专利名称：一种用于邻井平行间距随钻电磁探测的计算方法
技术领域：
本发明是一种邻井平行间距随钻电磁探测的计算方法，属于地下资源钻采工程技术领域。
背景技术：
在石油、天然气及煤层气开采中，双水平井、定向井及加密井等复杂结构井，要求对邻井距离进行随钻精确探测。目前，国内普遍使用的随钻测量工具不能直接测量邻井距离，因而难以满足复杂结构井邻井距离随钻探测的特殊要求。另外，国外虽已研制出能够基本满足以上要求的随钻电磁引导系统，但其核心技术仍被保密和垄断。因此，本发明者特研究设计了“一种邻井平行间距随钻电磁探测系统”(另作专利申请)，本项发明即是该系统的核心算法，可精确计算邻井平行段的相对空间位置。
邻井平行间距随钻电磁探测系统主要包括磁短节、井下双磁传感器测量仪、邻井平行间距计算系统及地面显示系统组成。磁短节是由无磁钻铤以及若干永磁铁等组成的两端带有API标准口型的中空圆柱体，是该电磁探测系统的信号源，直接跟在钻头后面。井下双磁传感器测量仪主要由井下双磁传感器探管及地面接口箱组成。井下双磁传感器探管主要包括两个交变磁场传感器、一个磁通门传感器、一个加速度传感器、一个温度传感器及固化有邻井平行间距计算系统的单片机，其主要作用是检测磁短节的磁矢量信号，并将两组磁信号数据传到单片机中，经邻井平行间距计算系统，得到邻井平行段的相对空间位置数据。然后，将计算数据发送到地面显示系统。
利用邻井平行间距随钻电磁探测系统进行导向钻井时，磁短节紧跟在钻头后面，井下双磁传感器测量仪由钻杆或前接有爬行器的电缆下入到已钻井中合适位置，然后开启电源，探测由旋转磁短节产生的磁信号。根据该系统测量与计算获取的邻井平行间距和相对方位数据，并结合常规的MWD测量数据，工程技术人员可有效地控制钻头运动轨迹，以便精确控制邻并平行段以一定间距钻进。
发明内容
本发明的目的在于根据井下双磁传感器探管传感器接收到的磁信号，计算磁短节与井下双磁传感器探管的相对位置，进而确定邻井平行段的相对空间位置。
邻井平行间距随钻电磁探测系统的工作原理如图1所示，本发明是该系统的核心算法，提供一种确定邻井平行段相对空间位置的计算方法，包括下列步骤 步骤1，提取已钻井与正钻井的井况信息。已钻井与正钻井的井眼轨迹测量信息；已钻井与正钻井的井口坐标；已钻井与正钻井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；已钻井的井身结构。
步骤2，处理提取的已钻井与正钻井的井况信息。
步骤3，建立旋转磁短节周围空间磁感应强度计算模型。
步骤4，在地表测定磁短节的等效磁矩并给出井下磁短节等效磁矩可能的变化范围。
步骤5，根据估计的邻井平行间距，用钻杆或爬行器将井下双磁传感器探管下入已钻井到合适位置。磁短节下入到双磁传感器探管两端部之间，最好使双磁传感器探管的中点正对上方正钻井中的磁短节。
步骤6，提取井下双磁传感器探管计算的邻井平行段的相对空间位置数据。
步骤7，利用所述处理后的井况信息、井下双磁传感器探管计算数据、磁短节等效磁矩，计算井下双磁传感器探管与磁短节在正钻井井口坐标系中的空间位置，进而确定邻井平行段在正钻井井口坐标系中的相对空间位置。
步骤8，根据计算结果，调整工具面继续钻进到下一位置。
步骤9，根据计算的邻井平行间距，用钻杆或爬行器将井下双磁传感器探管下入到下一位置，同样尽量使双磁传感器探管的中点正对上方正钻井中的磁短节。
步骤10，转到步骤6，如此循环至钻完。
所述步骤2包括 步骤21，根据正钻井与已钻井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，计算水平井钻盘平面高度比直井钻盘平面高度高多少或低多少。
步骤22，确定井眼轨迹数据是相对于钻盘平面高度还是地面海拔高度。
步骤23，根据正钻井与已钻井井口坐标计算已钻井井口相对正钻井井口的偏移。
步骤24，在双磁传感器探管和连通点的实际垂直深度(TVD)、北坐标(N)、东坐标(E)数据上加上或减去所述偏移量。
所述步骤3包括 如图2所示，计算旋转磁短节周围空间远场磁感应强度时，可把旋转磁短节看成旋转磁偶极子，其周围空间远场磁感应强度B计算如下 在直角坐标系中，
磁感应强度的三轴分量Bx、By、Bz计算如下 式中m为磁短节的等效磁矩。
所述步骤6包括 根据所述计算模型，建立如图3所示坐标系。如图3所示，磁短节到双磁传感器探管的径向间距为R；磁短节到双磁传感器探管上部的磁场传感器的距离为r1，到双磁传感器探管端部的磁场传感器的距离为r2；磁短节到双磁传感器探管上部的磁场传感器的轴向间距为z1，到双磁传感器探管端部的磁场传感器的轴向间距为z2；两磁场传感器的间距为d(已知)。
如图4所示，单位矢量
代表三轴交变磁场传感器的X、Y轴；单位矢量
代表t时刻磁短节等效磁矩的方向；单位矢量
代表磁短节到双磁传感器探管的径向；单位矢量
正交于双磁传感器探管的轴向，同时正交于单位矢量
；代表已钻井井眼高边方向；AmR代表单位矢量
到单位矢量
的夹角；AhR代表磁短节与双磁传感器探管的径向连线到的夹角；Ahx代表井眼高边Hs到单位矢量
的夹角；AxR代表单位矢量
到单位矢量
的夹角。
如图3、图4所示，要求邻井平行段的相对空间位置，主要是确定磁短节到双磁传感器探管的径向间距R和夹角AhR。
在图3所示坐标系中 式中|Bz|代表交变磁场传感器Z轴检测到的磁场感应强度波形的振幅，|BR|代表径向磁场感应强度波形的振幅。
如图4所示，双磁传感器探管三轴交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度分量为 将两交变磁场传感器检测到的三轴磁场感应强度波形的振幅代入以下几式 可求得邻井平行间距R和z1、z2。将R和z1、z2代入下式 式中|Bx|、|By|代表交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度波形的振幅。
可得在两交变磁场传感器处单位矢量
到单位矢量
夹角的值AxR1、AxR2，因此 显然，以上得到的AxR不能确定其在
范围内，还在是在[-π，0]范围内。在实际应用中这不是个问题，因为它的范围可由夹角Ahx来确定。夹角Ahx可由三轴加速度传感器测得，因此，邻井平行段的相对方位，即磁短节到已钻井井眼高边的夹角 AhR＝π-Ahx-AxR。
从而，确定了磁短节到双磁传感器探管的相对空间置，进而也就确定了邻井平行段的相对空间位置。
图1是邻井平行间距随钻电磁探测系统工作示意图。
图2是旋转磁短节周围空间磁感应强度计算模型。
图3是邻井平行间距随钻电磁探测系统测距计算模型。
图4是分析邻井平行段相对方位示意图。
图5是正钻井与已钻井井口信息示图。
图中 1正钻井 2已钻井 3钻井塔 4电缆 5钻头 6磁短节 7井下双磁传感器探管 8地面设备 61磁力线 71三轴高精度交变磁场传感器 72三轴高精度交变磁场传感器
具体实施例方式 本发明可基于双磁传感器探管接收磁短节产生的两组磁信号，确定邻井平行段的相对空间位置，其计算方法包括下列主要步骤 步骤1，提取已钻井与正钻井的井况信息。已钻井与正钻井的井眼轨迹测量信息；已钻井与正钻井的井口坐标；已钻井与正钻井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；已钻井的井身结构。
步骤2，处理提取的已钻井与正钻井的井况信息。
提取已钻井与正钻井的井况信息后，以正钻井井口位置为参考建立全局坐标系，然后计算已钻井的井口坐标。为确保计算的正确，最后是绘制如图5所示示意图，在图上标出已钻井与正钻井的井口坐标。具体算法如下 根据已钻井与正钻井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，计算正钻井钻盘平面高度比已钻井钻盘平面高度高多少或低多少。
确定井眼轨迹数据是相对于钻盘平面高度还是地面海拔高度。
根据已钻井与正钻井井口坐标计算已钻井井口相对正钻井井口的偏移。
在双磁传感器探管的实际垂直深度(TVD)、北坐标(N)、东坐标(E)数据上加上或减去所述偏移量。
步骤3，建立旋转磁短节周围空间磁感应强度计算模型。
磁短节中由永磁体来提供永磁场。不同个数的圆柱形永磁体以一定的方式在磁短节中堆栈在一起，形成不同强度的永磁场，这种设计方式不仅易于改变磁短节磁场的强度，而且经济，又能尽可能小的降低磁短节的强度。对于圆柱形永磁体空间磁场分布的计算有磁偶极子法、等效磁荷法、有限元仿真等方法。其中磁偶极子法最为简单，而且在邻井平行间距随钻电磁探测系统中要测的磁场范围在距磁短节4m以外，满足磁偶极子法适应于计算远场的要求。
如图2所示，磁短节周围空间远场磁感应强度B计算如下 在直角坐标系中，磁感应强度的三轴分量Bx、By、Bz计算如下 式中m为磁短节的等效磁矩。
步骤4，在地表测定磁短节的等效磁矩并给出井下磁短节等效磁矩可能的变化范围。
利用本发明者在申请的专利200910210079X中发明的测定磁短节等效磁矩的方法，可求得磁短节在地面的等效磁矩。一般情况下，井下磁短节的等效磁矩在地面测定的100％～90％范围内；在特殊地层，井下磁短节的等效磁矩在地面测定的100％～80％范围内。
步骤5，根据估计的邻井平行间距，用钻杆或爬行器将井下双磁传感器探管下入已钻井到合适位置。磁短节下入到双磁传感器探管两端部之间，最好使双磁传感器探管的中点正对上方正钻井中的磁短节。
步骤6，提取井下双磁传感器探管计算的邻井平行段的相对空间位置数据。
根据所述计算模型，建立如图3所示坐标系。如图3所示，磁短节到双磁传感器探管的径向间距为R；磁短节到双磁传感器探管上部的磁场传感器的距离为r1，到双磁传感器探管端部的磁场传感器的距离为r2；磁短节到双磁传感器探管上部的磁场传感器的轴向间距为z1，到双磁传感器探管端部的磁场传感器的轴向间距为z2；两磁场传感器的间距为d(已知)。
如图4所示，单位矢量
代表三轴交变磁场传感器的X、Y轴；单位矢量
代表t时刻磁短节等效磁矩的方向；单位矢量
代表磁短节到双磁传感器探管的径向；单位矢量
正交于双磁传感器探管的轴向，同时正交于单位矢量
代表已钻井井眼高边方向；AmR代表单位矢量
到单位矢量
的夹角；AhR代表磁短节与双磁传感器探管的径向连线到的夹角；Ahx代表井眼高边Hs到单位矢量
的夹角；AxR代表单位矢量
到单位矢量
的夹角。
如图3、图4所示，要求邻井平行段的相对空间位置，主要是确定磁短节到双磁传感器探管的径向间距R和夹角AhR。
在图3所示坐标系中，
因此可得 如图4所示，双磁传感器探管三轴交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度分量为 Bx＝BRcos(AxR)-Bqsin(AxR) (6) By＝BRsin(AxR)+Bqcos(AxR) (7) 将(3)～(5)式代入(6)～(7)式可得 由(6)式和(9)式可得 式中|Bx|、|By|代表交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度波形的振幅。
由(3)式和(5)式可得 式中|Bz|代表交变磁场传感器Z轴检测到的磁场感应强度波形的振幅，|BR|代表径向磁场感应强度波形的振幅。
在双磁传感器探管上部交变磁场传感器处定义 又因为z1＜0，由(18)式可解得 在双磁传感器探管下部传感器处定义 又因为z1＜d，由(21)式可解得 由(17)式和(20)式联立可得 将(23)～(25)式代入(14)式可得在两交变磁场传感器处单位矢量
到单位矢量
夹角的值AxR1、AxR2，因此 显然，由(14)式得到的AxR不能确定其在
范围内，还在是在[-π，0]范围内。在实际应用中这不是个问题，因为它的范围可由夹角Ahx来确定。夹角Ahx可由三轴加速度传感器测得，因此，邻井平行段的相对方位，即磁短节到已钻井井眼高边的夹角 AhR＝π-Ahx-AxR (27) 由磁短节到双磁传感器探管的径向间距R和夹角AhR，可以确定磁短节到双磁传感器探管的相对空间位置。磁短节的位置代表正钻井位置，双磁传感器探管的位置代表已钻井位置，因此由磁短节到双磁传感器探管的相对空间位置也就确定了邻井平行段的相对空间位置。
步骤7，利用所述处理后的井况信息、井下双磁传感器探管计算数据、磁短节等效磁矩，计算井下双磁传感器探管与磁短节在正钻井井口坐标系中的空间位置，进而确定邻井平行段在正钻井井口坐标系中的相对空间位置。
步骤8，根据计算结果，调整工具面继续钻进到下一位置。
步骤9，根据计算的邻井平行间距，用钻杆或爬行器将井下双磁传感器探管下入到下一位置，同样尽量使双磁传感器探管的中点正对上方正钻井中的磁短节。
步骤10，转到步骤6，如此循环至钻完。
权利要求
1.一种利用井下双磁传感器探管接收磁短节产生的两组磁信号，确定邻井平行段的相对空间位置的计算方法，其特征在于，包括下列步骤
步骤1，提取已钻井与正钻井的井况信息。已钻井与正钻井的井眼轨迹测量信息；已钻井与正钻井的井口坐标；已钻井与正钻井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；已钻井的井身结构。
步骤2，处理提取的已钻井与正钻井的井况信息。
步骤3，建立旋转磁短节周围空间磁感应强度计算模型。
步骤4，在地表测定磁短节的等效磁矩并给出井下磁短节等效磁矩可能的变化范围。
步骤5，根据估计的邻井平行间距，用钻杆或爬行器将井下双磁传感器探管下入已钻井到合适位置。磁短节下入到双磁传感器探管两端部之间，最好使双磁传感器探管的中点正对上方正钻井中的磁短节。
步骤6，提取井下双磁传感器探管计算的邻井平行段的相对空间位置数据。
步骤7，利用所述处理后的井况信息、井下双磁传感器探管计算数据、磁短节等效磁矩，计算井下双磁传感器探管与磁短节在正钻井井口坐标系中的空间位置，进而确定邻井平行段在正钻井井口坐标系中的相对空间位置。
步骤8，根据计算结果，调整工具面继续钻进到下一位置。
步骤9，根据计算的邻井平行间距，用钻杆或爬行器将井下双磁传感器探管下入到下一位置，同样尽量使双磁传感器探管的中点正对上方正钻井中的磁短节。
步骤10，转到步骤6，如此循环至钻完。
2.权利要求1所述的利用井下双磁传感器探管接收磁短节产生的两组磁信号，确定邻井平行段的相对空间位置的计算方法，其特征在于，步骤2包括
步骤21，根据正钻井与已钻井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，计算水平井钻盘平面高度比直井钻盘平面高度高多少或低多少。
步骤22，确定井眼轨迹数据是相对于钻盘平面高度还是地面海拔高度。
步骤23，根据正钻井与已钻井井口坐标计算已钻井井口相对正钻井井口的偏移。
步骤24，在双磁传感器探管和连通点的实际垂直深度(TVD)、北坐标(N)、东坐标(E)数据上加上或减去所述偏移量。
3.权利要求1所述的利用井下双磁传感器探管接收磁短节产生的两组磁信号，确定邻井平行段的相对空间位置的计算方法，其特征在于，步骤3包括
计算旋转磁短节周围空间远场磁感应强度时，可把旋转磁短节看成旋转磁偶极子，其周围空间远场磁感应强度B计算如下
在XYZ直角坐标系中，磁感应强度的三轴分量Bx、By、Bz计算如下
式中m为磁短节的等效磁矩。
4.权利要求1所述的利用井下双磁传感器探管接收磁短节产生的两组磁信号，确定邻井平行段的相对空间位置的计算方法，其特征在于，步骤6包括
在RQZ坐标系中，
磁场感应强度的三轴分量为
将两个交变磁场传感器检测到的三轴磁场感应强度波形的振幅代入以下几式
可求得邻井平行间距R和z1、z2。将R和z1、z2代入下式
式中|Bx、|By|代表交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度波形的振幅。可得在两交变磁场传感器处单位矢量
到单位矢量
夹角的值AxR1、AxR2，因此
显然，由(14)式得到的AxR不能确定其在
范围内，还在是在[-π，0]范围内，它的范围可由夹角Ahx来确定。夹角Ahx可由三轴加速度传感器测得，因此，邻井平行段的相对方位，即磁短节到已钻井井眼高边的夹角
AhR＝π-Ahx-AxR。
全文摘要
一种用于邻井平行间距随钻电磁探测的计算方法，主要包括旋转磁短节周围空间磁场计算模型及邻井平行间距算法等。其特征在于把旋转磁短节看成是旋转磁偶极子，导出旋转磁短节周围空间远场磁感应强度的计算公式；根据旋转磁偶极子计算模型，本发明一种随钻电磁探测系统应用于邻井平行段的测距导向算法。邻井平行间距随钻电磁探测系统应用这种算法计算邻井平行段的相对空间位置时，无需钻头有一定的进尺，因此可以在很短的时间内完成测量计算。同时，这种算法可以固化到邻井平行间距随钻电磁探测系统的井下双磁传感器探管内，只需将计算结果发送到地面，节省了数据发送时间。
文档编号E21B47/00GK101798918SQ20101012755
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者高德利, 刁斌斌 申请人:中国石油大学(北京)