測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀及其測量方法
【專利摘要】一種測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀，包括永久磁鋼鉆鋌，井下探測儀和地面接口箱，永久磁鋼鉆鋌固定在鉆頭后部，與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以提供磁場信號源；井下探測儀包括兩個(gè)三軸磁通門和三個(gè)加速度表；地面接口箱用于對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并給井下探測儀供電，永久磁鋼鉆鋌為斜置安裝的永久磁鋼鉆鋌或垂直與平行組合安裝的永久磁鋼鉆鋌。根據(jù)本發(fā)明的磁場測距儀以及測量方法，能夠直接測量鉆頭和目標(biāo)靶點(diǎn)的相對位置。避免了誤差的積累，實(shí)現(xiàn)了精確測量鉆頭和靶點(diǎn)的相對位置。除在蒸汽輔助重力瀉油(SAGD)、煤層氣開發(fā)等礦產(chǎn)資源的開發(fā)之外，還在隧道穿越、煤礦凍結(jié)建井、密集豎井等施工中，實(shí)現(xiàn)高精度的相對位置測量。
【專利說明】測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀及其測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及一種磁場測距儀及其測量方法，具體地，涉及一種測量鉆井相對距離 的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀及其測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 有了 MWD (隨鉆測量Measure While Drilling)后，定向井和水平井等各種三維軌 跡的井都可以實(shí)現(xiàn)。但是在兩口以上的三維軌跡的井，進(jìn)行對接或保持平行或繞障，MWD的 積累誤差會隨井深增加，只有MWD無法為軌跡控制提供準(zhǔn)確的相對間距。這時(shí)候需要測量 鉆頭與已鉆井的相對間距，消除MWD的積累誤差。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，大多是采用磁場測距的方法實(shí)現(xiàn)相對測量，磁場信號源包括已鉆井 套管磁化的磁場、螺線管在已鉆井中通電流產(chǎn)生磁場和鉆頭上裝永久磁鋼的磁場。由于磁 場的隨距離的三次方衰減，已鉆井套管磁化的磁場敏感距離太近，永久磁鋼比螺線管的敏 感距離遠(yuǎn)，故永久磁鋼最實(shí)用，應(yīng)用范圍最廣。如稠油SAGD井、稠油THAI井、煤層氣對接 井、煤炭地下氣化的U型V型井、煤礦救援井、煤礦凍結(jié)建井中凍結(jié)孔、海洋平臺密集堅(jiān)井、 管線的對接穿越、鹽堿礦的連通、加密井的繞障等施工中，磁場信號源大都采用永久磁鋼的 方式。目前需要提高測量距離和提高測量可信度，需要以永久磁鋼為基礎(chǔ)做多方面改進(jìn)。
[0004] 例如，US5258755采用NS極垂直與鉆頭軸的永久磁鋼再加上一個(gè)NS極平行與 鉆頭軸的螺線管，但是實(shí)際中這個(gè)螺線管的通電難以實(shí)現(xiàn)，只能把螺線管換成永久磁鋼。 US5258755中的螺線管通交變電流，產(chǎn)生交變磁場。永久磁鋼的磁場是不變的。
[0005] CN101799558B提出用兩個(gè)感應(yīng)式磁力儀，形成同步地測量空間兩個(gè)位置的磁場三 分量。一個(gè)感應(yīng)式磁力儀該測量旋轉(zhuǎn)磁鋼產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。另外一個(gè)感應(yīng)式磁力儀測量地 球磁場與加速度表一起建立地球重力和地球磁場坐標(biāo)系。但該方法精度不高。
[0006] US5589775專利提出偶極子的磁場分布計(jì)算間距，但是偶極子的磁場分布受到鉆 頭和螺桿及目標(biāo)井的磁性材料干擾，會影響計(jì)算間距的準(zhǔn)確性。
