根据相邻井筒来定位钻井套管的方法及装置.pdf

根据第二井筒定位包含导电构件的目标井筒并相对于目标井筒导引第二井筒的轨道的钻井工具，其中包括：有绝缘间隙的电流驱动器；在电流驱动器之下设于非磁性管中非磁性外壳内的三轴磁强计；设于三轴磁强计之下的钻头；连接在电流驱动器与三轴磁强计之间的空心管；以及钻进时测量工具。电流驱动器产生跨越间隙而到达绝缘间隙之下的工具部分的电流。其方法是，使产生的电流跨越间隙而到达绝缘间隙之下的工具部分，再到目标井筒中的导电材料，并返回绝缘间隙之上的井底组件部分，从而产生目标磁场。测量井底组件处的磁场和地球磁场；并确定第二井筒相对于目标井筒的位置。然后沿相对于目标井筒的轨道引导井底组件钻进第二井筒。

1.  一种钻井工具，用以确定包含来自第二井筒的导电构件的目标井筒的位置，所述钻井工具包括：
具有绝缘间隙的电流驱动器；以及
位于所述电流驱动器下方的磁强计，其中所述电流驱动器产生跨越所述间隙而到达所述绝缘间隙下方的所述钻井工具部分的电流，且其中所述磁强计配置成对所述目标井筒中的所述导电构件中流过的电流导致的磁场作出响应。

2.  如权利要求1所述的钻井工具，其中所述电流是低频电流。

3.  如权利要求1所述的钻井工具，还包括位于所述磁强计和所述电流驱动器之间的空心管。

4.  如权利要求1所述的钻井工具，其中所述磁强计为三轴磁强计。

5.  如权利要求1所述的钻井工具，还包括钻进时测量工具。

6.  如权利要求1所述的钻井工具，其中所述磁强计位于非磁性壳体内，该非磁性壳体设于非磁性管内。

7.  如权利要求1所述的钻井工具，还包括：
钻头；以及
可导向系统。

8.  如权利要求7所述的钻井工具，还包括位于所述磁强计和所述电流驱动器之间的空心管。

9.  如权利要求7所述的钻井工具，还包括钻进时测量工具。

10.  如权利要求9所述的钻井工具，其中所述磁强计为三轴磁强计。

11.  如权利要求3所述的钻井工具，其中所述电流是低频电流。

12.  如权利要求11所述的钻井工具，还包括钻进时测量工具。

13.  一种钻井工具，用以确定包含来自第二井筒的导电构件的目标井筒的位置，并相对于所述目标井筒导引所述第二井筒的轨道，所述钻井工具包括：
具有绝缘间隙的电流驱动器；
位于非磁性壳体内的三轴磁强计，该非磁性壳体设于非磁性管内，所述三轴磁强计位于所述电流驱动器下方；
位于所述三轴磁强计下方的钻头；
位于所述电流驱动器和所述三轴磁强计之间的空心管；以及
钻进时测量工具，其中所述电流驱动器产生跨越所述间隙而到达所述绝缘间隙下方的所述钻井工具部分的电流，且其中所述磁强计配置成对所述目标井筒中的所述导电构件中流过的电流导致的磁场作出响应。

14.  一种用以确定包含来自第二井筒的导电构件的目标井筒的位置并相对于所述目标井筒指引所述第二井筒的轨道的方法，所述方法包括以下步骤：
设置包含具有绝缘间隙的电流驱动器的井底组件、位于所述电流驱动器下方的三轴磁强计以及位于所述三轴磁强计下方的钻头；
用所述井底组件钻进与所述目标井筒隔开的第二井筒；
产生从所述电流驱动器流出的低频电流；
测量所述井底组件处的目标磁场；以及
确定所述第二井筒相对于所述目标井筒的位置。

15.  如权利要求14所述的方法，其中测量所述目标磁场的步骤在用所述井底组件钻进所述第二井筒的同时进行。

16.  如权利要求15所述的方法，其中测量所述目标磁场的步骤在用所述井底组件钻进所述第二井筒的同时进行。

17.  如权利要求14所述的方法，其中所述低频电流跨越所述间隙而到达所述绝缘间隙下方的所述井底组件部分，再到达所述目标井筒中的导电材料，然后返回到所述绝缘间隙上方的所述井底组件部分，从而产生目标磁场。

18.  如权利要求14所述的方法，还包括测量地球磁场的步骤，且其中确定所述第二井筒部分的位置的步骤包含根据目标磁场的测量值和地球磁场的测量值来确定所述第二井筒的位置。

19.  如权利要求14所述的方法，还包括沿着相对于所述目标井筒的轨道导引所述井底组件来钻进所述第二井筒。

20.  如权利要求14所述的方法，还包括测量流过所述井底组件的电流的步骤，且其中确定所述第二井筒的位置的步骤包含根据所述目标磁场的测量值和流过所述井底组件的电流来确定所述第二井筒的位置。

21.  如权利要求14所述的方法，还包括：
测量流过所述井底组件的电流的步骤，且其中
确定所述第二井筒的位置的步骤包含根据所述目标磁场的测量值、电流测量值和地球磁场的测量值来确定所述第二井筒的位置。

22.  如权利要求20所述的方法，其中确定所述第二井筒的位置的步骤包含使用如下的方程组：
Bx By = - tan γ 0 = y 0 x 0 ; ]]>
Bz By = ( - x 0 sin θ + y 0 cos θ ) tan φ = x 0 ( tan γ 0 cos θ - sin θ ) tan φ ; ]]>
x 0 2 [ 1 - sin 2 φ ( - cos θ + tan γ 0 sin θ ] + y 0 2 = - μ 0 I ′ 2 πBy x 0 cos φ . ]]>

