CN112253084A - 一种井下双探头磁测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下双探头磁测量装置，其技术方案是：在无磁外筒内依次安装供电连接短节、数据处理舱、信号采集舱、测量传感器舱和定位引导装置，所述供电连接短节主要由电缆接头和稳压电源模块组成，电缆接头与下入电缆连接为井下供电，同时将编码信号叠加在单芯供电电缆上传输；定位引导装置主要由锥形金属头和水利塞组成，锥形金属头与仪器外壳连接，通过泵送水力作用辅助引导定位。有益效果是：本发明可实现“点对点”和“点对线”的磁源信标与测量装置间相对距离方位的测量计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位；随着现在对复杂结构井开采需求的增加，提高了复杂结构井中钻井导向定位的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油钻井用随钻仪器技术，特别涉及一种井下双探头磁测量装置及方法。
背景技术
易开发油气藏的衰竭使得复杂结构井技术成为油气藏实现高效利用的关键，其核心在于井眼轨迹的控制与引导。现有几何导向技术已能实现利用加速度计、磁力计、陀螺仪等传感器测量井斜角、方位角等轨迹参数，在钻井过程中对井眼轨迹的控制依据当前钻进方向的测量，其中对地磁场的相关信息进行测量是重要的测量方式，但是地磁场信号对抗外界干扰能力差，测量结果的精度也不能保证。
为了解决现有几何导向定位技术应用于复杂结构井钻井时存在的导向精度低的问题，利用分析电磁场分布的导向钻井技术得以发展应用，比较常见的是运用到连通井和成对平行水平井等复杂结构井钻井中，其原理都是将磁场信号发生源与信号测量位置耦合为一个闭环系统，通过对磁场信号的采集与处理，分析磁场信号的空间分布规律，建立数学模型进行求解运算，得出磁场信号源与测量位置的空间矢量距离，从而引导井眼轨迹按设计要求钻进，其中旋转磁场测距系统（RMRS）应用最为广泛，随着现在对复杂结构井开采需求的增加，提高复杂结构井钻井导向定位成功率以及趋势预测显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种井下双探头磁测量装置及方法，能够为井下磁性参数测量提供基线固定的两个测量点，可实现“点对点”和“点对线”的磁源信标与测量装置间相对距离方位的测量计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位。
其技术方案是：包括测量传感器舱（1）、信号采集舱（2）、数据处理舱（3）、供电连接短节（4）、定位引导装置（5）和无磁外筒（6），在无磁外筒（6）内依次安装供电连接短节（4）、数据处理舱（3）、信号采集舱（2）、测量传感器舱（1）和定位引导装置（5），所述供电连接短节（4）主要由电缆接头（7）和稳压电源模块（8）组成，电缆接头（7）与下入电缆连接为井下供电，同时将编码信号叠加在单芯供电电缆上传输；定位引导装置（5）主要由锥形金属头（9）和水利塞（10）组成，锥形金属头（9）与仪器外壳连接，并通过重力和水力作用引导仪器定位，水力塞（10）安装在锥形金属头基座上，通过泵送水力作用辅助引导定位。
优选的，上述测量传感器舱（1）主要由三轴重力加速度计（11）、温度传感器（12）、第一三轴磁场测量探头 （13）和第二三轴磁场测量探头（14）组成，三轴重力加速度计（11）安装在基线中点位置，三轴重力加速度计（11）测量三轴重力场数据，温度传感（12）提供温度数据。
优选的，上述信号采集舱（2）主要由交直流隔离模块（15）和信号采样保持模块（16）组成，从测量传感器舱（1）获得的信号输送至信号采集舱（2），采样频率为80Hz，三轴磁场信号通过交直流隔离模块（15）进行交流信号和直流信号分离，分离后的直流信号通过直流滤波模块进行低通滤波，截止频率为1Hz，分离后的交流信号通过低通滤波，截止频率为10Hz。
优选的，上述数据处理舱（3）主要由数据处理模块（17）和通信模块（18）组成，数据处理模块（17）依据采集信号得到测点处的方位角、倾斜角和温度，通讯模块（18）采用基于单芯电力载波通讯方式，编码信号经过SN55451B电平驱动，然后通过变压器耦合到单芯电缆中进行信号上传，地面采用传感器的输出信号作为深度和速度的信号源。
优选的，上述数据处理模块（17）采用TMS320F2809作为主控芯片。