[0007] US5485089提出用一個(gè)可以移動的螺旋管在已鉆井產(chǎn)生磁場。CN101852078B提出 已鉆井產(chǎn)生磁場，用兩個(gè)螺旋管產(chǎn)生磁場，用MWD的磁通門測量，但是MWD的磁通門的遠(yuǎn)離 鉆頭，測量的數(shù)據(jù)也很少，并且影響MWD的正常工作任務(wù)。
[0008] 因此，如何克服現(xiàn)有技術(shù)中磁場測量的各種缺陷，避免誤差的積累，精確測量鉆頭 和靶點(diǎn)的相對位置成為現(xiàn)有技術(shù)亟需解決的技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提出一種測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀及其測量方法， 精確測量鉆頭和靶點(diǎn)的相對位置
[0010] 為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0011] 一種測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀，包括永久磁鋼鉆鋌，井下探測儀和地 面接口箱，其中，
[0012] 永久磁鋼鉆鋌包括永久磁鋼鉆鋌本體，以及固定在所述永久磁鋼鉆鋌本體內(nèi)部的 多個(gè)永久磁鋼，所述永久磁鋼鉆鋌固定在鉆頭后部，成為旋轉(zhuǎn)磁場短節(jié)，與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)磁場，以提供磁場信號源；
[0013] 所述井下探測儀包括兩個(gè)三軸磁通門和三個(gè)加速度表，所述兩個(gè)三軸磁通門之間 間距固定，對旋轉(zhuǎn)磁場兩個(gè)位置的磁場進(jìn)行測量，加速度表和磁通門在地球重力場和地球 磁場中為磁通門建立坐標(biāo)系；
[0014] 所述地面接口箱用于對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并給井下探測儀供電，所述井下探 測儀和地面接口箱之間通過具有電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)和電源連接。
[0015] 優(yōu)選地，所述永久磁鋼鉆鋌為斜置安裝的永久磁鋼鉆鋌或垂直與平行組合安裝的 永久磁鋼鉆鋌，
[0016] 所述斜置安裝的永久磁鋼鉆鋌為所有永久磁鋼排列成NS極相對縱向軸線的垂直 方向偏一定的角度的方式斜置安裝，
[0017] 所述垂直與平行組合安裝的永久磁鋼鉆鋌為部分永久磁鋼排列成NS相對縱向軸 線垂直，另一部分永久磁鋼排列成與NS極和縱向軸線平行。
[0018] 優(yōu)選地，所述井下探測儀包括兩個(gè)傳感器艙、一個(gè)CPU艙和一個(gè)電源艙，其中兩個(gè) 傳感器艙相隔一定間距，每個(gè)傳感器艙由三個(gè)相互垂直的重力加速度計(jì)和一個(gè)高精度三軸 磁通門傳感器組成，三個(gè)加速度計(jì)的作用是確定井下探測儀的井斜角和重力高邊，給磁通 門建立坐標(biāo)系，三軸磁通門傳感器測量旋轉(zhuǎn)磁場該磁通門傳感器中心處三個(gè)坐標(biāo)軸上的分 量；電源艙從電纜取電，并通過電纜傳輸數(shù)據(jù)；CPU艙采集傳感器艙電壓，并將所采集的兩 個(gè)傳感器艙的電壓數(shù)據(jù)傳送給電源艙。
[0019] 優(yōu)選地，所述電纜為單芯鋼絲電纜。
[0020] 本發(fā)明還公開了一種利用上述的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀對鉆井相對距離進(jìn)行測量的方 法，其特征在于：
[0021] 將旋轉(zhuǎn)磁場短節(jié)安裝在鉆頭上，隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)地產(chǎn)生磁場，井下探測儀放置在 另一個(gè)井中，測量旋轉(zhuǎn)磁場在井下探測儀上的每個(gè)位置上的磁場分量；
[0022] 用磁通門測量的時(shí)間波形和深度的時(shí)間波形構(gòu)建RMtopl、RMsidel、RMforthU RMt 〇p2、RMSide2、RMf〇rth2六個(gè)磁場分量與鉆頭轉(zhuǎn)角和深度的3D圖像、構(gòu)建每個(gè)磁通門位 置處三個(gè)磁場分量的平方和、或每個(gè)位置處兩個(gè)磁場分量的平方和、或六個(gè)磁場分量當(dāng)中 的幾個(gè)分量的其他運(yùn)算與鉆頭轉(zhuǎn)角和深度的3D圖像，讀取這些波形的峰值和峰谷及等值 線所對應(yīng)的鉆頭轉(zhuǎn)角和深度值，結(jié)合推導(dǎo)出的鉆頭轉(zhuǎn)角、鉆頭深度和鉆頭相對已鉆井的間 距與每個(gè)磁通門位置的各個(gè)磁場分量之間的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)標(biāo)定文件計(jì)算和各個(gè)分量之間的 相互關(guān)系，得出鉆頭相對已鉆井的間距和方向；
[0023] 其中RMforth為永久磁鋼鉆鋌的旋轉(zhuǎn)軸方向，RMtop方向?yàn)镽Mforth軸到觀測點(diǎn) 的方向，根據(jù)右手法則確定RMside方向。
[0024] 優(yōu)選地，所述標(biāo)定文件指的是按照應(yīng)用工況，用變形后的磁場分布進(jìn)行標(biāo)定的相 關(guān)系數(shù)文件，用于擬合3D圖像的特征與所求的間距和方向。
[0025] 優(yōu)選地，對于斜置安裝的永久磁鋼鉆鋌，所述函數(shù)關(guān)系為：
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀，包括永久磁鋼鉆鋌，井下探測儀和地面 接口箱，其中， 永久磁鋼鉆鋌包括永久磁鋼鉆鋌本體，以及固定在所述永久磁鋼鉆鋌本體內(nèi)部的多個(gè) 永久磁鋼，所述永久磁鋼鉆鋌固定在鉆頭后部，成為旋轉(zhuǎn)磁場短節(jié)，與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋 轉(zhuǎn)磁場，以提供磁場信號源； 所述井下探測儀包括兩個(gè)三軸磁通門和三個(gè)加速度表，所述兩個(gè)三軸磁通門之間間距 固定，對旋轉(zhuǎn)磁場兩個(gè)位置的磁場進(jìn)行測量，加速度表和磁通門在地球重力場和地球磁場 中為磁通門建立坐標(biāo)系； 所述地面接口箱用于對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并給井下探測儀供電，所述井下探測儀 和地面接口箱之間通過具有電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)和電源連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀，其特征在于： 所述永久磁鋼鉆鋌為斜置安裝的永久磁鋼鉆鋌或垂直與平行組合安裝的永久磁鋼鉆 鋌， 所述斜置安裝的永久磁鋼鉆鋌為所有永久磁鋼排列成NS極相對縱向軸線的垂直方向 偏一定的角度的方式斜置安裝， 所述垂直與平行組合安裝的永久磁鋼鉆鋌為部分永久磁鋼排列成NS相對縱向軸線垂 直，另一部分永久磁鋼排列成與NS極和縱向軸線平行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀，其特征在于： 所述井下探測儀包括兩個(gè)傳感器艙、一個(gè)CPU艙和一個(gè)電源艙，其中兩個(gè)傳感器艙相 隔一定間距，每個(gè)傳感器艙由三個(gè)相互垂直的重力加速度計(jì)和一個(gè)高精度三軸磁通門傳感 器組成，三個(gè)加速度計(jì)的作用是確定井下探測儀的井斜角和重力高邊，給磁通門建立坐標(biāo) 系，三軸磁通門傳感器測量旋轉(zhuǎn)磁場該磁通門傳感器中心處三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量；電源艙 從電纜取電，并通過電纜傳輸數(shù)據(jù)；CPU艙采集傳感器艙電壓，并將所采集的兩個(gè)傳感器艙 的電壓數(shù)據(jù)傳送給電源艙。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量鉆井相對距離的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀，其特征在于： 所述電纜為單芯鋼絲電纜。
5. -種利用權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)磁場測距儀對鉆井相對距離進(jìn)行測 量的方法，其特征在于： 將旋轉(zhuǎn)磁場短節(jié)安裝在鉆頭上，隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)地產(chǎn)生磁場，井下探測儀放置在另一 個(gè)井中，測量旋轉(zhuǎn)磁場在井下探測儀上的每個(gè)位置上的磁場分量； 用磁通門測量的時(shí)間波形和深度的時(shí)間波形構(gòu)建RMtopI、RMsideI、RMforthI、RMtop2、 RMside2、RMforth2六個(gè)磁場分量與鉆頭轉(zhuǎn)角和深度的3D圖像、構(gòu)建每個(gè)磁通門位置處三 個(gè)磁場分量的平方和、或每個(gè)位置處兩個(gè)磁場分量的平方和、或六個(gè)磁場分量當(dāng)中的幾個(gè) 分量的其他運(yùn)算與鉆頭轉(zhuǎn)角和深度的3D圖像，讀取這些波形的峰值和峰谷及等值線所對 應(yīng)的鉆頭轉(zhuǎn)角和深度值，結(jié)合推導(dǎo)出的鉆頭轉(zhuǎn)角、鉆頭深度和鉆頭相對已鉆井的間距與每 個(gè)磁通門位置的各個(gè)磁場分量之間的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)標(biāo)定文件計(jì)算和各個(gè)分量之間的相互關(guān) 系，得出鉆頭相對已鉆井的間距和方向； 其中RMforth為永久磁鋼鉆鋌的旋轉(zhuǎn)軸方向，RMtop方向?yàn)镽Mforth軸到觀測點(diǎn)的方 向，根據(jù)右手法則確定RMside方向。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的對鉆井相對距離進(jìn)行測量的方法，其特征在于： 所述標(biāo)定文件指的是按照應(yīng)用工況，用變形后的磁場分布進(jìn)行標(biāo)定的相關(guān)系數(shù)文件， 用于擬合3D圖像的特征與所求的間距和方向。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的對鉆井相對距離進(jìn)行測量的方法，其特征在于： 對于斜置安裝的永久磁鋼鉆鋌，所述函數(shù)關(guān)系為：
其中，U為永久磁鋼鉆鋌所在介質(zhì)的導(dǎo)磁率，M為磁矩矢量，a為永久磁鋼鉆鋌的旋轉(zhuǎn) 角度，h為觀察點(diǎn)到RMforth軸的距離，s為觀察點(diǎn)在RMforth軸上的對應(yīng)位置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的對鉆井相對距離進(jìn)行測量的方法，其特征在于： 對于垂直與平行組合安裝的永久磁鋼鉆鋌，所述函數(shù)關(guān)系
其中，U為永久磁鋼鉆鋌所在介質(zhì)的導(dǎo)磁率，M為磁矩矢量，a為永久磁鋼鉆鋌的旋轉(zhuǎn) 角度，h為觀察點(diǎn)到RMforth軸的距離，s為觀察點(diǎn)在RMforth軸上的對應(yīng)位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的對鉆井相對距離進(jìn)行測量的方法，其特征在于： 當(dāng)在成對水平井中測量兩個(gè)井的間距時(shí)，在一個(gè)鉆桿結(jié)束后，有兩個(gè)測量結(jié)果，冗余數(shù) 據(jù)提高置信度，除間距與間距高邊角之外，還能測出鉆頭軸線與已鉆井軸線的角度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的對鉆井相對距離進(jìn)行測量的方法，其特征在于： 當(dāng)在垂直對接井和水平對接井中測量兩個(gè)井的間距時(shí)，用所述兩個(gè)三軸磁通門能夠得 到冗佘計(jì)算結(jié)果，用這兩個(gè)三軸磁通門的已知間距實(shí)時(shí)標(biāo)定計(jì)算結(jié)果，提高數(shù)據(jù)的可信度 和準(zhǔn)確性。
【文檔編號】E21B47/092GK104343438SQ201410456837
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】張躍, 林原, 李攀攀, 曹晨嘯 申請人:北京納特斯拉科技有限公司