CN103221636A - 使用直流电磁场的储层导航 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种用于在地球岩层的储层内操控钻井组件的方法和设备。该钻井组件位于具有直流磁场的导电上层与具有直流磁场的导电下层之间的储层内。钻井组件的传感器测量由导电上层的直流磁场和导电下层的直流磁场在储层中引起的磁场。一处理器利用所测量的磁场在储层内操控钻井组件。

Description

使用直流电磁场的储层导航

本申请要求2010年9月17日提交的美国临时申请序列No.61/384,084的优先权。

技术领域

本发明提供了用于对钻柱进行导航而穿过地球岩层的储层的方法和设备。

背景技术

石油勘探中使用的钻井设备使穿过地球岩层水平地钻孔成为可能。通常，水平钻孔在特别关注的岩层中进行，例如载油层或储油层。钻孔时，所希望的是保持在储层内钻孔，不会偏离到相邻岩层中。幸好，相邻岩层典型具有不同于储层的电磁性能，因而这可用于导航目的。例如，相邻岩层通常是导电的，而储层不导电。本发明提供了用于利用岩层电磁性能的测量结果而沿储层进行导航的方法和设备。

发明内容

一方面，本发明提供了一种用于在地球岩层的储层内操控钻井组件的方法，其包括：使该钻井组件位于具有直流（DC）磁场的导电上层与具有直流磁场的导电下层之间的储层内；利用传感器测量由导电上层的直流磁场和导电下层的直流磁场在储层中引起的磁场；和利用所测量的磁场在储层内操控钻井组件。

另一个方面，本发明提供了一种用于在地球岩层的储层内操控钻井组件的设备，该设备包括：位于钻井组件上的传感器，其构造成测量由储层上方的上岩层的直流磁场和储层下方的下岩层的直流磁场在储层中引起的磁场；和一处理器，其构造成利用所测量的磁场在储层内操控钻井组件。

在又一个方面，本发明提供了一种钻井组件，其包括：位于钻井组件上的传感器，其构造成测量由储层上方的上岩层的直流磁场和储层下方的下岩层的直流磁场在储层中引起的磁场；一个或更多个扶正器，其构造成改变钻井组件的方向；和处理器，其构造成利用所测量的磁场操作所述一个或更多个扶正器，以在储层内操控钻井组件。

在此对所披露的设备和方法的某些特征的例子相当宽泛地进行了概述，以便更好地理解后面的详细说明。当然，以下披露的设备和方法也存在附加的特征，这些形成了权利要求书的主题。

附图说明

为了详细地理解本发明，结合附图，参考下面优选实施例的详细说明，其中同样的元件赋予同样的数字，以及其中：

图1是适用于依照本发明的各个实施例制造的用于根据在此所述的方法进行钻孔的设备的示例性钻井系统的示意图；

图2显示了适于利用在此所述的方法导航穿过储层的示例性钻井组件；和

图3显示了用于操控钻井组件穿过储层的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1是示例性钻井系统100的示意图，钻井系统包括钻柱，该钻柱具有附着于其底端的钻井组件，钻井组件包括依照本发明的一个实施例的操控单元。图1显示了钻柱120，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。钻井系统100包括竖立在平台或台面112上的常规井架111，所述平台或台面支撑由诸如电动机（未显示）的原动机以所希望的转速带动旋转的转台114。油管（例如所联接的钻杆）122具有在其底端附着的钻井组件190，该油管从地面延伸至钻孔126的底部151。一钻头150附着于钻井组件190，当钻头150被带动旋转时，钻头使地质岩层碎裂以钻出钻孔126。钻柱120经由方钻杆接头121、转环128和缆索129穿过滑轮连接于绞车130。运行绞车130，以控制钻压（"WOB"）。代替原动机和转台114，钻柱120可以由顶驱（未显示）带动旋转。绞车130的运行在本领域是已知的，因此，这里不再详细描述。

在一方面，来自源132、例如泥浆池的适当的钻井流体131（也被认为是"泥浆"）借助于泥浆泵134在压力作用下循环通过钻柱120。钻井流体131从泥浆泵134经由压力波动消除器136和流体管线138流入钻柱120。来自钻柱的钻井流体131a通过钻头150上的开口在井底151处排放。回流的钻井流体131b通过钻柱120和钻孔126之间的环空127向上循环，并经由回流管线135和钻屑筛网185返回到泥浆池132，钻屑筛网从回流的钻井流体131b中移除钻屑186。位于管线138中的传感器S₁提供了有关流体流量的信息。与钻柱120相联的地面扭矩传感器S₂和传感器S₃提供有关钻柱120的扭矩和转速的信息。钻柱120的钻速可以由传感器S₅确定，而传感器S₆可以提供钻柱120的起吊载荷。

在有些应用中，通过旋转钻杆122而带动钻头150旋转。然而，在其他应用中，设置在钻井组件190中的井下马达155（泥浆马达）也带动钻头150旋转。对于给定的钻头和底部钻具组合，钻速（"ROP"）主要取决于钻头150上的钻压或推力及其转速。

地面控制单元或控制器140从井下传感器和设备经由放置在流体管线138中的传感器143接收信号以及从系统100中使用的传感器S₁-S₆及其他传感器接收信号，并根据从一程序提供给地面控制单元140的程序指令处理这些信号。地面控制单元140在一显示器/监视器141上显示所要求的钻井参数及其他信息，操作者利用所述显示器/监视器控制钻井作业。地面控制单元140可以是基于计算机的单元，其可以包括：处理器142（例如微处理器）；存储装置144，例如固态存储器、磁带或硬盘；和存储装置144中的一个或更多个计算机程序146，所述计算机程序可以由处理器142访问，用于执行这些程序中包含的指令。地面控制单元140还可以与远程控制单元148联通。地面控制单元140可以处理有关钻井作业的数据、来自地面上的传感器和装置的数据、从井下采集的数据，并可以控制井下和地面装置的一个或更多个操作。

仍然参照图1，钻柱120还包括换能器160和178。在一方面，换能器160位于底部钻具组合190中，以向传感器165和/或通讯装置159提供电力或电能，例如电流。换能器178位于钻柱120的管中，其中，该换能器178向位于管上的分布式传感器提供电流。如图所描绘的，换能器160和178从由钻柱120和底部钻具组合190接收并流过它们的钻井泥浆的压力波转换能量或收获能量。因此，换能器160和178利用活性材料以将所接收的压力波直接转换为电能。如图所描绘的，由地面上的调制器，例如遥测通讯调制器，和/或由于钻井活动和维护，产生压力脉冲。因此，换能器160和178为井下多个位置提供了直接的连续电能源，不需要储能（电池）或至地面的电气连接。

钻井组件190还包含确定井下流体或岩层的阻抗性、密度、孔隙度、渗透率、声学性能、核磁共振性能、腐蚀性能、围绕钻井组件190的岩层195的含盐量及其他选定性能的岩层评价传感器或装置（也被称为随钻测量"MWD"或随钻测井"LWD"传感器）。这些传感器在本领域通常是已知的，为方便起见，这里用附图标记165整体表示。另外，钻井组件可以包括用于测量岩层的导电率（condutivity）的电导传感器175和用于测量岩层内的直流磁场的磁敏传感器176。在一个方面，可利用这里所述的方法，磁测量结果和/或电导率测量结果可用于操控钻井组件。下面参考图2提供了示例性钻井组件190的详细论述。

钻井组件190还可以包括各种其他的传感器和通讯装置159，用于控制和/或确定钻井组件的一个或更多个功能和性能（例如速度，振动，弯曲力矩，加速度，振荡，旋转，滑摩颤振，等等)和钻井作业参数，例如钻压、流体流量、压力、温度、钻速、方位角、刀面、钻头旋转等等。

