專利名稱:確定鉆孔方位角的方法
本發(fā)明涉及用于確定鉆在地下地層中的鉆孔方位角的方法。
本發(fā)明特別涉及借助包括在鉆具組中的磁檢測器裝置來確定和修正偏差磁場對方位角測量的影響的方法，該偏差磁場是由于鉆具組的磁化造成的。
在深孔鉆孔操作中，一般的做法是用檢測器裝置時時測量鉆孔的進(jìn)程，該檢測器裝置包括在鉆具組靠近其底端處。檢測器裝置一般包括測量局部磁場在三個正交方向上的分量的一組磁強(qiáng)計(jì)。因?yàn)榈厍虼艌鍪噶康姆较蚺c局部重力矢量的方向一起，是確定鉆孔進(jìn)程的合適參照，所以目的是要使由檢測器部件測出的磁場作為地球磁場的精確表示。
當(dāng)測量鉆具組存在于鉆孔中時的檢測裝置相對于地球磁場的取向時，由于鉆具組的磁化而引起的偏差磁場會使如此測得的取向出現(xiàn)明顯的偏差。為盡可能減小這個偏差的幅度，現(xiàn)行的做法是將檢測器裝置安置在由無磁性物質(zhì)制成的鉆孔套管中。此外，這種套管通常安置在包括有一系列套管的鉆具組部件中，以達(dá)到使鉆孔組件的鋼部件，如套管上的鉆頭和鉆管，對檢測器所在部位的磁場的影響減到最小。使用無磁性鉆孔套管要遇到的問題是這些套管在鉆孔中可能磁化，特別是在靠近檢測器組件處存在所謂磁點(diǎn)會顯著地?fù)p害方位角測量的精確度。
由美國書第4，163，324號可知道部分消除由于在檢測器裝置處的偏差磁場造成的方位角測量偏差的方法，該磁場主要是鉆具組磁化的結(jié)果。在該已知方法中，假定在檢測器的位置上偏差磁場矢量是沿著鉆孔軸。盡管已知的修正方法一般提高了方位角測量的精確度，但它沒有修正垂直于軸向的偏差磁場。所述垂直于軸向的偏差磁場可能源于磁點(diǎn)的存在或鉆孔組件中的鋼部件。
本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)的方位角測量，其中由鉆具組磁化而造成的偏差得到了比現(xiàn)有技術(shù)方法更精確的修正。
根據(jù)本發(fā)明，提供了確定鉆具組磁化對鉆孔中方位角測量的影響的方法，該方法借助包括在鉆具組中的具有大致與鉆孔的縱軸共軸的中心軸2的檢測器裝置，該裝置還包括至少一個磁強(qiáng)計(jì)，用于測量檢測器部件處磁場
的垂直于軸向的分量，該方法包括既消除磁強(qiáng)計(jì)處鉆具組磁化垂直于軸向的分量，也消除它的軸向分量的影響，其中在消除軸向鉆具組磁化的影響之前，通過繞鉆孔縱軸旋轉(zhuǎn)帶檢測器裝置的鉆具組，同時對鉆具組的不同取向測量所述垂直軸向的分量，從而消除垂直于軸向的鉆具組磁化的影響。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施方案中，檢測器裝置包括三個用于測量三個互相正交的方向X、Y和Z上的分量Bx，By和Bz的磁強(qiáng)計(jì)，其中鉆具組磁化引起的垂直于軸向的偏差分量Mx和My的對測出磁場的影響通過在以Bx作為橫坐標(biāo)而將By作為縱坐標(biāo)的圖中標(biāo)繪出鉆孔中的檢測器裝置在不同取向上測出的磁場垂直于軸向的分量Bx和By而確定。如果鉆具組旋轉(zhuǎn)過大約360°的角度范圍，可在該坐標(biāo)圖中通過這樣測得的垂直于軸向的分量Bx和By作出封閉的圓形曲線，在其上鉆具組的磁化矢量
垂直于軸向的偏差分量Mx和My可根據(jù)該坐標(biāo)圖中的圓形曲線的中心的確定。
下面將參考附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)的描述，其中
圖1是包括三維測量裝置的鉆具組的透視示意圖;
圖2是坐標(biāo)圖，在其中當(dāng)鉆具組在鉆孔中旋轉(zhuǎn)時，標(biāo)繪出由垂直于軸向的檢測器測出的垂直于軸向的磁場;
圖3是矢量圖，顯示測出的磁場矢量的位置，相對于由重力矢量和地球磁場矢量確定的圓錐面，對垂直于軸向的鉆具組的磁化進(jìn)行修正;
圖4是坐標(biāo)圖，在其中對于軸向的鉆具組磁化的不同假定量值，計(jì)算圓錐底和所述修正矢量之間的距離;
圖5顯示本發(fā)明的另一實(shí)施方案，其中檢測器部件包括單一的磁強(qiáng)計(jì);
圖6顯示圖5中的裝置的磁強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)，該讀數(shù)是對于裝置的不同取向旋轉(zhuǎn)鉆具組而得到的。
在圖1中顯示了鉆孔部件1，它包括連接在鉆具組3下端的鉆頭2。鉆具組3的最下部分包括兩個無磁性鉆孔套管4。無磁性鉆孔套管4之一上安置有三維測量裝置5，該裝置用于測定套管4的中心軸Z的方位角和傾角，該軸在鉆頭2的部位處大體同鉆孔的縱軸共軸。
測量裝置5包括三個加速度計(jì)(未顯示)和三個磁強(qiáng)計(jì)(未顯示)上述三個加速度計(jì)用來檢測三個互相正交方向X、Y和Z上的重力分量，上述三個磁強(qiáng)計(jì)用來測量該裝置部位處同樣三個互相正交方向上的磁場。
圖1中顯示了由裝置5測量的重力矢量
和局部磁場矢量
，矢量
等于由加速度計(jì)量的分量gx，gy和gz的矢量和，矢量
等于裝置5的磁強(qiáng)計(jì)測量的分量Bx，By，Bz的矢量和。如圖所示;矢量Bm相對于重力矢量
成θm角，該夾角可根據(jù)已知的數(shù)學(xué)公式計(jì)算出來。
圖1中還顯示了真實(shí)地球磁場矢量B。和這個矢量相對于重力矢量
的傾角Qo。磁場矢量
和它相對于重力矢量
的取向可由鉆孔測量獨(dú)立地得到，如由鉆孔外部或內(nèi)部的測量或地磁繪圖數(shù)據(jù)得到。
如在圖1中可看見的，測量出的磁場矢量
同真實(shí)的磁場矢量
并不一致。這是由在測量裝置處的偏差磁場矢量M造成的，該磁場主要是無磁性鉆孔套管4中存在分離的磁點(diǎn)S和鉆孔組件1中存在鋼部件的結(jié)果。在圖1中，矢量
被分解成軸向分量Mz和垂直于軸向的矢量
xy，該垂直于軸向的矢量
等于分量Mx和My的矢量和。
根據(jù)本發(fā)明，通過先測定偏差磁場垂直于軸向的矢量
，然后測定軸向分量Mz，從而消除偏差磁場
的影響。
垂直于軸向的矢量
xy的測定，是通過將鉆具組繞中心軸Z轉(zhuǎn)約360°，從而同時繞中心軸Z旋轉(zhuǎn)裝置5，同時對于裝置5相對于中心軸Z的不同取向連續(xù)或斷續(xù)地測量磁場
m而實(shí)現(xiàn)的。如圖1中顯示的那樣，鉆孔組件沿箭頭的方向旋轉(zhuǎn)360°將導(dǎo)致矢量
xy同時沿著同樣的方向旋轉(zhuǎn)，這樣作出圓周C。矢量
xy的量值和方向是由圖2顯示的曲線圖確定的，在該圖中，把測量出訪磁場
垂直于軸向的分量Bx和By對于裝置相對于中心軸Z的不同取向作圖。在該圖中，Bx和By的測量值位于偏離該圖中心(0，0)的圓周上。矢量
xy根據(jù)圓心10相對于圖中心(0，0)的位置而確定。如圖所示，矢量
的量值是由圓心10和圖的中心(0，0)之間的距離確定的。
現(xiàn)在，在圖1的矢量圖中引入矢量B，該矢量
等于
-
。
由于矢量
可用下面的公式表示

＝(Mx，My，O)
并且

＝(Bx，By，Bz)
故矢量B可表示成

＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)。
現(xiàn)定義分量Bx-Mx為Bxc
且
By-My為Byc
則

＝(Bxc，Byc，Bz)＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)……(1)
公式(1)給出了鉆具組垂直于軸向的磁化對檢測裝置5測量磁場的影響的修正。
在如此消除了鉆具組垂直于軸向的磁化
對測量的影響后，可用與美國書第4，163，324號中所公布的類似的方法對軸向偏差分量Mz的影響進(jìn)行修正。
然而，最好用下面參照圖3所描述的計(jì)算方法來就軸向鉆具組磁化對裝置5的測量結(jié)果的影響進(jìn)行修正。
矢量
的量值可以表示為
B＝(B2xc+B2yc+B2z)1/2……(2)
而重力矢量
的量值為
g＝(g2x+g2y+g2z)1/2……(3)
這樣就能夠通過下列公式計(jì)算出矢量
和
之間的傾角θ
θ＝Cos-1〔(Bxcgx+Bycgy+Bzgz)/Bg〕……(4)
角θ在圖1中表示了，也在圖3中表示了，圖3是與圖1中顯示的矢量圖相似，但它簡化了。
由于矢量
只由其相對于重力矢量
的傾角θ所限定，因此矢量
相對于矢量
的位置的確定被復(fù)雜化了。此外，真實(shí)磁場矢量
。相對于軸x，y和z的精確取向仍然是未知的。然而。由于真實(shí)磁場矢量
相對于重力矢量
有傾角θo，因而可以理解到在圖3的矢量圖中，矢量
將位于錐面12上，該錐面12具有與矢量
重合的中心軸，并且其頂角等于2θo。角θo是已知的，因?yàn)樗仟?dú)立地從鉆孔測量得到的。
現(xiàn)在，在矢量圖中引入距離E，其中E表示錐面12的底周邊13和矢量
的頂點(diǎn)之間的距離。
距離E的量值由下列方程給出
E＝〔B2+B2o-2BBoCos(θ-θo)〕1/2……(5)
把這樣得到的E的值標(biāo)繪在顯示在圖4當(dāng)中的曲線圖中，在其中Bz是橫坐標(biāo)，E是縱坐標(biāo)。
下一步假定裝置5測出的磁場的軸向分量Bz可由于偏差磁場的軸向分量Mz而變化。這樣，Bz取成不同的假定值，而對于每個假定值，通過方程(2)，(3)，(4)和(5)計(jì)算出距離E的相應(yīng)值。把這樣得到的E的不同值畫在圖4的坐標(biāo)圖中，它給出了曲線14，其中在Bz的某一值Bzc處會出現(xiàn)極小值15。這樣偏差磁場的軸向分量Mz的量值就可由該曲線圖確定，它等于Bz和Bzc之間的距離，因?yàn)锽zc＝Bz-Mz。
在這樣確定了裝置5處的磁場軸向分量量值Bzc后，可用修正后的值Byc，Byc，Bzc根據(jù)已知的公式計(jì)算出鉆孔的方位角。
顯然，檢測器裝置可以不同的方式包括在鉆具組之中。該裝置可用電纜懸掛在鉆具組中，并用已知的方式固定在無磁性部件上，其中檢測器產(chǎn)生的信號通過電纜傳送到地面上。該裝置還可以固定在鉆具組上，或落放到在鉆具組內(nèi)選定的位置，其中檢測器產(chǎn)生的信號可通過無線遙測系統(tǒng)傳送到地面，或儲存在記憶組件中，然后在將鉆孔組件從鉆孔中取出后讀出。
此外，除了顯示在圖2和圖4中的坐標(biāo)圖外，也可用計(jì)算機(jī)計(jì)算程序來確定磁場的所述修正分量Bxc，Byc和Bzc。
另外，象參考圖5和6所要解釋的那樣，可在傾斜的鉆孔中用包括單一磁強(qiáng)計(jì)的測量裝置得到測出的磁場垂直于軸向的分量的修正垂直軸向分量值Bxc和Byc。在圖5所示的實(shí)施方案中，測量裝置包括安置在垂直于鉆具組縱軸的單一平面內(nèi)的兩個互相正交的加速度計(jì)和單一的磁強(qiáng)計(jì)。這些加速度計(jì)沿互相垂直的軸x和y放置，而磁強(qiáng)計(jì)的軸M平行于x軸加速度計(jì)。如圖5所示，由磁強(qiáng)計(jì)測出的磁場分量Bmx等于地球磁場
o的x分量Box和由于鉆具組磁化造成的偏差磁場
的x分量Mx的和。當(dāng)鉆具組在鉆孔中旋轉(zhuǎn)時，相對于鉆具組是靜止的磁強(qiáng)計(jì)對于每個重力高側(cè)角(high side angle)φ讀出恒定磁場貢獻(xiàn)Mx，而上述高側(cè)角φ是由x軸向和y軸向加速度計(jì)確定的。另外，磁強(qiáng)計(jì)同時讀出地球磁場
正弦變化的磁場貢獻(xiàn)Box。當(dāng)鉆具組相對于傾斜鉆孔的縱軸旋轉(zhuǎn)過大約360°時，該磁強(qiáng)計(jì)讀出如圖6所示的正弦變化磁場，它是幅度Bxyc和零偏移Mxo與重力高側(cè)角φ的關(guān)系曲線。對于鉆孔中鉆具組的選定角度取向，因而對于選定的重力高側(cè)角φ1、Bxc通過對磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)就零偏移Mx進(jìn)行修正而得到。Byc于是通過在與鉆具組的選定取向相距90°重力高側(cè)角處對磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)就零偏移Mx進(jìn)行修正而從圖6所示的曲線得到。
權(quán)利要求
1、借助包含在鉆具組中的檢測器裝置消除鉆具組磁化對鉆孔中方位角測量的影響的方法，該檢測器裝置具有大致與鉆孔縱軸共軸的中心軸，并且包括至少一個用于測量該檢測器裝置處的磁場Bm垂直于軸向的分量的磁強(qiáng)計(jì)，該方法包括消除磁強(qiáng)計(jì)處鉆具組磁化垂直于軸向的分量和軸向分量的影響，其中在消除軸向鉆具磁化的影響之前，先通過在鉆孔中繞其縱軸連同所包含的檢測器裝置一起旋轉(zhuǎn)鉆具組，同時對于鉆具組的不同取向測量磁場的所述垂直于軸向的分量，從而消除垂直于軸向的鉆具組磁化的影響。
2、權(quán)利要求
1的方法，其中檢測器裝置包括三個磁強(qiáng)計(jì)，用于測量磁場
在三個互相正交的方向x，y和z方向上的分量Bx，By和Bz，并且其中通過在以Bx為橫坐標(biāo)并以By為縱坐標(biāo)的圖上標(biāo)繪出在檢測器裝置在鉆孔中處于不同取向時測得的磁場垂直于軸向的分量Bx和By，來確定鉆具組磁化垂直于軸向的偏差分量Mx和My對測出的磁場的影響。
3、權(quán)利要求
2的方法，其中鉆具組相對于中心軸Z旋轉(zhuǎn)過大約360°范圍的角度，并且其中在圖上對檢測器裝置的不同取向如此測出的磁場垂直于軸向的分量Bx和By繪出封閉的圓形曲線，并且其中鉆具組磁化矢量
垂直于軸向的偏差分量Mx和My是根據(jù)圖中的該曲線的中心位置確定的。
4、如在權(quán)利要求
1至3中的任何一個所要求的方法，其中從測出的磁場垂直于軸向的分量Bx和By中減去如此確定的鉆具組磁化矢量
垂直于軸向的偏差分量Mx和My，從而對于測出的磁場的垂直于軸向的分量確定出修正的垂直于軸向的值Bxc和Byc，并且引入對于垂直于軸向的鉆具組磁化的修正矢量(Bxc，Bxc，Bz)，它由下列公式表示
(Bxc，Byc，Bz)＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)
5、如權(quán)利要求
4所要求的方法，其中檢測器裝置裝有用于確定局部重力矢量g垂直于軸向的和軸向的分量gx，gy，gz的重力檢測器，并且其中軸向鉆具組磁化對方位角測量的影響通過下列步驟確定
-由g＝(gx2+gy2+gz2)1/2計(jì)算出重力場強(qiáng)度，由B＝(Bxc2+Byc2+Bz2)1/2計(jì)算出對于垂直于軸向的鉆具組磁化的修正磁場強(qiáng)度B，接著由θ＝Cos-1〔(Bxcgx+Bycgy+Bzgz)/Bg〕計(jì)算矢量
和g之間的傾斜角θ。
-由鉆孔中的測量獨(dú)立地獲得地球磁場的真實(shí)量值Bc和矢量Bo與
之間的夾角θo，并且在矢量圖中確定具有由重力矢量
確定的中心軸和由
所包的圓錐，該圓錐的頂角等于2θo。
-在同一矢量圖中表示出矢量
，它從圓錐的頂點(diǎn)相對于重力矢量g成角度θ延伸，
-由下列公式表示矢量
和圓錐底邊之間的距離E
E＝〔B2+Bo2-2BBoCos(θ-θo)〕1/2
-對于Bz的不同的假定量值，根據(jù)關(guān)于B、g、θ和E的所述公式計(jì)算E，并在具有代表Bz量值的橫坐標(biāo)和代表E的量值的縱坐標(biāo)的圖上標(biāo)繪出對于Bz的不同的量值如此計(jì)算出的E的各個量值，在該坐標(biāo)圖中確定距離E的極小值，并且確定相應(yīng)于E的極小值的Bz量值，作為由檢測器裝置測出的磁場軸向分量的修正量值Bzc，
-該方法進(jìn)一步地包括根據(jù)檢測器裝置測出的磁場分量的修正量值Bxc，Byc，Bzc確定鉆孔的方位角。
6、如權(quán)利要求
1所要求的方法，其中檢測器裝置包括用于測量在該檢測器裝置處的磁場B的一個垂直于軸向的分量的單個磁強(qiáng)計(jì)。
7、消除鉆具組磁化對鉆孔中方位角測量影響的方法，基本上如參考附圖中的圖1至圖6所描述的那樣。
專利摘要
借助包含在具有縱軸的鉆具組中的磁強(qiáng)計(jì)裝置，首先通過鉆具組的不同角度取向上的磁強(qiáng)計(jì)讀數(shù)消除鉆具組磁化垂直于軸向的分量的影響，然后消除鉆具組磁化的軸向分量的影響，從而消除鉆具組磁化對鉆孔中方位角測量的影響。
文檔編號E21B47/022GK86101119SQ86101119
公開日1986年8月20日 申請日期1986年2月24日
發(fā)明者詹尼斯·科尼爾斯·馬亞·萬·當(dāng)根, 萊奧·伯恩哈德·馬基亞霍 申請人:國際殼牌研究有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan