CN103635657A - 用于测定支管的井下工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测定井眼壁（3）或井眼套管（4）中的支管的井下工具（1），所述工具包括：工具壳体（5），其沿着纵轴（6）延伸且具有垂直于所述纵轴的周面且适用于被降到钻井中，以及多个声波收发器（7），各个声波收发器在预定的角区段（9）从所述壳体发送声波信号且接收反射自所述井眼壁或井眼套管的声波信号，其中，所述多个声波收发器被沿着所述工具壳体的周面设置，且具有一相互距离，且能够在整个360°圆心角范围内将声波信号远离所述工具壳沿径向朝向所述井眼壁或井眼套管发送，其中在使用过程中，一个声波收发器在一个脉冲期间在该声波收发器的预定角区段中发送一声波信号，其中，一个声波收发器在后续的回波期间接收来自于所述井眼壁或井眼套管的经反射的声波信号，其中，在后续的回波期间，没有接收到经反射的声波信号表明存在一个支管。此外，本发明还涉及一种用于确定位置的井下系统和方法。

Description

用于测定支管的井下工具

技术领域

本发明涉及一种用于测定井眼臂或井眼套管中的支管的井下工具，所述井下工具包括：工具壳体，其沿着纵轴延伸且具有垂直于所述纵轴的周面且适用于被降到井中；以及多个声波收发器，各个声波收发器在预定的角区段从所述壳体发送声波信号且接收反射自所述井眼壁或井眼套管的声波信号。此外，本发明还涉及确定支管的位置的井下系统以及方法。

背景技术

具有多个叉形分支和支管的井眼降低了总成本，提高了生产率，且提高了储层的出油率。此类型的井能够增大可采储量，使得储层更加易于管理，并且越来越受到欢迎。然而，构建复杂的井轮廓是很有挑战性的且有风险。最近的应用和系统开发使得操作者确信多支管好处多于坏处，因此在多支管井中进行工具导航的需求正在增加。因为能够在竖直方向和水平方向更加彻底地排干储层的能力，所以每个油井和油田的可采储量大量地增加，同时每个油井和油田的资本成本和操作成本也最小化。事实上，达到与传统的油井相同的出油率而产生的成本在很多情况下是很高的，特别是在例如深水海底开发的情况下。多支管井允许将成本分摊到多个储层穿透中，并且在一些情况下可免除对加密钻探的需求。在具有多层、多个分区或随机取向的自然断裂层的不均匀储层中，通过钻探多分支井，能够开采更多的石油和天然气，并且能够使得更多的断裂层交叉。在钻探期间由于淤泥流动或在生产期间由于含油液体，使得使用可见光、激光、红外线等的视觉再现具有使用受限的缺点。为了改善上述情况，用于定位和流体速率测量的声波测量因此正在越来越多地被开发。然而，因为声波测量一般地利用多普勒效应进行重复图样测量——该测量不能被用于支管的测定，因此支管的测定是存在问题的。

发明内容

本发明的目的是全部或部分地克服现有技术中的上述的缺点和缺陷。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的井下工具，该工具能够测定多支管井中的井下支管。

从以下的说明将变得显而易见的上述的目的以及多种其他目的、优点和特征将通过本发明的方案来实现，本发明涉及一种用于测定井眼壁或井眼套管中的支管的井下工具，所述工具包括：

-工具壳体，其沿着纵轴延伸且具有垂直于所述纵轴的周面且适用于被降到井中，以及

-多个声波收发器，各个声波收发器在预定的角区段从所述壳体发送声波信号且接收反射自所述井眼壁或井眼套管的声波信号，

其中，所述多个声波收发器被沿着所述工具壳体的周面设置，且具有一相互距离，且能够在整个360°圆心角上将声波信号远离所述工具壳体沿径向朝向所述井眼壁或井眼套管发送，其中在使用过程中，一个声波收发器在一个脉冲期间在该声波发送器的预定角区段中发送一声波信号，其中，一个声波收发器在后续的回波期间接收来自于所述井眼壁或井眼套管的经反射的声波信号，其中，在后续的回波期间，没有接收到经反射的声波信号表明存在一支管。

