CN106121637A - 一种用于探测事故井的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于探测事故井的系统和方法，该系统包括：低频电源、模式控制开关、地面电极、井下聚焦电极系、传感器、地面数据处理单元；该系统通过设计聚焦电极系的方法减少电极之间由于救援井内钻井液的导电性而消耗的电流，并且通过调节模拟控制开关的方法能够获知地层的电阻率，从而能够准确获知汇聚到事故井金属管柱的汇聚电流，进而也提高了汇聚电流所产生的二次场所测出的事故井的方位精度。

Description

一种用于探测事故井的系统和方法

技术领域

本发明涉及石油开采安全技术，尤其涉及一种用于探测事故井的系统和方法。

背景技术

在海上和陆地钻井作业中，一旦发生井喷失控，将使油气资源受到严重破坏，还易酿成火灾，造成人员伤亡、设备毁坏、油气井报废、环境污染等诸多恶劣影响。在石油开采领域，发生井喷事故的油井称为事故井；为抢险控制事故井，在距事故井一定距离的安全区域内设计并施工与事故井相交连通的定向井称为救援井。井喷事故发生后，通常是从救援井内注入高密度压井液控制并封闭事故井。因此，在救援井中探测定位事故井是实施救援井的关键技术之一。

目前探测定位事故井的技术中，通常采用的方案是在救援井的井下与远离事故井的地面分别布置电极，在两电极间施加电流，利用电流通过地层流动在事故井的套管上产生汇聚电流，而汇聚电流产生的磁场可以被置于救援井井下的三轴磁通门检测到，后续可以根据三个磁场分量和重力场之间的关系，确定出事故井相对于救援井的距离和方位。

但是由于救援井中有钻井液，其导电性远高于地层本身，因而在井下电极施加的电流将直接通过救援井井筒内的井液到达地面，并与地面电极形成通路，难以通过地层在事故井的套管或钻杆上产生汇聚电流。

为了避免上述情况发生，目前出现的技术方案是基于三电极系的救援井与事故井连通探测系统。该系统由地表电极、井下三电极系等组件构成；通过井下三电极系作为电流信号发射源，保证从主电极流出的电流不会沿救援井井轴方向流动、可以直接探测救援井井底到事故井的距离和方位。但是由于井下三电极是极性相同的三个电极，且与地面电极的极性相反，因此井下电极与地表电极之间仍会通过井液形成了电流通路，电流无法汇聚到事故井金属管柱上，从而也无法在事故井上产生汇聚电流。

因此，电极之间消耗的电流未知，并且结合地层的电阻率未知；从而即使在电源提供的总电流已知的情况下，仍然无法确定事故井金属管柱上的汇聚电流，进而也影响了由汇聚电流所产生的二次场所测出的救援井与事故井的距离和方位的精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于探测事故井的系统和方法，能够提高汇聚电流所产生的二次场所测出的事故井的方位精度。

本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于探测事故井的系统，所述系统包括：低频电源、模式控制开关、地面电极、井下聚焦电极系、传感器、地面数据处理单元；

其中，所述低频电源用于根据所述模式控制开关的控制，为所述地面电极以及所述井下聚焦电极系提供电流；

所述模式控制开关，用于控制所述系统的工作模式；以及，当所述系统处于地层电阻率测量模式时，控制所述低频电源为所述井下聚焦电极系提供电流；以及，当所述系统处于汇聚电流模式时，控制所述低频电源为所述地面电极以及所述井下聚焦电极系提供电流；

所述地面电极设置于所述事故井朝向救援井方向连线的反向延长线且距所述事故井预设的第一距离的地面，用于当所述系统处于汇聚电流模式时，引导所述井下聚焦电极系的电流流向所述事故井方向；

所述聚焦电极系设置于所述救援井井下，用于当所述系统处于地层电阻率测量模式时，按照第一条件调节自身的电极；当所述系统处于汇聚电流模式时，按照第二条件调节自身的电极；

所述传感器设置于所述聚焦电极系下方的第二距离处，用于当所述系统处于汇聚电流模式时，测量所述事故井套管的汇聚电流所产生的磁场强度；

所述地面数据处理单元，用于当所述系统处于地层电阻率测量模式时，根据所述聚焦电极系自身电极的电位与电流获取地层电阻率；以及，当所述系统处于汇聚电流模式时，根据所述地层电阻率及所述低频电源的电压获取汇聚电流，并根据所述汇聚电流按照毕奥萨伐定理获得所述磁场强度，再根据磁场强度和重力加速度获得事故井与救援井的方位。

