CN113356763B - 一种在套管内实现空间连通的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种在套管内实现空间连通的方法，包括步骤：计算套管的屏蔽系数K；采集数据，计算井斜、重力工具面、陀螺工具面和方位角；对交流磁信号去零点偏置；用窗函数对交流磁信号进行滤波，得到去除干扰后的交流磁场数据；根据交流磁场数据计算得到实际磁场和；对实际磁场和进行频谱校正获得实际磁场和的幅度FA和相位PA；计算钻头和探棒的相对位置；根据相对位置进行坐标转换得到钻头的直角坐标；在套管内实现空间连通的系统可以在套管内引导钻头准确的将两个空间连通，提高空间连通的准确性。

Description

一种在套管内实现空间连通的方法和系统

技术领域

本申请涉及空间连通领域，尤其是涉及一种在套管内实现空间连通的方法和系统。

背景技术

在生产石油、煤矿或盐井的使用过程中，可能会存在一些已经下过套管的老井，现在需要将这些已经下过套管的老井加以利用，将已经下套管的井和其他井眼连通。相关技术采用随钻测量技术来测量钻头和被连通的目标井之间的相对位置。

随钻测量通过井深、井斜、方位计算井眼坐标，并利用两口井眼的坐标数据计算相对位置，当目标井内安装有套管时，套管对磁信号产生干扰，影响方位测量精度，同时存在累积误差的影响，用随钻测量技术在套管内实现两个井的连通时精度不高。

针对上述中的相关技术，发明人认为相关技术在套管内实现两个井的连通时精度不高。

发明内容

为了提高在套管内进行空间连通的精度，本申请提供了一种在套管内实现空间连通的方法：包括步骤：

计算套管的屏蔽系数K；

采集数据，计算井斜、重力工具面、陀螺工具面和方位角；

对交流磁信号去零点偏置；

用窗函数对交流磁信号进行滤波，得到去除干扰后的交流磁场数据；

根据交流磁场数据计算得到实际磁场和；

对实际磁场和进行频谱校正获得实际磁场和的幅度FA和相位PA；

计算钻头和探棒的相对位置；

根据相对位置进行坐标转换得到钻头的直角坐标。

通过采用上述技术方案，本申请的技术方案中，探棒内设置有陀螺仪，陀螺仪测量探棒的方位角，以确定探棒的姿态。再根据探棒和钻头的相对位置进行坐标转换得到钻头的直角坐标，通过直角坐标对钻头进行定位，实现对钻头的准确引导，提高对钻头的引导精度。

优选的，所述计算套管的屏蔽系数K，具体为：

将套管放置在被检测的位置，探棒放置在套管内检测到的磁信号幅度K1。

去除套管后，探棒在被检测的位置处检测到的磁信号幅度K2。

套管屏蔽系数

通过采用上述技术方案，根据K1和K2的比值确定套管的屏蔽系数，从而确定套管对磁信号的影响。根据套管屏蔽系数，结合探棒检测到的交流磁信号数据，可以确定实际的交流磁信号数据，进而计算得到实际磁场和，提高交流磁信号的检测精度。

优选的，所述采集数据，具体为：

将钻头的工具面转到特定位置，探棒分别在钻头静止和钻头旋转时采集实时数据，所述实时数据包括磁信号数据和非信号数据；

滤波器按照磁信号的频率对所述实时数据进行滤波处理，去除所述实时数据内的非信号数据，得到磁信号数据并保存；

所述计算井斜、重力工具面、陀螺工具面和方位角，具体为：

重力加速度g在X轴、Y轴、Z轴上的重力场分量分别是g_x、g_y、g_z，陀螺进动矢量在X轴、Y轴、Z轴上的分量分别是w_x、w_y和w_z；

井斜角α,

重力工具面θ_g，

陀螺工具面θ_w，

方位角a，

-探棒所处位置处的地理纬度。

通过采用上述技术方案，信号的频率和非信号数据的频率是不同的，滤波器可以采用带通滤波器，按照信号的频率将采集的数据中的非信号部分的数据过滤掉，去除杂质信号，提高信号的纯度。