根据相邻井筒来定位钻井套管的方法及装置
相关申请
[0001]本申请要求2005年11月4日提交的美国临时专利申请No.60/733347的优先权益。
技术领域
[0002]一般来说，本发明涉及钻井操作，以及更具体来说，涉及在钻进第二井筒的同时根据第二井筒定位第一井筒的套管或钻杆柱。
背景技术
[0003]在各种钻进操作中，希望定位相邻井筒。可能需要定位相邻井筒的钻进操作的实例包括减压钻进、钻进U形井以及蒸汽辅助重力排泄(SAGD)。有时井发生井喷以及希望消除井下表层，因而需要在钻进第二阻断减压井筒的同时精确定位第一井。目前，定位相邻井筒的一般应用在与例如SAGD井中的第一井筒基本平行地钻进第二井筒时发生。
[0004]用于定位第一井筒的套管(或钻杆柱)的当前方法采用钢绳工具。利用钢绳工具进行定位勘探并且依靠那些结果的操作具有显著缺点。例如，使用钢绳设备增加装配时间和成本。而且，采用这些钢绳方法仅能定期地获得井筒位置信息。这样就不能恒定、及时和精确地取得数据，可能导致严重且高代价的错误。
[0005]因此，业内期望提供克服现有技术的定位装置及方法中的缺点的相邻井定位装置及方法。还期望提供具有钻进时测量(“MWD”)功能的相邻井定位装置及方法。
发明内容
[0006]以下是一个用于根据第二井筒定位包含导电构件的目标井筒的钻井工具的实施例。该钻井工具包括具有绝缘间隙的电流驱动器以及设置在电流驱动器之上或之下的至少一个磁强计。电流驱动器产生跨越间隙而到达绝缘间隙上、下的工具部分的电流。
[0007]在另一实施例中，用于根据第二井筒定位包含导电构件的目标井筒并相对目标井筒引导第二井筒的轨道的钻井工具包括：具有绝缘间隙的电流驱动器；至少一个磁强计，磁强计设置在电流驱动器之上或之下；设置在磁强计之下的钻头；连接在电流驱动器与磁强计之间的空心管；以及钻进时测量工具。电流驱动器产生跨越间隙而到达绝缘间隙上、下的工具部分的电流。
[0008]以下是一个根据第二井筒定位包含导电构件的目标井筒并相对于目标井筒引导第二井筒的轨道的方法的实施例。该方法包括以下步骤：提供包含具有绝缘间隙的电流驱动器的井底组件、设置在电流驱动器之上或之下的至少一个磁强计以及设置在磁强计之下的钻头；采用井底组件钻进与目标井筒间隔开的第二井筒；产生从电流驱动器流出的低频电流；测量井底组件处的目标磁场；以及根据目标磁场测量值确定第二井筒相对于目标井筒的位置。
[0009]以上对本发明的特征和技术优点进行了概述，以更好地理解下面对本发明的详细描述。下面对本发明的其它特点和优点进行详细说明，它们构成本发明权利要求的主题。
附图说明
[0010]结合附图参照以下对本发明的一个具体实施例的详细说明，将透彻理解本发明上述的及其它的特征和形态，附图包括：
[0011]图1是本发明的井筒定位系统的实施例的示意图；
[0012]图2是井筒定位工具的实施例的截面图，展示磁强计；
[0013]图3是数据采集序列的实施例的示意图；
[0014]图4是在磁强计上的井筒定位工具的截面图，说明具有不对称钻铤时的磁场；
[0015]图5A-5D是各种旋转位置上的磁强计以及相关联的平均磁场测量值的图解；
[0016]图6是目标套管和第二井筒的轨道的示意平面图；
[0017]图7是示意图，说明SAGD操作中第一井筒的钻进；以及
[0018]图8是示意图，说明相对于图7的第一井筒的第二井筒的钻进。
[0019]图9是示意图，说明一例在套管井上钻进SAGD井的情形，示出了电流的方向。
[0020]图10表示两个SAGD井的示例取向以及它们之间的角度。
[0021]图11以示例表示两个井的轴以及它们之间的径向矢量。
[0022]图12表示当第二井直接位于第一井之上时两个井的轴以及它们之间的径向矢量的一个实例。
[0023]图13是对于tanγ₀＝-0.4，0，+0.4作为θ函数的(tanγ₀cosθ-sinθ)的曲线图。
[0024]图14是对于第二井与第一井平行并且存在5m和10m的井间间隔时的实例的磁场分量的曲线图。还示出第一井不存在时的磁场分量。
[0025]图15是对于第二井以角度与第一井倾斜并且具有5m的井间间隔时的实例的磁场分量的曲线图。
具体实施方式
[0026]现在参照附图，在其中，所示部件不一定按比例示出，以及相同或相似的部件在若干视图中以相同的参考标号来表示。
[0027]本文所使用的术语“上和下”、“上部”和“下部”以及表明对于给定点或部件的相对位置的其它类似术语用来更明确地描述本发明的实施例的一些部件。这些术语通常涉及基准点，例如从其中开始钻进操作的表面作为顶点以及井的总深度作为最低点。
[0028]图1是井筒定位系统10的一个实施例的示意图，它包括配备用于在地层5中定位目标井筒14的井底组件(“BHA”)12，同时BHA 12用于在地层5中钻进第二井筒16，使得第二井筒16可根据需要定位并沿预期轨道引导。目标井筒14已配有目标套管18。
[0029]在图1所示的实例中，BHA 12包括在操作上相互联接的钻头20、可导向系统22、具有三轴磁强计26的磁强计工具24、以及具有绝缘间隙30的电流驱动器28。BHA 12优选地还包括设置在三轴磁强计工具24与电流驱动器28之间的至少一个钻铤27。BHA 12在钻管32上运转。要注意，BHA 12还可包括钻进时测井(LWD)工具、钻进时测量(MWD)工具、遥测工具以及用于钻进环境的其它潜孔工具。还要注意，磁强计工具可包括其它传感器，例如加速计。
[0030]例如，电流驱动器28可能是Schlumberger的E-Pulse或E-Pulse Express(附加参考专利)。为了简洁起见，电流驱动器28在本文中可称作E-Pulse 28，但是可采用其它电流驱动器，而没有背离要求其权益的本发明的范围。在所述实施例中，磁强计工具24包括钻进时测量(MWD)和遥测(泥浆脉冲或电磁)部件。要注意，在一些操作中，可采用不同的配置。例如，在一个实例中，电流驱动器可以是电磁遥测器。在另一个实例中，BHA 12可包括泥浆脉冲遥测器和电流驱动器。
