一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201010234902.3

申请日:

2010.07.21

公开号:

CN101929310A

公开日:

2010.12.29

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):E21B 7/04申请日:20100721|||公开

IPC分类号:

E21B7/04; E21B44/00

主分类号:

E21B7/04

申请人:

北京航空航天大学

发明人:

宗艳波; 史晓锋; 林国钧

地址:

100191 北京市海淀区学院路37号

优先权:

专利代理机构:

北京永创新实专利事务所 11121

代理人:

赵文利

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内容摘要

本发明公开了一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法,包括以下几个步骤:步骤一:通过近钻头处的磁场信号获取同相参考分量I和正交参考分量Q;步骤二:获取目标靶点处椭圆极化磁场的特征信号HIQ;步骤三:获取钻头与目标靶点间的相对方位;步骤四:获取钻头与目标靶点间的相对距离;步骤五:通过钻头与目标靶点间的相对方位和相对距离,控制钻头向目标靶点精确钻进;本发明突破传统几何导向技术中近钻头坐标和目标靶点坐标分别独立测量的方法,由低频交变磁场将近钻头和目标靶点直接联系起来,直接测量钻头和目标靶点的相对位置关系,避免传统几何导向技术中的误差积累,从目标靶点端引导钻头钻进。

权利要求书

1.一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法,其特征在于,包括以下几个步骤:步骤一:通过近钻头处的磁场信号获取同相参考分量I和正交参考分量Q;在距离钻头一定距离处,设置磁场,三轴加速度计测量重力矢量G分别在X轴、Y轴、Z轴上的重力加速度分量Gx、Gy、Gz;三轴高灵敏度磁通门测量地球的地磁信号Hdc和钻头处磁场的低频交变磁信号Hac,其中地磁信号为地球固有;三轴高灵敏度磁通门测量地磁信号Hdc分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分量Hdcx、Hdcy、Hdcz,地磁信号分量为直流分量;三轴高灵敏度磁通门测量低频交变磁信号Hac分别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交变磁信号分量Hacx、Hacy、Hacz,低频交变磁信号分量为交流分量;获取钻头处的磁场信号,判断磁场信号是否属于交变磁信号,如果是交变磁信号,则对Hacz进行希尔伯特变换,构造测量信号正交解调所需的同相参考分量I和正交参考分量Q;希尔伯特变换为:Hzh(t)=1π-+Hz(τ)t-τ---(1)]]>其中,Hzh(t)是信号Hz(t)的希尔伯特变换信号,Hz(t)即为Hacz,正交解调所需的参考信号由Hzh(t)获得,分别取Hzh(t)的实部Real(Hzh(t))与虚部Image(Hzh(t)),参考信号wt为:wt=tg-1(Image(Hzh(t))Real(Hzh(t)))---(2)]]>则同相参考分量I,正交参考分量Q分别为:I=cos(wt)(3)Q=sin(wt)步骤二:获取目标靶点处椭圆极化磁场的特征信号HIQ通过同相参考分量I和正交参考分量Q分别对三轴交变磁信号Hacx、Hacy、Hacz进行正交解调得到同相分量HI=[HIX,HIY,HIZ]和正交分量HQ=[HQX,HQY,HQZ];其中:HIj=Hjcos(wt)dt;j=X,Y,ZHQj=Hjsin(wt)dt;j=X,Y,Z---(4)]]>通过公式(4)对Hacx、Hacy、Hacz进行正交解调后,得到表征目标端磁场特征信号的同相分量HI和正交分量HQ;则椭圆极化的磁场特征信号HIQ可由公式(5)得出:HIQ=HI×HQ    (5)步骤三:获取钻头与目标靶点间的相对方位;钻头与目标靶点间的相对倾斜角α、目标靶点的特征方位角由特征信号HIQ表示为:α=tg-1(HIQXHIQZ)---(6)]]>其中:HIQX为特征信号HIQ在X轴的分量;HIQY为特征信号HIQ在Y轴的分量;HIQZ为特征信号HIQ在Z轴的分量;钻头与目标靶间的相对方位角θ与目标靶点的特征方位角点之间存在以下关系:其中:θ为钻头与目标靶点之间的相对方位角;当目标靶点的特征方位角由公式(7)解算后,采用查表插值法实现已知特征方位角计算钻头与目标靶点之间的相对方位角θ,包括以下步骤:1)设定θn为0到90°之间的整数,当θn=0时,当θn=90°时,则0≤θn≤90°,对任意θn得到相应的θn=1°,2°,...,89°(9)建立映射表其中n=0,1,2,...,90;2)如果公式(7)得到的查询映射表则与对应的θ即为相对方位角;3)如果公式(7)得到的则设找出所在的区间其中kn为斜率,则与对应的相对方位角θi为:步骤四:获取钻头与目标靶点间的相对距离;短轴Hmin为HIQ信号幅度的最小值,则短轴Hmin与距离r的关系为:r=M4πHmin3---(12)]]>其中:M为已知磁矩,则钻头与目标靶点之间的距离可由公式(12)测得;步骤五:通过钻头与目标靶点间的相对方位和相对距离,控制钻头钻进;通过钻头与目标靶点之间的相对倾斜角、相对方位角和相对距离,确定钻头与目标靶点的相对位置信息,引导钻头向目标靶点钻进。

