CN111448363B - 用于在井下操作中检测井下元件的相对位置的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于在钻孔中发起井下操作的方法和系统，其包括：至少部分地将第一结构部署在钻孔中；至少部分地沿第一结构移动第二结构，其中第一结构和第二结构中的至少一者被配备有传感器并且第一结构和第二结构中的另一者被配备有能够由传感器检测的标记；检测与传感器和标记的相互作用有关的关键事件；测量自关键事件起时间；基于自关键事件起时间来确定时间延迟；用遥测系统将指示关键事件已经被检测到的数据从地下传输到地表；以及通过使用所确定的时间延迟来发起井下操作。

Description

用于在井下操作中检测井下元件的相对位置的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月9日提交的美国专利申请No.15/807689的权益，该专利申请全文以引用方式并入本文。

背景技术

1.技术领域

本发明整体涉及井下操作以及确定在井下操作中使用的部件的相对位置。

2.相关技术的描述

在地下深处钻出钻孔以用于许多应用，诸如二氧化碳封存、地热生产以及油气勘探和生产。在所有这些应用中，钻出钻孔，使得它们穿过位于地表下方的地层中包含的材料(例如，热量、气体或流体)或允许触及这种材料。可将不同类型的工具和仪器设置在钻孔中以执行各种任务和测量。

当执行井下操作时，重要的是要知道正在发生什么和在哪里发生，使得能够采取适当的动作。已经提出不同解决方案来测量在井下的两个不同元件之间的相对位置。与井下测量和检测有关的信息被传输到地面以用于进行处理和决策。例如，可使用有线管经由特殊钻管(例如“长线缆”)传输数据。另一种传输技术是泥浆脉冲遥测。在这种情况下，使用钻孔流体作为通信信道以传输编码为通过钻孔流体发送的脉冲的信息。其他遥测技术包括声学遥测或电磁遥测。

本文的公开内容提供了对测量井下元件的相对位置并提供与之相关的简单通信技术的改进。

发明内容

本文公开了用于在钻孔中发起井下操作的方法和系统，其包括：至少部分地将第一结构部署在钻孔中；至少部分地沿第一结构移动第二结构，其中第一结构和第二结构中的至少一者被配备有传感器并且第一结构和第二结构中的另一者被配备有可由传感器检测的标记；检测与传感器和标记的相互作用有关的关键事件；测量自关键事件起时间；基于自关键事件起时间来确定时间延迟；用遥测系统将指示关键事件已经被检测到的数据从地下传输到地表；以及通过使用所确定的时间延迟来发起井下操作。

附图说明

在本说明书结束时的权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中类似的元件具有类似的编号，附图中：

图1为可采用本公开的实施方案的用于执行井下操作的系统的示例；

图2为可采用本公开的实施方案的示例性钻柱的线图，该示例性钻柱包括内部管柱和外部管柱，其中内部管柱连接到外部管柱的第一位置以钻出第一尺寸的孔；

图3为可采用本公开的实施方案的具有内部结构的井下系统的示意图，该内部结构是相对于外部结构可移动的；

图4A是根据本公开的实施方案的位置检测系统的一部分的示意图；

图4B是图4A的位置检测系统的标记的详细图；以及

图5是根据本公开的实施方案的流程。

具体实施方式

图1示出了用于执行井下操作的系统的示意图。如图所示，该系统是钻井系统10，该钻井系统包括钻柱20，该钻柱具有在穿透地层60的钻孔或井筒26中输送的钻井组件90(也被称为井底钻具组合(BHA))。钻井系统10包括常规井架11，该常规井架竖立在底板12上，该底板支撑旋转台14，该旋转台由原动机(诸如电动马达(未示出))以期望的旋转速度旋转。钻柱20包括钻井管状物22诸如钻管，该钻管从旋转台14向下延伸到钻孔26中。碎裂工具50(诸如附接到钻井组件90的端部的钻头)在其旋转时使地质地层碎裂以钻出钻孔26。钻柱20经由方钻杆接头21、旋转接头28、滑块25和通过滑轮23的管线29联接到绞车30。在钻井操作期间，操作绞车30以控制钻压，钻压影响钻进速率。绞车30的操作在本领域中是众所周知的，因此在本文不再详细描述。

在钻井操作期间，来自源或泥浆坑31的合适的钻井液32(也称为“泥浆”)在压力下由泥浆泵34循环通过钻柱20。钻井液31经由波动消除器36、流体管线38和方钻杆接头21进入钻柱20中。流体管线38还可被称为泥浆供应管线。钻井液31在钻孔底部51处通过碎裂工具50中的开口排出。钻井液31通过钻柱20和钻孔26之间的环形空隙27沿井孔向上循环，并且经由回流管线35返回到泥浆坑32。管线38中的传感器S1提供关于流体流速的信息。与钻柱20相关联的地面扭矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱的扭矩和旋转速度的信息。另外，使用与管线29相关联的一个或多个传感器(未示出)来提供钻柱20的钩负荷以及与井筒26的钻井有关的其他期望参数。该系统还可包括位于钻柱20和/或钻井组件90上的一个或多个井下传感器70。

在一些应用中，通过旋转钻管22来旋转碎裂工具50。然而，在其他应用中，使用设置在钻井组件90中的钻井马达55(诸如泥浆马达)来旋转碎裂工具50和/或叠加或补充钻柱20的旋转。在任一情况下，对于给定地层和钻井组件，碎裂工具50进入地层60的钻进速率(ROP)在很大程度上取决于钻压和碎裂工具50的旋转速度。在图1的实施方案的一个方面，钻井马达55经由设置在轴承组件57中的驱动轴(未示出)联接到碎裂工具50。如果泥浆马达用作钻井马达55，则当钻井液31在压力下通过钻井马达55时，泥浆马达使碎裂工具50旋转。轴承组件57支撑碎裂工具50的径向力和轴向力、钻井马达的下推力以及来自所施加的钻压的反应性向上负荷。联接到轴承组件57和在钻柱20上的其他合适位置处的稳定器58充当例如钻井马达组件的最下部分和其他此类合适位置的扶正器。

地面控制单元40经由放置在流体管线38中的传感器43从井下传感器70和设备接收信号，以及从传感器S1、S2、S3、钩负荷传感器、用于确定滑块的高度的传感器(例如，块高度传感器)和系统中使用的任何其他传感器接收信号，并且根据提供给地面控制单元40的经编程的指令来处理这些信号。例如，可使用地面深度跟踪系统，该地面深度跟踪系统利用块高度测量来确定钻孔的长度(也被称为钻孔的测量的深度)或沿钻孔从地面处的参考点到钻柱20上的预限定的位置(诸如钻头50或钻柱20上的任何其他合适位置)的距离(也被称为该位置的测量的深度，例如，钻头50的测量的深度)。在特定时间确定测量的深度可通过将测量的块高度添加到在块高度测量时已经在钻孔内的所有设备(诸如但不限于钻管22、钻井组件90和碎裂工具50)的长度的和来完成。可将深度校正算法应用于测量的深度以得到更准确的深度信息。深度校正算法例如可解决因温度、钻压、井筒曲率和方向所引起的管拉伸或压缩而造成的长度变化。通过监视或重复地测量块高度、以及在随时间推移而更深地钻进地层时添加到钻柱20的设备的长度，来创建允许估计在监视周期期间的任何给定时间上钻孔26、或钻柱20上的任何位置的深度的时间和深度信息对。当在实际测量之间的时间上要求深度信息时，可使用内插方案。用于通过地面深度跟踪系统监视深度信息的此类设备和技术是本领域中已知的，并且因此本文不再详细地描述。

地面控制单元40在显示器/监视器42上显示由钻机现场的操作人员用来控制钻井操作的期望的钻井参数和其他信息。地面控制单元40包含计算机，该计算机可包括：存储器，该存储器用于存储计算机中的处理器可访问的数据、计算机程序、模型和算法；记录器，诸如磁带单元、存储器单元等，该记录器用于记录数据；以及其他外围设备。地面控制单元40还可包括由计算机用来根据已编程的指令来处理数据的仿真模型。控制单元响应通过合适的设备(诸如，键盘)输入的用户命令。如本领域的技术人员将理解，控制单元40可通过输出设备诸如显示器、打印机、声学输出等输出某些信息。控制单元40适于在出现某些不安全的或不期望的操作条件时激活警报44。

