技术领域

[0001] 本发明涉及石油钻井工程领域， 尤其涉及石油钻井专用测斜仪设计和井眼防碰 技术， 具体地说是涉及一种同时具有磁性和惯性测量 元件的多功能测斜仪， 以 及基于该多功能测斜仪进行邻井套管相对位置 判断的方法。 背景技术

[0002] 石油钻井领域通常采用磁性测斜仪测量井眼轨 迹参数 （井斜方位角 21） 和造 斜工具姿态参数 （磁工具面角MTF） ; 磁性测斜仪以磁通门为测量元件、 以地 磁场为测量媒介、 磁北方位线为基准， 只有在正常地磁场环境中才能正常工作 。 目前， 新钻加密井、 调整井越来越多， 新建丛式井组规模越来越大， 井与井 的空间距离越来越小， 当前井眼过分靠近邻井套管柱有可能导致两个 严重后果 : （1） 邻井套管柱对当前井眼中的磁性测斜仪产生磁 干扰， 导致测量精度降低 甚至完全失真， 不得不换用费用较高的陀螺测斜仪； （2） 当前井眼钻遇 （甚至 钻穿） 邻井套管的井眼交碰事故时有发生， 不仅带来重要经济损失， 也带来重 大安全隐患。 陀螺测斜仪以陀螺传感器为测量元件， 属于惯性测量仪器， 不受 邻井套管磁干扰影响， 但是陀螺测斜仪结构较复杂、 价格较高， 大部分陀螺测 斜仪还不能采用无线随钻测量方式， 在钻井现场的普及程度远不如磁性测斜仪

[0003] 邻井套管磁干扰井段也是井眼交碰风险较高的 井段。 在邻井套管磁干扰井段陀 螺测斜仪可以准确测量井斜方位角和磁工具面 角， 但是所有的测斜仪都有测量 误差， 当测量井深较大时累计测量误差也较大， 仅仅依靠陀螺测斜仪的测量结 果难以准确定位邻井套管相对位置， 难以高质量地实施防碰预警和防碰绕障作 业。 该情况下如果采用以磁通门为测量元件的磁性 测斜仪， 尽管磁性测斜仪不 能准确测量井斜方位角和磁工具面角， 但是磁性测斜仪能够准确测量磁场参数 ， 利用实测的磁场参数能够估算出邻井套管的相 对位置， 为防碰预警和防碰绕 \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898 障作业提供指导。 不难发现， 在邻井套管磁干扰井段， 若单独使用陀螺测斜仪 ， 则难以实施防碰预警作业； 若单独使用磁性测斜仪， 则难以准确测量和控制 井眼轨迹。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 针对上述技术问题， 本发明提供一种同时具有磁性和惯性测量元件 的多功能测 斜仪， 以及基于该测斜仪进行邻井套管相对位置判断 的方法， 该方法可以在邻 井套管磁干扰井段同时解决井眼轨迹准确测量 和防碰预警问题。

[0005] 本发明所采用的技术解决方案是：

[0006] 一种同时具有磁性和惯性测量元件的多功能测 斜仪， 包括测量头， 在测量头上 顺序集成有 X轴磁通门传感器、 \轴磁通门传感器、 ₂ 轴磁通门传感器、 \轴加速度 计、 V轴加速度计、 2轴加速度计、 XX轴陀螺传感器和2轴陀螺传感器； 所述 X轴磁 通门传感器、 \轴磁通门传感器、 2轴磁通门传感器与 X轴加速度计、 V轴加速度计 、 2轴加速度计一一对应。

[0007] 基于上述多功能测斜仪进行邻井套管相对位置 判断的方法， 包括以下步骤：

[0008] 邻井套管磁干扰及井眼交碰风险快速识别

[0009] ( 1) 钻前利用现有定向钻井软件对待钻井眼做防碰 扫描， 利用最近距离和井 眼分离系数识别出井眼交碰风险较高的井段；

[0010] (2) 在井眼交碰风险较高的井段， 每钻完 1个钻杆单根进行 1次全测量， 记录 井眼轨迹参数、 磁场参数；

[0011] (3) 转换到快速工具面模式， 锁紧转盘、 缓慢上提或下放钻柱， 对新钻出的 井段按 1.0111 /点加密测量磁工具面角， 记录测量井深、 磁工具面角， 并绘制出两 个磁工具面角随测量井深变化曲线；

[0012] (4) 以陀螺传感器对应的磁工具面角为基准， 若磁通门传感器对应的磁工具 面角偏差较小， 表明没有邻井套管磁干扰、 井眼交碰风险较低， 可以继续钻进 并重复上述操作； 若磁通门传感器对应的磁工具面角偏差较大， 表明存在邻井 \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898 套管磁干扰和井眼交碰风险， 且偏差最大处通常为邻井套管接箍位置， 此时需 要转换到邻井套管柱相对位置反演步骤；

[0013] 8邻井套管相对位置反演

[0014] ( 1) 对识别出的邻井套管磁干扰井段， 按全测量模式 2：〇1/点加密测量， 记录不 同井深对应的井眼轨迹参数、 磁场参数；

[0015] (2) 利用测斜仪提供的井斜角、 方位角、 磁工具面角， 以及磁通门传感器实 测的磁场强度、 磁场倾角， 计算出干扰磁场对应的相关参数； 将实测磁场强度 沿三个坐标轴分解成

[数]

［数］

［数］

; 将正常磁场强度沿三个坐标轴分解成

[数]

［数］ \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

; 设干扰磁场强度为

［数］

_

， 与之对应的三个分量为

［数］

［数］

相关计算公式如下:

[0016] [数]

[0017] \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

[0018] (3) 根据预先得到的干扰磁场强度沿套管柱横向距 离变化关系， 利用干扰磁 场参数能够最终求解邻井套管相对距离 3、 相对方位角 0， 见式 (3) 和式 (4) _:

[0019] [数] 二 / ^. (△¾

(3)

[0020] [数]

⑷ 。

发明的有益效果

有益效果

[0021] 本发明的有益技术效果是：

[0022] ( 1) 首次提出将磁通门传感器集成到现有陀螺测斜 仪中， 给出了同时具有磁 性和惯性测量元件的新型测斜仪设计与使用方 法， 在邻井套管磁干扰井段能够 同时解决井眼轨迹准确测量、 井眼交碰风险识别、 邻井套管相对位置反演等难 题。

[0023] (2) 本发明通过探测邻井套管自身磁场来识别井眼 交碰风险和反演邻井套管 相对位置， 不需要额外增加探测设备， 不受邻井是否投产或停产限制。

[0024] (3) 基于本发明给出的新型测斜仪的基本功能及操 作方法， 首次给出了利用 磁通门传感器和陀螺传感器给出的两个磁工具 面角快速识别邻井套管磁干扰的 \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898 实用操作方法， 比全测量模式加密测量方法节省时间， 还有助于及早发现井眼 交碰风险。

[0025] （4） 基于套管柱自身磁场分布规律研究成果， 以及本发明给出的新型测斜仪 的基本功能及操作方法， 首次给出了利用陀螺传感器给出的磁工具面角 、 磁通 门传感器实测的磁场强度和磁场倾角反演邻井 套管相对距离及方位的实用方法 对附图的简要说明

附图说明

[0026] 图 1为磁性测斜仪的测量传感器布置示意图；

[0027] 图 2为陀螺测斜仪的传感器布置示意图；

[0028] 图 3为本发明新型多功能测斜仪的传感器布置示� �图；

[0029] 图 4示出剩磁为 组合时垂直套管柱周围磁场分布规律 （垂直剖面图）

[0030] 图 5为邻井套管磁干扰和井眼交碰风险快速识别� �法对应的流程图；

[0031] 图 6示出剩磁为 组合时垂直套管柱周围干扰磁场分布规律 （垂直剖面 图） ；

[0032] 图 7为邻井套管相对位置反演方法对应的流程图� �

发明实施例

本发明的实施方式

[0033] 基于磁性测斜仪 （如图 1所示） 、 陀螺测斜仪 （如图 2所示） 的基本结构及工作 原理， 以及套管柱自身磁场分布规律研究成果， 本发明给出了将磁通门传感器 和陀螺传感器集成到一起的多功能测斜仪， 以及基于该测斜仪进行邻井套管相 对位置判断的方法， 在邻井套管磁干扰井段能够同时解决井眼轨迹 准确测量和 防碰预警问题。

[0034] 如图 3所示， 一种同时具有磁性和惯性测量元件的多功能测 斜仪， 包括测量头 ， 在测量头上顺序集成有\轴磁通门传感器、 V轴磁通门传感器、 ₂ 轴磁通门传感 器、 X轴加速度计、 V轴加速度计、 2轴加速度计、 XX轴陀螺传感器和2轴陀螺传感 器。 所述 X轴磁通门传感器、 V轴磁通门传感器、 ₂ 轴磁通门传感器与 X轴加速度计 \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

、 轴加速度计、 2轴加速度计一一对应， 轴磁通门传感器与 \轴加速度计布置 在同一平面内， X轴磁通门传感器与 X轴加速度计布置在同一平面内， ₂ 轴磁通门 传感器与 ₂ 轴加速度计布置在同一平面内。

［0035］ 磁性测斜仪基本结构如图 1所示， 测量元件主要包括 3个单轴加速度计 （

［数］

& X

［数］

［数］ 美

） 3个单轴磁通门 （

［数］

［数］

［数］ \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

） ， 可以提供井斜角、 磁方位角、 重力工具面角、 磁工具面角、 磁场强度、 磁 场倾角； 其中， 磁方位角、 磁工具面角均以地磁北为基准。 陀螺测斜仪基本结 构如图 2所示， 核心部件是惯性测量组件， 通常包括 3个单轴加速度计 （

［数］

¾

［数］

%

［数］

§

） 、 2个双轴速率陀螺 （

［数］

%

［数］

） ， 可提供真方位角、 井斜角、 高边工具面角、 磁工具面角； 其中， 真方位角 、 磁工具面角均以真北 （地理北） 为基准。

［0036］ 与磁性测斜仪相比， 陀螺测斜仪结构较复杂。 本发明新型多功能测斜仪结构 设计应以陀螺测斜仪为基础， 将磁通门传感器集成到陀螺测斜仪中 （见图 3） ， 新增加的 3个单轴磁通门 （ \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

［数］

§

［数］

& 3

［数］

） 与原有的 3个单轴加速度计 （

［数］

［数］

［数］

¾

） 一一对应。 不仅如此， 若采用框架式陀螺仪或光纤陀螺仪， 磁通门传感器可 以靠近陀螺仪； 若采用动调式陀螺仪， 磁通门传感器应与陀螺仪保持适当距离 ， 避免动调式陀螺仪对磁通门产生磁干扰。

［0037］ 此外， 陀螺测斜仪按信号的传输方式可分为有线随钻 陀螺测斜仪和无线随钻陀 \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898 螺仪。 有线传输方式的优点是数据传输和更新速度快 ， 约 3-58即可更新一次测量 数据， 缺点是接立柱时需要收放电缆， 占用钻机作业时间较多。 无线传输方式 的优点是不需要收放电缆， 占用钻机作业时间较少； 缺点是数据传输和更新速 度慢， 全测量模式约 31^11/次。 为了节省井下数据测量和上传时间， 也为了延长 井下电池组的工作时间， 无线传输方式通常有多个工作模式来满足不同 钻进工 况要求。 比如， 定向钻进时采用快速工具面模式， 约 38即可更新一次工具面数据 ； 测量井眼轨迹参数时采用全测量模式， 可以测量和上传井眼轨迹参数 （井斜 角、 方位角） 及磁场参数 （磁场强度、 磁场倾角） 。

[0038] 在配套的电子电路与数据处理软件方面， 上述新型多功能测斜仪除了陀螺测斜 仪原来提供的测量数据， 还需要增加磁通门数据采集与处理功能。 若采用有线 陀螺测斜仪， 需要增加磁工具面角 （注： 磁通门传感器给出的磁工具面角以磁 北为基准， 需要进行磁偏角修正） 、 磁场强度及磁场倾角； 若采用无线陀螺测 斜仪， 快速工具面模式需要增加磁工具面角， 全测量模式需要增加磁场强度和 磁场倾角。 综合利用上述测量数据能够识别出邻井套管磁 干扰和井眼交碰风险 ， 并高效率实施防碰绕障作业。

[0039] 基于上述多功能测斜仪进行邻井套管相对位置 判断的方法， 包括以下步骤：

[0040] 1.邻井套管磁干扰及井眼交碰风险识别方法

[0041] 铁磁性套管柱在地磁场中产生感应磁场， 在检测、 运输及井下服役过程中还产 生剩磁。 认识套管柱周围磁场分布规律是识别邻井套管 磁干扰的基础。 同一批 次的套管单根基本上具有相同的剩磁方向， 套管接箍联处剩磁磁极主要为 组 合 （上部为 极/下部为 X极） ， 两种情况下 磁场分布规律基本相同 （见图 4） ， 仅套管接箍处东西两侧的磁异常区稍大 （接 近 1.0111） ， 其余位置磁异常区均较小 （约 0.5111以内） 。 由于丛式井组上部直井 段井眼间距变化较慢， 采用上述新型多功能测斜仪能够及时识别出邻 井套管磁 干扰和井眼交碰风险。

[0042] 该方法主要思路是通过对比同时测量到的两个 磁工具面角 （注： 磁通门传感器 给出的磁工具面角需要磁偏角修正） 来识别邻井套管磁干扰， 进而识别出井眼 交碰风险。 具体来说， 如果没有邻井套管磁干扰， 两组传感器 （磁通门传感器 \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898 和陀螺传感器） 给出的磁工具面角应该基本一致； 如果存在邻井套管磁干扰， 磁通门传感器的测量结果会失真， 两组传感器给出的磁工具面角会出现较大差 异， 差异越大说明邻井套管磁干扰越严重， 井眼交碰风险越高。

[0043] 考虑到套管柱自身磁场影响范围较小 （通常约 1.〇111以内） 、 测量传感器距离钻 头较远 （通常约 15：〇1） ， 为了不漏掉 （甚至早发现） 邻井套管磁干扰， 需要利用 快速工具面模式加密测量磁工具面角， 为了估算邻井套管相对距离和方位， 需 要利用全测量模式加密测量磁场强度和磁场倾 角。 相关数据测量及处理步骤如 下 （见图 5） _:

[0044] （1） 钻前利用现有定向钻井软件 （比如， COMPASS软件） 对待钻井眼做防碰 扫描， 利用最近距离和井眼分离系数识别出井眼交碰 风险较高的井段。 对于丛 式井上部井段来说， 若某井段的最近距离小于 2.0111， 或井眼分离系数小于 1.5， 可视为井眼交碰风险较高。

[0045] （2） 在井眼交碰风险较高的井段， 每钻完 1个钻杆单根进行 1次全测量， 记录 井眼轨迹参数 （井深、 井斜角、 方位角） 、 磁场参数 （总磁场强度、 磁场倾角

[0046] （3） 转换到快速工具面模式， 锁紧转盘、 缓慢上提 （或下放） 钻柱， 对新钻 出的约 10-15111井段按 1.0111 /点加密测量磁工具面角 （有两个） ， 记录测量井深、 磁工具面角， 并绘制出两个磁工具面角随测量井深变化曲线 。

[0047] （4） 以陀螺传感器对应的磁工具面角为基准， 若磁通门传感器对应的磁工具 面角偏差较小， 表明没有邻井套管磁干扰、 井眼交碰风险较低， 可以继续钻进 并重复上述操作； 若磁通门传感器对应的磁工具面角偏差较大， 表明存在邻井 套管磁干扰和井眼交碰风险， 且偏差最大通常为邻井套管接箍位置， 需要转换 到邻井套管柱相对位置反演环节。

[0048] 与全测量模式加密测量方法相比， 快速工具面模式能够在较短时间内获得足够 多的磁场参数， 能够节省测量时间。 此外， 套管单根长度约 10-12：〇1， 连续测量 1 5：〇1能够测量到两个套管接箍， 有助于尽早发现邻井套管磁干扰和井眼交碰风 险

[0049] 2.邻井套管相对位置反演方法 \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

[0050] 套管柱周围磁场由正常地磁场与干扰磁场叠加 而成 （见图 4） ， 剔除正常地磁 场后发现干扰磁场分布基本上关于套管柱轴线 轴对称分布 （仅套管接箍处南北 方向稍有变化， 见图 6） ， 只要预先回归出干扰磁场强度沿套管柱横向距 离变化 关系， 或预先制作出干扰磁场强度沿套管柱横向距离 变化图版， 就能够利用干 扰磁场分布特征反演出邻井套管相对距离及方 位。 具体步骤如下 （见图 7） _:

[0051] （1） 对识别出的邻井套管磁干扰井段， 按全测量模式 2：〇1/点加密测量， 记录不 同井深对应的井眼轨迹参数 （井斜角、 方位角） 、 磁场参数 （总磁场强度、 磁 场倾角） 。

[0052] （2） 利用测斜仪提供的井斜角、 方位角、 磁工具面角， 以及磁通门传感器实 测的磁场强度、 磁场倾角， 计算出干扰磁场对应的相关参数。 将实测磁场强度 沿三个坐标轴分解成 （

[数]

［数］

） ； 将正常磁场强度沿三个坐标轴分解成

[数] \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

［数］

¾〇

［数］

； 设干扰磁场强度为

［数］ 祕

， 与之对应的三个分量为

［数］

［数］

［数］

， 相关计算公式如下:

［0053］ \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

[0054]

= ^ + +

(2)

[0055] (3) 根据预先回归出的干扰磁场强度沿套管柱横向 距离变化关系， 利用干扰 磁场参数能够最终求解邻井套管相对距离 3、 相对方位角 0， 见式 (3) 和式 (4)

[0056] [数] r ^~ f（：M）

（3）

[0057] [数]

⑷

[0058] 在邻井套管磁干扰井段， 磁性测斜仪不能准确测量磁方位角和磁工具面 角， 现 有方法利用磁性测斜仪的测量结果来反演邻井 套管相对位置是不可信、 不可靠 的。 本方法利用陀螺测斜仪测量的真方位角和磁工 具面角反演邻井套管相对位 置准确、 可靠。

[0059] 总结来说， 本发明基于多功能测斜仪进行邻井套管相对位 置判断的方法按以下 步骤进行： \¥0 2019/128886 卩（：17（：\2018/122898

[0060] 进入井眼交碰风险较高的井段以后， 如图 5流程图所示， 采用本发明给出的新 型多功能测斜仪， 对新钻出的约 15：〇1井段加密测量磁工具面角 （陀螺传感器和磁 通门传感器各给出一个磁工具面角） ， 绘制磁工具面角随井深变化曲线， 利用 磁通门传感器的磁工具面角是否有明显变化来 识别出邻井套管磁干扰和井眼交 碰风险。

[0061] 识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险之后， 如图 7流程图所示， 按本发明所 给方法对识别出的邻井套管磁干扰井段加密测 斜， 利用陀螺传感器给出的磁工 具面角、 磁通门传感器实测的磁场强度和磁场倾角反演 邻井套管相对距离及方 位。