一种多功能测斜仪及基于该测斜仪进行邻井套管相对位置判断的方法与流程

本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及石油钻井专用测斜仪设计和井眼防碰技术，具体地说是涉及一种同时具有磁性和惯性测量元件的多功能测斜仪，以及基于该多功能测斜仪进行邻井套管相对位置判断的方法。

背景技术：

石油钻井领域通常采用磁性测斜仪测量井眼轨迹参数(井斜方位角AZI)和造斜工具姿态参数(磁工具面角MTF)；磁性测斜仪以磁通门为测量元件、以地磁场为测量媒介、磁北方位线为基准，只有在正常地磁场环境中才能正常工作。目前，新钻加密井、调整井越来越多，新建丛式井组规模越来越大，井与井的空间距离越来越小，当前井眼过分靠近邻井套管柱有可能导致两个严重后果：(1)邻井套管柱对当前井眼中的磁性测斜仪产生磁干扰，导致测量精度降低甚至完全失真，不得不换用费用较高的陀螺测斜仪；(2)当前井眼钻遇(甚至钻穿)邻井套管的井眼交碰事故时有发生，不仅带来重要经济损失，也带来重大安全隐患。陀螺测斜仪以陀螺传感器为测量元件，属于惯性测量仪器，不受邻井套管磁干扰影响，但是陀螺测斜仪结构较复杂、价格较高，大部分陀螺测斜仪还不能采用无线随钻测量方式，在钻井现场的普及程度远不如磁性测斜仪。

邻井套管磁干扰井段也是井眼交碰风险较高的井段。在邻井套管磁干扰井段陀螺测斜仪可以准确测量井斜方位角和磁工具面角，但是所有的测斜仪都有测量误差，当测量井深较大时累计测量误差也较大，仅仅依靠陀螺测斜仪的测量结果难以准确定位邻井套管相对位置，难以高质量地实施防碰预警和防碰绕障作业。该情况下如果采用以磁通门为测量元件的磁性测斜仪，尽管磁性测斜仪不能准确测量井斜方位角和磁工具面角，但是磁性测斜仪能够准确测量磁场参数，利用实测的磁场参数能够估算出邻井套管的相对位置，为防碰预警和防碰绕障作业提供指导。不难发现，在邻井套管磁干扰井段，若单独使用陀螺测斜仪，则难以实施防碰预警作业；若单独使用磁性测斜仪，则难以准确测量和控制井眼轨迹。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种同时具有磁性和惯性测量元件的多功能测斜仪，以及基于该测斜仪进行邻井套管相对位置判断的方法，该方法可以在邻井套管磁干扰井段同时解决井眼轨迹准确测量和防碰预警问题。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种同时具有磁性和惯性测量元件的多功能测斜仪，包括测量头，在测量头上顺序集成有x轴磁通门传感器、y轴磁通门传感器、z轴磁通门传感器、x轴加速度计、y轴加速度计、z轴加速度计、xy轴陀螺传感器和z轴陀螺传感器；所述x轴磁通门传感器、y轴磁通门传感器、z轴磁通门传感器与x轴加速度计、y轴加速度计、z轴加速度计一一对应。

基于上述多功能测斜仪进行邻井套管相对位置判断的方法，包括以下步骤：

A邻井套管磁干扰及井眼交碰风险快速识别

(1)钻前利用现有定向钻井软件对待钻井眼做防碰扫描，利用最近距离和井眼分离系数识别出井眼交碰风险较高的井段；

(2)在井眼交碰风险较高的井段，每钻完1个钻杆单根进行1次全测量，记录井眼轨迹参数、磁场参数；

(3)转换到快速工具面模式，锁紧转盘、缓慢上提或下放钻柱，对新钻出的井段按1.0m/点加密测量磁工具面角，记录测量井深、磁工具面角，并绘制出两个磁工具面角随测量井深变化曲线；

(4)以陀螺传感器对应的磁工具面角为基准，若磁通门传感器对应的磁工具面角偏差较小，表明没有邻井套管磁干扰、井眼交碰风险较低，可以继续钻进并重复上述操作；若磁通门传感器对应的磁工具面角偏差较大，表明存在邻井套管磁干扰和井眼交碰风险，且偏差最大处通常为邻井套管接箍位置，此时需要转换到邻井套管柱相对位置反演步骤；

