CN107989601B - 一种用于同时钻多口垂直井的磁测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于同时钻多口垂直井的磁测距方法，在井下利用工具在绝缘间隙带上生成电流，电流会产生磁场，再由另外一口井的三轴磁强计测得该磁场，并进行相关计算。根据所得到距离和角度的信息，两井可以同时钻进。当同时钻进多口井时，每口井的底部钻具组合都具有绝缘间隙和磁强计，均可产生磁场并测量磁场，实现多口井的同时钻进。

Description

一种用于同时钻多口垂直井的磁测距方法

技术领域

本发明涉及钻井领域，特别是一种用于同时钻多口垂直井的磁测距方法。

背景技术

在石油勘探领域，采用弱磁场进行定位是20世纪80年代进入现代化工业的一项新技术。国外的磁场定位技术在钻井方面的应用研究可以追溯到20世纪30年代，商业化应用于20世纪80年代。早在1966年美国提出有线电磁测距技术，但是在套管井中布置电缆工具需要在下一步钻井时，利用钻探设备、泥浆泵、连续油管等推动有线工具向前移动。这些推动方法造价昂贵还需布置额外设备，因此有线电磁测距技术效率很低。随着近一步研究，国外对于磁场的测量方法，算法等一步步得到改善和发展。目前，市场上相关产品的可靠性以及耐高温高压能力在不断增强、效率不断提高而成本在逐渐下降。尤其是哈里伯顿研制的产品，最大可工作于175℃高温、175MPa高压，非工作状态可承受200℃高温。其设计也逐步从有线向无线化、系统与马达结合提高了系统的转速以提高钻井效率，近钻头无线传输降低了系统的成本。

我国电磁测量技术在钻井中的应用近年来虽然取得了一些成果，但是由于起步晚，石油产业正处于探索和发展期。为了打破技术发展瓶颈、提高石油开采率，克服传统方法难以满足高可靠、高精度、抗干扰的缺点，我国在磁场测量技术也投入了大量的研究，但目前无法满足大多数钻井时准确的估测出与目标点的相对位置的要求，需要进一步提高测量精度和测量距离，对该技术中存在的问题深入研究，以达到适合石油开发的要求。

目前，在需要钻进两口或更多口井时，一般先钻一口井，再利用磁导向技术根据第一口井钻进第二口井。例如，2008年，辽河油田引进Halliburton公司的磁导向钻井技术，钻进的SAGD双水平井；以及新疆油田顺利钻成的4对SAGD双水平井，均不是同时钻进，十分耗时、效率很低并且成本高昂。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种用于同时钻多口垂直井的磁测距系统。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种同时钻多口垂直井的磁测距方法，包括以下步骤；

步骤1，同时钻多口垂直井时，将底部钻具组合布置在相邻的井一和井二中，所述井一的底部钻具组合包括钻头、导向马达、随钻测量工具MWD、用于提供评价井眼所钻地层信息的LWD工具以及位于钻铤的绝缘间隙带；所述井二的底部钻具组合包括钻头、导向马达、位于钻铤的绝缘间隙带以及设置有三轴磁强计的随钻测量工具MWD；

步骤2，停止钻井过程，并停止相邻的井一的底部钻具组合和井二的底部钻具组合的旋转；

步骤3，滑动相邻的井一的底部钻具组合和/或井二的底部钻具组合，使将井一的底部钻具组合中的绝缘间隙带放置在井二的底部钻具组合的磁强计所在的平面；

步骤4，使用随钻测量工具MWD测量所述井一的底部钻具组合、井二的底部钻具组合的方位角和倾斜角；

步骤5，给井一的底部钻具组合的绝缘间隙带通已知的电流I(0)，以生成磁场；

步骤6，基于井一的底部钻具组合中的LWD工具的数据，分析井一的底部钻具组合数据来确定其相对于地质的位置，当井一和导电水基泥浆WBM一起钻进时，电流从井一的底部钻具组合流经到钻头并沿钻铤径向流入地层；轴向电流I(z)随着流过绝缘间隙带的距离越远而近似线性减小，并且在钻头处几乎为零；井一的底部钻具组合上的电流也随流经绝缘间隙带带距离越远而减小；井一内的磁场

表述为：

当井与绝缘油基泥浆(OBM)一起钻进时，绝缘间隙带带的电流基本保持恒定；井一内的磁场

表述为：

其中I(z)代表电流从绝缘间隙带沿底部钻具组合流过的一段距离z，I’是电流流进地层的修正值，r是两井底部钻具组合之间的距离，

是从第一井底部钻具组合指向第二井底部钻具组合的单位向量，

是沿第一井底部钻具组合轴向方向的单位向量，自由空间磁导率μ₀＝4π·10^-7Henry/m；然后规划钻孔井一下一段的方位角和倾斜角；

步骤7，利用井二的底部钻具组合的三轴磁强计测量井一的底部钻具组合中的绝缘间隙带产生的磁场的振幅、方向、三个分量的磁场，表述为

所述三个分量的磁场包括：B_x，B_y，B_z，分别表述为

步骤8，设定一个(x，y，z)坐标系与井二相关联，其中

是一个单位向量，它与井二的底部钻具组合的轴对齐，并指向井二的底部钻具组合的钻头；坐标系的

位于井二的底部钻具组合的磁强计；单位向量

指水平方向向左，单位向量

沿底部钻具组合10的轴并指向井2的钻头；相邻的井一与井二之间的相对方位角是角

在平面(x，y，0)的投影与x轴之间的夹角为θ；

步骤9，由于三个分量的磁场计算公式为

其中I(0)，

为已知参数，根据三个分量的磁场计算公式推导出：

再根据x₀和y₀计算出相邻的井一和井二之间相对距离r和相对角度γ，其中

γ＝arctan(y₀/x₀)；

步骤10，计算相邻的井一与井二之间的相对方位θ，

首先由井二的底部钻具组合的磁强计测得在z＝0时测量值，获得井一的底部钻具组合的绝缘间隙带在点(x₀，y₀，0)相对位置；假设两个底部钻具组合沿着它们的轨迹钻进一段距离Δz，磁场测量值在一个新的位置重新读数，然后进行相同的计算得到井一的底部钻具组合的绝缘间隙带关于井二的底部钻具组合的磁强计的x、y坐标系的新的值，即(x₁，y₁，Δz)；两点确定一条直线，(x₀，y₀，0)和(x₁，y₁，Δz)，得到井一的底部钻具组合与井二的底部钻具组合的相对方向：

步骤11，规划井二下一部分钻进的方位角和倾斜角来保持井二平行于井一，该计划基于井一规划的轨迹、井二相对于井一的位置；

步骤12，恢复所有多口垂直井的钻进。

与现有技术相比，本发明与现有的同类技术相比具有以下显著优点：

(1)本发明的磁测距系统，用于同时钻进多口垂直井，进一步提高钻井作业效率，节省时间，降低成本；

(2)本发明施工工艺简便。在井下操作利用随钻测量工具E-Pulse^TM生成已知电流，再由电流产生磁场。根据磁强计测得的磁场数据，经过一系列计算，即可得到两井之间的距离、方位信息；

(3)本发明算法较为简单，得到结果在可接受误差范围之内。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明在水基泥浆中钻进时的示意图；

图3是本发明计算时建立的关于相对方位坐标系的示意图；

图4是本发明计算时建立的z＝0时的坐标系的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明的设计原理分析：随着石油工业技术的高速发展，在钻井应用时，有时会需要钻两口或多口井，本发明就是在井下利用工具在绝缘间隙带上生成电流，电流会产生磁场，再由另外一口井的三轴磁强计测得该磁场，并进行相关计算。根据所得到距离和角度的信息，两井可以同时钻进。当同时钻进多口井时，每口井的底部钻具组合都具有绝缘间隙和磁强计，均可产生磁场并测量磁场，实现多口井的同时钻进。

本实施例的一种同时钻多口垂直井的磁测距方法，此实施例以同时钻两口垂直井为例，包括以下步骤；

步骤1，如附图1所示，同时钻两口垂直井时，将底部钻具组合布置在相邻的井一1和井二2中，所述井一的底部钻具组合10包括钻头11、导向马达12、随钻测量工具MWD13、用于提供评价井眼所钻地层信息的LWD工具14以及位于钻铤的绝缘间隙带15；所述井二的底部钻具组合20包括钻头21、导向马达22、位于钻铤的绝缘间隙带以及设置有三轴磁强计的随钻测量工具MWD23；每个底部钻具组合都可以产生磁场，也可以测量磁场；

步骤2，停止钻井过程，并停止相邻的井一的底部钻具组合10和井二的底部钻具组合20的旋转；

步骤3，滑动相邻的井一的底部钻具组合10和/或井二的底部钻具组合20，使将井一1的底部钻具组合10中的绝缘间隙带15放置在井二2的底部钻具组合20的磁强计所在的平面；

步骤4，使用随钻测量工具MWD测量所述井一的底部钻具组合10、井二的底部钻具组合20的方位角和倾斜角；

步骤5，给井一1的底部钻具组合10的绝缘间隙带15通已知的电流I(0)，以生成磁场；已知的幅度、频率和相位的电流I(0)，是穿过绝缘间隙产生的；例如：可以利用随钻测量系统E-Pulse^TM，产生17安培的电流，频率范围从1赫兹～50赫兹；

步骤6，如图2所示，井1、井2都有LWD系统，如PeriScope15^TM，提供能评价井眼所钻地层的信息；基于井一的底部钻具组合10中的LWD工具14的数据，分析井一的底部钻具组合10数据来确定其相对于地质的位置，当井一1和导电水基泥浆WBM一起钻进时，电流从井一1的底部钻具组合10流经到钻头11并沿钻铤径向流入地层；轴向电流I(z)随着流过绝缘间隙带15的距离越远而近似线性减小，并且在钻头11处几乎为零；底部钻具组合10上的电流也随流经绝缘间隙带15距离越远而减小；井一1内的磁场

表述为：

当井一1与绝缘油基泥浆(OBM)一起钻进时，绝缘间隙带15的电流基本保持恒定；井一1内的磁场

表述为：

其中I(z)代表电流从绝缘间隙带15沿底部钻具组合流过的一段距离z，I’是电流流进地层的修正值，r是两井底部钻具组合之间的距离，

是从第一井的底部钻具组合10指向第二井的底部钻具组合20的单位向量，

是沿第一井1底部钻具组合10轴向方向的单位向量，自由空间磁导率μ₀＝4π·10^-7Henry/m；然后规划井一1的下一段方位角和倾斜角；

步骤7，利用井二的底部钻具组合20的三轴磁强计测量井一1的底部钻具组合10中的绝缘间隙带15产生的磁场的振幅、方向、三个分量的磁场，表述为

所述三个分量的磁场包括：B_x，B_y，B_z，分别表述为

步骤8，如图3所示，设定一个(x，y，z)坐标系与井二2相关联，其中

是一个单位向量，它与井二2的底部钻具组合20的轴对齐，并指向井二2的底部钻具组合20的钻头21；坐标系的

0)，位于井二2的底部钻具组合20的磁强计；单位向量

指水平方向向左，单位向量

沿底部钻具组合10的轴并指向井二2的钻头21；相邻的井一1与井二2之间的相对方位角是角

在平面(x，y，0)的投影与x轴之间的夹角为θ；

步骤9，由于三个分量的磁场计算公式为

其中I(0)，

为已知参数，根据三个分量的磁场计算公式推导出：

再根据x₀和y₀计算出相邻的井一1和井二2之间相对距离r和相对角度γ，其中

γ＝arctan(y₀/x₀)；井一1的底部钻具组合10的轴可能与z＝0的平面交叉于点(x₀，y₀，0)。对于平行的垂直井，y₀应该比井间距x₀小的多。tanγ＝y₀/x₀，角度γ因此也很小；

步骤10，如图4所示，计算相邻的井一1与井二2之间的相对方位θ，

首先由井二2的底部钻具组合20的磁强计测得在z＝0时测量值，获得井一1的底部钻具组合10的绝缘间隙带15在点(x₀，y₀，0)相对位置；假设两个底部钻具组合沿着它们的轨迹钻进一段距离Δz，磁场测量值在一个新的位置重新读数，然后进行相同的计算得到井一1的底部钻具组合10的绝缘间隙带15关于井二2的底部钻具组合20的磁强计的x、y坐标系的新的值，即(x₁，y₁，Δz)；两点确定一条直线，(x₀，y₀，0)和(x₁，y₁，Δz)，得到井一1的底部钻具组合10与井二2的底部钻具组合20的相对方向：

步骤11，规划井二2下一部分钻进的方位角和倾斜角来保持井二2平行于井一1，该计划基于井一1规划的轨迹、井二2相对于井一1的位置；

步骤12，恢复井一1、井二2的钻进。

另外，在同时钻多口垂直井时，与上述实施例的区别是：所有的底部钻具组合除了包括钻头、导向马达、遥测方位角和倾斜角测量的MWD工具、测量地层特性的随钻测井工具，还包括位于钻铤的绝缘间隙带和位于MWD工具的三轴磁强计，每个底部钻具组合都可以产生磁场，也可以测量磁场，具体方法同上述实施例，不同在于：在步骤7中，在钻多口井时，每个底部钻具组合都有绝缘间隙带和磁强计，这样每个底部钻具组合的绝缘间隙带能产生一个磁场，这个磁场可以由其他底部钻具组合读取；而且，并不强制要求一个钻具组合引导另一个钻具组合，两井的相对位置和方向由磁测距决定。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种同时钻多口垂直井的磁测距方法，其特征在于：包括以下步骤；

步骤1，同时钻多口垂直井时，将底部钻具组合布置在相邻的井一和井二中，所述井一的底部钻具组合包括钻头、导向马达、随钻测量工具MWD、用于提供评价井眼所钻地层信息的LWD工具以及位于钻铤的绝缘间隙带；所述井二的底部钻具组合包括钻头、导向马达、位于钻铤的绝缘间隙带以及设置有三轴磁强计的随钻测量工具MWD；

步骤2，停止钻井过程，并停止相邻的井一的底部钻具组合和井二的底部钻具组合的旋转；

步骤3，滑动相邻的井一的底部钻具组合和/或井二的底部钻具组合，使将井一的底部钻具组合中的绝缘间隙带放置在井二的底部钻具组合的磁强计所在的平面；

步骤4，使用随钻测量工具MWD测量所述井一的底部钻具组合、井二的底部钻具组合的方位角和倾斜角；

步骤5，给井一的底部钻具组合的绝缘间隙带通已知的电流I(0)，以生成磁场；

步骤6，基于井一的底部钻具组合中的LWD工具的数据，分析井一的底部钻具组合数据来确定其相对于地质的位置，当井一和导电水基泥浆WBM一起钻进时，电流从井一的底部钻具组合流经到钻头并沿钻铤径向流入地层；轴向电流I(z)随着流过绝缘间隙带的距离越远而近似线性减小，并且在钻头处几乎为零；井一的底部钻具组合上的电流也随流经绝缘间隙带距离越远而减小；井一内的磁场

表述为：

当井一与绝缘油基泥浆OBM一起钻进时，绝缘间隙带的电流基本保持恒定；井一内的磁场

表述为：

其中I(z)代表从绝缘间隙带沿底部钻具组合流过的一段距离z的电流，I’是电流流进地层的修正值，r是两井底部钻具组合之间的距离，

是从第一井底部钻具组合指向第二井底部钻具组合的单位向量，

是沿第一井底部钻具组合轴向方向的单位向量，自由空间磁导率μ₀＝4π·10^-7Henry/m；然后规划钻孔井一下一段的方位角和倾斜角；

步骤7，利用井二的底部钻具组合的三轴磁强计测量井一的底部钻具组合中的绝缘间隙带产生的磁场的振幅、方向、三个分量的磁场，表述为

所述三个分量的磁场包括：B_x，B_y，B_z，分别表述为

步骤8，设定一个(x，y，z)坐标系与井二相关联，其中

是一个单位向量，它与井二的底部钻具组合的轴对齐，并指向井二的底部钻具组合的钻头；坐标系的

位于井二的底部钻具组合的磁强计处；单位向量

指水平方向向左，单位向量

沿底部钻具组合(10)的轴并指向井二的钻头；相邻的井一与井二之间的相对方位角是角

在平面(x，y，0)的投影与x轴之间的夹角为θ；

步骤9，由于三个分量的磁场计算公式为

其中I(0)，

为已知参数，根据三个分量的磁场计算公式推导出：

再根据x₀和y₀计算出相邻的井一和井二之间相对距离r和相对角度γ，其中

γ＝arctan(y₀/x₀)；

步骤10，计算相邻的井一与井二之间的相对方位参数θ，

首先由井二的底部钻具组合的磁强计测得在z＝0时测量值，获得井一的底部钻具组合的绝缘间隙带在点(x₀，y₀，0)相对位置；假设两个底部钻具组合沿着它们的轨迹钻进一段距离Δz，磁场测量值在一个新的位置重新读数，然后进行相同的计算得到井一的底部钻具组合的绝缘间隙带关于井二的底部钻具组合的磁强计的x、y坐标系的新的值，即(x₁，y₁，Δz)；两点确定一条直线，(x₀，y₀，0)和(x₁，y₁，Δz)，得到井一的底部钻具组合与井二的底部钻具组合的相对方向：

步骤11，规划井二下一部分钻进的方位角和倾斜角来保持井二平行于井一，该计划基于井一规划的轨迹、井二相对于井一的位置；

步骤12，恢复所有多口垂直井的钻进。

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