專利名稱：一種通過測量地磁場梯度定位井下套管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油、定向隧道及地質(zhì)勘探等鉆井工程測斜領(lǐng)域，尤其涉及一種在修 井作業(yè)中用于確定由于地殼運(yùn)動(dòng)而丟失的套管的方法。
背景技術(shù)：
大慶油田自1959年在高臺(tái)子油田鉆出第一口油井開始，到現(xiàn)在一直是我國最大 的油區(qū)，1976年以來年產(chǎn)原油一直在5000萬噸以上。這些年對地下石油的開采使得大慶地 下壓力紊亂，地殼運(yùn)動(dòng)活躍。大慶油田有上千口油井套管被擠壓變形甚至斷裂，使得無法繼 續(xù)開采石油。有些斷裂部位靠近地表的井通過修復(fù)可以繼續(xù)進(jìn)行開采，比新打井節(jié)約大量 人力物力，所以找到丟失的套管進(jìn)行修復(fù)是很必要的。目前行業(yè)中沒有有效的方法對丟失 的套管進(jìn)行定位，使得斷裂的油井無法得到有效的處理。定位井下丟失套管主要存在的問 題是磁場不直觀，套管周圍的地磁場具體如何變化無法定量描述，實(shí)驗(yàn)證明在不同方向上 變化規(guī)律不同，即使同一方向上變化也是非線性的。不同地區(qū)的地磁場有差異，即使同一地 區(qū)隨時(shí)間變化，地磁場都會(huì)有變化。另外，由于硬件原因，不同的傳感器在相同的磁場里測 得數(shù)據(jù)可能存在差異。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有鉆井行業(yè)中無法對丟失的套管進(jìn)行定位的問題，本發(fā)明提供了一種 用于定位丟套管的方法，通過該方法能夠準(zhǔn)確定位到斷裂的套管，節(jié)約成本。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的方案是通過測量鐵磁性鉆井套管周圍地磁場的 梯度，準(zhǔn)確定位套管所在的方向和距離。磁場測量儀器的三軸磁場計(jì)是可以測量地磁場的 矢量，包括磁場強(qiáng)度和方向，磁場強(qiáng)度測量準(zhǔn)確度不低于luT。通過測量儀器采集井下姿態(tài) 數(shù)據(jù)，取出儀器與地面軟件連接，軟件通過所采集的η個(gè)已知點(diǎn)處的磁場強(qiáng)度，構(gòu)造成一個(gè) 地磁場梯度變化的非線性方程組。經(jīng)過最優(yōu)化算法即可計(jì)算出丟失套管的位置Utl, Y0, Z0) 和姿態(tài)(Φ，β)參數(shù)，β為磁偶極矩與ζ軸正方向上的夾角；Φ為磁偶極矩在XOY平面上 的投影與X軸正方向的夾角。主要實(shí)現(xiàn)步驟
(1)將磁場測量的儀器放入井下，待儀器穩(wěn)定后采集磁場數(shù)據(jù)；
(2)將儀器從井下取出，與地面處理軟件連接讀取磁場數(shù)據(jù)組A；
(3)地面處理軟件通過已知當(dāng)?shù)匚恢玫牡卮艌鰪?qiáng)度、套管附近實(shí)測磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)組Α、 套管材料特性計(jì)算出套管相對于測量點(diǎn)的方向和距離。本發(fā)明的有益效果是可以準(zhǔn)確定位丟失的套管，使修復(fù)淺層斷井成為現(xiàn)實(shí)，方法 簡單，操作方便，經(jīng)濟(jì)效益可觀。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明定位方法的流程圖。
圖2是本發(fā)明使用的磁場測量儀器結(jié)構(gòu)圖。圖2中，1.上連接頭，2.減震器，3.三軸磁場計(jì)，4.定向桿。
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明定位方法的流程圖，地面處理軟件首先實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理， 并構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，然后使用最優(yōu)化算法求解出最優(yōu)解。具體實(shí)施步驟如下
1.采集數(shù)據(jù)預(yù)處理
采集數(shù)據(jù)預(yù)處理包含抑制地磁場的干擾、傳感器正交性校正、區(qū)域初始定位。(1)抑制地磁場干擾
由磁標(biāo)記定位的原理可知，要計(jì)算出丟失套管的位置和姿態(tài)參數(shù)，就必須測量出套管 所產(chǎn)生磁場的磁場強(qiáng)度，而在無磁屏蔽的環(huán)境中實(shí)際測量到的除了目標(biāo)永磁體產(chǎn)生的磁場 還包括環(huán)境磁場，環(huán)境磁場是由地磁場和其他電磁干擾組成的，其中地磁場是主要成份。因 此在定位計(jì)算中需要先消除地磁場的干擾，從測量值中將丟失的套管產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分 1 出來。由于靜態(tài)采集值包含了環(huán)境磁場的信息，在近似的情況下，動(dòng)態(tài)采集值除了包含 丟失的套管的空間磁場信息還包含了環(huán)境磁場的信息，因此二者的差值基本上抑制了地磁 場的干擾，本軟件中通過幾組動(dòng)態(tài)采集值的均值與靜態(tài)采集值的均值相減，其差值為去除 了地磁場干擾的丟失套管的磁場信息采集值。(2)修正傳感器正交性誤差
由于三軸傳感器模塊是手工制作的，制作過程中不能保證3個(gè)軸向磁傳感器的理想正 交，因此需要對每個(gè)傳感器模塊進(jìn)行正交修正。設(shè)全局空間直角坐標(biāo)系o-xyz，一個(gè)數(shù)軸磁 傳感器模塊的三個(gè)方向的傳感器的指向?yàn)閛x’，oy’，oz’。設(shè)ox，，oy，，0Z，與oz軸的夾角分別為θ χ，θ y，θ z，其在平面上 的投影與OX軸的夾角分別為Φχ，Φγ, Φζ。則3軸傳感器模塊的測量值 B1x，Sts，5、與全局坐標(biāo)系下磁場強(qiáng)度的3個(gè)分量Bx，By, Bz有如下關(guān)系
地面處理軟件通過上述公式進(jìn)行修正傳感器正交性誤差修正。(3)區(qū)域定位
由于定位方法采用的是非線性最優(yōu)化算法，如果代入算法的初始值越接近計(jì)算結(jié)果， 將減少定位算法所耗費(fèi)的時(shí)間，提高定位算法的效率，因此通過對前期處理后的采集值進(jìn) 行簡單的區(qū)域定位，能得到一個(gè)接近于精確定位的區(qū)域位置信息。將井下磁場梯度陣列使 用九宮格的9個(gè)頂點(diǎn)處的|B|的和作為判斷函數(shù)，就可以確定丟失套管在井下磁場梯度平 面上的投影是落在|β|的和最大的的一個(gè)九宮格內(nèi)的。2.基于非線性最小二乘定位方法的軟件實(shí)現(xiàn)。
？i非線性最小二乘法公式β = Σ〖Λ - fi^M
5,1 Γ SHI cos I sin § cos φ}, By | = | sin sin φ sin θ sin φ 分別是對應(yīng)軸向的傳感器到丟失套管的距離。在圖2中，本發(fā)明使用的磁場測量儀器結(jié)構(gòu)圖由上連接頭(1)、減震器(2)、三軸磁 場計(jì)(3)、定向桿(4)采用絲扣連接組成，其中定向桿(5)的高邊角與三軸磁場測量計(jì)(3)工 具面角一致。減震器(2)為三軸磁場測量計(jì)(3)提供保護(hù)，避免其受到振動(dòng)導(dǎo)致?lián)p壞。定向 桿(5)用于確定本發(fā)明儀器的工具面零度角。以上對本發(fā)明方法及系統(tǒng)的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并闡述了具體操作方法，整 個(gè)流程圖如圖2所示。由于在不同的地域地磁場存在差異，即使在同一地方不同季節(jié)，甚至 同一天的早上晚上都存在差異。所以制定出通過井下數(shù)據(jù)直接查得方位的參考表工作量巨 大，而且難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)本方法是最實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)的方法。另外此方法適合于淺 層斷裂套管的定位，如果斷裂處太深，斷裂處的磁場與地面的磁場差異較大，難以實(shí)現(xiàn)場景 復(fù)現(xiàn)。對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明方法的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上 均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本方法發(fā)明使用的限制。
該方法是以誤差的平方和最小為準(zhǔn)則來估計(jì)非線性靜態(tài)模型參數(shù)的一種參數(shù)估計(jì)方 法。設(shè)非線性系統(tǒng)的模型為7 =，式中y是系統(tǒng)輸出，X是輸入，5(0 Θ是參數(shù)，這里
的非線性是指對參數(shù)θ的非線性模型。在估計(jì)參數(shù)時(shí)模型的形式f是已知的，經(jīng)過N次實(shí) 驗(yàn)取得數(shù)據(jù)(X1^1L(Xyy2), -,(xn,yn)0估計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)則(或稱為目標(biāo)函數(shù))選為模型的 誤差平方和。非線性最小二乘法就是求使Q達(dá)到極限的參數(shù)估計(jì)值變。由于f的非線性， 需要采用復(fù)雜的優(yōu)化算法來求解，采用搜索算法，按一定的規(guī)則選擇若干參數(shù)值，分別計(jì)算 他們的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小的參數(shù)值。如此繼續(xù)進(jìn)行，直到選不出更好的參數(shù)為止。其中
權(quán)利要求
1.一種通過測量地磁場梯度定位井下套管的方法，其特征在于通過測量鐵磁性鉆井 套管周圍地磁場的梯度，準(zhǔn)確定位套管所在的方向和距離，主要實(shí)現(xiàn)步驟(1)將磁場測量的儀器放入井下，待儀器穩(wěn)定后采集磁場數(shù)據(jù)；(2)將儀器從井下取出，與地面處理軟件連接讀取磁場數(shù)據(jù)組A；(3)地面處理軟件通過已知當(dāng)?shù)匚恢玫牡卮艌鰪?qiáng)度、套管附近實(shí)測磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)組A、 套管材料特性計(jì)算出套管相對于測量點(diǎn)的方向和距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過測量地磁場梯度定位井下丟失套管的方法，其特征在 于磁場測量儀器的三軸磁場計(jì)可以測量地磁場的矢量，包括磁場強(qiáng)度和方向，磁場強(qiáng)度測 量準(zhǔn)確度不低于luT。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過測量地磁場梯度定位井下套管的方法，通過測量鐵磁性鉆井套管周圍地磁場的梯度，準(zhǔn)確定位套管所在的方向和距離。磁場測量儀器的三軸磁場計(jì)是可以測量地磁場的矢量，包括磁場強(qiáng)度和方向，磁場強(qiáng)度測量準(zhǔn)確度不低于1uT。通過測量儀器采集井下姿態(tài)數(shù)據(jù)，取出儀器與地面軟件連接，軟件通過所采集的n個(gè)已知點(diǎn)處的磁場強(qiáng)度，構(gòu)造成一個(gè)地磁場梯度變化的非線性方程組。經(jīng)過最優(yōu)化算法即可計(jì)算出丟失套管的位置。本發(fā)明方法可以準(zhǔn)確定位丟失的套管，使修復(fù)淺層斷井成為現(xiàn)實(shí)，方法簡單，操作方便，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
文檔編號(hào)E21B47/024GK102094631SQ201110036740
公開日2011年6月15日 申請日期2011年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月12日
發(fā)明者馮建宇, 張耀輝 申請人:北京六合偉業(yè)科技有限公司