[0031]图2是具有三轴磁强计26的磁强计工具24的一个实例的截面图。三轴磁强计26设置在钻铤34中，它可能由诸如常用于钻铤材料的不锈钢或铍铜之类的非磁性材料构成。钻铤34的壁厚通常为一英寸或以上。三轴磁强计26装入在钻铤34中居中的非磁性压力外壳36。通道38设置在压力外壳36与钻铤34的内壁之间用于钻泥浆。
[0032]参照图1和图2，电流驱动器28产生跨越绝缘间隙30的电流40a。例如，电流40a可具有大约1Hz与大约100Hz之间的频率，并且具有可达约17amps的幅值。电流40a沿BHA12流动并进行地层5，表示为电流40b。在油基泥浆(OBM)中，电流40a的大部分将通过钻头20离开并且通过稳定器(未示出)和接触井筒16壁的钻管32作为绝缘间隙30上的电流40d返回到BHA12。在水基泥浆(WBM)中，电流40a将沿其长度作为电流40b流出BHA12。在WBM中，电流40a在绝缘间隙30与钻头20之间以近似线性方式减少。当套管18在BHA12附近时，电流40b的一部分将集中于套管18，表示为电流40c，并在沿套管18传导之后返回到BHA12的上部，表示为电流40d。
[0033]与地层5相比，目标套管18提供极低的电阻通路，因为套管的导电率通常比地层导电率大六个数量级。例如，9-5/8英寸套管的电阻大致相当于具有直径500英尺的1ohm-m地层的柱面。当套管18接近组件12时，这种大的差别导致在套管上产生远大于地层中返回的电流。
[0034]套管18上的电流40c产生磁场B₁，它是以目标套管18为中心的方位磁场。磁场B₁的存在表明目标套管18位于附近，以及磁场B₁的强度和取向可用来估算从BHA12到目标套管18以及到井筒14的方向。
[0035]目标套管18上的电流40c会比BHA12上的电流40a弱，但是将具有与它相同的频率并且与它同相。电流40c表示为I’，以目标套管18为中心的方位磁场B₁由方程1近似表示：
[0036](方程1)
[0037]其中，μ₀＝4π·10^-7 Henry/m，r是从轴位置z处的目标套管18到BHA12的径向距离(m)，以及ψ是方位方向上的单位矢量。测量磁场B₁的操作提供关于目标套管18相对于BHA12的方向和距离的信息。
[0038]只要频率足够低，来自目标套管18的磁场B₁将穿透钻铤34和压力外壳36。具有导电率σ和磁导率μ’的金属的趋肤深度由方程2表示，其中的f为频率。
[0039]δ＝(πfμ′μ₀σ)^-1/2    (方程2)
[0040]例如，用于钻铤的非磁性钢(μ’＝1)通常具有导电率σ＝1.4·10⁶S/m。在10Hz上，趋肤深度为5.3英寸(0.13m)，因此磁场B₁对于10Hz及以下的频率能够以极少衰减到达磁强计26。
[0041]磁场B₁将与从目标套管18到观察点、即磁强计26的径向垂直。因此，通过分析磁场B₁，三轴磁强计26可用来确定指向或离开目标套管18的方向。只要到目标套管18的距离小于地层5中的趋肤深度，则磁场B₁将与源电流40a同相。这个条件易于得到满足，因为1ohm-m地层中的趋肤深度在10Hz时为5200英尺(1.6公里)。
[0042]在图1中，目标套管18设在第二井筒16和BHA 12的左侧，且电流40a在BHA 12中向下流动。这使磁场在三轴磁强计工具24上指向页面内。如果目标套管18设置在BHA 12的右侧，则磁场B₁指向页面外。因此，磁场B₁的方向可用来求出到目标套管18的方向。
[0043]图3表示数据采集序列的一个实施例。信号42代表一个电流，该电流在两个周期中停止循环、然后继续循环，其间电流反转极性的。信号42可用来通过定位工具12驱动电流40a。为了便于描述，图3假定BHA 12在数据采集期间是静止的，但是目标套管18可在钻进井筒16的同时相对于BHA 12设置及定位，因而例如随着BHA 12移动，它可能进行旋转。
[0044]信号42在图3中表示为时间0与时间T之间的第一时间间隔的时间间隔(0，T)之间具有幅值零。在时间间隔(T，2T)中，信号42为“接通”，其中具有幅值I(t)＝Io。时间间隔(T，2T)是时间T与2T之间的第二时间间隔。在作为时间2T与时间3T之间的第三时间间隔的时间间隔(2T，3T)中，信号42为“接通”，其中具有负幅值I(t)＝-Io。在这三个周期中磁强计所测量的相应磁场矢量在图3的上部表示。
[0045]对于作为时间0与时间T之间的间隔的第一时间间隔，磁强计26检测表示地球磁场的矢量B_e。由于磁强计26是三轴磁强计，因此矢量B_e包含与磁强计26所在的磁场的空间取向和幅值有关的信息。在时间T与时间2T之间的第二时间间隔中，磁强计26检测表示地球的磁场与磁场B₁之和的矢量。在第二时间间隔中所检测的矢量在图3中表示为矢量B₁，并由B_t＝B_e+B₁表示。在时间2T与时间3T之间的第三时间间隔中，磁强计26检测作为从反转电流40a的方向所产生的磁场的矢量B′_t。矢量B′_t由方程B′_t＝B_e-B₁。
[0046]利用在图3所示的三个时间间隔中由磁强计26所得到的数据，可计算来自目标套管18的磁场B₁。来自目标套管18的磁场B₁可通过计入地球磁场矢量B_e的作用以矢量B_t或矢量B′_t来获得。或者，磁场可由方程B₁＝(B_t-B′_t)来确定。注意，不需要让产生电流40a的源28对正极性和负极性产生完全相同的幅值，因为B₁的方向比它的幅值更为重要，并且它的方向不取决于电流的幅值，而是取决于定位工具12和目标套管18的相对位置。
[0047]在一个实例中，根据与磁强计26进行的测量有关的良好信噪比所需的时间，时间周期T可具有范围在10毫秒与10秒之间的时长。信号强度取决于若干因素，其中包括电流40a的幅值、目标套管18与BHA 12之间的距离、目标套管和BHA 12是否平行、地层5的电阻、泥浆的电阻以及油基泥浆中BHA 12与地层5之间的接触电阻。任何噪声取决于磁强计26及其电子元件的特性、积分时间以及可能源自与目标套管18或BHA 12关联的电子设备上的缺陷、源自地球磁场中的器具振动或者源自BHA 12上因电流40a引起的磁场的任何寄生信号。
