CN101421483A - 使用安装在钢井壁管上的螺旋线圈源以电磁方式确定钻头的相对位置 - Google Patents
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Abstract
安装在基准井中的电能供电的电磁场源信标与所钻探的钻孔中的钻头附近的与下井的随钻测量(MWD)电子勘测仪器相结合，来实现钻探导向的距离和方向测量。每个磁场源信标包括缠绕在基准井中的两节钢管之间的钢连接件上的导线线圈，并由电子组件供电。电子组件中的控制电路持续“监听”并识别由钻机发起的“起动”信号，在接收到“起动”信号后，信标被短时间供能，在这段时间内产生可由MWD装置测量的电磁场。所产生的电磁场可以是AC磁场，或开关电路可周期地翻转所产生的DC电磁场的方向，并且测得的电磁场矢量分量通过已知的数学方法确定钻头和信标的相对位置坐标。磁场源和供电电子组件可以是基准井井壁管的一体部分，或者是安装在其中的临时作业管列的一部分。一般来说，可沿基准井的长度安装多个信标，尤其是在钻探蒸汽协助重力泄油(SAGD)井对的重要油田应用中。
Description
发明背景
本申请要求提交于2006年6月5日的No.60/810,696号美国临时申请和提交于2006年6月20日的No.60/814,909号美国临时申请的权益，这些文献的公开内容被援引包含于此。
本发明总地针对跟踪在地下较大深度处孔眼钻取的方法和装置，更具体地涉及通过位于基准井壁管上的信标确定基准井与正在钻探的孔眼的相对位置的方法。
在跟踪和导向打算在精确确定的路径上横穿、绕开或钻透在地表下面大深度的基准井的孔眼钻探过程中遇上的困难是众所周知的。例如当想要建造复杂的用于抽出地下气体、油或沥青沉积物的地下“管系”时，则要求这样的导向。在过去几年中已研发出各种用于精确钻探这类孔眼的电磁方法并取得了巨大的成功。所使用的这些方法和仪器记载于例如颁发给本申请人的No.4,323,848和No.4,372,398号美国专利以及Morris等的4,072,200号美国专利，另请参见于1990年5月29日颁发给Barnett等人的1,269,710号加拿大专利。
总体而言，尽管相对已有井的孔眼的导向取得了长足的进步，然而在已有技术不足以提供要求针对某种情势提供精确控制的情形下，会产生特殊的问题。例如，当在包括许多其它井的场合下想要定位并或者避开或横穿具体目标井时，就会产生问题。当从一个位置(例如钻探平台)的井源引出多个井时，就会发生这种情况，并且钻探避免横穿相邻井或为了横穿具体的一个井的新孔眼变得必需。在这种情形下，所有井开始于近乎相同位置并向下伸展并彼此向外分开。所钻探的新孔眼可开始于与其它井源相同的总位置，或开始于离目标井的井源几百英尺的位置，并且如果要求横穿、绕开特定的井，则在诸井之间作出区别的问题是棘手的。
当钻探非平行井时，例如钻探通过多个垂直井地域的水平井时(反之亦然)，也会遇到跟踪和导向的问题，在那种情况下要求绕开已有井，或者要求横穿特定的井。另一困难区域发生在多个水平井的钻探中，具体是所钻探的井必需基本平行于已有井。提供两个或多个紧挨着但具有精确控制的间距的水平井的需求出现在许多背景技术中，例如石油工业中的蒸汽协助回收项目，其中将蒸汽注入一个水平井并从另一井回收流动的粘性油。该工艺记载于1992年6月30日发布的Edmunds等人的No.1,304,287加拿大专利中。另外例如有毒废物处置地点的领域，其中需要水平的平行井以将空气泵抽入一个井并通过空气使有毒流体进入另一个井以供回收。又如热岩地热能系统，其中需要钻探平行井以将冷水注入一个井并从另一个井中回收热水。再如管道产业的孔眼钻探，其中连接地下孔眼的问题要求从钻探的孔眼——例如从河的相对两侧——精确地对准。
钻探水平、平行井的需要是重油砂流动的最直接的考虑因素，其中靠近且平行于已有水平井、以大约5米的间距水平延伸几千米或在深度上延伸更大距离(例如500米或更多)的孔眼被钻探出。可跟随产油沙的水平层相对靠拢地钻探出多个这样的井，并且必需低成本地钻探这些井，而不引入附加设备和人员。
发明内容
根据本发明，在精确地、有控制地钻探彼此靠近的两个或更多孔眼过程中遇到的困难是通过用于测量两个孔眼之间的距离和方向的装置克服的，所述装置包括安装在第一孔眼中的第一选定点的螺旋线圈组件，其中第一孔眼在选定点具有已知的斜度和方向。螺旋线圈组件包括有源地等待启动信号的电子电路，并且一旦接收到启动信号，则规定的电流开始流入螺旋线圈以在短时间内产生特征已知的螺旋线圈磁场。藉由钻探控制器通过适宜的通信装置将启动信号从地表发出。将磁场传感器布置在第二孔眼中的第二选定点，并测量第二点处的特征螺旋线圈磁场的三个矢量分量。用于确定磁场传感器的空间方向的方向电路位于第二孔眼的第二点处。提供处理器，它响应测得的传感器的空间方向并响应第二孔眼的第二点处的测得矢量分量，并进一步响应特征已知的螺旋线圈磁场来确定第一点和第二点之间的距离和方向。
特征磁场是通过采用安装在第一井中的一个或多个电供能的电磁场信标产生的，并且是通过第二孔眼中的下井随钻测量(MWD)电子勘测仪器测得的。第一孔眼可以是基准井，而MWD仪器可在所钻探的孔眼中的钻头附近。每个磁场源信标包括线圈，该线圈缠绕在基准井中两节钢管之间形成连接的钢连接件上并由电子组件供电。电子组件中的控制电路持续“监听”并识别由钻头启动的“起动”信号。在已接收到“起动”信号后，在产生电磁场的短时间内对信标供能，所述电磁场是通过随钻测量装置测得的。开关电路周期地翻转所产生的电磁场的方向，并且测得的电磁场矢量分量用来通过已知数学方法确定钻头和信标的相对位置坐标。
磁场源和供电电子组件是基准井壁管的集成部件或可以是安装在其中的临时作业管列的一部分。在许多情形下，每个信标在其使用寿命中仅供能几次，并且总体而言，可沿基准井的长度安装数个信标，尤其是在钻探SAGD(蒸汽协助重力泄油)的井对的重要油田应用中。
根据本发明的第二方面，一种用于测量伸入地层的两孔眼之间的距离和方向的方法包括下列步骤：在第一孔眼的第一选定点安装螺旋线圈组件，其中第一孔眼在所选定点具有已知的斜度和方向，并在第二孔眼中的第二选定点布置磁场传感器，用来测量第二点处的磁场和重力矢量分量。确定磁场传感器的空间方向，并在螺旋线圈组件中设置有源地等待启动信号的电子电路。远端换能器在钻头控制器的控制下发送启动信号，这使规定的电流开始流入螺旋线圈以短时间地产生其特征已知的螺旋线圈磁场。
该方法还包括用第二孔眼中的第二点处的传感器监测特征磁场的矢量分量，并响应在第二孔眼中的第二点处测得的传感器的空间方向和测得的矢量分量确定第一点和第二点之间的距离和方向。
本发明的方法和装置固有地具有很长的测量范围，此外可提供精确测量并且具有许多用途。
附图说明
通过下面结合附图对较佳实施例的详细说明，本发明的前述目的、特征和优点对业内人士而言将变得更为易懂，在附图中：
图1是本发明用于钻探SAGD井对的系统的示意图；
图2是安装在一段井壁管上的图1所示系统的螺旋线圈和电子组件的示意图；
图3是具有电磁开关以启动导通图2的螺旋线圈的井壁管电流检测绕组的示意图；
图4是示出具有电磁通信的信标的SAGD井对的示意图，其中电流注入源发送经编码的“起动”信号；
图5示出用声波开始的SAGD系统的整体布局；
图6示出具有安装在作业管列上的耦合信标源的SAGD井对；
图7示出具有多个源的SAGD作业管列，它具有为信标源供电并与之通信的绝缘导线；
图8示出具有作业管列和作业管列内的绝缘导线的SAGD钻探系统的整个钻探系统布局；
图9示出由矢量m和h界定的平面上的磁力线；以及
图10是从角度Amh寻找角度Amr的曲线图。
具体实施方式
现在对本发明进行更详细的描述，图1示出在用于SAGD(蒸汽协助重力泄油)从非流动沥青烃形态产油的油田14中的一对井10和12的总览图。如图所示，井10是事先钻探并成壁的水平井，它作为基准井，而井12正沿靠近或平行于第一井的水平部分的路径钻探。在这种重要的SAGD应用中，蒸汽被注入上井12以熔解沥青并使其流至下井10，沥青从下井10泵送至地表。该井对的一个重要的技术指标是位于烃层面的井对的水平部分彼此必须精确地平行并具有精确规定的间距。典型地，该井对水平伸出1.5km并且在该长度上具有5+/-1米的间距。与之前使用的方法相比，本发明所提供的重要改进是：在钻探第二井的同时不需要接近第一“基准”井。
使用传统钻探工具钻探基准井10，该传统钻探工具一般包括钻探电机和具有电子控制组件的可转动、方向可控的钻探设备，例如随钻测量(MWD)系统中所见到的那些。使用传统导向技术沿规定路线钻探第一井，并随后用钢管套入其中，总体表示为16。根据本发明的较佳形式，在套入过程中，各自包括井壁管连接件的一个或多个电磁信标18(其说明在后面给出)在规定地点安装于该井中的各节井壁管之间。尽管信标连接件可具有规定的沿井孔向前的极性方向，然而“井壁管敷设组”以与安装普通管接头相同的方式安装这些信标连接件。这些连接件可安装为基准井壁管16的永久部分或安装为在一个临时用“作业管列”(安装在基准井内)中的连接结构。
在井壁管安装在基准井内后的几个月内，沿相对井10规定的平行路径钻探该井对的第二井12。在钻探第二井的同时对本发明的电磁信标供能以向钻机提供周期测得的、更新的与基准井的位置关系，从而阻止新井偏离路线。在钻探孔眼时，钻机的标准实践是在将一节新的钻探管安装于钻探管列的同时，使用地球磁场和重力方向的MWD测量周期地作出钻头范围和方向确定。就在这几次判断中，向基准井内的电磁信标提供起动信号以简单地将其导通，从而允许在作出其它测量的同时作出对所钻探的井处的信标的电磁场分量的测量。该信标电磁场的测量可采用No.6,814,163美国专利所公开的技术。在基于这些测量作出相对位置和钻探方向的判定后，根据需要对井12的下一钻探间隔的钻探方向作出调节，从而作出轨迹校正。
用于SAGD应用的电磁信标18在图2中以横截面示出。信标包括连接件19，它可以是例如将近3英尺长并在其相对的两端具有阴螺纹20、22的带螺纹钢管。连接件19用来连接两节7英寸直径的开槽井壁管段23和24，典型为40英尺的两节管段。若干信标18、18a、18b等可用来端对端地连接相应井壁管段，从而在井的下端形成井10的工作部分26，如图1所示。信标18、18a、18b等完全是配套的，并作为普通井壁管连接件安装。诸信标在结构上相似，并如图2所示，每个信标18包括较佳在形成于连接件侧壁32中的槽30内缠绕于连接件本体19外缘周围的线圈28，较佳地，用环氧树脂填满线圈并且用玻璃纤维或Kevlar覆盖线圈。另外，线圈可由非磁性、不锈钢保护盖34的保护，该保护盖34嵌入于侧壁32的相应凹口36中，以与侧壁的外表面37平齐。电子组件、起动传感器和电池组用环氧树脂“罐装”入连接件19外缘上的小凹腔38和40内，从而构成电磁信标18。在安装后，每个信标等待相应的启动、或“起动”信号，一旦接收到该信号，选定信标产生相应电磁场，在图1中分别由磁力线44、44a和44b表示。电磁场是短时间产生的，或者是猝发的，但足以在MWD工具48处实现要求的测量。
在一个实例中，主电磁场发生线圈28大约20英寸长，并由缠绕在7英寸直径连接件19上的500匝的#18磁铁用导线构成以形成螺旋线圈。线圈完全用环氧树脂填满并用将近1/8英寸厚的保护性玻璃纤维层覆盖。如果需要，可用Kevlar层代替玻璃纤维。可进一步安装非磁性不锈钢盖34，尽管在多数情形下这是不需要的。从连接件的两端延伸出的两节钢制井壁管23和24长度成为螺旋线圈的铁磁芯的一体部分，以使螺旋线圈的电磁极间距远大于连接件长度。
使选定的信标单元开始工作的“起动”信号的发送可采用多种方法中的任何一种。一种简单的方法是在所钻探的井中的MWD设备中提供声波源。如图1所示，位于由井12中的钻杆52承载的钻探工具50上的MWD设备48包括声波源53，该声波源53被启动以从MWD地点发送声波脉冲串。在这种情形下，MWD单元包括传感器，用来检测来自位于例如地表的钻井架的钻机的控制台54的以已知方式启动的经编码的钻探液压脉冲。经编码的脉冲的产生可利用包括将传统钻探液压泵导通和截止以通过规定的、编码的方式产生钻探流体的压力脉冲的公知技术。如图1中56所示，MWD单元随后响应所接收的流体脉冲以发送声波脉冲串至井10中的电磁信标。声波脉冲串被编码以仅导通信标18、18a、18b等中所选定的一个，并且在选定信标的凹腔38或40内承载的电子组件中的声波传感器工作以导通螺旋线圈28的电源，从而产生磁场44、44a、44b等中对应的一个。
在许多SAGD钻探操作中，用电磁通信系统代替压力脉冲系统以在地表和钻探的井中的MWD单元之间交换数据。在这种情形下，电信号沿钻杆52发送并通过MWD单元检测出。如果需要，可通过将信号编码以启动MWD单元中相应声波发射机来产生由基准井10中的信标检测的脉冲或脉冲串56并启动所选信标，从而将这些信号用来起动信标。
或者，相对简单的做法是将磁场传感器包含在每个信标中，以通过井12中的钻杆52中的电流所产生的磁场来启动选定的信标，或通过基准井10的井壁管列58中的信号电流启动所选信标，所述基准井10的井壁管列由端对端连接的井壁管段构成，例如前述的井壁管段23和24。为此，如图3所示，这样的磁场传感器可包括在缠绕于信标连接件66外缘周围的槽64内的高导磁性透磁合金线圈62上的螺旋管形变压器传感器绕组60，或者它类似于信标18。同样可用环氧树脂填充并用玻璃纤维或Kevlar覆盖的螺旋管形绕组60充当磁拾波器或传感器线圈，用来检测沿钻探列52或基准井井壁管列58的经编码的交流电所产生的磁场。该传感器线圈通过一低功率、低噪声放大器连接于凹腔38或40内的电子组件，并且该放大器连接于与上面结合图2描述的线圈相同的发射机线圈28，以产生如图3和图4所示的经改型的信标70。可以理解，图1-图4中具有相同标号的部件是相同的。
当从钻机的控制台54以电磁方式沿钻杆52发送经编码的“起动”信号时，该信号由MWD装置48(图1)检测出，以提供对钻探工具的控制信号。另外，钻杆52中的电流产生包围钻杆的环形磁场72，并且该磁场在远端由基准井的井壁管中的信标(例如信标70)检测出，以将信标导通。
代替将用于控制信标操作的电磁通信电路与MWD仪器48的软件整合，提供与信标70协作的独立信标通信系统——例如图4所示的80——常常是有利的。为本文中公开的SAGD应用提供这样的独立系统只需简单地将电绝缘金属线84上的电极82降低至基准井10的近似垂直部分86并使电极与基准井井壁管58接触。在地表上，金属线84连接于电流源88，电流源88能通过电极82在例如将近10赫兹的频率下将经数字编码的几安培电流信号注入井壁管58，该电流沿井壁管流动以供信标70中的绕组60检测。由螺旋管形拾波绕组60完成的可靠检测仅需非常小的电流，因此只需要使通过电极82注入井壁管的电流中的很小一部分通过连接件66并因此通过传感器线圈60的透磁合金列或磁芯62。包含在井壁管中的每个信标70上的凹腔38或40内的接收电子组件只对其规定的数字代码作出响应，该代码被编码在启动于钻探控制台54的“起动”信号中并通过控制线90控制电流源88。一旦特定信标接收到“起动”信号，信标中的电子组件启动螺旋线圈绕组，以在信标位置的基准井井壁管列附近产生相应的磁场44。
图5示出包含与根据本发明迄今为止所描述的信标相同的连接件信标102的整个钻探系统100。在作为本发明诸实施例的一个示例的所示系统中，地表上的钻机控制台104能以已知方式发送、接收和处理用于控制钻探操作的数据。为了与下井的设备105通信，控制器分别通过在控制器和下井设备处的压力换能器107和108发送和接收数据压力脉冲106。脉冲106在所钻探井的钻具组内的钻井流体内行进。从地表换能器107发来的脉冲由下井的换能器108接收并被送至由钻头所承载的常规MWD组件110。这些压力波也可由所钻探的井内的钻具组中的“震动器(jars)”产生。震动工具被设置在最低孔钻探组件内，以使钻机在卡住后释放钻头。
下井的设备105中的声波换能器112例如藉由电子组件114连接于MWD组件110，所述电子组件114包括发声器和声音传感器以及用于检测由信标102产生的磁场的电磁场传感器。电子组件114包括响应通过MWD组件110从控制台104接收的编码信号以产生相应声波脉冲120的处理器。从所钻探的井中的下井的设备105发起并经过中间地质结构的声波脉冲或脉冲串120由信标102上的换能器122检测出，并由信标处的接收放大器和处理器124接收。在许多情形下，大约1秒时长的声波脉冲串就足够长以与信标通信了。这使具有在实际进行钻探的同时排斥由钻头产生的宽带的、强烈的噪声的窄频带的极低功率的接收器124的使用成为可能。在本发明的较佳形式中，每个信标接收器从将信标安装在井壁管列的时候开始就持续保持待机，等待启动脉冲串。在多数情形下，在该脉冲串中进行简单的编码以确保仅导通特定信标是有利的。
如上所述，声波脉冲串120通过以规定方式导通和截止钻探流体泵而从钻机控制台104由钻机发起。这将压力脉冲106从换能器107向下传送至钻具组中的钻探流体，该信号由连接于MWD单元110和电子组件114的井下换能器108检测出，以产生相应的声波信号120。所选定的信标响应声波脉冲串以简单地用如上所述经编码极性和螺旋线圈电流对信标上的螺旋线圈绕组28供能，从而产生相应的磁场44。MWD组件110或连接于MWD组件的电子组件114中的电磁传感器接收信号平均值，并处理由螺旋线圈产生的交流磁场44的三个矢量分量。由纽约州伊萨卡岛的Vector Magnetics LLC制造的随钻测量工具包括AC电磁场测量所需要的电磁场检测元件；然而，许多市面上的标准MWD组件被编程为仅测量地球磁场强和重力的三个矢量分量。因此，为了引入测量由信标产生的AC磁场44所要求的AC能力，需要对这种标准工具的处理电子器件重新编程，或者提供如图5中114所表示的“附加”AC单元。
电子组件126例如由信标102承载在前述凹腔38或40内，并包括标准外围接口电路(PIC)和场效应管(FET)电路，用来在大约2赫兹的电流翻转频率下将大约1安培电流引入螺旋线圈28大约10秒。传统地使磁场翻转次数反比于注入线圈的电流，以使产生的磁矩和激励时间的乘积为常数，由此即使电池电压会随电流负载和寿命而变化，照样使经整合的电磁信号保持固定的量。第一个电流半周期的电流极性可用来定义电磁场的极性。
四个或五个“AA”碱电池能够产生大约200安培·米2的磁矩，对于至少30米远的距离确定来说，这足够了。来自一个“AA”碱电池的一安培电流使它产生从大约1.56伏至大约1.3伏的开路电压的负载。该电池额定在大约0.5安培—小时。测试还指出，所使用的这些电池和集成电路可在没有保护性探头罩并受到至少3000psi压力的情况下工作。因此可轻易地满足针对许多SAGD应用场合的一般要求。
一旦信标进入范围以使其磁场被所钻井的MWD工具检测到，就对两井孔之间的相对距离作出判断以建立监视连结点。然后较佳地使用传统钻它技术继续钻探至下一个信标，它可以是往前100米或更远。
在MWD组件检测到的信号平均电磁场矢量分量，连同通过MWD工具获得并用来确定方位角的地球磁场和加速度计数据、钻探组件的倾角和倾侧角(rollangle)一起通过换能器108和107沿井孔向上地送至钻机的控制台，从而以已知方式发送和接收钻探流体中的压力脉冲106。
一般而言，使用本文所述的原理提供交流磁场和AC检测方法的电池供电信标的设计远比使用DC方法来得简单；另外，对于给定量的电功率，AC方法提供比DC信标大得多的测量距离。然而，使用电池功率的DC信标激励是可行的，因为使用具有仅测量地球磁场矢量能力的市面上标准MWD钻探设备常常是有利的。
DC磁场源在钻探导向系统中的使用记载于No.Re 036,569美国专利，其中以一极性在短时间内激活直流电产生的电磁场并随后以另一极性在短时间内再次激活。在每段时间内测量视在地球磁场。通过减去这两种情形下的视在地球磁场测量的三个矢量分量，可得到从DC磁场接收到的电磁场矢量。经处理的所接收电磁场的三个矢量分量包含在标准MWD组件的数据流中并使用标准钻探液压脉冲技术被传送至钻机，在那里它们被进一步处理。
尤其适于前述装置的DC螺旋线圈激励的本发明的若干变化形式示出于图6和图7中。在图6的实施例中，其中与前面的图相同的部件被标以相同的附图编号，总地由128表示的信标系统包括多个信标连接源，例如信标18、18a、18b的集合，它被组装成临时的“管作业管列”130。在该应用中，作业管列130可由多段2.875英寸直径的管构成，这些管通过多个配套安装的信标18、18a、18b等端对端地连接，而柱130在开始钻探第二井对之前暂时布置在基准井井壁管132内。在第二井12的钻探结束后，拉出作业管列130并找回连接件信标。在这种布置中，由于作业管列内的整个体积可用，设置电池和电子器件的空间不再成问题，并使可逆直流电、强螺旋线圈源变得更易实现。本方法无需使用隔开的导体线，例如前述的线84，并由于作业管列130在钻探井12的整个过程中均在基准井中，因此不必在整个钻探操作中保持井牵引小组待命，以在水平基准孔眼中连续地布置螺旋线圈，如美国Re036569中公开的螺旋线圈或美国专利5,589,775中公开的检测仪器。
作业管列130可承载通信信号，例如那些针对图4的系统描述的信号，其中电极82将电流提供给井壁管以供沿井孔向下的螺旋管形拾取绕组60检测。然而，一般要求省去表面和信标之间的电线安装。因此，即使在利用临时作业管列时，从远端启动电池供电的信标的操作的通信系统也是有利的。如结合图5所述那样，从MWD地点发出的声波是实现这种行为的一个途径。
另一实施例示出于图6中，其中压力发射机134被安装在作业管列130的地表端或安装在基准井12中的井壁管132的地表端。发射机可“锤击”作业管列或井壁管，由此沿作业管列130或井壁管132发送撞击或压缩冲击波。这些波可承载经编码的起动信号，这些信号随后由各信标连接件18、18a、18b等中的压电、地下检波或水下检波换能器检测，以激活选定信标中的电磁场发生电路。经编码的压力脉冲也可在基准井10的流体中启动，或如前述方式通过在所钻探的井12中产生的压力脉冲启动，并通过由加有井壁管的基准井中的作业管列130承载的各信标检测出。
如图7所示，有时可将电绝缘导线140安装在基准井中，具体地说是安装在临时作业管列130中，从而对下井的全部信标(例如信标18、18a、18b等)供电并通信。当完成时，一般要求使用连接于地表上的电流源142的单个导体电气系统。该电流源可以是AC控制的电流源或DC源，其中管列130或井壁管132用于144所示的电流回路。图7所示的结构示出在作业管列130中的导线140，所述导线140传导用来为信标供电的几安培电流以及用来与各信标通信的遥测信号。
图8中示出用于图7装置的整个电子器件和计算机控制系统150。钻机控制台54、包括换能器107和108的钻探液压脉冲通信系统以及MWD硬件110与平常使用的上述那些部分相似。MWD软件被编程以在钻井的同时连续对视在地球磁场作出两次测量。在钻探停止并作出监视测量后，在基准井10的地表位置处的钻机启动遥测接收和发送电路152，藉由前面结合图4和图7说明的连接线90或藉由图8所示的无线电链路154将接近200千赫的高频遥测信号施加于作业管列130内的绝缘导线140。全部信标156、158、160等——它们中的每一个都与前述信标18相似——连接在作业管列130中，并且每一个都具有遥测通信电子器件，例如针对信标160示出并设置成接收其本身频率的电子组件162。例如，在图8所示的装置中，信标156监听190千赫信号，信标158监听200千赫信号，而信标160监听210千赫信号等。每个遥测组件对其相应的经编码遥测信号作出响应，以激活其相应的PIC控制和FET开关电路，例如信标160的电路164，从而激活所选信标。由此钻机以特定极性和激励时间段导通特定信标。该激励电力同时作为直流电、极性经编程的直流电或作为交流电由绝缘导线140传导。
如上所述，每个信标因此具有自立的电子组件，所述电子组件不仅包括外围接口控制器(PIC)还包括能够向螺旋线圈施加所需要的激励电流的螺旋线圈电流调节和测量电路和遥测器。如此，或者将交流电直接施加于信标，或者施加几安培的“正”直流电将近10秒，在这段时间内钻探组件上的MWD单元作出视在地球磁场测量。这之后是相似的“负”电流激励和测量。将这两次测量减去视在地球磁场测量得到由信标产生的电磁场的矢量分量，而对两次测量求平均则给出地球磁场的矢量分量。将这些测量发送至可作为钻机控制台54的一部分的数据处理器，在那里计算井12的位置和钻探方向并为下一段进程作出钻探方向调节，在这之后作出相似的测量。在给出的信标位于钻探位置之后过远而无法给出足够精确的结果后，则使用普通的非信标导向方法继续钻探，直到下一个信标进入量程范围，此时重复前述过程。
尽管已公开若干用于信标布置、信标通信和信标激励以及磁场检测的系统，然而应当理解它们可实现为相互之间的各种组合以满足具体的钻探要求。
对于本发明的SAGD应用，这些方法用于位置和方向确定的具体数学理念是公知的并已在多篇出版物中公开，例如No.6,814,163美国专利。本专利中示出的数学细节的代数操作可由精通物理和数学的人士容易地应用本发明结构。下面对该过程的突出特征的描述提供对本方法的一般理解。
图9中示出全部考虑事项，其中示出与由螺旋线圈产生的磁偶极子场(例如由图1的螺旋线圈18产生的磁场44)关联的几何形状。所研究的信标可从数学上表示为对磁偶极子的良好逼近，即具有与位于170、带磁力线172的条形磁铁相似的磁场几何形状，如图9所示。条形磁铁具有轴线方向m和强度M。在空间中的任何点P具有从条形磁铁至点P的含方向r和量值R的空间矢量R*r。在点P具有含方向h和量值H的电磁场矢量H*h，该电磁场矢量由MWD装置测得。数学任务是从测得的矢量场H*h获得空间矢量R*r。
图9中的重要特征是以磁偶极子方向m、从偶极子至点P的方向矢量r以及磁场的方向h构成的三个矢量全部共面；即矢量r位于由方向矢量h和m界定的平面内。因此，假设h和m彼此不平行，则定义一平面，r位于该平面内。其必然的结果是，如果观察点“横靠”m和h平行的源，则无法确定观察点针对水平井的右左、上下位置。
如果这三个矢量量值M、R和H被规定为正数，则关联的方向矢量m、r和h具有图9所示的唯一方向。在任一“磁力线瓣”上，例如图9所示的瓣1，方向h和方向r之间存在唯一的关系。假设电磁场h的测得角为Amh，可通过跟踪从偶极子的一端流出至空间并回到另一极的磁力线而读出半径矢量r的角Amr，这通过图10中的曲线180以数值方式绘出。因此，通过测量已知矢量方向h和m之间的角，就很容易得到角Amr。
从源170开始沿直径相反的位置上的两点P和P1处的磁场方向和量值是相等的。它们各自在分离的共面磁力线瓣1和1a上。为了从电磁场的这三个矢量分量的测量中获得唯一的位置确定，必须一开始就直到这两个瓣中的哪一个是正确的瓣。对于本文公开的SAGD应用，知道观察点位于源上方是一个充分条件。
因此，假定矢量m和h的方向并得知观察点在高于源高度的垂直高度上，就能唯一地确定方向矢量r。方向矢量r位于m和h的平面内并且在该平面内的磁力线瓣必须位于源的上方。在该瓣上从m至r的角Amr唯一地关联于从m到h的角Amh。此外，R、H、M的量值和角Amr通过下面的关系相关联，
H＝(M/(4*pi*R3))*sqrt(3*(cos(Amr))2+1)
因此，已知M、H和角Amr，可从上面的等式轻松地获得R的量值。需要注意的重点是场量值H与源强度M成正比，并与距离R的立方以及根据角Amr在2和1之间变化的角因素成反比。磁矩M与螺旋线圈中的电流成正比，而所述电流正比于电池电压。除了提供电池状态的直接、远程测量，由于测量在激励期间被时间积分，因此与电流成反比地改变激励脉冲串的长度补偿了这个因素。
上面的说明不仅暗示要求知道m和h的方向；通常还要求知道当中每个矢量的向指，即每个矢量的“符号”。由钻机作出的标准MWD测量的主要目的是精确确定在孔眼内的每个点上的孔眼方向和MWD工具倾侧角并确定在诸孔眼相距很近的多个点处的这些量。因此，很容易确定电磁场方向的轴线方向及其符号。由于在钻探时也在监视基准井，因此源的轴线是已知的。构造和安装源，以使例如源的第一次正电流激励产生向下的局部场，基准井的轴线将规定源磁矩方向的符号。由于精确地知道每个孔眼的沿孔深度，因此源的符号通常是间接推知的。由此，钻机通常知道当前观察点是位于源“前面”还是“超过了”源。事实上，钻机通常根据之前的钻探历史而知道在作出测量前信标的近似相对位置。因此，如果可以的话，在许多情形下是不需要知道m的符号的。
前面的讨论示出可从每个位置的测量得到所钻探的井和信标的相对位置。在实践中，可作出电磁场测量并分析信标是否在测量范围内。使用已知数据分析方法和一整套测量，连同沿所钻探的孔眼的已知距离，钻探方向数据可以是最佳的并且两孔眼的相对位置确定更为精确。
尽管已结合各实施例对本发明进行了说明，然而应当理解，这些实施例是所附权利要求书中阐述的本发明的真正精神和范围的例示。
Claims (32)
1.测量伸入地层的两孔眼之间的距离和方向的装置，所述装置包括：
安装在第一孔眼中第一选定点的螺旋线圈组件，所述第一孔眼在所述选定点具有已知斜度和方向；
下井的电路，用来为所述螺旋线圈组件供能以短时间产生特征已知的螺旋线圈磁场；
从远端发送启动信号至所述螺旋线圈组件的装置；
在所述螺旋线圈组件中的电子电路，所述电子电路有源地等待所述启动信号，并且一旦接收到所述启动信号即开始使规定的电流流入所述螺旋线圈；
布置在第二孔眼中的第二选定点处的磁场传感器，所述磁场传感器测量在所述第二点处的所述特征螺旋线圈磁场的三个矢量分量；
用于确定所述第二孔眼中的所述第二点处的所述磁场传感器的空间方向的方向电路；以及
处理器，所述处理器响应所述传感器的所述空间方向和所述第二孔眼中的所述第二点处的所述测得的矢量分量并进一步响应所述特征已知的螺旋线圈磁场来确定所述第一点和第二点之间的距离和方向。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋线圈组件包括具有缠绕在管接头上的线圈的磁场源信标。
3.测量伸入地层的两孔眼之间的距离和方向的装置，所述装置包括：
安装在第一孔眼中第一选定点的螺旋线圈组件，所述第一孔眼在所述选定点具有已知斜度和方向；
从远端发送启动信号至所述螺旋线圈组件的装置；
在所述螺旋线圈组件中的电子电路，所述电子电路有源地等待所述启动信号，并且一旦接收到所述启动信号即开始使规定的电流流入所述螺旋线圈，以产生特征已知的磁场；
布置在第二孔眼中的第二选定点处的磁场传感器，所述磁场传感器测量在所述第二点处的所述特征螺旋线圈磁场的三个矢量分量；
用于确定所述第二孔眼中的所述第二点处的所述磁场传感器的空间方向的方向电路；以及
处理器，所述处理器响应所述传感器的所述空间方向和所述第二孔眼中的所述第二点处的所述测得的矢量分量并进一步响应所述特征已知的螺旋线圈磁场来确定所述第一点和第二点之间的距离和方向。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述管接头具有用于接纳和连接带螺纹的各节管子的第一和第二螺纹端。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述各节管子端对端地连接以形成井壁管。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述各节管子端对端地连接以形成临时安装在孔眼中的作业管列。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述螺旋线圈组件包括多个磁场源信标，每个信标包括缠绕在管接头上的线圈，而每个管接头具有用于连接相应各节管子的第一和第二螺纹端。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述连接的各节管子形成具有间隔开的信标的井壁管。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述连接的各节管子形成具有间隔开的信标的作业管列。
10.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述用来向所述螺旋线圈组件供能的沿井孔向下的电路包括安装在所述管接头上并连接以有选择地为所述线圈供能以在其上形成所述特征已知的螺旋线圈磁场的遥测通信电路。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述用于从远端发送启动信号的装置包括在所述第二孔眼中的遥测信号源。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述遥测信号源包括经编码的声波启动信号的源。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述遥测信号源包括：在地表上用于在产生所述第二孔眼中的压力脉冲的第一换能器；以及在所述第二孔眼中的井下的MWD组件，所述MWD组件包括响应所述压力脉冲产生经编码的声波启动脉冲的第二换能器。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述MWD组件包括所述磁场传感器和所述方向电路。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述从远端发送启动信号的装置包括在所述第一孔眼处的遥测信号源。
16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述遥测信号源包括锤击发送器。
17.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述遥测信号源包括电流源。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述遥测信号源还包括连接于所述电流源并伸入所述第一孔眼的绝缘导线，其中安装在所述管接头上的所述遥测通信电路包括响应所述电流的检测器。
19.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信标管接头将临时安装在所述第一孔眼中的作业管列中的相邻的两节管子连接起来，并且所述电流源连接于所述作业管列以在所述作业管列中产生经编码的启动信号，并且安装在所述管接头上的所述遥测通信电路包括响应所述作业管列中的所述经编码的启动信号的检测器。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述检测器包括螺旋缠绕在所述管接头上并连接于所述遥测通信电路的螺旋管形拾波线圈。
21.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述特征螺旋线圈磁场是AC磁场。
22.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述特征螺旋线圈磁场是DC磁场。
23.如权利要求3所述的装置，其特征在于：
所述从远端发送启动信号的装置包括在所述第二孔眼中的经编码的磁或声的启动信号源；以及
其中，所述螺旋线圈组件包括沿所述第一孔眼设置的多个间隔开的信标，所述信标通过所述经编码的启动信号有选择地被激活，从而产生相应特征的磁场。
24.如权利要求3所述的装置，其特征在于：
用于从远端发送启动信号的所述装置包括经压力或电编码的启动所述第一孔眼中的信号的源；以及
其中所述螺旋线圈组件包括沿所述第一孔眼设置的多个间隔开的信标，所述信标包含响应所述压力或电编码的启动信号以产生相应特征磁场的接收机换能器。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述信标由安装在所述螺旋线圈组件上的电池供电。
26.如权利要求24所述的装置，其特征在于，还包括用于所述信标的位于地表的远端DC或AC电源，并还包括在所述第一孔眼中并连接于所述信标的馈电线。
27.一种用于测量伸入地层的两个孔眼之间的距离和方向的方法，包括：
将螺旋线圈组件安装在第一孔眼中的第一选定点，所述第一孔眼在所述选定点具有已知的斜度和方向；
将磁场传感器布置在第二孔眼中的第二选定点，用来测量所述第二孔眼中的所述第二点处的磁场和重力矢量分量；
确定所述第二孔眼中的所述第二点处的所述磁场传感器的空间方向；
在所述螺旋线圈组件中提供电子电路，所述电子电路有源地等待启动信号，并且一旦接收到所述启动信号，就开始使规定的电流流入所述螺旋线圈以短时间产生特征已知的螺旋线圈磁场；
从远端发送启动信号至所述螺旋线圈组件，以使所述组件产生所述特征磁场；
用所述传感器检测所述第二孔眼中的第二点处的所述特征磁场；以及
响应所述传感器的所述空间方向和所述第二孔眼内的所述第二点处测得的矢量分量并进一步响应所述特征已知的螺旋线圈磁场来确定所述第一点和第二点之间的距离和方向。
27.一种螺旋线圈组件，包括：
具有第一端和第二端的管接头，所述第一端和第二端连接于相应的两节管子；
缠绕在所述管接头周围的线圈；
安装在所述管接头上并连接于所述线圈的遥测通信电路，所述电路包括响应启动信号来激励所述线圈以产生特征磁场的检测器。
28.如权利要求27所述的组件，其特征在于，所述检测器包括螺旋管形的拾波线圈。
29.如权利要求27所述的组件，其特征在于，还包括端对端地连接相应两节管子的多个管接头，用以提供具有隔开的管接头、用于插入孔眼的细长井壁管或井作业管列。
30.如权利要求27所述的组件，其特征在于，所述检测器包括响应远端产生的声波、磁或电流启动信号的换能器。
28.一种用于测量伸入地层的两个孔眼之间的距离和方向的方法，包括：
将螺旋线圈组件安装在第一孔眼中的第一选定点，所述第一孔眼在所述选定点具有已知的斜度和方向；
将磁场传感器布置在第二孔眼中的第二选定点，用来测量所述第二孔眼中的所述第二点处的磁场和重力矢量分量；
确定所述第二孔眼中的所述第二点处的所述磁场传感器的空间方向；
在所述螺旋线圈组件中提供电子电路，所述电子电路有源地等待启动信号，并且一旦接收到所述启动信号，就开始使规定的电流流入所述螺旋线圈以短时间产生特征已知的螺旋线圈磁场；
从远端发送启动信号至所述螺旋线圈组件，以使所述组件产生所述特征磁场；
用所述传感器检测所述第二孔眼中的第二点处的所述特征磁场；以及
响应所述传感器的所述空间方向和所述第二孔眼内的所述第二点处测得的矢量分量并进一步响应所述特征已知的螺旋线圈磁场来确定所述第一点和第二点之间的距离和方向。
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