CN1056906C - 一种测量钻孔方向的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种方法,此方法沿与已在地层中形成的邻近的一个钻孔相应的、选定的方向在地层中产生一钻孔。此方法包括在所述的第一个钻孔中沿长度方向在许多位置上安放电磁源装置,而所述的电磁源装置感生扩展到所述的第二个钻孔中的电磁场。电磁场测量装置安放在第二个钻孔中一选定的深度di,且所述测量装置能够测量所述电磁场。操作测量装置以便测量所述电磁场,且从测量的电磁场中,可测定电磁场分量,此分量至少包括两个在方向上基本垂直于第一钻孔纵轴的分量。从所述的至少两个分量,可测定方向参数此方向参数表示与邻近钻孔相应的钻孔方向。

Description

一种测量钻孔方向的方法
本发明涉及用于在地层中产生一钻孔的方法和系统,而此钻孔沿与已在地层中形成的另一邻近钻孔相应的选定的方向延伸。在碳氢化合物勘探和生产工业中,钻两个或更多相邻钻孔可期望通过另一钻孔注入蒸汽或水到地层中而增加一钻孔油的产量。例如当产油钻孔水平地延伸时,就期望左一选定的距离下面钻平行于产油钻孔的一个或多个注入钻孔。产油时蒸汽通过注入钻孔注入到地层,因此而减少油通过地层的流阻并把油推向产油钻孔。
在美国3,725,777号专利中说明了一种方法,此方法使用从一相邻钻孔得到的磁场测量,以确定对于一个套管钻孔的距离和方向。例如遇到对付一井喷或从一单个海上平台钻多口井的情况时,希望知道一个现存的钻井的确切位置。这样存在的钻井或钻孔被假设在套管磁化强度上有规律的周期性。通过迭代计算,可测定先前的钻孔和下套管钻孔的位置。可是,最后只能获得现存钻井的大概位置。
在EP247672-A号专利中,公开了一种用于测定相邻的钻孔间距离的方法。此文件中的方法用于遇到一已钻好的钻井发生井喷的情况,因而钻一个所谓的释放(relief)井,它与井喷井在一选定的深度交叉,以便把重质液体泵入到井喷井中。此方法中必须知道套管部分的精确磁极强度值。作为基于卷积单极和偶极场函数的傅里叶级数的复杂计算结果,推导出振幅谱/波数谱。这样的频谱允许确定上述的距离。可是要能够应用此方法和获得那样的频谱,必须大量测量数据,而此数据也仅仅能推导出平均距离。
而且,从美国4,640,352号专利可以知道使用一对钻孔,一个用作产油钻井,另一个用作注入钻井。两钻孔基本上平行,提出的问题显然涉及到在低渗透性层中油的经济上的可行产量。可是,在此文件中不清楚怎样进行钻孔及其定向。
至于本发明必须解决一个完全不同的问题。显然在一对钻孔的情况下,一当新钻孔要钻时就能得到邻近钻孔的所有定向数据,这是有利的。
可是,还有一个问题:即如何精确地控制钻孔的方向并同时克服其缺点,避免象上面所述方法的复杂操作。
提供一种在地层中产生一个钻孔的改进方法是本发明的一个目的,而此钻孔沿一选定的、与在地层中已形成的一邻近钻孔相应的方向。
提供一种在地层中,按选定的、与在地层中已形成的一邻近钻孔相应的方向钻孔的改进系统是本发明的另一目的。
本发明提供一种确定在地层中一个钻孔相对于已在地层中形成的另一邻近钻孔的方向的方法,上述的两个钻孔中,一个钻孔为第一钻孔,另一个钻孔为第二钻孔,此方法包括:
·在所述的第一钻孔中沿一定长度在多个位置上安放电磁源装置,所述电磁源装置产生扩展到所述的第二钻孔中的电磁场;
·在所述的第二钻孔中一选定的深度di处安放电磁场测量装置,所述的测量装置能够测量所述电磁场;
·操作测量装置以便测量所述电磁场;
·从测得的电磁场确定电磁场分量;和·确定表示相对于邻近钻孔方向的一个方向参数,其特征在于所述电磁场分量至少包含两个垂直于第一钻孔纵轴的方向的分量,且所述方向参数由所述至少两个分量确定。
电磁场的两个分量可写成第二钻孔中的深度di处第二钻孔和第一钻孔间距离的函数表达式,依据其沿所述的、基本垂直于第一钻孔纵轴方向的分量可写出此距离。按适当方式结合电磁场两个分量的表达式,可计算出在深度di处的测量装置和第一钻孔间的距离分量。通过测定在第二钻孔中不同深度di处的这些分量,可以计算方向参数。可以理解由电磁源装置产生的电磁场可有任何适宜的波长,且本发明中将使用一种合适的电磁场,形成了由一个或多个永磁铁产生的磁场。
本发明提供一种用于确定在地层中的一个钻孔相对于已在地层中形成的另一邻近钻孔的方向的系统,上述的两个钻孔中,一个钻孔第一钻孔,另一个钻孔为第二钻孔,此系统包括:
·在所述的第一钻孔中沿一定长度在多个位置上安放的电磁源装置,所述的电磁源装置产生扩展到所述的第二钻孔中的电磁场;
·在第二钻孔中一选定的深度di处安放的电磁场测量装置,所述的测量装置能够测量所述电磁场;
·操作测量装置以便测量所述电磁场的装置;
·从测定的电磁场中确定电磁场分量的装置;及
确定表示与邻近钻孔相应的钻孔方向的方向参数的装置,其特征在于所述电磁场分量至少包含两个沿基本上垂直于第一钻孔纵轴的方向的分量,且所述测定方向参数的装置包括依据所述至少两个分量来确定方向参数的装置。
若在钻第二钻孔期间,第一钻孔构成邻近钻孔,则能有效地钻孔。
至少两个分量的所述的方向相互垂直,所述的方向参数通过测定所述两分量的比率而确定。
依据B1,i/B2,i=S1,i/S2,i确定所述两分量的比率,而B1,i和B2,i是在深度di处沿垂直于第一钻孔纵轴的所述方向测量的各自电磁场强度的分量,及S1,i和S2,i是沿垂直于第一钻孔纵轴的所述方向测量的电磁场测量装置与第一钻孔之间的距离的各自分量。
通过沿所述钻孔移动所述的电磁源装置可实现电磁源装置沿所述钻孔长度方向在所述的许多位置上有效安放。
好处是此电磁源装置包括一电磁线圈。
本发明将通过实例,参考附图更详细地说明,其中:
图1A和1B示意了钻孔在钻探和定向时常规使用的坐标系统的定向,且
图2A和2B示出了为测定在常用固定地面坐标系的两个不同平面内的矢量分量的典型测量情形。
在图1A和1B中示出了常规使用的坐标系或系统。图1A中提出了地面固定笛卡尔坐标系NEV(北-东-竖直),其中示出了一段钻孔1。其N方向可是地理上的方向或磁场的方向。对在地球上其它每个地方都清楚地规定了两种坐标系间的不同。图1B中示出了钻孔1的部分放大视图。钻孔1表示为一围绕中心轴或钻孔轴2的圆柱体。通常沿此轴选取深度值,而此值常指沿孔深方向深度。对一点i,相应定义一深度di,通常把此深度取作从地表到所述点i沿钻孔轴2的距离。这样,可用…di-2,di-1,di,di+1,di+2,…等表示一系列深度值。在图1B中显示了典型深度di-1,和di
例如对沿钻孔方向深度di示出了在两坐标系内的相应方向。垂直的V轴是从如参考图1A所示的地面固定NEV坐标系中取得的。通常取笛卡尔XYZ坐标系固定在放在钻孔1中的测量仪器上。
此坐标系中Z轴沿钻孔轴2向下方向选取,X和Y轴则相应地选取。
而且,在深度di处示出了高边(highside)(HS)和高边垂直(highside-right)(HSR)方向,这些对精通此技术的人是熟知的,HS在通过Z轴和V轴的垂直平面内,而V轴与重力加速度矢量 g一致。HSR是和Z轴及V轴垂直,且因此水平。
因而对精通此技术的人来说,若能在数学上适当地取得分量,则通常情况下显然可以使用任一其他坐标系。这样,通常包括两个坐标系。第一个坐标系,C,涉及到第一钻孔及以上说到的预先确定的方向,第二个坐标系,D,涉及到第二钻孔。在这样的坐标系中用参数S表示位置。例如一个第二钻孔在C坐标中S0处有起始点。通常情况下当在深度di测量时,B和 g分量在D坐标系中由BD,i和gD,i表示。更一般的是在此申请的上下文中,当一变量带有下标i,则所述的变量是在考查的钻孔中深度di处取得的。
在图2A和2B中示出了针对作为本发明中应用的常规坐标系的典型测量情形。
在图2A中提供了NEV坐标系的NE平面。在坐标原点V矢量的箭尾面对着我们,V矢量是从NE面指向下。示出了一个第一钻孔10和一个第二钻孔20在NE面上的正交投影量。
第一钻孔10的方向和N轴方向间的夹角通称方位角A。例如若预先确定的第二钻孔20的方向是在NE面上的虚线10a表示的平行方向,那么在此图2A中钻孔20相对所述方向偏离了一个偏差角ΔA。在第二钻孔20中一点和第一钻孔10间的距离称作横向距离30,l,当取在一水平面中时。
在图2B中提供了在NEV坐标系中经过V轴和水平NE面内一矢量H的垂直截面或垂直平面。在坐标原点,从所述表示为HV的平面向上的E矢量的箭头面对我们。示出了第一钻孔10和第二钻孔20在HV平面上的正交投影。
第一钻孔10的方向与V方向的夹角形成倾斜角I。例如预先确定的第二钻孔20的方向和在HV面上的虚线10b表示的方向若平行,那么在此图2B中钻孔20相对所述方向稍稍向上偏离了一个偏差角ΔI。
在第二钻孔20中一点和第一钻孔10间的距离称作向上距离40,u,当取在一垂直平面内时。
作为选定的第二钻孔20必须按其钻入的方向,要选择平行于钻孔10的方向。因而所述在NE和HV平面内的平行方向的正交投影,分别为10a和10b平行于钻孔10的正交投影。对精通此技术的人而言,显然可以选择任何选定的方向。
为了在邻近于第一钻孔10的第二钻孔20的钻勘过程中达到选定的方向,必须作合适的测量并进行必要的计算以控制钻勘操作。
由于第一钻孔10已配有磁化套管部分,使磁极强度适合于跨过钻孔间距离测量,借助一系列沿以上所述XYZ坐标系的X,Y和Z轴直线放置的磁强计,可以从第二钻孔20中测量磁场矢量 B的分量BX,By,BZ,其中XYZ坐标系是在安放在第二钻孔20内的测量工具上。所述磁场分量通常由磁极强度分量和地磁场分量组成。
而且,在一钻孔测量工具内应用一套加速度表用以测量重力加速度矢量 g的分量gx,gy,gz,这是一项熟知的技术,用以允许测定倾斜数据。
令人奇怪的是,只有重力加速度分量和磁场分量,后者只包括没经校准的磁极强度值,特别依照本发明可推导出方位角和倾斜角,从而可以对第二钻孔的定向钻勘操作进行精确控制。下列程序必须遵守:
在测定了Bxi,Byi,Bzi,gxi,gyi,和gzi在每个深度di处的值后,可以测定第二钻孔20的倾斜角和方位角,例如用美国4,163,324号专利中所表示的方法。在现在情况下,第二钻孔20的在深度di处的测定的角度是(I+ΔI)i和(A+ΔA)i
得到所述角度和磁场分量后,遵循下列过程能得出ΔAi和ΔIi值。
象以上得到的倾斜和高边角允许用图1B中设想的直接方法得到高边(HS)和高边垂直(HSR)分量。这样,要处理的磁场分量从Bx,By,Bz变换到BHS,BHSR和Bz
因为钻勘操作和磁场测量显然与第一钻孔特性相关,更进一步的测定和计算过程集中于更紧密相关的矢量分量和钻孔间距离。因而这意味着,除上面提到的角度之外,测定了相对于第一钻孔在向上和横向方向上的分量和距离。所述的方向各自相应于第一钻孔的HS和HSR方向,且它们各自沿图2B和2A中的虚线40和30定向。
对第二钻孔20的任意钻勘方向此方向可以是接近于预先确定的象图2A和2B中10a和10b分别代表的平行方向,既不是图2A中的ΔA方向,也不是图2B中的ΔI方向将可能在空间上与第一钻孔对应的分别在图2B中的HV平面内或图2A中NE平面内的投影排成直线。所以进行象图2B中所示的(90°-(I+ΔI))的一个第一旋转,以便获得水平NE平面内的分量,这样提供了一明确的方位参考基准。
因为BHSR本身在NE平面内,只有BZ和BHS象图2B所示被作(90°-(I+ΔI))旋转,产生下列分量,
B’Z=BZSin(I+ΔI)+BHSCos(I+ΔI)      (1),和
B’HS=-BZCos(I+ΔI)+BHSSin(I+ΔI)    (2)
B’Z和B’HS在图2B中也示出了。
现在图2A中草拟了在NE平面内的新情况。
如以上所解释,BHSR已在水平面内定位,且B’Z已示出,而另一方面B’HS只有想象成从此水平面向上指向。在此NE面内进行了一ΔA的进一步的旋转,即,从第二钻孔的HSR方向旋到第一钻孔的HSR方向或横截方向(l)。
这样,产生下列分量,
BZ”=BZ’CosΔA-BHSRSinΔA           (3),和
BH’SR=Bl=BZ’SinΔA+BHSRCosΔA     (4)
这两个分量都在图2A中示出。
在以后步骤中获得一明确倾斜参考基准。进行一(90°-I)的旋转以便到达图2B中的线10b,因此那样获得的分量已和方位角方向在空间上排成直线。对B”Z和B’HS应用的此旋转产生,
BZ”’=BZ”SinI-BHS’CosI           (5),和
BHS”=Bu=BZ”CosI+B’HSSinI       (6),
这样获得在向上方向(u)的分量。
分别在Bl和Bu,(4)和(6)中,最初的BHS,BHSR,和BZ可以替换,给出,
Bl=〔BZSin(I+ΔI)+BHSCos(I+ΔI)〕SinΔA+BHSRCosΔA(7),及
Bu={〔BZSin(I+ΔI)+BHSCos(I+ΔI)〕CosΔA-BHSRSinΔA}CosI+{-BZCos(I+ΔI)+BHSSin(I+ΔI)}SinI        (8)
本情况下假设只是小偏差。对进一步的测量,这意味着ΔA很小,因而使用近似值CosΔA=1和SinΔA。应用这些近似值和熟知的基本感触函数关系,得出下式:
Bl=〔BZSin(I+ΔI)+BHSCos(I+ΔI)〕ΔA+BHSR    (9),和
Bu=BZSinΔI+BHSCosΔI-BHSRCosIΔA            (10)
如通常测量的分量,即,BX,By,Bz,随后转换成BHS,BHSR,BZ坐标,并构成Bu和Bl,按照 B= BP+ BE                     (11)既包括地磁场 BE,也包括套管部分的磁极强度 BP
为了得到向上和横向方向上明确规定的磁极强度分量BP,u,BP,l,必须对地磁场 BE校正测量到的分量。
通常,地磁场用它的向北和竖直方向分量标明特征,分别有BN和BV表示,对地球上大多数地方都如此。通常,用熟知的旋转使BN和BV变到I-A坐标系中,获得HS,HSR和Z方向的下列分量:
BE,HS=-BVSinI+BNCosACosI                   (12),
BE,HSR=-BNSinA                               (13),及
BE,Z=BVCosI+BNCosASinI                     (14),
在向上(u,HS)和横向(l,HSR)方向上的分量,分别在式12和13中,可用以上l- B和u- B磁场分量,分别在9和10中,非常方便地合并,而这些分量对I-A坐标系也可获得,以得到以上所述明确定义的磁极强度分量。
这样,当使用 BP= B- BE                 (11’)获得下列磁极强度分量,
BP,u=BZSinΔI+BHSCosΔI-BHSRCosIΔA+BVSinI-BNCosICosA(15),和
BP,l={BZSin(I+ΔI)+BHSCos(I+ΔI)}ΔA+BHSR+BNSinA     (16)
至于第一钻孔的套管部分磁极强度说明如下。在大多数的情况下,套管部分在被安放到钻孔中形成产油井的套管之前被磁化。结果是得到一系列磁极,其中一对对发挥条形磁铁的作用。例如当在井喷情况下必须钻勘一释放井时,使那样一套管适合于用作标志。可是,当以上进展时,把套管部分安放到钻孔中的过程中,粗糙的操作条件产生了。因此明确定义的套管磁化强度实质上变了样。而且,磁性材料要经受地磁场作用。取决于定位和方向,或者是材料本身被磁化了,或者是应用的磁化强度已被修改。鉴于上述,显然在许多情况下套管部分的真正磁化强度值并不知道。
此外,套管部分假设是象条形磁铁一样沿着一条基本直的线连接起来,允许近似为一系列磁单极子,而这在基础物理中是熟知的。这意味着对每个深度di,横向和向上磁极强度场值呆表达如下, B p , l i - Σ k = 1 N P k 4 π 1 i [ l i 2 + u i 2 + ( z · z k ) 2 ] 3 / 2 - - - ( 17 ) , B p , u i - Σ k = 1 N p k 4 π u i [ l i 2 + u i 2 + ( z · z k ) 2 ] 3 / 2 - - - - ( 18 )
Pk是沿第一钻孔在位置ZK处的磁场磁极强度,(Z-ZK)是ZK和Z=0间的距离,其中Z=0是第一钻孔和第二钻孔中测量工具间最接近的点。
按照本发明产生了以下公式,
BP,li/BP,ui=li/ui                             (19)
这样,此关系式独立于磁极强度值PK
再参考图2A和2B,对于角度ΔA和ΔI,在深度di处横向和向上的距离可写作,li=li-1+(di-di-1)·ΔA                  (20),和ui=ui-1+(di-di-1)·SinΔI               (21)其中ΔA很小,li-1和ui-l是在前一测量点di-1上横向的和向上的距离。对深度di按一简化形式把(15)和(16)重写为:BP,ui=Bu1·ΔA·+Bu2              (15’)BP,li=B11·ΔA+B12                (16’)且应用(19)到(21),然后得到以下结果, ΔA i = B u 2 l i - 1 - B l 2 u i B ll u i - B ul l i - 1 - B u 2 ( d i - d i - 1 ) - - - ( 22 )
从以上显然现在可以得出第二钻孔在di处所有定向数据,因为:
ΔI由倾斜角I和(I+ΔI)确定,其角度可按一已知方式用加速度表找出,且
ΔA如以上所示确定。
本发明的下一步骤中,如以上所示获得的定向数据必须同预先确定的方向数据比较。这意味着得到的ΔA和ΔI不应超出预先确定的范围ΔA0和ΔI0,最好ΔA0和ΔI0小于10°。
依据所述的比较,或是在此前所递从的方向上继续钻勘操作,或是在横向方向,向上方向或同时两个方向上钻勘方向进行校正。
可以使用任何合适的坐标系代替以上指出的坐标系C和D。例如仅对C可以选用常用的NEV坐标系。此外单独对D可以选用XYZ坐标系或甚至用柱坐标系。同样方法可以选取方向参数di,虽然如以上解释I,A,HS和HSR是通常的量。
在更进一步的实施方式中,本发明的方法优点是允许测定套管部分的磁化的强度和方向。这样,磁化强度基本上失真与/或偏离可以提供套管情况的有用信息。
而且,若在开始钻勘操作就已知磁极强度,那么可以紧密依靠所述强度进行钻勘操作,在另一方面本发明的方法有利地允许一个针对获得的定向数据的检查过程。
若因为某些原因,第二钻孔的选定方向不平行于第一钻孔的方向,可以应用如以上解释的同样方法,再次设置A和I角以组成选定的方向,通过应用(19)本发明的方法可极大有利地使用。在那种情况下必须意识到,由于磁极强度的可测性,在钻孔间的距离不应变得太大。
在此技术领域众所周知,依据套管类型,可以获得高到18000μwb的磁通量的磁极强度,此磁极强度允许测量低到2μT的磁通密度。这意味着横向或向上的距离最好不超过30m左右。
在本发明的一个最佳实施方式2中li/ui≤1,这样在确定ΔA过程中一系列误差被最小化了,这点可从(19)中看出。
而且象以上所解释的本发明的方法可用于检验一靠近于第一钻孔的没下套管的第二钻孔的方向和位置,而此第一钻孔有一精确已知的位置且配有磁化了、磁极强度适于在第一钻孔中测量的套管部分。此情况中钻勘过程中的测量显然被从已钻好的钻孔中测量所替换。
除以上之外,如以上解释的本发明的方法可有利地用于套了管的第一钻孔方向和位置的确定,而此第一钻孔配有磁化了的,磁极强度适于从第二钻孔测量的套管部分,而此第二钻孔没下套管且有精确已知的位置。例如,当第二钻孔用陀螺钻勘控制手段精确地钻勘时,可以应用相反的操作方法。
此发明方法有利应用于粘土砂层地层中钻勘一对孔洞,此种地层常常要注入蒸汽,以得到希望的产油量。
从前面的说明对精通些技术的人而言,对本发明的各种修改是显而易见的,这样的修改都落在所附的权利要求书范围内。

Claims (13)

1.确定在地层中一个钻孔相对于已在地层中形成的另一邻近钻孔的方向的方法,上述的两个钻孔中,一个钻孔为第一钻孔,另一个钻孔为第二钻孔,此方法包括:
·在所述的第一钻孔中沿一定长度在多个位置上安放电磁源装置,所述电磁源装置产生扩展到所述的第二钻孔中的电磁场;
·在所述的第二钻孔中一选定的深度di处安放电磁场测量装置,所述的测量装置能够测量所述电磁场;
·操作测量装置以便测量所述电磁场;
·从测得的电磁场确定电磁场分量;和
·确定表示相对于邻近钻孔方向的一个方向参数,其特征在于所述电磁场分量至少包含两个垂直于第一钻孔纵轴的方向的分量,且所述方向参数由所述至少两个分量确定。
2.权利要求1的方法,其中在钻第二钻孔期间,第一钻孔构成邻近钻孔。
3.权利要求1或2的方法,其中至少两个分量的所述的方向相互垂直,所述的方向参数通过测定所述两分量的比率而确定。
4.权利要求3的方法,其中依据B1,i/B2,i=S1,i/S2,i确定所述两分量的比率,而B1,i和B2,i是在深度di处沿垂直于第一钻孔纵轴的所述方向测量的各自电磁场强度的分量,及S1,i和S2,i是沿垂直于第一钻孔纵轴的所述方向测量的电磁场测量装置与第一钻孔之间的距离的各自分量。
5.权利要求1或2的方法,其中通过在所述钻孔内移动所述的电磁源装置实现沿所述钻孔长度方向在所述的多个位置上安放所述的电磁源装置。
6.权利要求5的方法,其中所述电磁源装置包括一电磁线圈。
7.权利要求1或2的方法,其中所述电磁源装置包括安装在第一钻孔中的一个套管,此套管沿第一钻孔长度在所述的多个位置上被磁化了。
8.权利要求1或2的方法,其中对测到的电磁场用地球磁场加以校正,以确定由电磁源装置产生的电磁场的所述分量。
9.权利要求1或2的方法,其中所述的表示相对于邻近钻孔的钻孔方向的方向参数是所述两个钻孔的方位角间的差。
10.权利要求1或2的方法,其中所述钻孔平行于邻近钻孔。
11.权利要求1或2的方法,其中所述两个钻孔在一水平面内延伸。
12.权利要求1或2的方法,其中测定所述电磁场分量的步骤包括测定笛卡尔坐标系XYZ中电磁场分量,其中的Z是沿第二钻孔的纵轴定向。
13.权利要求1或2的方法,其中所述表示相对于邻近钻孔的钻孔方向的方向参数用于确定所述钻孔继续钻进的方向。
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