根据本发明的所述井下工具还可包括用于测量所述井下套管的磁力分布的磁力剖面仪。

所述磁力剖面仪能够施加一磁场并且测量所述磁场的改变。

此外，所述磁场的改变根据所述井眼套管和所述磁场之间的相互作用来测量。

在本发明的一个实施例中，所述多个声波收发器沿着所述工具壳体的周面等距离地设置，且具有固定的相互距离。

此外，所述多个声波收发器沿着所述工具壳体的周面以规则图案设置。

所述多个声波收发器可沿着所述工具壳体周面以规则图案（诸如，Z字形）设置。

在另一实施例中，多于一个的声波收发器可在所述回波期间接收信号。

此外，多于一个的声波收发器可在所述脉冲期间发送信号。

此外，所述井下工具可包括至少四个声波收发器，各个声波收发器能够发送覆盖整个圆心角的至少四分之一的声波信号，例如，包括至少八个声波收发器，各个声波收发器能够发送覆盖整个圆心角的至少八分之一的声波信号。

此外，所述井下工具可包括能够发送覆盖所述整个圆心角的声波信号的声波收发器阵列。

另外，在所述脉冲期间在不同的预定角区段能够发送多个声波信号。

此外，多个声波收发器能够发送具有不同的预定幅度和相位的声波信号。

根据本发明的井下工具还可包括多个第二声波收发器，所述多个第二声波收发器设置成离所述多个声波收发器有一纵向距离，且沿着所述工具壳体的周面设置，且具有一相互距离，且能够在整个360度圆心角范围内远离所述工具壳体沿径向朝向所述井眼壁或井眼发送声波信号。

本发明还涉及一种井下系统，所述井下系统包括：

一测井电缆，

-一工具管柱，

-一驱动单元，

-一支管定位器，以及

-一用于在支管中操作的操作工具，

其中，所述系统还包括如上所述的用于测定支管的井下工具。

如上所述的井下系统还可包括一磁力剖面仪。

在另一实施例中，所述操作工具可以是测井工具、钥匙工具、铣削工具或钻孔工具。

所述井下系统还可包括定位工具，诸如套管接箍定位器。

此外，本发明还涉及一种测定支管的位置的方法，所述方法包括如下的步骤：

-将所述的井下工具移动到井眼中的第一位置，

-进行一系列脉冲/回波测量，所述测量包括：

-在第一脉冲期间，在第一角区段通过一声波收发器发送声波信号，

-在第一回波期间，如果一声波收发器接收到反射的声波信号，则进行记录，

-在第二脉冲期间，在第二角区段通过一相邻的声波收发器发送声波信号，

-在第二回波期间，如果一声波收发器接收到经反射的声波信号，则进行记录，

-在所述第一位置继续所述系列脉冲/回波测量，直到已经使用多个声波收发器勘测了沿所述工具壳体的整个周面的所有角区段，

-将所述井下工具移动到所述井眼中的第二位置，

-在井眼中的所述第二位置进行第二系列的脉冲/回波测量，

-从测量子集中没有接收到经反射的声波信号的集合来测定（确定）所述支管的位置，表示所述支管的位置。

所述方法还可包括针对由所述声波收发器进行的各记录将一磁力分布记录下来的步骤。

另外，上述的方法还可包括步骤：使用上述的方法进行多次测量并且然后组合由所述声波收发器进行的具有相匹配的已记录的磁力分布的若干记录。

上述的方法还可包括将操作工具插入到所述支管中的步骤。

最后，如上所述的方法还可包括利用支管定位工具将所述井下工具压入到所述支管中的步骤。

附图说明

以下将参考附图更加详细地说明本发明和它的多个优点，为了说明的目的，只示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了井下工具管柱（tool string，井下仪器串），其带有用于测定支管的工具，

