使用安裝在鋼井壁管上的螺旋線圈源以電磁方式確定鉆頭的相對位置的制作方法

專利名稱：使用安裝在鋼井壁管上的螺旋線圈源以電磁方式確定鉆頭的相對位置的制作方法
使用安裝在鋼井壁管上的螺旋線圈源以電磁方式確定鉆頭的相對位置
背景技術：
本申請要求提交于2006年6月5日的No. 60/810， 696號美國臨時申請和提 交于2006年6月20日的No. 60/814， 909號美國臨時申請的權益，這些文獻的公 開內容被援引包含于此。
本發明總地針對跟蹤在地下較大深度處孔眼鉆取的方法和裝置，更具體地涉 及通過位于基準井壁管上的信標確定基準井與正在鉆探的孔眼的相對位置的方法。
在跟蹤和導向打算在精確確定的路徑上橫穿、繞開或鉆透在地表下面大深度 的基準井的孔眼鉆探過程中遇上的困難是眾所周知的。例如當想要建造復雜的用于 抽出地下氣體、油或瀝青沉積物的地下"管系"時，則要求這樣的導向。在過去幾 年中已研發出各種用于精確鉆探這類孔眼的電磁方法并取得了巨大的成功。所使用 的這些方法和儀器記載于例如頒發給本申請人的No. 4， 323, 848和No. 4， 372， 398 號美國專利以及Morris等的4, 072， 200號美國專利，另請參見于1990年5月 29日頒發給Barnett等人的1, 269， 710號加拿大專利。
總體而言，盡管相對已有井的孔眼的導向取得了長足的進步，然而在已有技 術不足以提供要求針對某種情勢提供精確控制的情形下，會產生特殊的問題。例如， 當在包括許多其它井的場合下想要定位并或者避開或橫穿具體目標井時，就會產生 問題。當從一個位置(例如鉆探平臺)的井源引出多個井時，就會發生這種情況， 并且鉆探避免橫穿相鄰井或為了橫穿具體的一個井的新孔眼變得必需。在這種情形 下，所有井開始于近乎相同位置并向下伸展并彼此向外分開。所鉆探的新孔眼可開 始于與其它井源相同的總位置，或開始于離目標井的井源幾百英尺的位置，并且如 果要求橫穿、繞開特定的井，則在諸井之間作出區別的問題是棘手的。
當鉆探非平行井時，例如鉆探通過多個垂直井地域的水平井時(反之亦然)，
也會遇到跟蹤和導向的問題，在那種情況下要求繞開己有井，或者要求橫穿特定的 井。另一困難區域發生在多個水平井的鉆探中，具體是所鉆探的井必需基本平行于 己有井。提供兩個或多個緊挨著但具有精確控制的間距的水平井的需求出現在許多背景技術中，例如石油工業中的蒸汽協助回收項目，其中將蒸汽注入一個水平井并
從另一井回收流動的粘性油。該工藝記載于1992年6月30日發布的Edmunds等 人的No. 1,304,287加拿大專利中。另外例如有毒廢物處置地點的領域，其中需 要水平的平行井以將空氣泵抽入一個井并通過空氣使有毒流體進入另一個井 以供回收。又如熱巖地熱能系統，其中需要鉆探平行井以將冷水注入一個井并 從另一個井中回收熱水。再如管道產業的孔眼鉆探，其中連接地下孔眼的問題 要求從鉆探的孔眼一一例如從河的相對兩側一一精確地對準。
鉆探水平、平行井的需要是重油砂流動的最直接的考慮因素，其中靠近且平 行于已有水平井、以大約5米的間距水平延伸幾千米或在深度上延伸更大距離(例 如500米或更多)的孔眼被鉆探出。可跟隨產油沙的水平層相對靠攏地鉆探出多個 這樣的井，并且必需低成本地鉆探這些井，而不引入附加設備和人員。

發明內容
根據本發明，在精確地、有控制地鉆探彼此靠近的兩個或更多孔眼過程中遇 到的困難是通過用于測量兩個孔眼之間的距離和方向的裝置克服的，所述裝置包括 安裝在第一孔眼中的第一選定點的螺旋線圈組件，其中第一孔眼在選定點具有已知 的斜度和方向。螺旋線圈組件包括有源地等待啟動信號的電子電路，并且一旦接收 到啟動信號，則規定的電流開始流入螺旋線圈以在短時間內產生特征已知的螺旋線 圈磁場。藉由鉆探控制器通過適宜的通信裝置將啟動信號從地表發出。將磁場傳感 器布置在第二孔眼中的第二選定點，并測量第二點處的特征螺旋線圈磁場的三個矢 量分量。用于確定磁場傳感器的空間方向的方向電路位于第二孔眼的第二點處。提 供處理器，它響應測得的傳感器的空間方向并響應第二孔眼的第二點處的測得矢量 分量，并進一步響應特征已知的螺旋線圈磁場來確定第一點和第二點之間的距離和 方向。
特征磁場是通過采用安裝在第一井中的一個或多個電供能的電磁場信標產生 的，并且是通過第二孔眼中的下井隨鉆測量(MWD)電子勘測儀器測得的。第一孔 眼可以是基準井，而MWD儀器可在所鉆探的孔眼中的鉆頭附近。每個磁場源信標包 括線圈，該線圈纏繞在基準井中兩節鋼管之間形成連接的鋼連接件上并由電子組件 供電。電子組件中的控制電路持續"監聽"并識別由鉆頭啟動的"起動"信號。在已接收到"起動"信號后，在產生電磁場的短時間內對信標供能，所述電磁場是通 過隨鉆測量裝置測得的。開關電路周期地翻轉所產生的電磁場的方向，并且測得的 電磁場矢量分量用來通過已知數學方法確定鉆頭和信標的相對位置坐標。
