一种救援井与事故井连通探测系统及探测方法技术领域
本发明涉及石油开采安全保障领域，特别是涉及一种救援井与事故井连通探测系
统及探测方法。
背景技术
在钻井作业中，一旦发生井喷失控，不但会使油气资源受到严重破坏，而且还易酿
成火灾，造成人员伤亡、设备毁坏、油气井报废和环境污染等恶性事故。其中，发生井喷事故
的油井称为事故井，为抢险控制事故井而设计施工的定向井称为救援井。通常救援井与事
故井有一定距离，在实际救援时，首先要探测事故井相对于救援井的距离和方位，然后使得
事故井和救援井连通，最后从救援井向事故井注入高密度压井液以控制事故井。显而易见
地，探测事故井相对于救援井的距离和方位是实施救援的首要技术之一。
目前，探测事故井相对于救援井的距离和方位主要有两种方法，1)通过发射电极
向地层中发射大功率脉冲电流一次场信号，由磁通门传感器接收一次场信号及事故井套管
上产生的二次场信号，并上传至地面接收单元计算，以此来实现事故井探测定位。该方法虽
然能够在一定程度上实现对事故井的探测定位，但是该方法中的大功率电源较难实现，一
次场激励信号不容易获得，且磁通门传感器接收到的一次场和二次场信号频率分量不完
整，尤其不能接收到二次场中的高频分量；另外，磁通门在接收远距离微弱信号时易受到地
磁信号和噪声信号的影响，造成探测定位结果精度、分辨率降低。2)利用布置在地面和救援
井中的三电极系向地层中注入低频交变电流，利用井下探管探测事故井套管上汇聚的低频
交变电流产生的磁场，从而实现救援井与事故井的方位和距离确定。该方法虽然也能够在
一定程度上实现对事故井的探测定位，但是该方法的救援井中必需下套管，且电极系与救
援井套管必须接触良好才能向地层中注入低频交变电流，实现所需条件较复杂，且事故井
套管上汇聚的低频交变电流很微弱，较难探测。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够对远距离事故井进行准确探测定位
的救援井与事故井连通探测系统及探测方法。
为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案：一种救援井与事故井连通探测
系统，它包括一三分量磁芯探头、一发射单元、一接收单元、一采集传输单元和一地面单元；
所述三分量磁芯探头、发射单元、接收单元和采集传输单元均设置在救援井中所述三分量
磁芯探头包括两两相互垂直的Z探头、X探头和Y探头，所述Z探头、X探头和Y探头均包括一发
射线圈和一接收线圈；所述发射单元用于发射瞬变激励信号，所述Z探头、X探头和Y探头的
发射线圈接收瞬变激励信号同时并将瞬变激励信号通过所述救援井扩散到所述事故井中
产生Z向感应信号、X向感应信号和Y向感应信号，所述Z探头、X探头和Y探头的接收线圈分别
对应接收所述Z向感应信号、X向感应信号和Y向感应信号，并将接收的所述Z向感应信号、X
向感应信号和Y向感应信号依次通过所述接收单元和采集传输单元传输给所述地面单元，
所述地面单元根据所述Z向感应信号、X向感应信号和Y向感应信号计算所述事故井与所述
三分量磁芯探头的距离和方位并进行显示。
所述Z探头、X探头和Y探头的接收线圈和发射线圈分别均匀绕制在一磁芯上，所述
Z探头、X探头和Y探头的接收线圈和发射线圈均由铜加工制成。
所述发射单元包括主控芯片、驱动电路和输出电路；所述主控芯片产生双极性方
波信号，并将双极性方波信号中的瞬变激励信号传输给所述驱动电路，所述驱动电路接收
并对所述瞬变激励信号进行功率放大后通过所述输出电路传输给所述三分量磁芯探头。
所述接收单元包括前置放大电路、滤波电路、可变增益放大电路；所述前置放大电
路对所述三分量磁芯探头传输的感应信号进行放大后传输给所述滤波电路，所述滤波电路
对放大后的感应信号进行滤波、去除噪声后传输给所述可变增益放大电路，所述可变增益