在上述方案中，所述井下聚焦电极系具体包括：一个主电极，两对监督电极，两对屏蔽电极；其中，以所述主电极为中心，第一监督电极对中的电极分别与第二监督电极对中的电极以所述主电极为中心对称排列，第一屏蔽电极对中的电极和第二屏蔽电极对中的电极均以所述主电极为中心对称排列，并且每一对电极之间相互短路相连，使得每一对电极的电位相等。

在上述方案中，当所述系统处于地层电阻率测量模式且所述主电级的电流为I₀，通过分压器调节第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁的大小，使得第一监督电极对上的电位相等时，地面数据处理单元具体用于：通过测量任一监督电极上的电位值U_M并根据式1获知地层电阻率ρ_a：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{U_M}{I_o}---\left(1\right)$

其中，K为仪器常数，与所述聚焦电极系的尺寸相关。

在上述方案中，当所述系统处于汇聚电流模式且所述主电级的电流为I₀，通过调节分压器改变所述第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁以及所述第二屏蔽电极对发出的总电流为I₂，使得所述第一监督电极对上的电位相等，并且两对屏蔽电极中处于主电级同一边的电极电位相等时，地面数据处理单元具体用于：

根据测量得到的所述低频电源的电压U_s和式2获知所述事故井的套管上所汇聚到的汇聚电流I_a：

$I_a=4\mathrm{\π}r\frac{U_s}{{\mathrm{\ρ}}_a}---\left(2\right)$

其中，r近似为事故井井口与救援井井口的距离；

接着，由于汇聚电流将产生磁场，磁场H_s的大小根据毕奥萨伐定理如式3所示：

$H_s=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_0^n\frac{I_a\·r_1}{\sqrt{{({r_1}^2+z^2)}^3}}\·dz---\left(3\right)$

其中，以事故井套管的井底为坐标原点，套管为轴建立直角坐标系，则n表示事故井套管长度，z表示救援井中传感器探测位置距离事故井井底的纵向距离，r₁表示救援井中传感器与事故井的距离；

所述地面数据处理单元根据传感器测量得到的磁场强度H_s的三轴磁场强度分量、重力场分量以及式4获知事故井与救援井的方位：

$\mathrm{\β}=\arccos (\frac{H_{sx}{G}_y+H_{sy}{G}_x}{\sqrt{{H_{sx}}^2+{H_{sy}}^2}}\·\frac{1}{\sqrt{{G_x}^2+{G_y}^2}})---\left(4\right)$

其中，β表示救援井中探测点与事故井的方位，H_sx和G_x表示磁场强度和重力场在x轴方向的分量，H_sy和G_y表示磁场强度和重力场在y轴方向的分量。

在上述方案中，所述传感器具体为三轴磁通门传感器和重力加速度计，并且三轴磁通门传感器和重力加速度计布置于所述聚焦电极系的下方30米处。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于探测事故井的方法，所述方法应用于探测事故井的系统，所述系统包括低频电源、模式控制开关、地面电极、井下聚焦电极系、传感器、地面数据处理单元，以及将上述器件依次进行连接的缆线，其中，所述地面电极设置于所述事故井朝向救援井方向连线的反向延长线且距所述事故井预设的第一距离的地面，所述聚焦电极系设置于所述救援井井下，所述传感器设置于所述聚焦电极系下方的第二距离处，所述方法包括：

当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述模式控制开关控制所述低频电源为所述井下聚焦电极系提供电流，所述聚焦电极系按照第一条件调节自身的电极，所述地面数据处理单元根据所述聚焦电极系自身电极的电位与电流获取地层电阻率；

当所述系统处于汇聚电流模式时，所述模式控制开关控制所述低频电源为所述地面电极以及所述井下聚焦电极系提供低频电流，所述地面电极引导所述井下聚焦电极系的电流流向所述事故井方向，所述聚焦电极系按照第二条件调节自身的电极，所述传感器测量所述事故井套管的汇聚电流所产生的磁场强度，所述地面数据处理单元根据所述地层电阻率及所述低频电源的电压获取汇聚电流，并根据所述汇聚电流按照毕奥萨伐定理获得所述磁场强度，再根据磁场强度和重力加速度获得事故井与救援井的方位。

在上述方案中，所述井下聚焦电极系包括：一个主电极，两对监督电极，两对屏蔽电极；其中，以主电极为中心，第一监督电极对中的电极分别与第二监督电极对中的电极以主电极为中心对称排列，第一屏蔽电极对中的电极和第二屏蔽电极对中的电极均以主电极为中心对称排列，并且每一对电极之间相互短路相连，从而使得每一对电极的电位相等。

在上述方案中，当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述聚焦电极系按照第一条件调节自身的电极，所述地面数据处理单元根据所述聚焦电极系自身电极的电位与电流获取地层电阻率，具体包括：

当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述主电级的电流为I₀，所述第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁，所述第二屏蔽电极对形成回路电极，通过分压器调节I₁的大小，使得所述第一监督电极对上的电位相等，所述地面数据处理单元测量任一监督电极上的电位值U_M并根据式5获知地层电阻率ρ_a：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{U_M}{I_o}---\left(5\right)$

其中，K为仪器常数，与聚焦电极系的尺寸相关。

在上述方案中，在获知所述地层电阻率R_a之后，当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述聚焦电极系按照第二条件调节自身的电极，所述传感器测量所述事故井套管的汇聚电流所产生的感应电磁场强度，所述地面数据处理单元根据所述地层电阻率及所述低频电源的电压获取汇聚电流，并根据所述汇聚电流按照安毕奥萨伐定理获得感应电磁场强度，及事故井的方位，具体包括：

当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述主电级的电流为I₀，所述第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁，所述第二屏蔽电极对发出的总电流为I₂；

通过调节分压器改变I₁和I₂的大小，使得所述第一监督电极对上的电位相等，并且两对屏蔽电极中处于所述主电级同一边的电极电位相等；

当测量得到所述低频电源的电压为U_s，则所述事故井的套管上所汇聚到的汇聚电流I_a如式6所示：

$I_a=4\mathrm{\π}r\frac{U_s}{R_a}---\left(6\right)$

其中，r近似为事故井井口与救援井井口的距离；

接着，由于汇聚电流将产生磁场，磁场H_s的大小根据毕奥萨伐定理如式7所示：

$H_s=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_m^n\frac{I_a\·r_1}{\sqrt{{({r_1}^2+z^2)}^3}}\·dz---\left(7\right)$

其中，以事故井套管的井底为坐标原点，套管为轴建立直角坐标系，则n表示事故井套管长度，z表示救援井中传感器探测位置距离事故井井底的纵向距离，r₁表示救援井中传感器与事故井的距离；

所述地面数据处理单元根据传感器测量得到的磁场强度H_s的三轴磁场强度分量、重力场分量以及式8获知事故井与救援井的方位：

$\mathrm{\β}=\arccos (\frac{H_{sx}{G}_y+H_{sy}{G}_x}{\sqrt{{H_{sx}}^2+{H_{sy}}^2}}\·\frac{1}{\sqrt{{G_x}^2+{G_y}^2}})---\left(8\right)$

其中，β表示救援井中探测点与事故井的方位，表示磁场强度和重力场在x轴方向的分量，H_sy和G_y表示磁场强度和重力场在y轴方向的分量。

在上述方案中，所述传感器具体为三轴磁通门传感器和重力加速度计，并且三轴磁通门传感器和重力加速度计布置于所述聚焦电极系的下方30米处。

本发明实施例提供了一种用于探测事故井的系统和方法，通过聚焦电极系减少电极之间由于救援井内钻井液的导电性而消耗的电流，并且能够获知地层的电阻率，从而能够准确获知汇聚到事故井金属管柱的汇聚电流，进而也提高了汇聚电流所产生的二次场所测出的事故井的方位精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于探测事故井的系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种方位示意图；

图3为本发明实施例提供的一种井下聚焦电极系的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种井下聚焦电极系的电流流向示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种井下聚焦电极系的电流流向示意图；

图6为本发明实施例提供的一种等效电路示意图；

图7为本发明实施例提供的一种用于探测事故井的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种用于探测事故井的系统1，该系统1可以包括：低频电源10、模式控制开关20、地面电极30、井下聚焦电极系40、传感器50、地面数据处理单元60，以及将上述器件进行连接的缆线70；可以理解地，缆线70具体可以根据需要连接到的器件的不同而选择不同型号、规格和功能的传输线或电缆，本实施例在此不作赘述；

