钻探用于sagd应用的平行井的制作方法

钻探用于sagd应用的平行井的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权
[0002] 本申请主张2012年12月7日申请的将亚瑟F.卡克斯（ArthurF.Kuckes)指定为 发明者的题为"用于钻探用于SAGD应用的平行井的系统（SYSTEMFORDRILLINGPARALLEL WELLSFORSAGDAPPLICATIONS)"的美国临时申请第61/734, 711号的优先权，所述申请的 公开内容以引用的方式整体并入本文中。
技术领域
[0003] 本公开大体上涉及钻井孔钻井作业，且更具体地说，涉及用于跟踪多个钻井孔相 对于彼此的钻探的方法和系统。本公开的实施方案尤其涉及用于利用正被钻探的钻井孔中 的磁力梯度仪来确定目标钻井孔与正被钻探的钻井孔的相对位置的方法和系统，以及用以 增强磁性测距的发射电极和返回电极的优化放置。
【背景技术】
[0004] 由于易于获取和易于生产的烃资源日渐枯竭，所以存在针对较高级回收程序的迫 切需求。一个此类程序是蒸汽辅助重力泄油（SAGD)，其为结合两个分隔开的钻井孔来利用 蒸汽的程序。具体来说，SAGD通过将高压、高温蒸汽注入到岩层中来解决所述岩层中的重 油的流动性问题。此高压高温蒸汽降低了重油的粘度以便提高萃取率。蒸汽到岩层中的注 入发生在第一钻井孔（注入井），所述第一钻井孔在第二钻井孔（生产井）上方且平行于其 而被钻探。当第一钻井孔周围岩层中的重油的粘度降低时，所述重油排入到下部第二钻井 孔中，从所述第二钻井孔提取所述油。优选地，两个钻井孔在彼此相距仅几米的距离下进行 钻探。注入井钻井孔的放置需要以非常小的距离边际来实现。如果注入井钻井孔经定位太 靠近生产井钻井孔，那么生产钻井孔将被曝露到非常高的压力和温度下。如果注入井钻井 孔经定位与生产井钻井孔太远，那么SAGD过程的效率降低。为了协助确保根据需要而相对 于第一钻井孔来钻探和定位第二钻井孔，常常对岩层中两个钻井孔进行勘测。这些勘测技 术在传统上被称作"测距"。
[0005] 已在测距中采用的一个解决方案是在对第二钻井孔进行钻探时使用测距装置来 直接感测和测量两个井之间的距离。使用两个井（注入井和生产井）中的设备的两个已知 钻井孔的商业方法是基于旋转磁体或磁性引导技术中的任一者。然而，这些方法是不合要 求的，因为所述方法需要两个单独和不同的团队来管理每一钻井孔中的设备，也就是说，在 生产井钻井孔的测井电缆团队和在注入井钻井孔的随钻测井团队，这并不是成本有效的。 一个现有技术方法利用仅单个钻井孔（注入井钻井孔）中的设备来发射电流到目标钻井孔 (生产井钻井孔），其后使用绝对磁场测量来计算距离。
【附图说明】
[0006] 图1展示根据本公开的特定说明性实施方案的SAGD钻探系统；
[0007] 图2A示出根据本公开的说明性实施方案的传感器副件的示意图；
[0008] 图2B和图2C分别示出沿着图2A的线B和C的传感器副件的横截面图；
[0009] 图2D示出z轴传感器的横截面图；
[0010] 图3是根据本公开的特定说明性实施方案的相关电磁场量和符号定义的图表显 示；
[0011] 图4展示根据本公开的特定说明性实施方案的用于校准传感器副件的磁力梯度 工具的底部钻孔工具组合件和设备；
[0012] 图5是根据本公开的特定说明性方法的用于磁力梯度工具的校准方法的流程图； 以及
[0013]图6是根据本公开的特定说明性实施方案的用于实施磁力梯度仪校准系统的计 算机系统的框图。
【具体实施方式】
[0014] 下文将本公开的说明性实施方案和相关方法描述为可能将其用于测距系统和方 法中来跟踪多个钻井孔相对于彼此的钻探。为了清晰，本说明书中未描述实际实施方案或 方法的所有特征。当然将了解，在任何此类实际实施方案的发展中，必须进行众多实施方案 特定决策以实现开发者的特定目标，例如遵守系统相关和商业相关的约束，所述目标将在 实施方案中有所不同。此外，将了解到此类开发工作可能是复杂且耗费时间的，但仍然将是 受益于本公开的普通技术人员的日常工作内容。本公开的各种实施方案和相关方法的其它 方面和优势将根据考虑以下描述和附图而变得显而易见。
[0015] 先前公开内容可以在各种实例中重复元件符号和/或字母。此重复是用于简单性 和清晰性的目的，且实质上并不决定所论述的各种实施方案和/或组态之间的关系。此外， 可在本文使用空间相对术语（例如"在…之下"、"下方"、"下部"、"上方"、"上部"、"井上"、 "井下"、"上游"、"下游"及其类似者）以方便描述，从而描述一个元件或特征与另一元件或 特征的关系，如诸图中所示出。所述空间相对术语意图包含与图中所描绘的定向不同的在 使用中或操作中的设备的定向。举例来说，如果图中的设备翻转，那么描述为在其它元件或 特征"下方"或"之下"的元件接着被定向为在其它元件或特征"上方"。因此，例示性术语 "下方"可以包含上方和下方的定向两者。可以其它方式来定向设备（旋转90度或在其它 定向），且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述符。
[0016] 图1示出根据本公开的说明性实施方案的SAGD钻探系统100。在此实施方案中， 使用任何合适的钻探技术来钻探目标钻井孔10。其后，用套管柱11套住目标钻井孔10。接 着使用从井架15延伸的BHA14来钻探注入井钻井孔12,如此项技术中所了解。BHA14可 以是例如随钻测井（"LWD"）组合件、随钻测量组合件（"MWD"）或其它所需的钻井组合件。 因而，BHA14还包括钻孔马达18和钻头20。尽管注入钻井孔12被描述为在随后钻探，但 在其它实施方案中可以同时钻探目标钻井孔10和注入钻井孔12。此外，在另一替代实施方 案中，可以将BHA14实施为执行测井操作的测井电缆应用（无钻井组合件），如本文提及的 普通技术人员将要了解。在此例示性实施方案中，BHA/钻井组合件14包括传感器副件16， 其具有用于与地面来往数据通信的一个或多个电磁传感器和电路，如下文将更详细描述。
