CN111734389B - 基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法和系统,其包括:事故井、救援井、井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机模块。其中,事故井中设置有多根事故井套管,各事故井套管两两之间通过接箍相连;救援井为不含金属套管的裸眼井;井下电磁探测仪设置在裸眼井中,用于对事故井套管信息进行探测,并通过铠装电缆将探测到的事故井套管信息发送到地面处理模块;地面处理模块用于对接收到的事故井套管信息进行解耦、去噪和放大处理后利用USB发送给上位机模块;上位机模块用于对处理后的阵列信号进行存储和成像显示,或者基于接收到的数据进行后期数据回放。本发明可以广泛应用于救援井探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及井下探测技术领域,特别是涉及一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法和系统。
背景技术
在救援井中对事故井套管进行探测定位,是控制井喷、保障深水钻井作业安全的关键技术之一。然而,受误差椭球影响,救援井仅依靠救援井和事故井井身轨迹信息很难直接中靶,其钻井过程需要通过不断地测量救援井与事故井之间的相对距离和方位,逐步引导救援井与事故井钻遇连通。因此,在救援井中对事故井套管进行测距定位是决定救援井与事故井连通成败的关键。
近年来,瞬变电磁系统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可确定探测仪器与金属套管的相对距离,已广泛应用于救援井探测定位领域。目前存在的技术问题主要为:
(1)在救援井的近距离跟随阶段,由于测量位置大且两井相距较近,电磁信号覆盖的事故井范围较大,被测事故井套管不再是点目标,因此测得的距离和方位将存在严重偏差,无法得到两井相对姿态信息,不利于救援井近距离高精度跟随;
(2)大多采用居中探头,其探测信息包含井周360度的信息,且所含各个方向的分量相同,不具有方位识别能力。然而,在实际应用中,事故井套管位于救援井的某一侧,采用居中探头的方法无法直接获得事故井套管与救援井的方位信息,无法满足测试现场的需求。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法和系统,利用位于井周不同深度不同方向的组合式偏心探头,通过对比多个偏心探头的接收响应,对事故井套管相对于救援井的方位进行判断,在此基础上,根据反演的两井相对距离进行反演,结合阵列信号处理算法,提高了两井方位和距离实时计算的精度,为两井的钻进连通提供重要信息。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:
本发明的第一个方面,是提供一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测系统,其包括:事故井、救援井,所述事故井中设置有多根事故井套管,两两所述事故井套管之间通过接箍相连;所述救援井为不含金属套管的裸眼井;其还包括:井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机模块;所述井下电磁探测仪设置在所述裸眼井中,包括上扶正器、下扶正器、马笼头、DC-DC电源模块、电路模块和组合式偏心探头模块;所述上扶正器和下扶正器分别位于井下电磁探测仪上下两端,用于保证所述井下电磁探测仪处于居中状态不发生偏磨;所述马笼头设置在所述上扶正器下方,用于与电缆末端连接;所述DC-DC电源模块用于为整个井下电磁探测仪供电,并向所述组合式偏心探头模块施加瞬变电磁激励信号,所述组合式偏心探头模块对周围地层返回的包含事故井套管信息的二次涡流场信号进行接收,并发送到所述电路模块;所述电路模块对接收到的二次涡流场信号进行处理后,通过电缆发送到所述地面处理模块;所述地面处理模块用于对接收到的事故井套管信息进行处理后发送给所述上位机模块;所述上位机模块用于对处理后的阵列信号进行存储和成像显示,或者基于接收到的数据进行后期数据回放。
