用于双水平井测距的磁化套管方法以及钻双水平井的方法

摘要

本发明公开了一种用于双水平井测距的磁化套管方法以及钻双水平井的方法，该方法是在第一井眼套管上的三个或更多个离散位置处磁化套管，使得套管的纵向相对端之间至少包括一对相对的磁极，将多段磁化套管相互连接形成套管柱，然后在第一井眼中下入套管柱，在第二井眼中测量第一井眼中套管柱产生的磁场，处理所测量的磁场以确定后续钻探第二井眼的方向，并且沿着该方向钻第二井眼。本发明磁化的套管，可以提供一个强大的，高度均匀的磁场，通过数学模型可以精确引导第二井眼的继续钻进。本发明采用旋转导向技术钻井，相比于传统滑动导向钻井技术，它具有建井周期短、钻速快、井眼质量高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及勘探和测井领域，特别是一种用于双水平井测距的磁化套管方法以及钻双水平井的方法。

背景技术

在现有的石油开采技术中，双水平井钻井的需要是非常迫切的；在许多情况下，需要钻两口或两口以上的水平井，例如在石油工业中的蒸汽辅助重力泄油(SAGD)采油技术中，其中将蒸汽从位于油藏底部附近的水平生产井上方的一口水平井注入油藏，被加热的原油从油藏底部的水平井产出；而钻双水平井的关键是确定两口井之间的距离和方位。

2012年中国石油大学梁志珊等人，发表的专利“一种第二井眼与多个邻井之间的空间位置检测方法及系统”；通过将多个邻井的可控源正负极之间的输出电压作为预设电压值；通过地面测量装置，测量第二井眼与邻井的电位值，根据电位值获得等电位线，用多个等电位线的交点确定第二井眼与上述多个邻井之间的空间位置，但电信号容易受到井下环境的影响，而大幅度衰减，故采用该方法确定邻井之间的空间位置很容易出错。

为了避免上述问题，现在通常使用磁信号来确定两井之间的空间位置。一般使用加速度计或陀螺仪与一个或多个磁力计组合来确定井眼几何特性，例如倾斜角，方位角，高边工具面角，磁工具面角等；在双水平井钻井时，这样的技术可以更加精确地确定两井之间的距离和方向。

中国石油大学高德利等人，发表的专利“一种双螺线管组随钻电磁测距导向系统”，为复杂结构井的井眼轨迹控制提供精确的导向测量与计算。该系统主要由双螺线管组短节、改装的MWD、地面显示系统及地面设备等组成，采用双螺线管组短节作为磁信号发射源，放到第一井眼中，可以产生不同频率的旋转磁场；然后精确探测计算两井之间的距离和方位。

虽然上述双螺线管组随钻电磁测距导向系统，优点是测距范围广，并且可以直接探测钻头到邻井的距离和方位，避免了传统MWD测量误差随井深增加不断累积的缺陷，但是在使用中存在缺点。例如，第一，将双螺线管短节下入目标井中，耗时，且可能具有卡住的风险。第二，采用传统的滑动导向钻井系统，建井周期长，钻速慢，井眼质量低等。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术问题存在的不足，提供一种用于双水平井测距的磁化套管方法以及钻双水平井的方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种用于双水平井测距的磁化套管方法，包括以下步骤：

步骤1，将电磁线圈缠绕在所述套管的任一部分；

步骤2，将直流电流通过所述的电磁线圈，向套管施加强磁；

步骤3，经过5到15秒后中断电流，并且将电磁线圈纵向移动到所述套管的另一部分；

步骤4，重复步骤2到3，以形成在所述套管纵向间隔开的磁化区域；

步骤5，改变相邻磁化区域之间的电流的方向或者将电磁线圈重新部署在所述套管上，使得电流在所述套管的相反方向上流动，以这种方式磁化套管，使得在所述套管上至少包括三个离散的磁化区域，所述套管的纵向相对端之间至少包括一对相对的磁极。

进一步，作为上述技术方案的改进，所述的电磁线圈的相对纵向端设置有至少一个磁屏蔽。

进一步，作为上述技术方案的改进，相邻的相对磁极之间的纵向间隔小于单个套管的长度。

进一步，作为上述技术方案的改进，所述成对的相对磁极的纵向间隔在所述套管的平均长度的大约一半到十二分之一的范围内。

另外，本发明还提供了一种钻双水平井的方法，包括以下步骤：

步骤1，使用旋转导向技术钻第一井眼，所述旋转导向技术的工具上至少包括一个磁场传感器；

步骤2，在所述第一井眼中下入磁化的套管柱，所述套管柱的磁化部分包括多个上述磁化的套管，所述的每个磁化的套管至少具有一对相对的磁极；

步骤3，使用旋转导向技术钻第二井眼的一部分，所述第二井眼的这一部分位于套管柱的磁化部分的磁通量感知范围内；

步骤4，使用闭环控制系统，首先在所述第二井眼中使用MWD测量特定点磁场数据B_X、B_Y和B_Z，所述B_X、B_Y和B_Z表示在x，y，z轴测量的磁场矢量；

步骤5，计算第二井眼中井下旋转导向工具处的地球磁场矢量，表示如下：

M_EX＝H_E(cosD>

M_EY＝H_E(cosD>

M_EZ＝H_E(sinD>

其中，M_EX，M_EY和M_EZ分别表示井下旋转导向工具处的地球磁场的x，y和z分量，其中z分量与井眼轴线平行，H_E是已知的，表示当地磁场的大小，D已知并表示当地磁倾角；I，A和T分别表示井下旋转导向工具的倾斜角、方位角和重力工具面角；

步骤6，计算在第二井眼中测量的由第一井眼产生的磁场矢量，表示如下：

M_TX＝B_X-M_EX，

M_TY＝B_Y-M_EY，

M_TZ＝B_Z-M_EZ，

其中，M_TX，M_TY和M_TZ分别表示在第二井眼处测量的由第一井眼产生的磁场x，y，z分量；

步骤7，计算第一井眼产生的磁场强度，表示如下：其中，M表示第一井眼产生的磁场强度；

步骤8，计算第一井眼的工具面角TFT：其中，TFT表示第一井眼的工具面角，M_TX和M_TY分别表示在第二井眼处测量的由第一井眼产生的磁场x和y分量，G_x和G_y表示第二井眼中重力场的x和y分量；

步骤9，从期望的磁场强度和TFT中减去所计算的磁场强度和TFT，以确定偏差值；

步骤10，利用偏差值来确定第二井眼新的钻井方向。

与现有技术相比，本发明可以提供一个强大的，高度均匀的磁场，通过数学模型可以精确引导第二井眼的继续钻进；本发明采用旋转导向技术钻井，相比于传统滑动导向钻井技术，它具有诸多优势，比如建井周期短、钻速快、井眼质量高等；对于减少钻井平台数量降低钻井成本而言，旋转导向钻井能够大大延长井眼轨迹水平段长度；同时，旋转导向钻井还可降低卡钻风险。

附图说明

图1A是根据本发明被磁化的示例性套管的示意图；

图1B是图1A中示例性套管的其中一部分的示意图；

图2是根据本发明磁化套管的示例性方法的示意图；

图3是根据本发明被磁化的多个套管组成的套管柱的示意图；

图4是根据本发明钻双水平井的示意图；

图5A是从第一井眼的纵向轴线向下看的横截面图；

图5B是从第一井眼的纵向轴线向下看的另一种横截面图；

图6是一种示例性闭环控制方法的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图4所示，本发明提供了钻双水平井的方法，具体步骤如下：

步骤1，使用旋转导向技术钻第一井眼60，所述旋转导向技术的工具上至少包括一个磁场传感器；

步骤2，在所述第一井眼60中下入磁化的套管柱62，所述套管柱62的磁化部分包括多个磁化的套管1，所述的每个磁化的套管1至少具有一对相对的磁极；

步骤3，使用旋转导向技术钻第二井眼50的一部分，所述第二井眼50的这一部分位于套管柱62的磁化部分的磁通量感知范围内；

步骤4，使用闭环控制系统，首先在所述第二井眼50中使用MWD测量特定点磁场数据B_X、B_Y和B_Z，所述B_X、B_Y和B_Z表示在x，y，z轴测量的磁场矢量；

步骤5，计算第二井眼50中井下旋转导向工具处的地球磁场矢量，表示如下：

M_EX＝H_E(cosD>

M_EY＝H_E(cosD>

M_EZ＝H_E(sinD>

其中，M_EX，M_EY和M_EZ分别表示井下旋转导向工具处的地球磁场的x，y和z分量，其中z分量与井眼轴线平行，H_E是已知的，表示当地磁场的大小，D已知并表示当地磁倾角；I，A和T分别表示井下旋转导向工具的倾斜角、方位角和重力工具面角；

步骤6，计算在第二井眼50中测量的由第一井眼60产生的磁场矢量，表示如下：

M_TX＝B_X-M_EX，

M_TY＝B_Y-M_EY，

M_TZ＝B_Z-M_EZ，

其中，M_TX，M_TY和M_TZ分别表示在第二井眼50处测量的由第一井眼产生的磁场x，y，z分量；

步骤7，计算第一井眼60产生的磁场强度，表示如下：其中，M表示第一井眼60产生的磁场强度；

步骤8，计算第一井眼的工具面角TFT：其中，TFT表示第一井眼的工具面角，M_TX和M_TY分别表示在第二井眼处测量的由第一井眼产生的磁场x和y分量，G_x和G_y表示第二井眼中重力场的x和y分量；

步骤9，从期望的磁场强度和TFT中减去所计算的磁场强度和TFT，以确定偏差值；

步骤10，利用偏差值来确定第二井眼新的钻井方向。

其中，磁化套管的方法包括以下步骤：

步骤1，将电磁线圈25缠绕在所述套管1的任一部分；

步骤2，将直流电流通过所述的电磁线圈25，向套管1施加强磁；

步骤3，经过5到15秒后中断电流，并且将电磁线圈25纵向移动到所述套管1的另一部分；

步骤4，重复步骤2到3，以形成在所述套管1纵向间隔开的磁化区域10；

步骤5，改变相邻磁化区域10之间的电流的方向或者将电磁线圈重新部署在所述套管1上，使得电流在所述套管的相反方向上流动，以这种方式磁化套管，使得在所述套管上至少包括三个离散的磁化区域，所述套管的纵向相对端之间至少包括一对相对的磁极；图1A和图1B是根据本发明被磁化的示例性套管1的示意图，套管1包括多个离散的磁化区域10(通常为三个或更多个)；每个磁化区域10被认为是一个分立的圆柱形磁体，其纵向端一端是N极，另一端是S极。此外，套管1被磁化，使得它们至少包括一对相对的NN或SS极14；相对的磁极有效地将磁通聚焦在如图1A所示的12处；在图1所示的示例性实施例中，套管1包括的16个离散的磁化区域10，被配置使得在套管1的中点附近有单对相对的NN极14。且本发明不限制成对的相对的NN和SS极的数量或位置，而且，不限制磁化区域的数量，但是最好包括六个或更多个磁化区域，因为具有更多数量的磁化区域的套管具有较高的场强(其他因素相等)。

图1B是图1A所示的套管1的其中一部分13磁化的详细图；在所示的示例性实施例中，磁化区域10沿着套管的其中一部分13以一定间隔纵向间隔开，其间有较少的磁化区域11。在这种构造中，套管1的其中一部分13的磁化度在磁化区域10中相对较高，而在磁化区域11中减小至最小(或甚至基本上未被磁化)；所以，本发明在这方面不受影响。

图2是根据本发明磁化套管的方法；图2中具有中心开口的电磁线圈25围绕在套管1上；在本领域中，电磁线圈25通常用于磁化套管的螺纹端部，电磁线圈25沿着套管1磁化任意数量的离散区域。例如，在一个示例性方法中，电磁线圈25可以位于套管1的任一部分；然后将直流电流通过电磁线圈25，向套管1施加基本上永久性强磁；经过一段时间(例如，5至15秒)之后，中断电流，并且电磁线圈25纵向移动到套管1的另一部分，重复该过程。这种方法可能会导致，如图1B所示的磁化管，其中磁化区域10沿着套管纵向间隔开，其中散布有较少的磁化区域11；如上所述，根据本发明磁化的套管可以包括任意数量的磁化区域10，其间具有任意的纵向间隔；而相对的磁极对可以通过改变相邻磁化区域之间的电流的方向(极性)来施加；或者电磁线圈25可以被重新部署在套管1上，使得电流在套管1的相反周向方向上流动；以这种方式，磁化套管，使得在套管20上有任意数量的离散磁区，以形成任意数量的成对的相对磁极；在套管1周围部署电磁线圈25是非常有利的，因为这样电磁线圈25产生的磁场的磁通线基本平行于套管轴线，且最好在电磁线圈25的相对纵向端设置一个或两个上的磁屏蔽，如导磁金属片。

此外，在套管1磁化期间，电磁线圈25可以沿套管1纵向横穿；例如，套管1可以相对于地球保持基本上静止，线圈25沿着它移动(或者线圈可以保持静止而套管穿过其中)。在这种情况下，对于线圈中给定的电流，线圈(或套管)慢速运动可以使套管产生更强的磁化；为了形成一对相对磁极，当线圈25到达套管1上的某些预定位置时，可以改变电流的方向(极性)。

图3是根据本发明被磁化的多个套管1组成的套管柱62；在所示的示例性实施例中，套管柱62包括多个套管1，并且每个套管上有四个相对的磁极14(套管1上有三个相对的磁极对，相邻套管之间的每个接头35处有一个)；成对的相对磁极14以套管1的长度的大约四分之一间隔开(例如，对于20米的套管，磁极间隔约5米)；根据本发明磁化的套管柱62包括多对相对的磁极，相邻的相对磁极之间的纵向间隔小于单个套管的长度(例如，在套管的长度的大约一半到十二分之一之间)。

成对的相对磁极14之间的间距取决于许多因素；通常，沿着套管柱62的纵向轴线，减小相对磁极对之间的间隔(即，在套管1上相对磁极对的比例增加)，套管柱62的磁场强度将会更加均匀；然而，随着相对磁极对间的间隔的减小，套管柱62的径向距离的磁场强度的下降率增加；因此，在第二井眼50和第一井眼60之间的距离相对较小时，使用相对磁极对比较靠近的套管柱62；在第二井眼50和第一井眼60之间的距离较大时，使用相对磁极对距离比较远的套管柱62是有利的；此外，对于一些应用，可能需要利用具有多个磁化部分的套管柱62，例如第一部分要求相对极对的间隔相对较小，第二部分要求相对极对的间隔相对较大。

图4是根据本发明钻双水平井的一个示例性技术，例如SAGD应用，在所示的示例性实施例中，使用旋转导向技术钻井，系统实质上是一个旋转导向工具与随钻测量仪器(MWD/LWD)联合组成的井下闭环工具系统，在钻柱旋转钻进时，能够随钻实时完成导向功能；首先钻出第一井眼60；然后在第一井眼60中下入磁化套管柱62；如上所述，使用磁化的套管柱62可以增强第一井眼60周围的磁场；最后使用旋转导向技术钻第二井眼50，并使用MWD测量磁场来引导第二井眼50的后续钻井。

图4所示的实施例中，旋转导向工具的钻头52附近的MWD54主要包括一个传感器58；该传感器58包括三个相互正交的磁场传感器，其中一个磁场传感器与井眼轴线基本平行；因此传感器58可以由与井眼轴线正交的平面(由B_X和B_Y定义)和平行于井眼轴线的线(B_Z)确定，其中B_X，B_Y和B_Z表示在x，y，z轴测量的磁场矢量；下面更详细地描述，本发明的示例性实施例可以仅需要在工具面(如B_X和B_Y确定的平面)内进行磁场测量。

磁化套管柱62周围的磁场可以被测量并表示，例如一个矢量的方向取决于测量点在磁场内的位置；为确定井下任意一点处由第一井眼产生的磁场矢量，需从测量的磁场矢量中减去当地地球的磁场矢量；地球的磁场(包括幅度和方向分量)通常是已知的，例如来自以前的地质勘测数据。然而，对于一些应用来说，可以在现场基本没有磁干扰的位置(例如在井的表面处或在先前钻井中)实时测量。因为地球磁场会随着时间而变化(例如由太阳风造成的)，所以实时测量磁场通常是有利的；然而，在某些地点，例如海上钻机，实时测量地球的磁场可能不实用；在这种情况下，可以优选利用与适当的内插或数学建模程序结合的先前地质调查数据。

第二井眼50中井下旋转导向工具处的地球磁场矢量可以表示如下：

M_EX＝H_E(cosD>

M_EY＝H_E(cosD>

M_EZ＝H_E(sinD>

其中，M_EX，M_EY和M_EZ分别表示井下旋转导向工具处的地球磁场的x，y和z分量，其中z分量与井眼轴线平行，H_E是已知的，表示当地磁场的大小，D已知并表示当地磁倾角。I，A和T分别表示井下旋转导向工具的倾斜角，方位角和重力工具面角。

在第二井眼50中测量的由第一井眼产生的磁场矢量可表示如下：

M_TX＝B_X-M_EX

M_TY＝B_Y-M_EY

M_TZ＝B_Z-M_EZ(2)

其中，M_TX，M_TY和M_TZ分别表示在第二井眼50处测量的由第一井眼60产生的磁场x，y，z分量；B_X，B_Y，B_Z分别表示在第二井眼50中x，y和z方向测量的磁场矢量。

普通技术人员将容易地认识到，在确定了第一井眼60产生的磁场矢量时，还可能需要从测量的磁场矢量中减去其它磁场分量；例如，钻柱或钻井马达的干扰，考虑这种干扰的技术是本领域公知的；在SAGD应用中，在近距离钻多套双井时，将各种附近井的磁场结合到一个数学模型中是非常有利的。

第一井眼60产生的磁场强度可以表示如下：

其中，M表示第一井眼60产生的磁场强度，M_TX，M_TY和M_TZ与上面等式(2)定义相等。

图5A和图5B是图4从第一井眼60的纵向轴线向下看的横截面。由等式1和2确定的第二井眼50处的磁场矢量70，提供了从第二井眼50到第一井眼60的方向。由于第二井眼50和第一井眼60通常基本上是平行的，因此钻的第二井眼50的部分与第一井眼60中的套管柱的磁化部分大致平行，所以确定由第一井眼60(例如，在图4中由B_X和B_Y定义的工具面的平面中)产生的二维磁场矢量，足以确定从第二井眼50到第一井眼60的方向，而这样的二维磁场矢量可以通过求解等式2中的M_TX和M_TY来确定。然而，对于某些应用，可能优选在三维中测量磁场。

第一井眼的工具面角TFT根据第一井眼的磁场的x和y分量(等式2中的M_TX和M_TY)确定如下：(4)；

其中TFT表示第一井眼的工具面角，M_TX和M_TY分别表示第一井眼磁场矢量的x和y分量，G_x和G_y表示第二井眼中重力场的x和y分量(例如，通过在图4所示的传感器58附近部署的加速度计测量)。

TFT表示从第一井眼50的重力高侧到磁场矢量70的角度。如图5A所示，180度的TFT表示第一井眼60正好在第二井眼50的下方。但在某些象限中，等式4不能完全限定从第二井眼50到第一井眼60的方向。因此，在这样的应用中，从第二井眼到第一井眼的总体方向(例如，向上，向下，向左或向右)可以由等式3和确定的TFT值组合确定。

典型的SAGD应用就是要求第二井眼的水平部分在第一井眼的水平部分正上方(即，不偏离大于约1-2米上下或左下或右下)的固定距离处。可以通过控制TFT角度为180度，使得第二井眼位于第一井眼的正上方；通过测量磁场强度，确定两井之间的距离。

表1总结了两水平井上下分离10和15米和左右偏差1和2米的示例性TFT偏差。而TFT偏差值可由两井之间的上下分离值和左右偏差值计算得出。如图5B所示，当两井上下分离a米，左右偏差b米时，TFT偏差值θ可表示如下：

例如，为了在10米的分离距离处保持1米的左右偏差，钻出双水平井，使得TFT保持在180±6度即可。同样地，为了在10米的分离距离处保持2米的左右偏差，需要将TFT保持在180±11度。由表1可以看出，在两井上下分离10米，左右偏差1米处和上下分离20米，左右偏差2米处TFT值相同，此时就需要结合磁场强度来确定两井之间的距离和方向。

10米20米±1米±6°±3°±2米±11°±6°

表1

虽然本文所述的被动测距技术仅需要单个磁场传感器，但是使用两个传感器更加有利。使用两组磁力计通常可以提高数据密度(即，第二井眼单位长度上的更多测量点)，减少采集被动测距矢量数据所需的时间，增加生成数据的质量保证，并建立冗余。此外，在某些应用中，沿着第二井眼的两个或更多个点处的TFT的确定足以引导其继续钻孔。

此外，可以使用闭环控制系统来控制第二井眼的钻井方向。这种闭环控制系统有利地减小钻井操作者与井下钻具组合之间的通信需要，从而减少钻井所需的时间。钻井方向的闭环控制还可以以很高的频率获得控制数据(磁场测量)并利用，从而改善钻井过程的控制并可能降低双井的弯曲度。

图6是用于控制第二井眼的钻井方向一个示例性闭环控制方法100；首先使用三轴磁力计获取磁场数据；在110中，根据测得的磁场数据，计算井下的磁场强度和TFT；在115中，控制器将在110处计算出的磁场强度和TFT和120处期望的场强和TFT比较；然后，从期望的磁场强度中减去所计算的磁场强度，并从期望的TFT中减去所计算的TFT以确定偏差值。利用偏差值来确定新的钻井方向(如果需要的话)，其进而可以在125处计算新的转向工具叶片位置。最后在130处将转向工具叶片设置到新位置(如果需要)；再重新获取新的磁场测量值105并重复循环；以这种方式，可以根据预定的井计划钻出整个双井，而无需从表面进行介入。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。