CN111691870A - 一种磁场可控的钻头磁性接头及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁场可控的钻头磁性接头，包括圆柱形的无磁刚体、震动传感器、中央处理电路、螺线管和供电电池，所述无磁刚体设有轴向通孔并连接于钻头与螺杆马达之间；所述震动传感器、中央处理电路和电池均固定在无磁刚体中的密封腔室内，震动传感器的输出端接中央处理电路的输入端；所述螺线管埋设在无磁刚体内且其轴线与无磁刚体的轴线垂直，螺线管的两端与中央处理电路的输出端连接。本发明同时给出了本磁性接头的使用方法。本发明可根据磁性接头与目标点之间的距离来调节螺线管磁场，在避免磁传感器达到磁饱和的前提下尽可能增大磁场强度，从而有效提高了钻头的定位精度，保证了施工的正常进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有钻头方位角、顶角测量功能且磁场强度可变的磁性接头及其使用方法，属于土层或岩石的钻进技术领域。
背景技术
在地质和石油钻探过程中，有时钻进的最终目标是已完成的目标井，为了精确控制井眼轨迹，使其达到指定的目标点位置，经常需要使用仪器对钻头的位置、姿态(包括方位角、顶角等)参数进行井下测量。旋转磁测量是一种精度较高的测量手段，测量位置的基本原理是通过旋转一个强度已知的人工磁场，在空间内形成有规律的磁场扰动，设置在目标点的探管接收到这个扰动后，由软件解析出磁场与探管的相对空间位置关系。在实际应用中，这个人工磁场通常由设置在钻头后部的磁性接头提供，磁性接头直接与钻头相连，其与探管的位置关系，也可以真实反映钻头与探管的位置关系。当前的磁性接头是内部镶嵌有稀土永磁体的无磁材料制成的圆柱体，磁场的大小与距离的立方成反比关系，目标点与磁性接头的距离越小，磁场强度越大。
测量钻头位置时，磁性接头由接在后边的螺杆马达驱动而作轴向旋转，形成磁场扰动。在空间的另一端(通常是在目标点)放着探管。探管是一个装有多个传感器及电路的集合体，其中有一种磁传感器，是专门测量磁场及其扰动的。这个磁传感器是有测量范围的，当达到它的最大量程时，磁传感器达到磁饱和，如果磁场强度继续增大，接收到的磁场强度超过磁传感器的量程，显示的就不是真实的数值了。因此，当磁性接头距离探管较远时，磁场强度越大，定位越精确，但当距离变小时，大的磁场反而会减小定位精度。在钻井过程中，工程师往往会在条件允许的情况下使用磁场强度最大的磁性接头，这样探管能在较远的距离探测到信号，为调整井眼轨迹留下足够的空间。但当磁性接头距离探管较近时，由于使用稀土永磁材料制作的磁场源无法在井下调整磁场强度的大小，较强的磁场将导致计算结果精度较差。有一种作法是把所有钻具从地下井眼中提到地面，更换一种磁场强度较小的磁性接头后再进行测量，但风险很高，因为此时井眼已基本上到达目标点，如果提钻，不仅会增加工时费用，钻具还有可能回不到原井眼中，导致前功尽弃。因此现场常用的做法是在探管磁饱和后停止测量，将之前的测量结果为参考继续施工。如果目标点允许的误差范围大，将不会有太多影响。反之，如果没有达到目标范围之内，将会导致重新施工，从而大幅增加了施工成本。
在定位计算的过程中，磁性接头的方位角、顶角等姿态参数需要输入到程序当中参与计算。而磁性接头连接在钻头与螺杆之间，距离测量这些参数的随钻测量仪器(安装在无磁钻铤中部)至少10米以上。当前这些参数是由工程师根据能测到的数据和钻具性能估测所得，而不是实际测量出来的，容易导致参数的失真，进而影响最终的定位精度。
此外，当前磁性接头仅能作为发射信号用，不能测量其它参数，功能单一。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种磁场可控的钻头磁性接头及其使用方法，以防止磁传感器达到磁饱和，提高钻头定位精度。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种磁场可控的钻头磁性接头，构成中包括圆柱形的无磁刚体、震动传感器、中央处理电路、螺线管和供电电池，所述无磁刚体设有轴向通孔并连接于钻头与螺杆马达之间；所述震动传感器、中央处理电路和电池均固定在无磁刚体中的密封腔室内，震动传感器的输出端接中央处理电路的输入端；所述螺线管埋设在无磁刚体内且其轴线与无磁刚体的轴线垂直，螺线管的两端与中央处理电路的输出端连接。