钻井组件90还可包含其他传感器和设备或工具，以用于提供与在钻孔26周围的地层60有关的多种测量、以及用于沿所期望的路径钻出井筒26。此类设备可包括用于测量地层性质(诸如在钻孔26周围、在碎裂设备50附近和/或前面的地层电阻率或地层伽马射线强度)的设备，以及用于确定钻柱的倾斜度、方位角和/或位置的设备。根据本文所述的实施方案制造的用于测量地层性质的随钻测井(LWD)设备，诸如用于测量地层伽马射线强度的地层电阻率工具64或伽马射线设备76，可在任何合适位置处联接到包括钻井组件90的钻柱20。例如，联接可在下部造斜子组件62上方，以估计或确定在包括钻井组件90的钻柱20周围的地层60的电阻率。另一个位置可在碎裂工具50附近或前面，或在其他合适位置处。可包括用于确定钻井组件90相对于参考方向(例如，磁北、竖直向上或向下方向等)的方向的装置(诸如磁力计、重力计/加速度计、陀螺仪等)的定向勘测工具74可合适地放置来确定钻井组件的方向，诸如钻井组件的倾斜度、方位角和/或工具面。可利用任何合适的定向勘测工具。例如，定向勘测工具74可利用重力计、磁力计或陀螺仪设备来确定钻柱方向(例如，倾斜度、方位角和/或工具面)。此类设备是在本领域已知的，因此在本文不再详细描述。

可监视或重复地确定钻井组件的方向，以结合如上所述的深度测量来允许确定三维空间中的井筒轨迹。在上述示例性配置中，钻井马达55经由轴(未示出)诸如中空轴向碎裂工具50传递动力，该轴还使钻井液31能够从钻井马达55传递到碎裂工具50。在另选的实施方案中，上述部分中的一者或多者可以不同次序出现，或者可从上述设备中省略。

仍然参考图1，其他LWD设备(本文通常用数字77表示)，诸如用于测量岩石性质或流体性质(诸如但不限于孔隙率、渗透率、密度、盐饱和度、粘度、介电常数、声速等)的设备，可放置在钻井组件90中的合适位置处，以用于提供可用于评估沿钻孔26的地下地层60或流体的信息。此类设备可包括但不限于声学工具、核工具、核磁共振工具、介电常数工具、以及地层测试和采样工具。

上述设备可将数据存储到井下存储器和/或传输到井下遥测系统72，该井下遥测系统继而将接收到的数据沿井孔向上传输到地面控制单元40。井下遥测系统72还可从地面控制单元40接收信号和数据并且可将此类接收到的信号和数据传输到适当的井下设备。在一个方面，可使用泥浆脉冲遥测系统在钻井操作期间在井下传感器70和设备和地面装备之间传送数据。放置在流体管线38中的传感器43可响应于井下遥测系统72所传输的数据来检测泥浆压力变化，诸如泥浆脉冲。传感器43可响应于泥浆压力变化而生成信号(例如，电信号)并可将此类信号经由导体45或无线地传输到地面控制单元40。在其他方面，任何其他合适遥测系统都可用于在地面与钻井组件90之间的单向或双向数据通信，包括但不限于无线遥测系统，诸如声学遥测系统、电磁遥测系统、有线管或它们的任何组合。数据通信系统可利用钻柱或井筒中的中继器。可通过联结钻管段来构成一个或多个有线管，其中每个管段都包括沿管延伸的数据通信链路。在管段之间的数据连接可通过任何合适方法来进行，包括但不限于电或光管线连接，包括光学、感应、电容或共振耦合方法。例如，如果采用连续油管，则数据通信链路也可沿钻柱20一侧延伸。

到目前为止所描述的钻井系统涉及那些利用钻管将钻井组件90输送到钻孔26中的钻井系统，其中通常通过控制绞车的操作来从地面控制钻压。然而，大量当前钻井系统，特别是用于钻探高度偏斜井筒和水平井筒的钻井系统，都利用连续油管来将钻井组件输送到井下。在此类应用中，有时在钻柱中部署推进器来在碎裂工具50上提供所期望力。而且，当利用了连续油管时，并非通过旋转台旋转油管，而是通过合适的注入器将油管注入井筒中，同时井下马达诸如钻井马达55使碎裂工具50旋转。对于海上钻井，使用海上钻机或船只来支撑钻井装备，包括钻柱。

仍然参考图1，可提供电阻率工具64，该电阻率工具包括例如多个天线，该多个天线包括例如发射器66a或66b或/和接收器68a或68b。电阻率可以是在作出钻井决定时感兴趣的一种地层性质。本领域技术人员将理解，其他地层性质工具可与电阻率工具64一起使用或代替该电阻率工具。

衬管钻井或套管钻井可为用于提供碎裂设备的一种配置或操作，由于与常规钻井相比具有若干优点，因此在油气工业中变得越来越有吸引力。在标题为“Apparatus andMethod for Drilling a Wellbore，Setting a Liner and Cementing the WellboreDuring a Single Trip(用于在单程期间钻出井筒、设置尾管并固结井筒的装置和方法)”的共同拥有的美国专利No.9,004,195中示出和描述了这种配置的一个示例，该专利全文以引用方式并入本文。重要的是，尽管钻进速率相对低，但是由于衬管在钻出井筒的同时下钻，因此减少了将衬管对准于目标的时间。这在膨胀的地层中可能是有益的，在这种地层中，钻井的收缩会阻碍尾管的安装。此外，在耗尽且不稳定的油层中使用尾管进行钻探，可最大程度地降低因钻孔塌陷而卡住管或钻柱的风险。

尽管图1是相对于钻井操作示出和描述的，但本领域技术人员将理解，尽管具有不同的部件，但类似的配置可用于执行不同的井下操作。例如，如本领域已知的，可使用电缆、连续油管和/或其他配置。此外，可采用生产配置用于从地层提取材料和/或向地层中注入材料。因此，本公开不限于钻井操作，而是可用于任何适当或期望的一个或多个井下操作。

现在转向图2，示出了示例性系统200的示意性管线图，该示例性系统包括沿第二结构设置的第一结构。第一结构或第二结构的至少一部分设置在地表下方。第一结构或第二结构可以可操作地连接到在地表上方的设备。在图2的实施方案中，第一结构是内部结构210，其至少部分地设置在外部结构250中，如图所示。然而，将内部结构210至少部分地设置在外部结构250中不应被理解为限制。所公开的装置、系统和方法在被应用于其中第一结构和第二结构平行地设置且不在彼此内的系统的情况下是相同的。在图2的实施方案中，内部结构210是内部管柱，其包括钻井组件220(也被称为井底组件(BHA))，如下所述。此外，如图所示，外部结构250是套管、衬管或外部管柱。在另一个实施方案中，外部结构可为地层(例如，图1所示的地层60)。内部结构210包括在外部结构250内并且相对于外部结构可移动的各种工具。如本文所述，内部结构210的各种工具可作用在外部结构250的各部分上和/或与外部结构的各部分一起作用来执行某些井下操作。此外，内部结构210的各种工具可轴向地延伸超过外部结构250以执行其他井下操作，诸如钻井。

在图2的实施方案中，内部结构210适于穿过外部结构250并在多个间隔开的位置(本文也被称为“着陆部”或“着陆位置”)处连接到外部结构250的内侧250a。外部结构250的所示实施方案包括三个着陆部，即下部着陆部252、中间着陆部254和上部着陆部256。内部结构210包括钻井组件220，该钻井组件连接到管状构件201(诸如联结的管的管柱、或连续油管)的底端。钻井组件220在其底端处包括第一碎裂设备202(在本文也称为“导向钻头”)，该第一碎裂设备用于钻出第一尺寸的钻孔292a(在本文也称为“导向孔”)。钻井组件220还包括转向设备204，在一些实施方案中，该转向设备可包括多个力施加构件205，该多个力施加构件被配置为从转向设备204延伸以在由导向钻头202钻出的导向孔292a的壁292a′上施加力，从而使导向钻头202沿所选择的方向转向，诸如以钻出偏斜的导向孔。钻井组件220还可包括钻井马达208(也称为“泥浆马达”)，该钻井马达被配置为当流体207在压力下被供应到内部结构210时使导向钻头202旋转。

在图2的配置中，钻井组件220还被示出为包括管下扩眼器212，该管下扩眼器可根据需要从钻井组件220的主体延伸和向其回缩以扩大导向孔292a从而使井筒292b形成为至少达到外部管柱的尺寸。在各种实施方案中，例如如图所示，钻井组件220包括多个传感器(被统称为数字209)，以用于提供与多个井下参数有关的信号，该多个井下参数包括但不限于地层295、流体207的各种性质或特征、以及与系统200的操作有关的参数。钻井组件220还包括控制电路(也称为“控制器”)224，该控制电路可包括：电路225，该电路用于调节来自各种传感器209的信号；处理器226，诸如微处理器；数据存储设备227，诸如固态存储器；以及程序228，这些程序是处理器226可访问的，以用于执行程序228中包含的指令。控制器224经由合适的遥测设备229a与地面控制器(未示出)通信，该遥测设备提供在内部结构210与地面控制器之间的单向或双向通信。遥测单元229a可利用任何合适的数据通信技术，包括但不限于泥浆脉冲遥测、声学遥测、电磁遥测和有线管。内部结构210中的发电单元229b向内部结构210中的各种部件提供电力，该各种部件包括传感器209以及钻井组件220中的其他部件诸如阀、马达或致动器。钻井组件220还可包括第二发电设备223，该第二发电设备能够提供电力，而不管是否存在使用钻井液207(例如，下面描述的第三发电设备240b)生成的电力。

在各种实施方案中，诸如所示的实施方案中，内部结构210还可包括密封设备230(也称为“密封接头”)，该密封设备可包括密封元件232，诸如可膨胀和可回缩的封隔器，该密封元件被配置成当密封元件232被致动成处于膨胀状态时在内部结构210和外部结构250之间提供流体密封。另外，内部结构210可包括衬管驱动接头236，该衬管驱动接头包括可被可移除地连接到外部结构250中的任何坐放位置的附接元件236a、236b(例如，闩锁元件)。内部结构210还可包括悬挂器启动设备或接头238，其具有被配置成启动外部结构250中的可旋转悬挂器270的密封构件238a、238b。内部结构210可包括：第三发电设备240b，诸如涡轮驱动设备，该第三发电设备由流经被配置为生成电力的内部结构210的流体207操作；以及第二单向或双向遥测设备240a，该第二单向或双向遥测设备利用任何合适通信技术，包括但不限于泥浆脉冲、声学、电磁和有线管遥测术。内部结构210还可包括第四发电设备241，而不管是否存在使用了钻井液207的发电源诸如电池。内部结构210还可包括短钻杆244、罐(未示出)和突发短节246。

仍然参考图2，外部结构250包括尾管280，该尾管在其下端处可容纳或包含第二碎裂设备251(例如，在本文也称为扩眼钻头)。其中涉及衬管的井下操作一般称为衬管操作。扩眼钻头251被配置为扩大由导向钻头202形成的孔292a的残余部分。在各方面，将内部管柱附接在下部着陆部252处使得内部结构210能够钻出导向孔292a，并且管下扩眼器212能够将该导向孔扩大到尺寸至少与外部结构250一样大的钻孔292。将内部结构210附接在中间着陆部254处使得扩眼钻头251能够扩大孔292a的未被管下扩眼器212扩大的段(在本文也称为“残余孔”或“剩余导向孔”)。将内部结构210附接在上部着陆部256处，使得能够对尾管280与地层295之间的环带287进行固井而无需将内部结构210拉到地面，即，在系统200在井下的单程中。下部着陆部252可包括用于附接到衬管驱动短节236的附接元件236a和236b的内花键252a和夹头沟槽252b。类似地，中间着陆部254包括内花键254a和夹头沟槽254b，并且上部着陆部256包括内花键256a和夹头沟槽256b。出于本公开的目的，可利用用于将内部结构210连接到外部结构250的任何其他合适的附接机构和/或闩锁机构。

外部结构250还可包括邻近于其下端253而被置于外部结构250的内部250a的流量控制设备262，诸如防回流组件或设备。在图2中，流量控制设备262处于停用或打开位置。在这个位置，流量控制设备262允许在地层295与外部结构250之间的区域与在外部结构250的内部250a内的区域流体连通。在一些实施方案中，当导向钻头202在外部结构250的内部收回时，可激活(即，关闭)流量控制设备262，以防止从井筒292到外部结构250的内部250a的流体连通。当导向钻头202延伸到外部结构250之外时，停用(即，打开)流量控制设备262。在一个方面，力施加构件205或另一合适的设备可被配置为激活流量控制设备262。

还可提供反向流量控制设备266，诸如反向挡板或其他防回流结构，以防止从外部结构250的内部在反向流量控制设备266上方的位置到在反向流量控制设备266下方的位置的流体连通。外部结构250还包括悬挂器270，该悬挂器可由悬挂器激活短节238激活以将外部结构250锚固到主套管290。在用系统200进一步钻出井筒292之前，将主套管290部署在井筒292中。在一个方面，外部结构250包括密封设备285，用于在外部结构250和主套管290之间提供密封。外部结构250还在其上端处包括接收器284，该接收器可包括具有内花键282a和夹头沟槽282b的保护套筒281。还可提供碎屑屏障283以防止由导向钻头202、管下扩眼器212和/或扩眼钻头251形成的切屑进入内部结构210和外部结构250之间的空间或环带。

为了钻凿井筒292，内部结构210被置于外部结构250内部，并且通过如图所示启动衬管驱动接头236的附接元件236a、236b而在下坐放位252处附接到外部结构250。当被激活时，该衬管驱动短节236将附接元件236a连接到内花键252a并将附接元件236b附接到下部着陆部252中的夹头沟槽252b。在该配置中，导向钻头202和管下扩眼器212延伸超过扩眼钻头251。在操作中，钻井液207为钻井马达208提供了动力，该钻井马达使导向钻头202旋转以使其钻出导向孔292a，而管下扩眼器212将导向孔292a扩大到井筒292b的直径，其至少为外部管柱的大小。除了通过钻井马达208使导向钻头202和管下扩眼器212中的一者或两者旋转之外，还可通过使钻井系统200旋转来使该导向钻头和管下扩眼器旋转。

一般来讲，利用系统200执行三种不同的配置和/或操作：钻井、扩眼和固井。在一位置进行钻井时，钻井组件220至少部分地伸出外部结构250以实现测量和转向能力(例如，如图2所示)。在扩眼位置，内部结构210的减小部分，例如仅第一碎裂设备202(例如，导向钻头)，在外部结构250外部以降低在井崩塌的情况下管或钻柱被卡住的风险，并且钻井组件220的其余部分容纳在外部结构250内。在固井位置，钻井组件220位于外部结构250内部，与第二碎裂设备(例如，扩眼钻头251)相距一定距离，以确保正确的浮鞋套管串。

当执行井下操作时，使用诸如以上在图1至图2中所示出和所描述的系统，这对监视井下正在发生的事情是有利的。一些此类解决方案包括有线管(WP)，其中使用一个或多个传感器和/或设备执行监视，并经由特殊的钻管(例如“长电缆”)来传输所收集的数据。另一种解决方案采用经由泥浆脉冲遥测术进行的通信，其中钻孔流体用作通信信道。在此类实施方案中，在井下生成压力脉冲(编码)，并且压力换能器将压力脉冲转换成电信号(编码)。泥浆脉冲遥测术(MPT)与有线管相比非常慢(例如，相差若干数量级，诸如相差一千倍)。一个特定的信息片段为位置。当期望在沿井筒的非常特定的点处执行井下操作时，诸如但不限于封隔器部署、扩眼、管下扩眼和/或延伸稳定器、扩眼器刀片、闩锁元件、锚固件、悬挂器等时，尤其如此。

对于衬管钻井服务，当使用诸如相对于图2所示和所述的系统时，可能需要在距地面至多6,000米或更大的位置处检测或找到不同位置。此外，可能期望知道衬管在设置操作之后是否一直都在移动，并且校正计数单上的不正确处。根据本公开的实施方案，标记定位在沿外部结构(诸如衬管、外部管柱、套管等)或内部结构的一个或多个位置处，并且传感器分别承载在内部结构(例如，钻井组件、内部管柱、线缆测井工具等)或外部结构上，它们可检测标记的位置。如果采用泥浆脉冲遥测通信，则可能发生25秒或更长的传输时间(例如，从标记检测直到信息在地面显示的时间)。为了解决延迟，可采用更大的检测面积和/或慢的起下钻速度。更大的检测面积和/或慢的起下钻速度可能产生50cm至100cm的误差容限。提高井下位置检测的准确性可能是有利的。

根据本公开的实施方案，位置检测的优化尤其是经由泥浆脉冲遥测来实现。此外，本公开的实施方案可消除缓慢的起下钻速度以补偿位置检测的可能使位置检测困难且昂贵的低数据速率通信。根据本公开的一些实施方案，相对小的检测区域(即，用于检测标记)是足够的(例如，小于10cm，诸如2cm)并可检测标记的确切位置(例如，其中误差容限为约10cm或更小)。因此，基于传感器沿内部结构的已知位置，在地面上的显示器可显示各种井下部件的精确位置。

此外，根据本公开的一个实施方案，有可能使内部结构或外部结构(带有传感器)分别通过外部结构或内部结构(带有标记)，而没有流动，并且因此没有泥浆脉冲遥测通信。然而，系统可检测标记的存在，并且由此保留有关相互作用时间的信息。然后，一旦循环再次开始，该时间信息就可用于非常精确地确定相对位置。在这种实施方案中，在没有流动的情况下，用于检测标记的存在的系统可使用由能量存储设备诸如电池提供的电力。因此，在标记查找过程期间的起下钻或钻井速度并不是关键的。因此，不需要附加的昂贵的电子部件(诸如高精度时钟(例如，原子钟))就能实现精确位置检测。此外，根据本公开的一个实施方案，有可能在起下钻或钻井操作期间检测多个标记。这种多次检测可使任何调整过程最优化。

现在转向图3，示出了根据本公开的实施方案的系统300的示意图。在该实施方案中，与上述实施方案类似，内部结构310适于穿过外部结构350并在多个间隔开的位置(本文也被称为“着陆部”或“着陆位置”)处连接到外部结构350的内部350a。外部结构350的所示实施方案包括三个着陆部，即下部着陆部352、中间着陆部354和上部着陆部356。内部结构310包括位于其下端上的钻井组件320，与上文所示出和所描述的类似。

如上文所指出，内部结构310可与外部结构350相互作用，诸如通过在作为内部结构310的部分的内部井下工具358与外部结构350的着陆部352、354、356之间的接合来进行。在一些实施方案中，内部井下工具358是可下行链路的送入工具，其可延伸一个或多个元件以与着陆部352、354、356接合，如本领域的技术人员将理解。尽管本文相对于在内部结构中包括的送入工具与外部结构中的着陆部之间的接合进行了示出和描述，但是本领域的技术人员应当理解，基于位置的任何类型的井下操作都可实施和采用本公开的实施方案。例如，送入工具和着陆部可分别是外部结构和内部结构的部分。此外，所公开的装置、系统和方法在被应用于其中第一结构和第二结构平行地设置且不在彼此内并且至少一个标记和至少一个传感器以及着陆部和送入工具位于第一结构和第二结构中的任一者中的系统的情况下是相同的。

如上文所讨论，关于内部结构相对于外部结构的相对定位的知识对于能够实施某些井下操作来说是重要的。例如，参考图3，为了实现在内部井下工具358与外部结构350的着陆部352、354、356之间的适当的接合，重要的是要高度准确地知道在内部结构310与外部结构350之间的相对位置。

为了实现准确相对位置测量，内部结构310或外部结构350中的一者可配置有一个或多个标记，并且相应外部结构350或内部结构310可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器被选择来检测标记的接近度。例如，着陆部352、354、356可各自包括定位在相应着陆部352、354、356周围或在距该着陆部的已知距离处的一个或多个标记。内部结构310可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器位于距内部结构310的内部井下工具358的已知距离处。例如，一个或多个传感器可位于内部结构310的内部井下工具358上和/或其附近。内部结构310上的传感器可监视由外部结构350的标记生成或通过与该标记的相互作用生成的信号。该信号可取决于在传感器与标记之间的距离。

现在转向图4A至图4B，示出了根据本公开的实施方案的具有外部结构450的系统400的示意图，该外部结构具有作为位置检测系统404的部分的位置标记402。此外，系统400包括内部结构410，该内部结构可在外部结构450内并相对于其延伸。

尽管图4A至图4B中示出和描述了配置在内部结构410和外部结构450中和其上的各种特定部件，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，具有位于外部结构(例如，衬管)内的当前描述的部件的另选的配置是可能的。例如，标记可位于内部结构410上并由外部结构450中的传感器检测。内部结构410和/或外部结构450可包括一个或多个部件，包括但不限于封隔器、扩眼器、管下扩眼器、可延伸的稳定器、锚固件、闩锁元件、悬挂器激活工具、衬管驱动短节、修井工具、铣削工具、切割工具和/或通信设备，诸如耦合器，例如电感耦合器、电容耦合器、电磁共振耦合器或声学耦合器。在非限制性示例中，诸如图4A至图4B中所示的示例，外部结构450可包括位置检测系统404的一部分(例如，标记)。标记可包括磁性、光学、声学、电磁、机械、机电、电、射频识别(也被称为RFID)、放射和/或辐射标记。例如，本公开的各种实施方案的标记可包括磁体，放射源，电磁发射器，电磁收发器，射频标识符(RFID)、高或低电导率、介电常数、磁化率或密度的区域，形成在内部结构或外部结构(即，机械特征)中的凹陷部，光源，线圈和/或定子绕组。射频标识符特别是可包括发射器和/或接收器、能量存储和电子设备并可用于在检测到RFID标记时读取该RFID标记的标识或可布置成修改RFID标记的状态(例如，增加计数器的状态)。标记可包括一组单独的标记，其中该组单独的标记可包括相同种类的标记或不同种类的标记。

在一个非限制性实施方案中，位置标记402是安装在外部结构450的某个段(被示出为具有容纳位置标记402的各种部件)内的磁环配置。然而，如所指出，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，位置标记402可采用任何数量的配置。例如，磁性标记、放射标记(诸如γ标记)、电容标记、导电标记、触觉/机械部件、温度或热量标记、光学标记等可用于确定在外部结构450与内部结构410之间的相对位置(例如，彼此以轴向和/或旋转的方式)，并且因此包括根据本公开的位置标记的一个或多个特征。

位置标记402的检测可通过作为内部结构410的部分和/或安装到该内部结构的位置检测系统404的传感器406来进行。传感器406耦合到井下电子器件408，该井下电子器件也是内部结构410的一部分(例如，在内部结构410上或其内的电子器件模块的部分)。例如，传感器406可为磁场传感器，诸如磁力计(例如，霍尔传感器、磁阻传感器或磁通门传感器)，其检测由位置标记402生成的磁场的表象和/或强度。可采用的其他传感器包括但不限于：用于放射辐射(例如，伽马辐射)的传感器，诸如闪烁晶体(例如，NaI闪烁晶体或计数管)，其检测放射辐射的表象和/或强度；用于电容或介电常数的传感器，其检测电容或介电常数的表象和/或强度；用于电阻率、电导率、电阻或电导的传感器，诸如电极(例如，电极布置)或线圈(例如，线圈布置)，其检测电阻率、电导率、电阻或电导的表象和/或强度；光传感器，其检测光的表象和/或强度；触觉或间隔距离传感器，诸如机械或声学间隔距离传感器，其检测间隔距离或距离变化的表象和/或量；以及热量或温度传感器，其检测热量和/或温度变化的表象。井下电子器件408可为配置在内部结构410和/或内部结构410的井下工具中或其上的一个或多个电子部件并可为电子模块的部分，如本领域的技术人员将理解。在其他实施方案中，可使用电子设备(例如，电线)而不是井下电子器件408。

图4A是系统400的一部分的剖视图，该系统包括在外部结构450中的位置标记402和被配置为相对于位置标记402移动的内部结构410的传感器406。图4B是如图4A中的虚线圆圈所指示的位置标记402的放大图。

在一些实施方案中，位置检测系统404可以可操作地连接到内部结构410的井下电子器件408或以其他方式与其通信，和/或与地面通信。来自位置检测系统404的通信可包括位置信息和/或可从中提取与位置有关的信息的信息。例如，如果信号强度取决于在传感器406与位置标记402之间的距离，则可使用信号强度来确定传感器406和位置标记402的相对位置。

具体井下操作可取决于内部结构410相对于外部结构450的具体相对位置。例如，可通过使用系统400的两个部分的相对位置的知识来实现内部结构410的至少一部分相对于外部结构450的正确的接合、分离和移动。通过知道内部结构410对于外部结构450的相对位置，锚固模块、闩锁元件、封隔器、测量工具、测试工具、扩眼器(诸如管下扩眼器)、可延伸的稳定器、锚固件、悬挂器激活工具、衬管驱动短节、修井工具、铣削工具、切割工具和/或通信设备(诸如耦合器，例如电感耦合器、电容耦合器、电磁共振耦合器或声学耦合器等)可在所期望的井下位置处适当地接合和/或操作。例如，可将由位置检测系统404检测到的位置传达到地面，以告知内部结构410相对于位置标记402的精确位置的位置。

在图4A至图4B所示的非限制性实施方案中，位置标记402包括磁环412，该磁环具有相对的北极414和南极416，如图所示。在其他实施方案中，可使用与所示的相反或不同的磁极取向。此外，在又一些另选的实施方案中，位置标记402可由不同的可检测的材料和/或结构形成，如上文所指出。在该实施方案中，磁环412是全360度环(例如，缠绕在外部结构450上并在其中)。在其他实施方案中，磁环可被拆分，使得该磁环覆盖小于360度。此外，在其他实施方案中，磁环可具有重叠端部，使得磁环缠绕在外部结构450的多于360度上。更进一步，其他配置可采用形成位置标记402的间隔开的磁性元件，诸如按钮。

位置标记402的磁环412产生磁场，该磁场可由内部结构410的部件或特征(诸如传感器406)检测和/或与之相互作用。此外，有利地，可利用如图4A至图4B所示的环形位置标记402(例如，磁环412)，而不管内部结构410的取向如何，这是因为对于环形标记来说，在外部结构450中和相对于该外部结构的取向与信号的检测无关。因此，可容易地实现内部结构410相对于外部结构450的位置的检测。可部分地通过处理传感器信号来实现检测，该处理由井下电子器件408实施，并且这种处理和/或数据可传达到地面。一旦将检测传达到检测到位置标记402的地面，就可能期望精确地定位内部结构410，使得可在精确位置处执行所期望的井下操作。

现在转向图5，示出了根据本公开的用于检测内部结构相对于外部结构的位置的流程500。流程500可通过如本文所示和所述的井下系统来执行。特别地，用具有至少一个位置标记的第一结构和可沿第一结构并相对于第一结构移动的第二结构至少部分地在井下执行流程500，反之亦然。例如，可用具有至少一个位置标记的外部结构和可在外部结构内并相对于外部结构移动的内部结构在井下执行流程500，反之亦然。例如，在一些实施方案中，外部结构可为衬管或外部管柱，并且内部结构可为内部管柱。此外，在其他实施方案中，内部结构可为在外部结构诸如衬管或套管内输送的线缆测井工具。在不脱离本公开的范围的情况下，各种其他配置是可能的。

在框502处，内部结构相对于外部结构向井下移动。内部结构至少包括传感器，并且外部结构包括可由内部结构的传感器检测的位置标记。位置标记沿外部结构定位，以使得能够知道在内部结构和外部结构的相对移动期间内部结构何时靠近和/或经过位置标记。在另选的实施方案中，内部结构包括标记并且外部结构包括传感器。在一个实施方案中，例如，当内部结构包括标记并且外部结构包括传感器时，到地面的通信路径可至少包括利用无线通信的一部分。

在框504处，传感器检测位置标记。该检测可为基于传感器位置标记配置的检测到的信号的强度、性质、特性等。例如，当使用磁性传感器/标记配置时，磁场强度或磁通密度可为检测到的性质。当使用基于辐射的传感器/标记时，检测到的性质可为计数或每秒计数(即，活动)。可基于具体传感器/标记配置来采用各种其他检测到的性质，包括但不限于感应电流、电压、光学图案、光学强度、声学信号、电磁信号、几何特征和/或辐射等。

传感器连接到可记录标记的检测到的性质的电子器件，并且因此可实现检测对时间。传感器和电子器件的组合(无论与传感器分离还是集成)可被配置为监视关键事件，诸如检测到的性质的临界值。可能涉及处理，诸如校准、校正、平均值的计算、标准偏差或其他统计功能的应用。在各种配置中，关键事件可为检测到的性质的峰值或峰强度(例如，最强磁场、最高每秒计数等)。然而，在其他配置中，检测到的关键事件可为极性变化(诸如磁性z场传感器在经过一个或多个磁体(诸如偶极磁体)时会感测到，其中偶极轴线指向垂直于经过的磁性z场传感器的轨迹)、正值到负值的交叉点(例如，电压符号的变化)。此外，在一些实施方案中，关键事件可为检测到的曲线的特征，例如，其表征为检测到的曲线的一阶、二阶等导数的具体值、或通过传感器与标记的相互作用生成的一个或多个曲线的对准。更进一步，关键事件可限定在可被理解为如上文所讨论的关键事件的一个或多个特征之后的预确定的时间。

在框506处，传感器/电子器件确定已经检测到关键事件。如果关键事件是传感器响应中的峰，则可基于增加的信号强度并然后减小的信号强度来进行关键事件的检测，并且该系统确定关键事件发生在正好在信号强度减小之前的时间上。在一些实施方案中，关键事件可为已知事件(例如，极性或电压的变化)和/或具体已知或预确定值，并且因此关键事件可被检测到。在一些实施方案中，可基于检测时间或与检测到的信号有关的其他时间来计算关键事件的时间。例如，关键事件的时间可为首次检测到信号的时间与信号电平降至低于噪声水平的时间的平均值。此外，在一些实施方案中，关键事件可为基于测试并考虑到现实世界可变性和/或误差的预计值或值范围。因此，关键事件不限于单一测试和/或检测过程或算法。

在框508处，在检测到关键事件的情况下，系统将进行计数或确定或监视自关键事件起时间，该自关键事件起时间是自关键事件发生起或自检测到关键事件起的时间。计数可基于关键事件的检测或发生的时间戳或与关键事件的检测或发生有关的时间戳，例如，在检测到关键事件之前或之后的预确定的时间段。在一些实施方案中，一旦已经发生或检测到关键事件，就可启动时钟或定时器，或可在已经发生或检测到关键事件之后的已知的时间段启动时钟或定时器。在任一情况下，都可获得自关键事件被检测到或已经发生起的时间。

在框510处，从内部结构将关于位置(例如，关于内部结构相对于外部结构的位置)的信号传输到地面。该信号包括自关键事件起时间。自关键事件起时间的时间段的结束可为信号传输事件或与信号传输事件有关的时间，例如，包括附加时间段(诸如处理时间)的时间、传输时间或在信号传输之前或之后的预限定的时间间隔。因此，自关键事件起时间表示与传感器经过标记的时间有关的时间段，反之亦然。因此，可确定内部结构相对于外部结构的任何后续行进。

在框512处，在地面处接收所传输的信号并对其进行处理以确定内部结构的位置。具体地，该处理包括自关键事件起时间和处理时间的和，该处理时间可为已知时间或计算出的时间并可为整个系统的部分。处理时间可包括传输时间，即从内部结构传输而直到信号到达地面接收器的时间。传输时间通常取决于操作参数，诸如流体的深度和/或类型，并且可通过考虑操作参数来确定。例如，传输时间通常随钻孔深度的增加而增加，并且对于水基泥浆而言，其传输时间通常比油基泥浆的更高。传输时间可基于操作参数来计算，或可从查找表中获取。该查找表可为通常打印在纸上的常规的查找表，或是诸如由执行软件指令以确定传输时间的处理系统可电访问的查找表。传输时间的确定可基于实验室测量和/或理论考虑。传输时间也可示例性地针对钻探进行或针对每次传输各自进行测量。

此外，处理时间可包括在地面上或在井下发生的任何处理时间，诸如在电子器件中用于准备所传输的信号的处理(例如，将补偿、校正或校准算法应用于测量、将信息编码或解码、重复或放大信号、应用本领域中已知的数据压缩方案和/或遥测校正技术、将模拟信号转换为数字信号或反之亦然，诸如将电子模拟信号转换为数字电子信号或反之亦然，或对于泥浆脉冲遥测术，将电子数字信息转换为泥浆脉冲或反之亦然)。在框512处执行的处理可包括确定总时间延迟，该总时间延迟包括自关键事件起时间和任何已知系统时间延迟两者，包括但不限于可包括传输时间和其他计算出的、预确定的、或以其他方式已知的时间间隔的处理时间。

在框514处，处理过的信号允许内部结构与外部结构之间的相对位置的相关性，这考虑了自关键事件发生时以来的任何相对移动。通过确定深度相关数据，诸如在关键事件发生时通过地面深度跟踪系统获取的块高度或深度，可在之后任何时间(诸如关键事件的时间加上总时间延迟)识别外部结构和内部结构的相对位置。由此，就可知道内部结构相对于外部结构的精确位置。

另选地，可将关键事件的测量的时间例如作为时间戳传输到地面，而不是传输自关键事件起时间。然而，与传输自关键事件起时间相比，传输时间戳通常可能要求更多的数据位，因为时间戳的预计值范围除以所要求的数字分辨率比对于该时间戳来说比对于自关键事件起时间来说的要高得多。例如，如果时间戳的预计值范围是两周，并且所要求的数字分辨率是一分钟，则时间戳将以至少两周/一分钟被数字化，这等于20，160个级，其将要求15个位。相反，如果自关键事件起时间的预计值范围是十分钟，并且所要求的数字分辨率是一分钟，则自关键事件起时间能够以不超过对应于四个位的十个级数字化。另外，传输时间戳将依赖于井下时钟的准确度与地面时钟的准确度相当。然而，井下时钟经受使用它们的恶劣环境，包括温度升高和高温变化，并且可能经受诸如漂移等不准确性。此类不准确性的量通常随时间而增加，并且因此，有益的是仅传输相对短的自关键事件起时间，而不是传输时间戳。然而，可通过与地面或井下的更准确的时钟的重复同步来减轻井下时钟漂移问题。

在框516处，基于相关位置来执行井下操作。这种井下操作可包括调整内部结构相对于外部结构的物理位置。例如，自关键事件起时间、处理时间和/或总时间延迟可指示内部结构与外部结构之间的“过冲”或附加的相对行进。通过确定深度相关数据，诸如在关键事件已经发生或由井下传感器检测到时通过地面深度跟踪系统获取的块高度或深度，可使用反向操作来将内部结构移动到已经发生或检测到关键事件的特定位置。另选地，内部结构可移动到距已经发生或检测到关键事件的位置一定距离(例如，预限定的距离)的特定位置。

在特定位置处，可执行井下操作，该井下操作可组合地或另选地为致动或动作。这种致动或动作可包括：锚固件、闩锁元件、稳定器或刀片诸如扩眼器或管下扩眼器刀片的延伸；封隔器、悬挂器激活工具、衬管驱动短节、修井工具、铣削工具、切割工具和/或通信设备(诸如耦合器(例如，电感耦合器、电容耦合器、电磁共振耦合器或声学耦合器))的激活；对地层的测试或采样(例如，流体测试或取芯)；刀片(诸如扩眼器或管下扩眼器刀片)的缩回；和/或在非常特定的位置处执行可能有利的其他动作。例如，相对于外部结构定位内部结构，使得可实现与外部结构的着陆部的接合(例如，如关于图2至图3所示和所述的)。

在某些配置中，关键事件的时间可存储在存储器中，直到可将其发送到地面为止。在这种情况下，可高准确度地确定传输时间，这导致总时间延迟确定的整体改进。例如，在一些实施方案中，泥浆流的损失可导致功率损失和/或传输的时间延迟。此外，在一些实施方案中，传输介质本身可能不存在，诸如缺少能够在起下钻事件期间进行泥浆脉冲遥测的泥浆。然后，当信号最终发送到地面时，可及时分配一个或多个关键事件，可确定对应的位置并采取适当的动作。一旦在地面上，信息就可基于用户需求被可视化。

因此，根据本公开的实施方案，自关键事件起时间测量可被用来准确地确定从事件开始的延迟，并且因此可获得井下元件的精确绝对和/或相对位置。有利地，传输仅是时间延迟，并且因此在记录和传输时间延迟而不是峰检测的绝对时间戳的情况下，不要求时钟同步。这是特别地有利的，因为例如由于在两个位置之间的温度差，井下时间可不同于井上时间，其中时间差通常随时间推移而增加。

尽管以上相对于内部结构上的单一传感器示出和描述，但是本领域的技术人员将理解，本公开不限于此。例如，多个传感器(在内部结构或外部结构上)和/或标记(分别在外部结构或内部结构上)可用于井下操作。例如，多个标记可在“标记位置”处遵循特定预确定的图案，例如，两个标记在第一标记位置处紧邻并且三个标记在第二标记位置处紧邻。具有多个标记的此类标记位置可实现标记编码。以此方式，可识别沿外部结构的长度的不同位置。

如上所述，本公开的实施方案可被包括在具有内部管柱和外部管柱的可转向的钻井衬管中(例如，如图2至图3所示)。可采用另选的配置来监视、调整和/或对准工具的位置，该工具包括锚固件、闩锁元件、稳定器或刀片诸如扩眼器或管下扩眼器刀片，诸如但不限于封隔器、悬挂器激活工具、衬管驱动短节、修井工具、铣削工具、切割工具、线缆测井工具和/或通信设备，诸如耦合器(例如，电感耦合器、电容耦合器、电磁共振耦合器或声学耦合器)、测试或采样(例如，流体测试或取芯)工具、刀片的缩回(诸如扩眼器或管下扩眼器刀片)、或设置在套管或衬管内或沿套管或衬管设置的其他工具或设备，或者具有沿此类管状件设置的标记或标记感测传感器的任何其他类型的管状设备和/或在非常特定的位置处执行可能有利的其他动作。

有利地，总时间延迟(包括自关键事件起时间和处理时间)可用于准确地调整要用于在特定位置处的特定井下操作的各种井下部件的位置。由此，可实现井下工具(例如，内部结构的一部分)的非常准确的放置。

在一些实施方案中，在自关键事件起时间数据被传输到地面之前，可由单一感测元件检测到多个标记。也就是说，自关键事件起时间数据可包括多个自关键事件起时间计算。如果遥测不可用，诸如在起下钻事件期间，就可能会发生这种情况。内部结构的传感器在经过标记时将检测外部结构的不同标记并将记录自满足关于不同标记中的至少一个标记的传感器信号的条件起的时间。一旦遥测再次可用，则属于不同标记的检测的不同时间延迟(例如，不同自关键事件起时间)或时间戳向井上传输到地面。

