CN117687103A - 一种基于电流注入的救援探测设备及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电流注入的救援探测设备及探测方法，解决了探测设备的探测精准度较低，事故井的距离与方位信息难以精准探测的技术问题。该装置包括激励机构、井下电极、地面电极和探测机构，激励机构、井下电极以及地面电极通过导线连接，探测机构与井下电极通过电缆连接；激励机构向井下电极施加电流后，电流向地层扩散，一部分电流通过事故井的套管向上传输至地面电极，并使激励机构、井下电极以及地面电极形成闭合回路，另一部分电流通过事故井的套管向下传输，并在套管上形成磁场，探测机构用于对磁场的方位进行探测。本发明可以提高探测精准度，使得事故井的距离与方位信息更加准确，有利于救援井近距离高精度跟随。
Description
技术领域
本发明属于油井救援技术领域，具体涉及一种基于电流注入的救援探测设备及探测方法。
背景技术
目前，井喷事故的发生具有不可预防性、突发性、以及灾难性的特点，在海上和陆地的钻井作业过程中，如果发生井喷失控的事故，油气资源将被严重破坏，甚至造成严重的火灾，导致人员的伤亡、操作设备的毁坏、油气井的报废、严重的环境污染等难以控制的灾难性事件。
当油井发生井喷事故后，需要在距离事故井一段距离的安全区域处开挖救援井，援井的实施是为了与事故井的井眼交汇连通，连通后再将高密度压井液注入救援井中，控制事故井发生的井喷等事故。救援井方案的实施是控制井喷事故的最后措施，是井喷应急作业中具有重大意义的方案。
然而，救援井实施过程中，救援井与事故井之间的距离探测、方位测定是应急救援的关键点，仅依靠救援井和事故井的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的连通。
因此，在救援井中对事故井进行测距定位是决定救援井与事故井连通成败的关键，目前，国内外救援井探测定位方法主要包括地磁扰动法和瞬变电磁法等。地磁扰动法属于被动磁探测方法，其测试距离较短，测试精度受套管剩余磁场影响较大。瞬变电磁方法利用井下发射天线主动向地层施加激励，通过探测均匀地层中的金属异常体来确定救援井与事故井套管的相对距离，但是，由于二次场信号微弱，易受到噪声影响，导致有效探测距离也十分有限。
由此可知，事故井救援过程中，探测设备的探测精准度较低，使得事故井的距离与方位信息难以精准探测，不利于救援井近距离高精度跟随，有待改进。
发明内容
为了解决上述全部或部分问题，本发明的目的在于提供一种基于电流注入的救援探测设备及探测方法，可以提高探测精准度，使得事故井的距离与方位信息更加准确，有利于救援井近距离高精度跟随。
第一方面，本发明提供了一种基于电流注入的救援探测设备，包括激励机构、井下电极、地面电极和探测机构，所述激励机构、井下电极以及地面电极通过导线连接，所述探测机构与所述井下电极通过电缆连接；
所述激励机构向所述井下电极施加电流后，电流向地层扩散，一部分电流通过事故井的套管向上传输至所述地面电极，并使所述激励机构、井下电极以及地面电极形成闭合回路，另一部分电流通过事故井的套管向下传输，并在套管上形成磁场，所述探测机构用于对磁场的方位进行探测。
可选地，所述激励机构包括依次连接的激励电源、地面机箱和上位机，所述地面电极与所述激励电源连接，所述井下电极与所述地面机箱连接。
可选地，所述探测机构包括探测管、磁通门传感器和加速度传感器，所述磁通门传感器和加速度传感器分别固定于所述探测管内。
可选地，所述磁通门传感器采用三轴磁通门传感器，所述加速度传感器采用三轴加速度传感器。
第二方面，本发明提供了一种探测方法，使用救援探测设备，包括如下步骤：
S1，在事故井的侧方开挖救援井，且救援井朝向事故井倾斜；
S2，通过电缆将地面电极与探测机构下入救援井内；
S3，将地面电极埋入地层内，且使地面电极与井下电极分布在事故井的两侧；
S4，启动激励机构，并通过激励机构向井下电极施加电流；
S5，通过地面电极和探测机构测算事故井的距离与方位。
可选地，在S5中，井下区域的电磁响应分为有源区响应与无源区响应，