上述磁场可控的钻头磁性接头，构成中还包括钻头姿态参数测量装置，所述钻头姿态参数测量装置包括重力加速度计和磁传感器，二者均固定在无磁刚体中的密封腔室内，它们的信号输出端接中央处理电路的不同信号输入端。
上述磁场可控的钻头磁性接头，所述无磁刚体中的密封腔室设置四个，分别为中央控制电路及震动传感器仓、第一电池仓、磁传感器和重力加速度计仓和第二电池仓，它们绕无磁刚体的轴向通孔均匀分布，中央控制电路及震动传感器仓中安装中央处理电路和震动传感器，磁传感器和重力加速度计仓中安装磁传感器和重力加速度计，第一电池仓和第二电池仓中安装电池。
上述磁场可控的钻头磁性接头，所述螺线管设置多个，它们对称分布在无磁刚体的轴向通孔两侧且多个螺线管的轴线相互平行。
上述磁场可控的钻头磁性接头，所述无磁刚体与钻头和螺杆马达之间通过螺纹连接。
一种磁场可控的钻头磁性接头的使用方法，使用上述磁性接头测量和发送钻头位置和姿态参数的具体方法如下：
a.在中央处理电路内设置定时器，设定三个时间阈值，分别为第一时间阈值t1、第二时间阈值t2和第三时间阈值t3；
b.中央控制电路实时监测震动传感器的输出信号，若出现震动信号，即震动传感器的输出信号达到设定的阈值，则启动计时器，对震动信号进行计时，然后根据震动信号的持续时间t选择如下操作：
①若t＞t3，不进行任何操作；
②若t1＜t≤t2，则重新启动计时器，若在设定的确认时间T1内，震动信号重新出现后又消失，则中央控制电路读取重力加速度计和磁传感器的测量信息，将二者的测量值编译成二进制编码，并按照该二进制编码的波形控制螺线管内电流的大小，由螺线管通过脉冲磁场向探管发送钻头的姿态信息；
③若t2＜t≤t3，则重新启动计时器，若在设定的确认时间T1内，震动信号重新出现后又消失，则中央控制电路利用计时器对震动传感器之后输出的用于控制磁场大小的震动信号进行计时，并根据该震动信号持续时间的长短来调节螺线管工作电流的大小，然后在下一次震动信号持续存在的情况下，使螺线管的工作电流在设定的测量时间T2内维持不变，产生旋转磁场供探管测量。
上述磁场可控的钻头磁性接头的使用方法，所述第一时间阈值t1、第二时间阈值t2和第三时间阈值t3分别为10秒、20秒和30秒。
上述磁场可控的钻头磁性接头的使用方法，所述确认时间T1为10秒，所述测量时间T2为10分钟。
本发明利用震动传感器接收测量人员通过开关泥浆泵发出的控制信息，由通电螺线管提供人工磁场，当需要调节磁性接头磁场强度时，由中央处理电路来控制螺线管电流的增减，进而改变磁场的强弱。本发明可根据磁性接头与目标点之间的距离来调节螺线管磁场，在避免磁传感器达到磁饱和的前提下尽可能增大磁场强度，从而有效提高了钻头的定位精度，保证了施工的正常进行。
本发明利用钻头姿态参数测量装置测量钻头的方位角和顶角并通过螺线管将测得的数据发送给目标点的探管，由测量值代替原来的估测值，进一步提高了钻头的定位精度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是本发明的外形图；
图2是图1俯视图；
图3是图2的B-B剖视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本发明的电原理图；
图6是本发明的安装示意图；
图7是螺线管产生的脉冲磁场波形图。
图中各标号为：1、无磁刚体，2、螺线管，3、中央处理电路，4、震动传感器，5、密封塞，6、重力加速度计，7、磁传感器，8、中央控制电路及震动传感器仓，9、第一电池仓，10、磁传感器和重力加速度计仓，11、第二电池仓，12、电池，13、钻杆，14、无磁钻铤，15、螺杆马达，16、磁性接头，17、钻头，18、目标井，19、探管，20、磁力线，21、轴向通孔。
具体实施方式
参看图1～图5，本发明主要包括无磁刚体1、螺线管2、中央处理电路3、震动传感器4、密封塞5、重力加速度计6(用于测量顶角)、磁传感器7(用于测量方位角)和电池12，无磁刚体1为圆柱形状且设有轴向通孔21，其两端有螺纹(公扣与母扣)；无磁刚体1上部(即图1的左侧)设有若干与无磁刚体1的轴线垂直的孔，每个孔内装有螺线管2，安装后灌注胶水，使螺线管2与无磁刚体1形成一体；无磁刚体1下部(即图1的右侧)有若干独立的密封腔室；密封腔室内安装中央处理电路3、震动传感器4、重力加速度计6、磁传感器7和电池12，还可以加装用于测量周围地层信息的传感器；螺线管2、震动传感器4、重力加速度计6、磁传感器7及其他传感器均与中央处理电路3连接，中央处理电路3由电池12供电。