磁場源和供電電子組件是基準井壁管的集成部件或可以是安裝在其中的臨時 作業管列的一部分。在許多情形下，每個信標在其使用壽命中僅供能幾次，并且總
體而言，可沿基準井的長度安裝數個信標，尤其是在鉆探SAGD (蒸汽協助重力泄
油)的井對的重要油田應用中。
根據本發明的第二方面， 一種用于測量伸入地層的兩孔眼之間的距離和方向
的方法包括下列步驟在第一孔眼的第一選定點安裝螺旋線圈組件，其中第一孔眼 在所選定點具有已知的斜度和方向，并在第二孔眼中的第二選定點布置磁場傳感 器，用來測量第二點處的磁場和重力矢量分量。確定磁場傳感器的空間方向，并在 螺旋線圈組件中設置有源地等待啟動信號的電子電路。遠端換能器在鉆頭控制器的 控制下發送啟動信號，這使規定的電流開始流入螺旋線圈以短時間地產生其特征已 知的螺旋線圈磁場。
該方法還包括用第二孔眼中的第二點處的傳感器監測特征磁場的矢量分量， 并響應在第二孔眼中的第二點處測得的傳感器的空間方向和測得的矢量分量確定 第一點和第二點之間的距離和方向。
本發明的方法和裝置固有地具有很長的測量范圍，此外可提供精確測量并且 具有許多用途。


通過下面結合附圖對較佳實施例的詳細說明，本發明的前述目的、特征和優 點對業內人士而言將變得更為易懂，在附圖中
圖l是本發明用于鉆探SAGD井對的系統的示意圖2是安裝在一段井壁管上的圖1所示系統的螺旋線僵和電子組件的示意圖3是具有電磁開關以啟動導通圖2的螺旋線圈的井壁管電流檢測繞組的示
意圖4是示出具有電磁通信的信標的SAGD井對的示意圖，其中電流注入源發送 經編碼的"起動"信號；圖5示出用聲波開始的SAGD系統的整體布局； 圖6示出具有安裝在作業管列上的耦合信標源的SAGD井對； 圖7示出具有多個源的SAGD作業管列，它具有為信標源供電并與之通信的絕 緣導線；
圖8示出具有作業管列和作業管列內的絕緣導線的SAGD鉆探系統的整個鉆探 系統布局；
圖9示出由矢量ra和h界定的平面上的磁力線；以及 圖10是從角度Amh尋找角度Amr的曲線圖。
具體實施例方式
現在對本發明進行更詳細的描述，圖1示出在用于SAGD (蒸汽協助重力泄 油)從非流動瀝青烴形態產油的油田14中的一對井10和12的總覽圖。如圖所示， 井IO是事先鉆探并成壁的水平井，它作為基準井，而井12正沿靠近或平行于第一 井的水平部分的路徑鉆探。在這種重要的SAGD應用中，蒸汽被注入上井12以熔 解瀝青并使其流至下井10，瀝青從下井IO泵送至地表。該井對的一個重要的技術 指標是位于烴層面的井對的水平部分彼此必須精確地平行并具有精確規定的間距。 典型地，該井對水平伸出1.51011并且在該長度上具有5+/-1米的間距。與之前使用 的方法相比，本發明所提供的重要改進是:在鉆探第二井的同時不需要接近第一"基 準"井。
使用傳統鉆探工具鉆探基準井10，該傳統鉆探工具一般包括鉆探電機和具有 電子控制組件的可轉動、方向可控的鉆探設備，例如隨鉆測量(MWD)系統中所見 到的那些。使用傳統導向技術沿規定路線鉆探第一井，并隨后用鋼管套入其中，總 體表示為16。根據本發明的較佳形式，在套入過程中，各自包括井壁管連接件的 一個或多個電磁信標18 (其說明在后面給出)在規定地點安裝于該井中的各節井 壁管之間。盡管信標連接件可具有規定的沿井孔向前的極性方向，然而"井壁管敷 設組"以與安裝普通管接頭相同的方式安裝這些信標連接件。這些連接件可安裝為 基準井壁管16的永久部分或安裝為在一個臨時用"作業管列"(安裝在基準井內) 中的連接結構。
在井壁管安裝在基準井內后的幾個月內，沿相對井IO規定的平行路徑鉆探該 井對的第二井12。在鉆探第二井的同時對本發明的電磁信標供能以向鉆機提供周期測得的、更新的與基準井的位置關系，從而阻止新井偏離路線。在鉆探孔眼時， 鉆機的標準實踐是在將一節新的鉆探管安裝于鉆探管列的同時，使用地球磁場和重
力方向的MWD測量周期地作出鉆頭范圍和方向確定。就在這幾次判斷中，向基 準井內的電磁信標提供起動信號以簡單地將其導通，從而允許在作出其它測量的同 時作出對所鉆探的井處的信標的電磁場分量的測量。該信標電磁場的測量可采用 No.6， 814， 163美國專利所公開的技術。在基于這些測量作出相對位置和鉆探方 向的判定后，根據需要對井12的下一鉆探間隔的鉆探方向作出調節，從而作 出軌跡校正。
