钻探交变磁场磁源性能影响因素分析

黄明泉　赵国山

摘  要：复杂结构井可实现对油气储层的最佳钻遇与保护，随着钻探连通井和双水平井等复杂结构井的数量逐步增多，使得磁性导向系统被引入复杂结构井施工中，其中交变磁场磁源是该系统的重要组成部分，依据电磁学基本理论建立了交变磁场磁源的性能分析物理模型，通过有限元法和实验测试分析验证了该模型的有效性，并对磁源性能影响因素进行了分析。分析结果表明，磁源几何结构和物性参数对磁源性能均存在影响，其中磁源长度和相对磁导率的影响较为规律，线圈匝数、层数和径向尺寸变化体现出最佳结构匹配特性，同时磁源外磁场强度随着中心距离的增大而减少，磁源外磁场强度与距离的三次方成反比关系。

关键词：磁源  磁场强度  有限元法  物性参数  结构尺寸  中心距离

中图分类号：TE243;TE927    文献标识码：A 文章编号：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

复杂结构井是可以大幅度提高油气井产量和最终采收率的前沿技术[1]，复杂结构井技术的核心在于井眼轨道的控制与引导[2-3]，目前，已有的几何导向技术已能实现利用加速度计、磁力计、陀螺仪等传感器测量井斜角、方位角等轨迹参数[1]。在钻井过程中对井眼軌迹的控制依据当前钻进方向的测量，从待钻井眼与目标靶点所形成的系统角度上看，此类方法属于开环控制，没有考虑目标靶点对待钻井眼的引导能力，随着对钻井导向精度要求的不断提高，传统几何导向定位技术已经无法满足井眼轨迹的高精度要求。同时常规随钻测量系统，影响井眼轨迹参数测量数据准确性的因素（测斜仪器本身的精度、测量环境是否干扰仪器的测量、测点位置的准确性、测斜仪器轴线是否与井眼轴向重合等）均存在着一定的误差，难以避免误差积累，无法满足高精度导向的需求。为了解决现有几何导向定位技术应用于复杂结构井钻井时存在的导向精度低的问题，有源磁性导向[4-13]技术被引入复杂结构井施工中，主要包括磁导向工具（MGT）和旋转磁场测距系统（RMRS）等[4-13]。磁导向工具主要设计理念是便于操作，对钻井工艺相对影响小，当需要测量时，磁导向工具放入相应的位置，测量参数把原始数据和测斜数据一起传输到地面，其中磁源主要产生有效交变磁场信号是系统的重要组成部分，因此需要对磁源进行优化设计，以保障其工作性能，该文将针对交变磁场磁源工作性能进行分析研究。

1  磁源性能分析物理模型

磁源和变频恒流交流电源组成了交变磁场信号发射装置，其中磁源主要由磁芯、线圈、骨架、外套筒和接头等组成。其工作原理是变频电源激励磁源产生交变磁场信号，三轴磁场测量装置通过滤波电路消除井下噪声干扰和恒定磁场成分，从而实现对空间交变磁场信号的有效提取，最终通过反演计算得到相对距离和方位。

根据磁源载流线圈结构，其外场分布采用磁偶极子模型[14]进行描述，可得到柱坐标系下磁源磁场的分布模型，如公式（1）所示。

2  磁源性能影响因素有限元分析

依据磁源工作性能分析模型，对信标性能影响因素进行分析，建立磁源有限元分析模型，主要针对磁源几何结构和物性参数因素对磁源进行分析研究。

2.1 基本设计结构分析

受限于井下应用条件，钻探磁源其结构尺寸受到极大限制，因此初步设计以下基本结构形式，设计长度1000mm，外径75mm;磁芯直径30mm，长度1000mm，材料为硅钢;匝数6000匝，绕线线径1.8mm。

对磁源的外部磁场进行分析结果如图2所示，可知磁场强度随着距离的增大而减少，磁场变化率逐渐减小，其磁场强度大小与距离的三次方成反比关系，分析可见理论模型与有限元模型的计算结果描述一致。

2.2 相对磁导率变化

分别选用相对磁导率为200、500、2000、5000和10000的物性参数，分析结果如图3所示，可知相对磁导率的变化对于磁源空间磁场的分布有影响，随着相对磁导率的增大，磁源的磁场强度增大，但磁场强度的增大趋势变缓，同时磁性材料的相对磁导率选择还需考虑经济性因素。

2.3 线圈层数变化

分别选用线圈层数为1、2、3、5、7、9和10的结构参数，分析结果如图4所示，可知改变线圈层数则同时意味着线圈匝数的改变，线圈层数的变化对于磁源空间磁场的分布有影响，随着线圈层数的增多，磁源的磁场强度增大，当线圈层数增加至一定范围，其磁场强度增大幅度突增，因此选择合理的层数对于保证磁源的工作性能较为关键。

2.4 磁芯直径变化

分别选用磁芯直径为10mm、20mm、30mm、40mm、50 mm、60mm和70mm的结构参数，分析结果如图5所示，可知磁芯直径的变化对于磁源性能有影响，但磁芯直径对于磁场强度大小的影响规律性不强，因为相关层数和匝数等参数未发生变化时，磁芯直径变化同时引起磁源直径的增大，当磁芯直径与其他结构参数成较优匹配时，其工作性能较好。

2.5 磁源长度变化

分别选用磁源长度为0.2m、0.5m、1m、1.5m和2m的结构参数，分析结果如图6所示，可知磁源长度的改变意味着磁芯长度以及线圈匝数的改变，磁源长度的变化对于磁源空间磁场的分布有着较为显著的影响，磁源长度对于磁场强度大小的影响规律可看作线性变化，随着磁源长度的增大，磁源磁场强度增大。虽然长度增大对于磁源的工作性能影响显著，但磁源长度也不能无限长，其选取范围既要考虑机械强度也要考虑经济性，在保证井下使用的要求下长度可以尽可能长。

3  磁源性能测试分析

依据设计方案加工磁源，并在电流强度7A和工作频率1Hz的情况进行了测试分析，布置测点距离磁源中心位置的中心距离从2～50m范围内，测点间隔1m，测试所得结果如图7所示，可知磁场强度随着距离的增大而减小，强度大小与距离的三次方成反比关系，理论模型公式（3）的描述与测试实验分析结果相符合。

4  结论

（1）设计了磁源基本结构，分析了磁源工作原理，建立了磁源性能分析的物理模型，通过有限元和实验测试分析验证了该模型的有效性。

（2）依托所建立有限元模型，对磁场强度有较为显著影响的结构尺寸参数和材料物性参数等进行分析。分析可知相对磁导率、线圈层数、磁芯直径和磁源长度对磁源的空间磁场分均存在影响，其中磁源长度和相对磁导率的影响较为显著且规律，层数和径向尺寸变化体现出最佳结构匹配特性，同时磁源设计还需要考虑井下环境限制、结构机械强度和经济性等综合因素。

（3）依据设计方案加工了测试用磁源并进行了地面测试，分析可知磁场强度随着距离的增大而减小，磁场变化率逐渐减小，曲线形式上趋近于强度大小与距离的三次方成反比关系。

参考文献

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