CN116025339A - 一种基于线框磁源的平行井磁定位装置及定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于线框磁源的平行井磁定位装置及定位方法，所述定位装置包括磁源装置和探测装置，所述磁源装置设置于标准井中，工作时产生交变磁场，探测装置设置于待钻井中，监测标准井中交变磁场的磁场强度和方向，从而确定待钻井和标准井之间的相对距离和方位，其特征在于：磁源装置包括矩形窄线框，矩形窄线框产生交变磁场；探测装置为测量探管，由三轴磁力计和三轴加速度计组成，用于监测所述矩形窄线框产生的交变磁场的磁场强度和方向及所述磁源装置的运动轨迹，最终计算得出所述探测装置与所述磁源装置之间的距离和方位，即得出所述待钻井和所述标准井之间的相对距离和方位。本发明磁场强度更高，能够提高平行井磁定位精度。
Description
技术领域
本发明属于钻井作业中平行井钻井技术领域，特别涉及一种基于线框磁源的平行井磁定位装置及定位方法。
背景技术
为了解决现有几何定位导向技术应用于平行水平井钻井时存在的定位精度低的问题，有源磁性导向技术被引入钻井施工中，有源磁测距(主动磁测距)方法是指在老井和新井的一个中测量构建一个或多个可测量磁场，在另一个中置入磁场测量装置对构建磁场进行测量计算。同时磁场极性周期变化改变的交变磁场的特定特征能使该磁场有别于井中剩磁或者因地球磁场而存在的其他磁影响在测量中可减小或消除恒定磁场的影响，可以保证有源磁测量技术的可靠、稳定和准确性。主要包括旋转磁场测距系统(RMRS)和磁场导向工具(MGT)等。其中以磁导向工具(MGT)定位导向技术在SAGD双水平井施工中应用最为普遍，MGT的发射源是一种大功率的螺线管，作业时放在生产井中，引导上部正钻井施工。具有耐温高、数据传输量要求少等优点。正钻井无需磁接头，马达负担较小，不会影响钻头造斜率。MGT技术的核心是磁源磁场数据的采集处理与相对距离方位的反演计算。
现平行井钻井实际应用中，出现了一种测量井间距离和方位的方法及系统，所述方法包括以下步骤：步骤一，在作业井中的钻头处设置磁源装置，钻头工作时磁源装置随钻头转动，产生交变磁场；步骤二，在参考井中设置探测装置，监测交变磁场的大小和方向；步骤三，根据步骤二监测得到的交变磁场的磁场强度的大小，计算得出作业井与参考井之间的相对距离；步骤四，根据步骤二监测得到的交变磁场的方向，确定作业井与参考井之间的相对方位。所述系统包括磁源装置和探测装置，所述磁源装置设置于作业井中，工作时产生交变磁场，所述探测装置设置于参考井中，监测交变磁场的大小和方向。所述磁源装置为永磁体，设置于作业井中的钻头处。所述探测装置为磁通门，设置于参考井中的有线探管内。所述磁通门包括三轴正交磁力计。
上述技术中使用永磁体作为磁源装置，存在如下缺陷：1、永磁铁为点式磁源，其磁场强度较弱，容易受到除井下噪声干扰和恒定磁场成分干扰，对空间交变磁场信号的有效提取较难，造成定位精度降低，出现定位偏差。2、使用永磁铁作为磁源时，是将永磁铁与钻头固定，永磁铁随钻头的转动而转动，进而形成旋转磁场。但是其角度不易控制，使用时如果不对其角度进行调整，则磁场强度的检测难度较大且准确率低，容易导致磁定位精度下降，造成定位偏差。
发明内容
为了解决上述技术问题，提供一种磁场强度更高的旋转磁场，且使用时能够调整磁源角度，进而提高平行井磁定位精度的装置和方法，本发明提供了一种基于线框磁源的平行井磁定位装置，包括磁源装置和探测装置，所述磁源装置设置于标准井中，工作时产生交变磁场，所述探测装置设置于待钻井中，监测标准井中交变磁场的磁场强度和方向，从而确定待钻井和标准井之间的相对距离和方位，其特征在于：
所述磁源装置包括矩形窄线框及与所述矩形窄线框电连接的磁场信号发生器，所述磁场信号发生器为所述矩形窄线框提供交变电流，并测量及调整所述矩形窄线框与所述标准井的中轴线之间的角度，所述矩形窄线框产生交变磁场；
所述探测装置为测量探管，由三轴磁力计和三轴加速度计组成，用于监测所述矩形窄线框产生的交变磁场的磁场强度和方向及所述磁源装置的运动轨迹；
所述探测装置及所述磁源装置还通过信号连接线连接有测量接口箱，所述测量接口箱为所述探测装置及所述磁源装置提供电源，并接收所述探测装置监测到的磁场信息及所述磁源装置自身的磁场信息；
所述信号接口箱又电连接有计算机并将接收到的磁场信息传递至计算机，所述计算机收到该磁场信息后，计算得出所述探测装置与所述磁源装置之间的距离和方位，即得出所述待钻井和所述标准井之间的相对距离和方位。