图2示出了用于测定支管的工具的剖面图，

图3a示出了来自于用于测定支管的数据的图像表示以利用工具使支管的位置可视化，该工具具有三个不同的收发器号，

图3b示出了与图3a中的数据的图像表示相对应的工具，该工具具有少量的发送器，

图3c示出了来自于如下的工具的数据的图像表示，该工具具有比图3b中的工具多的收发器，

图3d示出了与图3c中的数据的图像表示相对应的工具，

图3e示出了来自于如下的工具的数据的图像表示，该工具具有比图3d中的工具多的收发器，

图3f示出了与图3e中的数据的图像表示相对应的工具，

图4示出了带有用于测定支管的工具的井下工具管柱，该工具包括另一组声波收发器，以及

图5示出了用于测定支管的工具的井下工具管柱，该工具包括驱动单元和支管定位工具。

所有的附图都是高度示意的，且不一定按比例绘制，它们只示出了为了解释本发明所必需的一部分，其他部分被省略或者仅仅给予暗示。

具体实施方式

图1示出了用于测定裸眼井的井眼壁3或下套管井的井眼套管4中的支管2的井下工具1。所述井下工具包括沿纵轴6延伸的工具壳体5和多个声波收发器7，各个声波收发器从壳体5向井眼壁3或井眼套管4发送声波信号8，并且接收自井眼壁3或井眼套管4反射的声波信号8。为了获得井中的井下工具的确切位置，可将磁力剖面仪15放置在声波收发器7附近。磁力剖面仪15（magnetic profiler）是设计用于帮助定位井下工具的传感器工具。通过测量由钢制套管扭曲的磁场产生一信号。当该工具通过任何重要的特征部时，显示特征尖峰脉冲或特征码。这些特征是可重复的，且能够用于识别和比较特征部，从而能够导出井中的井下工具的确切位置。同时，通过将来自于相邻的磁力传感器的缓冲信号关联，能够计算工具的速度。所算出的多个速度能够组合成单个速度估值，然后整合以获得位置信息。在一些井下环境中，为了能够利用声波收发器提取出有用的信息，获得井下工具的精确位置信息是很重要的，因为可能需要多次经过目标位置以从声波收发器中获得足够的信息——该声波收发器然后需要位置的精确信息以确保由声波收发器所作出的记录值的关联。磁力和声波测量数据之间的关联可以指磁力数据和声波数据之间的数据合成。由声波收发器7和磁力剖面仪15所分别记录的信号之间的数据合成可用于连续测量的校准，由此将由井的测量深度的不同而导致的误差降至最低。

图2示出了如何沿着工具壳体5的周面（circumference,圆周，环状面）设置多个声波收发器7，多个声波收发器7之间具有一相互距离且能够在整个360°圆心角的预定角区段9中在径向上远离工具壳体5朝向井眼壁3或井眼套管4发送声波信号8。在使用过程中，在一脉冲期间，一个声波收发器7在其预定角区段9中发送声波信号8，在后续的回波期间，一个声波收发器7接收来自井眼壁3或井眼套管4的经反射的声波信号8，并且在后续的回波期间没有接收到经反射的声波信号8表明此处存在支管2。这是由于当不存在套管壁时信号不会被反射且该信号将衰减。

可沿工具壳体5的周面等距离地设置声波收发器7，以对周围的井眼壁3或井眼套管4进行对称的测量，且将工具壳体和套管之间的环状空间分成多个等尺寸的预定角区段9。

为了增加测量的可靠性，在回波期间若干个所述收发器可同时用于接收，以确保经反射的声波信号总能被至少一个所述收发器接收到。在井下环境下，由于套管或井眼壁附近的硬质表面、粗糙表面的对称性以及其他的改变声波信号路径的影响因素，声波信号被高度分散。因此，经反射的信号被该正发送着的收发器附近或相距很远的收发器接收到，例如被壳体另一侧上的收发器接收到。通过使用若干个收发器来接收经反射的信号，系统的冗余度将提高。通过同时利用若干个收发器进行“监听”可实现利用若干个收发器进行接收，或者通过一系列的测量——其中一个收发器用于发送信号并且若干个收发器一次一个地用于接收信号——也可实现利用若干个收发器进行接收。

此外，如果井眼中的物理条件允许的话，若干个收发器可同时用于发送信号。适于这些类型的测量的物理条件可以是井下工具1几乎填满井眼的整个环状空间的情况。在这些条件下，可以在不干涉其他测量的情况下在工具壳体的若干侧上进行单独的测量。以此，可大幅度地减少测量时间，例如，利用在工具壳体5的两侧呈对角地布置的收发器进行两个同步系列的测量，可将时间减少一半。

