一种井下交变磁场定位装置的制作方法

本实用新型涉及一种石油钻井用的井下磁性定位导向工具，特别涉及一种井下交变磁场定位装置。

背景技术：

世界油气工业发展正历经油气藏开发从常规到非常规、从陆地到海洋、从浅海到深海的关键时期，钻探各种复杂结构井的数量逐步增多，现有几何导向技术已能实现利用加速度计、磁力计、陀螺仪等传感器测量井斜角、方位角等轨迹参数，在钻井过程中对井眼轨迹的控制依据当前钻进方向的测量，随着对钻井导向精度要求的不断提高，现有几何导向钻井技术仍不能完全满足高可靠、高精度、抗干扰的需求。

为了应对导向定位需求有源磁性导向技术被引入复杂结构井施工中，利用磁场源信标的三维磁场矢量进行定位导向，其中旋转磁场测距导向系统（rmrs）和电磁引导工具（mgt）得到了广泛应用，但现有磁导向系统都是“点对点”形式进行定位导向，对于空间姿态趋势难以全面掌握，因此需要研制一种可提供更多定位信标的磁导向工具，其需要具有可控性强、定位精度高、结构简单、便于操作和多定位信标的磁导向装置，是高精度井下磁定位导向技术的必然要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种井下交变磁场定位装置，具有两个低频交变磁源，分别采用两个不同的工作频率进行低频交变磁场信号发射，能够实现在井下产生定位低频交变磁场源，为磁性定位测量提供有效交变磁场信号，同时交变磁场定位装置中的测量模块可提供装置的姿态数据，并通过磁源发射低频电磁波实现与在钻井的无线数据传输，将磁源信标井下姿态数据传输到随钻测量仪器并上传至地面进行综合处理，从而实现磁源信标与测量装置间相对距离和方位的测量计算，井下交变磁场定位装置可以为定位导向提供更多有效信息，确保磁性导向定位施工的精确定位。

本实用新型提到的一种井下交变磁场定位装置，其技术方案是：包括供电连接短节（1）、测量传感器模块（2）、数据处理模块（3）、第一磁源信标（4）、第二磁源信标（5）、无磁外筒（6）、引导头（7），所述无磁外筒（6）内依次安装供电连接短节（1）、测量传感器模块（2）、数据处理模块（3）、第二磁源信标（5）、第一磁源信标（4）和引导头（7），所述供电连接短节（1）主要由电缆接头（8）和电源模块（9）组成，电缆接头（8）与下入电缆连接为井下供电；所述第一磁源信标（4）和第二磁源信标（5）主要由磁芯、骨架和线圈组成，骨架采用环氧树脂加工，并将第一磁源信标（4）和第二磁源信标（5）隔开；所述引导头（7）主要由金属头（22）、水力塞座（23）和水利塞（24）组成，金属头（22）与仪器外壳连接，水力塞（24）安装在水力塞座（23）上，水力塞座（23）安装在无磁外筒（6）上，通过泵送水力作用辅助引导定位。

优选的，上述测量传感器模块（2）主要由三轴磁场测量探头（10）、三轴重力加速度计（11）、温度传感器（12）组成，带有温度补偿功能的三轴重力加速度计（11）和三轴磁场测量探头（10）以及温度传感器（12）输出的模拟信号，经交直流隔离模块（13）和a/d转换器（14）转换为数字信号后，送入到微处理器（15）中进行处理。

优选的，温度传感器（12）的数据、三轴重力加速度计（11）的数据和三轴磁场测量探头（10）的直流磁场数据通过a/d转换器（14）转换为数字信号，采样频率为200hz，三轴磁场信号通过交直流隔离模块进行交流信号和直流信号分离，分离后的直流信号通过直流滤波模块进行低通滤波，截止频率为0.5hz。

优选的，上述数据处理模块（3）主要由微处理器（15）和数字信号处理器（16）组成，微处理器（15）用于完成测量数据的数字信号初步处理，并将数据送入数字信号处理器（16），完成数据的井斜方位姿态信息的解算，计算结果通过磁源信标以无线的方式发送，主要利用数字信号处理器（16）和d/a模数转换器（17）结合来实现，数字信号处理器（16）控制d/a模数转换器（17）产生特定频率的信号，并经过功率放大（18）驱动磁源信标向外发射。

优选的，第一磁源信标（4）和第二磁源信标（5）选择0.5hz~4hz内不同工作频点。

优选的，上述水力塞（24）采用橡胶材料加工，水力塞座（23）采用铝铜合金加工，无磁外筒（6）采用铝合金和奥氏不锈钢无磁材料加工。

优选的，上述第一磁源信标（4）和第二磁源信标（5）的线圈采用漆包线进行绕制，磁芯采用纯铁和硅钢磁性材料加工，无磁外筒（6）采用足够强度的绝缘橡胶或者塑料加工，以减少外筒对交变磁场信号的屏蔽。

优选的，上述电源模块（9）通过整流提供5v、12v和15v的直流稳压供电，通过变频稳流电路提供频率小于4hz和强度范围5a-10a的电流为交变磁场发生装置供电。

本实用新型提到的井下交变磁场定位装置的使用方法，其技术方案是包括以下过程：

平行水平井施工中，仪器进行分段引导，首先在a段引导点进行井下交变磁场定位装置发射导向定位信号，再通过泵送水力作用将井下交变磁场定位装置运送到b段引导点进行发射导向定位信号，以此类推实现平行井分段导向定位；

通过测量传感器模块（2）和数据处理模块（3）得到交变磁场定位装置的井斜方位姿态信息，利用数字信号处理器（16）和d/a模数转换器（17）经过功率放大（18）驱动磁源信标向外发射；第一磁源信标（4）和第二磁源信标（5）选择0.5hz~4hz内不同工作频点，分别用fa和fb表示，无线传输采用二进制fsk调制方式，频率fa表示数据“0”，频率fb表示数据“1”，目标井中测量仪器测量磁场数据，采集频率fa和fb的变频磁场数据，通过提取fa和fb变频磁场信号幅值，根据fa和fb的频谱特征解调还原出数据，实现通信传输的目的，并将数据上传，在测点处井斜和方位姿态信息的测量基础上，去噪后的交流信号通过数据处理模块计算相对距离方位，依据提取交变磁场信号的幅值和频域特征进行计算相对距离和方位，可以为定位导向提供更多有效信息，确保磁性导向定位施工的精确定位。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果具体如下：

本实用新型具有两个低频交变磁源，频率小于4hz和强度范围5a-10a的电流为交变磁场发生装置供电，带有温度补偿功能的三轴重力加速度计和三轴磁场测量探头以及温度传感器输出的模拟信号，通过模数转换器ad7490转换为数字信号；数据处理模块主要由微处理器（mcu）和数字信号处理器（dsp）组成，完成数据对装置井斜和方位等姿态信息的解算，数字信号处理器控制d/a模数转换器产生特定频率的信号，并经过功率放大和谐振电路，驱动交变磁源向外发射；磁源信标a和磁源信标b选择0.5hz~4hz内不同工作频点分别用fa和fb表示，无线传输采用二进制fsk调制方式，频率fa表示数据“0”，频率fb表示数据“1”，目标井中测量仪器测量磁场数据，根据fa和fb的频谱特征解调还原出数据，实现通信传输的目的，并将数据上传，在测点处井斜和方位等姿态信息的测量基础上，去噪后的交流信号通过数据处理模块计算相对距离方位，依据提取旋转交变磁场信号的幅值和频域特征进行计算相对距离和方位；

本实用新型可有效实现提供更多定位信标的磁导向工具，具有可控性强、定位精度高、结构简单、便于操作和多定位信标，满足高精度井下磁定位导向的技术要求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的电路功能示意图；

图3是本实用新型用于平行井的示意图；

上图中：供电连接短节1、测量传感器模块2、数据处理模块3、第一磁源信标4、第二磁源信标5、无磁外筒6、引导头7、电缆接头8、电源模块9、三轴磁场测量探头10、三轴重力加速度计11、温度传感器12、直流隔离模块13、a/d转换器14、微处理器15、数字信号处理器16、d/a模数转换器17、功率放大18、下入电缆21、金属头22、水力塞座23和水利塞24；平行水平井m、目标井n、a段引导点、b段引导点、井下交变磁场定位装置c、测量仪器d。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，参照图1-3，本实用新型提到的一种井下交变磁场定位装置，包括供电连接短节1、测量传感器模块2、数据处理模块3、第一磁源信标4、第二磁源信标5、无磁外筒6、引导头7，所述无磁外筒6内依次安装供电连接短节1、测量传感器模块2、数据处理模块3、第二磁源信标5、第一磁源信标4和引导头7，所述供电连接短节1主要由电缆接头8和电源模块9组成，电缆接头8与下入电缆21连接为井下供电；所述第一磁源信标4和第二磁源信标5主要由磁芯、骨架和线圈组成，骨架采用环氧树脂加工，并将第一磁源信标4和第二磁源信标5隔开；所述引导头7主要由金属头22、水力塞座23和水利塞24组成，金属头22与仪器外壳连接，水力塞24安装在水力塞座23上，水力塞座23安装在无磁外筒6上，通过泵送水力作用辅助引导定位。

电源模块9通过整流提供5v、12v和15v的直流稳压供电，通过变频稳流电路提供频率小于4hz和强度范围5a-10a的电流为交变磁场发生装置供电，供电连接短节1采用铝合金和奥氏不锈钢等无磁材料加工。

测量传感器模块2主要由三轴磁场测量探头10、三轴重力加速度计11、温度传感器12组成。带有温度补偿功能的三轴重力加速度计11和三轴磁场测量探头10以及温度传感器12输出的模拟信号，经交直流隔离模块13和a/d转换器14转换为数字信号后，送入到微处理器15中进行处理。温度传感器12数据、三轴重力加速度计11数据和直流磁场数据通过模数转换器ad7490转换为数字信号。采样频率为200hz，三轴磁场信号通过交直流隔离模块进行交流信号和直流信号分离，分离后的直流信号通过直流滤波模块进行低通滤波，截止频率为0.5hz。

数据处理模块3主要由微处理器15和数字信号处理器16组成，微处理器15作为系统的控制核心，完成测量数据的数字信号初步处理，并将数据送入数字信号处理器16，完成数据的井斜方位等姿态信息的解算，计算结果通过磁源信标以无线的方式发送，主要利用数字信号处理器16和d/a模数转换器17结合来实现，数字信号处理器16控制d/a模数转换器17产生特定频率的信号，并经过功率放大18驱动磁源信标向外发射，第一磁源信标4和第二磁源信标5选择0.5hz~4hz内不同工作频点分别用fa和fb表示。

第一磁源信标4和第二磁源信标5主要由磁芯、骨架和线圈组成，骨架采用环氧树脂加工，线圈采用漆包线进行绕制，磁芯采用纯铁和硅钢等磁性材料加工，无磁外筒6采用足够强度的绝缘橡胶或者塑料加工以减少外筒对交变磁场信号的屏蔽。

引导头7主要由金属头22、水力塞座23和水利塞24组成，金属头22与仪器外壳连接，水力塞24安装在水力塞座23上，通过泵送水力作用辅助引导定位；水力塞24采用橡胶材料加工，水力塞座23采用铝铜合金加工，引导头7通过泵送引导装置至指定位置；无磁外筒6采用铝合金和奥氏不锈钢等无磁材料加工，通过无磁外筒安装固定各模块。

本实用新型提到的一种井下交变磁场定位装置的使用方法，包括以下过程：

平行水平井m施工中，仪器进行分段引导，首先在a段引导点进行井下交变磁场定位装置发射导向定位信号，再通过泵送水力作用将井下交变磁场定位装置运送到b段引导点进行发射导向定位信号，以此类推实现平行井分段导向定位；

通过测量传感器模块2和数据处理模块3得到井下交变磁场定位装置的井斜方位等姿态信息，利用数字信号处理器16和d/a模数转换器17经过功率放大18驱动磁源信标向外发射；第一磁源信标和第二磁源信标选择0.5hz~4hz内不同工作频点分别用fa和fb表示，无线传输采用二进制fsk调制方式，频率fa表示数据“0”，频率fb表示数据“1”，另外，在目标井n中通过测量仪器d测量磁场数据，采集频率fa和fb的变频磁场数据，通过提取fa和fb变频磁场信号幅值，根据fa和fb的频谱特征解调还原出数据，实现通信传输的目的，并将数据上传，在测点处井斜和方位等姿态信息的测量基础上，去噪后的交流信号通过数据处理模块计算相对距离方位，依据提取交变磁场信号的幅值和频域特征进行计算相对距离和方位，可以为定位导向提供更多有效信息，确保磁性导向定位施工的精确定位。

实施例2，本实用新型提到的本实用新型提到的一种井下交变磁场定位装置，包括供电连接短节1、测量传感器模块2、数据处理模块3、第一磁源信标4、第二磁源信标5、无磁外筒6、引导头7，所述无磁外筒6内依次安装供电连接短节1、测量传感器模块2、数据处理模块3、第二磁源信标5、第一磁源信标4和引导头7，所述供电连接短节1主要由电缆接头8和电源模块9组成，电缆接头8与下入电缆21连接为井下供电；所述第一磁源信标4和第二磁源信标5主要由磁芯、骨架和线圈组成，骨架采用环氧树脂加工，并将第一磁源信标4和第二磁源信标5隔开；所述引导头7主要由金属头22、水力塞座23和水利塞24组成，金属头22与仪器外壳连接，水力塞24安装在水力塞座23上，水力塞座23安装在无磁外筒6上，通过泵送水力作用辅助引导定位；所述金属头22的端部采用椭圆形结构，更有利于起到引导定位的作用。

实施例3，本实用新型提到的本实用新型提到的一种井下交变磁场定位装置，包括供电连接短节1、测量传感器模块2、数据处理模块3、第一磁源信标4、第二磁源信标5、无磁外筒6、引导头7，所述无磁外筒6内依次安装供电连接短节1、测量传感器模块2、数据处理模块3、第二磁源信标5、第一磁源信标4和引导头7，所述供电连接短节1主要由电缆接头8和电源模块9组成，电缆接头8与下入电缆21连接为井下供电；所述第一磁源信标4和第二磁源信标5主要由磁芯、骨架和线圈组成，骨架采用环氧树脂加工，并将第一磁源信标4和第二磁源信标5隔开；所述引导头7主要由金属头22、水力塞座23和水利塞24组成，金属头22与仪器外壳连接，水力塞24安装在水力塞座23上，水力塞座23安装在无磁外筒6上，通过泵送水力作用辅助引导定位；所述金属头22的端部采用椭圆形结构，且外侧加设有加强楞，不仅起到引导定位的作用，而且还起到加强支撑的作用。

以上所述，仅是本实用新型的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本实用新型的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本实用新型要求保护的范围。