CN116075627A - 通过井口装置电流注入进行主动磁测距 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于在一对导电管件(207,214)之间进行主动电磁测距的井筒测距方法和***。该方法包括在一对导电管件中的一个导电管件上生成深度相关的电流并在另一个导电管件上生成返回电流，并由此通过在第一井口装置(203)处电激励一对导电管件中的第一导电管件且在第二井口装置(202)处电激励一对导电管件中的第二导电管件而使注入电流流入地层中，其中一个导电管件上的返回电流由另一个导电管件上的注入电流产生并从地层接收；进行电磁测量指示由地层中深度相关的电流产生的至少一个电磁场；以及使用电磁测量来估计第一导电管件相对于第二导电管件的相对位置。

Description

通过井口装置电流注入进行主动磁测距
背景技术
本公开整体涉及主动电磁井筒测距。更具体地，本公开涉及用于确定预先存在的井筒的相对位置(例如，预先存在的井筒距第二钻孔中的工具的方向和/或距离)以及基于该确定控制钻井操作或其他井下操作的装置和方法。
为了获得碳氢化合物诸如石油和天然气，通过旋转钻头钻出井筒(也被称为钻孔)，该钻头附接在通常被称为“底部钻具组合(BHA)”或“钻井组件”的钻井组件的远端处。目前钻井活动中的很大一部分涉及大斜度钻井和基本水平的井筒，以增加产量(例如，碳氢化合物产量)和/或从地层中提取附加液体。应当指出的是，术语“井筒”和“钻孔”在本文件中可互换使用。
钻杆、生产套管和许多井下工具通常由导电管件制成。例如，通常期望定位这些类型的导电管件中的一个导电管件在井下的位置，诸如例如通过相对于其他导电管件或工具定位位置。例如，通常在地层中以与现有井的预先确定的关系来钻出多个井筒。更具体地，有时，期望钻出多个紧密间隔的水平井筒，以用于从储层回收碳氢化合物，例如通过以高精度(10％或更小的公差)钻出保持在选定距离(通常5米至10米)处的平行井。这可与减压井钻井(另一测距应用)进行对比，其中期望定位目标井并转向钻头使之越来越靠近目标井上的交叉点。电磁测距可用于确定导电管件的相对位置。
电磁测距方法通常分为两类。第一类，称为被动测距技术，使用现有磁场。在一些情况下，这种类型可利用由地球磁场或附近目标井的其他剩余磁场在预先存在的井的套管中感应到的相对强的磁性。被动测距具有许多众所周知的缺点。
第二类，称为主动测距，在需要时，针对每个测量创建磁场，以用于与目标井筒相关联的每个测量。例如，AC磁场源和磁传感器可放置在不同的井中。源可为放置在生产井筒中的螺线管或注入生产井筒套管中的电流。由套管中的电流产生的磁场可在与生产井筒间隔开的钻井中测量。本公开涉及第二类井筒测距。
发明内容
在各方面中，本公开涉及用于主动电磁井筒测距的方法、***和设备。更具体地，本公开涉及用于确定预先存在的井筒的相对位置(例如，预先存在的井筒距另一钻孔中的工具的方向和/或距离)以及基于该确定控制钻井操作或其他井下操作的装置和方法。
各方面包括井筒测距方法，该井筒测距方法用于在一对导电管件之间进行主动电磁测距，该一对导电管件包括：i)在第一钻孔中与地层相交且电连接至第一井口装置的第一导电管件，和ii)在第二钻孔中位于地层中且电连接至第二井口装置的第二导电管件。第一导电管件可为生产套管，并且第二导电管件可为钻井组件的一部分。
方法可包括在一对导电管件中的一个导电管件上生成深度相关的电流，并且在一对导电管件中的另一个导电管件上生成返回电流，并由此通过以下步骤使注入电流从一个导电管件流入地层中：在第一井口装置处电激励第一导电管件；以及在第二井口装置处电激励第二导电管件。在另一个导电管件上的返回电流由来自一个导电管件的注入电流产生并且从地层接收。
方法可包括使用第二钻孔中的至少一个传感器在第二钻孔中的钻孔深度处进行电磁测量。电磁测量可指示由地层中的深度相关的电流产生的至少一个电磁场。方法可包括使用电磁测量来估计第一导电管件相对于第二导电管件的相对位置。
方法可包括以下中至少一者：i)通过在第一井口装置处施加正电压来电激励第一导电管件，同时通过在第二井口装置处施加负电压来电激励第二导电管件；以及ii)通过在第二井口装置处施加正电压来电激励第二导电管件，同时通过在第一井口装置处施加负电压来电激励第一导电管件。
方法可包括以下中至少一者：i)在第一井口装置处利用电源电激励第一导电管件，同时在第二井口装置处接地第二导电管件；以及i)在第二井口装置处利用电源电激励第二导电管件，同时在第一井口装置处接地第一导电管件。
方法可包括在第一井口装置和第二井口装置处利用AC电源电激励第一导电管件和第二导电管件。
电磁测量可包括至少一个磁场测量，并且其中使用在钻孔深度处的电场测量和在钻孔深度处的电流的估计值来估计相对位置。电磁测量可包括至少一个磁场测量和至少一个电场测量。
方法可包括联合反转至少一个磁场测量和至少一个电场测量。联合反转至少一个磁场测量和至少一个电场测量可包括执行约束反转。例如，可采用估计的空间电阻率分布(例如，空间电阻率函数等)作为约束。估计相对位置可包括使用钻孔深度处的电场测量和钻孔深度处的电流的估计值来估计相对位置。方法可包括使用电场测量和磁场测量的比率来估计钻孔深度处的电流值。方法可包括通过使用以下项来估计电流的至少一个值来获得钻孔深度处的电流的估计值：i)电场测量和磁场测量的比率；以及ii)深度相关的空间电阻率值。方法可包括通过执行电流作为深度函数的前向模型来估计电流的至少一个值来获得在钻孔深度处的电流的估计值。方法可包括通过确定包括电流作为深度函数的微分方程的数值解来估计钻孔深度处的电流值。
第一导电管件可包括生产套管，并且第二导电管件可为钻井组件的一部分。第二导电管件可包括生产套管，并且第一导电管件可为钻井组件的一部分。生成深度相关的电流可包括利用在第二钻孔中的钻孔深度处生成电流与进行电磁测量之间的时间同步。时间同步可使用高精度时钟来执行。时间同步可经由锁相环(PLL)解调来控制进行电磁测量。时间同步可被配置为在注入电流和返回电流中的至少一者已经停止流动时测量地球磁场。这可包括其中时间同步被配置为在注入电流和返回电流两者已经停止流动时测量地球磁场。时间同步可用来测量地球磁场，而在第一井和第二井之间没有任何电流流动。
