СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЗЕМНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПГД
SURFACE EXCITATION RANGING SYSTEM FOR SAGD APPLICATION

ЗАЯВКА НА ПРИОРИТЕТ
В данной заявке заявлен приоритет по предварительной заявке на патент США № 61/734740, озаглавленной "Surface Excitation Ranging System for SAGD Application", поданной 7 декабря 2012 года, и по предварительной заявке на патент США № 61/735445, озаглавленной "Surface Excitation Ranging System for SAGD Application", поданной 10 декабря 2012 года, содержание которых включено в данный документ в полном объеме посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к работам по бурению скважин и, в частности, к способам и к системам сопровождения бурения нескольких скважин относительно друг друга. Наиболее предпочтительно, данное изобретение относится к способам и к системам определения относительного положения опорной скважины по отношению к скважине, в которой выполняют бурение, с применением оптимального размещения электродов эмиттера и возвратных электродов для улучшения определения расстояния по магнитному полю.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Поскольку легкодоступные и легко добываемые ресурсы углеводородного сырья истощаются, существует повышенный спрос на более усовершенствованные методы добычи. Одним из таких методов является парогравитационный дренаж (ПГД), метод, при котором применяют пар в связи с двумя скважинами, расположенными на расстоянии друг от друга. В частности, ПГД решает задачу подвижности тяжелой нефти в пласте путем закачки в пласт пара при высоком давлении и высокой температуре, или пара высоких параметров. Такой пар с высокими параметрами снижает вязкость тяжелой нефти с целью повышения добычи. Закачку пара в пласт производят из первой скважины (нагнетательной скважины), которая пробурена выше и параллельно второй скважине (добывающей скважине). Когда вязкость тяжелой нефти в пласте вокруг первой скважины уменьшается, тяжелая нефть стекает в расположенную ниже вторую скважину, из которой данную нефть добывают. Как правило, обе скважины бурят на расстоянии всего лишь нескольких метров друг от друга. Размещать нагнетательную скважину необходимо с очень небольшим интервалом расстояния. Если нагнетательная скважина расположена слишком близко к добывающей скважине, добывающая скважина подвергалась бы воздействию очень высоких давления и температуры. Если нагнетательная скважина расположена слишком далеко от добывающей скважины, снижается эффективность метода ПГД. С целью оказания помощи в обеспечении того, чтобы вторую скважину пробурили и разместили на необходимом расстоянии относительно первой скважины, нередко проводят исследование обеих скважин в пласте. Эти методы исследований традиционно называют "определением расстояния".
Электромагнитные (ЭМ) системы и способы обычно применяют в процессе определения расстояния, чтобы определить направление и расстояние между двумя скважинами. В ЭМ системах определения расстояния удлиненную проводящую колонну труб, такую как скважинная обсадная колонна, размещают в одной из скважин. Эту скважину, как правило, называют "целевой" скважиной, и обычно она представляет собой нагнетательную скважину ПГД. В любом случае электрический ток подают на проводящую колонну труб в целевой скважине посредством низкочастотного источника тока. Токи текут вдоль обсадной колонны скважины и протекают в пласт. В результате токи оказываются в ЭМ поле вокруг целевой скважины. ЭМ поля, генерируемые токами на обсадной колонне целевой скважины, измеряют с помощью электромагнитной системы датчиков управляемого оборудования, размещенной в другой скважине, которая, как правило, является скважиной, находящейся в процессе бурения. Эта вторая скважина обычно представляет собой добывающую скважину ПГД. Измеренное магнитное поле могут затем применять для определения расстояния, направления и угла между двумя скважинами. Системы определения расстояния, в которых ток подают в целевую скважину для того, чтобы индуцировать магнитное поле, называют "активными" системами определения расстояния.
Одно из решений, которые применяют в ЭМ определении расстояния, состоит в применении устройств для определения расстояния с целью непосредственно обнаруживать и измерять расстояние между двумя скважинами, когда производят бурение последней скважины. Известные двухскважинные коммерческие способы, при которых применяют оборудование в обеих скважинах (нагнетательной и добывающей), основаны либо на методах вращающихся магнитов, либо на методах наведения по магнитному полю. Однако эти способы являются нежелательными, поскольку требуют двух отдельных и различных бригад для управления оборудованием в каждой скважине, а именно каротажной бригады на добывающей скважине и бригады каротажа в процессе бурения на нагнетательной скважине, что экономически не рентабельно. При одном способе известного уровня техники применяют оборудование только в одной скважине (нагнетательной скважине) для передачи тока в целевую скважину (добывающую скважину), после чего делают абсолютное измерение магнитного поля для расчета расстояния. Один существенный недостаток этого способа заключается в том, что данный подход нередко дает очень ненадежные результаты из-за размещения эмиттера и возвратных электродов относительно друг друга и относительно магнитометра.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 иллюстрирует наземное возбуждение целевой скважины в односкважинной системе определения расстояния.
Фиг. 2 иллюстрирует конфигурации устья скважины и возбуждения обсадной трубы для систем, проиллюстрированных на Фиг. 1.
Фиг. 3а иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник излучает ток в пласт в непосредственной близости к целевой скважине и ток возвращается в геологическую среду, отдаленную от эмиттера.
Фиг. 3b иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник излучает ток в целевую скважину и использует возврат через землю в отдельной скважине, отделенной от целевой и нагнетательной скважин.
Фиг. 3с иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник излучает ток в целевую скважину и использует возврат через землю в нагнетательной скважине.
Фиг. 4а иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник, отдаленный от целевого устья скважины, излучает ток в неглубокий пласт, и ток возвращается в геологическую среду отдаленно от эмиттера.
Фиг. 4b иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник снабжен эмиттером, расположенным в скважине на витой паре проводов для доставки тока к целевой колонне труб и возврата через землю дальше в глубине целевой скважины.
Фиг. 4с иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник снабжен эмиттером, расположенным в скважине на витой паре проводов для доставки тока к удлиненной проволочной петле, расположенной внутри целевой скважины.
Фиг. 5 иллюстрирует основанный на градиенте магнитного поля принцип измерения основанной на градиенте магнитного поля скважинной системы определения расстояния.
Фиг. 6 иллюстрирует 3-, 4- и 8-дипольные схемы расположения для основанной на градиенте магнитного поля скважинной системы определения расстояния.
Фиг. 7 представляет собой график, иллюстрирующий неопределенность в абсолютном измерении в зависимости от градиентного измерения магнитных полей.
Фиг. 8 иллюстрирует способ измерения расстояния с применением основанной на градиенте магнитного поля скважинной системы определения расстояния.
Фиг. 9 иллюстрирует блок-схему способа определения расстояния основанной на градиенте магнитного поля скважинной системы определения расстояния с помощью градиента магнитного поля.
Фиг. 10 иллюстрирует блок-схему способа определения расстояния для скважин с применением оптимального размещения эмиттера и возвратных электродов с целью повышения производительности системы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В вышеизложенном описании изобретения могут повторяться номера и/или буквенные обозначения позиций различных примеров. Это повторение предусмотрено для простоты и ясности и само по себе не устанавливает взаимосвязь между различными описанными вариантами реализации изобретения и/или конфигурациями. К тому же, пространственно относительные термины, такие как "под" "ниже", "нижний", "выше", "вверх скважины", "вглубь скважины", "перед (чем-то)", "на выходе (из чего-то)" и тому подобные, могут использоваться в данном документе для простоты описания с целью описания отношения одного элемента или признака к другому(гим) элементу(ам) или признаку(ам), как проиллюстрировано на фигурах. Пространственные относительные термины предназначены для охвата различных ориентаций устройства в применении или эксплуатации в дополнение к ориентации, проиллюстрированной на фигурах. Например, если устройство на фигурах переворачивают, элементы, описанные, как расположенные "ниже" или "под" другими элементами или признаками, будут ориентированы "над" этими другими элементами или признаками. Таким образом, типовой термин "ниже" может охватывать ориентацию как выше, так и ниже. Устройство может быть ориентировано иным образом (повернуто на 90 градусов или иметь другие ориентации), и пространственные относительные термины, используемые в данном документе, также могут быть интерпретированы соответствующим образом.
В соответствии вначале с Фиг. 1а и 1b, первая скважина 10 простирается от устья скважины 11 вглубь пласта 12 с поверхности 13 пласта. Внутри скважины 10 вдоль по меньшей мере части ее длины размещен продолговатый токопроводящий элемент 14, который, как правило, ориентирован внутри скважины 10 так, чтобы быть соосным с ней. Скважина 10 может быть обсажена или необсажена. В некоторых вариантах реализации изобретения в той мере, насколько скважина 10 является обсаженной, токопроводящий элемент 14 может представлять собой обсадную колонну или хвостовик, размещенный внутри скважины 10. В некоторых вариантах реализации изобретения и в случае обсаженных, и в случае необсаженных скважин токопроводящий элемент 14 может представлять собой колонну труб, буровой комплект, лифтовую трубу, электрические провода или другой проводник, размещенные в первой скважине 10. В любом случае намерение состоит в том, чтобы обеспечить путь для протекания тока вдоль значительного отрезка длины опорной скважины, и могут применять любой путь проводимости, содействующий выполнению этой задачи. Кроме того, токопроводящий элемент 14, как правило, размещают внутри скважины 10 для вырабатывания магнитного поля в радиальном направлении наружу со скважины 10.
В некоторых вариантах реализации изобретения первая скважина 10 может содержать вертикальный участок 16 и направляющий участок 18. Направляющий участок 18 бурят из вертикального участка 16 вдоль требуемой азимутальной траектории и требуемой траектории наклона.
Вторая скважина 28 проиллюстрирована в процессе бурения. Буровую систему 30, как правило, иллюстрируют как соединенную с ней. Буровая система 30 может содержать буровую платформу 32, расположенную над пластом 12, и устьевую установку 34, содержащую противовыбросовые превенторы 36. Платформа 32 может быть размещена для подъема и опускания механизма транспортировки 48 во второй скважине 28. Механизм транспортировки 48 может представлять собой лифтовую трубу, обсадную трубу, такую как бурильная колонна, или кабель, такой как кабельная проволока, тросовая проволока или тому подобное, в зависимости от работ, проводимых во второй скважине 28.
Механизмом транспортировки 48 во вторую скважину 28 опускают электромагнитный ("ЭМ") датчик 51. В некоторых вариантах реализации изобретения ЭМ датчик 51 может измерять по меньшей мере одну составляющую магнитного поля или градиент магнитного поля. В некоторых вариантах реализации изобретения ЭМ датчик 51 может измерять по меньшей мере одну составляющую электрического поля или градиент электрического поля. В некоторых вариантах реализации изобретения ЭМ датчик 51 включает по меньшей мере датчик магнитного градиента или магнитный градиентометр (приемник).
Система инжекции тока для подачи тока на токопроводящий элемент 14 включает по меньшей мере одну пару электродов, а именно электрод эмиттера "Е" и возврат "R". Электрод эмиттера Е и возвратный электрод R, вместе с системой инжекции тока, как правило, образуют скважинную систему определения расстояния. Система инжекции тока, а именно электрод эмиттера Е и возвратный электрод R, вводит переменные токи в пласт 12, в котором токи идут к и затем вдоль токопроводящего элемента 14 в первой скважине 10. ЭМ датчик 51 размещают внутри второй скважины 28 для замера магнитных полей из-за этих переменных токов в токопроводящем элементе 14. В любом случае расстояние и направление до цели может быть рассчитано путем анализа измеряемых магнитных полей. В некоторых вариантах реализации изобретения, в которых ЭМ датчик 51 включает градиентометр, градиент магнитного поля может быть измерен и применен для определения расстояния между скважинами.
В той мере, насколько буровую систему 30 используют для активного бурения второй скважины 28, ЭМ датчик 51 может быть частью компоновки низа бурильной колонны (КНБК) 52 буровой системы. В таких вариантах реализации изобретения механизм транспортировки 48 может быть лифтовой трубой или бурильной колонной, в которой КНБК 52 закреплена на конце колонны труб 48. КНБК 52 содержит буровое долото 54. В одном или более вариантов реализации изобретения ЭМ датчик 51 можно расположить в непосредственной близости или смежно с буровым долотом 54. КНБК может также содержать модуль питания 56, такой как турбонасосный забойный двигатель, направляющий модуль 58, контрольный модуль 60 и другие датчики и приборные модули 62. Как поймут специалисты в данной области техники, КНБК 52, проиллюстрированная на Фиг. 1а и 1b, может представлять собой систему измерения в процессе бурения или систему каротажа в процессе бурения, в которой ЭМ определение расстояния может использоваться, чтобы направлять буровое долото 54 в то время, как бурильную колонну размещают в скважине 28.
Система инжекции тока также содержит либо управляемый напряжением, либо управляемый током передатчик 38, и в некоторых вариантах реализации изобретения его изменяют под очень низкие частоты порядка 0,02-250 Гц для генерации тока, подаваемого на электрод эмиттера Е. Передатчик 38 может быть локально расположен относительно электрода эмиттера Е или расположен в месте, удаленном от электрода эмиттера Е в электрическом контакте с электродом Е через токопроводящую проволоку. Подобным образом, питание и связь с датчиком 51 могут осуществлять локально с помощью соответствующих модулей 56-62 или могут передавать через транспортировочную систему 48.
Модуль турбонасосного забойного двигателя 56 приводится в движение потоком буровой жидкости, а он, в свою очередь, приводит в движение буровое долото 54 для продления второй скважины 28 вдоль заданной траектории 32. Требуемая траектория 32 проиллюстрирована как идущая параллельно горизонтальной части скважины 10, потому что во многих случаях, таких как парогравитационный дренаж (ПГД) или дегазация угольного пласта, желательно пробурить ряд сближенных параллельных скважин. Модуль турбонасосного забойного двигателя 56 может обеспечить питание системе инжекции тока и/или ЭМ датчику 51.
Направляющий модуль 58 позволяет скважине 28 быть расширенной в нужном направлении. Многие пригодные направляющие механизмы хорошо известны, например, рулевые лопасти, "кривые переводники" в сборе и роторные управляемые системы. Конфигурацию направляющего механизма могут устанавливать и корректировать командами из системы управления 64 на поверхности, такой как передвижная каротажная станция или другой блок-вагончик управления. В качестве альтернативы, контрольный модуль 60 может быть запрограммирован на требуемый маршрут, и он может регулировать направляющий механизм по необходимости для направления скважины по заданной траектории.
В то время как система инжекции тока и ЭМ датчик 51, как описано в настоящем документе, проиллюстрированы в отношении наземных буровых систем, описание изобретения также включает применение шельфовой и морской буровой системы.
Кроме того, размещение системы инжекции тока и ЭМ датчика 51 не ограничивается какой-либо конкретной ориентацией первой и второй скважин. Как проиллюстрировано на Фиг. 1, первая и вторая скважины 10, 28, соответственно, являются, по существу, горизонтальными скважинами. В таком случае система инжекции тока и ЭМ датчик 51 могут быть особенно полезными в определении расстояния при операциях ПГД. В качестве альтернативы, первая и вторая скважины 10, 28, соответственно, являются, по существу, вертикальными скважинами. Таким образом, система инжекции тока и ЭМ датчик 51 могут быть применены при бурении рельефных скважин или пересекающихся скважин, например, когда желательно установить прямую гидравлическую связь между двумя скважинами. Это может быть особенно полезно, например, в скважинных интервенционных работах.
В любом случае систему управления могут также применять для управления буровой системой 30 на основании ЭМ определения расстояния с применением системы инжекции тока и ЭМ датчика 51.
Таким образом, скважинная система определения расстояния состоит из двух частей: (i) источника тока, а именно системы инжекции тока, состоящей из электрода эмиттера Е и возвратного электрода R, отдаленного от электрода эмиттера Е, разделения электрода эмиттера Е и возвратного электрода R для подачи переменного тока от электрода эмиттера Е, вдоль токопроводящего элемента 14 в первой скважине 10 и назад к возвратному электроду R и (ii) ЭМ датчика 51, а именно датчика магнитного градиента или магнитного градиентометра или магнитометра, помещенных в разведывательную или вторую скважины и размещенных для измерения магнитных полей или магнитных полей градиента из-за этих переменных токов на токопроводящем элементе 14. Хотя данная система и способ по изобретению не ограничены конкретным измерением магнитного поля, в одном варианте реализации изобретения измеряют либо абсолютное магнитное поле, либо градиент, а в другом варианте реализации изобретения измеряют и то, и другое. Расстояние и направление до цели может быть рассчитано путем анализа измеряемых магнитных полей. Электрод эмиттера Е расположен в точке вблизи поверхности или в фиксированной точке в целевой скважине. Возвратный электрод R расположен на или вблизи поверхности или внутри пласта, но в любом случае на расстоянии от электрода эмиттера Е так, что токи, протекающие от электрода эмиттера Е к возвратному электроду R, пересекаются или как-то иначе сначала подходят к токопроводящему элементу 14 в первой скважине 10.
