相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)是要求2014年10月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/065,363的優(yōu)先權(quán)的非臨時(shí)申請(qǐng)，該美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

本公開(kāi)總體上涉及井孔定位系統(tǒng)，并且具體地，涉及使用磁場(chǎng)來(lái)確定地下井眼的位置。

背景技術(shù)：

井眼布置和勘測(cè)的知識(shí)對(duì)于地下油氣沉積物的開(kāi)發(fā)是有用的。定向井孔鉆探通常依賴(lài)于一個(gè)或多個(gè)定向裝置，例如彎接頭和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，以引導(dǎo)井眼的路線(xiàn)。定向裝置的參考方向和外部參考方向之間的角度被稱(chēng)為工具面角度，并且該角度確定井眼的偏離方向。通過(guò)比較井孔的位置與期望路徑并選擇工具面角度和其它鉆探參數(shù)來(lái)推進(jìn)井孔并且將其朝向規(guī)劃路徑校正，來(lái)進(jìn)行定向鉆探。因此，工具面的測(cè)量可能是井孔導(dǎo)向和放置的要素。

當(dāng)確定工具面時(shí)，可以基于井眼的幾何形狀和位置來(lái)選擇用于工具面的外部參考方向。在偏斜的井眼中(偏離垂直的傾斜超過(guò)5-8°)，通常的參考是由于重力的加速度的方向。這可以例如在隨鉆測(cè)量(mwd)期間通過(guò)與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的加速度計(jì)來(lái)測(cè)量。在垂直井或接近垂直的井中，重力方向可以與鉆柱軸對(duì)準(zhǔn)或基本對(duì)準(zhǔn)，并且可能不能提供有用的參考方向?？梢允褂脦追N替代方案來(lái)代替垂直或接近垂直的井中的加速度計(jì)。傳統(tǒng)上，可以使用磁工具面，其應(yīng)用了mwd中使用的板上磁力計(jì)，以使用地球的磁場(chǎng)作為參考方向。然而，磁工具面可能在足夠高的磁緯度或者在來(lái)自附近井眼、地面設(shè)施或其它效應(yīng)的磁干擾改變局部磁場(chǎng)的地方失效。用于參考的另一個(gè)替代方案是從尋北井下陀螺儀獲得的真北，或者由非尋北陀螺儀利用的參考。陀螺儀可能遭受成本和可靠性問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)提供了一種人造工具面參考系統(tǒng)。人造工具面參考系統(tǒng)可以包括向接地引線(xiàn)和參考引線(xiàn)提供電流的電源。人造工具面參考系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括接地點(diǎn)，接地點(diǎn)耦接到接地引線(xiàn)并且與大地電連接。人造工具面參考系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括參考井眼，參考井眼包括與大地電連接的參考導(dǎo)體，參考導(dǎo)體與參考引線(xiàn)電連接。人造工具面參考系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括引導(dǎo)傳感器，該引導(dǎo)傳感器定位在參考井眼外部并包括至少一個(gè)磁力計(jì)。

本公開(kāi)還提供了一種方法。該方法可以包括在接地點(diǎn)和參考導(dǎo)體之間耦接電源。接地點(diǎn)可以定位成與參考導(dǎo)體相距一定距離并且與大地電連通。參考導(dǎo)體可以位于參考井眼中并與大地電連通。該方法可以進(jìn)一步包括用電源提供通過(guò)參考導(dǎo)體、大地和接地點(diǎn)的電流，使得沿參考導(dǎo)體產(chǎn)生參考磁場(chǎng)。該方法可以進(jìn)一步包括用位于參考井眼外部的磁力計(jì)測(cè)量參考磁場(chǎng)。

附圖說(shuō)明

當(dāng)與附圖一起閱讀時(shí)，從以下詳細(xì)描述可以最好地理解本公開(kāi)。要強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各種特征沒(méi)有按比例繪制。實(shí)際上，為了討論的清楚，各種特征的尺寸可以任意地增加或減小。

圖1描繪了與本公開(kāi)的至少一個(gè)實(shí)施例一致的人造工具面參考系統(tǒng)。

圖2描繪了與本公開(kāi)的至少一個(gè)實(shí)施例一致的人造工具面參考系統(tǒng)。

圖3描繪了圖2的人造工具面參考系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)當(dāng)理解，以下公開(kāi)提供了用于實(shí)現(xiàn)各種實(shí)施例的不同特征的許多不同的實(shí)施例或示例。下面描述了部件和布置的具體示例以簡(jiǎn)化本公開(kāi)。當(dāng)然，這些僅是示例并且不是限制性的。另外，本公開(kāi)可以在各個(gè)示例中重復(fù)附圖標(biāo)記和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)單和清楚的目的，并且本身不指示所討論的各種實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。

