旋转磁场导向定位方法研究与应用_刘庆龙

摘要：与传统随钻测量设备相比，基于有源交变磁场的导向定位技术可精确定 位 钻 进 井 眼 轨 迹 。 通 过 研 究 旋 转 正 交磁偶极子在空间的传播特性，利用低频交变磁场作为信号源，经目标靶区磁场 信 号 采 集 与 处 理，结 合 常 规 随 钻 测 量技术，计算出钻头与目标靶点间的相对方位 和 距 离 偏 差。 进 而 可 指 导 钻 进 操 作，准 确 确 定 钻 进 目 标 靶 区。 在 水 平定向连通作业过程中，以国外进口 ＲＭＲＳ仪器为基准，将自主研发的国产 ＲＭＲＳ仪器采集数 据 和 解 算 结 果 与 之 对 比。国产 ＲＭＲＳ仪器偏航角差最大２．０５°，最小０．４７°。工程应用表明，该技术具备高精度井轨迹定位能力，可满 足水平对接连通井的工程导向要求。 关 键 词 ： 随 钻 测 量 ；旋 转 磁 场 导 向 ；复 杂 结 构 井 ；磁 偶 极 子 ；轨 迹 定 位 ；偏 航 角 中 图 分 类 号 ：Ｐ６３１．８４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
图 ３ 空 间 数 学 引 导 模 型
第 ３７ 卷 第 ３ 期
刘 庆 龙 ：旋 转 磁 场 导 向 定 位 方 法 研 究 与 应 用
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其中Ｙ 为近钻头 旋 转 轴，Ｐ 为 此 空 间 中 任 意 一 点，即测量单元的传感器所在位置，Ｍｃ、Ｍｓ为 彼 此 正 交的一对磁偶 极 子，磁 矩 大 小 分 别 以 Ｍｃ、Ｍｓ 表 示， 三者之间两 两 垂 直，构 成 直 角 坐 标 系，则 Ｍｃ、ｒ、Ｂｃ 共 面，Ｍｓ、ｒ、Ｂｓ 共 面。 构 造 参 考 场 Ｂｃｓ ＝Ｂｃ ×Ｂｓ， 可得
Ｂｃｓ
＝
熿Ｂｃｓｘ燄 Ｂｃｓｙ ＝
μ（４２ πＭｒｃ３Ｍ）２ｓ熿３ｓ（ｉ３ｎｃφｏｓ０ ｃ２ｏφｓ０φ－ｓｉ２ｎθ）ｊ０ｉ燄
燀Ｂｃｓｚ燅
燀３ｓｉｎφ０ｃｏｓφ０ｃｏｓθ０ｋ燅
（５）
定义Ｂｃｓ与Ｙ 轴的夹角为α，则有
ｔａｎα
＝
２ｓｉｎ ２φ０ ３ｃｏｓ ２φ０ －１
（６）
结 合 上 述 几 何 关 系 可 知 ，距 离 矢 量ｒ、旋 转 轴Ｙ、
ｗｅｌｌ，ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｐｏｌｅ，ｔｒａｃｋ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，ｙａｗ ａｎｇｌｅ
０ 引 言
复杂结构井包括煤层气开发中的水平对接连通 井、稠油热采中 ＳＡＧＤ 成对平 行 井 以 及 可 溶 性 盐 卤 矿开采井等都对高精度导向定位技术提出了较高要
求［１］，而传统的随钻测量设备（基于地磁导向的 连 续 测斜系统和惯性导 航 的 陀 螺 测 斜 系 统 ）都 是 针 对 单 一井眼进行轨 迹 测 量［２－３］，前 者 虽 然 定 位 精 度 较 高， 但 易 受 干 扰 ；后 者 存 在 时 间 积 分 漂 移 误 差 ，也 不 能 满 足高精度导向定位需求。
则旋转磁偶极子在空间任意Ｐ 点的磁场强度Ｈ 为
Ｈ＝（Ｈｃｘ ＋Ｈｓｘ ）ｉ＋（Ｈｃｙ ＋Ｈｓｙ ）ｊ＋（Ｈｃｚ ＋Ｈｓｚ）ｋ
（４）
２ 动态旋转磁偶极子的特征磁场构造
建立 近 钻 头 磁 源 与 目 标 端 的 空 间 引 导 模 型 见 图 ３。
图 １ 空 间 任 一 点 磁 偶 极 子 磁 场 分 析
ｍｉｎｉｍｕｍ ｙａｗ ａｎｇｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ０．４７°．Ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈｌｙ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｇｕｉｄｅｄ－ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ－ｂｕｔｔｅｄ ｗｅｌｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｈｉｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｒｏｔａｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
１．２ 动 态 旋 转 磁 偶 极 子 传 播 特 性 模 型 将永 磁 体 放 在 近 钻 头 位 置 处，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 下钻具的轴向相一致。近钻头磁源旋转所产生的交 变磁场可看作一对相互正交的振荡磁偶 极 子Ｍｃ、Ｍｓ 叠加产生，等效于 一 个 交 变 合 磁 场 Ｍ珨ｔ。Ｍｓ 与Ｚ 轴 方向重合，Ｍｃ 方向与 Ｘ 轴方向重合（见图２）。
远场 Ｐ（ｒ，θ０，φ０）的磁场强度为
烄Ｈｘ ＝ ８３π Ｍｒ３ｓｉｎ ２φｃｏｓθ
烅Ｈｙ ＝ ８３π Ｍｒ３ｓｉｎ ２φｓｉｎθ
（１）
Ｈｚ 烆
＝
Ｍ ８πｒ３
（３ｃｏｓ ２φ＋１）
式中，Ｍ 为等效磁矩，Ａ·ｍ２。
图 ２ 旋 转 磁 偶 极 子 产 生 磁 场 的 等 效 模 型
假设钻头旋转速率为 ω，ｒａｄ／ｓ，ｔ时 刻 后 源 端 旋
为了测量源端钻头与目标端探管的相对位置， 提出了一种基于动态旋转磁偶极子模型的有源交变 磁场导向方法，并基 于 自 主 研 发 的 交 变 磁 场 定 位 系 统进行了实际应用和分析。
１ 导向算法的数学模型分析
１．１ 静 态 磁 偶 极 子 传 播 特 性 模 型
如图１所示 空 间 坐 标，根 据 毕 奥 －萨 伐 尔 定 律，
ｒ 之间满足
槡 Ｂｍｉｎ
＝
ｍｉｎ（
Ｂｘ２
＋Ｂｙ２
＋Ｂｚ２
）＝
μＭ ４πｒ３
（８）
从而确定源端钻头与目标探管的相对位置关系。
图 ４ 旋 转 磁 场 导 向 定 位 系 统 模 型
３．２ 实 际 工 程 应 用 中马 Ｕ１对接连通井位于河南省焦作市 马 村 区
安阳城乡张 田 河 村 （已 拆 迁 ）以 南 １１０ ｍ 处。 实 际 钻井作业中，将进口 ＲＭＲＳ仪器作为实际钻井 导向 工具 进 行 轨 迹 控 制，国 产 ＲＭＲＳ 仪 器 作 为 辅 助 工 具，一次对接成功。在２井口距离８２．６９ｍ 时，进口 ＲＭＲＳ仪器与国产 ＲＭＲＳ仪器均检测到可用信号， ４０ｍ 处 测 得 良 好 数 据 （见 图 ５）。 图 ５（ａ）为 进 口 ＲＭＲＳ仪器测得传感器数据，图５（ｂ）为国产 ＲＭＲＳ 仪器测得传感器 数 据，均 具 有 良 好 的 正 弦 特 征。 以 进口 ＲＭＲＳ仪器 为 准，５ ｍ 为 间 隔，进 行 解 算 数 据 对比，国产 ＲＭＲＳ仪器解算偏航角差见图６。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗｅｌｌ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｇｕｉｄｅｄ－ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｈｉｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ （ＭＷＤ）ｍｅｔｈｏｄ． Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｒｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｐｏｌｅｓ．Ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｓ ｓｉｇｎａｌ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ａｔ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｓｉｄｅ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｅｒｒｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｂｉｔ ａｎｄ ｔａｒｇｅｔ ｃａｎ ｂｅ ｆｉｎａｌｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｎｏｒｍａｌ ＭＷＤ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｂｙ，ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｄａｔａ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｇｕｉｄｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ａｒｅａ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ－ ｂｕｔｔｅｄ ｗｅｌｌ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｚｈｏｎｇｍａ Ｕ１ ｗｅｌｌ，ｗｅ ｃｏｍｐａｒｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｄａｔａ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｄａｔａ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ＲＭＲＳ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔｅｄ ＲＭＲＳ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｙａｗ ａｎｇｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ＲＭＲＳ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ２．０５°，ａｎｄ ｔｈｅ
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测 井 技 术
２０１３ 年
定 位 误 差 ，提 高 中 靶 精 度 ，亟 待 开 展 从 目 标 靶 点 引 导 钻头钻进的高精度导向定位新方法的研究。国内外 先后提出了开展有源交变磁场的闭环导向定位技术 的研 究，如 ＡＩ－Ｋｈｏｄｈｏｒｉ［４］验 证 了 该 系 统 在 水 平 井 导向定位的可行性等。
Ｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇｕｉｄａｎｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ
ＬＩＵ Ｑｉｎｇｌｏｎｇ１，２ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５５５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，ＳＩＮＯＰＥＣ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５７０１７，Ｃｈｉｎａ）
烄Ｈｃ ＝８３π Ｍｒｃ３ｓｉｎ ２φ１ｃｏｓθ１ｉ＋２Ｍπｒｃ３（１－ ３２ｓｉｎ ２φ１）ｊ＋
８３π Ｍｒｃ３ｓｉｎ ２φ１ｓｉｎθ１ｋ
烅 Ｈｓ
＝ ２Ｍπｒｓ３ （１－
３２ｓｉｎ ２φ２）ｉ＋８３π Ｍｒｓ３ｓｉｎ ２φ２ｓｉｎθ２ｊ＋
烆
８３π Ｍｒｓ３ｓｉｎ ２φ２ｃｏｓθ２ｋ
ห้องสมุดไป่ตู้
（３）
国内外提出的几种直接测量源端钻头和目标靶 点 间 相 对 位 置 与 方 向 的 方 法［５］，均 基 于 静 态 磁 偶 极 子模型［６］，无法 直 接 用 于 精 确 定 位。 将 交 变 磁 场 作 为 信 号 源 ，其 幅 度 和 相 位 均 随 时 间 变 化 而 变 化 ，不 易 受静磁场等其他因 素 干 扰，同 时 可 以 避 免 开 环 系 统 所造成的误差累积 。 ［７－８］
在复 杂 结 构 井 轨 迹 控 制 与 引 导 中，为 减 小 导 向
基 金 项 目 ：国 家 “８６３”高 技 术 研 究 发 展 计 划 项 目 （２００９ＡＡ０９３５０１）；中 国 石 油 化 工 集 团 公 司 “十 条 龙 ”科 技 攻 关 项 目 （ＪＰ１１００６） 作 者 简 介 ：刘 庆 龙 ，男 ，１９６９ 年 生 ，博 士 ，从 事 油 气 井 工 程 随 钻 测 控 技 术 研 发 及 科 研 管 理 工 作 。
转 过 的 角 度 为ωｔ，则 正 交 磁 偶 极 子 等 效 为
烄Ｍ珨ｃ ＝ Ｍ珨ｔｃｏｓ（ωｔ） 烅Ｍ珨ｓ ＝ Ｍ珨ｔｓｉｎ（ωｔ）
烆Ｍ珨ｔ ＝ 槡Ｍｃ２ ＋ Ｍｓ２ ＝ｃｏｎｓｔ．
可知，旋转磁场在 ＸＹ 轴分量上正交等幅。
（２）
设 Ｍｃ 所产生的磁场强度为Ｈｃ＝Ｈｃｘｉ＋Ｈｃｙｊ＋
Ｈｃｚｋ，Ｍｓ 所 产 生 的 磁 场 强 度 为Ｈｓ＝Ｈｓｘｉ＋Ｈｓｙｊ＋ Ｈｓｚｋ，可得旋转磁偶极子在 Ｐ 点的磁场分别为
第 ３７ 卷 第 ３ 期 ２０１３ 年 ６ 月
文 章 编 号 ：１００４－１３３８（２０１３）０３－０２４９－０４
测 井 技 术 ＷＥＬＬ ＬＯＧＧＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ ２０１３
旋转磁场导向定位方法研究与应用
刘 庆 龙１，２
（１．中国石油大学石油工程学院，山东 青岛 ２６６５５５；２．中石化胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东 东营 ２５７０１７）
构造参考场 Ｂｃｓ 在 同 一 平 面 内，因 此，Ｂｃｓ 在ｘｚ 平 面
内的投影Ｂｃｓｘｚ 和ｒ 在 ＸＺ 平 面 内 的 投 影ｒｘｚ 重 合，从
而得到 ＸＺ 平面内方位角
ｔａｎθ０
＝
Ｂｃｓｘ Ｂｃｓｚ
（７）
另一方面，由于磁偶极子的动态旋转，Ｐ 点磁场
被椭圆极化，使得 Ｐ 点的磁 场 强 度 的 最 小 值 与 距 离