优选的，上述电缆接头（7）与下入电缆连接为井下供电，同时将编码信号叠加在单芯供电电缆上传输；稳压电源模块（8）通过整流为井下仪器提供5V、12V和15V的直流稳压供电。
优选的，上述供电连接短节（4）采用铝合金和奥氏不锈钢无磁材料加工。
本发明提到的一种井下双探头磁测量装置的使用方法，其技术方案是包括以下过程：
在连通井施工中，下入直井距离连通点上方3米，第一三轴磁场测量探头（13）与第二三轴磁场测量探头 （14）沿轴线间距0.8m作为测量单元基线，第一三轴磁场测量探头（13）与第二三轴磁场测量探头（14）分别测量所在测点的磁场数据，两个探头沿轴线的磁场分量差值与基线距离比值可得到轴线磁场梯度值，可通过磁场梯度值变化有效判断交变磁场影响确定磁导向定位起始点；
通过测量传感器舱（1）、信号采集舱（2）和数据处理舱（3）得到测点处的方位角、倾斜角和温度，地面采用传感器的输出信号作为深度和速度的信号源，对于地面接收的交流信号采用EMD方法进行消噪，步骤1利用EMD对交流信号进行分解，分解出８个频率从高到低的IMF分量和和１个残余分量；步骤2选取5Hz作为高频和低频的分界点，剔除IMF分量中的高频成分；步骤3：再次运用EMD方法将剩余IMF分量重构信号，得到去噪后的信号，依据测点处的方位角、倾斜角和温度，通过提取旋转交变磁场信号的幅值和频域特征进行相对距离和方位计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位。
本发明提到的一种井下双探头磁测量装置的使用方法，包括以下过程：
平行水平井施工中，仪器进行分段引导，首先在A段引导点进行测量导向定位，再通过泵送水力作用将测量装置运送到B段引导点进行测量导向定位，以此类推实现平行井分段导向定位；
测量定位过程中两个探头沿轴线的磁场分量差值与基线距离比值可得到轴线磁场梯度值，可通过磁场梯度值变化有效判断交变磁场影响确定磁导向定位起始点；通过测量传感器舱（1）、信号采集舱（2）和数据处理舱（3）得到测点处的方位角、倾斜角和温度，地面采用马丁代克传感器的输出信号作为深度和速度的信号源，对于地面接收的交流信号采用EMD方法进行消噪，得到去噪后的信号，依据测点处的方位角、倾斜角和温度，通过提取旋转交变磁场信号的幅值和频域特征进行相对距离和方位计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位。
本发明的有益效果是：本发明能够为井下磁性参数测量提供基线固定的两个测量点，磁场数据采集后通过对磁场数据的滤除直流分量和消噪滤波提取有效磁源信标磁场数据，通过对磁场数据的低通滤波消噪提取地磁数据，利用两测点的轴向磁场梯度变化有效判断磁导向定位起始点，同时测量中的三轴重力加速度计和相应电路模块提供测量装置的井下姿态数据，通过提取的磁场数据的反演计算得到两个测点与磁源信标的相对距离和方位数据，两测点采用固定基线间距，从而可实现“点对点”和“点对线”的磁源信标与测量装置间相对距离方位的测量计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位；随着现在对复杂结构井开采需求的增加，提高了复杂结构井中钻井导向定位的成功率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的传感器的功能示意图；
图3是本发明的电路示意图；
图4是本发明的连通井示意图；
图5是本发明的平行井示意图；
上图中：测量传感器舱1、信号采集舱2、数据处理舱3、供电连接短节4、定位引导装置5、无磁外筒6、电缆接头7、稳压电源模块8、锥形金属头9、水利塞10、三轴重力加速度计11、温度传感器12、第一三轴磁场测量探头13、第二三轴磁场测量探头14、交直流隔离模块15、信号采样保持模块16、数据处理模块17、通信模块18；A段引导点、B段引导点、井下双探头磁测量装置C、旋转交变磁源D。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照图1-4，本发明提到的一种井下双探头磁测量装置，包括测量传感器舱1、信号采集舱2、数据处理舱3、供电连接短节4、定位引导装置5和无磁外筒6，在无磁外筒6内依次安装供电连接短节4、数据处理舱3、信号采集舱2、测量传感器舱1和定位引导装置5，所述供电连接短节4主要由电缆接头7和稳压电源模块8组成，电缆接头7与下入电缆连接为井下供电，同时将编码信号叠加在单芯供电电缆上传输；定位引导装置5主要由锥形金属头9和水利塞10组成，锥形金属头9与仪器外壳连接，并通过重力和水力作用引导仪器定位，水力塞10安装在锥形金属头基座上，通过泵送水力作用辅助引导定位。
如图2和图3所示，测量传感器舱1主要由三轴重力加速度计11、温度传感器12、第一三轴磁场测量探头 13和第二三轴磁场测量探头14组成，三轴重力加速度计11安装在基线中点位置，三轴重力加速度计11测量三轴重力场数据，温度传感12提供温度数据。
如图2和图3所示，信号采集舱2主要由交直流隔离模块15和信号采样保持模块16组成，从测量传感器舱1获得的信号输送至信号采集舱2，采样频率为80Hz，三轴磁场信号通过交直流隔离模块15进行交流信号和直流信号分离，分离后的直流信号通过直流滤波模块进行低通滤波，截止频率为1Hz，分离后的交流信号通过低通滤波，截止频率为10Hz。
如图2和图3所示，上述数据处理舱3主要由数据处理模块17和通信模块18组成，数据处理模块17依据采集信号得到测点处的方位角、倾斜角和温度，通讯模块18采用基于单芯电力载波通讯方式，编码信号经过SN55451B电平驱动，然后通过变压器耦合到单芯电缆中进行信号上传，地面采用传感器的输出信号作为深度和速度的信号源。
另外，上述数据处理模块17采用TMS320F2809作为主控芯片，上述电缆接头7与下入电缆连接为井下供电，同时将编码信号叠加在单芯供电电缆上传输；稳压电源模块8通过整流为井下仪器提供5V、12V和15V的直流稳压供电；上述供电连接短节4采用铝合金和奥氏不锈钢无磁材料加工。
如图2、图3和图4所示，本发明提到的一种井下双探头磁测量装置的使用方法，其技术方案是包括以下过程：
在连通井施工中，下入直井距离连通点上方3米，第一三轴磁场测量探头13与第二三轴磁场测量探头 14沿轴线间距0.8m作为测量单元基线，第一三轴磁场测量探头13与第二三轴磁场测量探头14分别测量所在测点的磁场数据，两个探头沿轴线的磁场分量差值与基线距离比值可得到轴线磁场梯度值，可通过磁场梯度值变化有效判断交变磁场影响确定磁导向定位起始点；
通过测量传感器舱1、信号采集舱2和数据处理舱3得到测点处的方位角、倾斜角和温度，地面采用传感器的输出信号作为深度和速度的信号源，对于地面接收的交流信号采用EMD方法进行消噪，步骤1利用EMD对交流信号进行分解，分解出８个频率从高到低的IMF分量和和１个残余分量；步骤2选取5Hz作为高频和低频的分界点，剔除IMF分量中的高频成分；步骤3：再次运用EMD方法将剩余IMF分量重构信号，得到去噪后的信号，依据测点处的方位角、倾斜角和温度，通过提取旋转交变磁场信号的幅值和频域特征进行相对距离和方位计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位。
实施例2，参照图5，本发明提到的一种井下双探头磁测量装置的使用方法，包括以下过程：
平行水平井施工中，仪器进行分段引导，首先在A段引导点进行测量导向定位，再通过泵送水力作用将测量装置运送到B段引导点进行测量导向定位，以此类推实现平行井分段导向定位；
测量定位过程中两个探头沿轴线的磁场分量差值与基线距离比值可得到轴线磁场梯度值，可通过磁场梯度值变化有效判断交变磁场影响确定磁导向定位起始点；通过测量传感器舱1、信号采集舱2和数据处理舱3得到测点处的方位角、倾斜角和温度，地面采用马丁代克传感器的输出信号作为深度和速度的信号源，对于地面接收的交流信号采用EMD方法进行消噪，得到去噪后的信号，依据测点处的方位角、倾斜角和温度，通过提取旋转交变磁场信号的幅值和频域特征进行相对距离和方位计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案对本发明加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种井下双探头磁测量装置，其特征是：包括测量传感器舱（1）、信号采集舱（2）、数据处理舱（3）、供电连接短节（4）、定位引导装置（5）和无磁外筒（6），在无磁外筒（6）内依次安装供电连接短节（4）、数据处理舱（3）、信号采集舱（2）、测量传感器舱（1）和定位引导装置（5），所述供电连接短节（4）主要由电缆接头（7）和稳压电源模块（8）组成，电缆接头（7）与下入电缆连接为井下供电，同时将编码信号叠加在单芯供电电缆上传输；定位引导装置（5）主要由锥形金属头（9）和水利塞（10）组成，锥形金属头（9）与仪器外壳连接，并通过重力和水力作用引导仪器定位，水力塞（10）安装在锥形金属头基座上，通过泵送水力作用辅助引导定位。
2.根据权利要求1所述的一种井下双探头磁测量装置，其特征是：所述测量传感器舱（1）主要由三轴重力加速度计（11）、温度传感器（12）、第一三轴磁场测量探头 （13）和第二三轴磁场测量探头（14）组成，三轴重力加速度计（11）安装在基线中点位置，三轴重力加速度计（11）测量三轴重力场数据，温度传感（12）提供温度数据。
3.根据权利要求1所述的一种井下双探头磁测量装置，其特征是：所述信号采集舱（2）主要由交直流隔离模块（15）和信号采样保持模块（16）组成，从测量传感器舱（1）获得的信号输送至信号采集舱（2），采样频率为80Hz，三轴磁场信号通过交直流隔离模块（15）进行交流信号和直流信号分离，分离后的直流信号通过直流滤波模块进行低通滤波，截止频率为1Hz，分离后的交流信号通过低通滤波，截止频率为10Hz。
4.根据权利要求1所述的一种井下双探头磁测量装置，其特征是：所述数据处理舱（3）主要由数据处理模块（17）和通信模块（18）组成，数据处理模块（17）依据采集信号得到测点处的方位角、倾斜角和温度，通讯模块（18）采用基于单芯电力载波通讯方式，编码信号经过SN55451B电平驱动，然后通过变压器耦合到单芯电缆中进行信号上传，地面采用传感器的输出信号作为深度和速度的信号源。
5.根据权利要求4所述的一种井下双探头磁测量装置，其特征是：所述数据处理模块（17）采用TMS320F2809作为主控芯片。
6.根据权利要求1所述的一种井下双探头磁测量装置，其特征是：所述电缆接头（7）与下入电缆连接为井下供电，同时将编码信号叠加在单芯供电电缆上传输；稳压电源模块（8）通过整流为井下仪器提供5V、12V和15V的直流稳压供电。
7.根据权利要求1所述的一种井下双探头磁测量装置，其特征是：所述供电连接短节（4）采用铝合金和奥氏不锈钢无磁材料加工。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种井下双探头磁测量装置的使用方法，其特征是包括以下过程：
在连通井施工中，下入直井距离连通点上方3米，第一三轴磁场测量探头（13）与第二三轴磁场测量探头 （14）沿轴线间距0.8m作为测量单元基线，第一三轴磁场测量探头（13）与第二三轴磁场测量探头（14）分别测量所在测点的磁场数据，两个探头沿轴线的磁场分量差值与基线距离比值可得到轴线磁场梯度值，可通过磁场梯度值变化有效判断交变磁场影响确定磁导向定位起始点；
通过测量传感器舱（1）、信号采集舱（2）和数据处理舱（3）得到测点处的方位角、倾斜角和温度，地面采用传感器的输出信号作为深度和速度的信号源，对于地面接收的交流信号采用EMD方法进行消噪，步骤1利用EMD对交流信号进行分解，分解出８个频率从高到低的IMF分量和和1个残余分量；步骤2选取5Hz作为高频和低频的分界点，剔除IMF分量中的高频成分；步骤3：再次运用EMD方法将剩余IMF分量重构信号，得到去噪后的信号，依据测点处的方位角、倾斜角和温度，通过提取旋转交变磁场信号的幅值和频域特征进行相对距离和方位计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的一种井下双探头磁测量装置的使用方法，其特征是包括以下过程：
平行水平井施工中，仪器进行分段引导，首先在A段引导点进行测量导向定位，再通过泵送水力作用将测量装置运送到B段引导点进行测量导向定位，以此类推实现平行井分段导向定位；
测量定位过程中两个探头沿轴线的磁场分量差值与基线距离比值可得到轴线磁场梯度值，可通过磁场梯度值变化有效判断交变磁场影响确定磁导向定位起始点；通过测量传感器舱（1）、信号采集舱（2）和数据处理舱（3）得到测点处的方位角、倾斜角和温度，地面采用马丁代克传感器的输出信号作为深度和速度的信号源，对于地面接收的交流信号采用EMD方法进行消噪，得到去噪后的信号，依据测点处的方位角、倾斜角和温度，通过提取旋转交变磁场信号的幅值和频域特征进行相对距离和方位计算，确保已钻井眼和在钻井眼的精确导向定位。
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