图2显示了钻柱200的用于在储层222中钻制钻孔126的示例性钻井组件202，其可以利用在此描述的方法操控而穿过储层。钻井组件202位于储层222中，所述储层222通常为非导电的产油层。储层222上面以上层220为界，下面以下层224为界。典型地，上层220和下层224是导电层，其中一层的导电性与另一层的导电性符号相反。第一分界面227是上层220和储层222之间的分界面，第二分界面229是储层222与下层224之间的分界面。上层220和下层224具有与它们相关联的分别平行于第一分界面227和第二分界面229的直流磁场。上层和下层的直流磁场符号彼此相反。

示例性钻井组件202包括用于钻储层222的钻头205和扶正器204，扶正器可铰接于钻井组件202，适于改变钻井组件202的钻井方向。钻井组件202还包括用于获取磁测量结果的一个或更多个磁敏传感器210。所述一个或更多个磁敏传感器210耦合于一处理器212，所述处理器根据获取的磁测量结果确定导航指令。处理器212还耦合于扶正器204，向扶正器提供导航指令，以操作扶正器，影响钻井组件202的方向。钻井组件202还可以包括用于测量岩层的导电性的一个或更多个电导传感器214。电导传感器214耦合于处理器212，并提供导电性测量结果，在一个方面，所述导电性测量结果可以与磁测量结果一起用于操控钻井组件202。一遥测系统206位于底部钻具组合202上，用于向地面场所提供数据。在一替换实施例中，所述处理器可位于地面场所处，向地面处理器提供来自一个或更多个传感器210和/或电导传感器214的测量结果，并经由遥测系统206向扶正器204提供来自地面处理器的操控指令。

在一个方面，通过测量由上层220和下层224的直流磁场引起的钻井组件202处的磁场，导航钻井组件202穿过储层222。操控穿过储层222是基于上层220、下层224的直流磁场的两个特点。第一个特点是分界面上的直流磁场平行于该分界面。第二个特点是每一个分界面227和229上的直流磁场具有相反的符号。因此，如果上半空间和下半空间具有相等的导电性，那么储层在分界面227和229之间的中央位置的磁场等于零。另外，当钻井组件202接近上层220和下层224中的一个时，所测量的磁场呈现不同的符号。在简要讨论完单个分界面上的直流磁场之后，下面将讨论这两个特点。

在单个分界面，磁场

起因于动电电流的分布，产生x分量，其中x方向是分界面平面上的任意方向。Biot-Savart-Laplace定律给出如下的等式：

$H_x^{\mathrm{\μ}}=\left({\stackrel{\→}{i}}_x{\stackrel{\→}{H}}^{\mathrm{\μ}}\right)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{V}{\∫}\frac{{\stackrel{\→}{i}}_x[\stackrel{\→}{j}\×\stackrel{\→}{R}]}{R^3}\mathrm{dV}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{V}{\∫}{\stackrel{\→}{i}}_x[\stackrel{\→}{j}\×\mathrm{grad}\frac{1}{R}]\mathrm{dV}---\mathrm{Eq}.\left(1\right)$

其中，

是x方向上的单位矢量，

是从积分点（integration point）指向场测量点的矢量，梯度与积分点的坐标有关。积分体积V包括整个空间。应用若干矢量分析规则，得到：

$H_x^{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{V}{\∫}[{\stackrel{\→}{i}}_x\×\stackrel{\→}{j}]\mathrm{grad}\frac{1}{R}\mathrm{dV}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{V}{\∫}\{\mathrm{div}\frac{[{\stackrel{\→}{i}}_x\×\stackrel{\→}{j}]}{R}-\frac{1}{R}\mathrm{div}[{\stackrel{\→}{i}}_x\×\stackrel{\→}{j}\left]\right\}\mathrm{dV}$

$=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{V}{\∫}\{\mathrm{div}\frac{[{\stackrel{\→}{i}}_x\×\stackrel{\→}{j}]}{R}+\frac{1}{R}{\stackrel{\→}{i}}_x\mathrm{cur}\stackrel{\→}{\mathrm{lj}}\}\mathrm{dV}---\mathrm{Eq}.\left(2\right)$

$=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\stackrel{\→}{i}}_x\underset{S_c}{\∫}\frac{[({\stackrel{\→}{j}}^{-}-{\stackrel{\→}{j}}^{+})\×\stackrel{\→}{n}]}{R}\mathrm{dS}+\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\stackrel{\→}{i}}_x\underset{V}{\∫}\frac{1}{R}\mathrm{cur}\stackrel{\→}{\mathrm{lj}}\mathrm{dV}$

其中，表面S_c包括整个分界面；

表示分界面的相对两侧上的电流密度值，

表示分界面上的方向从负电流密度区域向正电流密度区域的法向分量。Eq.（2）中最后一行的体积积分变为零，因为对于动电电流，旋量，从而得到Eq.（3）：

这里，是分界面上的电场。最后，用于磁场的表达采用下面的形式：

其中σ⁺和σ^-是分界面相对两侧的导电率。Eq.（4）表明直流磁场上的表面效果仅取决于电场在分界面上的切向分量。

回到上面介绍的直流磁场的两个特点，第一个特点是分界面上的直流磁场平行于该分界面，其被显示出来，因为矢量积

平行于该平面，所以，Eq.（4）、即磁场

的整个积分平行于该平面。第二个特点是，如果上半空间和下半空间具有相等的导电率（condutivity），则层中心的磁场等于零，这将在下面论述。考虑两个分界面，例如分界面227和229。Eq.（4）现在采用下面Eq.（5）的形式：

${\stackrel{\→}{H}}_x^{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{S_c^1}{\∫}\frac{[({\mathrm{\σ}}^1-{\mathrm{\σ}}^{+}){\stackrel{\→}{E}}_1^{\mathrm{\μ}}\×{\stackrel{\→}{n}}^1]}{R_1}\mathrm{dS}+\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{S_c^2}{\∫}\frac{[({\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}^{+}){\stackrel{\→}{E}}_2^{\mathrm{\μ}}\×{\stackrel{\→}{n}}^2]}{R_2}\mathrm{dS}---\mathrm{Eq}.\left(5\right)$

其中，和

分别是第一（上）分界面227和第二（下）分界面229上的电场；和

是第一和第二分界面的法向矢量；S₁ ^C和S₂ ^C表示第一和第二分界面的表面；σ₁和σ₂表示上、下岩层220和224的导电率；σ⁺是储层222的导电率；以及R₁和R₂分别是从第一和第二分界面到测量点、即所述一个或更多个传感器210的距离。法向矢量在各分界点方向相反：

${\stackrel{\→}{n}}^1=-{\stackrel{\→}{n}}^2---\mathrm{Eq}.\left(6\right)$

对于σ₁=σ₂的情况，Eq.（5）得到：

${\stackrel{\→}{H}}_x^{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{S_c^1}{\∫}\frac{[({\mathrm{\σ}}^1-{\mathrm{\σ}}^{+}){\stackrel{\→}{E}}_1^{\mathrm{\μ}}\×{\stackrel{\→}{n}}^1]}{R_1}\mathrm{dS}+\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{S_c^2}{\∫}\frac{[({\mathrm{\σ}}^1-{\mathrm{\σ}}^{+}){\stackrel{\→}{E}}_2^{\mathrm{\μ}}\×{\stackrel{\→}{n}}^2]}{R_2}\mathrm{dS}---\mathrm{Eq}.\left(7\right)$

由于Eq.（6），Eq.（7）的两个积分项具有相反的符号。因此，在中央位置，对于各自的积分点，

R₁=R₂，Eq.（7）的两个积分项相互抵消。所以，储层222中心的总磁场大体上为零。

所以，在一个方面，可以确定储层中上层与下层之间的所测量的直流磁场大体上为零的位置。在上层和下层的导电率相等且相反的特定情况下，该确定的位置是两层之间的中点。在另一个方面，所测量的磁场的大小和符号可用于确定测量位置与零位置之间的距离，从而确定测量位置与上导电层和下导电层之一之间的距离。在另一个方面，磁场可用于操控钻柱穿过储层。当钻柱接近其中一个分界面，例如上层220时，磁场在一个方向上增大，例如正增大。当钻柱接近另一个分界面，例如下层224时，磁场负增大。所以，所测量的磁场的大小和符号可用于操控。图3描述了用于导航钻井组件穿过储层的示例性方法。

图3显示了用于操控钻井组件202穿过储层的示例性方法的流程图300。在方框302中，一操作者使钻井组件设置或坐落在由导电的上层220、导电的下层224界定的储层内。在方框304中，钻井组件上的一个或更多个传感器测量由导电的上层220和导电的下层224的直流磁场作用引起的磁场。在方框306中，确定钻井组件关于上、下岩层的位置，以及在方框308中，利用所测量的磁场，操控钻井组件穿过储层。

在一个方面，传感器测量结果被校准，以去除钻井组件的磁场对直流磁场测量结果的影响。典型地，钻井组件的各个部件提供了磁场，或者因为特殊的目的，或者因为电流的缘故，例如为了钻井组件的操作或为了至周围岩层中的注入。这些场的影响可以通过已知的校准方法去除，例如在钻井作业之前隔离地测量磁场。

在另一个方面，上层220和下层224的导电率可以利用诸如电测量或磁测量的独立测量来获取，例如在电传感器和磁敏传感器之一进行的电测量或磁测量。这些导电率可在使用在此所述的导航方法之前获取。例如，在钻井组件进入储层222之前的钻井期间，可以确定上岩层220的导电率。该导电率可以进一步用于确定钻井组件在储层中的位置，由此操控钻井组件。

数据的处理可由井下处理器进行，以大体上实时地给予校正的测量。隐含的是，控制和数据处理是利用合适的机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序能够使处理器执行控制和处理。机器可读介质可以包括ROMs、EPROMs、EEPROMs、闪存和光盘。

虽然上述内容旨在本发明的优选实施例，但是，各种各样的修改对本领域技术人员来说都是显而易见的。这意味着，附带的权利要求书的范围和精神之内的所有变形都由上述内容涵盖。

所以，在一个方面，本发明提供了一种用于在地球岩层的储层内操控钻井组件的方法，其包括：使该钻井组件位于具有直流磁场的导电上层与具有直流磁场的导电下层之间的储层内；利用传感器测量由导电上层的直流磁场和导电下层的直流磁场在储层中引起的磁场；和利用所测量的磁场，在储层内操控钻井组件。可以确定储层中所测量的直流磁场大体上为零的位置。同时，也可以利用所测量的磁场确定钻井组件到所述上层、下层之一的距离。在一个实施例中，可以利用电测量和磁测量中的至少一种确定导电的上层、导电的下层的导电率。根据导电的上导和导电的下层的导电率的测量结果，可以确定钻井组件在储层中的位置。可以校准磁场的测量结果，以去除钻井组件的磁场对磁场测量结果的影响。

另一个方面，本发明提供了一种用于在地球岩层的储层内操控钻井组件的设备，该设备包括：位于钻井组件上的传感器，其构造成测量由储层上方的上岩层的直流磁场和储层下方的下岩层的直流磁场在储层中引起的磁场；和处理器，其构造成利用所测量的磁场在储层内操控钻井组件。在一个实施例中，处理器构造成确定储层中所测量的磁场大体上为零的位置。在另一个实施例中，处理器构造成利用所测量的磁场确定钻井组件到上、下层之一的距离。所述设备还可以包括构造成确定导电的上、下层的导电率的传感器，其可以是电传感器和/或磁敏传感器。处理器可以构造成根据导电的上层和下层的导电率的测量结果，确定钻井组件在储层中的位置。另外，处理器可以构造成校准磁场的测量结果，以去除钻井组件的磁场对磁场测量结果的影响。

在又一个方面，本发明提供了一种钻井组件，其包括：位于钻井组件上的传感器，其构造成测量由储层上方的上岩层的直流磁场和储层下方的下岩层的直流磁场在储层中引起的磁场；一个或更多个扶正器，其构造成改变钻井组件的方向；和处理器，其构造成利用所测量的磁场操作所述一个或更多个扶正器，以在储层内操控钻井组件。在一个实施例中，所述处理器构造成确定储层中所测量的磁场大体上为零的位置。在另一个实施例中，处理器构造成利用所测量的磁场确定钻井组件到上岩层、下岩层之一的距离。所述设备还可以包括构造成确定导电的上岩层、导电的下岩层的导电率的传感器。处理器可以构造成根据所述导电的上岩层、导电的下岩层的导电率的测量结果，确定钻井组件在储层中的位置。另外，处理器可以构造成校准磁场的测量结果，以去除钻井组件的磁场对磁场测量结果的影响。

虽然上述内容旨在本发明的优选实施例，但是，各种各样的修改对本领域技术人员来说都是显而易见的。这意味着，附带的权利要求书的范围和精神之内的所有变形都由上述内容涵盖。

Claims (20)

1.一种用于在地球岩层的储层内操控钻井组件的方法，其包括：

使该钻井组件位于具有直流磁场的导电上层与具有直流磁场的导电下层之间的储层内；利用传感器测量由导电上层的直流磁场和导电下层的直流磁场在储层中引起的磁场；和

利用所测量的磁场在储层内操控钻井组件。

2.如权利要求1所述的方法，还包括确定储层中所测量的直流磁场大体上为零的位置。

3.如权利要求1所述的方法，还包括利用所测量的磁场确定钻井组件到导电上层与导电下层之一的距离。

4.如权利要求1所述的方法，还包括确定导电上层与导电下层的导电率。

5.如权利要求4所述的方法，还包括利用下列方式之一来确定所述导电率：（i）电测量；和（ii）磁测量。

6.如权利要求4所述的方法，还包括根据导电上层与导电下层的导电率的测量结果确定钻井组件在储层中的位置。

7.如权利要求1所述的方法，还包括对磁场的测量结果进行校准，以去除钻井组件的磁场对磁场测量结果的影响。

8.一种用于在地球岩层的储层内操控钻井组件的设备，其包括：

位于钻井组件上的传感器，所述传感器构造成测量由储层上方的上岩层的直流磁场和储层下方的下岩层的直流磁场在储层中引起的磁场；和

处理器，其构造成利用所测量的磁场在储层内操控钻井组件。

9.如权利要求9所述的设备，其中，所述处理器还构造成确定储层中所测量的磁场大体上为零的位置。

10.如权利要求9所述的设备，其中，所述处理器还构造成利用所测量的磁场确定钻井组件到上岩层和下岩层之一的距离。

11.如权利要求9所述的设备，还包括构造成确定导电性的上岩层和导电性的下岩层的导电率的传感器。

12.如权利要求11所述的设备，其中，传感器是下列之一：（i）电传感器；和（ii）磁传感器。

13.如权利要求11所述的设备，其中，处理器还构造成根据导电性的上岩层和导电性的下岩层的导电率的测量结果，确定钻井组件在储层中的位置。

14.如权利要求9所述的设备，其中，处理器还构造成对磁场的测量结果进行校准，以去除钻井组件的磁场对磁场测量结果的影响。

15.一种钻井组件，其包括：

位于钻井组件上的传感器，其构造成测量由储层上方的上岩层的直流磁场和储层下方的下岩层的直流磁场在储层中引起的磁场；

一个或更多个扶正器，其构造成改变钻井组件的方向；和

处理器，其构造成利用所测量的磁场操作所述一个或更多个扶正器，以在储层内操控钻井组件。

16.如权利要求15所述的钻井组件，其中，所述处理器还构造成确定储层中所测量的磁场大体上为零的位置。

17.如权利要求15所述的钻井组件，其中，处理器还构造成利用所测量的磁场确定钻井组件到所述上岩层和下岩层之一的距离。

18.如权利要求15所述的钻井组件，还包括构造成确定导电性的上岩层和导电性的下岩层的导电率的传感器。

19.如权利要求18所述的钻井组件，其中，处理器还构造成根据导电性的上岩层和导电性的下岩层的导电率的测量结果确定钻井组件在储层中的位置。

20.如权利要求15所述的钻井组件，其中，处理器还构造成对磁场的测量结果进行校准，以去除钻井组件的磁场对磁场测量结果的影响。

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