Фиг. 1а иллюстрирует систему инжекции тока, при этом электрод эмиттера Е находится на поверхности 13, в непосредственной близости или смежно с первой скважиной 10, в то время как возвратный электрод R расположен вдоль поверхности 13 на расстоянии от электрода эмиттера E, а также первой скважины 10. В некоторых вариантах реализации изобретения электрод эмиттера Е электрически присоединен к устью скважины 11, чтобы облегчать проведение тока к токопроводящему элементу 14. Изолированный токопроводящий провод 22 присоединен к возвратному электроду R и к электроду эмиттера Е для замыкания электрической цепи. Соответственно, ток, введенный в электрод эмиттера Е, проходит вниз и вдоль токопроводящего элемента 14, как проиллюстрировано линиями тока 34а. В то время как часть тока будет протекать в пласт 12, как проиллюстрировано линиями тока 34b, большая часть тока 34а будет перемещаться вдоль токопроводящего элемента 14, в результате чего образуется электромагнитное поле 36, исходящее от токопроводящего элемента 14. Возвратный электрод R расположен на поверхности так, что ток 34а, который перемещается вдоль токопроводящего элемента, будет затем проходить через пласт 12 назад к возвратному электроду R, как проиллюстрировано линиями тока 34с, замыкая таким образом цепь. На основании расположения скважины 10 ток в пределах скважины 10 может быть оптимизирован путем регулирования относительного расположения электрода эмиттера Е и возвратного электрода R. В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 1А, возвратный электрод R расположен на поверхности 13 в непосредственной близости, или смежно, или мимо дистального конца 20 первой скважины 10, с целью обеспечения прохождения тока 34а вдоль токопроводящего элемента 14, размещенного в нем, до прохождения через пласт 12 назад к возвратному электроду R.
Фиг. 1b иллюстрирует систему инжекции тока, при этом электрод эмиттера Е расположен вблизи первой скважины 10, в то время как возвратный электрод R расположен вдоль поверхности 13 на расстоянии от электрода эмиттера R, а также первой скважины 10. В некоторых вариантах реализации изобретения электрод эмиттера Е электрически присоединен к токопроводящему элементу 14 для облегчения проведения тока в токопроводящий элемент 14. Изолированный токопроводящий провод 22 присоединен к возвратному электроду R и к электроду эмиттера Е для замыкания электрической цепи. Соответственно, ток, поданный на электрод эмиттера Е, перемещается вдоль токопроводящего элемента 14, как проиллюстрировано линиями тока 34а. В то время как часть тока будет протекать в пласт 12, как проиллюстрировано линиями тока 34b, большая часть тока 34а будет перемещаться вдоль токопроводящего элемента 14, в результате чего образуется электромагнитное поле 36, исходящее от токопроводящего элемента 14. Возвратный электрод R расположен на поверхности так, что ток 34а, который перемещается вдоль токопроводящего элемента, будет затем проходить через пласт 12 назад к возвратному электроду R, как проиллюстрировано линиями тока 34с, замыкая таким образом цепь. На основании расположения скважины 10 ток в пределах скважины 10 может быть оптимизирован путем регулирования относительного расположения электрода эмиттера Е и возвратного электрода R. В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 1b, возвратный электрод R расположен на поверхности 13 в непосредственной близости, или смежно, или мимо дистального конца 20 первой скважины 10 с целью обеспечения прохождения тока 34а вдоль токопроводящего элемента 14, размещенного в нем, до прохождения через пласт 12 назад к возвратному электроду R.
На Фиг. 2а электрод эмиттера Е по Фиг. 1а проиллюстрирован более подробно. В частности, передатчик 38, расположенный на поверхности 13, вырабатывает ток 34 на электрод эмиттера Е, подключенный к первой скважине 10 через изолированный кабель 25, который непосредственно зажат или соединен с устьем скважины 11, находящемся в непосредственном электрическом контакте с токопроводящим элементом 14.
На Фиг. 2b электрод эмиттера Е по Фиг. 2b проиллюстрирован более подробно. В частности, передатчик 38, расположенный на поверхности 13, вырабатывает ток 34, доставляемый через изолированный кабель 25 к электроду эмиттера Е, размещенному внутри первой скважины 10 и электрически присоединенному к токопроводящему элементу 14, который может находиться в непосредственной близости с зоной, предназначенной для бурения ПГД. В некоторых вариантах реализации изобретения кабель 25 может быть экранирован, чтобы свести к минимуму воздействие на него магнитного поля, создаваемого токопроводящим элементом 14.
В вариантах реализации изобретения, как на Фиг. 2a, так и на Фиг. 2b, токи 34а, перемещающиеся по токопроводящему элементу 14, постепенно протекают в находящийся в непосредственной близости или смежный пласт 12 (см. Фиг. 1а и 1b) и следуют экспоненциальному затуханию при условии, что они отдалены от концов токопроводящего элемента 14. Как известно, такое возбуждение тока может достигать расстояний вплоть до 10000 футов и более, что является желательным для применения ПГД по данному изобретению. Для того, чтобы минимизировать сопротивление нагрузки, подключенной к передатчику 38, контакт может быть выполнен с возможностью уменьшать контактное сопротивление как можно больше. Например, в случае возбуждения в скважине от устья скважины (Фиг. 1а и 2а) могут применять механический зажим. В случае возбуждения в скважине от места в целевой скважине удлиненный проводник может быть расположен на дне скважины и прижат к стволу скважины, например, силой притяжения, чтобы усилить контакт с пластом.
Фиг. 3а иллюстрирует вариант реализации изобретения, аналогичный Фиг. 1а, но при этом электрод эмиттера Е не находится в непосредственном электрическом контакте с токопроводящим элементом 14 или устьем скважины 11. Вместо этого электрод эмиттера Е подает ток через электрод эмиттера Е в пласт 12, находящийся в непосредственной близости или смежно с устьем скважины 11. Электрод эмиттера Е расположен достаточно близко к устью скважины 11 так, что ток потечет через пласт 12 к целевой скважине 10 и к токопроводящему элементу 14. Специалисты в данной области техники поймут, что в этой конфигурации возвратный электрод R должен быть расположен на достаточно большом расстоянии от электрода эмиттера Е так, что ток 34 будет течь сначала к токопроводящему элементу 14 в первой скважине 10, а затем к возвратному электроду R, в противоположность течению прямо к возвратному электроду R.
Как указано выше, размещение или положение возвратного электрода R для системы инжекции тока могут быть выбраны с целью оптимизации производительности скважинной системы определения расстояния. В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на некоторых из Фиг. 3 и 4, опорную точку YY могут выбрать и применять для расположения возвратного электрода R. Опорную точку YY могут выбрать для прохождения через конец 20 первой скважины 10, проходящей в пласт 12, вокруг которого определена торцевая часть данной скважины. Выбирают опорную точку 37 вдоль опорной оси YY, а затем выбирают положение возвратного электрода R, чтобы минимизировать расстояние "D" между опорной точкой 37 и возвратным электродом R. В этом случае оптимизация включает генерирование самого мощного магнитного поля из возможных токопроводящих элементов 14 в зоне, измеряемой ЭМ датчиком 51 из второй скважины 28.
Фиг. 3b иллюстрирует вариант реализации изобретения, аналогичный Фиг. 3а, но при этом возвратный электрод R не находится на поверхности 13. Вместо этого возвратный электрод R расположен внутри пласта 12. В частности, возвратный электрод R опускают на каротажной проволоке, тросовой проволоке или другом кабеле в третью скважину 29, отходящую от поверхности 13 в пласт 12. Как проиллюстрировано, изолированный токопроводящий провод 22 присоединен к возвратному электроду R и к электроду эмиттера Е для замыкания электрической цепи. Кроме того, третья скважина 29 может содержать колонну труб, такую как обсадная или бурильная колонна (не проиллюстрированы) в контакте с пластом 12, который электрически соединен с возвратным электродом R, расположенным на поверхности 13 третьей скважины 29. В этих вариантах реализации изобретения следует иметь в виду, что опорная точка 37, а следовательно, и возвратный электрод R необязательно должны быть расположены как можно дальше от конца 20 первой скважины 10, как в ранее описанных вариантах реализации изобретения, потому что токопроводящий элемент 14 первой скважины 10 более непосредственно расположен между физическим положением электрода эмиттера Е и возвратным электродом R, так что ток 34, скорее всего, пройдет по токопроводящему элементу 14 прямо к возвратному электроду R в противоположность непосредственному проходу через пласт 12 между электродом эмиттера Е и возвратным электродом R.