B邻井套管相对位置反演

(1)对识别出的邻井套管磁干扰井段，按全测量模式2m/点加密测量，记录不同井深对应的井眼轨迹参数、磁场参数；

(2)利用测斜仪提供的井斜角、方位角、磁工具面角，以及磁通门传感器实测的磁场强度、磁场倾角，计算出干扰磁场对应的相关参数；将实测磁场强度沿三个坐标轴分解成Bx、By、Bz；将正常磁场强度沿三个坐标轴分解成Bx0、By0、Bz0；设干扰磁场强度为ΔB，与之对应的三个分量为ΔBx、ΔBy、ΔBz，相关计算公式如下：

(3)根据预先得到的干扰磁场强度沿套管柱横向距离变化关系，利用干扰磁场参数能够最终求解邻井套管相对距离r、相对方位角θ，见式(3)和式(4)：

r＝f(ΔB) (3)

本发明的有益技术效果是：

(1)首次提出将磁通门传感器集成到现有陀螺测斜仪中，给出了同时具有磁性和惯性测量元件的新型测斜仪设计与使用方法，在邻井套管磁干扰井段能够同时解决井眼轨迹准确测量、井眼交碰风险识别、邻井套管相对位置反演等难题。

(2)本发明通过探测邻井套管自身磁场来识别井眼交碰风险和反演邻井套管相对位置，不需要额外增加探测设备，不受邻井是否投产或停产限制。

(3)基于本发明给出的新型测斜仪的基本功能及操作方法，首次给出了利用磁通门传感器和陀螺传感器给出的两个磁工具面角快速识别邻井套管磁干扰的实用操作方法，比全测量模式加密测量方法节省时间，还有助于及早发现井眼交碰风险。

(4)基于套管柱自身磁场分布规律研究成果，以及本发明给出的新型测斜仪的基本功能及操作方法，首次给出了利用陀螺传感器给出的磁工具面角、磁通门传感器实测的磁场强度和磁场倾角反演邻井套管相对距离及方位的实用方法。

附图说明

图1为磁性测斜仪的测量传感器布置示意图；

图2为陀螺测斜仪的传感器布置示意图；

图3为本发明新型多功能测斜仪的传感器布置示意图；

图4示出剩磁为N/S或S/N组合时垂直套管柱周围磁场分布规律(垂直剖面图)；

图5为邻井套管磁干扰和井眼交碰风险快速识别方法对应的流程图；

图6示出剩磁为N/S或S/N组合时垂直套管柱周围干扰磁场分布规律(垂直剖面图)；

图7为邻井套管相对位置反演方法对应的流程图。

具体实施方式

基于磁性测斜仪(如图1所示)、陀螺测斜仪(如图2所示)的基本结构及工作原理，以及套管柱自身磁场分布规律研究成果，本发明给出了将磁通门传感器和陀螺传感器集成到一起的多功能测斜仪，以及基于该测斜仪进行邻井套管相对位置判断的方法，在邻井套管磁干扰井段能够同时解决井眼轨迹准确测量和防碰预警问题。

如图3所示，一种同时具有磁性和惯性测量元件的多功能测斜仪，包括测量头，在测量头上顺序集成有x轴磁通门传感器、y轴磁通门传感器、z轴磁通门传感器、x轴加速度计、y轴加速度计、z轴加速度计、xy轴陀螺传感器和z轴陀螺传感器。所述x轴磁通门传感器、y轴磁通门传感器、z轴磁通门传感器与x轴加速度计、y轴加速度计、z轴加速度计一一对应，即x轴磁通门传感器与x轴加速度计布置在同一平面内，y轴磁通门传感器与y轴加速度计布置在同一平面内，z轴磁通门传感器与z轴加速度计布置在同一平面内。