圖1描繪了人造工具面參考系統(tǒng)100的實(shí)施例。人造工具面參考系統(tǒng)100可以包括電源101。電源101可以是能夠提供如本文所述的電流的任何裝置，并且可以構(gòu)成如本領(lǐng)域理解的電流源或電壓源。電源101可以在接地引線(xiàn)103和參考引線(xiàn)105之間電連接。接地引線(xiàn)103可以與接地點(diǎn)107電連接。參考引線(xiàn)105可以與位于參考井眼10中的參考導(dǎo)體109電連接。參考導(dǎo)體109可以是位于參考井眼10內(nèi)的任何導(dǎo)體。參考導(dǎo)體109可以是與參考井眼10軸向?qū)?zhǔn)的任何導(dǎo)體或?qū)w的組合。參考導(dǎo)體109可以是(例如但不限于)管道或套管的段(length)或柱。在一些實(shí)施例中，參考導(dǎo)體109可以是位于井眼中的鉆桿或其它鉆柱段，包括井下落物(fish)或其它井下工具。在一些實(shí)施例中，參考引線(xiàn)105可以在大地15的表面處或其附近在參考導(dǎo)體109的上端110處電耦接到參考導(dǎo)體109。在一些實(shí)施例中，參考導(dǎo)體109可以是位于參考井眼10中的電線(xiàn)或電纜，該電線(xiàn)或電纜用于與一個(gè)井下設(shè)備通信或向該井下設(shè)備供電的。例如，在一些實(shí)施例中，參考導(dǎo)體109可以是位于參考井眼10中的井下泵(未示出)的電線(xiàn)。如本領(lǐng)域所理解的，一個(gè)或多個(gè)附加電線(xiàn)可以包括在井下泵的電線(xiàn)中，其可如本文所述地使用。雖然參考引線(xiàn)105被描繪為在大地15的表面處耦接到參考導(dǎo)體109，但是在一些實(shí)施例中，參考引線(xiàn)105可以位于參考導(dǎo)體109內(nèi)，以在參考井眼10內(nèi)沿著參考導(dǎo)體109的長(zhǎng)度與參考導(dǎo)體109進(jìn)行電接觸。例如，在一些實(shí)施例中，單個(gè)電線(xiàn)(未示出)可以延伸穿過(guò)參考導(dǎo)體109，并且可以在參考導(dǎo)體109上遠(yuǎn)離大地15的表面的點(diǎn)處與之進(jìn)行電接觸。在一些實(shí)施例中，電線(xiàn)可以通過(guò)重力在(例如但不限于)參考導(dǎo)體109的方向上偏離地接觸參考導(dǎo)體109。在一些實(shí)施例中，電線(xiàn)可以耦接到扶正器或具有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電延伸部(例如弓形彈簧)的其它裝置以接觸參考導(dǎo)體109。在一些實(shí)施例中，電線(xiàn)可以通過(guò)參考導(dǎo)體109內(nèi)的導(dǎo)電流體電耦接到參考導(dǎo)體109。

接地點(diǎn)107可以與周?chē)拇蟮?5電連接。接地點(diǎn)107可以包括(例如但不限于)被驅(qū)動(dòng)到在地15中的一個(gè)或多個(gè)接地樁。在一些實(shí)施例中，接地點(diǎn)107可以是現(xiàn)有的套管或井。在一些實(shí)施例中，接地點(diǎn)107可以位于距參考井眼10一定距離處。在一些實(shí)施例中，接地點(diǎn)107可以是任何其它電接地，包括(但不限于)涵洞、門(mén)或其它結(jié)構(gòu)。

在一些實(shí)施例中，參考導(dǎo)體109可以是導(dǎo)電的，使得電流i從電源101通過(guò)參考引線(xiàn)105進(jìn)到參考導(dǎo)體109中。因?yàn)閰⒖紝?dǎo)體109是導(dǎo)電的，所以電流流過(guò)參考導(dǎo)體109。然后電流i可以經(jīng)過(guò)大地15到達(dá)接地點(diǎn)107，以通過(guò)接地引線(xiàn)103返回到電源101。在一些實(shí)施例中，接地點(diǎn)107可以定位在距離參考井眼10足夠的距離處，使得電流i根據(jù)安培定律(但不被理論所約束)以基本上各向同性的方式離開(kāi)參考導(dǎo)體109。

隨著電流i流過(guò)參考導(dǎo)體109，因此根據(jù)法拉第定律(但不被理論所約束)，產(chǎn)生參考磁場(chǎng)b。參考磁場(chǎng)b沿著參考導(dǎo)體109的長(zhǎng)度延伸并且在與電流i的流向正交的平面中。因?yàn)殡娏鱥基本上各向同性地從參考導(dǎo)體109延伸到大地15中，所以參考導(dǎo)體109和接地點(diǎn)107之間的電流可以不產(chǎn)生磁場(chǎng)，如本領(lǐng)域所理解的那樣。

圖1還描繪了被引導(dǎo)的井眼20。被引導(dǎo)的井眼20可以包括被引導(dǎo)的鉆柱121。被引導(dǎo)的鉆柱121可以包括引導(dǎo)傳感器123。被引導(dǎo)的鉆柱121還可以包括用于形成被引導(dǎo)的井眼20的一個(gè)或多個(gè)井下工具，包括(例如但不限于)鉆頭125、bha127。在一些實(shí)施例中，引導(dǎo)傳感器123可以包括在bha127中，如圖1所示。在一些實(shí)施例中，可以包括引導(dǎo)傳感器123作為mwd系統(tǒng)的一部分。在一些實(shí)施例中，被引導(dǎo)的鉆柱121可以包括具有參考方向的一個(gè)或多個(gè)井下工具，包括(例如但不限于)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、彎接頭或其它工具。在某些實(shí)施例中，確定在被引導(dǎo)的井眼20內(nèi)的參考方向的徑向取向。井下工具的參考方向的取向可以被稱(chēng)為被引導(dǎo)的鉆柱121的工具面。例如，如果包括彎接頭作為被引導(dǎo)的鉆柱121的一部分，則彎曲的方向可以對(duì)應(yīng)于參考方向，并且參考方向與磁場(chǎng)之間的角度限定被引導(dǎo)的鉆柱121的工具面。

在一些實(shí)施例中，引導(dǎo)傳感器123可以包括適于檢測(cè)參考磁場(chǎng)b的一個(gè)或多個(gè)磁力計(jì)。在一些實(shí)施例中，引導(dǎo)傳感器123可以包括磁力計(jì)陣列，其可以確定通過(guò)其中的磁場(chǎng)的大小和取向。在一些實(shí)施例中，磁力計(jì)陣列可以是雙軸磁力計(jì)陣列，其被對(duì)準(zhǔn)以使得磁力計(jì)陣列的軸相互正交并且與被引導(dǎo)的井眼20的縱向軸正交。在一些實(shí)施例中，可以使用三軸磁力計(jì)陣列。在一些實(shí)施例中，可以與引導(dǎo)傳感器123一起包括一個(gè)或多個(gè)其它傳感器(例如加速度計(jì))，以便進(jìn)行附加測(cè)量。通過(guò)確定參考磁場(chǎng)b與引導(dǎo)傳感器123相交的方向及其大小，可以確定從引導(dǎo)傳感器123到參考井眼10的距離和朝向。通過(guò)知道引導(dǎo)傳感器123相對(duì)于被引導(dǎo)的鉆柱121的工具面的取向以及參考井眼10和被引導(dǎo)的井眼20的位置，可以利用參考磁場(chǎng)b的測(cè)量來(lái)計(jì)算被引導(dǎo)的鉆柱121的工具面的方向。

為了本公開(kāi)的目的，將建立xyz坐標(biāo)系，其中z軸平行于被引導(dǎo)的鉆柱121在引導(dǎo)傳感器123處的中心軸。x和y軸被定義為相互正交并與z軸正交。在一些實(shí)施例中，引導(dǎo)傳感器123可以包括與用于雙軸磁力計(jì)的x軸和y軸對(duì)準(zhǔn)的或者用于三軸磁力計(jì)的所有三個(gè)軸對(duì)準(zhǔn)的磁力計(jì)。

