專利名稱:確定鉆孔方位角的方法
本發(fā)明涉及用于確定鉆在地下地層中的鉆孔方位角的方法。
本發(fā)明特別涉及借助包括在鉆具組中的磁檢測(cè)器裝置來(lái)確定和修正偏差磁場(chǎng)對(duì)方位角測(cè)量的影響的方法，該偏差磁場(chǎng)是由于鉆具組的磁化造成的。
在深孔鉆孔操作中，一般的做法是用檢測(cè)器裝置時(shí)時(shí)測(cè)量鉆孔的進(jìn)程，該檢測(cè)器裝置包括在鉆具組靠近其底端處。檢測(cè)器裝置一般包括測(cè)量局部磁場(chǎng)在三個(gè)正交方向上的分量的一組磁強(qiáng)計(jì)。因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)矢量的方向與局部重力矢量的方向一起，是確定鉆孔進(jìn)程的合適參照，所以目的是要使由檢測(cè)器部件測(cè)出的磁場(chǎng)作為地球磁場(chǎng)的精確表示。
當(dāng)測(cè)量鉆具組存在于鉆孔中時(shí)的檢測(cè)裝置相對(duì)于地球磁場(chǎng)的取向時(shí)，由于鉆具組的磁化而引起的偏差磁場(chǎng)會(huì)使如此測(cè)得的取向出現(xiàn)明顯的偏差。為盡可能減小這個(gè)偏差的幅度，現(xiàn)行的做法是將檢測(cè)器裝置安置在由無(wú)磁性物質(zhì)制成的鉆孔套管中。此外，這種套管通常安置在包括有一系列套管的鉆具組部件中，以達(dá)到使鉆孔組件的鋼部件，如套管上的鉆頭和鉆管，對(duì)檢測(cè)器所在部位的磁場(chǎng)的影響減到最小。使用無(wú)磁性鉆孔套管要遇到的問(wèn)題是這些套管在鉆孔中可能磁化，特別是在靠近檢測(cè)器組件處存在所謂磁點(diǎn)會(huì)顯著地?fù)p害方位角測(cè)量的精確度。
由美國(guó)書(shū)第4，163，324號(hào)可知道部分消除由于在檢測(cè)器裝置處的偏差磁場(chǎng)造成的方位角測(cè)量偏差的方法，該磁場(chǎng)主要是鉆具組磁化的結(jié)果。在該已知方法中，假定在檢測(cè)器的位置上偏差磁場(chǎng)矢量是沿著鉆孔軸。盡管已知的修正方法一般提高了方位角測(cè)量的精確度，但它沒(méi)有修正垂直于軸向的偏差磁場(chǎng)。所述垂直于軸向的偏差磁場(chǎng)可能源于磁點(diǎn)的存在或鉆孔組件中的鋼部件。
本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)的方位角測(cè)量，其中由鉆具組磁化而造成的偏差得到了比現(xiàn)有技術(shù)方法更精確的修正。
根據(jù)本發(fā)明，提供了確定鉆具組磁化對(duì)鉆孔中方位角測(cè)量的影響的方法，該方法借助包括在鉆具組中的具有大致與鉆孔的縱軸共軸的中心軸2的檢測(cè)器裝置，該裝置還包括至少一個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，用于測(cè)量檢測(cè)器部件處磁場(chǎng)
的垂直于軸向的分量，該方法包括既消除磁強(qiáng)計(jì)處鉆具組磁化垂直于軸向的分量，也消除它的軸向分量的影響，其中在消除軸向鉆具組磁化的影響之前，通過(guò)繞鉆孔縱軸旋轉(zhuǎn)帶檢測(cè)器裝置的鉆具組，同時(shí)對(duì)鉆具組的不同取向測(cè)量所述垂直軸向的分量，從而消除垂直于軸向的鉆具組磁化的影響。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施方案中，檢測(cè)器裝置包括三個(gè)用于測(cè)量三個(gè)互相正交的方向X、Y和Z上的分量Bx，By和Bz的磁強(qiáng)計(jì)，其中鉆具組磁化引起的垂直于軸向的偏差分量Mx和My的對(duì)測(cè)出磁場(chǎng)的影響通過(guò)在以Bx作為橫坐標(biāo)而將By作為縱坐標(biāo)的圖中標(biāo)繪出鉆孔中的檢測(cè)器裝置在不同取向上測(cè)出的磁場(chǎng)垂直于軸向的分量Bx和By而確定。如果鉆具組旋轉(zhuǎn)過(guò)大約360°的角度范圍，可在該坐標(biāo)圖中通過(guò)這樣測(cè)得的垂直于軸向的分量Bx和By作出封閉的圓形曲線，在其上鉆具組的磁化矢量