[0017] 大体上，本公开的方法包括通过在正被钻探的钻井孔（即，注入钻井孔12)的钻井 中的周期性中断期间将电流供应（例如，AC电源）直接连接到目标钻井孔10,从而在目标 钻井孔10的套管柱11上产生低频交流电流。在这些中断期间，使用在注入钻井孔12中的 钻头20附近的仪器来在多个选定深度井段处进行测量，所述测量包括目标钻井孔10上的 电流流动所产生的磁场的量值、方向和径向梯度。同时，测量包括例如通过沿着BHA14的 MWD(随钻测量）工具进行的在正被钻探的钻井孔中的地球磁场的量值和方向以及重力方 向，从而确定钻探钻井孔的滚转角和倾斜度。包括来源于标准MWD测量的信息在内，可以使 用所公开的设备和方法来确定注入钻井孔12与目标钻井孔10之间的距离和方向以及钻探 的左/右方向（如果所述井在彼此大致垂直的平面中）。
[0018] 更具体来说，且根据本公开的特定说明性实施方案，通过经由使用安置在目标钻 井孔10中的电流供应（例如，电极（未图示））或通过在地面或所述钻井孔中的井下位置处 进行直接连接而注入时变电流，从而在目标钻井孔10的套管柱11中产生电流流动，如图1 中所示。通过使用到地面电极24或附近井口的连接22来使电流返回到地球地面。连接22 可以是例如连接到电连接26的绝缘测井电缆耦接电极24 (例如，或某一其它AC电流源）， 所述电连接26又连接到套管11。注入到目标钻井孔10的电流与远离注入点的距离成指数 地泄放。如果在井口处注入电流，那么所述电流与距所述点的距离成指数地泄放。如果从 井下电极将电流注入到钻井孔10中，那么电流从所述点在两个方向上泄放，且可以使用众 所周知的原理来计算可用于电磁场产生的净电流。
[0019] 针对目标钻井孔10上的在测量深度附近的增强电流，可以在所述钻井孔中在勘 探的目标区的一侧（如所展示）或两侧（未图示）上包括绝缘区段28,如图1中所示。因 此，在一个优选实施方案中，套管的非导电元件、绝缘体、间隙或绝缘区段可以安置在电流 注入点上游的目标钻井孔中，因此充当绝缘区段28。
[0020] 安放在传感器副件16中的电磁场感测仪器对电磁场极其敏感，且对正被钻探的 钻井孔（即，注入钻井孔12)中的电磁场的径向梯度最重要。对于一个感兴趣的应用（即， SA⑶井的钻探），注入钻井孔12上的径向梯度固有地比其自身电磁场小约50倍，S卩，7米所 需范围与电磁梯度测量仪器的直径大小的比率。因此，具有5 %精确性的距离测量较佳利用 沿着副件16的电磁传感器，所述电磁传感器具有固有的1/1000分辨率、稳定性和信号噪声 抑制。需要此类精确性不仅为了最终的石油生产要求，而且为了使钻孔机能够钻出无狗腿 的钻井孔，即相对于螺旋形或s形钻井孔的直钻孔，如为了将钢套管容易部署到注入钻井 孔12中还需要的。
[0021] 使用直流电流注入到目标钻井孔10中具有优于现有技术方法的若干优点，所述 现有技术方法借助于安置在正被钻探的钻井孔中的远程电极或电极对而引发目标钻井孔 上的电流流动。当将电流直接注入到目标钻井孔10中时，钻头20附近的在电磁传感器附 近的主要电流流动是来自在目标钻井孔10自身上流动的电流。然而，在现有技术中，当借 助于被钻探的钻井孔中的一个或多个电极经由土地岩层而将电流远程地注入到目标钻井 孔中时，正好相反，这是因为通常仅注入到土地中的一小部分电流转移到所述传感器附近 的目标钻井孔。此情况中的主要电流流动是 在传感器的附近且在正被钻探的钻井孔周围的 土地和钻井孔中。由于正被钻探的钻井孔周围的轴向对称，这些大地电流所产生的电磁场 在理想化组态下是零。然而，给定1000测量规范中的1部分，钻井孔中的非理想岩层特性 和井下钻井组合件位置可能是不良的。
[0022] 图2A示出根据本公开的说明性实施方案的传感器副件16的示意图。图2B和图 2C分别示出沿着线B和C的传感器副件16的横截面图。图2D示出z轴传感器的横截面 图。本文所公开的传感器副件16 (在本文还被称作电磁场感测仪器或磁力梯度仪）具有用 于进行径向电磁场梯度的良好测量的所需特性。在特定说明性实施方案中，此类系统包括 彼此分离的至少三个电磁场传感器，其中敏感轴垂直于工具的纵轴。所述系统优选由如图 2B和C中所示的例如8个磁通门或8个感应线圈的8个主要电磁场部件传感器30组成，其 中敏感轴垂直于钻井轴且位于距离钻井工具的轴线径向尽可能的远（如底部钻孔钻井组 合件直径将允许）。这些传感器30在钻井轴线周围相对于彼此位于45度。此类组态针对 径向电磁场梯度给出优化的响应。另外，包括"z"轴电磁场传感器32用于确定相对于目标 钻井孔的方向的相对左/右钻井方向的目的。并入"z"轴传感器32还有助于补偿可以存 在的电磁场的轴向部件的效应。Z轴传感器32垂直于传感器30且平行于感测副件16的主 轴。
[0023] 如先前描述，本公开的说明性实施方案的两个特征是用于在安置于注入井钻井孔 中的目标钻井孔和磁力梯度仪上产生电流流动的方法和设备。关于在目标钻井孔10上产 生电流流动，优选通过图1所展示的电流源24来提供低频（例如，大约1到30赫兹）电流 (在5与30安培rms之间）。电流返回导线（未图示）连接到远处返回电极（未图示），且 有电端连接到目标钻井孔10。在特定实施方案中，这可以通过用夹子夹到井口自身或者夹 到尽可能靠近井口的接地电极来实现。
[0024] 如图1中所示的替代实施方案利用尽可能方便深入钻井孔10中的绝缘导线22和 电极（在电连接26处）来与参考或目标钻井孔10的套管建立电接触。在此替代实施方案 中，如上文提及，还可以包括套管柱11中的任选绝缘区段28以将更多电流施加到测量深度 的附近。在另一替代实施方案中，使用紧邻目标钻井孔10的地面位置的接地棒25来将电 流注入到目标钻井孔10中。举例来说，在钻井孔中2km的距离处，可以预期所注入电流的 3%或更多。测试已展示，针对分隔开仅较短距离（例如，7米）的井，这是用于本公开的磁 力梯度仪设备起作用的足够的电流量。
[0025] 尽管本公开的特定实施方案并不限于特别的电磁场梯度仪，但在图2A-2D中示意 性展示利用具有8个传感器30的两个板34的电磁场梯度仪（即，传感器副件16)的一个 优选实施方案。可以展示使用具有围绕中心轴等距间隔的4个对称定位的传感器30的单 个板34 (例如，如所展示的图2B的具有4个传感器的上游板）将产生具有每隔90°的"盲 点"的磁力梯度场数据。因此，在图2A-2D中示出的实施方案中，传感器副件16带有9个感 应线圈或磁通门传感器20、32或其等效物，其中具有8个电磁场传感器30和一个z轴传感 器32。此说明性组态优化了信噪比，且还抑制不当的"杂散"信号，例如与所述仪器的中心 核心上的微小电流流动相关联的那些信号。
[0026]BHA14的MWD单元中的感应线圈传感器和微处理器产生输出解调DC电压VI… V8 (8个传感器30)和VZ(传感器32)，所述电压表示电磁场和放大器所产生的振幅ac电压 VH1-VHZ。传感器30或至少传感器对是优选相同的。在特定实施方案中，每一线圈优选约 〇. 1米长，且具有大约1〇0, 000匝导线。每一线圈优选连接到包括低噪声、高增益、带通放大 器的电路（未图示）。放大器电压个别地馈入到井下微处理器中用于分析。分析中的第一 步骤是使用同步解调来产生用于ac电压中的每一者的DC电压输出VI. ..V8和VZ，所述电 压与每一传感器位置处的传感器轴上的电磁场投射的振幅成正比。传感器及其放大器产生 图2A-2D中所示的ac电压VH1. . .VH8和VHz，传感器编号"x"的输出等于：
[0027]VHx=Gainx*dot(Hlocx，sax) 方程式 1〇
[0028]Hlocx是存在于传感器x定位之处的位置x的电磁场向量，sax是指向传感器x的 敏感性方向的单位向量，和函数dot(y，z)是向量y和z的向量点积。Gainx是放大器"x" 的电压输出与在正被测量的方向sax上的电磁场投射的比率。
[0029] 在特定说明性实施方案中，传感器30在一个或多个板34上对称地间隔。在所说 明实施方案中，VH1. ..VH4对称地安装在第一板34上且具有分隔90度的位置，和单位向量 敏感轴sal. ..sa4各自在距钻井副件16的中心距离"ax"处，如所指示。同样地，传感器 VH5. ..VH8对称地安装在第二板34上且具有分隔90度的位置。此第二板34安装在第一板 34的稍下方，使得例如第二板的传感器30相对于第一板的传感器30而处于45度的角度。 传感器VHz安装在VH1. . .VH8板的下方。还示意性地展示用于整个系统的标准MWD传感器 和相关联电子器件。应进一步指出，每一对传感器30可以在同一平面上（如所展示）或不 同平面上。
[0030] 如图2A中所示的此副件的机械构造具有用于组合和拆卸的螺纹连接件36以及用 于连接到钻柱的公螺纹38a和母螺纹38b。钻井副件16内的中心轴连接用0环40密封，且 还具有电绝缘套筒42以抑制副件16的中心轴上的电流流动。副件16的外壳上的小电流 大致上在传感器30所定位之处的内部不产生电磁场。尽管正被公开的说明性传感器组态 和分析方法并不响应于中心核心43上的电流流动，但副件16的中心核心43上的甚至微小 的电流通常都可以影响操作。因此，使用绝缘套筒42和"0"环40来抑制此类电流流动是 有利的。将了解绝缘套筒42形成核心43与传感器30之间的绝缘间隙41。另外，重要的是 将传感器组合件安放在具有均匀壁厚度的轴向对称外壳44中。此类外壳的外壁上的小的 电流流动在传感器30所定位之处的内部不产生场。在此实例中，副件还包括模块45,其含 有传感器（例如，MWD重力地磁场传感器）、用于整个工具的数据通信和集成电子器件。
[0031] 图3示出根据本公开的特定说明性实施方案的相关电磁场量和符号定义。目标钻 井孔10上所产生电流流动在电磁传感器30的附近产生电磁场。作为良好的近似，此电磁 场根据众所周知的右手法则而围绕目标钻井孔10循环。而且，所述工具内部的主要均 匀场由lA2*pi*R)给定，其中I是与传感器相对的目标钻井孔上的以安培为单位的电流， pi= 3. 14156,和R是在测量深度处的从目标钻井孔10到被钻探的钻井孔12 (例如，注入 钻井孔）的中心到中心径向距离。
[0032] 图3中详细示出所产生的磁场。在紧靠测量工具（即，传感器副件16)的轴线附 近，在"垂直模式"场分解中将电磁场方便地表不为两个分量的总和。第一分量是均勾场 在单位向量q的方向上的分量，即，
[0033]HO= (l/(2*pi*R))*q〇 方程式 2
[0034] 第二分量描述归因于场线是弯曲的且所述场随着1/R而衰减的事实的场"校正"。 在角度Ars(即，从目标钻井孔10到电磁传感器位置的来自单元径向向量的角度）下距离 测量工具的中心径向距离"a"处，场H1的校正分量由下式给定：
[0035]H1 = (1/(2*pi*R) * (a/R) *(-cos(Ars) *q_sin(Ars) *r)。 方程式 3
[0036] 在此位置处的传感器的电压输出VI由下式给定：
[0037]VH=Gain*dot(H，sa) 方程式 4，
[0038] 其中dot(H，sa)是在传感器的敏感轴sa上的H的投射。Gain是与线圈电压响应 组合的放大器的电子增益与dot(H，sa)的比率。
