專利名稱：一種鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)，屬于地下資源鉆采工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在石油、天然氣及煤層氣開采中，雙水平井、定向井及加密井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，要求 對鄰井距離進(jìn)行隨鉆精確探測。目前，國內(nèi)普遍使用的隨鉆測量工具不能直接測量鄰井距 離，因而難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鄰井距離隨鉆探測的特殊要求。另外，國外雖已研制出能夠基 本滿足以上要求的隨鉆電磁引導(dǎo)系統(tǒng)，但其核心技術(shù)仍被保密和壟斷。因此，本發(fā)明者特研 究設(shè)計了 “一種鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)”，本發(fā)明無需鉆頭有一定的進(jìn)尺就可以精 確探測計算鄰井平行間距，因此可以在較短的時間內(nèi)完成測量；而且數(shù)據(jù)分析計算程序可 以放到井下，只將計算后少量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面，節(jié)約了數(shù)據(jù)發(fā)送時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要技術(shù)問題是提供一種鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)，它能為雙水 平井、定向井及加密井等提供一種有效的探測與控制手段。為了隨鉆探測鄰井平行段的間距和相對方位，本發(fā)明提供了 一種隨鉆電磁探測系 統(tǒng)，其特征在于主要包括一個磁短節(jié)、一個井下雙磁傳感器測量儀、鄰井平行間距計算系 統(tǒng)及地面顯示系統(tǒng)，其中所述磁短節(jié)(本發(fā)明者已申請了相關(guān)專利，申請?zhí)?009102100770)，是由無磁鉆 鋌以及若干永磁鐵等組成的兩端帶有API標(biāo)準(zhǔn)口型的中空圓柱體，其主要作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 磁場，是該電磁探測系統(tǒng)的信號源。在使用時，將磁短節(jié)直接跟在鉆頭后面。所述井下雙磁傳感器測量儀，主要由井下雙磁傳感器探管及地面系統(tǒng)組成。井下 雙磁傳感器探管主要包括兩個交變磁場傳感器、一個磁通門傳感器、一個加速度傳感器及 鄰井平行間距計算系統(tǒng)等，其主要作用是檢測磁短節(jié)的磁矢量信號，并將兩組磁信號數(shù)據(jù) 傳到微控制器中，經(jīng)鄰井平行間距計算系統(tǒng)，將鄰井平行段相對位置信息轉(zhuǎn)化為工程師可 讀數(shù)據(jù)。然后，將計算數(shù)據(jù)發(fā)送到地面系統(tǒng)。所述鄰井平行間距計算系統(tǒng)(其算法另作專利申請)，該算法固化到井下測量儀 的微控制器中，主要是根據(jù)傳感器和處理電路得到的磁信號數(shù)據(jù)，計算磁短節(jié)到井下雙磁 傳感器測量儀的相對位置，從而得到鄰井平行段的相對空間位置。然后，將計算所得的少量 有用數(shù)據(jù)發(fā)送到地面顯示系統(tǒng)，無需將探測的磁信號數(shù)據(jù)全部發(fā)送到地面，從而節(jié)約了數(shù) 據(jù)從井下到地面的發(fā)送時間。所述的地面顯示系統(tǒng)，主要是將接收到的井下發(fā)送數(shù)據(jù)，以數(shù)字、文字及圖形的形 式顯示鄰井平行段的相對空間位置。鉆井工程師可以根據(jù)這此數(shù)字、文字及直觀的圖形，結(jié) 合傳統(tǒng)的MWD數(shù)據(jù)，有效地控制鉆頭運動軌跡，以便精確控制鄰井平行段以一定間距鉆進(jìn)。進(jìn)一步地，上述鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)還可具有以下特點所述雙磁傳感器測量儀主要由井下雙磁傳感器探管和地面系統(tǒng)組成，其特征在于井下雙磁傳感器探管是一個兩端封閉的金屬外殼，在殼體里面主要有傳感器模塊、微控制器模塊、電纜驅(qū)動模 塊、電源模塊等模塊；地面系統(tǒng)主要由電纜驅(qū)動模塊、微控制器模塊、計算機(jī)接口模塊、電源 模塊等構(gòu)成進(jìn)一步地，所述井下雙磁傳感器探管中的傳感器組模塊包括兩個三軸高精度交變 磁場傳感器、一個三軸磁通門傳感器、一個三軸加速度傳感器和一個溫度傳感器。其主要功 能是檢測永磁短節(jié)的磁場矢量、地磁矢量、重力加速度以及井下溫度，為后續(xù)微處理器中的 算法提供數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算鄰井平行間距的相關(guān)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，所述兩個三軸高精度交變磁場傳感器，分別位于井下雙磁傳感器探管 的兩端，相隔一定距離，且這個距離是已知的；兩個三軸高精度交變磁場傳感器在雙磁傳感 器探管中平行安置。進(jìn)一步地，所述交變磁場傳感器是用來檢測旋轉(zhuǎn)永磁短節(jié)的磁矢量。所述磁通門 傳感器是用來檢測地磁場的磁矢量。所述重力加速傳感器是用來檢測井下雙磁傳感器探管 所在位置的重力加速度的方向及大小。所述溫度傳感器是檢測井下雙磁傳感器探管所在位 置的井下溫度。進(jìn)一步地，所述井下雙磁傳感器探管中的微控制器模塊由一片單片機(jī)、鄰井平行 間距計算系統(tǒng)及其外圍電路構(gòu)成，用于采集傳感器組模塊輸出的磁場、重力加速度以及溫 度數(shù)據(jù)，并通過固化在單片機(jī)中的鄰井平行間距計算系統(tǒng)得到鄰井平行段的相對空間位置 數(shù)據(jù)，然后將這些計算數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以便于發(fā)送。進(jìn)一步地，所述外圍電路主要有多路模擬開關(guān)電路、V-F變換電路和編碼開關(guān)電 路。多路模擬開關(guān)電路由16路模擬開關(guān)芯片⑶4067、運放電壓跟隨電路、濾波電路組成。 開關(guān)輸入通道分配給3個磁通門傳感器測量電路輸出、3個加速度計測量電路輸出、溫度傳 感器測量電路輸出、電壓基準(zhǔn)等。通道選擇由CPU通過Pl 口控制。⑶4067模擬開關(guān)輸出接 運算放大器兩級電壓跟隨及阻容濾波電路；V-F變換電路以AD650為核心，通過調(diào)節(jié)AD650 外圍滿量程電位器，使?jié)M量程IOV輸入時輸出頻率為200K，便于單片機(jī)采集和處理；編碼開 關(guān)電路以16位編碼開關(guān)為核心，16為編碼開關(guān)位置決定雙磁傳感器探管的工作模式，其中 方式1到方式8用于井下雙磁傳感器探管和地面系統(tǒng)的通信，另外添加方式9，方式A，方式 B三種方式用于井下雙磁傳感器探管的測試與設(shè)置。進(jìn)一步地，所述井下雙磁傳感器探管中的電纜驅(qū)動模塊主要由變壓器及其驅(qū)動電 路構(gòu)成。測井電纜通過四芯插座連接到變壓器上，一方面為井下雙磁傳感器探管提供工作 電源，另一方面也作為信號傳輸?shù)耐ǖ?。進(jìn)一步地，所述井下雙磁傳感器探管中的電源模塊主要由整流電路、穩(wěn)壓電路構(gòu) 成。進(jìn)一步地，所述穩(wěn)壓電路由LM7812和LM7805分別提供12V及5V電壓為井下雙磁 傳感器探管各個電路模塊及傳感器供電。進(jìn)一步地，所述井下雙磁傳感器探管中的所有傳感器和電路模塊都固定在金屬骨 架上，用塑封膠將所有傳感器及電路進(jìn)行塑封，并固定在圓柱形外殼里面。雙磁傳感器探管 通過四芯插座向地面發(fā)送信號和接受交流電源供電。進(jìn)一步地，所述地面系統(tǒng)中的電纜驅(qū)動模塊與井下雙磁傳感器探管中的電纜驅(qū)動模塊相同。進(jìn)一步地，所述地面系統(tǒng)中的微控制器模塊主要由MD87C52、54HC373、MD27C128、AT24C16組成，其主要功能是將電纜傳送來的信號解碼并重新編碼后發(fā)送給地面系統(tǒng)中的計算機(jī)接口模塊。進(jìn)一步地，所述地面系統(tǒng)中的計算機(jī)接口模塊主要由RS-232變換電路構(gòu)成，其核心芯片是MAX232。其主要功能是對微控制器模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行電平變換，以連接到計機(jī)的串口。進(jìn)一步地，所述地面系統(tǒng)中的電源模塊主要由電源變壓器、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路構(gòu)成。進(jìn)一步地，電源變壓器使用220V轉(zhuǎn)46V/12V、IOOff的交流工頻變壓器。進(jìn)一步地，穩(wěn)壓電路由LM7805和大容量濾波電容構(gòu)成。本項發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，無需鉆頭有一定的進(jìn)尺就可以精確探測計算鄰井平行間距，因此可以在較短的時間內(nèi)完成測量；而且數(shù)據(jù)分析計算程序可以固化到井下雙磁傳感器探管中，只將計算后少量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面，節(jié)約了數(shù)據(jù)發(fā)送時間。本項發(fā)明為鄰井平行間距控制提供了精度測量，比現(xiàn)在普通使用的隨鉆測量工具(MWD)具有更高精度的導(dǎo) 向作用。


圖1是本發(fā)明鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)在雙水平井中工作示意圖。圖2是井下雙磁傳感器探管內(nèi)部傳感器軸線方向排列示意圖。圖3是井下雙磁傳感器探管功能模塊圖。圖4是本發(fā)明鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)在定向井中工作示意圖。圖中1正鉆井2已鉆井 3鉆井塔 4電纜5鉆頭6磁短節(jié)7井下雙磁傳感器探管8地面設(shè)備61磁力線71三軸高精度交變磁場傳感器72三軸高精度交變磁場傳感器73三軸重力加速度傳感器 74三軸高精度磁通門傳感器
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。如圖1所示，鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)的硬件主要由磁短節(jié)、井下雙磁傳感器探管、地面設(shè)備等組成。磁短節(jié)和鉆頭安裝在一起，隨著鉆頭被下入正鉆井中。磁短節(jié)既是鉆桿的一部分，同時也是鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)的信號源，在工作中磁短節(jié)通常被安裝在距離鉆頭的最近鉆鋌上，在鉆進(jìn)過程中，磁短節(jié)的位置可以近似的認(rèn)為就是鉆頭的位置。井下雙磁傳感器探管用有線電纜通過鉆桿或爬行器被下到預(yù)先鉆好的水平井中，雙磁傳感器探管的中點近似正對上方正鉆井中的磁短節(jié)。井下雙磁傳感器探管是井下雙磁傳感器測量儀的一部分，井下雙磁傳感器測量儀的主要作用是檢測磁短節(jié)的磁矢量信號，并將兩組磁信號數(shù)據(jù)傳到微處理器中，經(jīng)鄰井平行間距計算系統(tǒng)，得到鄰井平行段的相對空間位置，然后，將計算數(shù)據(jù)發(fā)送到地面顯示系統(tǒng)。地面設(shè)備是所述地面顯示系統(tǒng)的計算機(jī)、井下雙磁傳感器測量儀的地面接口箱、信號遠(yuǎn)程發(fā)射調(diào)制器和絞車等組成的一個軟硬件平臺，放置在地面，其主要功能是接受雙磁傳感器探管傳輸上來的數(shù)字信息，并通過數(shù) 字、文字和圖形的形式將接收到的數(shù)字信息還原成鉆井工程師可以識別的信息。磁短節(jié)由無磁鉆鋌、永久性磁鐵和孔用卡環(huán)組成，本發(fā)明者已申請了相關(guān)專利 (申請?zhí)?009102100770)，在此不再贅述。井下雙磁傳感器探管主要由傳感器組和鄰井平行間距計算系統(tǒng)等組成。井下雙磁 傳感器探管的傳感器組包括兩個三軸高精度交變磁場傳感器、一個三軸磁通門傳感器、一 個三軸高精度重力加速度傳感器和一個溫度傳感器。其中一個交變磁場傳感器、磁通門傳 感器、重力加速度傳感器和溫度傳感器安裝在雙磁傳感器探管下部，另一個交變磁場傳感 器安裝在雙磁傳感器探管上部，而且兩交變磁場傳感器的間距已知。兩交變磁場傳感器、磁 通門和加速度傳感器均為三軸傳感器，其軸線方向排列如圖2所示，四個傳感器的Z軸與雙 磁傳感器探管軸線重合，X軸和Y軸垂直于雙磁傳感器探管軸線；四個傳感器的X軸位于同 一個平面上，且相互平行，Y軸的情況與此相同。井下雙磁傳感器探管的功能模塊如圖3所示。由激勵電路為各傳感器、放大器提 供電源，各傳感器檢測到的傳號經(jīng)多級放大，輸出到多路傳輸電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，將 檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后，將數(shù)字信號傳到微處理器中，經(jīng)過鄰井平行間距 計算系統(tǒng)和其它算法得到鄰井平行段的相對空間位置數(shù)字、方位角和井斜角等數(shù)據(jù)，微處 理器將此數(shù)據(jù)發(fā)送到電纜驅(qū)動電路，通過測井電纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面接口箱。地面接口箱與測井電纜相連，將電纜上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以識別的數(shù)據(jù) 后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面顯示系統(tǒng)，地面顯示系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理、整合后，通過合適的算 法，將數(shù)據(jù)以數(shù)字、文字和直觀的圖形等形式顯示給鉆井工程師。如圖4所示，是鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)在定向井中的工作示意圖，其工 作原理與在雙水平井的工作原理類似。一般隨鉆測量儀器傳感器安裝的位置距離鉆頭較遠(yuǎn)處，其檢測到的井眼軌跡數(shù)據(jù) 不能實時反映鉆頭的精確位置，在雙水平井、定向井和加密井等中很難達(dá)到預(yù)期的測控效 果。本發(fā)明中，磁短節(jié)安裝在距離鉆頭最近的位置，雙磁傳感器探管檢測到的磁短節(jié)的位置 就是鉆頭的位置，所以只要精確控制磁短節(jié)的位置，就可以控制鉆頭的空間位置。本發(fā)明的 提出，無需鉆頭有一定的進(jìn)尺就可以精確探測計算鄰井平行間距，因此可以在較短的時間 內(nèi)完成測量；而且信號分析和鄰并平行間距計算程序可以放到井下，只將計算后少量數(shù)據(jù) 發(fā)送到地面，節(jié)約了數(shù)據(jù)發(fā)送時間。本發(fā)明為鄰井平行段的間距控制提供了一種導(dǎo)向精度 高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的隨鉆測量工具。
權(quán)利要求
一種鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要由磁短節(jié)、井下雙磁傳感器測量儀、鄰井平行間距計算系統(tǒng)及地面顯示系統(tǒng)等組成。
2.如權(quán)利要求1所述的井下雙磁傳感器測量儀，其特征在于，由井下雙磁傳感器探管、 測井電纜及地面接口箱組成。
3.如權(quán)利要求2所述的井下雙磁傳感器探管，其特征在于，由傳感器組、金屬骨架、無 磁金屬外殼、及電路組成。
4.如權(quán)利要求2所述的井下雙磁傳感器探管，其特征在于，在井下雙磁傳感器探管中 有一個高精度的傳感器組，由兩個三軸交變磁場傳感器、三軸磁通門傳感器、三軸重力加速 度傳感器和溫度傳感器構(gòu)成，能檢測井下雙磁傳感器探管所在位置的重力場、地磁場強(qiáng)度、 磁短節(jié)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度和井下溫度。
5.如權(quán)利要求2所述的井下雙磁傳感器探管，其特征在一，傳感器固定在金屬骨架上 和無磁金屬外殼內(nèi)。一個三軸交變磁場傳感器、三軸磁通門傳感器、三軸重力加速度傳感器 和溫度傳感器安裝在雙磁傳感器探管下部，另一個三軸交變磁場傳感器安裝在雙磁傳感器 探管上部，兩交變磁場傳感器的間距已知。
6.如權(quán)利要求2所述的井下雙磁傳感器探管，其特征在于，井下雙磁傳感器探管包含 傳感器模塊、微控制器模塊、電纜驅(qū)動模塊、電源模塊等功能模塊。
7.如權(quán)利要求6所述的井下雙磁傳感器探管內(nèi)的微控制器模塊，其特征在于，能利用 檢測到的磁場強(qiáng)度信號，通過固化在單片機(jī)上的鄰井平行間距計算系統(tǒng)，得到鄰井平行段 的相對空間位置數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求2所述的地面接口箱，其特征在于，能通過測井電纜與井下雙磁傳感器 探管相連，讀取由雙磁傳感器探管發(fā)送的數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求2所述的地面接口箱，其特征在于，讀出的鄰井平行段相對空間位置數(shù) 據(jù)通過RS-232接口發(fā)送到計算機(jī)。
10.如權(quán)利要求1所述的地面顯示系統(tǒng)，其特征在于，能通過合適的算法，以數(shù)字、文字 及圖形的形式將鄰井平行段的相對空間位置顯示給鉆井工程師。
全文摘要
一種鄰井平行間距隨鉆電磁探測系統(tǒng)，能為雙水平井、定向井、加密井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的井眼軌跡控制提供精確的導(dǎo)向測量與計算。該系統(tǒng)主要由磁短節(jié)、井下雙磁傳感器測量儀、鄰井平行間距計算系統(tǒng)及地面顯示系統(tǒng)等組成。本發(fā)明的井下雙磁傳感器測量儀中包括兩個高精度交變磁場傳感器，可以檢測到兩組旋轉(zhuǎn)磁場信號，無需鉆頭有一定的進(jìn)尺就可以精確探測計算鄰井平行間距，因此可以在較短的時間內(nèi)完成測量；而且數(shù)據(jù)分析計算程序可以放到井下，只將計算后少量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面，節(jié)約了數(shù)據(jù)發(fā)送時間。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，為鄰井平行間距的隨鉆探測與控制提供了一個有效的高新技術(shù)手段。
文檔編號G01V3/30GK101799558SQ20101012755
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者刁斌斌, 吳志永, 高德利 申請人:中國石油大學(xué)(北京)