鉆探交變磁場磁源性能影響因素分析

黃明泉　趙國山

摘? 要：復雜結構井可實現對油氣儲層的最佳鉆遇與保護，隨著鉆探連通井和雙水平井等復雜結構井的數量逐步增多，使得磁性導向系統被引入復雜結構井施工中，其中交變磁場磁源是該系統的重要組成部分，依據電磁學基本理論建立了交變磁場磁源的性能分析物理模型，通過有限元法和實驗測試分析驗證了該模型的有效性，并對磁源性能影響因素進行了分析。分析結果表明，磁源幾何結構和物性參數對磁源性能均存在影響，其中磁源長度和相對磁導率的影響較為規律，線圈匝數、層數和徑向尺寸變化體現出最佳結構匹配特性，同時磁源外磁場強度隨著中心距離的增大而減少，磁源外磁場強度與距離的三次方成反比關系。

關鍵詞：磁源? 磁場強度? 有限元法? 物性參數? 結構尺寸? 中心距離

中圖分類號：TE243;TE927 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（a）-0001-04

Abstract： The complex structure wells successfully improved the drilling meeting efficiency and obtained obvious economical， social， and environmental protection benefits. With the quantity gradually increased of complex structure wells， such as interconnecting wells， and dual horizontal wells， etc.， the magnetic guidance system and tools was introduced to meet the increasing accuracy requirements of the well trajectory control. Magnetic source is an important part of this system. Performance analysis model of magnetic source was established based on the electromagnetism theory. Using the finite element method and Experimental test verifies the validity of this model. Performance-influencing factors of magnetic source were analyzed. The results are shown that magnetic source performance mainly depends on the structure dimension and material physical parameters. The length and relative permeability has regularity influence on magnetic source performance. The coil layer number and core diameter has optimal match. The results show that increasing distance lead to decreasing the magnetic field strength. The magnetic field strength is inverse proportion to the cube of distance.

Key Words： Magnetic source; Magnetic field strength;Finite element method; Physical parameters; Structure dimension; Center distance

復雜結構井是可以大幅度提高油氣井產量和最終采收率的前沿技術[1]，復雜結構井技術的核心在于井眼軌道的控制與引導[2-3]，目前，已有的幾何導向技術已能實現利用加速度計、磁力計、陀螺儀等傳感器測量井斜角、方位角等軌跡參數[1]。在鉆井過程中對井眼軌跡的控制依據當前鉆進方向的測量，從待鉆井眼與目標靶點所形成的系統角度上看，此類方法屬于開環控制，沒有考慮目標靶點對待鉆井眼的引導能力，隨著對鉆井導向精度要求的不斷提高，傳統幾何導向定位技術已經無法滿足井眼軌跡的高精度要求。同時常規隨鉆測量系統，影響井眼軌跡參數測量數據準確性的因素（測斜儀器本身的精度、測量環境是否干擾儀器的測量、測點位置的準確性、測斜儀器軸線是否與井眼軸向重合等）均存在著一定的誤差，難以避免誤差積累，無法滿足高精度導向的需求。為了解決現有幾何導向定位技術應用于復雜結構井鉆井時存在的導向精度低的問題，有源磁性導向[4-13]技術被引入復雜結構井施工中，主要包括磁導向工具（MGT）和旋轉磁場測距系統（RMRS）等[4-13]。磁導向工具主要設計理念是便于操作，對鉆井工藝相對影響小，當需要測量時，磁導向工具放入相應的位置，測量參數把原始數據和測斜數據一起傳輸到地面，其中磁源主要產生有效交變磁場信號是系統的重要組成部分，因此需要對磁源進行優化設計，以保障其工作性能，該文將針對交變磁場磁源工作性能進行分析研究。

1? 磁源性能分析物理模型

磁源和變頻恒流交流電源組成了交變磁場信號發射裝置，其中磁源主要由磁芯、線圈、骨架、外套筒和接頭等組成。其工作原理是變頻電源激勵磁源產生交變磁場信號，三軸磁場測量裝置通過濾波電路消除井下噪聲干擾和恒定磁場成分，從而實現對空間交變磁場信號的有效提取，最終通過反演計算得到相對距離和方位。

根據磁源載流線圈結構，其外場分布采用磁偶極子模型[14]進行描述，可得到柱坐標系下磁源磁場的分布模型，如公式（1）所示。

2? 磁源性能影響因素有限元分析

依據磁源工作性能分析模型，對信標性能影響因素進行分析，建立磁源有限元分析模型，主要針對磁源幾何結構和物性參數因素對磁源進行分析研究。

2.1 基本設計結構分析

受限于井下應用條件，鉆探磁源其結構尺寸受到極大限制，因此初步設計以下基本結構形式，設計長度1000mm，外徑75mm;磁芯直徑30mm，長度1000mm，材料為硅鋼;匝數6000匝，繞線線徑1.8mm。

對磁源的外部磁場進行分析結果如圖2所示，可知磁場強度隨著距離的增大而減少，磁場變化率逐漸減小，其磁場強度大小與距離的三次方成反比關系，分析可見理論模型與有限元模型的計算結果描述一致。

2.2 相對磁導率變化

分別選用相對磁導率為200、500、2000、5000和10000的物性參數，分析結果如圖3所示，可知相對磁導率的變化對于磁源空間磁場的分布有影響，隨著相對磁導率的增大，磁源的磁場強度增大，但磁場強度的增大趨勢變緩，同時磁性材料的相對磁導率選擇還需考慮經濟性因素。

2.3 線圈層數變化

分別選用線圈層數為1、2、3、5、7、9和10的結構參數，分析結果如圖4所示，可知改變線圈層數則同時意味著線圈匝數的改變，線圈層數的變化對于磁源空間磁場的分布有影響，隨著線圈層數的增多，磁源的磁場強度增大，當線圈層數增加至一定范圍，其磁場強度增大幅度突增，因此選擇合理的層數對于保證磁源的工作性能較為關鍵。

2.4 磁芯直徑變化

分別選用磁芯直徑為10mm、20mm、30mm、40mm、50 mm、60mm和70mm的結構參數，分析結果如圖5所示，可知磁芯直徑的變化對于磁源性能有影響，但磁芯直徑對于磁場強度大小的影響規律性不強，因為相關層數和匝數等參數未發生變化時，磁芯直徑變化同時引起磁源直徑的增大，當磁芯直徑與其他結構參數成較優匹配時，其工作性能較好。

2.5 磁源長度變化

分別選用磁源長度為0.2m、0.5m、1m、1.5m和2m的結構參數，分析結果如圖6所示，可知磁源長度的改變意味著磁芯長度以及線圈匝數的改變，磁源長度的變化對于磁源空間磁場的分布有著較為顯著的影響，磁源長度對于磁場強度大小的影響規律可看作線性變化，隨著磁源長度的增大，磁源磁場強度增大。雖然長度增大對于磁源的工作性能影響顯著，但磁源長度也不能無限長，其選取范圍既要考慮機械強度也要考慮經濟性，在保證井下使用的要求下長度可以盡可能長。

3? 磁源性能測試分析

依據設計方案加工磁源，并在電流強度7A和工作頻率1Hz的情況進行了測試分析，布置測點距離磁源中心位置的中心距離從2～50m范圍內，測點間隔1m，測試所得結果如圖7所示，可知磁場強度隨著距離的增大而減小，強度大小與距離的三次方成反比關系，理論模型公式（3）的描述與測試實驗分析結果相符合。

4? 結論

（1）設計了磁源基本結構，分析了磁源工作原理，建立了磁源性能分析的物理模型，通過有限元和實驗測試分析驗證了該模型的有效性。

（2）依托所建立有限元模型，對磁場強度有較為顯著影響的結構尺寸參數和材料物性參數等進行分析。分析可知相對磁導率、線圈層數、磁芯直徑和磁源長度對磁源的空間磁場分均存在影響，其中磁源長度和相對磁導率的影響較為顯著且規律，層數和徑向尺寸變化體現出最佳結構匹配特性，同時磁源設計還需要考慮井下環境限制、結構機械強度和經濟性等綜合因素。

（3）依據設計方案加工了測試用磁源并進行了地面測試，分析可知磁場強度隨著距離的增大而減小，磁場變化率逐漸減小，曲線形式上趨近于強度大小與距離的三次方成反比關系。

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