CN111502632A - 一种救援井实时方位计算与误差校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种救援井实时方位计算与误差校正方法及系统，其特征在于，包括以下内容：1)将井下电磁探测仪分别下放至救援井内的第一深度采样点和第二深度采样点，得到对应事故井套管与救援井之间的相对距离；2)建立事故井套管与救援井的两点几何定位法模型；3)当实时井斜角小于等井斜角阈值时进入步骤4)；当实时井斜角大于井斜角阈值时进入步骤5)；4)设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离大于L，计算事故井套管与救援井之间的方位信息；5)设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离小于L，计算事故井套管与救援井之间的方位信息，本发明可广泛应用于井下探测技术领域中。

Description

一种救援井实时方位计算与误差校正方法及系统

技术领域

本发明是关于一种救援井实时方位计算与误差校正方法及系统，属于井下探测技术领域。

背景技术

海上与陆地钻井过程中，油气井着火、井喷失控和漏油等事故的发生不仅会造成严重的经济损失，还会使环境污染问题越来越严重。目前，钻救援井是解决井喷事故最有效的方法之一，而在救援井中对事故井套管的方位信息进行精确探测是控制井喷事故、保障深水钻井安全作业的关键性方式。

近年来，救援井与事故井相对距离和方位的测定方法已受到国内外学者的广泛关注。现有技术公开了利用设置在救援井中的磁信号探测单元获取事故井中的套管或钻井的钻杆等导磁性材料对地磁场的扰动信号，通过对扰动信号进行分析实现事故井的定位的方法。然而，该方法探测距离较小，最大探测距离一般在10～20m，探测性能严重依赖于事故井对大地磁场的扰动情况，且环境噪声对有用信号影响大，探测精度低。相对于静磁场探测方式，现有技术公开了一种通过分析注入地层的低频交变电流在地层及事故井套管中的传播和衰减规律，对事故井套管上聚集电流产生的磁场空间分布进行研究，进而实现救援井与事故井间距和相对方位计算的方法。然而，这种方法法需要大功率电流源，且地层电导率对接收信号影响较大，若探测端地层电阻率较高，则汇聚到事故井套管上的电流就很小，严重影响对事故井套管的探测精度，且虽然该方法可以测量方位，但是直接测试的方位信息不准确。

因此，瞬变电磁法因其非接触式测量、信号强度大、探测深度大和可以从时间上跟踪距离特性等特性已成为目前救援井探测定位方法的一个发展趋势，现有技术公开了一种利用金属套管比地层电阻率低6～7个数量级这一特征，通过探测均匀地层中的金属异常体确定救援井与事故井套管相对距离和方位的方法，但是，该方法只给出了方位计算的理论模型，并未结合实际测试情况对方位计算精度的影响因素进行分析，因此求解的方位误差较大，无法满足实际测试的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种误差小且能够满足实际测试需求的救援井实时方位计算与误差校正方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种救援井实时方位计算与误差校正方法，包括以下内容：1)将救援井井下探测系统中的井下电磁探测仪分别下放至救援井内的第一深度采样点和第二深度采样点，得到对应事故井套管与救援井之间的相对距离，其中，第一深度采样点与第二深度采样点之间的深度步长为L；2)采用两点空间几何定位方法，根据得到的两相对距离，建立事故井套管与救援井的两点几何定位法模型；3)将救援井的实时井斜角与预先设定的井斜角阈值进行对比，当实时井斜角小于等井斜角阈值时，进入步骤4)；当实时井斜角大于井斜角阈值时，进入步骤5)；4)设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离大于L，并根据两深度采样点以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息；5)设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离小于L，并根据两深度采样点以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息。

进一步地，所述步骤1)的具体过程为：1.1)设置救援井井下探测系统，包括井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机，将井下电磁探测仪深入救援井内，分别下放至第一深度采样点和第二深度采样点；1.2)通过井下电磁探测仪中接收线圈的感应电动势，分别反演出第一深度采样点和第二深度采样点时事故井套管与救援井之间的相对距离d₁和d₂。