所述矩形窄线框的数量为1-3个，当所述矩形窄线框为2个或3个时，每两个所述矩形窄线框之间为同中轴交叉设置，交叉设置的所述矩形窄线框通电后，所述矩形窄线框周围生成交变磁场；
当所述矩形窄线框为1个时，所述矩形窄线框与所述磁场信号发生器之间还电连接有旋转装置，所述磁场信号发生器为所述旋转装置和所述矩形窄线框提供交变电流，所述旋转装置与所述矩形窄线框通电后，所述旋转装置带动所述矩形窄线框旋转，所述矩形窄线框周围生成交变磁场。
所述旋转装置为电机。
本发明公开了一种基于线框磁源的平行井磁定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，在标准井中设置磁源装置；
步骤二，测定磁源装置与标准井(1)的中轴线的夹角，并调整磁源装置的角度；
步骤三，在待钻井中设置探测装置，监测步骤一所产生的交变磁场的磁场强度大小和方向；
步骤四，根据步骤二监测得到的交变磁场的磁场强度的大小，计算得出待钻井与标准井之间的相对距离；
步骤五，根据步骤二监测得到的交变磁场的方向，确定待钻井与标准井之间的相对方位。
所述磁源装置的磁场坐标系为xyz，所述交变磁场的三轴磁场分布为：
BX＝μm(2x2-y2-z2)/4πr5
By＝3μmxy/4πr5
Bz＝3μmxz/4πr5
式中：r为外场点到磁源装置中点的距离，m＝NIS，为磁源装置的磁偶极矩，I为电流强度，S为载流回路的有效面积，N为线圈匝数，μ为磁源装置周围空间介质磁导率。
所述探测装置坐标系为uvw，磁源装置到探测装置的相对距离为r，相对夹角角度为θ和β，接收到的信号为发射磁场在uvw三轴上的分量为：
Bx＝m(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
By＝3msinθcosθsinβ/4πr3
Bz＝3msinθcosθcosβ/4πr3
平行井中磁源装置到探测装置的相对姿态为平行姿态，则磁源装置与探测装置的三轴平行坐标系能够转换为共面平行，对上述公式简化推导得到：
Bx＝μm(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
By＝0
Bz＝3μminθcosθ/4πr3
探测装置采集的三轴磁场数据为磁源装置外磁场在uvw三轴上的分量，分别用Bu、Bv和Bw表示，结合磁源装置和探测装置位置关系则Bu＝Bx，Bu＝By，Bw＝Bz，磁性参数可作为定值，即μ和m作为定值，当角度θ＝π/2时，即探测装置和磁源装置信标位置垂直时，Bu达到最大值，则磁场强度计算公式为：
B＝μml/4πr3
由于磁源装置到探测装置的相对姿态为平行姿态，则平行条件下Bu和Bw受到相对距离r和角度θ的影响，建立由Bu和Bw表达式组成的方程组：
Bu＝μm(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
Bw＝3μmsinθcosθ/4πr3
依据以上公式建立Bu和Bw的比值关系式，如下式所示，该比值仅与θ相关，因此可在采集三轴磁场数据的基础上，利用下式计算得到角度θ，再将θ代入上式求得相对距离r，
Bw/Bu＝3sinθconθ/(2cos2θ-sin2θ)。
本发明使用矩形窄线框作为磁源，矩形窄线框的四个边均能产生磁场，总磁场强度为四个边的磁场强度之和。且交叉设置的多个矩形窄线框能够生产旋转磁场。
另外，在窄线框上设置了能够测量并调整窄线框角度的磁场信号发生器，实时对磁场的角度进行测量，一旦发现其与标准井中轴线不平行时，能够对其进行调整，避免探测装置所测结果出现偏差，提高测量准确度。
说明如下：令矩形窄线框的长边长度为A，短边长度为B，四个边长分别为L1、L2、L3、L4，观察点P到两个短边的垂直距离分别为X和A-X，到两个长边的垂直距离分别为Y和B-Y，坐标原点定在观察点P。矩形窄线框的四个边L1、L2、L3、L4在P点所产生的磁场强度值公式如下：
H1＝I((B-Y)/(X2+(B-Y)2)1/2)+Y/(X2+Y2)1/2)/(4π×X)
H2＝I((A-X)/(Y2+(A-X)2)1/2)+X/(X2+Y2)1/2)/(4π×Y)
H3＝I×((B-Y)/((A-X)2+(B-Y)2)1/2+Y/((A-X)2+Y2)1/2))/4π(A-X)
H4＝I×((A-X)/((B-Y)2+(A-X)2)1/2+X/((B-Y)2+X2)1/2))/4π(B-Y)
P点的总磁场强度值为以上四个值之和，即：
HP＝H1+H2+H3+H4.