因为在井下作业期间空间非常有限，且朝向地表的信息流也受到限制，所以进行这些有用的井下测量而所需的计算功率一般被尽可能地最小化。因为计算功率的空间需求降低且将信息传送到地面装置的能力增强，井下计算功率的问题变得越来越小。然而，由于传感器的体积和相关的空间需求，传感器自身的电子电路存在问题。通过实验证明，使用沿着周面等距离放置的4至10个传感器在不产生太多数据（这些数据必须在井下被处理或者传送到地面装置）的情况下且在不需要占据太多的用于传感器的电子电路的井下空间的情况下对于测定支管来说已经足够。覆盖较小角区段的声波收发器被合适地放置以覆盖井眼的整个360度的圆心角。

由于现在通常而言计算机的性能越来越强大以及体积越来越小以及计算功率越来越强大，如果传感器或传感器阵列的电子电路的尺寸减小的话，可以预见到覆盖整个圆心角且甚至沿着工具纵轴分散的传感器阵列是有利的，因此也使得支管测定的解析度提高。

图3a示出了来自于图3b所示的用于测定支管2的相应的井下工具1的数据的柱状图形表示，以对用户而言使支管2的位置可视化。柱状图上的各个正方形对应于井中一个给定深度的测量。井下工具1沿着纵轴6在井中向下移动。在井的给定深度，使用多个声波收发器7的一系列测量被用于勘察井下工具在特定深度的周围环境。每一系列测量与柱状图形表示上的一圈正方形相对应。

图3c示出了来自于图3d所示的相应的井下工具1的数据的柱状图形表示，其中该井下工具1能够以提高的解析度（分辨度）测定支管2。通过在壳体的周面放置较大数量的声波收发器（这样通过减小可解析的角区段尺寸来提高解析度），能够获得提高的解析度。此外，通过以较小的步伐沿着纵轴移动井下工具能够提高沿纵轴的解析度。

图3e示出来自于图3f所示的相应的井下工具1的数据的柱状图形表示，该井下工具3能够以更高的解析度来测定支管2。通过沿着工具壳体的周面放置多个收发器阵列诸如超声波转换器阵列能够获得提高的解析度。如果沿着工具壳体的周面设置二维的阵列，从而在角方向和纵向上均提供解析度，通过这些阵列同样能够增加沿纵轴的解析度。

图4示出了不带有井眼套管4的包括支管2的井眼壁3中的井下工具1。该井下工具还包括多个第二声波收发器10。设置多个第二声波收发器10具有增加系统的冗余度的优点，从而使得该工具在上述多个第一声波收发器损坏的情况下还能起作用。此外，多个第二收发器10可提供能够更快地测定支管的井下工具1，因为根据井下工具的移动可进行两个系列的测量。添加更多组的收发器能够进一步增加工具的冗余度、支管测定的解析度，和/或进一步增加支管测定的速度。

图5示出了用于测定支管的且包括驱动单元11的井下系统200，该驱动单元11用于沿着纵轴向井眼中的更深处输送井下工具1或者通过测井电缆14拉回井下工具1。此外，井下工具包括支管定位工具12，该支管定位工具12在已经通过多个声波收发器7确定支管2的位置之后与支管2接合。通过使支管定位工具12与支管2接合，井下工具1还被迫使进入支管，因此允许包含在工具中的任何操作工具13进入到支管2中并在支管2中执行操作工具13的功能。操作工具13可以是测井工具、钥匙工具（key tool）、铣削工具或钻孔工具。该系统还可包括使用磁铁和磁力计的定位工具，诸如套管接箍定位器。