垂直于軸向的偏差分量Mx和My可根據(jù)該坐標(biāo)圖中的圓形曲線的中心的確定。
下面將參考附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)的描述，其中
圖1是包括三維測(cè)量裝置的鉆具組的透視示意圖;
圖2是坐標(biāo)圖，在其中當(dāng)鉆具組在鉆孔中旋轉(zhuǎn)時(shí)，標(biāo)繪出由垂直于軸向的檢測(cè)器測(cè)出的垂直于軸向的磁場(chǎng);
圖3是矢量圖，顯示測(cè)出的磁場(chǎng)矢量的位置，相對(duì)于由重力矢量和地球磁場(chǎng)矢量確定的圓錐面，對(duì)垂直于軸向的鉆具組的磁化進(jìn)行修正;
圖4是坐標(biāo)圖，在其中對(duì)于軸向的鉆具組磁化的不同假定量值，計(jì)算圓錐底和所述修正矢量之間的距離;
圖5顯示本發(fā)明的另一實(shí)施方案，其中檢測(cè)器部件包括單一的磁強(qiáng)計(jì);
圖6顯示圖5中的裝置的磁強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)，該讀數(shù)是對(duì)于裝置的不同取向旋轉(zhuǎn)鉆具組而得到的。
在圖1中顯示了鉆孔部件1，它包括連接在鉆具組3下端的鉆頭2。鉆具組3的最下部分包括兩個(gè)無(wú)磁性鉆孔套管4。無(wú)磁性鉆孔套管4之一上安置有三維測(cè)量裝置5，該裝置用于測(cè)定套管4的中心軸Z的方位角和傾角，該軸在鉆頭2的部位處大體同鉆孔的縱軸共軸。
測(cè)量裝置5包括三個(gè)加速度計(jì)(未顯示)和三個(gè)磁強(qiáng)計(jì)(未顯示)上述三個(gè)加速度計(jì)用來(lái)檢測(cè)三個(gè)互相正交方向X、Y和Z上的重力分量，上述三個(gè)磁強(qiáng)計(jì)用來(lái)測(cè)量該裝置部位處同樣三個(gè)互相正交方向上的磁場(chǎng)。
圖1中顯示了由裝置5測(cè)量的重力矢量
和局部磁場(chǎng)矢量
，矢量
等于由加速度計(jì)量的分量gx，gy和gz的矢量和，矢量
等于裝置5的磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量的分量Bx，By，Bz的矢量和。如圖所示;矢量Bm相對(duì)于重力矢量
成θm角，該夾角可根據(jù)已知的數(shù)學(xué)公式計(jì)算出來(lái)。
圖1中還顯示了真實(shí)地球磁場(chǎng)矢量B。和這個(gè)矢量相對(duì)于重力矢量
的傾角Qo。磁場(chǎng)矢量
和它相對(duì)于重力矢量
的取向可由鉆孔測(cè)量獨(dú)立地得到，如由鉆孔外部或內(nèi)部的測(cè)量或地磁繪圖數(shù)據(jù)得到。
如在圖1中可看見(jiàn)的，測(cè)量出的磁場(chǎng)矢量
同真實(shí)的磁場(chǎng)矢量
并不一致。這是由在測(cè)量裝置處的偏差磁場(chǎng)矢量M造成的，該磁場(chǎng)主要是無(wú)磁性鉆孔套管4中存在分離的磁點(diǎn)S和鉆孔組件1中存在鋼部件的結(jié)果。在圖1中，矢量
被分解成軸向分量Mz和垂直于軸向的矢量
xy，該垂直于軸向的矢量
等于分量Mx和My的矢量和。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)先測(cè)定偏差磁場(chǎng)垂直于軸向的矢量
，然后測(cè)定軸向分量Mz，從而消除偏差磁場(chǎng)
的影響。
垂直于軸向的矢量
xy的測(cè)定，是通過(guò)將鉆具組繞中心軸Z轉(zhuǎn)約360°，從而同時(shí)繞中心軸Z旋轉(zhuǎn)裝置5，同時(shí)對(duì)于裝置5相對(duì)于中心軸Z的不同取向連續(xù)或斷續(xù)地測(cè)量磁場(chǎng)
m而實(shí)現(xiàn)的。如圖1中顯示的那樣，鉆孔組件沿箭頭的方向旋轉(zhuǎn)360°將導(dǎo)致矢量