有利地，本文提供的实施方案提供了确定井下元件相对于彼此的精确位置的方法和系统。此外，提供了用于在钻孔中发起井下操作的方法和系统。根据本公开的实施方案，第一结构诸如内部结构(例如，内部工具、内部管柱、线缆测井工具等)沿第二结构诸如外部结构(例如，钻孔、套管、外部管柱、衬管等)设置(例如，在该第二结构内)。第一结构被配备有一个或多个传感器，并且第二结构被配备有一个或多个标记，反之亦然。传感器和/或标记的位置可被预先确定并设置为表示第一结构和第二结构中的一者或两者的特定位置。

传感器系统用于监视由标记生成的信号和/或与标记的相互作用(取决于传感器/标记配置)。传感器系统将监视关键事件或与传感器正在检测的信号有关的事件。然后，传感器系统将记录自关键事件起时间。

传感器系统或井下电子器件将用发射器将指示自关键事件起时间的数据从井下传输到地面。处理器(在地面或井下)将基于自关键事件起时间以及任何已知处理时间、传输时间、等待时间和/或其他时间延迟来确定总时间延迟。

一旦获得总时间延迟，就可确定关于第一结构和第二结构的相对位置的精确信息。基于此，可从地面发送指令以发起井下操作。井下操作可包括基于计算出的相对位置来调整第一结构和第二结构的相对位置和/或在知道第一结构和第二结构的精确位置的情况下执行特定操作。

本领域的技术人员应当理解，深度不特定地是内部结构和外部结构的相对位置的部分。在地面上，可接收、计算、测量或以其他方式确定已知时间延迟，或该已知时间延迟使已知的(例如，在预确定的恒定时间延迟的情况下，例如在恒定测井速度的情况下)并与处理时间、传输时间和/或自关键事件起时间组合。时间延迟可用于定位标记相对于传感器的位置(与上述操作相反)，并且可执行特定操作。也就是说，不必记录标记所处的任何地方的深度，而仅需要基于测量或计算的自关键事件起时间的相对位置。然而，在另选的实施方案中，结合深度跟踪的相对位置可用于计算和/或显示绝对位置。

根据本公开的实施方案，甚至有可能省略任何时间深度相关性并仅经由内部结构的时间反向移动来确定标记位置(或传感器位置)的位置。以此方式，可识别或克服错误的时间-深度相关性或计数单的失效。

有利地，本文提供的实施方案使得能够测量一个结构相对于另一结构的位置，并且因此可精确地测量用于井下操作的位置。例如，在采用本文所公开的实施方案的一个非限制性示例中，可精确地识别和/或测量锁入接触的位置的测量。锁入可在具有可延伸的元件的送入工具与外部衬管、套管或管柱的着陆部之间。可使用本公开的实施方案来验证这种位置测量(例如，相对于在不同位置处的多个标记的多个传感器)，可对不精确的计数、管伸展和/或其他无法预料的故障和/或事件(例如，衬管移动)进行校正。

此外，有利地，本文所提供的实施方案使得精确相对位置测量能够完全独立于传输技术或通信方法。因此，在提供机会来发送自关键事件起时间信息的任何时候，无论通信类型如何，都可发送此类信息。因此，例如在起下钻的情况下，不需要额外的时间来找到特定位置，可采用本文所述的实施方案，并且因此在起下钻完成之后不需要后续的位置测量。此外，每当通信信道可用时，就可发送信息。

此外，如上文所指出，可进行标记编码，其中可对由标记指示的不同位置进行编码，使得可准确地获得在内部结构与外部结构之间的相对位置。此外，可使用在沿外部结构的不同位置处的多个标记来彼此独立地测量和/或检测多个不同位置。

此外，有利地，本文提供的实施方案允许校正传输时间和时延。因此，即使用非常慢的通信信道(诸如泥浆脉冲遥测)，也可获得精确位置测量。此外，不要求特殊设备来传输所获得的自关键事件起时间数据。例如，可能但不要求利用有线管，并且仍可获得非常精确的位置信息。

此外，由于传感器对标记的检测是基于关键事件(或临界值)，因此在例如起下钻事件期间使用的内部结构和外部结构之间的高相对速度不会影响本公开的实施方案的可靠性。此外，与现有位置测量技术相比，可减少用于在外部结构中形成标记的材料量。也就是说，仅要求检测特定关键事件，而不要求检测内部结构的实际位置(可能要求较大标记)。

实施方案1：一种用于在形成在地中的钻孔中发起井下操作的方法，该方法包括：至少部分地将第一结构部署在钻孔中；至少部分地沿第一结构移动第二结构，其中第一结构和第二结构中的至少一者被配备有传感器并且第一结构和第二结构中的另一者被配备有可由传感器检测的标记；检测与传感器和标记的相互作用有关的关键事件；测量自关键事件起时间；基于自关键事件起时间来确定时间延迟；用遥测系统将指示关键事件已经被检测到的数据从地下传输到地表；以及通过使用所确定的时间延迟来发起井下操作。

实施方案2：根据本文任一实施方案的方法，其中第一结构是内部结构并且第二结构是外部结构，其中内部结构至少部分地在外部结构内。

实施方案3：根据本文任一实施方案的方法，其中外部结构是衬管，并且标记位于该衬管内。

实施方案4：根据本文任一实施方案的方法，其中所传输的数据包括基于自关键事件起时间的时间信息。

实施方案5：根据本文任一实施方案的方法，其中通过将自关键事件起时间与处理时间、传输时间和系统时间延迟中的至少一者组合来确定时间延迟。

实施方案6：根据本文任一实施方案的方法，其中第一结构和第二结构中的一者包括可扩展的井下部件，并且井下操作包括扩展可扩展的井下部件。

实施方案7：根据本文任一实施方案的方法，其中井下操作包括激活或停用封隔器、扩眼器、管下扩眼器、可延伸的稳定器、锚固件、闩锁元件、悬挂器激活工具、切割工具、铣削工具、衬管驱动短节、修井工具、测量工具、定时器或通信设备中的至少一者。

实施方案8：根据本文任一实施方案的方法，其中标记是磁体、放射源、电磁发射器、电磁收发器、射频标识符、高或低电导率、介电常数、磁化率或密度的区域、第一结构和第二结构中的至少一者中的凹陷部、光源、线圈、包括相同种类的标记的一组单独的标记、或包括不同种类的标记的一组单独的标记。

实施方案9：根据本文任一实施方案的方法，其中使用时间-深度相关性发起井下操作。

实施方案10：根据本文任一实施方案的方法，其中关键事件与信号强度、信号响应的符号或极性的变化、信号响应的一阶或更高阶导数和由传感器检测到的曲线对准中的至少一者有关。

实施方案11：根据本文任一实施方案的方法，其中在检测到关键事件时停用遥测系统。

实施方案12：根据本文任一实施方案的方法，其中第一结构和第二结构中的至少一者被配备有两个或更多个标记。

实施方案13：根据本文任一实施方案的方法，其中检测关键事件包括基于两个或更多个标记中的每个标记的信号响应来区分传感器和两个或更多个标记的相互作用。

实施方案14：一种用于发起井下操作的系统，该系统包括：第一结构，该第一结构至少部分地设置在地下；第二结构，该第二结构可沿第一结构移动；传感器，该传感器在第一结构和第二结构中的至少一者上；标记，该标记在第一结构和第二结构中的至少一者上，该标记可由传感器检测；发射器，该发射器在第一结构和第二结构中的一者上，该发射器被配置为将数据从地下传输到地表，其中该系统被配置为：检测与传感器和标记的相互作用有关的关键事件；测量自关键事件起时间以基于自关键事件起时间来建立时间延迟；将指示关键事件已经被检测到的数据从地下传输到地表；以及通过使用所建立的时间延迟来发起井下操作。

实施方案15：根据本文任一实施方案的系统，还包括控制单元，该控制单元位于地面上，该控制单元被配置为接收所传输的数据，该控制单元进一步被配置为基于时间延迟来确定在内部结构与外部结构之间的相对位置。

实施方案16：根据本文任一实施方案的系统，其中第一结构是内部结构并且第二结构是外部结构，其中内部结构至少部分地在外部结构内。

实施方案17：根据本文任一实施方案的系统，其中内部结构是包括井下部件的井下内部管柱，并且井下操作包括扩展井下部件。

实施方案18：根据本文任一实施方案的系统，其中内部结构包括封隔器、扩眼器、管下扩眼器、可延伸的稳定器、锚固件、闩锁元件、悬挂器激活工具、衬管驱动短节、切割工具、铣削工具、修井工具和通信设备中的至少一者。

实施方案19：根据本文任一实施方案的系统，其中标记是磁体、放射源、电磁发射器、电磁收发器、射频标识符、高或低电导率、介电常数、磁化率或密度的区域、第一结构和第二结构中的至少一者中的凹陷部、光源、线圈和一组单独的标记。

实施方案20：根据本文任一实施方案的系统，还包括多个标记，其中至少两个标记位于沿第一结构和第二结构中的至少一者的长度的不同位置处。

为了支持本文的教导内容，可使用各种分析部件，包括数字系统和/或模拟系统。例如，如本文所提供的和/或与本文所述的实施方案一起使用的控制器、计算机处理系统和/或地质导向系统可包括数字系统和/或模拟系统。这些系统可具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(例如，有线、无线、光学或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器(例如，数字或模拟)的部件以及其他此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器等)，用于以本领域熟知的若干方式中的任一种来提供对本文所公开的装置和方法的操作和分析。可以认为，这些教导内容可以但不必结合存储在非暂态计算机可读介质上的计算机可执行指令集来实现，该非暂态计算机可读介质包括存储器(例如，ROM、RAM)、光学介质(例如，CD-ROM)或磁性介质(例如，磁盘、硬盘驱动器)或任何其他类型的介质，这些计算机可执行指令在被执行时，致使计算机实现本文所述的方法和/或过程。除了本公开中所描述的功能之外，这些指令还可提供系统设计者、所有者、用户或其他此类人员认为相关的装备操作、控制、数据收集、分析和其他功能。处理后的数据(诸如已实现的方法的结果)可作为信号经由处理器输出接口发射到信号接收设备。信号接收设备可以是用于将结果呈现给用户的显示监视器或打印机。另选地或除此之外，信号接收设备可为存储器或存储介质。应当理解，将结果存储在存储器或存储介质中可将存储器或存储介质从先前状态(即，不包含结果)转换到新状态(即，包含结果)。此外，在一些实施方案中，如果结果超过阈值，则可从处理器向用户界面发射警报信号。

此外，可包括各种其他部件，并要求它们提供本文教导内容的各方面。例如，可包括传感器、发射器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电单元和/或机电单元以支持本文所讨论的各个方面或支持本公开以外的其他功能。

在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。此外，还应当指出的是，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元素与另一个元素区分开。与数量结合使用的修饰语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。

本文所描绘的一个或多个流程图仅仅是示例。在不脱离本公开的范围的情况下，可对该图或其中所描述的步骤(或操作)进行许多变化。例如，可以不同的顺序执行步骤，或者可添加、删除或修改步骤。所有这些变化都被认为是本公开的一部分。

应当认识到，各种部件或技术可提供某些必要的或有益的功能或特征。因此，支持所附权利要求及其变型形式可能需要的这些功能和特征被认为是作为本文的教导内容的一部分和本公开的一部分而固有地包括在内。

本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、地层中驻留的流体、井筒、和/或井筒中的装备，诸如生产管材。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。例示性的处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、防腐剂、粘固剂、渗透性调节剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂等。例示性的井操作包括但不限于水力压裂、增产、示踪剂注入、清洁、酸化、蒸汽注入、注水、固井等。

虽然已参考各种实施方案描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于作为设想用于实现所描述的特征的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

因此，本公开的实施方案不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (18)

1.一种用于在形成在地中的钻孔中发起井下操作的方法，所述方法包括：

至少部分地将第一结构(210,410)部署在所述钻孔中；

至少部分地沿所述第一结构移动第二结构(250,450)，其中所述第一结构和所述第二结构中的至少一者被配备有传感器(406)并且所述第一结构和所述第二结构中的另一者被配备有能够由所述传感器检测的标记(402)；

检测与所述传感器和所述标记的相互作用有关的关键事件；

测量自关键事件起时间；

基于所述自关键事件起时间来确定时间延迟；

用遥测系统将指示所述关键事件已经被检测到的数据从地下传输到地表；以及

从地表发送指令以通过使用确定的时间延迟来发起井下操作，

其中，自关键事件起时间为从检测到关键事件到传输所述数据的时间段。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一结构是内部结构并且所述第二结构是外部结构，其中所述内部结构至少部分地在所述外部结构内。

3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中传输的数据包括基于所述自关键事件起时间的时间信息。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过将所述自关键事件起时间与处理时间、传输时间和系统时间延迟中的至少一者组合来确定所述时间延迟。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一结构和所述第二结构中的一者包括能够扩展的井下部件，并且所述井下操作包括扩展所述能够扩展的井下部件。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述井下操作包括激活或停用封隔器、扩眼器、管下扩眼器、能够延伸的稳定器、锚固件、闩锁元件、悬挂器激活工具、切割工具、铣削工具、衬管驱动短节、修井工具、测量工具、定时器或通信设备中的至少一者。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述标记是磁体、放射源、电磁发射器、电磁收发器、射频标识符、高或低电导率、介电常数、磁化率或密度的区域、所述第一结构和所述第二结构中的至少一者中的凹陷部、光源、线圈、包括相同种类的标记的一组单独的标记、或包括不同种类的标记的一组单独的标记。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用时间-深度相关性发起所述井下操作。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述关键事件与信号强度、信号响应的符号或极性的变化、信号响应的一阶或更高阶导数和由所述传感器检测到的曲线对准中的至少一者有关。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中在检测到所述关键事件时停用所述遥测系统。

11.根据权利要求2所述的方法，其中所述外部结构是衬管并且所述井下操作是衬管操作。

12.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一结构和所述第二结构中的所述至少一者被配备有两个或更多个标记，并且其中检测所述关键事件包括基于所述两个或更多个标记中的每个标记的信号响应来区分所述传感器和所述两个或更多个标记的相互作用。

13.一种用于发起井下操作的系统，所述系统包括：

第一结构(210,410)，所述第一结构至少部分地设置在地下；

第二结构(250,450)，所述第二结构能够沿所述第一结构移动；

传感器(406)，所述传感器在所述第一结构和所述第二结构中的至少一者上；

标记(402)，所述标记在所述第一结构和所述第二结构中的至少一者上，所述标记能够由所述传感器检测；

发射器(408)，所述发射器在所述第一结构和所述第二结构中的一者上，所述发射器被配置为将数据从地下传输到地表，其中所述系统被配置为：

检测与所述传感器和所述标记的相互作用有关的关键事件；

测量自关键事件起时间以基于所述自关键事件起时间来建立时间延迟；

将指示所述关键事件已经被检测到的数据从地下传输到地表；以及

从地表发送指令以通过使用建立的时间延迟来发起所述井下操作，

其中，自关键事件起时间为从检测到关键事件到传输所述数据的时间段。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括控制单元(40)，所述控制单元位于地面上，所述控制单元被配置为接收传输的数据，所述控制单元进一步被配置为基于所述时间延迟来确定在所述第一结构与所述第二结构之间的相对位置。

15.根据权利要求13至14中任一项所述的系统，其中所述第一结构是内部结构并且所述第二结构是外部结构，其中所述内部结构至少部分地在所述外部结构内。

16.根据权利要求13至14中任一项所述的系统，其中所述标记是磁体、放射源、电磁发射器、电磁收发器、射频标识符、高或低电导率、介电常数、磁化率或密度的区域、所述第一结构和所述第二结构中的至少一者中的凹陷部、光源、线圈和一组单独的标记。

17.根据权利要求13至14中任一项所述的系统，还包括多个标记，其中至少两个标记位于沿所述第一结构和所述第二结构中的至少一者的长度的不同位置处。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述内部结构是包括井下部件的井下内部管柱，并且所述井下操作包括扩展所述井下部件，和/或其中所述内部结构包括封隔器、扩眼器、管下扩眼器、能够延伸的稳定器、锚固件、闩锁元件、悬挂器激活工具、衬管驱动短节、切割工具、铣削工具、修井工具和通信设备中的至少一者。