DE69500989T2

DE69500989T2 - Verfahren zum herstellen eines bohrloches in einer erdformation

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Publication number: DE69500989T2
Application number: DE69500989T
Authority: DE
Inventors: Robin Adrianus Nl-2288 Gd Rijswijk Hartmann; Elvira Hendrika C/O Tu Delft Nl-2628 Cj Delft Mulder
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1994-01-13
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2015-01-13
Also published as: RU2131975C1; NO962916D0; MY112792A; CN1056906C; DK0738366T3; CA2181065C; NO308673B1; RO116916B1; NO962916L; EP0738366B1; AU684894B2; CN1138887A; JP3459646B2; WO1995019490A1; MX9602730A; EP0738366A1; CA2181065A1; AU1534395A; ZA95204B; OA10306A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Herstellen eines Bohrloches in einer Erdfornation, welches Bohrloch sich in einer ausgewählten Richtung relativ zu einem benachbarten, in der Erdformation ausgebildeten Bohrloch erstreckt. In der Kohlenwasserstoffexplorationsund -produktionsindustrie kann das Bohren zweier oder mehrerer benachbarter Bohrlöcher wünschenswert sein, um die Produktion von Öl aus einem der Bohrlöcher durch Einspritzen von Dampf oder Wasser in die Formation über das andere Bohrloch zu erhöhen. Wenn sich beispielsweise das Produktionsbohrloch horizontal erstreckt, wäre es wünschenswert, eines oder mehrere Einspritzbohrlöcher parallel zum Produktionsbohrloch in einem ausgewählten Abstand unterhalb davon zu bohren. Während der Ölförderung wird Dampf in die Formation über das Einspritzbohrloch eingesprüht, was den Strömungswiderstand des Öls durch dte Formation hindurch reduziert und das Öl zum Förderbohrloch treibt.
Die US-A 4 700 142. bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung der Relativlage einer Zielbohrung und einer Entlastungsbohrung, wobei der Sensor in der Entlastungsbohrung liegt. Der Sensor detektiert ein magnetisches Feld, das in der Einfassung der Zielbohrung induziert wird, und bestimmt die Komponente dieses Feldes in Richtungen normal zur Längsachse der Entlastungsbohrung.
In der US 3 725 777 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Abstandes und der Richtung zu einem eingefaßten Bohrloch unter Verwendung von Magnetfeldmessungen, die von einem benachbarten Bohrloch vorgenommen werden, gezeigt. Beispielsweise im Falle der Bekämpfung eines Ausbruches oder des Bohrens mehrerer Bohrlöcher von einer einzigen Bohrinsel aus kann es wünschenswert sein, den exakten Ort eines bestehenden Bohrloches zu kennen. Es wird angenommen, daß eine solche bestehende Quelle bzw. ein solches bestehendes Bohrloch eine regelmäßige Periodiztät in der Magnetisierung seiner Fassung aufweist. Mit Hilfe einer iterativen Berechnung wird der Ort des zuvor gebohrten und gefaßten Bohrloches bestimmt. Am Ende wird jedoch nur ein Näherungsort für die bestehende Quelle erhalten.
In der EP-247 672 A ist ein Verfahren zum Bestimmen des Abstandes zwischen benachbarten Bohrlöchern offenbart. Das Verfahren dieser Schrift wird im Falle eines Ausbruches in einem zuvor gebohrten Bohrloch angewandt, wobei eine sogenannte Entlastungsbohrung gebohrt wird, welche die ausblasende Quelle in einer gewählten Tiefe schneidet, um das Einpumpen von schwerer Flüssigkeit in die eruptierende Quelle zu ermöglichen. Bei diesem Verfahren müssen die genauen Werte der magnetischen Polstärke der Bohrlocheinfassungsabschnitte bekannt sein. Als Ergebnis einer an Fourier-Reihen durchgeführten komplexen Berechnung von gefalteten Monopol- und Dipolfeldfunktionen werden Amplituden/Wellenzahl-Spektren erhalten. Diese Spektren erlauben die Bestimmung der obigen Distanzen. Um jedoch in der Lage zu sein, dieses Verfahren überhaupt anzuwenden und solche Spektren zu erhalten, ist eine große Anzahl von Meßdaten erforderlich, was nur zu gemittelten Abständen führt.
Darüber hinaus ist es aus der US 4 640 352 bekannt, mehrere Bohrlöcher zu betreiben, wobei eines als Förderbohrloch und das andere als Einspritzbohrloch verwendet wurde. Die Bohrlöcher waren im wesentlichen parallel, und das betrachtete Problem betraf eindeutig die Möglichkeit einer wirtschaftlich realistischen Förderung von Öl aus Zonen geringer Durchlässigkeit. Aus diesem Dokument ist es jedoch nicht klar, wie das Bohren und Ausrichten der Bohrlöcher durchgeführt wurde.
