CN111734397B - 一种近钻头磁场成像定位测量仪及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近钻头磁场成像定位测量仪及工作方法，属于石油钻探测量技术领域，所述定位测量仪包括钻头、近钻头磁场成像定位短节、动力钻具、无线短传发射组件、无线短传接收组件、地面接收装置和处理计算机，本发明采用无磁钻头、无磁近钻头磁场成像定位短节在钻头附近形成稳定的磁异常探测环境，磁场探测传感器在旋转的时候可以对钻头附近三维空间做立体探测，对异常磁场出现的位置可以进行准确测量，并给出距离信息；地面计算机根据测量信息在屏幕上直观的实时显示钻头前方的异常磁场，进一步可以识别附近套管与钻头的交互位置，做出碰撞预警和绕桩建议。

Description

一种近钻头磁场成像定位测量仪及工作方法

技术领域

本发明涉及石油钻探测量技术领域，尤其涉及一种近钻头磁场成像定位测量仪及工作方法。

背景技术

在密集从式井组防碰以及老井区水平井钻井工程中，需要识别钻头附近可能出现的邻井井眼，防止井眼的碰撞造成重大经济损失和重大风险。该类工程近钻头处由于邻井套管的存在，常规利用大地磁场进行随钻方位测量仪器容易遇到异常磁场产生较大误差，距离近和测量不准确都可能造成井眼碰撞。

目前主要是采用拉开从式井组井口间的距离，设计远离邻井套管的水平井、定向井的技术方案；在钻井的过程中使用软件做防碰预测，预测套管可能的方位和距离钻头的距离；以及陀螺复测解决异常磁场下的轨迹测量精度等技术手段。

但是上述手段都是基于邻井数据分析预测得到趋势结论，这些计算带有极大不确定性，缺乏能够在井下实时测量技术手段，无法得到临近井眼距离和方向的实时数据，不能真实的反映邻井套管在钻头前方或附近的准确位置和距离，原有的防碰技术方案造成较高防碰的经济投入和较大的井眼碰撞风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够在井下实时测量邻井套管的位置和距离，测量准确度高的近钻头磁场成像定位测量仪及工作方法，其在钻头和动力钻具之间安装一个近钻头磁场成像定位短节，可以将这个近钻头磁场成像定位短节周围和钻头附近的磁场环境进行立体三维磁场成像测量，通过测量异常磁场距离钻头的方位和距离，得到需要绕过的套管的具体信息，然后再利用陀螺测斜仪得到轨迹真实的井斜和方位，引导钻头绕过障碍物。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种近钻头磁场成像定位测量仪，包括钻头、近钻头磁场成像定位短节、动力钻具、无线短传发射组件、无线短传接收组件、地面接收装置和处理计算机，其中：

所述钻头、近钻头磁场成像定位短节、动力钻具和无线短传接收组件依次通过螺纹连接，所述近钻头磁场成像定位短节邻近动力钻具的一端安装有所述无线短传发射组件，用于与所述无线短传接收组件通信；

所述近钻头磁场成像定位短节内设有磁场探测传感器、陀螺测斜仪、处理电路和用于供电的井下电池，所述磁场探测传感器、陀螺测斜仪和无线短传发射组件均连接至所述处理电路，并设在井下；

所述钻头和近钻头磁场成像定位短节都采用无磁材料加工；

所述处理电路用于将磁场探测传感器、陀螺测斜仪采集的井下参数按时间轴进行融合，所述井下参数包括近钻头处的井斜、方位，测量范围内磁场分布强度与位置、异常磁场强度、异常磁场位置、异常磁场与钻头的距离；

所述无线短传接收组件内设有信号发生器，所述无线短传接收组件通过所述信号发生器上传融合后的井下参数到地面；

所述处理计算机连接所述地面接收装置，用于接收并解析井下参数，在处理计算机的屏幕上显示近钻头附近的三维磁场分布图像并标注异常磁场的信息。

根据本发明优选的，所述近钻头磁场成像定位短节周向均匀设计加工有四个凹槽，用于容纳所述磁场探测传感器、陀螺测斜仪、处理电路和井下电池；

所述磁场探测传感器有四个，两两一组，其中一组与近钻头磁场成像定位短节的轴心成90°角设置在一对相对的凹槽中，用于测量近钻头磁场成像定位短节环绕范围内的磁场变化；另一组与近钻头磁场成像定位短节成45°夹角向钻头的方向安装在另一对相对的凹槽中，用于测量钻头前方的磁场变化。

