一種全向靜磁場救援井隨鉆定位方法及定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種全向靜磁場救援井隨鉆定位方法及定位系統(tǒng)，其特征在于包括以下裝置和步驟：1)井下測量探管前端設(shè)置有三軸高精度磁通門傳感器、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀；2)下井前測量受鉆頭影響的地磁場矢量；3)當(dāng)救援井傾斜階段任務(wù)開始后，MWD的探管根據(jù)高精度磁通門傳感器獲得的磁場測量數(shù)據(jù)，結(jié)合MWD自身的姿態(tài)信息，對獲得的每一組被救援井套管磁場測量值分別進行空間投影運算獲得被救援井套管磁場在水平面沿鉆進方向和垂直于鉆進方向的磁場分量強度數(shù)據(jù)；4)將獲得多次空間投影后的被救援井套管的磁場分量強度數(shù)據(jù)進行最小二乘運算，得到此時鉆進探管相對于被救援井套管的空間位置；5)通過Kalman濾波器進行濾波運算，得到救援井探管相對于被救援井的精確空間位置。
【專利說明】
-種全向靜磁場救援井隨鉆定位方法及定位系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明是關(guān)于一種全向靜磁場救援井隨鉆定位方法及定位系統(tǒng)，設(shè)及靜磁場救援 井定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 定向鉆井是指使井身沿著預(yù)先設(shè)計的方向和軌跡鉆達目的層的鉆井工藝方法，它 可廣泛應(yīng)用于斜向鉆井、水平鉆井和對接鉆井。救援井是指在被救援井發(fā)生嚴(yán)重井噴或井 噴失控的情況下與被救援井連通并控制井噴而鉆的井，是解決井噴、漏油等事故的有效方 法，其作業(yè)成功與否直接關(guān)系到事故能否終結(jié)，是井噴事故的最后一道防線。借助必要的電 磁探測系統(tǒng)和定位工具進行救援井與事故井的相對距離和方位的精確探測，是救援井技術(shù) 成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。救援井技術(shù)的基本原理是在事故井附近的安全區(qū)域打一口定向井，使其 井眼軌跡與事故井的軌跡在地層的某個層位匯合，將高密度的鉆井液或水泥通過救援井注 入事故井，W達到油(氣)井滅火或控制井噴，避免造成嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難和損失。但是隨著井 眼條件越來越復(fù)雜、井斜角的增大、水平段長度的增長W及井眼軌跡的不確定性等。救援井 與事故井之間的相對距離和方位的精確探測是救援井技術(shù)成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
[0003] 隨鉆測量技術(shù)是指在鉆進的同時實現(xiàn)各種參數(shù)連續(xù)測量的技術(shù)，運些參數(shù)主要包 括定向軌跡描述及地層特性測量，典型的隨鉆測量系統(tǒng)包括兩部分，即地下隨鉆測量部分 和地面接收處理顯示部分。電磁隨鉆測量化lectro-ma即etic Method Measurement怖ile Drilling, EM-MWD)起源于20世紀(jì)80年代，采用電磁波傳播工作方式，適用于各種類型的鉆 井泥漿鉆井工程，填補了非導(dǎo)電泥漿鉆井工程中油氣測量的空白。MWD隨鉆儀器由地面系統(tǒng) 和井下儀器組成，二者通過鉆柱內(nèi)的泥漿通道中的壓力脈沖信號進行通信，并協(xié)調(diào)工作，實 現(xiàn)鉆井過程中井下儀器的狀態(tài)、井下工況及有關(guān)測量參數(shù)(包括定向參數(shù)如井斜、方位、工 具面等和地質(zhì)參數(shù)等等)的實時監(jiān)測。
[0004] 要實現(xiàn)救援井與事故井的準(zhǔn)確連通與測量，需要借助專口的測距系統(tǒng)來對救援井 進行相應(yīng)的引導(dǎo)，一般采用事故井套管、鉆桿(探管)作為信號源目標(biāo)物進行測量。目前，針 對目標(biāo)井套管和鉆桿的測距系統(tǒng)主要分為主動測距系統(tǒng)和被動測距系統(tǒng)。主動測距系統(tǒng)主 要是通過自身來改變或產(chǎn)生某些信號量獲得測量結(jié)果，通過救援井中的測距工具對事故井 套管施加一定的激勵，進而使套管產(chǎn)生相應(yīng)的物理量變化，再通過檢測該物理量并進行計 算分析后，獲得救援井和事故井之間的相對位置。被動測距系統(tǒng)則是通過感知目標(biāo)對某個 物理量的影響來獲得測量結(jié)果，可W通過磁通口傳感器檢測套管、鉆桿等對地磁場的影響， 一般可W直接使用MWD或測斜儀的磁通口數(shù)據(jù)進行后續(xù)計算和分析，兩者的區(qū)別在于測量 者是否對測量對象施加影響。其中，被動測距系統(tǒng)主要是通過檢測事故井中套管、鉆桿等對 大地磁場的影響，從而獲得事故井和救援井之間的相對位置關(guān)系；主動測距系統(tǒng)則是通過 對事故井中套管、鉆桿施加一定的激勵量，產(chǎn)生磁場、電流等物理量的改變，從而獲得兩者 之間的相對位置關(guān)系。主動測距方法需要對被救援井施加很大的電流，在實際工況條件下 操作復(fù)雜，還容易引起帶來安全隱患，而且在近距離時定位模型并不適用，所W被動測距方 法是對主動測距很好的補充，然而，目前的被動測距方法只適用于平行進近和垂直進近階 段，實際測量距離不會超過20m，同時它無法與目前通用的MWD儀器相結(jié)合使用，運嚴(yán)重限制 了被動定位方法的應(yīng)用場景。
[0005] 救援井鉆井可分為遠(yuǎn)距離平行鉆進、造斜、水平進近、近距離平行鉆進及連通5個 階段。在上述5個階段中，造斜、水平進近、近距離平行鉆進3個階段需要進行定位探測。目 前，水平進近和近距離平行鉆進階段現(xiàn)有技術(shù)中存在許多不同的定位方法，而在造斜階段 因為傳感器姿態(tài)不固定，距離較遠(yuǎn)受環(huán)境影響大等原因，目前還沒有合適的靜磁場定位方 法及定位系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種全向靜磁場救援井隨鉆定位方法及定位 系統(tǒng)，能夠有效填補靜磁場救援井傾斜階段=維空間定位方法的空白，解決傳統(tǒng)的MWD隨鉆 測量裝置在進行靜磁場定位時連續(xù)性和準(zhǔn)確性差、實時性不強W及受噪聲干擾影響嚴(yán)重等 問題。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取W下技術(shù)方案:一種全向靜磁場救援井隨鉆定位方 法，其特征在于包括W下步驟：1)井下測量探管前端設(shè)置有=軸高精度磁通口傳感器、=軸 加速度傳感器和=軸巧螺儀;2)下井前利用=軸高精度磁通口傳感器測量受鉆頭影響下的 地磁場場強矢量;3)當(dāng)救援井傾斜階段任務(wù)開始后，MWD探管根據(jù)=軸高精度磁通口傳感器 獲得的磁場測量數(shù)據(jù)，結(jié)合=軸巧螺儀和=軸加速度傳感器姿態(tài)傳感器得到的探管自身的 加速度和姿態(tài)信息，對傾斜階段獲得的每一組被救援井套管磁場測量值分別進行空間投影 運算，獲得被救援井套管磁場在水平面沿救援井鉆進方向和垂直于鉆進方向的磁場分量強 度數(shù)據(jù);4)MWD的探管逐漸向前進近，重復(fù)步驟3)進行多次測量，將獲得多次空間投影后的 被救援井套管的磁場分量強度數(shù)據(jù)進行最小二乘運算，得到此時鉆進探管相對于被救援井 套管的空間位置;5)將MWD的探管相對于被救援井套管的每一組位置坐標(biāo)均作為測量值，結(jié) 合已知由鉆頭運動狀態(tài)得到的估計值，通過Kalman濾波器進行濾波，得到救援井鉆井過程 中相對于被救援井的精確空間位置。
[0008] 進一步地，所述步驟3)對傾斜階段獲得的每一組被救援井套管磁場測量值分別進 行空間投影運算獲得被救援井套管磁場在水平面沿救援井鉆進方向和垂直于鉆進方向的 磁場分量強度數(shù)據(jù)：
[0009] Bt = Bz cosa+By sin口
[0010] Br = Bx
[0011] 式中，Bt為被救援井套管磁場在水平面沿鉆進方向的磁場分量強度投影，Br為被救 援井套管磁場在水平面垂直于鉆進方向的磁場分量強度投影，a為井斜角，Bx、By和Bz為任意 時刻磁通口傳感器測量得到的X、y和Z方向的磁場矢量值。
[0012] 進一步地，所述步驟4)將獲得多次空間投影后的被救援井套管的磁場分量強度數(shù) 據(jù)進行最小二乘運算，得到此時鉆進探管相對于被救援井套管的空間位置的具體過程為：
[0013] 假設(shè)W鉆進方向為t軸正方向，垂直鉆進方向為r軸正方向，投影平面上被救援井 套管位置為(to，R)，軌跡上一點i的坐標(biāo)為(ti，0)，減去地磁后，在點i處測得的磁場分量為 Bt, 1，Br, 1，由于在該平面內(nèi)去掉地磁場后，投影平面上被救援井套管磁場均指向或者背離套 管所在位置(to, R)，則：
[0014]
[0015] Br,it〇-Bt,iR = Br,iti[0016] 對于鉆進軌跡上一系列的點i = l，K，N，有超定方程組：
[0017]
[001 引
[0019]
[0020] 根據(jù)上式通過被救援井套管坐標(biāo)的最小二乘解進而求得二維平面內(nèi)套管端部相 對于鉆進軌跡的方位坐標(biāo)，即確定了此時鉆進探管相對于被救援井套管的空間位置。
[0021] -種基于所述定位方法的全向靜磁場救援井隨鉆定位系統(tǒng)，其特征在于，該定位 系統(tǒng)包括井下測量探管和地面計算單元，井下測量探管前端設(shè)置有=軸高精度磁通口傳感 器、=軸加速度傳感器、=軸巧螺儀、A/D轉(zhuǎn)換與放大電路、激勵電路和井下時鐘;地面計算 單元包括重力加速度和姿態(tài)單元、高精度測磁數(shù)據(jù)單元、Kalman濾波器、井斜角和方位角計 算單元和相對距離和相對方位計算單元;=軸高精度磁通口傳感器用于測量磁場數(shù)據(jù)，并 將測量得到的磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信，S軸加速度傳感器用于測量XYZS個方向的加速度數(shù) 據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成電信號，=軸巧螺儀用于測量探管自身的姿態(tài)信息，=軸高精度磁通口傳 感器、S軸加速度傳感器和S軸巧螺儀將獲取的數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換器與放大電路進行模數(shù)轉(zhuǎn) 換和放大后發(fā)送到激勵電路，激勵電路對所有采樣數(shù)據(jù)信息進行處理，并從井下向上發(fā)送 至地面控制單元，井下的整個數(shù)據(jù)采集和處理過程由井下時鐘控制信號處理的時序;高精 度測磁單元用于獲取井下探管的高精度測磁數(shù)據(jù)，重力加速度和和姿態(tài)單元用于獲取探管 的重力和姿態(tài)數(shù)據(jù)，Kalman濾波器用于對高精度測磁數(shù)據(jù)進行濾波獲得測磁濾波數(shù)據(jù)，井 斜角和方位角計算單元根據(jù)高精度測磁數(shù)據(jù)及探管的重力和姿態(tài)數(shù)據(jù)計算得到井斜角與 方位角，相對距離和相對方位計算單元將高精度測磁數(shù)據(jù)和測磁濾波數(shù)據(jù)進行投影處理得 到套管相對于探管的相對距離與相對方位。
[0022] 進一步，=軸高精度磁通口傳感器是指測磁靈敏度高于0.1 n刊茲通口傳感器。
[0023] 本發(fā)明由于采取W上技術(shù)方案，其具有W下優(yōu)點：1、本發(fā)明可W與目前已有的靜 磁場救援井平行進近定位方法和端部水平進近定位方法進行組合，針對救援井不同作業(yè)階 段應(yīng)用不同的方法進行方位距離探測，同時可W應(yīng)用在目前通用的MWD探管中，實現(xiàn)靜磁場 隨鉆測量的目的，不需要每次測量抬鉆，節(jié)省了大量的資金和人力。2、在造斜段，本發(fā)明利 用空間投影最小二乘算法采用多點的測量值進行最小二乘估計，有效提高弱磁定位下MWD 探管與被救援井套管的精度，能夠確定被救援井的大致方位，全程保證了定位精度，提高了 定位方法的可靠性。本發(fā)明不僅可W應(yīng)用于救援井定位探測中，也可應(yīng)用于鄰井防碰及非 開挖等鉆井作業(yè)中。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明空間坐標(biāo)系下鉆進軌跡的場景示意圖；
[0025] 圖2是本發(fā)明的全向靜磁場救援井隨鉆定位方法流程示意圖；
[0026] 圖3是本發(fā)明載體坐標(biāo)系下的=軸高精度磁通口傳感器=軸旋轉(zhuǎn)示意圖；
[0027] 圖4是本發(fā)明的全向靜磁場救援井隨鉆定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中：1 =軸高精度 磁通口傳感器，2S軸加速度傳感器，3S軸巧螺儀，4AD轉(zhuǎn)換與放大電路，5井下激勵電路，6 井下時鐘，7重力加速度和姿態(tài)單元，8高精度測磁單元，9Kalman濾波器，10井斜角和方位角 計算單元，11相對距離和相對方位計算單元，12地面計算單元W及13井下測量探管；
[0028] 圖5a是本發(fā)明靜磁場下的矢量測量投影圖；
[0029] 圖化是本發(fā)明最小二乘定位方法坐標(biāo)圖；
[0030] 圖6是本發(fā)明實施例中采用Kalman濾波后輸出的目標(biāo)物體的位移測量值和濾波估 計的結(jié)果比較圖。
【具體實施方式】
[0031] W下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更 好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。
[0032] 如圖1所示，救援井鉆井可分為遠(yuǎn)距離平行鉆進、造斜、水平進近、近距離平行鉆進 和連通5個階段。開始時，先在距事故井井口距離較遠(yuǎn)的地方進行豎直鉆進;鉆進到一定深 度后向水平方向傾斜一定角度(造斜），斜向接近事故井;接近事故井后，調(diào)整傾角至水平方 向，繞過事故井進行近距離的平行鉆進，然后進行連通。
[0033] 如圖2所示，本發(fā)明是在斜向接近事故井的階段提出了全向靜磁場救援井隨鉆定 位方法，包括W下步驟：
[0034] stepl、下井前測量鉆頭影響下的地磁場場強。
[0035] 在=軸高精度磁通口傳感器下井前，需要測量鉆頭影響下的地磁場場強，作為= 軸高精度磁通口傳感器在進近過程中測量磁場的校正數(shù)據(jù)。為了避免鉆頭影響下的地磁場 對測量結(jié)果的影響，需要在測量時減去相應(yīng)矢量值。具體操作過程可W在鉆頭入井時進行 一次測量標(biāo)定，此時因為距離距測量套管較遠(yuǎn)，可W忽略套管的影響，認(rèn)為現(xiàn)在測量的磁場 矢量即是鉆頭磁場和地磁場的疊加，運樣在鉆進過程中，可W用測量的矢量值減去提前標(biāo) 定的矢量值，剩下的就是被救援井套管的靜磁場。
[0036] Step2、當(dāng)救援井傾斜階段任務(wù)開始后，MWD的探管根據(jù)傾斜階段=軸高精度磁通 口傳感器獲得的磁場測量數(shù)據(jù)，結(jié)合探管中=軸巧螺儀和=軸加速度傳感器(重力加速度 計)得到自身的加速度及姿態(tài)信息，對傾斜階段獲得的每一組被救援井套管磁場測量值分 別進行空間投影運算，獲得被救援井套管磁場在水平面沿鉆進方向和垂直于鉆進方向的磁 場分量強度數(shù)據(jù)；
[0037] 如圖2所示，=軸巧螺儀用于獲得探管自身姿態(tài)的=個歐拉角、=軸加速度傳感器 測量探管的傾斜角，在連續(xù)行進過程中=軸高精度磁通口傳感器實時測量被救援井套管周 圍的磁場數(shù)據(jù)，其中，磁場數(shù)據(jù)包括x，y和Z方向的磁場Bx、By、Bz及采樣時間t。在測量過程 中，所獲得的磁場數(shù)據(jù)需要減去鉆頭影響下的地磁場場強值進行校正。
[0038] 實際中鉆進路線是一條=維空間的傾斜軌跡，假設(shè)在一段短距離內(nèi)運條軌跡是一 條傾斜的直線，在鉆井過程中，MWD自身的姿態(tài)在不斷變化，為了測量自身姿態(tài)的變化，在 MWD中安裝有=軸巧螺儀和=軸加速度傳感器，=軸加速度傳感器可W測量井斜角，=軸巧 螺儀可W得到MWD自身姿態(tài)的=個歐拉角。鉆頭的載體坐標(biāo)系W探管(鉆桿）的高邊為y軸， 建立右手坐標(biāo)的，通過=軸巧螺儀測姿可W得到目>，4 =個歐拉角，此時鉆桿的姿態(tài)與自 身載體坐標(biāo)系的=個坐標(biāo)軸是不平行的，但是可W通過下面的坐標(biāo)變換將此時=軸高精度 磁通口傳感器測得的磁場矢量值變換到探管姿態(tài)平行于載體坐標(biāo)軸時的情況，假設(shè)在任意 時刻=軸高精度磁通口傳感器測量得到的=個方向的磁場矢量值可W表示為：
[0039]
[0040] 式中，x，y，z是鉆進探管相對于被救援井套管的位置坐標(biāo)，叫是介中的磁導(dǎo)率、m表 示圓電流的磁矩，R表示場源和測量點之間的距離，標(biāo)準(zhǔn)載體坐標(biāo)系下測量得到的磁矢量B 可W表示為：
[0041]
[0042] B'=T<t>^T0B
[0043] 式中，U，T4，Te為S個方向上的姿態(tài)變換矩陣，如圖3顯示了坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)過程。
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] 式中，B'是探管S軸高精度磁通口傳感器接收到的磁場矢量信號，經(jīng)過-0,-4,-4 的旋轉(zhuǎn)變換后可W得到載體坐標(biāo)系下平行于坐標(biāo)軸的磁場矢量B，再根據(jù)重力傳感器測量 得到的井斜角〇,可W將磁場矢量B投影到此時刻探管傳感器所在的平面上，如圖5a所示，Bt 為被救援井套管磁場在水平面沿鉆進方向的磁場分量強度投影，Br為被救援井套管磁場在 水平面垂直于鉆進方向的磁場分量強度投影，其中：
[004引 Br = Bx
[0049] Bt = Bzcosa+Bys ina 〇
[0050] Step3、MWD的探管逐漸向前進近，重復(fù)步驟3進行多次測量，將獲得多次空間投影 后的被救援井套管的磁場分量強度數(shù)據(jù)進行最小二乘運算，得到此時鉆進探管相對于被救 援井套管的空間位置。
[0051] 由于開始進近時MWD的探管離被救援井套管較遠(yuǎn)，磁場較弱，需要利用多個點的磁 場測量值進行最優(yōu)估計，提高定位精度，現(xiàn)在通過測量投影已經(jīng)可W將一系列空間測點得 到的磁場數(shù)值投影到同一個=軸高精度磁通口傳感器所在的測量平面上，此測量平面理論 上垂直于被救援井套管，因此本發(fā)明針對測量得到的多組被救援井套管數(shù)據(jù)通過基于最小 二乘估計的定位方法實現(xiàn)造斜階段進近時的定位。通過最小二乘估計，可W直接利用磁場 方向確定投影平面上被救援井套管的位置。
[0052] 假設(shè)W鉆進方向為t軸正方向，垂直鉆進方向為r軸正方向。如圖化所示，假設(shè)在投 影平面上被救援井套管位置為(to, R)，軌跡上一點i的坐標(biāo)為(ti，0)，減去地磁后，在點i處 測得的磁場分量為Bt,i，Br,1。由于在該平面內(nèi)，去掉地磁場后，投影平面上被救援井套管磁 場均指向或者背離套管所在位置(to, R)，則：
[0化3]
[0化4] Br,it〇-Bt,iR = Br,iti[0化日]對于鉆進軌跡上一系列的點i = 1，K，N，有超定方程組：
[0化6]
[0化7]
[0化引
[0059] 因此可W求得被救援井套管坐標(biāo)的最小二乘解進而求得二維平面內(nèi)套管端部相 對于鉆進軌跡的方位坐標(biāo)，也就是確定了鉆進探管此時相對于被救援井套管的空間位置。
[0060] Step4、將得到的鉆進探管相對于被救援井套管的每一組位置坐標(biāo)均作為測量值， 結(jié)合已知的由鉆頭運動狀態(tài)得到的估計值，通過Kalman濾波器進行濾波運算，得到救援井 的鉆頭相對于被救援井的精確空間位置，Kalman濾波器的濾波原理為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再 寶述。
[0061] 如圖4所示，為了實現(xiàn)本發(fā)明的全向靜磁場救援井隨鉆定位方法，本發(fā)明還提出全 向靜磁場救援井隨鉆定位方法，包括一井下測量探管13和一地面計算單元12,井下測量探 管13的前端設(shè)置有一=軸高精度磁通口傳感器1、一 =軸加速度傳感器2、一 =軸巧螺儀3、 一 A/D轉(zhuǎn)換與放大電路4、一激勵電路5和一井下時鐘6;地面計算單元12包括一重力加速度 和姿態(tài)單元7、一高精度測磁數(shù)據(jù)單元8、一Kalman濾波器9、一井斜角和方位角計算單元10 和一相對距離和相對方位計算單元11;
[0062] =軸高精度磁通口傳感器1是指測磁靈敏度高于0.1 n刊茲通口傳感器，=軸高精度 磁通口傳感器1用于測量磁場數(shù)據(jù)，并將測量得到的磁場數(shù)據(jù)進行積分運算之后轉(zhuǎn)化成為 S路電信號，S軸加速度傳感器2用于測量XYZS個方向的加速度數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成電信 號，=軸巧螺儀3用于測量探管自身的姿態(tài)信息，=軸高精度磁通口傳感器1、=軸加速度傳 感器2和=軸巧螺儀3將獲取的數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換器與放大電路4進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和放大后發(fā)送 到激勵電路5,激勵電路5由FPGA編寫完成，激勵電路5對所有采樣數(shù)據(jù)信息進行處理和匯 總，并從井下向上發(fā)送至地面控制單元12,井下的整個數(shù)據(jù)采集和處理過程由井下時鐘6控 制信號處理的時序，有條不素的進行。高精度測磁單元8用于獲取井下探管的XYZS軸高精 度測磁數(shù)據(jù)，重力加速度和和姿態(tài)單元7用于獲取探管的重力和姿態(tài)數(shù)據(jù)，Kalman濾波器用 于對XYZS軸高精度測磁數(shù)據(jù)進行濾波獲得測磁濾波數(shù)據(jù)，井斜角和方位角計算單元10根 據(jù)XYZS軸高精度測磁數(shù)據(jù)及探管的重力和姿態(tài)數(shù)據(jù)計算得到井斜角與方位角，相對距離 和相對方位計算單元11根據(jù)XYZ =軸高精度測磁數(shù)據(jù)和測磁濾波數(shù)據(jù)進行投影處理得到套 管相對于探管的相對距離與相對方位，指導(dǎo)救援井的鉆進工作。
[0063] 下面W具體實施實例進一步說明采用本發(fā)明全向靜磁場救援井隨鉆定位系統(tǒng)中 應(yīng)用的=維軌跡定位方法對目標(biāo)物體定位的計算過程和結(jié)果。
[0064] 如圖5a所示，高精度磁通口傳感器置于空間點（0,0,0)，被救援井套管（圖中方塊 所示）由圖中A點向B點運動。其中，AB段救援井套管a運動速度為0.501m/s，整個過程持續(xù)時 間為20s。W20S時的定位為例，救援井套管a的理論位置和速度為（10.04,0.104)，相對與被 救援井的距離為R=l〇.3m，在鉆進軌跡上行進距離為10.8m。此時存儲的磁場數(shù)據(jù)時間點范 圍1~20,運一段時間的鉆進軌跡進行預(yù)測。將20段數(shù)據(jù)依次進行Kalman濾波，計算其在軌 跡上的行進狀態(tài)。濾波結(jié)果如圖6所示，從圖6中可W看出，Kalman濾波后輸出的救援井套管 a的軌跡與測量值的劇烈波動相比，Kalman濾波估計輸出的方差降低到測量值方差的10% W下，具有更高的定位精度。將Kalman濾波器輸出的結(jié)果帶入最小二乘法的超定方程組中 解得其距離R = 9.8m，在鉆進軌跡上行進距離為10.23m，有效提高了定位精度。
[0065] 上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都 是可W有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除 在本發(fā)明的保護范圍之外。
【主權(quán)項】
1. 一種全向靜磁場救援井隨鉆定位方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 井下測量探管前端設(shè)置有三軸高精度磁通門傳感器、三軸加速度傳感器和三軸陀螺 儀； 2) 下井前利用三軸高精度磁通門傳感器測量受鉆頭影響下的地磁場場強矢量； 3) 當(dāng)救援井傾斜階段任務(wù)開始后，MWD探管根據(jù)三軸高精度磁通門傳感器獲得的磁場 測量數(shù)據(jù)，結(jié)合三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器姿態(tài)傳感器得到的探管自身的加速度和姿 態(tài)信息，對傾斜階段獲得的每一組被救援井套管磁場測量值分別進行空間投影運算，獲得 被救援井套管磁場在水平面沿救援井鉆進方向和垂直于鉆進方向的磁場分量強度數(shù)據(jù)； 4. MWD的探管逐漸向前進近，重復(fù)步驟3)進行多次測量，將獲得多次空間投影后的被救 援井套管的磁場分量強度數(shù)據(jù)進行最小二乘運算，得到此時鉆進探管相對于被救援井套管 的空間位置； 5) 將MWD的探管相對于被救援井套管的每一組位置坐標(biāo)均作為測量值，結(jié)合已知由鉆 頭運動狀態(tài)得到的估計值，通過Kalman濾波器進行濾波，得到救援井鉆井過程中相對于被 救援井的精確空間位置。2. 如權(quán)利要求1所述一種全向靜磁場救援井隨鉆定位系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟3)對 傾斜階段獲得的每一組被救援井套管磁場測量值分別進行空間投影運算獲得被救援井套 管磁場在水平面沿救援井鉆進方向和垂直于鉆進方向的磁場分量強度數(shù)據(jù)： Bt = Bz cosa+By sina Br = Bx 式中，Bt為被救援井套管磁場在水平面沿鉆進方向的磁場分量強度投影，Br為被救援井 套管磁場在水平面垂直于鉆進方向的磁場分量強度投影，a為井斜角，Bx、By和Bz為任意時刻 磁通門傳感器測量得到的x、y和z方向的磁場矢量值。3. 如權(quán)利要求2所述一種全向靜磁場救援井隨鉆定位系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟4)將 獲得多次空間投影后的被救援井套管的磁場分量強度數(shù)據(jù)進行最小二乘運算，得到此時鉆 進探管相對于被救援井套管的空間位置的具體過程為： 假設(shè)以鉆進方向為t軸正方向，垂直鉆進方向為r軸正方向，投影平面上被救援井套管 位置為(to，R)，軌跡上一點i的坐標(biāo)為（^，0)，減去地磁后，在點i處測得的磁場分量為Bt>1， Br,:，由于在該平面內(nèi)去掉地磁場后，投影平面上被救援井套管磁場均指向或者背離套管所 在位置(to，R)，則：Br，it『Bt，iR = Br，iti 對于鉆進軌跡上一系列的點i = 1，K，N，有超定方程組：根據(jù)上式通過被救援井套管坐標(biāo)的最小二乘解進而求得二維平面內(nèi)套管端部相對于 鉆進軌跡的方位坐標(biāo)，即確定了此時鉆進探管相對于被救援井套管的空間位置。4. 一種實現(xiàn)如權(quán)利要求1~3任一項所述定位方法的全向靜磁場救援井隨鉆定位系統(tǒng)， 其特征在于，該定位系統(tǒng)包括井下測量探管和地面計算單元，井下測量探管前端設(shè)置有三 軸高精度磁通門傳感器、三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、A/D轉(zhuǎn)換與放大電路、激勵電路和 井下時鐘；地面計算單元包括重力加速度和姿態(tài)單元、高精度測磁數(shù)據(jù)單元、Kalman濾波 器、井斜角和方位角計算單元和相對距離和相對方位計算單元； 三軸高精度磁通門傳感器用于測量磁場數(shù)據(jù)，并將測量得到的磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信， 三軸加速度傳感器用于測量XYZ三個方向的加速度數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成電信號，三軸陀螺儀 用于測量探管自身的姿態(tài)信息，三軸高精度磁通門傳感器、三軸加速度傳感器和三軸陀螺 儀將獲取的數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換器與放大電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和放大后發(fā)送到激勵電路，激勵電 路對所有采樣數(shù)據(jù)信息進行處理，并從井下向上發(fā)送至地面控制單元，井下的整個數(shù)據(jù)采 集和處理過程由井下時鐘控制信號處理的時序； 高精度測磁單元用于獲取井下探管的高精度測磁數(shù)據(jù)，重力加速度和和姿態(tài)單元用于 獲取探管的重力和姿態(tài)數(shù)據(jù)，Kalman濾波器用于對高精度測磁數(shù)據(jù)進行濾波獲得測磁濾波 數(shù)據(jù)，井斜角和方位角計算單元根據(jù)高精度測磁數(shù)據(jù)及探管的重力和姿態(tài)數(shù)據(jù)計算得到井 斜角與方位角，相對距離和相對方位計算單元將高精度測磁數(shù)據(jù)和測磁濾波數(shù)據(jù)進行投影 處理得到套管相對于探管的相對距離與相對方位。5. 如權(quán)利要求4所述的全向靜磁場救援井隨鉆定位系統(tǒng)，其特征在于，三軸高精度磁通 門傳感器是指測磁靈敏度高于O.lnT磁通門傳感器。
【文檔編號】E21B47/13GK106050223SQ201610580007
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月21日 公開號201610580007.4, CN 106050223 A, CN 106050223A, CN 201610580007, CN-A-106050223, CN106050223 A, CN106050223A, CN201610580007, CN201610580007.4
【發(fā)明人】李峰飛, 張超, 蔣世全, 趙宇飛, 郝希寧, 吳虹, 竹夢圓, 王宇, 何玉發(fā), 姜智博, 高飛
【申請人】中國海洋石油總公司, 中海油研究總院