CN1782320B - 双井的精确钻井导向方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于引导与第一井眼相邻的第二井眼的钻进轨迹的方法，其包括：向第一井眼的导电套管或衬管施加随时间变化的电流；从第二井眼的钻进轨迹，探测由第一井眼内的电流产生的电磁场，以及利用探测到的电磁场引导第二井眼的钻进轨迹。

Description

双井的精确钻井导向方法和系统
技术领域
本发明涉及钻井导向领域，尤其是涉及导向系统，该系统使用与已有的套管相关的电磁场来控制与第一井眼相邻的第二井眼的钻进。
背景技术
常常需要在已有的一井眼附近钻第二井眼。例如，为了从重油或高粘重质原油储层中开采石油，需要钻两口水平井。在所述的两口水平井中，上部的水平井可向重油或高粘重质原油储层中注入蒸汽，而下部的水平井从储层中采集液态石油。所述的两口水平井可在横向长度上以几米的间距间隔设置，以便由第二井眼采集被第一井眼的蒸汽液化的石油。
很长时间以来，人们一直希望具有钻并排的多口井眼(如两口井眼)的方法。使第二井眼与第一井眼对齐是困难的。第二井眼的钻进轨迹可被限定在距第一井眼几米(如4至10米)的范围内，但要保持如正负1米的误差。需要钻井导向方法和系统以确保第二井眼的钻进轨迹在整个第二井眼的钻进轨迹上与第一井眼完全对齐。
沿着钻进轨迹上的连续点观测钻进轨迹是一种常规的钻井导向方法。观测的困难在于在所观测井眼的轨迹上累积误差的增加，这是因为井眼轨迹上每一连续观测点上所产生的小误差会被引入到随后观测点上的观测计算。这些小误差的累积结果最终会导致第二井眼的钻进轨迹偏离所确定的理想的相对于第一井眼的距离或方向范围。
美国专利US6,530,154、US5,435,069、US5,230,387、US5,512,830和US3,725,777以及已经公开的美国专利申请2002/0112,856披露了多种钻井导向方法和系统，以提供钻进轨迹导向和弥补常规观测误差的累积效果。这些已知的技术包括探测由井眼套管的磁性质或伸入到井眼中的磁探头产生的磁场。这些方法和系统需要在第一井眼内使用第二钻机或其它设备以便向下推进或泵送磁信号源设备。所述信号源产生的磁场被第一井眼的套管所减弱或失真，并且还会产生一较弱的磁场，该磁场难于被从所需的第二井眼钻进轨迹上探测到。鉴于这些困难，一直需要有一种方法和系统来引导第二井眼的轨迹，以便与已有的井眼对齐。
发明内容
已经发展了一种以某种方式精确引导第二井眼的钻进轨迹的系统和方法，所述的方式确保了第二井眼与第一井眼完全对齐。在一个实施例中，第一井眼内的金属套管传导交流电，所述的交流电在第一井眼周围的地层内产生交变的磁场。该交变磁场的大小实质上比仅仅由第一井眼的静态磁性质所产生的磁场更好预测。所需的第二井眼的预定钻进轨迹在由第一井眼的电流所产生的可测磁场范围内。磁探测器包含在用于钻第二井眼的钻具组合内。所述的磁探测器探测第一井眼内的电流所产生的磁场。磁场强度和方向的测量值用于对齐钻第二井眼的钻具组合的轨迹。
所述的系统可用于引导第二水平井，所述第二水平井钻在第一水平井附近，其用于增强从重油或高粘重质原油砂岩地下油藏中开采石油。两口平行的井眼中的一个井眼设置在另一个井眼的上方并以一定的间距(如4至10米的范围)穿过重油或高粘重质原油油藏的水平层间隔开。在一个实施例中，所述的方法引导钻进轨迹以便第二水平井距离第一井眼一致的短距离，这是通过如下方式实现的：(1)在第一井眼的金属套管或衬管(统称为“套管”)内产生公知的电流，以在第一井眼附近区域产生连续的磁场，并且(2)在钻井的同时在第二井眼内使用磁场探测装置来测量和计算相对于第一并眼的精确距离和方向信息，以便司钻可矫正第二井眼的轨迹并以与第一井眼的预期关系来定位第二井眼。
在另一个实施例中，本发明为一种引导与第一井眼相邻的第二井眼的钻进轨迹的方法，其包括：向第一井眼的导电套管施加随时间变化的电流；从第二井眼的钻进轨迹，探测由第一井眼内的电流产生的电磁场，并利用探测到的电磁场引导第二井眼的钻进轨迹。
本发明的方法为一种引导与第一井眼相邻的第二井眼的钻进轨迹的方法，其包括：向着第一井眼的末端部分钻一第三井眼并沿着第三井眼向第一井眼的末端部分建立传导通道；形成电流回路，该回路包括发电机、第一井眼的导电性套管和沿着第三井眼的导电通道，其中所述的发电机向回路提供随时间变化的电流；从第二井眼的钻进轨迹，探测由第一井眼内的电流所产生的电磁场，以及利用探测到的电磁场来引导第二井眼的钻进轨迹。
本发明还包括一种用于引导与第一井眼相邻的第二井眼的钻进轨迹的钻井导向系统，所述系统包括：延伸一段第一井眼的长度的第一导电通道；连接到第一井眼的相对端以向第一导电通道施加电流的电流发电机，和在第二井眼钻进轨迹内的磁场传感器，该传感器用于探测由施加到第一导电通道的电流所产生的电磁场的磁场强度和方向。
