利用單電纜引導系統的完井的制作方法

本申請要求2014年10月1日提交的美國臨時專利申請No.62/058,369的優先權，通過引用將其整體并入本文中。

技術領域

本公開總體上涉及鉆井定位系統，并且特別地涉及利用磁場確定地表下井眼的位置。

背景技術：

準確的井眼安置和調查對于地表下油氣藏的開發來說可以說是重要的。定向鉆井同時感測鉆頭的鉆井的位置和方向稱為隨鉆測量(MWD)。某些MWD系統利用地球的重力和/或磁場的測量并且可以利用鉆井時的旋轉運動的陀螺儀測量。這些MWD工具可以利用慣性引導來計算井路徑。這樣的慣性引導方法可能使得沿井路徑的誤差積累，這增加了在鉆井時的位置不確定性。

某些其他方法允許井孔中位置的直接井下確定，這可以導致井路徑不確定性的降低。一種這樣的方法是有源測距，其利用磁場的生成和測量。舉例來說，在某些傳統方法中，在參考井中井下放置磁線圈。通過測井電纜從地面激勵磁線圈以形成雙極磁場。所述測井電纜在提供電力之外還可以用于懸掛和放置磁線圈。通過在正被鉆探的另一個井中的三軸磁強計來測量生成的雙極磁場，由此允許相對于參考井來確定鉆頭的位置。這樣的傳統方法已經被用于對重油的蒸汽輔助重力泄油(SAGD)提取。某些SAGD操作利用兩個平行的井眼，相對于大地表面一個井眼在另一個之上。這些傳統的線圈方法可以在量程上受到限制并且可能需要利用測井電纜卡車來放置線圈并且對線圈供電。

某些SAGD操作已經使用單電纜引導方法。單電纜引導系統利用在單個電流承載電纜周圍生成磁場。該電纜可以布置在地表上或者在參考井孔中，如美國專利No.4,593,770所述，通過引用將該專利并入本文中。由于在單電纜引導方法的線性電纜周圍的磁場以1/r衰退，而不是對于圍繞雙極子的場的1/r³，所以與借助井下線圈有源測距相比，借助單電纜引導的測距距離可能更大。

在井孔單電纜引導系統中，由于沿具有套管的井孔的消除返回電流，參考井磁場可能會被消散。可以在相鄰套管之間安裝電隔離元件以限制通過管道的返回電流。在理論上，可以將沿測井電纜向下供應的電流的近乎100％遞送到套管柱(casing string)中套管的絕緣的電極部段。電流然后可以進入地層，并且通過地層中的路徑傳播到電流源上的接地回路測桿。盡管這種方法可以提供強信號和良好的測距，但是類似于有源線圈，單電纜引導可能需要測井電纜接近井眼以放置單電纜。

技術實現要素：

本公開包括一種系統。所述系統包括電流源和接地端子。所述接地端子電連接到電流源。所述接地端子在大地的地表處接地。所述系統進一步包括參考導體。所述參考導體電連接到電流源，并且參考導體插入到參考井眼中。所述系統進一步包括管。所述管包括管柱電中斷部件，并且所述管插入到參考井眼中。所述管具有管井底端，并且所述管在電中斷部件和井底端之間是導電的。所述系統進一步包括管和參考導體之間的、位于管柱電中斷部件和管井底端之間的電連接。所述系統還包括管和參考井眼之間的、位于管柱電中斷部件和管井底端之間的電連接。所述系統進一步包括位于參考井眼外部的磁傳感器。

附圖說明

在結合附圖進閱讀下面的具體描述時，最佳地理解本公開。要強調的是，根據行業內的標準做法，各種特征未按比例繪制。實際上，為了討論清楚，各種特征的尺寸可以隨意增加或減小。

