从电缆取电，并通过电缆传输数据；CPU舱采集传感器舱电压，并将所采集的两个传感器舱的电压数据传送给电源舱。

4.根据权利要求1所述的测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪，其特征在于：

所述电缆为单芯钢丝电缆。

5.一种利用权利要求1-4中任意一项所述的旋转磁场测距仪对钻井相对距离进行测量的方法，其特征在于：

将旋转磁场短节安装在钻头上，随钻头一起旋转地产生磁场，井下探测仪放置在另一个井中，测量旋转磁场在井下探测仪上的每个位置上的磁场分量；

用磁通门测量的时间波形和深度的时间波形构建RMtop1、RMside1、RMforth1、RMtop2、RMside2、RMforth2六个磁场分量与钻头转角和深度的3D图像、构建每个磁通门位置处三个磁场分量的平方和、或每个位置处两个磁场分量的平方和、或六个磁场分量当中的几个分量的其他运算与钻头转角和深度的3D图像，读取这些波形的峰值和峰谷及等值线所对应的钻头转角和深度值，结合推导出的钻头转角、钻头深度和钻头相对已钻井的间距与每个磁通门位置的各个磁场分量之间的函数关系，经标定文件计算和各个分量之间的相互关系，得出钻头相对已钻井的间距和方向；

其中RMforth为永久磁钢钻铤的旋转轴方向，RMtop方向为RMforth轴到观测点的方向，根据右手法则确定RMside方向。

6.根据权利要求5所述的对钻井相对距离进行测量的方法，其特征在于：

所述标定文件指的是按照应用工况，用变形后的磁场分布进行标定的相关系数文件，用于拟合3D图像的特征与所求的间距和方向。

7.根据权利要求6所述的对钻井相对距离进行测量的方法，其特征在于：

对于斜置安装的永久磁钢钻铤，所述函数关系为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{JRMtop}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ (({2s}^2-h^2)\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+3\mathrm{hs}\sin \mathrm{\β})\\ \mathrm{JRMside}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{1.5}}\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{JRMforth}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}\\ (3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+({2s}^2-h^2)\sin \mathrm{\β})\end{array}\right.$

其中，μ为永久磁钢钻铤所在介质的导磁率，M为磁矩矢量，α为永久磁钢钻铤的旋转角度，h为观察点到RMforth轴的距离，s为观察点在RMforth轴上的对应位置。

8.根据权利要求6所述的对钻井相对距离进行测量的方法，其特征在于：

对于垂直与平行组合安装的永久磁钢钻铤，所述函数关系

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{TRMtop}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}[({2h}^2-s^2)\cos \mathrm{\α}+3\mathrm{hs}]\\ \mathrm{TRMside}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{1.5}}\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{TRMforth}=\frac{\mathrm{\μM}}{4\mathrm{\π}{(h^2+s^2)}^{2.5}}[3\mathrm{hs}\cos \mathrm{\α}+{2s}^2-h^2]\end{array}\right.$

其中，μ为永久磁钢钻铤所在介质的导磁率，M为磁矩矢量，α为永久磁钢钻铤的旋转角度，h为观察点到RMforth轴的距离，s为观察点在RMforth轴上的对应位置。

9.根据权利要求7或8所述的对钻井相对距离进行测量的方法，其特征在于：

当在成对水平井中测量两个井的间距时，在一个钻杆结束后，有两个测量结果，冗余数据提高置信度，除间距与间距高边角之外，还能测出钻头轴线与已钻井轴线的角度。

10.根据权利要求7或8所述的对钻井相对距离进行测量的方法，其特征在于：

当在垂直对接井和水平对接井中测量两个井的间距时，用所述两个三轴磁通门能够得到冗佘计算结果，用这两个三轴磁通门的已知间距实时标定计算结果，提高数据的可信度和准确性。