專利名稱：用于控制鉆進過程的磁測距系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于控制井下鉆進過程的磁測距系統(tǒng)。測距系統(tǒng)具有縱向方向且包括用于鉆第一鉆孔的鉆進工具，鉆進工具具有工具軸并包括電磁體形式的、產生磁場的磁場源，且具有磁場源軸。此外，測距系統(tǒng)包括布置在第二鉆孔中的感測工具，其用于通過傳感器單元來測量磁場。
背景技術：
當鉆入到現(xiàn)有的井或鉆孔的地層(formation)中時，在鉆進過程中了解到現(xiàn)有的井或鉆孔的距離是非常重要的。在一些情況下，目的是為了在特定位置與現(xiàn)有的井或鉆孔相遇，且在另一些情況下，目的是為了在距離現(xiàn)有的井或鉆孔的確切位置鉆出一個新的鉆 孔，同時保證兩者之間的距離沿著某一延伸基本上是相同的。已知的工具包括確定該距離的不同方案。為了確定距離，使用工具來檢測磁場。一些工具使用現(xiàn)有鉆孔中導線的電流，而其他的使用在鉆頭中旋轉的磁體。在現(xiàn)有技術的工具中，諸如US 2008/0041626中所描述的，鉆頭中的磁體需要旋轉，以便傳感器能檢測到磁場以及從而檢測相對于已知位置的鉆頭的距離。但是有時候，鉆頭停止，使得不可能檢測到磁場且因而不能確定距離以及鉆頭的鉆進方向。而且，為了進行測量，不得不停止鉆進過程以允許磁體旋轉并使得工具比井間間距(interwellseparation)更遠地來回滑動，即，大于5_10米。關于這些工具和使用現(xiàn)有鉆孔中導線中的電流的工具，磁場感測裝置被放置在鉆進工具中。由于鉆進工具的鉆頭是由經由鉆柱輸送的高壓流體驅動的，傳輸來自由傳感器件執(zhí)行的測量的數(shù)據是非常困難的。這些工具在流體中產生波作為傳送數(shù)據的手段，它是非常慢的通訊手段且可進一步地抑制鉆進過程。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是全部或部分地克服現(xiàn)有技術的上述劣勢和缺點，并提供了可替換的測距系統(tǒng)，其能夠確定鉆進工具和現(xiàn)有的井或鉆孔之間的距離，甚至是鉆頭的三維位置和方向，以便在鉆進時控制鉆進工具。—個額外的目的是提供改進的測距系統(tǒng)，其能夠即使當鉆進工具或鉆柱沒有旋轉時，也能確定到現(xiàn)有的鉆孔或井的距離。將從以下描述中變得明顯的上述目的、以及許多其他的目的、優(yōu)勢和特征，由根據本發(fā)明的方案通過用于控制井下鉆進過程的測距系統(tǒng)來完成，測距系統(tǒng)具有縱向方向，且包括-用于鉆第一鉆孔的鉆進工具，該鉆進工具具有工具軸且包括磁場源，該磁場源是產生磁場且具有磁場源軸的磁體，以及-布置在第二鉆孔中的傳感工具，用于通過至少兩個傳感器單元測量磁場，其中，傳感器單元被布置為沿著傳感工具的軸彼此相距一距離。
當傳感器被布置在沿著傳感工具的軸彼此相距一距離時，電磁體不需要移動以便進行足夠的測量以 能夠計算磁體相對于傳感工具的位置。當必須移動磁體時，結果會發(fā)生兩組測量之間不精確的距離；但是，當兩組傳感器單元被布置在固定的相互距離時，這不會發(fā)生。而且，當具有與永久磁相對的電磁體時，不需要旋轉磁體。因此，磁體以及因而鉆進工具的位置的計算被簡化，因為磁場相對于旋轉以改變場的旋轉永久磁體來說是相同的。在一個實施例中，磁場源軸基本上與工具軸平行。磁場源軸也可基本上與工具軸重合。每個傳感器單?？砂ㄒ粋€三軸磁力計，用于測量磁場的大小和方向。而且，磁力計可被布置在傳感器單元中的相同平面上。根據一個實施例，第二鉆孔可以是現(xiàn)有的鉆孔。在另一個實施例中，傳感器單元和/或鉆進工具可由驅動單元驅動。