利用具有磁偶極子的發(fā)射器和接收器的針對t形相交和井避讓的井下梯度測量測距的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測距系統(tǒng)，其利用梯度測量數(shù)據來在不了解或不涉及井筒或地層特性的情況下確定至第一井和第二井的方向以及第一井與第二井之間的距離以與所述第二井相交和/或避讓所述第二井。一般來說，這通過部署包括具有磁偶極子的發(fā)射器和接收器的井下組合件，連同定位在所述發(fā)射器與所述接收器之間的反感應接收器而實現(xiàn)。
【專利說明】利用具有磁偶極子的發(fā)射器和接收器的針對T形相交和井避 讓的井下梯度測量測距
[0001 ]優(yōu)先權
[0002] 本申請案要求2013年9月30日提交的名稱為"DOWNHOLE GRADIOMETRIC RANGING FOR T-INTERSECTION AND WELL AVOIDANCE UTILIZING TRANSMITTERS & RECEIVERS HAVING MAGNETIC DIPOLES"的美國臨時專利申請案第61/884，590號的優(yōu)先權，其也指定 Donderici等為發(fā)明人，其公開的全部內容據此以引用的方式并入本文中。 發(fā)明領域
[0003] 本公開總體上涉及井下測距，且更具體地涉及利用磁偶極子發(fā)射器和接收器的測 距組合件，所述磁偶極子發(fā)射器和接收器分析梯度測量數(shù)據來確定并且追蹤多個相交井筒 (在本文中也被稱作"T形相交"井筒)的相對位置。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 在一些位置中，由于法律或天然地形限制，可能需要構建非?？拷舜说你@機。接 著可在地下定向鉆井來覆蓋大的陸地區(qū)域。在這些情況下，重要的是探明其它井的存在來 防止諸如井噴的危害。然而，如果沿著與另一個井相交的路徑鉆井(例如，在垂直井存在的 情況下的水平井），可能難以用傳統(tǒng)方法確定第二井的位置。
[0006] 因此，需要在多種井下應用中準確且高效地確定導電管(例如，金屬套管）的位置 和方向。例如，一個應用是井噴井的情況，其中目標井必須由減壓井非常精確地相交來阻止 井噴。其它應用包括井避讓，其中在鉆井時，探測并且避讓另一個井。
[0007] 已嘗試許多傳統(tǒng)方法來提供這個問題的解決方案。在一個方法中，將線圈天線用 作發(fā)射器，測量目標套管上感應的場的振幅并且基于這些測量進行目標的位置和距離的確 定。然而，由于場的振幅極為依據套管和地層的性質，所以這種方法的準確度可能仍比較 低。在另一個方法中，將電極型源用來在目標套管上感應電流。除磁場本身外，在這個方法 中測量由目標套管輻射的磁場的梯度。通過使用磁場與其梯度之間的關系，至目標套管的 范圍可被確定并且用于避讓或相交。然而，在真實T形相交由于接收器位置處的場的消除而 發(fā)生的情況下這種方法可能不敏感。
[0008] 因此，在本領域中存在對可用于T形相交情況中的改進井下測距技術的需要。
[0009] 附圖簡述
[0010] 圖1A和圖1B是根據本公開的特定說明性實施方案的相對定位系統(tǒng)的簡化圖；
[0011] 圖2是根據本發(fā)明的特定說明性實施方案的相對定位系統(tǒng)中所利用的處理電路的 方塊圖；
[0012] 圖3是用于描述本公開的方法的相對定位系統(tǒng)的簡化說明性實施方案；
[0013] 圖4是根據本公開的特定說明性實施方案的橫跨橫向于目標井軸的整個平面的相 對定位系統(tǒng)的簡化幾何形狀；
[0014] 圖5是根據本公開的特定說明性實施方案的在梯度計算中利用反感應接收器對的 相對定位系統(tǒng)的簡化實施方案。
[0015] 圖6A至圖6B是相對定位系統(tǒng)的替代實施方案的簡化實施方案；
[0016] 圖7圖示基于本公開的說明性實施方案的模擬的簡化幾何形狀；
[0017]圖8使用說明性系統(tǒng)對均質地層中的理想結果繪制T形相交應用中的計算距離； [0018]圖9使用說明性系統(tǒng)對均質地層中的理想結果繪制T形相交應用中的計算距離;和
[0019] 圖10是根據本發(fā)明的特定說明性方法的由相對定位系統(tǒng)用于確定實現(xiàn)相交和/或 避讓所需的第一(即，目標)與第二井筒之間的距離的測距方法的流程圖。
