CN114033353B - 一种井眼轨迹电磁定位方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种井眼轨迹电磁定位方法和系统，涉及井下探测领域。该方法包括：通过在目标井的井口注入电流激发磁场，在正钻井中接收所述磁场的磁场信号，根据所述磁场信号结合预设方法计算所述正钻井相对于所述目标井的目标位置信息，根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果；其中，所述密集井网包括多个正钻井和多个目标井。通过本方案从目标井井口注入电流不影响目标井正常的生产过程，且探测距离远，井下探测装置用电缆传输信号，可以随钻具同步下入，实时探测正钻井与目标井的距离，解决大规模密集井网邻井相碰的问题。

Description

一种井眼轨迹电磁定位方法和系统
技术领域
本发明涉及井下探测领域，尤其涉及一种井眼轨迹电磁定位方法和系统。
背景技术
由于老油田二次开发和钻井平台实际限制，集约化建井模式以高效节能、降本增效、便于管理等诸多优势被广泛应用于海洋油气、页岩油气、油田挖潜钻井作业中。不同于常规的钻井施工，集约化建井需要在有限的空间内钻更多的井，导致井与井之间的距离越来越小，易发生井眼碰撞。井眼碰撞轻则套管变形、钻头磨损，重则钻穿套管，发生卡钻，带来极大的安全风险。
传统的防碰扫描依赖于随钻测量技术，其累积误差随井深累积而显著增加，无法解决大规模密集井网邻井相碰的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种井眼轨迹电磁定位方法和系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种井眼轨迹电磁定位方法，包括：
S1，通过在目标井的井口注入电流激发磁场；
S2，在正钻井中接收所述磁场的磁场信号；
S3，根据所述磁场信号结合预设方法计算所述正钻井相对于所述目标井的目标位置信息；
S4，根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果；其中，所述密集井网包括多个正钻井和多个目标井。
本发明的有益效果是：本方案通过在正钻井中接收在目标井由注入电流激发磁场的磁场信号，根据所述磁场信号结合预设方法计算目标位置信息，根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果。通过本方案从目标井井口注入电流不影响目标井正常的生产过程，且探测距离远，井下探测装置用电缆传输信号，可以随钻具同步下入，实时探测正钻井与目标井的距离，解决大规模密集井网邻井相碰的问题。
通过本方案的定位方法不需要在目标井中下放工具或仪器，对目标井不产生直接影响，在储气库老井重入封堵、丛式井邻井防碰等领域中具有广泛的推广价值。
进一步地，所述S3具体包括：
计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth；
根据所述探管测量出的当前位置磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth做差；
通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置，所述目标位置的信息为所述目标位置信息。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置；当电流在地层衰减规律不确定条件下的定位误差大的情况下，通过对定位结果进行二次修正，扩大井眼轨迹电磁定位方法的适用范围，提高了定位的有效性和准确性。
进一步地，所述根据所述磁场信号计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth具体包括：
根据以下公式计算理论磁场幅值Hth：
Figure BDA0003355165040000031
其中，Hth为探管位置的理论磁场幅值，μ为磁导率，I为所述目标井井口注入激励电流，π为圆周率，R为探管位置处与所述目标井的距离。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案通过计算出理论磁场幅值作为位置调整条件，当电流在地层衰减规律不确定条件下的定位误差大的难题，提高电磁定位精度，以实现邻井防碰最终目的。
进一步地，所述调整所述探管的当前位置参数，直至调整位置后的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件具体包括：
通过三维牛顿法的迭代方法，调整探管的当前位置参数，获得磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth；
迭代调整后的所述磁场幅值Hpro与所述理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案通过基于三维牛顿迭代法确定正钻井和目标井的相对位置，不断调整探管位置参数使其逐渐符合测量精度极限，即可成功实现探管真实坐标的定位，并确定探管位置处正钻井与目标井的水平位置，由于其不需要估计目标井管柱上聚集电流的大小，有效地提高了井眼轨迹电磁定位的测量精度。
进一步地，还包括：根据所述探管中磁感应传感器的测量精度的误差极限获得所述预设误差条件。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案通过磁感应传感器的测量精度确定误差条件，有效消除电流在地层衰减规律不确定带来的定位误差，提高了井眼轨迹电磁定位的精度。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种井眼轨迹电磁定位系统，包括：电流注入模块、磁场接收模块、位置计算模块和轨迹定位模块；
所述电流注入模块用于通过在目标井的井口注入电流激发磁场；
所述磁场接收模块用于在正钻井中接收所述磁场的磁场信号；
所述位置计算模块用于根据所述磁场信号结合预设方法计算所述正钻井相对于所述目标井的目标位置信息；
所述轨迹定位模块用于根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果；其中，所述密集井网包括多个正钻井和多个目标井。
本发明的有益效果是：本方案通过在正钻井中接收在目标井由注入电流激发磁场的磁场信号，根据所述磁场信号结合预设方法计算目标位置信息，根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果。通过本方案从目标井井口注入电流不影响目标井正常的生产过程，且探测距离远，是用于邻井防碰最稳定可靠的定位方法；井下探测装置用电缆传输信号，可以随钻具同步下入，实时探测正钻井与目标井的距离，解决大规模密集井网邻井相碰的问题。
通过本方案的定位方法不需要在目标井中下放工具或仪器，对目标井不产生直接影响，在储气库老井重入封堵、丛式井邻井防碰等领域中具有广泛的推广价值。
进一步地，所述位置计算模块具体用于计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth；
根据所述探管测量出的当前位置磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth做差；
通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置，所述目标位置的信息为所述目标位置信息。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置；当电流在地层衰减规律不确定条件下的定位误差大的情况下，通过对定位结果进行二次修正，扩大井眼轨迹电磁定位方法的适用范围，提高了定位的有效性和准确性。
进一步地，所述位置计算模块具体用于根据以下公式计算理论磁场幅值Hth：
Figure BDA0003355165040000051
其中，Hth为探管位置的理论磁场幅值，μ为磁导率，I为所述目标井井口注入激励电流，π为圆周率，R为探管位置处与所述目标井的距离。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案通过计算出理论磁场幅值作为位置调整条件，当电流在地层衰减规律不确定条件下的定位误差大的难题，提高电磁定位精度，以实现邻井防碰。
进一步地，所述位置计算模块具体用于通过三维牛顿法的迭代方法，调整探管的当前位置参数，获得磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth；
迭代调整后的所述磁场幅值Hpro与所述理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案通过基于三维牛顿迭代法确定正钻井和目标井的相对位置，不断调整探管位置参数使其逐渐符合测量精度极限，即可成功实现探管真实坐标的定位，并确定探管位置处正钻井与目标井的水平位置，由于其不需要估计目标井管柱上聚集电流的大小，有效地提高了井眼轨迹电磁定位的测量精度。
进一步地，还包括：误差条件获取模块，用于根据所述探管中磁感应传感器的测量精度的误差极限获得所述预设误差条件。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案通过磁感应传感器的测量精度确定误差条件，有效消除电流在地层衰减规律不确定带来的定位误差，提高了井眼轨迹电磁定位的精度。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的流程示意图；
图2为本发明的实施例提供的结构框架图；
图3为本发明的其他实施例提供的井眼轨迹电磁定位系统结构示意图；
图4为本发明的其他实施例提供的井眼轨迹电磁定位探管及计算模型示意图；
图5为本发明的其他实施例提供的井眼轨迹电磁定位流程示意图；