用于SAGD應用的電磁信標18在圖2中以橫截面示出。信標包括連接件19， 它可以是例如將近3英尺長并在其相對的兩端具有陰螺紋20、 22的帶螺紋鋼管。 連接件19用來連接兩節7英寸直徑的開槽井壁管段23和24，典型為40英尺的兩 節管段。若干信標18、 18a、 18b等可用來端對端地連接相應井壁管段，從而在井 的下端形成井10的工作部分26，如圖1所示。信標18、 18a、 18b等完全是配套 的，并作為普通井壁管連接件安裝。諸信標在結構上相似，并如圖2所示，每個信 標18包括較佳在形成于連接件側壁32中的槽30內纏繞于連接件本體19外緣周圍 的線圈28，較佳地，用環氧樹脂填滿線圈并且用玻璃纖維或Kevlar覆蓋線圈。 另外，線圈可由非磁性、不銹鋼保護蓋34的保護，該保護蓋34嵌入于側壁32 的相應凹口36中，以與側壁的外表面37平齊。電子組件、起動傳感器和電池 組用環氧樹脂"罐裝"入連接件19外緣上的小凹腔38和40內，從而構成電 磁信標18。在安裝后，每個信標等待相應的啟動、或"起動"信號， 一旦接收 到該信號，選定信標產生相應電磁場，在圖1中分別由磁力線44、 44a和44b 表示。電磁場是短時間產生的，或者是猝發的，但足以在MWD工具48處實現 要求的測量。
在一個實例中，主電磁場發生線圈28大約20英寸長，并由纏繞在7英寸直 徑連接件19上的500匝的#18磁鐵用導線構成以形成螺旋線圈。線圈完全用環氧 樹脂填滿并用將近1/8英寸厚的保護性玻璃纖維層覆蓋。如果需要，可用Kevlar 層代替玻璃纖維。可進一步安裝非磁性不銹鋼蓋34，盡管在多數情形下這是不 需要的。從連接件的兩端延伸出的兩節鋼制井壁管23和24長度成為螺旋線圈 的鐵磁芯的一體部分，以使螺旋線圈的電磁極間距遠大于連接件長度。
使選定的信標單元開始工作的"起動"信號的發送可采用多種方法中的任何 一種。 一種簡單的方法是在所鉆探的井中的MWD設備中提供聲波源。如圖1所示，位于由井12中的鉆桿52承載的鉆探工具50上的MWD設備48包括聲波源 53，該聲波源53被啟動以從MWD地點發送聲波脈沖串。在這種情形下，MWD 單元包括傳感器，用來檢測來自位于例如地表的鉆井架的鉆機的控制臺54的以已 知方式啟動的經編碼的鉆探液壓脈沖。經編碼的脈沖的產生可利用包括將傳統鉆探 液壓泵導通和截止以通過規定的、編碼的方式產生鉆探流體的壓力脈沖的公知技 術。如圖1中56所示，MWD單元隨后響應所接收的流體脈沖以發送聲波脈沖串 至井10中的電磁信標。聲波脈沖串被編碼以僅導通信標18、 18a、 18b等中所選定 的一個，并且在選定信標的凹腔38或40內承載的電子組件中的聲波傳感器工作以 導通螺旋線圈28的電源，從而產生磁場44、 44a、 44b等中對應的一個。
在許多SAGD鉆探操作中，用電磁通信系統代替壓力脈沖系統以在地表和鉆 探的井中的MWD單元之間交換數據。在這種情形下，電信號沿鉆桿52發送并通 過MWD單元檢測出。如果需要，可通過將信號編碼以啟動MWD單元中相應聲 波發射機來產生由基準井10中的信標檢測的脈沖或脈沖串56并啟動所選信標，從 而將這些信號用來起動信標。
或者，相對簡單的做法是將磁場傳感器包含在每個信標中，以通過井12中的 鉆桿52中的電流所產生的磁場來啟動選定的信標，或通過基準井10的井壁管列 58中的信號電流啟動所選信標，所述基準井10的井壁管列由端對端連接的井壁管 段構成，例如前述的井壁管段23和24。為此，如圖3所示，這樣的磁場傳感器可 包括在纏繞于信標連接件66外緣周圍的槽64內的高導磁性透磁合金線圈62上的 螺旋管形變壓器傳感器繞組60，或者它類似于信標18。同樣可用環氧樹脂填充并 用玻璃纖維或Kevlar覆蓋的螺旋管形繞組60充當磁拾波器或傳感器線圈，用來 檢測沿鉆探列52或基準井井壁管列58的經編碼的交流電所產生的磁場。該傳感器 線圈通過一低功率、低噪聲放大器連接于凹腔38或40內的電子組件，并且該放大 器連接于與上面結合圖2描述的線圈相同的發射機線圈28，以產生如圖3和圖4 所示的經改型的信標70。可以理解，圖l-圖4中具有相同標號的部件是相同的。
當從鉆機的控制臺54以電磁方式沿鉆桿52發送經編碼的"起動"信號時， 該信號由MWD裝置48 (圖1)檢測出，以提供對鉆探工具的控制信號。另外， 鉆桿52中的電流產生包圍鉆桿的環形磁場72，并且該磁場在遠端由基準井的井壁 管中的信標(例如信標70)檢測出，以將信標導通。
代替將用于控制信標操作的電磁通信電路與MWD儀器48的軟件整合，提供 與信標70協作的獨立信標通信系統——例如圖4所示的80——常常是有利的。為本文中公開的SAGD應用提供這樣的獨立系統只需簡單地將電絕緣金屬線84上的 電極82降低至基準井10的近似垂直部分86并使電極與基準井井壁管58接觸。在 地表上，金屬線84連接于電流源88，電流源88能通過電極82在例如將近10赫 茲的頻率下將經數字編碼的幾安培電流信號注入井壁管58，該電流沿井壁管流動 以供信標70中的繞組60檢測。由螺旋管形拾波繞組60完成的可靠檢測僅需非常 小的電流，因此只需要使通過電極82注入井壁管的電流中的很小一部分通過連接 件66并因此通過傳感器線圈60的透磁合金列或磁芯62。包含在井壁管中的每個 信標70上的凹腔38或40內的接收電子組件只對其規定的數字代碼作出響應，該 代碼被編碼在啟動于鉆探控制臺54的"起動"信號中并通過控制線90控制電流源 88。 一旦特定信標接收到"起動"信號，信標中的電子組件啟動螺旋線圈繞組，以 在信標位置的基準井井壁管列附近產生相應的磁場44。
圖5示出包含與根據本發明迄今為止所描述的信標相同的連接件信標102的 整個鉆探系統IOO。在作為本發明諸實施例的一個示例的所示系統中，地表上的鉆 機控制臺104能以己知方式發送、接收和處理用于控制鉆探操作的數據。為了與下 井的設備105通信，控制器分別通過在控制器和下井設備處的壓力換能器107和 108發送和接收數據壓力脈沖106。脈沖106在所鉆探井的鉆具組內的鉆井流體內 行進。從地表換能器107發來的脈沖由下井的換能器108接收并被送至由鉆頭所承 載的常規MWD組件110。這些壓力波也可由所鉆探的井內的鉆具組中的"震動器 (jars)"產生。震動工具被設置在最低孔鉆探組件內，以使鉆機在卡住后釋放鉆 頭。
下井的設備105中的聲波換能器112例如藉由電子組件114連接于MWD組 件110，所述電子組件114包括發聲器和聲音傳感器以及用于檢測由信標102產生 的磁場的電磁場傳感器。電子組件114包括響應通過MWD組件IIO從控制臺104 接收的編碼信號以產生相應聲波脈沖120的處理器。從所鉆探的井中的下井的設備 105發起并經過中間地質結構的聲波脈沖或脈沖串120由信標102上的換能器122 檢測出，并由信標處的接收放大器和處理器124接收。在許多情形下，大約l秒時 長的聲波脈沖串就足夠長以與信標通信了。這使具有在實際進行鉆探的同時排斥由 鉆頭產生的寬帶的、強烈的噪聲的窄頻帶的極低功率的接收器124的使用成為可 能。在本發明的較佳形式中，每個信標接收器從將信標安裝在井壁管列的時候開始 就持續保持待機，等待啟動脈沖串。在多數情形下，在該脈沖串中進行簡單的編碼 以確保僅導通特定信標是有利的。如上所述，聲波脈沖串120通過以規定方式導通和截止鉆探流體泵而從鉆機 控制臺104由鉆機發起。這將壓力脈沖106從換能器107向下傳送至鉆具組中的鉆 探流體，該信號由連接于MWD單元110和電子組件114的井下換能器108檢測 出，以產生相應的聲波信號120。所選定的信標響應聲波脈沖串以簡單地用如上所 述經編碼極性和螺旋線圈電流對信標上的螺旋線圈繞組28供能，從而產生相應的 磁場44。 MWD組件110或連接于MWD組件的電子組件114中的電磁傳感器接 收信號平均值，并處理由螺旋線圈產生的交流磁場44的三個矢量分量。由紐約州 伊薩卡島的Vector Magnetics LLC制造的隨鉆測量工具包括AC電磁場測量所需 要的電磁場檢測元件；然而，許多市面上的標準MWD組件被編程為僅測量地球磁場 強和重力的三個矢量分量。因此，為了引入測量由信標產生的AC磁場44所要求的 AC能力，需要對這種標準工具的處理電子器件重新編程，或者提供如圖5中114 所表示的"附加"AC單元。
電子組件126例如由信標102承載在前述凹腔38或40內，并包括標準外圍 接口電路(PIC)和場效應管(FET)電路，用來在大約2赫茲的電流翻轉頻率下 將大約1安培電流引入螺旋線圈28大約10秒。傳統地使磁場翻轉次數反比于注入 線圈的電流，以使產生的磁矩和激勵時間的乘積為常數，由此即使電池電壓會隨電 流負載和壽命而變化，照樣使經整合的電磁信號保持固定的量。第一個電流半周期 的電流極性可用來定義電磁場的極性。
四個或五個"AA"堿電池能夠產生大約200安培 米2的磁矩，對于至少30 米遠的距離確定來說，這足夠了。來自一個"AA"堿電池的一安培電流使它產生 從大約1.56伏至大約1.3伏的開路電壓的負載。該電池額定在大約0.5安培一小時。 測試還指出，所使用的這些電池和集成電路可在沒有保護性探頭罩并受到至少 3000psi壓力的情況下工作。因此可輕易地滿足針對許多SAGD應用場合的一般要 求。
一旦信標進入范圍以使其磁場被所鉆井的MWD工具檢測到，就對兩井孔之 間的相對距離作出判斷以建立監視連結點。然后較佳地使用傳統鉆它技術繼續鉆探 至下一個信標，它可以是往前100米或更遠。
在MWD組件檢測到的信號平均電磁場矢量分量，連同通過MWD工具獲得 并用來確定方位角的地球磁場和加速度計數據、鉆探組件的傾角和傾側角(roll angle) —起通過換能器108和107沿井孔向上地送至鉆機的控制臺，從而以已知 方式發送和接收鉆探流體中的壓力脈沖106。一般而言，使用本文所述的原理提供交流磁場和AC檢測方法的電池供電信
標的設計遠比使用DC方法來得簡單；另外，對于給定量的電功率，AC方法提供 比DC信標大得多的測量距離。然而，使用電池功率的DC信標激勵是可行的，因 為使用具有僅測量地球磁場矢量能力的市面上標準MWD鉆探設備常常是有利的。
