专利名称：一种双螺线管组随钻电磁测距导向系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种随钻测量邻井距离的电磁引导系统，属于地下资源钻采工程技术 领域。
背景技术：
在石油、天然气及煤层气等地下资源的开采中，双水平井、连通井、U型井和加密井 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。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(如MGT、RMRS等)，但其核心技术仍被 保密和垄断。本发明者在MGT和RMRS的基础上，在以前申请的专利201010145020X和专利 2010101450233中研究设计了 “一种螺线管组随钻电磁测距导向系统”，该系统虽然具有较 大的测距范围，但是测量和数据传输时间较长，浪费了总体钻井时间。为节省探测系统的测 量和数据传输时间，提高钻井效率，本发明者特研究设计了“一种双螺线管组随钻电磁测距 导向系统”，本发明采用双螺线管组短节作为磁信号发射源，放到已钻井中，可以产生两个 不同频率的旋转磁场，与RMRS具有相当的测量精度；该系统不仅具有较大的测距范围，而 且测量计算时，无需拖动双螺线管组短节就可以精确探测计算邻井间距和相对方位，因此 可以在较短的时间内完成测量。同时，数据分析和邻井间距计算程序可以放到井下，只将计 算后少量的必要数据发送到地面，节约了数据发送时间。
发明内容
本发明的主要技术问题是提供一种双螺线管组随钻电磁测距导向系统，它能在一 定范围内精确测量邻井的相对距离和方位，为双水平井、连通井、U型井和加密井等复杂结 构井提供一种有效的探测与控制手段。为了随钻探测邻井的间距和相对方位，本发明提供了 一种双螺线管组随钻电磁测 距导向系统，其特征在于主要包括一个双螺线管组短节、一套经改装的MWD (Measurement While Drilling)、地面显示系统及地面设备，其中所述双螺线管组短节，其主要作用是在探测点产生两个不同频率的旋转磁场，是 该电磁探测系统的信号源，以此确定钻头在正钻井中的位置。在使用时，钻柱或爬行器将螺 线管组短节下到已钻井中。所述改装的MWD，主要是由传统的MWD、一个三轴交变磁场传感器和固化有数据分 析及邻井间距计算程序的微处理器组成，安装在传统MWD所处的位置。交变磁场传感器在 MWD中的安装方式与MWD中其它三轴传感器安装方式相同，其作用是探测由螺线管组产生 的旋转磁场。MWD中的三轴磁通门传感器和三轴加速度传感器主要用来检测MWD所在位置 处的地磁场矢量和重力场矢量。数据分析及邻井间距计算程序，其作用是分析传感器检测 到的信号并计算改装的MWD与双螺线管组短节的间距和相对方位，同时计算改装的MWD所 在井深处的井斜角和方位角，并将计算结果由MWD传输到地面设备。
所述的地面显示系统，主要是将接收到的井下发送数据，经进一步计算，以数字、 文字及图形等形式显示钻头到邻井的相对空间位置。钻井工程师可以根据这些信息，结合 传统的MWD测斜数据，有效地控制钻头运动轨迹，以便精确控制相邻两口井平行段按设计 间距钻进或使相邻两口井连通。所述的地面设备，主要是为双螺线管组短节提供两组同步交流电和接收双螺线管 组短节内传感器探测的信号。其中每组交流电包括两个同步交流电，两个同步电流的波形 在时间上相差四分之一个周期，交流电的波形可是正弦和余弦波形，也可以都是方波，这是 因为两方波的傅立叶谐波也是正弦和余弦波形。一般地，产生方波形交流电要比产生纯净 的正余弦波形交流电容易得多，因此在现实应用中常采用方波形交流电。进一步地，上述双螺线管组随钻电磁测距导向系统还可具有以下特点所述双螺 线管组短节主要包括两段螺线管组，每段螺线管组由两列相互正交的螺线管组成，其特征 在于两段螺线管组分别位于双螺线管组短节两端，相距4米，每段螺线管组长1米左右，直 径为60毫米。其中每个螺线管的线圈绕在层叠的软磁铁芯上。螺线管组可以用尼龙绳系 在无磁骨架上，也可以在螺线管与骨架的缝隙中灌入环氧树脂来固定螺线管。为了保护螺 线管组也可以将固定好的螺线管和骨架放入一个无磁外壳中。进一步地，所述双螺线管组短节还包括传感器模块和处理电路，其特征在于传感 器模块主要由三轴磁通门传感器和三轴加速度传感器，用来探测双螺线管组短节所在井深 位置的地磁场矢量和重力场矢量，以计算双螺线管组短节自身的摆放姿态。两个三轴传感 器的z轴沿双螺线管组短节的轴向；两个传感器的X轴位于同一个平面上，且相互平行；Y 轴的情况与此相同。处理电路主要用来处理传感器模块检测到的信号，并将信号发送到地 面设备。进一步地，上述改装的MWD还可具有以下特点传感器模块由一个三轴交变磁场 传感器、一个三轴磁通门传感器、一个三轴加速度传感器和一个温度传感器组成。三轴交变 磁场传感器与其它三轴传感器的安装方式相同。交变磁场传感器用来检测MWD所在位置处 由双螺线管组短节产生的两个不同频率的磁信号；磁通门传感器、加速度传感和温度传感 器用来检测MWD所在位置处地磁场矢量、重力场矢量和井下温度。检测到的信号并由MWD 传输到地面设备，为邻井间距计算程序提供数据。进一步地，所述改装的MWD内微处理上固化的邻井间距计算程序包括邻井平行间 距计算方法和邻井连通计算方法，其特征在于可以根据改装后MWD接收到的双螺线管组 短节产生的两组磁信号，计算MWD到双螺线管组短节的间距和相对方位。钻头到MWD的距离 已知，进而可以根据钻头与MWD的相对位置关系，计算钻头到双螺线管组短节的相对位置， 最后结合测斜数据可以确定钻头到已钻井或连通点的相对空间位置。进一步地，所述邻井平行间距计算方法与本发明者所申请专利201010127554X中 介绍的计算方法类似，在此不再赘述。进一步地，所述邻井连通计算方法，其特征在于如图6所示建立直角坐标系，改装的MWD到双螺线管组短节的径向间距为R ；改装 的MWD到双螺线管组短节上部螺线管组的距离为r”到双螺线管组短节下部螺线管组的距 离为r2 ；改装的MWD到双螺线管组短节上部螺线管组的轴向间距为Z2，到改装的MWD到双螺 线管组短节下部螺线管组的轴向间距为Zi ；两段螺线管的间距为D(已知)。如图7所示，以直井井眼的延伸方向为w轴，直井井眼高边方向为u轴，v轴正交于w轴和u轴，建立UVW 直角坐标系。将改装的MWD检测到的两组不同频率的三轴磁场感应强度的振幅代入以下几式 Bj =BZ 其中| Bx |、| By |、| Bz |代表交变磁场传感器X、Y和Z轴检测到的磁场感应强度波 形的振幅。可求得邻井平行间距R和Zp Z2。将R和Zp Z2代入下式 可得在两段螺线管处单位矢量^到单位矢量左夹角的值a工、a 2，因此a =~(ai +a2)由以上求得的R、\、Z2和a就可确定改装的MWD与双螺线管组短节的相位置关 系。然后，结合改装的MWD与钻头和双螺线管组短节与连通点的空间位置关系，即可计算钻 头到连通点的相对位置。进一步地，所述地面设备中为双螺线管组短节提供两组同步方波形交流电的供电 设备，其特征在于可由12伏小型铅酸蓄电池接一个极性可逆场效应晶体管开关电路组 成。螺线管线圈中电流方向周期性逆转，由晶体振荡器产生的方波参考信号来控制，两组交 流电的周期分别为0. 4秒和0. 6秒。本项发明采用双螺线管组短节作为信号源，产生两组不同频率的旋转磁场，具有 与RMRS相当的测量精度，且易于改变信号源的强度，容易控制测距范围；测量计算时，无需 拖动双螺线管组短节就可以精确探测计算邻井间距和相对方位，可以在较短的时间内完成测量，同时数据分析和邻井间距计算程序放到井下，只将计算后少量的必要数据发送到地 面，因此节省了总体钻井时间，提高了钻井效率。本项发明可以用于邻井平行间距和邻井连 通的控制中，为邻井距离的测量和控制提供了比现在普遍使用的MWD更高精度的工具。