[0048]设I(z)是磁强计26的位置上的轴向电流40a，其中的z是对间隙的轴向距离。该电流产生方位磁场Bo(z)，如图2所示。如果轴向电流表示为I(z)，钻铤34的内半径r＝a，钻铤34的外半径r＝b，则可执行有关磁场Bo(z)的计算。在r＝b时，轴向电流I(z)产生由表示的方位磁场，其中的为方位方向上的单位矢量。由于I(z)＞I’且d□b，因此|B₀|□|B₁|。重要的是，磁强计26对磁场B₀不敏感。
[0049]如果磁强计24的钻铤34和压力外壳36是圆柱对称的，则轴向电流I(z)也将是圆柱对称的。这个轴向电流将穿过钻铤的截面面积，以及圆柱对称电流密度可采用单位amps/m²来定义，其中，是z方向上的单位矢量。通过圆柱对称，表示J(r)不是方位角θ的函数。如果对于r＜a，J(r)＝0，则在钻铤内的任何位置，磁场对于r＜a也将为零。这由Maxwell的电磁学方程以及通过计算积分 ∫ B → · dl = μ 0 ∫ ∫ J - ( r ) · zdxdy ]]>来得出，其中，左侧的线积分对于半径r＜a的圆来计算，以及右侧的面积积分对于那个圆的截面面积来计算。如果在钻铤34内部的任何位置上J(r)≠0，则这个结果不为真。因此，重要的是，不允许电流40a在钻铤34中经过金属线、引线或其它通路。具体来说，在电流驱动器28的内部元件与磁强计工具24之间没有硬接线连接，例如在内部总线上。此外，最好在电流驱动器28与磁强计24之间存在钻铤27的至少一个空心截面。
[0050]如图4所示，如果钻铤34中存在少量不对称，则可能会有弱二次磁场、如寄生磁场B₂穿过磁强计26。可能影响磁强计26的局部磁场，可建模为圆柱对称磁场B₀加上作为θ和r的函数的更小的不对称寄生磁场B₂。寄生磁场B₂源自磁偶极子源，例如来自穿过钻铤34上的孔(H.A.Beth.Phys.Rev.66，p163，1944)。
[0051]如果寄生磁场B₂与磁场B₁相比不太大，则磁场B₂可采用以下过程来克服并从数据中消除。首先假定地球的磁场已经采用以上结合图3所述的交流方法来消除。在这个过程之后，如图5所示，残留磁场B_S是磁场B₁和寄生磁场B₂之和，由方程B_S＝B₁+B₂表示。
[0052]在图5A至5D中，底视图分别表示转到四个独立角度0°、90°、180°、270°的图4的三轴磁强计26(工具24)，这些称作工具面角或θ_TF。工具面角表示磁强计26的取向而不是表示不对称磁场B₂的源。工具面角相对于例如采用磁强计工具24中的加速计所确定的重力来测量。图5A至5D的上部视图表示在相应角上所产生的残留磁场B_S。注意，寄生磁场B₂的取向取决于钻铤34的取向，而磁场B₁在方向和幅值方面是恒定的。因此，如果残留磁场作为钻铤34的取向(或工具面)的函数来获得，则寄生磁场B₂可经由信号处理来消除。一个简单实例如图5A至5D所示，在其中，残留磁场B_S(0)、B_S(90)、B_S(180)和B_S(270)分别在四个角度0°、90°、180°和270°上来测量。这四个读数的平均值消除了寄生磁场B₂，以及磁场B₁由B₁＝{B_S(0)+B_S(90)+B_S(180)+B_S(270)+}/4表示。
[0053]不需要以图5A至5D所示的具体角度进行测量，以随机角度的几个测量是足够的，只要它们围绕工具面的360°分布。非常清楚，随机角度的寄生磁场形成以套管磁场为中心的圆。可采用简单的三角学方法并利用各示例B_S(θ_TF)的工具面的已知值来求出磁场B₁。
[0054]或者，如果钻铤34平滑旋转，则能够从磁强计26获取连续测量值。如果对于若干个钻铤34旋转对磁场读数求平均，则寄生磁场B₂将平均为零。只要钻进震动不太大，工具面可从加速计获得。因此，可能的过程是就若干旋转对于具有正极性的源电流的读数求平均，然后对于源电流的反极性的读数求平均。设这两个平均值为<B_t>和<B′_t>，则磁场B₁由B₁＝{<B_t>-<B′_t>}表示。最后一个方程中的差消除了地球磁场分量。
[0055]用第二井来阻断引出井筒的操作用于消除井喷以及用于钻进“U形井”。在井喷中，第一井在钻进期间遇到极高压力地层。如果钻进泥浆的重量太低，则地层压力超过钻孔压力，以及来自地层的液体以无控制方式进入井筒。地层液体使钻进泥浆喷出地层与钻杆柱之间的环面。由于地层液体的密度比泥浆低，所以表面的压力可能变得极高。这是严重情况，它可能危及人和环境，并且可能损坏钻机和油箱。如果标准钻进控制方法(例如“重量与等待”)不能在钻孔中重新建立比地层中更大的压力，则采取钻进减压井的极端措施。从偏移位置钻进第二井筒，并尝试在井喷地层之上的短距离阻断第一井。使用钢绳磁测距法，在其中，第二井中的钻进BHA定期被移去，以及钢绳工具在减压井的裸井中运转(参见美国专利4372398)。4372398的钢绳工具具有两个宽间隔的电流注入电极以及探测器，其中具有设置在它们之间的磁强计。注入的电流集中在第一井的钻杆柱上，以及所得磁场采用磁强计来测量，以确定第一井相对于第二井的相对方位角。通过获得减压井中的不同位置上的若干方位角，还能够确定到井喷的距离。最后，减压井能够阻断井喷，但是这可能需要大量行程，即钻杆柱被移去，以及钢绳磁测距工具到达裸井。每个行程可能需要一天或多天的装配时间，因此该过程可能极慢且昂贵。减压井具有极重的泥浆，它可通过重新建立大于地层压力的钻孔压力来“消除”井喷。
[0056]由于确定从井筒对目标套管的相对方位角和距离的过程是钢绳磁测距技术中已知的，因此参照图6对于BHA 12进行简要描述。图6提供了第二井筒16和目标套管18的轨道或路径的平面图。BHA 12(未示出)设置在井筒16中，以及到目标套管18的距离用三角学方法来确定。在钻进井筒16的同时，由目标套管18中的电流所引起的目标套管磁场采用BHA 12的磁强计26在各个位置上进行测量。从参照图1至图5对本发明的描述中清楚看到，BHA 12可用于钻进井筒16以及测量磁场B₁。利用套管磁场B₁的各种读数，以相对于目标套管18的各个角度可采用三角学方法简单地计算两个井之间的距离。
