钻井轨迹近钻头有源交变磁场随钻测量方法研究

针对传统随钻测量无法满足SAGD成对平行井和水平对接连通井等复杂结构井钻井轨迹精确测量与定位需求，从钻头和目标井靶点构成的闭环系统思想出发，本项目提出钻井轨迹的近钻头有源交变磁场随钻测量方法研究。通过在目标井靶点测量交变磁场信号并解算钻头空间位置关系，直接测量目标井靶点与钻头的相对位置关系。通过分析低频交变磁场的空间传播特性，揭示利用旋转磁偶极子模型进行目标定向测距的物理机理；提出交变磁场定向测距算法的数学模型；建立磁场源震动及非均匀旋转等干扰下钻井轨迹高精度定位方法的测量模型，该测量模型包括直流地磁信号与0.5-5Hz的低频交变磁场信号分离方法，幅度变化达80dB的大动态范围交变磁矢量信号同步采集方法，误差形成机理分析与误差补偿模型研究，有效信息的自适应估计算法。通过仿真和试验对有源交变磁场定向测距方法进行验证与优化，实现钻头与目标靶点相距50米内的钻井轨迹定位误差不超过正负0.1米。

本课题以煤层气开发中的连通井和稠油热采中的成平平行井两类复杂结构井为研究背景。本课题采用旋转阵列磁偶极子模型研究交变磁场空间传播特性，建立不同的交变磁场导向定位算法，为钻井轨迹高精度导向定位提供理论基础；在磁源震动及非均匀旋转等干扰环境下，研究主要误差的形成机理及误差传递模型，旋转磁场定向测距方法不仅是一种新的成对平行井及水平对接连通井钻井轨迹精确定位方法，也将为其他地下钻井过程的姿态测量及精确引导问题特供借鉴思路。本项目研究主要完成了以下工作：（1）建立了针对连通井和成对平行井应用背景的物理模型；（2）系统研究了有源交变磁场的传播特性（3）提出了用于连通井的低频交变磁场导向定位算法；（4）建立了基于希尔伯特变换的特征磁场强度算法；（5）建立成对平行井定位算法；（6）研制了旋转磁场导向定位测量系统；（7）进行了定位算法的数值模拟试验和现场试验。取得如下成果：（1）建立了旋转磁场导向测距算法的数学模型。该方法突破了传统的无源地磁定向技术，为连通井和成对平行井的精确导向定位提供了测量方法。实现在50米以内定位误差不超过0.1米。最终形成了基于旋转磁偶极子模型的高精度钻井轨迹导向测距方法。（2）提出阵列正交磁偶极子模型的多源动态数据获取与融合方法；确定大动态范围低频交变磁场测量的磁传感器分辨率，频率响应等性能指标；实现幅度差异达80dB的大动态范围交变磁场信号的同步获取技术；