***实施方案可包括井筒测距***，该井筒测距***用于在一对导电管件之间进行主动电磁测距，该一对导电管件包括：i)在第一钻孔中与地层相交且电连接至第一井口装置的第一导电管件，和ii)在第二钻孔中位于地层中且电连接至第二井口装置的第二导电管件。
***可包括电激励单元，该电激励单元耦接到第一井口装置和第二井口装置，并且被配置为：在一对导电管件中的一个导电管件上生成深度相关的电流并且在一对导电管件中的另一个导电管件上生成返回电流，并由此通过以下步骤使注入电流从一个导电管件流入地层中：在第一井口装置处电激励第一导电管件；以及在第二井口装置处电激励第二导电管件，使得在另一个导电管件上的返回电流由来自一个导电管件的注入电流产生并且从地层接收。
***可包括底部钻具组合(BHA)，该底部钻具组合被构造成输送到钻孔中；设置在BHA上的至少一个传感器，该至少一个传感器被配置为使用第二钻孔中的至少一个传感器在第二钻孔中的钻孔深度处进行电磁测量，该电磁测量指示由地层中的深度相关的电流产生的至少一个电磁场；和至少一个处理器，该至少一个处理器被配置为使用电磁测量来估计第一导电管件相对于第二导电管件的相对位置。
估计相对位置可包括使用钻孔深度处的电场测量和钻孔深度处的电流的估计值来估计相对位置。方法可包括使用电场测量和磁场测量的比率来估计钻孔深度处的电流值。方法可包括使用以下项来估计钻孔深度处的电流值：i)电场测量和磁场测量的比率；以及ii)深度相关的空间电阻率值。方法可包括通过确定包括电流作为深度函数的微分方程的数值解来估计钻孔深度处的电流值。
方法可包括将关于所估计的相对位置的信息传输到地面位置。信息可通过泥浆脉冲遥测、电磁遥测、声学遥测、有线钻杆通信中的一者传输到地面位置，该有线钻杆包括直接电传输、电感耦合、电容耦合或光传输。方法可包括响应于接收到的关于相对位置和/或BHA取向的信息，向钻井BHA发送至少一个命令。方法可包括响应于接收到的关于BHA取向的信息，在地面处或者另选地在井下通过自动过程改变定向钻井工具内部的至少一个钻井参数，该参数选自包括至少以下项的组：钻井方向、高边、转向矢量、转向肋力、钻头上重量、钻井流体流速和钻柱转速。方法还可包括以下项中的至少一者：i)改变工具和/或载体在钻孔内的钻孔深度；改变工具和/或载体上的加速度，包括使工具和/或载体减速或停止。在钻井***中的BHA的情况下，改变钻孔深度可包括延伸钻孔。
其他实施方案可包括能够由至少一个处理器访问的非暂态计算机可读介质产品，该计算机可读介质包括指令，该指令使至少一个处理器能够使用从磁场的非轴向分量估计的磁场的轴向分量来估计BHA的近钻头方位。计算机可读介质产品可包括以下项中的至少一者：(i)ROM、(ii)EPROM、(iii)EEPROM、(iv)闪存存储器以及(v)光盘。
附图说明
为了详细地理解本公开，应结合附图参考以下对具体实施方案的详细描述，在附图中，相似的元件被赋予相似的数字，其中：
图1是适用于根据本公开的实施方案的钻井***的示意图；
图2示出了根据本公开的实施方案的井筒测距***；
图3示出了根据本公开的实施方案的具有第一钻孔和第二钻孔的地层模型，其中电流在第一钻孔中的第一导电管件上生成；
图4A和图4B示出了曲线图，这些曲线图例示了磁场和电场的模拟绝对值相对于钻孔深度z的值；
图4C示出了曲线图，该曲线图例示了在磁场的模拟绝对值与毕奥-萨伐尔近似值之间相对于钻孔深度z的差值；
图4D示出了相对于钻孔深度的比率E(z)/H(z)；
图5示出了流程图，该流程图例示了根据本发明的实施方案的主动电磁测距方法。
具体实施方式
在针对碳氢化合物生产的钻井过程中，通常需要以与现有井的预先确定的关系来钻出第二井。需要准确钻井的一种情况是在二次回收操作中。由于各种原因，诸如低地层压力或储层中碳氢化合物的高粘度，在自然条件下生产碳氢化合物可能是非经济而低率的。在这种情况下，第二钻孔可被钻成基本上平行于预先存在的钻孔。然后，可将流体从第二钻孔注入地层中，使得注入的流体朝向生产钻孔驱动地层中的碳氢化合物，可在生产钻孔中回收碳氢化合物。
例如，在蒸汽辅助重力泄油(SAGD)***中，注入井用于将蒸汽注入地层中以加热地层内的油来降低油的粘度，以便通过生产井生产液体资源(例如，油和水的混合物)。注入井通常水平地和平行于生产井运行。来自注入井的蒸汽加热地层中的稠油，从而提供降低油粘度的热量，有效地使储层中的油移动。在蒸汽冷凝之后，液体与油乳化，并且经加热的油和液体水混合物向下排放到生产井中。潜水泵可用于将油和水混合物从生产井中移出。水和油到达地面，将水从油中分离，并且可将水通过注入井作为蒸汽重新注入地层中，以用于连续过程。例如，参见授予Stolboushkin的美国专利申请公开号2019/0178069。
电磁井筒测距通常用于使第二钻孔中的钻头转向，使得所得到的第二钻孔与先前存在的钻孔具有有益关系。例如，在二次回收的情况下，可能高度期望第二钻孔可基本上平行于先前存在的钻孔延伸。
常规的磁性测距过程通常涉及施加与被检测到的预先存在的套管在空间上相关联的强磁场，以及使用在第二井筒中的钻柱上使用仪器获得并且由磁场产生的测量值来确定第二井筒的相对位置。这个场可使用永磁体或电磁***经由预先存在的套管内的工具生成。另选地，第二井筒内的工具可感应地激励靠近测量点的预先存在的套管，或者可经由地面处的一个或多个载流环从地面感应地激励预先存在的套管。这些环可包括一个或多个电极，该一个或多个电极对称地放置在包含套管的钻孔的任一侧上的地面处。在其他示例中，将电流注入生产井套管中以生成场，其中扩散回流电极放置在远离井口装置的地面上。参见，例如，授予Kuckes的美国专利号4,372,398，特此全文以引用的方式并入本文。
