[发明专利]一种交变磁场导向装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种交变磁场导向装置，属于钻井轨迹导向定位技术领域。

背景技术

在石油、地矿等能源领域，钻井工程是资源开发的一个关键环节。随着现代油气勘探开发的快速发展，复杂结构井轨道控制技术成为当前国际能源工业的前沿与关键。复杂结构井包括水平井、大位移井、多分支井和原井再钻等新型油井，采用该技术可实现油气藏的高效立体式开发。由于水平井、多分支井增加了井筒与油藏的接触面积，在开发复式油藏、礁岩底部油藏、稠油热采、煤层气开发、控制水锥、气锥等方面具有良好效果，是增加产量和提高采收率的重要手段。

复杂结构井技术核心在于井眼轨道控制与引导，为此，国内外提出了几何导向钻井技术与地质导向钻井技术。目前，已有的几何导向技术已能实现利用加速度计、磁力计、陀螺仪等传感器，通过电子单点、多点测量、捷联惯导、随钻测量等方式，测量井斜角、方位角等井迹参数。近来，随着定向井、稠油热采中蒸汽辅助重力泄油所需的成对平行井、水平对接连通井等复杂结构井对钻井导向精度要求的不断提高，传统几何导向定位技术已经无法满足井眼轨迹的精度要求。其根本原因在于上述测量方式没有将目标靶点和待钻井眼耦合为闭环系统，在钻井过程中对井眼轨迹的控制依据当前钻进方向的测量，从待钻井眼与目标靶点所形成的系统角度上看，此类方法属于开环控制，没有考虑目标靶点对待钻井眼的引导能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有几何导向定位技术应用于复杂结构井钻井时存在的定位精度低的问题，提出一种交变磁场导向装置，通过近钻头人工激发的磁场信息将钻头和目标靶点耦合为闭环系统，在目标端测量单元确定，钻头与目标靶点的相对方位和距离本发明突破了传统的钻头端和目标端分别独立测量的开环模式，避免了测量误差的积累。

一种交变磁场导向装置，包括近钻头人工磁极模块、目标端模块和源端控制模块；

近钻头人工磁极模块位于源端控制模块的近钻头处，发射低频交变磁场信号，目标端模块采集近钻头人工磁极模块所发射的低频交变磁场信号，并解算钻头与目标靶点间的相对方位和距离，钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息通过目标端模块的远距离传输单元传输至源端控制模块的司钻指示控制单元，由司钻指示控制单元根据所收到的钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息调整钻头的钻进方向，实现控制钻头向目标靶点精确钻进。

本发明的优点在于：

(1)安装于近钻头的低频有源交变磁场为将目标靶点和钻头端耦合为闭环系统提供了信息传播途径，近钻头人工磁极模块所产生的交变磁场信号可以根据近钻头端和目标靶点间的相对距离调整磁场强度大小，从而满足不同距离范围的定位需求；

(2)通过对传播至目标靶点的磁矢量信息的测量、解算，可以获得钻头端与目标靶点间的相对方位和距离等定位信息，为通过目标端引导钻头钻进提供了可行方案。而传统方法均为钻头端和目标端各自独立测量，没有相对引导能力，本装置则突破传统的开环测量模式，避免了测量误差积累；

(3)在蒸汽辅助重力泄油所需的成对平行井钻井中，采用本发明方法可以精确控制成对平行井间的距离和走向，传统的无源地磁导向技术无法满足成对平行井间距控制的精度要求。

(4)本发明能够解决常规随钻测量无法满足大容量、高速率数据传输的问题。由于待钻井眼轨迹的高精度导向控制需要大量实时随钻测量数据，通过将常规测井技术与随钻测量技术相结合，在目标端测量单元利用单芯测井电缆组成高速、大容量数据传输通道，并通过地面单元向司钻指示控制单元发送钻头与目标靶点间的相对方位和距离信息。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明近钻头人工磁极系模块的结构示意图；

图3是本发明目标端井下测量单元的结构示意图；

图4是本发明目标端地面单元的结构示意图；

图5是本发明目标端传感器安装结构示意图；

图6是本发明目标端井下测量电路框图；

图7为本发明目标端地面单元的信号传递关系图；

图8是本发明的方法流程图；

图9是本发明的磁场分布示意图；

图10是本发明的钻头与目标靶点间的相对方位和距离示意图；

图11是本发明的步骤三中获取相对方位角θ的流程图。

图中：

1-近钻头人工磁极模块  2-目标端模块     3-源端控制模块

4-目标端井下测量单元  5-目标端地面单元 6-绞车

7-远距离传输单元      8-单芯电缆       9-钻头

10-钻铤