[0039] 为了呈现说明性方法的基本物理原理，考虑图2A-2D中所示的传感器与图3中的 电磁场表示的系统化表示。对于此论述，将方程式4中指示的"Gain"因子取为等于1。通 过使用如图2和3中指示的用于理想化传感器位置的单位向量r、u、sa的关系式和三角恒 等式，可以计算同步解调电压VI. ..V8、VZ的各种线性组合的以下关系式，从而给出下式：
[0040] VHcl=V1-V3+0. 707*(V8+V5-V6-V7)= (4*1/(2*pi*R))*cos(Atr)
[0041] VHsl=V8-V6+0. 707*(V4+V1-V2-V3) = (4*1/(2*pi*R))*sin(Atr)
[0042] VHc2 =-V1-V3+V2+V4) = (4*I*aA2*pi*R~2))*cos(2*Atr)
[0043] VHs2 =V5+V7-V6-V8) = (4*I*aA2*pi*R~2))*sin(2*Atr)
[0044]VZ=(V(2*pi*R))*sin(ACurZ)。 方程式5
[0045] Atr=atan2(VHsl,VHcl)
[0046] R=a*sqrt((VHc1~ 2+VHs2)/(VHc2 ~ 2+VHs2 ~ 2))
[0047] I/(2*pi*R) = (l/4)*sqrt(VHcr2+VHsr2)
[0048]ACurZ=asi n((2*pi*R/I)*VZ)。 方程式6
[0049] 图4中限定角度ACurZ。此处，其为Hz与H之间的角度，如图4中所示。其还是 "钻井"方向与参考/目标钻井孔之间的角度的分量。以上关系式给出用于计算以下各项的 程序：工具参考标记与r之间的滚转角Atr、Hz与H之间的角度（角度ACurZ)、以及工具与 目标钻井孔之间的距离R，如图2A-2D中所示。通过使用MWD重力的标准分析和地磁场传 感器测量（其可以使用图2A中的模块45来获取）而容易得到地球和MWD工具自身的位置 处的工具参考标记的方向和图3中所示的方向t。通过使用众所周知的向量加法原理，这 些MWD确定可以与R以及角度Atr和ACurZ的以上确定组合，以寻找在所限定目标钻井孔 上的电磁场源点的空间中的方向和位置。
[0050] 同样重要的是需注意，作为良好的近似，绕中心核心循环的电磁场的小的Z分量 或小的均匀"方位"场分量并未对方程式5所限定的5个电压组合VHcl、VHsl、VHs2和VZ 产生贡献。
[0051] 转向本公开的另一重要方面，工具制造中的缺陷可以影响响应电压VI. . .V8VZ。 因为需要精确的响应电压VI. ..V8VZ来用于方程式5和方程式6所限定的分析，所以必须 对工具缺陷进行补偿。按照惯例，此已通过所述工具中的机械和电"修整"方法来实现。然 而，在本公开的特定说明性实施方案中，公开较佳的计算方法。代替个别地补偿和校准每一 传感器（如在现有技术中已实践），将公开整体系统和方法，所述整体系统和方法使在所述 工具的给定部署中测量的一组传感器电压的测量值直接与所需的量相关，g卩，距目标钻井 孔的距离、到目标钻井孔的方向、和钻井的相对"左/右"方向、和目标钻井孔的轴向方向。 在一个实施方案中，这将通过使用表征整体工具行为的工具矩阵（"IlMat"）来进行。
[0052] 为了示出本公开的此说明性方法，将进行将所述方法应用到具有9个传感器的工 具。本公开的方法并不限于特定数目个传感器，且容易适合于具有其它数目个传感器的工 具，例如4个或6个传感器。如果仪器中不包括z传感器也是适用的。重点在于所述方法 仅基于所述工具针对其附近的电磁场的整体行为的特性。所述工具的构造的细节当然会影 响质量性能，然而这些构造细节并不包含在正被公开方法中，以便根据工具电压响应值来 确定感兴趣的参数。
[0053] 在开始时存在需注意的若干重点。第一重点是传感器产生与在所述传感器的敏感 轴上的传感器位置处的电磁场的投射成正比的电压。此具有以下结果：当工具在垂直于旋 转轴的均勾电磁场H中绕着其纵向z轴旋转时，所产生的电压与场强度H和cos(Atr-偏 移）成正比。此偏移角度与所述传感器相对于工具的定向和其在所述工具中的位置相关。 因此，可以将传感器对于此类垂直于工具的轴线的均匀场的电压V写为：
[0054] V=A*H*cos(Atr-偏移）
[0055] A*H*(cos(偏移）*cos(Atr)+sin(偏移）*sin(Atr))
[0056] B*(H*cos(Atr))+C* (H*sin(Atr)) 方程式 7
[0057] A、B和C是与传感器增益和所述工具的位置和定向相关的比例常数。需注意的重 点是所述工具在垂直于旋转轴的均匀场中的旋转可以总是表达为与cos(Atr)和sin(Atr) 成正比的项的线性组合。
[0058] 在具有图3中指示的特性"双曲线"场线形状的磁场的梯度分量中类似地旋转传 感器产生与若干项的线性组合成正比的电压，所述项与cos(2*Atr)和sin(2*Atr)成正比。 为了了解此如何发生，考虑旋转图3中所示的传感器"i"，S卩，角度Atsi在360度内变化。 当Atsi等于约40度的偏移角度时，图3针对所展示的传感器"i"指示Arsi= 0。当Atr =40度时，敏感轴sai将与场线HI反向平行且将产生电压-Vi。使Atsi改变45度，S卩，设 置Atr=偏移+45度，使得sai垂直于场线且Vi= 0。当Atr=偏移+90度时，传感器输 出将是+Vi伏特，这是因为sai和场线两者指向相同方向。因此，当Atr的旋转经历360度 时，输出电压将已经经历720度。因此，由所述磁场的此"G" =dH/dR分量而产生的电压V 结果是：
[0059]V=D*(G*cos(2*Atr)) +E*(G*sin(2*Atr)) 方程式8
