CN104131808A - 一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其包括救援井和事故井，在救援井中的钻铤上间隔设置一发射电极和一微型惯性测量单元组合，微型惯性测量单元组合包括三轴磁通门传感器、重力加速度计和井下接收单元；发射电极通过电缆与大功率脉冲产生电路连接，微型惯性测量单元组合通过电缆依次与地面接收单元和大功率电源连接，大功率脉冲产生电路和地面接收单元由大功率电源供电；发射电极接收电流信号并产生一次场；一次场激励事故井套管产生二次场；三轴磁通门传感器和重力加速度计接收的信号传输至井下接收单元处理后，上传至地面接收单元。本发明装置可以广泛应用于事故井救援探测、事故等级评价以及救援方案制定过程中。

Description

一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置

技术领域

本发明涉及一种石油开采安全保障装置，特别是关于一种可用于事故井救援探测、事故等级评价和救援方案制定的基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置。

背景技术

在海上与陆地钻井中，发生井喷事故的油气井称为事故井。为了处理事故井，需要在事故井附近的安全区域，打一口与事故井连通的定向井，这口定向井称为救援井。在世界石油钻探中，井喷失控的事故常有发生，例如，2010年12月墨西哥湾的“Deepwater Horizontal(深水地平线)”深水钻井平台引发了墨西哥湾长达数月的深海钻井的原油漏油事件，造成了严重的石油资源浪费和海洋环境污染事件，因此，开展对事故井技术的研究，不但可以有效避免石油钻探中的恶性事故，而且在减少资源浪费和保护环境方面也具有积极作用。

国外对事故井的探测研究已有几十年的时间，并在society of petroleumengineers(SPE，石油工程师学会)上发表过多篇救援井磁探测定位事故井的文章，例如，“Kuckes A F(库克斯),Nekut A G(尼库特)，et al.An electromagnetic surveymethod for directionally drilling a relief well into a blown out oil or gaswell[J](救援井定向钻井电磁测量方法研究)”和“Hoehn Jr G L(赫恩).Method fordirectionally drilling a first well to intersect a second well(定向钻井连通技术):U.S.Patent4,458,767[P].1984-7-10”等。在商业应用中，也有相关探测技术进行了专利登记。国内对事故井的探测研究则刚刚起步，中国石油大学(北京)的研究者在“A method for the detection of the distance&orientation of therelief well to a blowout well in offshore drilling(近海救援井钻井探测距离和方位的测量方法研究).Computer Modeling in Engineering&Sciences(工程科学建模).2012.89(1):39–56”中对事故井的探测技术进行了前期的理论探讨，但其所做的工作也仅仅是对国外的相关理论进行验证。

一般而言，事故井的探测技术可分为主动式和被动式两种探测类型。其中，被动式探测技术包括两种情况：一种是利用事故井中钻铤和套管本身的磁特性进行探测，探测距离一般在30米之内；另一种是利用事故井的钻铤和套管本身对地磁场的干扰进行探测，典型的探测距离为13米。国外采取的主动式探测技术包括以下四种情况：1、生产井的套管在下井之前就进行磁化加强磁场，以便对事故井进行探测，此方案可以提高磁探测的探测距离和探测方位精度，但这仅仅是一种辅助手段。2、在生产井中事先安装声源，以便对事故井进行探测，此方案需要对每口生产井的钻探做额外的工作，不但工序复杂，而且声探测的范围也相对有限。3、在救援井陆地钻井过程中，通过地面布置的回线发射电磁信号，探测事故井和救援井间的相对距离和方位，但是此方案需要在事故井附近作业，因此会受到应用上的限制。4、在救援井钻井过程中将钻铤提起，用裸眼井测井仪器进行探测，反复进行钻井与测井的交替过程，其中，所采用的裸眼井测井方法是要探测事故井套管电阻率特性，探测距离为30米，此方案没有采用最先进的电阻率裸眼井测井手段和方法，在探测过程中不能连续实现探测钻探，工作效率相对较低。