图6为本发明的其他实施例提供的正钻井与目标井相对位置迭代计算流程的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种井眼轨迹电磁定位方法，包括：
S1，通过在目标井的井口注入电流激发磁场；
需要说明的是，在某一实施例中，可以通过目标井井口激励装置注入电流，形成激励电流回路，激发磁场。
在某一实施例中，所述激励电流源的一端与目标井的井口连接，另一端与回收极连接，用于给目标井管柱供电，产生交变磁场；所述回收极插入地面，用于形成激励电流回路。进一步地，所述回收极可以是专门的接地电极，也可以是第三口井的井口，与目标井的距离大于等于20m，并背离正钻井和目标井的连线。
S2，在正钻井中接收所述磁场的磁场信号；
需要说明的是，在某一实施例中，可以通过正钻井井下探测装置采集和处理目标井的磁场信号。
在某一实施例中，所述正钻井为正在实施钻井作业的井眼；所述目标井为已完成钻井作业的井眼。所述井下探测装置包括探管、承托环、电缆、旁通、地面工控机；所述井口激励装置包括激励电流源、回收极。
其中，所述探管包括三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、温度传感器、电路板。三轴磁通门传感器用于检测探管处的交变磁场和地磁场X轴、Y轴、Z轴三轴磁场信号，三轴加速度传感器用于检测探管处重力场X轴、Y轴、Z轴三轴加速度信号，且三轴加速度传感器的X轴、Y轴、Z轴与三轴磁通门传感器分别平行且同向。温度传感器用于检测探管处的温度，电路板用于传感器和数据通信。
所述承托环的一端与螺杆钻具顶部连接，另一端与钻杆连接，用于限制探管下入位置；所述电缆的一端与探管连接，另一端与地面工控连接，用于为所述探管提供电流和数据传输通道；所述旁通的两端分别与钻杆连接，电缆从旁通中部穿出，用于活动钻具或起下单根；所述地面工控机与探管通过电缆连接，用于采集与处理传感器数据。
S3，根据所述磁场信号结合预设方法计算所述正钻井相对于所述目标井的目标位置信息；
在某一实施例中，激励电流源向目标井管柱供电形成交变磁场，正钻井中通过电缆连接下入探管。其中，激励电流源用于向目标井管柱注入交变电流，由于地层属性与工具性能差异，交变电流逐渐衰减形成交变磁场。通过探管探测目标井管柱的交变磁场信号，来获取正钻井和目标井的距离。
预设方法可以包括：计算出正钻井探管当前位置处的理论磁场幅值Hth，且根据当前位置探管测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth做比较，不断调整探管位置参数使其逐渐符合测量精度极限，即可成功实现探管真实坐标的定位，并确定探管位置处正钻井与目标井的水平位置。
在某一实施例中，可以具体包括：探管的初始位置为Rpro＝(xpro,ypro,zpro)，所测量磁场幅值Hpro＝(Hxpro,Hypro,Hzpro)；按照毕奥-萨伐尔定律理论模型计算理论矢量Hth＝(Hxth,Hyth,Hzth)，具体计算公式如下：
Figure BDA0003355165040000081
其中，Hth为探管位置的理论磁场幅值，μ为磁导率，I为所述目标井井口注入激励电流，π为圆周率，R为探管位置处与目标井的最近距离。
为了找到测量场Hpro与计算场Hth匹配的位置，基于三维牛顿法的迭代方法，使用泰勒级数展开式来求坐标系上某点周围一个领域的磁场大小和方向。
正钻井与目标井水平方向上的距离与Z方向无关，并且通过钻杆长度可准确定位，因此只计算X、Y两个方向的探管坐标值。磁场Hth在某点(x,y)方向上的导数(邻域)可以用以下近似式子求，步长可以取0.01)：
第一向量：
Figure BDA0003355165040000082
第二向量：
Figure BDA0003355165040000083
定义dH/dxy＝[dH/dx dH/dy],2×2矩阵，
则点(x,y)的一个邻域(x+dx,y+dy)的磁场为：
Figure BDA0003355165040000091
从井口算起，设距离目标井的坐标为
Figure BDA0003355165040000092
则假设的探管坐标的一个邻域的磁场为：
Figure BDA0003355165040000093
则：
Figure BDA0003355165040000094
其中，第三向量：
Figure BDA0003355165040000095
第四向量：
Figure BDA0003355165040000096
Figure BDA0003355165040000097
其中，xy1是第一次迭代的结果，然后重新迭代产生第二预测值xy2，一直重复到Hth(xn,yn)-Hpro满足一个误差限为止，该误差限可以设定传感器的测量精度为误差极限，即找到了探管当前位置的真实坐标点(xn,yn)，计算此时与目标井的水平距离
Figure BDA0003355165040000098
成功实现探管真实坐标的定位，并确定探管位置处正钻井与目标井的水平位置。
通过本发明实施例，基于三维牛顿迭代法确定正钻井和目标井的相对位置，由于其不需要估计目标井管柱上聚集电流的大小，有效地提高了井眼轨迹电磁定位的测量精度。由于对目标井不产生直接影响，可以实时探测正钻井与目标井的距离，在储气库老井重入封堵、丛式井邻井防碰等领域中具有广泛的推广价值。
S4，根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果；其中，所述密集井网包括多个正钻井和多个目标井。
本方案通过在正钻井中接收在目标井由注入电流激发磁场的磁场信号，根据所述磁场信号结合预设方法计算目标位置信息，根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果。通过本方案从目标井井口注入电流不影响目标井正常的生产过程，且探测距离远，是用于邻井防碰最稳定可靠的定位方法；井下探测装置用电缆传输信号，可以随钻具同步下入，实时探测正钻井与目标井的距离，解决大规模密集井网邻井相碰的问题。
通过本方案的定位方法不需要在目标井中下放工具或仪器，对目标井不产生直接影响，在储气库老井重入封堵、丛式井邻井防碰等领域中具有广泛的推广价值。
优选地，在上述任意实施例中，所述S3具体包括：
计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth；
根据所述探管测量出的当前位置磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth做差；
通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置，所述目标位置的信息为所述目标位置信息。其中，预设误差条件可以根据所述探管中磁感应传感器的测量精度的误差极限来确定，磁感应传感器可以是高精度三轴磁通门传感器，具体精度可以是在0.05nT以上。
通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置；
当电流在地层衰减规律不确定条件下的定位误差大的情况下，通过对定位结果进行二次修正，扩大井眼轨迹电磁定位方法的适用范围，提高了定位的有效性和准确性。
优选地，在上述任意实施例中，所述根据所述磁场信号计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth具体包括：
根据以下公式计算理论磁场幅值Hth：
Figure BDA0003355165040000111
其中，Hth为探管位置的理论磁场幅值，μ为磁导率，I为所述目标井井口注入激励电流，π为圆周率，R为探管位置处与所述目标井的距离，该距离可以是最近距离。
本方案通过计算出理论磁场幅值作为位置调整条件，当电流在地层衰减规律不确定条件下的定位误差大的难题，提高电磁定位精度，以实现邻井防碰最终目的。
优选地，在上述任意实施例中，所述调整所述探管的当前位置参数，直至调整位置后的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件具体包括：
通过三维牛顿法的迭代方法，调整探管的当前位置参数，获得磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth；
迭代调整后的所述磁场幅值Hpro与所述理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件。
本方案通过基于三维牛顿迭代法确定正钻井和目标井的相对位置，不断调整探管位置参数使其逐渐符合测量精度极限，即可成功实现探管真实坐标的定位，并确定探管位置处正钻井与目标井的水平位置，由于其不需要估计目标井管柱上聚集电流的大小，有效地提高了井眼轨迹电磁定位的测量精度。
优选地，在上述任意实施例中，还包括：根据所述探管中磁感应传感器的测量精度的误差极限获得所述预设误差条件。
本方案通过磁感应传感器的测量精度确定误差条件，有效消除电流在地层衰减规律不确定带来的定位误差，提高了井眼轨迹电磁定位的精度。
在某一实施例中，如图2所示，一种井眼轨迹电磁定位系统，包括：电流注入模块1101、磁场接收模块1102、位置计算模块1103和轨迹定位模块1104；
所述电流注入模块1101用于通过在目标井的井口注入电流激发磁场；
所述磁场接收模块1102用于在正钻井中接收所述磁场的磁场信号；
所述位置计算模块1103用于根据所述磁场信号结合预设方法计算所述正钻井相对于所述目标井的目标位置信息；
所述轨迹定位模块1104用于根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果；其中，所述密集井网包括多个正钻井和多个目标井。
本方案通过在正钻井中接收在目标井由注入电流激发磁场的磁场信号，根据所述磁场信号结合预设方法计算目标位置信息，根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果。通过本方案从目标井井口注入电流不影响目标井正常的生产过程，且探测距离远，是用于邻井防碰最稳定可靠的定位方法；井下探测装置用电缆传输信号，可以随钻具同步下入，实时探测正钻井与目标井的距离，解决大规模密集井网邻井相碰的问题。