放大电路根据早期、中期和晚期感应信号的幅度差异进行放大倍数调整，并根据所调整的
放大倍数对其接收的感应信号再放大后传输给所述采集传输单元。
所述采集传输单元包括A/D转换电路、主控芯片和脉冲耦合变压器；所述A/D转换
电路将所述接收单元传输的感应信号转换成数字信号后传输给所述主控芯片，所述主控芯
片接收并对转换成的数字信号进行编码处理，经过编码处理后的数字信号通过所述脉冲耦
合变压器传输给所述地面单元。
所述地面单元包括解码子单元、数据传输子单元和上位机；所述解码子单元包括
耦合变压器、滤波电路、比较输出电路和主控芯片；所述耦合变压器接收所述采集传输单元
传输的信号，并分离出其接收信号中的有效信号，并将该有效信号传输给所述滤波电路，所
述滤波电路接收并对其接收的信号进行滤波处理、抑制噪声后传输给所述比较输出电路，
所述比较输出电路接收并将其接收的信号转换成所述主控芯片可识别的数字信号后通过
所述数据传输子单元传输给所述上位机，所述上位机根据其接收的信号计算所述事故井与
所述三分量磁芯探头的距离和方位，并将所述距离和方位信息进行显示。
所述探测系统还包括一测深单元，所述测深单元包括一电缆、一光电编码器和一
主控芯片；所述电缆缠绕设置在码盘上，所述电缆一端连接所述采集传输单元，所述电缆另
一端连接所述地面单元，所述光电编码器记录所述电缆运行时所述码盘转动的脉冲个数，
并将所述脉冲个数传输给所述测深单元的主控芯片，所述测深单元的主控芯片接收并对其
接收的所述脉冲个数进行统计，并将脉冲个数统计结果实时传输给所述地面单元，所述地
面单元根据脉冲个数统计结果计算出所述三分量磁芯探头在所述救援井中的位置。
所述探测系统还包括一供电单元，所述供电单元包括多绕组变压器、整流子单元、
井下供电子单元和地面供电子单元；所述整流子单元包括第一整流模块、第二整流模块、第
三整流模块和第四整流模块；所述多绕组变压器的输入端连接220V交流电，并将所述220V
交流电降压转化成130V交流电、±20V交流电和10V交流电后分别输出至所述整流子单元；
所述第一整流模块接收130V交流电并将其转换成170V直流电后传输给所述井下供电子单
元，所述井下供电子单元将接收的170V直流电转换成3.3V、±12V和5V直流电，并用于为所
述发射单元、接收单元和采集传输单元供电；所述第二整流模块、第三整流模块和第四整流
模块分别接收±20V交流电和10V交流电，并分别转换成±20V直流电和10V直流电后传输给
所述地面供电子单元，所述地面供电子单元将接收的±20V直流电和10V直流电转换成±
15V直流电和5V直流电，并用于为所述测深单元和地面单元的解码子单元以及数据传输子
单元供电。
一种救援井与事故井连通探测系统的探测方法，其特征在于包括以下内容：(1)将
三分量磁芯探头下放到救援井内，且保证三分量磁芯探头的Z探头和救援井的轴线平行；
(2)三分量磁芯探头在下放的过程中Z探头、X探头和Y探头分别发送瞬变激励信号，并分别
对应接收Z向感应信号、X向感应信号和Y向感应信号，并将Z向感应信号、X向感应信号和Y向
感应信号分别传输给地面单元；(3)三分量磁芯探头在下放的过程中测深单元实时记录电
缆运行时的脉冲个数，且将脉冲个数传输给地面单元；(4)地面单元接收脉冲个数数据，并
根据脉冲个数数据计算出三分量磁芯探头在救援井中的位置；(5)地面单元接收Z向感应信
号、X向感应信号和Y向感应信号，并根据Z向感应信号、X向感应信号和Y向感应信号分别计
算出事故井的套管相对于Z探头、X探头和Y探头的Z向相对距离、X向相对距离Y向相对距离；
(6)根据Z向相对距离、X向相对距离和Y向相对距离，计算出事故井与三分量磁芯探头的距
离和方位。
所述步骤(6)根据Z向相对距离、X向相对距离和Y向相对距离，计算出事故井与三
分量磁芯探头的距离和方位，具体包括以下内容：6-1)当救援井相对于事故井不平行时，能
