CN110847880B - 邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法，装置包括中控电流发射控制及采集单元、两个三轴低频磁探测单元、两个电流电极单元；所述随钻测量工具接收地面上位机工作人员输入的最佳频率点，随钻测量工具将最佳频率点发送至所述中控电流发射控制及采集单元，所述中控电流发射控制及采集单元按照所述最佳频率点发射低频激励电流；中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式、下电极回流模式、全环路回流模式和双环路回流模式，采集目标井的套管在各模式下激发的交变磁场的磁场强度，并根据各模式下激发的交变磁场的磁场强度，计算得到正钻井的设定点与目标井的距离和方位，能够准确测量井间的距离和方位。

Description

邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法
技术领域
本发明涉及钻采勘探工程技术领域，尤其涉及一种邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法。
背景技术
“复杂结构井”是一种新兴的钻井技术，包括救援井、丛式井、多分支井和双水平井等，由于存在多个井眼，正钻井与邻井间的距离和方位的定位是其实现的关键性技术之一。
目前，传统的井间距离和方位定位的方法主要是对井眼轨迹信息进行扫描，测量不同井深对应的井间的距离和方位。
然而，传统技术中随着测量深度的增加测量的误差累积加大，导致无法提供精确的井间距离和方位信息。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法，能够提供精确的井间距离和方位信息。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的第一方面提供一种邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其包括：
中控电流发射控制及采集单元、两个三轴低频磁探测单元、两个电流电极单元；
其中，所述两个三轴低频磁探测单元包括上部三轴低频磁探测单元和下部三轴低频磁探测单元，所述两个电流电极单元包括上部电流电极单元和下部电流电极单元；所述上部电流电极单元、上部三轴低频磁探测单元、中控电流发射控制及采集单元、下部三轴低频磁探测单元和下部电流电极单元按照从上到下的顺序设置在钻井管柱上；
所述上部电流电极单元的上端与钻井管柱的随钻测量工具连接；所述下部电流电极单元的下端与钻井管柱的钻头工具连接；
其中，所述上部电流电极单元上设有与地层接触的上电极，所述中控电流发射控制及采集单元上设有与地层接触的中电极，所述下部电流电极单元设有与地层接触的下电极；
所述随钻测量工具接收地面上位机工作人员输入的最佳频率点，随钻测量工具将最佳频率点发送至所述中控电流发射控制及采集单元，所述中控电流发射控制及采集单元按照所述最佳频率点发射低频激励电流；
中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式，其中上电极回流模式为在所述低频激励电流作用下上电极、地层和中电极与之间具有第一电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第一电流回流下激发的交变磁场的第一磁场强度；
中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为下电极回流模式，其中下电极回流模式为在所述低频激励电流作用下中电极、地层和下电极与之间具有第二电流回流同时下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第二电流回流下激发的交变磁场的第二磁场强度；
中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为全环路回流模式，其中全环路回流模式为在所述低频激励电流作用下上电极、地层和下电极与之间具有第三电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第三电流回流下激发的交变磁场的第三磁场强度、以及下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第三电流回流下激发的交变磁场的第四磁场强度；
中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为双环路回流模式，其中双环路回流模式为在所述低频激励电流作用下上电极、地层和中电极与之间具有第四电流回流，以及中电极、地层和下电极与之间具有第五电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第四电流回流下激发的交变磁场的第五磁场强度、以及下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第五电流回流下激发的交变磁场的第六磁场强度；
