CN114856550B - 一种基于地磁异常标记的石油套管精确定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地磁异常标记的石油套管精确定位装置及方法，在石油套管外壁套设若干个坡莫合金环，其中设置有起始环和终止环，其余坡莫合金环按照预先设计的布置规律分布在石油套管上；坡莫合金环磁化产生的磁化场强度大于周围地磁场及套管产生的磁化场；坡莫合金环在地磁场中磁化进而影响套管周围磁场梯度分布，形成地磁异常；将地磁异常标记定位装置匀速下入套管内，所述地磁异常标记定位装置头部设置有感应线圈，当地磁异常标记定位装置在套管内依次经过各个坡莫合金环时，感应线圈产生感应电动势，采集电动势信号，分析处理电动势信号，确定地磁异常标记定位装置通过的坡莫合金环数量信息，进而实现精准定位。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开采技术领域，尤其是一种基于地磁异常标记的石油套管精确定位装置及方法。
背景技术
由于油气井下套管作业具有不可见、检测难、节点广、型式复杂、特征信号易受环境干扰等特点，在井下无缆工具作业时，我们很难把握工具到达井段的具***置，定位往往存在一定的偏差，进而无法实时监测和分析井下作业情况，为下一步的作业带来更多的不稳定因素。因此，在井下工具作业过程中，实时监测和分析井下工具的实际位置，以便及时做出决定，优化效率，安全、准确、有效地进入目标库区是很重要的。
例如，在射孔完井中，无论用什么方式进行射孔，都必须准确无误地把射孔枪送到目的层段。在射孔校深时，已有的一些方法均存在一定的局限性，如电缆射孔容易造成油气层的二次污染等。在一些取出射孔枪需要耗费巨大成本的特殊工艺中，射孔枪通过泵送入井，此时便无法通过线缆等方法来判断下入的深度和位置。考虑到井下高矿化度盐水泥浆、高密度钻井液等液态环境的影响，采用RFID等电磁波类型的定位探测技术会存在一定的影响。传统的伽马曲线与磁性曲线相结合的定位方式效率不高，不能实时监测，这时便需要一种更巧妙的手段来实现井下定位。
随着水平井技术的不断发展与成熟，在水平井段长度增加的同时，压裂级数也随之增加，流动性受到限制。传统的裸眼封隔器和投球驱动开启滑套工具相配合使用的分段压裂工艺(主要采用水平段裸眼封隔器完井，再利用投球方式逐层段打开各级压差滑套，以实现封隔器和投球开启压差滑套相互配合进行分段压裂的目的)也遇到了技术瓶颈问题。若采用快钻桥塞分段压裂技术，使用桥塞进行选择性射孔、封隔和压裂，需要下入连续油管进行磨铣工作，施工时间长、成本高。面临诸如压裂级数受限、滑套球座结构尺寸不同、井筒管径受限等技术难题，无法满足分段压裂新工艺的技术要求。在水平井分段压裂的控制方面，若能通过非接触式信息传递便可实现管柱全通径、开关状态随时可控，能够突破传统工艺在滑套工具中应用的瓶颈。
发明内容
针对现有油气井套管作业井下面临的无法实时准确定位的技术现状，本发明基于地磁场、磁化理论及磁场探测采集技术，提出一种基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法。
本发明的定位方法通过在石油套管外壁套设一定规律间距的高磁导率坡莫合金环来进而影响套管周围磁场分布，使套管周围产生局部地磁异常，通过地磁异常标记定位装置采集地磁梯度异常变化及数字信号处理编解码来实现定位。
本发明提供的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法，主要步骤是：在石油套管外壁套设若干个坡莫合金环，其中，分别采用2-4个坡莫合金环组成起始环和终止环，其余坡莫合金环位于起始环和终止环之间按照预先设计的布置规律分布在石油套管上。坡莫合金环磁化产生的磁化场强度大于周围地磁场及套管产生的磁化场。坡莫合金环在地磁场中磁化进而影响套管周围磁场梯度分布，形成地磁异常。根据地磁异常标记定位装置感应到的磁场梯度变化规律并结合坡莫合金环位置布置规律来判断所处套管中的具***置。
具体的实现方式为：所述地磁异常标记定位装置头部设置有感应线圈，线圈匝数不低于 2000匝。将地磁异常标记定位装置匀速下入套管内，当地磁异常标记定位装置在套管内依次经过各个坡莫合金环时，感应线圈产生感应电动势，采集电动势信号，分析处理电动势信号，确定地磁异常标记定位装置通过的坡莫合金环数量信息，进而实现精准定位。
其中，感应产生的感应电动势信号，经过放大器限幅放大(限幅放大的放大倍数不低于 500倍)，再通过dsPIC33CH数字信号处理器及控制器的ADC采集，通过内部的FIR数字低通滤波过滤高频信号，并对信号进行解码处理，获取装置所处位置信息。
在地磁异常标记定位装置下入套管时，感应线圈先感应起始环周围的磁场梯度变化，采集的信号会出现第一个上升沿及下降沿，根据其宽度及时间确定一个速度基准，其后采集的波形根据此基准设定一个阈值进行“01”编码，通过冗余校验将脉冲宽度控制在10ms，将编码分组成带校验位的十六进制码传输，最后解码出对应的位置信息。
与上述的定位方法对应，本发明还提供了一种基于地磁异常标记的石油套管精确定位装置，其包括若干个套设在石油套管上的坡莫合金环、地磁异常标记定位装置、环绕设置在套管外侧的四根直立的支撑杆。在不影响套管性能及磨损在可控至范围内，不会卡套管的条件下，将坡莫合金环以焊接或嵌入方式固定在套管上。四根支撑杆等间距分布，且所有支撑杆与套管壁面的距离相等，每个支撑杆上设置两个弧形夹持器用于夹持固定套管。其中两根相对的支撑杆顶部架设一根横杆，用以缠绕固定与地磁异常标记定位装置连接的缆线。另一支撑杆顶部外接传动装置，以控制磁异常标记定位装置在套管内匀速下降与复位。在套管上分别设置由2-4个坡莫合金环组成的起始环和终止环，其余坡莫合金环位于起始环和终止环之间按照预先设计的布置规律分布在石油套管上。
所述地磁异常标记定位装置包括铝制材料制成的圆柱形壳体，壳体头部设置为圆锥形，壳体内部从头到尾依次安装磁感应线圈、信号处理模块、耐高温电源及传动线缆。
所述支撑杆、弧形夹持器及横杆均采用铝制材料制成。
所述信号处理模块包括放大器、dsPIC33CH数字信号处理器及控制器。
在实际应用中，将地磁信号异常标记识别装置固定安装在需要实现定位的石油装置上，便可以在作业时实现地磁异常标记定位功能。安装方式可以是嵌入安装在需要实现定位的石油装置中。具体来说，本发明的定位机制可以对压裂工具、钻井扩眼工具以及其他井下工具的位置把控提供更好的手段。具体的嵌套需要根据具体的石油装备来确定，比如嵌入安装在射孔枪枪体内，或者嵌入在滑套工具中。安装方式也可以考虑安装在投入部装中，或者设计一种作为类似接箍的左右可以连接的结构件中。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
本发明的定位方法及装置基于地磁场、磁化原理及电磁感应原理，通过对石油套管地磁异常标记的探测，解码出所经过的坡莫合金环信息，通过十六进制编码可以准确标记套管上任意位置，进而实现油气井下套管作业的精准定位。该方法克服了现有油气井套管作业无法通过非接触式手段实现实时准确定位的问题。本发明的定位方法通过非接触式的手段，实时的检测判断油气井地下作业的深度和位置，不会对油气井正常作业产生影响，实用性较强，无需人工干预，节约巡检成本，充分利用天然地磁条件，能耗少，经济环保。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、本发明的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法示意图。
图2、本发明的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法实验装置示意图。
图3、地磁异常标记定位装置壳体图。
图4、地磁异常标记定位装置内部结构***框图。
图5、地磁场和套管模型示意图。
图6、圆柱坐标系下的套管磁化模型。
图中标号：
1、2、3…、m-坡莫合金环、8-起始环、9-终止环、10-套管、11-支撑杆、12-弧形夹持器、 13-横杆、14-缆线、15-地磁异常标记定位装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本发明提供了一种基于地磁异常标记的石油套管精确定位装置，其包括若干个套设在石油套管10上的坡莫合金环、地磁异常标记定位装置15、环绕设置在套管外侧的四根直立的支撑杆11。在套管上分别设置由2-4个坡莫合金环组成的起始环8和终止环 9，其余坡莫合金环位于起始环和终止环之间按照预先设计的布置规律分布在石油套管上。在不影响套管性能及磨损在可控至范围内，不会卡套管的条件下，将坡莫合金环以焊接或嵌入方式固定在套管上。四根支撑杆等间距分布，且所有支撑杆与套管壁面的距离相等，每个支撑杆上设置两个弧形夹持器12用于夹持固定套管。其中两根相对的支撑杆顶部架设一根横杆 13，用以缠绕固定与地磁异常标记定位装置连接的缆线14。另一支撑杆顶部外接传动装置(未示出)，以控制磁异常标记定位装置在套管内匀速下降与复位。所述支撑杆、弧形夹持器及横杆均采用铝制材料制成。
所述坡莫合金环按照特定的编码规律分布在石油套管上，相当于给石油套管附上一系列的高磁导率坡莫合金环标签。套管由上至下，首先设置起始环8，后续依次设置坡莫合金环分别编号为1、2、3…、m、最后设置终止环9。起始环8与终止环9是自定义的特征环组，只用于标记开始和结束，不用于记录数据。起始环与终止环一般由2-4个坡莫合金环组成。设置起始环的目的：第一、通过地磁异常标记定位装置感应到的特征数据提示已经到达坡莫合金环标记段，示意整体定位过程的一个开始；第二、排除干扰信号的影响，因为套管的其他地方也可能存在磁异常(如埋藏地下的磁性矿物对周围磁场的影响)，通过设定起始环采集数据可以知晓此处即是坡莫合金环标记段的开始而不是干扰信号。如果起始位置没有设定好，遇到一个磁异常就开始识别读取，那么后面采集的很可能都是错误的信息。同理，终止环的作用类似。
坡莫合金环在套管上的分布规律，举例如下：假如环之间间距为x，磁场信号采集并通过数字信号处理后所得结果为1，环之间间距为2x，处理后所得结果为0。若设定编码为11001010，则对应的坡莫合金环布置位置则为x x 2x 2x x 2x x 2x。这是一个举例，实际的分布规律不限于这种编码与排列方法。当地磁异常标记定位装置识别起始环时开始编解码，当识别终止环时停止信号采集与编解码。
所述地磁异常标记定位装置包括铝制材料制成的圆柱形壳体。如图3(左图为壳体整体图，右图为壳体截面图)所示，壳体头部设置为圆锥形，壳体内部从头到尾依次安装磁感应线圈(线圈匝数不低于2000匝)、信号处理模块、耐高温电源及传动线缆。所述信号处理模块包括放大器、dsPIC33CH数字信号处理器及控制器。整个地磁异常标记定位装置不含有能够影响磁场的器件。图4是地磁异常标记定位装置内部结构***框图。
本发明提供的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法，主要步骤是：若干个套设在石油套管上的坡莫合金环，坡莫合金环按照预先设计的布置规律分布在石油套管上。坡莫合金环为高磁导率易磁化性材料，坡莫合金环磁化产生的磁化场强度大于周围地磁场及套管产生的磁化场。坡莫合金环在地磁场中的磁化进而影响套管周围磁场，形成地磁异常。根据地磁异常标记定位装置感应到的磁场梯度变化规律并结合坡莫合金环位置布置规律来判断所处套管中的具***置。
将地磁异常标记定位装置匀速下入套管内，当地磁异常标记装置通过起始环时，识别起始环并开始做信号处理，当通过终止环时，停止采集与解码。当地磁异常标记定位装置在套管内依次经过各个坡莫合金环时，感应线圈产生感应电动势，感感应电动势信号经过放大器限幅放大(限幅放大的放大倍数不低于500倍)，再通过dsPIC33CH数字信号处理器及控制器的ADC采集，通过内部的FIR数字低通滤波过滤高频信号，并对信号进行解码处理，确定地磁异常标记定位装置通过的坡莫合金环数量信息，获取装置所处位置信息。
优选的是，在地磁异常标记定位装置下入套管时，感应线圈先感应起始环周围的磁场梯度变化，采集的信号会出现第一个上升沿及下降沿，根据其宽度及时间确定一个速度基准，其后采集的波形根据此基准设定一个阈值进行“01”编码，通过冗余校验将脉冲宽度控制在 10ms，将编码分组成带校验位的十六进制码传输，最后解码出对应的位置信息。
所述套管及坡莫合金环在地磁场中磁化强度如下：
M＝χmH
M为磁化强度，是指单位体积的磁矩，表示着物质磁性的强弱；χm为物质的磁化率，是一个常数，其物理意义为单位磁场作用下，材料具有的磁化强度；H表示外磁场的磁场强度，此处表示该地地磁场的磁场强度。
在各向同性磁介质内部任意点上，磁化场Hd在该点产生的磁感应强度(磁通密度)由 B＝μHd表示。若介质为真空，则有：
B＝μ0Hd
式中，μ0是真空磁导率。
物质的相对磁导率：
μr＝μ/μ0
式中μr＝1+χm。
地磁场和套管模型见图5。圆柱坐标系下的套管磁化模型见图6。
图中，μ0为套管周围的空气的磁导率，μr为套管的相对磁导率，R为套管的外径，r为套管的内径，根据地磁场的分解及上图O-xyz及O-x'y'z'两坐标系的建立，地磁场可以分解为：Bx′磁化为地磁场下套管在x′方向上产生的磁化磁场，By′磁化为地磁场下套管在y′方向上产生的磁化磁场，Bx′为地磁场垂直套管轴向的分量，Bx′＝Bεsinε，ε为套管和地磁场的夹角。
套管在地磁场下磁化产生的磁化磁场的计算公式如下：
本发明中，总磁场为套管磁场与坡莫合金环磁化产生的磁化磁场及原本地磁场三者的矢量和：
B总＝B套管磁化+B合金环磁化+Be
上述基于地磁异常标记的石油套管精确定位装置进行定位的具体方法步骤如下：
步骤S1、计算套管在地磁场磁化下的磁化场。
步骤S2、通过仿真模拟套管管壁附加坡莫合金环后的管周地磁梯度变化情况，记录标记坡莫合金环处地磁场的强度大小。
步骤S3、架设实验装置，安装好固定间距的坡莫合金环后，通过传动装置地磁异常标记定位装置通过不同的速度匀速下入套管，获取磁场梯度变换测量数据。研究测量所得波形规律，制定相应的编码方案。
步骤S4、通过实验测试编解码读取位置信息并与实际位置进行核对，不断调整校验最终获得完整的编码方案和体系。
综上所述，本发明提供了一种套管管周磁场检测实时定位装置及方法，克服了现有油气井套管作业无法通过非接触式手段实现实时准确定位的问题。本发明的检测方法实用性较强，无需人工干预，节约巡检成本，充分利用天然地磁条件，节能环保。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法，其特征在于，该方法使用的装置包括若干个套设在石油套管上的坡莫合金环、地磁异常标记定位装置、环绕设置在套管外侧的四根直立的支撑杆；四根支撑杆等间距分布，且所有支撑杆与套管壁面的距离相等，每个支撑杆上设置两个弧形夹持器用于夹持固定套管；其中两根相对的支撑杆顶部架设一根横杆，用以缠绕固定与地磁异常标记定位装置连接的缆线；另一支撑杆顶部外接传动装置，以控制磁异常标记定位装置在套管内匀速下降与复位；在套管上分别设置由2-4个坡莫合金环组成的起始环和终止环，其余坡莫合金环位于起始环和终止环之间按照预先设计的布置规律分布在石油套管上；
所述坡莫合金环磁化产生的磁化场强度大于周围地磁场及套管产生的磁化场；坡莫合金环在地磁场中磁化进而影响套管周围磁场梯度分布，形成地磁异常；将地磁异常标记定位装置匀速下入套管内，根据地磁异常标记定位装置感应到的磁场梯度变化规律并结合坡莫合金环位置布置规律来判断所处套管中的具***置；
其中，所述地磁异常标记定位装置头部设置有感应线圈，当地磁异常标记定位装置在套管内依次经过各个坡莫合金环时，感应线圈产生感应电动势，采集电动势信号，分析处理电动势信号，确定地磁异常标记定位装置通过的坡莫合金环数量信息；具体的，在地磁异常标记定位装置下入套管时，感应线圈先感应起始环周围的磁场梯度变化，采集的信号会出现第一个上升沿及下降沿，根据其宽度及时间确定一个速度基准，其后采集的波形根据此基准设定一个阈值进行“01”编码，通过冗余校验将脉冲宽度控制在10ms，将编码分组成带校验位的十六进制码传输，最后解码出对应的位置信息，进而实现精准定位。
2.如权利要求1所述的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法，其特征在于，产生的感应电动势信号，经过放大器限幅放大，再通过dsPIC33CH数字信号处理器及控制器的ADC采集，通过内部的FIR数字低通滤波过滤高频信号，并对信号进行解码处理，获取装置所处位置信息。
3.如权利要求2所述的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法，其特征在于，限幅放大的放大倍数不低于500倍。
4.如权利要求1所述的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法，其特征在于，所述地磁异常标记定位装置包括铝制材料制成的圆柱形壳体，壳体头部设置为圆锥形，壳体内部从头到尾依次安装磁感应线圈、信号处理模块、耐高温电源及传动线缆。
5.如权利要求4所述的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法，其特征在于，所述信号处理模块包括放大器、dsPIC33CH数字信号处理器及控制器。
6.如权利要求1所述的基于地磁异常标记的石油套管精确定位方法，其特征在于，所述支撑杆、弧形夹持器及横杆均采用铝制材料制成。
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