够获取Z向相对距离、X向相对距离和Y向相对距离，将Z向相对距离、X向相对距离和Y向相对
距离变换到三维坐标系下，计算得出事故井与三分量磁芯探头的距离和方位；6-2)当救援
井相对于事故井平行井时，能够获取Z向相对距离和X向相对距离或Y向相对距离，将Z向相
对距离和X向相对距离或Y向相对距离变换到二维坐标系下，计算得出事故井与三分量磁芯
探头的距离和方位。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明设置包括两两垂直的Z
探头、X探头和Y探头的三分量磁芯探头，三个探头相互配合不但可行性高，而且能够对远距
离事故井进行准确探测定位。2、本发明由于具体设置Z探头、X探头和Y探头的结构，因此对
微弱信号更加敏感，进而能够更加准确地对远距离事故井进行定位。3、本发明由于设置测
深单元，因此能够实时了解三分量磁芯探头在救援井中的位置。4、本发明由于设置供电单
元，因此能够为该探测系统提供稳定的电源。5、本发明由于采用瞬变电磁方法，探测距离
远，能有效避免激励磁场对接收信号的影响，提高了接收信号的信噪比。6、本发明所有装
置、电路体积较小，组合之后方便携带，不需要大型配套设备，适用性强。本发明结构简单、
使用方便、探测定位准确可以广泛应用于石油开采安全保障技术领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的连接示意图；
图3是本发明的三分量磁芯探头空间分布示意图；
图4是本发明的感应涡流示意图；
图5是本发明的供电单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time-domainelectromagneticmethods，简称
TEM)，是一种利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇
期间，利用线圈、磁探头或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本
原理就是电磁感应定律。感应电流随时间衰减的过程一般分为早、中和晚期，其中，早期电
磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；晚期电磁场相当于频率域中的低频
成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量计算供电间歇期各个时间段二次场随时间变化规律
(衰减曲线)，可以推断地下异常地质体的电性差异和空间分布形态。本发明以瞬变电磁法
为基础，利用三分量磁芯探头探测事故井相对于救援井的距离和方位。
如图1～3所示，本发明的救援井与事故井连通探测系统包括一三分量磁芯探头1、
一发射单元2、一接收单元3、一采集传输单元4和一地面单元5；三分量磁芯探头1、发射单元
2、接收单元3和采集传输单元4均设置在救援井6中；三分量磁芯探头1包括两两垂直的Z探
头11、X探头12和Y探头13，Z探头11、X探头12和Y探头13均包括一发射线圈和一接收线圈；Z
探头11、X探头12和Y探头13的发射线圈接收并发射发射单元2传输的瞬变激励信号，瞬变激
励信号在地层介质中激励产生一次场，一次场激发地层介质产生随时间衰减的感应涡流，
感应涡流在地层介质中分别以Z探头11、X探头12和Y探头13为轴线向外扩散，且感应涡流扩
散到事故井61的套管62处时，Z探头11、X探头12和Y探头13的接收线圈分别对应接收到Z向
感应信号、X向感应信号和Y向感应信号，并分别将Z向感应信号、X向感应信号和Y向感应信
号依次通过接收单元3、采集传输单元4传输给地面单元5，地面单元5根据其接收到的Z向感