中控电流发射控制及采集单元根据所述第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度、第四磁场强度、第五磁场强度和第六磁场强度，确定设定测量点与目标井的距离和方位；
中控电流发射控制及采集单元将设定测量点与目标井的距离和方位发送至随钻测量工具，随钻测量工具将设定测量点与目标井的距离和方位发送至所述上位机进行监测。
本发明实施例的第二方面提供一种邻井间距离和方位定位随钻测量方法，应用于如第一方面所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置。
与现有技术相比，本发明实施例提供的邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法具有如下优点：邻井间距离和方位定位随钻测量装置，包括中控电流发射控制及采集单元、两个三轴低频磁探测单元、两个电流电极单元；其中，两个三轴低频磁探测单元包括上部三轴低频磁探测单元和下部三轴低频磁探测单元，两个电流电极单元包括上部电流电极单元和下部电流电极单元；上部电流电极单元、上部三轴低频磁探测单元、中控电流发射控制及采集单元、下部三轴低频磁探测单元和下部电流电极单元按照从上到下的顺序设置在钻井管柱上；上部电流电极单元的上端与钻井管柱的随钻测量工具连接；下部电流电极单元的下端与钻井管柱的钻头工具连接；所述随钻测量工具接收地面上位机工作人员输入的最佳频率点，随钻测量工具将最佳频率点发送至所述中控电流发射控制及采集单元，所述中控电流发射控制及采集单元按照所述最佳频率点发射低频激励电流；中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式、下电极回流模式、全环路回流模式和双环路回流模式，采集目标井的套管在各模式下激发的交变磁场的磁场强度，并根据各模式下激发的交变磁场的磁场强度，计算得到正钻井的设定点与目标井的距离和方位，与现有技术对井眼轨迹信息进行扫描测量不同井深对应的井间的距离和方位的方法相比，不会累积误差，能够准确测量井间的距离和方位。
除了上面所描述的本发明实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明实施例提供的邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中做出进一步详细的说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的邻井间距离和方位定位随钻测量装置的应用场景示意图；
图2为本发明实施例提供的邻井间距离和方位定位随钻测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的上电极回流模式的示意图；
图4为本发明实施例提供的下电极回流模式的示意图；
图5为本发明实施例提供的全环路回流模式的示意图；
图6为本发明实施例提供的双环路回流模式的示意图；
图7为本发明实施例提供的邻井间距离和方位定位随钻测量方法的原理图；
图8为本发明实施例提供的中控电流发射控制及采集单元的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的三轴低频磁探测单元结构示意图；
图10为本发明实施例提供的电流电极单元的结构示意图；
图11为本发明提供的邻井间距离和方位定位随钻测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参考图1，图1为本发明实施例提供的邻井间距离和方位定位随钻测量装置的应用场景示意图。参考图2，图2为本发明实施例提供的邻井间距离和方位定位随钻测量装置的结构示意图。
在本实施例中，邻井间距离和方位定位随钻测量装置100用于测量正钻井1与目标井2间的距离和方位。其中，方位指的是正钻井1的井眼轨迹轴线(正钻井的钻进井眼4中心轴线)与目标井2的轨迹轴线(目标井套管3的中心轴线)的矢量方位角及两者夹角。
该邻井间距离和方位定位随钻测量装置100，具体包括：
中控电流发射控制及采集单元7、两个三轴低频磁探测单元6/8、两个电流电极单元5/9。
其中，两个三轴低频磁探测单元6/8包括上部三轴低频磁探测单元6和下部三轴低频磁探测单元8，两个电流电极单元5/9包括上部电流电极单元5和下部电流电极单元9。
上部电流电极单元5、上部三轴低频磁探测单元6、中控电流发射控制及采集单元7、下部三轴低频磁探测单元8和下部电流电极单元9按照从上到下的顺序设置在钻井管柱(正钻井)上。
上部电流电极单元5的上端与钻井管柱的随钻测量工具12连接；下部电流电极单元9的下端与钻井管柱的钻头工具13连接。
其中，上部电流电极单元5上设有与地层接触的上电极，中控电流发射控制及采集单元7上设有与地层接触的中电极，下部电流电极单元9设有与地层接触的下电极。