图1是本发明双螺线管组随钻电磁测距导向系统在连通井中工作示意图。图2是双螺线管组短节内部螺线管排列示意图。图3是双螺线管组短节激励交流电波形图。图4是井下改装的MWD内部传感器轴线方向排列示意图。图5是井下改装的MWD功能模块示意图。图6是双螺线管组随钻电磁测距导向系统测距计算模型。图7 (a)和图7 (b)是分析双螺线管组短节与改装的MWD相对方位示意图。图8是本发明双螺线管组随钻电磁测距导向系统在双水平井中工作示意图<图中1正钻井2已钻井3钻井塔 4缆车 5电缆6钻头 7改装的MWD 8双螺线管组短节 9磁力线71三轴交变磁场传感器 72三轴高精度磁通门传感器73三轴重力加速度传感器81螺线管组82螺线管组
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行说明。如图1所示，双螺线管组随钻电磁测距导向系统的硬件主要由双螺线管组短节、 改装的MWD、地面设备等组成。改装的MWD放在正钻井中，放在钻头后传统MWD安装位置处， 探测邻井(已钻井)中双螺线管组短节产生的两组不同频率的旋转磁场。然后，检测到的磁 矢量信号由MWD井下处理器中的数据分析与邻井间距计算程序，计算双螺线管组短节到改 装的MWD的相对位置，并将计算结果传输到地面显示系统。进而，结合MWD和钻头的位置关 系，可以计算钻头到螺线管组短节的相对位置。最后，地面显示系统将钻头与双螺线管组短 节的位置关系，以数字、文字和图形等形式显示给钻井工程师。钻井工程师参考测斜数据， 就可以精确控制钻头的运动轨迹。如图2所示，双螺线管组短节主要由两段螺线管组组成，每段螺线管组的个数可 以随探测距离的远近进行调整，每段螺线管组长1米左右，直径为60毫米，其中每个螺线管 的线圈绕在层叠的软磁铁芯上。螺线管可以用尼龙绳系在无磁骨架上，也可以在螺线管与 骨架的缝隙中灌入环氧树脂来固定螺线管。为了更好地保护螺线管组也可以将固定好的螺 线管和骨架放入一个无磁外壳中。双螺线管组短节由钻柱或爬行器下入到已钻井中，并可 以在已钻井中移动。在双水平井中，双螺线管组短节近似放在改装的MWD的正下方；在连通 井中，双螺线管组短节的中点近似放在连通点处。双螺线管组短节还包括传感器模块和处理电路，传感器模块主要由三轴磁通门传 感器和三轴加速度传感器组成，用来探测双螺线管组短节所在井深位置的地磁场矢量和重 力场矢量，以计算双螺线管组短节自身的摆放姿态。处理电路主要用来处理传感器模块检测到的信号，并将信号发送到地面设备。改装的MWD系统与传统MWD的不同在于井下传感器模块中多安装了一个三轴交变 磁场传感器，用来检测由螺线管组短节产生的旋转磁场。传感器模块中的磁通门传感器、加 速度传器和温度传感器分别用来检测MWD处在位置处的地磁场、重力场和井下温度。如图4 所示，交变磁场传感器、磁通门传感器和加速度传感器均为三轴传感器，交变磁场传感器与 其它三轴传感器的安装方式相同。三个传感器的Z轴与MWD轴线重合，X轴和Y轴垂直于 MWD轴线；三个传感器的X轴位于同一个平面上，且相互平行，Y轴的情况与X轴类似。改装 的MWD安装在钻头后传统MWD安装位置，求得MWD的位置后，可由MWD与钻头的位置关系计 算钻头的空间位置。另外，改装的MWD与传统的MWD相比添加了一个微处理器，上面固化了邻井间距计 算程序，可以通过分析检测到的磁信号，计算改装的MWD与双螺线管组短节的相对位置。邻 井间距计算程序包括邻井平行间距计算方法和邻井连通计算方法，邻井平行间距计算方法 与本发明者所申请专利201010127554X中介绍的计算方法类似，邻井连通计算方法其特征 在于在双螺线管组短节的每段螺线管组上建立RQZ直角坐标系，单位矢量i指向直井 的延伸方向，以双螺线管组短节到改装的MWD的径向为单位矢量为的方向，单位矢量。正交 于单位矢量乏和左。在RQZ坐标系中，每段螺线管组的磁矩为m = mcos(Am/})R-msm{AmR)Q， r = RR + ZZ ,可得 如图7所示，以直井井眼的延伸方向为w轴，直井井眼高边方向为u轴，v轴正交 于w轴和u轴，建立UVW直角坐标系。磁场感应强度在w轴、v轴上的分量为 将(1) (2)式代入(4) (5)式可得 式中B。、B、代表磁场感应强度W、V轴分量的幅值。由(1)式和(3)可得
又因为Z2<D，由(1 6)式可解得
在双螺线管组短节下段螺旋管处定义 ， 又因为Z、<0，由(19)式可解得
由(15)式和(18)式联立可得 将(21) (23)式代入(14)式可得在两段螺线管组处单位矢量众到单位矢量为夹 角的值c^、a2，因此 由R、Zi、Z2和夹角a，可以确定改装的MWD到双螺线管组短节的相对空间位置。由 于改装的MWD与钻头的相对位置关系和连通点与双螺线管组短节的相对位置关系已知，因 此可由改装的MWD到双螺线管组短节的相对空间位置确定钻头到连通点的相对空间位置。地面设备主要是为双螺线管组短节提供两组同步交流电和接收双螺线管组短节 内传感器探测的信号。如图3所示，每组交流电包括两个同步交流电，两个同步电流的波形 在时间上相差四分之一个周期，一个电流为同一方向安装的螺线管提供电流，另一电流为 与这一方向正交的另一列螺线管提供电流。电流的波形可以一个是正弦，另一个是余弦，也 可以都是方波，这是因为两方波的傅立叶分量也是正弦和余弦波。一般地，产生方形交流电 要比产生纯净的正余弦波交流电容易的多，故在现实应用中常采用方波交流电。然后，对检 测到的磁信号数据进行傅立叶分析，求得磁信号的正余弦分量，利用求得的正余弦分量来 计算改装的MWD到螺线管组的相对空间位置。两组交流电的变化周期分别为0. 4秒和0. 6 秒。改装的MWD的各个功能模块如图5所示。激励电路为MWD的各个传感器供电，MWD 内的交变磁场传感器、磁通门传感器和加速度传感器分别检测到螺线管组短节产生的旋转 磁场、地磁场和重力场。这些检测到的信号经信号放大器放大后，经模拟数字转换电路变成 数字信号，传到井下的微处理器，由微处理器内的数据分析和邻井间距计算程序分析计算 改装的MWD到双螺线管组的相对位置，将计算结果在井下编码后通过电缆或泥浆脉冲传输 到地面显示系统，地面显示系统将信号解码后提取有用数据，结合相关算法，计算出钻头与 已钻井或连通点的相对位置。然后，以数字、文字和图形等形式显示给钻井工程师。本发明中，由位于双螺线管组短节两端的两段螺线管组成产生两个旋转的等效磁 矩，两个等效磁矩旋转的角速度不同，因此在探测点可以检测到两组不同频率的磁场。旋转 磁场探测器由传统的MWD改装而成，易于实现。本发明的双螺线管组随钻电磁测距导向系 统具有与RMRS相当的测量精度，且易于改变信号源的强度，容易控制测距范围，同时可在 较短的时间内完成测量，提高了整体钻进效率。本发明为邻井间距控制提供了一种导向精 度高、测距范围广、测量时间短、结构简单的随钻测量工具。
权利要求
一种双螺线管组随钻电磁测距导向系统，其特征在于，该系统主要由双螺线管组短节、改装的MWD、地面显示系统及地面设备等组成。