附图说明
图1为用于钻双水平井的井眼平面的示意立视图。
图2为双水平井位置的示意图和第二井眼的轨迹的可接受的区域。
图3为典型的磁场传感器排列的示意图。
图4为第三井眼内的典型电极的侧视图，其提供与第一井眼的电接触。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于钻双水平井10，12的典型井眼平面图。在地面14上可从一个或两个，更可能是两个钻井平台16钻出井眼。当开始钻成基本垂直的井眼之后，将井水平地钻入储层，如重油或高粘重质原油储层。钻第一井眼12并在开始钻第二水平井眼10之前下套管固井。套管或割缝衬管是金属管并能够导电。第一井眼的水平部分可位于第二井眼的上方几米处，如4到10米。
对第一井眼进行定向探测以对所述井眼进行绘图并有助于设计小而垂直的第三井眼20的地面位置。这一小井眼在第一井眼的远端基本与第一井眼相交21。所述的小井眼安装有临时套管，优选由非导电性材料制成，如安装有PVC管，所述井眼的大小仅需要足够容纳一专门的电极22，该电极22要被下入到井底并靠近第一套管。所述的小而垂直的井眼在尺寸上类似于水井并可比第一井眼深几米。
为了在小井眼18内建立导电通道，将一种合适的导电流体泵入到井眼20中。将电极22下入到垂直井眼中以通过小井眼建立电流通道。电极22将第一井眼的套管或衬管18电连接到小井眼20内的导电通道(如电线)上。
一地面导电通道(如电缆24)将第三井眼20的地面端和第一井眼10的套管或衬管18连接到交流(AC)发电机26上。来自发电机的电能驱动电流28，电流28流过电缆24、第三井眼20、电极22、第一井眼18的套管或衬管，回到发电机。
交流电28包括在第一井眼的套管18周围地层内的电磁场30。AC导电通道产生的电磁场的特性是非常公知的。电磁场30的强度与由发电机施加的交流电成比例关系。套管内电流的大小可被精确测量，如通过安培表。因为磁场的强度与电流成比例关系，所以在电流，新井眼处测得的磁场强度以及新井眼与第一井眼套管之间的距离之间存在很好的限定关系。磁场的强度和方向显示了到第一井眼套管的距离和方向。
图2为沿着穿过井眼的垂直部分在剖面处的第一和第二井眼的示意图。电磁场30从的第一井眼10的套管18向外发射并进入周围地层中。第二井眼12被示为下部井眼，然而第一和第二井眼的位置可根据钻井的需要进行颠倒。第二井眼内的磁场传感器组件40探测磁场。
可接受的第二井眼的钻进轨迹可被限定在图2中的剖面所示的可接受的区域32内。所述的可接受的区域32可为通常处于第一井眼下方的4至10米的范围内中心处的区域。区域32可具有沿着从上部井眼引出的半径的短轴线和垂直于穿过上部井眼的垂直平面的长轴线。可接受区域的范围可为沿该区域短轴1米和沿该区域长轴两米的区域。可接受的区域的形状和范围对于每一钻井应用是公知的，但是可根据应用的不同而不同。
第二井眼的钻进轨迹应当保持在两个井眼的水平部分的整个长度的可接受的区域32内。所述钻井导向系统包括传感器组件40，该系统用于将第二井眼的钻进轨迹保持在可接受的区域内。第二井眼12的钻进轨迹是否在可接受的区域32内是根据电磁场30的方向和强度决定的，所述的磁场30是沿着第二井眼的轨迹由磁场传感器组件40进行探测的。传感器组件40对第二井眼内的磁场强度和方向的探测为确定第一井眼的方向和两个井眼之间的距离提供了足够的信息。所述的信息以常规的方式被提供给司钻，以便司钻能够执行适当的操作，从使两个井眼的轨迹保持正确的相互关系。传感器组件40被整体装入电缆导向工具或MWD系统的井下探测器中以便钻第二井眼12。因而，传感器组件引导着第二井眼的钻进以便对钻进轨迹进行定向控制。
当电流在第一井眼的导电套管18内流动时，在导体周围区域内产生的准静态的或交变的电磁场可根据它们的磁场强度、分布和极性进行预测。长而直的导体(如井筒套管)所产生的磁场(B)与导体内的电流(I)成比例，与距导体的垂直距离(r)成反比。磁场、电流和距离之间的关系由Biot-Savart定律确定，该定律为：
B＝цI(2Пr)
其中ц为导体周围区域的导磁系数，为定值。因此，第二井眼距第一井眼的套管之间的距离(r)可根据套管内电流的测量值(I)和第二井眼处的磁场强度(B)进行确定。
图3为分量类型的磁场传感器组件40的示意图(示出的为剖开图)，其能区分磁场的方向。分量类型的磁传感器(如磁力计和加速度计)为定向探测传感器，其通常包括随钻测量(MWD)传感器。所述的传感器组件40通常穿过第二井眼在钻头和相关的钻井设备后面移动几码。传感器组件40采集用于确定第二井眼位置的数据。该信息用于引导钻头沿着所需的第二井眼的钻进轨迹钻进。
