CN106050223B - 一种全向静磁场救援井随钻定位方法及定位*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全向静磁场救援井随钻定位方法及定位***，其特征在于包括以下装置和步骤：1)井下测量探管前端设置有三轴高精度磁通门传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪；2)下井前测量受钻头影响的地磁场矢量；3)当救援井倾斜阶段任务开始后，MWD的探管根据高精度磁通门传感器获得的磁场测量数据，结合MWD自身的姿态信息，对获得的每一组被救援井套管磁场测量值分别进行空间投影运算获得被救援井套管磁场在水平面沿钻进方向和垂直于钻进方向的磁场分量强度数据；4)将获得多次空间投影后的被救援井套管的磁场分量强度数据进行最小二乘运算，得到此时钻进探管相对于被救援井套管的空间位置；5)通过Kalman滤波器进行滤波运算，得到救援井探管相对于被救援井的精确空间位置。
Description
技术领域
本发明是关于一种全向静磁场救援井随钻定位方法及定位***，涉及静磁场救援井定位技术领域。
背景技术
定向钻井是指使井身沿着预先设计的方向和轨迹钻达目的层的钻井工艺方法，它可广泛应用于斜向钻井、水平钻井和对接钻井。救援井是指在被救援井发生严重井喷或井喷失控的情况下与被救援井连通并控制井喷而钻的井，是解决井喷、漏油等事故的有效方法，其作业成功与否直接关系到事故能否终结，是井喷事故的最后一道防线。借助必要的电磁探测***和定位工具进行救援井与事故井的相对距离和方位的精确探测，是救援井技术成功的关键环节。救援井技术的基本原理是在事故井附近的安全区域打一口定向井，使其井眼轨迹与事故井的轨迹在地层的某个层位汇合，将高密度的钻井液或水泥通过救援井注入事故井，以达到油(气)井灭火或控制井喷，避免造成严重的生态灾难和损失。但是随着井眼条件越来越复杂、井斜角的增大、水平段长度的增长以及井眼轨迹的不确定性等。救援井与事故井之间的相对距离和方位的精确探测是救援井技术成功的关键环节之一。
随钻测量技术是指在钻进的同时实现各种参数连续测量的技术，这些参数主要包括定向轨迹描述及地层特性测量，典型的随钻测量***包括两部分，即地下随钻测量部分和地面接收处理显示部分。电磁随钻测量(Electro-magnetic Method Measurement WhileDrilling，EM-MWD)起源于20世纪80年代，采用电磁波传播工作方式，适用于各种类型的钻井泥浆钻井工程，填补了非导电泥浆钻井工程中油气测量的空白。MWD随钻仪器由地面***和井下仪器组成，二者通过钻柱内的泥浆通道中的压力脉冲信号进行通信，并协调工作，实现钻井过程中井下仪器的状态、井下工况及有关测量参数(包括定向参数如井斜、方位、工具面等和地质参数等等)的实时监测。
要实现救援井与事故井的准确连通与测量，需要借助专门的测距***来对救援井进行相应的引导，一般采用事故井套管、钻杆(探管)作为信号源目标物进行测量。目前，针对目标井套管和钻杆的测距***主要分为主动测距***和被动测距***。主动测距***主要是通过自身来改变或产生某些信号量获得测量结果，通过救援井中的测距工具对事故井套管施加一定的激励，进而使套管产生相应的物理量变化，再通过检测该物理量并进行计算分析后，获得救援井和事故井之间的相对位置。被动测距***则是通过感知目标对某个物理量的影响来获得测量结果，可以通过磁通门传感器检测套管、钻杆等对地磁场的影响，一般可以直接使用MWD或测斜仪的磁通门数据进行后续计算和分析，两者的区别在于测量者是否对测量对象施加影响。其中，被动测距***主要是通过检测事故井中套管、钻杆等对大地磁场的影响，从而获得事故井和救援井之间的相对位置关系；主动测距***则是通过对事故井中套管、钻杆施加一定的激励量，产生磁场、电流等物理量的改变，从而获得两者之间的相对位置关系。主动测距方法需要对被救援井施加很大的电流，在实际工况条件下操作复杂，还容易引起带来安全隐患，而且在近距离时定位模型并不适用，所以被动测距方法是对主动测距很好的补充，然而，目前的被动测距方法只适用于平行进近和垂直进近阶段，实际测量距离不会超过20m，同时它无法与目前通用的MWD仪器相结合使用，这严重限制了被动定位方法的应用场景。
救援井钻井可分为远距离平行钻进、造斜、水平进近、近距离平行钻进及连通5个阶段。在上述5个阶段中，造斜、水平进近、近距离平行钻进3个阶段需要进行定位探测。目前，水平进近和近距离平行钻进阶段现有技术中存在许多不同的定位方法，而在造斜阶段因为传感器姿态不固定，距离较远受环境影响大等原因，目前还没有合适的静磁场定位方法及定位***。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种全向静磁场救援井随钻定位方法及定位***，能够有效填补静磁场救援井倾斜阶段三维空间定位方法的空白，解决传统的MWD随钻测量装置在进行静磁场定位时连续性和准确性差、实时性不强以及受噪声干扰影响严重等问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种全向静磁场救援井随钻定位方法，其特征在于包括以下步骤：1)井下测量探管前端设置有三轴高精度磁通门传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪；2)下井前利用三轴高精度磁通门传感器测量受钻头影响下的地磁场场强矢量；3)当救援井倾斜阶段任务开始后，MWD探管根据三轴高精度磁通门传感器获得的磁场测量数据，结合三轴陀螺仪和三轴加速度传感器姿态传感器得到的探管自身的加速度和姿态信息，对倾斜阶段获得的每一组被救援井套管磁场测量值分别进行空间投影运算，获得被救援井套管磁场在水平面沿救援井钻进方向和垂直于钻进方向的磁场分量强度数据；4)MWD的探管逐渐向前进近，重复步骤3)进行多次测量，将获得多次空间投影后的被救援井套管的磁场分量强度数据进行最小二乘运算，得到此时钻进探管相对于被救援井套管的空间位置；5)将MWD的探管相对于被救援井套管的每一组位置坐标均作为测量值，结合已知由钻头运动状态得到的估计值，通过Kalman滤波器进行滤波，得到救援井钻井过程中相对于被救援井的精确空间位置。
进一步地，所述步骤3)对倾斜阶段获得的每一组被救援井套管磁场测量值分别进行空间投影运算获得被救援井套管磁场在水平面沿救援井钻进方向和垂直于钻进方向的磁场分量强度数据：
Bt＝Bz cosα+By sinα
Br＝Bx
式中，Bt为被救援井套管磁场在水平面沿钻进方向的磁场分量强度投影，Br为被救援井套管磁场在水平面垂直于钻进方向的磁场分量强度投影,α为井斜角，Bx、By和Bz为任意时刻磁通门传感器测量得到的x、y和z方向的磁场矢量值。
进一步地，所述步骤4)将获得多次空间投影后的被救援井套管的磁场分量强度数据进行最小二乘运算，得到此时钻进探管相对于被救援井套管的空间位置的具体过程为：
假设以钻进方向为t轴正方向，垂直钻进方向为r轴正方向，投影平面上被救援井套管位置为(t0,R)，轨迹上一点i的坐标为(ti,0)，减去地磁后，在点i处测得的磁场分量为Bt,i，Br,i，由于在该平面内去掉地磁场后，投影平面上被救援井套管磁场均指向或者背离套管所在位置(t0,R)，则：
Br,it0-Bt,iR＝Br,iti
对于钻进轨迹上一系列的点i＝1,K,N，有超定方程组：
根据上式通过被救援井套管坐标的最小二乘解进而求得二维平面内套管端部相对于钻进轨迹的方位坐标，即确定了此时钻进探管相对于被救援井套管的空间位置。
一种基于所述定位方法的全向静磁场救援井随钻定位***，其特征在于，该定位***包括井下测量探管和地面计算单元，井下测量探管前端设置有三轴高精度磁通门传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、A/D转换与放大电路、激励电路和井下时钟；地面计算单元包括重力加速度和姿态单元、高精度测磁数据单元、Kalman滤波器、井斜角和方位角计算单元和相对距离和相对方位计算单元；三轴高精度磁通门传感器用于测量磁场数据，并将测量得到的磁场数据转化为电信，三轴加速度传感器用于测量XYZ三个方向的加速度数据并将其转换成电信号，三轴陀螺仪用于测量探管自身的姿态信息，三轴高精度磁通门传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪将获取的数据通过AD转换器与放大电路进行模数转换和放大后发送到激励电路，激励电路对所有采样数据信息进行处理，并从井下向上发送至地面控制单元，井下的整个数据采集和处理过程由井下时钟控制信号处理的时序；高精度测磁单元用于获取井下探管的高精度测磁数据，重力加速度和和姿态单元用于获取探管的重力和姿态数据，Kalman滤波器用于对高精度测磁数据进行滤波获得测磁滤波数据，井斜角和方位角计算单元根据高精度测磁数据及探管的重力和姿态数据计算得到井斜角与方位角，相对距离和相对方位计算单元将高精度测磁数据和测磁滤波数据进行投影处理得到套管相对于探管的相对距离与相对方位。
进一步，三轴高精度磁通门传感器是指测磁灵敏度高于0.1nT磁通门传感器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明可以与目前已有的静磁场救援井平行进近定位方法和端部水平进近定位方法进行组合，针对救援井不同作业阶段应用不同的方法进行方位距离探测，同时可以应用在目前通用的MWD探管中，实现静磁场随钻测量的目的，不需要每次测量抬钻，节省了大量的资金和人力。2、在造斜段，本发明利用空间投影最小二乘算法采用多点的测量值进行最小二乘估计，有效提高弱磁定位下MWD探管与被救援井套管的精度，能够确定被救援井的大致方位，全程保证了定位精度，提高了定位方法的可靠性。本发明不仅可以应用于救援井定位探测中，也可应用于邻井防碰及非开挖等钻井作业中。
附图说明
图1是本发明空间坐标系下钻进轨迹的场景示意图；
图2是本发明的全向静磁场救援井随钻定位方法流程示意图；
图3是本发明载体坐标系下的三轴高精度磁通门传感器三轴旋转示意图；
图4是本发明的全向静磁场救援井随钻定位***结构示意图，其中：1三轴高精度磁通门传感器，2三轴加速度传感器，3三轴陀螺仪，4AD转换与放大电路，5井下激励电路，6井下时钟，7重力加速度和姿态单元，8高精度测磁单元，9Kalman滤波器，10井斜角和方位角计算单元，11相对距离和相对方位计算单元，12地面计算单元以及13井下测量探管；
图5a是本发明静磁场下的矢量测量投影图；
图5b是本发明最小二乘定位方法坐标图；
图6是本发明实施例中采用Kalman滤波后输出的目标物体的位移测量值和滤波估计的结果比较图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，救援井钻井可分为远距离平行钻进、造斜、水平进近、近距离平行钻进和连通5个阶段。开始时，先在距事故井井口距离较远的地方进行竖直钻进；钻进到一定深度后向水平方向倾斜一定角度(造斜)，斜向接近事故井；接近事故井后，调整倾角至水平方向，绕过事故井进行近距离的平行钻进，然后进行连通。
如图2所示，本发明是在斜向接近事故井的阶段提出了全向静磁场救援井随钻定位方法，包括以下步骤：
step1、下井前测量钻头影响下的地磁场场强。
在三轴高精度磁通门传感器下井前，需要测量钻头影响下的地磁场场强，作为三轴高精度磁通门传感器在进近过程中测量磁场的校正数据。为了避免钻头影响下的地磁场对测量结果的影响，需要在测量时减去相应矢量值。具体操作过程可以在钻头入井时进行一次测量标定，此时因为距离距测量套管较远，可以忽略套管的影响，认为现在测量的磁场矢量即是钻头磁场和地磁场的叠加，这样在钻进过程中，可以用测量的矢量值减去提前标定的矢量值，剩下的就是被救援井套管的静磁场。
Step2、当救援井倾斜阶段任务开始后，MWD的探管根据倾斜阶段三轴高精度磁通门传感器获得的磁场测量数据，结合探管中三轴陀螺仪和三轴加速度传感器(重力加速度计)得到自身的加速度及姿态信息，对倾斜阶段获得的每一组被救援井套管磁场测量值分别进行空间投影运算，获得被救援井套管磁场在水平面沿钻进方向和垂直于钻进方向的磁场分量强度数据；
如图2所示，三轴陀螺仪用于获得探管自身姿态的三个欧拉角、三轴加速度传感器测量探管的倾斜角，在连续行进过程中三轴高精度磁通门传感器实时测量被救援井套管周围的磁场数据，其中，磁场数据包括x，y和z方向的磁场Bx、By、Bz及采样时间t。在测量过程中，所获得的磁场数据需要减去钻头影响下的地磁场场强值进行校正。
实际中钻进路线是一条三维空间的倾斜轨迹，假设在一段短距离内这条轨迹是一条倾斜的直线，在钻井过程中，MWD自身的姿态在不断变化，为了测量自身姿态的变化，在MWD中安装有三轴陀螺仪和三轴加速度传感器，三轴加速度传感器可以测量井斜角，三轴陀螺仪可以得到MWD自身姿态的三个欧拉角。钻头的载体坐标系以探管(钻杆)的高边为y轴，建立右手坐标的，通过三轴陀螺仪测姿可以得到θ,ψ,φ三个欧拉角，此时钻杆的姿态与自身载体坐标系的三个坐标轴是不平行的，但是可以通过下面的坐标变换将此时三轴高精度磁通门传感器测得的磁场矢量值变换到探管姿态平行于载体坐标轴时的情况，假设在任意时刻三轴高精度磁通门传感器测量得到的三个方向的磁场矢量值可以表示为：
式中，x，y，z是钻进探管相对于被救援井套管的位置坐标，μ0是介中的磁导率、m表示圆电流的磁矩，R表示场源和测量点之间的距离，标准载体坐标系下测量得到的磁矢量B可以表示为：
B'＝TφTψTθB
式中，Tφ,Tψ,Tθ为三个方向上的姿态变换矩阵，如图3显示了坐标系的旋转过程。
式中，B'是探管三轴高精度磁通门传感器接收到的磁场矢量信号，经过-θ,-ψ,-φ的旋转变换后可以得到载体坐标系下平行于坐标轴的磁场矢量B，再根据重力传感器测量得到的井斜角α，可以将磁场矢量B投影到此时刻探管传感器所在的平面上，如图5a所示，Bt为被救援井套管磁场在水平面沿钻进方向的磁场分量强度投影，Br为被救援井套管磁场在水平面垂直于钻进方向的磁场分量强度投影，其中：
Br＝Bx
Bt＝Bzcosα+Bysinα。
Step3、MWD的探管逐渐向前进近，重复步骤3进行多次测量，将获得多次空间投影后的被救援井套管的磁场分量强度数据进行最小二乘运算，得到此时钻进探管相对于被救援井套管的空间位置。
由于开始进近时MWD的探管离被救援井套管较远，磁场较弱，需要利用多个点的磁场测量值进行最优估计，提高定位精度，现在通过测量投影已经可以将一系列空间测点得到的磁场数值投影到同一个三轴高精度磁通门传感器所在的测量平面上，此测量平面理论上垂直于被救援井套管，因此本发明针对测量得到的多组被救援井套管数据通过基于最小二乘估计的定位方法实现造斜阶段进近时的定位。通过最小二乘估计，可以直接利用磁场方向确定投影平面上被救援井套管的位置。
假设以钻进方向为t轴正方向，垂直钻进方向为r轴正方向。如图5b所示，假设在投影平面上被救援井套管位置为(t0,R)，轨迹上一点i的坐标为(ti,0)，减去地磁后，在点i处测得的磁场分量为Bt,i，Br,i。由于在该平面内，去掉地磁场后，投影平面上被救援井套管磁场均指向或者背离套管所在位置(t0,R)，则：
Br,it0-Bt,iR＝Br,iti
对于钻进轨迹上一系列的点i＝1,K,N，有超定方程组：
因此可以求得被救援井套管坐标的最小二乘解进而求得二维平面内套管端部相对于钻进轨迹的方位坐标，也就是确定了钻进探管此时相对于被救援井套管的空间位置。
Step4、将得到的钻进探管相对于被救援井套管的每一组位置坐标均作为测量值，结合已知的由钻头运动状态得到的估计值，通过Kalman滤波器进行滤波运算，得到救援井的钻头相对于被救援井的精确空间位置，Kalman滤波器的滤波原理为现有技术，在此不再赘述。
如图4所示，为了实现本发明的全向静磁场救援井随钻定位方法，本发明还提出全向静磁场救援井随钻定位方法，包括一井下测量探管13和一地面计算单元12，井下测量探管13的前端设置有一三轴高精度磁通门传感器1、一三轴加速度传感器2、一三轴陀螺仪3、一A/D转换与放大电路4、一激励电路5和一井下时钟6；地面计算单元12包括一重力加速度和姿态单元7、一高精度测磁数据单元8、一Kalman滤波器9、一井斜角和方位角计算单元10和一相对距离和相对方位计算单元11；
三轴高精度磁通门传感器1是指测磁灵敏度高于0.1nT磁通门传感器，三轴高精度磁通门传感器1用于测量磁场数据，并将测量得到的磁场数据进行积分运算之后转化成为三路电信号，三轴加速度传感器2用于测量XYZ三个方向的加速度数据并将其转换成电信号，三轴陀螺仪3用于测量探管自身的姿态信息，三轴高精度磁通门传感器1、三轴加速度传感器2和三轴陀螺仪3将获取的数据通过AD转换器与放大电路4进行模数转换和放大后发送到激励电路5，激励电路5由FPGA编写完成，激励电路5对所有采样数据信息进行处理和汇总，并从井下向上发送至地面控制单元12，井下的整个数据采集和处理过程由井下时钟6控制信号处理的时序，有条不紊的进行。高精度测磁单元8用于获取井下探管的XYZ三轴高精度测磁数据，重力加速度和和姿态单元7用于获取探管的重力和姿态数据，Kalman滤波器用于对XYZ三轴高精度测磁数据进行滤波获得测磁滤波数据，井斜角和方位角计算单元10根据XYZ三轴高精度测磁数据及探管的重力和姿态数据计算得到井斜角与方位角，相对距离和相对方位计算单元11根据XYZ三轴高精度测磁数据和测磁滤波数据进行投影处理得到套管相对于探管的相对距离与相对方位，指导救援井的钻进工作。
下面以具体实施实例进一步说明采用本发明全向静磁场救援井随钻定位***中应用的三维轨迹定位方法对目标物体定位的计算过程和结果。
如图5a所示，高精度磁通门传感器置于空间点(0,0,0)，被救援井套管(图中方块所示)由图中A点向B点运动。其中，AB段救援井套管a运动速度为0.501m/s，整个过程持续时间为20s。以20s时的定位为例，救援井套管a的理论位置和速度为(10.04,0.104)，相对与被救援井的距离为R＝10.3m，在钻进轨迹上行进距离为10.8m。此时存储的磁场数据时间点范围1～20，这一段时间的钻进轨迹进行预测。将20段数据依次进行Kalman滤波，计算其在轨迹上的行进状态。滤波结果如图6所示，从图6中可以看出，Kalman滤波后输出的救援井套管a的轨迹与测量值的剧烈波动相比，Kalman滤波估计输出的方差降低到测量值方差的10％以下，具有更高的定位精度。将Kalman滤波器输出的结果带入最小二乘法的超定方程组中解得其距离R＝9.8m，在钻进轨迹上行进距离为10.23m，有效提高了定位精度。
上述各实施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 (3)
1.一种全向静磁场救援井随钻定位方法，其特征在于包括以下步骤：
1)井下测量探管前端设置有三轴高精度磁通门传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪；
2)下井前利用三轴高精度磁通门传感器测量受钻头影响下的地磁场场强矢量；
3)当救援井倾斜阶段任务开始后，MWD探管根据三轴高精度磁通门传感器获得的磁场测量数据，结合三轴陀螺仪和三轴加速度传感器姿态传感器得到的探管自身的加速度和姿态信息，对倾斜阶段获得的每一组被救援井套管磁场测量值分别进行空间投影运算，获得被救援井套管磁场在水平面沿救援井钻进方向和垂直于钻进方向的磁场分量强度数据，对倾斜阶段获得的每一组被救援井套管磁场测量值分别进行空间投影运算获得被救援井套管磁场在水平面沿救援井钻进方向和垂直于钻进方向的磁场分量强度数据：
Bt＝Bzcosα+Bysinα
Br＝Bx
式中，Bt为被救援井套管磁场在水平面沿钻进方向的磁场分量强度投影，Br为被救援井套管磁场在水平面垂直于钻进方向的磁场分量强度投影,α为井斜角，Bx、By和Bz为任意时刻磁通门传感器测量得到的x、y和z方向的磁场矢量值；
4)MWD的探管逐渐向前进近，重复步骤3)进行多次测量，将获得多次空间投影后的被救援井套管的磁场分量强度数据进行最小二乘运算，得到此时钻进探管相对于被救援井套管的空间位置，具体过程为：
假设以钻进方向为t轴正方向，垂直钻进方向为r轴正方向，投影平面上被救援井套管位置为(t0,R)，R表示场源和测量点之间的距离，轨迹上一点i的坐标为(ti,0)，减去地磁后，在点i处测得的磁场分量为Bt,i，Br,i，由于在该平面内去掉地磁场后，投影平面上被救援井套管磁场均指向或者背离套管所在位置(t0,R)，则：
Br,it0-Bt,iR＝Br,iti
对于钻进轨迹上一系列的点i＝1,...,N，有超定方程组：
根据上式通过被救援井套管坐标的最小二乘解进而求得二维平面内套管端部相对于钻进轨迹的方位坐标，即确定了此时钻进探管相对于被救援井套管的空间位置；
5)将MWD的探管相对于被救援井套管的每一组位置坐标均作为测量值，结合已知由钻头运动状态得到的估计值，通过Kalman滤波器进行滤波，得到救援井钻井过程中相对于被救援井的精确空间位置。
2.一种实现如权利要求1所述定位方法的全向静磁场救援井随钻定位***，其特征在于，该定位***包括井下测量探管和地面计算单元，井下测量探管前端设置有三轴高精度磁通门传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、A/D转换与放大电路、激励电路和井下时钟；地面计算单元包括重力加速度和姿态单元、高精度测磁数据单元、Kalman滤波器、井斜角和方位角计算单元和相对距离和相对方位计算单元；
三轴高精度磁通门传感器用于测量磁场数据，并将测量得到的磁场数据转化为电信号，三轴加速度传感器用于测量XYZ三个方向的加速度数据并将其转换成电信号，三轴陀螺仪用于测量探管自身的姿态信息，三轴高精度磁通门传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪将获取的数据通过AD转换与放大电路进行模数转换和放大后发送到激励电路，激励电路对所有采样数据信息进行处理，并从井下向上发送至地面控制单元，井下的整个数据采集和处理过程由井下时钟控制信号处理的时序；
高精度测磁数据单元用于获取井下探管的高精度测磁数据，重力加速度和姿态单元用于获取探管的重力和姿态数据，Kalman滤波器用于对高精度测磁数据进行滤波获得测磁滤波数据，井斜角和方位角计算单元根据高精度测磁数据及探管的重力和姿态数据计算得到井斜角与方位角，相对距离和相对方位计算单元将高精度测磁数据和测磁滤波数据进行投影处理得到套管相对于探管的相对距离与相对方位。
3.如权利要求2所述的全向静磁场救援井随钻定位***，其特征在于，三轴高精度磁通门传感器是指测磁灵敏度高于0.1nT磁通门传感器。
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