应信号、X向感应信号和Y向感应信号，计算事故井61与三分量磁芯探头1的距离和方位，并
将距离和方位信息进行显示。
在一个优选的实施例中，为了能够对微弱信号更加敏感，进而能够更加准确地对
远距离事故井61进行定位，Z探头11、X探头12和Y探头13的接收线圈和发射线圈均由铜加工
制成，且Z探头11、X探头12和Y探头13的接收线圈和发射线圈分别均匀绕制在一磁芯上。
在一个优选的实施例中，发射单元2包括主控芯片、驱动电路和输出电路；主控芯
片产生双极性方波信号，并将双极性方波信号中的瞬变激励信号传输给驱动电路，驱动电
路接收并对瞬变激励信号进行功率放大后通过输出电路传输给三分量磁芯探头1。
在一个优选的实施例中，接收单元3包括前置放大电路、滤波电路、可变增益放大
电路；前置放大电路对三分量磁芯探头1传输的感应信号进行放大后传输给滤波电路，滤波
电路对放大后的感应信号进行滤波、去除噪声后传输给可变增益放大电路，可变增益放大
电路根据早期、中期和晚期感应信号的幅度差异进行放大倍数调整，并根据所调整的放大
倍数对其接收的感应信号再放大后传输给采集传输单元4。
在一个优选的实施例中，采集传输单元4包括A/D转换电路、主控芯片和脉冲耦合
变压器；A/D转换电路将接收单元3传输的感应信号转换成数字信号后传输给主控芯片，主
控芯片接收并对转换成的数字信号进行编码处理，经过编码处理后的数字信号通过脉冲耦
合变压器传输给地面单元5。
在一个优选的实施例中，地面单元5包括解码子单元、数据传输子单元和上位机；
解码子单元包括耦合变压器、滤波电路、比较输出电路和主控芯片；耦合变压器接收采集传
输单元4传输的信号，并分离出其接收信号中的有效信号，并将该有效信号传输给滤波电
路，滤波电路接收并对其接收的信号进行滤波处理、抑制噪声后传输给比较输出电路，比较
输出电路接收并将其接收的信号转换成主控芯片可识别的数字信号后通过数据传输子单
元传输给上位机，上位机根据其接收的信号计算事故井61与三分量磁芯探头1的距离和方
位，并将距离和方位信息进行显示。
在一个优选的实施例中，为了能够了解三分量磁芯探头1在救援井6中的位置，该
探测系统还包括一测深单元7，测深单元7包括一电缆71、一光电编码器和一主控芯片；电缆
71缠绕设置在码盘上，电缆71的一端连接采集传输单元4，电缆71的另一端连接地面单元5，
光电编码器记录电缆71运行时码盘转动的脉冲个数，并将脉冲个数传输给主控芯片，主控
芯片接收并对其接收的脉冲个数进行统计，并将脉冲个数统计结果实时传输给地面单元5，
地面单元5根据脉冲个数统计结果计算出三分量磁芯探头1在救援井6中的位置。
在一个优选的实施例中，如图4～5所示，为了能够为该探测系统提供稳定的电源，
该探测系统还包括一供电单元8，供电单元8包括多绕组变压器81、整流子单元82、井下供电
子单元83和地面供电子单元84；整流子单元82包括第一整流模块821、第二整流模块822、第
三整流模块823和第四整流模块824；井下供电子单元83包括第一稳压模块831、第二稳压模
块832、第三稳压模块833和第四稳压模块834；地面供电子单元84包括第五稳压模块841、第
六稳压模块842和第七稳压模块843；
多绕组变压器81的输入端连接220V交流电，并将220V交流电降压转化成130V交流
电、±20V交流电和10V交流电后分别输出至整流子单元82；
整流子单元82的第一整流模块821接收130V交流电并将其转换成170V直流电后传
输给井下供电子单元83，井下供电子单元83中的第一稳压模块831、第二稳压模块832、第三
稳压模块833和第四稳压模块834分别接收并分别将其接收的170V直流电转换成3.3V、±
12V和5V直流电，并用于为发射单元2、接收单元3和采集传输单元4供电；
整流子单元82的第二整流模块822、第三整流模块823和第四整流模块824分别接
收±20V交流电和10V交流电，并分别转换成±20V直流电和10V直流电后传输给地面供电子
单元84，地面供电子单元84中的第五稳压模块841、第六稳压模块842和第七稳压模块843分
别接收并分别转换成±15V直流电和5V直流电，并用于为测深单元7和地面单元5的解码子
单元以及数据传输子单元供电。
基于救援井与事故井连通探测系统，本发明的救援井与事故井连通探测方法包括
以下内容：
1、将三分量磁芯探头1下放到救援井6内，且保证三分量磁芯探头1的Z探头11和救
援井6的轴线平行；
2、三分量磁芯探头1在下放的过程中Z探头11、X探头12和Y探头13分别发送瞬变激
励信号，并分别对应接收Z向感应信号、X向感应信号和Y向感应信号，并将Z向感应信号、X向
感应信号和Y向感应信号分别传输给地面单元5；
3、三分量磁芯探头1在下放的过程中测深单元7实时记录电缆71运行时的脉冲个
数，且将脉冲个数传输给地面单元5；
4、地面单元5接收脉冲个数数据，并根据脉冲个数数据计算出三分量磁芯探头1在
救援井6中的位置；
5、地面单元5接收Z向感应信号、X向感应信号和Y向感应信号，并根据Z向感应信
号、X向感应信号和Y向感应信号分别计算出事故井61的套管62相对于Z探头11、X探头12和Y
探头13的相对距离，为了便于描述分别定义为：Z向相对距离、X向相对距离Y向相对距离，其
中，Z向相对距离、X向相对距离Y向相对距离的计算过程完全相同，本实施例以Z向相对距离
的计算过程为例进行说明，具体包括以下内容：
由于事故井61的套管62与地层介质电导率差异巨大，将地层看作均匀介质；根据
电磁场理论得到频率域的法拉第电磁感应定律和全电流定律，其中法拉第电磁感应定律
为：
▿ × E + i μ ω H = J - - - ( 1 ) ]]>
式中，表示电场矢量E的旋度；μ表示地层介质的磁导率；ω表示角
频率；H表示地层介质中的磁场强度矢量；J表示发射线圈看作磁偶极子时等效的磁流密度；
全电流定律为：
▿ × H - ( σ + i ϵ ω ) E = 0 - - - ( 2 ) ]]>
式中，表示磁场强度矢量H的旋度；σ表示地层介质的电导率；ε表示
地层介质的介电常数，且ε的值趋于0；ω表示角频率；E表示地层介质中的电场矢量；
引入矢量磁势F，假设存在如下公式：
E = - ▿ × F - - - ( 3 ) ]]>
式中，E表示地层介质中的电场矢量；表示矢量磁势F的旋度；
将式(3)代入式(1)和式(2)中，并将式(1)和式(2)化简合并得到关于F的非齐次亥
姆霍兹方程：
▿ 2 F + k 2 F = - J - - - ( 4 ) ]]>
式中，表示矢量磁势F的散度；F表示引入的矢量磁势；J表示发射线圈看作磁偶
极子时等效的磁流密度；k表示地层介质的波数；
其中，关于k2的求解公式如下：
k2＝-iωμσ
式中，k表示介质的波数；ω表示角频率；μ表示地层介质的磁导率；σ表示
地层介质的电导率；
关于J的求解公式如下：
J＝iωμM·n
式中，J表示发射线圈看作磁偶极子时的磁流密度；ω表示角频率；μ表示
地层介质的磁导率；M表示发射线圈的磁矩；n表示单位向量，指向Z探头11的轴线方向；
其中，关于M的求解公式如下：
M＝NtIS
式中，Nt表示发射线圈匝数；I表示发射电流；S表示发射线圈的面积；
根据式(1)、(2)和(3)得到如下公式：
H Z = 1 i μ ω ( k 2 + ∂ 2 ∂ z 2 ) F Z - - - ( 5 ) ]]>
式中，HZ表示地层介质中的磁场强度矢量H的Z探头11轴线方向的分量；μ
表示地层介质的磁导率；ω表示角频率；k表示介质的波数；FZ表示矢量磁势F的Z探头11轴
线方向的分量；表示FZ关于Z探头11轴线方向上的距离变量z的二阶偏导数；
其中，关于FZ的求解公式如下：