随钻测量工具12接收地面上位机(图中未示出)工作人员输入的最佳频率点，随钻测量工具12将最佳频率点发送至中控电流发射控制及采集单元7，中控电流发射控制及采集单元7按照最佳频率点发射低频激励电流。
在本实施例中，低频激励电流通过中控电流发射控制及采集单元7的中电极及上/下电极传到至地层中。
中控电流发射控制及采集单元7控制激励模式设置为上电极回流模式，其中上电极回流模式为在低频激励电流作用下上电极、地层和中电极与之间具有第一电流回流(图1中标号10所示)，同时上部三轴低频磁探测单元6采集目标井的套管3在第一电流回流下激发的交变磁场的第一磁场强度(图1中标号11所示)。参考图3，图3为本发明实施例提供的上电极回流模式的示意图。
中控电流发射控制及采集单元7控制激励模式设置为下电极回流模式，其中下电极回流模式为在低频激励电流作用下中电极、地层和下电极与之间具有第二电流回流同时下部三轴低频磁探测单元8采集目标井的套管3在第二电流回流下激发的交变磁场的第二磁场强度。参考图4，图4为本发明实施例提供的下电极回流模式的示意图。
中控电流发射控制及采集单元7控制激励模式设置为全环路回流模式，其中全环路回流模式为在低频激励电流作用下上电极、地层和下电极与之间具有第三电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元6采集目标井的套管在第三电流回流下激发的交变磁场的第三磁场强度、以及下部三轴低频磁探测单元8采集目标井的套管3在第三电流回流下激发的交变磁场的第四磁场强度。参考图5，图5为本发明实施例提供的全环路回流模式的示意图。
中控电流发射控制及采集单元7控制激励模式设置为双环路回流模式，其中双环路回流模式为在低频激励电流作用下上电极、地层和中电极与之间具有第四电流回流，以及中电极、地层和下电极与之间具有第五电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元6采集目标井的套管3在第四电流回流下激发的交变磁场的第五磁场强度、以及下部三轴低频磁探测单元8采集目标井的套管3在第五电流回流下激发的交变磁场的第六磁场强度。参考图6，图6为本发明实施例提供的双环路回流模式的示意图。
中控电流发射控制及采集单元7根据第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度、第四磁场强度、第五磁场强度和第六磁场强度，确定设定测量点与目标井的距离和方位。
在本发明实施例中，设定测量点可以是中控电流发射控制及采集单元与正钻井中心轴线的交点(图7中Q点所示)
中控电流发射控制及采集单元将设定测量点与目标井的距离和方位发送至随钻测量工具，随钻测量工具将设定测量点与目标井的距离和方位发送至上位机进行监测。
从上述实施例可知，本发明实施例提供的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，包括中控电流发射控制及采集单元、两个三轴低频磁探测单元、两个电流电极单元；其中，两个三轴低频磁探测单元包括上部三轴低频磁探测单元和下部三轴低频磁探测单元，两个电流电极单元包括上部电流电极单元和下部电流电极单元；上部电流电极单元、上部三轴低频磁探测单元、中控电流发射控制及采集单元、下部三轴低频磁探测单元和下部电流电极单元按照从上到下的顺序设置在钻井管柱上；上部电流电极单元的上端与钻井管柱的随钻测量工具连接；下部电流电极单元的下端与与钻井管柱的钻头工具连接；所述随钻测量工具接收地面上位机工作人员输入的最佳频率点，随钻测量工具将最佳频率点发送至所述中控电流发射控制及采集单元，所述中控电流发射控制及采集单元按照所述最佳频率点发射低频激励电流；中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式、下电极回流模式、全环路回流模式和双环路回流模式，采集目标井的套管在各模式下激发的交变磁场的磁场强度，并根据各模式下激发的交变磁场的磁场强度，计算得到正钻井的设定点与目标井的距离和方位，与现有技术对井眼轨迹信息进行扫描测量不同井深对应的井间的距离和方位的方法相比，不会累积误差，能够准确测量井间的距离和方位。
参考图8，图8为本发明实施例提供的中控电流发射控制及采集单元的结构示意图。该中控电流发射控制及采集单元，包括：
金属耐磨扶正器701、外金属壳体702、电池仓704、电路线骨架705和高精度三轴静地磁探测器706及中控电流发射控制相关电路707。
金属耐磨扶正器701和高精度三轴静地磁探测器706分别通过电路线骨架705上的线路与中控电流发射控制相关电路707连接，电池仓704为中控电流发射控制相关电路707和高精度三轴静地磁探测器706提供备用电源。
金属耐磨扶正器701为中控电流发射控制及采集单元7的与地层接触的中电极，设在外金属壳体702的外侧，金属耐磨扶正器701与外金属壳体702之间设有绝缘环套703。
电池仓704、电路线骨架705及中控电流发射控制相关电路707和高精度三轴静地磁探测器706设在外金属壳体内部。
在本实施例中，中控电流发射控制及采集单元的外金属壳体702，使用无磁钢加工，设计长度约5米，外金属壳体702的中部位置设有一个金属耐磨扶正器701，该金属耐磨扶正器701与地层接触，构成了中控电流发射控制及采集单元的中电极。金属耐磨扶正器701与外金属壳体702之间采用绝缘环套703(例如PEEK环套)，能够避免激励电流大部分泄漏至外金属壳体。外金属壳体702除了金属耐磨扶正器701外漏的部分喷涂绝缘耐磨材料或使用玻璃钢环套，以减小钻井泥浆、外金属壳体对电流回路的影响。
中控电流发射控制及采集单元7的电路线骨架705采用内环空外承压密封设计，中部内环空部分用于高压钻井泥浆通过，骨架外线路便与电流源发射电路与外部的发射电极相连接。所有的电路相关功能模块安装在骨架外部空间的空槽中，采用模块总体硅胶灌封方式以强化减震及电路保护。
需要说明的是：中控电流发射控制及采集单元，用于控制产生低频激励电流(图1中标号10所示)，以及上电极回流模式、下电极回流模式、全环路回流模式和双环路回流模式的切换，通过内部通信总线获取两个三轴低频磁探测单元6/8采集低频磁信号数据，采集井下测量工具的高精度静地磁幅度、井斜、方位、高边和磁北工具面等，采集激励电流/环路电极电位的幅度及相位，采集整体装置的供电功率、井温和供电过压过流等状态，并将采集的数据的计算结果，通过内部通信总线发送至钻测量工具。
参考图9，图9为本发明实施例提供的三轴低频磁探测单元结构示意图。该三轴低频磁探测单元，包括：
外金属壳体604，以及设在所述外金属壳体604内部的高精度三轴低频磁探测器601、金属筒602、电源/通讯电路603和内部线路骨架606；所述外金属壳体604外部设有耐磨块605。
高精度三轴低频磁探测器601设在金属筒602中，高精度三轴低频磁探测器601通过设在内部线路骨架606上的电源/通讯电路603与中控电流发射控制及采集单元7进行电/通信连接。
在本实施例中，外金属壳体604使用无磁钢加工，设计长度约3米，外表面部分必需喷涂绝缘耐磨材料或使用玻璃钢环套，以减小钻井泥浆、外金属壳体对电流回路的影响。在三轴低频磁探测单元与电流电极单元之间、三轴低频磁探测单元与中控电流发射控制及采集单元可增减特制的钻柱来调整间距用于适用不同方位探测距离适用范围，间距可调整范围控制在5米-50米之内，即上/中电极间距Lh与中/下电极间距Ll可以采用不同长度间距(参考图7所示)。
需要说明的是：外金属壳体604，外表面需要绝缘处理。耐磨块605用于减低外金属壳体与井壁之间的摩擦，内部具有外环空的贯通线总成，无电路功能模块，长度设计在3～10米之间。
三轴低频磁探测单元内部线路骨架606采用外环空内承压密封设计，线路骨架外环空部分用于高压钻井泥浆通过，线路总成在外金属壳体内部居中放置并配有扶正橡胶块减震。
内部线路骨架606中、高精度三轴低频磁探测器601安装在内外绝缘的铜材质的金属筒602内，金属筒壁厚均匀，激励环路电流10在此筒壁中均匀流过，金属筒602材质采用铜料可避免被电流磁化，此方法用于消除环路电流自身产生的强磁场干扰。由于工具单元由直流电源供电，通讯总线载波信号为高频信号，供电及通讯信号均不对低频探测器采集的信号产生影响。
参考图10，图10为本发明实施例提供的电流电极单元的结构示意图。该电流电极单元，包括：
电流电极501、外金属壳体502和绝缘短节503。
电流电极501设在所述外金属壳体502的外部，通过内环空的电流电极线总成与所述中控电流发射控制及采集单元7电连接；
绝缘短节503设在与所述三轴低频磁探测单元6/8的连接端，用于防止电流电极单元5/9的外金属壳体与三轴低频磁探测单元6/8的外金属壳体导通而导致激励电流泄流。
在本实施例中，外金属壳体502，设计长度约3米，绝缘短节503与低三轴低频磁探测单元6/8连接侧的外表面部分必需喷涂绝缘耐磨材料或使用玻璃钢环套。
两个电流电极单元5/9的上部电流电极单元5可以是随钻测量工具的金属壳体。
两个电流电极单元5/9的下部电流电极单元9可以是钻头工具的金属壳体。
上部电流电极单元5和下部电流电极单元9具有外环空的贯通线、内环空的电流电极线总成，无电路功能模块。
参考图11，图11为本发明提供的邻井间距离和方位定位随钻测量方法的流程示意图。该邻井间距离和方位定位随钻测量方法，包括：
S111：随钻测量工具接收地面上位机工作人员输入的最佳频率点，随钻测量工具将最佳频率点发送至中控电流发射控制及采集单元，中控电流发射控制及采集单元按照最佳频率点发射低频激励电流。
在本实施例中，地面人员根据正钻井当前的相关地层参数确定最佳频率点，通过随钻测量工具的无线遥传通讯下载设置参数至随钻测量工具。
S112：中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式，其中上电极回流模式为在低频激励电流作用下上电极、地层和中电极与之间具有第一电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第一电流回流下激发的交变磁场的第一磁场强度。
在本发明实施例中，参考图7，当正钻井测量工具组合4距离目标井套管3比较远(如：30米之外)时，激励电流10在地层中以对称椭圆球形的发散方流通，上部三轴低频磁探测单元6位于此椭圆球的正中心，此位置的高精度三轴低频磁探测器601接收的是大地的静磁场Hs，低频电流所激发的磁信号11在此处相互抵消，采集的低频磁信号幅度很微弱，可约为0。
参考图7，当正钻井测量工具组合4距离目标井套管3比较近(如：30米之内)时，由于附近金属物质高电导率的影响，金属物质附近的电流趋附于金属体内部流动，激励电流10在地层中以非对称欠椭圆球形的发散方流通，上部三轴低频磁探测单元6的位置在大地的静磁场Hs的基础上，叠加了套管上流过的电流所激发的交变磁场Hd，高精度三轴低频磁探测器601主要采集Hd信息。
目标井的套管3上某一点微圆环dl′上流动的电流大小的计算函数为：
IC＝F(d,I0,σ0,σ,δ,r,θ,α,L)＝f(d,θ)*cos(α) (1)
式中，d为套管微圆环距离上部三轴低频磁探测单元的距离；I0为低频激励电流源输出电流强度；σ0为地层电导率，σ为套管电导率；δ为套管的厚度；r为套管的外径；θ为套管微圆环dl′与低频磁探测测量点之间的连线与套管轴线之间的夹角；α为目标井套管中心线与正钻井工具中心线之间的夹角；L为上/下电极与中电极之间的距离：Lh或Ll；其中Lh为上/中电极间距，Ll为中/下电极间距。
以上的套管参数：σ、δ、r可以根据目标井的历史资料中获取；I0测量得到，σ0通过测量两个回流电极之间的电位差ΔUh除以I0计算得出；根据目标井和正钻井已有的深度、井斜、方位等信息，α夹角在测量点井段被预设定为一个常量值，需根据四个环路模式的计算结果再做校正处理。
具体地，所述中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式，其中上电极回流模式为在所述低频激励电流作用下上电极、地层和中电极与之间具有第一电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第一电流回流下激发的交变磁场的第一磁场强度，包括：
根据毕奥萨伐尔定律，目标井套管在某一点产生的磁感应强度为：
Figure GDA0002692307530000111
式中，B为套管在某一点产生的磁感应强度；IC为套管微圆环上的电流；μ0为真空磁导率，Dh为上部三轴低频磁探测单元距离目标井套管的垂直距离；θ为目标井套管微圆环与上部三轴低频磁探测单元之间的连线与套管轴线之间的夹角；α为目标井套管中心线与正钻井工具中心线之间的夹角；d为套管微圆环距离上部三轴低频磁探测单元的距离；
根据dH＝dB/μ，计算得到第一磁场强度，式中H为第一磁场强度，μ为相关磁导率。
S113：中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为下电极回流模式，其中下电极回流模式为在低频激励电流作用下中电极、地层和下电极与之间具有第二电流回流同时下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第二电流回流下激发的交变磁场的第二磁场强度。
S114：中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为全环路回流模式，其中全环路回流模式为在低频激励电流作用下上电极、地层和下电极与之间具有第三电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第三电流回流下激发的交变磁场的第三磁场强度、以及下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第三电流回流下激发的交变磁场的第四磁场强度。
S115：中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为双环路回流模式，其中双环路回流模式为在低频激励电流作用下上电极、地层和中电极与之间具有第四电流回流，以及中电极、地层和下电极与之间具有第五电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第四电流回流下激发的交变磁场的第五磁场强度、以及下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第五电流回流下激发的交变磁场的第六磁场强度。
在本实施例中，步骤S113至S115中，计算第二磁场强度、第三磁场强度、第四磁场强度、第五磁场强度和第六磁场强度的过程，与步骤S112中计算第一磁场强度的过程一致，这里不在赘述。
S116：中控电流发射控制及采集单元根据第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度、第四磁场强度、第五磁场强度和第六磁场强度，确定设定测量点与目标井的距离和方位。
具体地，所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度、第四磁场强度、第五磁场强度和第六磁场强度，分别计算得到第一相对矢量距离、第二相对矢量距离、第三相对矢量距离、第四相对矢量距离、第五相对矢量距离和第六相对矢量距离。
所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一相对矢量距离、第二相对矢量距离、第三相对矢量距离、第四相对矢量距离、第五相对矢量距离和第六相对矢量距离，计算得到设定测量点与目标井的距离和方位。
具体地，所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一磁场强度计算得到第一相对矢量距离，包括：
对目标井套管上的微圆环进行积分，得到整个套管在正钻井的上部三轴低频磁探测单元处产生的磁场强度的公式为：
Figure GDA0002692307530000131
式中，
Figure GDA0002692307530000132
为第一磁场矢量强度；
Figure GDA0002692307530000133
为上部三轴低频磁探测单元距离目标井套管的垂直矢量距离，
Figure GDA0002692307530000134
由磁场强度的公式求解
Figure GDA0002692307530000135
得到上部三轴低频磁探测单元与目标井的相对距离与方位，记为
Figure GDA0002692307530000136
在本实施例中，计算第二相对矢量距离、第三相对矢量距离、第四相对矢量距离、第五相对矢量距离和第六相对矢量距离的过程计算第一相对矢量距离过程一致，这里不在赘述。
具体地，第二相对矢量距离记为
Figure GDA0002692307530000137
第三相对矢量距离记为
Figure GDA0002692307530000138
第四相对矢量距离记为
Figure GDA0002692307530000139
第五相对矢量距离记为
Figure GDA00026923075300001310
和第六相对矢量距离记为
Figure GDA00026923075300001311
所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一相对矢量距离、第二相对矢量距离、第三相对矢量距离、第四相对矢量距离、第五相对矢量距离和第六相对矢量距离，计算得到设定测量点与目标井的距离和方位，包括：
根据第一相对矢量距离和第二相对矢量距离，确定在上电极回流模式和下电极回流模式下，设定测量点与目标井的第一矢量距离和第一夹角为：
Figure GDA00026923075300001312
根据第三相对矢量距离和第四相对矢量距离，确定在全环路回流模式下，设定测量点与目标井的第二矢量距离和第二夹角为：
Figure GDA00026923075300001313
据第五相对矢量距离和第六相对矢量距离，确定在全环路回流模式下，设定测量点与目标井的第三矢量距离和第三夹角为：
Figure GDA0002692307530000141
根据所述第一矢量距离、第二矢量距离和第三矢量距离，计算设定测量点与目标井的矢量距离；根据所述第一夹角、第二夹角和第三夹角，计算设定测量点与目标井轴线的夹角。
具体地，所述根据所述第一矢量距离、第二矢量距离和第三矢量距离，计算设定测量点与目标井的距离，包括：
Figure GDA0002692307530000142
根据所述第一夹角、第二夹角和第三夹角，计算设定测量点与目标井轴线的夹角，包括：
Figure GDA0002692307530000143
式中，a、b、c、h、l、n为各模式结果计算权重系数，k、p为校正系数，由地面操作人员设置。
S117：中控电流发射控制及采集单元将设定测量点与目标井的距离和方位发送至随钻测量工具，随钻测量工具将设定测量点与目标井的距离和方位发送至上位机进行监测。
本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，包括：
中控电流发射控制及采集单元、两个三轴低频磁探测单元、两个电流电极单元；
其中，所述两个三轴低频磁探测单元包括上部三轴低频磁探测单元和下部三轴低频磁探测单元，所述两个电流电极单元包括上部电流电极单元和下部电流电极单元；所述上部电流电极单元、上部三轴低频磁探测单元、中控电流发射控制及采集单元、下部三轴低频磁探测单元和下部电流电极单元按照从上到下的顺序设置在钻井管柱上；
所述上部电流电极单元的上端与钻井管柱的随钻测量工具连接；所述下部电流电极单元的下端与钻井管柱的钻头工具连接；
其中，所述上部电流电极单元上设有与地层接触的上电极，所述中控电流发射控制及采集单元上设有与地层接触的中电极，所述下部电流电极单元设有与地层接触的下电极；
所述随钻测量工具接收地面上位机工作人员输入的最佳频率点，随钻测量工具将最佳频率点发送至所述中控电流发射控制及采集单元，所述中控电流发射控制及采集单元按照所述最佳频率点发射低频激励电流；
中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式，其中上电极回流模式为在所述低频激励电流作用下，上电极、地层和中电极与之间具有第一电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第一电流回流下激发的交变磁场的第一磁场强度；