本公开的各方面包括井筒测距方法，该井筒测距方法用于在以下项之间进行主动电磁测距：i)在第一钻孔中与地层相交且电连接至第一井口装置的第一导电管件，和ii)在第二钻孔中位于地层中且电连接至第二井口装置的第二导电管件。方法可包括在第一导电管件上生成深度相关的电流以及在第二导电管件上生成返回电流，并由此使注入电流从第一导电管件流入地层中。注入电流可在远离井口装置的第一导电管件的长度上从第一导电管件流入地层中。注入电流是由以下步骤引起的：在第一井口装置处电激励第一导电管件；以及在第二井口装置处电激励第二导电管件。第二导电管件上的返回电流在第二井口装置处接受。第二导电管件上的返回电流由注入电流产生并且从地层接收。
地层中的磁场和电场取决于预先存在的管件的位置。方法还包括使用第二钻孔中的至少一个传感器在第二钻孔中的钻孔深度处进行电磁测量，以及使用电磁测量估计第一导电管件相对于第二管件的相对位置。电磁测量指示由地层中的深度相关的电流产生的至少一个电磁场。并且因此，利用管件上的电流来测量磁场和/或电场以获得测量值，并且这些测量值用于根据下面进一步详细描述的技术利用电磁测量来估计预先存在的管件相对于该位置的相对位置。
电流注入的激励频率可被配置为在地层中生成足够强度的磁场，以便以高SNR比率远离管件进行准确地测量。通过在井口装置处使用具有10安培值的低频(例如，小于20赫兹)电流注入，可在距导电管件高达5米至10米的距离处产生40纳特斯拉或更大的磁场。针对该尺寸的场的测量信号可显著地大于与地层中的环境EM噪声(例如，大约2纳特斯拉)相关联的信号。
在本公开的各方面中，到第一(例如，预先存在的)导电管件的距离和方向可从与经激励的第一(预先存在的)导电管件相关联的电场或磁场的测量值以及在可能影响这些场的一个或多个对应的钻孔深度处的电流的估计值来估计。钻孔深度相关的电阻率分布可用于计算感应磁场(或电场)。深度相关的电流可从深度相关的空间电阻率值ρ(z)以及电场强度与磁场强度的比率来估计。深度相关的空间电阻率值ρ(z)可从深度相关的空间电阻率分布或其他估计值来计算。深度相关的空间电阻率值ρ(z)可通过反转EM测量值来确定，该EM测量值可在钻出预先存在的井筒时获得。可使用如上所述获得的E和H测量值来计算比率。
磁场和电场取决于电流和距导电管件的径向距离两者。
H(z)＝I(z)/2πr (1)
E(z)＝[ρ(z)/2πr][dI(z)/dz]。 (2)
然而，深度相关的比率E(z)/H(z)不取决于到预先存在的井的距离r。相反，这个比率取决于地层模型和电流泄漏：
E(z)/H(z)＝[ρ(z)/I(z)][dI(z)/dz]。 (3)
给定深度相关的比率和深度相关的电阻率ρ(z)，方程(3)可视为针对电流I(z)的微分方程，并且数值地求解以获得深度相关的电流I(z)。然后，距离r可使用I(z)用方程(1)来计算并测量H(z)。
根据本公开的技术的一个优点在于，这些技术允许井筒通道独立测距。“井筒通道独立测距”是指允许从第二井测距而不需要在预先存在的井中部署工具的测距技术。以这种方式，通过在钻出第二个井的同时完成并测试预先存在的井来继续对其进行工作是可能的。
图1是根据本公开的一个实施方案的包括钻柱的示例性钻井***100的示意图，该钻柱具有附接到其底端的钻井组件，该钻井组件包括转向单元。图1示出了钻柱120，该钻柱包括在钻孔126中输送的钻井组件或底部钻具组合(BHA)190。钻井***100包括常规井架111，该常规井架竖立在平台或底板112上，该平台或底板支撑旋转台114，该旋转台由原动机(诸如电动马达(未示出))以期望的旋转速度旋转。具有附接在其底端处的钻井组件190的油管(诸如接合钻杆122)从地面延伸到钻孔126的底部151。附接到钻井组件190的钻头150在其旋转以钻出钻孔126时分解地质地层。钻柱120经由方钻杆接头121、旋转接头128和通过滑轮的管线129联接到绞车130。操作绞车130以控制钻压(“WOB”)。钻柱120可通过顶驱(未示出)而不是通过原动机和旋转台114旋转。另选地，可使用连续油管作为油管122。油管喷射器114a可用于输送具有附接到其底端的钻井组件的连续油管。绞车130和油管喷射器114a的操作在本领域中是已知的，因此在本文不再详细描述。
来自其源132(诸如泥浆池)的合适的钻井流体131(也称为“泥浆”)在压力下由泥浆泵134循环通过钻柱120。钻井流体131经由波动消除器136和流体管线138从泥浆泵134流入钻柱120中。来自钻管的钻井流体131a在钻孔底部151处通过钻头150中的开口排出。返回的钻井流体131b向井上循环通过钻柱120与钻孔126之间的环形空间127，并且通过回流管线135和钻屑筛网185返回到泥浆池132，该钻屑筛网从返回的钻孔流体131b去除钻屑186。管线138中的传感器S1提供关于流体流速的信息。与钻柱120相关联的地面扭矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱120的扭矩和旋转速度的信息。油管喷射速度由传感器S5确定，而传感器S6提供钻柱120的大钩载荷。
在一些应用中，仅通过旋转钻杆122来旋转钻头150。然而，在许多其他应用中，设置在钻井组件190中的井下马达155(泥浆马达)也使钻头150旋转。给定BHA的机械钻速(ROP)很大程度上取决于WOB或者钻头150上的推力及该钻头的旋转速度。
地面控制单元或控制器140经由布置在流体管线138中的传感器143从井下传感器和设备接收信号以及从传感器S1至S6和***100中所使用的其他传感器接收信号，并根据提供给地面控制单元140的经编程的指令来处理此类信号。地面控制单元140在显示器/监视器141上显示由操作人员用来控制钻井操作的期望的钻井参数和其他信息。地面控制单元140可为基于计算机的单元，其可包括处理器142(诸如微处理器)、存储设备144(诸如固态存储器、磁带或硬盘)和存储设备144中的一个或多个计算机程序146，该一个或多个计算机程序可由处理器142访问以用于执行包含在此类程序中的指令。地面控制单元140可进一步与远程控制单元148通信。地面控制单元140可处理与钻井操作相关的数据、来自地面上传感器和设备的数据、从井下接收到的数据，并且可控制井下和地面设备的一个或多个操作。数据可以模拟或数字形式传输。
BHA 190还可包含确定电阻率、密度、孔隙度、渗透率、声学特性、核磁共振性质、地层压力、井下流体的性质或特性以及围绕BHA 190的地层195的其他期望性质的地层评估传感器或设备(也称为随钻测量(“MWD”)或随钻测井(“LWD”)传感器)。此类传感器在本领域中通常是已知的，并且为了方便起见，在本文中通常由数字165表示。BHA 190可进一步包括多种其他传感器和设备159，以用于确定BHA 190的一个或多个性质(诸如振动、弯矩、加速度、振荡、涡流、粘滑等)和钻井操作参数(诸如钻压、流体流速、压力、温度、机械钻速、方位、工具面、钻头旋转等)。为了方便起见，所有此类传感器由数字159表示。
BHA 190可包括用于使钻头150沿着期望的钻井路径转向的转向装置或工具158。在一个方面，该转向装置可包括转向单元160，该转向单元具有多个施力构件161a-161n。施力构件可直接安装在钻柱上，或者它们可至少部分地集成到钻井马达中。在另一方面，施力构件可安装在套筒上，该套筒可围绕钻柱的中心轴线旋转。施力构件可使用机电式致动器、电动液压式致动器或静压式致动器来激活。在另一个实施方案中，该转向装置可包括转向单元158，该转向单元具有弯接头以及第一转向设备158a和第二转向设备158b，该第一转向设备用于在井筒中对弯接头取向，该第二转向设备用于沿着所选择的钻井方向保持弯接头。转向单元158、160可包括近钻头测斜仪和磁力仪。
钻井***100可包括传感器、电路以及处理软件和算法，以用于提供关于与BHA、钻柱、钻头和井下装备(诸如钻井马达、转向单元、推进器等)相关的期望动态钻井参数的信息。许多当前的钻井***，尤其是用于大斜度钻井和水平井筒的钻井***，利用连续油管在井下输送钻井组件。在此类应用中，可在钻柱190中部署推进器来在钻头上提供期望的力。
示例性传感器包括但不限于钻头传感器、RPM传感器、钻压传感器、用于测量泥浆马达参数(例如，泥浆马达定子温度、泥浆马达两端的压差和通过泥浆马达的流体流速)的传感器以及用于测量加速度、振动、涡流、径向位移、粘滑、扭矩、冲击、振动、应变、应力、弯矩、钻头跳动、轴向推力、摩擦、向后旋转、BHA屈曲和径向推力的传感器。沿着钻柱分布的传感器可测量物理量，诸如钻柱加速度和应力、钻柱孔中的内部压力、环中的外部压力、振动、温度、钻柱内部的电场强度和磁场强度、钻柱的孔等。用于进行动态井下测量的合适的***包括COPILOT，一种由贝克休斯公司(BAKER HUGHES INCORPORATED)制造的井下测量***。
钻井***100可以在合适的位置(诸如BHA 190上)处包括一个或多个井下处理器193。处理器可以为微处理器，该微处理器使用在合适的非暂态计算机可读介质上实现的计算机程序，该计算机程序使得处理器能够执行控制和处理。非暂态计算机可读介质可包括一个或多个ROM、EPROM、EAROM、EEPROM、闪存存储器、RAM、硬盘驱动器和/或光盘。其他装备诸如电力总线和数据总线、电源等对于本领域的技术人员而言将显而易见。在一个实施方案中，MWD***在进行钻井操作时利用泥浆脉冲遥测来将数据从井下位置传送到地面。地面处理器142可以处理地面测量数据以及从井下处理器传输的数据，以评估地层和改变钻井参数。虽然钻柱120被示出为用于传感器165的输送装置，但应当理解，本公开的实施方案可与经由刚性输送***(例如，接合管件或连续油管)以及非刚性输送***(例如，钢丝线、钢丝绳、e管线等)输送的工具结合使用。钻井***100可包括用于在钻柱或钢丝线上实现本公开的实施方案的底部钻具组合和/或传感器和装备。图1中所示出的***的新颖性点在于，地面处理器142和/或井下处理器193被配置为执行不在现有技术中的某些方法(下文所论述)。
图2示出了根据本公开的实施方案的井筒测距***。井筒测距***200包括目标钻孔205(在本文中也称为“预先存在的钻孔”)和基本上平行于参考钻孔205钻出的第二钻孔204。钻孔204和钻孔205分别终止于井口装置202和井口装置203的表面处。目标钻孔205在其中包括套管207，该套管可包括一个或多个套管管件207a、…、207n，这些套管管件彼此端对端联接。套管207由工业上常用的钢制成，并因此是预先存在的导电管件。
第二钻孔204包含钻柱214，该钻柱具有钻具220，该钻具包括一个或多个传感器224，诸如磁力计224a、EM传感器224b和测量仪器224c。钻柱214也是导电管件。EM传感器224b可包括环形线圈仪器。可使用感应电压(例如，如环形线圈上的)来估计电场。与时变电场相关联的时变磁场在环形线圈中感应电压。在环形中心(并且垂直于其平面)的电场可与该电压线性相关。例如，参见授予Lee和Lee·K·H的“使用环形天线进行高频电场测量(High-Frequency Electric Field Measurement Using a Toroidal Antenna)”(1997)的美国专利号6,373,253，该专利的全部内容以引用的方式并入本文。磁力计224a可实现为3轴磁力计，或者实现为沿着钻柱214的坐标系的正交方向对齐的各种单轴磁力计。磁力计的工作原理可为磁通门、AMR磁力计、GMR磁力计、霍尔磁力计、搜索线圈或旋转线圈磁力计。示例性坐标系包括轴线X、Y和Z，其中Z方向沿着邻近钻头218的钻柱214的纵向轴线，并且X和Y方向在横向于钻柱214纵向轴线的平面中。电阻率仪器224b(例如，多电阻率工具等)同样被配置为测量电场。
地面电激励单元201与井口装置202和井口装置203电耦接。地面电激励单元201被配置为向井口装置203注入电流。电流可为具有频率低于20赫兹的AC电流。在AC波形的正半周期期间，电流可沿着安装在目标钻孔205(例如，注入井)中的金属套管207和第二钻孔204(例如，生产井)中的钻柱214流动到井口装置202处的负电压电回路。通过驱动井口装置处的电流，将电流幅度增加到10安培或更大是可能的。
当在井中流动时，电流的至少一部分感应由磁力计224a检测到的磁场(B)221和由EM传感器检测到的电场(E)223。可使用卡尔曼滤波来组合磁场测量和电场测量，如下面更详细描述的。磁力计测量值受磁场影响并代表磁场，并且还取决于磁力计224a距套管207的方向和距离。类似地，EM传感器测量值受电场影响并代表电场，并且还取决于EM传感器距套管207的方向和距离。使用至少一个前向模型，可反转磁测量值以估计从磁力计224a到套管207的距离和方向。使用至少一个前向模型，可反转电测量值以估计从EM传感器224b到套管207的距离和方向。本发明的各方面包括用于此估计的新颖技术，如下文所描述。本公开的实施方案包括磁场测量和电场测量的联合反转。
来自地面电激励单元201的频率和电流可以从井下控制。控制变量可包括地层、套管柱、钻柱和钻井泥浆柱的估计电阻抗值。控制电路可利用阻抗阻带和频率阻带来实现，该阻抗阻带用于钻柱中的AC电流，该频率阻带减少地面附近的可能提供短路的电流泄漏。此外，来自地面的AC注入可通过使用至少两个高精度时钟(例如，原子钟)(一个在地面，一个在井下***中)来与井下传感器测量值同步，以便实现同步解调。同步可包括注入AC的频率/相位同步以及在地面注入电流的时间与没有注入电流的时间段之间的占空比的同步。例如，参见授予Montgomery的美国专利号8,378,839或授予Bell等人的美国专利申请公开号20130057411，这两个专利的全部内容以引用的方式并入本文。
至少一个处理器(例如，地面处理器142、井下处理器193等)可被配置为接收表示磁力计测量值的信息，以使用所测量的磁场来确定磁力计212相对于套管207的相对位置和/或取向。在各个方面中，所确定的位置和/或取向可随后用于以与参考钻孔200的选定关系(诸如平行于参考钻孔200)来钻井202。还参见授予Johnson等人的美国专利号5,868,210和授予Estes等人的欧洲专利1426552，这两个专利的全部内容以引用的方式并入本文。
使用前向模型，地层被建模为传导空间，并且可针对E场和H场以及在该空间内的多个任意点处的泄漏电流来计算值。可针对特定深度建模泄漏电流(以及所得场)。商业软件包诸如CST或COMSOL可用于建模电流的影响。另选地，该模型可从麦克斯韦方程中数值导出。该模型可采用适当的空间电阻率分布，该空间电阻率分布可被先验地确定、从类似的地层估计，等等。
在根据本公开的实施方案的一个联合反转模型中，估计在邻近井中测量的磁场，而不结合在邻近地层中流动的电流的影响(例如，不考虑周围地层的地质介质)。相反，通过仅考虑沿管道行进的电流I(z)来建模磁场。
图3示出了根据本公开的实施方案的具有第一钻孔和第二钻孔的地层模型，其中电流在第一钻孔中的第一导电管件上生成。在模型300中，地层321包括各种地质介质层301至305，这些层具有各种电阻率分布ρ(z)1…ρ(z)n。在第一钻孔331中的第一导电管件上生成的电流导致能够从第二钻孔332中的各种钻孔深度测得的磁场(H)310和电场(E)320，其中测量结果与钻孔深度相关。
图4A和图4B示出了曲线图，这些曲线图例示了磁场(B，以纳特斯拉为单位)和电场(E，以伏特/米为单位)的模拟绝对值相对于钻孔深度z的值。在钢套管上建模模拟，该钢套管的外径为7.625英寸；厚度为0.25英寸；电阻率为1.68 10-7Ohm-m；以及在5米的径向距离处的磁导率为100。
磁场的毕奥-萨伐尔近似值可计算为：
B(z)est＝200I(z)/r。
其中B以纳特斯拉为单位表示，I是以安培为单位的电流，z是以米为单位的钻孔深度，并且r是以米为单位的到管件的距离。
图4C示出了曲线图，该曲线图例示了在磁场(B，以纳特斯拉为单位)的模拟绝对值(图4A)与毕奥-萨伐尔近似值之间相对于钻孔深度z的差值。准确度给定为
δB(z)＝|B-Best|/|B|。
从图中容易地看出，对于1500米的钻孔深度，毕奥-萨伐尔近似值的准确度为0.1％或更好。
图4D示出了相对于钻孔深度的比率E(z)/H(z)。如上所述，到第一导电管件的距离和方向可从与经激励的第一导电管件相关联的电场或磁场的测量值以及在可能影响这些场的一个或多个对应的钻孔深度处的电流的估计值来估计。钻孔深度相关的电阻率分布可用于计算感应磁场(或电场)。深度相关的电流可从深度相关的空间电阻率值ρ(z)以及电场强度与磁场强度的比率来估计。深度相关的空间电阻率值ρ(z)可从深度相关的空间电阻率分布或其他估计值来计算。深度相关的空间电阻率值ρ(z)可通过反转EM测量值来确定，该EM测量值可在钻出预先存在的井筒时获得。可使用如上所述获得的E和H测量值来计算比率。
磁场和电场取决于电流和距导电管件的径向距离两者。如所指出的，深度相关的比率E(z)/H(z)不取决于到预先存在的井的距离r。相反，这个比率取决于地层模型和电流泄漏。
给定深度相关的比率和深度相关的电阻率ρ(z)，方程(3)可视为针对电流I(z)的微分方程，并且诸如例如通过使用有限元法(FEM)数值地求解以获得深度相关的电流I(z)。然后，距离r可使用I(z)用方程(1)来计算并测量H(z)。
使钻孔中的电磁测量与对井的电流注入同步，以便消除地球磁场的影响。地面注入与井下***之间的同步可以通过两个精确的时钟(例如，原子钟)来实现。注入AC的频率和相位的同步可以用于对井下仪器中的磁场和电场的测量进行锁相环(PLL)解调。例如，参见W·Li和J·Meiners的《对锁相环***建模的介绍》。模拟和混合信号产品(2000年5月)，和授予Cloutier等人的美国专利号8,810,290以及授予H·J·J·M·De R·DeBellescize的美国专利号1,990,428，以引用的方式并入本文。同步的另一有利方面涉及对注入AC的频率的控制。利用预定义的方案，地面***可以改变频率，并且由于同步，井下***可以对改变解调器频率作出反应。同步的另一方面涉及将AC电流注入地面时的时间与电流未注入地面时的时间进行同步。当电流注入时，井下***可以执行如本发明所述的测距测量。在没有电流注入的中断期间，井下***可以确定背景磁场并且可以执行钻孔勘测，该钻孔勘测是确定地质层中井的位置所需要的。
图5示出了流程图，该流程图例示了根据本发明的实施方案的主动电磁测距方法。在可选步骤510中，在第一钻孔中进行电阻率测量。这些测量值可在转向和钻出第一钻孔的同时获得，或者在之后获得。步骤520包括获得深度相关的电阻率值，例如r0(z)。这些值可从步骤510中的测量获得。另选地，可从第一钻孔附近的类似钻孔导出测量值或电阻率值的估计值。
可选步骤530包括在第一导电管件上生成深度相关的电流以及在第二导电管件上生成返回电流，并由此使注入电流从第一导电管件流入地层中。这可通过在第一井口装置处电激励第一导电管件来实现；以及在第二井口装置处电激励第二导电管件。步骤530可包括通过在第一井口装置处施加正电压来电激励第一导电管件，同时通过在第二井口装置处施加负电压来电激励第二导电管件。步骤530可包括在第一井口装置处利用电源来电激励第一导电管件，同时在第二井口装置处接地第二导电管件。第一导电管件或第二导电管件可包括油管柱、下井仪器串或钻柱。激励可形成包括激励单元的电路；油管柱；下井仪器串；和在下井仪器串的端部与油管柱的远离地面的端部之间的一部分地层。
可选步骤540包括使用第二钻孔中的至少一个传感器在第二钻孔中的钻孔深度处进行电磁测量。电磁测量指示由地层中的深度相关的电流产生的至少一个电磁场。步骤540可包括对来自BHA的磁场和/或电场进行一个或多个测量。
步骤550包括使用电磁测量来估计第一导电管件相对于第二导电管件的相对位置。步骤550可包括使用钻孔深度处的电场测量和/或磁场测量以及钻孔深度处的电流的估计值来估计相对位置。步骤550可包括联合反转至少一个磁场测量和至少一个电场测量。步骤550可包括使用钻孔深度处的电场测量和钻孔深度处的电流的估计值来估计相对位置。步骤550可包括使用电场测量和磁场测量的比率来估计钻孔深度处的电流值。步骤550可包括使用以下项来估计钻孔深度处的电流值：i)电场测量和磁场测量的比率；以及ii)深度相关的空间电阻率值。这可通过确定包括电流作为深度函数的微分方程的数值解来估计钻孔深度处的电流值而执行。任选步骤560包括取决于相对位置在井中进行操作。
在其他实施方案中，所有电子器件或一部分电子器件可位于其他地方(例如，位于地面处或远程位置)。为了在单次行程期间执行处理，该工具可使用高带宽传输来将传感器所获取的信息传输到地面以进行分析。例如，用于传输所获取的信息的通信管线可为光纤、金属导体或任何其他合适的信号传导介质。应了解，使用“高带宽”通信管线可允许地面人员“实时”监测和控制操作。
实施方案的元素已由冠词“一个”或“一种”引入。冠词旨在表明存在有一个或多个这些元素。术语“包括”和“具有”等等旨在是包括性的并且表示可以有除已列出的元素以外的额外的元素。连词“或”当与至少两个术语的列举一起使用时旨在意为任意术语或者术语的组合。术语“配置”涉及设备的一个或多个结构限制，该设备需要该结构限制来执行该装置被配置的功能或操作。术语“第一”和“第二”用于区分元件，而不用于表示特定顺序。
本文所描绘的流程图仅仅是示例。在不脱离本发明实质的情况下，可对这些图或其中所描述的步骤(或操作)进行许多变型。例如，可以不同的顺序执行步骤，或者可添加、删除或修改步骤。所有这些变化都被认为是所要求保护的发明的一部分。
本文说明性公开的公开内容可以在不存在本文未具体公开的任何元素的情况下实施。
虽然在此已经示出和描述了一个或多个实施方案，但在不脱离本发明的实质和范围的情况下可对其进行修改和替换。因此，应当理解，已经通过例示而非限制的方式描述了本发明。
虽然已参考示例性实施方案描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元素。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可作出许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本发明不限于作为设想用于实现本发明的最佳模式而公开的特定实施方案，而是，本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。图1至图3中示出的***的一点新颖性在于，至少一个处理器可被配置为执行不在现有技术中的某些方法(上面讨论的)。地面控制***或井下控制***可被配置为控制上述工具和任何组合传感器，并且根据本文所描述的方法估计所关注的参数。
可将所估计的所关注参数作为信息存储(记录)在显示器上或在显示器上进行视觉描绘。所关注参数可在存储或显示之前或之后传输。例如，信息可传输到其它井下组件或用于存储、显示或进一步处理的表面。本公开的各方面涉及使用所估计的所关注参数来建模地层的体积，诸如例如，通过将所估计参数值与它们所对应的所关注体积的部分相关联，或通过表示全局坐标***中的边界和地层。在本公开的各方面中生成和维护的地层的模型可被实现为地层的表示，该表示被存储为信息。信息(例如，数据)也可经传输、存储在非暂时性机器可读介质上和/或在显示器上呈现(例如，视觉描绘)。
处理器对测量的处理可在工具、地面或远程位置处发生。数据获取可至少部分地由电子器件控制。在数据的控制和处理中隐含的是在适当的非暂时性机器可读介质上使用计算机程序，使处理器能够执行控制和处理。非暂时性机器可读介质可包括ROM、EPROM、EEPROM、快闪存储器和光盘。术语处理器旨在包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)的装置。
如上文所用，术语“输送设备”是指可用于输送、容纳、支撑或以其他方式有利于使用另一设备、设备部件、设备的组合、介质和/或构件的任何设备、设备部件、设备的组合、介质和/或构件。示例性非限制性的输送设备包括盘管型、接合钻杆型的钻柱及其任何组合或部分。其他输送设备示例包括套管、钢丝线、钢丝线探空仪、钢丝绳探空仪、垂绳(dropshot)、井下潜管、BHA、钻井柱插件、模块、内部壳体及其基底部分、自推式牵引机。如上所述，术语“潜管”是指被构造成部分包封、完全包封、容纳或支撑设备的任何结构。如上所用的术语“信息”包括任何形式的信息(模拟、数字、EM、打印等)。本文的术语“处理器”或“信息处理设备”包括但不限于传输、接收、操纵、转换、计算、调制、转置、携带、存储或以其他方式利用信息的任何设备。信息处理设备可包括微处理器、驻留存储器和用于执行编程指令的***设备。处理器可执行存储在处理器可访问的计算机存储器中的指令，或者可采用被实现为现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)、其他组合或顺序逻辑硬件等的逻辑。因此，处理器可被配置为执行如本文所描述的一种或多种方法，并且处理器的配置可包括与驻留存储器和用于执行编程指令的***装置的操作连接。术语“井口装置”是指井筒的地面终端，其结合了用于钻井、勘探或生产的基础设施，诸如用于进料钻杆、安装套管和生产管以及安装地面流动控制设施的那些基础设施，并且可包括井口装置部件，例如套管阀、油管头、油管架和其他阀以及与钻井或生产管一起的各类适配器。术语“电磁场”是指电场、磁场或这些的组合。
在一些实施方案中，对所关注参数的估计可涉及应用模型。模型可包括但不限于(i)数学方程、(ii)算法、(iii)相关联参数的数据库或其组合。
返回图1，本公开的某些实施方案可用硬件环境来实现，该硬件环境包括信息处理器19、信息存储介质11、输入设备12、处理器存储器13，并且可包括***信息存储介质14。硬件环境可在井中、在钻机处或在远程位置处。此外，硬件环境的若干部件可分布在那些位置之间。输入设备12可为任何信息读取器或用户输入设备，诸如数据读卡器、键盘、USB端口等。信息存储介质11存储由检测器提供的信息。信息存储介质11可为任何标准计算机信息存储设备，诸如ROM、USB驱动器、记忆棒、硬盘、可移动RAM、EPROM、EAROM、EEPROM、闪存存储器和光盘或本领域的普通技术人员已知的包括基于互联网的存储的其他常用存储器存储***。信息存储介质11可存储程序，该程序在执行时使得信息处理器19执行所公开的方法。信息存储介质11也可存储由用户提供的地层信息，或者可将地层信息存储在***信息存储介质14中，该***信息存储介质可为任何标准的计算机信息存储设备，诸如USB驱动器、记忆棒、硬盘、可移动RAM或本领域的普通技术人员已知的包括基于互联网的存储的其他常用存储器存储***。信息处理器19可为任何形式的计算机或数学处理硬件，包括基于互联网的硬件。当将程序从信息存储介质11加载到处理器存储器13(例如，计算机RAM)中时，程序在执行时使得信息处理器19从信息存储介质12或***信息存储介质14检索传感器信息并处理该信息，以估计所关注的参数。信息处理器19可位于地面上或位于井下。
本公开技术的另一应用可以是在现有井中发生井喷时；可采用两种方法来控制井喷。一种方法是在地面使用***物并在燃烧井中熄灭火苗。这个过程充满危险且需要迅速控制井中的碳氢化合物流动。第二种方法是钻出第二钻孔以与井喷井相交并将钻井泥浆泵送到井喷井中。这并不是一件小事。半度的误差可以在10000英尺深度处导致接近90英尺的偏差。典型的钻孔直径为约12英寸，与潜在的误差区域相比，这是一个微不足道的目标。
以下美国专利反映了所提出并用于磁测距的一些技术：授予Kuckes的4,323,848；授予Kuckes的4,372,398；授予Kuckes的4,443,762；授予Kuckes的4,529,939；授予Kuckes的4,700,142；授予Kuckes的4,791,373；授予Kuckes的4,845,434；授予Kuckes的5,074,365；授予Kuckes的5,218,301；授予Kuckes的5,305,212；授予Kuckes的5,343,152；授予Kuckes的5,485,089；授予Kuckes的5,512,830；授予Kuckes的5,513,710；授予Kuckes的5,515,931；授予McElhinney的5,675,488；授予Kuckes等人的5,725,059；授予Kuckes的5,923,170；授予Kuckes的5,657,826；授予McElhinney的6,937,023；以及授予McElhinney的6,985,814；每个专利的全部内容以引用的方式并入本文。
虽然前述公开内容针对本公开的一个模式实施方案，但是各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。意图是所有变化都被前述公开内容所涵盖。

Claims (20)

1.一种井筒测距方法，所述井筒测距方法用于在一对导电管件之间进行主动电磁测距，所述一对导电管件包括：i)在第一钻孔中与地层相交且电连接至第一井口装置的第一导电管件，和ii)在第二钻孔中位于地层中且电连接至第二井口装置的第二导电管件，所述方法包括：
在所述一对导电管件中的一个导电管件上生成深度相关的电流，并且在所述一对导电管件中的另一个导电管件上生成返回电流，并由此通过以下步骤使注入电流从所述一个导电管件流入所述地层中：
在所述第一井口装置处电激励所述第一导电管件；以及
在所述第二井口装置处电激励所述第二导电管件；
其中在所述另一个导电管件上的所述返回电流由来自所述一个导电管件的所述注入电流产生并且从所述地层接收；
使用所述第二钻孔中的至少一个传感器在所述第二钻孔中的钻孔深度处进行电磁测量，所述电磁测量指示由所述地层中的所述深度相关的电流产生的至少一个电磁场；以及
使用所述电磁测量来估计所述第一导电管件相对于所述第二导电管件的相对位置。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤中的至少一者：i)通过在所述第一井口装置处施加正电压来电激励所述第一导电管件，同时通过在所述第二井口装置处施加负电压来电激励所述第二导电管件；以及ii)通过在所述第二井口装置处施加正电压来电激励所述第二导电管件，同时通过在所述第一井口装置处施加负电压来电激励所述第一导电管件。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤中的至少一者：i)在所述第一井口装置处利用电源电激励所述第一导电管件，同时在所述第二井口装置处接地所述第二导电管件；以及i)在所述第二井口装置处利用电源电激励所述第二导电管件，同时在所述第一井口装置处接地所述第一导电管件。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述第一井口装置和所述第二井口装置处利用AC电源电激励所述第一导电管件和所述第二导电管件。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁测量包括至少一个磁场测量，并且其中估计所述相对位置包括使用在所述钻孔深度处的电场测量和在所述钻孔深度处的电流的估计值来估计所述相对位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁测量包括至少一个磁场测量和至少一个电场测量。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括联合反转所述至少一个磁场测量和所述至少一个电场测量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中估计所述相对位置包括使用所述钻孔深度处的所述电场测量和所述钻孔深度处的所述电流的估计值来估计所述相对位置。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括使用所述电场测量和所述磁场测量的比率来估计所述钻孔深度处的电流值。
10.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括通过使用以下项来估计所述电流的至少一个值来获得所述钻孔深度处的所述电流的所述估计值：i)所述电场测量和所述磁场测量的比率；以及ii)深度相关的空间电阻率值。
11.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括通过执行电流作为深度函数的前向模型来估计所述电流的至少一个值来获得在所述钻孔深度处的所述电流的所述估计值。
12.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括通过确定包括电流作为深度函数的微分方程的数值解来估计所述钻孔深度处的所述电流值。
13.根据权利要求7所述的方法，其中联合反转所述至少一个磁场测量和所述至少一个电场测量包括执行约束反转。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一导电管件包括生产套管，并且所述第二导电管件是钻井组件的一部分。
15.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述深度相关的电流包括利用在所述第二钻孔中的钻孔深度处生成电流与进行电磁测量之间的时间同步。
16.根据权利要求15所述的方法，其中使用高精度时钟执行所述时间同步。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述时间同步经由锁相环(PLL)解调来控制进行所述电磁测量。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述时间同步被配置为在所述注入电流和所述返回电流中的至少一者已经停止流动时测量地球磁场。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二导电管件包括生产套管，并且所述第一导电管件是钻井组件的一部分。
20.一种井筒测距***，所述井筒测距***用于在一对导电管件之间进行主动电磁测距，所述一对导电管件包括：i)在第一钻孔中与地层相交且电连接至第一井口装置的第一导电管件，和ii)在第二钻孔中位于地层中且电连接至第二井口装置的第二导电管件，所述***包括：
电激励单元，所述电激励单元耦接到所述第一井口装置和所述第二井口装置，并且被配置为：
在所述一对导电管件中的一个导电管件上生成深度相关的电流，并且在所述一对导电管件中的另一个导电管件上生成返回电流，并由此通过以下步骤使注入电流从所述一个导电管件流入所述地层中：
在所述第一井口装置处电激励所述第一导电管件；以及
在所述第二井口装置处电激励所述第二导电管件，
使得在所述另一个导电管件上的所述返回电流由来自所述一个导电管件的所述注入电流产生并且从所述地层接收；
底部钻具组合(BHA)，所述底部钻具组合被构造成输送到钻孔中；
设置在所述BHA上的至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为使用所述第二钻孔中的至少一个传感器在所述第二钻孔中的钻孔深度处进行电磁测量，所述电磁测量指示由所述地层中的所述深度相关的电流产生的至少一个电磁场；和
至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为使用所述电磁测量来估计所述第一导电管件相对于所述第二导电管件的相对位置。
CN202080102690.5A 2020-06-10 2020-06-10 通过井口装置电流注入进行主动磁测距 Pending CN116075627A (zh)

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