Фиг. 3с иллюстрирует вариант реализации изобретения, аналогичный Фиг. 3b, но при этом возвратный электрод R в пласте 12 расположен внутри второй скважины 28. В частности, возвратный электрод R может доставляться механизмом транспортировки 48, что также несет в себе ЭМ датчик 51. Кроме того, возвратный электрод R может быть спущен внутри механизма транспортировки 48 во вторую скважину 28 на кабеле, например, кабельной проволоке. Другие модули 56, 58, 60, 62 могут также доставляться механизмом транспортировки 48, как описано выше. Электрод эмиттера Е может быть присоединен непосредственно к первой скважине 10 (как описано на Фиг. 1а) или отделен от первой скважины 10 (как описано на Фиг. 3а). Изолированный провод 22 проходит между электродом эмиттера Е и возвратным электродом R для замыкания цепи. В некоторых вариантах реализации изобретения механизм транспортировки 48 содержит один или более изоляторов или переводников зазора G, размещенных вдоль механизма транспортировки 48 для изолирования возвратных электродов R от ЭМ датчика 51 и, в частности, препятствования току 34с проходить вдоль механизма транспортировки 48 от возвратного электрода R к ЭМ датчику 51. В контексте данного документа "переводник зазора" означает изолятор, такой как зазор в токопроводящих частях колонны труб или изоляционная часть трубы, или переводник изолятора, или любое другое непроводящее устройство, размещенное для препятствования течению тока вдоль бурильной колонны.
В соответствии с Фиг. 4а проиллюстрирован вариант реализации скважинной системы определения расстояния, при этом эмиттерный электрод Е расположен на поверхности 13 пласта 12 выше первой скважины 10, в то время как возвратный электрод R расположен на поверхности пласта 12 на расстоянии от электрода эмиттера Е. Опорная ось YY может быть выбрана и применена в расположении возвратного электрода R. Опорная ось YY может быть выбрана для прохождения через конец 20 первой скважины 10, проходящей в пласт 12, вокруг которого определена торцевая часть данной скважины. Выбирают опорную точку 37 вдоль опорной оси YY, а затем выбирают положение возвратного электрода R, чтобы минимизировать расстояние "D" между опорной точкой 37 и возвратным электродом R. В этом случае оптимизация включает генерирование самого мощного магнитного поля из возможных токопроводящих элементов 14 в зоне, измеряемой ЭМ датчиком 51 из второй скважины 28. Таким образом, ток 34, поданный в землю с помощью эмиттерного электрода Е, пойдет к первой скважине 10, затем вдоль токопроводящего элемента 14 и, в конце концов, обратно через пласт к возвратному электроду R. Как проиллюстрировано, изолированный провод 22, проходящий между электродом эмиттера Е и возвратным электродом R, замыкает электрическую цепь. Следует иметь в виду, что из-за потери тока в пласте данный конкретный вариант реализации изобретения был бы наиболее желательным в случаях определения расстояний, когда целевая скважина 10 расположена в пласте на сравнительно небольшой глубине, как, например, на глубине 30 футов или менее, а в некоторых вариантах реализации изобретения - на глубине менее 20 футов. В общем, "на расстоянии" означает, что отсутствует непрерывное электрическое соединение посредством электрического проводника, такого как медь или другие металлы.
Фиг. 4b иллюстрирует систему инжекции тока, при этом и электрод эмиттера Е, и возвратный электрод R расположены в скважине внутри первой скважины 10, но на расстоянии друг от друга. Электрод эмиттера Е размещен на витой паре проводов 39 для подачи тока на токопроводящий элемент 14. Возвратный электрод R заземлен далее в глубине скважины. В этом случае ток проходит в осевом направлении вдоль целевой обсадной трубы, и магнитное поле генерируется от обсадной трубы. Ток 34, поданный на электрод эмиттера Е, перемещается вдоль токопроводящего элемента 14, как проиллюстрировано линиями тока 34а. В то время как часть тока будет протекать в пласт 12, как проиллюстрировано линиями тока 34b, большая часть тока 34а будет перемещаться вдоль токопроводящего элемента 14, в результате чего образуется электромагнитное поле 36, исходящее от токопроводящего элемента 14.
Фиг. 4с иллюстрирует систему инжекции тока, при этом электрод эмиттера Е расположен в скважине внутри первой скважины 10 на витой паре проводов 39 для доставки тока 34 к токопроводящему элементу 14, размещенному вглубь скважины от электрода эмиттера Е внутри скважины 10. В конкретном варианте реализации изобретения токопроводящий элемент 14 представляет собой удлиненную проволочную петлю, расположенную внутри целевой скважины 10. В этом случае ток идет в осевом направлении вдоль проволочной петли, и магнитное поле 36 генерируется из проволочной петли внутри скважины 10.
Как указано выше, размещение или положение возвратного электрода R для системы инжекции тока могут быть выбраны для оптимизации производительности системы при движении инжектированного тока вдоль токопроводящего элемента или корпуса внутри целевой скважины. В некоторых вариантах реализации изобретения опорная ось может быть выбрана и применена для расположения возвратного электрода R. Опорная ось может быть выбрана так, чтобы проходить через конец целевой скважины, уходя дальше в пласт. Выбирают опорную точку вдоль опорной оси, а затем выбирают положение возвратного электрода R, будь то на поверхности или в пласте, чтобы минимизировать расстояние "D" между опорной точкой и возвратным электродом R. В этом случае оптимизация будет включать генерирование магнитного поля, наиболее мощного из возможных, в целевой скважине в зоне, измеряемой ЭМ датчиком разведывательной или второй скважины. В некоторых вариантах реализации изобретения либо электрод эмиттера Е, либо возвратный электрод R или оба могут быть динамически перемещены во время процесса бурения, чтобы максимизировать отклик системы в требуемой части целевой скважины. В этом случае опорная точка вдоль опорной оси также будет двигаться для того, чтобы свести к минимуму расстояние между опорной точкой и возвратным электродом R. Таким образом, возвратный электрод может быть перемещен в сторону от устья скважины 11 первой скважины 10 в направлении простирающейся скважины 10.
Определение расстояния и направления токопроводящего элемента относительно второй скважины основывается на магнитных полях, полученных одним или более ЭМ датчиками. ЭМ датчик может представлять собой магнитометр, размещенный для измерения абсолютного магнитного поля, или приемник может представлять собой датчик магнитного градиента (или магнитный градиентометр), размещенный для измерения градиентов магнитного поля.
В любом случае определение расстояния и направления достигают за счет применения приведенного ниже отношения между токопроводящим элементом и магнитным полем, полученным ЭМ датчиком(ками).
H представляет собой вектор магнитного поля, I представляет собой ток на токопроводящем элементе, r представляет собой кратчайшее расстояние между ЭМ датчиком(ами) и токопроводящим элементом и φ представляет собой вектор, который перпендикулярен как оси z ЭМ датчика(ов), так и кратчайшему вектору, соединяющему токопроводящий элемент с ЭМ датчиком(ами). Следует отметить, что это простое отношение предполагает прохождение постоянного тока токопроводящего элемента по токопроводящему элементу, однако специалистам в данной области техники будет понятно, что данная концепция может быть расширена до любого текущего распределения при помощи соответствующих моделей. Отчетливо видно, что и расстояние, и направление можно рассчитать, используя эти отношения.
где ⋅ представляет собой действие скалярного произведения вектора. Замечено по опыту, что уравнение (3) представляет собой надежное измерение относительного направления электропроводящего элемента по отношению к координатам ЭМ датчика(ов) и его могут применять, пока как сигнал, получаемый от токопроводящего элемента, по существу, больший, чем погрешности измерения. Однако уравнение (2) не может быть надежным образом применено для вычисления расстояния, поскольку непосредственное или точное измерение I отсутствует. В частности, было отмечено, что любой аналитический расчет I может составлять 50% из-за неизвестных характеристик токопроводящего элемента. Кроме того, любая in situ калибровка I не производит систему, достаточно надежную для применения в ПГД или применения пересечения скважины из-за различий в токе проводящего элемента из-за изменяющегося удельного сопротивления пласта и глубины поверхностного слоя на разных участках ствола. В результате, в системах предшествующего уровня техники такие измерения абсолютных значений магнитного поля не подходят для ПГД или применения пересечения скважины.
Чтобы решить эти задачи предшествующего уровня техники, применяют измерения градиента магнитного поля, при которых пространственное изменение магнитного поля измеряют в направлении, имеющем значительную составляющую в радиальном (ось r) направлении, как показано ниже:
где ∂ представляет собой частную производную. С этим градиентным измерением, доступным в дополнение к абсолютному измерению, можно рассчитать расстояние следующим образом:
Соответственно, уравнение (5) не требует данных о токе токопроводящего элемента I, если как абсолютные, так и градиентные измерения доступны. Измерение направления может быть сделано, как показано в уравнении (3).
В практической реализации не представляется возможным измерять все составляющие магнитного поля, которые являются обязательными для применения всех вышеприведенных формул. Вместо этого может быть применена одна составляющая магнитного поля, ориентированного в направлении u. Магнитное поле для таких составляющих может быть записано как:
где обозначение шапки указывает на единичные векторы, а черта сверху указывает на векторы. Аналогичным образом, градиент магнитного поля u-составляющей вдоль направления v может быть выражен в следующем виде:
На основании этих абсолютных и градиентных доступный измерений расстояние до токопроводящего элемента может быть выражено в следующем виде:
где
у
В типовом случае, когда H составляющую измеряют вдоль оси x, уравнение (7-9) может быть объединено следующим образом:
Наконец, расстояние может быть записано в виде:
Градиентное поле в уравнении (11) реализуют на практике, применяя конечные разности двух измерений диполя магнитного поля, как показано ниже:
x1
x2
y1
y2
x1
x2
y1
y2
Используя эти принципы, Фиг. 5 иллюстрирует один возможный ЭМ датчик 51, который может быть применен в некоторых вариантах реализации изобретения. В частности, проиллюстрированной является конфигурация датчика градиента магнитного поля 51, имеющая 4 диполя (H, H, H, H), расположенная около первичной оси Z и проиллюстрированная в отношении токопроводящего элемента 14 и магнитных полей 36, производимых токами 34 на токопроводящем элементе. Диполи H, H, H, H, как проиллюстрировано, расположены под углом 90° друг от друга около основной оси Z. В контексте данного документа диполь означает антенну или электрод, образуемый из продолговатой катушки провода, размещенной вдоль оси диполя и имеющей множество витков провода вокруг сердечника, как хорошо известно в данной области техники. Стрелки 42, как правило, указывают в направлении сердечника и обмоток каждого диполя.
Специалисты в данной области техники поймут, однако, что, как видно из уравнения (10), градиентное измерение с одной составляющей становится неустойчивым из-за сингулярности в знаменателе каждые 90°, начиная с 45°. В результате градиентное измерение с одной составляющей чувствительно только к углам 90° × k, где k представляет собой целое число. Это относится и к Фиг. 5, где 4 диполя, расположенные под углом 90° друг от друга, применяют для расчета магнитных полей.
В вариантах реализации изобретения, которые измеряют как абсолютные магнитные поля, так и градиентные магнитные поля, следует отметить, что ЭМ датчик в некоторых вариантах реализации изобретения содержит минимум 3 диполя H для достижения градиентного измерения, а именно 2 диполя для градиента плюс 1 диполь - для измерения абсолютной величины электромагнитного поля. Примером могут быть три диполя H, расположенные в виде треугольника в ЭМ датчике около первичной оси Z, чтобы исключить слепые зоны, как описано ниже. Однако, поскольку симметричные дипольные схемы легче разработать и изготовить, такая трехдипольная схема может быть менее желательной, чем симметричная дипольная схема в некоторых случаях.
x1
x2
y.
x1
x2
y1
y2
x1
x2
y1
y2
u1
u2
v1
v2
Фиг. 6а иллюстрирует 3-дипольный ЭМ датчик, содержащий диполи H, H, и H Стрелки 42, как правило, указывают в направлении сердечника и обмоток каждого диполя. Фиг. 6b иллюстрирует 4-дипольный ЭМ датчик, содержащий диполи H, H, H, H. Фиг. 6с иллюстрирует 8-дипольный ЭМ датчик, содержащий диполи H, H, H, H, H, H, H, H, которые могут применять в некоторых вариантах реализации изобретения. Со ссылкой на каждую из Фиг. 6а, 6b и 6с, направленность чувствительности измерения указана в каждом случае выступами 44. Как видно, 3- и 4-дипольные устройства могут делать качественные измерения градиентного поля только в тех направлениях, которые находятся вблизи 0°, 90°, 180° и 270°, в результате чего появляются слепые пятна в данных магнитных градиентных полях. Одним из решений этой проблемы является использование диполей и градиентных измерений в большем количестве направлений, как проиллюстрировано на Фиг. 6c. В данном случае четыре диполя покрывают 0°, 90°, 180° и 270°, как видно из выступов 44а, а другие 4 диполя покрывают 45°, 135°, 225° и 315°, как видно из выступов 44b. Следует отметить, что покрытие, аналогичное конфигурации, проиллюстрированной на Фиг. 6с, может быть достигнуто в общей сложности 6 диполями H без существенного снижения точности; однако дополнительную информацию, представленную дополнительными диполями H, могут применять для различных целей, таких как контроль качества и извлечение инженерных преимуществ из симметричной сенсорной матрицы.
1
2
3
4
1
2
3
4
В другом варианте реализации изобретения ЭМ датчик, проиллюстрированный на Фиг. 6d, две пары диполей (H, H и H, H) находятся на расстоянии друг от друга и расположены так, чтобы быть под углом друг к другу. Радиальный угол α вокруг центральной оси и/или относительный угол σ между парами диполей могут регулироваться в диапазоне 0-89º, и в некоторых вариантах реализации изобретения около 45º, чтобы минимизировать или устранить зону "слепого пятна", в зависимости от размера и свойств конкретных диполей. Пары диполей (H, H и H, H) также могут быть размещены на различных радиусах r1 и r2 вокруг оси. Например, каждая дипольная катушка может составлять порядка 0,1 метра в длину и иметь около 100 000 витков провода. Каждая катушка может быть подключена к схеме, которая содержит низкошумовой, полосовой усилитель с высоким коэффициентом усиления. Напряжения усилителя запитаны индивидуально в скважинный микропроцессор для анализов. Специалисты в данной области техники поймут, что по причине дороговизны датчиков, а также ограниченного пространства в скважинах нет возможности для лишних компонентов, поэтому устранение любого количества диполей при минимизации слепых зон желательно.
Магнитные диполи ЭМ датчика могут быть реализованы с магнетометрами, атомными магнетометрами, феррозондовыми магнитометрами, магнитными градиентометрами, соленоидами или катушками. Следует отметить, что градиентные измерения могут также проводиться посредством электрического соединения двух магнитных диполей в разных ориентациях и для выполнения одного измерения, в отличие от значений двух отдельных измерений магнитных полей. Методики обработки, описанные выше, могут быть обобщены для такого случая.
Наконец, в некоторых системах, которые измеряют абсолютное магнитное поле, чтобы получить наилучшие результаты, необходимо располагать магнитометр в непосредственной близости или смежно с буровым долотом. В то время как некоторые варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, проиллюстрировали ЭМ датчик как размещенный в скважине в непосредственной близости или смежно с буровым долотом, применение магнитного градиента в противоположность абсолютному магнитному полю в некоторых вариантах реализации изобретения минимизирует эффекты расположения ЭМ датчика вдоль бурильной колонны. Таким образом, за счет применения магнитного градиента при реализации определенных вариантов реализации изобретения можно расположить ЭМ датчик на расстоянии от бурового долота.
Как указано выше, измерение абсолютной величины магнитного поля, применяемое в предшествующем уровне техники, нежелательно, поскольку точность таких измерений зависит от многих различных переменных, таких как скин-эффект, состояние токопроводящего элемента, т. е. обычно обсадная колонна первой скважины, профиль токопроводящего элемента и т. д. Например, относительные характеристики обсадной колонны первой скважины, такие как электропроводность и магнитная проницаемость, как известно, показывают большие вариации между различными секциями обсадной колонны, а также могут меняться со временем из-за таких эффектов, как механическое напряжение, температура и коррозия. Так как распределение тока на обсадной колонне первой скважины зависит от глубины поверхностного слоя и, следовательно, сопротивления на длину трубы, невозможно произвести точную аналитическую оценку тока, возбуждаемого на обсадной колонне первой скважины из-за источника. Кроме того, колебания вдоль различных участков обсадной колонны также очень усложняют калибровку тока на одном участке обсадной колонны на основании другого участка.
Как проиллюстрировано на Фиг. 7, было замечено, что расстояние на основании абсолютной величины измерения может обнаружить присутствие первой скважины или "цели" издалека, однако оно имеет очень большой конус неопределенности, связанной с ним. С другой стороны, градиентное измерение может обнаруживать цель на более коротких расстояниях, однако оно имеет гораздо меньший конус неопределенности. Требования к применению способов определения расстояния описаны в данном документе для ПГД и применений пересечения скважины, подпадающие под объем возможностей градиентных измерений, и, как следствие, способы и системы, описанные в данном документе, имеют явное преимущество по сравнению с известными в предшествующем уровне техники системами и способами на основании абсолютного измерения.
Со ссылкой на Фиг. 8, в некоторых способах определения расстояния и направленного бурения известно применение множественных измерений абсолютного направления от скважины, в которой выполняют бурение, под разными углами к целевой скважине путем методов триангуляции для определения расстояния. Это требует, чтобы траектория скважины, в которой выполняют бурение, была спиральной, S-образной или изгибающейся относительно целевой скважины, траектория, которая была бы нежелательной для применений ПГД. Кроме того, такой подход триангуляции усредняет информацию на больших расстояниях и уменьшает время отклика геолокации. В противоположность этому, как проиллюстрировано на Фиг. 8, применение способов градиентного определения расстояния, описанных в данном документе, допускает, чтобы траектория второй скважины была, по существу, параллельной целевой скважине, в линейной траектории, что может быть более желательно для операций ПГД. Кроме того, поскольку независимая информация может быть доступна в каждой точке, геолокация может реагировать на отклонения в расстояниях более быстро, чем некоторые другие способы.
Более того, как описано выше, для того чтобы максимально повысить эффективность локации, особенно когда движутся по спиральной или S-образной траектории, магнитометры иногда располагают в бурильной колонне как можно ближе к буровому долоту, а в некоторых вариантах реализации изобретения - в непосредственной близости или смежно с буровым долотом. В вариантах реализации изобретения, описанных в данном документе в контексте использования в применениях ПГД, бурильная колонна расположена, по существу, параллельно целевой скважине, поэтому размещение ЭМ датчика(ов) является менее значимым в плане эффективности навигации. Также возможно разместить ЭМ датчик(и) в другом месте на бурильной колонне, например, долоте.
Фиг. 9 иллюстрирует этапы реализации некоторых вариантов системы определения расстояния по градиенту магнитного поля, описанной в данном документе, для определения расстояния между первой и второй скважинами. На этапе А бурят первую скважину. После бурения токопроводящий элемент располагают в части первой скважины, а именно той части, из которой, как хотят, он должен определять расстояние от второй скважины. Токопроводящий элемент может представлять собой скважинную обсадную колонну или какой-либо другой токопроводящий элемент. Первой скважиной может быть либо нагнетательная скважина, либо добывающая скважина в той мере, насколько в операциях ПГД применяют определение расстояния. Обычно добывающую скважину бурят первой, поскольку она должна быть размещена в пластовом резервуаре в оптимальном положении, чтобы давать максимальный объем углеводородов. Однако для целей способа определения расстояния, в соответствии с описанным в данном документе, первой могут бурить любую скважину. При работах по скважинному перехвату первой скважиной может быть скважина, которая должна быть перехвачена, т.е. "заглушена". В некоторых вариантах реализации этого этапа могут применять скважинный размещающий инструмент, такой как азимутальные приборы каротажа сопротивлений или сверхглубокий считывающий прибор каротажа сопротивлений, для размещения первой скважины. Такие инструменты обычно применяют для расположения добывающей скважины на оптимальных расстояниях от смежных слоев в пластовом резервуаре. Кроме того, данные исследований могут быть собраны при бурении этой первой скважины для помощи в управлении работами во второй скважине.
На этапе B начинают бурение второй скважины. В некоторых вариантах реализации изобретения наклонную секцию, т.е. участок второй скважины, которая должна быть размещена относительно первой скважины, ведут либо с наблюдаемой информацией, либо с абсолютной или градиентной информацией от инструмента определения расстояния, описанного на следующих этапах.
После начала наклонной секции начинают процесс определения расстояния для разработки второй скважины по требуемой траектории относительно первой скважины. Для операций ПГД траектория будет параллельной и на требуемом расстоянии от первой скважины. Процесс определения расстояния использует систему определения расстояния, содержащую один или более электродов эмиттера Е, один или более возвратных электродов R и ЭМ датчика, как описано выше. Электрод эмиттера Е размещен на любом количестве точек, удаленных от второй скважины, таких как, например, на поверхности в непосредственной близости или смежно с первой скважиной. В частности, в некоторых вариантах реализации изобретения электрод эмиттера Е расположен на поверхности, будучи либо прикрепленным к первой скважине в непосредственном электрическом контакте или в контакте с землей, находящейся в непосредственной близости или смежно с первой скважиной, или в другом месте вдоль поверхности. В качестве альтернативы, в других вариантах реализации изобретения электрод эмиттера Е может быть размещен в месте внутри первой скважины. Возвратный электрод R размещен в месте, удаленном от электрода эмиттера. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения возвратный электрод R может быть размещен во второй скважине, а в некоторых вариантах реализации изобретения как часть бурильной колонны, применяемой для бурения второй скважины. В качестве альтернативы, в других вариантах реализации изобретения возвратный электрод R может быть размещен на поверхности в месте, чтобы максимально усилить отклик системы определения расстояния. В этом отношении могут определять опорную точку. Опорная ось представляет собой удлиненную ось, простирающуюся соосно вдоль дистального участка первой скважины и в пласт после конца первой скважины. Опорная точка выбрана вдоль опорной оси, после которой возвратный электрод расположен на поверхности в месте таким образом, чтобы минимизировать расстояние между опорной точкой и возвратным электродом. В некоторых вариантах реализации изобретения опорная точка может быть выбрана в конце первой скважины. В некоторых вариантах реализации изобретения опорная точка может быть выбрана, чтобы быть за пределами конца первой скважины. В качестве альтернативы, возвратный электрод может быть расположен во второй скважине таким образом, чтобы минимизировать это расстояние. Когда бурение второй скважины продвигается, опорная точка, а, следовательно, и возвратный электрод могут быть перемещены для максимального усиления отклика системы определения расстояния в случае бурения дополнительного участка второй скважины.
В некоторых вариантах реализации изобретения вторая опорная точка на опорной оси может быть выбрана и применена для размещения электрода эмиттера Е.
После того как система определения расстояния, т.е. электрод эмиттера Е, возвратный электрод R, ЭМ датчик(и), находится в положении, как на этапе C, задействуют способ скважинного определения расстояния. В некоторых вариантах реализации изобретения данный способ может включать применение магнитных градиентов, как описано выше. В этом случае следует отметить, что описанные системы могут применять для поддержания, по существу, одинакового расстояния между первой и второй скважинами или ориентация бурения второй скважины может находиться в соответствии с заданным или регулируемым меняющимся расстоянием на основании локальных характеристик пластов, таких как в случае работ по пересечению скважин.
В некоторых вариантах реализации изобретения, как на этапе D, бурение прерывают или временно приостанавливают во время определения расстояния скважин, для того чтобы минимизировать уровни шума, которые могут создавать помехи в измерениях определения расстояния. Время между приостановкой бурения и началом определения расстояния может быть оптимизировано для снижения шума из-за вибрации бурильных труб, а также минимизации времени простоя. Аналогично, продолжительность определения расстояния может быть оптимизирована для отклонения электрической системы и шума магнитных полей, а также минимизации времени простоя.
На этапе Е электроды системы определения расстояния активируют для подачи тока, чтобы генерировать магнитное поле из первой скважины, а именно скважины, содержащей токопроводящий элемент. Инжекция тока может быть либо автоматическая, после бурения заданного расстояния вдоль второй траектории скважины, истечения заданного периода времени или реализации каких-то других критериев, либо инжекцию тока могут проводить в ручном режиме.
С электромагнитным полем, исходящим от первой скважины, активируется ЭМ датчик. ЭМ датчик может быть активирован вручную или автоматически с поверхности. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения модуль контроллера, помещенный на КНБК во второй скважине, может содержать алгоритм, который определяет токи и активирует ЭМ датчик(и). В частности, на этапе F, хотя ЭМ датчик(и) может(гут) представлять собой любое количество устройств, пригодных для измерения магнитных полей, в некоторых вариантах реализации изобретения ЭМ датчик состоит из набора магнитных дипольных антенн, которые позволяют обнаруживать сигналы электромагнитных полей, генерируемые в нем, при этом сигналы электромагнитного поля возникают из токов, подаваемых так, что они следуют вдоль протяженности первой скважины. Сигналы электромагнитного поля могут быть зарегистрированы и обработаны на месте или могут быть переданы на поверхность для регистрирования и/или обработки. В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 6, регистрируют по меньшей мере два сигнала магнитного поля, представляющие по меньшей мере два различных места магнитных полей. Это может быть достигнуто применением нескольких дипольных антенн на расстоянии друг от друга. Данные, собранные дипольными антеннами, могут быть в виде магнитного поля, электрического поля, напряжения или тока. Для того чтобы выполнить анализ сигнал/шум, целесообразно проанализировать данные в единицах магнитного поля.
На этапе G данные магнитного поля, собранные на этапе F, применяют для вычисления расстояния. В некоторых вариантах реализации изобретения диапазон может основываться на градиенте магнитного поля. Например, градиент магнитного поля может быть вычислен, как описано в уравнениях (1)-(12) выше.
На этапе H определяют расстояние и направление между первой и второй скважинами. Поскольку результаты данных по направлению и расстоянию основаны на системе координат ЭМ датчика, система координат ЭМ датчика должна быть преобразована для того, чтобы обратить ее в геологическую среду или другие системы координат, которые могут быть применены в геолокации. Информация о магнитном поле геологической среды или силе притяжения может быть применена для измерения ориентации приемника и достижения трансформации, описанной выше.
На этапе I вычисленное расстояние и направление применяют для регулировки параметров бурения второй скважины, таких как траектория ствола скважины, после чего на этапе J систему геолокации, доставленную посредством бурильной колонны, могут соответствующим образом отрегулировать с целью направлять буровое долото на основании сводок определения расстояния по магнитному полю и бурения. Процесс определения расстояния, описанный на этапах C-J, может быть выполнен на выбранных интервалах глубины, что оптимизирует и эффективность геолокации, и время бурения. Априорная информация может быть применена для регулировки интервала времени между последовательными определениями расстояний. Например, если данные обследования первой скважины указывают, что скважина, как ожидается, будет, по существу, горизонтальной, интервал между измерениями определения расстояния может быть расширен. Если предполагается, что скважина будет иметь резкие искривления, измерения определения расстояния могут делать чаще. Ближе к концу скважины токи, проходящие вдоль токопроводящего элемента, размещенного в ней, ведут себя по-разному по сравнению с другими участками токопроводящего элемента, поскольку модифицируется траектория прохождения тока. Во избежание нежелательных эффектов, в некоторых вариантах реализации изобретения первую скважину могут бурить на большую глубину, чем вторую скважину. Исходя из последовательности действий, можно перейти к различным методам обработки. В качестве примера, если вторая скважина должна локально следовать по траектории, отдаленной от первой скважины, локально могут выполнять определение расстояния на основании абсолютной величины.
Фиг. 10 иллюстрирует этапы реализации некоторых вариантов реализации системы определения магнитного градиента, как описано в данном документе. На этапе А бурят первую скважину. После бурения токопроводящий элемент располагают в части первой скважины, а именно той части, из которой, как хотят, он должен определять расстояние от второй скважины. Токопроводящий элемент может представлять собой скважинную обсадную колонну или какой-либо другой токопроводящий элемент. Первой скважиной может быть либо нагнетательная скважина, либо добывающая скважина в той мере, насколько в операциях ПГД применяют определение расстояния. Обычно добывающую скважину бурят первой, поскольку она должна быть размещена в пластовом резервуаре в оптимальном положении, чтобы давать максимальный объем углеводородов. Однако для целей способа определения расстояния, в соответствии с описанным в данном документе, первой могут бурить любую скважину. При работах по скважинному перехвату первой скважиной может быть скважина, которую необходимо закрыть. В некоторых вариантах реализации этого этапа могут применять скважинный размещающий инструмент, такой как азимутальные приборы каротажа сопротивлений или сверхглубокий считывающий прибор каротажа сопротивлений, для размещения первой скважины. Такие инструменты обычно применяют для расположения добывающей скважины на оптимальных расстояниях от смежных слоев в пластовом резервуаре. Кроме того, данные исследований могут быть собраны при бурении этой первой скважины для помощи в управлении работами во второй скважине.
На этапе В электрод эмиттера, входящий в систему определения расстояния, располагают в непосредственной близости или смежно с первой скважиной. Первая скважина содержит токопроводящий элемент. Электрод эмиттера может быть косвенным электрическим контактом с токопроводящим элементом. Кроме того, электрод эмиттера может находиться в контакте с пластом, в котором первая скважина расположена так, что электрод эмиттера расположен в непосредственной близости к скважине. В некоторых вариантах реализации изобретения токопроводящий элемент представляет собой скважинную обсадную колонну, и электрод эмиттера находится в контакте с устьем скважины, от которого отходит обсадная колонна.
На этапе C располагают возвратный электрод. Расположение возвратного электрода подобрано таким образом, чтобы направлять ток, подаваемый электродом эмиттера, к токопроводящему элементу. Таким образом, возвратный электрод может быть расположен на определенном расстоянии от электрода эмиттера. В некоторых вариантах реализации изобретения возвратный электрод может находиться в контакте с пластом на определенном расстоянии от первой скважины и электрода эмиттера. В некоторых вариантах реализации изобретения возвратный электрод может быть расположен так, что первая скважина находится между возвратным электродом и электродом эмиттера. В таком случае возвратный электрод может быть расположен на поверхности пласта или как-то иначе, размещен внутри пласта, например, в другой скважине. В некоторых вариантах реализации изобретения возвратный электрод размещен внутри второй скважины, из которой осуществляют ЭМ измерения. В таком случае возвратный электрод может быть доставлен с помощью бурильной колонны, кабельной проволоки или другого механизма, размещенного во второй скважине. В некоторых вариантах реализации изобретения могут пробурить третью скважину и расположить возвратный электрод внутри третьей скважины. В таких вариантах реализации изобретения предпочтительно бурят третью скважину, чтобы она была смежной или находилась в непосредственной близости к дистальному концу первой скважины или за пределами дистального конца первой скважины.
На этапе D электродом эмиттера и возвратным электродом, расположенными по необходимости, генерируют ток. Ток может быть сгенерирован, как описано выше в различных вариантах реализации системы. Ток подают в первую скважину, и в частности, в токопроводящий элемент, и передают вдоль по меньшей мере части токопроводящего элемента. Ток подают с помощью электрода эмиттера, и он проходит к возвратному электроду после передачи вдоль части токопроводящего элемента. Ток, проходящий вдоль части токопроводящего элемента, таким образом, генерирует электромагнитное поле, которое исходит от первой скважины.
На этапе Е бурят вторую скважину.
На этапе F бурение второй скважины, и в частности, траекторию пути второй скважины, ориентируют на основании магнитных градиентных измерений, выполненных с помощью ЭМ датчика, размещенного во второй скважине. Этапы C-F могут повторяться, в то время как бурение второй скважины прогрессирует.
Таким образом, описана скважинная система определения расстояния. Варианты реализации скважинной системы определения расстояния, как правило, могут включать первую скважину, имеющую первый конец в непосредственной близости к устью скважины на поверхности пласта и второй, дистальный конец, размещенный вдоль части опорной оси соосно на некотором протяжении по меньшей мере с частью первой скважины, при этом опорная ось имеет на ней опорную точку, при этом продолговатый токопроводящий элемент размещен внутри по меньшей мере части первой скважины; систему инжекции тока, содержащую источник переменного тока на поверхности, электрод эмиттера и возвратный электрод, при этом электрод эмиттера является смежным с устьем скважины, а возвратный электрод размещен на поверхности в месте, которое, по существу, минимизирует расстояние между возвратным электродом и опорной точкой; вторую скважину, отходящую от поверхности; и ЭМ датчик, размещенный внутри второй скважины. В других вариантах реализации изобретения скважинная система определения расстояния, как правило, может включать первую скважину, имеющую первый конец в непосредственной близости к устью скважины на поверхности пласта и второй, дистальный конец, размещенный вдоль части опорной оси соосно на некотором протяжении по меньшей мере с частью первой скважины, при этом опорная ось имеет на ней опорную точку, при этом продолговатый токопроводящий элемент размещен внутри части первой скважины; систему инжекции тока, содержащую источник переменного тока на поверхности, электрод эмиттера и возвратный электрод, при этом электрод эмиттера отдален от устья скважины, а возвратный электрод размещен в месте, отдаленном от возвратного электрода; вторую скважину, отходящую от поверхности; и ЭМ датчик, размещенный внутри второй скважины. В любом из вышеизложенных вариантов реализации изобретения система может содержать любой из следующих элементов, в одиночку или в сочетании друг с другом:
Опорная точка находится на дистальном конце первой скважины.
Опорная точка находится в месте на опорной оси за пределами дистального конца первой скважины.
Колонна труб, содержащая буровое долото, размещена внутри второй скважины, с ЭМ датчиком, расположенным на обсадной трубе.
Как эмиттер, так и возвратные электроды расположены на поверхности.
Как эмиттер, так и возвратные электроды размещены в первой скважине.
ЭМ датчик включает градиентометр.
ЭМ датчик представляет собой датчик градиента магнитного поля, содержащий три диполя.
Опорная точка на дистальном конце скважины, электрод эмиттера является смежным с устьем первой скважины, а возвратный электрод расположен на поверхности, по существу, выше опорной точки.
Токопроводящий элемент представляет собой колонну труб или проволочную петлю.
Токопроводящий элемент представляет собой обсадную колонну.
Электрод эмиттера расположен на поверхности и находится в непосредственном электрическом контакте с продолговатым токопроводящим элементом в местоположении в скважине или в устье скважины.
Система инжекции тока содержит изолированный кабель, который размещен в удлиненной скважине и электрически подключен к электроду эмиттера.
Система инжекции тока содержит изолированный кабель, который экранирован.
Электрод эмиттера расположен на поверхности в непосредственном электрическом контакте с пластом, смежным с устьем скважины.
Возвратный электрод расположен на поверхности выше дистального конца первой скважины.
Опорная точка на опорной оси находится в месте за пределами дистального конца ствола, а возвратный электрод расположен на поверхности, по существу, выше опорной точки.
Возвратный электрод размещен во второй скважине.
Возвратный электрод доставляется посредством бурильной колонны во второй скважине.
Бурильная колонна содержит изолятор между возвратным электродом и ЭМ датчиком.
Первая опорная точка находится на опорной оси в месте за пределами дистального конца скважины, вторая опорная точка находится на опорной оси в месте внутри первой скважины, электрод эмиттера расположен на поверхности в месте, которое, по существу, минимизирует расстояние между электродом эмиттера и второй опорной точкой, и при этом возвратный электрод размещен на поверхности, по существу, выше первой опорной точки.
Электрод эмиттера размещен в первой скважине на витой паре проводов с проволокой возвратного электрода и в электрическом контакте с продолговатым токопроводящим элементом, и при этом возвратный электрод размещен глубже в скважине вдоль опорной оси и на расстоянии от электрода эмиттера.
Электрод эмиттера размещен в первой скважине на витой паре проводов с проволокой возвратного электрода и в электрическом контакте с удлиненной проволочной петлей, размещенной внутри первой скважины вдоль участка опорной оси.
Система инжекции тока включает множественные частоты возбуждения.
ЭМ датчик включает магнитометр.
ЭМ датчик включает датчик магнитного градиента.
ЭМ датчик включает датчик градиента магнитного поля, содержащий 4 диполя.
ЭМ датчик включает датчик градиента магнитного поля, содержащий 6 диполей.
ЭМ датчик включает датчик градиента магнитного поля, содержащий 8 диполей.
ЭМ датчик включает атомные магнитометры, феррозондовые магнитометры, соленоиды или катушки.
Соответственно, описан способ скважинного определения расстояния. Варианты реализации способа скважинного определения расстояния могут обычно включать бурение первой скважины, имеющей первый конец в непосредственной близости к устью скважины на поверхности пласта и второй, дистальный конец, размещенный вдоль части опорной оси соосно на некотором протяжении по меньшей мере с частью первой скважины; расположение продолговатого токопроводящего элемента в по меньшей мере части первой скважины; начало бурения второй скважины, отходящей от поверхности; расположение возвратного электрода на поверхности в месте так, что по меньшей мере часть первой скважины находится между устьем скважины и местоположением возвратного электрода; расположение электрода эмиттера в месте, удаленном от возвратного электрода; подачу переменного тока на электрод эмиттера; генерирование магнитного поля из первой скважины с применением электрода эмиттера; и измерение магнитного поля из второй скважины. В других вариантах реализации изобретения скважинная система определения расстояния, как правило, может включать бурение первой скважины, имеющей первый конец в непосредственной близости к устью скважины на поверхности пласта и второй, дистальный конец, размещенный вдоль части опорной оси соосно на некотором протяжении по меньшей мере с частью первой скважины; расположение продолговатого токопроводящего элемента в по меньшей мере части первой скважины; начало бурения второй скважины, отходящей от поверхности; расположение возвратного электрода в месте в пласте под поверхностью; расположение электрода эмиттера в месте, удаленном от возвратного электрода; подачу переменного тока на электрод эмиттера; генерирование магнитного поля из первой скважины с применением электрода эмиттера; и измерение магнитного поля из второй скважины. Кроме того, описан способ выполнения парогравитационного дренажа для добычи углеводородов из пласта. Способ выполнения парогравитационного дренажа может, как правило, включать начало бурения первой скважины, имеющей устье скважины на поверхности пласта и расположение продолговатого токопроводящего элемента на участке в первой скважине, при этом скважина имеет проксимальный конец, смежный с устьем скважины, и дистальный конец, при этом дистальный конец ствола простирается вдоль части опорной оси соосно на некотором протяжении по меньшей мере с частью первой скважины; начало бурения второй скважины, отходящей от поверхности; расположение возвратного электрода по поверхности в определенном месте так, что по меньшей мере часть первой скважины находится между устьем скважины и местоположением возвратного электрода; расположение электрода эмиттера в месте, удаленном от возвратного электрода; активацию переменного тока и подачу переменного тока на электрод эмиттера; использование эмиттерного электрода для генерации магнитного поля из первой скважины; и измерение магнитного поля из второй скважины; завершение бурения второй скважины на основании измеренного магнитного поля; инжекцию пара во вторую скважину, чтобы вызвать перемещение углеводородов в пласте в первую скважину; и добычу углеводородов из первой скважины. Для любого из вышеуказанных вариантов реализации изобретения способ может включать любой один из следующих, отдельно или в сочетании друг с другом:
Выбор опорной точки вдоль опорной оси и расположение возвратного электрода на поверхности в месте, которое, по существу, минимизирует расстояние между возвратным электродом и опорной точкой.
Прерывание бурения второй скважины до этапа измерения.
Возвратный электрод расположен на поверхности в месте выше дистального конца первой скважины.
Установление прямого электрического контакта между электродом эмиттера и продолговатым токопроводящим элементом, размещенным в первой скважине.
Передача тока в первую скважину через пласт, смежный с устьем скважины.
Изменение расположения по меньшей мере чего-то одного из электрода эмиттера или возвратного электрода на поверхности до этапа применения.
Изменение расположения как электрода эмиттера, так и возвратного электрода на поверхности до этапа применения.
Расположение электрода эмиттера включает расположение электрода эмиттера смежно с устьем первой скважины и возвратного электрода выше или за пределами дистального конца первой скважины.
Размещение ЭМ датчика на бурильной колонне во второй скважине.
Генерирование переменного тока по меньшей мере на двух частотах возбуждения.
Генерирование переменного тока на множественных частотах возбуждения.
Сбор данных магнитного поля, вычисление градиента магнитного поля и вычисление расстояния и направления между первой и второй скважинами на основании градиента магнитного поля.
Сбор данных магнитного поля включает расположение второй скважины так, чтобы она была, по существу, параллельной первой скважине, и получение данных магнитного поля из множества точек вдоль первой скважины.
Бурение второй скважины для образования удлиненной оси, по существу, параллельной удлиненной оси первой скважины.
Расположение возвратного электрода в бурильной колонне во второй скважине и изолирование возвратного электрода от магнитометра или датчик магнитного градиента на буровой колонне во второй скважине.
Бурение третьей скважины в непосредственной близости к дистальному концу первой скважины и расположение возвратного электрода в третьей скважине.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что иллюстративные варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, не несут ограничительного характера. Различные модификации и комбинации иллюстративных вариантов реализации изобретения, а также другие варианты реализации изобретения будут очевидными для специалистов в данной области техники после рассмотрения данного описания изобретения. Таким образом, подразумевается, что прилагаемая формула изобретения охватывает любые такие модификации или варианты реализации изобретения.