如本領(lǐng)域所理解的，參考磁場(chǎng)b的幅度和方向可以在遠(yuǎn)離其源的點(diǎn)處計(jì)算為：

其中是自參考井眼10的朝向和距離，并且是參考井眼10中的電流i的電流和方向。

引導(dǎo)傳感器123可以在被引導(dǎo)的井眼121內(nèi)獲取磁場(chǎng)讀數(shù)，這里表示為bpos。因?yàn)橐龑?dǎo)傳感器123可以暴露于其它磁場(chǎng)，例如(例如但不限于)地球的磁場(chǎng)和任何附近的套管井眼或其它磁異常，電源101可以反轉(zhuǎn)流過(guò)參考導(dǎo)體109的電流i，使參考磁場(chǎng)b反轉(zhuǎn)極性。引導(dǎo)傳感器123可以獲取參考磁場(chǎng)b的另一個(gè)讀數(shù)，本文中表示為bneg。雖然指定為“正”和“負(fù)”，但是受益于本公開(kāi)的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以用參考導(dǎo)體109在正極性或負(fù)極性時(shí)獲得第一個(gè)讀數(shù)，只要兩個(gè)讀數(shù)是在參考導(dǎo)體109的極性相反時(shí)獲得的。因?yàn)閷?duì)于兩個(gè)讀數(shù)，存在除了b之外的任何磁場(chǎng)，通過(guò)找到bpos和bneg之間的差，可以根據(jù)下式來(lái)分離出參考磁場(chǎng)b的磁場(chǎng)值：

δb＝bpos-bneg

在一些實(shí)施例中，電源101可以替代地提供周期性或非周期性交流電流，而不是利用正和負(fù)的直流電流。在一些實(shí)施例中，引導(dǎo)傳感器123可以獲取具有正或負(fù)極性的參考磁場(chǎng)b的讀數(shù)，并且在電源101不向參考導(dǎo)體109提供電流的情況下獲得磁場(chǎng)的讀數(shù)。在這樣的實(shí)施例中，檢測(cè)到的自然磁場(chǎng)可以類(lèi)似地被從參考磁場(chǎng)b中減去，以分離出參考磁場(chǎng)b的磁場(chǎng)值。

前述的操作可以用于引導(dǎo)傳感器123中的每個(gè)磁力計(jì)。在x軸與被引導(dǎo)的鉆柱121的工具面對(duì)準(zhǔn)的情況下，工具面和參考井眼10之間的角度可以通過(guò)下式來(lái)確定：

因?yàn)閰⒖即艌?chǎng)b與參考井眼10和被引導(dǎo)的井眼20之間的矢量正交定向。

計(jì)算的工具面可以參考(例如但不限于)目標(biāo)位置、真北或磁北，或者對(duì)于重力高側(cè)，工具面可以通過(guò)將期望的參考方向投影到垂直于工具軸的平面中來(lái)計(jì)算，如下所示：

其中是世界坐標(biāo)中的被引導(dǎo)的鉆柱121的軸：

其中θ和分別是被引導(dǎo)的鉆柱121的傾斜角和方位角。

工具面和重力工具面之間的偏移量由下式給出：

γq＝(-q⊥y/q⊥x)

并且由此可以計(jì)算任何工具面參考之間的連接。例如，在參考井眼10和被引導(dǎo)的井眼20垂直的情況下，被引導(dǎo)的井眼被置于距真北/xi/的朝向，對(duì)北方參考方位角工具面的校正由下式給出：

在一些實(shí)施例中，到參考井眼10的距離和朝向可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算。該朝向可以用作被引導(dǎo)的鉆柱121的工具面，其限定人造工具面或人造磁工具面。然而，如本領(lǐng)域所理解的，參考磁場(chǎng)b的單次測(cè)量不能同時(shí)確定方向和工具面。在一些實(shí)施例中，梯度磁場(chǎng)測(cè)量可以解決這種模糊性，如同水平面中的相對(duì)位移。

在一些實(shí)施例中，可以通過(guò)在參考磁場(chǎng)b的模型中包括參考井眼10的更詳細(xì)的幾何形狀、接地引線(xiàn)103的勘測(cè)的幾何形狀和大地15的電阻率來(lái)改進(jìn)方向確定。可以通過(guò)在所有電源上以差分形式積分biot-savart定律來(lái)計(jì)算引導(dǎo)傳感器123的位置。

在一些實(shí)施例中，可以選擇接地點(diǎn)107的位置，使得其自參考井眼10位于被引導(dǎo)的井眼20的相反方向上。通過(guò)使用這種布置，在接地引線(xiàn)103中產(chǎn)生的任何磁場(chǎng)可以平行于參考磁場(chǎng)b?？梢孕薷纳鲜鼍嚯x測(cè)量以考慮來(lái)自其的任何附加磁場(chǎng)。在一些實(shí)施例中，在接地引線(xiàn)103中產(chǎn)生的任何磁場(chǎng)的影響可以通過(guò)知道接地點(diǎn)107的位置在如本文所述的磁模型中考慮。

在一些實(shí)施例中，如圖2所示，人造工具面參考系統(tǒng)200可以包括兩個(gè)接地引線(xiàn)203a、203b，兩個(gè)接地引線(xiàn)203a、203b通過(guò)電流平衡單元204耦接到電源201。電源201可以供給參考導(dǎo)體209，如上文參考圖1所述。在其它實(shí)施例中，可以使用單獨(dú)的電源201為接地引線(xiàn)203a和203b中的每一個(gè)供電。接地引線(xiàn)203a、203b可以均耦接到對(duì)應(yīng)的接地點(diǎn)207a、207b。在一些實(shí)施例中，接地點(diǎn)207a、207b可以圍繞參考井眼10定位，使得它們從其基本上相反的方向延伸。在一些實(shí)施例中，可以通過(guò)知道接地點(diǎn)207a、207b的位置，在如上文所述的磁模型中考慮在接地引線(xiàn)203a、203b中產(chǎn)生的任何磁場(chǎng)的影響。

如圖3所示，電流平衡單元204可以包括可變電阻器205a、205b和其它控制電路，所述控制電路適于確保當(dāng)從大地15返回時(shí)相等的電流通過(guò)每個(gè)接地引線(xiàn)203a、203b。以這種方式，每個(gè)接地引線(xiàn)203a、203b承載由電源201提供到參考導(dǎo)體209的電流i的一半(i/2)，。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)接地引線(xiàn)203a、203b，由此感生的任何磁場(chǎng)將彼此抵消，如圖2所示，由此減小或防止對(duì)參考磁場(chǎng)b的干擾。在一些實(shí)施例中，接地引線(xiàn)203a、203b可以布置為與參考井眼10和被被引導(dǎo)的井眼20(未示出)之間的方向基本上正交。

在一些實(shí)施例中，電源101可以向接地引線(xiàn)103和參考引線(xiàn)105提供ac波形。在一些實(shí)施例中，電源101可以向接地引線(xiàn)103和參考引線(xiàn)105提供切換的dc電流。在一些實(shí)施例中，多個(gè)具有人造工具面參考系統(tǒng)100的參考井10可以圍繞被引導(dǎo)的井眼20定位。在一些這樣的實(shí)施例中，每個(gè)人造工具面參考系統(tǒng)100可以順序地或同時(shí)地致動(dòng)。

當(dāng)比較bpos和bneg或在電源101關(guān)閉時(shí)確定的磁場(chǎng)時(shí)，在測(cè)量之間的被導(dǎo)引的鉆柱121的旋轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致計(jì)算的工具面中的誤差。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)可用于確定重力工具面以確定被引導(dǎo)的鉆柱121是否已旋轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)在基本上垂直的井中時(shí)，導(dǎo)出的重力工具面數(shù)據(jù)的加速度計(jì)可能經(jīng)受顯著誤差，例如由于被引導(dǎo)的井眼20的低傾斜角引起的量化誤差。人造磁工具面不能用于此目的，因?yàn)樵陔娫?01提供正電流、負(fù)電流或不提供電流時(shí)，對(duì)于確定的磁工具面，參考磁場(chǎng)b導(dǎo)致不同的值。

在一些實(shí)施例中，例如如果重力工具面指示在測(cè)量之間已經(jīng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則可以在電源101提供正電流、負(fù)電流或不提供電流(這里分別稱(chēng)為正射(positiveshot)、負(fù)射和中性射)的情況下進(jìn)行第二組測(cè)量，以匹配第一組測(cè)量?；诘诙握涞拇_定的磁工具面可以與從第一次正射確定的磁工具面比較，基于第二次負(fù)射的確定的磁工具面與從第一次負(fù)射確定的磁工具面比較，并且基于中性射的確定的磁工具面與從第一次中性射確定的磁工具面比較。通過(guò)確定其間的差異，可以確定在測(cè)量之間是否發(fā)生被引導(dǎo)的鉆柱121的任何旋轉(zhuǎn)。受益于本公開(kāi)的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，盡管關(guān)于加速度計(jì)和重力工具面進(jìn)行了討論，但是可以使用其它傳感器來(lái)識(shí)別工具的運(yùn)動(dòng)(包括(例如但不限于)一個(gè)或多個(gè)陀螺儀)以確定陀螺儀工具面。

前面概述了幾個(gè)實(shí)施例的特征，使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以更好地理解本公開(kāi)的方面。這樣的特征可以由許多等同替代方案中的任何一個(gè)替代，本文中僅公開(kāi)了其中的一些。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，他們可以容易地使用本公開(kāi)作為用于設(shè)計(jì)或修改用于實(shí)現(xiàn)本文所介紹的實(shí)施例的相同目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點(diǎn)的其它過(guò)程和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這樣的等同結(jié)構(gòu)不脫離本公開(kāi)的精神和范圍，并且它們可以在不脫離本公開(kāi)的精神和范圍的情況下進(jìn)行各種改變、替換和更改。