CN107109896A - 用于在磁扰动环境中的垂直井眼造斜的主动磁方位角工具面 - Google Patents
用于在磁扰动环境中的垂直井眼造斜的主动磁方位角工具面 Download PDFInfo
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Abstract
人造工具面参考***包括向接地引线和参考引线提供电流的电源。接地点耦接到接地引线并且与大地电连接。参考井眼包括与大地电连接的参考导体。参考导体与参考引线电连接。位于参考井眼外部的引导传感器包括至少一个磁力计。电源可以用于提供通过参考导体、大地和接地点的电流，使得沿参考导体产生参考磁场。引导传感器可以利用磁力计测量参考磁场。可以由此计算人造磁工具面。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是要求2014年10月17日提交的美国临时申请号62/065,363的优先权的非临时申请，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及井孔定位***，并且具体地，涉及使用磁场来确定地下井眼的位置。
背景技术
井眼布置和勘测的知识对于地下油气沉积物的开发是有用的。定向井孔钻探通常依赖于一个或多个定向装置，例如弯接头和旋转导向***，以引导井眼的路线。定向装置的参考方向和外部参考方向之间的角度被称为工具面角度，并且该角度确定井眼的偏离方向。通过比较井孔的位置与期望路径并选择工具面角度和其它钻探参数来推进井孔并且将其朝向规划路径校正，来进行定向钻探。因此，工具面的测量可能是井孔导向和放置的要素。
当确定工具面时，可以基于井眼的几何形状和位置来选择用于工具面的外部参考方向。在偏斜的井眼中(偏离垂直的倾斜超过5-8°)，通常的参考是由于重力的加速度的方向。这可以例如在随钻测量(MWD)期间通过与钻柱一起旋转的加速度计来测量。在垂直井或接近垂直的井中，重力方向可以与钻柱轴对准或基本对准，并且可能不能提供有用的参考方向。可以使用几种替代方案来代替垂直或接近垂直的井中的加速度计。传统上，可以使用磁工具面，其应用了MWD中使用的板上磁力计，以使用地球的磁场作为参考方向。然而，磁工具面可能在足够高的磁纬度或者在来自附近井眼、地面设施或其它效应的磁干扰改变局部磁场的地方失效。用于参考的另一个替代方案是从寻北井下陀螺仪获得的真北，或者由非寻北陀螺仪利用的参考。陀螺仪可能遭受成本和可靠性问题。
发明内容
本公开提供了一种人造工具面参考***。人造工具面参考***可以包括向接地引线和参考引线提供电流的电源。人造工具面参考***可以进一步包括接地点，接地点耦接到接地引线并且与大地电连接。人造工具面参考***可以进一步包括参考井眼，参考井眼包括与大地电连接的参考导体，参考导体与参考引线电连接。人造工具面参考***可以进一步包括引导传感器，该引导传感器定位在参考井眼外部并包括至少一个磁力计。
本公开还提供了一种方法。该方法可以包括在接地点和参考导体之间耦接电源。接地点可以定位成与参考导体相距一定距离并且与大地电连通。参考导体可以位于参考井眼中并与大地电连通。该方法可以进一步包括用电源提供通过参考导体、大地和接地点的电流，使得沿参考导体产生参考磁场。该方法可以进一步包括用位于参考井眼外部的磁力计测量参考磁场。
附图说明
当与附图一起阅读时，从以下详细描述可以最好地理解本公开。要强调的是，根据工业中的标准实践，各种特征没有按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚，各种特征的尺寸可以任意地增加或减小。
图1描绘了与本公开的至少一个实施例一致的人造工具面参考***。
图2描绘了与本公开的至少一个实施例一致的人造工具面参考***。
图3描绘了图2的人造工具面参考***的示意图。
具体实施方式
应当理解，以下公开提供了用于实现各种实施例的不同特征的许多不同的实施例或示例。下面描述了部件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅是示例并且不是限制性的。另外，本公开可以在各个示例中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且本身不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
图1描绘了人造工具面参考***100的实施例。人造工具面参考***100可以包括电源101。电源101可以是能够提供如本文所述的电流的任何装置，并且可以构成如本领域理解的电流源或电压源。电源101可以在接地引线103和参考引线105之间电连接。接地引线103可以与接地点107电连接。参考引线105可以与位于参考井眼10中的参考导体109电连接。参考导体109可以是位于参考井眼10内的任何导体。参考导体109可以是与参考井眼10轴向对准的任何导体或导体的组合。参考导体109可以是(例如但不限于)管道或套管的段(length)或柱。在一些实施例中，参考导体109可以是位于井眼中的钻杆或其它钻柱段，包括井下落物(fish)或其它井下工具。在一些实施例中，参考引线105可以在大地15的表面处或其附近在参考导体109的上端110处电耦接到参考导体109。在一些实施例中，参考导体109可以是位于参考井眼10中的电线或电缆，该电线或电缆用于与一个井下设备通信或向该井下设备供电的。例如，在一些实施例中，参考导体109可以是位于参考井眼10中的井下泵(未示出)的电线。如本领域所理解的，一个或多个附加电线可以包括在井下泵的电线中，其可如本文所述地使用。虽然参考引线105被描绘为在大地15的表面处耦接到参考导体109，但是在一些实施例中，参考引线105可以位于参考导体109内，以在参考井眼10内沿着参考导体109的长度与参考导体109进行电接触。例如，在一些实施例中，单个电线(未示出)可以延伸穿过参考导体109，并且可以在参考导体109上远离大地15的表面的点处与之进行电接触。在一些实施例中，电线可以通过重力在(例如但不限于)参考导体109的方向上偏离地接触参考导体109。在一些实施例中，电线可以耦接到扶正器或具有一个或多个导电延伸部(例如弓形弹簧)的其它装置以接触参考导体109。在一些实施例中，电线可以通过参考导体109内的导电流体电耦接到参考导体109。
接地点107可以与周围的大地15电连接。接地点107可以包括(例如但不限于)被驱动到在地15中的一个或多个接地桩。在一些实施例中，接地点107可以是现有的套管或井。在一些实施例中，接地点107可以位于距参考井眼10一定距离处。在一些实施例中，接地点107可以是任何其它电接地，包括(但不限于)涵洞、门或其它结构。
在一些实施例中，参考导体109可以是导电的，使得电流i从电源101通过参考引线105进到参考导体109中。因为参考导体109是导电的，所以电流流过参考导体109。然后电流i可以经过大地15到达接地点107，以通过接地引线103返回到电源101。在一些实施例中，接地点107可以定位在距离参考井眼10足够的距离处，使得电流i根据安培定律(但不被理论所约束)以基本上各向同性的方式离开参考导体109。
随着电流i流过参考导体109，因此根据法拉第定律(但不被理论所约束)，产生参考磁场B。参考磁场B沿着参考导体109的长度延伸并且在与电流i的流向正交的平面中。因为电流i基本上各向同性地从参考导体109延伸到大地15中，所以参考导体109和接地点107之间的电流可以不产生磁场，如本领域所理解的那样。
图1还描绘了被引导的井眼20。被引导的井眼20可以包括被引导的钻柱121。被引导的钻柱121可以包括引导传感器123。被引导的钻柱121还可以包括用于形成被引导的井眼20的一个或多个井下工具，包括(例如但不限于)钻头125、BHA 127。在一些实施例中，引导传感器123可以包括在BHA 127中，如图1所示。在一些实施例中，可以包括引导传感器123作为MWD***的一部分。在一些实施例中，被引导的钻柱121可以包括具有参考方向的一个或多个井下工具，包括(例如但不限于)旋转导向***、弯接头或其它工具。在某些实施例中，确定在被引导的井眼20内的参考方向的径向取向。井下工具的参考方向的取向可以被称为被引导的钻柱121的工具面。例如，如果包括弯接头作为被引导的钻柱121的一部分，则弯曲的方向可以对应于参考方向，并且参考方向与磁场之间的角度限定被引导的钻柱121的工具面。
在一些实施例中，引导传感器123可以包括适于检测参考磁场B的一个或多个磁力计。在一些实施例中，引导传感器123可以包括磁力计阵列，其可以确定通过其中的磁场的大小和取向。在一些实施例中，磁力计阵列可以是双轴磁力计阵列，其被对准以使得磁力计阵列的轴相互正交并且与被引导的井眼20的纵向轴正交。在一些实施例中，可以使用三轴磁力计阵列。在一些实施例中，可以与引导传感器123一起包括一个或多个其它传感器(例如加速度计)，以便进行附加测量。通过确定参考磁场B与引导传感器123相交的方向及其大小，可以确定从引导传感器123到参考井眼10的距离和朝向。通过知道引导传感器123相对于被引导的钻柱121的工具面的取向以及参考井眼10和被引导的井眼20的位置，可以利用参考磁场B的测量来计算被引导的钻柱121的工具面的方向。
为了本公开的目的，将建立xyz坐标系，其中z轴平行于被引导的钻柱121在引导传感器123处的中心轴。x和y轴被定义为相互正交并与z轴正交。在一些实施例中，引导传感器123可以包括与用于双轴磁力计的x轴和y轴对准的或者用于三轴磁力计的所有三个轴对准的磁力计。
如本领域所理解的，参考磁场B的幅度和方向可以在远离其源的点处计算为：
其中是自参考井眼10的朝向和距离，并且是参考井眼10中的电流i的电流和方向。
引导传感器123可以在被引导的井眼121内获取磁场读数，这里表示为Bpos。因为引导传感器123可以暴露于其它磁场，例如(例如但不限于)地球的磁场和任何附近的套管井眼或其它磁异常，电源101可以反转流过参考导体109的电流i，使参考磁场B反转极性。引导传感器123可以获取参考磁场B的另一个读数，本文中表示为Bneg。虽然指定为“正”和“负”，但是受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，可以用参考导体109在正极性或负极性时获得第一个读数，只要两个读数是在参考导体109的极性相反时获得的。因为对于两个读数，存在除了B之外的任何磁场，通过找到Bpos和Bneg之间的差，可以根据下式来分离出参考磁场B的磁场值：