其中，低频电源10用于根据模式控制开关20的控制，为地面电极30以及井下聚焦电极系40提供电流；

模式控制开关20，用于控制系统的工作模式；以及，当系统1处于地层电阻率测量模式时，控制低频电源10为井下聚焦电极系40提供电流；以及，当系统1处于汇聚电流模式时，控制低频电源10为地面电极30以及井下聚焦电极系40提供电流；

地面电极10设置于事故井朝向救援井方向连线的反向延长线且距事故井预设的第一距离的地面，用于当系统1处于汇聚电流模式时，引导井下聚焦电极系40的电流流向事故井方向；

聚焦电极系40设置于救援井井下，用于当系统1处于地层电阻率测量模式时，按照第一条件调节自身的电极；当系统1处于汇聚电流模式时，按照第二条件调节自身的电极；

传感器50设置于聚焦电极系40下方的第二距离处，用于当系统1处于汇聚电流模式时，测量事故井套管的汇聚电流所产生的磁场强度和重力场；

地面数据处理单元60，用于当系统1处于地层电阻率测量模式时，根据聚焦电极系40自身电极的电位与电流获取地层电阻率；以及，当系统1处于汇聚电流模式时，根据地层电阻率及低频电源10的电压获取汇聚电流，并根据汇聚电流产生的磁场强度和重力场获取事故井的方位。

对于图1所示的系统，需要说明的是，如图2所示的方位图，由于地面电极30设置于事故井朝向救援井方向连线的反向延长线且距事故井预设的第一距离处；在图2中，事故井朝向救援井方向如实线单向箭头所示，事故井朝向救援井方向连线的反向延长线如虚线单向箭头所示。因此，当系统1处于汇聚电流模式时，地面电极30能够迫使聚焦电极系40的电流导向事故井方向，从而减少了聚焦电极系40的电流由于救援井内钻井液的导电性以及地层导电性而产生的消耗，能够使得聚焦电极系40的电流在事故井上有更好的汇聚；

还需要说明的是，图1所示的系统能够获知地层的电阻率，进而可以能够准确地获知汇聚电流的大小，从而在根据感应电磁场强度获取事故井方位时，提高了方位的准确性。

示例性地，在图1所示系统的基础上，参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种井下聚焦电极系40的结构，该井下聚焦电极系40可以包括：一个主电极41，两对监督电极42、43和44、45，两对屏蔽电极46、47和48、49；其中，如虚线所示，以主电极41为中心，第一监督电极对42、43分别与第二监督电极对44、45以主电极41为中心对称排列，第一屏蔽电极对46、47和第二屏蔽电极对48、49均以主电极为中心对称排列，并且每一对电极之间相互短路相连，从而使得每一对电极的电位相等。

优选地，模式控制开关20通过将地面电极30所接回路开路以实现地层电阻率测量模式，具体地，地层电阻率测量模式可以为浅侧向模式，用于测量井下视电阻率。此时，主电级41的电流为I₀，第一屏蔽电极对46、47发出的总电流为I₁，第二屏蔽电极对48、49形成回路电极，通过分压器调节I₁的大小，使得第一监督电极对42、43上的电位相等，即U₄₂＝U₄₃。此时，电极中的电流流向如图4所示，地面数据处理单元60通过测量任一监督电极上的电位值U_M就可以根据式1获知地层电阻率ρ_a：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{U_M}{I_o}---\left(1\right)$

其中，K为仪器常数，与聚焦电极系的尺寸相关。

优选地，在获知地层电阻率ρ_a之后，模式控制开关20通过将地面电极30所接回路的开路进行闭合，以实现汇聚电流模式。此时，主电级41的电流为I₀，第一屏蔽电极对46、47发出的总电流为I₁，第二屏蔽电极对48、49发出的总电流为I₂，此时，电极中的电流流向如图5所示。通过调节分压器改变I₁和I₂的大小，使得第一监督电极对42、43上的电位相等，并且第一屏蔽电极对中的电极46与第二屏蔽电极对中的电极48电位相等，即U₄₆＝U₄₈。也就是两对屏蔽电极中处于主电级同一边的电极电位相等。由于电极46与电极48等电位，从而达到聚焦的效果，电流将沿着大地经由最短路径往地面电极方向流去，当电流经过事故井的套管时会汇聚得到向上或向下的电流，地面电极就能够引导电流方向流向事故井方向，当测量得到低频电源10的电压为U_s，则事故井的套管上所汇聚到的汇聚电流I_a如式2所示：

$I_a=4\mathrm{\π}r\frac{U_s}{{\mathrm{\ρ}}_a}---\left(2\right)$

其中，r近似为事故井井口与救援井井口的距离。

接着，由于汇聚电流将产生磁场，磁场H_s的大小根据毕奥萨伐定理如式3所示：

$H_s=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_0^n\frac{I_a\·r_1}{\sqrt{{({r_1}^2+z^2)}^3}}\·dz---\left(3\right)$

其中，以事故井套管的井底为坐标原点，套管为轴建立直角坐标系，则n表示事故井套管长度，z表示救援井中传感器探测位置距离事故井井底的纵向距离，r₁表示救援井中传感器与事故井的距离。

所述地面数据处理单元根据传感器测量得到的磁场强度H_s的三轴磁场分量、以及式4获知事故井与救援井的方位：

$\mathrm{\β}=\arccos (\frac{H_{sx}{G}_y+H_{sy}{G}_x}{\sqrt{{H_{sx}}^2+{H_{sy}}^2}}\·\frac{1}{\sqrt{{G_x}^2+{G_y}^2}})---\left(4\right)$

其中，β表示救援井中探测点与事故井的方位，H_sx和G_x表示磁场强度和重力场在x轴方向的分量，H_sy和G_y表示磁场和重力场在y轴方向的分量。

由于磁场强度H_s的三轴磁场分量和三轴重力场可以通过传感器50进行测量，优选地，传感器50具体可以为三轴磁通门传感器和加速度传感器，并且三轴磁通门传感器和加速度传感器可以布置在聚焦电极系40的下方30米处。

进一步地，地面数据处理单元60可以根据测量得到的磁场强度H_s的三轴分量、重力场分量以及式4获知事故井与救援井探测点的方位。例如，磁场强度和重力场通过单片机采样编码后经由电缆传输至井上的单片机，最后传输至上位机进行分析计算得到最终所需要的结果，随后就能够按照需要的或者继续钻井所需要的结果进行显示。地面数据处理单元60具体对数据进行相关处理的算法，为本领域技术人员的常用手段，本实施例不做赘述。

实施例二

基于上述方案，低频电源10、模式控制开关20、地面电极30、井下聚焦电极系40所组成的电路系统对应的等效电路如图6所示。在图6中，电路器件编号与前述实施例中出现的器件编号一致，需要说明的是，模式控制开关20可以由开关K₀和开关K₁实现，R₁至R₅为地层的杂散阻抗。

基于该等效电路，当开关K₀断开，开关K₁闭合时，系统处于地层电阻率测量模式，即浅侧向模式，此时，可以通过电流表A₁测量得到主电级41的电流为I₀，可以通过电流表A₂测量得到第一屏蔽电极对46、47发出的总电流为I₁，通过分压器Rw调节I₁的大小，并通过电压表V₁和V₂测量，使得第一监督电极对42、43上的电位相等，所以，通过电压表测量任一监督电极上的电位值U_M就可以根据式1获知地层电阻率ρ_a。

在获知地层电阻率ρ_a之后，将开关K₀闭合并将开关K₁断开，系统则变成汇聚电流模式。此时，仍然可以通过电流表A₁测量得到主电级41的电流I₀，可以通过电流表A₂测量得到第一屏蔽电极对46、47发出的总电流I₁，并且通过电流表A₃测量得到第二屏蔽电极对48、49发出的总电流I₂，通过调节分压器Rw改变I₁和I₂的大小，通过电压表V₁和V₂测量，使得第一监督电极对42、43上的电位相等，并且第一屏蔽电极对中的电极46与第二屏蔽电极对中的电极48电位相等，即U₄₆＝U₄₈。也就是两对屏蔽电极中处于主电级同一边的电极电位相等。此时，根据低频电源10的电压U_s与地层电阻率ρ_a依据式2获知汇聚电流I_a；通过三轴磁通门传感器所测量得到的磁场强度H_s的三轴磁场分量，并且将全部测量数据传输至地面进行综合分析以及处理依照式4就能够获得事故井发生事故时的方位。

上述实施例提供的一种用于探测事故井的系统，通过聚焦电极系减少电极之间由于救援井内钻井液的导电性而消耗的电流，并且能够获知地层的电阻率，从而能够准确获知汇聚到事故井金属管柱的汇聚电流，进而也提高了汇聚电流所产生的磁场强度所测出的事故井的方位精度。

实施例三

基于前述实施例相同的技术构思，参见图7，其示出了本发明实施例提供的一种用于探测事故井的方法，该方法应用于探测事故井的系统，所述系统包括低频电源、模式控制开关、地面电极、井下聚焦电极系、传感器、地面数据处理单元，以及将上述器件依次进行连接的缆线，其中，地面电极30设置于事故井朝向救援井方向连线的反向延长线且距事故井预设的第一距离的地面，聚焦电极系设置于救援井井下，传感器设置于聚焦电极系下方的第二距离处，所述方法包括：

S701：当系统处于地层电阻率测量模式时，模式控制开关控制低频电源为井下聚焦电极系提供电流，聚焦电极系按照第一条件调节自身的电极，地面数据处理单元根据聚焦电极系自身电极的电位与电流获取地层电阻率；

S702：当系统处于汇聚电流模式时，模式控制开关控制低频电源为地面电极以及井下聚焦电极系提供电流，地面电极引导井下聚焦电极系的电流流向事故井方向，聚焦电极系按照第二条件调节自身的电极，传感器测量事故井套管的汇聚电流所产生的磁场强度，地面数据处理单元根据地层电阻率及低频电源的电压获取汇聚电流，并根据汇聚电流产生的磁场强度和重力场获取事故井的方位。

示例性地，井下聚焦电极系可以包括：一个主电极，两对监督电极，两对屏蔽电极；其中，如虚线所示，以主电极为中心，第一监督电极对中的电极分别与第二监督电极对中的电极以主电极为中心对称排列，第一屏蔽电极对中的电极和第二屏蔽电极对中的电极均以主电极为中心对称排列，并且每一对电极之间相互短路相连，从而使得每一对电极的电位相等；

相应地，当系统处于地层电阻率测量模式时，聚焦电极系按照第一条件调节自身的电极，地面数据处理单元根据聚焦电极系自身电极的电位与电流获取地层电阻率，具体包括：

当系统处于地层电阻率测量模式时，主电级的电流为I₀，第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁，第二屏蔽电极对形成回路电极，通过分压器调节I₁的大小，使得第一监督电极对上的电位相等，地面数据处理单元测量任一监督电极上的电位值U_M并根据式1获知地层电阻率ρ_a。

相应地，在获知地层电阻率ρ_a之后，当系统处于汇聚电流模式时，聚焦电极系按照第二条件调节自身的电极，传感器测量事故井套管的汇聚电流所产生的磁场强度，地面数据处理单元根据地层电阻率及低频电源的电压获取汇聚电流，并根据汇聚电流产生的磁场强度和重力场获取事故井的方位，具体包括：

当系统处于地层电阻率测量模式时，主电级的电流为I₀，第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁，第二屏蔽电极对发出的总电流为I₂；

通过调节分压器改变I₁和I₂的大小，使得第一监督电极对上的电位相等，并且两对屏蔽电极中处于主电级同一边的电极电位相等；

当测量得到低频电源的电压为U_s，则事故井的套管上所汇聚到的汇聚电流I_a如式2所示；

汇聚电流产生的磁场强度H_s如式3所示；

地面数据处理单元根据传感器测量得到的磁场强度H_s的三轴磁场分量、重力场以及式4获知救援井中探测位置与事故井的方位。

优选地，传感器具体可以为三轴磁通门传感器和加速度计，并且三轴磁通门传感器和加速度计可以布置在聚焦电极系的下方30米处。

本实施例提供的一种用于探测事故井的方法，通过聚焦电极系减少电极之间由于救援井内钻井液的导电性而消耗的电流，并且能够获知地层的电阻率，从而能够准确获知汇聚到事故井金属管柱的汇聚电流，进而也提高了汇聚电流所产生的二次场所测出的事故井的方位精度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于探测事故井的系统，其特征在于，所述系统包括：低频电源、模式控制开关、地面电极、井下聚焦电极系、传感器、地面数据处理单元；

其中，所述低频电源用于根据所述模式控制开关的控制，为所述地面电极以及所述井下聚焦电极系提供电流；

所述模式控制开关，用于控制所述系统的工作模式；以及，当所述系统处于地层电阻率测量模式时，控制所述低频电源为所述井下聚焦电极系提供电流；以及，当所述系统处于汇聚电流模式时，控制所述低频电源为所述地面电极30以及所述井下聚焦电极系提供电流；

