專利名稱：確定井孔方位角的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用磁力儀確定形成于地層中的井孔之方位角的方法，其中磁力儀設(shè)置于沿井孔縱向延伸的鉆柱內(nèi)。在地層中鉆進(jìn)井孔的過程中，通常需要通過以固定間隔測(cè)量井孔的傾角和方位角來(lái)校正井孔的方位角?？赏ㄟ^加速度計(jì)在井孔中的測(cè)量結(jié)果并以地球重力場(chǎng)作為基準(zhǔn)來(lái)確定井孔的傾角。井孔的方位角可由包括于鉆柱的底部鉆具組件(BHA)內(nèi)的磁力儀確定。磁力儀用于以地球磁場(chǎng)為基準(zhǔn)測(cè)量局部磁場(chǎng)的分量，通過該分量就可確定井孔的方位角。在許多情況下，除了地球磁場(chǎng)分量外，被測(cè)量的局部磁場(chǎng)還包括基于鉆柱的磁化分量。為得到足夠精確的方位角數(shù)據(jù)，就必須考慮鉆柱的磁化作用。
EP-A-0193230公開了一種使用磁力儀組件確定地層中井孔之方位角的方法，其中磁力儀組件設(shè)置于伸入井孔中的鉆柱內(nèi)，并且在消除鉆柱磁化的軸向影響之前，首先通過消除鉆柱之磁化強(qiáng)度沿垂直軸向的方向上的影響，來(lái)考慮鉆柱的磁化強(qiáng)度。鉆柱在垂直軸向方向上的磁化作用可通過旋轉(zhuǎn)測(cè)量而得以消除，即通過在磁力儀的不同轉(zhuǎn)動(dòng)位置上測(cè)量局部磁場(chǎng)，從而由磁場(chǎng)數(shù)據(jù)得到鉆柱沿垂直軸向方向上的磁化強(qiáng)度。鉆柱的軸向磁化強(qiáng)度可由測(cè)得的磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)計(jì)算出來(lái)。如果對(duì)測(cè)得的磁場(chǎng)作出關(guān)于鉆柱沿軸向和垂直軸向的方向的磁化強(qiáng)度的校正，那么就可以由校正過的磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)確定井孔的方位角，一般情況下，地球磁場(chǎng)在大部分地區(qū)都是已知的。但是，計(jì)算出來(lái)的方位角對(duì)不精確的地球磁場(chǎng)數(shù)據(jù)很敏感，尤其是在測(cè)量基本沿東向或西向延伸的大傾角鉆孔時(shí)，更是如此。
本發(fā)明的目的在于提供一種確定井孔方位角的改進(jìn)方法，這種方法對(duì)地球磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的不精確性不很敏感，即使是在測(cè)量基本沿東向或西向延伸的大傾角井孔之方位角時(shí)，也不很敏感。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用磁力儀確定形成于地層中的井孔之方位角的方法，其中磁力儀設(shè)置于沿井孔延伸的鉆柱內(nèi)，磁力儀相對(duì)鉆柱位于選定的方位上，所述方法包括a)沿井孔選擇至少兩個(gè)具有不同傾角的位置；b)在井孔內(nèi)的每個(gè)所選位置上，以能夠使磁力儀定位于選定位置上的方式安裝鉆柱，操縱磁力儀，從而測(cè)出局部磁場(chǎng)沿一軸線的分量，其中所述軸線相對(duì)磁力儀位于選定的方向上，局部磁場(chǎng)包括地球磁場(chǎng)和鉆柱的磁化場(chǎng)；c)根據(jù)測(cè)量結(jié)果和所選的井孔傾角確定鉆柱的磁化強(qiáng)度對(duì)所測(cè)分量的影響；d)對(duì)測(cè)量結(jié)果作關(guān)于所述鉆柱磁化作用的校正；e)根據(jù)校正過的測(cè)量結(jié)果確定井孔的方位角。
因?yàn)殂@柱及所述的軸線在不同的位置上相對(duì)地球磁場(chǎng)的方位不同，因此，地球磁場(chǎng)對(duì)沿所選方位的軸線測(cè)得的每個(gè)分量在不同的井孔位置上也就不同。另外，因?yàn)樗鲚S線相對(duì)鉆柱磁化場(chǎng)的方向不變，因此鉆柱的磁化強(qiáng)度對(duì)測(cè)得的分量的影響在不同的井孔位置上是相同的。由于所述軸線的方位直接關(guān)系到鉆柱的方位及井孔的傾角，因此可根據(jù)在不同位置上測(cè)得的分量差及在不同位置上的不同井孔傾角來(lái)確定鉆柱磁化場(chǎng)對(duì)所測(cè)分量的影響。這種確定方法的一個(gè)實(shí)施例具體如下所述。
所述局部磁場(chǎng)分量最好是局部磁場(chǎng)的軸向分量，這個(gè)分量就是鉆柱軸向上的分量。應(yīng)該理解鉆柱的磁化場(chǎng)對(duì)垂直軸向方向的磁場(chǎng)分量之影響(如果存在的話)一般小于軸向影響的數(shù)量級(jí)。因此，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合而言，忽略這種垂直軸向方向的影響已經(jīng)足夠精確了?；蛘?，在步驟c)之前，用鉆柱磁化場(chǎng)沿垂直軸向方向的作用對(duì)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行校正。
該方法可被應(yīng)用于在所選位置上縱向軸線基本位于垂直平面內(nèi)的鉆孔。
對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合而言，選擇兩個(gè)具有不同井孔傾角的位置已經(jīng)足夠了。
為提高使用本發(fā)明之方法的精確度，在至少兩個(gè)所述位置上的井孔傾角可以相差至少40°。
如果在第一位置上的井孔傾角小于45°，那么最好根據(jù)地球磁場(chǎng)的垂直分量確定出對(duì)基于鉆柱磁化強(qiáng)度的軸向分量之影響。如果第一位置上的鉆柱磁化強(qiáng)度與第二位置上的鉆柱磁化強(qiáng)度不同，例如由于使用不同的BHA，那么第二位置上的井孔傾角應(yīng)該落入80°-100°之間的范圍內(nèi)。
相反，如果第一位置上的井孔傾角超過45°，那么最好根據(jù)地球磁場(chǎng)的水平分量確定出對(duì)基于鉆柱磁化強(qiáng)度的軸向分量之影響。如果第一位置上的鉆柱磁化強(qiáng)度與第二位置上的鉆柱磁化強(qiáng)度不同，那么第二位置上的井孔傾角應(yīng)該落入0°和+10°之間的范圍內(nèi)。
現(xiàn)參照附圖，接合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，其中附圖

圖1示出了(N,E,V)坐標(biāo)系的水平平面；圖2示出了通過圖1之坐標(biāo)系的直線H的垂直平面；圖3示出了一個(gè)井孔固定的坐標(biāo)系(HS,HSR,Z)和一個(gè)工具固定的坐標(biāo)系(x,y,z)。
在圖1中，示出了北(N)、東(E)和垂直方向(V)構(gòu)成的坐標(biāo)系中的N-E平面，其中直線H是井孔10(圖3)的縱向軸線在N-E平面內(nèi)的投影，角度A表示井孔的方位角。應(yīng)該理解角度A可沿井孔的長(zhǎng)度變化。BN表示地球磁場(chǎng)的水平矢量。
在圖2中，示出了通過直線H的垂直平面。直線T表示井孔的縱向軸線，角度I表示可隨井孔長(zhǎng)度變化的井孔傾角。Bv表示地球磁場(chǎng)的垂直矢量，Bn.cosA是地球磁場(chǎng)的水平分量在直線H上的投影。
在圖3中，示出了井孔10的橫向剖視圖，一坐標(biāo)系(HS,HSR,z)固定于井孔10上，一坐標(biāo)系(x,y,z)固定于磁力儀(未示出)上，用于測(cè)量局部磁場(chǎng)B在坐標(biāo)系(x,y,z)中的分量。磁力儀固定設(shè)置于鉆柱(未示出)內(nèi)，因此可認(rèn)為坐標(biāo)系(x,y,z)固定于鉆柱上。HS-軸、HSR-軸、x-軸和y-軸在井孔的橫向平面內(nèi)的P點(diǎn)延伸，在該點(diǎn)上，x-軸和y-軸相對(duì)HS-軸、HSR-軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度α，該角度被稱為工具面角(tool-face angle)。z-軸沿井孔10的縱向延伸。鉆柱還可設(shè)置有一個(gè)加速度儀(未示出)，用于測(cè)量地球重力場(chǎng)G在坐標(biāo)系(x,y,z)中的分量。
在常規(guī)的操作過程中，磁力儀測(cè)量局部磁場(chǎng)矢量B的分量BX,BY和BZ，而當(dāng)鉆柱保持靜止時(shí)，加速度儀測(cè)量重力場(chǎng)矢量G的分量GX,GY,GZ。工具面角α和傾角Ⅰ由下列等式確定GHS=GXcosα-GYsinα(1)GV=GZcosI-GHSsinI(2)GZsinI+GHScosI=0 (3)其中GHS為G在HS方向上的分量；GV為G在V方向上的(已知)分量。
由測(cè)得的數(shù)值BX,BY,BZ和工具面角α可確定坐標(biāo)系(HS,HSR,Z)內(nèi)的分量B，從而得出局部磁場(chǎng)矢量(BHS,BHSR,BZ)。這些分量包括地球磁場(chǎng)和鉆柱磁化強(qiáng)度的作用。用(BHSe,BHSRe,Bze)來(lái)表示地球磁場(chǎng)矢量，用(CHS,CHSR,Cz)來(lái)表示鉆柱的磁化強(qiáng)度矢量，那么局部磁場(chǎng)矢量就是(BHS,BHSR,BZ)=(BHSe,BHSRe,Bze)+(CHS,CHSR,Cz)(4)這樣，就可以確定鉆柱磁化強(qiáng)度沿垂直軸向的方向上的作用，并可通過“旋轉(zhuǎn)測(cè)量法”將其從磁場(chǎng)矢量中除去，從而可在井孔內(nèi)在磁力儀的不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度上進(jìn)行大量的測(cè)量，如EP-A-0193230所述。消除這種作用后，局部磁場(chǎng)矢量為(BHS,BHSR,BZ)=(BHSe,BHSRe,Bze+Cz) (5)垂直分量BHSe與Bze之和等于磁場(chǎng)的垂直分量Bv(BHSRe沒有垂直分量)，這樣就得出Bv=-BHSesinI+BzecosI而且由等式(5)
Bv= -BHSesinI+(Bz-Cz)cosI(6)通過在具有不同傾角Ⅰ1和Ⅰ2的兩個(gè)井孔位置操作磁力儀，得到兩個(gè)局部磁場(chǎng)矢量(BHS1,BHSR1,Bz1)和(BHS2,BHSR2,Bz2)，并且由等式(6)得出Bv=-BHS1esinI1+(Bz1-Cz1)cosI1---(7)]]>Bv=-BHS2esinI2+(Bz2-Cz2)cosI2---(8)]]>軸向的鉆柱磁化強(qiáng)度主要決定于BHA的磁性，而不是決定于井孔的傾角。因此，我們認(rèn)為只要BHA不更換，那么Cz1=Cz2=Cz(9)等式(7),(8),(9)中包含了未知量Bv,Cz1和Cz2。傾角Ⅰ1和Ⅰ2可由通過一個(gè)或多個(gè)包括于鉆柱中的加速度儀測(cè)出的結(jié)果而得知。可以發(fā)現(xiàn)Cz(cosI2-cosI1)=BHS1esinI1-Bz1cosI1-BHS2esinI2+Bz2cosI2---(10)]]>從上述等式中可確定Cz。
現(xiàn)在可用軸向鉆柱的磁化強(qiáng)度對(duì)每個(gè)點(diǎn)上的局部磁場(chǎng)進(jìn)行校正。
由于Cz對(duì)井孔傾角的變化比較敏感，因此上述方法最好用于井孔傾角較小的情況下，即傾角小于45度的情況下。
對(duì)于井孔傾角大于45度的情況，最好使用下述的方法。
BHSe和Bze沿方向H的分量之和等于地球磁場(chǎng)沿方向H的分量，因此得出BncosA= BHSecosI+ BzesinI (11)或者BncosA=BHSecosI+(Bz-Cz)sinI(12)對(duì)于傾角分別為I1和I2、方位角分別為A1和A2的兩個(gè)點(diǎn)而言，可得出BncosA1=BHS1ecosI1+(Bz1-Cz1)sinI1(13)BncosA2=BHS2ecosI2+(Bz2-Cz2)sinI2---(14)]]>如上所述，用垂直軸向的鉆柱磁化強(qiáng)度對(duì)上述兩個(gè)點(diǎn)作過校正的局部磁場(chǎng)之HSR分量為
BHSR1e=-BnsinA1---(15)]]>BHSR2e=-BnsinA2---(16)]]>從等式(13)至(16)，由于Cz1=Cz2=Cz(例如用于BHA未更換的情況下)，因此可得出(BHSR1e)2+(BHS1ecosI1+(Bz1-Cz)sinI1))2-(BHSR2e)2+(BHS2ecosI2]]>+(Bz2-Cz)sinI2))2=0 (17)等式(17)是一個(gè)關(guān)于Cz的二次式，Cz的求解方法一般有兩種?？梢詮膬煞N方法中選擇所給水平磁場(chǎng)分量與期望水平磁場(chǎng)分量最接近的那種求解方法。這樣，就可對(duì)每個(gè)位置上的局部磁場(chǎng)作軸向鉆柱磁化強(qiáng)度方面的校正。
如果在測(cè)量過程中在不同的測(cè)量位置上使用不同的BHA，那么Cz1通常不等于Cz2。因此，對(duì)于傾角較小的情況而言，即當(dāng)使用等式(10)時(shí)，至少一個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的井孔傾角介于80°至100°之間，最好約為90°，因?yàn)榈仁?7)和(8)中的分量Cz1cosI1或Cz2cosI2之一將基本變?yōu)榱恪?br> 類似地，對(duì)于傾角較大的情況而言，即當(dāng)使用等式(17)時(shí)，至少一個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的井孔傾角介于0°至10°之間，最好約為0°，因?yàn)榈仁?17)中的分量Cz1sinI1或Cz2sinI2之一將基本變?yōu)榱恪?br> 也可以替代上述使用兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的情形，使用兩個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)來(lái)作軸向鉆柱磁化強(qiáng)度方面的校正。
權(quán)利要求
1．一種使用磁力儀來(lái)確定地層中井孔方位角的方法，其中磁力儀設(shè)置于沿井孔延伸的鉆柱內(nèi)，所述磁力儀相對(duì)鉆柱位于選定的方位上，所述方法包括以下步驟a)沿井孔選擇至少兩個(gè)具有不同傾角的位置；b)在井孔內(nèi)的每個(gè)所選位置上，以能夠使磁力儀定位于選定位置上的方式安裝鉆柱，操縱磁力儀，從而測(cè)出局部磁場(chǎng)沿一軸線的分量，其中所述軸線相對(duì)磁力儀位于選定的方向上，局部磁場(chǎng)包括地球磁場(chǎng)和鉆柱的磁化場(chǎng)；c)根據(jù)測(cè)量結(jié)果和所選的井孔傾角確定鉆柱的磁化作用對(duì)所測(cè)分量的影響；d)對(duì)測(cè)量結(jié)果作關(guān)于所述鉆柱磁化作用的校正；e)根據(jù)校正過的測(cè)量結(jié)果確定井孔的方位角。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于位于選定位置上的井孔之縱向軸線基本位于一個(gè)垂直平面內(nèi)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于至少兩個(gè)所述位置上的井孔傾角相差至少40°。
4．根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的方法，其特征在于所述局部磁場(chǎng)的分量是局部磁場(chǎng)的軸向分量。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于第一個(gè)所述位置上的井孔傾角小于45°，而且步驟(c)包括通過以下關(guān)系確定鉆柱磁化強(qiáng)度之軸向分量的影響Cz(cosI2-cosI1)=BHS1esinI1-Bz1cosI1-BHS2esinI2+Bz2cosI2]]>。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于位于第一位置上的磁力儀之鉆柱磁化強(qiáng)度不同于第二位置上的磁力儀之鉆柱磁化強(qiáng)度，第二位置上的井孔傾角介于80°-100°之間。
7．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于第一個(gè)所述位置上的井孔傾角大于45°，而且步驟(c)包括通過如下關(guān)系式確定鉆柱磁化強(qiáng)度的軸向分量(BHSR1e)2+(BHS1ecosI1+(Bz1-Cz1)sinI1))2-(BHSR2e)2+(BHS2ecosI2]]>+(Bz2-Cz2)sinI2))2=0
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于位于第一位置上的磁力儀之鉆柱磁化強(qiáng)度不同于第二位置上的磁力儀之鉆柱磁化強(qiáng)度，而且第二位置上的井孔傾角介于0°與10°之間。
9．根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的方法，其特征在于磁力儀確定局部磁場(chǎng)在一個(gè)坐標(biāo)系中的分量，所述坐標(biāo)系包括一個(gè)大體佳于井孔軸向上的第一軸，一個(gè)大體位于井孔高邊方向上的第二軸和一個(gè)大體位于井孔高邊右側(cè)方向上的第三軸。
10．根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的方法，其特征在于兩個(gè)所述的位置是沿井孔選擇的。
11．參照附圖如上述說明所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用磁力儀來(lái)確定地層中井孔方位角的方法,其中磁力儀設(shè)置于沿井孔延伸的鉆柱內(nèi),所述磁力儀相對(duì)鉆柱位于選定的方位上。這種方法包括以下步驟:a)沿井孔選擇至少兩個(gè)具有不同傾角的位置;b)在井孔內(nèi)的每個(gè)所選位置上,以能夠使磁力儀定位于選定位置上的方式安裝鉆柱,操縱磁力儀,從而測(cè)出局部磁場(chǎng)沿一軸線的分量,其中所述軸線相對(duì)磁力儀位于選定的方向上,局部磁場(chǎng)包括地球磁場(chǎng)和鉆柱的磁化場(chǎng);c)根據(jù)測(cè)量結(jié)果和所選的井孔傾角確定鉆柱的磁化對(duì)所測(cè)分量的影響;d)對(duì)測(cè)量結(jié)果作關(guān)于所述鉆柱的磁化影響的校正;e)根據(jù)校正過的測(cè)量結(jié)果確定井孔的方位角。
文檔編號(hào)E21B47/022GK1305565SQ99807513
公開日2001年7月25日 申請(qǐng)日期1999年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月18日
發(fā)明者羅賓·A·哈特曼 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司