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CN117027764B - 钻井定位装置、方法和系统 - Google Patents

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CN117027764B
CN117027764B CN202210551543.7A CN202210551543A CN117027764B CN 117027764 B CN117027764 B CN 117027764B CN 202210551543 A CN202210551543 A CN 202210551543A CN 117027764 B CN117027764 B CN 117027764B
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刘奕杉
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Abstract

本申请提供一种钻井定位装置、方法和系统。该装置包括：三轴磁通门和计算装置。三轴磁通门与计算装置电连接。三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处。目标位置为目标钻杆中。目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆。三轴磁通门用于：获取目标位置处的目标磁场值。目标磁场值为静态磁场在目标位置处的磁场强度。静态磁场的方向为目标井的周向方向。静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生。计算装置用于：获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角。本申请的方案，增加了钻井定位时的测量范围，提高了钻井定位时的测量精度。

Description

钻井定位装置、方法和系统
技术领域
本申请涉及石油与天然气技术，尤其涉及一种钻井定位装置、方法和系统。
背景技术
随着地热、煤炭地下气化等新能源的开发，U型井的应用逐渐增多，U型井钻井的核心是确定水平井和直井的相对位置，进而实现水平井和直井的精准对接。
水平井也称正钻井，直井也称目标井，现目前一般通过以下方法确定正钻井与目标井的相对位置。在目标井中下入磁通门传感器，在正钻井的钻头处连接永磁短节，并在钻铤上镶嵌部分柱状永磁材料，采用磁通传感门测量正钻井钻进时永磁短节产生的旋转磁场，并根据测量得到的磁场强度以及旋转磁场的轴对称特性求解出正钻井的钻头与目标井的距离和方位角。由于井下的永磁短节按照负三次方衰减，衰减速度快，导致有效测量范围较小；同时，由于旋转磁场依靠永磁短节旋转产生，钻头转速受到泥浆泵排量、钻压等的影响，因此旋转磁场的磁场强度也存在较大波动，导致测得的磁场强度信不稳定，影响测距精度。
综上，现有技术在U型井钻井定位时，存在测量范围小和测量精度低的问题。
发明内容
本申请提供一种钻井定位装置、方法和系统，用以解决现有技术在U型井钻井定位时，测量范围小和测量精度低的问题。
根据本申请的第一方面，提供一种钻井定位装置，包括：三轴磁通门和计算装置；
所述三轴磁通门与所述计算装置电连接；
所述三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处，所述目标位置为目标钻杆中，所述目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆；
所述三轴磁通门用于，获取所述目标位置处的目标磁场值；所述目标磁场值为静态磁场在所述目标位置处的磁场强度，所述静态磁场由目标井中预设的接地直导线通入直流电后产生的静态磁场；
所述计算装置用于，获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值确定正钻井与目标井的距离和方位角。
根据本申请的第二方面，提供一种钻井定位方法，所述钻井定位方法采用如第一方面所述的钻井定位装置执行，所述方法包括：
三轴磁通门获取目标位置处的目标磁场值；所述目标磁场值为静态磁场在所述目标位置处的磁场强度，所述静态磁场由目标井中预设的接地直导线通入直流电后产生的静态磁场在正钻井目标位置处的磁场强度；
计算装置获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角。
根据本申请的第三方面，提供一种钻井定位系统，包括：信号激励装置以及如第一方面所述的钻井定位装置；
所述信号激励装置包括：静磁产生装置；
所述静磁产生装置设置在目标井的井筒中；
所述静磁产生装置用于产生目标井周向方向的静态磁场；
所述钻井定位装置用于在静态磁场的作用下确定正钻井与目标井的距离和方位角。
本申请提供的钻井定位装置、方法和系统，通过所述三轴磁通门与所述计算装置电连接；所述三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处，所述目标位置为目标钻杆中，所述目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆；所述三轴磁通门用于，获取所述目标位置处的目标磁场值；所述目标磁场值为静态磁场在所述目标位置处的磁场强度，所述静态磁场由目标井中预设的接地直导线通入直流电后产生的静态磁场；所述计算装置用于，获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角；由于所述静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生，因此，可以通过预设不同的静磁产生装置来增加静态磁场的磁场强度，进而能够实现更大范围的确定正钻井和目标井的相对位置；同时，由于三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处，所述目标位置为目标钻杆中，所述目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆，三轴磁通门在获取所述目标位置处的目标磁场强度时，钻头处于静止状态，目标钻杆也处于静止状态，所以所述目标磁场值不受钻头转速的影响，能够获取到稳定准确的目标磁场值，因此，本申请的方案能够实现更大范围和更高精度的确定正钻井和目标井的相对位置。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据本申请实施例提供钻井定位装置的架构图；
图2是根据本申请第一实施例提供的一种钻井定位装置结构示意图；
图3是根据本申请第一实施例提供的另一种钻井定位装置结构示意图；
图4是根据本申请第一实施例提供的又一种钻井定位装置结构示意图；
图5是根据本申请第一实施例提供的再一种钻井定位装置结构示意图；
图6是根据本申请第二实施例提供的目标井和目标位置在水平面上投影的相对位置示意图；
图7是根据本申请第二实施例提供的正钻井与目标井对接连通流程示意图；
图8是根据本申请第三实施例提供的钻井定位方法流程示意图；
图9是根据本申请第四实施例提供的静磁产生装置结构示意图。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
首先对本申请所涉及的现有技术进行详细说明及分析。
U型井钻井的核心是实现正钻井和目标井的精准对接连通，现目前采用动态磁场定位方法确定正钻井和目标井的相对位置，进而调整正钻井的钻进方向，以实现正钻井和目标井的对接连通。动态磁场定位方法通过以下步骤实现：在目标井中下入磁通门；在正钻井中的钻头处连接永磁短节，同时在钻铤上镶嵌柱状永磁材料；采用偶极子方法将永磁短节在转进时产生的旋转磁场等效为两个振荡偶极子独立产生的磁场的叠加；采用旋转磁场的轴对称特征和向量确定偏差角与磁场的关系；基于空间一点的磁场强度与其到源的距离成比例关系，求解出钻头与目标井的距离。由于在动态磁场定位方法中，正钻井中永磁短节的磁场强度按照负三次方衰减，衰减速度快，因此导致动态磁场定位方法的有效测量范围较小。同时，由于动态磁场定位方法的旋转磁场是永磁短节旋转产生的，永磁短节的钻速与钻头的转速相同，而钻头的钻速会受到泥浆泵排量、钻压等的影响而产生波动，因此，在目标井中的磁通门测得的磁场强度也会波动，进而影响求解出的钻头与目标井的距离的精度，导致动态磁场定位方法的测量精度低。
所以，在面对现有技术中的问题时，发明人通过创造性研究，为了能够实现更大范围和更高精度的确定正钻井和目标井的相对位置，就需要增加磁场强度，以及避免磁场强度受到钻头转速影响的问题。而要想磁场强度不受钻头转速的影响，就需要在不钻进的时候进行测量磁场强度，因此，可以将永磁短节旋转产生的磁场替换为静态磁场，同时，可以通过增加静态磁场的强度来获得更大的测量范围。因此，发明人提出本申请的钻井定位装置、方法和系统，钻井定位装置包括：三轴磁通门和计算装置；三轴磁通门与计算装置电连接；三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处，目标位置为目标钻杆中，目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆；三轴磁通门用于，获取目标位置处的目标磁场值；目标磁场值为静态磁场在目标位置处的磁场强度，静态磁场由目标井中预设的接地直导线通入直流电后产生的静态磁场；计算装置用于，获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角。由于静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生，因此，可以通过预设不同的静磁产生装置来增加静态磁场的磁场强度，进而能够实现更大范围的确定正钻井和目标井的相对位置；同时，由于三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处，目标位置为目标钻杆中，目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆，三轴磁通门在获取目标位置处的目标磁场强度时，钻头处于静止状态，目标钻杆也处于静止状态，所以目标磁场值不受钻头转速的影响，能够获取到稳定准确的目标磁场值，因此，本申请的方案能够实现更大范围和更高精度的确定正钻井和目标井的相对位置。
本申请提供的钻井定位装置、方法和系统，旨在解决现有技术的如上技术问题。下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。
下面将对本申请实施例提供的钻井定位装置的架构和应用场景进行介绍。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数据表示相同或相似的要素。
如图1所示，本申请实施例提供的一种应用场景对应的钻井定位装置的架构中包括：目标井1，正钻井2，钻井定位装置3，静磁产生装置4。其中，正钻井2中包括钻头21，螺杆22以及目标钻杆23，目标钻杆23为正钻井2中最下部处于端部的钻杆，钻头21与螺杆22连接，螺杆22与目标钻杆23连接。静磁产生装置4设置在目标井1的井筒中，用于产生静态磁场，静态磁场的方向为目标井1的周向方向。静磁产生装置4可以由直流电源5提供直流电，以产生静态磁场。钻井定位装置3包括三轴磁通门31和计算装置32，三轴磁通门31和计算装置32电连接。三轴磁通门31设置在正钻井2的目标位置处，目标位置为目标钻杆23中，三轴磁通门31用于，获取目标位置处的目标磁场值，目标磁场值为静态磁场在目标位置处的磁场强度。计算装置32也可以设置在目标位置处，计算装置32用于，获取正钻井2的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井2的姿态确定正钻井2与目标井1的距离和方位角。三轴磁通门31在获取到目标磁场值之后，可以通过与计算装置32的电连接将目标磁场值发送给计算装置32，以使计算装置32根据目标磁场值以及正钻井2的姿态确定正钻井2与目标井1的距离和方位角。
下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。以下实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例一
图2是根据本申请实施例提供的一种钻井定位装置结构示意图，如图2所示，钻井定制装置3包括三轴磁通门31和计算装置32。
三轴磁通门31和计算装置32电连接。
三轴磁通门31设置在正钻井的目标位置处，目标位置为目标钻杆中，目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆，也就是说，目标钻杆为目标井中与钻头最接近的钻杆。
三轴磁通门31用于，获取目标位置处的目标磁场值。目标磁场值为静态磁场在目标位置处的磁场强度，静态磁场的方向为目标井的周向方向，静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生。
计算装置32用于，获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角。
本实施例中，可以理解的是，正钻井的钻具由多根钻杆和钻头、螺杆等组成，其中，多根钻杆可以均为无磁钻杆。在钻井过程中，多根钻杆依次连接可以延长钻具供钻头钻进。目标钻杆为钻具中最靠近钻头的钻杆，且目标钻杆为无磁钻杆。当正钻井的钻具包括钻铤时，钻头、螺杆、钻铤、目标钻杆依次连接，当正钻井的钻具不包括钻铤时，钻头、螺杆、目标钻杆依次连接。可以理解的时，目标位置不是一个固定的空间位置，目标位置可以随着正钻井的钻进而改变。三轴磁通门31是一种磁力仪，可以测量相互垂直的三个方向的磁场分量值，三轴磁通门31可以在停钻时测量目标位置处的目磁场值。目标磁场值可以表示为静态磁场在相互垂直的三个方向的磁场分量值Hx，Hy和Hz，Hx。目标磁场值可以为地磁场坐标系下的磁场值，也可以为载体坐标系、导航坐标系等坐标系下的磁场值，只要时静磁产生装置在目标位置处的磁场强度即可。静磁产生装置可以是轴向设置在目标井静态中的通电直导线。
本实施例中，计算装置32可以设置在目标钻杆中，也可以设置在地面上。计算装置32的输入端可以与三轴磁通门31的输出端通过信号传输线连接。信号传输线可以是同轴线、双绞线、光纤等。三轴磁通门31在获取到目标磁场值后可以将目标磁场值发送给计算装置32。计算装置32可以通过预设在目标位置处并与三轴磁通门31共轴的陀螺仪或者加速度计电连接，并可以接收陀螺仪或者加速度计发送的目标位置移动信号或者目标位置倾角信息。计算装置可以通过目标位置移动信号或者目标位置倾角信息确定正钻井的姿态，正钻井的姿态包括正钻井中目标位置处的井斜和方位。进而，计算装置可以根据目标磁场值的坐标系以及正钻井的姿态确定出坐标转换矩阵，坐标转换矩阵用于将目标磁场值转换为地磁场坐标系下的磁场值，以便确定目标位置与目标井的相对方位角。当然，在目标磁场值本就为地磁场坐标系下的磁场值时，可以无需转换。
本实施例提供的钻井定位装置，通过三轴磁通门与计算装置电连接；三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处，目标位置为目标钻杆中，目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆；三轴磁通门用于，获取目标位置处的目标磁场值；目标磁场值为静态磁场在目标位置处的磁场强度，静态磁场的方向为目标井的周向方向，静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生；计算装置用于，获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角。由于静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生，因此，可以通过预设不同的静磁产生装置来增加静态磁场的磁场强度，进而能够实现更大范围的确定正钻井和目标井的相对位置；同时，由于三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处，目标位置为目标钻杆中，目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆，三轴磁通门在获取目标位置处的目标磁场强度时，钻头处于静止状态，目标钻杆也处于静止状态，所以目标磁场值不受钻头转速的影响，能够获取到稳定准确的目标磁场值，因此，本申请的方案能够实现更大范围和更高精度的确定正钻井和目标井的相对位置。
作为一种可选的实施方式，图3是根据本申请实施例提供的另一种钻井定位装置结构示意图，如图3所示，在实施例一的基础上，钻井定位装置3还包括模数转换装置33和解码装置34。
三轴磁通门31的输出端与模数转换装置33的输入端连接。
模数转换装置33的输出端与解码装置34的输入端连接。
解码装置34的输出端与计算装置32的输入端连接。
模数转换装置33，用于将目标磁场值调制为数字信号形式磁场值。
解码装置34，用于将数字信号形式磁场值解调为目标磁场值。
本实施例中，在三轴磁通门31与计算装置32的物理距离过大时，如果三轴磁通门31直接将获取到的目标磁场值传输给计算装置32，目标磁场值在传输过程中可以会因为传输距离、外部干扰等原因导致信号衰减、失真等。因此，三轴磁通门31的输出端与模数转换装置33的输入端连接，模数转换装置33可以将目标磁场值调制为数字信号形式磁场值，数字信号形式磁场值的传输距离更远且更不容易受外部干扰影响。模数转换装置33可以设置在目标钻杆中，并且，模数转换装置33与三轴磁通门31间的距离可以保证三轴磁通门31与模数转换装置33间的信号传输不衰减或衰减量可忽略并且不受外部干扰或受外部干扰的影响可忽略。模数转换装置33的输出端与解码装置34的输入端连接，以将数字信号形式磁场值传输给解码装置34。解码装置34用于数字信号形式磁场值解调为目标磁场值，解码装置34的输出端与计算装置32的输入端连接，以将目标磁场值传输给计算装置32。解码装置34与计算装置32的距离可以保证解码装置34与计算装置32间的信号传输不衰减或衰减量可以忽略并且不受外部干扰或受外部干扰的影响可忽略。
本实施例提供的钻井定位装置，通过三轴磁通门的输出端与模数转换装置的输入端连接；模数转换装置的输出端与解码装置的输入端连接；解码装置的输出端与计算装置的输入端连接；模数转换装置，用于将目标磁场值调制为数字信号形式磁场值；解码装置，用于将数字信号形式磁场值解调为目标磁场值。由于三轴磁通门和计算装置之间增加了模数转换装置和解码装置，增加了三轴磁通门和计算装置之间信号传输的稳定性和可靠性，进而使得计算装置的位置可以灵活设置。
作为一种可选的实施方式，图4是根据本申请实施例提供的又一种钻井定位装置结构示意图，如图4所示，在实施例一的基础上，钻井定位装置3还可以包括固态陀螺35和加速度计36。
三轴磁通门31的输出端与计算装置32的输入端连接。
固态陀螺35的输出端与计算装置32的输入端连接，加速度计36的输出端与计算装置32的输入端连接。
固态陀螺35和加速度计36设置在目标位置处并与三轴磁通门共轴，用于测量目标位置处的井斜和方位。井斜也称井斜角，是指井眼中轴线与铅垂线之间的夹角。方位也称方位角或井斜方位角，是指井斜方向在水平面的投影与正北方向在顺时针方向上的夹角，可以在0至360度之间变化。
作为一种可选的实施方式，图5是根据本申请第一实施例提供的再一种钻井定位装置结构示意图，如图5所示，在实施例一的基础上，钻井定位装置3还包括模数转换装置33，解码装置34，固态陀螺35，和加速度计36。
三轴磁通门31、固态陀螺35和加速度计36均设置在目标位置处，三轴磁通门31、固态陀螺35和加速度计36共轴，且三轴磁通门31、固态陀螺35和加速度计36的输出端均与模数转换装置33的输入端连接。模数转换装置33的输出端与解码装置34的输入端连接，并由模数转换装置33将三轴磁通门31、固态陀螺35和加速度计36采集的模拟信号转换为数字信号并传输给解码装置34，其中，目标磁场值被模数转换装置33转换为数字信号形式磁场值。解码装置34将数字信号解码为模拟信号并传输给计算装置32，其中，数字信号形式磁场值为解码装置转换为目标磁场值，计算装置32根据目标磁场值确定出正钻井与目标井的距离和方位角。
可选地，钻井定位装置还可以包括温度传感器，温度传感器设置在目标位置处。温度传感器的输出端与计算装置的输入端连接，温度传感器用于测量目标位置处的温度，以确保目标位置处的温度能够满足三轴磁通门、固态陀螺、加速度计中任意项的工作温度需求。
作为一种可选的实施方式，三轴磁通门在用于获取目标位置处的目标磁场时，具体用于：测量目标位置处的地磁场值和叠加磁场值；叠加磁场值为地磁场与静态磁场叠加在目标位置处的磁场强度；将叠加磁场值与地磁场值的差确定目标磁场值。
本实施例中，在不能忽略地磁场的影响时，通常无法直接测量得到目标磁场值，因此，可以采用差值方法，消除地磁场对测量的影响，通过分别测量目标位置处的地磁场值和叠加磁场值，从地磁背景环境提取静磁产生装置产生的静态磁场的磁场强度。示例性地，关闭静磁产生装置，此时，目标位置处仅存在地磁场，三轴磁通门测量此时目标位置处的磁场强度，得到地磁场值；再打开静磁产生装置以产生静态磁场，此时，目标位置处的磁场为地磁场与静态磁场的叠加，三轴磁通门测量此时目标位置处的磁场强度，得到叠加磁场值，并可以将叠加磁场值与地磁场值得差确定为目标磁场值，进而从地磁背景中确定出静磁产生装置产生得静磁场得磁场强度。三轴磁通门中可以设置有计算模块、计算器、加法器或减法器等，用于计算叠加磁场值与地磁场值的差。示例性地，三轴磁通门测得目标位置处的地磁场值为H1，叠加磁场值为H2，则可以确定目标磁场值H＝H2-H1。
作为一种可选的实施方式，三轴磁通门也可以将测量得到的地磁场值和叠加磁场值发送给计算装置，由计算装置计算叠加磁场值与地磁场值的差值，以得到目标磁场值。
本实施例提供的钻井定位装置，通过三轴磁通门测量目标位置处的地磁场值和叠加磁场值；叠加磁场值为地磁场与静态磁场叠加在目标位置处的磁场强度；将叠加磁场值与地磁场值的差确定目标磁场值，由于地磁场对目标磁场值的影响不能忽略，因此通过差值法能够准确的从地磁背景环境提取静磁产生装置产生的目标磁场值。
在本实施例的一个示例中，示出了本实施例提供的钻井定位装置获取的目标磁场值与现有技术中的动态磁场测量装置测量得到的磁场值的对比。本示例中，静磁产生装置用于产生静态磁场的电流大小为50A。表1示出了正钻井和目标井的距离R分别在10至200米时，本实施例提供的钻井定位装置获取目标磁场值B1与现有技术中动态磁场测量装置测得的目标井中的磁场强度B2的对比。
表1R在10至200米时B1和B2的对比
R B1 B2 R B1 B2
10 1000.00 400.00 110 90.91 0.30
20 500.00 50.00 120 83.33 0.23
30 333.33 14.81 130 76.92 0.18
40 250.00 6.25 140 71.43 0.15
50 200.00 3.20 150 66.67 0.12
60 166.67 1.85 160 62.50 0.10
70 142.86 1.17 170 58.82 0.08
80 125.00 0.78 180 55.56 0.07
90 111.11 0.55 190 52.63 0.06
100 100.00 0.40 200 50.00 0.05
由表1可知，本实施例提供的钻井定位装置在静磁产生装置用50A电流产生静态磁场时，在200m范围产生的磁场可达到50nT，而现有技术中的动态磁场测量装置在100m下磁场幅值已急剧到0.4nT，已跌至三轴磁通门的有效测量阈值，因此，现有技术中的动态磁场测量装置的有效测量范围一般为100米，而申请提供的钻井定位装置在200米的范围仍可以进行测量，增加了钻井定位时的测量范围，并且，三轴磁通门测到的目标磁场值不受泥浆泵的排量波动、钻压变化等因素的影响，不受钻头转速波动的影响，可以更准确的测的目标位置出的目标磁场值，进而提高了钻井定位时的测量精度。
实施例二
本实施例提供的钻井定位装置，在实施例一的基础上，计算装置在获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角时，具体用于：根据目标磁场值计算目标位置与目标井的距离；根据目标位置与目标井的距离确定正钻井与目标井的距离。
本实施例中，根据毕奥-萨伐尔定律(英文：Biot-SavartLaw)，目标磁场值H表示为：式中，μ0为真空磁导率，R为目标位置与静态磁场的垂直距离，单位为米，I为静磁场产生装置用于产生静态磁场的电流大小，单位为安培。
由于静磁场产生装置设置在目标井中，因此，目标位置与静态磁场的垂直距离也就是目标位置与目标井的距离。因此，目标位置与目标井的距离R可以表示为：式中，H为目标磁场值，μ0为真空磁导率，I为静磁场产生装置用于产生静态磁场的电流大小，单位为安培。
本实施例中，由于目标位置为与目标钻杆中，目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆，因此，目标位置与正钻井中钻头之间只仅相距一个螺杆或者螺杆和钻铤，一般为10米至20米，在精度要求不高的情况下，可以将目标位置作为正钻井的位置，因此，可以将目标位置与目标井的距离确定为正钻井与目标井的距离。
本实施例提供的钻井定位装置，计算装置根据目标磁场值计算目标位置与目标井的距离；根据目标位置与目标井的距离确定正钻井与目标井的距离，由于毕奥-萨伐尔定律在静磁中近似有效，目标磁场值为静态磁场在目标位置处的磁场强度，因此，根据毕奥-萨伐尔定律能够准确的计算出正钻井与目标井的距离。
作为一种可选的实施方式，计算装置在根据目标位置与目标井的距离确定正钻井与目标井的距离时，具体用于：获取目标位置与正钻井钻头的水平距离；根据目标位置与目标井的距离以及目标位置与正钻井中钻头的水平距离计算正钻井与目标井的距离。
本实施例中，可以由计算装置根据正钻井钻头与目标钻杆的连接关系确定目标位置与正钻井钻头的水平距离。可以预先在计算装置中设置钻头与目标钻杆的连接关系，在钻头与目标钻杆之间由螺杆连接时，由于螺杆的旋转角度一般为3度以内，因此，如果忽略钻进轨迹的倾角，目标位置与正钻井的水平距离L可以表示为：L＝L1，式中，L1为螺杆的长度。如果不忽略钻进轨迹的倾角，目标位置与正钻井的水平距离L可以表示为：L＝L1 cosθ，式中，L1为螺杆的长度，θ为钻进轨迹与水平面的倾角。在钻头与目标钻杆之间由螺杆和钻铤连接时，目标位置与正钻井的水平距离需要再加上钻铤的长度，因此，如果忽略钻进轨迹的倾角，则目标位置与正钻井的水平距离L可以表示为：L＝L1+L2，式中，L1为螺杆的长度，L2钻铤长度，如果不忽略钻进轨迹的倾角，则目标位置与正钻井的水平距离L可以表示为：L＝(L1+L2)cosθ，式中，L1为螺杆的长度，L2钻铤长度，θ为钻进轨迹与水平面的倾角。因此，目标井与目标井的距离R′可以表示为R′＝R-L，式中，L表示目标位置与正钻井的水平距离。
本实施例提供的钻井定位装置，计算装置通过获取目标位置与正钻井钻头的水平距离；根据目标位置与目标井的距离以及目标位置与正钻井中钻头的水平距离计算正钻井与目标井的距离，由于目标位置与正钻井的钻头存在一定距离，因此通过计算目标位置与正钻井中钻头的水平距离计算正钻井与目标井的距离，进而能够获得正钻井与目标井之间更准确的距离，实现正钻井与目标井更精确的对接。
作为一种可选的实施方式，在实施例二的基础上，计算装置在获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定与正钻井与目标井的距离和方位角时，具体还用于：根据正钻井的姿态确定坐标转换矩阵；将目标磁场值转换为地磁场坐标系下的第一分量、第二分量和第三分量，其中，第一分量的方向垂直指向地心，第二分量和第三分量的方向与第一分量的方向垂直；根据第二分量和第三分量计算目标位置与目标井的相对方位角；根据目标位置与目标井的相对方位角确定正钻井与目标井的方位角。
本实施例中，目标磁场值所在的坐标系与地磁场坐标系可能不同，目标磁场值的坐标系一般为载体坐标系或导航坐标系，因此，可以采用以下公式：Hd＝DCM*H＝[HNHEHT]，将目标磁场值H转换至地磁场坐标系下的目标磁场值Hd，式中，Hd为地磁场坐标系下的目标磁场值，H为目标磁场值，DCM为目标磁场所在坐标系与地磁场坐标系的坐标转换矩阵。DCM可以由计算装置根据正钻井的姿态和目标磁场值所在的坐标系进行确定。正钻井的姿态包括井斜和方位，井斜为井眼轴线与铅垂线的夹角，方位为井斜与正北方在水平面投影上的夹角，反应了载体坐标系或导航坐标系与地磁场坐标系之间的关系。而载体坐标系和导航坐标系也与井斜和方位有关，示例性地，本实施例中，载体坐标系与地磁场坐标系的关系就是目标位置处的姿态。因此，可以通过正钻井的姿态和目标磁场值所在的坐标系确定出标磁场所在坐标系与地磁场坐标系的坐标转换矩阵DCM。示例性地，可以通过欧拉角法、方向余弦矩阵法、旋转矢量法等方法确定出目标磁场所在坐标系与地磁场坐标系的坐标转换矩阵。
地磁场坐标系下的目标磁场值Hd由两两垂直的第一分量、第二分量和第三分量组成，第一分量HT垂直指向地心，第二分量HN和第三分量HE位于同一水平面且与第一分量垂直。示例性地，在地磁场北东地坐标系中，第一分量为地，第二分量为北，第三分量为东。目标位置与目标井的相对方位角与第二分量HN和第三分量HE密切相关。示例性地，图6是根据本申请第二实施例提供的目标井和目标位置在水平面上投影的相对位置示意图。目标井在水平面上的投影61与目标位置在水平面上的投影62的相对位置如图6所示，目标磁场在水平面上的第二分量HN和第三分量HE如图6所示，因此，相对方位角/>可以表示为：式中，HN为地磁场坐标系下的目标磁场值Hd的第二分量，HE为地磁场坐标系下的目标磁场值Hd的第三分量。本实施例中，由于螺杆的倾角一般小于3度，因此可以将目标位置与目标井的相对方位角确定为正钻井与目标井的方位角。可选地，也可以根据螺杆的倾角在水平面上的投影以及目标位置与目标井的相对方位角计算正钻井与目标井的方位角，示例性地，正钻井与目标井的方位角/>表示为：/>式中，θ′为螺杆在水平面上的投影与目标井和目标位置在水平面上的投影间的夹角。
本实施例提供的钻井定位装置，计算装置通过将目标磁场值转换为地磁场坐标系下的第一分量、第二分量和第三分量，其中，第一分量的方向垂直指向地心，第二分量和第三分量的方向与第一分量的方向垂直；根据第二分量和第三分量计算目标位置与目标井的相对方位角；根据目标位置与目标井的相对方位角确定正钻井与目标井的方位角，由于根据第二分量和第三分量计算目标位置与目标井的相对方位角，再根据目标位置与目标井的相对方位角确定正钻井与目标井的方位角，因此，可以准确的计算出正钻井与目标井的方位角，进而准确的确定正钻井和目标井之间的相对位置。
图7是根据本申请第二实施例提供的正钻井与目标井对接连通流程示意图，作为一种可选的实施方式，在实施例二的基础上，计算装置还用于：判断正钻井与目标井是否连通；若确定正钻井与目标井未连通，则根据正钻井与目标井的距离和方位角调整正钻井的钻进轨迹；控制正钻井中的钻头按照钻进轨迹钻进；执行获取正钻井目标位置处的目标磁场值步骤，直至正钻井与目标井连通。
本实施例中，由于在钻进过程中，由于地址条件、钻井技术等原因，井眼轨迹可能会在钻进过程中发生偏移，因此，为确保正钻井和目标井的准确对接，需要在钻进一段距离后，重新确定正钻井与目标井之间的相对位置，并根据正钻井与目标井之间的相对位置调整钻进轨迹后重新钻进。如图7所示，计算装置还用于执行步骤701至步骤703，以确保正钻井和目标井对接连通。计算装置可以通过判断正钻井与目标井之间的距离是否小于预设阈值来确定正钻井与目标井是否连通，若确定正钻井与目标井之间的距离小于或等于预设阈值，则确定正钻井与目标井连通，反之，若确定正钻井与目标井之间的距离大于预设阈值，则确定正钻井与目标井未连通。若确定正钻井与目标井未连通，则计算装置可以根据正钻井与目标井之间的距离和方位角调整正钻井的钻进轨迹，并控制正钻井的钻头按照调整后的轨迹钻进，钻进的距离可以由工作人员根据经验确定，一般为10至20米，可以理解的是，在正钻井与目标井的距离小于10米时，钻进的距离可以为正钻井与目标井的距离。
本实施例提供的钻井定位装置，计算装置通过判断正钻井与目标井是否连通；若确定正钻井与目标井未连通，则根据正钻井与目标井的距离和方位角调整正钻井的钻进轨迹；控制正钻井中的钻头按照钻进轨迹钻进；执行获取正钻井目标位置处的目标磁场值步骤，直至正钻井与目标井连通，由于计算装置能够调整正钻井的钻进轨迹并控制正钻井的钻头按照钻进轨迹钻进，因此，能够保证正钻井与目标井准确的对接连通形成U型井。
实施例三
图8是根据本申请第三实施例提供的钻井定位方法流程示意图，如图8所示，本实施例提供的钻井定位方法包括步骤801至步骤802。
步骤801，三轴磁通门获取目标位置处的目标磁场值；目标磁场值为静态磁场在目标位置处的磁场强度，静态磁场的方向为目标井的周向方法，静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生。
步骤802，计算装置获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角。
作为一种可选的实施方式，本实施例提供的钻井定位方法在步骤801之后还包括步骤901至步骤902。
步骤901，模数转换装置将目标磁场值调制为数字信号形式磁场值。
步骤902，解码装置，用于将数字信号形式磁场值解调为目标磁场值。
作为一种可选的实施方式，步骤801细化包括步骤8011至步骤8012。
步骤8011，三轴磁通门测量目标位置处的地磁场值和叠加磁场值；叠加磁场值为地磁场与静态磁场叠加在目标位置处的磁场强度；
步骤8012，三轴磁通门将叠加磁场值与地磁场值的差确定目标磁场值。
作为一种可选的实施方式，步骤802细化包括步骤8021至步骤8022。
步骤8021，根据目标磁场值计算目标位置与目标井的距离。
步骤8022，根据目标位置与目标井的距离确定正钻井与目标井的距离。
作为一种可选的实施方式，步骤8022细化包括步骤80221至步骤80222。
步骤80221，获取目标位置与正钻井钻头的水平距离。
步骤80222，根据目标位置与目标井的距离以及目标位置与正钻井中钻头的水平距离计算正钻井与目标井的距离。
作为一种可选的实施方式，步骤802细化还包括步骤8023至步骤8025。
步骤8023，将目标磁场值转换为地磁场坐标系下的第一分量、第二分量和第三分量，其中，第一分量的方向垂直指向地心，第二分量和第三分量的方向与第一分量的方向垂直。
步骤8024，根据第二分量和第三分量计算目标位置与目标井的相对方位角。
步骤8025，根据目标位置与目标井的相对方位角确定正钻井与目标井的方位角。
作为一种可选的实施方式，本实施例提供的钻井定位方法还包括步骤803至步骤806。
步骤803，判断正钻井与目标井是否连通。
步骤804，若确定正钻井与目标井未连通，则根据正钻井与目标井的距离和方位角调整正钻井的钻进轨迹。
步骤805，控制正钻井中的钻头按照钻进轨迹钻进。
步骤806，执行获取正钻井目标位置处的目标磁场值步骤，直至正钻井与目标井连通。
本实施例提供的钻井定位方法可以由实施例一或实施例二中任意一个钻井定位装置实施例，具体的实现方式与原理类似，此处不再赘述。
实施例四
本实施例提供的钻井定位系统包括信号激励装置以及实施例一或实施例二中任意一个钻井定位装置。
信号激励装置包括：静磁产生装置。
静磁产生装置设置在目标井的井筒中；静磁产生装置用于产生目标井周向方向的静态磁场。
钻井定位装置用于在静态磁场的作用下确定正钻井与目标井的距离和方位角。
本实施例中，静磁产生装置可以是任何能够产生目标井周向方向静态磁场的装置，例如，可以是接地直导线。
图9是根据本申请第四实施例提供的静磁产生装置结构示意图，如图9所示，作为一种可选的实施方式，静磁产生装置包括：直流电源91、直导线92和接地电极93。直流电源91、直导线92和接地电极93依次连接。直导线92轴向设置在目标井1的井筒中；接地电极93在目标井1的井筒中与大地连接。直流电源91用于，向直导线91通入直流电。直导线92用于，产生目标井周向方向的静态磁场；接地电极93用于，将直流电扩散至大地。
示例性地，直流电源91通入直导线92的电流大小可以为0至50A。
应该理解，上述的装置实施例仅是示意性的，本申请的装置还可通过其它的方式实现。例如，上述实施例中装置/模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如，多个装置、模块或组件可以结合，或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略或不执行。
另外，若无特别说明，在本申请各个实施例中的各功能装置/模块可以集成在一个装置/模块中，也可以是各个装置/模块单独物理存在，也可以两个或两个以上装置/模块集成在一起。上述集成的装置/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序模块的形式实现。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
进一步需要说明的是，虽然流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (5)

1.一种钻井定位装置，其特征在于，包括：三轴磁通门和计算装置；
所述三轴磁通门与所述计算装置电连接；
所述三轴磁通门设置在正钻井的目标位置处，所述目标位置为目标钻杆中，所述目标钻杆为正钻井中最下部处于端部的钻杆；
所述三轴磁通门用于，获取所述目标位置处的目标磁场值；所述目标磁场值为静态磁场在所述目标位置处的磁场强度，所述静态磁场的方向为目标井的周向方向，所述静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生；
所述计算装置用于，获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角；
所述计算装置在获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角时，具体用于：
根据所述目标磁场值计算所述目标位置与目标井的距离；
根据所述目标位置与目标井的距离确定正钻井与目标井的距离；
所述计算装置在根据所述目标位置与目标井的距离确定正钻井与目标井的距离时，具体用于：
获取所述目标位置与正钻井钻头的水平距离；
根据所述目标位置与目标井的距离以及所述目标位置与正钻井中钻头的水平距离计算正钻井与目标井的距离；
正钻井与目标井的距离R′表示为R′＝R-L，式中，L表示目标位置与正钻井的水平距离，R表示目标位置与目标井的距离；预先在计算装置中设置钻头与目标钻杆的连接关系，根据正钻井钻头与目标钻杆的连接关系确定目标位置与正钻井钻头的水平距离；
式中，H为目标磁场值，μ0为真空磁导率，I为静磁场产生装置用于产生静态磁场的电流大小，单位为安培；
所述计算装置在根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井方位角时，具体用于：
根据正钻井的姿态确定坐标转换矩阵；
采用所述坐标转换矩阵将所述目标磁场值转换为地磁场坐标系下的第一分量、第二分量和第三分量，其中，第一分量的方向垂直指向地心，第二分量和第三分量的方向与第一分量的方向垂直；
根据第二分量和第三分量计算所述目标位置与目标井的相对方位角；
根据螺杆的倾角在水平面上的投影以及目标位置与目标井的相对方位角计算正钻井与目标井的方位角，正钻井与目标井的方位角表示为：
式中，θ′为螺杆在水平面上的投影与目标井和目标位置在水平面上的投影间的夹角，HN为目标磁场在水平面上的第二分量，HE为目标磁场在水平面上的第三分量。
2.根据权利要求1所述的钻井定位装置，其特征在于，所述计算装置还用于：
判断所述正钻井与所述目标井是否连通；
若确定所述正钻井与所述目标井未连通，则根据正钻井与目标井的距离和方位角调整正钻井的钻进轨迹；
控制正钻井中的钻头按照所述钻进轨迹钻进；
执行所述获取正钻井目标位置处的目标磁场值步骤，直至正钻井与目标井连通。
3.一种钻井定位方法，其特征在于，所述钻井定位方法采用如权利要求1至2中任一项所述的钻井定位装置执行，所述方法包括：
三轴磁通门获取目标位置处的目标磁场值；所述目标磁场值为静态磁场在所述目标位置处的磁场强度，所述静态磁场的方向为目标井的周向方法，所述静态磁场由目标井中预设的静磁产生装置产生；
计算装置获取正钻井的姿态，并根据目标磁场值以及正钻井的姿态确定正钻井与目标井的距离和方位角。
4.一种钻井定位系统，其特征在于，包括：信号激励装置以及如权利要求1至2中任一项所述的钻井定位装置；
所述信号激励装置包括：静磁产生装置；
所述静磁产生装置设置在目标井的井筒中；
所述静磁产生装置用于产生目标井周向方向的静态磁场；
所述钻井定位装置用于在所述静态磁场的作用下确定正钻井与目标井的距离和方位角。
5.根据权利要求4所述的钻井定位系统，其特征在于，所述静磁产生装置包括：直流电源、直导线和接地电极；
所述直流电源、直导线和接地电极依次连接；
所述直导线轴向设置在目标井的井筒中；
所述接地电极在目标井的井筒中与大地连接；
所述直流电源用于，向直导线通入直流电；
所述直导线用于，产生目标井周向方向的静态磁场；
所述接地电极用于，将所述直流电扩散至大地并形成回路。
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