磁性测斜仪基本结构如图1所示，测量元件主要包括3个单轴加速度计(gx、gy、gz)、3个单轴磁通门(Bx、By、Bz)，可以提供井斜角、磁方位角、重力工具面角、磁工具面角、磁场强度、磁场倾角；其中，磁方位角、磁工具面角均以地磁北为基准。陀螺测斜仪基本结构如图2所示，核心部件是惯性测量组件，通常包括3个单轴加速度计(Bx、By、Bz)、2个双轴速率陀螺(ωx、ωy)，可提供真方位角、井斜角、高边工具面角、磁工具面角；其中，真方位角、磁工具面角均以真北(地理北)为基准。

与磁性测斜仪相比，陀螺测斜仪结构较复杂。本发明新型多功能测斜仪结构设计应以陀螺测斜仪为基础，将磁通门传感器集成到陀螺测斜仪中(见图3)，新增加的3个单轴磁通门(Bx、By、Bz)与原有的3个单轴加速度计(Gx、Gy、Gz)一一对应。不仅如此，若采用框架式陀螺仪或光纤陀螺仪，磁通门传感器可以靠近陀螺仪；若采用动调式陀螺仪，磁通门传感器应与陀螺仪保持适当距离，避免动调式陀螺仪对磁通门产生磁干扰。

此外，陀螺测斜仪按信号的传输方式可分为有线随钻陀螺测斜仪和无线随钻陀螺仪。有线传输方式的优点是数据传输和更新速度快，约3-5s即可更新一次测量数据，缺点是接立柱时需要收放电缆，占用钻机作业时间较多。无线传输方式的优点是不需要收放电缆，占用钻机作业时间较少；缺点是数据传输和更新速度慢，全测量模式约3min/次。为了节省井下数据测量和上传时间，也为了延长井下电池组的工作时间，无线传输方式通常有多个工作模式来满足不同钻进工况要求。比如，定向钻进时采用快速工具面模式，约3s即可更新一次工具面数据；测量井眼轨迹参数时采用全测量模式，可以测量和上传井眼轨迹参数(井斜角、方位角)及磁场参数(磁场强度、磁场倾角)。

在配套的电子电路与数据处理软件方面，上述新型多功能测斜仪除了陀螺测斜仪原来提供的测量数据，还需要增加磁通门数据采集与处理功能。若采用有线陀螺测斜仪，需要增加磁工具面角(注：磁通门传感器给出的磁工具面角以磁北为基准，需要进行磁偏角修正)、磁场强度及磁场倾角；若采用无线陀螺测斜仪，快速工具面模式需要增加磁工具面角，全测量模式需要增加磁场强度和磁场倾角。综合利用上述测量数据能够识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险，并高效率实施防碰绕障作业。

基于上述多功能测斜仪进行邻井套管相对位置判断的方法，包括以下步骤：

1.邻井套管磁干扰及井眼交碰风险识别方法

铁磁性套管柱在地磁场中产生感应磁场，在检测、运输及井下服役过程中还产生剩磁。认识套管柱周围磁场分布规律是识别邻井套管磁干扰的基础。同一批次的套管单根基本上具有相同的剩磁方向，套管接箍联处剩磁磁极主要为N/S组合(上部为N极/下部为S极)或S/N组合(上部为S极/下部为N极)，两种情况下磁场分布规律基本相同(见图4)，仅套管接箍处东西两侧的磁异常区稍大(接近1.0m)，其余位置磁异常区均较小(约0.5m以内)。由于丛式井组上部直井段井眼间距变化较慢，采用上述新型多功能测斜仪能够及时识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险。

该方法主要思路是通过对比同时测量到的两个磁工具面角(注：磁通门传感器给出的磁工具面角需要磁偏角修正)来识别邻井套管磁干扰，进而识别出井眼交碰风险。具体来说，如果没有邻井套管磁干扰，两组传感器(磁通门传感器和陀螺传感器)给出的磁工具面角应该基本一致；如果存在邻井套管磁干扰，磁通门传感器的测量结果会失真，两组传感器给出的磁工具面角会出现较大差异，差异越大说明邻井套管磁干扰越严重，井眼交碰风险越高。

考虑到套管柱自身磁场影响范围较小(通常约1.0m以内)、测量传感器距离钻头较远(通常约15m)，为了不漏掉(甚至早发现)邻井套管磁干扰，需要利用快速工具面模式加密测量磁工具面角，为了估算邻井套管相对距离和方位，需要利用全测量模式加密测量磁场强度和磁场倾角。相关数据测量及处理步骤如下(见图5)：