所述地面电极设置于所述事故井朝向救援井方向连线的反向延长线且距所述事故井预设的第一距离的地面，用于当所述系统处于汇聚电流模式时，引导所述井下聚焦电极系的电流流向所述事故井方向；

所述聚焦电极系设置于所述救援井井下，用于当所述系统处于地层电阻率测量模式时，按照第一条件调节自身的电极；当所述系统处于汇聚电流模式时，按照第二条件调节自身的电极；

所述传感器设置于所述聚焦电极系下方的第二距离处，用于当所述系统处于汇聚电流模式时，测量所述事故井套管的汇聚电流所产生的磁场强度；

所述地面数据处理单元，用于当所述系统处于地层电阻率测量模式时，根据所述聚焦电极系自身电极的电位与电流获取地层电阻率；以及，当所述系统处于汇聚电流模式时，根据所述地层电阻率及所述低频电源的电压获取汇聚电流，并根据所述汇聚电流按照毕奥萨伐定理获得所述磁场强度，再根据磁场强度和重力加速度获得事故井与救援井的方位。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下聚焦电极系具体包括：一个主电极，两对监督电极，两对屏蔽电极；其中，以所述主电极为中心，第一监督电极对中的电极分别与第二监督电极对中的电极以所述主电极为中心对称排列，第一屏蔽电极对中的电极和第二屏蔽电极对中的电极均以所述主电极为中心对称排列，并且每一对电极之间相互短路相连，使得每一对电极的电位相等。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述系统处于地层电阻率测量模式且所述主电级的电流为I₀，通过分压器调节第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁的大小，使得第一监督电极对上的电位相等时，地面数据处理单元具体用于：通过测量任一监督电极上的电位值U_M并根据式1获知地层电阻率ρ_a：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{U_M}{I_o}---\left(1\right)$

其中，K为仪器常数，与所述聚焦电极系的尺寸相关。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当所述系统处于汇聚电流模式且所述主电级的电流为I₀，通过调节分压器改变所述第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁以及所述第二屏蔽电极对发出的总电流为I₂，使得所述第一监督电极对上的电位相等，并且两对屏蔽电极中处于主电级同一边的电极电位相等时，地面数据处理单元具体用于：

根据测量得到的所述低频电源的电压U_s和式2获知所述事故井的套管上所汇聚到的汇聚电流I_a：

$I_a=4\mathrm{\π}r\frac{U_s}{{\mathrm{\ρ}}_a}---\left(2\right)$

其中，r近似为事故井井口与救援井井口的距离；

接着，由于汇聚电流将产生磁场，磁场H_s的大小根据毕奥萨伐定理如式3所示：

$H_s=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_0^n\frac{I_a\·r_1}{\sqrt{{({r_1}^2+z^2)}^3}}\·dz---\left(3\right)$

其中，以事故井套管的井底为坐标原点，套管为轴建立直角坐标系，则n表示事故井套管长度，z表示救援井中传感器探测位置距离事故井井底的纵向距离，r₁表示救援井中传感器与事故井的距离；

所述地面数据处理单元根据传感器测量得到的磁场强度H_s的三轴磁场强度分量、重力场分量以及式4获知事故井与救援井的方位：

$\mathrm{\β}=arccos(\frac{H_{sx}{G}_y+H_{sy}{G}_x}{\sqrt{{H_{sx}}^2+{H_{sy}}^2}}\·\frac{1}{\sqrt{{G_x}^2+{G_y}^2}})---\left(4\right)$

其中，β表示救援井中探测点与事故井的方位，H_sx和G_x表示磁场强度和重力场在x轴方向的分量，H_sy和G_y表示磁场强度和重力场在y轴方向的分量。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器具体为三轴磁通门传感器和重力加速度计，并且三轴磁通门传感器和重力加速度计布置于所述聚焦电极系的下方30米处。

6.一种用于探测事故井的方法，其特征在于，所述方法应用于探测事故井的系统，所述系统包括低频电源、模式控制开关、地面电极、井下聚焦电极系、传感器、地面数据处理单元，以及将上述器件进行连接的缆线，其中，所述地面电极设置于所述事故井朝向救援井方向连线的反向延长线且距所述事故井预设的第一距离的地面，所述聚焦电极系设置于所述救援井井下，所述传感器设置于所述聚焦电极系下方的第二距离处，所述方法包括：

当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述模式控制开关控制所述低频电源为所述井下聚焦电极系提供电流，所述聚焦电极系按照第一条件调节自身的电极，所述地面数据处理单元根据所述聚焦电极系自身电极的电位与电流获取地层电阻率；

当所述系统处于汇聚电流模式时，所述模式控制开关控制所述低频电源为所述地面电极以及所述井下聚焦电极系提供低频电流，所述地面电极引导所述井下聚焦电极系的电流流向所述事故井方向，所述聚焦电极系按照第二条件调节自身的电极，所述传感器测量所述事故井套管的汇聚电流所产生的磁场强度，所述地面数据处理单元根据所述地层电阻率及所述低频电源的电压获取汇聚电流，并根据所述汇聚电流按照毕奥萨伐定理获得所述磁场强度，再根据磁场强度和重力加速度获得事故井与救援井的方位。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述井下聚焦电极系包括：一个主电极，两对监督电极，两对屏蔽电极；其中，以主电极为中心，第一监督电极对中的电极分别与第二监督电极对中的电极以主电极为中心对称排列，第一屏蔽电极对中的电极和第二屏蔽电极对中的电极均以主电极为中心对称排列，并且每一对电极之间相互短路相连，从而使得每一对电极的电位相等。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述聚焦电极系按照第一条件调节自身的电极，所述地面数据处理单元根据所述聚焦电极系自身电极的电位与电流获取地层电阻率，具体包括：

当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述主电级的电流为I₀，所述第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁，所述第二屏蔽电极对形成回路电极，通过分压器调节I₁的大小，使得所述第一监督电极对上的电位相等，所述地面数据处理单元测量任一监督电极上的电位值U_M并根据式5获知地层电阻率ρ_a：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{U_M}{I_o}---\left(5\right)$

其中，K为仪器常数，与聚焦电极系的尺寸相关。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在获知所述地层电阻率R_a之后，当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述聚焦电极系按照第二条件调节自身的电极，所述传感器测量所述事故井套管的汇聚电流所产生的感应电磁场强度，所述地面数据处理单元根据所述地层电阻率及所述低频电源的电压获取汇聚电流，并根据所述汇聚电流按照安毕奥萨伐定理获得感应电磁场强度，及事故井的方位，具体包括：

当所述系统处于地层电阻率测量模式时，所述主电级的电流为I₀，所述第一屏蔽电极对发出的总电流为I₁，所述第二屏蔽电极对发出的总电流为I₂；

通过调节分压器改变I₁和I₂的大小，使得所述第一监督电极对上的电位相等，并且两对屏蔽电极中处于所述主电级同一边的电极电位相等；

当测量得到所述低频电源的电压为U_s，则所述事故井的套管上所汇聚到的汇聚电流I_a如式6所示：

$I_a=4\mathrm{\π}r\frac{U_s}{R_a}---\left(6\right)$

其中，r近似为事故井井口与救援井井口的距离；

接着，由于汇聚电流将产生磁场，磁场H_s的大小根据毕奥萨伐定理如式7所示：

$H_s=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_m^n\frac{I_a\·r_1}{\sqrt{{({r_1}^2+z^2)}^3}}\·dz---\left(7\right)$

其中，以事故井套管的井底为坐标原点，套管为轴建立直角坐标系，则n表示事故井套管长度，z表示救援井中传感器探测位置距离事故井井底的纵向距离，r₁表示救援井中传感器与事故井的距离；

所述地面数据处理单元根据传感器测量得到的磁场强度H_s的三轴磁场强度分量、重力场分量以及式8获知事故井与救援井的方位：

$\mathrm{\β}=arccos(\frac{H_{sx}{G}_y+H_{sy}{G}_x}{\sqrt{{H_{sx}}^2+{H_{xy}}^2}}\·\frac{1}{\sqrt{{G_x}^2+{G_y}^2}})---\left(8\right)$

其中，β表示救援井中探测点与事故井的方位，表示磁场强度和重力场在x轴方向的分量，H_sy和G_y表示磁场强度和重力场在y轴方向的分量。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述传感器具体为三轴磁通门传感器和重力加速度计，并且三轴磁通门传感器和重力加速度计布置于所述聚焦电极系的下方30米处。