在无源区，通过柱坐标系下的拉普拉斯方程对电磁响应进行求解：
其中，λ表示代换因子，eiλz表示求解零阶变形贝塞尔函数时，得到的常微分方程的解，I0(λρ)表示第一类零阶修正贝塞尔函数，K0(λρ)表示第二类零阶修正贝塞尔函数，A和B表示根据边界条件需要求解的系数；
在有源区，电磁响应包含一次场和二次场，通过柱状分层模型求得有源区的响应为：
其中，I表示供电的电流，σ是地层电导率，Im（λρ）表示第一类m阶修正贝塞尔函数，Km（λρ）表示第二类m阶修正贝塞尔函数，ρ0是电流源在空间某一点的一个坐标，ρ是空间任意一点的一个坐标，eim（φ-φ 0 ）和eiλ（z-z 0 ）是求解任意一点位函数时，变量代换得到的值；
为使一次电位与二次电位匹配，将二次电位表达式中附带因子：
其中，e-iλz0是求解任意一点位函数时，变量代换得到的值；
因此，第j层和第j+1层的电位函数为：
其中，τj、Aj、Aj+1、Bj、Bj+1分别表示与第j层和第j+1层边界条件的相关系数；
在ρ=Rj界面上边界条件电位连续、电流法向分量连续，边界条件为：
其中，σj和σj+1表示第j层和第j+1层事故井套管的电导率；
因此，事故井套管中的电位为：
其中，rt表示事故井套管半径；I1(λrt)K0(λrt)表示与事故井套管电位函数相关的因子，I0(λrt)K1(λrt)表示地层中点电流一次电位与套管二次电位相关的因子，σ和σt表示地层电导率与事故井套管电导率，K0(λR)cosλz表示位函数因子；
事故井套管上沿z轴的电场强度为：
其中，-▽U(z)是电位梯度的负值，K0(λR)sinλz表示位函数因子；
事故井套管上沿z轴的电流为：
其中，re是以事故井套管等效为实心圆柱体的半径；
以事故井套管的轴线为z轴建立柱状坐标系，井下电极与探测机构的位置在同一铅垂面内，井下电极与探测机构的间距L、井斜角α，井下电极与套管的距离为R，探测机构与套管的距离为r，其三角函数关系为：
将套管分为无限长套管的电流环路定理和有限长套管的毕奥-萨伐定理，求得事故井上的电流I(z)在探测机构(4)处产生的磁场强度H(z)为：
其中，z表示沿事故井套管z轴的深度，a和b表示下限值和上限值，根据事故井中探测机构(4)探测的磁场强度，可反推探测点与事故井的间距。
可选地，在S5中，利用加速度传感器测量地球的重力场分量，分解得到井斜角α，利用磁通门传感器测量磁场分量，并和加速度传感器的测量结果一起获得方位角β。
可选地，以救援井中探测机构(4)的轴方向为z轴建立三维直角坐标系，磁场和重力场在x轴的分量分别为Hx和Gx，磁场和重力场在y轴的分量分别为Hy和Gy，磁场和重力场在z轴的分量分别为Hz和Gz，在xy平面的分量分别为Hk和Gk；
救援井套管的井斜角α和方位角β的关系为：
救援井与事故井两井之间的方位角可表示为：
因此，可测算事故井的方位。
由上述技术方案可知，本发明提供的基于电流注入的救援探测设备及探测方法，具有以下优点：
该装置通过向地层注入交变电流信号，变电流经过地层和事故井的套管，并与地面电极形成回路，同时产生探测机构需要检测的特定频率的磁场，再通过算法实现事故井与救援井的距离和方位，探测精度更好，外界因素对探测设备的干扰比较低，使得事故井的距离与方位信息更加准确，有利于救援井近距离高精度跟随。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例中救援探测设备的结构示意图；
图2为本发明实施例中事故井套管与井下电极和探测机构的位置模型图；
图3为本发明实施例中事故井与探测机构的几何关系模型图；
图4为本发明实施例中事故井与探测机构的方位关系模型图。
附图标记说明：
1、激励机构；11、激励电源；12、地面机箱；13、上位机；2、井下电极；3、地面电极；4、探测机构；41、探测管；42、磁通门传感器；43、加速度传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1、图2、图3、图4所示为本发明实施例，该实施例中公开了一种基于电流注入的救援探测设备，包括激励机构1、井下电极2、地面电极3和探测机构4，激励机构1、井下电极2以及地面电极3通过导线连接，并且探测机构4通过电缆连接于井下电极2的底部。
通过激励机构1向井下电极2施加电流后，电流向地层扩散，一部分电流通过事故井的套管向上传输至地面电极3，并使激励机构1、井下电极2以及地面电极3形成闭合回路。另一部分电流通过事故井的套管向下传输，并在套管上形成磁场，此时，探测机构4对磁场的方位进行探测。
本实施例中的救援探测设备，通过向地层注入交变电流信号，变电流经过地层和事故井的套管，并与地面电极3形成回路，同时产生探测机构4需要检测的特定频率的磁场，再通过算法实现事故井与救援井的距离和方位，探测精度更好，外界因素对探测设备的干扰比较低，使得事故井的距离与方位信息更加准确，有利于救援井近距离高精度跟随。
在一个实施例中，如图1、图2所示，激励机构1包括依次连接的激励电源11、地面机箱12和上位机13，地面电极3与激励电源11连接，井下电极2与地面机箱12连接。探测机构4包括探测管41、磁通门传感器42和加速度传感器43，磁通门传感器42和加速度传感器43分别固定于探测管41内。
在本实施例中，磁通门传感器42采用三轴磁通门传感器，加速度传感器43采用三轴加速度传感器，上位机13用于接收磁通门传感器42和加速度传感器43发射的电信号，并将电信号转换成数字信号，上位机13内的中央处理器即可对数据进行分析、测算。
在本实施例中，还公开了一种探测方法，使用上述的救援探测设备，包括如下步骤：
S1，在事故井的侧方开挖救援井，且救援井朝向事故井倾斜；
S2，通过电缆将地面电极3与探测机构4下入救援井内；
S3，将地面电极3埋入地层内，且使地面电极3与井下电极2分布在事故井的两侧；
S4，启动激励机构1，并通过激励机构1向井下电极2施加电流；
S5，通过地面电极3和探测机构4测算事故井的距离与方位。
在S5中，算法的思路如下：
如图2所示，救援井的实际应用环境是全空间的，即认为在井下几百米甚至上千米的地下是一种比较理想的全空间，因此，从全空间的理论研究入手，建立全空间理论模型。因为实际的钻井环境的井深可达数千米，因而所采用的激励电极间的距离可以认为是无限大，即认为回流电极位于无穷远处，因而正电极可以近视看作全空间的点电流源。
又因在电磁问题的研究中，针对全空间的格林函数是最基本也是最重要的理论，所以通过格林函数研究点电流源在全空间产生的电场和电势是计算全空间事故井套管汇聚电流产生磁场信号的基础。在全空间模型下以点电流源注入电流的裸眼井和地层均可看作有源区，事故井套管或钻杆则看作无源区，即在计算事故井套管汇聚电流产生的磁场时，分为有源区和无源区计算流程。
在全空间物理模型中有源区的点电流源的电位满足格林函数，计算出单位电流源的电势分布，再将其扩展到电流大小为I的点电流源的电势分布。针对无源区，在柱坐标下电势满足拉普拉斯方程，对电位分离变量求得带有参数的电势分布，方程的解为第一、二类变型贝塞尔函数的线性组合。为了使有源区和无源区电位相对应，利用边界条件可求得套管上电流分布情况，进而根据安培定理获得环绕事故井的低频磁场，进而推导距离与方位。
在S5中，具体算法如下：
井下区域的电磁响应分为有源区响应与无源区响应，
在无源区，通过柱坐标系下的拉普拉斯方程对电磁响应进行求解：
其中，eiλz表示求解零阶变形贝塞尔函数时，得到的常微分方程的解，I0(λρ)表示第一类零阶修正贝塞尔函数，K0(λρ)表示第二类零阶修正贝塞尔函数，A和B表示根据边界条件需要求解的系数；
在有源区，电磁响应包含一次场和二次场，通过柱状分层模型求得有源区的响应为：
其中，λ表示代换因子，I表示供电的电流，σ是地层电导率，Im（λρ）表示第一类m阶修正贝塞尔函数，Km（λρ）表示第二类m阶修正贝塞尔函数，ρ0是电流源在空间某一点的一个坐标，ρ是空间任意一点的一个坐标，eim（φ-φ 0 ）和eiλ（z-z 0 ）是求解任意一点位函数时，变量代换得到的值；
为使一次电位与二次电位匹配，将二次电位表达式中附带因子：
其中，e-iλz0是求解任意一点位函数时，变量代换得到的值；
因此，第j层和第j+1层的电位函数为：
其中，τj、Aj、Aj+1、Bj、Bj+1分别表示与第j层和第j+1层边界条件的相关系数；
在ρ=Rj界面上边界条件电位连续、电流法向分量连续，边界条件为：
其中，σj和σj+1表示第j层和第j+1层事故井套管的电导率；
因此，事故井套管中的电位为：
其中，rt表示事故井套管半径；I1(λrt)K0(λrt)表示与事故井套管电位函数相关的因子，I0(λrt)K1(λrt)表示地层中点电流一次电位与套管二次电位相关的因子，σ和σt表示地层电导率与事故井套管电导率，K0(λR)cosλz表示位函数因子；
所以，事故井套管上沿z轴的电场强度为：
其中，-▽U(z)是电位梯度的负值，K0(λR)sinλz表示位函数因子；
然后事故井套管上沿z轴的电流为：
其中，re是以事故井套管等效为实心圆柱体的半径。
如图3所示，以事故井套管的轴线为z轴建立柱状坐标系，井下电极2与探测机构4的位置在同一铅垂面内，井下电极2与探测机构4的间距L、井斜角α，井下电极2与套管的距离为R，探测机构4与套管的距离为r，其三角函数关系为：
根据实际情况，将套管分为无限长套管的电流环路定理和有限长套管的毕奥-萨伐定理，求得事故井上的电流I（z）在探测机构(4)处产生的磁场强度H（z）为：
其中，z表示沿事故井套管z轴的深度，a和b表示下限值和上限值，根据事故井中探测机构(4)探测的磁场强度，可反推探测点与事故井的间距。
从上述两等式可知，磁场强度的分布大小与套管上的电流、检测点距套管的距离、检测点相对于z轴原点的轴向距离有关。又因套管上的电流分布公式已经求得，探测的z轴位置也是事先已知的最佳探测位置，所以根据事故井中探测机构探测到的磁场强度，可以反推出探测点与事故井的间距。
在S5中，磁场探测是利用加速度传感器43和磁通门传感器42构成姿态测量系统，利用加速度传感器43测量地球的重力场分量，分解得到井斜角α，利用磁通门传感器42测量磁场分量，并和加速度传感器43的测量结果一起获得方位角β。
如图4所示，以救援井中探测机构4的轴方向为z轴建立三维直角坐标系，磁场和重力场在x轴的分量分别为Hx和Gx，磁场和重力场在y轴的分量分别为Hy和Gy，磁场和重力场在z轴的分量分别为Hz和Gz，在xy平面的分量分别为Hk和Gk，α和β分别表示救援井井身的井斜角和救援井相对事故井的方位角。
由三角函数关系可知，救援井套管的井斜角α和方位角β的关系为：
救援井与事故井两井之间的方位角可表示为：
因此，可测算事故井的方位。
需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (8)
1.一种基于电流注入的救援探测设备，其特征在于，包括激励机构(1)、井下电极(2)、地面电极(3)和探测机构(4)，所述激励机构(1)、井下电极(2)以及地面电极(3)通过导线连接，所述探测机构(4)与所述井下电极(2)通过电缆连接；
所述激励机构(1)向所述井下电极(2)施加电流后，电流向地层扩散，一部分电流通过事故井的套管向上传输至所述地面电极(3)，并使所述激励机构(1)、井下电极(2)以及地面电极(3)形成闭合回路，另一部分电流通过事故井的套管向下传输，并在套管上形成磁场，所述探测机构(4)用于对磁场的方位进行探测。
2.根据权利要求1所述的救援探测设备，其特征在于，所述激励机构(1)包括依次连接的激励电源(11)、地面机箱(12)和上位机(13)，所述地面电极(3)与所述激励电源(11)连接，所述井下电极(2)与所述地面机箱(12)连接。
3.根据权利要求1所述的救援探测设备，其特征在于，所述探测机构(4)包括探测管(41)、磁通门传感器(42)和加速度传感器(43)，所述磁通门传感器(42)和加速度传感器(43)分别固定于所述探测管(41)内。
4.根据权利要求3所述的救援探测设备，其特征在于，所述磁通门传感器(42)采用三轴磁通门传感器，所述加速度传感器(43)采用三轴加速度传感器。
5.一种探测方法，使用权利要求1-4任一项所述的救援探测设备，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在事故井的侧方开挖救援井，且救援井朝向事故井倾斜；