2.如权利要求1所述的双螺线管组短节，其特征在于，主要由两段螺线管组和传感器 模块组成，全长5 6米，直径为60毫米，由钻杆或爬行器下入到已钻井中。
3.如权利要求2所述的两段螺线管组，其特征在于，每段螺线管组又由两列相互正交 的螺线管组成，长1米左右，直径为60毫米，两段螺线管组分别位于双螺线管组短节的两 端。为了保护螺线管组，可以在螺线管与无磁骨架的缝隙中灌入环氧树脂，放入一个无磁外 壳中。
4.如权利要求2所述的传感器模块，其特征在于，主要由三轴磁通门传感器和三轴加 速度传感器组成，用来探测双螺线管组短节所在井深位置的地磁场矢量和重力场矢量，以 计算双螺线管组短节自身的摆放姿态。
5.如权利要求1所述的改装的MWD，其特征在于，在井下传感器模块与传统的MWD多了 一个三轴交变磁场传感器和微处器。改装的MWD安装在钻头后传统MWD所在位置。
6.如权利要求5所述的微处器，其特征在于，微处理器上面固化有数据分析及邻井间 距计算程序，邻井间距计算程序包括邻井平行间距计算方法和邻井连通计算方法，可以通 过分析传感器检测到的两组不同频率的磁信号，计算改装的MWD到双螺线管组短节的相对 位置。
7.如权利要求6所述的邻井连通计算方法，其特征在于，将改装的MWD检测到的两组不 同频率的三轴磁场感应强度的幅值代入以下几式 其中IBx ι、ιBy ι、ιBzι代表交变磁场传感器χ、Y和ζ轴检测到的磁场感应强度波形的振幅。可求得邻井平行间距R和Zp Z2。将R和Zp Z2代入下式 可得在两段螺线管处单位矢量众到单位矢量力夹角的值α” Ci2，因此 由以上求得的R、ZpZ2* α就可确定改装的MWD与双螺线管组短节的相位置关系。然 后，结合改装的MWD与钻头和双螺线管组短节与连通点的空间位置关系，即可计算钻头到 连通点的相对位置。
8.如权利要求1所述的地面显示系统，其特征在于，通过合适的计算，以数字、文字及 图形等形式将邻井平行段的相对位置或钻头到连通点的相对位置显示给钻井工程师。
9.如权利要求1所述的地面设备，其特征在于，主要包括地面供电设备和信号接收设 备。地面供电设备是为双螺线管组短节提供两组同步方波交流电；信号接收设备主要用来 接收双螺线管组短节内传感器探测的信号。
10.如权利要求9所述的两组同步方波交流电，其特征在于，两组交流电的变化周期分 别为0.4秒和0.6秒，每组交流电都由两个同步交流电组成，这两个同步电流的波形在时间 上相差四分之一个周期，一个电流为同一方向安装的螺线管提供电流，另一电流为与这一 方向正交的另一列螺线管提供电流。
全文摘要
一种双螺线管组随钻电磁测距导向系统，能为双水平井、连通井、U型井和加密井等复杂结构井的井眼轨迹控制提供精确的导向测量与计算。该系统主要由双螺线管组短节、改装的MWD、地面显示系统及地面设备等组成。本发明采用双螺线管组短节作为磁信号发射源，放到已钻井中，可以产生两个不同频率的旋转磁场，与RMRS具有相当的测量精度；该系统测量计算时，无需拖动双螺线管组短节就可以精确探测计算邻井间距和相对方位，因此可以在较短的时间内完成测量；该系统的数据分析和邻井间距计算程序可以放到井下，只将计算后少量的必要数据发送到地面，节约了数据发送时间；同时，可以通过提高螺线管线圈的电流强度等方法，提高磁信号发射源的强度，易于增加该系统的测距范围。本发明导向精度高、测距范围广、测量时间短、结构简单，为邻井距离随钻探测与控制提供了一个有效的高新技术手段。
文档编号E21B47/09GK101852078SQ20101019398
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者刁斌斌, 高德利 申请人:中国石油大学(北京)