中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为下电极回流模式，其中下电极回流模式为在所述低频激励电流作用下，中电极、地层和下电极与之间具有第二电流回流同时下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第二电流回流下激发的交变磁场的第二磁场强度；
中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为全环路回流模式，其中全环路回流模式为在所述低频激励电流作用下，上电极、地层和下电极与之间具有第三电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第三电流回流下激发的交变磁场的第三磁场强度、以及下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第三电流回流下激发的交变磁场的第四磁场强度；
中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为双环路回流模式，其中双环路回流模式为在所述低频激励电流作用下，上电极、地层和中电极与之间具有第四电流回流，以及中电极、地层和下电极与之间具有第五电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第四电流回流下激发的交变磁场的第五磁场强度、以及下部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第五电流回流下激发的交变磁场的第六磁场强度；
中控电流发射控制及采集单元根据所述第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度、第四磁场强度、第五磁场强度和第六磁场强度，确定设定测量点与目标井的距离和方位；
中控电流发射控制及采集单元将设定测量点与目标井的距离和方位发送至随钻测量工具，随钻测量工具将设定测量点与目标井的距离和方位发送至所述上位机进行监测。
2.根据权利要求1所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度、第四磁场强度、第五磁场强度和第六磁场强度，确定设定测量点与目标井的距离和方位，包括：
所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度、第四磁场强度、第五磁场强度和第六磁场强度，分别计算得到第一相对矢量距离、第二相对矢量距离、第三相对矢量距离、第四相对矢量距离、第五相对矢量距离和第六相对矢量距离；
所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一相对矢量距离、第二相对矢量距离、第三相对矢量距离、第四相对矢量距离、第五相对矢量距离和第六相对矢量距离，计算得到设定测量点与目标井的距离和方位。
3.根据权利要求1所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，所述中控电流发射控制及采集单元，包括：
金属耐磨扶正器、外金属壳体、电池仓、电路线骨架、高精度三轴静地磁探测器及中控电流发射控制相关电路；
所述金属耐磨扶正器和所述高精度三轴静地磁探测器分别通过电路线骨架上的线路与中控电流发射控制相关电路连接，所述电池仓为所述中控电流发射控制相关电路和所述高精度三轴静地磁探测器提供备用电源；
所述金属耐磨扶正器为所述中控电流发射控制及采集单元与地层接触的中电极，设在所述外金属壳体的外侧，所述金属耐磨扶正器与所述外金属壳体之间设有绝缘环套；
所述电池仓、电路线骨架、高精度三轴静地磁探测器及中控电流发射控制相关电路设在所述外金属壳体内部。
4.根据权利要求1所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，所述三轴低频磁探测单元，包括：
外金属壳体，以及设在所述外金属壳体内部的高精度三轴低频磁探测器、金属筒、电源/通讯电路和内部线路骨架；所述外金属壳体外部设有耐磨块；
所述高精度三轴低频磁探测器设在金属筒中，所述高精度三轴低频磁探测器通过设在内部线路骨架上的电源/通讯电路与所述中控电流发射控制及采集单元进行电/通信连接。
5.根据权利要求1所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，所述电流电极单元，包括
电流电极、外金属壳体和绝缘短节；
所述电流电极设在所述外金属壳体的外部，通过内环空的电流电极线总成与所述中控电流发射控制及采集单元电连接；
所述绝缘短节设在与所述三轴低频磁探测单元的连接端，用于防止电流电极单元的外金属壳体与三轴低频磁探测单元的外金属壳体导通而导致激励电流泄流。
6.根据权利要求2所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，所述中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式，其中上电极回流模式为在所述低频激励电流作用下上电极、地层和中电极与之间具有第一电流回流，同时上部三轴低频磁探测单元采集目标井的套管在第一电流回流下激发的交变磁场的第一磁场强度，包括：
根据毕奥萨伐尔定律，目标井套管在某一点产生的磁感应强度为：
Figure FDA0002787206320000031
式中，B为套管在某一点产生的磁感应强度，单位为特斯拉；IC为套管微圆环上的电流，单位为安培；μ0为真空磁导率，单位为亨/米；Dh为上部三轴低频磁探测单元距离目标井套管的垂直距离，单位为米；θ为目标井套管微圆环与上部三轴低频磁探测单元之间的连线与套管轴线之间的夹角，单位为弧度；α为目标井套管中心线与正钻井工具中心线之间的夹角，单位为弧度；d为套管微圆环距离上部三轴低频磁探测单元的距离，单位为米；f(d，θ)为低频激励电流源输出的激励电流在经过正钻井附近地层后，趋附于目标井套管中，在套管微圆环上平行于正钻井方向流动的电流强度，单位为安培；
根据dH＝dB/μ，计算得到第一磁场强度，式中H为第一磁场强度，单位为奥斯特；μ为相关磁导率，单位为亨/米。
7.根据权利要求6所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一磁场强度计算得到第一相对矢量距离，包括：
对目标井套管上的微圆环进行积分，得到整个套管在正钻井的上部三轴低频磁探测单元处产生的磁场强度的公式为：
Figure FDA0002787206320000041
式中，
Figure FDA0002787206320000042
为第一磁场矢量强度，单位为奥斯特；
Figure FDA0002787206320000043
为上部三轴低频磁探测单元距离目标井套管的垂直矢量距离，单位为米，
Figure FDA0002787206320000044
由磁场强度的公式求解
Figure FDA0002787206320000045
得到上部三轴低频磁探测单元与目标井的相对距离与方位，记为
Figure FDA0002787206320000046
8.根据权利要求7所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，第二相对矢量距离记为
Figure FDA0002787206320000047
第三相对矢量距离记为
Figure FDA0002787206320000048
第四相对矢量距离记为
Figure FDA0002787206320000049
第五相对矢量距离记为
Figure FDA00027872063200000410
和第六相对矢量距离记为
Figure FDA00027872063200000411
所述中控电流发射控制及采集单元根据所述第一相对矢量距离、第二相对矢量距离、第三相对矢量距离、第四相对矢量距离、第五相对矢量距离和第六相对矢量距离，计算得到设定测量点与目标井的距离和方位，包括：
根据第一相对矢量距离和第二相对矢量距离，确定在上电极回流模式和下电极回流模式下，设定测量点与目标井的第一矢量距离和第一夹角为：
Figure FDA0002787206320000051
根据第三相对矢量距离和第四相对矢量距离，确定在全环路回流模式下，设定测量点与目标井的第二矢量距离和第二夹角为：
Figure FDA0002787206320000052
据第五相对矢量距离和第六相对矢量距离，确定在全环路回流模式下，设定测量点与目标井的第三矢量距离和第三夹角为：
Figure FDA0002787206320000053
根据所述第一矢量距离、第二矢量距离和第三矢量距离，计算设定测量点与目标井的矢量距离；根据所述第一夹角、第二夹角和第三夹角，计算设定测量点轴线与目标井轴线的夹角；
式中，Lh为上/中电极间距，单位为米；Ll为中/下电极间距，单位为米。
9.根据权利要求8所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置，其特征在于，所述根据所述第一矢量距离、第二矢量距离和第三矢量距离，计算设定测量点与目标井的矢量距离，包括：
Figure FDA0002787206320000054
根据所述第一夹角、第二夹角和第三夹角，计算设定测量点轴线与目标井轴线的夹角，包括：
Figure FDA0002787206320000055
式中，a、b、c、h、l、n为各模式结果计算权重系数，k、p为校正系数，由地面操作人员设置。
10.一种邻井间距离和方位定位随钻测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任一项所述的邻井间距离和方位定位随钻测量装置。
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