ΔB＝Bpos-Bneg
在一些实施例中，电源101可以替代地提供周期性或非周期***流电流，而不是利用正和负的直流电流。在一些实施例中，引导传感器123可以获取具有正或负极性的参考磁场B的读数，并且在电源101不向参考导体109提供电流的情况下获得磁场的读数。在这样的实施例中，检测到的自然磁场可以类似地被从参考磁场B中减去，以分离出参考磁场B的磁场值。
前述的操作可以用于引导传感器123中的每个磁力计。在x轴与被引导的钻柱121的工具面对准的情况下，工具面和参考井眼10之间的角度可以通过下式来确定：
因为参考磁场B与参考井眼10和被引导的井眼20之间的矢量正交定向。
计算的工具面可以参考(例如但不限于)目标位置、真北或磁北，或者对于重力高侧，工具面可以通过将期望的参考方向投影到垂直于工具轴的平面中来计算，如下所示：
其中是世界坐标中的被引导的钻柱121的轴：
其中θ和分别是被引导的钻柱121的倾斜角和方位角。
工具面和重力工具面之间的偏移量由下式给出：
γq＝(-q⊥y/q⊥x)
并且由此可以计算任何工具面参考之间的连接。例如，在参考井眼10和被引导的井眼20垂直的情况下，被引导的井眼被置于距真北/xi/的朝向，对北方参考方位角工具面的校正由下式给出：
在一些实施例中，到参考井眼10的距离和朝向可以通过标准方法计算。该朝向可以用作被引导的钻柱121的工具面，其限定人造工具面或人造磁工具面。然而，如本领域所理解的，参考磁场B的单次测量不能同时确定方向和工具面。在一些实施例中，梯度磁场测量可以解决这种模糊性，如同水平面中的相对位移。
在一些实施例中，可以通过在参考磁场B的模型中包括参考井眼10的更详细的几何形状、接地引线103的勘测的几何形状和大地15的电阻率来改进方向确定。可以通过在所有电源上以差分形式积分Biot-Savart定律来计算引导传感器123的位置。
在一些实施例中，可以选择接地点107的位置，使得其自参考井眼10位于被引导的井眼20的相反方向上。通过使用这种布置，在接地引线103中产生的任何磁场可以平行于参考磁场B。可以修改上述距离测量以考虑来自其的任何附加磁场。在一些实施例中，在接地引线103中产生的任何磁场的影响可以通过知道接地点107的位置在如本文所述的磁模型中考虑。
在一些实施例中，如图2所示，人造工具面参考***200可以包括两个接地引线203a、203b，两个接地引线203a、203b通过电流平衡单元204耦接到电源201。电源201可以供给参考导体209，如上文参考图1所述。在其它实施例中，可以使用单独的电源201为接地引线203a和203b中的每一个供电。接地引线203a、203b可以均耦接到对应的接地点207a、207b。在一些实施例中，接地点207a、207b可以围绕参考井眼10定位，使得它们从其基本上相反的方向延伸。在一些实施例中，可以通过知道接地点207a、207b的位置，在如上文所述的磁模型中考虑在接地引线203a、203b中产生的任何磁场的影响。
如图3所示，电流平衡单元204可以包括可变电阻器205a、205b和其它控制电路，所述控制电路适于确保当从大地15返回时相等的电流通过每个接地引线203a、203b。以这种方式，每个接地引线203a、203b承载由电源201提供到参考导体209的电流i的一半(i/2)，。通过对准接地引线203a、203b，由此感生的任何磁场将彼此抵消，如图2所示，由此减小或防止对参考磁场B的干扰。在一些实施例中，接地引线203a、203b可以布置为与参考井眼10和被被引导的井眼20(未示出)之间的方向基本上正交。
在一些实施例中，电源101可以向接地引线103和参考引线105提供AC波形。在一些实施例中，电源101可以向接地引线103和参考引线105提供切换的DC电流。在一些实施例中，多个具有人造工具面参考***100的参考井10可以围绕被引导的井眼20定位。在一些这样的实施例中，每个人造工具面参考***100可以顺序地或同时地致动。
当比较Bpos和Bneg或在电源101关闭时确定的磁场时，在测量之间的被导引的钻柱121的旋转可能导致计算的工具面中的误差。在一些实施例中，一个或多个加速度计可用于确定重力工具面以确定被引导的钻柱121是否已旋转。然而，当在基本上垂直的井中时，导出的重力工具面数据的加速度计可能经受显著误差，例如由于被引导的井眼20的低倾斜角引起的量化误差。人造磁工具面不能用于此目的，因为在电源101提供正电流、负电流或不提供电流时，对于确定的磁工具面，参考磁场B导致不同的值。
在一些实施例中，例如如果重力工具面指示在测量之间已经发生旋转，则可以在电源101提供正电流、负电流或不提供电流(这里分别称为正射(positive shot)、负射和中性射)的情况下进行第二组测量，以匹配第一组测量。基于第二次正射的确定的磁工具面可以与从第一次正射确定的磁工具面比较，基于第二次负射的确定的磁工具面与从第一次负射确定的磁工具面比较，并且基于中性射的确定的磁工具面与从第一次中性射确定的磁工具面比较。通过确定其间的差异，可以确定在测量之间是否发生被引导的钻柱121的任何旋转。受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，尽管关于加速度计和重力工具面进行了讨论，但是可以使用其它传感器来识别工具的运动(包括(例如但不限于)一个或多个陀螺仪)以确定陀螺仪工具面。
前面概述了几个实施例的特征，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本公开的方面。这样的特征可以由许多等同替代方案中的任何一个替代，本文中仅公开了其中的一些。本领域普通技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为用于设计或修改用于实现本文所介绍的实施例的相同目的和/或实现相同优点的其它过程和结构的基础。本领域的普通技术人员还应当认识到，这样的等同结构不脱离本公开的精神和范围，并且它们可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变、替换和更改。
Claims (25)
1.一种人造工具面参考***，所述***包括：
电源，所述电源向接地引线和参考引线提供电流；
接地点，所述接地点耦接到所述接地引线并与大地电连接；
参考井眼，所述参考井眼包括与大地电连接的参考导体，所述参考导体与所述参考引线电连接；和
引导传感器，所述引导传感器位于所述参考井眼外部，所述引导传感器包括至少一个磁力计。
2.根据权利要求1所述的人造工具面参考***，其中，所述电源提供通过所述参考引线、所述参考导体、大地、所述接地点和所述接地引线的电流。
3.根据权利要求1所述的人造工具面参考***，其中，所述引导传感器包括在位于被引导的井眼内的被引导的钻柱中，所述被引导的钻柱包括具有参考方向的工具，所述参考方向和所述参考井眼之间的角度定义了工具面。
4.根据权利要求3所述的人造工具面参考***，其中，所述引导传感器包括磁力计阵列，并且所述参考方向与所述磁力计的轴之间的偏移是已知的。
5.根据权利要求1所述的人造工具面参考***，其中，所述电源提供AC源或切换的DC源中的一个或多个。
6.根据权利要求1所述的人造工具面参考***，进一步包括耦接到第二接地点的第二接地引线。
7.根据权利要求6所述的人造工具面参考***，其中，所述第一接地引线和第二接地引线通过电流平衡单元耦接到所述电源。
8.根据权利要求6所述的人造工具面参考***，进一步包括第二电源，所述第二电源电耦接在所述参考导体和所述第二接地引线之间。
9.根据权利要求6所述的人造工具面参考***，其中，所述第一接地引线和第二接地引线以相反方向从所述参考井眼延伸。
10.根据权利要求1所述的人造工具面参考***，其中，在所述大地的表面处或在其附近，所述参考引线在所述参考导体的上端处耦接到所述参考导体。
11.根据权利要求1所述的人造工具面参考***，其中，所述参考引线耦接到电线，所述电线延伸到所述参考井眼中并且与所述参考导体电接触。
12.根据权利要求1所述的人造工具面参考***，其中，所述参考导体选自导电套管、管道、钻杆、钻柱段、井下落物或其它井下工具中的一个或多个。
13.根据权利要求1所述的人造工具面参考***，其中，所述参考导体包括延伸到所述参考井眼中的一个或多个电线或电缆。
14.一种方法，所述方法包括：
在接地点和参考导体之间耦接电源，所述接地点定位在远离所述参考导体的距离处并与大地电连通，所述参考导***于参考井眼中并与大地电连接；
利用所述电源提供通过所述参考导体、大地和所述接地点的电流，使得沿所述参考导体产生参考磁场；和
利用位于所述参考井眼外部的磁力计测量所述参考磁场。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过包括至少一个磁力计的引导传感器来执行所述参考磁场的测量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述引导传感器被包括作为位于被引导的井眼中的被引导的钻柱的一部分。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，能够按下式计算远离参考磁场源的点处的参考磁场的大小和方向：
<mrow>
<mover>
<mi>B</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mover>
<mi>I</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>&times;</mo>
<mover>
<mi>r</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中是自所述参考井眼的朝向和距离，并且是所述参考井眼中的电流i的电流和方向。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