传感器组件40还包括标准的定向传感器(三个正交磁力计48和三个正交加速度计51和用于探测关于第一(参考)井眼的电磁场的三个正交交变磁场磁传感器44，46，52)。所述的磁传感器具有分量响应模式并对响应于交流电源频率的交变磁场强度最为敏感。这些传感器以固定的相对方向被安装在用于传感器组件的壳体内。
一对径向分量磁传感器44和46(通常为两个或三个传感器)被设置在传感器组件40内，以便它们的磁量测轴线相互正交。每一分量传感器44，46测量第二井眼处的相对磁场(B)的强度。所述的传感器会各自探测由它们的正交方向引起的不同的磁场强度。磁场(B)的方向可通过由径向传感器44，46探测到的磁场强度反正切(tan-1)的比值来确定。用于径向传感器44，46的参照系为地球重力和磁北极，其由磁传感器48和重力传感器确定。导体的电流的方向可通过在测量点向磁场的方向增加90度来计算出。从所述的传感器到第一井眼的方向和传感器与第一井眼之间的垂直距离为在可接受的区域32内引导第二井眼的轨迹提供了足够的信息。
图4为典型电极22的示意图，所述的电极22被下入到小而垂直的井眼20内的所述区域内，该区域内已经被引入导电流体。电极22包括金属弹簧50(如可膨胀的网)，弹簧50膨胀直至接触到裸眼的井眼20的井壁。弹簧元件50可被缩至某一尺寸，其穿过垂直井眼20的临时套管53而滑动。所述的临时套管保证了井眼周围的材料不会滑入到井眼中。电极22位于两个井眼的交叉点21处的第一套管18附近。第三井眼20内的导电流体渗入到两个井眼之间的交叉点21周围的地层56内。导电流体增强了第一套管与第三井眼之间的电连通性。所述的电极被连接到绝缘导电电缆54上，电缆54穿过井眼20延伸并到达地面。电缆54通过电缆24连接到发电机的返回侧。
虽然结合目前被认为是最实践性和优选的实施例已经对本发明进行了描述，但是应该理解，本发明并不被局限于所公开的实施例，而是相反，其用于覆盖包括在所附的技术方案中所限定的各种变型和等同的布置。

Claims (9)

1.一种用于引导与第一井眼(10)相邻的第二井眼(12)的钻进轨迹的方法，该方法包括：
将变化的电流的电源电连接到第一井眼导电套管或衬管的邻近端和末端；
向第一井眼的导电套管或衬管(18)施加变化的电流(28)，使得所述变化的电流沿共同的方向流过所述导电套管或衬管的整个长度，其中，所述变化的电流被注在所述邻近端和末端中的一端处，并流到所述邻近端和末端中的另一端处；
沿着钻进轨迹钻第二井眼(12)；
从第二井眼探测(40)由所述第一井眼的导电套管或衬管中的变化的电流产生的电磁场(30)；
确定所述第一井眼和所述第二井眼之间的距离和方向；以及
利用确定的距离和方向引导第二井眼的钻进轨迹，以在第一井眼和第二井眼之间以一定的间距间隔开；
其中，施加变化的电流(28)还包括向着所述第一井眼的末端钻第三井眼(20)以及在所述第一井眼的末端并沿着所述第三井眼至所述电流的电源之间形成导电通道。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所施加的变化的电流(28)为交流电(26)。
3.一种用于引导与第一井眼相邻的第二井眼的钻进轨迹的钻井导向系统，所述的系统包括：
延伸一段第一井眼的长度的第一导电通道，所述第一导电通道包括用于所述第一井眼的导电套管或导电衬管；
连接到第一井眼的相对端以施加电流的电流发电机，所述电流来自所述导电套管或导电衬管的邻近地面的、第一井眼钻入的区域，并通过所述第一井眼；以及
磁场传感器，在第二井眼的钻进轨迹内并布置成探测由施加到第一导电通道的电流所产生的电磁场的磁场强度和方向，以及
从地面到第一井眼的末端部分附近延伸的第三井眼，以及沿着第 三井眼的另外的导电通道，其中，所述的另外的导电通道被电连接到发电机和第一井眼的末端部分。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的发电机为交流发电机。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的第一井眼为水平井，第二井眼的钻井轨迹沿着由探测到的电磁场引导的一部分是水平的。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的磁场传感器包括正交的磁传感器。
7.如权利要求3所述的系统，还包括从所述发电机到第一井眼的相对端用以施加所述电流的导电通道。
8.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的另外的导电通道包括电连接到第一井眼的末端部分的电极。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述的电极还包括可膨胀的弹簧接触器，以与第三井眼接合。 
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