DC磁場源在鉆探導向系統中的使用記載于No.Re 036,569美國專利，其中 以一極性在短時間內激活直流電產生的電磁場并隨后以另一極性在短時間內 再次激活。在每段時間內測量視在地球磁場。通過減去這兩種情形下的視在地 球磁場測量的三個矢量分量，可得到從DC磁場接收到的電磁場矢量。經處理 的所接收電磁場的三個矢量分量包含在標準MWD組件的數據流中并使用標準鉆 探液壓脈沖技術被傳送至鉆機，在那里它們被進一步處理。
尤其適于前述裝置的DC螺旋線圈激勵的本發明的若干變化形式示出于圖6 和圖7中。在圖6的實施例中，其中與前面的圖相同的部件被標以相同的附圖編號， 總地由128表示的信標系統包括多個信標連接源，例如信標18、 18a、 18b的集合， 它被組裝成臨時的"管作業管列"130。在該應用中，作業管列130可由多段2.875 英寸直徑的管構成，這些管通過多個配套安裝的信標18、 18a、 18b等端對端地連 接，而柱130在開始鉆探第二井對之前暫時布置在基準井井壁管132內。在第二井 12的鉆探結束后，拉出作業管列130并找回連接件信標。在這種布置中，由于作 業管列內的整個體積可用，設置電池和電子器件的空間不再成問題，并使可逆直流 電、強螺旋線圈源變得更易實現。本方法無需使用隔開的導體線，例如前述的線 84，并由于作業管列130在鉆探井12的整個過程中均在基準井中，因此不必在整 個鉆探操作中保持井牽引小組待命，以在水平基準孔眼中連續地布置螺旋線圈，如 美國Re036569中公開的螺旋線圈或美國專利5， 589,775中公開的檢測儀器。
作業管列130可承載通信信號，例如那些針對圖4的系統描述的信號，其中 電極82將電流提供給井壁管以供沿井孔向下的螺旋管形拾取繞組60檢測。然而， 一般要求省去表面和信標之間的電線安裝。因此，即使在利用臨時作業管列時，從 遠端啟動電池供電的信標的操作的通信系統也是有利的。如結合圖5所述那樣，從 MWD地點發出的聲波是實現這種行為的一個途徑。
另一實施例示出于圖6中，其中壓力發射機134被安裝在作業管列130的地 表端或安裝在基準井12中的井壁管132的地表端。發射機可"錘擊"作業管列或 井壁管，由此沿作業管列130或井壁管132發送撞擊或壓縮沖擊波。這些波可承載 經編碼的起動信號，這些信號隨后由各信標連接件18、 18a、 18b等中的壓電、地下檢波或水下檢波換能器檢測，以激活選定信標中的電磁場發生電路。經編碼的壓 力脈沖也可在基準井10的流體中啟動，或如前述方式通過在所鉆探的井12中產生
的壓力脈沖啟動，并通過由加有井壁管的基準井中的作業管列130承載的各信標檢測出。
如圖7所示，有時可將電絕緣導線140安裝在基準井中，具體地說是安裝在 臨時作業管列130中，從而對下井的全部信標(例如信標18、 18a、 18b等)供電 并通信。當完成時，一般要求使用連接于地表上的電流源142的單個導體電氣系統。 該電流源可以是AC控制的電流源或DC源，其中管列130或井壁管132用于144 所示的電流回路。圖7所示的結構示出在作業管列130中的導線140，所述導線140 傳導用來為信標供電的幾安培電流以及用來與各信標通信的遙測信號。
圖8中示出用于圖7裝置的整個電子器件和計算機控制系統150。鉆機控制臺 54、包括換能器107和108的鉆探液壓脈沖通信系統以及MWD硬件110與平常 使用的上述那些部分相似。MWD軟件被編程以在鉆井的同時連續對視在地球磁場 作出兩次測量。在鉆探停止并作出監視測量后，在基準井10的地表位置處的鉆機 啟動遙測接收和發送電路152，藉由前面結合圖4和圖7說明的連接線90或藉由 圖8所示的無線電鏈路154將接近200千赫的高頻遙測信號施加于作業管列130 內的絕緣導線140。全部信標156、 158、 160等——它們中的每一個都與前述信標 18相似——連接在作業管列130中，并且每一個都具有遙測通信電子器件，例如 針對信標160示出并設置成接收其本身頻率的電子組件162。例如，在圖8所示的 裝置中，信標156監聽190千赫信號，信標158監聽200千赫信號，而信標160 監聽210千赫信號等。每個遙測組件對其相應的經編碼遙測信號作出響應，以激活 其相應的PIC控制和FET開關電路，例如信標160的電路164，從而激活所選信 標。由此鉆機以特定極性和激勵時間段導通特定信標。該激勵電力同時作為直流電、 極性經編程的直流電或作為交流電由絕緣導線140傳導。
如上所述，每個信標因此具有自立的電子組件，所述電子組件不僅包括外圍 接口控制器(PIC)還包括能夠向螺旋線圈施加所需要的激勵電流的螺旋線圈電流 調節和測量電路和遙測器。如此，或者將交流電直接施加于信標，或者施加幾安培 的"正"直流電將近10秒，在這段時間內鉆探組件上的MWD單元作出視在地球 磁場測量。這之后是相似的"負"電流激勵和測量。將這兩次測量減去視在地球磁 場測量得到由信標產生的電磁場的矢量分量，而對兩次測量求平均則給出地球磁場 的矢量分量。將這些測量發送至可作為鉆機控制臺54的一部分的數據處理器，在那里計算井12的位置和鉆探方向并為下一段進程作出鉆探方向調節，在這之后作 出相似的測量。在給出的信標位于鉆探位置之后過遠而無法給出足夠精確的結果 后，則使用普通的非信標導向方法繼續鉆探，直到下一個信標進入量程范圍，此時 重復前述過程。
盡管已公開若干用于信標布置、信標通信和信標激勵以及磁場檢測的系統， 然而應當理解它們可實現為相互之間的各種組合以滿足具體的鉆探要求。
對于本發明的SAGD應用，這些方法用于位置和方向確定的具體數學理念是 公知的并已在多篇出版物中公開，例如No.6，814，163美國專利。本專利中示出 的數學細節的代數操作可由精通物理和數學的人士容易地應用本發明結構。下 面對該過程的突出特征的描述提供對本方法的一般理解。
圖9中示出全部考慮事項，其中示出與由螺旋線圈產生的磁偶極子場(例如 由圖1的螺旋線圈18產生的磁場44)關聯的幾何形狀。所研究的信標可從數學上 表示為對磁偶極子的良好逼近，即具有與位于170、帶磁力線172的條形磁鐵相似 的磁場幾何形狀，如圖9所示。條形磁鐵具有軸線方向m和強度M。在空間中的 任何點P具有從條形磁鐵至點P的含方向r和量值R的空間矢量R*r。在點P具有 含方向h和量值H的電磁場矢量IPh，該電磁場矢量由MWD裝置測得。數學任 務是從測得的矢量場H*h獲得空間矢量R*r。
圖9中的重要特征是以磁偶極子方向m、從偶極子至點P的方向矢量r以及 磁場的方向h構成的三個矢量全部共面；即矢量r位于由方向矢量h和m界定的 平面內。因此，假設h和m彼此不平行，則定義一平面，r位于該平面內。其必然 的結果是，如果觀察點"橫靠"m和h平行的源，則無法確定觀察點針對水平井的 右左、上下位置。
如果這三個矢量量值M、 R和H被規定為正數，則關聯的方向矢量m、 r和h 具有圖9所示的唯一方向。在任一 "磁力線瓣"上，例如圖9所示的瓣1，方向h 和方向r之間存在唯一的關系。假設電磁場h的測得角為Amh，可通過跟蹤從偶 極子的一端流出至空間并回到另一極的磁力線而讀出半徑矢量r的角Amr，這通過 圖10中的曲線180以數值方式繪出。因此，通過測量已知矢量方向h和m之間的 角，就很容易得到角Amr。
從源170開始沿直徑相反的位置上的兩點P和Pl處的磁場方向和量值是相等 的。它們各自在分離的共面磁力線瓣1和la上。為了從電磁場的這三個矢量分量 的測量中獲得唯一的位置確定，必須一開始就直到這兩個瓣中的哪一個是正確的瓣。對于本文公開的SAGD應用，知道觀察點位于源上方是一個充分條件。
因此，假定矢量m和h的方向并得知觀察點在高于源高度的垂直高度上，就 能唯一地確定方向矢量r。方向矢量r位于m和h的平面內并且在該平面內的磁力 線瓣必須位于源的上方。在該瓣上從m至r的角Amr唯一地關聯于從m到h的角 Amh。此外，R、 H、 M的量值和角Amr通過下面的關系相關聯，
H 二 (M/(4*pi*R3))*sqrt(3*(cos(Amr))2 +1 ) 因此，已知M、 H和角Amr，可從上面的等式輕松地獲得R的量值。需要注意的 重點是場量值H與源強度M成正比，并與距離R的立方以及根據角Amr在2和1 之間變化的角因素成反比。磁矩M與螺旋線圈中的電流成正比，而所述電流正比 于電池電壓。除了提供電池狀態的直接、遠程測量，由于測量在激勵期間被時間積 分，因此與電流成反比地改變激勵脈沖串的長度補償了這個因素。
上面的說明不僅暗示要求知道m和h的方向；通常還要求知道當中每個矢量 的向指，即每個矢量的"符號"。由鉆機作出的標準MWD測量的主要目的是精 確確定在孔眼內的每個點上的孔眼方向和MWD工具傾側角并確定在諸孔眼相距 很近的多個點處的這些量。因此，很容易確定電磁場方向的軸線方向及其符號。由 于在鉆探時也在監視基準井，因此源的軸線是已知的。構造和安裝源，以使例如源 的第一次正電流激勵產生向下的局部場，基準井的軸線將規定源磁矩方向的符號。 由于精確地知道每個孔眼的沿孔深度，因此源的符號通常是間接推知的。由此，鉆 機通常知道當前觀察點是位于源"前面"還是"超過了"源。事實上，鉆機通常根 據之前的鉆探歷史而知道在作出測量前信標的近似相對位置。因此，如果可以的話， 在許多情形下是不需要知道m的符號的。
前面的討論示出可從每個位置的測量得到所鉆探的井和信標的相對位置。在 實踐中，可作出電磁場測量并分析信標是否在測量范圍內。使用已知數據分析方法 和一整套測量，連同沿所鉆探的孔眼的已知距離，鉆探方向數據可以是最佳的并且 兩孔眼的相對位置確定更為精確。
盡管己結合各實施例對本發明進行了說明，然而應當理解，這些實施例是所 附權利要求書中闡述的本發明的真正精神和范圍的例示。
權利要求
1. 測量伸入地層的兩孔眼之間的距離和方向的裝置，所述裝置包括
2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述螺旋線圈組件包括具有纏繞 在管接頭上的線圈的磁場源信標。
3. 測量伸入地層的兩孔眼之間的距離和方向的裝置，所述裝置包括 安裝在第一孔眼中第一選定點的螺旋線圈組件，所述第一孔眼在所述選定點具有已知斜度和方向；從遠端發送啟動信號至所述螺旋線圈組件的裝置；在所述螺旋線圈組件中的電子電路，所述電子電路有源地等待所述啟動信號， 并且一旦接收到所述啟動信號即開始使規定的電流流入所述螺旋線圈，以產生特征 已知的磁場；布置在第二孔眼中的第二選定點處的磁場傳感器，所述磁場傳感器測量在所 述第二點處的所述特征螺旋線圈磁場的三個矢量分量；用于確定所述第二孔眼中的所述第二點處的所述磁場傳感器的空間方向的方 向電路；以及處理器，所述處理器響應所述傳感器的所述空間方向和所述第二孔眼中的所 述第二點處的所述測得的矢量分量并進一步響應所述特征已知的螺旋線圈磁場來 確定所述第一點和第二點之間的距離和方向。
4. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述管接頭具有用于接納和連接 帶螺紋的各節管子的第一和第二螺紋端。
5. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述各節管子端對端地連接以形 成井壁管。
6. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述各節管子端對端地連接以形 成臨時安裝在孔眼中的作業管列。
7. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述螺旋線圈組件包括多個磁場 源信標，每個信標包括纏繞在管接頭上的線圈，而每個管接頭具有用于連接相應各 節管子的第一和第二螺紋端。
8. 如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述連接的各節管子形成具有間 隔開的信標的井壁管。
9. 如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述連接的各節管子形成具有間 隔開的信標的作業管列。
10. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述用來向所述螺旋線圈組件 供能的沿井孔向下的電路包括安裝在所述管接頭上并連接以有選擇地為所述線圈 供能以在其上形成所述特征已知的螺旋線圈磁場的遙測通信電路。
11. 如權利要求IO所述的裝置，其特征在于，所述用于從遠端發送啟動信號 的裝置包括在所述第二孔眼中的遙測信號源。
12. 如權利要求ll所述的裝置，其特征在于，所述遙測信號源包括經編碼的 聲波啟動信號的源。
13. 如權利要求ll所述的裝置，其特征在于，所述遙測信號源包括在地表 上用于在產生所述第二孔眼中的壓力脈沖的第一換能器；以及在所述第二孔眼中的 井下的MWD組件，所述MWD組件包括響應所述壓力脈沖產生經編碼的聲波啟 動脈沖的第二換能器。
14. 如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述MWD組件包括所述磁場 傳感器和所述方向電路。
15. 如權利要求B所述的裝置，其特征在于，所述從遠端發送啟動信號的裝 置包括在所述第一孔眼處的遙測信號源。
16. 如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述遙測信號源包括綞擊發送器。
17. 如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述遙測信號源包括電流源。
18. 如權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述遙測信號源還包括連接于 所述電流源并伸入所述第一孔眼的絕緣導線，其中安裝在所述管接頭上的所述遙測 通信電路包括響應所述電流的檢測器。
19. 如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述信標管接頭將臨時安裝在 所述第一孔眼中的作業管列中的相鄰的兩節管子連接起來，并且所述電流源連接于 所述作業管列以在所述作業管列中產生經編碼的啟動信號，并且安裝在所述管接頭 上的所述遙測通信電路包括響應所述作業管列中的所述經編碼的啟動信號的檢測 器。
20. 如權利要求19所述的裝置，其特征在于，所述檢測器包括螺旋纏繞在所 述管接頭上并連接于所述遙測通信電路的螺旋管形拾波線圈。
21. 如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述特征螺旋線圈磁場是AC 磁場。