在根据本发明确定支管的位置的方法中，井下工具1在井眼中移动到第一位置，开始用于测定支管2的位置的测量。在井下工具1的该第一位置，进行一系列的脉冲/回波的测量，也就是发送称为脉冲的声波信号和接收称为回波的经反射的声波信号。在第一脉冲期间，在第一角区段9中，通过声波收发器开始从井下工具径向地向井眼或井眼套管发送声波信号。通过井眼或井眼套管将声波信号反射回到井下工具，并且如果声波收发器在第一回波期间接收到经反射的声波信号的话，对该声波信号进行记录。如果在第一回波期间没有接收到声波信号的话，则表示该收发器正面对井眼中的支管，因为发送的声波信号将传播到支管中而不是被井眼或井眼套管反射回来。没有经反射的信号也可能是因为收发器不能接收到经反射的信号，但是如果是这种情况的话，在后续的测量中可以进行确认。如果在特定的角区段9中继续没有接收到经反射的信号的话，则表示支管如图3c所示。当该工具定位在支管附近时，面对支管的传感器（transducer，转换器）测量到经反射的信号的概率较低。该概率在各个方向上是不同的，概率分布因此可用于测定支管的存在和方向。在用于导出可视物体（也就是，该物体对观察者来说是直接可视的）的统计方法中，物体的跃迁概率是唯一的参数。用于显现对观察者而言不是直接可见的物体的统计方法（诸如，隐马尔可夫模型HMM）可有利地用于从经反射的声波信号中推导出支管的存在。因为在测定支管的时候，物件不是直接可见的，但是依赖于支管的输出是可见的，即输出接近物体（这里是支管），由此在可能的输出上具有概率分布，所以诸如HMM的统计方法是适当的。

在第一位置继续一系列的测量：在后续的第二脉冲期间，在第二角区段中的相邻的声波收发器发送新的声波信号，并且如果声波收发器在第二回波期间接收到经反射的信号的话，以相同的方式记录该经反射的信号。在第一位置继续此类型的脉冲/回波测量，直到沿工具壳体的整个周面的所有角区段都已经被勘察了。可以为脉冲收发器、发送收发器或接收收发器的顺序、脉冲持续时间、回波持续时间、频率、幅度等设置不同的方案。为了提高该方法的冗余度，通过在回波期间利用所有的收发器同时进行“监听”或者仅利用一个收发器进行“监听”并且在利用下一个接收器进行监听之前该收发器发送一个新的脉冲信号，各个用于接收经反射的信号的收发器都可用于记录来自于一发送收发器的经反射的信号。当所有的角区段都被勘察时，井下工具移动到井眼中的第二位置，在井眼中的第二位置进行第二系列的脉冲/回波测量。从所进行的系列测量中，通过测量子集中的没有接收到经反射的声波信号的集合可确定支管的位置，因为没有接收到经反射的信号表示所述测量在与支管位置相对的位置进行。

通过在工具管柱100中将用于测定支管的井下工具与如上所述的其他操作工具13放置在一起，工具管柱100可在井眼壁3或主套管以及井眼壁3或套管的支管2中有效地进行作业。此外，通过使用套管接箍定位器（CCL）或者磁力剖面仪，支管的位置可被储存在用户可用的储存器中以供将来使用，这将允许用户在后续的操作中能够很快地定位同一支管。

沿着工具壳体的周面设置具有一相互距离的多个声波传感器，且该多个声波传感器能够在整个360°圆心角上远离工具壳体沿径向朝向井眼壁或井眼套管发送声波信号，这意味着能够沿着工具的周面适当地放置覆盖较小角区段的声波收发器。声波收发器因此在接收和发送信号的时候能够覆盖井眼整个360°圆心角。

虽然以上已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是，在不脱离由以下的权利要求限定的本发明的范围的基础上可以设想到多种修改，这对于本领域的技术人员而言是显而易见的。

Claims (20)

1.一种用于测定井眼壁（3）或井眼套管（4）中的支管的井下工具（1），所述井下工具包括：

-工具壳体（5），其沿着纵轴（6）延伸且具有垂直于所述纵轴的周面且适用于被降到井中，以及

-多个声波收发器（7），各个声波收发器在预定的角区段（9）从所述壳体发送声波信号且接收反射自所述井眼壁或井眼套管的声波信号（8），

其中，所述多个声波收发器被沿着所述工具壳体的周面设置且具有一相互距离，且能够在整个360°圆心角范围内将声波信号沿径向远离所述工具壳体朝向所述井眼壁或井眼套管发送，其中在使用过程中，一个声波收发器在一个脉冲期间在该声波发送器的预定角区段中发送一声波信号，其中，一个声波收发器在后续的回波期间接收来自于所述井眼壁或井眼套管的经反射的声波信号，其中，在所述后续的回波期间，没有接收到经反射的声波信号表明存在一支管，其中所述井下工具还包括用于测量所述井下套管的磁力分布的磁力剖面仪。

2.根据权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述磁力剖面仪能够施加一磁场并且测量所述磁场的改变。

3.根据权利要求2所述的井下工具，其特征在于，所述磁场的改变根据所述井眼套管和所述磁场之间的相互作用来测量。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的井下工具，其特征在于，所述多个声波收发器沿着所述工具壳体的周面等距离地设置，且具有固定的相互距离。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的井下工具，其特征在于，所述多个声波收发器沿着所述工具壳体的周面以规则图案设置。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的井下工具，其特征在于，多于一个的声波收发器在所述回波期间接收信号。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的井下工具，其特征在于，多于一个的声波收发器在所述脉冲期间发送信号。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具包括至少四个声波收发器，各个声波收发器能够发送覆盖整个圆心角的至少四分之一的声波信号，例如，至少八个声波收发器，各个声波收发器能够发送覆盖整个圆心角的至少八分之一的声波信号。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具包括能够发送覆盖所述整个圆心角的声波信号的声波收发器阵列。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的井下工具，其特征在于，在所述脉冲期间在不同的预定角区段能够发送多个声波信号。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的井下工具，其特征在于，所述声波收发器能够发送具有不同的预定幅度和相位的声波信号。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的井下工具，所述井下工具还包括多个第二声波收发器（10），所述多个第二声波收发器设置成离所述多个声波收发器有一纵向距离，且沿着所述工具壳体的周面设置，且具有一相互距离，且能够在整个360度圆心角范围内远离所述工具壳体沿径向朝向所述井眼壁或井眼发送声波信号。

13.一种井下系统（200），所述井下系统包括：

-一测井电缆（14），

-一工具管柱（100），

-一驱动单元（11），

-一支管定位器（12），以及

-一用于在支管中操作的操作工具（13），

其中，所述井下系统还包括根据权利要求1至12中的任一项所述的用于测定支管的井下工具。

14.根据权利要求13所述的井下系统，所述井下系统还包括一磁力剖面仪。

15.根据权利要求13或14所述的井下系统，其特征在于，所述操作工具是测井工具、钥匙工具、铣削工具或钻孔工具。

16.根据权利要求13至15中的任一项所述的井下系统，还包括定位工具（未示出），诸如套管接箍定位器。

17.一种测定支管的位置的方法，所述方法包括如下的步骤：

-将根据前述权利要求1至12中的任一项所述的井下工具移动到井眼中的第一位置，

-进行一系列脉冲/回波测量，所述测量包括：

-在第一脉冲期间，在第一角区段通过一声波收发器发送声波信号，

-在第一回波期间，如果一声波收发器接收到经反射的声波信号，则进行记录，

-在第二脉冲期间，在第二角区段通过一相邻的声波收发器发送声波信号，

-在第二回波期间，如果一声波收发器接收到经反射的声波信号，则进行记录，

-在所述第一位置继续所述系列的脉冲/回波测量，直到已经使用所述多个声波收发器勘测了沿所述工具壳体的整个周面的所有角区段，

-将所述井下工具移动到所述井眼中的第二位置，

-在井眼中的所述第二位置进行第二系列的脉冲/回波测量，

-从测量子集中没有接收到经反射的声波信号的集合来测定所述支管的位置，表示所述支管的位置，以及

-针对由所述声波收发器进行的各记录，将一磁力分布记录下来。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括如下的步骤：使用根据权利要求17的方法进行多次测量，并且然后组合由所述声波收发器进行的具有相匹配的已记录的磁力分布的若干记录。

19.根据权利要求17或18所述的方法，还包括如下的步骤：将操作工具插入到所述支管中。

20.根据权利要求17至19中的任一项所述的方法，还包括如下的步骤：利用支管定位工具将所述井下工具压入到所述支管中。

Images