在图4中，密封腔室设置了四个，分别是中央控制电路及震动传感器仓8、第一电池仓9、磁传感器和重力加速度计仓10和第二电池仓11，第一电池仓9和第二电池仓11用于安装电池12，由于电池重量较大，因此两个电池仓对称设置在无磁刚体1的轴线两侧，以防止整体重心偏离无磁刚体1的轴线。中央控制电路及震动传感器仓8内固定中央控制电路3和震动传感器4，磁传感器和重力加速度计仓10内安装重力加速度计6和磁传感器7。
参看图6，本磁性接头连接在螺杆马达15与钻头17之间，螺杆马达15由地面的泥浆泵驱动旋转时，可带动磁性接头和钻头17一起旋转。磁性接头16中的震动传感器4用于监测磁性接头的震动情况并将监测到的信息发送给中央处理电路3，中央处理电路3根据接收到的信息判断是否需要调节磁场强度及是否需要发送钻头的位置、姿态信息，磁性接头测量和发送钻头位置、姿态参数的具体方法如下：
设定三个时间阈值，分别为第一时间阈值t1、第二时间阈值t2和第三时间阈值t3，一般设定为t1＝10秒，t2＝20秒，t3＝30秒；
中央控制电路通过震动传感器实时监测整个无磁刚体的震动情况，若震动传感器输出震动信号，即震动传感器的输出信号达到设定的阈值，说明地面开启了泥浆泵，此时启动设置在中央控制电路中的计时器，对震动信号进行计时，然后根据震动信号的持续时间t选择如下操作：
若t＞t3，说明开启泥浆泵的目的是钻进，停止计时；
若t1＜t≤t2(即泥浆泵在10－20秒内停止运行)，则重新启动计时器，若在设定的确认时间T1(一般10秒)内，震动信号重新出现后又消失，说明需要上传钻头方位角、顶角信息，此时中央控制电路读取重力加速度计和磁传感器的测量信息，将二者的测量值编译成二进制编码，并按照该二进制编码的波形控制螺线管内电流的大小，当二进制编码中出现“1”时，供5A电流，当二进制编码中出现“0”时，停止供电，二进制编码中的每个“1”和“0”所对应的供电、停电时间均为0.5秒。螺线管产生的磁场为方形脉冲波(如图7所示)。探管接收到脉冲波磁场后使用解析软件得到传感器测量的数据。整个测量程序过程中，当震动传感器测量到震动信号时，中止测量程序。脉冲波信号共重复发射三次，相邻两次之间间隔0.7秒，每次发射若干传感器信号，不同传感器信号波形之间间隔0.3秒。
若t2＜t≤t3(即泥浆泵在20－30秒内停止运行)，则重新启动计时器，若在设定的确认时间T1(一般10秒)内，震动信号重新出现后又消失，说明需要测量钻头与探管之间的位置关系，此时则中央控制电路利用计时器对震动传感器之后输出的用于控制磁场大小的震动信号进行计时，并根据该震动信号持续时间的长短来调节螺线管工作电流大小，如震动信号持续时间为10－20秒时，电流调节为2A，震动信号持续时间为20－30秒时，电流调节为4A，以此类推。调节完电流大小后，等待操作人员开启泥浆泵，在下一次震动信号持续存在的情况下，使螺线管的工作电流在设定的测量时间T2(10分钟)内维持不变，产生旋转磁场供探管测量。在此期间中央控制电路不读取震动传感器的输出信号。
专业术语解释：
1.探管：磁定位测量探管是一个空心长圆柱体，内部含有重力加速度计传感器和高精度磁传感器、温度计及控制电路，可以测量井斜角、磁方位角等参数。
2.方位角：是描述平面上物体之间的角度差的参数，是从某点的指北方向线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角。
3.顶角：也称井斜角或井斜，是钻井专业术语，通常定义为井眼轴线上某点的切线与铅垂线的夹角。
4.随钻测量仪器：分为有线与无线测量，当前大部分为无线随钻测量系统，包括井下仪器(探管)、地面系统，用于钻井过程中井下工具状态(包括井斜、方位、工具面等定向参数)的实时监测。
5.泥浆泵和钻井液：泥浆泵是一种机械，钻井中，将钻井液加压后，注入到钻杆或管线中，是钻井液循系统环动力的来源，钻井液用于冷却钻头和携带钻屑到地面。泥浆泵和钻井液(也称泥浆)是当前钻井中必须的。
Claims (8)