[0020] 說明性實施方案描述
[0021] 下文將本公開的說明性實施方案和相關方法描述為它們可用于測距系統(tǒng)和方法 中，所述測距系統(tǒng)和方法利用磁偶極子發(fā)射器/接收器來分析梯度測量數(shù)據并且由此鉆和/ 或追蹤T形相交井筒的相對位置。為簡明起見，未在本說明書中描述實際實施或方法的所有 特征。當然將了解在任何這種實際實施方案的開發(fā)中，必須作出許多實施特定決策來實現(xiàn) 開發(fā)者的特定目標，諸如與系統(tǒng)相關和業(yè)務相關限制的相符性，其將隨實施而變化。此外， 將了解這樣一種開發(fā)努力可能是復雜且耗時的，但只是受益于本公開的本領域普通技術人 員的常規(guī)職責。將從下文描述和附圖的考慮中變得更理解本公開的各種實施方案和相關方 法的進一步方面和優(yōu)點。
[0022] 如本文中描述，本公開的說明性實施方案和方法描述測距系統(tǒng)，其為了井避讓或 相交的目的，在不了解或不涉及井筒或地層特性的情況下，利用梯度測量數(shù)據來確定第一 井與第二井之間的距離。一般來說，這可通過部署包括磁偶極子發(fā)射器和接收器的井下組 合件，連同定位在發(fā)射器與接收器之間的反感應接收器而實現(xiàn)。磁偶極子可以多種方式體 現(xiàn)，包括例如線圈、螺線管或磁力計。電磁場由發(fā)射器產生且被感應至目標套管上以由此產 生沿著套管的第二電磁場。感應電流在相同軸向方向上遍及目標套管，因此，在T形相交中 維持對目標井的靈敏性。通過一組接收器測量這個第二磁場加上來自發(fā)射器的直接場的 和。反感應接收器被配置為具有與主接收器組相反的極化以由此消除發(fā)射器與接收器之間 的直接信號。使用來自接收器組的不同接收器的磁場的測量，可計算磁場的梯度。隨后，利 用本文中描述的各種算法，位于井下組合件上(或遠程位置處)的處理電路分析梯度測量數(shù) 據來確定至T形相交目標井的位置和方向。
[0023] 雖然本公開可用于各種應用（例如，電纜）中，但是下文描述將側重于用于相對于 附近目標第一井（通常是井噴井）準確且可靠地定位所鉆的井（"減壓/相交"井（即，第二 井）），使得第二井根據期望與目標井相交或避讓目標井的應用。目標井必須具有比周圍地 層高的傳導性，其可通過使用沿著目標井的細長導體而實現(xiàn)，諸如，例如，已存在于多數(shù)井 中以保持井完整性的套管。
[0024] 本公開的方法和系統(tǒng)是鉆減壓井和/或井避讓操作所特別期望的。在井避讓應用 中，利用本文中描述的定位系統(tǒng)鉆井，其主動搜索鉆井路徑中的其它井(或其它導電細長結 構）。如果探測到這些井或結構，那么定位系統(tǒng)相應地更改鉆井路徑。受益于本公開的本領 域普通技術人員將了解這些和其它應用和/或改動。
[0025] 圖1A和圖1B圖示根據本公開的示例性實施方案的相對定位系統(tǒng)100的簡化呈現(xiàn)。 在本實施方案中，井10已使用任何適當鉆井技術鉆出且套上套管11，且隨后導致井噴。接著 使用鉆井組合件14的鉆頭23來鉆減壓井12,其可為例如隨鉆測井（"LWD"）組合件、隨鉆測量 組合件（"MWD"）或其它期望鉆井組合件。
[0026] 在本示例性實施方案中，鉆井組合件14包括具有一個或更多個磁偶極子發(fā)射器16 的井底組合件。如圖1B中所示，鉆井組合件14包括一個發(fā)射器16和兩個磁偶極子接收器18， 其沿著組合件14的軸軸向分離。在利用兩個發(fā)射器16的所述實施方案中，發(fā)射器相對于彼 此定位在非平行方向上（例如，正交）以防止未在目標井上感應電流的盲點，且至少四個磁 偶極子接收器沿著鉆井組合件14定位以進行梯度測量。為了簡化解除耦合過程，發(fā)射器可 相對于彼此定位在正交關系中。在下文描述中，發(fā)射器和接收器可被稱作相對于彼此正交 定位;但是在替代實施方案中，發(fā)射器/接收器可相對于彼此定位為其它非平行定向。此外， 在圖1A和圖1B的實例中，兩個軸向分離反感應接收器20定位為鄰近接收器18以消除來自發(fā) 射器16的直接信號。
[0027] 如將在下文更詳細描述，在使用相對定位系統(tǒng)100的示例性鉆井操作期間，鉆井組 合件14被部署在井下來在井10井噴后鉆減壓井12。當減壓井12罪近井噴井10時，為了將減 壓井12維持在至井10的期望距離和方向（即，軌跡），相對定位系統(tǒng)100啟動發(fā)射器16來沿著 井10的目標套管11感應電流，其導致從目標套管11輻射的磁場。軸向分離接收器18接著感 測磁場和相關梯度測量。本地或遠程處理電路接著利用所接收磁場的梯度測量數(shù)據來確定 至井10的距離和方向。一旦確定相對位置，電路就產生在與井10相交或避讓井10所需的方 向上引導鉆井組合件14所需的信號。
[0028] 圖2是根據本發(fā)明的特定說明性實施方案的在相對定位系統(tǒng)中用于執(zhí)行T形相交 的處理電路200的方塊圖。系統(tǒng)控制中心24管理本文中描述的操作程序。在圖2中所示的簡 單實例中，示出具有單個發(fā)射器的系統(tǒng)。然而，為了防止未在目標套管11上感應電流的盲 點，發(fā)射器單元16可至少由正交方向上的兩個線圈組成。接收器組18可含有用于在兩個正 交方向上梯度測量以確定目標的方位角的至少四個線圈天線。然而，在其它實施方案中，發(fā) 射器/接收器可實現(xiàn)為例如螺線管、磁力計或近似磁偶極子的多種其它實現(xiàn)。從發(fā)射器16至 接收器18的直接信號的消除可使用反感應線圈20實現(xiàn);在其它情況下，直接信號消除可使 用替代技術實現(xiàn)，諸如這種效應的分析計算。在利用反感應接收器20的所述實施方案中，圖 2中所示的接收器18也將包括來自反感應接收器20的數(shù)據。
[0029]通信單元26促進系統(tǒng)控制中心24與發(fā)射器線圈16和接收器線圈18之間的互動。視 覺化單元(未示出）可連接至通信單元26以監(jiān)測數(shù)據;例如，操作者可基于這種數(shù)據干預系 統(tǒng)操作。系統(tǒng)控制中心24也與數(shù)據處理單元28和數(shù)據采集單元30互動。數(shù)據處理單元28可 將所接收數(shù)據轉換為給出目標的位置和方向的信息。隨后，結果可經由視覺化單元顯示。系 統(tǒng)控制中心24可位于地面上或井中，在井中的情況下，被處理數(shù)據被傳達至地面。
[0030]如上文所述，鉆井組合件14可包括機載電路，以及必要的處理/存儲/通信電路來 執(zhí)行本文中描述的計算。在特定實施方案中，所述電路可通信地耦合至用于產生電磁場的 一個或更多個磁偶極子發(fā)射器16,且也同樣地耦合至磁偶極子接收器18以處理從目標井接 收的電磁波。此外，鉆井組合件14機載電路可經由有線或無線連接可通信地耦合至地面以 由此將數(shù)據傳達回井口和/或其它組合件組件(例如，以引導形成組合件14的部分的鉆頭）。 在替代實施方案中，執(zhí)行本文中描述的技術的一個或更多個方面所需的電路可位于遠離鉆 井組合件14的遠程位置，諸如地面或在不同井筒中。例如，在特定實施方案中，發(fā)射器可位 于另一個井中或位于地面。受益于本公開的本領域普通技術人員將易于了解這些和其它變 動。
[0031] 雖然未在圖2中示出，但是機載電路包括至少一個處理器和非暫時性和計算機可 讀存儲器，它們都經由系統(tǒng)總線互連?？捎商幚砥鲌?zhí)行以實施本文中描述的說明性相對定 位方法的軟件執(zhí)行指令可存儲在本地存儲器或一些其它計算機可讀媒體中。還將了解，定 位軟件指令也可經由有線或無線方法從⑶-ROM或其它適當存儲媒體載入至存儲器中。
[0032] 此外，本領域普通技術人員將了解本公開的各種方面可結合多種計算機系統(tǒng)配置 實踐，包括手持裝置、多處理器系統(tǒng)、基于微處理器或可編程消費型電子裝置、小型計算機、 大型計算機和類似物。任何數(shù)量的計算機系統(tǒng)和計算機網絡可被接受結合本公開使用。本 公開可在分布式計算環(huán)境中實踐，其中任務由通過通信網絡鏈接的遠程處理裝置執(zhí)行。在 分布式計算環(huán)境中，程序模塊可位于本地和遠程計算機存儲裝置(包括存儲器存儲裝置） 中。本公開因此可結合各種硬件、軟件或其組合實施在計算機系統(tǒng)或其它處理系統(tǒng)中。 [0033]既然已描述各種實施方案，現(xiàn)將描述確定相對位置的方法。圖3圖示將用于描述本 公開的方法的相對定位系統(tǒng)的簡化說明性實施方案。在此，為簡明起見，未示出減壓井12和 鉆井組合件14。然而，描繪x-z平面中（除目標井10、發(fā)射器16和接收器18外）的均質地層的 橫截面。在本實例中，在y方向上具有磁矩的發(fā)射線圈16(即，位于x-z平面中的線圈）產生圍 繞它的電場(I)。也示出主軸在z方向上的目標井10。井大致具有圍繞其的細長金屬導體 (諸如鋼套管）以加固井結構并且防止井筒壁的坍塌。由于套管比圍繞它的地層更導電，所 以電場至目標套管的強耦合發(fā)生。