进一步地,所述组合式偏心探头模块包括若干偏心探头构成的偏心探头阵列,每一所述偏心探头均包括一个绕于铁芯上的发射线圈和一个接收线圈,且各所述偏心探头的发射线圈由上向下呈偏心阵列状均匀间隔设置在井周360度范围内,各所述偏心探头的接收线圈居中设置。
进一步地所述组合式偏心探头模块包括8个偏心探头。
进一步地所述组合式偏心探头中两两偏心探头之间的纵向间隔均相同。
本发明的第二个方面,是提供一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法,其包括以下步骤:
(1)获取某一探测深度Di处组合式偏心探头中各偏心探头的感应电动势,并基于各偏心探头的感应电动势以及预设的两井相对距离阈值,判断该探测深度是否能够进行方位判断,如果能,则进入步骤(2),否则,改变探测深度并再次判断直至到达能够进行方位判断的探测深度Dj;
(2)根据步骤(1)中确定的能够进行方位判断的探测深度Dj以及预设深度判断阈值M确定测试深度范围,并根据测试深度范围内各测试深度下,各偏心探头的接收线圈的感应电动势幅值,得到事故井套管相对于救援井所在方向。
进一步地所述步骤(1)中,能够进行方位判断的探测深度Dj的获得方法,包括以下步骤:
(1.1)获取某一探测深度Di处组合式偏心探头模块中各偏心探头的感应电动势;
(1.2)对获取的各偏心探头的感应电动势进行深度校正;
(1.3)对深度校正后偏心探头阵列中各偏心探头的感应电动势进行求和作平均,作为探测深度Di对应的阵列感应电动势,并根据得到的阵列感应电动势反演两井的相对距离d;
(1.4)若步骤(1.3)中反演得到的两井相对距离d小于预设两井相对距离阈值P,则将此时的探测深度作为能够进行方位判断的探测深度Dj;若d大于P,则改变测试深度为Di+1,并重复步骤(1.1)~(1.3),直到反演的两井相对距离d小于P。
进一步地,所述步骤(1.1)中,各偏心探头的感应电动势为:
式中,rR为偏心探头中接收线圈的半径;Θ=μ1NTNRITr′/π,μ1为铁芯的磁导率;t为采样时间;Ks为G-S逆拉普拉斯变换的积分系数,S为G-S逆拉普拉斯变换的点数;为偏心探头中接收线圈的磁场强度,且d为事故井套管相对救援井中井下电磁探测仪器的距离,/>为偏心探头中发射线圈相对于原点O的有效积分角度,/>和/>分别为偏心探头中发射线圈相对于原点O的有效积分角度的最大值和最小值。
进一步地所述步骤(2)中,事故井套管相对于救援井所在方向的判断方法,包括以下步骤:
(2.1)根据探测深度Dj以及预设深度判断阈值M,得到测试深度范围d1,d2,d3,…,dM;其中,d1,d2,d3,…,dM等间隔设置,且d1=Dj;
(2.2)对比测试深度d1处的各偏心探头接收线圈的感应电动势幅值,并将幅值最大的偏心探头所在方向定义为事故井套管所在方向;
(2.3)依次改变测试深度为d2,d3,…,dM,并重复步骤(2.2),得到各测试深度下对应的事故井套管所在方向;
(2.4)根据各测试深度下对应的事故井套管所在方向以及预设深度判断阈值M,判断得到事故井套管相对救援井的最终方向。
进一步地,所述步骤(2.4)中,根据各测试深度下对应的事故井套管所在方向以及预设深度判断阈值M,判断得到事故井套管相对救援井的最终方向时,判断方法为:
当M个测试深度的两井方位信息判断结果一致时,则将该方向作为事故井套管相对救援井的最终方向;