xy同時(shí)沿著同樣的方向旋轉(zhuǎn)，這樣作出圓周C。矢量
xy的量值和方向是由圖2顯示的曲線圖確定的，在該圖中，把測(cè)量出訪磁場(chǎng)
垂直于軸向的分量Bx和By對(duì)于裝置相對(duì)于中心軸Z的不同取向作圖。在該圖中，Bx和By的測(cè)量值位于偏離該圖中心(0，0)的圓周上。矢量
xy根據(jù)圓心10相對(duì)于圖中心(0，0)的位置而確定。如圖所示，矢量
的量值是由圓心10和圖的中心(0，0)之間的距離確定的。
現(xiàn)在，在圖1的矢量圖中引入矢量B，該矢量
等于
-
。
由于矢量
可用下面的公式表示

＝(Mx，My，O)
并且

＝(Bx，By，Bz)
故矢量B可表示成

＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)。
現(xiàn)定義分量Bx-Mx為Bxc
且
By-My為Byc
則

＝(Bxc，Byc，Bz)＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)……(1)
公式(1)給出了鉆具組垂直于軸向的磁化對(duì)檢測(cè)裝置5測(cè)量磁場(chǎng)的影響的修正。
在如此消除了鉆具組垂直于軸向的磁化
對(duì)測(cè)量的影響后，可用與美國(guó)書(shū)第4，163，324號(hào)中所公布的類似的方法對(duì)軸向偏差分量Mz的影響進(jìn)行修正。
然而，最好用下面參照?qǐng)D3所描述的計(jì)算方法來(lái)就軸向鉆具組磁化對(duì)裝置5的測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行修正。
矢量
的量值可以表示為
B＝(B2xc+B2yc+B2z)1/2……(2)
而重力矢量
的量值為
g＝(g2x+g2y+g2z)1/2……(3)
這樣就能夠通過(guò)下列公式計(jì)算出矢量
和
之間的傾角θ
θ＝Cos-1〔(Bxcgx+Bycgy+Bzgz)/Bg〕……(4)
角θ在圖1中表示了，也在圖3中表示了，圖3是與圖1中顯示的矢量圖相似，但它簡(jiǎn)化了。
由于矢量
只由其相對(duì)于重力矢量
的傾角θ所限定，因此矢量
相對(duì)于矢量
的位置的確定被復(fù)雜化了。此外，真實(shí)磁場(chǎng)矢量
。相對(duì)于軸x，y和z的精確取向仍然是未知的。然而。由于真實(shí)磁場(chǎng)矢量
相對(duì)于重力矢量
有傾角θo，因而可以理解到在圖3的矢量圖中，矢量
將位于錐面12上，該錐面12具有與矢量
重合的中心軸，并且其頂角等于2θo。角θo是已知的，因?yàn)樗仟?dú)立地從鉆孔測(cè)量得到的。
現(xiàn)在，在矢量圖中引入距離E，其中E表示錐面12的底周邊13和矢量
的頂點(diǎn)之間的距離。
距離E的量值由下列方程給出
E＝〔B2+B2o-2BBoCos(θ-θo)〕1/2……(5)
把這樣得到的E的值標(biāo)繪在顯示在圖4當(dāng)中的曲線圖中，在其中Bz是橫坐標(biāo)，E是縱坐標(biāo)。
下一步假定裝置5測(cè)出的磁場(chǎng)的軸向分量Bz可由于偏差磁場(chǎng)的軸向分量Mz而變化。這樣，Bz取成不同的假定值，而對(duì)于每個(gè)假定值，通過(guò)方程(2)，(3)，(4)和(5)計(jì)算出距離E的相應(yīng)值。把這樣得到的E的不同值畫在圖4的坐標(biāo)圖中，它給出了曲線14，其中在Bz的某一值Bzc處會(huì)出現(xiàn)極小值15。這樣偏差磁場(chǎng)的軸向分量Mz的量值就可由該曲線圖確定，它等于Bz和Bzc之間的距離，因?yàn)锽zc＝Bz-Mz。
在這樣確定了裝置5處的磁場(chǎng)軸向分量量值Bzc后，可用修正后的值Byc，Byc，Bzc根據(jù)已知的公式計(jì)算出鉆孔的方位角。