測距系統(tǒng)還可包括定位工具，用于確定第二鉆孔內的感測工具的位置或第一鉆孔內的鉆進工具的位置。該感測工具還可具有用于控制和/或測量感測工具的位置的裝置。磁場源可具有通孔，從而允許用于驅動鉆進工具的鉆頭的流體穿過磁場源。測距系統(tǒng)還可包括計算單元，用于處理由感測工具測量的磁場的大小和方向測量。此外，測距系統(tǒng)還可包括第二鉆進工具，且感測工具可被布置在第二鉆進工具內或與第二鉆進工具相關地布置，這樣第一鉆進工具包括磁場源且第二鉆進工具包括感測工具。本發(fā)明還涉及一種用于使用根據本發(fā)明的測距系統(tǒng)的方法，包括以下步驟-在一個鉆進方向鉆第一鉆孔；-將感測工具插入到第二鉆孔內；-測量磁場的大小和方向；以及-計算鉆進工具相對于感測工具的位置，其中，當鉆第一鉆孔時，發(fā)生測量和計算的步驟。在一個實施例中，測量和計算的步驟與鉆第一鉆孔同時執(zhí)行，這意味著測量和計算的步驟至少每一小時被執(zhí)行一次，優(yōu)選地至少每半小時一次，更優(yōu)選地至少每10分鐘一次。而且，該方法可包括計算鉆頭方向的步驟。此外，該方法可包括基于所計算的鉆進工具相對于感測工具的相對位置來調整鉆進方向的步驟。此外，該方法可包括基于所計算的鉆進工具的方向和相對位置來調整鉆進方向的步驟。最后，本發(fā)明涉及根據本發(fā)明的測距系統(tǒng)的任何使用。


以下將參考附圖詳細說明本發(fā)明及其許多優(yōu)勢，所述附圖為了描述的目的示出了一些非限制性實施例，在附圖中
圖I示出了布置在兩個井下鉆孔中的、根據本發(fā)明的測距系統(tǒng)的橫截面圖；圖2示出了鉆進工具的部分橫截面圖；圖3示出了磁場源的透視圖，且圖4示出了感測單元。所有的附圖都是高度示意性的且不是必須按比例的，且它們僅示出了對于解釋本發(fā)明所必須的那些部分，其他部分被忽略或僅僅被暗示。
具體實施例方式本發(fā)明涉及測距系統(tǒng)1，其用于控制井下鉆進過程，測距系統(tǒng)具有縱向方向。當 鉆一個鉆孔時，能控制鉆進方向并獲知鉆頭的定向以保證鉆孔位于預定的位置是非常重要的。當使用蒸汽輔助重力泄油(SAGD)從地中提取油時，兩個鉆孔必須沿著其幾乎整個水平延伸被基本上平行地鉆入，以保證蒸汽沿著鉆孔的幾乎整個水平延伸滲透進地層。測距系統(tǒng)包括鉆進工具2，用于在已有的鉆孔附近鉆一個新的鉆孔，如圖I所示。鉆進工具2包括鉆頭14，用于將第一鉆孔鉆入到地層中，且它還包括生成磁場6的磁場源5，磁場6可由布置在第二鉆孔中的感測工具8檢測，以在鉆進時確定鉆進工具2和感測工具8之間的距離并確定鉆頭的定向。當鉆兩個新的鉆孔時，也可使用測距系統(tǒng)I。當大體同時鉆兩個鉆孔時，磁場源5被布置在一個鉆進工具2中，且感測工具8的傳感器單元10被布置在另一個鉆進工具2中或與之相關地被布置。通過處理傳感器單元10執(zhí)行的測量，鉆進工具2的鉆進方向可被調整以保證兩個鉆孔之間的距離保持基本上一樣。為了保證鉆孔被定位在預定的位置，鉆進工具2中的一個可包括定位工具，其能夠確定鉆進工具相對于開始位置或另一個已知位置的位置。在圖I和圖2中，鉆進工具2具有工具軸4，且磁場源5具有基本上與工具軸4重合的磁場源軸7。磁場源5可以是任何合適的電磁體。通過使用電磁體，極可被轉換，且傳感器單元10由此能夠執(zhí)行測量，其中來自地球磁場的作用被有效地消除。而且，旋轉鉆柱以及因而旋轉磁場源，不會對測量產生任何實質性的影響，這意味著當鉆進時甚至當鉆進工具沒有旋轉時，可執(zhí)行有用的測量。如圖4所示，感測工具包括至少兩個傳感器單元10，其沿著感測工具的軸被布置為彼此相距距離D。這意味著，可同時執(zhí)行對磁場的單獨測量，即，沒有必要沿著工具軸移動磁體且由此當執(zhí)行測量時停止鉆進。在現(xiàn)有技術的工具中，執(zhí)行測量取決于當執(zhí)行測量時磁場源旋轉和滑動。因此，在現(xiàn)有技術的工具中，僅當鉆進過程停止時，可執(zhí)行測量。如果鉆進工具2且由此鉆進過程停止，例如，如果鉆進工具2出故障，本發(fā)明的感測工具8仍能夠感測磁場6并因而可繼續(xù)執(zhí)行測量。如圖4所示，感測工具8包括至少兩個傳感器單元10。因此，傳感器工具8包括至少兩個磁力計，使得其能夠計算鉆頭14相對于感測工具的確切位置以及鉆頭14正在鉆進的方向。每個磁力計測量磁場6的局部大小和方向，且由此提供獨立的矢量測量，而不需要相對于傳感器移動磁體，如現(xiàn)有技術中的情況那樣。當具有若干個傳感器單元10時，可執(zhí)行充分的測量以計算鉆進工具相對于感測工具8的位置，而不需要停止鉆進過程。對應于在第一傳感器單兀中測量的磁場6的大小和方向的第一矢量，以及對應于在第二傳感器單元中測量的磁場6的大小和方向的第二矢量被用來計算鉆進工具中的磁體的位置。兩個傳感器單元10中的測量同時執(zhí)行，且因為傳感器單元之間的距離是已知的，磁體的位置可被計算。當感測單元檢測到鉆進工具和感測工具之間的距離增加或減少時，可調整鉆頭14的鉆進方向，從而使方向是預期的方向，或者從而使到第二鉆孔的距離與預定距離一樣，這意味著第一和第二鉆孔由此再次變得平行。感測工具還可包括更多的感測單元。具有三個或更多個傳感器單元，而不是如上所述僅有兩個，將增加所計算位置以及磁源且從而鉆進工具的方向的精確性。當使用超過兩個傳感器單元時，上述方法仍適用。當使用電磁體作為磁場源時，磁體不是必須旋轉以產生有用的測量，因為電磁體是脈沖控制的(pulsed)。這樣，磁場方向相對于鉆柱的其余部分是相同的，從而顯著簡化了磁體位置的計算。即使電磁體被旋轉，其旋轉軸可與鉆進工具的旋轉軸重合，由此不會影響磁場的方向。在圖I中，感測工具8包括驅動單元11，用于驅動在第二鉆孔9的方向的縱向方向中的工具。感測工具8可包括用于調整感測工具的位置的裝置12，使得感測工具能夠在鉆孔內來回移動以位于鉆進工具的期望范圍內。期望范圍是這樣的范圍，在其中感測工具8具有與鉆進工具2的磁體的一距離，從而使得質量足夠好的測量能夠準確和精確地計算鉆進工具相對于感測工具的位置。如果鉆進過程沒有通過盤管(coiled tubing)或鉆桿(drill pipe)執(zhí)行,鉆進工具2還可包括驅動工具。在圖I中，第一鉆孔3是將被鉆的鉆孔，且第二鉆孔9是現(xiàn)有的鉆孔，但第二鉆孔也可是井或地層中的另一種孔。第二鉆孔9可以是井的垂直部分，在鉆進過程中，鉆第一鉆孔的鉆進工具將故意與該垂直部分碰撞或將故意避開它。鉆進工具2典型地通過高壓流體運行。如圖2和3可見，磁場源5具有通孔13，允許流體穿過磁場源5而不損失能量。當鉆進工具2由通過鉆桿或盤管的加壓流體驅動時，這特別方便。為了基于測量計算鉆頭14和感測工具8之間的距離以及鉆頭的定向，測距系統(tǒng)I包括計算單元15，用于處理由傳感器單元10測量的磁場6的大小和方向測量。計算單元15被放置在傳感器單元10中。計算方法的具體描述計算磁體相對于傳感器的位置r，作為最小化問題的解。以矢量符號表示的磁偶極子的場B的表達式如下
權利要求
1.一種用于控制井下鉆進過程的測距系統(tǒng)(1)，該測距系統(tǒng)具有縱向方向且包括 -用于鉆第一鉆孔(3)的鉆進工具(2)，該鉆進工具具有工具軸(4)且包括電磁體形式的磁場源(5)，該磁場源(5)產生磁場(6)且具有基本上與工具軸平行的磁場源軸(7)，以及-布置在第二鉆孔(9)中的感測工具(8)，用于通過至少兩個傳感器單元(10)測量磁場，其中所述傳感器單元被布置為沿著感測工具的軸彼此相距一距離(D)。
2.如權利要求I所述的測距系統(tǒng)，其中每個傳感器單元包括至少一個磁力計(20)。
3.如權利要求I或2所述的測距系統(tǒng)，其中磁場源軸基本上與工具軸重合。
4.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，其中感測工具通過線纜被浸入到井中。
5.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，其中磁力計被布置在傳感器單元中的同一個平面上。
6.如權利要求5所述的測距系統(tǒng)，其中磁力計測量磁場的大小和方向，諸如局部磁場矢量的大小和方向。
7.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，其中第二鉆孔是現(xiàn)有的鉆孔。
8.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，其中傳感器單元和/或鉆進工具由驅動單元(11)驅動。
9.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，還包括定位工具，用于確定第二鉆孔中感測工具的位置或第一鉆孔中鉆進工具的位置。
10.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，其中感測工具具有用于控制和/或測量感測工具的速率或位置的裝置(12)。
11.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，其中磁場源具有通孔(3)，允許用于驅動鉆進工具的鉆頭(14)的流體穿過磁場源。
12.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，還包括井下計算單元(15)，用于處理由感測工具測量的磁場的大小和方向測量。
13.如前述任一權利要求所述的測距系統(tǒng)，還包括第二鉆進工具，所述感測工具被布置在第二鉆進工具中或與之相關地被布置，這樣第一鉆進工具包括磁場源且第二鉆進工具包括感測工具。
14.一種用于使用根據前述任一權利要求的測距系統(tǒng)的方法，包括以下步驟 -在第一鉆進方向鉆第一鉆孔； -將感測工具插入到第二鉆孔內； -當鉆進時，測量磁場的大小和方向， -當鉆進時，計算鉆進工具關于感測工具的位置，以及 -計算鉆頭的方向。
15.如權利要求14所述的方法，還包括以下步驟 -基于所計算的鉆進工具的方向和相對位置，調整鉆進方向。
16.根據權利要求1-13中的任一個的測距系統(tǒng)在井下的使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制井下鉆進過程的測距系統(tǒng)(1)，該測距系統(tǒng)具有縱向方向且包括用于鉆第一鉆孔(3)的鉆進工具(2)，鉆進工具具有工具軸(4)且包括電磁體形式的磁場源(5)，該磁場源產生磁場(6)且具有基本上與工具軸平行的磁場源軸(7)。而且，測距系統(tǒng)包括布置在第二鉆孔(9)中的感測工具(8)，用于通過至少兩個傳感器單元(10)測量磁場，所述傳感器單元被布置為沿著感測工具的軸彼此相距一距離(D)。
文檔編號G01V3/26GK102782250SQ201080049026
公開日2012年11月14日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權日2009年10月30日
發(fā)明者J·哈倫德巴克, M·弗蘭克 申請人:韋爾泰克有限公司