若M个测试深度的两井方位信息判断结果不一致,则增大测试深度为Dj+1,并返回步骤(2.1)~步骤(2.4),直到M个测试深度的两井方位信息判断结果均一致,得到事故井套管相对救援井的所在方位。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明利用位于井周不同深度不同方向的组合式偏心探头,通过对多个偏心探头的深度进行校正后,在救援井探测近距离处,通过对比多个偏心探头响应的大小,实现了对事故井套管相对于救援井的方位信息的准确判断。2、本发明利用空间几何定位方法对两井的相对距离进行反演,将阵列偏心探头的接收信号进行积累,可进一步改善瞬变电磁救援井探测系统的信噪比,提高系统的整体探测性能。因此,本发明可以广泛应用于井下探测技术领域。
附图说明
图1为本发明基于组合式偏心探头的瞬变电磁法井下救援井探测系统图;
图2为本发明组合式偏心探头的组成结构图;
图3为本发明偏心探头与居中探头的位置关系示意图;
图4为本发明事故井套管相对救援井的大致方位判定流程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示,本发明提供的一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测系统,其包括:事故井1、救援井2、井下电磁探测仪3、地面处理模块4和上位机模块5。其中,事故井1中设置有多根事故井套管11,两两事故井套管11之间通过接箍12相连;救援井2为不含金属套管的裸眼井;井下电磁探测仪3设置在裸眼井中,用于对事故井套管信息进行探测,并通过铠装电缆6将探测到的事故井套管信息发送到地面处理模块4;地面处理模块4用于对接收到的事故井套管信息进行解耦、去噪和放大处理后得到阵列信号,并利用USB发送给上位机模块5;上位机模块5用于对阵列信号进行存储和成像显示,或者基于接收到的数据进行后期数据回放。
作为一个优选的实施例,井下电磁探测仪3包括上扶正器31、下扶正器32、马笼头33、DC-DC电源模块34、电路模块35和组合式偏心探头模块36。其中,上扶正器31和下扶正器32分别位于井下电磁探测仪3的上、下两端,用于保证井下电磁探测仪3处于居中状态不发生偏磨;马笼头33设置在上扶正器31下方,用于连接铠装电缆6末端和井下电磁探测仪3;DC-DC电源模块34用于为整个井下电磁探测仪3供电;DC-DC电源模块34向组合式偏心探头模块36施加瞬变电磁激励信号,组合式偏心探头模块36对周围地层返回的包含事故井套管信息的金属异常体信号(即二次涡流场信号)进行接收,并发送到电路模块35;电路模块35对接收到的二次涡流场信号进行放大、滤波和模数转换后,通过铠装电缆6发送到地面处理模块4。
作为一个优选的实施例,如图2所示,组合式偏心探头模块36包括若干偏心探头361~368(本发明以8个偏心探头为例进行介绍,但不限于此)构成的偏心探头阵列,每一偏心探头均包括一个绕于铁芯3611上的发射线圈3612和一个接收线圈3613,且各偏心探头的发射线圈由上向下呈偏心阵列均匀间隔设置在井周360度,各发射线圈依次于井周0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度和315度的位置设置,各偏心探头的接收线圈均居中设置。将阵列接收线圈的接收信号经深度校正后,拉到同一平面,等效于在该平面形成一个“虚拟圆阵”,并将井周360等分为8个探测区域,各区域覆盖的角度范围为45度。其中,DC-DC电源模块向组合式偏心探头模块中各偏心探头的发射线圈施加瞬变电磁激励信号(双极性阶跃信号或斜阶跃信号),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,利用各偏心探头的接收线圈可接收均匀地层中的金属异常体信号,该异常体信号包含事故井套管的信息,将接收线圈接收到的二次涡流场信号发送到电路模块。
作为一个优选的实施例,组合式偏心探头模块36中,两两偏心探头之间的纵向间隔距离为Δz。
作为一个优选的实施例,电路模块35包括遥传模块351、控制电路模块352、测斜电路模块353、H桥发射电路模块354和偏心阵列接收电路模块355。其中,遥传模块351是井下电磁探测仪3与地面处理模块4之间采集、整理、发送数据的中转站,它接收偏心阵列接收电路模块355传送来的测量数据,对数据进行整理并将其转换成曼彻斯特码送至单芯电缆6;控制电路模块352用于控制其它模块有序协同工作;测斜模块353用于测量井下探测仪器3在井中的倾斜姿态;H桥发射模块354用于产生瞬变电磁激励信号;偏心阵列接收电路模块355用于采集和处理偏心探头阵列接收线圈的响应信号。
本发明采用组合式偏心探头进行探测的原理介绍如下:
假定井下电磁探测仪中组合式偏心探头的发射线圈和接收线圈的匝数分别为NT和NR,对各发射线圈施加的电流为IT,铁芯半径为r′,则当救援井井下电磁探测仪器采用传统的居中探头时,井下电磁探测仪器的接收线圈的时间域感应电动势可以表示为:
式中,Θ=μ1NTNRITr′/π,μ1为铁芯的磁导率;t为采样时间;Ks为G-S逆拉普拉斯变换的积分系数,S为G-S逆拉普拉斯变换的点数;r1表示居中探头接收线圈的半径;Hz1(t,d)为接收线圈的磁场强度,其大小主要取决于事故井套管相对救援井中井下电磁探测仪器的距离d;λ为波长,且满足x2=λ2-k2,其中,x为引入的变量,k为波数。
当采用单个偏心探头时,以单匝发射线圈为例,偏心探头与居中探头的位置关系如图3所示。
其中,rn′=(ρ2-r′2)1/2,为从原点O出发到偏心发射线圈的切线。利用偏心探头的接收线圈接收井周随介质电导率变化的二次场,则偏心探头接收线圈的磁场强度可以表示为:
式中,ω为角频率,In-1为n-1阶第一类修正贝塞尔函数,为空间任一点与偏心探头发射线圈的一段电偶极子之间的夹角,B为待定系数,可根据边界条件求解。利用G-S逆变换,将式(4)转换至时域。可得偏心探头时域的感应电动势为:
式中,rR为偏心探头接收线圈的半径。对比式(1)和式(5),可以看出,居中探头的接收线圈感应电动势适用于轴对称的探测模型,与方位角无关,无法提供井下特定方向的探测信息。而偏心探头的接收响应不仅与探头的偏心距离有关,还与偏心方向有关,其探测信息中包含探头所偏方向的分量较多,可以实现方位探测。此外,当采样时间t确定时,式(5)中的未知量仅为事故井套管与救援井之间的距离,因此,利用接收线圈的感应电动势可以对两井的相对距离进行反演。
然而,单个偏心探头获取的井周方位信息比较有限,要获得井周多个方向的探测能力,需采用组合式偏心探头。本发明以八个偏心探头为例,其结构如图2所示。将8个偏心探头的接收响应分别记为U1′、U2′、U3′、U4′、U5′、U6′、U7′和U8′,对于救援井近距离探测的某一深度,通过对阵列偏心探头接收响应进行深度校正,等效于在该深度位置形成一个“虚拟圆阵”,阵列偏心探头将井周360等分为8个探测区域,各区域覆盖的角度范围为45度。通过对比阵列接收响应的幅值大小,可对事故井套管相对救援井的方向进行判断,改变探测位置,继续重复阵列接收响应的幅值大小,设置判断阈值为M,直到根据M次探测响应判断的结果一致,则可以确定事故井套管相对于救援井的方向。在此基础上,通过对深度校正后的阵列接收响应进行积累,可以改善事故井套管与救援井相对距离判断的信噪比,提高瞬变电磁井下探测系统的整体性能。
如图4所示,基于上述分析,本发明提供一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法,其包括以下步骤:
(1)获取某一探测深度Di处组合式偏心探头中各偏心探头的感应电动势,并基于各偏心探头的感应电动势以及预设的两井相对距离阈值,判断是否能够进行方位判断,如果可以,则进入步骤(2),否则,改变探测深度并再次判断直至到达可以进行方位判断的探测深度Dj。
具体的,包括以下步骤:
(1.1)获取某一探测深度Di处组合式偏心探头模块中各偏心探头中接收线圈上的感应电动势,即U1′、U2′、U3′、U4′、U5′、U6′、U7′和U8′;
(1.2)对获取的各偏心探头的感应电动势进行深度校正,在探测深度Di处形成一个“虚拟圆阵”;由于本发明中偏心探头阵列将井周360等分为8个探测区域,各区域覆盖的角度范围为45度,两两偏心探头之间的纵向间隔距离为Δz,通过对偏心探头阵列接收响应进行深度校正,即选择同一深度的阵列偏心响应进行处理,补齐相邻偏心探头的深度差,在该深度位置形成一个虚拟均匀圆阵,具体的深度校正的方法是本领域技术人员公知,在此不再赘述。
(1.3)对深度校正后各偏心探头的接收线圈的感应电动势进行求和作平均,作为探测深度Di对应的阵列感应电动势,并根据得到的阵列感应电动势反演两井的相对距离d;
(1.4)若步骤(1.3)中反演得到的两井相对距离d小于预设两井相对距离阈值P,则进入步骤(2)进行方位判断;若d大于P,则改变测试深度为Di+1,并重复步骤(1.1)~(1.3),直到反演的两井相对距离d小于P为止。
(2)根据步骤(1)中确定的能够进行方位判断的探测深度Dj确定测试深度范围,并根据预设的深度判断阈值M以及测试深度范围内各测试深度下,各偏心探头的接收线圈的感应电动势幅值,得到事故井套管相对于救援井所在方向。
具体的,包括以下步骤:
(2.1)根据探测深度Dj以及预设深度判断阈值M,得到测试深度范围d1,d2,d3,…,dM;其中,d1,d2,d3,…,dM等间隔设置,且d1=Dj;
(2.2)对比测试深度d1处各偏心探头中接收线圈的感应电动势幅值,将幅值最大的偏心探头所在方向定义为该测试深度下事故井套管所在方向。
例如,若偏心探头阵列中,各偏心探头的接收线圈上的感应电动势幅值大小为U1′>U2′>U3′>U4′>U5′>U6′>U7′>U8′,则事故井套管位于偏心探头1所在方向。
(2.3)依次改变测试深度为d2,d3,…,dM,并重复步骤(2.2),得到各测试深度下对应的事故井套管所在方向;
(2.4)根据各测试深度下对应的事故井套管所在方向以及预设深度判断阈值M,判断得到事故井套管相对救援井的最终方向。
具体判断过程为:
当M个测试深度的两井方位信息判断结果一致时,则可以确定事故井套管相对救援井的大致方向;
若M个测试深度上的两井方位信息判断结果不一致,则增大测试深度为Dj+1,并重复步骤(2.1)~步骤(2.4),判断M个测试深度上的阵列接收响应幅值;以此类推,确定事故井套管相对救援井的大致方位。
需要说明的是,由于救援井井眼尺寸较小,阵列偏心探头之间的径向距离较近,根据阵列偏心探头接收线圈感应电动势幅值大小只能判断事故井套管相对于救援井的大致方向,无法获得具体的方位参数,要获得两井详细的方位信息,需结合事故井的先验信息以及救援井钻井过程中的实时方位信息;此外,为了偏心阵列瞬变电磁井下探测系统的性能,阵列偏心探头的数量可以适当增加,将周向360度分的更细,但随着探头数量的增多,仪器长度就越长,深度校正误差就越大。因此,为使组合式偏心探头的分布在保证一定探测性能的条件下,缩短仪器的长度,减少测井数据的深度校正误差,需对各偏心探头的尺寸、绕制参数、间距和角度进行联合优化。
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 (5)
1.一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测系统,获取某一探测深度Di处组合式偏心探头中各偏心探头的感应电动势,并基于各偏心探头的感应电动势以及预设的两井相对距离阈值,判断该探测深度是否能够进行方位判断,如果能,则进入步骤(2),否则,改变探测深度并再次判断直至到达能够进行方位判断的探测深度Dj;
其中,所述基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测系统包括:事故井、救援井,所述事故井中设置有多根事故井套管,两两所述事故井套管之间通过接箍相连;所述救援井为不含金属套管的裸眼井;其特征在于,还包括:井下电磁探测仪、地面处理模块和上位机模块;
所述井下电磁探测仪设置在所述裸眼井中,包括上扶正器、下扶正器、马笼头、DC-DC电源模块、电路模块和组合式偏心探头模块;
所述上扶正器和下扶正器分别位于井下电磁探测仪上下两端,用于保证所述井下电磁探测仪处于居中状态不发生偏磨;
所述马笼头设置在所述上扶正器下方,用于与电缆末端连接;
所述DC-DC电源模块用于为整个井下电磁探测仪供电,并向所述组合式偏心探头模块施加瞬变电磁激励信号,所述组合式偏心探头模块对周围地层返回的包含事故井套管信息的二次涡流场信号进行接收,并发送到所述电路模块;
所述电路模块对接收到的二次涡流场信号进行处理后,通过电缆发送到所述地面处理模块;
所述地面处理模块用于对接收到的事故井套管信息进行处理后发送给所述上位机模块;
所述上位机模块用于对处理后的阵列信号进行存储和成像显示,或者基于接收到的数据进行后期数据回放;
所述组合式偏心探头模块包括若干偏心探头构成的偏心探头阵列,每一所述偏心探头均包括一个绕于铁芯上的发射线圈和一个接收线圈,且各所述偏心探头的发射线圈由上向下呈偏心阵列状均匀间隔设置在井周360度范围内,各所述偏心探头的接收线圈居中设置;
所述组合式偏心探头模块包括8个偏心探头;
所述组合式偏心探头中两两偏心探头之间的纵向间隔均相同;
(2)根据步骤(1)中确定的能够进行方位判断的探测深度Dj以及预设深度判断阈值M确定测试深度范围,并根据测试深度范围内各测试深度下,各偏心探头的接收线圈的感应电动势幅值,得到事故井套管相对于救援井所在方向。
2.如权利要求1所述的一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法,其特征在于:所述步骤(1)中,能够进行方位判断的探测深度Dj的获得方法,包括以下步骤:
(1.1)获取某一探测深度Di处组合式偏心探头模块中各偏心探头的感应电动势;
(1.2)对获取的各偏心探头的感应电动势进行深度校正;
(1.3)对深度校正后偏心探头阵列中各偏心探头的感应电动势进行求和作平均,作为探测深度Di对应的阵列感应电动势,并根据得到的阵列感应电动势反演两井的相对距离d;
(1.4)若步骤(1.3)中反演得到的两井相对距离d小于预设两井相对距离阈值P,则将此时的探测深度作为能够进行方位判断的探测深度Dj;若d大于P,则改变测试深度为Di+1,并重复步骤(1.1)~(1.3),直到反演的两井相对距离d小于P。
4.如权利要求1所述的一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法,其特征在于:所述步骤(2)中,事故井套管相对于救援井所在方向的判断方法,包括以下步骤:
(2.1)根据探测深度Dj以及预设深度判断阈值M,得到测试深度范围d1,d2,d3,…,dM;其中,d1,d2,d3,…,dM等间隔设置,且d1=Dj;
(2.2)对比测试深度d1处的各偏心探头接收线圈的感应电动势幅值,并将幅值最大的偏心探头所在方向定义为事故井套管所在方向;
(2.3)依次改变测试深度为d2,d3,…,dM,并重复步骤(2.2),得到各测试深度下对应的事故井套管所在方向;
(2.4)根据各测试深度下对应的事故井套管所在方向以及预设深度判断阈值M,判断得到事故井套管相对救援井的最终方向。
5.如权利要求4所述的一种基于组合式偏心探头的瞬变电磁救援井探测方法,其特征在于:所述步骤(2.4)中,根据各测试深度下对应的事故井套管所在方向以及预设深度判断阈值M,判断得到事故井套管相对救援井的最终方向时,判断方法为:
当M个测试深度的两井方位信息判断结果一致时,则将该方向作为事故井套管相对救援井的最终方向;
若M个测试深度的两井方位信息判断结果不一致,则增大测试深度为Dj+1,并返回步骤(2.1)~步骤(2.4),直到M个测试深度的两井方位信息判断结果均一致,得到事故井套管相对救援井的所在方位。
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