Was die vorliegende Erfindung betrifft, muß ein sehr unterschiedliches Problem gelöst werden. Es ist klar, daß im Falle mehrerer Bohrlöcher es von Vorteil ist, alle Richtungsdaten des benachbarten Bohrloches zur Verfügung zu haben, wenn das neue Bohrloch gebohrt wird.
Es bleibt jedoch ein Problem, wie die Richtung des Bohrloches genau gesteuert, gleichzeitig aber die Nachteile überwunden und die komplexen Operationen der oben genannten Verfahren vermieden werden können.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Bohrloches in einer Erdformation zu schaffen, u.zw. in einer ausgewählten Richtung relativ zu einem benachbarten Bohrloch, das in der Erformation ausgebildet ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein verbessertes System zum Herstellen eines Bohrloches in einer Erdformation in einer ausgewählten Richtung relativ zu einem benachbarten Bohrloch zu schaffen, das in der Erdformation ausgebildet ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt:
- Anordnen elektromagnetischer Quellenmittel in einem ersten der genannten Bohrlöcher an mehreren Orten entlang dessen Länge, welche elektromagnetischen Quellenmittel ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das sich in ein zweites der genannten Bohrlöcher hineinerstreckt;
- Anordnen elektromagnetischer Feldmeßmittel in einer vorgewählten Tiefe di im zweiten Bohrloch, wobei die Meßmittel in der Lage sind, das genannte elektromagnetische Feld zu messen;
- Betreiben der Meßmittel, um das genannte elektromagnetische Feld zu messen;
- Bestimmen, u.zw. aus dem gemessenen elektromagnetischen Feld, von Komponenten des elektromagnetischen Feldes einschließlich zumindest zweier Komponenten in Richtungen im wesentlichen normal zur Längsachse des ersten Bohrloches; und
- Bestimmen, u.zw. aus den genannten zumindest zwei Komponenten, eines Richtungsparameters, der für die Richtung des Bohrloches relativ zu dem benachbarten Bohrloch kennzeichnend ist.
Die beiden Komponenten des elektromagnetischen Feldes können als Ausdrücke geschrieben werden, die eine Funktion des Abstandes zwischen der Tiefe di im zweiten Bohrloch und dem ersten Bohrloch sind. Dieser Abstand kann in Form seiner Komponenten entlang der genannten Richtungen im wesentlichen normal zur Längsachse des ersten Bohrloches ausgedrückt werden. Durch Kombinieren der Ausdrücke für die beiden Komponenten des elektromagnetischen Feldes in einer geeigneten Weise können die Komponenten des Abstandes zwischen den Meßmitteln in der Tiefe di und dem ersten Bohrloch berechnet werden. Durch Bestimmen dieser Komponenten auf verschiedenen Tiefen di im zweiten Bohrloch kann der Richtungsparameter berechnet werden. Es sollte klar sein, daß das von den Quellenmitteln induzierte elektromagnetische Feld jede beliebige geeignete Wellenlänge haben kann, und daß ein geeignetes elektromagnetisches Feld, das bei der Erfindung verwendet werden kann, z.B. ein elektromagnetisches Feld bildet, wie es durch einen oder mehrere Permanentmagnete erzeugt wird.
Das System gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt:
- elektromagnetische Quellenmittel zur Anordnung in einem ersten der genannten Böhrlöcher an mehreren Orten entlang dessen Länge, welche elektromagnetischen Quellenmittel ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das sich in ein zweites der genannten Bohrlöcher hineinerstreckt;
- elektromagnetische Feldmeßmittel zur Anordnung in einer ausgewählten Tiefe di im zweiten Bohrloch, welche Meßmittel in der Lage sind, das genannte elektromagnetische Feld zu messen;
- Mittel zum Betreiben der Meßmittel, um das genannte elektromagnetische Feld zu messen;
- Mittel zum Bestimmen, u.zw. aus dem gemessenen elektromagnetischen Feld, von Komponenten des elektromagnetischen Feldes, einschließlich zumindest zweier Komponenten in Richtungen im wesentlichen normal zur Längsachse des ersten Bohrloches; und
- Mittel zum Bestimmen, u.zw. aus den genannten zumindest zwei Komponenten, eines Richtungsparameters, der für die Richtung des Bohrloches relativ zu dem benachbarten Bohrloch kennzeichnend ist.
Das Bohrloch kann effizient hergestellt werden, wenn das erste Bohrloch das benachbarte Bohrloch bildet und das zweite Bohrloch das herzustellende Bohrloch darstellt.
Bevorzugt sind die genannten Richtungen der zumindest zwei Komponenten im wesentlichen senkrecht zueinander, und der Richtungsparameter wird bestimmt, indem das Verhältnis der beiden Komponenten bestimmt wird.
Die Bestimmung dieses Verhältnisses der beiden Komponenten umfaßt geeigneterweise die Anwendung von V1,i/B2,i = s1,i/s2,i, wobei B1,i und B2,i die jeweiligen elektromagnetischen Feldstärkekomponenten (in den genannten Richtungen) in der Tiefe di sind, und s1,i und s2,i die jeweiligen Komponenten (in den genannten Richtungen) des Abstandes zwischen den elektromagnetischen Feldmeßmitteln und dem ersten Bohrloch.
Eine effiziente Anordnung der elektromagnetischen Quellenmittel an den genannten mehreren Orten entlang der Länge des Bohrloches kann erreicht werden, indem die Quellenmittel durch das Bohrloch hindurchbewegt werden.
Vorteilhafterweise enthalten die elektromagnetischen Quellenmittel eine elektromagnetische Spule.
Die Erfindung wird nun an Hand eines Beispieles unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:
die Fig. 1A und 1B schematisch die Orientierungen üblicherweise verwendeter Koordinatensysteme beim Bohren und Lenken von Bohrlöchern zeigen, und
die Fig. 2A und 2B beispielhafte Meßsituationen für die Bestimmung der Vektorkomponenten in zwei bestimmten Ebenen innerhalb des herkömmlichen erdgebundenen Koordinatensystems zeigen.
In den Fig. 1A und 1B sind üblicherweise verwendete Koordinatenrahmen bzw. -systeme gezeigt. In Fig. 1A ist das erdgebundene kartesische Bezugssystem NEV (Norden-Osten-Vertikal) dargestellt, wobei ein Teil eines Bohrloches 1 eingezeichnet ist. Die N-Richtung kann entweder die geographische oder magnetische sein. Für jeden anderen Ort auf der Erde sind die Unterschiede zwischen den beiden Systemen wohl definiert. In Fig. 1B ist eine vergrößerte Ansicht des Teiles des Bohrloches 1 gezeigt. Das Bohrloch 1 ist als ein Zylinder um eine zentrale Achse bzw. Bohrlochachse 2 dargestellt. Im allgemeinen werden entlang dieser Achse Tiefenwerte angenommen, oft auch als "Bohrlochtiefe" bezeichnet. An einem Punkt i ist eine korrespondierende Tiefe di definiert, die allgemein als der Abstand von der Erdoberfläche zu dem genannten Punkt i entlang der Bohrlochachse 2 gemessen wird. Somit kann eine Abfolge von Tiefenwerten als ... di-2, di-1, di, di+1, di+1, ... usw. dargestellt werden. In Fig. 1B sind beispielhafte Tiefen di-1 und di gezeigt.
Als Beispiel sind für die Bohrlochtiefe di die relevanten Richtungen in zwei Koordinatennetzrahmen gezeigt. Die Vertikale V wird aus dem erdgebundenen NEV-Rahmen wie in Fig. 1A gezeigt genommen. Der kartesische XYZ-Rahmen wird im allgemeinen als auf einer Meßvorrichtung festgelegt betrachtet, die im Bohrloch 1 angeordnet ist. In diesem Rahmen wird Z entlang der Bohrachse 2 in Abwärtsrichtung und X und Y dementsprechend angenommen.
Darüber hinaus sind an der Tiefe di die Richtungen "Hoch- Seite" (HS) und die "Hoch-Seite-rechts" (HSR) gezeigt, welche Fachleuten gut bekannt sind. HS liegt in der Vertikalebene durch Z und V, wobei letztere in einer Linie mit dem Schwerkraftbeschleunigungsvektor liegt. HSR liegt senkrecht zu Z und V und ist somit horizontal.
Fachleuten wird klar sein, daß im allgemeinen Fall jeder andere Koordinatenrahmen verwendet werden kann, wenn die Komponenten mathematisch entsprechend angenommen werden. Somit sind im allgemeinen zwei Koordinatensysteme involviert. Ein erstes, C, das sich auf das erste Bohrloch und die vorgegebene Richtung wie oben erwähnt bezieht, und ein zweites, D, das sich auf das zweite Bohrloch bezieht. In diesen Koordinatensystemen werden die Positionen mit dem Parameter s bezeichnet. Beispielsweise besitzt ein zweites Bohrloch seinen Ausgangspunkt bei s&sub0; in C. Für den allgemeinen Fall sind die - und die -Komponenten in D mit BD,i und gD,i bezeichnet, wenn sie auf der Tiefe di gemessen werden. Allgemeiner gesagt wird im Zusammenhang mit dieser Anmeldung eine Variable, wenn sie mit einem Index i versehen wird, an der Tiefe di des betrachteten Bohrloches angenommen.
In den Fig. 2A und 2B sind beispielhafte Meßsituationen für herkömmliche Koordinatenrahmen gezeigt, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
In Fig. 2A ist die NE-Ebene des NEV-Koordinatenrahmens dargestellt. Im Koordinatenursprung erblickt man die Rückseite des Pfeiles des V-Vektors, welcher von der NE-Ebene nach unten zeigt. Orthogonale Projektionen eines ersten Bohrloches 10 und eines zweiten Bohrloches 20 auf die NE-Ebene sind gezeigt.