优选的，所述对交流信号去零点偏置，具体为：

datn＝data-mean(data) (6)；

其中，mean(data)表示电路的零点偏置数据，data是三轴磁通门传感器分别在X轴、Y轴和Z轴上采集到的交流磁场数据。

通过采用上述技术方案，通过去除零点偏置，去除电路的直流偏置点。

优选的，根据交流磁场数据计算得到实际磁场和，具体为：

在套管内，三轴磁通门传感器检测到交流磁场在X轴、Y轴和Z轴上的磁场分量去零点偏置后分别为A_x'、A_y'和A_z'，K为套管屏蔽系数，min(At)表示获取实际磁场和的最小值：

At'＝At/min(At)(9)；At'为处理后的实际磁场和。

通过采用上述技术方案，钻头旋转后产生磁场，三轴磁通门传感器在套管内检测该磁场在被检测位置处在X轴、Y轴、Z轴上的分量，结合套管的屏蔽系数K，依据公式(7)、(8)、(9)得到磁场实际值At，从而在套管内准确测量实际磁场和。

优选的，对实际磁场进行频谱校正获得实际磁场和的幅度FA和相位PA，具体为：采用离散频谱校正能量重心法获得处理后的实际磁场和At'的幅度FA和相位PA。

通过采用上述技术方案，通过离散频谱校正能量重心法得到实际磁场和At的幅度FA和相位PA，提高了离散频谱的分析精度。

优选的，所述计算钻头和探棒的相对位置，具体为：

探棒的球坐标为r、的计算公式如下：

θ采用如下公式(12)或公式(13)：

θ＝-PA/2 (12)；

在公式(10)、(11)、(12)中，M表示磁矩；FA表示处理后的实际磁场和的幅度；PA表示处理后的实际磁场和的相位；min(At)表示实际磁场和的最小值；

r表示钻头和探棒的直线距离；

表示空间角，θ表示投影角；

将磁场在3个坐标轴上产生的磁场分量，从探棒坐标系转换到钻头坐标系，对钻头坐标系内的磁场分量数据进行傅里叶变换得到磁场分量在X、Y、Z三个坐标轴上的幅度a_x、a_y、a_z和相位，将获得的磁场分量在X、Y轴上的相位减去磁场分量在Z轴上的相位结果分别记录为其中，以Z轴为参考信号，Z轴相位为0。

通过采用上述技术方案，在球坐标系内确定探棒和钻头的相对位置，包括探棒和钻头之间的直线距离，以及探棒和钻头之间的相对角度，为调整钻头的钻进方向和钻进距离提供准确的数据依据，提高引导钻头准确性，提高两个空间连通的准确性。

优选的，根据球坐标系和直角坐标系的关系，根据相对位置进行坐标转换得到钻头的直角坐标：

通过采用上述技术方案，通过直角坐标和球坐标的转换，在直角坐标系内确定钻头的直角坐标，确定探棒和钻头的相对位置，为调整钻头的钻进方向和钻进距离提供数据依据，提高两个空间连通时钻进的精度。

第二方面，一种在套管内实现空间连通的系统，包括钻头；钻头上固定有磁铁，所述磁铁旋转产生交流磁信号；

所述在套管内实现空间连通的系统还包括通信连接的探棒、司钻显示器和计算机；所述探棒包括三轴陀螺仪、三轴重力加速度传感器、三轴磁通门传感器和温度传感器；

所述探棒接所述磁铁产生的交流磁信号；

所述在套管内实现空间连通的系统执行所述在套管内实现空间连通的方法以计算钻头和探棒的相对位置，引导钻头将两个空间连通。

通过采用上述技术方案，探棒被放置在套管内后，三轴陀螺仪的进动矢量在X轴、Y轴、Z轴上的分量w_x、w_y和w_z，三轴陀螺仪的进动矢量不受套管的影响，根据三轴陀螺仪的进动矢量准确的计算方位角以确定探棒的姿态。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

(1)本申请的技术方案，三轴陀螺仪被放置在套管内后，三轴陀螺仪的进动矢量在X轴、Y轴、Z轴上的分量分别为w_x、w_y和w_z，三轴陀螺仪的进动矢量不受套管的影响，根据三轴陀螺仪的进动矢量准确的计算方位角以确定探棒的姿态。

钻头的姿态由钻头后的随钻仪器提供，通过计算方位角确定探棒姿态，在确定探棒和钻头的姿态之后，通过坐标转换可以将探棒采集到的交流磁场数据转换到钻头坐标系，利用磁场公式准确的确定探棒和钻头的相对位置，从而准确的引导钻头，提高钻头打孔精度，提高两个空间连通的精度。

(2)本申请的在套管内实现空间连通的系统，通过采集旋转磁铁产生的交流信号，利用磁场原理计算钻头与目标靶点间的相对方位以及探测钻头到目标井的相对距离，使用旋转磁铁定位技术进行相对位置测量时，每次测量都是独立进行的，每次测量的误差都是测量时的单点测量误差，误差不传播不积累，不会随着钻进的进行和井深的增加产生累积误差。

附图说明

图1是本申请的实施例1的在套管内实现空间连通的方法的流程图。

图2是本申请的实施例1的采集数据的流程图。

图3是本申请的实施例2的在套管内实现空间连通的系统的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-3及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

相关技术进行钻井时，井内设置的套管会对钻头端发射的磁信号产生屏蔽，探棒检测磁信号的精度方面受到套管的影响，导致探棒不能准确检测到钻头的位置，不能准确的确定探棒和钻头的相对位置，影响到空间连通的精度。相关技术根据磁力场在3个坐标轴的分量计算探棒的方位角，在测量时由于套管影响到磁力测量，最终影响到方位角的确定，影响到准确确定位钻头和探棒的相对位置。

实施例1

参照图1和图2，本实施例公开了一种在套管内实现空间连通的方法，包括步骤：

步骤S1：计算套管的屏蔽系数K具体为：

将套管放置在被检测的位置，探棒放置在套管内检测到的磁信号幅度K1。

去除套管后，探棒在被检测的位置处检测到的磁信号幅度K2。

套管屏蔽系数

在本实施例中，例如将两个井连通，被连通的老井作为目标井，探棒放置在被连通的目标井内，钻头在新井内旋转，钻头和磁铁接头用螺纹连接在一起，磁铁用卡簧固定在磁铁接头上，磁铁随着钻头旋转产生变化磁场。

在测量套管屏蔽系数K时，在地面上，将探棒放在一个固定的检测位置处，检测到的磁铁旋转产生的磁信号幅度是1。之后，将套管放在检测位置处，将探棒放在该套管内，探棒在套管内检测到的磁铁旋转产生的磁信号幅度是0.3，则套管屏蔽系数K＝0.3/1。

根据实际使用情况，可以分别测量并计算几个长度不同的套管的屏蔽系数，之后取均值作为套管的屏蔽系数，以提高测量得到的套管屏蔽系数的准确性。

步骤S2：采集数据，计算井斜、重力工具面、陀螺工具面和方位角。

其中，所述采集数据具体为：

步骤S11：将钻头的工具面转到特定位置，探棒分别在钻头静止和钻头旋转时采集实时数据，所述实时数据包括磁信号数据和非信号数据。

步骤S12：滤波器按照磁信号的频率对所述实时数据进行滤波处理，去除所述实时数据内的非信号数据，得到磁信号数据并保存。

在本实施例中，特定位置即工具面0位置，即在钻头和磁铁没有转动时钻头的工具面所处的位置。在磁铁静止时，探棒会采集到噪声信号。在磁铁旋转后，探棒在检测到旋转磁铁产生的磁信号的同时，还会接收到磁铁转动时产生的噪声信号。噪声信号和磁信号的频率不同，可以用带通滤波器过滤掉噪声信号，获取到有效的磁信号，从而将有效的磁信号数据保存。

其中，所述计算井斜、重力工具面、陀螺工具面和方位角，具体为：

探棒包括三轴加速度传感器、三轴磁通门传感器和三轴陀螺仪。

用三轴加速度传感器测量得到的重力加速度g在X轴、Y轴、Z轴上的分量分别是g_x、g_y、g_z，用三轴陀螺仪测量得到的陀螺进动矢量在X轴、Y轴、Z轴上的分量分别是w_x、w_y和w_z。

井斜角α,

重力工具面θ_g，

陀螺工具面θ_w，

用陀螺计算方位角a以显示探棒姿态，具体公式为：

方位角a，

-探棒所处位置处的地理维度。

相关技术采用重力加速度g在X轴、Y轴、Z轴上的分量g_x、g_y、g_z和地球磁场H在X轴、Y轴、Z轴上的分量H_x、H_y、H_z计算得到方位角a。

但是，实际应用时由于套管的存在，三轴磁通门传感器在套管里受到套管的影响，用三轴磁通门传感器采集到的H_x、H_y、H_z计算方位角a是不准确的。

步骤S3：对交流磁信号数据去零点偏置，得到去偏置后的交流磁信号数据，具体为：

datn＝data-mean(data)； (6)

其中，mean(data)表示电路的零点偏置数据，data是三轴磁通门传感器分别在X轴、Y轴和Z轴上采集到的交流磁场数据；

在本实施例中，用当前的交流磁场数据减去交流磁场数据的平均值，从而在交流磁场数据中去除零点偏置数据。

步骤S4：用窗函数对交流磁信号数据进行滤波，得到去除干扰后的交流磁场数据；

本实施例中，采用海明窗函数对交流磁信号数据进行滤波，交流磁信号对应一个频率范围，将该频率范围之外的干扰信号过滤掉，得到去除干扰后的交流磁场数据。

步骤S5：根据所述交流磁场数据计算得到实际磁场和具体为：在套管内，三轴磁通门传感器检测到交流磁场在X轴、Y轴和Z轴上的磁场分量分别为A_x'、A_y'和A_z'，套管的屏蔽系数是K。

根据公式(7)计算得到磁场在X轴、Y轴和Z轴上的实际值A_x、A_y、A_z，At是探棒在检测位置处检测到的实际磁场和。

At'＝At/min(At)(9)；At'为处理后的实际磁场和。

在本实施例中，用三轴磁通门传感器在套管内检测磁信号并结合套管的屏蔽系数计算出探棒实际放置位置处的磁场在X轴、Y轴和Z轴上的磁场分量数据Ax、Ay、Az,根据Ax、Ay、Az计算出探棒实际放置位置处的实际磁场和At。按照公式(9)对实际磁场和At处理,将处理后的实际磁场和的范围限定在[1，2]内。

步骤S6：对实际磁场和进行频谱校正获得实际磁场和的幅度FA和相位PA；

本实施例中，采用离散频谱校正能量重心法获得处理后的实际磁场和At'的幅度FA和相位PA。

幅度

相位

K_i是能量恢复系数；Y_i为功率谱第i条谱线值；x₀为主瓣中心；f_s是采样频率；作谱点数为N；主瓣内峰值的谱线号为m；FFT信号的实部位R_m，虚部为I_m。

步骤S7：所述计算钻头和探棒的相对位置，探棒的球坐标为r、的计算公式如下：

对于角度θ,可以参照公式(12)或者公式(13)进行计算，具体如下：

θ＝-PA/2 (12)；

在公式(10)、(11)、(12)中，M表示磁矩；磁信号的幅度FA；磁信号的相位PA；min(At)表示实际磁场和的最小值；r表示钻头和探棒的直线距离；表示空间角，θ表示投影角。

在公式(13)中，将磁场在3个坐标轴上产生的磁场分量，从探棒坐标系转换到钻头坐标系，对钻头坐标系内的磁场分量数据进行傅里叶变换计算得到磁场分量在X、Y、Z三个坐标轴上的幅度a_x、a_y、a_z和相位，将获得的磁场分量在X、Y轴上的相位减去磁场分量在Z轴上的相位结果分别记录为其中，以Z轴为参考信号，Z轴相位为0。

探棒坐标系是：以探棒的轴向为Z轴，探棒的高边方向为X轴，Y轴与X轴和Z轴构成右手坐标系。

钻头坐标系是：以钻头前进方向为Z轴，以水平向上为X轴，水平向右为Y轴。

探棒坐标系和钻头坐标系之间的的坐标转换公式，如下：

步骤S8：根据相对位置进行坐标转换得到钻头的直角坐标。

探棒坐标系和地理坐标系XYZ的转换矩阵为：

其中，a,α,θ_i分别为探棒的方位角、井斜角和工具面角。

钻头端坐标系UVW和地理坐标系XYZ之间的转换矩阵为：

其中，A'，I'钻头上磁铁的方位和井斜角，可以通过近钻头端的随钻测量仪测量得到。

[U V W]^T＝C₂ ^TC₁ ^TC₁ ^-1C₂ ^-1C₃ ^-1[x y z]^T(23)

将探头端测量的磁场分量按照(21)、(22)、(23)进行转换，将转换的结果按照公式(13)计算投影角θ。

根据钻头和探棒的直线距离r，空间角投影角θ计算得到钻头的直角坐标：

根据公式(14)、(15)、(16)可以计算得探棒的直角坐标到x、y和z。

在本实施例中，用陀螺的进动矢量在X轴、Y轴、Z轴上的分量w_x、w_y和w_z和重力加速度g在X轴、Y轴、Z轴上的分量g_x、g_y、g_z计算方位角a。

三轴加速度传感器和三轴陀螺仪不受套管的影响，测量得到的g_x、g_y、g_z以及w_x、w_y和w_z的准确性不受套管影响，从而可以准确计算出方位角a，可以准确的确定探棒的姿态。

根据公式(10)、(11)、(12)或者(13)确定探棒和钻头的相对位置之后，以及根据公式(5)确定探棒的姿态之后，按照公式(21)、(22)、(23)进行坐标转换，通过坐标转换可以准确确定钻头的直角坐标。

通过确定钻头的直角坐标，从而准确的引导钻头，提高钻头打孔精度，提高两个空间连通的精度。

通过r可以确定钻头和探棒之间的直线距离。通过角度θ和角度确定钻头和探棒之间的方位关系。将钻头按照角度θ和角度调整钻进的方向，将钻头按照距离r钻进，确保钻头准确的钻进到探棒所在的目标井，实现在套管内引导钻头准确的连通目标井，提高空间连通的精度。

实施例2，参照图3，本实施例提供一种在套管内实现空间连通的系统，包括钻头1；钻头1上固定有磁铁，所述磁铁旋转产生交流磁信号。所述在套管内实现空间连通的系统还包括通信连接的探棒、司钻显示器6和计算机7；所述探棒包括三轴陀螺仪2、三轴重力加速度传感器3、三轴磁通门传感器4和温度传感器5。

所述探棒接所述磁铁产生的交流磁信号。所述在套管内实现空间连通的系统执行所述在套管内实现空间连通的方法以计算钻头1和探棒的相对位置，引导钻头将两个空间连通。

探棒将采集的数据及时发送到司钻显示器6和计算机7，司钻显示器6实时显示接收的数据。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (3)

1.一种在套管内实现空间连通的方法，其特征在于，包括步骤：

计算套管的屏蔽系数K；

采集数据，计算井斜、重力工具面、陀螺工具面和方位角；

对交流磁信号去零点偏置；

用窗函数对交流磁信号进行滤波，得到去除干扰后的交流磁场数据；

根据交流磁场数据计算得到实际磁场和；

对实际磁场和进行频谱校正获得实际磁场和的幅度FA和相位PA；

计算钻头和探棒的相对位置；

根据相对位置进行坐标转换得到钻头的直角坐标；

其中，所述计算套管的屏蔽系数K，具体为：

将套管放置在被检测的位置，探棒放置在套管内检测到的磁信号幅度K1；

去除套管后，探棒在被检测的位置处检测到的磁信号幅度K2；

套管屏蔽系数

其中，所述采集数据，具体为：

将钻头的工具面转到特定位置，探棒分别在钻头静止和钻头旋转时采集实时数据，所述实时数据包括磁信号数据和非信号数据；

滤波器按照磁信号的频率对所述实时数据进行滤波处理，去除所述实时数据内的非信号数据，得到磁信号数据并保存；

所述计算井斜、重力工具面、陀螺工具面和方位角，具体为：

重力加速度g在X轴、Y轴、Z轴上的重力场分量分别是g_x、g_y、g_z，陀螺进动矢量在X轴、Y轴、Z轴上的分量分别是w_x、w_y和w_z；

井斜角α,

重力工具面θ_g，

陀螺工具面θ_w，

方位角a，

-探棒所处位置处的地理纬度；

其中，所述对交流磁信号去零点偏置，具体为：

datn＝data-mean(data) (6)；

其中，datn表示去偏置后的交流磁信号数据，mean(data)表示电路的零点偏置数据，data是三轴磁通门传感器分别在X轴、Y轴和Z轴上采集到的交流磁场数据；

其中，所述根据交流磁场数据计算得到实际磁场和，具体为：

在套管内，三轴磁通门传感器检测到交流磁场在X轴、Y轴和Z轴上的磁场分量去零点偏置后分别为A_x'、A_y'和A_z'，K为套管屏蔽系数，min(At)表示获取实际磁场和的最小值：

其中，A_x、A_y、A_z表示磁场在X轴、Y轴和Z轴上的实际值；

其中，At表示探棒在检测位置处检测到的实际磁场和；

At'＝At/min(At) (9)；At'为处理后的实际磁场和；

其中，按照公式(9)对实际磁场和At处理，将处理后的实际磁场和的范围限定在[1，2]内；

其中，对处理后的实际磁场和进行频谱校正获得处理后的实际磁场和的幅度FA和相位PA，具体为：

采用离散频谱校正能量重心法获得处理后的实际磁场和At'的幅度FA和相位PA；

其中，所述计算钻头和探棒的相对位置，具体为：

探棒的球坐标为r、的计算公式如下：

θ采用如下公式(12)或公式(13)：

θ＝-PA/2 (12)；

在公式(10)、(11)、(12)中，M表示磁矩；FA表示处理后的实际磁场和的幅度；PA表示处理后的实际磁场和的相位；min(At)表示实际磁场和的最小值；r表示钻头和探棒的直线距离；表示空间角，θ表示投影角；

将磁场在3个坐标轴上产生的磁场分量，从探棒坐标系转换到钻头坐标系，对钻头坐标系内的磁场分量数据进行傅里叶变换计算得到磁场分量在X、Y、Z三个坐标轴上的幅度a_x、a_y、a_z和相位，将获得的磁场分量在X、Y轴上的相位减去磁场分量在Z轴上的相位结果分别记录为其中，以Z轴为参考信号，Z轴相位为0。

2.根据权利要求1所述在套管内实现空间连通的方法，其特征在于：根据球坐标系和直角坐标系的关系，根据相对位置进行坐标转换得到钻头的直角坐标：

3.一种在套管内实现空间连通的系统，其特征在于：包括钻头；钻头上固定有磁铁，所述磁铁旋转产生交流磁信号；

所述在套管内实现空间连通的系统还包括通信连接的探棒、司钻显示器和计算机；所述探棒包括三轴陀螺仪、三轴重力加速度传感器、三轴磁通门传感器和温度传感器；

所述探棒接所述磁铁产生的交流磁信号；

所述在套管内实现空间连通的系统执行权利要求1至2任意一项所述在套管内实现空间连通的方法以计算钻头和探棒的相对位置，引导钻头将两个空间连通。