用于磁定位使用的磁接头、磁定位系统及磁定位方法

1.本发明涉及钻井测量技术领域，特别是涉及一种用于磁定位使用的磁接头、磁定位系统及磁定位方法。


背景技术：

2.在钻井测量领域，有一种主动磁定位技术，该技术理论基础是使用已知磁矩大小及空间姿态的磁性接头(下称磁接头)为信号源，以探管为信号接收源，通过解析交流磁场计算出两者的相对空间位置关系。磁矩即磁接头磁场强度大小，事先可以地面标定，入井后基本不变。空间姿态是指磁接头转轴的井斜和方位，在施工时由随钻仪测得。磁接头的两个姿态参数是整个计算的基本数据，缺一不可。但当磁接头的井斜在3度以内时，即磁接头的转轴与水平面垂直或近垂直时，磁接头在水平面的投影不是一条线而是一个点，没有方向，也就是没有方位数值，在这种工况下当前的定位技术无法正常解析。目前常用办法是人为的将钻井轨迹设计成一个大于3度的斜孔，这样随钻仪就能测到有效方位，使用原测量系统。人为使井眼倾斜满足了测量需求，但增加了钻井工作量，不利于质量控制。而且在某些工程中，井眼轨迹要求保持垂直，这使得当前测量系统无法应用。
3.目前的主动磁定位技术使用的磁接头，普遍采用永磁材料与无磁钢制成，这种磁场发射源无法关闭，在遇到含有铁磁性物质的地层中，会严重磁化含有铁磁性物质的地层，而目前常用的随钻仪器是通过重力传感器和磁通门传感器来测量井孔的轨迹。磁化后的地层将极大的影响磁通门传感器，使轨迹数据产生较大偏差，不利于以后进测井工作。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于磁定位使用的磁接头、磁定位系统及磁定位方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够对垂直或近垂直的井眼进行定位测量，并能够避免磁化含有铁磁性物质的地层，提高测量结果的准确性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种用于磁定位使用的磁接头，包括无磁刚体，所述无磁刚体外周固定缠绕有若干导流线圈，所述导流线圈的轴线与所述无磁刚体的轴线平行，所述无磁刚体内设有腔室，所述腔室内固定设有振动传感器、电池和控制器，所述振动传感器和所述导流线圈均与所述控制器电联接，所述电池用于为所述振动传感器、所述导流线圈和所述控制器提供电能。
7.优选的，所述无磁刚体为圆柱形体，所述无磁刚体轴向设有通孔。
8.优选的，所述无磁刚体外周设有凹槽，若干所述导流线圈缠绕于所述凹槽内，所述导流线圈外周设有保护层，所述保护层外径与所述无磁刚体的外径相等。
9.优选的，所述腔室包括若干独立的分腔室，各所述分腔室均密封设置，所述振动传感器、所述电池和所述控制器分别设置于独立的三个所述分腔室内。
10.优选的，所述无磁刚体两端分别设有公扣和母扣，所述公扣和所述母扣能够分别
用于与钻铤和钻头连接。
11.优选的，所述保护层为胶层，通过所述胶层覆盖于所述导流线圈外表面将所述导流线圈进行保护。
12.本发明还提供一种磁定位系统，包括以上所述的磁接头和探管，所述探管用于测量所述导流线圈在井眼内通电后产生的磁场强度。
13.本发明还提供一种基于以上所述的磁定位系统的磁定位方法，包括以下步骤：
14.s1：所述磁接头随钻头一起钻进时，所述振动传感器监测到振动参数高于设定阈值s0后，所述控制器控制所述导流线圈断电；
15.s2：钻头钻进到d1深度；
16.s3：所述磁接头随钻头一起停止钻进，所述振动传感器监测到振动参数低于设定阈值s1后，其中s1＜s0，所述控制器控制所述导流线圈发出周期磁场信号，并使用所述探管捕捉由所述导流线圈发出的周期信号；
17.s4：所述探管捕捉到稳定周期信号时，所述探管记录当前位置所述导流线圈的总磁场强度b1；
18.s5：控制钻机将钻头位置继续钻进，重复进行步骤s1；
19.s6：钻头钻进到d2深度后，重复进行步骤s3，所述探管捕捉到稳定周期信号时，所述探管记录当前位置所述导流线圈的总磁场强度b2；
20.s7：根据所述导流线圈与所述探管的空间几何关系，得到如下公式：
[0021][0022][0023][0024][0025]
其中，
[0026]
b1：钻头在深度d1时，探管测得的总磁场强度；
[0027]
b2：钻头在深度d2时，探管测得的总磁场强度；
[0028]
s：两次钻头位置d1与d2的距离差；
[0029]
m：导流线圈的磁矩值，在地面测得；
[0030]
r：导流线圈磁轴与探管在水平面投影距离；
[0031]
l：导流线圈磁轴与探管的垂直距离；
[0032]
α1：钻头在深度d1时，导流线圈磁轴与导流线圈和探管连线的夹角；
[0033]
α2：钻头在深度d2时，导流线圈磁轴与导流线圈和探管连线的夹角；
[0034]
根据以上公式求解出磁接头在d1和d2深度相对于探管的位置信息。
[0035]
优选的，在步骤s3中，所述振动传感器监测到振动参数低于设定阈值s1时，所述控
制器开始计时，当累计时间达到t1时，所述控制器控制所述导流线圈通电，通电持续时间t2，然后所述控制器控制所述所述导流线圈断电，持续断电时间t3，然后所述控制器控制所述导流线圈反向通电，通电持续时间t4，然后所述控制器控制所述导流线圈断电，持续断电时间t5，之后循环进行上述通电与断电过程，以控制所述导流线圈发出周期磁场信号。
[0036]
优选的，在所述控制器开始计时至累计计时时间达到t1后，使用探管捕捉由所述导流线圈发出的周期信号。
[0037]
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0038]
本发明提供的用于磁定位使用的磁接头、磁定位系统及磁定位方法，在钻进过程中，通过控制器控制导流线圈断电，不会产生磁场，从而避免磁化含有铁磁性物质的地层，提高测量结果的准确性，在钻进一定深度对磁接头进行定位测量时，磁接头随钻头一起停止钻进，控制器控制导流线圈发出周期磁场信号，并使用探管捕捉由导流线圈发出的周期信号，探管的位置坐标是已知的，在探管捕捉到稳定周期信号时，记录当前位置导流线圈的总磁场强度，之后在钻头钻进到下一深度位置进行定位测量时，钻头停止钻进后，再次使用探管捕捉由导流线圈发出的稳定周期信号，并记录此位置处导流线圈的总磁场强度，根据探管测得上下两个位置处导流线圈的总磁场强度，从而计算得到磁接头相对于探管的位置信息，与传统定位测量方法相比，本发明测量过程不需要磁接头的方位数值，适用于垂直或近垂直的井眼的定位测量。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为实施例一中的用于磁定位使用的磁接头的结构示意图；
[0041]
图2为实施例二中的磁定位系统的使用示意图；
[0042]
图3为图2中的导流线圈与探管的空间几何关系示意图；
[0043]
图4为实施例二中磁定位方法中的导流线圈的磁场强度随时间变化的关系图；
[0044]
图中：100
‑
用于磁定位使用的磁接头、1
‑
无磁刚体、2
‑
凹槽、3
‑
导流线圈、4
‑
腔室、5
‑
通孔、6
‑
保护层、7
‑
公扣、8
‑
母扣、9
‑
探管。
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
本发明的目的是提供一种用于磁定位使用的磁接头、磁定位系统及磁定位方法，以解决现有技术存在的问题，能够对垂直或近垂直的井眼进行定位测量，并能够避免磁化含有铁磁性物质的地层，提高测量结果的准确性。
[0047]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0048]
实施例一
[0049]
如图1所示，本实施例提供一种用于磁定位使用的磁接头100，包括无磁刚体，无磁刚体1外周固定缠绕有若干导流线圈3，导流线圈3的轴线与无磁刚体1的轴线平行，无磁刚体1内设有腔室4，腔室4内固定设有振动传感器、电池和控制器，振动传感器和导流线圈3均与控制器电联接，电池用于为振动传感器、导流线圈3和控制器提供电能。
[0050]
在钻进过程中，根据振动传感器监测的震动情况，通过控制器控制导流线圈3断电，不会产生磁场，从而避免磁化含有铁磁性物质的地层，提高测量结果的准确性，在钻进一定深度对磁接头进行定位测量时，磁接头随钻头一起停止钻进，控制器控制导流线圈3发出周期磁场信号，并使用探管9捕捉由导流线圈3发出的周期信号，在探管9捕捉到稳定周期信号时，记录当前位置导流线圈3的总磁场强度，之后在钻头钻进到下一深度位置进行定位测量时，钻头停止钻进后，再次使用探管9捕捉由导流线圈3发出的周期信号，并记录此位置处导流线圈3的总磁场强度，根据探管9测得上下两个位置处导流线圈3的总磁场强度，以及磁接头与探管9的空间几何关系，从而计算得到磁接头的位置信息，与传统定位测量方法相比，本发明测量过程不需要磁接头的方位数值，适用于垂直或近垂直的井眼的定位测量。对于井斜大于3度的井眼的定位测量，也可以采用本发明提供的用于磁定位使用的磁接头100，使用范围广。
[0051]
本实施例中，无磁刚体1为圆柱形体，无磁刚体1轴向设有通孔5，设置为圆柱形体，制作更加方便，通孔5的设置，使磁接头与钻头相连后，钻井液可通过通孔5流向钻头，并从钻头内流入，便于钻头的钻进。
[0052]
本实施例中，无磁刚体1外周设有凹槽2，若干导流线圈3缠绕于凹槽2内，导流线圈3外周设有保护层6，保护层6外径与无磁刚体1的外径相等，通过在圆柱形体外周面制作凹槽2，以便将导流线圈3缠绕于凹槽2内，并通过保护层6对导流线圈3进行保护，保护层6外径与无磁刚体1的外径相等，使得保护层不会因凸出于无磁刚体1而在钻进过程中受损。
[0053]
本实施例中，腔室4包括若干独立的分腔室，各分腔室均密封设置，振动传感器、电池和控制器分别设置于独立的三个分腔室内，避免钻井液进入到各分腔室内，对振动传感器、电池和控制器进行保护，振动传感器、电池和控制器分别设置于独立的三个分腔室内，能够降低彼此之间的影响。
[0054]
本实施例中，无磁刚体1两端分别设有公扣7和母扣8，公扣7和母扣8能够分别用于与钻铤和钻头连接，或者与其他钻机机构连接，其中，钻铤选用无磁钻铤，连接稳固，拆装方便快捷。
[0055]
本实施例中，保护层6为胶层，通过胶层覆盖于导流线圈3外表面将导流线圈3进行保护，通过胶层的高粘结力将导流线圈3粘结固定于凹槽2中，结构更加稳定，制作时更加方便。
[0056]
实施例二
[0057]
如图2～4所示，本实施例提供一种磁定位系统，包括实施例一中的磁接头和探管9，探管9用于测量导流线圈3在井眼内通电后产生的磁场强度。
[0058]
在钻进过程中，根据振动传感器监测的震动情况，通过控制器控制导流线圈3断电，不会产生磁场，从而避免磁化含有铁磁性物质的地层，提高测量结果的准确性。图2中在
对正钻井进行定位测量时，可通过在已完成井中预置探管9，探管9的位置坐标已知，通过探管9测定导流线圈3在井眼内不同深度位置通电后产生的磁场强度，进而根据磁接头与探管9的空间几何关系，从而计算得到磁接头相对于探管9的位置信息，与传统定位测量方法相比，本发明测量过程不需要磁接头的方位数值，适用于垂直或近垂直的井眼的定位测量。
[0059]