[0060] 此处，D和E是与工具的构造细节相关的比例常数。类似地，如果传感器敏感轴并 不垂直于工具的z轴，且所施加场的Hz分量存在，那么传感器将产生独立于旋转角Atr的 电压，即，
[0061] V=F*Hz=F*H*sin(ACurZ) 方程式9。
[0062] 在根据上述的方法的第一步骤中，以矩阵形式将传感器VI的电压输出写为：
[0064] 方程式10。
[0065] 在此关系式中，量Vlcl、Vlsl、Vlc2、Vls2、VIHz是工具常数，g卩，上文考虑的有效 地施加到传感器1的常数B、C、D、E和F。行向量HcsHz含有物理量，所述物理量电磁场量 (H和G)以及相关联的工具旋转角（Atr)和ACurZ，S卩，最终由一组工具传感器电压测量值 确定的量，所述测量值之一是VI。
[0066] 上文的线性关系式容易扩展以通过附加列而包括所有传感器输出电压VI...V8VZ 作为：
[0068] 方程式11
[0069] 重要的是应注意，此公式并不需要工具构造与如关于方程式5和方程式6而论述 的理想化工具组态紧密一致。要求是工具矩阵（TIMat)描述一组数学上独立的方程式。
[0070] 如果上文限定的工具矩阵（"TIMat"）已知，那么称作"HcsHz"的感兴趣的行向量 可以恢复。上文的工具矩阵（TIMat)是描述电磁场传感器针对强加的均匀场+梯度场+Hz 场的电压响应的数字表格。TIMat的第一列中的数字将电压VI表不为如方程式10所表不 的量H*cos(Atr)、H*sin(Atr)、G*cos(2*Atr)、G*sin(2*Atr)和Hz的代数线性总和。TIMat 中的第二列数字是用于传感器2的电压的系数（S卩，V2)，诸如此类。所施加物理量的1X5 行矩阵HcsHz可以使用最小平方法的变体而从一组测量值|V1V2 ...V8VZ|恢复。可以 使用以下表达式通过将恢复矩阵（RecMat)应用到一组传感器电压测量值的行向量而得到 行向量HcsHz:
[0071]HcsHz= |V1V2 ....V8VZ|*RecMat 方程式 12
[0072] 其中
[0073]RecMat=TIMat' *inv(TlMat*TlMat'） 方程式 13
[0074] 可以将5行乘9列矩阵RecMat("恢复矩阵"）存储在MWD处理器上，且通过MWD 处理器来计算HcsHz中的5个量用于通过使用MWD钻井孔数据通信系统而传达到地球地 面。此说明性方程式表示法（如本公开中的其它方程式）遵从计算机语言MATLAB。因此， "'"代表矩阵转置，和函数irw(A)是正方形矩阵A的逆矩阵。技术计算语言MATLAB及其所 嵌入的计算环境使用矩阵运算来用于数值问题求解，如受益于本公开的本领域技术人员将 了解。
[0075] 根据1X5行矩阵HcsHz，可以恢复所需的量：
[0076]Atr=atan2(HcsHz(2),HcsHz(1))
[0077] H=sqrt(HcsHz(1)'2+HcsHz(2)'2
[0078]R=H/(HcsHz(3) ~2+HcsHz(4) ~2)
[0079]Hz=HcsHz(5)
[0080]ACurZ=asin(Hz/H) 方程式 14
[0081] 这些结果在使用标准MWD测量值和分析方法的空间确定中容易与工具滚转角、倾 斜度和方位定向组合，从而给出空间中的方向和目标钻井孔相对于注入钻井孔的相对纵向 定向。代替经由MWD通信系统发送HcsHz到井上，可以有利地在井下计算方程式15中所示 的结果中的一些或全部且将方程式14的结果发送到地球表面。
[0082] 图4示出底部钻具组合件和用于校准磁性重力工具的水平校准回路400(即，传 感器副件16)的简化视图。图5是用于磁力梯度工具的校准方法500的流程图。参看图4 和5,可以使用图4中所示的校准设备（S卩，回路400)来得到工具矩阵TIMat。因此，在块 A(图5)中，提供导电校准回路。在特定说明性实施方案中，校准回路400是大约30米长 支腿的导线的正方形平面回路，其中已知拐角位置带有在钻井作业期间预期的相同频率和 电流量值的电流。在块B处，将工具定位在邻近所述回路处，使其敏感中心处于回路的平面 中的已知位置。可以使用萨伐尔定律来容易地计算磁场H的值，H的径向梯度G和z分量， 即，所述磁场相对于邻近电流方向和处于此位置的工具的纵轴的Hz。
[0083] 此设备包括用于以控制方式围绕其纵轴旋转工具的滚转角以及还用于围绕垂直 轴旋转纵轴的机构，所述机构位于回路的平面中且垂直于(在工具中心处的电磁场）。此 设备以及特定在正被校准的工具附近产生的电磁场是紧密相关的，也就是说随钻存在的。 在钻探钻井孔与目标钻井孔彼此层叠的SAGD应用中，所述井的平面是垂直而非水平的，如 在校准设备中。使用此校准设备通过将工具响应指定到模拟在钻井作业中预期的那些定向 的工具定向全体来得到工具矩阵IlMat。可以 根据构成全体的测量值集合来计算工具矩阵 HMat。在块C中，迫使交流电流在校准回路中流动，且在块D中，记录与电流相关的测量值。 测量值"i"的集合（即，Vli、V2i、......V8i、VZi)由已知参数集合H、G、Atri和ACurZi产 生。根据一般公式，用于全体的给定构件的结果Vli、V2i.......V8i、VZi由下式给定（注 意Hzi=H0*sin(ACuri)):
[0084]VliV2i....V8iVZi| = |H*cos(Atri)H*sin(Atri)G*cos(2*Atri) G*sin(2*Atri)H*sin(ACuri)|*TlMat
[0085] 方程式15
[0086] 可以将校准测量值的整个全体输入到下方展示的矩阵中，即，
[0088] *TlMat，表不为：
[0089]MeasMat=CalParMat*TlMat 方程式 16
[0090] 可以使用来自方程式16的最小平方拟合而得到工具矩阵TIMat:
[0091]TIMat=inv(CalParMat' *CalParMat) *CalParMat'*MeasMat方程式 17〇
[0092] 用于CalParMat中的参数的方便的全体选择是进行量V1...V8、VZ的36个测 量。校准回路400中的电流保持固定在某一值，以使在感测仪器处的电磁场与在钻井作 业期间所预期的相当或稍微较大。因此，H和G的值保持固定。在前12个测量期间，即i =1.... 12,ACurZ保持固定在比如-5度，且工具角Atr以30度增量纵向变化（即，0、30、 60...... 330度），如块E处所示出。对于接着的12个测量，即i= 13. . 24,工具轴角ACurZ 轴向旋转且设为0度，和Atr经由0、30...... 330序列再次变化。对于最终12个测量，即i =25............ 36,ACurZ设为+5度，和Atr经由0、30...... 330度序列再次变化。因 此，通过将工具响应VI. ..V8、VZ指定到所述工具的上述纵向和轴向旋转定向中的每一者， 产生构成上述校准参数矩阵（CalParMat)和测量矩阵（MeasMat)的所需数字。
[0093] 在块G中，通过利用先前程序的结果，以最优方式来确定电磁梯度场仪器的参数。 此方法使用方程式14来根据TIMat确定恢复矩阵（RecMat)，其给出用以确定所需径向距离 参数R和滚转角Atr的简单且直接的方式，S卩，工具参考方向与到目标钻井孔的向量之间的 角度。通过使用向量加法原理，滚转角Atr易于与空间的工具滚转角、倾斜角和方位角的标 准MWD测量组合，从而给出从注入钻井孔到目标钻井孔的空间方向。
[0094]图6是适于实施如本文所描述的磁力梯度仪校准系统的例示性计算机系统100的 框图。在一个实施方案中，计算机系统100包括至少一个处理器102、非暂时性计算机可读 存储器104、任选网络通信模块105、任选I/O装置106和任选显示器108,且以上全部经由 系统总线109互连。就包括网络通信模块105来说，网络通信模块105可操作来以通信方式 在网络上将计算机系统100耦接到其它装置。在一个实施方案中，网络通信模块105是网 络接口卡（NIC)，且使用以太网协议进行通信。在其它实施方案中，网络通信模块105可以 是另一类型的通信接口（例如，光纤接口），且可以使用若干不同的通信协议来进行通信。
[0095] 应认识到，计算机系统100可以经由网络通信模块105而连接到一个或多个公用 (例如，因特网）和/或专用网络（未图示）。此类网络可以包括例如服务器，在所述服务 器上存储实际或建模钻井孔测距数据或如本文所描述的校准所需的其它数据。可以将软件 指令存储在存储器104中，所述软件指令可以通过处理器102执行以用于根据本文描述的 实施方案来实施磁力梯度仪校准系统110。还将认识到，可以从CD-ROM或其它适当的存储 介质来将包括磁力梯度仪校准系统110的软件指令载入到存储器104中。
[0096] 在特定说明性实施方案中，利用计算机系统100来实施本文描述的方法的至少一 部分。举例来说，优选利用计算机系统1〇〇来产生校准矩阵，执行最小平方拟合运算，和确 定如上所述的工具矩阵。
[0097] 再次注意，可以在多种应用中利用本公开，包括SAGD应用。其它说明性应用包括 (例如）用于相对于附近的目标第一钻井孔（通常是鼓风钻井孔）来准确地和可靠地定位 被钻探的钻井孔、"减压/交叉"钻井孔（即，第二钻井孔）的应用，使得第二钻井孔根据需 要而与目标钻井孔交叉或避让。目标钻井孔必须具有比周围岩层高的传导性，其可以通过 使用沿着目标钻井孔的细长传导主体来实现，例如，已经存在于大多数井中用以保持钻井 孔完整性的套管。
[0098] 本公开的方法和系统还是减压井和/或钻井孔避让操作的钻探特别所需的。在钻 井孔避让应用中，利用本文描述的系统来钻探钻井孔，所述系统在钻探路径中主动搜索其 它井（或其它传导性的细长结构）。如果检测到此类井或结构，那么定位系统相应地更改钻 探路径。受益于本公开的本领域技术人员将理解这些和其它应用和/或改型。
[0099] 因此，已描述用于确定从正被钻探的第二钻井孔到目标钻井孔的距离和方向的系 统。所述系统的实施方案可以大体上包括：安置在目标钻井孔的至少一部分中的传导主体； 在正被钻探的钻井孔中的钻柱，所述钻柱具有端对端连接的多个钻杆段且携带随钻测量系 统；电流供应，其经安置以通过到目标钻井孔的直接电连接来激励目标钻井孔上的电流流 动；以及在正被钻探的第二钻井孔中的电磁场感测仪器，所述电磁场感测仪器响应于电磁 场以及响应于目标钻井孔中的电流所产生的电磁场的径向梯度。
[0100] 同样地，已描述井测距系统的实施方案。系统的实施方案可以大体上包括：第一钻 井孔，其在岩层的地面处具有井口，其中细长的钻井孔从所述井口延伸，所述钻井孔由邻近 井口的近端和远端表征，其中所述钻井孔包括安置在其中的细长传导主体；在地面处的交 流电流源，所述源包括发射电极和返回电极；具有从地面延伸的细长钻井孔的第二钻井孔； 安置在第二钻井孔中的管柱；以及所述管柱携带的磁性测量装置。
[0101] 所述井测距系统的其它实施方案可以大体上包括：第一钻井孔，其在岩层地面处 具有井口，其中细长的钻井孔从所述井口延伸，所述钻井孔由邻近井口的近端和远端表征， 其中钻井孔包括安置在其中的细长的传导主体；第二钻井孔，其具有从地面延伸的细长钻 井孔；安置在第二钻井孔中的管柱；交流电流源，所述源包括发射电极和返回电极，其中所 述发射电极和返回电极沿着管柱安置在第二钻井孔中；以及由管柱携带的磁力梯度仪，其 中电流源产生从发射器发射的电流，且其中磁力梯度仪经组配以对在第一钻井孔中的传导 主体中流动的电流所引发的磁力梯度作出响应。