S2，通过电缆将地面电极(3)与探测机构(4)下入救援井内；
S3，将地面电极(3)埋入地层内，且使地面电极(3)与井下电极(2)分布在事故井的两侧；
S4，启动激励机构(1)，并通过激励机构(1)向井下电极(2)施加电流；
S5，通过地面电极(3)和探测机构(4)测算事故井的距离与方位。
6.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，在S5中，井下区域的电磁响应分为有源区响应与无源区响应，
在无源区，通过柱坐标系下的拉普拉斯方程对电磁响应进行求解：
其中，λ表示代换因子，eiλz表示求解零阶变形贝塞尔函数时，得到的常微分方程的解，I0(λρ)表示第一类零阶修正贝塞尔函数，K0(λρ)表示第二类零阶修正贝塞尔函数，A和B表示根据边界条件需要求解的系数；
在有源区，电磁响应包含一次场和二次场，通过柱状分层模型求得有源区的响应为：
其中，I表示供电的电流，σ是地层电导率，Im（λρ）表示第一类m阶修正贝塞尔函数，Km（λρ）表示第二类m阶修正贝塞尔函数，ρ0是电流源在空间某一点的一个坐标，ρ是空间任意一点的一个坐标，eim（φ-φ 0 ）和eiλ（z-z 0 ）是求解任意一点位函数时，变量代换得到的值；
为使一次电位与二次电位匹配，将二次电位表达式中附带因子：
其中，e-iλz0是求解任意一点位函数时，变量代换得到的值；
因此，第j层和第j+1层的电位函数为：
其中，τj、Aj、Aj+1、Bj、Bj+1分别表示与第j层和第j+1层边界条件的相关系数；
在ρ=Rj界面上边界条件电位连续、电流法向分量连续，边界条件为：
其中，σj和σj+1表示第j层和第j+1层事故井套管的电导率；
因此，事故井套管中的电位为：
其中，rt表示事故井套管半径；I1(λrt)K0(λrt)表示与事故井套管电位函数相关的因子，I0(λrt)K1(λrt)表示地层中点电流一次电位与套管二次电位相关的因子，σ和σt表示地层电导率与事故井套管电导率，K0(λR)cosλz表示位函数因子；
事故井套管上沿z轴的电场强度为：
其中，-▽U(z)是电位梯度的负值，K0(λR)sinλz表示位函数因子；
事故井套管上沿z轴的电流为：
其中，re是以事故井套管等效为实心圆柱体的半径；
以事故井套管的轴线为z轴建立柱状坐标系，井下电极(2)与探测机构(4)的位置在同一铅垂面内，井下电极(2)与探测机构(4)的间距L、井斜角α，井下电极(2)与套管的距离为R，探测机构(4)与套管的距离为r，其三角函数关系为：
将套管分为无限长套管的电流环路定理和有限长套管的毕奥-萨伐定理，求得事故井上的电流I(z)在探测机构(4)处产生的磁场强度H(z)为：
其中，z表示沿事故井套管z轴的深度，a和b表示下限值和上限值，根据事故井中探测机构(4)探测的磁场强度，可反推探测点与事故井的间距。
7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在S5中，利用加速度传感器(43)测量地球的重力场分量，分解得到井斜角α，利用磁通门传感器(42)测量磁场分量，并和加速度传感器(43)的测量结果一起获得方位角β。
8.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，以救援井中探测机构(4)的轴方向为z轴建立三维直角坐标系，磁场和重力场在x轴的分量分别为Hx和Gx，磁场和重力场在y轴的分量分别为Hy和Gy，磁场和重力场在z轴的分量分别为Hz和Gz，在xy平面的分量分别为Hk和Gk；
救援井套管的井斜角α和方位角β的关系为：
救援井与事故井两井之间的方位角可表示为：
因此，可测算事故井的方位。
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2024
- 2024-02-04 CN CN202410155112.8A patent/CN117687103A/zh not_active Withdrawn
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