进一步地，所述步骤2)的具体过程为：以第一深度采样点A为顶点，以救援井轨迹为对角线，建立直角坐标系ABCD-A′B′C′D′，得到事故井套管与救援井的两点几何定位法模型，其中，两点几何定位法模型包括两深度采样点、两深度采样点对应的两井之间的相对距离、救援井轨迹信息、基于直角坐标系的几何关系以及救援井和事故井套管的实时方位信息。

进一步地，所述救援井和事故井套管的方位信息为：

其中，β为直角坐标系中A′D′和OD′之间的夹角；α为救援井的井斜角。

一种救援井实时方位计算与误差校正系统，包括：相对距离确定模块，用于将救援井井下探测系统中的井下电磁探测仪分别下放至救援井内的第一深度采样点和第二深度采样点，得到对应事故井套管与救援井之间的相对距离，其中，第一深度采样点与第二深度采样点之间的深度步长为L；模型构建模块，用于采用两点空间几何定位方法，根据得到的两相对距离，建立事故井套管与救援井的两点几何定位法模型；对比模块，用于将救援井的实时井斜角与预先设定的井斜角阈值进行对比；第一误差校正模块，用于当实时井斜角小于等井斜角阈值时，设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离大于L，并根据两深度采样点以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息；第二误差校正模块，用于当实时井斜角大于井斜角阈值时，设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离小于L，并根据两深度采样点以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息。

进一步地，所述相对距离确定模块包括：救援井井下探测系统设置单元，用于设置救援井井下探测系统，包括井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机，将井下电磁探测仪深入救援井内，分别下放至第一深度采样点和第二深度采样点；相对距离反演单元，通过井下电磁探测仪中接收线圈的感应电动势，分别反演出第一深度采样点和第二深度采样点时事故井套管与救援井之间的相对距离d₁和d₂。

进一步地，所述救援井和事故井套管的方位信息为：

其中，β为直角坐标系中A′D′和OD′之间的夹角；α为救援井的井斜角。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明根据井下电磁探测仪中接收线圈的感应电动势，反演出事故井套管与救援井之间的相对距离，并利用相对距离，采用两点空间几何定位方法建立事故井套管与救援井的两点几何定位法模型，在此基础上，结合救援井钻井时的实时井倾角，通过对救援井的实时井倾角进行判断，当井倾角较小时，增加计算方位的深度步长，当井倾角较大时，减少计算方位的深度步长，自动调节两点空间几何定位方法中两个深度采样点之间的距离，对计算过程中的累计误差和倾角误差进行校正，以提高两井方位实时计算的精度，为两井的钻进连通提供依据，可以广泛应用于井下探测技术领域中。

附图说明

图1是基于瞬变电磁法的救援井井下探测系统的结构示意图；

图2是井下探测系统中井下探测仪的探头结构示意图；

图3是两点空间几何定位方法的原理示意图；

图4是本发明方法中救援井与事故井套管方位信息的计算流程图；

图5是本发明方法中误差校正的流程图；

图6是本发明实施例中救援井与事故井套管的真实方位和采用本发明方法计算的方位信息的对比示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

由于本发明提出的救援井实时方位计算与误差校正方法涉及到基于瞬变电磁法的救援井井下探测系统的相关内容，下面对相关内容进行介绍，以便本领域技术人员对本发明的内容更加清楚。

如图1所示，基于瞬变电磁法的救援井井下探测系统包括井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机。

救援井内设置有井下探测仪，救援井外设置有地面处理模块和上位机。井下电磁探测仪包括外壳，外壳内从上向下依次设置有电源、测量电路和探头，如图2所示，探头包括铁芯、发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈均围设于铁芯上。

基于瞬变电磁法的救援井井下探测系统在使用时，首先通过电缆将井下电磁探测仪下放至救援井中，通过电源为井下电磁探测仪的各用电部件供电。其次，向探头的发射线圈施加瞬变电磁激励信号，由于事故井中金属套管的电阻率比地层电阻率低6～7个数量级，因此，在激励关断的间隙，利用探头的接收线圈可以接收均匀地层中的金属异常体信号，该异常体信号包括事故井套管的信息。然后，将接收线圈接收的二次涡流场信号通过测量电路进行放大、滤波和模数转换后，经电缆上传至地面处理模块。最后，地面处理模块对二次涡流场信号进行解耦、去噪和放大后通过USB发送至上位机，上位机对解耦、去噪和放大后的二次场信号进行精细化数据处理和成像显示，后期也可进行数据回放。