[0057]在本发明之前，需要把BHA拉出井筒，以及运行钢绳磁测距工具以定位目标套管。然后采用BHA返回井筒以继续钻进操作。本发明的系统10可帮助跟踪目标套管18相对井筒16的位置，而无需从井筒中移去BHA，从而显著减少时间、成本并提高钻进第二井筒的精度。
[0058]用于从第二井阻断第一井的第二应用是建立“U形”井。从不同位置钻进两个水平井，以及在地下进行“底到底”阻断(参见“第一U管井连接水平井”，Drilling Contractor，2005年9月-10月)。钻进U形井的一个目的是在水下铺设电缆或管道。另一个目的是提供从陆地到近海井的管道，在其中，海底的稳定性不能支持海底管道。另一个目的可能是通过热地表地层而不是通过暴露于冷水的海底管道来生产重油。低温管道增加重油的粘性，并且阻止其生产。为了钻进U形井，第一井被钻进并加套管。当第二井被钻进并接近第一井底部时，钢绳工具必须被插入第一井用于磁测距。这需要钻塔保持在第一井上，以便在水平井中部署钢绳工具。
[0059]现在参照图1至图5来描述操作井筒定位系统10的方法的一个实例。对于起动数据采集过程有若干可能的策略，本文描述一个这样的过程。第二井筒16的钻进缓慢进行(～50英尺/小时)，以及目标套管18相对于井筒16的距离和方向不会迅速改变。因此，可能不需要或者不希望连续测量对目标套管18的相对方位角。
[0060]一旦开始了数据采集序列，电流驱动器28就停止循环电流40a、继续循环电流40a并将电流40a以预定时间间隔T进行反转。在一个实例中，该方法如图3所示进行。类似地，MWD工具24可在检测到采集序列开始时起始测量序列。磁强计26最初读取地球磁场。当电流驱动器28对定位器工具12向下发送电流40a时，如果存在套管，则磁强计将检测到磁场的变化。当电流40a被反转时，磁强计将再次检测到磁场的变化。电流驱动器28与MWD工具24之间没有直接的通信和同步通路，MWD工具将推导断、通和反转电流的周期。这可通过把磁强读数据与已知定时序列相关来进行。例如，先前所述的序列对于第一时间间隔(0，T)是电流断开、对于第二时间间隔(T，2T)是电流接通，以及对于第三时间间隔(2T，3T)是电流反转。这可对于预定数量的周期重复进行。然后，MWD工具24计算电流分布与磁强读数据之间的相互关联，以获取磁场的三个值。采用不相等周期，例如在(0，2T)中电流断开，在(2T，3T)中电流接通，以及在(3T，4T)中电流反转，将明确地标记电流断开、接通和反转周期。由于电流驱动器28可编程为以已知相位(例如正)开始电流，因此，对于指向套管的方向的符号不会有不明确性。
[0061]一旦已经处理数据以获得地球磁场(B_e)和B_S(θ_TF)，其中θ_TF为工具面，则MWD工具24可向地面传送该信息。BHA则可经过旋转并在另一个工具面角停止，且该过程重复进行以在新的工具面角获取另一个读数B_S(θ’_TF)。如果没有检测到寄生磁场B₂，则可能不需要用多个工具面角进行测量。
[0062]本发明的井筒定位系统10与蒸汽辅助重力排泄(SAGD)生产操作特别有关。SAGD需要至少两个水平井彼此平行地钻进。一个井直接设置在另一个井之上，并且通常具有例如3至5米的恒定间隔。这些井可配有套管或割缝衬管。一旦完成钻井，蒸汽被注入上井，且碳氢化合物从下井产出。
[0063]现在参照图1至图8来描述对于SAGD操作钻进第一井14和第二井16的方法的一个实施例。参照图7，第一水平井筒14采用对于地质导向与界面、如重油页岩界面52平行的井筒所开发的已确定技术来钻进。表示为BHA 54的钻进组件通常包括钻头20、可导向系统22、LWD系统56(例如包含用于测量电阻系数、伽玛射线、声波工具和/或核工具)以及MWD系统58，以提供方向、倾斜和遥测，例如，LWD系统56可包括Schlumberger的PeriScope15或类似系统，它可测量离开BHA总共大约15英尺的地层电阻系数、BHA周围方位上的地层电阻系数，并且在地层为非均质时可确定垂直和水平电阻系数。LWD 56可测量钻头20上的电阻系数，并且提供钻孔壁的高分辨率图像，这可用来提供关于精密层理的信息。因此，LWD 56的电阻系数工具可提供井筒周围较大体积中的地层电阻系数的极详尽的图。井筒14配有套管18。
[0064]如图8所示，第二井筒16直接在第一井筒14之上(或之下)采用包括定位工具的BHA 12进行钻进。参照图1和图2来描述BHA 12，它还可包括LWD系统56。如前面所述，电流40导致围绕目标套管18的磁场B₁。磁场B₁可经过分析以确定目标套管18相对于工具12的方向和距离。对于SAGD操作，最好使第二井筒16与目标套管18保持基本恒定的距离S。因此，需要使井筒16波动的三角测量方法可能并不理想。因此，提供了用于确定和保持分隔距离S的备选方法。
[0065]现在提供算法的一个实例，以说明第二SAGD井如何根据磁场测量相对于第一井来定位。第一钻进井通常是下部生产井14(例如参见图7)。在第一井14加套管之后，又称作注入井的上部第二井16与第一井14并行地被钻进(图9)。如图9所示，第二井16采用BHA 22来钻进，它包括钻头20、可导向系统22、LWD工具56以及三轴磁强计58。
[0066]图10说明两个井的方位角以及两个井的相关角度。(x，y，z)坐标系与第二井关联，其中，是与钻孔轴对齐并指向“钻头”的单位矢量。单位矢量指向下(在重力的方向上)。方向可从用于钻进第二井的MWD工具中的加速计来确定。第一井与单位矢量对齐。两个井之间的角度为，以及到(x，y，0)平面的投影相对于x轴形成角θ。在一个实例中，第二井16直接处于第一井14之上。
[0067]设第二井的BHA 22中的绝缘间隙30位于z＝0且钻头位于z＝L，其中的L是绝缘间隙之下的BHA的长度。电流I(0)在第二井16中跨越绝缘间隙30而产生，并沿第二井16中的BHA 22流动，表示为I(z)。在导电水基泥浆(WBM)中，电流I(z)随着对绝缘间隙30的距离而近似线性地减小，并在钻头面处变为零，使得在绝缘间隙30与钻头20之间I(z)≈I(0)·(L-|z|)/L。在绝缘间隙30之上，电流也以线性方式减小，但进一步延伸到钻杆柱。在电气绝缘油基泥浆(OBM)中，电流I(z)在绝缘间隙30之下保持恒定，并且仅通过钻头20的表面进入地层。在OBM中，绝缘间隙之下的电流由I(z)≈I(0)表示。电流在间隙之上通过稳定器返回到BHA，并通过钻铤与地层接触。
[0068]在VBM或OBM的场合，离开第二井16中的BHA的电流的大部分流到第一井14，然后沿目标套管18返回。设目标套管18上的电流表示为I’。在OBM中，套管上的电流沿其长度比较恒定，并且由I’-I(0)表示。在WBM中，如果两个井的间隔与L相比很小，则电流沿套管按照I’-I(z)变化。跨越绝缘间隙30而产生的电流I(0)被测量并且实时传送到地面。根据第二井16是采用WBM还是采用OBM来钻进，电流I’的适当近似值用于下列分析。
[0069]第二井16中的3轴磁强计58位于(x，y，z)＝(0，0，z₀)，它测量由第一井14的目标套管18上返回的电流所产生的磁场分量。为了简化符号表示，以下未表示下标“1”，但是要理解，下列磁场表示由第一井14所产生的磁场，即为了简洁起见，地球磁场在下列分析中被忽略，且第二井16中的BHA 22不旋转。这些限制可被消除。例如，交流电将产生可与地球的静态磁场有区别的交变磁场。或者，源电流可被接通和断开以及在方向上反转，如前面所述。另外，如果第二井16中的BHA 22以已知频率旋转，则可把磁强计数据从旋转工具帧变换为静止地球帧。
[0070]磁场分量由MWD工具实时传送到地面。通过采用井#2的BHA中的磁强计来测量B的方向和幅值，并且通过估算井#1中的套管上的电流I’，能够确定两个井之间的距离及其相对位置和取向。
[0071]只要电流I’没有相对磁强计过多改变，则磁场由下式近似表示
B - ( z ) = μ 0 I ′ 2 π r 2 n ^ × ( - r &RightArrow; ) &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 1 ) ]]>
其中，μ₀＝4π·10^-7Henry/m。在这里，是从井#2的磁强计指向套管井#1的最近点的矢量。这个公式假定沿井#1的套管的比较恒定的电流。这个假设对于OBM是正确的，因为源电流I(z)沿BHA是恒定的，因而返回电流I’在磁强计附近的套管上将是恒定的。在WBM中，I(z)沿BHA变化，因而I’沿该套管不是恒定的。但是，如果两个井间隔距离r远小于L，则I’在磁强计附近不应当变化过大。因此，对于磁场以上的公式仍然有效。
[0072]WBM场合的磁场的另一个分析表达式可包括电流随距离的变化，即I’(z)≈-I(z)≈-I(0)·(L-|z|)/L。这个电流分布表示导电介质中的线性电偶极子天线的特性。磁场的分析式可见Jackson的“典型电动力学”(John Wiley & Sons.Inc.出版，1967年，271-273页)。分析可采用来自Jackson的书籍的表达式来执行，它遵循与这里给出的类似方法。但是，其基本概念由线电流的简单公式充分描述。要理解，本发明包括利用不同的公式，这里所提供的表达式只是用作一个实例。
[0073]或者，BHA 22和目标套管18上的电流以及所产生的磁场可采用三维数值代码来建模，它允许模型特别包括钻杆柱、套管、钻孔、钻孔液体以及各种地层属性，例如层理。在数值方法中，计算机模型用来模拟BHA上、地层中以及套管上的电流分布，以及计算所产生的磁场。比较磁场的建模结果与所测量结果的操作允许估算到套管井的距离和方向。稍后提供用于对SAGD井建模的这样一种数值代码的一个实例。
[0074]假定第一井在位置(x₀，y₀，z₀)上以 y 0 x 0 ≡ tan γ 0 ]]>穿过由z＝z₀所定义的x-y平面，如图11所示。目的是确定数量：x₀、y₀、θ和，它们定义第一套管井相对于第二井中的BHA的位置和方向。测量或已知数量为：I(0)、z₀和B(0，0，z₀)。数学分析对于因第一井的目标套管上的电流I’而引起的磁场分量产生下列方程，
Bx ( 0,0 , z 0 ) = μ 0 I ′ 2 π r 0 2 y 0 cos φ &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 2 ) ]]>
By ( 0,0 , z 0 ) = - μ 0 I ′ 2 π r 0 2 x 0 cos φ ]]>以及(3)
Bz ( 0,0 , z 0 ) = μ 0 I ′ 2 π r 0 2 ( x 0 sin θ - y 0 cos θ ) sin φ ]]>其中(4)
r 0 = x 0 2 + y 0 2 - β 0 2 ]]>以及β₀≡(-x₀cosθ+y₀sinθ)sinφ(5a，b)
[0075]对于正确钻进的SAGD井，|By(0，0，z₀)|远远大于|Bx(0，0，z₀)|或|Bz(0，0，z₀)|。第一井的相对位置和方向可采用以上方程从这些数量中推导。角度γ₀由Bx与By之比来确定，其中
Bx By = - tan γ 0 = - y 0 x 0 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 6 ) ]]>
从而消除一个未知量。如果Bx≠0，则γ₀≠0，第一井不是直接在第二井之下。一旦发现井的垂直间隔(x₀)，水平位移(y₀)就被确定。Bz与By之比得
Bz By = ( - x 0 sin θ + y 0 cos θ ) tan φ = x 0 ( tan γ 0 cos θ - sin θ ) tan φ &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 7 ) ]]>
如果Bz≠0，则有可能≠0，两个井不平行。最后，By和I’按照下式与井间间隔相关

[0076]方程5a和5b可用于从方程(8)中消除r₀²，得到

该三个方程(6)、(7)和(9)关系到四个未知量x₀、y₀、θ和。四个未知量中有三个方程，因此，对于具有任意角度和井位移的一般情况没有唯一的解。但是，至今仅使用来自沿z轴的一个单一位置的数据。在沿轴的两个位置上的测量提供充分数据以确定所有未知量。
[0077]对于接近平行的SAGD井，有效的是进行小角度近似，cos≈1，以及sin≈。正常的MWD方向和倾斜测量值对于将在与第二井相同的方向上钻进的第二井是充分精确的，在几度误差之内。例如，5°的相对误差对应于＝0.09。因此，对于cos≈1以及sin≈的近似值，方程(7)和(9)简化为：
Bz By &ap; x 0 ( tan γ 0 cos θ - sin θ ) φ &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 10 ) ]]>
x 0 2 + y 0 2 &ap; - μ 0 I ′ 2 πBy x 0 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 11 ) ]]>
方程(11)可改写以确定井的垂直间隔，
x 0 &ap; - μ 0 I ′ 2 π [ 1 + ( Bx By ) 2 ] By &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 12 ) ]]>
方程(6)提供y坐标
y 0 = μ 0 I ′ Bx 2 π [ 1 + ( Bx By ) 2 ] ( By ) 2 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 13 ) ]]>
因此，对于cos≈1，根据在一个磁强计位置(0，0，z₀)进行的测量，这些坐标(x₀，y₀，z₀)定义第一井的轴上的一点。
[0078]角度θ和可从第二点(0，0，z₁)上的磁强计测量来确定。两个读数可采用BHA中的两个不同磁强计来获得，或者通过在两个位置之间移动单个磁强计来获得。重复以上过程产生第一井在(x₁，y₁，z₁)上的第二坐标，其中x₁和y₁从方程(12)和(13)中获得，B(0，0，z₁)用来代替B(0，0，z₀)。两个所得坐标(x₀，y₀，z₀)和(x₁，y₁，z₁)定义井#1的轴；因此θ和经由下式确定
tan θ = y 1 - y 0 x 1 - x 0 : ]]>以及(14)
tan φ = ( x 1 - x 0 ) 2 + ( y 1 - y 0 ) 2 ( z 1 - z 0 ) 2 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 15 ) ]]>
因此，得到描述第二井相对于第一井的位置和方向的所有所要的量。
[0079]还能够从单一点上的测量值推出关于井#2的一些方向信息。参照方程(10)，两个角度θ和经由下式相关
δ ≡ ( tan γ 0 cos θ - sin θ ) φ &ap; - 2 πBz μ 0 I ′ [ 1 + ( Bx By ) 2 ] &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 16 ) ]]>
右侧包含被测值。如果Bz＝0，则δ＝0，它表示
φ＝0，
或者(17)
tanθ＝tanγ₀θ＝γ₀+nπ
                            (18’)
第一条件(16)表明两个井完全平行，它是SAGD井的理想条件。第二条件(17)表示方向矢量位于和(x₀，y₀，z₀)所定义的平面中。如果井不平行，但它们必须都位于相同平面中，则可满足方程(18)。在这种情况中，它们可能相互发散或相互收敛。
[0080]如果Bz≠0，则δ≠0，以及下列条件必须为真：
φ≠0
以及(19)
tanγ₀cosθ-sinθ≠0
                        (20)
方程(19)表明两个井不平行，方程(20)表明方向矢量没有位于轴和(x₀，y₀，z₀)所定义的平面中。因此，δ的非零值可用作误差指示，这可用于反馈回路以控制钻进第二井的方向。
[0081]为了进行说明，假定γ₀＝0，使得第二井在点(x₀，0，z₀)完全在第一井之上，如图12所示。方程(16)简化为
δ＝-φsinθ
                (21)
注意，沿方向排列的的分量为

因此，量δ是两个井相对于方向的不重合的直接测量值。漂移到左或右的趋势将通过监测δ来检测，并且随后进行校正。但是，δ不能表明向上还是向下漂移。
[0082]在tanγ₀≠0时的一般情况中，量δ仍然可用作反馈校正。，它对应于与轴和点(x₀，y₀，z₀)所定义的平面垂直的的部分。
例如，假定tanγ₀＝0.4，对应于γ₀＝0.381或21.8°。参照作为(tanγ₀cosθ-sinθ)的图13，零相交在21.8°出现，使得把δ驱动到零将使两个井达到轴和(x₀，y₀，z₀)所定义的平面。
[0083]可在井底设置自动反馈和控制系统，以引导第二井。假定两个井最初具有适当的井间间隔(r＝d)、并行轨道(＝0)，以及第二井在第一井之上(γ₀＝0)，使得误差信号δ为零。如果δ偏离零，则这表示从左到右的趋势。第二井的方向可被改变，以使δ回到零，从而校正从左到右的漂移。由于这对应于只是将Bz驱动到零，所以不需要任何附加的井底信息。第二井的BHA中的井底处理器能够监测Bz，并控制方向以把两个井保持在同一个平面中。
[0084]但是仍然存在两个井可能相互漂移或相互远离的可能性。正确的间隔可通过监测By的幅值来获得。根据方程(12)，
x 0 &ap; - μ 0 I ′ 2 πBy &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 23 ) ]]>
对于I’为恒定，By的变化可解释为间隔的变化。By对其预期值的差异可用作误差信号。第二井的BHA中的处理器能够监测By和Bz，并且自动控制两个井的间隔。
[0085]前面的分析意在说明原理而不是限制本发明。电流和磁场的简化假设对于该方法不是主要的。例如，一种备选方法是使用全三维建模代码来预测作为井间隔、相对的井取向、BHA和套管的细节以及可变地层特性的函数的电流和磁场。市场有售的电磁建模代码、如Comsol Multiphsics可用来计算电流和磁场。其过程为：1)对各种实际条件(例如井间隔、井取向、地层电阻系数、钻孔直径、泥浆电阻系数、BHA直径和长度、套管直径等)建模，2)把建模结果与实时测量值进行比较，3)确定相对取向和井间间隔，以及4)校正钻进井的轨道。
[0086]例如，6.75英寸(0.172米)直径的BHA的三维数值计算如图14和图15所示。绝缘间隙之下的BHA的长度为40英尺(12.2米)，以及绝缘间隙的长度为28英寸(0.71米)。第一井中的套管的直径为12英寸(0.305米)。地层电阻系数为10ohm-m，并假定了WBM。产生的跨越间隔的所电流I(0)为1amp。
[0087]在图14中，对于第二井与第一井平行(＝0)并且完全在其之上(y₀＝0)时的情况来计算磁场分量。存在已建模的两个井间间隔，16.4英尺(5米)和32.8英尺(10米)。没有套管的情况也被建模。磁场作为沿BHA的z₀的函数来计算。各数据点对应于BHA中的磁强计的可能位置。在没有套管时，磁场的三个分量如预计那样为零，因为电流通过地层对称地返回。在第一井中存在套管时，如方程2和4所预测的，Bx(0，0，z)＝Bz(0，0，z)＝0。磁场的唯一分量为By(0，0，z)，其幅值取决于并间间隔。在5米间隔上的信号近似为10米间隔上的信号的两倍。方程3提供由数值模型所产生的磁场的粗略近似
By ( 0,0 , z 0 ) &ap; - μ 0 I ( 0 ) ( L - | z | ) 2 πL x 0 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 24 ) ]]>
电流随离开绝缘间隙而减小，井间间隔x₀可从幅值中推出。
[0088]在图15中，第二井被加套管，并且不与第一井平行，但倾斜不同角度。第二井在(x，y，z)＝(x₀，0，0)与z＝0的平面相交，即它与x轴相交。第二井与y-z平面平行，其中θ＝π/2。井分隔16.4英尺(5米)。用三维数值模型计算的磁场的三个分量也遵循由方程2、3和4预测的形状。注意，当y和z改变时，x₀为常数。具体来说，y＝z tan，使得y为相关变量，以及z对于的给定值为独立变量。磁场分量的近似方程变为：
Bx ( 0,0 , z ) &ap; - μ 0 I ( 0 ) ( L - | z | ) 2 πL r 2 y cos φ = - μ 0 I ( 0 ) ( L - | z | ) 2 πL ( x 0 2 + z 2 sin 2 φ ) z sin φ . &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 25 ) ]]>
By ( 0,0 , z ) &ap; - μ 0 I ( 0 ) ( L - | z | ) 2 πL r 2 x 0 cos φ = - μ 0 I ( 0 ) ( L - | z | ) 2 πL ( x 0 2 + z 2 sin 2 φ ) x 0 cos φ ]]>以及(26)
Bz ( 0,0 , z ) &ap; - μ 0 I ( 0 ) ( L - | z | ) 2 πL r 2 x 0 sin φ = - μ 0 I ( 0 ) ( L - | z | ) 2 πL ( x 0 2 + z 2 sin 2 φ ) x 0 sin φ &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 27 ) ]]>
Bx(0，0，z)的幅值近似换算为cos，并且对于z＝0是反对称的。反对称由z改变符号所产生，而幅值最初随z增长，直到L-|z|项占首要地位。By(0，0，z)的幅值还近似换算为cos，但如预计那样对于z＝0是对称的。它在z＝0附近达到峰值，但是在电流减小时随距离而下降。Bz(0，0，z)的幅值近似换算为sin，并且如以上公式所预测的那样关于z＝0对称。
[0089]因此，上述三维数值模型产生一般符合这里推导的更为简单的分析模型的结果。该三维数值模型可用于创建由磁场分量对各种条件(正常间隔、正常取向、套管尺寸、BHA长度和直径、地层电阻系数等)组成的数据库。数据库则可用于创建把各种参数与磁场相关的方程。例如，这类方程的形式可能与方程25、26和27相似。所测量的磁场然后可用来反演以求得理想参数，特别是两个井的井间间隔和相对取向。例如来自LWD工具的地层电阻系数的独立测量还可用来细化该等参数。
[0090]从本发明的具体实施例的以上详细说明中清楚地看到，公开了新颖的用于在第二井筒的钻进期间从第二井筒定位目标井筒的设备、系统及方法。虽然本文略微详细地公开了本发明的具体实施例，但这只是为了描述本发明的各种特征和方面的目的，而不是要对于本发明的范围进行限制。我们考虑，可对所公开的实施例进行包括但不限于本文可能已经建议的那些实现变化的各种替换、变更和/或修改，而没有背离随后所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围。