(1)钻前利用现有定向钻井软件(比如，COMPASS软件)对待钻井眼做防碰扫描，利用最近距离和井眼分离系数识别出井眼交碰风险较高的井段。对于丛式井上部井段来说，若某井段的最近距离小于2.0m，或井眼分离系数小于1.5，可视为井眼交碰风险较高。

(2)在井眼交碰风险较高的井段，每钻完1个钻杆单根进行1次全测量，记录井眼轨迹参数(井深、井斜角、方位角)、磁场参数(总磁场强度、磁场倾角)。

(3)转换到快速工具面模式，锁紧转盘、缓慢上提(或下放)钻柱，对新钻出的约10-15m井段按1.0m/点加密测量磁工具面角(有两个)，记录测量井深、磁工具面角，并绘制出两个磁工具面角随测量井深变化曲线。

(4)以陀螺传感器对应的磁工具面角为基准，若磁通门传感器对应的磁工具面角偏差较小，表明没有邻井套管磁干扰、井眼交碰风险较低，可以继续钻进并重复上述操作；若磁通门传感器对应的磁工具面角偏差较大，表明存在邻井套管磁干扰和井眼交碰风险，且偏差最大通常为邻井套管接箍位置，需要转换到邻井套管柱相对位置反演环节。

与全测量模式加密测量方法相比，快速工具面模式能够在较短时间内获得足够多的磁场参数，能够节省测量时间。此外，套管单根长度约10-12m，连续测量15m能够测量到两个套管接箍，有助于尽早发现邻井套管磁干扰和井眼交碰风险。

2.邻井套管相对位置反演方法

套管柱周围磁场由正常地磁场与干扰磁场叠加而成(见图4)，剔除正常地磁场后发现干扰磁场分布基本上关于套管柱轴线轴对称分布(仅套管接箍处南北方向稍有变化，见图6)，只要预先回归出干扰磁场强度沿套管柱横向距离变化关系，或预先制作出干扰磁场强度沿套管柱横向距离变化图版，就能够利用干扰磁场分布特征反演出邻井套管相对距离及方位。具体步骤如下(见图7)：

(1)对识别出的邻井套管磁干扰井段，按全测量模式2m/点加密测量，记录不同井深对应的井眼轨迹参数(井斜角、方位角)、磁场参数(总磁场强度、磁场倾角)。

(2)利用测斜仪提供的井斜角、方位角、磁工具面角，以及磁通门传感器实测的磁场强度、磁场倾角，计算出干扰磁场对应的相关参数。将实测磁场强度沿三个坐标轴分解成Bx、By、Bz；将正常磁场强度沿三个坐标轴分解成Bx0、By0、Bz0；设干扰磁场强度为ΔB，与之对应的三个分量为ΔBx、ΔBy、ΔBz，相关计算公式如下：

(3)根据预先回归出的干扰磁场强度沿套管柱横向距离变化关系，利用干扰磁场参数能够最终求解邻井套管相对距离r、相对方位角θ，见式(3)和式(4)：

r＝f(ΔB) (3)

在邻井套管磁干扰井段，磁性测斜仪不能准确测量磁方位角和磁工具面角，现有方法利用磁性测斜仪的测量结果来反演邻井套管相对位置是不可信、不可靠的。本方法利用陀螺测斜仪测量的真方位角和磁工具面角反演邻井套管相对位置准确、可靠。

总结来说，本发明基于多功能测斜仪进行邻井套管相对位置判断的方法按以下步骤进行：

进入井眼交碰风险较高的井段以后，如图5流程图所示，采用本发明给出的新型多功能测斜仪，对新钻出的约15m井段加密测量磁工具面角(陀螺传感器和磁通门传感器各给出一个磁工具面角)，绘制磁工具面角随井深变化曲线，利用磁通门传感器的磁工具面角是否有明显变化来识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险。

识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险之后，如图7流程图所示，按本发明所给方法对识别出的邻井套管磁干扰井段加密测斜，利用陀螺传感器给出的磁工具面角、磁通门传感器实测的磁场强度和磁场倾角反演邻井套管相对距离及方位。