顯然，檢測(cè)器裝置可以不同的方式包括在鉆具組之中。該裝置可用電纜懸掛在鉆具組中，并用已知的方式固定在無(wú)磁性部件上，其中檢測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)電纜傳送到地面上。該裝置還可以固定在鉆具組上，或落放到在鉆具組內(nèi)選定的位置，其中檢測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)可通過(guò)無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)傳送到地面，或儲(chǔ)存在記憶組件中，然后在將鉆孔組件從鉆孔中取出后讀出。
此外，除了顯示在圖2和圖4中的坐標(biāo)圖外，也可用計(jì)算機(jī)計(jì)算程序來(lái)確定磁場(chǎng)的所述修正分量Bxc，Byc和Bzc。
另外，象參考圖5和6所要解釋的那樣，可在傾斜的鉆孔中用包括單一磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量裝置得到測(cè)出的磁場(chǎng)垂直于軸向的分量的修正垂直軸向分量值Bxc和Byc。在圖5所示的實(shí)施方案中，測(cè)量裝置包括安置在垂直于鉆具組縱軸的單一平面內(nèi)的兩個(gè)互相正交的加速度計(jì)和單一的磁強(qiáng)計(jì)。這些加速度計(jì)沿互相垂直的軸x和y放置，而磁強(qiáng)計(jì)的軸M平行于x軸加速度計(jì)。如圖5所示，由磁強(qiáng)計(jì)測(cè)出的磁場(chǎng)分量Bmx等于地球磁場(chǎng)
o的x分量Box和由于鉆具組磁化造成的偏差磁場(chǎng)
的x分量Mx的和。當(dāng)鉆具組在鉆孔中旋轉(zhuǎn)時(shí)，相對(duì)于鉆具組是靜止的磁強(qiáng)計(jì)對(duì)于每個(gè)重力高側(cè)角(high side angle)φ讀出恒定磁場(chǎng)貢獻(xiàn)Mx，而上述高側(cè)角φ是由x軸向和y軸向加速度計(jì)確定的。另外，磁強(qiáng)計(jì)同時(shí)讀出地球磁場(chǎng)
正弦變化的磁場(chǎng)貢獻(xiàn)Box。當(dāng)鉆具組相對(duì)于傾斜鉆孔的縱軸旋轉(zhuǎn)過(guò)大約360°時(shí)，該磁強(qiáng)計(jì)讀出如圖6所示的正弦變化磁場(chǎng)，它是幅度Bxyc和零偏移Mxo與重力高側(cè)角φ的關(guān)系曲線。對(duì)于鉆孔中鉆具組的選定角度取向，因而對(duì)于選定的重力高側(cè)角φ1、Bxc通過(guò)對(duì)磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)就零偏移Mx進(jìn)行修正而得到。Byc于是通過(guò)在與鉆具組的選定取向相距90°重力高側(cè)角處對(duì)磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)就零偏移Mx進(jìn)行修正而從圖6所示的曲線得到。
權(quán)利要求
1、借助包含在鉆具組中的檢測(cè)器裝置消除鉆具組磁化對(duì)鉆孔中方位角測(cè)量的影響的方法，該檢測(cè)器裝置具有大致與鉆孔縱軸共軸的中心軸，并且包括至少一個(gè)用于測(cè)量該檢測(cè)器裝置處的磁場(chǎng)Bm垂直于軸向的分量的磁強(qiáng)計(jì)，該方法包括消除磁強(qiáng)計(jì)處鉆具組磁化垂直于軸向的分量和軸向分量的影響，其中在消除軸向鉆具磁化的影響之前，先通過(guò)在鉆孔中繞其縱軸連同所包含的檢測(cè)器裝置一起旋轉(zhuǎn)鉆具組，同時(shí)對(duì)于鉆具組的不同取向測(cè)量磁場(chǎng)的所述垂直于軸向的分量，從而消除垂直于軸向的鉆具組磁化的影響。
2、權(quán)利要求
1的方法，其中檢測(cè)器裝置包括三個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，用于測(cè)量磁場(chǎng)
在三個(gè)互相正交的方向x，y和z方向上的分量Bx，By和Bz，并且其中通過(guò)在以Bx為橫坐標(biāo)并以By為縱坐標(biāo)的圖上標(biāo)繪出在檢測(cè)器裝置在鉆孔中處于不同取向時(shí)測(cè)得的磁場(chǎng)垂直于軸向的分量Bx和By，來(lái)確定鉆具組磁化垂直于軸向的偏差分量Mx和My對(duì)測(cè)出的磁場(chǎng)的影響。