根据救援井井下探测的实际模型，通过求解亥姆霍兹方程，救援井内井下电磁探测仪接收线圈的时域感应电动势为：

式中，参数χ＝μ₁πr₁ ²ln2/t₀t，μ₁为铁芯的磁导率，r₁为铁芯的半径，t₀为瞬变电磁激励的关断时间，t为采样时刻；Dq为G-S逆拉普拉斯变换的积分系数；参数s_q＝qln2/t，q为G-S逆拉普拉斯变换的点数；

为接收线圈的磁场强度，其大小主要与两井之间的相对距离有关；ω为角频率；d为事故井与救援井之间的相对距离；r为接收线圈内有效接收面积的半径。对接收线圈的感应电动势进行采样，在接收响应的早中晚期均各取4个点t₁、t₂、t₃和t₄，瞬变电磁信号的接收感应电动势为：

式中，K为刻度系数。

根据对比井下电磁探测仪测量的二次场的早晚期衰减速度差值与理论计算的二次场的早晚期衰减速度差值的误差，可以对事故井套管与救援井之间的相对距离进行判断，感应电动势与两井相对距离的关系为：

d＝f[U(t,d)] (3)

式中，f为感应电动势与两井相对距离d的函数关系。因此，通过分析井下电磁探测仪接收线圈的感应电动势U(t)，即可以反演出事故井与救援井之间的相对距离。

假设事故井套管垂直，在已知两井之间相对距离的基础上，采用两点空间几何定位方法，可以对救援井与事故井的相对方位信息进行计算。两点空间几何定位方法的原理如图3所示，假设当井下电磁探测仪位于救援井中A位置时，由接收线圈的感应电动势反演出的相对距离为d_A，将井下电磁探测仪下放距离L至N位置，由接收线圈感应电动势反演出的相对距离为d_N。以探测点A为顶点，以救援井轨迹为对角线，建立直角坐标系ABCD-A′B′C′D′。由先验信息可知，救援井的井斜角为α，且A位置探测到的距离d_A和N位置探测到的距离d_N在面A′B′C′D′的投影分别为A′D′和OD′，井下电磁探测仪下放距离L在面A′B′C′D′的投影为A′O，则事故井套管与救援井之间的方位角即A′D′和OD′之间的夹角为β。

由几何关系可知，当井下电磁探测仪位于救援井中A、N两个位置时，事故井套管与救援井的位置关系在三角形A′D′O中满足勾股定理，其方位角β为：

在救援井中逐渐下放井下电磁探测仪，采用上述两点空间几何定位方法对事故井套管与救援井之间的方位信息即方位角进行计算，直至实现救援井与事故井套管的钻进连通。当由接收线圈的感应电动势反演出的事故井套管与救援井之间的相对距离多次不变时，则表示救援井与事故井平行，只需根据方位信息估计事故井套管相对救援井的位置即可。

由事故井套管与救援井之间的相对距离计算事故井套管与救援井之间方位信息的流程如图4所示，救援井实际井下探测过程中，测井速度通常为30m/min，两个深度采样点A、N(也可以为测试过程中其他相邻的深度采样点，但两相邻的深度采样点之间的间隔均为L)之间的时间间隔为40ms，距离为2cm。当采用直接测取的两个深度采样点进行计算时，由于两点的深度距离较近，倾角误差较小，相当于两井平行，平行时计算倾角，由于公式(1)中包括正弦项，平行时正弦项结果为0，当反余弦项的计算值大于1时，无法求解，反而会引入计算误差。当采用两点几何定位法的两个深度采样点间隔较大时，救援井的井斜角增大，虽然计算误差会降低，但是却会引入方位累计误差。

针对这一问题，本发明通过对事故井套管与救援井之间的方位计算误差进行校正，提高两井方位的计算精度。本发明中，假设事故井套管垂直，当已知救援井的井倾角时，对于救援井井倾角变化小的井段，两点空间几何定位方法的两个深度采样点之间应多累计几个深度采样点，以减小计算误差；对于救援井井倾角变化大的井段，两个深度采样点之间应该少累计几个深度采样点，以降低方位累计误差。

因此基于上述说明，如图5所示，本发明提供的救援井实时方位计算与误差校正方法，包括以下步骤：

1)将救援井井下探测系统中的井下电磁探测仪分别下放至救援井内的第一深度采样点和第二深度采样点，根据井下电磁探测仪中接收线圈的感应电动势，反演出事故井套管与救援井之间的相对距离d₁和d₂，其中，第一深度采样点与第二深度采样点之间的深度步长为L，具体为：

1.1)设置救援井井下探测系统，并将救援井井下探测系统中的井下电磁探测仪深入救援井内，分别下放至第一深度采样点和第二深度采样点。

1.2)通过井下电磁探测仪中接收线圈的感应电动势，分别反演出第一深度采样点和第二深度采样点时事故井套管与救援井之间的相对距离d₁和d₂。

2)采用两点空间几何定位方法，根据事故井套管与救援井之间的相对距离d₁和d₂，建立事故井套管与救援井的两点几何定位法模型，具体为：

2.1)假设事故井套管垂直，当井下电磁探测仪位于救援井中第一深度采样点A时，由接收线圈的感应电动势反演出的相对距离为d_A即d₁，将井下电磁探测仪下放距离L至第二深度采样点N时，由接收线圈感应电动势反演出的相对距离为d_N即d₂。

2.2)以第一深度采样点A为顶点，以救援井轨迹为对角线，建立直角坐标系ABCD-A′B′C′D′，得到事故井套管与救援井的两点几何定位法模型，包括两深度采样点、两深度采样点对应的两井之间的相对距离、救援井轨迹信息、基于直角坐标系的几何关系以及救援井和事故井套管的实时方位信息。

3)获取救援井的实时井斜角。

4)将获取的实时井斜角与预先设定的井斜角阈值进行对比，当获取的实时井斜角小于等于井斜角阈值时，进入步骤5)；当获取的实时井斜角大于井斜角阈值时，进入步骤6)。

5)设定第一深度采样点与第二深度采样点为a和b，深度采样点a和b之间的距离L_ab大于L，L_ab＝b-a，将深度采样点a和b代入上述空间几何定位公式(4)，计算事故井套管与救援井之间的方位信息。

6)设定第一深度采样点与第二深度采样点为c和d，深度采样点c和d之间的距离L_cd小于L，L_cd＝d-c，将深度采样点c和d代入上述空间几何定位公式(4)，计算事故井套管与救援井之间的方位信息。

下面通过具体实施例详细说明本发明救援井实时方位计算与误差校正方法的效果：

对救援井内井下电磁探测仪的现场实测数据进行分析，以600m～1030m的测试信息为例，将救援井与事故井套管真实的方位信息与方位校正前后的曲线进行对比，如图6所示。可以看出，由于井下测试过程中伴有噪声，利用井下电磁探测仪测试数据求解的两井方位信息与真实的方位信息相比存在一定的偏差，其中，直接利用井下电磁探测仪测试数据求解的方位与两井真实方位相比误差较大，而采用本发明方法通过判断救援井的实时井倾角，对两点空间几何定位方法的深度步长进行自动调整后，计算得到的方位信息曲线更接近于两井的真实方位信息。

基于上述救援井实时方位计算与误差校正方法，本发明还提供一种救援井实时方位计算与误差校正系统，包括：

相对距离确定模块，用于将救援井井下探测系统中的井下电磁探测仪分别下放至救援井内的第一深度采样点和第二深度采样点，得到对应事故井套管与救援井之间的相对距离，其中，第一深度采样点与第二深度采样点之间的深度步长为L；

模型构建模块，用于采用两点空间几何定位方法，根据得到的两相对距离，建立事故井套管与救援井的两点几何定位法模型；

对比模块，用于将救援井的实时井斜角与预先设定的井斜角阈值进行对比；

第一误差校正模块，用于当实时井斜角小于等井斜角阈值时，设定第一深度采样点和第二深度采样点为a和b，深度采样点a和b之间的距离L_ab大于L，并根据深度采样点a和b以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息；

第二误差校正模块，用于当实时井斜角大于井斜角阈值时，设定第一深度采样点和第二深度采样点为c和d，深度采样点c和d之间的距离L_cd小于L，并根据深度采样点c和d以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息。