反转所述电源的极性，使得沿着所述参考导体产生负参考磁场；
用所述磁力计测量所述负参考磁场；和
从所述负参考磁场中减去所述测量的参考磁场，使得所述参考磁场与任何其它磁场分离。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
停用所述电源；
利用所述磁力计测量任何其它磁场；和
从所述测量的参考磁场减去测量的其它磁场，使得参考磁场与所述其它磁场分离。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述磁力计是对应于x轴、y轴和z轴的三轴磁力计，其中，所述z轴与所述被引导的井眼对准，并且所述x轴和y轴相互正交且与所述z轴正交。
21.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
利用所述电源提供通过所述参考导体、大地和所述接地点的第二电流，使得沿着所述参考导体产生第二参考磁场，所述第二电流基本上与所述第一电流相同；
利用所述磁力计测量所述第二参考磁场；
比较测量的第一参考磁场和测量的第二参考磁场；和
确定所述被引导的工具柱在所述第一次测量和所述第二次测量之间是否发生任何运动。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述被引导的钻柱进一步包括定向工具，所述定向工具的方向限定工具面。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述工具面相对于所述引导传感器的取向是已知的。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述工具面和所述参考井眼之间的所述角度由下式给出：
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括通过下式使计算的工具面参考期望的参考方向：
<mrow>
<mover>
<msub>
<mi>q</mi>
<mo>&perp;</mo>
</msub>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mover>
<mi>q</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>-</mo>
<mover>
<mi>q</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mover>
<mi>z</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mover>
<mi>z</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
</mrow>
2
其中是期望的参考方向，是在世界坐标中的所述被引导的钻柱的轴：
<mrow>
<mover>
<mi>z</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "[" close = "]">
<mtable>
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<mi>s</mi>
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<mi>c</mi>
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</mrow>
</mrow>
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<mi>s</mi>
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<mrow>
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</mrow>
<mi>s</mi>
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<mi>n</mi>
<mrow>
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</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>cos</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&theta;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中θ和分别是所述被引导的钻柱的倾斜角和方位角。
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