目前，已有的磁探测技术均采用时谐电磁信号探测事故井的距离方位，为保证一定的探测距离，其信号的频率不能太高，而电磁信号频率较低会导致探测精度的下降。因而，采用时谐信号的电磁信号，探测方位的精度和探测距离都有所限制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种工作效率高，能够对远距离事故井进行精确探测的基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其特征在于：其包括救援井和事故井，在所述救援井中的钻铤上间隔设置的一发射电极和一微型惯性测量单元组合，所述发射电极是由多匝线圈构成的发射环，所述微型惯性测量单元组合包括三轴磁通门传感器、重力加速度计和井下接收单元；所述发射电极通过电缆与大功率脉冲产生电路连接，所述微型惯性测量单元组合通过所述电缆依次与地面接收单元和大功率电源连接，所述大功率脉冲产生电路和所述地面接收单元由所述大功率电源供电；所述井下接收单元与所述地面接收单元构成瞬变电磁探测仪器接收电路；所述发射电极接收由所述大功率电磁脉冲产生电路产生的电流信号并产生一次场；在所述一次场激励下所述事故井套管上产生二次场；所述三轴磁通门传感器接收所述一次场和二次场信号，所述重力加速度计检测所述井下接收单元所处位置的加速度信号传输至所述井下接收单元进行处理后，经所述电缆将井下数据上传至所述地面接收单元。

所述井下接收单元包括电源模块、实时时钟、信号处理与分析模块、PIC单片机和总线接口；所述信号处理与分析模块包括放大电路、低通滤波电路和模数转换电路；信号处理与分析模块将接收到的重力加速度计测量信号和三轴磁通门测量信号处理后，进行模数转换得到井下数据传输至所述PIC单片机，所述PIC单片机将接收到的井下数据进行曼彻斯特编码后，由所述总线接口通过所述电缆上传至所述地面接收单元；所述实时时钟向所述PIC单片机传输时钟信号。

所述地面接收单元包括电源模块、实时时钟、PIC单片机、串口、上位机以及总线接口；所述总线接口将接收到的井下数据传输至所述PIC单片机进行曼彻斯特解码，解码后的数据通过所述串口上传至所述上位机；所述实时时钟向所述PIC单片机输入时钟信号。

所述PIC单片机优选型号为PIC18F46K80，所述总线接口优选1153总线接口。

所述发射电极与所述微型惯性测量单元组合之间的间隔为30m。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用了瞬变电磁法定位探测事故井，可以在远距离时对事故井进行概略距离方位探测，在近距离时对事故井实现精确距离方位探测，相比现有时谐信号的单一探测指标，明显地改善了远近探测能力。2、本发明由于引入了瞬变电磁法，实现了较大的探测距离和较高的测量精度，保证了测量结果的准确性。3、本发明由于在救援井中同时实施激励和探测，以随钻的工作方式对事故井进行定位，避免了频繁的起钻作业，可以有效地减少起下钻铤次数，提高了救援井的工作效率。4、本发明具有结构简单、精度高、成本低等优点，可以广泛应用于事故井救援探测、事故等级评价以及救援方案制定过程中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明的连接示意图

图3是本发明瞬变电磁探测仪器接收电路图

图4是本发明大功率电磁脉冲产生电路图

图5是本发明的方法流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

瞬变电磁法亦称时间域电磁法(Transient Electromagnetic Methods)，缩写为TEM，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源探测方法，其数学物理基础是导电介质在变化的激励磁场激发下引起的涡流场问题。在救援井工作过程中，发射电极的输出电流波形一般为周期性的脉冲序列，常见的有矩形波、梯形波和三角波等。发射电流在事故井的套管上会产生感应磁场和电流。由于周期性的脉冲电流在频域上是由多种频率合成的，而不同频率成分在地层中的传播速度不同，因而探测深度也就不同，所以在不同延时情况下观测到的主要频率成分不同，在不同时刻进行采样，然后把采集到的各个谐波激励起来的二次场叠加起来，通过测定二次场的变化即可探测出事故井的距离和方位。

如图1、图2所示，本发明基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置包括救援井1和事故井2，在救援井1中的钻铤3上间隔设置的一发射电极4和一微型惯性测量单元组合5，其中发射电极4是由多匝线圈构成的发射环，微型惯性测量单元组合5包括三轴磁通门传感器、重力加速度计和井下接收单元6。发射电极4通过电缆7与大功率脉冲产生电路8连接，微型惯性测量单元组合5通过电缆7依次与地面接收单元9和大功率电源10连接，大功率脉冲产生电路8和地面接收单元9由大功率电源10供电；其中微型惯性测量单元组合5中的井下接收单元6与地面接收单元9构成瞬变电磁探测仪器接收电路。其中，大功率电磁脉冲产生电路8、地面接收单元9和大功率电源10可以放置在地面11上的电缆车12中。发射电极4接收由大功率电磁脉冲产生电路8产生的电流信号后，将该电流信号发射到地层中，并在自身周围产生一次场13。在一次场13的激励下，事故井2的事故井套管14上产生感应电流15，该感应电流15形成感应磁场，也即二次场16。微型惯性测量单元组合5中的三轴磁通门传感器负责接收一次场13和二次场16信号，重力加速度计负责检测井下接收单元6所处位置的重力加速度信号并传输至井下接收单元6进行处理后，经电缆7将井下数据上传至地面接收单元9。在救援井1钻井时，发射电极4和微型惯性测量单元组合5随钻铤3一起移动，测量时保持静止。

如图3所示，井下接收单元6包括信号处理与分析模块61、PIC单片机62、总线接口63、电源模块64和实时时钟65。其中信号处理与分析模块61包括放大电路、低通滤波电路和模数转换电路。信号处理与分析模块61将接收到的重力加速度计测量信号和三轴磁通门测量信号进行放大、滤波后，剔除夹杂在有用信号中的干扰毛刺，并进行模数转换得到井下数据传输至PIC单片机62，PIC单片机62将接收到的井下数据进行曼彻斯特编码后，经总线接口63通过电缆7上传至地面接收单元9。电源模块64为信号处理与分析模块61、PIC单片机62和实时时钟65供电。实时时钟65向PIC单片机62传输时钟信号，使之与地面接收单元9中的PIC单片机91同步，便于解码。其中，PIC单片机62可以优选型号为PIC18F46K80，总线接口63优选1153总线接口。

如图3所示，地面接收单元9由PIC单片机91、总线接口92、串口93、上位机94、电源模块95以及实时时钟96构成。总线接口92将接收到的井下数据传输至PIC单片机91进行曼彻斯特解码，解码后的数据通过串口93上传至上位机94，上位机94对传输至的数据进行频域分析和自身方位信息计算，控制钻铤3的钻进作业，不断向事故井2靠近。电源模块95为PIC单片机91和实时时钟96供电。实时时钟96向PIC单片机91输入时钟信号，使之与井下接收单元6中的PIC单片机62同步，便于对信号进行解码。

如图4所示，本发明大功率电磁脉冲产生电路8包括：一个CMOS模拟开关器件ADG411，ADG411器件内置四个独立可选的开关，且ADG411器件内所有开关均为先开后合式，适合应用于多路复用器中，ADG411器件内的四个开关标号为U1A～U1D。五个电阻R₁～R₅，其中R₁、R₂、R₄和R₅为上拉电阻，用于提高模拟开关U1A～U1D的输出可靠性，电阻R₃用来降低在电流关断时负载上产生的振荡信号。四个场效应晶体管IRFI4227，用于搭建电桥，标号为Q₁～Q₄，该晶体管的耐压值最高可达1000V，可通过的最大电流高达150A，而且开关速度快，能够在保证发射信号功率足够大的情况下，缩短关断时间。电路原理为：当相关的控制输入为逻辑低电平时，四个模拟开关U1A～U1D接通，此时，四个独立可选的开关U1A～U1D器件两两同时导通或截止；从端口RB12输入的方波分别接到U1A和U1D的输入引脚1和引脚12上，控制模拟开关U1A和U1D的闭合与断开；另外一路从端口RB14输入的方波分别接到U1B和U1C的输入引脚6和引脚8上，控制模拟开关U1B和U1C的闭合与断开；这样U1A与U1D模拟开关导通时，U1B与U1C闭合，U1A与U1D模拟开关闭合时，U1B与U1C导通，依次重复，从而在与R3并联的发射电极L两端产生双极性脉冲波，双极性脉冲波在理论上频带为无穷大，能够很好地适应救援时的复杂环境，有利于微型惯性测量单元组合4对有用信号接收。

本发明实施例中，在钻铤3上，发射电极4与微型惯性测量单元组合5之间的间隔为30m。

本发明实施例中，微型惯性测量单元组合5包括的三轴磁通门传感器和重力加速度计均为市售产品，不再赘述。

如图1、图5所示，由上述描述可知，本发明基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置的使用方法，其包括以下步骤：

1)在救援井1中的钻铤3上间隔设置一发射电极4和一微型惯性测量单元组合5，发射电极4通过电缆7与大功率脉冲产生电路8连接，微型惯性测量单元组合5通过电缆7依次与地面接收单元9和大功率电源10连接，大功率脉冲产生电路8和地面接收单元9由大功率电源10供电；其中，微型惯性测量单元组合5包括三轴磁通门传感器、重力加速度计和井下接收单元6，井下接收单元6和地面接收单元9构成瞬变电磁探测仪器接收电路。

2)发射电极4接收大功率电磁脉冲产生电路8产生的电流信号，并将其发射到地层中，在自身周围产生一次场13；与此同时，在一次场13的激励下，事故井2的事故井套管14上产生感应电流15，该感应电流15形成感应磁场，也即二次场16。

二次场16的大小与发射场源的形式、发射电极4所产生的电流大小及频率高低、事故井2的井况以及几何形状以及测点位置等因素有关。通过测定一次场13和二次场16的变化即可探测出事故井2的距离和方位。

3)三轴磁通门传感器接收一次场13和二次场16的强度信号并转换为微弱的电信号，重力加速度计检测井下接收单元6所处位置的重力加速度信号并转换为电信号，且两路电信号被传输给井下接收单元6。

4)在井下接收单元6中，电信号经由放大和滤波电路进行放大和滤波后，通过模数转换电路转换为数字信号，并由PIC单片机62进行曼彻斯特编码后经电缆上传至地面接收单元9。

5)地面接收单元9中的PIC单片机91对数据进行解码后通过串口输入到上位机。

6)上位机94对输入信号进行分析处理，具体的流程如下(如图5所示)：

①根据接收的数字信号，对接收信号进行频域分析，得到其高频或低频分量的幅度并计算包括距离和方位的自身定位信息；

②根据频域分析结果，将接收信号的高频分量的幅度与幅度阈值进行比较，幅度阈值是指峰值功率3dB处对应的幅度值大小；

若接收到的信号中高频信号分量的幅度大于幅度阈值，则根据高频分量事故井的精确方位和距离，然后进入步骤③；

若接收到的信号中高频信号分量的幅度小于幅度阈值，则根据低频分量计算事故井的精确方位和距离，然后进入步骤③；

③判断计算得到的距离方位信息是否满足距离要求：

若计算得到的距离满足要求，则实现救援井1对事故井2的位置确定，结束探测；

若计算得到的距离不满足要求，则由上位机控制钻铤的钻进作业，继续向事故井靠近，然后重复步骤2)～5)，直到满足距离要求时结束探测。

上述各实例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其特征在于：其包括救援井和事故井，在所述救援井中的钻铤上间隔设置的一发射电极和一微型惯性测量单元组合，所述发射电极是由多匝线圈构成的发射环，所述微型惯性测量单元组合包括三轴磁通门传感器、重力加速度计和井下接收单元；所述发射电极通过电缆与大功率脉冲产生电路连接，所述微型惯性测量单元组合通过所述电缆依次与地面接收单元和大功率电源连接，所述大功率脉冲产生电路和所述地面接收单元由所述大功率电源供电；所述井下接收单元与所述地面接收单元构成瞬变电磁探测仪器接收电路；所述发射电极接收由所述大功率电磁脉冲产生电路产生的电流信号并产生一次场；在所述一次场激励下所述事故井套管上产生二次场；所述三轴磁通门传感器接收所述一次场和二次场信号，所述重力加速度计检测所述井下接收单元所处位置的加速度信号传输至所述井下接收单元进行处理后，经所述电缆将井下数据上传至所述地面接收单元。

2.如权利要求1所述的一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其特征在于：所述井下接收单元包括电源模块、实时时钟、信号处理与分析模块、PIC单片机和总线接口；所述信号处理与分析模块包括放大电路、低通滤波电路和模数转换电路；信号处理与分析模块将接收到的重力加速度计测量信号和三轴磁通门测量信号处理后，进行模数转换得到井下数据传输至所述PIC单片机，所述PIC单片机将接收到的井下数据进行曼彻斯特编码后，由所述总线接口通过所述电缆上传至所述地面接收单元；所述实时时钟向所述PIC单片机传输时钟信号。

3.如权利要求1所述的一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其特征在于：所述地面接收单元包括电源模块、实时时钟、PIC单片机、串口、上位机以及总线接口；所述总线接口将接收到的井下数据传输至所述PIC单片机进行曼彻斯特解码，解码后的数据通过所述串口上传至所述上位机；所述实时时钟向所述PIC单片机输入时钟信号。

4.如权利要求2所述的一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其特征在于：所述地面接收单元包括电源模块、实时时钟、PIC单片机、串口、上位机以及总线接口；所述总线接口将接收到的井下数据传输至所述PIC单片机进行曼彻斯特解码，解码后的数据通过所述串口上传至所述上位机；所述实时时钟向所述PIC单片机输入时钟信号。

5.如权利要求2或3或4所述的一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其特征在于：所述PIC单片机优选型号为PIC18F46K80，所述总线接口优选1153总线接口。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其特征在于：所述发射电极与所述微型惯性测量单元组合之间的间隔为30m。

7.如权利要求5所述的一种基于瞬变电磁法定位探测事故井的装置，其特征在于：所述发射电极与所述微型惯性测量单元组合之间的间隔为30m。