说明书

一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于有源交变磁场信息的钻井轨迹引导定位方法,属于高精度导向钻井技术领域。

背景技术

在石油和地矿行业,钻井、测井工程是开采必不可少的关键环节之一。复杂结构井包括水平井、大位移井、多分支井、连通井和原井再钻等,对油气矿藏实行高效的立体式开发发挥着重要作用。

几何导向钻井是现代导向钻井技术中非常重要的组成部分,仍是目前测井、钻井中采用的主要方法。几何导向是指在开发成熟油田的钻井地质情况完全清楚、几乎不存在地质不确定性问题时,按设计的三维井眼轨迹空间几何位置进行导向与控制,具有较高的控制精度。而复杂结构井投入成本大,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,甚至达到1米以内;稠油热采成对平行井要求两口平行井走向一致,且保持一定的间距,如间距10米。以往的几何导向技术,如早期普遍认可的电子单多点测量、捷联惯导,连续测斜仪等传统导向技术不能完全满足需求。原因之一是传统导向技术没有考虑到复杂结构井中待钻井眼与目标靶点或参考井眼之间的内在关系,仅以大地参考系为依据,各自独立测量,属于开环控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有导向技术定位精度不足的问题,提出一种基于有源交变磁场信息的高精度钻井轨迹引导定位方法。本发明通过在近钻头端激发人工交变磁场,在目标靶点测量该交变磁场信息,由所测交变磁场信号得到目标靶点处被椭圆极化磁场的特征信号,由该特征信号解算表征近钻头与目标靶点之间相对位置关系的参数,该参数包括相对倾斜角,相对方位角以及相对距离。利用以上参数由目标靶点引导钻头向目标靶点精确钻进。

本发明公开了一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法,包括以下几个步骤:

步骤一:通过近钻头处的磁场信号获取同相参考分量I和正交参考分量Q;

步骤二:获取目标靶点处椭圆极化磁场的特征信号HIo

步骤三:获取钻头与目标靶点间的相对方位;

步骤四:获取钻头与目标靶点间的相对距离;

步骤五:通过钻头与目标靶点间的相对方位和相对距离,控制钻头向目标靶点精确钻进;

本发明的优点在于:

(1)突破了传统几何导向技术中近钻头坐标和目标靶点坐标分别独立测量的方法,由低频交变磁场将近钻头和目标靶点直接联系起来,直接测量钻头和目标靶点的相对位置关系,避免了传统几何导向技术中的误差积累,从目标靶点端引导钻头钻进,为闭环控制钻头向目标靶点精确钻进提供了可行方案;

(2)本发明利用希尔伯特变换产生参考信号,并用于交变磁场信号的解调,得到了目标靶点处被椭圆极化磁场的特征信号,解决了钻进过程中非均匀旋转引起的非周期交变磁信号的特征信号提取问题;

(3)本发明利用目标靶点处的椭圆极化磁场的特征信号解决了钻头与目标靶点间的相对倾斜角的计算问题,利用查表插值法解决了由目标靶点的特征方位角求解钻头与目标靶间的相对方位角的问题,本发明利用目标靶点处椭圆极化磁场的短轴解决了钻头与目标靶点间相对距离的解算问题,从而利用近钻头交变磁场信息得到钻头与目标靶点之间的相对方位和距离信息;

(4)本发明可满足精度较高的导向钻井需求,如稠油热采中蒸汽辅助重力泄油所需的成对平行井钻井,煤层气开发所需的水平对接连通井钻井等复杂结构井的高精度引导定位问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图;

图2是本发明近钻头人工磁极系模块的结构示意图;

图3是本发明目标端井下测量单元的结构示意图;

图4是本发明目标端地面单元的结构示意图;

图5是本发明目标端传感器安装结构示意图;

图6是本发明目标端井下测量电路框图;

图7为本发明目标端地面单元的信号传递关系图;

图8是本发明的方法流程图;

图9是本发明的磁场分布示意图;

图10是本发明的钻头与目标靶点间的相对方位和距离示意图;

图11是本发明的步骤三中获取相对方位角θ的流程图。

图中:

1-近钻头人工磁极模块  2-目标端模块      3-源端控制模块

4-目标端井下测量单元  5-目标端地面单元  6-绞车

7-远距离传输单元      8-单芯电缆        9-钻头

10-钻铤

301-司钻指示控制单元     302-钻杆         303-随钻测量模块

401-减震定位装置         402-传感器舱     403-电路舱

404-微机舱               405-电源舱       406-磁定位舱

407-马笼头               408-外壳         409-三轴加速度计

410-三轴高灵敏度磁通门   411-RC滤波电路   412-OP27放大器

413-CPU                  414-数据采集电路 415-通信驱动电路

501-测井车               502-计算机       503-接口箱

504-打印机               505-远程传输接口 506-接口箱通信驱动电路

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种交变磁场导向装置,如图1所示,该装置包括近钻头人工磁极模块1、目标端模块2和源端控制模块3;

近钻头人工磁极模块1发射低频交变磁场信号,目标端模块2采集近钻头人工磁极模块1所发射的低频交变磁场信号,并解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离,钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息通过目标端模块2的远距离传输单元7传输至源端控制模块3的司钻指示控制单元301,由司钻指示控制单元301根据所收到的钻头9与目标靶点间的相对方位和距离信息调整钻头9的钻进方向,实现控制钻头9向目标靶点精确钻进的目的。

所述的近钻头人工磁极模块1,如图1、如图2所示,靠近钻头9一定距离,如0.3米处,在钻铤10的剖面上打六个通孔,在六个通孔中嵌入六组交流线圈,每两个交流线圈间隔30°,交流线圈内的交流激励电流相位两两相差π/6,通电线圈保持不动,产生磁场,通过交流电流激励产生磁场为目标端模块2的目标端井下测量单元4提供磁信号源。

目标端模块2包括目标端井下测量单元4、目标端地面单元5、绞车6和远距离传输单元7;

目标端井下测量单元4如图3,包括减震定位装置401、传感器舱402、电路舱403、微机舱404、电源舱405、磁定位舱406、马笼头407和外壳408,目标端井下测量单元4具备常规的几何测井功能之外,还具有高灵敏度磁探测功能,传感器舱402、电源舱405与微机舱404构成了目标端井下测量单元4的核心。减震定位装置401、传感器舱402、电路舱403、微机舱404、电源舱405、磁定位舱406位于外壳408内,减震定位装置401由金属弹簧和金属导向杆组成,为现有技术,安装在目标端井下测量单元4的最前端,具有定位和减震作用,与外壳408以机械螺纹连接。传感器舱402包括一组三轴加速度计409(分别为A1、A2和A3)和一组三轴高灵敏度磁通门410(分别为M1、M2和M3),如图4所示,设传感器舱402的轴线方向为Z轴,与轴线方向垂直的平面,设定相互正交的X轴、Y轴方向,X轴、Y轴、Z轴两两相互正交。三轴加速度计409和三轴高灵敏度磁通门410的三个轴向方向分别在X轴、Y轴、Z轴方向,在加工中通过精密校准,保证三轴加速度计409和三轴高灵敏度磁通门410的各轴方向保持一致。三轴加速度计409测量重力矢量G分别在X轴、Y轴、Z轴上的重力加速度分量Gx、Gy、Gz;三轴高灵敏度磁通门410所测信号包括地磁信号Hdc和低频交变磁信号Hac,其中地磁信号为地球固有,低频交变磁信号由近钻头人工磁极模块1产生。三轴高灵敏度磁通门409测量地磁信号Hdc分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分量Hdcx、Hdcy、Hdcz,地磁信号分量为直流分量;三轴高灵敏度磁通门410测量低频交变磁信号Hac分别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交变磁信号分量Hacx、Hacy、Hacz,低频交变磁信号分量为交流分量。传感器舱402与电路舱403通过航空多芯电缆连接,将三轴加速度计409所测的重力加速度分量Gx、Gy、Gz,三轴高灵敏度磁通门410所测的地磁信号分量Hdcx、Hdcy、Hdcz和低频交变磁信号分量Hacx、Hacy、Hacz传输至电路舱403。

电路舱403接收并调理传感器舱402提供的原始信号,如图5所示,电路舱403接收三轴加速度计409测量的重力矢量三轴的加速度分量Gx,Gy,Gz;接收三轴高灵敏度交流磁通门410测量的直流分量Hdcx、Hdcy、Hdcz和交流分量Hacx、Hacy、Hacz。电路舱403采用RC滤波电路411将三轴高灵敏度交流磁通门410测量的直流分量与交流分量分离,采用OP27放大器412将加速度分量Gx,Gy,Gz、直流分量Hdcx,Hdcy,Hdcz、交流分量Hacx,Hacy,Hacz的信号幅度调整到±10伏以内,并通过航空多芯电缆传输给微机舱404,供微机舱404进行数据采集。微机舱404包括CPU413、数据采集电路414和通信驱动电路415,完成对来自电路舱403的信号采集、控制及目标端井下测量单元4与目标端地面单元5之间的通讯。数据采集电路414采用具有16位分辨率的多路同步模拟-数字转换芯片AD7656,如图5所示,在CPU413的控制下,通过数据采集电路414采集Gx、Gy、Gz、Hdcx、Hdcy、Hdcz、Hacx、Hacy、Hacz。通信驱动电路415将所采集的数据进行曼彻斯特编码,并通过单芯电缆8上传至目标端地面单元5。微机舱404与电源舱405通过航空多芯电缆连接。电源舱405为目标端井下测量单元4提供多组电压。电源舱405通过单芯电缆8从地面获得的交流电压转换为目标端井下测量单元4所需的±5V(2A)、±12V(1A)四组直流电压。通过航空多芯电缆向传感器舱402、电路舱403、微机舱404和磁定位舱406供电。磁定位舱406负责测量井深,为目标端井下测量单元4提供深度数据。井深数据通过单芯电缆8传输至目标端地面单元5。马笼头407为现有技术,其两端分别连接单芯电缆8和磁定位舱406。单芯电缆8通过马笼头407将目标端井下测量单元4和绞车6可靠连接,是目标端井下测量单元4和目标端地面单元5通信的信道,通过调节单芯电缆8的长度实现目标端井下测量单元4的深度调节。

目标端地面单元5如图6所示,包括测井车501、计算机502、接口箱503和打印机504。计算机502、接口箱503和打印机504位于测井车501内。如图7所示,接口箱503包括远程传输接口505和接口箱通信驱动电路506;接口箱503配置有数传电台、网络、电缆三种不同的远程传输接口505,用于与远程数据传输单元7进行数据传输,远程数据传输单元7可不依赖于某一具体方案,只要能够实现目标端地面单元5与司钻指示控制单元301之间的远距离数据传输即可。接口箱503通过接口箱通信驱动电路506接收由单芯电缆8输出的加速度分量Gx、Gy、Gz、地磁信号分量Hdcx、Hdcy、Hdcz和低频交变磁信号Hacx、Hacy、Hacz,并将输入计算机502,计算机502利用近钻头人工磁极模块1产生的旋转磁场的频率信号对低频交变磁信号Hacx、Hacy、Hacz进行相敏解调,得到目标端磁场特征信号HIQ在三个坐标轴上的特征信号HXI、HYI、HZI和HXQ、HYQ、HZQ,从而得到目标端磁场特征信号HIQ的特征分量,分别为HIQX、HIQY和HIQZ。钻头9与目标靶点间的相对倾斜角α为:

α=tg-1(HIQXHIQZ)]]>

目标靶点的特征方位角为:

钻头9与目标靶点间的相对方位角θ通过下式得到:

距离r为:

r=M4πHmin3]]>

式中,M为磁矩;短轴Hmin为HIQ信号幅度的最小值。

计算机502解算得到相对倾斜角α与相对方位角θ,相对距离为r,并形成文件通过打印机504打印。如图7所示,计算机502解算的钻头9相对目标靶点的相对方位和距离信息通过远距离传输单元2传至司钻指示控制单元301。

源端控制模块3包括司钻指示控制单元301、钻杆302、随钻测量模块303和钻铤10,如图1所示,司钻指示控制单元301接收经由远距离传输单元2发送的钻头9与目标靶点之间的相对方位和距离,司钻指示控制单元301通过钻杆302连接钻铤10,随钻测量模块303(MWD)测量的近钻头在地理坐标系中的绝对位置和目标靶点在地理坐标系中的绝对位置信息,以钻头9与目标靶点间的相对方位和距离信息为闭环控制参数,通过司钻指示控制单元301实时控制钻头9向目标靶点精确钻进。

本发明是一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法,流程如图8所示,包括以下几个步骤:

步骤一:通过钻头处的磁场信号获取同相参考分量I和正交参考分量Q;

在距离钻头一定距离处,设置磁场,如图9所示,三轴加速度计测量重力矢量G分别在X轴、Y轴、Z轴上的重力加速度分量Gx、Gy、Gz;三轴高灵敏度磁通门测量地球的地磁信号Hdc和钻头处磁场的低频交变磁信号Hac,其中地磁信号为地球固有。三轴高灵敏度磁通门测量地磁信号Hdc分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分量Hdcx、Hdcy、Hdcz,地磁信号分量为直流分量;三轴高灵敏度磁通门测量低频交变磁信号Hac分别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交变磁信号分量Hacx、Hacy、Hacz,低频交变磁信号分量为交流分量。

获取钻头处的磁场信号,判断磁场信号是否属于交变磁信号,如果是交变磁信号,则对Hacz进行希尔伯特变换,构造测量信号正交解调所需的同相参考分量I和正交参考分量Q。

希尔伯特变换为:

Hzh(t)=1π-+Hz(τ)t-τ---(1)]]>

其中,Hzh(t)是信号Hz(t)的希尔伯特变换信号,式中Hz(t)即为Hacz,本发明中正交解调所需的参考信号由Hzh(t)获得,方法为分别取Hzh(t)的实部Real(Hzh(t))与虚部Image(Hzh(t)),参考信号wt为:

wt=tg-1(Image(Hzh(t))Real(Hzh(t)))---(2)]]>

则同相参考分量I,正交参考分量Q分别为:

I=cos(wt)

(3)

Q=sin(wt)

步骤二:获取目标靶点处椭圆极化磁场的特征信号HIQ

通过同相参考分量I和正交参考分量Q分别对三轴交变磁信号Hacx、Hacy、Hacz进行正交解调得到同相分量HI=[HIX,HIY,HIZ]和正交分量HQ=[HQX,HQY,HQZ];

其中:

HIj=Hjcos(wt)dt;j=X,Y,ZHQj=Hjsin(wt)dt;j=X,Y,Z---(4)]]>

通过公式(4)对Hacx、Hacy、Hacz进行正交解调后,得到表征目标端磁场的特征信号同相分量HI和正交分量HQ。则椭圆极化的磁场特征信号HIQ可由公式(5)得出:

HIQ=HI×HQ    (5)

步骤三:获取钻头与目标靶点间的相对方位;

如图10所示,钻头与目标靶点间的相对倾斜角α、目标靶点的特征方位角由特征信号HIQ表示为:

α=tg-1(HIQXHIQZ)---(6)]]>

其中:HIQX为特征信号HIQ在X轴的分量;HIQY为特征信号HIQ在Y轴的分量;HIQZ为特征信号HIQ在Z轴的分量;

相对方位角θ与特征方位角之间存在以下关系:

其中:θ为相对方位角,公式(8)是由相对方位角θ计算特征方位角的直接公式,由计算θ时没有直接公式。

当目标靶点的特征方位角由公式(7)解算后,本发明采用查表插值法实现已知特征方位角计算钻头与目标靶点之间的相对方位角θ,流程如图11所示:

1)设定θn为0到90°之间的整数,当θn=0时,当θn=90°时,则0≤θn≤90°,对任意θn得到相应的

θn=1°,2°,...,90°(9)

建立映射表其中n=0,1,2,...,90。

2)如果公式(7)得到的查询映射表与对应的θ即为相对方位角。

3)如果公式(7)得到的则设找出所在的区间则:

其中kn为斜率,则与对应的相对方位角为:

步骤四:获取钻头与目标靶点间的相对距离;

由于目标靶点处的合成磁场被椭圆极化,定义短轴Hmin为HIQ信号幅度的最小值,则短轴Hmin与距离r的关系为:

r=M4πHmin3---(12)]]>

其中:M为已知磁矩,则钻头与目标靶点之间的距离可由公式(12)测得。

步骤五:通过钻头与目标靶点间的相对方位和相对距离,控制钻头钻进。

通过钻头与目标靶点之间的相对倾斜角、相对方位角和相对距离,确定钻头与目标靶点的相对位置信息,引导钻头向目标靶点钻进。

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本发明公开了一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法,包括以下几个步骤:步骤一:通过近钻头处的磁场信号获取同相参考分量I和正交参考分量Q;步骤二:获取目标靶点处椭圆极化磁场的特征信号HIQ;步骤三:获取钻头与目标靶点间的相对方位;步骤四:获取钻头与目标靶点间的相对距离;步骤五:通过钻头与目标靶点间的相对方位和相对距离,控制钻头向目标靶点精确钻进;本发明突破传统几何导向技术中近钻头坐标和目标靶。

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