[0102] 另外，已描述用于定位含有来自第二钻井孔的传导主体的目标钻井孔的钻井孔工 具的实施方案。钻井孔工具可以大体上包括：包括发射电极和返回电极的电流源；以及磁 力梯度仪，其中所述电流源产生从发射器发射的电流，和其中磁力梯度仪对沿着目标钻井 孔中的传导主体流动的电流所引发的磁力梯度作出响应。此外，以下元件中的任一者可以 按单独或彼此组合的方式来与先前实施方案中的任一者组合：
[0103] 电流供应包括时变电流。
[0104] 电磁场感测仪器包括电磁传感器阵列，每一电磁传感器定位在某一位置处的第二 钻井孔内且响应于其位置处的电磁场。
[0105] 传导主体是安置在目标钻井孔中的套管柱。
[0106] 电磁传感器定位在第二钻井孔中，使得电磁场感测仪器响应于时变磁场的径向方 向上的梯度。
[0107] 直接电连接包括从第二钻井孔延伸到目标钻井孔的导线。
[0108] 直接电连接包括在地球表面处的电极。
[0109] 时变电流包括低频交流电流。
[0110] 电磁场感测仪器包括沿着感测仪器的主轴彼此分隔开的第一板和第二板，其中每 一板包括对称地围绕所述板的中心轴而彼此分隔开的多个传感器。
[0111] 电磁场感测仪器的每一板包括绕着所述板的轴线彼此相隔90°安置的四个传感 器。
[0112] 电磁场感测仪器包括沿着感测仪器的主轴彼此分隔开的第一板和第二板，以及与 所述板分隔开的额外传感器。
[0113] 额外传感器垂直于感测仪器的板的传感器且平行于所述感测仪器的主轴。
[0114] 感测仪器的第二板旋转而使得第二板的传感器相对于第一板的传感器而处于 45°的角度。
[0115] 电磁场感测仪器安放在传感器副件中，所述传感器副件具有有均匀壁厚度的外部 外壳。
[0116] 电磁场感测仪器安放在传感器副件中，且其中所述传感器副件具有有电绝缘间隙 的中心核心。
[0117] 因此，已描述用于确定从正被钻探的第二钻井孔到第一目标钻井孔的距离和方向 的方法。目标钻井孔从岩层的地面延伸且含有安置在其中的传导主体。所述方法的实施方 案可以大体上包括：通过将传导主体直接电连接到AC电源而在目标钻井孔上产生交流电 流流动；以及利用安置在第二钻井孔中的电磁梯度场仪器而获得在选定深度井段处的磁场 数据的多个测量值。同样地，已描述用于执行蒸汽辅助重力泄油来从岩层回收烃的方法的 实施方案。此方法的实施方案可以大体上包括：通过将目标钻井孔中的传导主体直接连接 到AC电源而 在第一目标钻井孔上产生交流电流流动；利用安置在第二钻井孔中的电磁梯 度场仪器而获得在选定深度井段处的磁场数据的多个测量值；将蒸汽注入到第二钻井孔中 以致使岩层中的烃迀移到第一钻井孔；以及从所述第一钻井孔回收烃。此外，以下中的任一 者可以按单独或彼此组合的方式来与先前实施方案中的任一者组合：
[0118] 感测仪器的响应用以确定距正被钻探的井孔的距离。
[0119] 电磁场感测仪器确定目标井到正被钻探的钻井孔的相对方位方向。
[0120] 感测仪器确定正被钻探的钻井孔的方向与目标井之间的相对角度。
[0121] 感测仪器的响应用以确定距正被钻探的井孔的距离，且使用数字矩阵来确定所述 距离，所述数字矩阵表征电磁场感测仪器对电磁场的响应和所述感测仪器附近的磁场的径 向梯度。
[0122] 测量值包括目标钻井孔上的电流流动所产生的磁场的量值、方向和径向梯度。
[0123] 在正被钻探的钻井孔中测量地球场的量值和方向以及重力方向的量值和方向。
[0124] 交替电流是低频电流。
[0125] 交流电流的频率介于大约1到30赫兹之间。
[0126]启动第二钻井孔的钻探，且在获得测量值时中断钻探。
[0127] 将电极定位在目标钻井孔中。
[0128] 将电极连接到地面处的目标钻井孔。
[0129] 从地面将电极连接到井下位置的传导主体。
[0130] 将绝缘区段部署在从传导主体的电连接方向的位置沿井身向上的传导主体中。
[0131] 在正被钻探的钻井孔中检测磁场的径向梯度。
[0132] 电流是在大约5安培rms与30安培rms之间。
[0133] 计算仪器的滚转角与目标钻井孔之间的角度，和计算正被钻探的钻井孔与目标钻 井孔之间的距离。
[0134] 钻探第二钻井孔；测量电磁场梯度；以及基于所测量的电磁场梯度来继续钻探第 ^?钻井孔。
[0135] 因此，已描述用于校准电磁梯度场仪器的方法。电磁梯度场仪器由细长纵轴表征。 所述方法的实施方案可以大体上包括：提供导电校准回路，其具有安置在平面中的选择形 状；邻近所述校准回路定位电磁梯度场仪器，使得纵轴具有相对于校准回路的第一定向且 安置在校准回路的平面内；在校准回路中引发交流电流；当电磁梯度场仪器处于第一定向 时使用电磁梯度场仪器来测量校准回路中的电流所产生的电磁场；围绕所述回路的平面内 的细长纵轴上的点将电磁梯度场仪器纵向旋转到第二定向；当电磁梯度场仪器处于第二定 向时使用电磁梯度场仪器来测量校准回路中的电流所产生的电磁场；以及重复针对多个定 向的纵向旋转和测量以产生测量数据。此外，以下中的任一者可以按单独或彼此组合的方 式来与先前实施方案中的任一者组合：
[0136] 校准回路是正方形平面回路。
[0137] 正方形平面回路包括大约30米长的支腿。
[0138] 估计在钻井孔的钻探期间预期的频率和电流量值；以及在引发的步骤中所估计的 频率和电流。
[0139] 将交流电流保持在固定值。
[0140] 在每一增量式测量期间，所述仪器纵向旋转大约30°。
[0141] 所述仪器递增地纵向旋转通过360°。
[0142] 接着重复纵向旋转和测量，所述方法还包括围绕细长纵轴轴向旋转所述工具以及 重复纵向旋转和测量的步骤。
[0143] 利用所述测量数据以产生电压矩阵；利用定向和磁场向量数据来产生校准参数矩 阵；将最小平方拟合应用到所得矩阵以确定工具矩阵。
[0144] 基于所述工具矩阵来调整电磁梯度场仪器的一个或多个参数。
[0145] 此外，本文描述的方法可以实施在包括用以实施所述方法中的任一者的处理电路 的系统内，或实施在包括指令的计算机程序产品中，所述指令在被至少一个处理器执行时 致使处理器执行本文描述的方法中的任一者。
[0146] 尽管已展示和描述各种实施方案和方法，但本公开不限于此类实施方案和方法， 且将被理解以包括如本领域的技术人员将显而易见的所有修改和变化。因此，应理解本公 开并不意图限于所公开的特定形式。而是，意图涵盖落在如由随附权利要求书限定的本公 开的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。
【主权项】
1. 一种用于确定从正被钻探的第二钻井孔到目标钻井孔的距离和方向的系统，所述系 统包括： 传导主体，其安置在所述目标钻井孔的至少一部分中； 钻柱，其处于正被钻探的所述钻井孔中，所述钻柱携带随钻测量系统； 电流供应，其经安置以通过直接电连接到所述目标钻井孔来激励所述目标钻井孔上的 电流流动；以及 电磁场感测仪器，其处于正被钻探的所述第二钻井孔中，所述电磁场感测仪器是响应 于所述电磁场和响应于所述目标钻井孔中的所述电流所产生的所述电磁场的径向梯度。2. 如权利要求1所述的系统，其中所述电流供应包括时变电流。3. 如权利要求2所述的系统，其中所述电磁场感测仪器包括电磁传感器阵列，每一电 磁传感器定位在某一位置处的所述第二钻井孔内且响应于其位置处的所述电磁场。4. 如权利要求2所述的系统，所述传导主体是安置在所述目标钻井孔中的套管柱。5. 如权利要求3所述的系统，其中所述电磁传感器定位在所述第二钻井孔中，使得所 述电磁场感测仪器响应于所述时变磁场的径向方向上的梯度。6. 如权利要求4所述的系统，其中所述直接电连接包括从所述第二钻井孔延伸到所述 目标钻井孔的导线。7. 如权利要求4所述的系统，其中所述直接电连接包括在地球表面处的电极。8. 如权利要求2所述的系统，其中所述时变电流包括低频交流电流。9. 如权利要求1所述的系统，其中所述电磁场感测仪器包括沿着所述感测仪器的主轴 彼此分隔开的第一板和第二板，其中每一板包括对称地围绕所述板的中心轴而彼此分隔开 的多个传感器。10. 如权利要求9所述的系统，其中每一板包括绕着所述板的所述轴线彼此相隔90〇安 置的四个传感器。11. 如权利要求10所述的系统，其还包括与所述板分隔开的额外传感器。12. 如权利要求11所述的系统，其中所述额外传感器垂直于所述板的所述传感器且平 行于所述感测仪器的所述主轴。13. 如权利要求10所述的系统，其中所述第二板旋转而使得所述第二板的所述传感器 相对于所述第一板的所述传感器而处于45〇的角度。14. 如权利要求1所述的系统，其中所述电磁场感测仪器安放在传感器副件中，所述传 感器副件具有均匀壁厚度的外部外壳，且其中所述传感器副件具有有电绝缘间隙的中心核 心。15. -种用于确定从正被钻探的第二钻井孔到第一目标钻井孔的距离和方向的方法， 所述目标钻井孔从岩层的地面延伸且含有安置在其中的传导主体，所述方法包括： 通过将所述传导主体直接电连接到AC电源来在所述目标钻井孔上产生交流电流流 动；以及 通过利用安置在所述第二钻井孔中的电磁梯度场仪器来获得选定深度井段处的磁场 数据的多个测量值。16. 如权利要求15所述的方法，其中所述测量值包括所述目标钻井孔上的所述电流流 动所产生的所述磁场的量值、方向和径向梯度。17. 如权利要求15所述的方法，其还包括在正被钻探的所述钻井孔中测量地球场的量 值和方向以及重力方向的量值和方向。18. 如权利要求15所述的方法，其中所述交流电流是低频电流。19. 如权利要求18所述的方法，其中所述频率是介于大约1到30赫兹之间。20. 如权利要求15所述的方法，其还包括启动所述第二钻井孔的钻探；以及在获得测 量值时中断钻探。21. 如权利要求15所述的方法，其中产生所述电流包括将电极定位在所述目标钻井孔 中。22. 如权利要求15所述的方法，其中产生所述电流包括在所述地面处将电极连接到所 述目标钻井孔。23. 如权利要求15所述的方法，其中产生电流包括从所述地面处将电极连接到井下位 置处的所述传导主体。24. 如权利要求15所述的方法，其还包括将绝缘区段部署在从所述传导主体的所述电 连接方向的所述位置沿井身向上的所述传导主体中。25. 如权利要求15所述的方法，其中获得所述测量值包括在正被钻探的所述钻井孔中 检测所述磁场的径向梯度。26. 如权利要求15所述的方法，其中所述电流是介于大约5与30安培rms之间。27. 如权利要求15所述的方法，其还包括以下步骤：计算所述仪器的滚转角与所述目 标钻井孔之间的角度；以及计算正被钻探的钻井孔与所述目标钻井孔之间的距离。28. 如权利要求15所述的方法，其还包括通过利用磁场数据的所述多个测量值来进行 SAGD运算。
【专利摘要】一种用于在两个钻井孔之间进行测距的系统。目标钻井孔包括安置在所述目标钻井孔的一部分内的传导主体(例如，套管)。第二钻井孔包括定位在所述钻井孔内的电磁场感测仪器。传递到所述目标钻井孔中的所述传导主体的电流产生从所述目标钻井孔发出的磁场。利用所述电磁场感测仪器来测量基于所述磁场的电磁梯度，可以利用所述电磁梯度来确定所述钻井孔之间的范围。
【IPC分类】E21B47/085, E21B47/22, E21B43/30
【公开号】CN104884736
【申请号】CN201380062757
【发明人】A·F·卡克斯
【申请人】哈利伯顿能源服务公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月6日
【公告号】CA2890330A1, EP2920411A1, US20150308260, WO2014089490A1, WO2014089490A9