CN101806210B - 一种螺线管组随钻电磁测距导向*** - Google Patents
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Abstract
一种螺线管组随钻电磁测距导向***，能为双水平井、连通井、加密井和救援井等复杂结构井的定向钻井控制提供精确的导向测量与计算。该***主要由螺线管组短节、改装的MWD、邻井间距计算***及地面设备等组成。本发明采用两组正交的螺线管组作为磁信号发射源，放在已钻井中，可以像RMRS的旋转磁短节一样产生旋转磁场，与RMRS具有相当的测量精度；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***的测距范围。本发明导向精度高、测距范围广、结构简单，可为邻井距离的随钻探测与控制提供一个有效的高新技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂结构井邻井距离随钻探测***，属于地下资源钻采工程技术领域。
背景技术
在石油、天然气、煤层气等地下油气资源开发中，双水平井、U型井、多分支井、丛式井、加密井和连通井等复杂结构井，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***(如MGT、RMRS等)，但其核心技术仍被保密和垄断。另外，MGT(Magnetic Guidence Tool)采用螺线管作为磁信号发射源，可以通过提高螺线管线圈的电流强度等方法增加MGT的测距范围，但其测量精度有限，一般多用于双水平井中；RMRS(Rotating Magnet Ranging System)结构简单，使用方便，同时也是目前随钻引导***中测量精度最高的***，但由于采用永磁体组短节作为磁信号发射源，因而其信号源强度严重受限，难以增加RMRS的测距范围。因此，本发明者特研究设计了“一种螺线管组随钻电磁测距导向***”，本发明采用两组正交的螺线管组作为磁信号发射源，放到已钻井眼中，可以像RMRS的旋转磁短节一样产生旋转磁场，与RMRS具有相当的测量精度，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，易于增加测距范围。
发明内容
本发明的主要技术问题是提供一种螺线管组随钻电磁测距导向***，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、U型井、多分支井、丛式井、加密井和连通井等复杂结构井提供一种有效的随钻探测手段。
为了随钻探测邻井的间距和相对方位，本发明提供了一种螺线管组随钻电磁测距导向***，其特征在于：主要包括一个螺线管组短节、一套经改装的MWD(Measurement While Drilling)、邻井间距计算***及地面设备，其中：
所述螺线管组短节，其主要作用是在探测点产生旋转的椭圆极化磁场，是该电磁探测***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眼中。
所述改装的MWD，主要是由传统的MWD和一个三轴交变磁场传感器组成，安装在钻头后传统MWD所在的位置。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短节产生的旋转磁场。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所在位置的地磁场矢量和重力场矢量，并将检测到的信号由MWD传输到地面设备。
所述邻井间距计算***(其核心算法另作专利申请)，主要是根据改装的MWD检测到的磁信号，计算钻头到螺线管组的相对空间位置，在连通井中进而确定钻头到直井连通点的相对位置，并以数字、文字及图形等方式实时显示。钻井工程师可以根据这些显示的信息，并参考测斜数据，以有效地控制钻井轨迹。该计算***只能在交叉井、连通井、双水平井和事故救援井等复杂结构井的随钻探测过程中使用。
所述的地面设备，主要是为螺线管组短节提供两个同步交流电，其波形在时间上相差四分之一个周期，一个是正弦，另一个是余弦，也可以都是方波，因为两个方波的傅立叶谐波也是正弦和余弦波形。一般地，产生方波交流电要比产生纯净的正余弦波交流电容易得多，故现实应用中常采用方波交流电。
进一步地，上述螺线管组随钻电磁测距导向***还可具有以下特点：所述螺线管组短节主要由两组相互正交的螺线管组组成，其特征在于：螺线管组短节长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，以计算螺线管组短节自身的摆放姿态。两个三轴传感器的Z轴沿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X轴类似。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，所述改装的MWD主要是由传统的MWD中安装上三轴交变磁场传感器改装而成，其特征在于：改装的MWD里面有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。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所在位置处由螺线管组短节产生的旋转磁场矢量；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。检测到的信号由MWD传输到地面设备，为邻井间距计算提供数据。
进一步地，所述邻井间距计算***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接收到的螺线管组短节产生的磁信号，计算MWD到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，计算钻头到螺线管组短节的相对位置，最后参考测斜数据可以确定钻头到已钻井或连通点的相对位置。
进一步地，所述地面设备主要是为螺线管组短节提供两个同步方波交流电和接收螺线管组短节内传感器探测的信号，其特征在于：地面供电设备可由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，方波的周期为0.5秒。
本项发明采用螺线管组短节作为信号源，产生旋转磁场，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。本项发明可以用于邻井平行间距和邻井连通间距的随钻探测与控制中，比现在普遍使用的MWD具有更高的测量精度。
附图说明
图1是本发明螺线管组随钻电磁测距导向***在连通井中工作示意图；
图2是螺线管组短节内部螺线管排列示意图；
图3是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和地面计算***功能模块示意图；
图6是本发明螺线管组随钻电磁测距导向***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
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进行说明。
如图1所示，螺线管组随钻电磁测距导向***的硬件主要由螺线管组短节、改装的MWD、地面设备等组成。改装的MWD放在正钻井中，跟在钻头后传统MWD安装位置，探测邻井(已钻井)中螺线管组短节产生的旋转磁场。然后，检测到的磁矢量信号由MWD传输到地面计算***，求得MWD到螺线管组短节的相对位置。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，地面邻井间距计算***将钻头与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，螺线管组短节主要由两组相互正交的螺线管组组成，螺线管的个数可以随探测距离的远近进行调整，螺线管组短节长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。软磁铁芯具有较高的磁导率，可以大大提高螺线管的自感系数，因此可以用较小的传导电流获得强大的磁场。而且，软磁铁芯磁滞回线细窄，矫顽力很小，最适合作螺线管铁芯。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。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。
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，用来探测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***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。
地面设备主要是为螺线管组短节提供两个同步交流电和接收螺线管组短节内传感器探测的信号。如图3所示，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。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。
改装的MWD与地面计算***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，在井下编码后通过电缆或泥浆脉冲传输到地面计算***，地面计算***将信号解码后提取有用数据，结合邻井间距计算方法和测斜计算等，计算出改装的MWD到螺线管组短节的相对位置和钻头与已钻井的相对位置。然后，以数字、文字和直观的图形等形式显示给钻井工程师。
在连通井导向钻井中，采用螺线管组随钻电磁测距导向***施工的主要工序如下：
(1)钻前准备：
a)根据井位设计、地质设计核定井口坐标；
b)修建基础，平整井场，选定钻机；
c)将泥浆池、泵组、罐组等布置在井场合适的位置，中途不搬迁。
(2)直井钻进，洞穴完井。
(3)水平井钻井作业：
a)搬迁钻机至水平井井口；
b)表层及造斜段钻进；
c)钻至预定点，下技术套管，固井候凝；
d)利用吊车、电缆车以及泵车或者修井钻机将螺线管组短节送入直井连通点井深附近；
e)进行水平井水平段钻进，通过改装的MWD实时测量与直井连通点的相对位置；
f)根据测量数据及时调整钻井轨迹，并且钻进一定进尺之后，再次通过改装的MWD实时测量与直井连通点的相对位置；
g)根据测量数据实施轨迹控制，如此反复，直至实现与直井连通。
图6是螺线管组随钻电磁测距导向***在双水平井中的工作示意图。在SAGD双水平井导向钻井中，采用螺线管组随钻电磁测距导向***施工的主要工序如下：
(1)钻前准备：
a)根据井位设计、地质设计核定井口坐标；
b)确认两井口中心距离，修建基础，平井场，选定钻机；
c)泥浆池、泵组、罐组等布置在合适的位置，中途不搬迁。
(2)SAGD生产井钻进：
(3)SAGD注入井钻进：
a)搬迁钻机至注入井井口；
b)表层及造斜段钻进；
c)钻至预定点，下技术套管，固井候凝；
d)利用吊车、电缆车以及泵车或者修井钻机将螺线管组短节送入生产井合适井深处；
e)进行注入井水平段钻进，通过改装的MWD实时测量与生产井的相对位置(垂向与轴向距离)；
f)钻进，根据测量数据及时调整注入井水平段轨迹；
g)钻进25m之后，停止钻进，将生产井井眼中的螺线管组短节继续送进25m；
h)继续钻进注入井的水平段，如此反复，直至钻完水平段；
i)水平段完钻后，下入完井管柱完井。
本发明中，由两组相互正交的螺线管组成的短节产生旋转的磁矩，因此在探测点可以检测到一个旋转的椭圆极化磁场。旋转磁场探测器由传统的MWD改装而成，易于实现。本发明的螺线管组随钻电磁测距导向***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。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、结构简单的随钻测量工具。
Claims (2)
1.一种螺线管组随钻电磁测距导向***，其特征在于：该***包括螺线管组短节、改装的MWD、邻井间距计算***及地面设备；
螺线管组短节，主要由两组相互正交的螺线管组组成，长1米，直径为60毫米，由钻柱或爬行器下入到已钻井中；螺线管组的每个螺线管的线圈绕在层叠的软磁铁芯上；螺线管组用尼龙绳系在无磁骨架上或者在螺线管与骨架的缝隙中灌入环氧树脂来固定螺线管或者将固定好的螺线管和骨架放入一个无磁外壳中；
改装的MWD比传统的MWD多了一个三轴交变磁场传感器，用来检测由螺线管组产生的旋转磁场；三轴交变磁场传感器在MWD内的安装方式与其它三轴传感器的安装方式相同；改装的MWD安装在钻头后传统MWD所在位置；邻井间距计算***根据改装的MWD接收到的螺线管组短节产生的磁信号，计算改装的MWD到螺线管组短节的间距和相对方位，确定钻头到已钻井或连通点的相对空间位置，并确定钻头与已钻井或连通点的位置关系，以数字、文字和图形形式显示给钻井工程师；
地面设备主要包括地面供电设备和地面接收设备；地面供电设备由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，为螺线管组短节提供两个同步方波交流电或者波形一个是正弦、另一个是余弦的交流电；地面接收设备主要是用来接收螺线管组短节内传感器探测的信号。
2.根据权利要求1所述的螺线管组随钻电磁测距导向***，其特征在于：两个同步方波交流电的波形在时间上相差四分之一个周期，一个同步方波交流电为同一方向安装的螺线管提供电流，另一个同步方波交流电为与这一方向正交的另一列螺线管提供电流；方波的周期为0.5秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |