專利名稱：一種螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種應(yīng)用于螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)的鄰井距離計(jì)算方法，屬于地下資源鉆采工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在石油、天然氣、煤層氣等地下油氣資源開發(fā)中，雙水平井、U型井、多分支井、叢 式井、加密井和連通井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，要求對(duì)鄰井距離進(jìn)行隨鉆精確探測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)普遍 使用的隨鉆測(cè)量工具不能直接測(cè)量鄰井距離，因而難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鄰井距離隨鉆探測(cè) 的特殊要求。國(guó)外雖已研制出能夠基本滿足以上要求的隨鉆電磁引導(dǎo)系統(tǒng)(如MGT、RMRS 等)，但其核心技術(shù)仍被保密和壟斷。另外，MGT(Magnetic Guidence Tool)采用螺線管作 為磁信號(hào)發(fā)射源，可以通過提高螺線管線圈的電流強(qiáng)度等方法增加MGT的測(cè)距范圍，但其 測(cè)量精度有限，一般多用于雙水平井中；RMRS(Rotating Magnet Ranging System)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，使用方便，同時(shí)也是目前隨鉆引導(dǎo)系統(tǒng)中測(cè)量精度最高的系統(tǒng)，但由于采用永磁體組短 節(jié)作為磁信號(hào)發(fā)射源，因而其信號(hào)源強(qiáng)度嚴(yán)重受限，難以增加RMRS的測(cè)距范圍。因此，本 發(fā)明者特研究設(shè)計(jì)了 “一種螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)”(另作專利申請(qǐng))，本項(xiàng)發(fā)明 即是該系統(tǒng)的核心算法，可在連通井和雙水平井中精確計(jì)算鉆頭與螺線管組短節(jié)的相對(duì)位 置，進(jìn)而為鉆井工程師提供有效的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，以精確控制定向鉆井軌跡，使正鉆井眼與 已鉆井眼連通或使兩口井保持一定的平行間距。螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)主要由螺線管組短節(jié)、經(jīng)改裝的 MWD(Measurement While Drilling)、鄰井間距計(jì)算系統(tǒng)及地面設(shè)備組成。螺線管組短節(jié)主 要由兩列相互正交的螺線管組組成，主要作用是在探測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的橢圓極化磁場(chǎng)，是該 電磁探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)源。螺線管組短節(jié)由鉆柱或前接有爬行器的電纜下入到已鉆井中合適 位置。改裝的MWD主要是由傳統(tǒng)的MWD和一個(gè)三軸交變磁場(chǎng)傳感器組成，安裝在鉆頭后傳 統(tǒng)MWD所在的位置，其作用是探測(cè)由螺線管組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。地面設(shè)備為螺線管組短節(jié) 提供兩個(gè)同步交流電，使螺線管組短節(jié)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由改裝的MWD探測(cè)這個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁矢 量信號(hào)并發(fā)送到地面，經(jīng)鄰井間距計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算鉆頭與螺線管組短節(jié)的相對(duì)位置關(guān)系，并 以數(shù)字、文字和圖形等形式顯示給鉆井工程師。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)井下改裝的MWD接收到的磁信號(hào)，計(jì)算MWD與螺線管組短 節(jié)的相對(duì)位置，進(jìn)而確定鉆頭到已鉆井的相對(duì)空間位置。螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)在連通井中的工作原理如圖1所示，本發(fā)明提供 一種確定鉆頭到連通點(diǎn)相對(duì)空間位置的計(jì)算方法，主要包括下列步驟步驟1，提取水平井與直井的井況信息水平井與直井井眼軌跡測(cè)量信息；水平井 與直井的井口坐標(biāo)；水平井與直井的鉆盤平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；直井的井身 結(jié)構(gòu)，特別是連通處的井深和長(zhǎng)度或洞穴的井深和近似尺寸；
步驟2，處理提取的水平井與直井的井況信息；步驟3，建立螺線管組短節(jié)周圍空間磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算模型；步驟4，在地表測(cè)定螺線管組短節(jié)的等效磁矩，并給出井下螺線管組短節(jié)等效磁矩 可能的變化范圍；步驟5，在直井中下入螺線管組短節(jié)到合適位置；
步驟6，改裝的MWD工作，檢測(cè)螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)；步驟7，提取改裝的MWD采集的由螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)；步驟8，利用處理后的井況信息、改裝的MWD采集的數(shù)據(jù)、螺線管組短節(jié)等效磁矩、 當(dāng)?shù)卮牌?，由地面鄰井間距計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算改裝的MWD與螺線管組短節(jié)的相對(duì)位置，進(jìn)而 確定鉆頭與直井連通點(diǎn)的相對(duì)位置。所述步驟2包括步驟21，根據(jù)水平井與直井的鉆盤平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，計(jì)算水平 井鉆盤平面高度比直井鉆盤平面高度高多少或低多少；步驟22，確定井眼軌跡數(shù)據(jù)是相對(duì)于鉆盤平面高度還是地面海拔高度；步驟23，根據(jù)水平井與直井井口坐標(biāo)計(jì)算直井井口相對(duì)水平井井口的偏移；步驟24，在螺線管組短節(jié)和連通點(diǎn)的實(shí)際垂直深度(TVD)、北坐標(biāo)(N)、東坐標(biāo)(E) 數(shù)據(jù)上加上或減去上述偏移量。所述步驟3包括如圖2所示，計(jì)算螺線管組短節(jié)周圍空間遠(yuǎn)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，可把螺線管組短節(jié) 看成兩個(gè)相互正交、磁矩方向未知、磁矩大小隨時(shí)間按正余弦函數(shù)周期性變化的振蕩磁偶 極子。兩磁偶極子的磁矩分別為辟、咚,而且Iii1 = Me sin(cot)m2 = Me cos(cot)式中，Me代表交流電達(dá)最大幅值時(shí)，任一列螺線管組產(chǎn)生的磁矩；ω代表兩交流電 周期性變化的角速度。由于兩磁偶極子相互正交，因此，螺線管組短節(jié)的磁矩為Me。以螺線管組短節(jié)的軸向(直井井眼的延伸方向)為Z軸，以一列螺線管的磁矩碑 方向?yàn)閄軸，以另一列螺線管組的磁矩砵方向?yàn)閅軸，建立XYZ直角坐標(biāo)系，則螺線管組短 節(jié)周圍空間遠(yuǎn)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B計(jì)算如下<formula>formula see original document page 5</formula>
式中M = μ MeM代表螺線管組短節(jié)的等效磁矩；μ代表介質(zhì)的磁導(dǎo)率。所述步驟4包括如圖6所示，在周圍無(wú)鐵磁介質(zhì)和其它強(qiáng)磁信號(hào)干擾足夠空曠的地方，將改裝的MWD和螺線管組短節(jié)相隔至少5米放置，同時(shí)改裝的MWD的軸線與螺線管組短節(jié)的軸線盡 量平行，而且改裝的MWD和螺線管組短節(jié)的中心盡量同一高度，它們中心的連線盡量垂直 于螺線管組短節(jié)的軸線。然后，旋轉(zhuǎn)改裝的MWD，使其內(nèi)部三軸傳感器的X軸垂直向上。這 時(shí)給螺線管組短節(jié)供電，改裝的MWD正常工作后可以檢測(cè)到一組Bx、By、Bz數(shù)據(jù)。由Bx、By、 Bz數(shù)據(jù)可繪出它們的變化曲線，而且Bz曲線越接近直線越好。此時(shí)，螺線管組短節(jié)的等效 磁矩可由下式求得M= T3(Bxmax-Bxmin)
式中r代表改裝的MWD中心到螺線管組短節(jié)中心的距離汨—和Bxmin分別代表檢 測(cè)到的Bx數(shù)據(jù)的最大值和最小值。所述步驟8包括如圖2所示，分別由磁矩為碎、屯的磁偶極子在探測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為為和 B2 ,那么在探測(cè)點(diǎn)處必存在一個(gè)矢量云|2 ,這個(gè)矢量由矢量云,和尾叉乘得到，即良=禹χ尾。由螺線管組短節(jié)周圍空間遠(yuǎn)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式可知，螺線管組短節(jié)在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn) 生的磁場(chǎng)等價(jià)于一個(gè)磁矩垂直于螺線管組短節(jié)軸線的磁偶極子繞螺線管組短節(jié)軸線以角 速度ω周期性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因此，螺線管組短節(jié)在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有以Λ為對(duì)稱軸 的軸對(duì)稱性，螺線管組短節(jié)到探測(cè)點(diǎn)的矢量F、另12和眾必在同一個(gè)平面內(nèi)，如圖3所示。如圖5所示，以直井井眼的延伸方向?yàn)閣軸，直井井眼高邊方向?yàn)閁軸，ν軸正交于 W軸和u軸，建立UVW直角坐標(biāo)系。B12u、B12v, B12w分別為B12在u軸、V軸和w軸上的分量， 那么α可由下式求得a=arctanM^L·
B\1W然后，將求得的α值代入α和θ的關(guān)系計(jì)算公式可求得θ的值。α和θ的關(guān) 系如下θ = 0. 07076 α 2+0. 2779 α +0. 008528由于F、云12和眾必在同一個(gè)平面內(nèi)，所以矢量云|2 和矢量己的方向?yàn)橥环较?。?此，單位矢量^到矢量Fm,的夾角識(shí)和矢量否12 到矢量U勺夾角β的值相等，則夾角ρ的大小
可由下式求得
β
φ = β 二 arctan —
‘η °
BUu螺線管組短節(jié)到探測(cè)點(diǎn)的距離可直接將估計(jì)的螺線管組短節(jié)等效磁矩M代入下 式求得
「 πI Mr = 3-
y ^Bmm式中Bmin代表改裝的MWD探測(cè)到的總磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度曲線的最小值。雖然這樣計(jì)算 的距離只是一個(gè)近似值，但是并不影響控制水平井與直井連通，這是因?yàn)榫嚯x的誤差僅代 表鉆頭到連通點(diǎn)的距離有誤差，不影響鉆頭到連通點(diǎn)的方向。由以上方法求得的r、α和θ的值就可以確定螺線管組短節(jié)與MWD的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而可以計(jì)算鉆頭與連通點(diǎn)的相對(duì)位置。螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)在雙水平井中的工作原理如圖7所示，本發(fā)明提 供一種確定兩口井徑向間距和相對(duì)方位的計(jì)算方法，主要包括下列步驟步驟1，提取已鉆井與正鉆井的井況信息；步驟2，處理提取的已鉆井與正鉆井的井況信息；步驟3，建立螺線管組短節(jié)周圍空間磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算模型；步驟4，在地表測(cè)定螺線管組短節(jié)的等效磁矩，并給出井下螺線管組短節(jié)等效磁矩 可能的變化范圍；步驟5，根據(jù)估計(jì)的雙水平井間距，用管柱或爬行器將螺線管組短節(jié)下入已鉆井眼 到合適位置。為得到較好的檢測(cè)信號(hào)，螺線管組短節(jié)到鉆頭后改裝的MWD的距離應(yīng)至少為 雙水平井間距的0. 8倍；步驟6，改裝的MWD工作，檢測(cè)螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)；步驟7，用管柱或爬行器將螺線管組短節(jié)拖動(dòng)一段合適距離，至少為雙水平井間距 的1. 7倍，螺線管組短節(jié)移動(dòng)過程中改裝的MWD不斷檢測(cè)磁信號(hào)；步驟8，提取改裝的MWD采集的由螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)；步驟9，利用處理后的井況信息、螺線管組短節(jié)等效磁矩，由地面計(jì)算螺線管組短 節(jié)與改裝的MWD的空間位置，進(jìn)而確定兩口水平井的相對(duì)位置關(guān)系；步驟10，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整井眼軌跡。前四個(gè)步驟的內(nèi)容與連通井中前四個(gè)步驟的內(nèi)容基本一致，在此不再贅述。所述步驟9包括當(dāng)螺線管組短節(jié)從改裝的MWD的一側(cè)拖動(dòng)到另一側(cè)時(shí)，改裝的MWD檢測(cè)到的三軸 磁感應(yīng)強(qiáng)度分量如圖8所示。由圖8可知，螺線管組短節(jié)經(jīng)過改裝的MWD過程中，磁感應(yīng)強(qiáng) 度軸向分量的振幅在經(jīng)過MWD前后(A點(diǎn)和B點(diǎn))各產(chǎn)生一個(gè)最大值，在經(jīng)過MWD時(shí)(C點(diǎn)) 產(chǎn)生一個(gè)最小值。在正鉆井中，改裝的MWD到已鉆井的徑向間距等于螺線管組短節(jié)在A點(diǎn) 到B點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)的距離。如圖9所示，夾角Ci1的大小代表兩口水平井的會(huì)聚/發(fā)散程度，夾角Ci1的大小 以順時(shí)針方向?yàn)檎?，夾角α工的值近似可由下式求得
^ bzli-b,α〒^:式中BzA、Bzb分別代表圖8中A點(diǎn)和B點(diǎn)的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖10所示，夾角α 2表征兩口水平井的不共面程度，稱為兩口水平井的異面夾 角。夾角α2的大小近似可由下式求得
γ sb.,α =-
b2,+bzb式中BzA、BzB、Bzc分別代表圖8中A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖11所示，夾角Ahsk代表在螺線管組短節(jié)經(jīng)過改裝的MWD時(shí)正鉆井偏離已鉆井 井眼高邊的程度，這個(gè)角在SAGD雙水平井中具有重要的意義。夾角Ahsk相當(dāng)于在連通井計(jì) 算分析中的夾角…因此夾角Ahsk大小的計(jì)算可利用上面介紹的連通井中的計(jì)算分析方法， 求螺線管組短節(jié)經(jīng)過改裝的MWD時(shí)已鉆井井眼高邊到改裝的MWD與螺線管組短節(jié)連線的夾角。這樣也就完全確定了兩口水平井的相對(duì)空間位置關(guān)系。


圖1是螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)在連通井中的工作示意圖；圖2是螺線管組短節(jié)周圍空間磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算模型；圖3是矢量眾、拜口毛共面示意圖；圖4是夾角α、θ相對(duì)關(guān)系示意圖；圖5是螺線管組短節(jié)與改裝的MWD相對(duì)方向計(jì)算模型；圖6是在地面測(cè)定螺線管組短節(jié)等效磁矩時(shí)，螺線管組短節(jié)和改裝的MWD擺放位 置示意圖；圖7是螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)在雙水平井中的工作示意圖；圖8是改裝的MWD檢測(cè)到的磁信號(hào)示意圖；圖9是兩口水平井會(huì)聚/發(fā)散情況示意圖；圖10是兩口水平井不共面程度示意圖；圖11是螺線管組短節(jié)經(jīng)過改裝的MWD時(shí)正鉆井偏離已鉆井井眼高邊程度示意圖。圖中1正鉆井2已鉆井 3鉆井塔 4纜車 5電纜6鉆頭 7改裝的MWD 8螺線管組短節(jié) 9磁力線
具體實(shí)施例方式在連通井中，本發(fā)明可基于改裝的MWD接收螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)，確定鉆 頭到連通點(diǎn)的相對(duì)空間位置，其計(jì)算方法包括下列主要步驟步驟1，提取水平井與直井的井況信息水平井與直井井眼軌跡測(cè)量信息；水平井 與直井的井口坐標(biāo)；水平井與直井的鉆盤平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；直井的井身 結(jié)構(gòu)，特別是連通處的井深和長(zhǎng)度或洞穴的井深和近似尺寸；步驟2，處理提取的水平井與直井的井況信息提取水平井與直井的井況信息后，以水平井井口位置為參考建立全局坐標(biāo)系，然 后計(jì)算直井的井口坐標(biāo)。具體算法如下(1)根據(jù)水平井與直井的鉆盤平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，計(jì)算水平井鉆 盤平面高度比直井鉆盤平面高度高多少或低多少；(2)確定井眼軌跡數(shù)據(jù)是相對(duì)于鉆盤平面高度還是地面海拔高度；(3)根據(jù)水平井與直井井口坐標(biāo)計(jì)算直井井口相對(duì)水平井井口的偏移；(4)在螺線管組短節(jié)和連通點(diǎn)的實(shí)際垂直深度(TVD)、北坐標(biāo)(N)、東坐標(biāo)(E)數(shù)據(jù) 上加上或減去上述偏移量。步驟3，建立螺線管組短節(jié)周圍空間磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算模型在螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)中要測(cè)的磁場(chǎng)范圍在距螺線管組短節(jié)4m以外 的地方，滿足磁偶極子法適應(yīng)于計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)的要求。因此，如圖2所示，計(jì)算螺線管組短節(jié)周 圍空間遠(yuǎn)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，可把螺線管組短節(jié)看成兩個(gè)相互正交、磁矩方向未知、磁矩大小 隨時(shí)間按正余弦函數(shù)周期性變化的振蕩磁偶極子。兩磁偶極子的磁矩分別為螂、rh2 ,而且
Iii1=MeSin(COt)(I)m2 = Me cos(cot) (2)式中吡代表交流電達(dá)最大幅值時(shí)，任一列螺線管組產(chǎn)生的磁矩；ω代表兩交流 電周期性變化的角速度。由于兩磁偶極子相互正交，所以螺線管組短節(jié)的磁矩為Me。以螺線管組短節(jié)的軸向(直井井眼的延伸方向)為Z軸，以一列螺線管的磁矩螂方向?yàn)閄軸，以另一列螺線管組的磁矩咚方向?yàn)閅軸，建立XYZ直角坐標(biāo)系，則螺線管組短 節(jié)周圍空間遠(yuǎn)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的三軸分量計(jì)算如下
_ M 3(χ η{ω ) +γζο ,(ω ))χ sin(ft i) x =(x2+y2+z2f2(χ2”2+ζγ2)
「_。 R M ^3(xsin(a)t) + ycos(at))y cosjmt) 、(x2 ”2 + f2(x2”、—(3) _ M 3(x sin(iy^) + y cos(at))z
! =(x2+y2+ζ2)5'2^式中M = μ MeM代表螺線管組短節(jié)的等效磁矩；μ代表介質(zhì)的磁導(dǎo)率。步驟4，在地表測(cè)定螺線管組短節(jié)的等效磁矩，并給出井下螺線管組短節(jié)等效磁矩 可能的變化范圍如圖6所示，在周圍無(wú)鐵磁介質(zhì)和其它強(qiáng)磁信號(hào)干擾足夠空曠的地方，將改裝的 MWD和螺線管組短節(jié)相隔至少5米放置，同時(shí)改裝的MWD的軸線與螺線管組短節(jié)的軸線盡 量平行，而且改裝的MWD和螺線管組短節(jié)的中心盡量同一高度，它們中心的連線盡量垂直 于螺線管組短節(jié)的軸線。然后，旋轉(zhuǎn)改裝的MWD，使其內(nèi)部三軸傳感器的X軸垂直向上。此 時(shí)，在XYZ坐標(biāo)系中，χ = ζ = 0，y = r，則由(3)式得
_ M sin(i i)
= -- ~
4π r
M cos(at)
剛卜=五+(4)
Bz =0由(4)式可得，螺線管組短節(jié)等效磁矩的計(jì)算公式如下M= T3(Bxmax-Bxmin) (5)式中r代表MWD中心到螺線管組短節(jié)中心的距離；Bxma!^PBxmin分別代表檢測(cè)到的 Bx數(shù)據(jù)的最大值和最小值。由(5)式可求得磁短節(jié)在地面的等效磁矩，一般情況下，井下螺 線管組短節(jié)的等效磁矩在地面測(cè)定的100% 90%范圍內(nèi)；在特殊地層，井下螺線管組短 節(jié)的等效磁矩在地面測(cè)定的100% 80%范圍內(nèi)。步驟5，在直井中下入螺線管組短節(jié)到合適位置。為使螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁場(chǎng)少 受鐵磁介質(zhì)的影響，螺線管組短節(jié)應(yīng)下到套管下2 3米處；步驟6，改裝的MWD工作，檢測(cè)螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)；步驟7，提取改裝的MWD采集的由螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)；
步驟8，利用處理后的井況信息、改裝的MWD采集的數(shù)據(jù)、螺線管組短節(jié)等效磁矩、 當(dāng)?shù)卮牌?，由地面鄰井間距計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算改裝的MWD與螺線管組短節(jié)的相對(duì)位置，進(jìn)而 確定鉆頭與直井連通點(diǎn)的相對(duì)位置如圖2所示，分別由磁矩為碑、咚的磁偶極子在探測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為耳和 B2，那么在探測(cè)點(diǎn)處必存在一個(gè)矢量屯，這個(gè)矢量由矢量馬和或叉乘得到，即Bn =B1XB2(6)由螺線管組短節(jié)周圍空間遠(yuǎn)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式可知，螺線管組短節(jié)在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn) 生的磁場(chǎng)等價(jià)于一個(gè)磁矩垂直于螺線管組短節(jié)軸線的磁偶極子繞螺線管組短節(jié)軸線以角 速度ω周期性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因此，螺線管組短節(jié)在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有以Λ為對(duì)稱軸 的軸對(duì)稱性，螺線管組短節(jié)到探測(cè)點(diǎn)的矢量F、為2和眾必在同一個(gè)平面內(nèi)，如圖3所示。由于螺線管組短節(jié)在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有以&為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱性，所以&到云12 的夾角α與眾到F的夾角θ的關(guān)系與(《t)無(wú)關(guān)，而且探測(cè)點(diǎn)可以選在XOZ平面內(nèi)，這時(shí)在 Cos(COt) = O時(shí)刻，由(3)式可得
‘_Μ 2χ2-ζ2 · = 4^(χ2+Ζ2)5/2A = O(7)
_ M 3 XZ Ζ = 4^(χ2+Ζ2)5/2由(7)式可得
Bx 2x2-Z2/ΩΛ— =-= tana(8)
Bz 3xzv ，又因?yàn)?(9)所以，眾或2的夾角α與眾到F的夾角θ存在以下關(guān)系 Γ η + il-3cos(20)la==arctanh^i (io)由上式可以得到α與θ的關(guān)系圖，如圖4所示。由圖4可知，任意的一個(gè)α值 都存在唯一的一個(gè)θ值與之對(duì)應(yīng)，因此如果知道α的值就可以確定θ的值。但是，由α 與θ的關(guān)系公式不易求出θ的計(jì)算公式，我們可以由圖4所示的關(guān)系曲線，多項(xiàng)式回歸出 由α計(jì)算θ的計(jì)算公式，即θ = 0. 07076 α 2+0. 2779 α +0. 008528 (11)如圖5所示，以直井井眼的延伸方向?yàn)閣軸，直井井眼高邊方向?yàn)閡軸，ν軸正交于w軸和u軸，建立UVW直角坐標(biāo)系。在UVW直角坐標(biāo)系中，Bnu = B12^(12)Buv=Bu-V(13)^2W =^i2-W(14)
那么α可由下式求得<formula>formula see original document page 11</formula>(15)然后，將求得的α值代入(11)式可求得θ的值。由于F、為2和眾必在同一個(gè)平 面內(nèi)，所以矢量禹、和矢量ξν的方向?yàn)橥环较?。因此，單位矢量^到矢量&的夾角識(shí)和矢量
良 到矢量云12 的夾角β的值相等，則夾角識(shí)的大小可由下式求得
<formula>formula see original document page 11</formula>
螺線管組短節(jié)到探測(cè)點(diǎn)的距離可直接將估計(jì)的螺線管組等效磁矩M代入下式求 得
<formula>formula see original document page 11</formula>式中Bmin代表MWD探測(cè)到的總的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度曲線的最小值。雖然這樣計(jì)算的距 離只是一個(gè)近似值，但是并不影響控制水平井與直井連通，這是因?yàn)榫嚯x的誤差僅代表鉆 頭到連通點(diǎn)的距離有誤差，不影響鉆頭到連通點(diǎn)的方向。由以上方法求得的r、α和θ的值就可以確定螺線管組短節(jié)與改裝的MWD的相對(duì) 位置關(guān)系，然后，結(jié)合MWD與鉆頭的位置關(guān)系和螺線管組短節(jié)與連通點(diǎn)的位置關(guān)系，進(jìn)而可 以計(jì)算鉆頭與連通點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系。在雙水平井中，本發(fā)明可基于改裝的MWD接收螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)，確定 兩口水平井的平行間距和相對(duì)方位，其計(jì)算方法包括下列主要步驟步驟1，提取已鉆井與正鉆井的井況信息；步驟2，處理提取的已鉆井與正鉆井的井況信息；步驟3，建立螺線管組短節(jié)周圍空間磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算模型；步驟4，在地表測(cè)定螺線管組短節(jié)的等效磁矩，并給出井下螺線管組短節(jié)等效磁矩 可能的變化范圍；步驟5，根據(jù)估計(jì)的雙水平井間距，用管柱或爬行器將螺線管組短節(jié)下入已鉆井到 合適位置。為得到較好的檢測(cè)信號(hào)，螺線管組短節(jié)到鉆頭后改裝的MWD的距離應(yīng)至少為雙 水平井間距的0. 8倍；步驟6，改裝的MWD工作，檢測(cè)螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)；步驟7，用管柱或爬行器將螺線管組短節(jié)拖動(dòng)一段合適距離，至少為雙水平井間距 的1. 7倍，螺線管組短節(jié)移動(dòng)過程中改裝的MWD不斷檢測(cè)磁信號(hào)；步驟8，提取改裝的MWD采集的由螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)；步驟9，利用處理后的井況信息、螺線管組短節(jié)等效磁矩，由地面鄰井間距計(jì)算系 統(tǒng)計(jì)算螺線管組短節(jié)與改裝的MWD的空間位置，進(jìn)而確定兩口水平井的相對(duì)位置關(guān)系圖8為螺線管組短節(jié)從改裝的MWD的一側(cè)拖動(dòng)到另一側(cè)時(shí)，改裝的MWD檢測(cè)到的 三軸磁感應(yīng)強(qiáng)度分量信號(hào)。由圖8可知，在螺線管組短節(jié)經(jīng)過改裝的MWD過程中，磁感應(yīng)強(qiáng) 度軸向分量的振幅在經(jīng)過MWD前后(Α點(diǎn)和B點(diǎn))各產(chǎn)生一個(gè)最大值，在經(jīng)過MWD時(shí)(C點(diǎn))產(chǎn)生一個(gè)最小值。在正鉆井中，改裝的MWD到已鉆井的徑向間距R等于螺線管組短節(jié)在A 點(diǎn)到B點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)的距離。為了完全描述兩口水平井的空間位置關(guān)系，可以分析兩口水平井的垂直投影圖 (如圖9所示)和水平投影圖(如圖10所示)。如圖9所示，在兩水平井的垂直投影圖上 可以分析兩口水平井的會(huì)聚/發(fā)散情況，夾角h的大小代表兩口水平井的會(huì)聚/發(fā)散程 度。夾角Q1的大小以順時(shí)針方向?yàn)檎?，那么Q1的值為正時(shí)代表兩水平井會(huì)聚，反之，Q1 的值為負(fù)時(shí)代表兩水平井發(fā)散。夾角Ci1的 值近似可由以下回歸的計(jì)算公式求得<formula>formula see original document page 12</formula>(18)式中BzA、BzB分別代表圖8中A點(diǎn)和B點(diǎn)的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖10所示，在兩口水平井的水平投影圖上可以分析兩口水平井的不共面程度， 我們把表征兩口水平井不共面程度的夾角α 2稱為兩口水平井的異面夾角。夾角Ci2的值 近似可由以下回歸的計(jì)算公式求得^2=風(fēng)(‘(19)式中BzA、BzB、Bzc分別代表圖8中A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖11所示，夾角Ahsk代表在螺線管組短節(jié)經(jīng)過改裝的MWD時(shí)正鉆井偏離已鉆井 井眼高邊的程度，這個(gè)角在SAGD雙水平井中具有重要的意義。夾角Ahsk相當(dāng)于在連通井計(jì) 算分析中的夾角…因此夾角Ahsk大小的計(jì)算可利用上面介紹的連通井中的計(jì)算分析方法， 求螺線管組短節(jié)經(jīng)過改裝的MWD時(shí)已鉆井井眼高邊到改裝的MWD與螺線管組短節(jié)連線的夾 角。由以上計(jì)算的R、α ρ α 2和夾角Ahsk也就完全確定了兩口水平井的相對(duì)空間位置 關(guān)系。步驟10，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整井眼軌跡。
權(quán)利要求
一種利用改裝的MWD接收螺線管組短節(jié)產(chǎn)生的磁信號(hào)，確定螺線管組短節(jié)與改裝的MWD的相對(duì)位置關(guān)系的計(jì)算方法，其特征在于螺線管組短節(jié)周圍空間磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算模型；螺線管組短節(jié)地面等效磁矩的測(cè)定；在連通井中確定鉆頭與連通點(diǎn)相對(duì)空間位置關(guān)系的算法；在雙水平井中確定兩口水平井平行間距和相對(duì)方位的算法。
2.權(quán)利要求1所述的螺線管組短節(jié)周圍空間磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算模型，其特征在于 把螺線管組短節(jié)看成兩個(gè)相互正交、磁矩方向未知、磁矩大小隨時(shí)間按正余弦函數(shù)周期性變化的振蕩磁偶極子，兩磁偶極子的磁矩分別為Hi1 = MeSin (ω t)和m2 = Mecos (ω t)， 其中，Me代表交流電達(dá)最大幅值時(shí)，任一列螺線管組產(chǎn)生的磁矩，ω代表兩交流電周期性變 化的角速度。這時(shí)，螺線管組短節(jié)的磁矩為軋。螺線管組短節(jié)周圍空間遠(yuǎn)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì) 算模型如下<formula>formula see original document page 2</formula>式中M = ；M代表螺線管組短節(jié)的等效磁矩；μ代表介質(zhì)的磁導(dǎo)率。
3.權(quán)利要求1所述的螺線管組短節(jié)地面等效磁矩的測(cè)定，其特征在于在周圍無(wú)鐵磁介質(zhì)和其它強(qiáng)磁信號(hào)干擾足夠空曠的地方，將改裝的MWD和螺線管組短 節(jié)相隔至少5米放置，同時(shí)改裝的MWD的軸線與螺線管組短節(jié)的軸線盡量平行，而且改裝的 MWD和螺線管組短節(jié)的中心盡量同一高度，它們中心的連線盡量垂直于螺線管組短節(jié)的軸 線。此時(shí)，螺線管組短節(jié)的等效磁矩可由下式求得 <formula>formula see original document page 2</formula>式中r代表改裝的MWD中心到螺線管組短節(jié)中心的距離；Bxmax和氏_分別代表檢測(cè)到 的氏數(shù)據(jù)的最大值和最小值。
4.權(quán)利要求1所述的在連通井中確定鉆頭與連通點(diǎn)相對(duì)空間位置關(guān)系的算法，其特征 在于在探測(cè)點(diǎn)處存在一個(gè)矢量為2，這個(gè)矢量由磁矩為螂的磁偶極子在探測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量為和由磁矩為咚的磁偶極子在探測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度尾叉乘得到，即<formula>formula see original document page 2</formula>。單位矢量眾到矢量F的夾角Θ可由下式計(jì)算<formula>formula see original document page 2</formula>式中<formula>formula see original document page 2</formula> 單位矢量Zi到矢量t的夾角識(shí)可由下式求得<formula>formula see original document page 2</formula>式中B12u、B12v, B12w分別為B12在u軸、V軸和W軸的分量。螺線管組短節(jié)到探測(cè)點(diǎn)的距離可直接將估計(jì)的螺線管組短節(jié)等效磁矩M代入下式求得<formula>formula see original document page 3</formula>式中Bmin代表改裝的MWD探測(cè)到的總磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度曲線的最小值。
5.權(quán)利要求1所述的在雙水平井中確定兩口水平井平行間距和相對(duì)方位的算法，其特 征在于軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分量?jī)刹ǚ?A點(diǎn)和B點(diǎn))間的距離等于正鉆井到已鉆井的徑向間距。 兩口水平井的會(huì)聚/發(fā)散程度和不共面程度可由以下兩式確定<formula>formula see original document page 3</formula>式中BzA、BzB、Bze分別代表A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度；α i代表兩口水平井的 會(huì)聚/發(fā)散角；Ci2代表兩口水平井的異面夾角。
全文摘要
一種螺線管組隨鉆電磁測(cè)距導(dǎo)向計(jì)算方法，包括適用于連通井的鄰井距離測(cè)距導(dǎo)向算法和適用于雙水平井中的鄰井平行間距計(jì)算方法。其特征在于把螺線管組短節(jié)看成是由兩個(gè)相互正交、磁矩方向未知、磁矩大小隨時(shí)間按正余弦函數(shù)周期性變化的振蕩磁偶極子組成；螺線管組短節(jié)在遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)位置產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢圓極化磁場(chǎng)；根據(jù)探測(cè)到的磁信號(hào)，利用正交振蕩磁偶極子模型，發(fā)明了一種適用于連通井和雙水平井的螺線管組隨鉆測(cè)距導(dǎo)向算法。應(yīng)用這種算法，可以在連通井和雙水平井中計(jì)算鉆頭與螺線管組短節(jié)的相對(duì)位置，進(jìn)而為鉆井工程師提供有效的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，以精確控制定向鉆井軌跡，使正鉆井眼與已鉆井眼連通或使兩口井保持一定的平行間距。
文檔編號(hào)E21B47/09GK101806211SQ20101014502
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者刁斌斌, 高德利 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)