由多个矩形窄线框交叉设置，每个矩形窄线框产生的磁场相互叠加，则形成一个椭球形磁场。所述椭球磁场即为所述磁源装置生成的交变磁场。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的磁场示意图
主要附图标记说明如下：
1、标准井 2、待钻井 3、矩形窄线框 4、磁场信号发生器 5、测量探管 6、测量接口箱 7、计算机
具体实施方式
如图1所示，为本发明的结构示意图：提供了一种基于线框磁源的平行井磁定位装置，包括磁源装置和探测装置，所述磁源装置设置于标准井(1)中，工作时产生交变磁场，所述探测装置设置于待钻井(2)中，监测标准井中交变磁场的磁场强度和方向，从而确定待钻井和标准井之间的相对距离和方位，其特征在于：
所述磁源装置包括矩形窄线框(3)及与所述矩形窄线框(3)电连接的磁场信号发生器(4)，所述磁场信号发生器(4)为所述矩形窄线框(3)提供交变电流，并测量及调整所述矩形窄线框(3)与所述标准井(1)的中轴线之间的角度，所述矩形窄线框(3)产生交变磁场；
所述探测装置为测量探管(5)，由三轴磁力计和三轴加速度计组成，用于监测所述矩形窄线框(3)产生的交变磁场的磁场强度和方向及所述磁源装置的运动轨迹；
所述探测装置及所述磁源装置还通过信号连接线连接有测量接口箱(6)，所述测量接口箱(6)为所述探测装置及所述磁源装置提供电源，并接收所述探测装置监测到的磁场信息及所述磁源装置自身的磁场信息；
所述信号接口箱(6)又电连接有计算机(7)并将接收到的磁场信息传递至计算机(7)，所述计算机(7)收到该磁场信息后，计算得出所述探测装置与所述磁源装置之间的距离和方位，即得出所述待钻井(2)和所述标准井(1)之间的相对距离和方位。
所述矩形窄线框(3)的数量为1-3个，当所述矩形窄线框(3)为2个或3个时，每两个所述矩形窄线框(3)之间为同中轴交叉设置，交叉设置的所述矩形窄线框(3)通电后，所述矩形窄线框(3)周围生成交变磁场；
当所述矩形窄线框(3)为1个时，所述矩形窄线框(3)与所述磁场信号发生器(4)之间还电连接有旋转装置，所述磁场信号发生器(4)为所述旋转装置和所述矩形窄线框(3)提供交变电流，所述旋转装置与所述矩形窄线框(3)通电后，所述旋转装置带动所述矩形窄线框(3)旋转，所述矩形窄线框(3)周围生成交变磁场。
所述旋转装置为电机。
本发明公开了一种基于线框磁源的平行井磁定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，在标准井(1)中设置磁源装置；
步骤二，测定磁源装置与标准井(1)的中轴线的夹角，并调整磁源装置的角度；
步骤三，在待钻井(2)中设置探测装置，监测步骤一所产生的交变磁场的磁场强度大小和方向；
步骤四，根据步骤二监测得到的交变磁场的磁场强度的大小，计算得出待钻井(2)与标准井(1)之间的相对距离；
步骤五，根据步骤二监测得到的交变磁场的方向，确定待钻井(2)与标准井(1)之间的相对方位。
如图2所示，所述磁源装置的磁场坐标系为xyz，所述交变磁场的三轴磁场分布为：
BX＝μm(2x2-y2-z2)/4πr5
By＝3μmxy/4πr5
Bz＝3μmxz/4πr5
式中：r为外场点到磁源装置中点的距离，m＝NIS，为磁源装置的磁偶极矩，I为电流强度，S为载流回路的有效面积，N为线圈匝数，μ为磁源装置周围空间介质磁导率。
所述探测装置坐标系为uvw，磁源装置到探测装置的相对距离为r，相对夹角角度为θ和β，接收到的信号为发射磁场在uvw三轴上的分量为：
Bx＝m(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
By＝3msinθcosθsinβ/4πr3
Bz＝3msinθcosθcosβ/4πr3
平行井中磁源装置到探测装置的相对姿态为平行姿态，则磁源装置与探测装置的三轴平行坐标系能够转换为共面平行，对上述公式简化推导得到：
Bx＝μm(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
By＝0
Bz＝3μminθcosθ/4πr3
探测装置采集的三轴磁场数据为磁源装置外磁场在uvw三轴上的分量，分别用Bu、Bv和Bw表示，结合磁源装置和探测装置位置关系则Bu＝Bx，Bu＝By，Bw＝Bz，磁性参数可作为定值，即μ和m作为定值，当角度θ＝π/2时，即探测装置和磁源装置信标位置垂直时，Bu达到最大值，则磁场强度计算公式为：
B＝μml/4πr3
由于磁源装置到探测装置的相对姿态为平行姿态，则平行条件下Bu和Bw受到相对距离r和角度θ的影响，建立由Bu和Bw表达式组成的方程组：
Bu＝μm(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
Bw＝3μmsinθcosθ/4πr3
依据以上公式建立Bu和Bw的比值关系式，如下式所示，该比值仅与θ相关，因此可在采集三轴磁场数据的基础上，利用下式计算得到角度θ，再将θ代入上式求得相对距离r，
Bw/Bu＝3sinθconθ/(2cos2θ-sin2θ)。
本发明使用矩形窄线框(3)作为磁源，矩形窄线框(3)的四个边均能产生磁场，总磁场强度为四个边的磁场强度之和。且交叉设置的多个矩形窄线框(3)能够生产旋转磁场。
说明如下：令矩形窄线框(3)的长边长度为A，短边长度为B，四个边长分别为L1、L2、L3、L4，观察点P到两个短边的垂直距离分别为X和A-X，到两个长边的垂直距离分别为Y和B-Y，坐标原点定在观察点P。矩形窄线框的四个边L1、L2、L3、L4在P点所产生的磁场强度值公式如下：
H1＝I((B-Y)/(X2+(B-Y)2)1/2)+Y/(X2+Y2)1/2)/(4π×X)
H2＝I((A-X)/(Y2+(A-X)2)1/2)+X/(X2+Y2)1/2)/(4π×Y)
H3＝I×((B-Y)/((A-X)2+(B-Y)2)1/2+Y/((A-X)2+Y2)1/2))/4π(A-X)
H4＝I×((A-X)/((B-Y)2+(A-X)2)1/2+X/((B-Y)2+X2)1/2))/4π(B-Y)
P点的总磁场强度值为以上四个值之和，即：
HP＝H1+H2+H3+H4
由多个矩形窄线框(3)交叉设置，每个矩形窄线框(3)产生的磁场相互叠加，则形成一个椭球形磁场。所述椭球磁场即为所述磁源装置生成的交变磁场。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于线框磁源的平行井磁定位装置，包括磁源装置和探测装置，所述磁源装置设置于标准井(1)中，工作时产生交变磁场，所述探测装置设置于待钻井(2)中，监测标准井中交变磁场的磁场强度和方向，从而确定待钻井和标准井之间的相对距离和方位，其特征在于：
所述磁源装置包括矩形窄线框(3)及与所述矩形窄线框(3)电连接的磁场信号发生器(4)，所述磁场信号发生器(4)为所述矩形窄线框(3)提供交变电流，并测量及调整所述矩形窄线框(3)与所述标准井(1)的中轴线之间的角度，所述矩形窄线框(3)产生交变磁场；
所述探测装置为测量探管(5)，由三轴磁力计和三轴加速度计组成，用于监测所述矩形窄线框(3)产生的交变磁场的磁场强度和方向及所述磁源装置的运动轨迹；
所述探测装置及所述磁源装置还通过信号连接线连接有测量接口箱(6)，所述测量接口箱(6)为所述探测装置及所述磁源装置提供电源，并接收所述探测装置监测到的磁场信息及所述磁源装置自身的磁场信息；
所述信号接口箱(6)又电连接有计算机(7)并将接收到的磁场信息传递至计算机(7)，所述计算机(7)收到该磁场信息后，计算得出所述探测装置与所述磁源装置之间的距离和方位，即得出所述待钻井(2)和所述标准井(1)之间的相对距离和方位。
2.根据权利要求1所述的基于线框磁源的平行井磁定位装置，其特征在于，所述矩形窄线框(3)的数量为1-3个，当所述矩形窄线框(3)为2个或3个时，每两个所述矩形窄线框(3)之间为同中轴交叉设置，交叉设置的所述矩形窄线框(3)通电后，所述矩形窄线框(3)周围生成交变磁场；
当所述矩形窄线框(3)为1个时，所述矩形窄线框(3)与所述磁场信号发生器(4)之间还电连接有旋转装置，所述磁场信号发生器(4)为所述旋转装置和所述矩形窄线框(3)提供交变电流，所述旋转装置与所述矩形窄线框(3)通电后，所述旋转装置带动所述矩形窄线框(3)旋转，所述矩形窄线框(3)周围生成交变磁场。
3.根据权利要求2所述的基于线框磁源的平行井磁定位装置，其特征在于，所述旋转装置为电机。
4.一种基于线框磁源的平行井磁定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，在标准井(1)中设置磁源装置；
步骤二，测定磁源装置与标准井(1)的中轴线的夹角，并调整磁源装置的角度；
步骤三，在待钻井(2)中设置探测装置，监测步骤一所产生的交变磁场的磁场强度大小和方向；
步骤四，根据步骤二监测得到的交变磁场的磁场强度的大小，计算得出待钻井(2)与标准井(1)之间的相对距离；
步骤五，根据步骤二监测得到的交变磁场的方向，确定待钻井(2)与标准井(1)之间的相对方位。
5.根据权利要求4所述的基于线框磁源的平行井磁定位方法，其特征在于，所述磁源装置的磁场坐标系为xyz，所述交变磁场的三轴磁场分布为：
BX＝μm(2x2-y2-z2)/4πr5
By＝3μm x y/4πr5
Bz＝3μm x z/4πr5
式中：r为外场点到磁源装置中点的距离，m＝NIS，为磁源装置的磁偶极矩，I为电流强度，S为载流回路的有效面积，N为线圈匝数，μ为磁源装置周围空间介质磁导率。
6.根据权利要求5所述的基于线框磁源的平行井磁定位方法，其特征在于，所述探测装置坐标系为uvw，磁源装置到探测装置的相对距离为r，相对夹角角度为θ和β，接收到的信号为发射磁场在uvw三轴上的分量为：
Bx＝m(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
By＝3msinθcosθsinβ/4πr3
Bz＝3msinθcosθcosβ/4πr3
平行井中磁源装置到探测装置的相对姿态为平行姿态，则磁源装置与探测装置的三轴平行坐标系能够转换为共面平行，对上述公式简化推导得到：
Bx＝μm(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
By＝0
Bz＝3μminθcosθ/4πr3
探测装置采集的三轴磁场数据为磁源装置外磁场在uvw三轴上的分量，分别用Bu、Bv和Bw表示，结合磁源装置和探测装置位置关系则Bu＝Bx，Bu＝By，Bw＝Bz，磁性参数可作为定值，即μ和m作为定值，当角度θ＝π/2时，即探测装置和磁源装置信标位置垂直时，Bu达到最大值，则磁场强度计算公式为：
B＝μm1/4πr3。
7.根据权利要求6所述的基于线框磁源的平行井磁定位方法，其特征在于，由于磁源装置到探测装置的相对姿态为平行姿态，则平行条件下Bu和Bw受到相对距离r和角度θ的影响，建立由Bu和Bw表达式组成的方程组：
Bu＝μm(2cos2θ-sin2θ)/4πr3
Bw＝3μm sinθcosθ/4πr3
依据以上公式建立Bu和Bw的比值关系式，如下式所示，该比值仅与θ相关，因此可在采集三轴磁场数据的基础上，利用下式计算得到角度θ，再将θ代入上式求得相对距离r，
Bw/Bu＝3sin.θconθ/(2cos2θ-sin2θ)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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