[0034]電場的耦合在目標套管11上產生導電電流，其接著將感應繞套管11的磁場32,其 量值可經由畢奧-薩伐爾定律(Biot-Savart law)發(fā)現(xiàn)。如果感應電流是恒定的，那么畢奧-薩伐爾定律將簡化為安培定律(AmperV s law)。在實踐情況中，在套管11上感應的電流非 恒定，但是為了我們的目的可假設點？上的場由下列等式給出：
[0035]
2魏
[0036] 準確度損失較小，其中Η是磁場，Ieff是有效電流，且R是從目標井10至點？的徑向距 離。
[0037] 相同位置的磁場的梯β
白下列等式給出：
[0038] CA· 二切_
[0039] 通過取得應\?)無
尤率，至目標井10的徑向距離可確定如下：
[0040]
[0041 ]現(xiàn)將畑邊按η 乂益18的1兄明??ΤΧΤΓ。卯I乂中描述，接收器是磁偶極子實現(xiàn)，諸如， 例如，線圈、螺線管等。在一個實施方案中，使用在特定方向上具有磁矩的線圈天線。因此， 線圈僅對磁場在所述方向上的分量敏感。如果這個方向被稱作U，那么磁場在所述方向上的 分量可被寫作：
[0042]
[0043] 類似地，如果兩個接收器線圈（具有相同磁矩)在方向v上沿著井下組合件軸向分 離達非常緊密的距離，那么其差異非常近似磁場梯度在所述方向上的分量。假設u和v是笛 卡爾坐標系中的兩個軸，那么v方向上的梯度可寫作如下：
[0044]
[0045] 在笛卡爾坐標中，f和|可寫作：
[0046]
[0047]
[0048] 其中Φ是接收器18相對于套管11的方位角；即，所測量的磁場向量至接收器18的 坐標系的x-y平面上的投影與y軸之間的角度。
[0049] 如果接收器線圈具有其在y方向上的磁矩，且它們在X方向上（或沿著組合件14的 軸)軸向分離，如圖3中所示，那么等式5可估計為：
[0050]
[0051] 接著，至目標井的距離可通過以下等式計算：
[0052]
[0053]因此，使用單個方向上的偏導數(shù)和場得到測距計算中的方位依賴性。下文將描述 方位角的計算。也應提及，在井噴井的T形相交應用中，由于問題的圓周對稱性，在方位角方 向上繞目標井10旋轉減壓井12不會改變結果。然而，針對T形相交定位減壓井首先需要方位 角信息。此外，如果目標是井避讓，那么需要確定目標井10的方位角來確定最佳鉆井路徑。 [0054] 針對井避讓或相交應用，了解至目標井10的范圍并不足夠。也應知道至目標井10 的方向。因此，本公開的說明性實施方案也提出確定方向的不同方法。在一個實例中，利用 來自另一個工具（電極激勵測距工具、表面激勵等）的外部信息是一個這種可能性。在替代 實施方案中，可利用圖3中的磁場32。通過從橫向于目標井10的軸上的兩個正交分量(在目 標井1 〇位于z方向上的情況下的X和y分量)取得梯度場，可確定目標井10的方向。角度上的 任何不明確也被消除，這是因為梯度的符號告知用于確定所述方向上梯度的兩個線圈的哪 個最接近目標井10。不幸的是，梯度信號很小，因此，當信號弱時（即，遠離目標井10,其中準 確的方向確定對于接近目標井1〇(而非遠離它)而言是重要的），這種方法可能導致角度確 定中的大錯誤。
[0055]在又一個說明性方法中，可利用總場。在此，梯度場的X分量與y分量之間的角度將 給出目標井10的方向。然而，這個角度可在〇°與90°之間，因此呈現(xiàn)大的不明確。然而，如果
[0056] 總場中的交叉耦合分量也被考慮，那么這個范圍可從0°擴展至180°。示例性實施方案使用 下列等式實現(xiàn)：
[0057]
[0058] 注意這個等式中的場的符號依據所使用的特定規(guī)范。在等式9中，指的是通過在 方向j上具有磁矩，在方向i上對應于發(fā)射器的接收器測量的場。180°不明確可通過使用梯 度信息或觀察計算范圍的時間變化而消除。一般來說，有關目標位置的一些先驗信息也應 可獲得，因此這種不明確在多數(shù)實踐情況下并非大問題。
[0059]如先前描述，反感應接收器20在特定實施方案中用于消除來自發(fā)射器16的直接信 號。反感應接收器20也是磁偶極子實現(xiàn)，諸如線圈、螺旋管或磁力計。范圍的確定要求在如 等式3中給出的點處測量由于在目標套管11上感應的電流而產生的磁場以及其梯度。然而， 接收器18也測量由發(fā)射器16形成的直接信號，使分析復雜化。為了消除這種直接信號，可考 慮數(shù)種方法。一個說明性方法是分析地在接收器18上計算發(fā)射器16的場，且將這個值從梯 度測量中減去。注意，這種說明性方法需要了解地層性質，如受益于本公開的本領域普通技 術人員將了解。
[0060] 替代的說明性方法是利用反感應接收器20,其在與接收器18相反的方向上纏繞， 且以接收器18-反感應接收器20組合之間的直接信號的虛分量被消除的這樣一種方式定 位。雖然在與空氣不同的地層中，這種消除被干擾，但是在多數(shù)情況下，效應是小的。
[0061] 在特定說明性實施方案中，發(fā)射器和接收器具有幾何橫跨橫向于目標井的軸的平 面的磁矩。圖4圖示一個這種實例，其中發(fā)射器16(發(fā)射器對）、反感應接收器20(兩對反感應 接收器)和接收器18(兩對接收器)都在y和z方向上具有磁矩。如圖3中所示，減壓井12的軸 在X方向上，而目標井10的軸在z方向上。因此，如果目標是井相交，這么在這個實例中，在目 標井10的軸定向在y-z平面（即，橫向于減壓井軸的平面）中的任何方向上的情況下T形相交 仍將發(fā)生。因此，在一個說明性實施方案中，將考慮這種可能性的系統(tǒng)設計包括磁矩幾何橫 跨橫向平面的發(fā)射器和接收器。因此，在y和z方向上具有磁矩的發(fā)射器16和接收器18可用 于這種目的，如圖4中所示。
[0062] 圖5是本公開的實施方案的又一個簡化圖，其中反感應接收器對之一用于梯度計 算。這樣一種實施方案將允許所利用的接收器的數(shù)量的減小。圖6A至圖6B圖示類似于圖4和 圖5的替代實施方案。理想地，系統(tǒng)應探測并且能夠在任何任意定向上避讓目標井或與目標 井相交。這可通過具有在兩個不同方向上具有磁矩的發(fā)射器以及測量需要在橫跨整個空間 的至少三個方向上的梯度測量的總梯度而實現(xiàn)。這種系統(tǒng)的實例圖示在圖6A中。在此，磁矩 方向被選擇為y和z。在這個特定實施中，四對偶極子的圓周對稱組(在y-z平面中繞X軸)在 每個主/接收器反感應組18、20中用于測量y和z方向上的梯度。存在針對主和反感應接收器 組18、20的兩個這種組來測量X方向上的梯度。替代地，可設計可測量三個正交空間方向上 的磁場梯度的其它實施，如受益于本公開的本領域普通技術人員將了解。例如，可利用如圖 6B中所示的梯度計算中的反感應線圈。
[0063]為了展示這些效應，考慮圖7中所示的實例。為了展示所提出系統(tǒng)在T形相交應用 中的使用，模擬說明性實例，其中在減壓井12朝向相交處移動時，計算與目標井10相距的距 離。模擬幾何形狀展示在圖7中。為簡明起見，具有單個發(fā)射器16的實施方案已被模擬且目 標的方位角被假設為已知。在這個模擬中，操作頻率被選擇為等于10Hz;地層是均質的，其 中電阻率Rf = 20 Ω-m，相對介電常數(shù)為4,且導磁系數(shù)為1。目標井10具有導電套管11，其具 有4英寸半徑。從發(fā)射器16至主接收器組18的中心的距離是1英尺。反感應接收器組20與主 接收器組相距1英尺。主接收器與反感應梯度接收器對之間的距離是8英寸。
[0064]在圖8中，呈現(xiàn)圖7的系統(tǒng)的模擬結果。至目標井10的距離是從主接收器組16的中 心至目標井10上的最靠近點的距離。線A是參考，其展示理想結果，其中計算距離等于實際 距離。線B展示使用分析的直接信號計算計算的結果。線C展示使用反感應接收器的直接信 號的機械消除。如可見，反感應接收器的使用產生稍微較差的結果，這是因為它們被調節(jié)用 于空氣中的直接信號的完全消除。然而，兩種情況下的結果非常好，具有與在目標至接收器 的距離變?yōu)樾∮?0英尺時的情況幾乎相同的結果。即使在70英尺距離下，誤差是大約20% (使用反感應接收器)和大約3% (使用分析直接信號消除）。
[0065]圖9繪制當相同模擬在地層電阻率減小至ΙΩ-m的情況下重復時的結果。這種情況 對更導電的媒體中的相對位置系統(tǒng)性能建模，并且提出更嚴苛的環(huán)境用于距離計算。結果 在與目標井相距大約25英尺處仍非常好。對于更遠距離，反感應結果開始變得高度非線性。 然而，分析直接信號消除即使在70英尺的距離處仍產生合理結果。
[0066] 既然已描述各種實施方案，現(xiàn)將描述實現(xiàn)相交和/或避讓的方法。如上所述，說明 性相對定位系統(tǒng)大致由磁偶極子實現(xiàn)(發(fā)射器和接收器)組成，其被定位來感應并且測量從 目標井筒傳導的梯度磁場。圖10是根據本發(fā)明的特定說明性方法的由利用梯度測量數(shù)據來 確定第一（即，目標)井筒與第二井筒之間的距離的相對定位系統(tǒng)采用的測距方法1100的流 程圖。再次，特定應用可為例如在井噴情況期間鉆減壓井。
[0067]然而，在方框1002處，使用任何適當方法鉆第一井筒。第一井筒具有比周圍地層更 高的導電率，其例如，可通過給第一井筒加套管或通過利用沿著第一井筒定位的一些其它 細長導體而實現(xiàn)。在方框1004處，沿著鉆井組合件將至少兩個磁偶極子發(fā)射器和至少四個 磁偶極子接收器部署至第二減壓井筒中，其中第二井筒沿著與第一井筒相交的軸定向。這 可例如在第一井筒的井噴發(fā)生后發(fā)生。可以多種方式(包括例如沿著鉆井組合件)將發(fā)射器 和接收器部署在第二井筒中。
[0068]在方框1006處，激勵發(fā)射器來由此沿著第一井筒感應電流，其導致從第一井筒輻 射的磁場。在方框1008處，接著使用接收器接收磁場。在方框1010處，使用可操作地耦合至 接收器的處理電路，相對定位系統(tǒng)利用所接收磁場的梯度測量數(shù)據來確定第一井筒與第二 井筒之間的距離。在此，相對定位系統(tǒng)確定需要什么行動(若有)來維持或校正與第一井筒 相交和/或避讓第一井筒所需的期望鉆井路徑。這些動作可為例如方向、速度、鉆頭上的重 量等的變化。隨后，算法返回至方框1006,其中它繼續(xù)激勵發(fā)射器以連續(xù)監(jiān)測和/或根據需 要調整鉆井路徑。
[0069]如上所述，在替代應用中，本公開的相對定位系統(tǒng)和方法也可用于井避讓操作中。 在這樣一種應用中，目標井不一定存在。然而，在一個說明性方法中，沿著鉆井組合件部署 相對定位系統(tǒng)。在鉆井期間，系統(tǒng)機載(或遠程)處理電路利用本文中描述的各種組件和梯 度測量分析特征主動搜索其它井或細長導電結構。如果探測到這些井或結構，那么定位系 統(tǒng)相應地更改鉆井路徑。
[0070] 因此，本文中描述的本公開的實施方案利用磁偶極子發(fā)射器/接收器來分析梯度 測量以由此確定與另一個井筒相交和/或避讓另一個井筒所需的井筒路徑，而無需知道地 層和目標性質。因此，所公開系統(tǒng)經由普遍可獲得的磁偶極子接收器/發(fā)射器允許準確和精 確的T形相交應用。這樣一種系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實生活應用，尤其在定向鉆井在擁擠的油井中 執(zhí)行且必須避讓現(xiàn)有井的情況中。其在期望井噴井與減壓井相交的情況下也有用。消除發(fā) 射器與接收器線圈之間的直接信號的方法也已被討論來促進這種工具的實踐實施。
[0071] 本文中描述的實施方案和方法進一步與下列段落的任一項或多項相關：
[0072] 1. 一種用于井下測距的方法，方法包括鉆第一井筒，第一井筒包括細長導體;在第 二井筒中部署至少兩個磁偶極子發(fā)射器和至少四個磁偶極子接收器;使用發(fā)射器沿著第一 井筒感應電流，其導致從第一井筒發(fā)射的磁場;利用接收器接收磁場，其中測量磁場;且利 用梯度場來確定第一井筒與第二井筒之間的距離。
[0073] 2.根據段落1中定義的方法，其中在沿著第二井筒的軸向方向上測量梯度場。
[0074] 3.根據段落1或2中定義的方法，其中在至少三個方向上測量梯度場。
[0075] 4.根據段落1至3中任一項定義的方法，其還包括相對于第二井筒確定第一井筒的 方向，其中確定方向還包括確定所接收磁場的總場;確定總場的X分量與y分量之間的角度； 和利用角度來確定方向。
[0076] 5.根據段落1至4中任一項定義的方法，其還包括利用所接收磁場的梯度場以由此 確定第一井筒相對于第二井筒的方向。
[0077] 6.根據段落1至5中任一項定義的方法，其中確定方向還包括確定梯度場的兩個正 交分量之間的角度，正交分量沿著橫向于第一井筒的軸的軸;和利用角度來確定方向。 [0078] 7.根據段落1至6中任一項定義的方法，其中確定第一井筒與第二井筒之間的距離 還包括消除從發(fā)射器發(fā)射的直接信號。
[0079] 8.根據段落1至7中任一項定義的方法，其中直接信號的消除包括在接收器處計算 發(fā)射器的磁場;和從所接收磁場中減去所計算磁場。
[0080] 9.根據段落1至8中任一項定義的方法，其中直接信號的消除包括利用兩對反感應 接收器來消除直接信號的虛分量。
[0081] 10.根據段落1至9中任一項定義的方法，其還包括利用一對反感應接收器來分析 梯度測量數(shù)據。
[0082] 11.根據段落1至10中任一項定義的方法，其中第一井筒是井噴井;且第二井筒是 相交井，其中方法用于阻止從井噴井發(fā)射的烴類外溢。
[0083] 12.根據段落1至11中任一項定義的方法，其還包括基于所確定距離和方向避讓目 標井。
[0084] 13.根據段落1至12中任一項定義的方法，其中發(fā)射器和接收器沿著鉆井組合件、 測井組合件或電纜組合件部署。
[0085] 14.根據段落1至13中任一項定義的方法，其還包括使用第一井筒與第二井筒之間 的所確定方向和距離引導沿著第二井筒部署的鉆井組合件。
[0086] 15. -種井下測井組合件，其包括:井下組合件，其包括至少兩個磁偶極子發(fā)射器 和至少四個磁偶極子接收器;和處理電路，其用于實施方法，所述方法包括:使用發(fā)射器沿 著第一井筒感應電流，其導致從第一井筒且朝向第二井筒發(fā)射的磁場，第一井筒包括細長 導體;利用接收器接收磁場，其中測量梯度場;和利用梯度場來確定第一井筒與第二井筒之 間的距離。
[0087] 16.根據段落15所定義的井下測距組合件，其中接收器在平行于井底組合件的軸 的方向上軸向分離，使得在沿著井底組合件的軸向方向上測量梯度場。
[0088] 17.根據段落15或16所定義的井下測距組合件，其還包括沿著井底組合件定位在 發(fā)射器與接收器之間的四個反感應接收器。
[0089] 18.根據段落15至17中任一項所定義的井下測距組合件，其中反感應接收器包括 與接收器相反的極化。
[0090] 19.根據段落15至18中任一項所定義的井下測距組合件，其中井底組合件是鉆井、 電纜或測井組合件。
[0091] 20.根據段落15至19中任一項所定義的井下測距組合件，其中發(fā)射器沿著井底組 合件按彼此非平行關系定位;接收器在平行于井底組合件的軸的方向上軸向分離;且接收 器的磁矩定向在橫向于井底組合件的軸的方向上。
[0092] 21.根據段落15至20中任一項所定義的井下測距組合件，其中接收器的磁矩橫跨 橫向于第一井筒的軸的平面。
[0093] 22.根據段落15至21中任一項所定義的井下測距組合件，其中發(fā)射器和接收器包 括線圈、螺旋管或磁力計的至少一個。
[0094] 23.根據段落15至22中任一項所定義的井下測距組合件，其中兩個接收器是定位 在發(fā)射器與其它接收器之間的反感應接收器。
[0095] 24.根據段落15至23中任一項所定義的井下測距組合件，其中反感應接收器用于 測量梯度場。
[0096] 25.根據段落15至24中任一項所定義的井下測距組合件，其中至少四個接收器包 括具有四對磁偶極子的兩個接收器組，接收器組繞井底組合件的軸對稱定位;且井下測距 組合件還包括兩個反感應接收器組，其具有四對磁矩，反感應接收器組繞井底組合件的軸 對稱定位在發(fā)射器與接收器之間。
[0097]此外，本文中描述的方法可體現(xiàn)在包括用于實施任何方法的處理電路的系統(tǒng)內， 或計算機程序產品中，其包括在被至少一個處理器執(zhí)行時導致處理器執(zhí)行本文中描述的任 何方法的指令。
[0098]雖然已展示并且描述各種實施方案和方法，但是本公開不限于這些實施方案和方 法，且將被理解為包括如本領域技術人員所了解的所有修改和變動。因此，應了解本公開不 旨在受限于所公開的特定形式。而是，目的是覆蓋屬于如由隨附權利要求定義的本公開的 精神和范圍內的所有修改例、等效例和替代例。
【主權項】
1. 一種用于井下測距的方法，所述方法包括： 鉆第一井筒，所述第一井筒包括細長導體； 在第二井筒中部署至少兩個磁偶極子發(fā)射器和至少四個磁偶極子接收器； 使用所述發(fā)射器沿著所述第一井筒感應電流，其導致從所述第一井筒發(fā)射的磁場； 利用所述接收器接收所述磁場，其中測量梯度場;和 利用所述梯度場來確定所述第一井筒與所述第二井筒之間的距離。2. 根據權利要求1所述的方法，其中在沿著所述第二井筒的軸向方向上測量所述梯度 場。3. 根據權利要求1所述的方法，其中在至少三個方向上測量所述梯度場。4. 根據權利要求1所述的方法，其還包括相對于所述第二井筒確定所述第一井筒的方 向，其中確定所述方向還包括 確定所述所接收磁場的總場； 確定所述總場的X分量與y分量之間的角度;和 利用所述角度來確定所述方向。5. 根據權利要求1所述的方法，其還包括利用所述所接收磁場的所述梯度場以由此相 對于所述第二井筒確定所述第一井筒的方向。6. 根據權利要求5所述的方法，其中確定所述方向還包括： 確定所述梯度場的兩個正交分量之間的角度，所述正交分量沿著橫向于所述第一井筒 的軸的軸;和 利用所述角度來確定所述方向。7. 根據權利要求1所述的方法，其中確定所述第一井筒與所述第二井筒之間的所述距 離還包括消除從所述發(fā)射器發(fā)射的直接信號。8. 根據權利要求7所述的方法，其中所述直接信號的所述消除包括： 在所述接收器處計算所述發(fā)射器的磁場;和 從所述所接收磁場中減去所述所計算磁場。9. 根據權利要求7所述的方法，其中所述直接信號的所述消除包括利用兩對反感應接 收器來消除所述直接信號的虛分量。10. 根據權利要求9所述的方法，其還包括利用一對所述反感應接收器來分析梯度測量 數(shù)據。11. 根據權利要求1所述的方法，其中： 所述第一井筒是井噴井;并且 所述第二井筒是相交井，其中所述方法用于阻止從所述井噴井發(fā)射的烴類外溢。12. 根據權利要求4所述的方法，其還包括基于所述所確定距離和方向避讓所述目標 井。13. 根據權利要求1所述的方法，其中所述發(fā)射器和所述接收器沿著鉆井組合件、測井 組合件或電纜組合件部署。14. 根據權利要求4所述的方法，其還包括使用所述第一井筒與所述第二井筒之間的所 述所確定方向和距離引導沿著所述第二井筒部署的鉆井組合件。15. -種井下測距系統(tǒng)，其包括用于實施根據權利要求1至14中所述的任意方法。16. -種井下測距組合件，其包括： 井下組合件，其包括至少兩個磁偶極子發(fā)射器和至少四個磁偶極子接收器;和 處理電路，其用于實施方法，所述方法包括： 使用所述發(fā)射器沿著第一井筒感應電流，其導致從所述第一井筒且朝向第二井筒發(fā)射 的磁場，所述第一井筒包括細長導體； 利用所述接收器接收所述磁場，其中測量梯度場;和 利用所述梯度場來確定所述第一井筒與所述第二井筒之間的距離。17. 根據權利要求16所述的井下測距組合件，其中所述接收器在平行于所述井底組合 件的軸的方向上軸向分離，使得在沿著所述井底組合件的軸向方向上測量所述梯度場。18. 根據權利要求16所述的井下測距組合件，其還包括沿著所述井底組合件定位在所 述發(fā)射器與所述接收器之間的四個反感應接收器。19. 根據權利要求18所述的井下測距組合件，其中所述反感應接收器包括與所述接收 器相反的極化。20. 根據權利要求16所述的井下測距組合件，其中所述井底組合件是鉆井、電纜或測井 組合件。21. 根據權利要求16所述的井下測距組合件，其中： 所述發(fā)射器沿著所述井底組合件按彼此非平行關系定位； 所述接收器在平行于所述井底組合件的軸的方向上軸向分離;并且 所述接收器的磁矩定向在橫向于所述井底組合件的所述軸的方向上。22. 根據權利要求16所述的井下測距組合件，其中所述接收器的磁矩橫跨橫向于所述 第一井筒的軸的平面。23. 根據權利要求16所述的井下測距組合件，其中所述發(fā)射器和所述接收器包括線圈、 螺旋管或磁力計的至少一個。24. 根據權利要求16所述的井下測距組合件，其中兩個所述接收器是定位在所述發(fā)射 器與其它接收器之間的反感應接收器。25. 根據權利要求24所述的井下測距組合件，其中所述反感應接收器用于測量所述梯 度場。26. 根據權利要求16所述的井下測距組合件，其中： 所述至少四個接收器包括具有四對磁偶極子的兩個接收器組，所述接收器組繞所述井 底組合件的軸對稱定位;并且 所述井下測距組合件還包括兩個反感應接收器組，其具有四對磁矩，所述反感應接收 器組繞所述井底組合件的所述軸對稱定位在所述發(fā)射器與所述接收器之間。
【文檔編號】G01V3/18GK105960508SQ201480045656
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2014年9月22日
【發(fā)明人】B·東德里奇, B·剛納
【申請人】哈里伯頓能源服務公司