CN114658423A - 一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***及方法。该***包括包括：探管以及测量工装；探管通过电缆与带电缆绞车连接，带电缆绞车与地面主机连接，地面主机与电脑连接；探管包括：第一三轴磁通门传感器和陀螺测量模块；测量工装安装在地面，并通过地面主机与电脑通信；所述测量工装用于获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号；所述电脑用于根据经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号确定衰减系数，并对衰减系数进行复核，进而根据复核后的衰减系数以及探管获取的交变磁场信号确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。本发明能够提高在铁磁性套管内测量、定位的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及钻井测量领域，特别是涉及一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***及方法。
背景技术
在地质和石油钻井中，为了精确控制井眼轨迹，使钻头达到指定的位置，经常使用仪器进行井下测量。主动磁测量***是一种精度较高的测量手段，基本原理是通过旋转一个强度已知的人工磁场，在空间内形成有规律的磁场扰动，探管接收到这个扰动后，经由软件解析出磁场与探管的相对空间位置关系。在实际应用中，这个人工磁场通常由稀土永磁体镶嵌在一个无磁材料制成的圆柱体中，即磁接头，以旋转磁接头来产生交变磁场信号。探管是由多种传感器和电路组成的棒装圆柱体，可以测量地球磁场、重力场和动态交变磁场。主动磁测量***工作时，磁接头由接在后边的螺杆马达驱动而作轴向旋转，形成磁场扰动。在空间的另一端，通常是在目标点上放着探管，探管连接在绞车上的铠装电缆下端，下放到已完工的某个井孔的目标深度，绞车电缆的上端连接地面主机，主机为探管供电并对探管采集的信号进行转换，再发送到电脑，电脑经过分析数据得到正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。这种测量方法是“探管先给自身定位，再给磁接头定位”，探管负责采集所有信号参数。探管给自身定位至少需要三个参数：顶角、方位和工具面。目前的探管普遍采用三轴磁通门传感器来测量磁相关的信号，这些信号包括用于计算自身方位的地磁场数据，以及磁接头发出的交变磁场信号。
目前的主动磁定位测量中，探管必须放在目标井下的祼孔段，即离铁磁性干扰物如套管、油管等一段距离(至少2米)，探管不会置于其中。但在石油、地质和可溶性固体矿产的钻井领域，铁磁性套管作为一种有效孔壁支撑体而被广泛应用。即套管是一种广泛应用在石油、地质和可溶性固体矿产等钻井领域的薄壳圆筒，它通常是由钢铁制成，有多种规格和生产工艺。当在地表钻孔时，原有地层应力受到破坏，不加维护孔内岩石和土壤就会坍塌。此时要下入套管，并用水泥填满孔壁与套管形成的环空，使套管与地层形成一体，达到支撑地层和隔绝地下水的作用。当探管由于种种原因被置于铁磁性套管中时，三轴磁通门传感器将会被干扰、屏蔽，获得的地磁参数和磁接头信号也会变形、扭曲，缺少这两个重要数据，以至于现有的主动磁定位***无法正常工作。
基于上述问题，亟需一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***或方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***及方法，能够提高在铁磁性套管内测量、定位的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，所述主动磁测量***包括：磁接头、带电缆绞车、地面主机和电脑，该***还包括：探管以及测量工装；
所述探管通过电缆与带电缆绞车连接，带电缆绞车与地面主机连接，地面主机与电脑连接；所述探管包括：第一三轴磁通门传感器和陀螺测量模块；所述陀螺测量模块用于当第一三轴磁通门传感器无法正常测量方位时，进行方位的测量；
所述测量工装安装在地面，并通过地面主机与电脑通信；所述测量工装用于获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号；所述电脑用于根据经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号确定衰减系数，并对衰减系数进行复核，进而根据复核后的衰减系数以及探管获取的交变磁场信号确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
可选地，所述测量工装包括：无磁U形架、磁发射器、第二三轴磁通门传感器和无磁扶正器；
所述磁发射器设置在无磁U形架的第一杆的端部，并距第一杆的端部第一设定距离；所述第二三轴磁通门传感器设置在无磁U形架的第二杆的端部，并距第二杆的端部第二设定距离；所述无磁扶正器设置在无磁U形架的底部与第二三轴磁通门传感器之间；
所述无磁扶正器用于使第二三轴磁通门传感器的轴向与套管轴向平行。
可选地，所述第二三轴磁通门传感器与无磁U形架的第二杆同轴。
一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法，应用于所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，包括：
启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取未经管屏蔽的交变磁场信号；
将无磁U形架的第二杆***到套管内，启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号；
根据未经管屏蔽的交变磁场信号和经过套管屏蔽后的交变磁场信号确定衰减系数；
对衰减系数进行复核，确定复核后的衰减系数；
根据探管获取交变磁场信号以及复核后的衰减系数确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
可选地，所述衰减系数包括：径向平面上的衰减系数和轴向衰减系数。
可选地，所述对衰减系数进行复核，确定复核后的衰减系数，具体包括：
对衰减系数以设定梯度进行变化，确定衰减系数集合；
根据探管获取交变磁场信号以及衰减系数集合中的每一衰减系数确定对应的总场强度；
根据每一衰减系数的总场强度中的最小值和最大值确定误差系数；
将最小的误差系数对应的衰减系数作为复核后的衰减系数。
一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，用于实现所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法，包括：
未经管屏蔽的交变磁场信号获取单元，用于启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取未经管屏蔽的交变磁场信号；
经过套管屏蔽后的交变磁场信号获取单元，用于将无磁U形架的第二杆***到套管内，启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号；
衰减系数确定单元，用于根据未经管屏蔽的交变磁场信号和经过套管屏蔽后的交变磁场信号确定衰减系数；
复核后的衰减系数确定单元，用于对衰减系数进行复核，确定复核后的衰减系数；
空间位置关系确定单元，用于根据探管获取交变磁场信号以及复核后的衰减系数确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
可选地，所述衰减系数包括：径向平面上的衰减系数和轴向衰减系数。
可选地，所述复核后的衰减系数确定单元具体包括：
衰减系数集合确定子单元，用于对衰减系数以设定梯度进行变化，确定衰减系数集合；
总场强度确定子单元，用于根据探管获取交变磁场信号以及衰减系数集合中的每一衰减系数确定对应的总场强度；
误差系数确定子单元，用于根据每一衰减系数的总场强度中的最小值和最大值确定误差系数；
复核后的衰减系数确定子单元，用于将最小的误差系数对应的衰减系数作为复核后的衰减系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***及方法，当第一三轴磁通门传感器无法正常测量方位时，利用陀螺测量模块进行方位的测量，可以在磁异常环境下正常测量；测量工装安装在地面，并通过地面主机与电脑通信；根据测量工装获取的经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号确定衰减系数，并对衰减系数进行复核，进而根据复核后的衰减系数以及探管获取的交变磁场信号确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。在不用取出井底材料的情况下，利用磁场特性测量位于井底的套管极低频磁场衰减系数，还原屏蔽后的交变磁场信号，使主动磁测量***能够正常应用于地磁异常区域，也能在铁磁性套管屏蔽情况下实施定位测量。
附图说明
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***中测量工装的结构示意图；
图2为静态磁场坐标系示意图；
图3为旋转磁场坐标系示意图；
图4为本发明所提供的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法的流程示意图。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***及方法，能够提高在铁磁性套管内测量、定位的准确性。
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。
一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，所述主动磁测量***包括：磁接头、带电缆绞车、地面主机和电脑，该***还包括：探管以及测量工装；
所述探管通过电缆与带电缆绞车连接，带电缆绞车与地面主机连接，地面主机与电脑连接；所述探管包括：第一三轴磁通门传感器和陀螺测量模块；所述陀螺测量模块用于当第一三轴磁通门传感器无法正常测量方位时，进行方位的测量；
所述测量工装安装在地面，并通过地面主机与电脑通信；所述测量工装用于获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号；所述电脑用于根据经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号确定衰减系数，并对衰减系数进行复核，进而根据复核后的衰减系数以及探管获取的交变磁场信号确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
如图1所示，所述测量工装包括：无磁U形架、磁发射器、第二三轴磁通门传感器和无磁扶正器；
所述磁发射器设置在无磁U形架的第一杆的端部，并距第一杆的端部第一设定距离；所述第二三轴磁通门传感器设置在无磁U形架的第二杆的端部，并距第二杆的端部第二设定距离；所述无磁扶正器设置在无磁U形架的底部与第二三轴磁通门传感器之间；第一设定距离和第二设定距离不同。
所述无磁扶正器用于使第二三轴磁通门传感器的轴向与套管轴向平行。
整套测量工装除小型磁发射器外，均采用无磁材料制成，具有一定的刚性，不易变形。
所述第二三轴磁通门传感器与无磁U形架的第二杆同轴。
磁接头位于正在施工的钻井中，前边连接钻头，后边连接螺杆等。磁接头会随着螺杆一起转动，产生交变磁场信号。探管放在地下目标矿层深度，用于收集磁接头发出的交变磁场信号。探管通过铠装电缆连接地面的绞车，绞车上的电缆另一端连接地面主机。探管收集到数据后，通过电缆，将模拟信号传给地面主机，主机作用是给探管供电，并将模拟信号转化成数字信号，再传给电脑。电脑上有相应的采集软件，可以控制地下探管执行各种功能，同时也有分析软件，可以通过分析探管采集的数据来得到探管与磁接头(钻头)之间的位置关系。通过这个位置关系，可以知道当前钻头与探管偏差，调整轨迹，达到目标位置。
具体的测量步骤为：
1)磁接头连接在钻头之后，下入到正钻井中，正常钻进施工。探管下入到目标处，由于种种原因被堵在铁磁性套管内，第一三轴磁通门传感器无法正常测量方位，此时启动探管中的陀螺测量模块测量真方位(B)，通过查询当地的磁偏角(C)，计算得到方位(A)，A＝B+C。
2)当正钻井钻进到距离探管一定距离内(如100米)时，进入交变磁场信号测量环节。此时正钻井停止钻进，原地转动磁接头，之后启动探管，利用第一三轴磁通门传感器捕捉磁接头发出的交变磁场信号。由于探管位于套管之内，交变磁场信号经过套管屏蔽后，信号的幅值会变小。
3)套管衰减系数的地面测量。在地面找到一根与井下套管同规格型号的完整套管，并将其置于一个磁干扰较小的环境里。使用测量工装，将装有第二三轴磁通门传感器的一端装上适合型号的扶正器，***到套管内至少1米深度，装有小型磁场发射器的一端在套管外部，并且保证第二三轴磁通门传感器与发射器之间除了所测套管外，没有其它物体遮挡。无磁扶正器作用是保证三轴磁通门传感器的轴向与套管轴向平行。第二三轴磁通门传感器连接地面主机和电脑后，打开磁发射器，保持整套工装静止的情况下，启动探管测量经过套管屏蔽后的交变磁场信号，分别为Bx,By,Bz,Bz方向与探管轴同向，Bx和By为径向，三者两两垂直。
把测量工装从套管内取出，保持磁发射器与探管相对姿态不变的情况下，放到远离套管且磁干扰较小的环境内，再次启动磁场发射器，测量无套管屏蔽时的三轴磁场参数，Bx1,By1,Bz1。
令
得到两个初始衰减系数：S1＝BR/BR1，S2＝Bz/Bz1；
4)衰减系数复核及定位计算。测量磁接头信号后得到原始交变磁场数据，这些数据是被套管屏蔽后的，使用上步获得的初始衰减系数还原信号后再进行正常的定位计算。因为套管下入到地层后，会出现变形腐蚀等情况，其磁屏蔽性能与地表的完整套管可能不同，因此还要进行进一步复核计算。
复核的原理为：
如图2所示为一个静态磁场三维坐标系，某圆柱形永磁铁位于坐标原点O，NS极与Z轴重合，P是空间中的任意一点，与原点连线OP距离为r，磁铁体积远小于r，可假设为磁偶极子，则在空间点P的磁场表达式：
上式中M为磁矩值，μ0为真空磁导率。
总磁场强度为写成：
将(1)式代入式可得：
磁铁绕着Y轴在XZ平面内旋转，无论NS极转到任何位置，都可以建立如图3所示坐标系，连线OP在新的X1Z1平面投影会发生变化，角度值θ和
会发生变化，但磁场表达式与(1)相同。
根据公式(1)和(2)磁场总强度可写为：
观察上式可知，当磁场绕着Y轴旋转时，磁场总强度与连线OP、磁铁NS极的夹角相关，当ψ＝π/2时，Bt有最小值：
当ψ最小时，Bt有最大值：
(7)式与(6)式相比，可以得到公式：
其中
S1，S2是上述第三步工装测得的衰减系数，以它为初值开始计算，每变化一次(S1，S2)i，对原始数据做如下操作：
使用正常定位方法，用公式(1)得到相应结果
根据公式(2)求得总场值Bti，并在一系列总场值中找到两个最大值和最小值，分别为Btmaxi和Btmini。变化公式(7)并求绝对值，对于每组衰减系数(S1，S2)i都有
其中
式(10)中最小值时的衰减系数即为井下套管真实衰减系数，此时的结果
也是磁接头与探管空间位置关系。此时的
是最终结果，r是从磁场发射源到探管的距离，后两个为角度值；
图4为本发明所提供的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法的流程示意图，如图4所示，本发明所提供的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法，应用于所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，包括：
S401，启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取未经管屏蔽的交变磁场信号；
S402，将无磁U形架的第二杆***到套管内，启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号；
S403，根据未经管屏蔽的交变磁场信号和经过套管屏蔽后的交变磁场信号确定衰减系数；
S404，对衰减系数进行复核，确定复核后的衰减系数；
S404具体包括：
对衰减系数以设定梯度进行变化，确定衰减系数集合；
根据探管获取交变磁场信号以及衰减系数集合中的每一衰减系数确定对应的总场强度；
根据每一衰减系数的总场强度中的最小值和最大值确定误差系数；
将最小的误差系数对应的衰减系数作为复核后的衰减系数。
S405，根据探管获取交变磁场信号以及复核后的衰减系数确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
所述衰减系数包括：径向平面上的衰减系数和轴向衰减系数。
一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，用于实现所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法，包括：
未经管屏蔽的交变磁场信号获取单元，用于启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取未经管屏蔽的交变磁场信号；
经过套管屏蔽后的交变磁场信号获取单元，用于将无磁U形架的第二杆***到套管内，启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号；
衰减系数确定单元，用于根据未经管屏蔽的交变磁场信号和经过套管屏蔽后的交变磁场信号确定衰减系数；
复核后的衰减系数确定单元，用于对衰减系数进行复核，确定复核后的衰减系数；
空间位置关系确定单元，用于根据探管获取交变磁场信号以及复核后的衰减系数确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
所述衰减系数包括：径向平面上的衰减系数和轴向衰减系数。
所述复核后的衰减系数确定单元具体包括：
衰减系数集合确定子单元，用于对衰减系数以设定梯度进行变化，确定衰减系数集合；
总场强度确定子单元，用于根据探管获取交变磁场信号以及衰减系数集合中的每一衰减系数确定对应的总场强度；
误差系数确定子单元，用于根据每一衰减系数的总场强度中的最小值和最大值确定误差系数；
复核后的衰减系数确定子单元，用于将最小的误差系数对应的衰减系数作为复核后的衰减系数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文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。
Claims (9)
1.一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，所述主动磁测量***包括：磁接头、带电缆绞车、地面主机和电脑，其特征在于，还包括：探管以及测量工装；
所述探管通过电缆与带电缆绞车连接，带电缆绞车与地面主机连接，地面主机与电脑连接；所述探管包括：第一三轴磁通门传感器和陀螺测量模块；所述陀螺测量模块用于当第一三轴磁通门传感器无法正常测量方位时，进行方位的测量；
所述测量工装安装在地面，并通过地面主机与电脑通信；所述测量工装用于获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号；所述电脑用于根据经过套管屏蔽后的交变磁场信号以及未经管屏蔽的交变磁场信号确定衰减系数，并对衰减系数进行复核，进而根据复核后的衰减系数以及探管获取的交变磁场信号确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，其特征在于，所述测量工装包括：无磁U形架、磁发射器、第二三轴磁通门传感器和无磁扶正器；
所述磁发射器设置在无磁U形架的第一杆的端部，并距第一杆的端部第一设定距离；所述第二三轴磁通门传感器设置在无磁U形架的第二杆的端部，并距第二杆的端部第二设定距离；所述无磁扶正器设置在无磁U形架的底部与第二三轴磁通门传感器之间；
所述无磁扶正器用于使第二三轴磁通门传感器的轴向与套管轴向平行。
3.根据权利要求2所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，其特征在于，所述第二三轴磁通门传感器与无磁U形架的第二杆同轴。
4.一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法，应用于权利要求1-3任意一项所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，其特征在于，包括：
启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取未经管屏蔽的交变磁场信号；
将无磁U形架的第二杆***到套管内，启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号；
根据未经管屏蔽的交变磁场信号和经过套管屏蔽后的交变磁场信号确定衰减系数；
对衰减系数进行复核，确定复核后的衰减系数；
根据探管获取交变磁场信号以及复核后的衰减系数确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
5.根据权利要求4所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法，其特征在于，所述衰减系数包括：径向平面上的衰减系数和轴向衰减系数。
6.根据权利要求4所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法，其特征在于，所述对衰减系数进行复核，确定复核后的衰减系数，具体包括：
对衰减系数以设定梯度进行变化，确定衰减系数集合；
根据探管获取交变磁场信号以及衰减系数集合中的每一衰减系数确定对应的总场强度；
根据每一衰减系数的总场强度中的最小值和最大值确定误差系数；
将最小的误差系数对应的衰减系数作为复核后的衰减系数。
7.一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，用于实现权利要求4-6任意一项所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量方法，其特征在于，包括：
未经管屏蔽的交变磁场信号获取单元，用于启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取未经管屏蔽的交变磁场信号；
经过套管屏蔽后的交变磁场信号获取单元，用于将无磁U形架的第二杆***到套管内，启动磁发射器，利用第二三轴磁通门传感器获取经过套管屏蔽后的交变磁场信号；
衰减系数确定单元，用于根据未经管屏蔽的交变磁场信号和经过套管屏蔽后的交变磁场信号确定衰减系数；
复核后的衰减系数确定单元，用于对衰减系数进行复核，确定复核后的衰减系数；
空间位置关系确定单元，用于根据探管获取交变磁场信号以及复核后的衰减系数确定正钻井中磁接头与探管的空间位置关系。
8.根据权利要求7所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，其特征在于，所述衰减系数包括：径向平面上的衰减系数和轴向衰减系数。
9.根据权利要求7所述的一种用于磁屏蔽模式下的主动磁测量***，其特征在于，所述复核后的衰减系数确定单元具体包括：
衰减系数集合确定子单元，用于对衰减系数以设定梯度进行变化，确定衰减系数集合；
总场强度确定子单元，用于根据探管获取交变磁场信号以及衰减系数集合中的每一衰减系数确定对应的总场强度；
误差系数确定子单元，用于根据每一衰减系数的总场强度中的最小值和最大值确定误差系数；
复核后的衰减系数确定子单元，用于将最小的误差系数对应的衰减系数作为复核后的衰减系数。
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|---|---|---|---|---|
| CN116172540A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-05-30 | 长春市鑫睿商贸有限公司 | 组织病灶内磁***的探测方法及其探测装置的使用方法 |
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2022
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| CN116172540B (zh) * | 2023-04-28 | 2023-07-04 | 长春市鑫睿商贸有限公司 | 组织病灶内磁***的探测方法及其探测装置的使用方法 |
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