在一个优选的实施例中，相对距离确定模块包括：

救援井井下探测系统设置单元，用于设置救援井井下探测系统，包括井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机，将井下电磁探测仪深入救援井内，分别下放至第一深度采样点和第二深度采样点；

相对距离反演单元，通过井下电磁探测仪中接收线圈的感应电动势，分别反演出第一深度采样点和第二深度采样点时事故井套管与救援井之间的相对距离d₁和d₂。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种救援井实时方位计算与误差校正方法，其特征在于，包括以下内容：

1)将救援井井下探测系统中的井下电磁探测仪分别下放至救援井内的第一深度采样点和第二深度采样点，得到对应事故井套管与救援井之间的相对距离，其中，第一深度采样点与第二深度采样点之间的深度步长为L；

2)采用两点空间几何定位方法，根据得到的两相对距离，建立事故井套管与救援井的两点几何定位法模型；

3)将救援井的实时井斜角与预先设定的井斜角阈值进行对比，当实时井斜角小于等井斜角阈值时，进入步骤4)；当实时井斜角大于井斜角阈值时，进入步骤5)；

4)设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离大于L，并根据两深度采样点以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息；

5)设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离小于L，并根据两深度采样点以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息。

2.如权利要求1所述的一种救援井实时方位计算与误差校正方法，其特征在于，所述步骤1)的具体过程为：

1.1)设置救援井井下探测系统，包括井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机，将井下电磁探测仪深入救援井内，分别下放至第一深度采样点和第二深度采样点；

1.2)通过井下电磁探测仪中接收线圈的感应电动势，分别反演出第一深度采样点和第二深度采样点时事故井套管与救援井之间的相对距离d₁和d₂。

3.如权利要求1所述的一种救援井实时方位计算与误差校正方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程为：

以第一深度采样点A为顶点，以救援井轨迹为对角线，建立直角坐标系ABCD-A′B′C′D′，得到事故井套管与救援井的两点几何定位法模型，其中，两点几何定位法模型包括两深度采样点、两深度采样点对应的两井之间的相对距离、救援井轨迹信息、基于直角坐标系的几何关系以及救援井和事故井套管的实时方位信息。

4.如权利要求3所述的一种救援井实时方位计算与误差校正方法，其特征在于，所述救援井和事故井套管的方位信息为：

其中，β为直角坐标系中A′D′和OD′之间的夹角；α为救援井的井斜角。

5.一种救援井实时方位计算与误差校正系统，其特征在于，包括：

相对距离确定模块，用于将救援井井下探测系统中的井下电磁探测仪分别下放至救援井内的第一深度采样点和第二深度采样点，得到对应事故井套管与救援井之间的相对距离，其中，第一深度采样点与第二深度采样点之间的深度步长为L；

模型构建模块，用于采用两点空间几何定位方法，根据得到的两相对距离，建立事故井套管与救援井的两点几何定位法模型；

对比模块，用于将救援井的实时井斜角与预先设定的井斜角阈值进行对比；

第一误差校正模块，用于当实时井斜角小于等井斜角阈值时，设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离大于L，并根据两深度采样点以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息；

第二误差校正模块，用于当实时井斜角大于井斜角阈值时，设定第一深度采样点和第二深度采样点之间的距离小于L，并根据两深度采样点以及建立的两点几何定位法模型，计算事故井套管与救援井之间的方位信息。

6.如权利要求5所述的一种救援井实时方位计算与误差校正系统，其特征在于，所述相对距离确定模块包括：

救援井井下探测系统设置单元，用于设置救援井井下探测系统，包括井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机，将井下电磁探测仪深入救援井内，分别下放至第一深度采样点和第二深度采样点；

相对距离反演单元，通过井下电磁探测仪中接收线圈的感应电动势，分别反演出第一深度采样点和第二深度采样点时事故井套管与救援井之间的相对距离d₁和d₂。

7.如权利要求5所述的一种救援井实时方位计算与误差校正系统，其特征在于，所述救援井和事故井套管的方位信息为：

其中，β为直角坐标系中A′D′和OD′之间的夹角；α为救援井的井斜角。

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