圖1是與本公開的至少一個實施方式一致的單電纜引導系統的示意性圖示。

圖2是與本公開的至少一個實施方式一致的單電纜引導系統的終端接頭的分解示意圖。

圖3是與本公開的至少一個實施方式一致的單電纜引導系統的終端接頭的分解示意圖。

圖4是描繪了與本公開的至少一個實施方式一致的孿生SAGD井中的單電纜引導系統的使用的側視圖。

圖5是描繪了與本公開的至少一個實施方式一致的水平/豎直井中的單電纜引導系統的使用的側視圖。

圖6是與本公開的至少一個實施方式一致的具有多個地表傳感器的單電纜引導系統的使用的側視圖。

圖7是與本公開的至少一個實施方式一致的具有相對于彼此在豎直方向上間隔的多個相鄰的水平井腿柱的單電纜引導系統的使用的側視圖。

圖8是與本公開的至少一個實施方式一致的具有彼此在水平方向上間隔的多個相鄰的水平井腿柱的單電纜引導系統的使用的頂視圖。

圖9是與本公開的至少一個實施方式一致的單電纜引導系統在與參考井眼在豎直方向上和側向上移位的水平井陣列中的使用的豎直橫截面。

圖10與本公開的至少一個實施方式一致的單電纜引導系統在豎直井的陣列中的使用的側視圖。

圖11是與本公開的至少一個實施方式一致的單電纜引導系統在井偵聽中的使用的側視圖。

具體實施方式

應當要理解，下面的公開提供了許多不同的實施方式或示例，用以實現各種實施方式的不同特征。在下面描述了部件和布置的具體示例以簡化本公開。當然，這些描述僅僅是示例而不打算進行限制。此外，本公開可以在各種示例中重復參考數字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論的各種實施方式和/或配置之間的關系。

本公開在某些實施方式中可涉及井孔定位系統，該井孔定位系統用于相對于現有的參考井眼引導井眼鉆井，并且用于經由電磁數據的獲取來定位地表下井眼的相對位置。參考導體可以部署在同心管之間的環形空間中或者在完井管內。當完井管安裝在井中時，參考導體可以傳送到期望深度處的井下位置。所述參考導體可以被絕緣，并且在一些實施方式中，可以在或接近井底的位置或者已經被選擇用于特定應用的另一地表位置，被接地到大地。所述參考導體可以通過井口中的壓蓋被傳導到井口。在激勵所述參考導體時，可以產生或以其他方式操作所述井。可以將參考電流施加到參考導體，并且隨后將參考電流在超過電中斷部件(electrical discontinuity)或比電中斷部件深的點(如果改點存在的話)處注入到周圍地層。可以調節注入到地層的電流的量級，并且可以調制電流的波形以促進高級信號處理技術。施加到參考導體的電流可以已經與能夠被至少一個地表或地表下傳感器檢測的磁場測距信號關聯。然后可以通過井下或地表數據處理來確定參考導體和傳感器之間的相對方位和距離。

如在圖1中示意性地示出的，在本公開的某些實施方式中，參考井眼10包括表面套管12。表面套管12可以沿外井孔表面11的一部分從地表17豎直延伸，一般從地表17豎直延伸10至50米或約30米。參考井眼10可以自進一步包括中間套管14。中間套管14可以從地表17延伸到參考井眼10的水平部分114。參考井眼10可以進一步包括襯套16。襯套16可以連接到中間套管14或從中間套管14“懸掛”。襯套16可以延伸到參考井眼10的井底端13。襯套16和中間套管14可以電連接。

在某些實施方式中，參考井眼10可以為出油井。在他實施方式中，參考井眼可以不是出油井。參考井10被測量針對的井(例如正在被鉆探的井)例如為如1所示的引導的井眼20。在某些非限制性實施方式中，例如在圖1中描述的實施方式中，可以沿基本上平行于參考井眼10的路徑鉆探引導的井眼20。在其他實施方式中，引導的井眼20可以基本上不平行于參考井眼10并且可以與參考井眼10垂直。在其他實施方式中，可以不包括引導的井眼20。“基本上”平行的意思是引導的井眼20和參考井眼10具有這樣的一個或多個部段——在所述部段中參考井眼10的井孔軸線和引導的井眼20之間存在小于10度的差。參考井眼10和井眼20之間的距離的非限制性示例包括分開5至10米，但是得益于本公開的本領域技術人員將會意識到，井眼10和引導的井眼20之間更大或更小的距離涵蓋于本公開的范圍內。

