确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的方法及装置技术领域
本发明涉及煤层气水平井钻井技术领域，尤其涉及确定煤层气水平井钻头与直井洞穴
相对位置的方法及装置。
背景技术
煤层气是近几年能源领域的一个新兴产业，在我国沁水盆、鄂尔多斯盆地等取得了突
破性发展。我国煤层气藏普遍具有低压、低渗透、低含水的储层特性，从提高采收率和经
济效益方面考虑，煤层气水平井、多分支水平井是最佳开发模式；另外考虑到低含水的特
性，螺杆泵或“抽油机+有杆泵”是排水采气的最佳方式；基于以上煤层气开发的特殊性，通
常需额外打一口直井，并将该井与多分支井连通，以便于下入有杆泵等排水采气。由于抽
排直井的洞穴直径不大于0.5米，在两井连通过程中随钻测量(Measure While Drilling，
MWD)系统的测量误差半径可达到3米，远不能满足连通工艺的高精度轨道控制要求。
发明内容
本发明实施例提供一种确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的方法，用以精确
测量煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置，引导煤层气水平井与直井在井底贯通，该方
法包括：
在煤层气水平井钻头连接永磁短节，所述永磁短节由无磁钻挺本体和镶嵌于所述无磁
钻挺本体上的柱状永磁体构成；
驱动所述永磁短节随钻柱旋转，产生旋转磁场；
在直井洞穴中下入传感器系统，采集所述旋转磁场的信号；
采用偶极子分析方法，确定所述永磁短节的等效磁矩并将所述旋转磁场等效为两个振
荡偶极子独立产生磁场的叠加；
基于所述旋转磁场的轴对称特性，确定所述煤层气水平井钻头与所述直井洞穴的偏差
角度；
基于所述旋转磁场的信号强度与所述直井洞穴至所述煤层气水平井钻头的距离的比
例关系，结合所述永磁短节的等效磁矩和所述偏差角度，确定所述煤层气水平井钻头与所
述直井洞穴的距离。
本发明实施例还提供一种确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的装置，用以精
确测量煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置，引导煤层气水平井与直井在井底贯通，该
装置包括：
永磁短节，连接于煤层气水平井钻头处，所述永磁短节由无磁钻挺本体和镶嵌于所述
无磁钻挺本体上的柱状永磁体构成；
驱动装置，用于驱动所述永磁短节随钻柱旋转，产生旋转磁场；
传感器系统，设置于直井洞穴中，用于采集所述旋转磁场的信号；
随钻测量系统，用于获得传感器系统采集的信号，采用偶极子分析方法，确定所述永
磁短节的等效磁矩并将所述旋转磁场等效为两个振荡偶极子独立产生磁场的叠加；基于所
述旋转磁场的轴对称特性，确定所述煤层气水平井钻头与所述直井洞穴的偏差角度；基于
所述旋转磁场的信号强度与所述直井洞穴至所述煤层气水平井钻头的距离的比例关系，结
合所述永磁短节的等效磁矩和所述偏差角度，确定所述煤层气水平井钻头与所述直井洞穴
的距离。
本发明实施例基于对煤层气水平井钻头处永磁短节产生的旋转磁场进行信号分析，可
精确测量煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置，可用于在煤层气水平井钻井过程中实时
确定井下钻头与直井洞穴的相对位置，引导煤层气水平井与直井在井底贯通。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技
术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明
的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的方法处理流程
图；
图2为本发明实施例中的煤层气水平井与直井相连通的示意图；
图3为本发明实施例中永磁短节的结构示意图；
图4为本发明实施例中旋转磁场中任一点D的磁场矢量图；
图5为本发明实施例中旋转磁场中任一点D的磁场矢量分解图；
图6为本发明实施例中旋转磁场定位原理图；
图7为本发明实施例中确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的装置的具体应用
示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实
施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不
作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明实施例中，确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的方法处
理流程可以包括：
步骤101、在煤层气水平井钻头连接永磁短节，所述永磁短节由无磁钻挺本体和镶嵌
于所述无磁钻挺本体上的柱状永磁体构成；
步骤102、驱动所述永磁短节随钻柱旋转，产生旋转磁场；
步骤103、在直井洞穴中下入传感器系统，采集所述旋转磁场的信号；
步骤104、采用偶极子分析方法，确定所述永磁短节的等效磁矩并将所述旋转磁场等
效为两个振荡偶极子独立产生磁场的叠加；
步骤105、基于所述旋转磁场的轴对称特性，确定所述煤层气水平井钻头与所述直井
洞穴的偏差角度；
步骤106、基于所述旋转磁场的信号强度与所述直井洞穴至所述煤层气水平井钻头的
距离的比例关系，结合所述永磁短节的等效磁矩和所述偏差角度，确定所述煤层气水平井
钻头与所述直井洞穴的距离。
图2为本发明实施例中的煤层气水平井与直井相连通的示意图。在图2中，示出一组
煤层气水平井由两口井组成，即一口水平井和一口直井；首先钻探洞穴直井，然后钻探水
平井，并使之与洞穴直井连通。可以看到，具体实施时，先在煤层水平井钻头处安装永磁
短节，并驱动该永磁短节随钻柱旋转(例如可通过马达等进行驱动，转速可在60-300转/
分钟范围)，产生旋转磁场，在直井洞穴中下入传感器系统，采集旋转磁场的信号。
图3为本发明实施例中永磁短节的结构示意图。如图3所示，该永磁短节由无磁钻挺
本体301和镶嵌于无磁钻挺本体301上的柱状永磁体302构成。柱状永磁体可以是柱状钕
铁硼永磁体，或者其它材料的柱状永磁体。柱状永磁体的数量可以由设计探测距离和/或现
场磁场强度确定。柱状永磁体的排列方式可采用平行方式，即N-S和N-S组合。多个柱状
永磁体构成了一个组合磁源，该组合磁源通常可由4组柱状永磁体组成，呈正交方向，沿
周向夹角为90°。基于上述组合磁源物理模型，可采用偶极子分析方法确定永磁短节的等
效磁矩。
将单个柱状永磁体考虑为一个偶极子模型，沿X、Y和圆周方向忽略柱状永磁体间隙
的影响，将整个组合磁源假设为4n个偶极子的矢量和，则可以按如下公式确定上述永磁
短节的总磁矩：
P
=
4
×
Σ
n
=
1
N
p
n
]]>
其中，P为永磁短节的总磁矩(A·m2)，pn为柱状永磁体的磁矩(A·m2)，N为柱
状永磁体的总数量，n为柱状永磁体的编号。
图4为旋转磁场中任一点D的磁场矢量图。随着永磁短节绕Z轴的旋转，取如图4所
示的坐标系(X方向沿着合成磁偶矩方向)，则可以按如下公式确定永磁短节的等效磁矩：
P＝PXi+PYj＝P(cos(wt)j-sin(wt)i)
其中，P为永磁短节的等效磁矩，w为永磁短节的旋转角速度(rad/s)，t为永磁短
节的旋转时间(s)，i为X方向的单位矢量，j为方向的单位矢量。
具体实施时，采用偶极子分析方法将永磁短节随钻柱旋转产生的旋转磁场等效为两个
振荡偶极子独立产生磁场的叠加。
图5为旋转磁场中任一点D的磁场矢量分解图。参照图5，将旋转磁场等效为两个振
荡偶极子PX和PY独立产生磁场HX和HY的叠加，HX和HY在U、V、W坐标系下的分量
为：
HX＝[HXU HXV HXW]T*sin(wt)
HY＝[HYU HYV HYW]T*cos(wt)
式中，HXU、HXV、HXW分别为磁场强度分量HX的模向量在U、V、W坐标系下
的分量；HYU、HYV、HYW分别为磁场强度分量HY的模向量在U、V、W坐标系下的分
量；
获得向量HM＝HX×HY＝[HMU HMV HMW]T，其中HX＝[HXU HXV HXW]T，
HY＝[HYU HYV HYW]T；
将向量HM从U、V、W坐标系转换到X、Y、Z坐标系，获得向量
HN＝AHM＝[HNX HNY HNZ]T，其中，A为坐标转化矩阵。
具体实施时，在采用偶极子分析方法，确定永磁短节的等效磁矩并将旋转磁场等效为
两个振荡偶极子独立产生磁场的叠加之后，可以基于旋转磁场的轴对称特性，确定煤层气
水平井钻头与直井洞穴的偏差角度；以及，基于旋转磁场的信号强度与直井洞穴至煤层气
水平井钻头的距离的比例关系，结合永磁短节的等效磁矩和偏差角度，确定煤层气水平井
钻头与直井洞穴的距离。图6为本发明实施例中旋转磁场定位原理图，基于图6的定位原
理，确定出煤层气水平井钻头与直井洞穴的偏差角度和距离。
具体实施时，基于旋转磁场的轴对称特性，确定煤层气水平井钻头与直井洞穴的偏差
角度，可以包括：
获得向量HN与Z方向的夹角α；
按如下公式确定煤层气水平井钻头与直井洞穴的偏差角度：
α
=
arctan
(
3
tan
(
θ
)
1
-
2
tan
2
(
θ
)
)
]]>
其中，θ为煤层气水平井钻头与所述直井洞穴的偏差角度。
具体实施时，基于旋转磁场的信号强度与直井洞穴至煤层气水平井钻头的距离的比例
关系，结合永磁短节的等效磁矩和偏差角度，确定煤层气水平井钻头与直井洞穴的距离，
可以包括：
按如下公式，确定煤层气水平井钻头与直井洞穴的距离：
R
=
P
4
πμ
0
H
3
sin
2
(
θ
)
+
2
3
,
]]>
H
=
|
|
HX
|
|
2
+
|
|
HY
|
|
2
;
]]>
其中，R为煤层气水平井钻头与所述直井洞穴的距离，H为旋转磁场的信号强度，μ0
为煤层磁导率。
这是由于空间一点磁场强度与其到源的距离呈1/r3比例关系，则有：
H
=
|
|
HX
|
|
2
+
|
|
HY
|
|
2
=
P
4
πμ
0
R
3
3
sin
2
(
θ
)
+
2
.
]]>
综上，本发明实施例提出了基于旋转磁场的煤层气水平井钻头与直井洞穴之间距离和
角度偏差的精确测量算法，能够有效消除随钻测量过程中的累积测量误差、井眼轨迹计算
误差，且能够实现近钻头实时测量，大幅缩小了两井连通过程中的误差椭圆半径，有效提
高了连通的中靶率。
本发明实施例中还提供了一种确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的装置，如
下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对
位置的方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
本发明实施例中确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的装置可以包括：
永磁短节，连接于煤层气水平井钻头处，所述永磁短节由无磁钻挺本体和镶嵌于所述
无磁钻挺本体上的柱状永磁体构成；
驱动装置，用于驱动所述永磁短节随钻柱旋转，产生旋转磁场；
传感器系统，设置于直井洞穴中，用于采集所述旋转磁场的信号；
随钻测量系统，用于获得传感器系统采集的信号，采用偶极子分析方法，确定所述永
磁短节的等效磁矩并将所述旋转磁场等效为两个振荡偶极子独立产生磁场的叠加；基于所
述旋转磁场的轴对称特性，确定所述煤层气水平井钻头与所述直井洞穴的偏差角度；基于
所述旋转磁场的信号强度与所述直井洞穴至所述煤层气水平井钻头的距离的比例关系，结
合所述永磁短节的等效磁矩和所述偏差角度，确定所述煤层气水平井钻头与所述直井洞穴
的距离。
一个实施例中，上述随钻测量系统可以包括：
总磁矩确定单元，用于按如下公式确定所述永磁短节的总磁矩：
P
=
4
×
Σ
n
=
1
N
p
n
]]>
其中，P为所述永磁短节的总磁矩，pn为所述柱状永磁体的磁矩，N为所述柱状永磁
体的总数量，n为所述柱状永磁体的编号。
一个实施例中，上述随钻测量系统还可以包括：
等效磁矩确定单元，用于按如下公式确定所述永磁短节的等效磁矩：
P＝PXi+PYj＝P(cos(wt)j-sin(wt)i)
其中，P为所述永磁短节的等效磁矩，w为所述永磁短节的旋转角速度，t为所述永
磁短节的旋转时间，i为X方向的单位矢量，j为方向的单位矢量。
一个实施例中，上述随钻测量系统可以包括：
等效分析单元，用于将所述旋转磁场等效为两个振荡偶极子PX和PY独立产生磁场HX
和HY的叠加，HX和HY在U、V、W坐标系下的分量为：
HX＝[HXU HXV HXW]T*sin(wt)
HY＝[HYU HYV HYW]T*cos(wt)
式中，HXU、HXV、HXW分别为磁场强度分量HX的模向量在U、V、W坐标系下
的分量；HYU、HYV、HYW分别为磁场强度分量HY的模向量在U、V、W坐标系下的分
量；
获得向量HM＝HX×HY＝[HMU HMV HMW]T，其中HX＝[HXU HXV HXW]T，
HY＝[HYU HYV HYW]T；
将向量HM从U、V、W坐标系转换到X、Y、Z坐标系，获得向量
HN＝AHM＝[HNX HNY HNZ]T，其中，A为坐标转化矩阵。
一个实施例中，上述随钻测量系统可以包括：
偏差角度确定单元，用于获得向量HN与Z方向的夹角α；并按如下公式确定所述煤
层气水平井钻头与所述直井洞穴的偏差角度：
α
=
arctan
(
3
tan
(
θ
)
1
-
2
tan
2
(
θ
)
)
]]>
其中，θ为所述煤层气水平井钻头与所述直井洞穴的偏差角度。
一个实施例中，上述随钻测量系统可以包括：
距离确定单元，用于按如下公式，确定所述煤层气水平井钻头与所述直井洞穴的距离：
R
=
P
4
πμ
0
H
3
sin
2
(
θ
)
+
2
3
,
]]>
H
=
|
|
HX
|
|
2
+
|
|
HY
|
|
2
;
]]>
其中，R为所述煤层气水平井钻头与所述直井洞穴的距离，H为所述旋转磁场的信号
强度，μ0为煤层磁导率。
图7给出本发明实施例中确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的装置的具体应
用示意图。图7中，1为直流电源；2为地面信号接收系统；3为地面无线传输发射装置；
4为地面无线接收装置；5为上述随钻测量系统，可以是LWD(Logging While Drilling，
随钻录井)或MWD系统；6为小型绞车；7为井口滑轮；8为电缆(例如四芯电缆)；9
为仪器扶正器；10为洞穴井玻璃钢套管；11为信号采集处理电路；12为上述传感器系统
(可以是磁通门传感器、重力加速度传感器等)；13为电缆马龙头或接头；14为水平井井
筒；15为上述永磁短节。
在图7中，在煤层气水平井钻头处接一个永磁短节15，主要作用为提供一个旋转磁源；
连通钻探前，先将旋转磁场信号采集系统下入到洞穴井玻璃钢套管10处，该旋转磁场信
号采集系统主要包括三个部分：仪器扶正器9、信号采集处理电路11和传感器系统12；
传感器系统采集永磁短节旋转产生的磁场信号，通过信号采集处理电路11将磁场信号转
换为数字信号，经过电缆8上传到地面信号接收系统2；由于定向作业方人员位于水平井
钻台，因此需将磁场信号通过地面无线传输发射装置3发送到水平井钻台的地面无线接收
装置4，最终通过与随钻测量系统(LWD或MWD系统)5的数据综合分析，利用本发明
实施例的上述数据分析方法对煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置进行精确定位。
综上所述，本发明实施例针对煤层气水平井与直井连通的技术需求，在煤层气水平井
钻头处连接永磁短节以产生旋转磁场，基于对旋转磁场的信号分析，精确测量煤层气水平
井钻头与直井洞穴相对位置，可用于在煤层气水平井钻井过程中实时确定井下钻头与直井
洞穴的相对位置，引导煤层气水平井与直井在井底贯通。
与传统的随钻测量方法相比，本发明实施例主要有以下优点：由于永磁短节和钻头连
接到一起，距离小于1米，实现了近钻头测量的功能；利用旋转磁场可实时测量钻头与目
标靶点(直井洞穴)的相对距离和方向；旋转磁场的引入很大程度消除了靶点标定误差、
MWD累积测量误差，提高了钻头中靶率。本发明实施例理论上的测量精度可达到厘米级
别，角度测量误差小于0.15°，从而将两井连通工艺的实现变为可能。
本发明实施例的确定煤层气水平井钻头与直井洞穴相对位置的方法及装置，为我国研
制远距离穿针工具提供了基础理论，在此理论指导下进行远距离穿针工程现场试验，可取
得预期的效果。我国煤层气资源丰富，未来煤层气水平井将是主要开发方式，本发明实施
例将有助于打破国外在煤层气水平井连通技术方面的垄断，具有广泛的应用前景。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例的全部或部分实施过程可提供为方法、
系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结
合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机
可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器
等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图
和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程
和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指
令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生
一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现
在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方
式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装
置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方
框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机
或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他
可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方
框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说
明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护
范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在
本发明的保护范围之内。