22. 如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述特征螺旋線圈磁場是DC 磁場。
23. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于所述從遠端發送啟動信號的裝置包括在所述第二孔眼中的經編碼的磁或聲的 啟動信號源；以及其中，所述螺旋線圈組件包括沿所述第一孔眼設置的多個間隔開的信標，所 述信標通過所述經編碼的啟動信號有選擇地被激活，從而產生相應特征的磁場。
24. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于用于從遠端發送啟動信號的所述裝置包括經壓力或電編碼的啟動所述第一孔 眼中的信號的源；以及其中所述螺旋線圈組件包括沿所述第一孔眼設置的多個間隔開的信標，所述 信標包含響應所述壓力或電編碼的啟動信號以產生相應特征磁場的接收機換能器。
25. 如權利要求24所述的裝置，其特征在于，所述信標由安裝在所述螺旋線 圈組件上的電池供電。
26. 如權利要求24所述的裝置，其特征在于，還包括用于所述信標的位于地 表的遠端DC或AC電源，并還包括在所述第一孔眼中并連接于所述信標的饋電線。
27. —種用于測量伸入地層的兩個孔眼之間的距離和方向的方法，包括 將螺旋線圈組件安裝在第一孔眼中的第一選定點，所述第一孔眼在所述選定 點具有已知的斜度和方向；將磁場傳感器布置在第二孔眼中的第二選定點，用來測量所述第二孔眼中的所述第二點處的磁場和重力矢量分量；確定所述第二孔眼中的所述第二點處的所述磁場傳感器的空間方向； 在所述螺旋線圈組件中提供電子電路，所述電子電路有源地等待啟動信號，并且一旦接收到所述啟動信號，就開始使規定的電流流入所述螺旋線圈以短時間產生特征已知的螺旋線圈磁場；從遠端發送啟動信號至所述螺旋線圈組件，以使所述組件產生所述特征磁場； 用所述傳感器檢測所述第二孔眼中的第二點處的所述特征磁場；以及 響應所述傳感器的所述空間方向和所述第二孔眼內的所述第二點處測得的矢量分量并進一步響應所述特征已知的螺旋線圈磁場來確定所述第一點和第二點之間的距離和方向。 . —種螺旋線圈組件，包括具有第一端和第二端的管接頭，所述第一端和第二端連接于相應的兩節管子； 纏繞在所述管接頭周圍的線圈；安裝在所述管接頭上并連接于所述線圈的遙測通信電路，所述電路包括響應 啟動信號來激勵所述線圈以產生特征磁場的檢測器。
28. 如權利要求27所述的組件，其特征在于，所述檢測器包括螺旋管形的拾 波線圈。
29. 如權利要求27所述的組件，其特征在于，還包括端對端地連接相應兩節 管子的多個管接頭，用以提供具有隔開的管接頭、用于插入孔眼的細長井壁管或井 作業管列。
30. 如權利要求27所述的組件，其特征在于，所述檢測器包括響應遠端產生 的聲波、磁或電流啟動信號的換能器。
28.—種用于測量伸入地層的兩個孔眼之間的距離和方向的方法，包括 將螺旋線圈組件安裝在第一孔眼中的第一選定點，所述第一孔眼在所述選定點具有已知的斜度和方向；將磁場傳感器布置在第二孔眼中的第二選定點，用來測量所述第二孔眼中的所述第二點處的磁場和重力矢量分量；確定所述第二孔眼中的所述第二點處的所述磁場傳感器的空間方向； 在所述螺旋線圈組件中提供電子電路，所述電子電路有源地等待啟動信號，并且一旦接收到所述啟動信號，就開始使規定的電流流入所述螺旋線圈以短時間產生特征已知的螺旋線圈磁場；從遠端發送啟動信號至所述螺旋線圈組件，以使所述組件產生所述特征磁場; 用所述傳感器檢測所述第二孔眼中的第二點處的所述特征磁場；以及 響應所述傳感器的所述空間方向和所述第二孔眼內的所述第二點處測得的矢量分量并進一步響應所述特征已知的螺旋線圈磁場來確定所述第一點和第二點之間的距離和方向。
全文摘要
安裝在基準井中的電能供電的電磁場源信標與所鉆探的鉆孔中的鉆頭附近的與下井的隨鉆測量(MWD)電子勘測儀器相結合，來實現鉆探導向的距離和方向測量。每個磁場源信標包括纏繞在基準井中的兩節鋼管之間的鋼連接件上的導線線圈，并由電子組件供電。電子組件中的控制電路持續“監聽”并識別由鉆機發起的“起動”信號，在接收到“起動”信號后，信標被短時間供能，在這段時間內產生可由MWD裝置測量的電磁場。所產生的電磁場可以是AC磁場，或開關電路可周期地翻轉所產生的DC電磁場的方向，并且測得的電磁場矢量分量通過已知的數學方法確定鉆頭和信標的相對位置坐標。磁場源和供電電子組件可以是基準井井壁管的一體部分，或者是安裝在其中的臨時作業管列的一部分。一般來說，可沿基準井的長度安裝多個信標，尤其是在鉆探蒸汽協助重力泄油(SAGD)井對的重要油田應用中。
文檔編號E21B47/02GK101421483SQ200780009159
公開日2009年4月29日 申請日期2007年6月1日 優先權日2006年6月5日
發明者A·F·庫克斯, R·皮策 申請人:哈里伯頓能源服務公司