1.一种磁场可控的钻头磁性接头，其特征是，构成中包括圆柱形的无磁刚体(1)、震动传感器(4)、中央处理电路(3)、螺线管(2)和供电电池(12)，所述无磁刚体(1)设有轴向通孔(21)并连接于钻头(17)与螺杆马达(15)之间；所述震动传感器(4)、中央处理电路(3)和电池(12)均固定在无磁刚体(1)中的密封腔室内，震动传感器(4)的输出端接中央处理电路(3)的输入端；所述螺线管(2)埋设在无磁刚体(1)内且其轴线与无磁刚体(1)的轴线垂直，螺线管(2)的两端与中央处理电路(3)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁场可控的钻头磁性接头，其特征是，构成中还包括钻头姿态参数测量装置，所述钻头姿态参数测量装置包括重力加速度计(6)和磁传感器(7)，二者均固定在无磁刚体(1)中的密封腔室内，它们的信号输出端接中央处理电路(3)的不同信号输入端。
3.根据权利要求2所述的一种磁场可控的钻头磁性接头，其特征是，所述无磁刚体(1)中的密封腔室设置四个，分别为中央控制电路及震动传感器仓(8)、第一电池仓(9)、磁传感器和重力加速度计仓(10)和第二电池仓(11)，它们绕无磁刚体(1)的轴向通孔(21)均匀分布，中央控制电路及震动传感器仓(8)中安装中央处理电路(3)和震动传感器(4)，磁传感器和重力加速度计仓(10)中安装磁传感器(7)和重力加速度计(6)，第一电池仓(9)和第二电池仓(11)中安装电池(12)。
4.根据权利要求3所述的一种磁场可控的钻头磁性接头，其特征是，所述螺线管(2)设置多个，它们对称分布在无磁刚体(1)的轴向通孔(21)两侧且多个螺线管(2)的轴线相互平行。
5.根据权利要求4所述的一种磁场可控的钻头磁性接头，其特征是，所述无磁刚体(1)与钻头(17)和螺杆马达(15)之间通过螺纹连接。
6.一种磁场可控的钻头磁性接头的使用方法，其特征是，使用权利要求2～5所述的任意一种磁场可控的钻头磁性接头测量和发送钻头位置和姿态参数的具体方法如下：
a.在中央处理电路(3)内设置定时器，设定三个时间阈值，分别为第一时间阈值t1、第二时间阈值t2和第三时间阈值t3；
b.中央控制电路实时监测震动传感器(4)的输出信号，若出现震动信号，即震动传感器(4)的输出信号达到设定的阈值，则启动计时器，对震动信号进行计时，然后根据震动信号的持续时间t选择如下操作：
①若t＞t3，不进行任何操作；
②若t1＜t≤t2，则重新启动计时器，若在设定的确认时间T1内，震动信号重新出现后又消失，则中央控制电路读取重力加速度计(6)和磁传感器(7)的测量信息，将二者的测量值编译成二进制编码，并按照该二进制编码的波形控制螺线管(2)内电流的大小，由螺线管(2)通过脉冲磁场向探管发送钻头的姿态信息；
③若t2＜t≤t3，则重新启动计时器，若在设定的确认时间T1内，震动信号重新出现后又消失，则中央控制电路利用计时器对震动传感器(4)之后输出的用于控制磁场大小的震动信号进行计时，并根据该震动信号持续时间的长短来调节螺线管(2)工作电流的大小，然后在下一次震动信号持续存在的情况下，使螺线管(2)的工作电流在设定的测量时间T2内维持不变，产生旋转磁场供探管测量。
7.根据权利要求6所述的一种磁场可控的钻头磁性接头的使用方法，其特征是，所述第一时间阈值t1、第二时间阈值t2和第三时间阈值t3分别为10秒、20秒和30秒。
8.根据权利要求7所述的一种磁场可控的钻头磁性接头的使用方法，其特征是，所述确认时间T1为10秒，所述测量时间T2为10分钟。
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| CN113669051A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-11-19 | 中国地质科学院勘探技术研究所 | 用于磁定位使用的磁接头、磁定位系统及磁定位方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111691870B (zh) | 2023-05-16 |
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