根据本发明优选的，所述陀螺测斜仪安装在凹槽内部，用于测量：近钻头处的井斜、方位以及磁场探测传感器旋转测量时的工具面；

所述近钻头磁场成像定位短节在钻探的过程中被后方动力钻具驱动进行旋转，前端的四个磁场探测传感器随同进行旋转测量，对钻头前方和钻头、近钻头磁场成像定位短节周围270°范围内附近的三维空间进行异常磁场探测。

根据本发明优选的，所述陀螺测斜仪采用MEMS陀螺或者光纤陀螺并安装加速度计进行轨迹测量，在钻井的过程中提供准确的近钻头处井斜、方位参数。

根据本发明优选的，所述显示近钻头附近的三维磁场分布图像包括可视化的：近钻头处井斜、方位、异常磁场的强度、异常磁场位置、钻头距离异常磁场的距离。

根据本发明优选的，所述标注异常磁场的信息包括：

标注在异常磁场的异常磁场位置、钻头距离异常磁场的距离。

根据本发明优选的，所述钻头距离异常磁场的距离为钻头与套管的距离，计算方法如下：

L=K₀（K₁*B_21a+K2*B_21b+K3*B_21c+K4*B_21d）

其中K₀、K₁、K₂、K₃、K₄分别为在实验室使用标准测量测试源于钻头附近放置不同位置后得到的标定参数；在钻井开始正常工作时，动力钻具带动磁场探测传感器进行旋转，实时采集四个磁场探测传感器测量得到的磁场强度B_21a、B_21b、B_21c、B_21d。

根据本发明优选的，所述测量仪还包括：处理计算机发出碰撞预警和防碰建议，包括：

利用根据陀螺测斜仪测量得到的井斜、方位、工具面得到磁场探测传感器测量敏感的四个方向矢量V_21a、V_21b、V_21c、V_21d和钻头与异常磁场的距离得到异常磁场分布图，识别异常磁场分布图中的带状区域为套管；

将所述套管的尺寸、位置与实时钻井轨迹曲线进行交叉对比，最终通过人为或者计算机得到碰撞预警和防碰建议。

另一方面，提供一种利用上述的近钻头磁场成像定位测量仪进行近钻头磁场成像定位测量的方法，包括如下步骤：

泥浆开泵，动力钻具开始旋转；

4个磁场探测传感器开始加电，进行磁场测量；

陀螺测斜仪开始工作，测量井斜、方位、磁场探测传感器工作工具面；

4个磁场探测传感器进行校正以消除环境噪声干扰及传感器本身差异并测量钻头周围和前方的异常磁场；

处理电路计算异常磁场出现的位置和距离；

处理后的数据经短传绕过动力钻具，上传到地面；

地面处理计算机接收到数据后，进行进一步处理，得到近钻头附近的三维磁场分布图像，并根据陀螺测斜仪数据形成钻井轨迹；

分析显示探测范围内套管的位置和距离；

对可能碰撞范围内的套管进行分析并发出碰撞预警；

人为或者处理计算机给出绕桩建议。

本发明具有以下有益效果：

本发明的近钻头磁场成像定位测量仪和工作方法，采用无磁钻头、无磁近钻头磁场成像定位短节在钻头附近形成稳定的磁异常探测环境，安装的磁场探测传感器在旋转的时候可以对钻头附近三维空间做立体探测，对异常磁场出现的位置可以进行准确测量，并给出距离信息；测量得到的异常磁场信息可以通过短传装置，中继到信号发生器上传到地面；地面计算机根据上述测量信息在屏幕上直观的实时显示钻头前方的异常磁场，进一步可以识别附近套管与钻头的交互位置，做出碰撞预警和绕桩建议。