F Z = i ω μ M 2 π 2 ∫ 0 ∞ K 0 ( x r ) c o s ( λ z ) d λ - - - ( 6 ) ]]>
式中，FZ表示矢量磁势F的Z探头11轴线方向的分量；ω表示角频率；μ表示
地层介质的磁导率；M表示发射线圈的磁矩；K0()表示0阶第二类修正贝塞尔函数；x表示引
入变量；r表示感应涡流的半径；λ表示分离变量；z表示接收线圈与发射线圈之间的距离；
式中，关于λ的求解公式如下：
λ2＝kx2+ky2
式中，λ表示分离变量；kx表示介质在X探头12轴线方向的波数；ky表示介质在Y探头
13轴线方向的波数；
式中，关于x的求解公式如下：
x2＝λ2-k2
式中，x表示引入变量；λ表示分离变量；k表示地层介质的波数；
将式(6)代入式(5)并进行整理得到Z探头11接收到的感应磁场的计算公式为：
H Z = - M 2 π 2 ∫ 0 ∞ x 2 K 0 ( x r ) c o s ( λ z ) d λ - - - ( 7 ) ]]>
式中，HZ表示地层介质中的磁场强度矢量H的Z探头11轴线方向的分量；M表示发射
线圈的磁矩；K0()表示0阶第二类修正贝塞尔函数；x表示引入变量；r表示感应涡流的半径；
λ表示分离变量；z表示接收线圈与发射线圈之间的距离；
由式(7)可得到Z探头11上产生的频域感应电动势的计算公式为：
V = - iωμμ r N R S R H z = iωμμ r MN R S R 2 π 2 ∫ 0 ∞ x 2 K 0 ( x r ) c o s ( λ z ) d λ - - - ( 8 ) ]]>
式中，V表示Z探头11上产生的频域感应电动势；ω表示角频率；μ表示地
层磁导率；μr表示磁芯的有效磁导率；M表示发射线圈的磁矩；NR表示接收线圈匝数；SR表示
接收线圈的面积；x表示引入变量；K0()表示0阶第二类修正贝塞尔函数；r表示感应涡流的
半径；λ表示分离变量；z表示接收线圈与发射线圈之间的距离；
利用Gaver-stehfest逆拉普拉斯变换方法将式(8)进行频域信号到时域信号的转
换，则Z探头11接收到的时域感应电动势的计算公式为：
V ( t ) = - μμ r MN R S R · l n 2 2 π 2 t Σ n = 1 12 K n . ∫ 0 ∞ x 2 K 0 ( x r ) c o s ( λ z ) d λ - - - ( 9 ) ]]>
式中，V(t)表示Z探头11接收到的时域感应电动势；μ表示地层磁导率；μr表示磁芯
的有效磁导率；M表示发射线圈的磁矩；NR表示接收线圈匝数；SR表示接收线圈的面积；t表示
时间；Kn表示转换系数；x表示引入变量；K0()表示0阶第二类修正贝塞尔函数；r表示感应涡
流的半径；λ表示分离变量；z表示接收线圈与发射线圈之间的距离；
通过逐次带入r的值逼近测量到的感应电动势的值，得到最接近的r的值，即事故
井61的套管62相对于Z探头的相对距离；
6、根据Z向相对距离、X向相对距离和Y向相对距离，计算出事故井61与三分量磁芯
探头1的距离和方位，具体包括以下内容：
1)当救援井6相对于事故井61不平行时，能够获取Z向相对距离、X向相对距离和Y
向相对距离，将Z向相对距离、X向相对距离和Y向相对距离变换到三维坐标系下，计算得出
事故井61与三分量磁芯探头1的距离和方位；
2)当救援井6相对于事故井61平行井时，能够获取Z向相对距离和X向相对距离或Y
向相对距离，将Z向相对距离和X向相对距离或Y向相对距离变换到二维坐标系下，计算得出
事故井61与三分量磁芯探头1的距离和方位。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是
可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在
本发明的保护范围之外。