通过本方案的定位方法不需要在目标井中下放工具或仪器，对目标井不产生直接影响，在储气库老井重入封堵、丛式井邻井防碰等领域中具有广泛的推广价值。
优选地，在上述任意实施例中，所述位置计算模块1103具体用于计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth；
根据所述探管测量出的当前位置磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth做差；
通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置，所述目标位置的信息为所述目标位置信息。
通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置；
当电流在地层衰减规律不确定条件下的定位误差大的情况下，通过对定位结果进行二次修正，扩大井眼轨迹电磁定位方法的适用范围，提高了定位的有效性和准确性。
优选地，在上述任意实施例中，所述位置计算模块1103具体用于根据以下公式计算理论磁场幅值Hth：
Figure BDA0003355165040000131
其中，Hth为探管位置的理论磁场幅值，μ为磁导率，I为所述目标井井口注入激励电流，π为圆周率，R为探管位置处与所述目标井的距离。
本方案通过计算出理论磁场幅值作为位置调整条件，当电流在地层衰减规律不确定条件下的定位误差大的难题，提高电磁定位精度，以实现邻井防碰。
优选地，在上述任意实施例中，所述位置计算模块1103具体用于通过三维牛顿法的迭代方法，调整探管的当前位置参数，获得磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth；
迭代调整后的所述磁场幅值Hpro与所述理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件。
本方案通过基于三维牛顿迭代法确定正钻井和目标井的相对位置，不断调整探管位置参数使其逐渐符合测量精度极限，即可成功实现探管真实坐标的定位，并确定探管位置处正钻井与目标井的水平位置，由于其不需要估计目标井管柱上聚集电流的大小，有效地提高了井眼轨迹电磁定位的测量精度。
优选地，在上述任意实施例中，还包括：误差条件获取模块，用于根据所述探管中磁感应传感器的测量精度的误差极限获得所述预设误差条件。
本方案通过磁感应传感器的测量精度确定误差条件，有效消除电流在地层衰减规律不确定带来的定位误差，提高了井眼轨迹电磁定位的精度。
在某一实施例中，如图3所示，一种井眼轨迹电磁定位系统，包括：探管3、承托环4、电缆5、钻具6、旁通7、地面工控机8、计算设备9、激励电流源10和回收极11。
其中，正钻井中井下工具自下而上依次为：探管3下放到正钻井2钻具6的最底端承托环4上，通过电缆5穿过旁通7与地面工控机8连接，旁通连接在钻具6上接近转盘面，可以起下钻接单根。
地面工控机8的另一端接计算设备9，根据交变磁场信号运用本专利的井眼轨迹电磁定位方法确定正钻井和目标井的相对位置。特别的，计算设备9可以是任何一种具有程序计算功能的设备，包括但不限于：电脑、手机、平板电脑、微型机等智能设备。
在某一实施例中，一种井眼轨迹电磁定位方法，当正钻井2钻至目的井深时，将用电缆5连接的探管放入钻具2承托环4的上方。电缆5的另一端穿过旁通7与地面工控机8连接，地面工控机8与计算设备9相连，接入工频电源220V/50Hz，给探管提供动力和控制信号。激励电流源10一端连接回收极11，另一端连接目标井1的井口。需要工作时，激励电流源10向目标井1的井口注入激励电流，形成向下的激励电流12；其中，向下的激励电流12在目标井1周围产生交变磁场13，探管3探测到该交变磁场信号和自身的重力姿态，通过电缆5等系列通道传输到地面的计算设备9，例如电脑等，计算设备9根据探管3检测到的数据信号，确定正钻井和目标井的相对位置。
在某一实施例中，如图4所示，一种井眼轨迹电磁定位探管，包括：三轴磁通门传感器32、三轴加速度传感器31、温度传感器和电路板；
需要说明的是，上述三轴磁通门传感器32用于探测目标井管柱所产生的交变磁场和所在区域的地磁场信号，三轴加速度传感器31用于探测探管的重力分量，计算探管自身的井斜角、方位角，辅助进行定位。温度传感器用于监测探管3所处位置的温度，确保传感器在合适的温度环境运行。
需要说明的是，本发明实施例中的三轴磁通门传感器32均采用高精度的传感器，可以是精度在0.05nT以上。
本发明实施例中，探管3可以探测目标井1激励电流12产生的交变磁场13和地磁场信号，还可以确定当前探管3的自身姿态，并通过电缆5传输，向地面计算设备9实时的呈现上述信号数据，进而确定正钻井2与目标井1的相对位置。本发明实施例无需确定电流在目标井管柱衰减规律，避免了电流在地层衰减规律不确定带来的定位误差大的问题；同时，探管3用电缆5传输信号，可以随钻具6同步下入，实时探测正钻井与目标井的距离，解决了邻井防碰测量和轨迹控制的问题。
在某一实施例中，如图5所示，一种井眼轨迹电磁定位流程，包括：
步骤S11：激励电流源向目标井套管供电形成交变磁场；
步骤S12：正钻井中的探管采集目标井套管的交变磁场和自身重力姿态；
步骤S13：通过电缆传输到地面工控机，地面工控机连接计算机设备；
步骤S14：执行程序进行牛顿迭代计算正钻井与目标井的水平距离。
在某一实施例中，正钻井与目标井相对位置迭代计算流程包括：探管3通过三轴加速度传感器31测得探管的井斜角、方位角，通过三轴磁通门传感器32分别测得目标井1管柱上电流产生的交变磁场13和地磁场信号产生的磁场幅值三轴分量Hxpro、Hypro、Hzpro，通过电缆5、地面工控系统8传输给计算设备9，计算设备9运行程序获得正钻井2与目标井1之间的相对位置关系。
具体地，探管3的初始位置为Rpro＝(xpro,ypro,zpro)，所测量磁场幅值Hpro＝(Hxpro,Hypro,Hzpro)；按照毕奥-萨伐尔定律理论模型计算理论矢量Hth＝(Hxth,Hyth,Hzth)，具体计算公式如下：
Figure BDA0003355165040000161
其中，Hth为探管位置的理论磁场幅值，μ为磁导率，I为所述目标井井口注入激励电流，π为圆周率，R为探管位置处与目标井的最近距离。
为了找到测量场Hpro与计算场Hth匹配的位置，基于三维牛顿法的迭代方法，使用泰勒级数展开式来求坐标系上某点周围一个领域的磁场大小和方向。
正钻井与目标井水平方向上的距离与Z方向无关，并且通过钻杆长度可准确定位，因此只计算X、Y两个方向的探管坐标值。磁场Hth在某点(x,y)方向上的导数(邻域)可以用以下近似式子求，步长可以取0.01：
Figure BDA0003355165040000162
向量，
Figure BDA0003355165040000163
向量，
定义dH/dxy＝[dH/dx dH/dy],2×2矩阵，
则点(x,y)的一个邻域(x+dx,y+dy)的磁场：
Figure BDA0003355165040000164
从井口算起，设距离目标井的坐标为
Figure BDA0003355165040000165
则假设的探管坐标的一个邻域的磁场为：
Figure BDA0003355165040000171
则：
Figure BDA0003355165040000172
其中，
Figure BDA0003355165040000173
向量，
Figure BDA0003355165040000174
向量，
Figure BDA0003355165040000175
其中，xy1是第一次迭代的结果，然后重新迭代产生第二预测值xy2，一直重复到Hth(xn,yn)-Hpro满足一个误差限为止，误差限可以设定传感器的测量精度为误差极限，即找到了探管当前位置的真实坐标点(xn,yn)，计算此时与目标井的水平距离
Figure BDA0003355165040000176
在另一实施例中，如图6所示，一种正钻井与目标井相对位置迭代计算流程，包括：
步骤S301：根据传感器采集信号获取当前位置探管测量出的磁场幅值；
步骤S302：计算探管初始位置的理论磁场幅值；
步骤S303：基于三维牛顿法的迭代方法，使用泰勒级数展开式来求坐标系上某点周围一个领域的磁场大小和方向；
步骤S304：给定步长迭代使得测得的磁场幅值与理论磁场幅值满足一个误差限；
步骤S305：获取正钻井与目标井的水平距离。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。
需要说明的是，上述各实施例是与在先方法实施例对应的产品实施例，对于产品实施例中各可选实施方式的说明可以参考上述各方法实施例中的对应说明，在此不再赘述。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种井眼轨迹电磁定位系统，其特征在于，包括：电流注入模块、磁场接收模块、位置计算模块和轨迹定位模块；
所述电流注入模块用于通过在目标井的井口注入电流激发磁场；
所述磁场接收模块用于在正钻井中接收所述磁场的磁场信号；
所述位置计算模块用于根据所述磁场信号结合预设方法计算所述正钻井相对于所述目标井的目标位置信息；
所述轨迹定位模块用于根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果；其中，所述密集井网包括多个正钻井和多个目标井；
该定位系统包括探管、承托环、电缆、钻具、旁通、地面工控机、计算设备、激励电流源和回收极；
其中，正钻井中井下工具自下而上依次为：探管下放到正钻井钻具的最底端承托环上，通过电缆穿过旁通与地面工控机连接，旁通连接在钻具上接近转盘面；地面工控机的另一端接计算设备；
探管包括三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、温度传感器和电路板；三轴磁通门传感器用于探测目标井管柱所产生的交变磁场和所在区域的地磁场信号，三轴加速度传感器用于探测探管的重力分量，计算探管自身的井斜角、方位角，辅助进行定位；温度传感器用于监测探管所处位置的温度，确保传感器在合适的温度环境运行；
当正钻井钻至目的井深时，将用电缆连接的探管放入钻具承托环的上方；电缆的另一端穿过旁通与地面工控机连接，地面工控机与计算设备相连，接入工频电源220V/50Hz，给探管提供动力和控制信号；激励电流源一端连接回收极，另一端连接目标井的井口；需要工作时，激励电流源向目标井的井口注入激励电流，形成向下的激励电流；其中，向下的激励电流在目标井周围产生交变磁场，探管探测到该交变磁场信号和自身的重力姿态，通过电缆通道传输到地面的计算设备，探管探测目标井激励电流产生的交变磁场和地磁场信号，还确定当前探管的自身姿态，计算设备根据探管检测到的数据信号，确定正钻井和目标井的相对位置。
2.根据权利要求1所述的一种井眼轨迹电磁定位系统，其特征在于，所述位置计算模块具体用于计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth；
根据所述探管测量出的当前位置磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth做差；
通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置，所述目标位置的信息为所述目标位置信息。
3.根据权利要求2所述的一种井眼轨迹电磁定位系统，其特征在于，所述位置计算模块具体用于根据以下公式计算理论磁场幅值Hth：
Figure FDA0003854587280000021
其中，Hth为探管位置的理论磁场幅值，μ为磁导率，I为所述目标井井口注入激励电流，π为圆周率，R为探管位置处与所述目标井的距离。
4.根据权利要求2所述的一种井眼轨迹电磁定位系统，其特征在于，所述位置计算模块具体用于通过三维牛顿法的迭代方法，调整探管的当前位置参数，获得磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth；
迭代调整后的所述磁场幅值Hpro与所述理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种井眼轨迹电磁定位系统，其特征在于，还包括：误差条件获取模块，用于根据所述探管中磁感应传感器的测量精度的误差极限获得预设误差条件。
6.一种根据权利要求1所述的井眼轨迹电磁定位系统的井眼轨迹电磁定位方法，其特征在于，包括：
S1，通过在目标井的井口注入电流激发磁场；
S2，在正钻井中接收所述磁场的磁场信号；
S3，根据所述磁场信号结合预设方法计算所述正钻井相对于所述目标井的目标位置信息；
S4，根据所述位置信息确定密集井网的井眼轨迹定位结果；其中，所述密集井网包括多个正钻井和多个目标井。
7.根据权利要求6所述的一种井眼轨迹电磁定位方法，其特征在于，所述S3具体包括：
计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth；
根据所述探管测量出的当前位置磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth做差；
通过调整所述探管的当前位置参数来调整所述探管的位置，直至所述探管在调整位置后测量出的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值，满足预设误差条件，则调整后的位置为目标位置，所述目标位置的信息为所述目标位置信息。
8.根据权利要求7所述的一种井眼轨迹电磁定位方法，其特征在于，所述根据所述磁场信号计算出所述正钻井的探管在当前位置处的理论磁场幅值Hth具体包括：
根据以下公式计算理论磁场幅值Hth：
Figure FDA0003854587280000031
其中，Hth为探管位置的理论磁场幅值，μ为磁导率，I为所述目标井井口注入激励电流，π为圆周率，R为探管位置处与所述目标井的距离。
9.根据权利要求7所述的一种井眼轨迹电磁定位方法，其特征在于，所述调整所述探管的当前位置参数，直至调整位置后的磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件具体包括：
通过三维牛顿法的迭代方法，调整探管的当前位置参数，获得磁场幅值Hpro与理论磁场幅值Hth；
迭代调整后的所述磁场幅值Hpro与所述理论磁场幅值Hth差值满足预设误差条件。
10.根据权利要求6-9任一项所述的一种井眼轨迹电磁定位方法，其特征在于，还包括：根据所述探管中磁感应传感器的测量精度的误差极限获得预设误差条件。
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