基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法

第32卷　第2期2011年3月石油学报AC TA PET ROLEI SINICAV o l .32M a r .　N o .22011基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2009AA 093501)资助。

第一作者及通讯作者:宗艳波,男,1979年1月生,2009年获天津大学博士学位,现在北京航空航天大学博士后流动站,主要从事随钻测量方面的研究。

E -mail :zongyanbo @buaa .edu .cn文章编号:0253-2697(2011)02-0335-05基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法宗艳波1　张　军1　史晓锋1　孙　峰2(1.北京航空航天大学电子信息工程学院　北京　100191;　2.中国石化胜利石油管理局钻井工艺研究院　山东东营　257017)摘要:传统随钻测量无法满足水平对接连通井、蒸汽辅助重力驱油中的成对平行井钻井等复杂结构井高精度导向定位技术需求。

为直接测量钻头与目标靶点的距离及方位信息,提出了一种基于旋转磁偶极子模型的高精度导向定位方法。

通过对动态旋转磁偶极子的磁信号空间传播规律的研究发现,旋转磁偶极子可以等效为正交磁偶极子的叠加,并且存在能够对旋转磁偶极子进行导向定位的特征磁场信号,该特征信号可以通过希尔伯特变换对三轴可测磁信号进行相位解调和幅度解调获得。

仿真结果表明,钻头越接近目标靶点,定位误差越小,定位精度越高。

基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法对SAG D 成对平行井、煤层气开发水平对接连通井及可溶性盐卤矿井高精度钻井轨迹导向定位具有重要应用价值。

关键词:复杂结构井;随钻测量;导向定位;旋转磁偶极子;磁场信号解调中图分类号:T E 82 文献标识码:AA high -precision guidance method of wellbore trajectory based on therotary magnetic dipoleZONG Yanbo 1　ZHANG Jun 1　SH I Xiaofeng 1　SUN Feng 2(1.School o f E lectronic and I n formation Engineering ,Beihang University ,Bei jing 100191,China ;2.Drilling Technology Research Institute ,S inopec S hengli PetroleumA dministrationB ureau ,Dongy ing 257017,China )A bstract :A s traditio nal measurement -while -drilling (M W D )techniques can not meet the high -precisio n g uidance requirement of com -ple x str ucture wells ,such as horizo ntal inter sectio n w ells and steam assisted g ravity drainage (S AG D )parallel w ells in heavy oil de -v elo pment ,the present paper pro po sed a hig h -precision g uidance method based on the ro ta ry mag netic dipo le model ,aiming a t direct -ly measuring the rela tive position and orientation between drill -bit and targ et -point .By investig ating sig nal pro pag atio n rules o f the ro tary mag netic dipo le ,the paper demo nstrated tha t the ro tary magnetic dipo le could be an equivalent of tw o perpendicular mag ne ticdipo les ,and ther e e xisted a characteristic mag netic intensity sig nal ,w hich could po sition the ro tary mag ne tic dipole and be deter -mined with the phase demodulatio n and amplitude demo dula tion of triaxial measureable mag netic signals by using the Hilbe rt T r ans -fo rm .T he simulatio n results show ed that the closer the rota ry mag netic dipo le to the targ et point ,the smaller the po sitio ning e rro r ,and the mo re accurate the o rie ntation .T he high -precisio n guidance method o f w ellbore tr ajecto ry based o n the ro tary mag ne tic dipole was of g rea t value in drilling SAG D pa rallel wells in heavy oil deve lopment and horizo ntal intersection w ells in coalbed methane dev el -o pment as well as in soluble salt mine development .Key words :co mplex struc ture w ell ;measur ement -w hile -drilling (M WD );g uidance ;ro tary mag ne tic dipole ;magnetic -field sig nal de -mo dula tion 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[1],高精度导向定位中靶技术是复杂结构井钻井的关键技术,在稠油热采、煤层气开发和可溶性盐卤矿开采等矿产资源开发中有迫切需求。

对于成对平行井、水平对接连通井等复杂结构井钻井,需要实时了解两井眼之间精确的距离和方向信息,而常规随钻测量系统,如基于地磁导向的连续测斜系统和基于惯性导航的陀螺测斜系统都是针对单一井眼进行轨迹测量[2-3],没有将钻头和目标靶点耦合为一个闭环系统,难以避免误差积累,无法满足复杂结构井的高精度导向中靶需求。

国内外先后提出几种直接测量钻头与目标靶点之间的相对位置与方向的方法[4-8],但均基于静态磁偶极子模型[9],无法直接用于旋转钻头的精确定位。

336　石 油 学 报2011年　第32卷　笔者提出一种基于动态旋转磁偶极子模型的有源交变磁场高精度导向定位方法。

以近钻头处激发的低频交变磁场信息为载体,将近钻头和目标靶点耦合为闭环系统,通过在目标靶区进行磁信号采集与处理,分析旋转磁偶极子的空间磁场分布规律,提出直接测量钻头与目标靶点间相对方位及距离的定位算法,避免误差积累,提高了钻头和目标靶点之间的相对位置的测量精度,为引导钻头向目标靶点精确钻进提供实时定位数据,指导钻进操作,最终实现钻井轨迹向目标靶区精确近进。

1　静态磁偶极子与动态旋转磁偶极子的信号传播模型 当静态磁偶极子位于坐标原点,根据毕奥-萨伐尔定律,远场P(r,θ,φ)的磁感应强度B为B(μ,r)=μ4π·r2m-3r(r×m)r5(1)式中:μ为磁偶极子所在介质的磁导率,H/m;m为磁矩矢量,A·m2;r为原点O到点P的矢径,r=r。

设磁感应强度的三分量表达式为B=B x i+B y j+ B z k,由于B=μH,则磁场强度H为H x=3M8πr3sin2φcosθH y=3M8πr3sin2φsinθH z=M8πr3(3cos2φ+1)(2)式中:M为等效磁矩,A·m2。

式(2)为静态磁偶极子的远场空间任意点处磁场强度表达式。

在实际钻井过程中,井底钻具随钻头处于动态旋转状态,不能直接用静态磁偶极子模型进行目标靶点定位。

将永磁体放在近钻头位置处,随钻头一起旋转,将构成动态旋转磁偶极子系统。

如图1(a)所示,以近钻头井下钻具(BHA)为载体,建立直角坐标系,其中y轴与井下钻具的轴向一致。

随钻头动态旋转的永磁体所形成的磁场可视为两个正交磁偶极子M c和M s叠加而成的总磁场M t,M s与z轴方向重合,M c方向与x轴方向重合。

假设钻头旋转角速度为ω,初始时刻永磁体与z轴方向重合,则任意时刻永磁体转过的角度为ωt,此时与总磁场M t等效的正交磁偶极子M c和M s分别为Mc=M t co sωtM s=M t sinωt(3)可见,旋转形成的磁场在x、z轴分量的幅值相等,相位相差π/2,如图1(b)所示。

该交变磁场可以视为图1　旋转磁偶极子等效示意图及空间磁场传播模型Fig.1　The equivalent diagram of rotary magnetic dipole and its magnetic field propagation model一对正交磁偶极子,空间任意点P处的磁场强度由H c和H s两部分构成,分别对应于正交磁偶极子M c 和M s。

以y轴为永磁体旋转轴,建立基于动态旋转磁偶极子模型的磁场强度空间传播模型。

M c和M s为彼此正交的一对磁偶极子,与y轴两两相互正交,构成直角坐标系,设磁传感器位于点P,到原点的距离为r,如图1(c)所示。

记由M c所产生的磁场强度为H c=H c x i+H c y j+H c z k,　第2期宗艳波等:基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法337　由M s所产生的磁场强度为H s=H s x i+H s y j+H s z k,由式(2)可得两组磁偶极子在P点的磁场强度H c与H s分别为　H c=3M c8πr3sin2φ1co sθ1i+M c2πr31-32sin2φ1j+3M c8πr3sin2φ1sinθ1kH s=M s2πr31-32sin2φ2i+3M s8πr3sin2φ2sinθ2j+3M s8πr3sin2φ2cosθ2k(4)则旋转磁偶极子在空间任意点P的磁场强度H为H=(H c x+H s x)i+(H c y+H s y)j+(H c z+H s z)k(5)式中:θ1为OP在xy平面上的投影与x轴的夹角;θ2为OP在y z平面上的投影与y轴的夹角;φ1为z轴与OP的夹角;φ2为x轴与OP的夹角。