3、權(quán)利要求
2的方法，其中鉆具組相對(duì)于中心軸Z旋轉(zhuǎn)過(guò)大約360°范圍的角度，并且其中在圖上對(duì)檢測(cè)器裝置的不同取向如此測(cè)出的磁場(chǎng)垂直于軸向的分量Bx和By繪出封閉的圓形曲線，并且其中鉆具組磁化矢量
垂直于軸向的偏差分量Mx和My是根據(jù)圖中的該曲線的中心位置確定的。
4、如在權(quán)利要求
1至3中的任何一個(gè)所要求的方法，其中從測(cè)出的磁場(chǎng)垂直于軸向的分量Bx和By中減去如此確定的鉆具組磁化矢量
垂直于軸向的偏差分量Mx和My，從而對(duì)于測(cè)出的磁場(chǎng)的垂直于軸向的分量確定出修正的垂直于軸向的值Bxc和Byc，并且引入對(duì)于垂直于軸向的鉆具組磁化的修正矢量(Bxc，Bxc，Bz)，它由下列公式表示
(Bxc，Byc，Bz)＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)
5、如權(quán)利要求
4所要求的方法，其中檢測(cè)器裝置裝有用于確定局部重力矢量g垂直于軸向的和軸向的分量gx，gy，gz的重力檢測(cè)器，并且其中軸向鉆具組磁化對(duì)方位角測(cè)量的影響通過(guò)下列步驟確定
-由g＝(gx2+gy2+gz2)1/2計(jì)算出重力場(chǎng)強(qiáng)度，由B＝(Bxc2+Byc2+Bz2)1/2計(jì)算出對(duì)于垂直于軸向的鉆具組磁化的修正磁場(chǎng)強(qiáng)度B，接著由θ＝Cos-1〔(Bxcgx+Bycgy+Bzgz)/Bg〕計(jì)算矢量
和g之間的傾斜角θ。
-由鉆孔中的測(cè)量獨(dú)立地獲得地球磁場(chǎng)的真實(shí)量值Bc和矢量Bo與
之間的夾角θo，并且在矢量圖中確定具有由重力矢量
確定的中心軸和由
所包的圓錐，該圓錐的頂角等于2θo。
-在同一矢量圖中表示出矢量
，它從圓錐的頂點(diǎn)相對(duì)于重力矢量g成角度θ延伸，
-由下列公式表示矢量
和圓錐底邊之間的距離E
E＝〔B2+Bo2-2BBoCos(θ-θo)〕1/2
-對(duì)于Bz的不同的假定量值，根據(jù)關(guān)于B、g、θ和E的所述公式計(jì)算E，并在具有代表Bz量值的橫坐標(biāo)和代表E的量值的縱坐標(biāo)的圖上標(biāo)繪出對(duì)于Bz的不同的量值如此計(jì)算出的E的各個(gè)量值，在該坐標(biāo)圖中確定距離E的極小值，并且確定相應(yīng)于E的極小值的Bz量值，作為由檢測(cè)器裝置測(cè)出的磁場(chǎng)軸向分量的修正量值Bzc，
-該方法進(jìn)一步地包括根據(jù)檢測(cè)器裝置測(cè)出的磁場(chǎng)分量的修正量值Bxc，Byc，Bzc確定鉆孔的方位角。
6、如權(quán)利要求
1所要求的方法，其中檢測(cè)器裝置包括用于測(cè)量在該檢測(cè)器裝置處的磁場(chǎng)B的一個(gè)垂直于軸向的分量的單個(gè)磁強(qiáng)計(jì)。
7、消除鉆具組磁化對(duì)鉆孔中方位角測(cè)量影響的方法，基本上如參考附圖中的圖1至圖6所描述的那樣。
專利摘要
借助包含在具有縱軸的鉆具組中的磁強(qiáng)計(jì)裝置，首先通過(guò)鉆具組的不同角度取向上的磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)消除鉆具組磁化垂直于軸向的分量的影響，然后消除鉆具組磁化的軸向分量的影響，從而消除鉆具組磁化對(duì)鉆孔中方位角測(cè)量的影響。
文檔編號(hào)E21B47/022GK86101119SQ86101119
公開(kāi)日1986年8月20日 申請(qǐng)日期1986年2月24日
發(fā)明者詹尼斯·科尼爾斯·馬亞·萬(wàn)·當(dāng)根, 萊奧·伯恩哈德·馬基亞霍 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan