一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統

《一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統》是中國石油大學（北京）於2010年3月19日申請的發明專利，該專利的申請號為2010101275573，公布號為CN101799558A，公布日為2010年8月11日，發明人是高德利、刁斌斌、吳志永，該專利屬於地下資源鑽采工程技術領域。

《一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統》能為雙水平井、定向井、加密井等複雜結構井的井眼軌跡控制提供精確的導向測量與計算。該系統主要由磁短節、井下雙磁感測器測量儀、鄰井平行間距計算系統及地面顯示系統等組成。該發明的井下雙磁感測器測量儀中包括兩個高精度交變磁場感測器，可以檢測到兩組旋轉磁場信號，無需鑽頭有一定的進尺就可以精確探測計算鄰井平行間距，因此可以在較短的時間內完成測量；而且數據分析計算程式可以放到井下，只將計算後少量數據傳送到地面，節約了數據傳送時間。該發明結構簡單，使用方便，為鄰井平行間距的隨鑽探測與控制提供了一個有效的高新技術手段。

2014年11月6日，《一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

基本介紹

• 中文名：一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統
• 公布號：CN101799558A
• 公布日：2010年8月11日
• 申請號：2010101275573
• 申請日：2010年3月19日
• 申請人：中國石油大學（北京）
• 地址：北京市昌平區府學路18號
• 發明人：高德利、刁斌斌、吳志永
• 分類號：G01V3/30（2006.01）I
• 類別：發明專利

專利背景

在石油、天然氣及煤層氣開採中，雙水平井、定向井及加密井等複雜結構井，要求對鄰井距離進行隨鑽精確探測。2010年3月前，中國國內普遍使用的隨鑽測量工具不能直接測量鄰井距離，因而難以滿足複雜結構井鄰井距離隨鑽探測的特殊要求。另外，中國國外雖已研製出能夠基本滿足以上要求的隨鑽電磁引導系統，但其核心技術仍被保密和壟斷。因此，該發明者特研究設計了“一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統”，該發明無需鑽頭有一定的進尺就可以精確探測計算鄰井平行間距，因此可以在較短的時間內完成測量；而且數據分析計算程式可以放到井下，只將計算後少量數據傳送到地面，節約了數據傳送時間。

發明內容

專利目的

《一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統》的主要技術問題是提供一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，它能為雙水平井、定向井及加密井等提供一種有效的探測與控制手段。

為了隨鑽探測鄰井平行段的間距和相對方位，該發明提供了一種隨鑽電磁探測系統，其特徵在於：主要包括一個磁短節、一個井下雙磁感測器測量儀、鄰井平行間距計算系統及地面顯示系統，其中：所述磁短節（該發明者已申請了相關專利，申請號：2009102100770），是由無磁鑽鋌以及若干永磁鐵等組成的兩端帶有API標準口型的中空圓柱體，其主要作用是產生旋轉磁場，是該電磁探測系統的信號源。在使用時，將磁短節直接跟在鑽頭後面。

所述井下雙磁感測器測量儀，主要由井下雙磁感測器探管及地面系統組成。井下雙磁感測器探管主要包括兩個交變磁場感測器、一個磁通門感測器、一個加速度感測器及鄰井平行間距計算系統等，其主要作用是檢測磁短節的磁矢量信號，並將兩組磁信號數據傳到微控制器中，經鄰井平行間距計算系統，將鄰井平行段相對位置信息轉化為工程師可讀數據。然後，將計算數據傳送到地面系統。

所述鄰井平行間距計算系統（其算法另作專利申請），該算法固化到井下測量儀的微控制器中，主要是根據感測器和處理電路得到的磁信號數據，計算磁短節到井下雙磁感測器測量儀的相對位置，從而得到鄰井平行段的相對空間位置。然後，將計算所得的少量有用數據傳送到地面顯示系統，無需將探測的磁信號數據全部傳送到地面，從而節約了數據從井下到地面的傳送時間。

所述的地面顯示系統，主要是將接收到的井下傳送數據，以數字、文字及圖形的形式顯示鄰井平行段的相對空間位置。鑽井工程師可以根據這此數字、文字及直觀的圖形，結合傳統的MWD數據，有效地控制鑽頭運動軌跡，以便精確控制鄰井平行段以一定間距鑽進。

進一步地，上述鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統還可具有以下特點：所述雙磁感測器測量儀主要由井下雙磁感測器探管和地面系統組成，其特徵在於：井下雙磁感測器探管是一個兩端封閉的金屬外殼，在殼體裡面主要有感測器模組、微控制器模組、電纜驅動模組、電源模組等模組；地面系統主要由電纜驅動模組、微控制器模組、計算機接口模組、電源模組等構成。

進一步地，所述井下雙磁感測器探管中的感測器組模組包括兩個三軸高精度交變磁場感測器、一個三軸磁通門感測器、一個三軸加速度感測器和一個溫度感測器。其主要功能是檢測永磁短節的磁場矢量、地磁矢量、重力加速度以及井下溫度，為後續微處理器中的算法提供數據，進而計算鄰井平行間距的相關數據。

進一步地，所述兩個三軸高精度交變磁場感測器，分別位於井下雙磁感測器探管的兩端，相隔一定距離，且這個距離是已知的；兩個三軸高精度交變磁場感測器在雙磁感測器探管中平行安置。

進一步地，所述交變磁場感測器是用來檢測旋轉永磁短節的磁矢量。所述磁通門感測器是用來檢測地磁場的磁矢量。所述重力加速感測器是用來檢測井下雙磁感測器探管所在位置的重力加速度的方向及大小。所述溫度感測器是檢測井下雙磁感測器探管所在位置的井下溫度。

進一步地，所述井下雙磁感測器探管中的微控制器模組由一片單片機、鄰井平行間距計算系統及其外圍電路構成，用於採集感測器組模組輸出的磁場、重力加速度以及溫度數據，並通過固化在單片機中的鄰井平行間距計算系統得到鄰井平行段的相對空間位置數據，然後將這些計算數據進行編碼以便於傳送。

進一步地，所述外圍電路主要有多路模擬開關電路、V-F變換電路和編碼開關電路。多路模擬開關電路由16路模擬開關晶片CD4067、運放電壓跟隨電路、濾波電路組成。開關輸入通道分配給3個磁通門感測器測量電路輸出、3個加速度計測量電路輸出、溫度感測器測量電路輸出、電壓基準等。通道選擇由CPU通過P1口控制。CD4067模擬開關輸出接運算放大器兩級電壓跟隨及阻容濾波電路；V-F變換電路以AD650為核心，通過調節AD650外圍滿量程電位器，使滿量程10伏輸入時輸出頻率為200K，便於單片機採集和處理；編碼開關電路以16位編碼開關為核心，16為編碼開關位置決定雙磁感測器探管的工作模式，其中方式1到方式8用於井下雙磁感測器探管和地面系統的通信，另外添加方式9，方式A，方式B三種方式用於井下雙磁感測器探管的測試與設定。

進一步地，所述井下雙磁感測器探管中的電纜驅動模組主要由變壓器及其驅動電路構成。測井電纜通過四芯插座連線到變壓器上，一方面為井下雙磁感測器探管提供工作電源，另一方面也作為信號傳輸的通道。

進一步地，所述井下雙磁感測器探管中的電源模組主要由整流電路、穩壓電路構成。

進一步地，所述穩壓電路由LM7812和LM7805分別提供12伏及5伏電壓為井下雙磁感測器探管各個電路模組及感測器供電。

進一步地，所述井下雙磁感測器探管中的所有感測器和電路模組都固定在金屬骨架上，用塑封膠將所有感測器及電路進行塑封，並固定在圓柱形外殼裡面。雙磁感測器探管通過四芯插座向地面傳送信號和接受交流電源供電。

進一步地，所述地面系統中的電纜驅動模組與井下雙磁感測器探管中的電纜驅動模組相同。

進一步地，所述地面系統中的微控制器模組主要由MD87C52、54HC373、MD27C128、AT24C16組成，其主要功能是將電纜傳送來的信號解碼並重新編碼後傳送給地面系統中的計算機接口模組。

進一步地，所述地面系統中的計算機接口模組主要由RS-232變換電路構成，其核心晶片是MAX232。其主要功能是對微控制器模組傳送的數據進行電平變換，以連線到計算機的串口。

進一步地，所述地面系統中的電源模組主要由電源變壓器、整流濾波電路、穩壓電路構成。

進一步地，電源變壓器使用220伏轉46伏/12伏、100W的交流工頻變壓器。

進一步地，穩壓電路由LM7805和大容量濾波電容構成。

改善效果

該項發明結構簡單，使用方便，無需鑽頭有一定的進尺就可以精確探測計算鄰井平行間距，因此可以在較短的時間內完成測量；而且數據分析計算程式可以固化到井下雙磁感測器探管中，只將計算後少量數據傳送到地面，節約了數據傳送時間。該項發明為鄰井平行間距控制提供了精度測量，比現在普通使用的隨鑽測量工具（MWD）具有更高精度的導向作用。

附圖說明

圖1是該發明鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統在雙水平井中工作示意圖。

圖2是井下雙磁感測器探管內部感測器軸線方向排列示意圖。

圖3是井下雙磁感測器探管功能模組圖。

圖4是該發明鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統在定向井中工作示意圖。

圖中：1、正鑽井；2、已鑽井；3、鑽井塔；4、電纜；5、鑽頭；6、磁短節；7、井下雙磁感測器探管；8、地面設備；61、磁力線；71、三軸高精度交變磁場感測器；72、三軸高精度交變磁場感測器；73、三軸重力加速度感測器；74、三軸高精度磁通門感測器。

權利要求

1.《一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統》其特徵在於，該系統主要由磁短節、井下雙磁感測器測量儀、鄰井平行間距計算系統及地面顯示系統等組成；磁短節直接安裝在鑽頭後面，隨著鑽頭被下入正鑽井中，所述磁短節是由無磁鑽鋌以及永磁鐵組成的，兩端帶有API標準口型的中空圓柱體，用於產生旋轉磁場即磁信號；所述井下雙磁感測器測量儀由井下雙磁感測器探管、測井電纜及地面接口箱組成，所述井下雙磁感測器探管用有線電纜通過鑽桿或爬行器下到已鑽井中，探管的中點近似正對上方正鑽井中的磁短節；探管將探測到的磁信號傳到探管內的鄰井平行間距計算系統，得到鄰井平行段的相對空間位置，然後將計算數據傳送到地面顯示系統。

2.如權利要求1所述的一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，其特徵在於，所述井下雙磁感測器探管由感測器組、金屬骨架、無磁金屬外殼、及電路組成。

3.如權利要求1所述的一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，其特徵在於，所述井下雙磁感測器探管中有一個高精度的感測器組，其由兩個三軸交變磁場感測器、一個三軸磁通門感測器、一個三軸重力加速度感測器和一個溫度感測器構成，能檢測井下雙磁感測器探管所在位置的重力場、地磁場強度、磁短節產生的旋轉磁場強度和井下溫度。

4.如權利要求2所述的一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，其特徵在於，所述井下雙磁感測器探管的感測器固定在金屬骨架上，與電路一起放入無磁金屬外殼內；一個三軸交變磁場感測器、三軸磁通門感測器、三軸重力加速度感測器和溫度感測器安裝在雙磁感測器探管下部，另一個三軸交變磁場感測器安裝在雙磁感測器探管上部，兩交變磁場感測器的間距已知。

5.如權利要求1所述的一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，其特徵在於，所述井下雙磁感測器探管包含感測器模組、微控制器模組、電纜驅動模組、電源模組等功能模組。

6.如權利要求5所述的一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，其特徵在於，能利用檢測到的磁場強度信號，通過固化在單片機上的鄰井平行間距計算系統，得到鄰井平行段的相對空間位置數據。

7.如權利要求1所述的一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，其特徵在於，所述地面接口箱通過測井電纜與井下雙磁感測器探管相連，讀取由雙磁感測器探管傳送的數據。

8.如權利要求1所述的一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，其特徵在於，所述地面接口箱將讀出的鄰井平行段相對空間位置數據通過RS-232接口傳送到計算機。

9.如權利要求1所述的一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統，其特徵在於，所述地面顯示系統能通過合適的算法，以數字、文字及圖形的形式將鄰井平行段的相對空間位置顯示給鑽井工程師。

實施方式

如圖1所示，鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統的硬體主要由磁短節、井下雙磁感測器探管、地面設備等組成。磁短節和鑽頭安裝在一起，隨著鑽頭被下入正鑽井中。磁短節既是鑽桿的一部分，同時也是鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統的信號源，在工作中磁短節通常被安裝在距離鑽頭的最近鑽鋌上，在鑽進過程中，磁短節的位置可以近似的認為就是鑽頭的位置。井下雙磁感測器探管用有線電纜通過鑽桿或爬行器被下到預先鑽好的水平井中，雙磁感測器探管的中點近似正對上方正鑽井中的磁短節。井下雙磁感測器探管是井下雙磁感測器測量儀的一部分，井下雙磁感測器測量儀的主要作用是檢測磁短節的磁矢量信號，並將兩組磁信號數據傳到微處理器中，經鄰井平行間距計算系統，得到鄰井平行段的相對空間位置，然後，將計算數據傳送到地面顯示系統。地面設備是所述地面顯示系統的計算機、井下雙磁感測器測量儀的地面接口箱、信號遠程發射調製器和絞車等組成的一個軟硬體平台，放置在地面，其主要功能是接受雙磁感測器探管傳輸上來的數字信息，並通過數字、文字和圖形的形式將接收到的數字信息還原成鑽井工程師可以識別的信息。

磁短節由無磁鑽鋌、永久性磁鐵和孔用卡環組成，該發明者已申請了相關專利（申請號：2009102100770），在此不再贅述。

井下雙磁感測器探管主要由感測器組和鄰井平行間距計算系統等組成。井下雙磁感測器探管的感測器組包括兩個三軸高精度交變磁場感測器、一個三軸磁通門感測器、一個三軸高精度重力加速度感測器和一個溫度感測器。其中一個交變磁場感測器、磁通門感測器、重力加速度感測器和溫度感測器安裝在雙磁感測器探管下部，另一個交變磁場感測器安裝在雙磁感測器探管上部，而且兩交變磁場感測器的間距已知。兩交變磁場感測器、磁通門和加速度感測器均為三軸感測器，其軸線方向排列如圖2所示，四個感測器的Z軸與雙磁感測器探管軸線重合，X軸和Y軸垂直於雙磁感測器探管軸線；四個感測器的X軸位於同一個平面上，且相互平行，Y軸的情況與此相同。

井下雙磁感測器探管的功能模組如圖3所示。由激勵電路為各感測器、放大器提供電源，各感測器檢測到的傳號經多級放大，輸出到多路傳輸電路和模擬數字轉換電路，將檢測到的模擬信號轉換成數位訊號。然後，將數位訊號傳到微處理器中，經過鄰井平行間距計算系統和其它算法得到鄰井平行段的相對空間位置數字、方位角和井斜角等數據，微處理器將此數據傳送到電纜驅動電路，通過測井電纜將數據傳送到地面接口箱。

地面接口箱與測井電纜相連，將電纜上傳輸的數據轉化為計算機可以識別的數據後，將數據傳送到地面顯示系統，地面顯示系統，將數據進一步處理、整合後，通過合適的算法，將數據以數字、文字和直觀的圖形等形式顯示給鑽井工程師。

如圖4所示，是鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統在定向井中的工作示意圖，其工作原理與在雙水平井的工作原理類似。

一般隨鑽測量儀器感測器安裝的位置距離鑽頭較遠處，其檢測到的井眼軌跡數據不能實時反映鑽頭的精確位置，在雙水平井、定向井和加密井等中很難達到預期的測控效果。該發明中，磁短節安裝在距離鑽頭最近的位置，雙磁感測器探管檢測到的磁短節的位置就是鑽頭的位置，所以只要精確控制磁短節的位置，就可以控制鑽頭的空間位置。該發明的提出，無需鑽頭有一定的進尺就可以精確探測計算鄰井平行間距，因此可以在較短的時間內完成測量；而且信號分析和鄰並平行間距計算程式可以放到井下，只將計算後少量數據傳送到地面，節約了數據傳送時間。該發明為鄰井平行段的間距控制提供了一種導向精度高、結構簡單、使用方便的隨鑽測量工具。

榮譽表彰

2014年11月6日，《一種鄰井平行間距隨鑽電磁探測系統》獲得第十六屆中國專利優秀獎。