一种基于以上所述的磁定位系统的磁定位方法，包括以下步骤：
[0060]
s1：磁接头随钻头一起钻进时，振动传感器监测到振动参数高于设定阈值s0后，控制器控制导流线圈3断电；
[0061]
s2：钻头钻进到d1深度；
[0062]
s3：磁接头随钻头一起停止钻进，振动传感器监测到振动参数低于设定阈值s1后，其中s1＜s0，控制器控制导流线圈3发出周期磁场信号，并使用探管9捕捉由导流线圈3发出的周期信号；
[0063]
s4：探管9捕捉到稳定周期信号时，探管9记录当前位置导流线圈3的总磁场强度b1；
[0064]
s5：控制钻机将钻头位置继续钻进，重复进行步骤s1；
[0065]
s6：钻头钻进到d2深度后，重复进行步骤s3，探管9捕捉到稳定周期信号时，探管9记录当前位置导流线圈3的总磁场强度b2；
[0066]
s7：根据导流线圈3与探管9的空间几何关系，得到如下公式：
[0067][0068][0069][0070][0071]
其中，
[0072]
b1：钻头在深度d1时，探管测得的总磁场强度；
[0073]
b2：钻头在深度d2时，探管测得的总磁场强度；
[0074]
s：两次钻头位置d1与d2的距离差；
[0075]
m：导流线圈的磁矩值，在地面测得；
[0076]
r：导流线圈磁轴与探管在水平面投影距离；
[0077]
l：导流线圈磁轴与探管的垂直距离；
[0078]
α1：钻头在深度d1时，导流线圈磁轴与导流线圈和探管连线的夹角；
[0079]
α2：钻头在深度d2时，导流线圈磁轴与导流线圈和探管连线的夹角；
[0080]
根据以上公式求解出磁接头在d1和d2深度相对于探管的位置信息。
[0081]
在钻进过程中，根据振动传感器监测的震动情况，通过控制器控制导流线圈3断电，不会产生磁场，从而避免磁化含有铁磁性物质的地层，提高测量结果的准确性，在钻进
一定深度对磁接头进行定位测量时，磁接头随钻头一起停止钻进，控制器控制导流线圈3发出周期磁场信号，并使用探管9捕捉由导流线圈3发出的周期信号，在探管9捕捉到稳定周期信号时，记录当前位置导流线圈3的总磁场强度，之后在钻头钻进到下一深度位置进行定位测量时，钻头停止钻进后，再次使用探管9捕捉由导流线圈3发出的周期信号，并记录此位置处导流线圈3的总磁场强度，根据探管9测得上下两个位置处导流线圈3的总磁场强度，以及磁接头与探管9的空间几何关系，从而计算得到磁接头的位置信息，与传统定位测量方法相比，本发明测量过程不需要磁接头的方位数值，适用于垂直或近垂直的井眼的定位测量。对于井斜大于3度的井眼的定位测量，也可以采用本发明提供的用于磁定位使用的磁接头100，使用范围广。
[0082]
如图4所示，在步骤s3中，振动传感器监测到振动参数低于设定阈值s1时，控制器开始计时，当累计时间达到t1时，控制器控制导流线圈3通电，通电持续时间t2，然后控制器控制所述导流线圈3断电，持续断电时间t3，然后控制器控制导流线圈3反向通电，通电持续时间t4，然后控制器控制导流线圈3断电，持续断电时间t5，之后循环进行上述通电与断电过程，以控制导流线圈3发出周期磁场信号。对导流线圈3采用正反通电方式，磁场强度也会随之产生方向变化，从而使得探管能够更加容易捕捉到磁场信号，因磁场信号为正反不同方向的磁场信号，能在测量过程中消除偶然误差，使得测量结果更加准确。
[0083]
在控制器开始计时至累计计时时间达到t1后，使用探管9捕捉由导流线圈3发出的周期信号。在振动传感器监测到振动参数低于设定阈值s1后，在累计计时一段时间后，使得磁接头的震动进一步降低，避免磁接头的震动对测量造成影响，从而提高测量结果的准确性。
[0084]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。