CN108166972A - 一种控制平行井钻进的磁测距系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制平行井钻井的磁测距系统及方法，包括在两口平行井中布置含有钻头、导向钻机或旋转导向系统、随钻测井工具LWD、随钻测量工具MWD的底部钻具组合，且在第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管，主要用于在平行井钻进过程中利用磁测距，相对于第一井对第二井进行定位。第一井依据地下地质向某一个方向钻探，数据从底部钻具组合传输到地面并进行解释，将需求发送给第二井中的旋转导向系统，使第二井根据第一井同时钻进。该方法提供了控制第二井与第一井平行，同时钻两口井，同时运行两个钻机也可以提升作业效率。

Description

一种控制平行井钻进的磁测距系统及方法

技术领域

本发明涉及钻井领域，特别是一种控制平行井钻进的磁测距系统及方法。

背景技术

目前，用于钻井的技术多种多样，例如用于蒸汽辅助重力泄油的平行井钻井技术。钻井时的重要目标是要使每一口井相对于其他井都在合适的位置。如本文所用，术语“第一”水平井指井先钻(在现有技术下首先完成)，通常是下部井。在各种实例中，“第一”井可以钻在第二口井稍微往前一点。相反，“第二井”指的是上部井，在现有技术中完成第二井。

有两种众所周知的电磁测距技术，它们使用套管中的电缆工具。

在第一种技术中，有线工具产生磁场这个磁场可以由第二井中的随钻测量工具MWD测得(参考美国专利第5485089号，“钻双水平孪生井的新电子测距/勘测方法”，Kuckes等人著作，美国石油工程师协会钻井和完井，1966年，85到90页)。有线工具包括一个大螺线管，用来产生已知强度和已知磁场模式的磁场。测量的磁场的大小表示两个井的间隔距离，磁场的方向表示它们的相对位置。

第二种技术，将强永磁体安装在第二井近钻头的接头处，所用有线工具包含磁强计(见美国专利第5589775号，“蒸汽辅助重力双排水井和独特的几何结构井的磁测距技术钻井——技术的比较”，T.L.Grills等人著作，SPE论文79005，2002年11月4-7日)。永磁体与钻头旋转，从而产生旋转磁场。当钻头通过有线磁强计时，旋转磁体在油管内产生振荡磁场。第一井和第二井之间的距离是由磁场随钻头的测量深度而变化推导出来的。这种方法的缺点是近钻头的磁接头位于弯接头和钻头之间，降低了系统的转向能力。

在套管井中布置电缆工具的两个标准磁测距方法是低效的。因为井是水平的，随着第二井逐步钻进，有线工具必须推向井的接头。这就需要一台钻探设备利用钻杆将第一井中的有线工具移动，或利用泥浆泵来泵下来，或利用连续油管推下来，或利用有线牵引器拉下来。所有这些方法都造价昂贵，而且在现场还需要额外的设备。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种控制平行井钻进的磁测距系统及方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种控制平行井钻井的磁测距系统，包括在两口平行的第一井和第二井中布置含有钻头、导向钻机或旋转导向系统、随钻测井工具LWD、随钻测量工具MWD的底部钻具组合，且在第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管，螺线管由电池或设置在钻铤内的泥浆驱动涡轮发电机供电，所述第二井的底部钻具组合中的随钻测量工具MWD用于测量第一井中螺线管在第二井中所产生的磁场，根据所测得磁场信息，对第二井的钻进轨迹进行规划，并使用第二井中旋转导向系统及钻头部分控制第二井平行于第一井钻进。

作为上述技术方案的一种优选方案，所述第一井中螺线管安装在第一井的底部钻具组合的钻铤内的轴心部分，螺线管由高导磁率的金属磁芯和线圈组成，线圈环绕金属磁芯，螺线管7设置在位于钻铤内的非磁性压力外壳内，在压力外壳和钻铤之间的环形通道，功率和控制电路也包含在压力壳内。

作为上述技术方案的一种优选方案，所述第一井中螺线管环绕钻铤的外表面。

作为上述技术方案的一种优选方案，所述第一井中螺线管是永久磁铁

另外，本发明还提供一种控制平行井钻进的磁测距方法，包括以下步骤；

步骤1，同时钻平行井时，分别在第一井和第二井中布置含有钻头、导向钻机或旋转导向系统、随钻测井工具LWD、随钻测量工具MWD的底部钻具组合，且在第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管，螺线管由设置在钻铤内的泥浆驱动涡轮发电机供电；

步骤2，停止钻井过程，并停止第一井和第二井中的底部钻具组合的旋转；

步骤3，使第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管放置在第二井底部钻具组合中磁强计所在的平面；利用第一井和第二井中的底部钻具组合的随钻测量工具MWD分别测量第一井和第二井中的底部钻具组合的方位角和倾斜角D&I；

步骤4，给第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管通电，以生成磁场；测量螺线管通电流I，并用第二井中的底部钻具组合的磁强计测量通电螺线管在第一井中产生的磁场强度，并通过下列公式计算：

其中I(z)表示的是沿第二井轴向位置z处螺线管通电电流，I’是流进地层的电流修正值，是从第一井的底部钻具组合指向第二井的底部钻具组合的单位向量，是沿第一井轴向方向的单位向量，μ₀＝4π·10^-7Henry/m是自由空间磁导率，由于该磁场有三个分量，并利用第二井的随钻测量工具MWD测量该磁场的三个分量Bx，By，Bz；

步骤5，根据第一井中的底部钻具组合的随钻测量工具MWD测量的数据来确定第一井中的底部钻具组合相对于地质的位置；

步骤6，根据第一井中的底部钻具组合规划第一井下一部分钻井方位角和倾斜角；

步骤7，设定一个(x，y，z)坐标系与第二井相关联，其中是一个单位向量，它与第二井的底部钻具组合的轴对齐，并指向第二井的底部钻具组合的钻头；坐标系的位于第二井的底部钻具组合的磁强计；单位向量指向重力方向，的方向用第二井的随钻测量工具MWD中的加速度计来确定，单位向量沿第二井的底部钻具组合的轴并指向第二井的钻头；相邻的第一井与第二井之间的相对方位角是角φ，在平面(x，y，0)的投影与x轴之间的夹角为θ；

步骤8，由于三个分量的磁场计算公式为

根据三个分量的磁场计算公式推导出：

由于螺线管7放置在第二井的底部钻具组合8中磁强计所在的平面，即z＝0平面，I(0)表示的就是在z＝0处的电流值，径向矢量从螺线管7指向第二井的底部钻具组合8中的磁强计， 再根据x₀和y₀计算出第一井与第二井之间相对距离r，其中

步骤9，计算第一井与第二井之间的相对方位θ、首先由第二井的底部钻具组合的磁强计测得在z＝0时测测得第一井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第一井的底部钻具组合的绝缘间隙带关于第二井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)，得到第一井的底部钻具组合与第二井的底部钻具组合间的相对方位：

步骤10，规划第二井下一部分钻进的方位角和倾斜角来保持第二井平行于第一井，该计划基于第一井规划的轨迹、第二井相对于第一井的位置；

步骤11，恢复平行井的钻进。

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)随着第二井逐步钻进，在现有磁测距系统中，有线工具必须推向井的接头。这就需要一台钻探设备利用钻杆将第一井中的有线工具移动，本发明通过泥浆涡轮激发螺线管，克服了上述缺点。

(2)本发明几乎同时描述了对于两个或多个井的钻井和完井，因此，如果第二钻机用于定位在套管井中的有线工具，则可使钻机时间减少大约一半。该方法提供了控制第二井与第一井平行，同时钻两口井。此外，同时运行两个钻机也可以提升作业效率。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2A为第一井的钻铤的结构示意图。

图2B为图2A的剖视图。

图3是本发明的实施流程图。

图4为两水平井的相对方位及相对距离的坐标系的示意图。

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。

参照图1-4，使用本发明进行钻水平井时，具体步骤如下：

步骤1，同时钻平行井时，分别在第一井1中布置第一井钻头4、第一井导向钻机或旋转导向系统5、第一井随钻测井工具LWD(图中未画出)、第一井随钻测量工具MWD6的第一井的底部钻具组合3，在第二井2中布置含有第二井钻头9、第二井导向钻机或旋转导向系统10、第二井随钻测井工具LWD、第二井随钻测量工具MWD11的第二井的底部钻具组合8，其中，第一井底部钻具组合3和第二井底部钻具组合8可完成第一井1和第二井2的钻进，数据测量传输及井眼轨迹控制工作，第一井的底部钻具组合3中的第一井随钻测量工具MWD6可以遥测并对第一井1钻进方位角和倾斜角进行测量、可根据地质信息确定第一井1的钻进轨迹，第一井随钻测井工具LWD可以测量第一井1的地层特性，且在第一井的底部钻具组合3的钻铤处设置螺线管7，螺线管7由设置在钻铤内的泥浆驱动涡轮发电机供电；第一井1中螺线管7安装在第一井的底部钻具组合3的钻铤12内的轴心部分，参考图2A、图2B，螺线管7有一个高导磁率的磁芯，如金属，线圈环绕磁芯，螺线管7可以包含在非磁性压力外壳13，在压力壳13和钻铤12之间形成环形通道14用于提供泥浆通道，功率和控制电路15也包含在压力壳13内，泥浆驱动涡轮发电机16可以提供多达几千千瓦的电力来驱动螺线管7，此时，钻铤12最好是非磁性的，以使螺线管7产生的磁场更容易穿透钻铤壁，当然，螺线管7也可以是永久磁铁；另外，螺线管7也可以环绕在钻铤12的外表面，此时，为了机械保护，最好使螺线管7稍微凹陷一些，钻铤12材料可以是磁性的以增强磁场。

步骤2，停止钻井过程，并停止第一井的底部钻具组合3和第二井中的底部钻具组合8的旋转；

步骤3，使第一井的底部钻具组合3的钻铤处设置螺线管7放置在第二井的底部钻具组合8中磁强计所在的平面；利用第一井的底部钻具组合3的第一井随钻测量工具MWD6测量第一井的底部钻具组合3的方位角和倾斜角D&I，利用第二井的底部钻具组合8的第二井随钻测量工具MWD11测量第二井的底部钻具组合8的方位角和倾斜角D&I；例如，方向可能由磁强计参考地球的磁场测得，倾斜角可能由加速度计参考重力的方向测得。虽然对于两个底部钻具组合的方向和倾斜角的测量是方便的有效的，这个方法也可以用来测量一个底部钻具组合的方位角和倾斜角，尤其是的第一井的底部钻具组合3，由于第二井的底部钻具组合8的相对位置可以从磁场测量中推断出来，因此也可不测量第二井的底部钻具组合8的方位角和倾斜角；

步骤4，给第一井的底部钻具组合3的钻铤处设置螺线管7通电，以生成磁场；测量螺线管7通电电流I，并用第二井的底部钻具组合8的磁强计测量通电螺线管7在第一井1中产生的磁场强度，并通过下列公式计算：

其中I(z)表示的是沿第二井轴向位置z处螺线管通电电流，I’是流进地层的电流修正值，是从第一井的底部钻具组合指向第二井的底部钻具组合的单位向量，是沿第一井轴向方向的单位向量，μ₀＝4π·10^-7Henry/m是自由空间磁导率，由于该磁场有三个分量，并利用第二井的第二井随钻测量工具MWD11测量该磁场的三个分量Bx，By，Bz；

步骤5，根据第一井中的底部钻具组合3的第一井随钻测量工具MWD6测量的数据来确定第一井的底部钻具组合3相对于第一井1的地质的位置；在一些实施例中，还可以用第一井的底部钻具组合3的第一井随钻测井工具LWD采集第一井1的地层评估数据；

步骤6，根据第一井中的底部钻具组合3采集的数据规划第一井1下一部分钻井方位角和倾斜角；在一些实施例中，对于第一井的底部钻具组合3的规划是基于需要或维持第一井1相对于地层边界或其他地质特征的确定位置；

步骤7，设定一个(x，y，z)坐标系与第二井相关联，其中是一个单位向量，它与第二井的底部钻具组合的轴对齐，并指向第二井的底部钻具组合的钻头；坐标系的位于第二井的底部钻具组合的磁强计；单位向量指向重力方向，的方向用第二井的随钻测量工具MWD中的加速度计来确定，单位向量沿第二井的底部钻具组合的轴并指向第二井的钻头；相邻的第一井与第二井之间的相对方位角是角φ，在平面(x，y，0)的投影与x轴之间的夹角为θ；

步骤8，由于三个分量的磁场计算公式为

根据三个分量的磁场计算公式推导出：

由于螺线管7放置在第二井的底部钻具组合8中磁强计所在的平面，即z＝0平面，I(0)表示的就是在z＝0处的电流值，径向矢量从螺线管7指向第二井的底部钻具组合8中的磁强计， 再根据x₀和y₀计算出第一井与第二井之间相对距离r，其中

步骤9，计算第一井与第二井之间的相对方位θ、首先由第二井的底部钻具组合的磁强计测得在z＝0时测测得第一井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第一井的底部钻具组合的绝缘间隙带关于第二井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)，得到第一井的底部钻具组合与第二井的底部钻具组合间的相对方位：

步骤10，规划第二井下一部分钻进的方位角和倾斜角来保持第二井平行于第一井，该计划基于第一井规划的轨迹、第二井相对于第一井的位置；

步骤11，恢复平行井的钻进即可。

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 (5)

1.一种控制平行井钻井的磁测距系统，其特征在于，包括在两口平行的第一井和第二井中布置含有钻头、导向钻机或旋转导向系统、随钻测井工具LWD、随钻测量工具MWD的底部钻具组合，且在第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管，螺线管由设置在钻铤内的泥浆驱动涡轮发电机供电，所述第二井的底部钻具组合中的随钻测量工具MWD用于测量第一井中螺线管在第二井中所产生的磁场，根据所测得磁场信息，对第二井的钻进轨迹进行规划，并使用第二井中旋转导向系统及钻头部分控制第二井平行于第一井钻进。

2.根据权利要求1所述的控制平行井钻井的磁测距系统，其特征在于：所述第一井中螺线管安装在第一井的底部钻具组合的钻铤内的轴心部分，螺线管由高导磁率的金属磁芯和线圈组成，线圈环绕金属磁芯，螺线管7设置在位于钻铤内的非磁性压力外壳内，在压力外壳和钻铤之间的环形通道，功率和控制电路也包含在压力壳内。

3.根据权利要求1所述的控制平行井钻井的磁测距系统，其特征在于：所述第一井中螺线管环绕钻铤的外表面。

4.根据权利要求1-3任一所述的控制平行井钻井的磁测距系统，其特征在于：所述第一井中螺线管是永久磁铁。

5.一种控制平行井钻进的磁测距方法，其特征在于：包括以下步骤；

步骤1，同时钻平行井时，分别在第一井和第二井中布置含有钻头、导向钻机或旋转导向系统、随钻测井工具LWD、随钻测量工具MWD的底部钻具组合，且在第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管，螺线管由电池或设置在钻铤内的泥浆驱动涡轮发电机供电；

步骤2，停止钻井过程，并停止第一井和第二井中的底部钻具组合的旋转；

步骤3，使第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管放置在第二井底部钻具组合中磁强计所在的平面；利用第一井和第二井中的底部钻具组合的随钻测量工具MWD分别测量第一井和第二井中的底部钻具组合的方位角和倾斜角D&I；

步骤4，给第一井的底部钻具组合的钻铤处设置螺线管通电，以生成磁场；测量螺线管通电流I，并用第二井中的底部钻具组合的磁强计测量通电螺线管在第一井中产生的磁场强度，并通过下列公式计算：

其中I(z)表示的是沿第二井轴向位置z处螺线管通电电流，I’是流进地层的电流修正值，是从第一井的底部钻具组合指向第二井的底部钻具组合的单位向量，是沿第一井轴向方向的单位向量，μ₀＝4π·10^-7Henry/m是自由空间磁导率，由于该磁场有三个分量，并利用第二井的随钻测量工具MWD测量该磁场的三个分量Bx，By，Bz；

步骤5，根据第一井中的底部钻具组合的随钻测量工具MWD测量的数据来确定第一井中的底部钻具组合相对于地质的位置；

步骤6，根据第一井中的底部钻具组合规划第一井下一部分钻井方位角和倾斜角；

步骤7，设定一个(x，y，z)坐标系与第二井相关联，其中是一个单位向量，它与第二井的底部钻具组合的轴对齐，并指向第二井的底部钻具组合的钻头；坐标系的位于第二井的底部钻具组合的磁强计；单位向量指向重力方向，的方向用第二井的随钻测量工具MWD中的加速度计来确定，单位向量沿第二井的底部钻具组合的轴并指向第二井的钻头；相邻的第一井与第二井之间的相对方位角是角φ，在平面(x，y，0)的投影与x轴之间的夹角为θ；

步骤8，由于三个分量的磁场计算公式为

根据三个分量的磁场计算公式推导出：

由于螺线管7放置在第二井的底部钻具组合8中磁强计所在的平面，即z＝0平面，I(0)表示的就是在z＝0处的电流值，径向矢量从螺线管7指向第二井的底部钻具组合8中的磁强计， 再根据x₀和y₀计算出第一井与第二井之间相对距离r，其中

步骤9，计算第一井与第二井之间的相对方位θ、首先由第二井的底部钻具组合的磁强计测得在z＝0时测测得第一井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第一井的底部钻具组合的绝缘间隙带关于第二井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)，得到第一井的底部钻具组合与第二井的底部钻具组合间的相对方位：

步骤10，规划第二井下一部分钻进的方位角和倾斜角来保持第二井平行于第一井，该计划基于第一井规划的轨迹、第二井相对于第一井的位置；

步骤11，恢复平行井的钻进。