一种确定正钻井中靶点位置的磁定位方法
技术领域
本发明涉及连通井、防碰测距及救援井的技术领域，特别涉及一种钻井过程中确定正钻井中靶点位置的磁定位方法。
背景技术
在石油、地矿等能源领域，钻井工程是资源开发的一个关键环节。诸如寻找和证实含油田构造、获得工业流油、探明已证实的含油气构造的含有面积和储量，取得有关油田的地质资料和开发数据，最后将原油从地下取到地面上来等等，无以不是通过钻井来完成的。随着油田勘探开发工作的深入，对钻井工程技术的要求越来越高，钻井工程已发展了水平井、大位移井、多分支井、连通井等各种复杂结构井，而复杂结构井如定向井投入成本大、定位精度高，给测井钻井技术提出了更高的要求，如定向井、连通井要求中靶精度高。
传统的测井水平只提供钻具的方位和倾角，并不能直接提供钻头与靶点的相对位置参数，难以避免误差累积，因此无法满足复杂结构井钻井技术高可靠、高精度导向定位以及抗干扰的技术需求。现有计算中虽然已经提出了计算出正钻井中靶点位置的方案，但是由于靶点按顺时针旋转一周，其磁场强度在这一个周期会出现两组最大值和最小值，因此所求靶点的磁方位并不具有唯一性，难以准确确定靶点的位置，明确正钻井靶点的位置，容易出现误差积累，导致中靶精度低等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能够准确并且唯一的确定正钻井中靶点位置的磁定位方法，通过该方法探测正钻井和已钻井之间的距离及方位，明确正钻井靶点的位置，进而指导正钻井钻进，最终达到正钻井和已钻井连通或避免正钻井和已钻井连通的目的。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种确定正钻井中靶点位置的磁定位方法，包括以下步骤：
步骤1、已钻井的测量探管上两组磁通门同时采集正钻井中靶点位置产生的磁场数据；其中已钻井的测量探管上两组磁通门的方位相同且具有固定高度差；
步骤2、将步骤1中两组磁通门采集的靶点位置磁场数据作为磁定位方位的输入，并且根据磁定位方位的输入计算每组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最大值、磁场强度的最小值、磁场强度最大值时分量值以及磁场强度最小值时的分量值；
步骤3、根据每组磁通门与靶点位置处每个周期磁场强度取最大值以及最小值时的磁方位关系获取靶点位置相对于每组磁通门的位置坐标；
步骤4、根据靶点位置相对于每组磁通门的位置坐标，结合两组磁通门之间的固定高度确定靶点位置的最终位置坐标。
优选的，所述每组磁通门中包括有三个分量的磁通门，其中每组的三个分量磁通门两两相互正交，正交的方向分别为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，其中X轴方向指的是上下方向、Y轴方向指的左右方向，Z轴方向为前后方向。
更进一步的，所述步骤3中靶点位置相对于其中一组磁通门的位置坐标(x,y,z)通过如下公式进行求取：
![]()
其中Bx0、By0和Bz0为该组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最小值BTmin时，对应该组磁通门中三个磁通门采集的磁场强度的分量值，即最小磁场强度时，X、Y和Z三轴的磁场强度分量值；其中Bx1、By1和Bz1为该组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最大值BTmax时，对应该组磁通门中三个磁通门采集的磁场强度的分量值，即最大磁场强度时，X、Y和Z三轴的磁场强度分量值；r为该组磁通门与靶点之间的距离；θ为每组磁通门和靶点之间的连线与靶点前进方向的夹角；α为该组磁通门获取的最大磁场强度时磁场的方向和靶点前进方向的夹角；
其中
r=μ0m4π|BTmin|3;]]>
θ=12·arccos(5-2·(BTmax xBTmin)23);]]>
α=arcsin((BTmaxBTmin)2-2(BTmaxBTmin));]]>
所述步骤3中靶点位置相对于另一组磁通门的位置坐标(x′,y′,z′)通过如下公式进行求取：
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其中Bx0′、By0′和Bz0′为该组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最小值BTmin′时，对应该组磁通门中三个磁通门采集的磁场强度的分量值，即最小磁场强度时，X、Y和Z三轴的磁场强度分量值；其中Bx1′、By1′和Bz1′为该组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最大值BTmax时，对应该组磁通门中三个磁通门采集的磁场强度的分量值，即最大磁场强度时，X、Y和Z三轴的磁场强度分量值；r′为该组磁通门与靶点之间的距离；θ′为该组磁通门和靶点之间的连线与靶点前进方向的夹角；α′该组磁通门获取的最大磁场强度时磁场的方向和靶点前进方向的夹角；
其中
r′=μ0m4π|BTmin′|3;]]>
θ′=12·arccos(5-2·(BTmax′xBTmin′)23);]]>
α′=arcsin((BTmax′BTmin′)2-2(BTmax′BTmin′));]]>
其中μ0＝4π*10-7为磁常数，是一个固定值，m是磁偶极子的磁矩。
更进一步的，所述步骤4中靶点位置的唯一坐标值通过以下方式获取：
步骤4-1、将步骤3中获取的靶点位置相对于每组磁通门的位置坐标代入到以下式中：
x=x′+hy=y′z=z′;]]>
其中h为两组磁场强度的固定高度差；
步骤4-2、将满足上述公式的靶点位置相对于每组磁通门的位置坐标确定为靶点的最终位置坐标。
更进一步的，所述步骤1中两组磁通门采集后的磁场数据运用带通滤波器进行滤波后再作为磁定位方位的输入。
由于靶点按顺时针旋转一周，其磁场强度在这一个周期会出现两组最大值和最小值，因此本发明方法在步骤3中求出的靶点位置相对于其中一组磁通门的位置坐标(x,y,z)存在两种结果(x,y,z)＝(a1,b1,c1)和(x,y,z)＝(e1,f1,g1)，同样求出的靶点位置相对于另一组磁通门的位置坐标(x′,y′,z′)也存在两种结果(x′,y′,z′)＝(a2,b2,c2)和(x′,y′,z′)＝(e2,f2,g2)；本发明方法的步骤4中将(x,y,z)＝(a1,b1,c1)和(x,y,z)＝(e1,f1,g1)时以及(x′,y′,z′)＝(a2,b2,c2)和(x′,y′,z′)＝(e2,f2,g2)时分别代入到步骤4-1的式中，将满足步骤4-1中等式的结果相应分别作为(x,y,z)和(x′,y′,z′)的最终结果，即靶点的最终位置坐标，以获取到靶点位置的唯一位置坐标。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明通过已钻井的测量探管上的两组具有固定高度差且方位相同的磁通门同时采集正钻井中靶点位置产生的磁场数据，根据磁通门采集的磁场数据获取到靶点位置与两组磁通门的相对位置坐标，然后通过两组磁通门之间的固定高度差确定靶点位置的最终唯一的位置坐标，从而最终确定正钻井中的靶点位置，获知正钻井和已钻井之间的距离及方位，明确正钻井的位置，在不影响测量精度的范围下，准确计算出正钻井中靶点的位置，为正钻井和已钻井提供理论依据。在石油测井系统中，通过本发明靶点磁方位的准确定位实现两口井的连通或避免连通，提高油气井的产量和采收率，亦可以用作救援井等。
附图说明
图1是本发明方法为两井连通的过程示意图。
图2是本发明方法中已钻井测量探管上安装的两组磁通门位置关系示意图。
图3a和3b分别是本发明方法中各两组磁通门与靶点的测量计算示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例公开了一种确定正钻井中靶点位置的磁定位方法，包括以下步骤：
步骤1、如图1所示，已钻井3的测量探管2上两组磁通门同时采集正钻井4中钻头1的磁工装(即靶点位置)产生的磁场数据，并且运用带通滤波器对每组磁通门采集的磁场数据进行滤波处理，以对环境噪声进行滤波。如图2所示，在已钻井3的测量探管2上安装的两组磁通门31，33具有固定高度差h且方位相同；其中本实施例中每组磁通门中包括有三个分量的磁通门，每组的三个分量磁通门两两相互正交，正交的方向分别为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，其中X轴方向指的是上下方向，Y轴方向指的左右方向，Z轴方向为前后方向。
步骤2、将步骤1中两组磁通门采集的并且滤波处理后的靶点位置磁场数据作为磁定位方位的输入，并且根据磁定位方位的输入计算每组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最大值、磁场强度的最小值、磁场强度最大值时分量值以及磁场强度最小值时的分量值。
步骤3、根据每组磁通门与靶点位置处每个周期磁场强度取最大值以及最小值时的磁方位关系，获取靶点位置相对于每组磁通门的位置坐标，具体获取过程如下：
本步骤中靶点位置相对于其中一组磁通门的位置坐标(x,y,z)通过如下公式进行求取：
![]()
其中Bx0、By0和Bz0为该组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最小值BTmin时，对应该组磁通门中三个磁通门采集的磁场强度的分量值，即最小磁场强度时，X、Y和Z三轴的磁场强度分量值；其中Bx1、By1和Bz1为该组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最大值BTmax时，对应该组磁通门中三个磁通门采集的磁场强度的分量值，即最大磁场强度时，X、Y和Z三轴的磁场强度分量值；如图3a所示，r指该组磁通门与靶点之间的距离，θ为该组磁通门31和靶点32之间的连线与靶点前进方向的夹角，α为该组磁通门31获取 的最大磁场强度时磁场的方向和靶点的前进方向的夹角，其中靶点32的前进方向如图3a中的靶点位置出发的箭头所示；
其中
r=μ0m4π|BTmin|3;]]>
θ=12·arccos(5-2·(BTmaxxBTmin)23);]]>
α=arcsin((BTmaxBTmin)2-2(BTmaxBTmin));]]>
其中μ0＝4π*10-7为磁常数，是一个固定值，m是磁偶极子的磁矩。
本步骤中靶点位置相对于另一组磁通门的位置坐标(x′,y′,z′)通过如下公式进行求取：
![]()
其中Bx0′、By0′和Bz0′为该组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最小值BTmin′时，对应该组磁通门中三个磁通门采集的磁场强度的分量值，即最小磁场强度时，X、Y和Z三轴的磁场强度分量值；其中Bx1′、By1′和Bz1′为该组磁通门采集的磁场数据在每个周期磁场强度的最大值BTmax时，对应该组磁通门中三个磁通门采集的磁场强度的分量值，即最大磁场强度时，X、Y和Z三轴的磁场强度分量值；如图3b所示，r′为该组磁通门与靶点之间的距离；θ′为该组磁通门33和靶点32之间的连线与靶点前进方向的夹角；α′该组磁通门33获取的最大磁场强度时磁场的方向和靶点前进方向的夹角，其中靶点32的前进方向如图3b中的靶点位置出发的箭头所示。
其中
r′=μ0m4π|BTmin′|3;]]>
θ′=12·arccos(5-2·(BTmax′xBTmin′)23);]]>
α′=arcsin((BTmax′BTmin′)2-2(BTmax′BTmin′));]]>
其中μ0＝4π*10-7为磁常数，是一个固定值，m是磁偶极子的磁矩。
步骤4、根据靶点位置相对于每组磁通门的位置坐标，结合两组磁通门之间的固定高度确定靶点位置的坐标值：
步骤4-1、将步骤3中获取的靶点位置相对于每组磁通门的位置坐标代入到以下式中：
x=x′+hy=y′z=z′;]]>
其中h为两组磁场强度的固定高度差；
步骤4-2、将满足上述公式的靶点位置相对于每组磁通门的位置坐标确定为靶点的最终位置坐标，以确定出正钻井和已钻井之间的距离及方位，明确正钻井的位置，进而指导正钻井钻进。
由于靶点按顺时针旋转一周，其磁场强度在这一个周期会出现两组最大值和最小值，即在步骤3中求出的靶点位置相对于其中一组磁通门的位置坐标(x,y,z)存在两种结果(x,y,z)＝(a1,b1,c1)和(x,y,z)＝(e1,f1,g1)，同样求出的靶点位置相对于另一组磁通门的位置坐标(x′,y′,z′)也存在两种结果(x′,y′,z′)＝(a2,b2,c2)和(x′,y′,z′)＝(e2,f2,g2)；本实施例步骤4中将(x,y,z)＝(a1,b1,c1)和(x,y,z)＝(e1,f1,g1)时以及(x′,y′,z′)＝(a2,b2,c2)和(x′,y′,z′)＝(e2,f2,g2)时分别代入到步骤4-1的式中，将满足步骤4-1中等式的结果相应分别作为(x,y,z)和(x′,y′,z′)的最终结果，即靶点的最终位置坐标，以获取到靶点位置的唯一位置坐标。例如当(x,y,z)＝(a1,b1,c1)以及(x′,y′,z′)＝(a2,b2,c2)满足步骤4-1中的等式时，则靶点位置相对于其中一组磁通门的最终位置坐标确定为(x,y,z)＝(a1,b1,c1)，相对于另一组磁通门的最终位置坐标确定为(x′,y′,z′)＝(a2,b2,c2)。
本实施例通过已钻井中测量探管上的两组六个磁通门对正钻井中动态旋转磁偶极子(即磁工装或靶点位置)的磁场信号进行采集，通过本发明方法对磁场信号的分析，就可唯一的确定磁偶极子的位置，通过磁偶极子的位置就能够确定正钻井靶点的距离和方位。通过本实施例方法明确正钻井靶点的位置，探测正钻井和已钻井之间的距离及方位，进而指导正钻井钻进，最终达到正钻井 和已钻井连通或避免正钻井和已钻井连通的目的，提高油气井的产量和采收率，亦可以用作救援井等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。