专利名称：一种交变磁场导向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交变磁场导向装置，属于钻井轨迹导向定位技术领域。
背景技术：
在石油、地矿等能源领域，钻井工程是资源开发的一个关键环节。随着现代油气 勘探开发的快速发展，复杂结构井轨道控制技术成为当前国际能源工业的前沿与关键。复 杂结构井包括水平井、大位移井、多分支井和原井再钻等新型油井，采用该技术可实现油气 藏的高效立体式开发。由于水平井、多分支井增加了井筒与油藏的接触面积，在开发复式油 藏、礁岩底部油藏、稠油热采、煤层气开发、控制水锥、气锥等方面具有良好效果，是增加产 量和提高采收率的重要手段。复杂结构井技术核心在于井眼轨道控制与引导，为此，国内外提出了几何导向钻 井技术与地质导向钻井技术。目前，已有的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，通过电子单点、多点测量、捷联惯导、随钻测量等方式，测量井斜角、方位 角等井迹参数。近来，随着定向井、稠油热采中蒸汽辅助重力泄油所需的成对平行井、水平 对接连通井等复杂结构井对钻井导向精度要求的不断提高，传统几何导向定位技术已经无 法满足井眼轨迹的精度要求。其根本原因在于上述测量方式没有将目标靶点和待钻井眼耦 合为闭环系统，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，从待钻井眼与 目标靶点所形成的系统角度上看，此类方法属于开环控制，没有考虑目标靶点对待钻井眼 的引导能力。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有几何导向定位技术应用于复杂结构井钻井时存在 的定位精度低的问题，提出一种交变磁场导向装置，通过近钻头人工激发的磁场信息将钻 头和目标靶点耦合为闭环系统，在目标端测量单元确定，钻头与目标靶点的相对方位和距 离本发明突破了传统的钻头端和目标端分别独立测量的开环模式，避免了测量误差的积
累ο一种交变磁场导向装置，包括近钻头人工磁极模块、目标端模块和源端控制模 块；近钻头人工磁极模块位于源端控制模块的近钻头处，发射低频交变磁场信号，目 标端模块采集近钻头人工磁极模块所发射的低频交变磁场信号，并解算钻头与目标靶点间 的相对方位和距离，钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息通过目标端模块的远距离传 输单元传输至源端控制模块的司钻指示控制单元，由司钻指示控制单元根据所收到的钻头 与目标靶点间的相对方位和距离信息调整钻头的钻进方向，实现控制钻头向目标靶点精确 钻进。本发明的优点在于(1)安装于近钻头的低频有源交变磁场为将目标靶点和钻头端耦合为闭环系统提供了信息传播途径，近钻头人工磁极模块所产生的交变磁场信号可以根据近钻头端和目标 靶点间的相对距离调整磁场强度大小，从而满足不同距离范围的定位需求；(2)通过对传播至目标靶点的磁矢量信息的测量、解算，可以获得钻头端与目标靶 点间的相对方位和距离等定位信息，为通过目标端引导钻头钻进提供了可行方案。而传统 方法均为钻头端和目标端各自独立测量，没有相对引导能力，本装置则突破传统的开环测 量模式，避免了测量误差积累；(3)在蒸汽辅助重力泄油所需的成对平行井钻井中，采用本发明方法可以精确控 制成对平行井间的距离和走向，传统的无源地磁导向技术无法满足成对平行井间距控制的 精度要求。(4)本发明能够解决常规随钻测量无法满足大容量、高速率数据传输的问题。由于 待钻井眼轨迹的高精度导向控制需要大量实时随钻测量数据，通过将常规测井技术与随钻 测量技术相结合，在目标端测量单元利用单芯测井电缆组成高速、大容量数据传输通道，并 通过地面单元向司钻指示控制单元发送钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息。
目标端地面单元5如图6所示，包括测井车501、计算机502、接口箱503和打印机 504。计算机502、接口箱503和打印机504位于测井车501内。如图7所示，接口箱503包 括远程传输接口 505和接口箱通信驱动电路506 ；接口箱503配置有数传电台、网络、电缆 三种不同的远程传输接口 505，用于与远程数据传输单元7进行数据传输，远程数据传输单 元7可不依赖于某一具体方案，只要能够实现目标端地面单元5与司钻指示控制单元301 之间的远距离数据传输即可。接口箱503通过接口箱通信驱动电路506接收由单芯电缆8 输出的加速度分量Gx、Gy、Gz、地磁信号分量Hd。x、Hdcy, Hdcz和低频交变磁信号Ha。x、Hacy, Hacz, 并将输入计算机502，计算机502利用近钻头人工磁极模块产生的旋转磁场的频率信号对 低频交变磁信号Ha。x、Ha。y、Ha。z进行相敏解调，得到目标端磁场特征信号Hiq在三个坐标轴上 的特征信号HXI、HYI、Hzi和Hxq、Hyq、Hzq，从而得到目标端磁场特征信号Hiq的特征分量，分别 为Hiqx、Hiqy*Hiqz。钻头9与目标靶点间的相对倾斜角α为 目标靶点的特征方位角识为 钻头9与目标靶点间的相对方位角θ通过下式得到 距离r为
式中M为已知磁矩，Hmin为Hiq信号幅度的最小值。计算机502解算得到相对倾斜角α与相对方位角θ，相对距离为r，并形成文件 通过打印机504打印。如图7所示，计算机502解算的钻头9相对目标靶点的相对方位和 距离信息通过远距离传输单元2传至司钻指示控制单元301。源端控制模块3包括司钻指示控制单元301、钻杆302、随钻测量模块303和钻铤 10，如图1所示，司钻指示控制单元301接收经由远距离传输单元2发送的钻头9与目标靶 点之间的相对方位和距离，司钻指示控制单元301通过钻杆302连接钻铤10，随钻测量模 块303 (MWD)测量的近钻头在地理坐标系中的绝对位置和目标靶点在地理坐标系中的绝对 位置信息，以钻头9与目标靶点间的相对方位和距离信息为闭环控制参数，通过司钻指示 控制单元301实时控制钻头9向目标靶点精确钻进。本发明所述交变磁场导向装置的工作过程为由近钻头人工磁极模块1产生的低频交变磁场信号由目标端地下测量单元4实时 采集、解算，并回传至司钻指示控制单元301，以钻铤10与目标靶点间的相对方位和距离为 闭环控制参数，形成闭环导向控制系统，控制钻头9依据测得的实时相对方位和距离向目 标靶点精确钻进。其中，近钻头人工磁极模块1为目标端模块2提供交变磁场信号源，由此产生的 磁场可以被目标端井下测量单元4的三轴高灵敏度磁通门410捕获，并由目标端地面单元 5解算近钻头与目标靶点的相对方位和距离，此外，目标端井下测量单元4还配置有三轴加 速度计409，与三轴高灵敏度磁通门410配合使用，还可以测得目标靶点所在位置的井斜、 方位和工具面角等信息，上述姿态信息的解算由目标端地面单元5完成。目标端井下测量 单元4所测量的三轴加速度信号，代表地磁信号的直流磁信号以及代表近钻头人工源交变 磁场信号均通过单芯电缆8上传至目标端地面单元5，在目标端地面单元5的计算机502中 完成钻头与目标靶点之间的相对方位和距离解算、处理和显示，同时目标靶点自身的姿态 解算也在目标端地面单元5的计算机502中完成，并将结果以界面显示的方式展现给地面 工作人员。目标端地面单元5和目标端井下测量单元4之间依靠绞车6和单芯电缆8相连 接。在地面接口箱503上预留有三种远传接口，分别对应数传电台、公用网络和电缆三种远 距离传输方式，与远处的源端地面司钻指示控制单元301相连接。最后由司钻指示控制单元301接收由目标端地面单元解算的钻铤12与目标靶点 的相对方位和距离信息，并将收到的数据信息显示在屏幕上，通过司钻控制工作人员操控 司钻系统，控制源端钻头进行导向与造斜。总之，由源端近钻头人工磁极模块1产生的低频交变磁信号经过目标端的采集、 处理与解算后反馈回源端司钻指示控制单元301，构成了一个完整的闭环控制系统，如图 1所示。通过获得源端钻头与目标靶点的相对方位和距离信息，突破了传统意义上仅依靠源端近钻头方位测量结果的开环控制模式，通过测量钻头与目标靶点间相对方位与距离信 息，以其相对方位和距离信息为闭环控制参数，实时控制钻头向目标靶点精确钻进的目标。基于本装置产生的一种基于有源交变磁场信息的钻井轨道引导定位方法，流程如 图8所示，包括以下几个步骤步骤一通过钻头处的磁场信号获取同相参考分量I和正交参考分量Q ；在距离钻头一定距离处，设置磁场，如图9所示，三轴加速度计测量重力矢量G分 别在X轴、Y轴、ζ轴上的重力加速度分量Gx、Gy、Gz ；三轴高灵敏度磁通门测量地球的地磁信 号Hd。和钻头处磁场的低频交变磁信号Ha。，其中地磁信号为地球固有。三轴高灵敏度磁通 门测量地磁信号Hd。分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分量Hd。x、Hdcy, Hdcz,地磁信号分量为 直流分量；三轴高灵敏度磁通门测量低频交变磁信号Ha。分别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交 变磁信号分量Ha。x、Hacy, Hacz,低频交变磁信号分量为交流分量。获取钻头处的磁场信号，判断磁场信号是否属于交变磁信号，如果是交变磁信号， 则对Hacz进行希尔伯特变换，构造测量信号正交解调所需的同相参考分量I和正交参考分量Q。希尔伯特变换为
(1)其中，Hzh (t)是信号Hz(t)的希尔伯特变换信号，式中Hz (t)即为Haez，本发明中 正交解调所需的参考信号由Hzh(t)获得，方法为分别取Hzh(t)的实部Real (Hzh(t))与虚 部Image (Hzh (t))，参考信号wt为 则同相参考分量I，正交参考分量Q分别为I = cos (wt)(3)Q=sin(wt)步骤二 获取目标靶点处椭圆极化磁场的特征信号Hiq ；通过同相参考分量I和正交参考分量Q分别对三轴交变磁信号Ha。x、Ha。y、Ha。z进行 正交解调得到同相分量H1 = [HIX，Hiy，Hiz]和正交分量Hq = [Hqx, Hqy，Hqz]；其中
(4)通过公式(4)对札 、Hacy, Ha。z进行正交解调后，得到表征目标端磁场的特征信号 同相分量H1和正交分量Hq。则椭圆极化的磁场特征信号Hiq可由公式(5)得出Hiq = HiXHq (5)步骤三获取钻头与目标靶点间的相对方位；如图10所示，钻头与目标靶点间的相对倾斜角α、目标靶点的特征方位角识由特 征信号
Hiq表示为 a = tg
-ι
H
IQX
V HIQZ J
<P = tg_
(6) 其中Hiqx为特征信号Hiq在X轴的分量；Hiqy为特征信号Hiq在Y轴的分量；Hiqz为 特征信号Hiq在Z轴的分量；相对方位角θ与特征方位角识之间存在以下关系 其中θ为相对方位角，公式(8)是由相对方位角θ计算特征方位角识的直接公 式，由识计算θ时没有直接公式。当目标靶点的特征方位角ρ由公式(7)解算后，本发明采用查表插值法实现已知 特征方位角识计算钻头与目标靶点之间的相对方位角θ，流程如图11所示1)设定θη为0到90°之间的整数，当θη = 0时，队=0;当θη = 90°时，
%二180。，则0彡叱彡90°，0<代^180°,对任意^得到相应的凡 角。
建立映射表(《，队)，其中η = 0，1，2，…，90。
2)如果公式(7)得到的pe代，查询映射表(代，炉 )，则炉与对应的θ即为相对方位
3)如果公式(7)得到的凡，则设炉=^，找出钓所在的区间^ 队+1，则
(10) 其中kn为斜率，则与约对应的相对方位角为
(11)
步骤四获取钻头与目标靶点间的相对距离；
由于目标靶点处的合成磁场被椭圆极化，定义短轴Hstot为Hiq信号幅度的最小值，
短轴Hshwt与距离r的关系为
(12)其中Μ为已知磁矩，则钻头与目标靶点之间的距离可由公式(12)测得t步骤五通过钻头与目标靶点间的相对方位和相对距离，控制钻头钻进。
10
通过钻头与目标靶点之间的相对倾斜角、相对方位角和相对距离，确定钻头与目 标靶点的相对位置信息，引导钻头向目标靶点钻进。
权利要求
一种交变磁场导向装置，其特征在于包括近钻头人工磁极模块、目标端模块和源端控制模块；近钻头人工磁极模块位于源端控制模块的近钻头处，发射低频交变磁场信号，目标端模块采集近钻头人工磁极模块所发射的低频交变磁场信号，并解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离，钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息通过目标端模块的远距离传输单元传输至源端控制模块的司钻指示控制单元，由司钻指示控制单元根据所收到的钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息调整钻头的钻进方向，实现控制钻头向目标靶点精确钻进。
2.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于所述的近钻头人工磁 极模块为，在钻铤的剖面上打六个通孔，在六个通孔中嵌入六组交流线圈，每两个交流线圈 间隔30°，交流线圈内的交流激励电流相位两两相差π/6。
3.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于所述的近钻头人工磁 极模块为，在钻铤的剖面上打六个通孔，在六个通孔中设有永磁体。
4.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于所述的目标端模块包 括目标端井下测量单元、目标端地面单元、绞车和远距离传输单元；目标端井下测量单元包括减震定位装置、传感器舱、电路舱、微机舱、电源舱、磁定位 舱、马笼头和外壳；减震定位装置、传感器舱、电路舱、微机舱、电源舱、磁定位舱位于外壳 内，减震定位装置与外壳最前端固定连接，具有定位和减震作用；传感器舱包括一组三轴加 速度计和一组三轴高灵敏度磁通门，设传感器舱的轴线方向为Z轴，与轴线方向垂直的平 面，设定相互正交的X轴、Y轴方向，X轴、Y轴、Z轴两两相互正交，三轴加速度计和三轴高 灵敏度磁通门的三个轴向方向分别在X轴、Y轴、Z轴方向，三轴加速度计测量重力矢量G分 别在X轴、Y轴、Z轴上的重力加速度分量Gx、Gy、Gz ；三轴高灵敏度磁通门所测信号包括地 磁信号Hd。和低频交变磁信号Ha。，其中地磁信号为地球固有，低频交变磁信号由近钻头人工 磁极模块产生；三轴高灵敏度磁通门测量地磁信号Hd。分别在X轴、Y轴、Z轴上地磁信号分 量Hd。x、Hd。y、Hd。z，地磁信号分量为直流分量；三轴高灵敏度磁通门测量低频交变磁信号札。分 别在X轴、Y轴、Z轴上的低频交变磁信号分量Ha。x、Ha。y、Ha。z，低频交变磁信号分量为交流分 量；传感器舱与电路舱通过航空多芯电缆连接，将三轴加速度计所测的重力加速度分量Gx、 Gy、Gz,三轴高灵敏度磁通门所测的地磁信号分量Hd。x、Hdcy, Hdcz和低频交变磁信号分量Ha。x、 Ha。y、Ha。z传输至电路舱；电路舱接收并调理传感器舱提供的原始信号，电路舱接收三轴加速度计测量的重力矢 量三轴的加速度分量Gx，Gy，Gz ；接收三轴高灵敏度交流磁通门测量的直流分量Hd。x、Hd。y、Hdc;z 和交流分量Ha。x、Hacy, Hacz ；电路舱采用RC滤波电路将三轴高灵敏度交流磁通门测量的直流 分量与交流分量分离，采用0P27放大器将加速度分量Gx，Gy, Gz、直流分量Hd。x，Hdcy, Hd。z、交 流分量Ha。x，Hacy, Hacz的信号幅度调整到士 10伏以内，并通过航空多芯电缆传输给微机舱； 微机舱包括CPU、数据采集电路和通信驱动电路，数据采集电路采用多路同步模拟-数字转 换芯片AD7656，在CPU的控制下，通过数据采集电路采集Gx、Gy、Gz、Hdcx, Hdcy, Hdcz, Hacx, Hacy, Ha。z ；通信驱动电路将所采集的数据进行曼彻斯特编码，并通过单芯电缆上传至目标端地面 单元；微机舱与电源舱通过航空多芯电缆连接；电源舱通过单芯电缆从地面获得的交流电 压转换为目标端井下测量单元所需的直流电压，通过航空多芯电缆向传感器舱、电路舱、微机舱和磁定位舱供电；磁定位舱测量井深，井深数据通过单芯电缆传输至目标端地面单元； 马笼头两端分别连接单芯电缆和磁定位舱；单芯电缆通过马笼头将目标端井下测量单元和 绞车固定连接，通过调节单芯电缆的长度实现目标端井下测量单元的深度调节；目标端地面单元包括测井车、计算机、接口箱和打印机；计算机、接口箱和打印机位于 测井车内；接口箱包括远程传输接口和接口箱通信驱动电路；接口箱设有远程传输接口， 用于与远程数据传输单元进行数据传输，接口箱通过接口箱通信驱动电路接收由单芯电缆 输出的加速度分量Gx、Gy、Gz、地磁信号分量Hd。x、Hdcy, Hdcz和低频交变磁信号Ha。x、Hacy, Hacz, 并将其输入计算机，计算机利用近钻头人工磁极模块产生的旋转磁场的频率信号对低频交 变磁信号Ha。x、Ha。y、Ha。z进行相敏解调，得到目标端磁场特征信号Hiq在三个坐标轴上的特征 信号HXI、HYI、Hzi和Hxq、Hyq、Hzq，从而得到目标端磁场特征信号Hiq的特征分量，分别为Hiqx、 Hiqy和Hiqz ；钻头与目标靶点间的相对倾斜角α为 目标靶点的特征方位角识为 钻头与目标靶点间的相对方位角θ通过下式得 距离r为 式中=Hmin为Hiq信号幅度的最小值，M为已知磁矩；计算机解算得到相对倾斜角α与相对方位角θ，相对距离为r，通过打印机打印；计算 机解算的钻头相对目标靶点的相对方位和距离信息通过远距离传输单元传至司钻指示控 制单元。
5.根据权利要求1所述的一种交变磁场导向装置，其特征在于所述的源端控制模块 包括司钻指示控制单元、钻杆、随钻测量模块和钻铤，司钻指示控制单元接收经由远距离传 输单元发送的钻头与目标靶点之间的相对方位和距离，司钻指示控制单元通过钻杆连接钻 铤，随钻测量模块测量近钻头在地理坐标系中的绝对位置，以钻头与目标靶点间的相对方 位和距离信息为闭环控制参数，通过司钻指示控制单元实时控制钻头向目标靶点精确钻 进。
全文摘要
本发明公开了一种交变磁场导向装置，包括近钻头人工磁极模块、目标端模块和源端控制模块，近钻头人工磁极模块发射低频交变磁场信号，目标端模块采集低频交变磁场信号，解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离，相对方位和距离信息通过远距离传输单元传输至源端控制模块的司钻指示控制单元，司钻指示控制单元根据所收到的钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息实时调整钻头的钻进方向，实现控制钻头向目标靶点精确钻进。本发明通过测量钻头与目标靶点之间的相对方位与距离信息，以钻头与目标靶点之间的相对方位和距离为闭环控制参数，突破了现有依靠源端近钻头方位角测量结果的开环控制模式，提高实时控制钻头向目标靶点钻进的精度。
文档编号E21B44/00GK101915061SQ201010234898
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者史晓锋, 宗艳波, 林国钧 申请人:北京航空航天大学