附图说明

图1为本发明的近钻头磁场成像定位测量仪的结构示意图；

图2为图1中近钻头磁场成像定位短节的剖面结构示意图；

图3为本发明的近钻头磁探测传感器与套管接触关系示意图；

图4为本发明的近钻头磁探测三维异常磁场显示示意图；

图5为本发明的近钻头磁场成像定位测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种近钻头磁场成像定位测量仪，如图1-2所示，包括钻头1、近钻头磁场成像定位短节2、动力钻具3、无线短传发射组件4、无线短传接收组件5、地面接收装置6和处理计算机7，其中：

钻头1、近钻头磁场成像定位短节2、动力钻具3和无线短传接收组件5依次通过螺纹连接，近钻头磁场成像定位短节2邻近动力钻具3的一端安装有所述无线短传发射组件4，用于与无线短传接收组件5通信；

近钻头磁场成像定位短节2内设有磁场探测传感器21、陀螺测斜仪22、处理电路23和用于供电的井下电池（未示出），磁场探测传感器21、陀螺测斜仪22和无线短传发射组件4均连接至处理电路23，并设在井下；

钻头1和近钻头磁场成像定位短节2都采用无磁材料加工，防止近钻头磁场成像定位短节2内的磁场探测传感器21敏感范围内出现磁干扰；近钻头磁场成像定位短节2具体可使用无磁不锈钢加工；

处理电路23用于将磁场探测传感器21、陀螺测斜仪22采集的井下参数按时间轴进行融合，所述井下参数包括近钻头处的井斜、方位，测量范围内磁场分布强度与位置、异常磁场强度、异常磁场位置、异常磁场与钻头的距离；所述的融合是指，将所述井下参数按时间进行归类，以实现在某个时间节点时，上述采集到的井下参数均可按三维坐标进行排布，为后续三维展示做准备；

无线短传接收组件5内设有信号发生器51，无线短传接收组件5通过信号发生器51上传融合后的井下参数到地面；所述的信号发生器51一般有两种，一为泥浆信号发生器，二为电磁波信号发生器，两种之间优选泥浆信号发生器，融合后的井下参数通过编码后的泥浆脉冲信号上传至地面，然后地面接收装置6将泥浆脉冲信号还原出所述井下参数；

处理计算机7连接地面接收装置6，用于接收并解析井下参数，在处理计算机7的屏幕上显示近钻头附近的三维磁场分布图像并标注异常磁场的信息。

为方便器件布设，近钻头磁场成像定位短节2周向均匀设计加工有四个凹槽，用于容纳磁场探测传感器21、陀螺测斜仪22、处理电路23和井下电池等部件；如图2所示，优选的，磁场探测传感器21有四个，分别为21a、21b、21c、21d，具体位置可在凹槽距离钻头的前部，四个传感器分别与凹槽内的处理电路23和电池连接；磁场探测传感器21两两一组，其中一组21a、21b与近钻头磁场成像定位短节2的轴心成90°角设置在一对相对的凹槽中，用于测量近钻头磁场成像定位短节2环绕范围内的磁场变化；另一组21c、21d与近钻头磁场成像定位短节2成45°夹角向钻头1的方向安装在另一对相对的凹槽中，用于测量钻头1前方的磁场变化；

两两放置的磁场探测传感器21a、21b、21c、21d可以进行差分补偿放大处理，敏感出现的异常磁场变化；四个磁场探测传感器21a、21b、21c、21d可以综合四个探测的参数，做本质磁场干扰环境校正，排除背景磁场环境噪声干扰钻头周围异常磁场测量，提高测量准确性；

陀螺测斜仪22安装在凹槽内部，用于测量：近钻头处的井斜、方位以及磁场探测传感器21旋转测量时的工具面；

近钻头磁场成像定位短节2在钻探的过程中被后方动力钻具3驱动进行旋转，前端的四个磁场探测传感器21a、21b、21c、21d随同进行旋转扫描测量，对钻头1前方和钻头1、近钻头磁场成像定位短节2周围270°范围内附近的三维空间进行异常磁场探测。之后，磁场探测传感器21、陀螺测斜仪22的数据通过无线短传发射组件4绕过动力钻具3传输到无线短传接收组件5，然后通过信号发生器51传输到地面，处理计算机7通过地面接收装置6接收井下信息并显示近钻头附近的异常磁场图谱（如图3所示，图中圆弧线表示测量等距线，灰色圆点表示套管所处的位置），识别邻井套管距离钻头1的距离和位置。

进一步的，近钻头磁场成像定位短节2内中空留有泥浆通道；

近钻头磁场成像定位短节2上的四个凹槽底部可以设有联通孔，用于凹槽内传感器、处理电路23、电池之间的能量和通信的电缆连接；

近钻头磁场成像定位短节2上的四个凹槽外部可以设有耐压密封盖板，使得凹槽内的传感器、处理电路23、电池可以在高压的泥浆环境中正常工作；

陀螺测斜仪22可以采用MEMS陀螺或者光纤陀螺并安装加速度计进行轨迹测量，在钻井的过程中提供准确的近钻头处井斜、方位参数，当然还可以采用其他不依赖于地磁场的方位测量传感器来采集这些参数。

本发明中，所述显示近钻头附近的三维磁场分布图像优选包括可视化的：近钻头处井斜、方位、异常磁场的强度、异常磁场位置、钻头距离异常磁场的距离。在图4所示实施例中，上下灰色管状物表示套管位置，右侧弧线表示异常磁场形状，圆形空间内异常磁场之间的浅灰色图谱表示测量范围内的背景磁场。

所述标注异常磁场的信息优选包括：标注在异常磁场的异常磁场位置、钻头1距离异常磁场的距离。

进一步的，所述钻头距离异常磁场的距离为钻头1与套管的距离，计算方法如下：

L=K₀（K₁*B_21a+K₂*B_21b+K₃*B_21c+K₄*B_21d）

其中K₀、K₁、K₂、K₃、K₄分别为在实验室使用标准测量测试源于钻头1附近放置不同位置后得到的标定参数；在钻井开始正常工作时，动力钻具3带动磁场探测传感器21a、21b、21c、21d进行旋转，实时采集四个磁场探测传感器21a、21b、21c、21d测量得到的磁场强度B_21a、B_21b、B_21c、B_21d。

并且，所述测量仪还可以包括：处理计算机7发出碰撞预警和防碰建议，包括：

利用根据陀螺测斜仪22测量得到的井斜、方位、工具面得到磁场探测传感器21a、21b、21c、21d测量敏感的四个方向矢量V_21a、V_21b、V_21c、V_21d和钻头1与异常磁场的距离得到异常磁场分布图，识别异常磁场分布图中的带状区域为套管；

将所述套管的尺寸、位置与实时钻井轨迹曲线进行交叉对比，最终通过人为或者计算机得到碰撞预警和防碰建议。

具体的，例如得出距离多少米即将碰撞、或者距离多少米和前方套管擦肩而过的实时计算分析结果：

当分析结论是即将碰撞时，计算机实时显示即将碰撞的距离信息以及预测钻井轨迹和前方套管碰撞的空间交互位置的碰撞预警信息；计算机使用声音、预警弹出窗口或闪烁方式提示定向工程师查看预警信息；

进一步，计算机根据测量和碰撞空间结果计算出一个绕开前方套管的新的轨迹数据，给出相应防碰建议；

当分析结论是没有防碰风险时，计算机继续实时显示钻进轨迹和前方套管的空间交互关系，一直到钻头1安全的通过套管相近的空间，完成绕桩作业。

本发明中，处理电路23可在磁场探测传感器21测量的原始数据基础上计算出套管的距离属性；

处理电路23融合磁场探测传感器21和陀螺测斜仪22提供的工具面数据计算出异常磁场的位置信息；

处理电路23还可以判断近钻头磁场成像定位短节2的旋转，在动力钻具3不旋转的情况下，切断磁场探测传感器21、陀螺测斜仪22等耗电量大的部件的供电，仪器进入节电模式；在判断开始旋转后，给相关传感器加电进入正常测量。

综上所述，本发明提供的近钻头磁场成像定位测量仪，其钻头1和近钻头磁场成像定位短节2均采用无磁材料加工且使用螺纹相连接，然后通过螺纹和常规动力钻具相连接；本发明在钻头1前方形成一个小范围（约1米范围）的易于异常磁场探测的无磁（弱磁）环境，当钻头1附近出现不同于本体环境磁场变化时，可以被近钻头磁场成像定位短节2内的磁场探测传感器21实时捕捉到磁场变化。

4个磁场探测传感器21a、21b、21c、21d在仪器正常工作的时候，被后方动力钻具3驱动进行旋转扫描测量周围磁场。4个磁场探测传感器21a、21b、21c、21d两两一组，近钻头磁场成像定位短节2内的处理电路利用一组90°对向放置的磁场探测传感器21a、21b可以进行差分补偿放大处理，对环绕钻头1周围的环境进行探测，主要敏感平行方向的井眼套管，测量和计算套管的距离和位置。同样，处理电路23利用一组45°对向放置的磁场探测传感器21c、21d可以进行差分补偿放大处理，对环绕钻头1前方的环境进行探测，主要敏感与近钻头轨迹前方可能相交叉的井眼套管，测量和计算可能相交碰撞的套管距离和位置。

近钻头磁场成像定位短节2内的陀螺测斜仪22可以实时测量短节高速旋转时的工具面，给磁场探测传感器21测得的磁场数据提供位置属性。同时，陀螺测斜仪22也在磁场异常情况下实时测量得到准确的井斜和方位。

上述测量得到的磁场的扫描数据和井斜、轨迹可以通过短传组件绕过动力钻具3，然后使用信号发生器51将数据传输到地面计算机进行进一步处理，地面计算机进一步识别异常磁场，标识可能碰撞的套管，发出防碰预警信息；地面计算机接收到磁场数据后结合深度、井筒轨迹，可以显示三维异常磁场图像以及显示邻近套管走向，指导工程师进行绕桩作业。

另一方面，本发明提供一种利用上述近钻头磁场成像定位测量仪进行近钻头磁场成像定位测量的方法，如图5所示，可以包括：

步骤1：泥浆开泵，动力钻具3开始旋转；

步骤2：4个磁场探测传感器21a、21b、21c、21d开始加电，进行磁场测量；

步骤3：陀螺测斜仪22开始工作，测量井斜、方位、磁场探测传感器21a、21b、21c、21d工作工具面；

步骤4：4个磁场探测传感器21a、21b、21c、21d进行校正以消除环境噪声干扰及传感器本身差异并测量钻头1周围和前方的异常磁场；

步骤5：处理电路23计算异常磁场出现的位置和距离；

步骤6：处理后的数据经短传绕过动力钻具3，上传到地面；

步骤7：地面处理计算机7接收到数据后，进行进一步处理，得到近钻头附近的三维磁场分布图像，并根据陀螺测斜仪22数据形成钻井轨迹；

步骤8：分析显示探测范围内套管的位置和距离；

步骤9：对可能碰撞范围内的套管进行分析并发出碰撞预警；

步骤10：人为或者处理计算机7给出绕桩建议。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种近钻头磁场成像定位测量仪，其特征在于，包括钻头、近钻头磁场成像定位短节、动力钻具、无线短传发射组件、无线短传接收组件、地面接收装置和处理计算机，其中：

所述钻头、近钻头磁场成像定位短节、动力钻具和无线短传接收组件依次通过螺纹连接，所述近钻头磁场成像定位短节邻近动力钻具的一端安装有所述无线短传发射组件，用于与另一端无线短传接收组件通信；

所述近钻头磁场成像定位短节内设有磁场探测传感器、陀螺测斜仪、处理电路和用于供电的井下电池，所述磁场探测传感器、陀螺测斜仪和无线短传发射组件均连接至所述处理电路，并设在井下；

所述钻头和近钻头磁场成像定位短节都采用无磁材料加工；

所述处理电路用于将磁场探测传感器、陀螺测斜仪采集的井下参数按时间轴进行融合，所述井下参数包括近钻头处的井斜、方位，测量范围内磁场分布强度与位置、异常磁场强度、异常磁场位置、钻头距离异常磁场的距离；

所述无线短传接收组件内设有信号发生器，所述无线短传接收组件通过所述信号发生器上传融合后的井下参数到地面；

所述处理计算机连接所述地面接收装置，用于接收并解析井下参数，在处理计算机的屏幕上显示近钻头附近的三维磁场分布图像并标注异常磁场的信息；

所述近钻头磁场成像定位短节周向均匀设计加工有四个凹槽，用于容纳所述磁场探测传感器、陀螺测斜仪、处理电路和井下电池；

所述磁场探测传感器有四个，两两一组，其中一组与近钻头磁场成像定位短节的轴心成90°角设置在一对相对的凹槽中，用于测量近钻头磁场成像定位短节环绕范围内的磁场变化；另一组与近钻头磁场成像定位短节成45°夹角向钻头的方向安装在另一对相对的凹槽中，用于测量钻头前方的磁场变化；

所述陀螺测斜仪安装在凹槽内部，用于测量：近钻头处的井斜、方位以及磁场探测传感器旋转测量时的工具面；

所述近钻头磁场成像定位短节在钻探的过程中被后方动力钻具驱动进行旋转，前端的四个磁场探测传感器随同进行旋转测量，对钻头前方和钻头、近钻头磁场成像定位短节周围270°范围内附近的三维空间进行异常磁场探测；

所述钻头距离异常磁场的距离为钻头与套管的距离，计算方法如下：

L=K₀（K₁*B_21a+K₂*B_21b+K₃*B_21c+K₄*B_21d）

其中K₀、K₁、K₂、K₃、K₄分别为在实验室使用标准测量测试源于钻头附近放置不同位置后得到的标定参数；在钻井开始正常工作时，动力钻具带动磁场探测传感器进行旋转，实时采集四个磁场探测传感器测量得到的磁场强度B_21a、B_21b、B_21c、B_21d。

2.根据权利要求1所述的近钻头磁场成像定位测量仪，其特征在于，所述陀螺测斜仪采用MEMS陀螺或者光纤陀螺并安装加速度计进行轨迹测量，在钻井的过程中提供准确的近钻头处井斜、方位参数。

3.根据权利要求1所述的近钻头磁场成像定位测量仪，其特征在于，所述显示近钻头附近的三维磁场分布图像包括可视化的：近钻头处井斜、方位、异常磁场的强度、异常磁场位置、钻头距离异常磁场的距离。

4.根据权利要求1所述的近钻头磁场成像定位测量仪，其特征在于，所述标注异常磁场的信息包括：

标注在异常磁场的异常磁场位置、钻头距离异常磁场的距离。

5.根据权利要求1所述的近钻头磁场成像定位测量仪，其特征在于，所述测量仪还包括：处理计算机发出碰撞预警和防碰建议，包括：

利用根据陀螺测斜仪测量得到的井斜、方位、工具面得到磁场探测传感器测量敏感的四个方向矢量V_21a、V_21b、V_21c、V_21d和钻头与异常磁场的距离得到异常磁场分布图，识别异常磁场分布图中的带状区域为套管；

将所述套管的尺寸、位置与实时钻井轨迹曲线进行交叉对比，最终通过人为或者计算机得到碰撞预警和防碰建议。

6.利用权利要求1-5中任一所述的近钻头磁场成像定位测量仪进行近钻头磁场成像定位测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

泥浆开泵，动力钻具开始旋转；

4个磁场探测传感器开始加电，进行磁场测量；

陀螺测斜仪开始工作，测量井斜、方位、磁场探测传感器工作工具面；

4个磁场探测传感器进行校正以消除环境噪声干扰及传感器本身差异并测量钻头周围和前方的异常磁场；

处理电路计算异常磁场出现的位置和距离；

处理后的数据经短传绕过动力钻具，上传到地面；

地面处理计算机接收到数据后，进行进一步处理，得到近钻头附近的三维磁场分布图像，并根据陀螺测斜仪数据形成钻井轨迹；

分析显示探测范围内套管的位置和距离；

对可能碰撞范围内的套管进行分析并发出碰撞预警；

人为或者处理计算机给出绕桩建议。

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