引導的井眼20可以利用在引導的井眼鉆柱24的下端21具有旋轉頭的鉆頭22來鉆探。可以從位于地表出的設備(未示出)來操作鉆頭22。引導的井眼20可以包括能夠檢測磁場的方向和量級的磁場傳感器201。在某些實施方式中，磁場傳感器為磁強計；磁強計的非限制性示例為磁通門磁強計。在一些實施方式中，磁場傳感器201適于測量磁場(例如磁場100)的x、y和z矢量。在某些實施方式中，鉆頭22可以是方向可調的從而控制鉆探的方向，并且磁場傳感器可以和隨鉆測量儀器包括在一起。MWD儀器還可以包括用于測量地球的重力場的加速度計和用于測量儀器在引導的井眼20內的旋轉位置的陀螺儀。

參考井眼10的中間套管14可以由包括多個鋼套管部段的導電鋼套管柱來形成。每一個鋼套管部段均可為約10米長并且通過螺紋接頭端對端連接。例如在通過鋼套管形成時，中間套管14可以是導電的。在一種實施方式中，中間套管14可以在井底端13處或其附近包括電中斷部件26。在其他實施方式中，電中斷部件26的位置不是限制性的并且可以位于沿中間套管14的任意位置。在其他實施方式中，如圖1所示，電中斷部件26可以位于襯套16內。襯套16可以是導電的。電中斷部件26可以是間隙短節(gap sub)、由不導電材料(例如玻璃纖維、PEEK或聚乙烯)制成的不導電接頭、不導電套管部段或管段(例如由玻璃纖維制成，或者通過用不導電物質涂覆套管段之間的螺紋來形成)。如本領域普通技術人員將理解的，按照本說明書，“不導電”在某些情況下可以為“基本上不導電”，因為在某些情況下，能夠使得少量電流流過“不導電”材料。電中斷部件26可以中斷中間套管14或襯套16的電連續性。

在其他實施方式中，中間套管14或襯套16可以部分由不導電材料(例如玻璃纖維)形成。在這樣的實施方式中，中間套管14或襯套16的由不導電材料形成的部分充當電中斷部件26。當中間套管14或襯套16部分由不導電材料形成時，從接地端66到襯套/套管井底端113使用導電材料(例如鋼)的部段。

參考井眼10可進一步包括管，例如完井柱(completion string)30。完井柱30可以例如為圖1所示的出油柱。完井柱30可包括接合或盤繞的管。完井柱30可以插入到中間套管14中并且可以終止于管井底端213。完井柱30可以包括在管井底端213附近的管柱電中斷部件50。管柱電中斷部件50之間的距離可以基于管柱電中斷部件50和管井底端213之間的完井柱30的外直徑的表面積。期望的表面積可以基于例如地層電阻率和電流注入在地層上的效果。在某些實施方式中，管柱電中斷部件50和管井底端213之間的距離可以為約一個套管接頭長或約30英尺。在其他實施方式中，完井柱電中斷部件的位置不是限制性的并且可以放置在沿完井柱30的任意位置。管電中斷部件50可以為間隙短節、不導電接頭或管接頭之間的不導電涂層。

在其他實施方式中，完井柱30可以部分由不導電材料(例如玻璃纖維)形成。在這樣的實施方式中，完井柱30的由不導電材料形成的部分充當電中斷部件50。當完井柱30部分由不導電材料形成時，從接地端66到管井底端213使用導電材料(例如鋼)的部段。

進一步參考圖1，在地表17處，參考導體32附接到電流源70。在一些實施方式中，電流源70可以為可逆DC源或AC源，其適于向參考導體32供應直流或交流。電流源70連接到接地端子72，接地端子72接地到地表17處的接地點74。在某些實施方式中，接地點74可以與井口101間隔大于100英尺、大于1500英尺或在1500英尺和3000英尺之間。在一些情況下，接地點74的放置可以取決于相對于參考井眼10的便利的接地點的放置。在一種實施方式中，電流源70可以為可逆直流源。當電流源70是可逆直流源時，電流I的安培數的范圍可以為：1-1000安培、5-10安培或10-100安培。最大安培數可取決于用于傳導電流I的電纜的容量規格；在某些情況下，可用于井下使用的電纜的容量規格可取決于電纜自身可用的空間。當電流源是可逆直流源時，在測量磁場100期間，電流I首先在一個方向上流動一段時間，然后被逆變以在相反方向上流動第二時間段。替代地，對于電流源70可以替代可逆直流而使用交流。選擇用于交流的頻率可以部分取決于已經存在于鉆機和與參考井眼10和引導的井眼20關聯的其他設備上的交流電源的頻率和諧振頻率。避免已經存在的頻率和諧振頻率以減小本文所述的測量噪聲可能是有利的。在一種實施方式中，對于來自電流源70的交流可以使用1到5Hz的頻率。在一些情況下，當期望更高的測量采樣率時，可以使用更高頻率。在某些實施方式中，當電流源70是AC源時，可以利用信號濾波和放大，其可以允許更大的有效測量范圍。

電流源70可以將電流I供應到參考導體32，電流沿參考導體32流到井底端13。參考導體32電連接到完井柱30的終端189，該終端與襯套16的末端部段接觸。參考導體32在電中斷部件26、50之下電耦接到完井柱30。電流I從而注入到大地，通過箭頭I’指示。在某些實施方式中，由于電中斷部件26、50，電流I’可以不向上傳播過襯套16、中間套管14或完井柱30，但是傳播到周圍的地層中并且通過接地的端子72傳播到電流源70。

由于前述的連接，在參考井眼10中的主要電流為流過參考導體32的電流I。這樣的電流產生磁場100，磁場100圍繞參考導體32并且與參考導體32同軸，并且處于與參考井眼10的軸線垂直的平面中。磁場100從參考井眼10向外延伸并且提供可以被引導的井眼20或地表17中的磁傳感器201感測的測距信號。在某些實施方式中，磁場100的量級和方向可以被測量并且傳送到地表17，在地表17計算機121可執行定位計算來確定從磁傳感器201到參考井眼10的距離和方向。在一些實施方式中，定位計算可以借助包含在MWD鉆井柱中的搭載處理器來在井下完成。

如圖1進一步示出的，在某些完井中的參考導體32(其可以包括在傳感器束34中)可以穿過井口壓蓋(未示出)并且在中間套管14和完井柱30之間的環形空間54中繼續到參考井眼10。傳感器束34可以絕緣。參考導體32或傳感器束34可以附接到完井柱30的外直徑56，或中間套管14的中間套管內直徑58和襯套16的襯套內直徑59。

替代地，如圖2所示，參考導體32或傳感器束34可以包含在另一管柱36(例如盤繞管)內；管柱36可以位于完井柱30內。參考導體32可以由具有內部電導體的絕緣線纜組成。在圖2描繪的實施方式中，傳感器束34還可以包括至井下傳感器38的電纜連接器160。在某些實施方式中，傳感器束34內的每個電纜彼此絕緣。另外，在某些實施方式中，電纜連接器160可以絕緣。舉例而言，井下傳感器38可以為溫度和/或壓力傳感器。在其他實施方式中，參考導體32可以是部署在參考井眼10中的唯一電纜。

參考導體32的接地端66在管柱電中斷部件50和電中斷部件26之下或超過電中斷部件50和電中斷部件26的位置被接地到大地。在圖2所述的實施方式中，參考導體32的接地端66在管柱36的管柱井底端313處或其附近接地。接地端66可以例如通過固定螺釘或其他方法連接到管柱36。

在圖2和3中描繪的實施方式中，襯套16終止于襯套圓頭40。完井柱30可以由管(例如2 3/8”管)形成并且可終止于具有裝卸斜面44和槽46的裝卸圓頭42。如圖2和圖3所示，包括參考導體32的管柱36可以在完井柱30中。在圖2和圖3描繪的實施方式中，參考導體32電連接到管柱36在管柱不導電部段61之下的一部分，即終端接頭48。終端接頭48將參考導體32電連接到完井柱30。如圖2和圖3所示，在完井柱30和管柱36的任一個或二者中，管柱中斷部件50和/或管柱不導電部段61可分別將終端接頭48與管柱36隔離。

終端接頭48可以具有嵌入式裝卸指51。嵌入式裝卸指51可插入到槽46中以將終端接頭48保持到裝卸斜面44。得益于本公開的本領域普通技術人員將意識到將終端接頭48與裝卸斜面44連接的其他方法，并且本公開不限于圖2和3中描繪的方法。裝卸終端接頭48的機構可以包括用于移除終端接頭48的裝置(未示出)，例如通過包括脆弱點，所述裝置可以用拉力脫離或斷裂。

管柱中斷部件50和管柱不導電部段61可以由不導電材料制成，例如玻璃纖維或聚醚醚酮(PEEK)，或者可以涂覆有不導電物質，例如不導電聚合物。替代地，如圖3所示，可以利用一個或多個出油柱支座絕緣子間隙短節86和/或管柱支座絕緣子間隙短節87以進一步提供終端接頭48與管柱36的電隔離。出油柱支座絕緣子間隙短節86可以具有比完井柱30的外直徑大的外直徑。類似地，管柱支座絕緣子間隙短節87可具有比管柱36的外直徑大的外直徑。

如圖2和圖3所示，將由終端接頭48在完井柱30和管柱36上并且到襯套16的端部段89的物理接觸產生電接觸，在一個實施方式中，端部段89還通過電中斷部件26與上部的襯套部段19電隔離。在替代實施方式中，導電接觸元件(未示出)可以設置在外管和內管之間(例如在襯套16或中間套管30和完井柱30之間)的環形空間內，以確保與終端接頭的導電性。導電接觸元件的一個示例可以例如為弓形彈簧扶正器。

上面示意的方法可以用于在SAGD提取中鉆探井孔，如圖4示意性地示出的。圖4描繪了孿生SAGD井。在孿生SAGD井中，大體上平行于參考井眼10鉆探引導的井眼20可能是有利的。MWD工具或測井電纜工具處于引導的井眼20中。引導的井眼20和參考井眼之間的距離可以如上所述地確定。

在上面示意的方法可進一步應用于豎直參考井眼10和水平引導的井眼20，如在圖5中示意的。由于朝向垂直參考井眼鉆探引導的井眼20，因此可以使用上述的測距方法。

在又一實施方式中，磁傳感器201可以放置在地表上以驗證參考井眼10沿其長度的水平位置，如在圖6中示意。

在另一種實施方式中，如圖7所述，可以鉆探多個水平的引導的井眼20，其中多個水平的引導的井眼中的每一個基本上平行，在豎直方向上相對于地面17對齊。多個水平的引導的井眼中的每一個可以參考參考井眼10按上述方式排列，這可在圖7中示出。

在又一實施方式中，如圖8所示，可以鉆探多個水平的引導的井眼20，其中多個水平的引導的井眼20相對于大地的地表在水平方向上對齊并且大體上平行。多個水平的引導的井眼中的每一個可以參考參考井眼10按上述方式排列。在替代實施方式中，第一水平的引導的井眼20可以排列成參考井眼，并且后續的水平的引導的井眼20可以排列成第一水平的引導的井眼。

在另一種實施方式中，如圖9所示，上面描述的方法可以用于熱輔助重力泄油系統中。在熱輔助重力泄油中，以一定模式鉆探多個水平井。隨后將加熱元件部署在某些井中并且將泵部署在其他井中。具有緊密的井網以便允許有效的加熱和泄油可能是有利的。圖9描繪了與參考井眼10在豎直方向上和橫向方向上移位的水平的引導的井眼20的陣列的水平橫截面。多個水平的引導的井眼20中的每一個可以參考參考井眼10按上述方式排列。

在又一種實施方式中，如圖10所示，上面描述的方法可以用于重油提取的立式蒸汽驅動(vertical steam drive)中。參考井眼10是豎直的并且多個引導的井眼20中的每一個也是豎直的。多個豎直的引導的井眼20中的每一個可以參考參考井眼10按上述方式排列。

在又一個實施方式中，如圖11所示，參考井眼10可以是產油井。在想要偵聽參考井10的情況下(例如為了緩解壓力控制事件)，可以使用來自參考井10的測距信號來對引導的井眼20進行引導，在該情況下，為偵聽路徑上的減壓井。

前述內容概述了幾個實施方式的特征，以使得本領域普通技術人員可以更好地理解本公開的各個方面。這樣的特征可以被許多等效替代物中的任一個取代，本文僅描述了等效替代物中的一些。本領域普通技術人員應當理解，他們可以容易地使用本公開作為基礎以進行設計或修改其他過程和結構以實現相同目的和/或取得本文介紹的實施方式的相同優點。本領域普通技術人員還應當意識到，這樣的等效構造不脫離本公開的精神和范圍，并且本領域普通技術人員可以進行本文中的各種改變、替代或變更而不脫離本公開的精神和范圍。