Der Winkel zwischen der Richtung des ersten Bohrloches 10 und der N-Richtung ist als Azimutwinkel A bekannt. Wenn beispielsweise die vorgegebene Richtung für das zweite Bohrloch 20 die als strichlierte Linie 10a in der NE-Ebene angegebene Parallelrichtung ist, dann weicht in dieser Fig. 2A das Bohrloch unter einem Deviationswinkel ΔA von der genannten Richtung ab. Der Abstand zwischen einem Punkt im zweiten Bohrloch 20 und dem ersten Bohrloch 10 wird als Lateralabstand 30, l, bezeichnet, wenn er in einer horizontalen Ebene betrachtet wird.
In Fig. 2B ist ein Vertikalschnitt bzw. eine Vertikalebene im NEV-Koordinatenrahmen durch V und durch einen Vektor H in der horizontalen NE-Ebene dargestellt. Im Koordinatenursprung blickt man auf die Spitze des Pfeiles des E-Vektors, welcher nach oben aus dieser Ebene zeigt, die als HV-Ebene bezeichnet ist. Orthogonale Projektionen des ersten Bohrloches 10 und des zweiten Bohrloches 20 auf die HV-Ebene sind gezeigt.
Der Winkel zwischen der Richtung des ersten Bohrloches 10 und der V-Richtung bildet den Inklinationswinkel I. Wenn beispielsweise die vorgegebene Richtung des zweiten Bohrloches 20 die Parallelrichtung ist, als strichlierte Linie 10b in der HV- Ebene angegeben, dann weicht in dieser Fig. 2B das Bohrloch 20 unter einem Deviationswinkel ΔI von der genannten Richtung geringfügig nach oben ab.
Der Abstand zwischen einem Punkt im zweiten Bohrloch 20 und dem ersten Bohrloch 10 wird als Aufwärtsabstand 40, u, bezeichnet, wenn er in einer vertikalen Ebene betrachtet wird.
Als ausgewählte Richtung, in welche das zweite Bohrloch 20 gebohrt werden soll, wird die Richtung parallel zum Bohrloch 10 gewählt. Folglich sind die Orthogonalprojektionen der genannten Parallelrichtung in der NE-Ebene und der HV-Ebene, 10a bzw. 10b, parallel mit den Orthogonalprojektionen des Bohrloches 10. Dem Fachmann wird klar sein, daß jede beliebige Richtung gewählt werden kann.
Um zu der gewählten Richtung während des Bohrens des zweiten Bohrloches 20 neben dem ersten Bohrloch 10 zu gelangen, müssen geeignete Messungen durchgeführt werden, um die erforderlichen Berechnungen und Bestimmungen auszuführen und die Bohrvorgänge zu kontrollieren.
Weil das erste Bohrloch 10 mit magnetisierten Fassungsabschnitten ausgestattet ist, die Polstärken haben, welche dafür ausgelegt sind, über den Abstand zwischen den Bohrlöchern gemessen zu werden, können die Magnetfeldkomponenten Bx, By, Bz des Magnetfeldvektors vom zweiten Bohrloch aus mit Hilfe eines Satzes von Magnetometern gemessen werden, die entlang der X, Y und Z-Achsen des oben genannten XYZ-Koordinatenrahmens ausgerichtet sind, welcher auf die Meßwerkzeuganordnung im zweiten Bohrloch 20 festgelegt ist. Diese Magnetfeldkomponenten setzen sich im allgemeinen aus Polstärkekomponenten und Erdmagnetfeldkomponenten zusammen.
Darüber hinaus ist es eine gut bekannte Technik, einen Satz von Beschleunigungsmeßgeräten in einem Bohrlochmeßwerkzeug zu verwenden, um die Erdbeschleunigungskomponenten gx, gy und gz des Erdbeschleunigungsvektors zu messen und dadurch die Bestimmung von Inklinationsdaten zu ermöglichen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß nur mit Erdbeschleunigungskomponenten und Magnetfeldkomponenten, wobei letztere nur nicht-kalibrierte Polstärkewerte enthalten, gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere Azimutwinkel und Inklinationswinkel erhalten werden können, was eine genaue Steuerung in Bezug auf den Richtungsbohrvorgang des zweiten Bohrloches ermöglicht. Das folgende Verfahren muß ausgeführt werden.
Nachdem die Werte von Bxi, Byi, Bzi, gxi, gyi und gzi bei jeder Tiefe di gemessen worden sind, können die Inklinationswinkel und Azimutwinkel des zweiten Bohrloches 20 beispielsweise wie in der US 4 163 324 angeführt bestimmt werden. Im vorliegenden Fall sind die ermittelten Winkel für das zweite Bohrloch 20 (I + ΔI)i und (A + ΔA)i bei der Tiefe di.
Mit diesen Winkeln und Magnetfeldkomponenten wird der folgende Weg beschritten, um zu den ΔAi- und ΔIi-Werten zu gelangen.
Die Inklinations- und Hoch-Seiten-Winkel, wie oben erhalten, ermöglichen es, geradewegs zu den Hoch-Seiten- (HS-) und Hoch-Seite-rechts- (HSR-)-Komponenten zu gelangen, wie in Fig. 1B veranschaulicht ist. Somit werden die zu verarbeitenden Magnetfeldkomponenten von Bx, By und Bz auf BHS, BHSR und Bz umgewandelt.
Weil die Bohroperationen und die Magnetfeldmessungen eindeutig mit den Eigenschaften des ersten Bohrloches gekoppelt sind, konzentrieren sich die weiteren Bestimmungs- und Berechnungsverfahren auf die damit eng verknüpften Vektorkomponenten und Zwischenbohrlochabstände. In der Folge bedeutet das, daß neben den oben genannten Winkeln Komponenten und Abstände in den Aufwärts- und Seitenrichtungen bezüglich des ersten Bohrloches bestimmt werden. Diese Richtungen korrespondieren jeweils mit der HS- und HSR-Richtung des ersten Bohrloches und sind entlang der strichlierten Linien 40 und 30 in den Fig. 2B bzw. 2A gerichtet.
Bei einer zufälligen Bohrrichtung für das zweite Bohrloch 20, welche nahe der vorgegebenen Richtung, wie die als 10a und lob in den Fig. 2A bzw. 2B dargestellte Parallelrichtung sein kann, werden weder die ΔA-Richtung in Fig. 2A noch die ΔI- Richtung in Fig. 2B in räumlicher Ausrichtung mit der korrespondierenden Projektion des ersten Bohrloches in der HV-Ebene in Fig. 2B bzw. der NE-Ebene in Fig. 2A liegen. Daher wird eine erste Drehung über (90º - (I + ΔI)) wie in Fig. 2B dargestellt ausgeführt, um Komponenten in der horizontalen NE-Ebene zu erhalten, was eine eindeutige Azimutalreferenz ergibt.
Weil BHSR in der NE-Ebene selbst liegt, werden nur Bz und BHS wie in Fig. 2B gezeigt der (90º - (I + AI)) -Drehung unterworfen, was zu den folgenden Komponenten führt:
Bz' = Bzsin(I + ΔI) + BHScos(I + ΔI) (1) und
BHS' = -Bzcos(I + ΔI) + BHSsin(I + ΔI) (2),
Bz' und BHS' sind ebenfalls in Fig. 2B gezeigt.
In der NE-Ebene angelangt, ist die neue Situation in Fig. 2A skizziert. Wie oben erklärt sind BHSR, bereits in der horizontalen Ebene liegend, und Bz' gezeigt, wogegen BHS' als aus dieser Horizontalebene nach oben zeigend gedacht werden muß. In dieser NE-Ebene wird eine weitere Drehung über ΔA durchgeführt, d.h. von der HSR-Richtung des zweiten Bohrloches zu der HSR- bzw. Lateral-Richtung (l) des ersten Bohrloches.
Somit ergeben sich die folgenden Komponenten:
Bz" = Bz'cosΔA - BHSRsinΔA (3) und
BHSR' = Bl = Bz'sinΔA + BHSRcosΔA (4), welche beiden Komponenten ebenfalls in Fig. 2A gezeigt sind.
In einem weiteren Schritt wird eine eindeutige Inklinationsreferenz erhalten. Eine Drehung über (90º - I) wird durchgeführt, um zu der Linie 10b in Fig. 2B zu gelangen, wogegen die bis jetzt erhaltenen Komponenten bereits in räumlicher Ausrichtung mit der Azimutrichtung liegen. Diese an Bz" und BHS' angewandte Rotation führt zu:
Bz"' = Bz"sinI - BHS'cosI (5) und
BHS" = Bu = Bz"cosI + BHS'sindI (6), wodurch die Komponente in der Aufwärtsrichtung (u) erhalten wird.
In Bl und Bu, (4) bzw. (6), können die anfänglichen Werte BHS, BHSR und Bz eingesetzt werden, was ergibt:
Bl = [Bzsin(I + ΔI) + BHScos(I + ΔI)]sinΔA + BHSRcosΔA (7) und
Bu = {[Bzsin(I + ΔI) + BHScos(I + ΔI)]cosΔA - BHSRsinΔA}cosI + {- Bzcos(I + ΔI) + BHSsin(I + ΔI)}sinI (8).
Im vorliegenden Fall werden nur kleine Abweichungen angenommen. Für die weiteren Bestimmungen bedeutet dies, daß ΔA klein ist und folglich die Näherungen cosΔA = 1 und sinΔA = ΔA verwendet werden. Das Anwenden dieser Näherungen und hinlänglich bekannter grundlegender Trigonometrie führt zu den folgenden Ergebnissen:
Bl = [Bzsin(I + ΔI) + BHScos(I + ΔI)]ΔA + BHSR (9) und
Bu = BzsinΔI + BHScosΔI - BHSRcosIΔA (10).
Wie üblich enthalten die gemessenen Komponenten, d.h. Bx, By und Bz, die in der Folge in den BHS,BHSR,Bz-Rahmen übertragen wurden und Bu und Bl ergeben, sowohl das Erdmagnetfeld als auch die magnetische Polstärke p der Einfassungsabschnitte gemäß der Gleichung:
= p + E (11).
Um zu wohldefinierten Polstärkekomponenten Bp,u, Bp,l in der Aufwärtsrichtung und der Lateralrichtung zu gelangen, müssen die gemessenen Komponenten um das Erdmagnetfeld E korrigiert werden.
Üblicherweise wird das Erdmagnetfeld durch seine Komponenten in der Nord- und Vertikalrichtung charakterisiert, BN bzw. BV, die für fast alle Orte der Erde bekannt sind. Im allgemeinen werden dadurch, daß diese BN und BV-Werte hinlänglich bekannten Rotationen des I-A-Koordinatensystems unterworfen werden, die folgenden Komponenten in der HS-, HSR- und Z-Richtung erhalten:
BE,HS = - BVsinI + BNcosAcosI (12),
BE,HSR = - BNsinA (13), und
BE,Z = BVcosI + BNcosAsinI (14).
Im speziellen können die Komponenten in der Aufwärtsrichtung (u, HS) und der Lateral- bzw. Seitenrichtung (l, HSR), 12 bzw. 13, einfach mit den obigen l- und u-Komponenten des - Feldes , 9 bzw. 10, kombiniert werden, die ebenfalls für das I-A-Koordinatensystem erhalten werden, um zu den oben genannten exakt definierten Polstärkenkomponenten zu gelangen.
Somit werden unter Verwendung der Gleichung
p = - E (11')
die folgenden Polstärkekomponenten erhalten:
Bp,u = BzsinΔI + BHScosΔI - BHSRcosIΔA + BVsinI - BNcosIcosA (15), und
Bp,l = {Bzsin(I+ΔI) + BHScos(I+ΔI)}ΔA + BHSR + BNsinA (16).
Bezüglich der Polstärken der Einfassungsabschnitte des ersten Bohrloches wird folgendes angemerkt. In den meisten Fällen werden die Einfassungsabschnitte magnetisiert, bevor sie im Bohrloch angeordnet werden, um die Einfassung der Förderquelle zu bilden. Folglich wird eine Abfolge von magnetischen Polen, von denen jeweils Paare als Stabmagneten wirken, erhalten. Eine solche Einfassung ist dafür geeignet, als Markierung verwendet zu werden, beispielsweise wenn im Falle eines Ausbruches eine Entlastungsbohrung gebohrt werden muß. Während des Anordnens der Einfassungsteile im Bohrloch treten jedoch, wie oben angeführt wurde, rauhe Betriebsbedingungen auf. In der Folge werden die wohldefinierten Einfassungsmagnetisierungen beträchtlich verzerrt. Darüber hinaus wird das magnetische Material dem Erdmagnetfeld unterworfen. Abhängig von der Lage und der Richtung wird entweder das Material selbst magnetisiert oder die bereits aufgebrachte Magnetisierung wird verändert. In Anbetracht dessen ist es klar, daß in vielen Fällen die tatsächlichen Magnetisierungswerte der Einfassungsabschnitte nicht bekannt sind.
Abgesehen davon ermöglichen die Einfassungsteile, von denen angenommen wird, daß sie ähnlich Stabmagneten entlang einer im wesentlichen geraden Linie gekuppelt sind, eine näherungsweise Betrachtung als Abfolge von magnetischen Monopolen, die in der grundlegenden Physik gut bekannt ist. Dies bedeutet, daß für jede Tiefe di die seitlichen und aufwärts gerichteten Polstärkefeldwerte ausgedrückt werden können als: und
wobei Pk die magnetische Polstärke an der Position zk entlang des ersten Bohrloches und (z-zk) der Abstand zwischen zk und z=0 ist, wobei z=0 der Punkt der größten Annäherung zwischen dem ersten Bohrloch und dem Meßwerkzeug im zweiten Bohrloch ist.
Gemäß der Erfindung ergibt sich die folgende Formel:
Bp,li/Bp,ui + li/ui (19).
Somit ist diese Beziehung unabhängig von den magnetischen Polstärkewerten Pk.
Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B für die Winkel ΔA und ΔI können die seitliche und die Aufwärtsdistanz an der Tiefe di geschrieben werden als:
li = li-1 + (di - di-1) ΔA (20), und
ui = ui-1 + (di - di-1) sinΔI (21),
wobei ΔA klein ist und li-1 und ui-1 der seitliche Abstand und der Aufwärtsabstand am vorhergehenden Meßpunkt di-1 sind.
Das Vereinfachen von (15) und (16) für die Tiefe di zu:
Bp,ui = Bu1 ΔA + Bu2 (15'), und
Bp,li = Bl1 ΔA + Bl2 (16'),
und Anwenden von (19) auf (21) führt zu dem folgenden Ergebnis:
ΔAi = Bu2li-1 - Bl2ui/ Bl1ui - Bu1li-1 - Bu2(di - di-l) (18).
Aus dem obigen ist klar, daß nun die gesamten Richtungsdaten des zweiten Bohrloches bei di erhalten werden können, weil:
- ΔI aus den Inklinationswinkeln I und (I + ΔI) bestimmt wird, welche Winkel auf bekannte Weise mit Hilfe von Beschleunigungsmeßgeräten gefunden werden können, und
- ΔA wie oben gezeigt bestimmt wird.
In einem nächsten Schritt der vorliegenden Erfindung müssen die wie oben gezeigt erhaltenen Richtungsdaten mit den Daten der vorgegebenen Richtung verglichen werden. Dies bedeutet, daß die erhaltenen Werte für ΔA und ΔI vorgegebene Bereiche ΔA&sub0; und ΔI&sub0; nicht überschreiten sollten. Bevorzugt sind ΔA&sub0; und ΔI&sub0; kleiner als 10º.
Abhängig von diesem Vergleich kann entweder der Bohrvorgang in der bis jetzt verfolgten Richtung fortgesetzt werden, oder der Bohrvorgang muß in seitlicher Richtung, in Aufwärtsrichtung oder in beiden Richtungen korrigiert werden.
Anstelle der oben angegebenen Koordinatensysteme C und D kann jeder beliebige geeignete Satz von Koordinatensystemen verwendet werden. Beispielsweise kann nur für C der herkömmliche NEV-Rahmen verwendet werden. Darüber hinaus kann gesondert für D der XYZ-Rahmen oder sogar Zylinderkoordinaten verwendet werden. In derselben Weise können Richtungsparameter αi gewählt werden, obwohl I, A, HS und HSR wie oben erläutert die übliche Wahl sind.
In einer weiteren Ausführungsform ermöglicht das Verfahren der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise die Bestimmung der Stärke und der Richtung der Magnetisierungen der Einfassungsabschnitte. Auf diese Weise können beträchtliche Verzerrungen und/oder Abweichungen der Magnetisierung nützliche Information über den Zustand der Einfassung liefern.
Darüber hinaus können, wenn zu Beginn des Bohrvorganges die Polstärken bekannt sind, die Bohrvorgänge in enger Abhängigkeit von diesen Stärken durchgeführt werden, während das Verfahren der Erfindung vorteilhafterweise eine Überprüfung der erhaltenen Richtungsdaten ermöglicht.
Wenn aus irgendeinem Grund die ausgewählte Richtung des zweiten Bohrloches nicht parallel zu jener des ersten Bohrloches ist, kann dasselbe Verfahren wie oben erläutert angewandt werden. Wieder werden A- und I-Winkel aufgestellt, um die gewählte Richtung zu ergeben, und durch Anwenden von (19) kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit großem Vorteil eingesetzt werden. In diesem Fall ist zu beachten, daß der Abstand zwischen den Bohrlöchern wegen der Meßbarkeit der Polstärke nicht zu groß sein sollte.
Auf diesem Gebiet der Technik ist es gut bekannt, daß abhängig von der Art der Einfassung Polstärken mit einem Magnetfluß von bis zu 18000 µWb erzielt werden können, was das Messen von magnetischen Flußdichten bis auf 2 µT herab ermöglicht. Dies bedeutet, daß der Seitenabstand oder der Aufwärtsabstand bevorzugt etwa 30 m nicht überschreitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist li/ui ≤ 1. Somit werden Auswirkungen von Fehlern in der Bestimmung von ΔA minimiert, was aus (19) ersehen werden kann.
Darüber hinaus kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung wie oben erläutert dazu verwendet werden, die Richtung und Lage eines zweiten, nicht gefaßten Bohrloches nahe einem ersten Bohrloch zu verifizieren, welches eine exakt bekannte Position hat und mit magnetisierten Fassungsabschnitten versehen ist, welche Polstärken haben, die vom ersten Bohrloch aus gemessen werden können. In diesem Fall wird das Messen während des Bohrvorganges klarerweise durch ein Messen von einem bereits gebohrten Bohrloch aus ersetzt.
Abgesehen von dem obenstehenden kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie es oben erläutert wurde, vorteilhafterweise zur Bestimmung der Richtung und Lage eines ersten gefaßten Bohrloches verwendet werden, das mit magnetisierten Einfassungsabschnitten versehen ist, die Polstärken haben, welche von einem zweiten ungefaßten Bohrloch mit einer exakt bekannten Lage gemessen werden können. Beispielsweise kann, wenn das zweite Bohrloch mit Hilfe einer Gyrobohrsteuerung exakt gebohrt ist, der umgekehrte Verfahrensablauf angewandt werden.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren der Erfindung beim Bohren mehrfacher Bohrlöcher in Schieferton-Sand-Schichtformationen angewandt, welche oft das Einsprühen von Dampf erfordem, um zu den gewünschten Förderpegeln zu gelangen.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Richtung eines Bohrloches in einer Erdformation bezüglich eines benachbarten, in der Erdformation ausgebildeten Bohrloches, welches Verfahren umfaßt:

- Anordnen elektromagnetischer Quellenmittel in einem ersten der genannten Bohrlöcher an mehreren Orten entlang dessen Länge, wobei die elektromagnetischen Quellenmittel ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das sich in ein zweites der genannten Bohrlöcher hineinerstreckt;

- Anordnen elektromagnetischer Feldmeßmittel in einer vorgewählten Tiefe di im zweiten Bohrloch, welche Meßmittel in der Lage sind, das genannte elektromagnetische Feld zu messen;

- Betreiben der Meßmittel, um das genannte elektromagnetische Feld zu messen;

- Bestimmen, u.zw. aus dem gemessenen elektromagnetischen Feld, von Komponenten des elektromagnetischen Feldes; und

- Bestimmen eines Richtungsparameters, der für die Richtung des Bohrloches relativ zu dem benachbarten Bohrloch kennzeichnend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Komponenten des elektromagnetischen Feldes zumindest zwei Komponenten in Richtungen im wesentlichen normal zur Längsachse des ersten Bohrloches umfassen, und daß der genannte Richtungsparameter aus den genannten zumindest zwei Komponenten bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das erste Bohrloch das benachbarte Bohrloch bildet und das zweite Bohrloch das Bohrloch bildet, welches soeben geschaffen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Richtungen der zumindest zwei Komponenten im wesentlichen senkrecht zueinander sind und der Richtungsparameter durch Bestimmen eines Verhältnisses dieser beiden Komponenten bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das genannte Verhältnis der beiden Komponenten aus B1,i/2,i = s1,i/s2,i bestimmt wird, wobei B1,i und B2,i die jeweiligen elektromagnetischen Feldstärkekomponenten entlang der genannten Richtungen in der Tiefe di, und s1,i und s2,i die jeweiligen elektromagnetischen Feldstärkekomponenten entlang der genannten Richtungen des Abstandes zwischen den elektromagnetischen Feldmeßmitteln und dem ersten Bohrloch sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei welchem die elektromagnetischen Quellenmittel an den genannten mehreren Orten entlang der Länge des Bohrloches angeordnet werden, indem die Quellenmittel durch das Bohrloch hindurchbewegt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die elektromagnetischen Quellenmittel eine elektromagnetische Spule aufweisen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei welchem die elektromagnetischen Quellenmittel eine im ersten Bohrloch installierte Einfassung aufweisen, welche Einfassung an den genannten mehreren Orten entlang der Länge des ersten Bohrloches magnetisiert worden ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, bei welchem das gemessene elektromagnetische Feld um das Erdmagnetfeld korrigiert wird, um die genannten Komponenten des elektromagnetischen Feldes zu bestimmen, welche durch die elektromagnetischen Quellenmittel erzeugt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, bei welchem der für die Richtung des Bohrloches relativ zu dem benachbarten Bohrloch kennzeichnende Richtungsparameter eine Differenz zwischen den Azimutwinkeln der Bohrlöcher ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, bei welchem das Bohrloch so erzeugt wird, daß es sich im wesentlichen parallel zu dem benachbarten Bohrloch erstreckt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, bei welchem die Bohrlöcher sich im wesentlichen in einer horizontalen Ebene erstrecken.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, bei welchem der Schritt des Bestimmens der genannten Komponenten des elektromagnetischen Feldes das Bestimmen der Komponenten des elektromagnetischen Feldes in einem kartesischen Koordinatensystem XYZ umfaßt, wobei Z entlang der Längsachse des zweiten Bohrloches gerichtet ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, bei welchem der die Richtung des Bohrloches relativ zu dem benachbarten Bohrloch kennzeichnende Richtungsparameter dazu verwendet wird, eine Richtung zu bestimmen, in welcher das Bohrloch weitergebohrt wird.

14. System zur Bestimmung der Richtung eines Bohrloches in einer Erdformation relativ zu einem benachbarten, in der Erdformation ausgebildeten Bohrloch, welches System aufweist:

- elektromagnetische Quellenmittel zur Anordnung in einem ersten der genannten Bohrlöcher an mehreren Orten entlang dessen Länge, welche elektromagnetischen Quellenmittel ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das sich in ein zweites der genannten Bohrlöcher hineinerstreckt;

- elektromagnetische Feldmeßmittel zur Anordnung in einer ausgewählten Tiefe di im zweiten Bohrloch, welche Meßmittel in der Lage sind, das genannte elektromagnetische Feld zu messen;

- Mittel zum Betreiben der Meßmittel, um das genannte elektromagnetische Feld zu messen;

- Mittel zum Bestimmen, u.zw. aus dem gemessenen elektromagnetischen Feld, von Komponenten des elektromagnetischen Feldes; und

- Mittel zum Bestimmen eines Richtungsparameters, der für die Richtung des Bohrloches relativ zu dem benachbarten Bohrloch kennzeichnend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Komponenten des elektromagnetischen Feldes zumindest zwei Komponenten in Richtungen im wesentlichen normal zur Längsachse des ersten Bohrloches umfassen, und daß die genannten Mittel zur Bestimmung des Richtungsparameters Mittel zur Bestimmung des Richtungsparameters aus den genannten zumindest zwei Komponenten umfassen.