專利名稱：一種基于Kalman濾波的改進SAGD算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁場定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于SAGD技術(shù)在低信噪比或突發(fā)干擾情況下測距導(dǎo)向的不足提出一種基于Kalman濾波的改進算法。
背景技術(shù)：
據(jù)統(tǒng)計，世界稠油、超稠油和天然浙青的儲量約為1000X 108t，占有油氣總儲量較大的比例，對于稠油資源相對豐富的中國、美國和加拿大等國家來說，如何經(jīng)濟有效的開采
稠油成為石油界的ー個重大課題。傳統(tǒng)開采稠油是采用熱カ采油，包括蒸汽吐、蒸汽驅(qū)等技術(shù)，其對于普通稠油的開采十分成功。然而，傳統(tǒng)方法對于地下原油粘度超過IO4HiPa s的特稠油開采的經(jīng)濟效益很差，而對于粘度超過5X 104mPa *s，甚至高達105mPa-s的超稠油、浙青等，傳統(tǒng)方法根本無法開采。20世紀(jì)70年代末,加拿大石油エ業(yè)專家R. M. Butler提出了蒸汽輔助重力泄油(Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD)技術(shù),采用蒸汽驅(qū)開采方式，向注汽井連續(xù)注入高溫、高干度蒸汽，蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側(cè)面擴展，與油層中的原油發(fā)生熱交換，加熱后的原油和蒸汽冷凝水靠重力作用泄到下面的水平生產(chǎn)井中產(chǎn)出。生產(chǎn)水平井一般是在接近油柱底部油水界面上，蒸汽通過該水平井上方與前者相平行的第2 ロ水平井或一系列垂直井持續(xù)注入，從而在生產(chǎn)井上方形成蒸汽室。SAGD與水平井技術(shù)相結(jié)合被認(rèn)為是20世紀(jì)末所建立的最著名的油藏工程理論。SAGD的布井方式主要有雙水平井方式、直井水平井聯(lián)合方式及單井SAGD。實驗表明，雙水平井情況下的采油率最高，效果最佳，在相同原油和蒸汽壓カ的情況下，水平井的采油速度大約是垂直井的2-3倍。在水平雙井的鉆井過程中，通常先打通一口水平井，然后在距離前者的正上方或正下方3-5m的位置打通第二 ロ平行的水平井。SAGD布設(shè)水平雙井的關(guān)鍵在于保證兩ロ水平井處于同一垂直平面內(nèi)。因此，在第二ロ水平井的鉆進過程中應(yīng)對鉆進位置進行導(dǎo)航定位，在鉆頭偏離預(yù)定平面時及時給于修正。20世紀(jì)90年代，Arthur F. Kuckes等人在專利US005589775A中提出一種針對SAGD技術(shù)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并設(shè)計相應(yīng)算法(以下簡稱SAGD算法)。如圖I所示，該系統(tǒng)在鉆頭后部安裝一永磁體并隨鉆頭轉(zhuǎn)動，在鉆進過程中產(chǎn)生ー個不斷移動的時變磁場。而在已有水平井中，放置ー個磁傳感器，井向鉆進方向移動位置，保持與鉆頭一定的進尺間距。通過對磁場數(shù)據(jù)的分析，可以得到兩ロ水平井的相對距離及垂直偏離角度等信息，實現(xiàn)對鉆進位置的導(dǎo)航定位。然而，該算法在鉆頭鉆進過程中僅通過對特定位置磁場的一次測量進行解算，在低信噪比或突發(fā)干擾情況下，其定位結(jié)果的準(zhǔn)確性將變差。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種僅在一次連續(xù)鉆進過程中，在不同位置實現(xiàn)對同一點的多次測量，保證鉆井過程連續(xù)性及抗噪聲和干擾的基于Kalman濾波的改進SAGD算法。
(ニ)技術(shù)方案為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于Kalman濾波的改進SAGD算法，包括以下步驟①、在已有井中選取若干目標(biāo)點作為相對導(dǎo)航定位的參考點，目標(biāo)點間隔取為預(yù)定雙井間距Al的4倍，磁傳感器將隨鉆進過程放置于不同目標(biāo)點，劃分各目標(biāo)點作用距離；②、在目標(biāo)點作用距離內(nèi)，磁傳感器記錄鉆進過程中的磁場數(shù)據(jù)，計算總磁場的歸一化幅值；③、選取若干離散的歸ー化幅值作為測點，各測點分別由SAGD算法計算得到多個相對距離r ；④、由上述測點中提取X、y方向的磁場分量，按照磁場模型解算出多個其雙井相對的垂直偏離角度e ；⑤、將多個測點的r和0值依次輸入Kalman濾波器，對于第m次濾波，ら和Qni分別按照相對幾何位置加權(quán)規(guī)則實施狀態(tài)轉(zhuǎn)移，給出一歩預(yù)測值；⑥、對r和0進行濾波更新，得到其濾波估計；重復(fù)⑤-⑥，直至所有測點輸入完畢，此時的濾波估計即為最終的定位結(jié)果。進ー步的技術(shù)方案是，在步驟①中，進尺為Z2的目標(biāo)點，其作用距離劃分為鉆頭進尺Z1由z2_2 A I變化至z2+2 A I的位置。進ー步的技術(shù)方案是，步驟②中計算歸ー化幅值的具體方法是，磁場模型接收磁傳感器的三軸磁場數(shù)據(jù)及控制設(shè)備給出的鉆頭進尺，記為(Bx(t), By(t), Bz(t), z(t))。將采樣數(shù)據(jù)按磁場變化周期進行分段，如圖2所示。其中，第i段數(shù)據(jù)表示如下Bx j (t) -Bx (t) 12 j, (i-i) < ut < 2II iBy i(t) = By(t)し(H) < ポ2“⑴Bz j (t) -Bz (t) 12 j, (i_i) < ut < 2II i對Bx’“t) By, i (t) Bz, Jt)分別取希爾伯特變換 HKt)] H[By, t (t) ]H[Bz；i (t)],并求取角度‘メ fり=arctan~[■■■■■■■■:',丨■■■■■■
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.Kル)以|瓦⑴丨I互4,:)|表示Bju⑴和ん⑴在該周期內(nèi)的平均幅值，則有|Ir(/)| = ^ fo"BXJ(i)sm^XJ(f)d(m/) +(/)| =丄y J , (/}sinK/)d(cot) +1 I Bx y (/)cos, {i)d{iot) (13)
定義 BmJi) = ^K{i)\^\TK-{i)\(14)搜索Bniag 的最大值 B_=max (Bmag)對Bmag其進行歸一化處理Km =IPl
(15)進ー步的技術(shù)方案是，步驟③計算雙井相對距離具體過程為SAGD算法給出的磁場模型有如下歸ー化幅值與A z/r關(guān)系式·、座....-1......こ).......童,.....1.....￠........土...5(16)
%/5[1+(Ar Zr)2 '其中，A Z=Z1-Z2, r為兩ロ水平井實際垂直距尚；繪制上式的關(guān)系曲線圖，選取若干離散歸一化數(shù)值{ nいn2,, nM}，對于姆一個，在圖3中找到滿足公式(6)的兩個解am和bm;同時，在步驟2得到的B' mag中捜索找到兩個歸ー化磁場滿足B' mag(im) =B' mag (jm) = nm(17)并由腳標(biāo)提取相應(yīng)的進尺
ニ :: (⑴進ー步解算出相對距離
rI: J—2*,2rm =---
am-.bm( 1Q )進ー步的技術(shù)方案是，步驟④計算雙井垂直偏離角度的具體過程為重新將作用時段距離內(nèi)的數(shù)據(jù)按如下形式分段=2,...,M-IBxjn (/) = Bx (/)しy2,Tん，m = M(20)By,ffl,小_，cty,ffl,小"分別由與公式(2)相似形式進行分段給出；由磁場模型得到如公式(11)所示的0值計算公式，并將第m段數(shù)據(jù)輸入磁場模型得到的相對角度記為em0m=rnn2 ^irBxjn (t)sin^ m (t)d(ml),^" Byjtl (/)sin#, ,N (/)d(mi)j (21 )進ー步的技術(shù)方案是，步驟⑤對!■和0 —步預(yù)測具體過程為定義rm 0 :第m次濾波的測量值0—.由第m-1次濾波的ー步預(yù)測值
i 4 :第m次濾波估計值pr，m p 0 ,m :第m次濾波方差對于第m (2彡m彡M)次濾波前的一步預(yù)測，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則為t一=仏が= (爲(wèi) 4(22)其中，,4= rm 1 cos Sm , + Azm sin <pd
B = rn I sin Om + cos % sin 0a·
上式中，當(dāng)m = I 時,$ =り 4 =沒I進ー步的技術(shù)方案是，步驟⑥濾波更新具體步驟為將ー步預(yù)測值和測量值輸入Kalman濾波方程fm = + Kr. (rm — Fmlm^l)
aft./*\Oa = 6m m , + Krm (0m - 0mlH^ ]^23)其中，
「 ■! K =^F Po,mr."上式中，o 2為噪聲方差，重復(fù)步驟⑤和⑥，共進行M次濾波，輸出Pm和#w作為最終定位結(jié)果。(三)有益效果本發(fā)明采用數(shù)字信號處理中的濾波方法對SAGD算法進行改迸，改進SAGD算法具有以下特點和優(yōu)勢I、僅在一次連續(xù)鉆進過程中，在不同位置實現(xiàn)對同一點的多次測量，保證了鉆井過程的連續(xù)性。2、距離解算過程采用歸一化磁場，消除了地下不同區(qū)域磁場衰減率不同對定位的影響。3、通過對多次測量結(jié)果進行Kalman濾波，降低了解算位置的方差，有效提高導(dǎo)航定位的精度。4、有效彌補SAGD算法在低信噪比或突發(fā)干擾情況下導(dǎo)航定位能力不足的缺陷，具有較強的抵抗噪聲和干擾的能力。


圖I為本發(fā)明基于Kalman濾波的改進SAGD算法結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為標(biāo)記點設(shè)置示意圖3三軸磁場數(shù)據(jù)按變化周期分段示意圖；圖4為相對距離解算示意圖；圖5為標(biāo)記點I采集的磁場數(shù)據(jù)圖；圖6和圖7為Kalman濾波過程圖。為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明提出的改進SA⑶算法，具體實施的原理結(jié)構(gòu)如圖I所示。包括鉆頭、旋轉(zhuǎn)磁體、磁傳感器、標(biāo)記點、控制設(shè)備、磁場模型和Kalman濾波器。鉆頭在目標(biāo)井中不斷向前鉆進，旋轉(zhuǎn)磁體安裝于鉆頭上，產(chǎn)生周期時變的磁場。控制設(shè)備控制鉆頭進尺并根據(jù)定位結(jié)果調(diào)整鉆頭姿態(tài)，保持目標(biāo)井與已有井平行且相對距離固定，同時將鉆頭進尺和姿態(tài)信息送入Kalman濾波器。標(biāo)記點設(shè)置于已有井中，作為鉆頭鉆進過程中導(dǎo)航定位的參考點，每當(dāng)鉆頭經(jīng)過標(biāo)記點時進行一次定位。磁傳感器放置于標(biāo)記點上，采集三軸磁場數(shù)據(jù)并送入磁場模型。磁場模型從磁場數(shù)據(jù)中提入若干測點，并依次進行解算，將單個測點的定位結(jié)果作為測量值輸入Kalman濾波器。Kalman濾波器接收測量值和進尺姿態(tài)數(shù)據(jù)，按照本發(fā)明設(shè)計的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則及濾波更新方程對測量結(jié)果進行濾波估計，最終輸出高精度的定位結(jié)果。本發(fā)明提出的改進SAGD算法，具體實施操作流程包括以下步驟I、在已有井中選取若干目標(biāo)點作為相對導(dǎo)航定位的參考點，目標(biāo)點間隔取為預(yù)定雙井間距Al的4倍左右。將磁傳感器放置于第一個目標(biāo)點上，鉆頭向該目標(biāo)點方向鉆進，在其由目標(biāo)點后方2 A I位置進尺到前方2 A I位置后，磁傳感器移至第二個目標(biāo)點。依次照此法將磁傳感器向第三、四.......個目標(biāo)點移動，如圖2所示。2、當(dāng)磁傳感器放置于進尺為z2的目標(biāo)點，在鉆頭進尺Z1由z2_2A1變化至z2+2A1的過程中，磁傳感器記錄整個作用距離的磁場數(shù)據(jù)，并輸入磁場模型。步驟:T5中磁場模型提取多個測點并給出各測點的定位結(jié)果，具體實施方式
為3、磁場模型接收磁傳感器的三軸磁場數(shù)據(jù)及控制設(shè)備給出的鉆頭進尺，記為(Bx(t), By(t), Bz(t), z(t))。將采樣數(shù)據(jù)按磁場變化周期進行分段，如圖3所示。其中，第i段數(shù)據(jù)表示如下Bx j (t) -Bx (t) 12 j, (i_i) < ut < 2II iByJt) = By(t)し(i_1)<ut< 川(I)Bz j (t) -Bz (t) 12 j, (i-i) < ut < 2II i對Bx’“t) By’“t) 8ぃ(0分別取希爾伯特變換町8!￡パ(0] H[By；i (t) ]H[Bz；i (t)],并求取角度
權(quán)利要求
1.一種基于Kalman濾波的改進SAGD算法,包括以下步驟 ①、在已有井中按一定間隔選取若干目標(biāo)點作為相對導(dǎo)航定位的參考點，磁傳感器將隨鉆進過程放置于不同目標(biāo)點，劃分各目標(biāo)點作用距離； ②、在作用距離內(nèi)，磁傳感器記錄鉆進過程中的磁場數(shù)據(jù)，計算總磁場的歸一化幅值； ③、選取若干離散的歸一化幅值作為測點，各測點分別由SAGD算法計算得到多個相對距離r ; ④、由上述測點中提取X、y方向的磁場分量，按照磁場模型解算出多個其雙井相對的垂直偏離角度Θ ； ⑤、將多個測點的r和Θ值依次輸入Kalman濾波器，各組r和Θ值按照本發(fā)明設(shè)計的幾何位置加權(quán)規(guī)則進行一步預(yù)測； ⑥、對!■和Θ進行濾波更新，得到其濾波估計； 重復(fù)⑤-⑥，直至所有測點輸入完畢，此時的濾波估計即為最終的定位結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進SAGD算法，其特征在于，在步驟①中，目標(biāo)點間隔取為預(yù)定雙井間距ΛI的4倍。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進SAGD算法,其特征在于,在步驟①中,進尺為Z2的目標(biāo)點,其作用距離為鉆頭進尺Z1由ζ2_2 Δ I變化至ζ2+2 Δ I的位置。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進SAGD算法,其特征在于,步驟②中將連續(xù)磁場數(shù)據(jù)按周期進行離散化，計算各周期平均幅值，并以最大值為I進行歸一化，具體方法是 在作用距離內(nèi)，記錄三軸磁場分量及對應(yīng)的鉆頭進尺，即(Bx(t)，By(t)，Bz(t)，z(t))對Bx (t) By (t) Bz (t)分別取希爾伯特變換H [Bx (t) ] H [By (t) ] H [Bz (t)]，并求取角度
5.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進SAGD算法，其特征在于，選取一系列歸一化數(shù)值In1, n2，...，nM}作為測點，分別由SAGD算法計算得到多個目標(biāo)點處雙井相對距離，具體過程為 繪制SAGD算法描述的如下歸一化磁場與A z/r關(guān)系曲線
6.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進SAGD算法,其特征在于,步驟④中計算雙井垂直偏離角度的具體過程為 重新將作用時段距離內(nèi)的數(shù)據(jù)按如下形式分段
7.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進SAGD算法，其特征在于， 對M組r和Θ做Kalman濾波，并以第M次Kalman濾波估計作為最終定位結(jié)果輸出。
8.根據(jù)權(quán)利I所述的基于Kalman濾波的改進SAGD算法,其特征在于,步驟⑤中所述的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則的具體方法為 定義
全文摘要
本發(fā)明涉及磁場定位技術(shù)領(lǐng)域?；贙alman濾波的改進SAGD算法，包括①選取若干目標(biāo)點作為相對導(dǎo)航定位的參考點，目標(biāo)點間隔取為預(yù)定雙井間距Δl的4倍；②磁傳感器放置于進尺為z2的目標(biāo)點，鉆頭進尺z1由z2-2Δl變化至z2+2Δl的位置，磁傳感器記錄整個作用距離的磁場數(shù)據(jù)，并輸入磁場模型；③由已知的雙井進尺z1和z2計算得到多個r值；④按照磁場模型解算出多個其雙井相對的垂直偏離角度θ；⑤將多個測點的r和θ值輸入Kalman濾波器，按一定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則實施一步預(yù)測；⑥對r和θ進行濾波更新，得到其濾波估計；重復(fù)⑤-⑥，直至所有測點輸入完畢，此時的濾波估計即為最終的定位結(jié)果。本方法可保證鉆井過程連續(xù)性及抗噪聲和抗干擾能力。
文檔編號E21B47/00GK102787838SQ20121027624
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者龐珂珂, 張亞欣, 張超 申請人:清華大學(xué)