專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁場(chǎng)定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于SAGD技術(shù)在低信噪比或突發(fā)干擾情況下測(cè)距導(dǎo)向的不足提出一種基于Kalman濾波的改進(jìn)算法。
背景技術(shù)：
據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界稠油、超稠油和天然浙青的儲(chǔ)量約為1000X 108t，占有油氣總儲(chǔ)量較大的比例，對(duì)于稠油資源相對(duì)豐富的中國(guó)、美國(guó)和加拿大等國(guó)家來(lái)說(shuō)，如何經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)采
稠油成為石油界的ー個(gè)重大課題。傳統(tǒng)開(kāi)采稠油是采用熱カ采油，包括蒸汽吐、蒸汽驅(qū)等技術(shù)，其對(duì)于普通稠油的開(kāi)采十分成功。然而，傳統(tǒng)方法對(duì)于地下原油粘度超過(guò)IO4HiPa s的特稠油開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益很差，而對(duì)于粘度超過(guò)5X 104mPa *s，甚至高達(dá)105mPa-s的超稠油、浙青等，傳統(tǒng)方法根本無(wú)法開(kāi)采。20世紀(jì)70年代末,加拿大石油エ業(yè)專(zhuān)家R. M. Butler提出了蒸汽輔助重力泄油(Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD)技術(shù),采用蒸汽驅(qū)開(kāi)采方式，向注汽井連續(xù)注入高溫、高干度蒸汽，蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側(cè)面擴(kuò)展，與油層中的原油發(fā)生熱交換，加熱后的原油和蒸汽冷凝水靠重力作用泄到下面的水平生產(chǎn)井中產(chǎn)出。生產(chǎn)水平井一般是在接近油柱底部油水界面上，蒸汽通過(guò)該水平井上方與前者相平行的第2 ロ水平井或一系列垂直井持續(xù)注入，從而在生產(chǎn)井上方形成蒸汽室。SAGD與水平井技術(shù)相結(jié)合被認(rèn)為是20世紀(jì)末所建立的最著名的油藏工程理論。SAGD的布井方式主要有雙水平井方式、直井水平井聯(lián)合方式及單井SAGD。實(shí)驗(yàn)表明，雙水平井情況下的采油率最高，效果最佳，在相同原油和蒸汽壓カ的情況下，水平井的采油速度大約是垂直井的2-3倍。在水平雙井的鉆井過(guò)程中，通常先打通一口水平井，然后在距離前者的正上方或正下方3-5m的位置打通第二 ロ平行的水平井。SAGD布設(shè)水平雙井的關(guān)鍵在于保證兩ロ水平井處于同一垂直平面內(nèi)。因此，在第二ロ水平井的鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)鉆進(jìn)位置進(jìn)行導(dǎo)航定位，在鉆頭偏離預(yù)定平面時(shí)及時(shí)給于修正。20世紀(jì)90年代，Arthur F. Kuckes等人在專(zhuān)利US005589775A中提出一種針對(duì)SAGD技術(shù)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)算法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SAGD算法)。如圖I所示，該系統(tǒng)在鉆頭后部安裝一永磁體并隨鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生ー個(gè)不斷移動(dòng)的時(shí)變磁場(chǎng)。而在已有水平井中，放置ー個(gè)磁傳感器，井向鉆進(jìn)方向移動(dòng)位置，保持與鉆頭一定的進(jìn)尺間距。通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析，可以得到兩ロ水平井的相對(duì)距離及垂直偏離角度等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)位置的導(dǎo)航定位。然而，該算法在鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中僅通過(guò)對(duì)特定位置磁場(chǎng)的一次測(cè)量進(jìn)行解算，在低信噪比或突發(fā)干擾情況下，其定位結(jié)果的準(zhǔn)確性將變差。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種僅在一次連續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，在不同位置實(shí)現(xiàn)對(duì)同一點(diǎn)的多次測(cè)量，保證鉆井過(guò)程連續(xù)性及抗噪聲和干擾的基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法。
(ニ)技術(shù)方案為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法，包括以下步驟①、在已有井中選取若干目標(biāo)點(diǎn)作為相對(duì)導(dǎo)航定位的參考點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)間隔取為預(yù)定雙井間距Al的4倍，磁傳感器將隨鉆進(jìn)過(guò)程放置于不同目標(biāo)點(diǎn)，劃分各目標(biāo)點(diǎn)作用距離；②、在目標(biāo)點(diǎn)作用距離內(nèi)，磁傳感器記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算總磁場(chǎng)的歸一化幅值；③、選取若干離散的歸ー化幅值作為測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)分別由SAGD算法計(jì)算得到多個(gè)相對(duì)距離r ；④、由上述測(cè)點(diǎn)中提取X、y方向的磁場(chǎng)分量，按照磁場(chǎng)模型解算出多個(gè)其雙井相對(duì)的垂直偏離角度e ；⑤、將多個(gè)測(cè)點(diǎn)的r和0值依次輸入Kalman濾波器，對(duì)于第m次濾波，ら和Qni分別按照相對(duì)幾何位置加權(quán)規(guī)則實(shí)施狀態(tài)轉(zhuǎn)移，給出一歩預(yù)測(cè)值；⑥、對(duì)r和0進(jìn)行濾波更新，得到其濾波估計(jì)；重復(fù)⑤-⑥，直至所有測(cè)點(diǎn)輸入完畢，此時(shí)的濾波估計(jì)即為最終的定位結(jié)果。進(jìn)ー步的技術(shù)方案是，在步驟①中，進(jìn)尺為Z2的目標(biāo)點(diǎn)，其作用距離劃分為鉆頭進(jìn)尺Z1由z2_2 A I變化至z2+2 A I的位置。進(jìn)ー步的技術(shù)方案是，步驟②中計(jì)算歸ー化幅值的具體方法是，磁場(chǎng)模型接收磁傳感器的三軸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)及控制設(shè)備給出的鉆頭進(jìn)尺，記為(Bx(t), By(t), Bz(t), z(t))。將采樣數(shù)據(jù)按磁場(chǎng)變化周期進(jìn)行分段，如圖2所示。其中，第i段數(shù)據(jù)表示如下Bx j (t) -Bx (t) 12 j, (i-i) < ut < 2II iBy i(t) = By(t)し(H) < ポ2“⑴Bz j (t) -Bz (t) 12 j, (i_i) < ut < 2II i對(duì)Bx’“t) By, i (t) Bz, Jt)分別取希爾伯特變換 HKt)] H[By, t (t) ]H[Bz；i (t)],并求取角度‘メ fり=arctan~[■■■■■■■■:',丨■■■■■■
Bxj (,)
HI g \ I我.バ/) = arc_-----——12 )
,, //[/i,.(/)]￠,, (/) = arctan ————
.Kル)以|瓦⑴丨I互4,:)|表示Bju⑴和ん⑴在該周期內(nèi)的平均幅值，則有|Ir(/)| = ^ fo"BXJ(i)sm^XJ(f)d(m/) +(/)| =丄y J , (/}sinK/)d(cot) +1 I Bx y (/)cos, {i)d{iot) (13)
定義 BmJi) = ^K{i)\^\TK-{i)\(14)搜索Bniag 的最大值 B_=max (Bmag)對(duì)Bmag其進(jìn)行歸一化處理Km =IPl
(15)進(jìn)ー步的技術(shù)方案是，步驟③計(jì)算雙井相對(duì)距離具體過(guò)程為SAGD算法給出的磁場(chǎng)模型有如下歸ー化幅值與A z/r關(guān)系式·、座....-1......こ).......童,.....1.....￠........土...5(16)
%/5[1+(Ar Zr)2 '其中，A Z=Z1-Z2, r為兩ロ水平井實(shí)際垂直距尚；繪制上式的關(guān)系曲線(xiàn)圖，選取若干離散歸一化數(shù)值{ nいn2,, nM}，對(duì)于姆一個(gè)，在圖3中找到滿(mǎn)足公式(6)的兩個(gè)解am和bm;同時(shí)，在步驟2得到的B' mag中捜索找到兩個(gè)歸ー化磁場(chǎng)滿(mǎn)足B' mag(im) =B' mag (jm) = nm(17)并由腳標(biāo)提取相應(yīng)的進(jìn)尺
ニ :: (⑴進(jìn)ー步解算出相對(duì)距離
rI: J—2*,2rm =---
am-.bm( 1Q )進(jìn)ー步的技術(shù)方案是，步驟④計(jì)算雙井垂直偏離角度的具體過(guò)程為重新將作用時(shí)段距離內(nèi)的數(shù)據(jù)按如下形式分段=2,...,M-IBxjn (/) = Bx (/)しy2,Tん，m = M(20)By,ffl,小_，cty,ffl,小"分別由與公式(2)相似形式進(jìn)行分段給出；由磁場(chǎng)模型得到如公式(11)所示的0值計(jì)算公式，并將第m段數(shù)據(jù)輸入磁場(chǎng)模型得到的相對(duì)角度記為em0m=rnn2 ^irBxjn (t)sin^ m (t)d(ml),^" Byjtl (/)sin#, ,N (/)d(mi)j (21 )進(jìn)ー步的技術(shù)方案是，步驟⑤對(duì)!■和0 —步預(yù)測(cè)具體過(guò)程為定義rm 0 :第m次濾波的測(cè)量值0—.由第m-1次濾波的ー步預(yù)測(cè)值
i 4 :第m次濾波估計(jì)值pr，m p 0 ,m :第m次濾波方差對(duì)于第m (2彡m彡M)次濾波前的一步預(yù)測(cè)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則為t一=仏が= (爲(wèi) 4(22)其中，,4= rm 1 cos Sm , + Azm sin <pd
B = rn I sin Om + cos % sin 0a·
上式中，當(dāng)m = I 時(shí),$ =り 4 =沒(méi)I進(jìn)ー步的技術(shù)方案是，步驟⑥濾波更新具體步驟為將ー步預(yù)測(cè)值和測(cè)量值輸入Kalman濾波方程fm = + Kr. (rm — Fmlm^l)
aft./*\Oa = 6m m , + Krm (0m - 0mlH^ ]^23)其中，
「 ■! K =^F Po,mr."上式中，o 2為噪聲方差，重復(fù)步驟⑤和⑥，共進(jìn)行M次濾波，輸出Pm和#w作為最終定位結(jié)果。(三)有益效果本發(fā)明采用數(shù)字信號(hào)處理中的濾波方法對(duì)SAGD算法進(jìn)行改迸，改進(jìn)SAGD算法具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)I、僅在一次連續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，在不同位置實(shí)現(xiàn)對(duì)同一點(diǎn)的多次測(cè)量，保證了鉆井過(guò)程的連續(xù)性。2、距離解算過(guò)程采用歸一化磁場(chǎng)，消除了地下不同區(qū)域磁場(chǎng)衰減率不同對(duì)定位的影響。3、通過(guò)對(duì)多次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行Kalman濾波，降低了解算位置的方差，有效提高導(dǎo)航定位的精度。4、有效彌補(bǔ)SAGD算法在低信噪比或突發(fā)干擾情況下導(dǎo)航定位能力不足的缺陷，具有較強(qiáng)的抵抗噪聲和干擾的能力。


圖I為本發(fā)明基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為標(biāo)記點(diǎn)設(shè)置示意圖3三軸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)按變化周期分段示意圖；圖4為相對(duì)距離解算示意圖；圖5為標(biāo)記點(diǎn)I采集的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)圖；圖6和圖7為Kalman濾波過(guò)程圖。為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明提出的改進(jìn)SA⑶算法，具體實(shí)施的原理結(jié)構(gòu)如圖I所示。包括鉆頭、旋轉(zhuǎn)磁體、磁傳感器、標(biāo)記點(diǎn)、控制設(shè)備、磁場(chǎng)模型和Kalman濾波器。鉆頭在目標(biāo)井中不斷向前鉆進(jìn)，旋轉(zhuǎn)磁體安裝于鉆頭上，產(chǎn)生周期時(shí)變的磁場(chǎng)。控制設(shè)備控制鉆頭進(jìn)尺并根據(jù)定位結(jié)果調(diào)整鉆頭姿態(tài)，保持目標(biāo)井與已有井平行且相對(duì)距離固定，同時(shí)將鉆頭進(jìn)尺和姿態(tài)信息送入Kalman濾波器。標(biāo)記點(diǎn)設(shè)置于已有井中，作為鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)航定位的參考點(diǎn)，每當(dāng)鉆頭經(jīng)過(guò)標(biāo)記點(diǎn)時(shí)進(jìn)行一次定位。磁傳感器放置于標(biāo)記點(diǎn)上，采集三軸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并送入磁場(chǎng)模型。磁場(chǎng)模型從磁場(chǎng)數(shù)據(jù)中提入若干測(cè)點(diǎn)，并依次進(jìn)行解算，將單個(gè)測(cè)點(diǎn)的定位結(jié)果作為測(cè)量值輸入Kalman濾波器。Kalman濾波器接收測(cè)量值和進(jìn)尺姿態(tài)數(shù)據(jù)，按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則及濾波更新方程對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波估計(jì)，最終輸出高精度的定位結(jié)果。本發(fā)明提出的改進(jìn)SAGD算法，具體實(shí)施操作流程包括以下步驟I、在已有井中選取若干目標(biāo)點(diǎn)作為相對(duì)導(dǎo)航定位的參考點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)間隔取為預(yù)定雙井間距Al的4倍左右。將磁傳感器放置于第一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上，鉆頭向該目標(biāo)點(diǎn)方向鉆進(jìn)，在其由目標(biāo)點(diǎn)后方2 A I位置進(jìn)尺到前方2 A I位置后，磁傳感器移至第二個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。依次照此法將磁傳感器向第三、四.......個(gè)目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)，如圖2所示。2、當(dāng)磁傳感器放置于進(jìn)尺為z2的目標(biāo)點(diǎn)，在鉆頭進(jìn)尺Z1由z2_2A1變化至z2+2A1的過(guò)程中，磁傳感器記錄整個(gè)作用距離的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，并輸入磁場(chǎng)模型。步驟:T5中磁場(chǎng)模型提取多個(gè)測(cè)點(diǎn)并給出各測(cè)點(diǎn)的定位結(jié)果，具體實(shí)施方式
為3、磁場(chǎng)模型接收磁傳感器的三軸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)及控制設(shè)備給出的鉆頭進(jìn)尺，記為(Bx(t), By(t), Bz(t), z(t))。將采樣數(shù)據(jù)按磁場(chǎng)變化周期進(jìn)行分段，如圖3所示。其中，第i段數(shù)據(jù)表示如下Bx j (t) -Bx (t) 12 j, (i_i) < ut < 2II iByJt) = By(t)し(i_1)<ut< 川(I)Bz j (t) -Bz (t) 12 j, (i-i) < ut < 2II i對(duì)Bx’“t) By’“t) 8ぃ(0分別取希爾伯特變換町8!￡パ(0] H[By；i (t) ]H[Bz；i (t)],并求取角度
權(quán)利要求
1.一種基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法,包括以下步驟 ①、在已有井中按一定間隔選取若干目標(biāo)點(diǎn)作為相對(duì)導(dǎo)航定位的參考點(diǎn)，磁傳感器將隨鉆進(jìn)過(guò)程放置于不同目標(biāo)點(diǎn)，劃分各目標(biāo)點(diǎn)作用距離； ②、在作用距離內(nèi)，磁傳感器記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算總磁場(chǎng)的歸一化幅值； ③、選取若干離散的歸一化幅值作為測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)分別由SAGD算法計(jì)算得到多個(gè)相對(duì)距離r ; ④、由上述測(cè)點(diǎn)中提取X、y方向的磁場(chǎng)分量，按照磁場(chǎng)模型解算出多個(gè)其雙井相對(duì)的垂直偏離角度Θ ； ⑤、將多個(gè)測(cè)點(diǎn)的r和Θ值依次輸入Kalman濾波器，各組r和Θ值按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的幾何位置加權(quán)規(guī)則進(jìn)行一步預(yù)測(cè)； ⑥、對(duì)!■和Θ進(jìn)行濾波更新，得到其濾波估計(jì)； 重復(fù)⑤-⑥，直至所有測(cè)點(diǎn)輸入完畢，此時(shí)的濾波估計(jì)即為最終的定位結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法，其特征在于，在步驟①中，目標(biāo)點(diǎn)間隔取為預(yù)定雙井間距ΛI(xiàn)的4倍。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法,其特征在于,在步驟①中,進(jìn)尺為Z2的目標(biāo)點(diǎn),其作用距離為鉆頭進(jìn)尺Z1由ζ2_2 Δ I變化至ζ2+2 Δ I的位置。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法,其特征在于,步驟②中將連續(xù)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)按周期進(jìn)行離散化，計(jì)算各周期平均幅值，并以最大值為I進(jìn)行歸一化，具體方法是 在作用距離內(nèi)，記錄三軸磁場(chǎng)分量及對(duì)應(yīng)的鉆頭進(jìn)尺，即(Bx(t)，By(t)，Bz(t)，z(t))對(duì)Bx (t) By (t) Bz (t)分別取希爾伯特變換H [Bx (t) ] H [By (t) ] H [Bz (t)]，并求取角度
5.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法，其特征在于，選取一系列歸一化數(shù)值In1, n2，...，nM}作為測(cè)點(diǎn)，分別由SAGD算法計(jì)算得到多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)處雙井相對(duì)距離，具體過(guò)程為 繪制SAGD算法描述的如下歸一化磁場(chǎng)與A z/r關(guān)系曲線(xiàn)
6.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法,其特征在于,步驟④中計(jì)算雙井垂直偏離角度的具體過(guò)程為 重新將作用時(shí)段距離內(nèi)的數(shù)據(jù)按如下形式分段
7.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法，其特征在于， 對(duì)M組r和Θ做Kalman濾波，并以第M次Kalman濾波估計(jì)作為最終定位結(jié)果輸出。
8.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法,其特征在于,步驟⑤中所述的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則的具體方法為 定義
全文摘要
本發(fā)明涉及磁場(chǎng)定位技術(shù)領(lǐng)域。基于Kalman濾波的改進(jìn)SAGD算法，包括①選取若干目標(biāo)點(diǎn)作為相對(duì)導(dǎo)航定位的參考點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)間隔取為預(yù)定雙井間距Δl的4倍；②磁傳感器放置于進(jìn)尺為z2的目標(biāo)點(diǎn)，鉆頭進(jìn)尺z1由z2-2Δl變化至z2+2Δl的位置，磁傳感器記錄整個(gè)作用距離的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，并輸入磁場(chǎng)模型；③由已知的雙井進(jìn)尺z1和z2計(jì)算得到多個(gè)r值；④按照磁場(chǎng)模型解算出多個(gè)其雙井相對(duì)的垂直偏離角度θ；⑤將多個(gè)測(cè)點(diǎn)的r和θ值輸入Kalman濾波器，按一定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則實(shí)施一步預(yù)測(cè)；⑥對(duì)r和θ進(jìn)行濾波更新，得到其濾波估計(jì)；重復(fù)⑤-⑥，直至所有測(cè)點(diǎn)輸入完畢，此時(shí)的濾波估計(jì)即為最終的定位結(jié)果。本方法可保證鉆井過(guò)程連續(xù)性及抗噪聲和抗干擾能力。
文檔編號(hào)E21B47/00GK102787838SQ20121027624
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者龐珂珂, 張亞欣, 張超 申請(qǐng)人:清華大學(xué)