Однопроводная направляющая система для определения расстояния с использованием неуравновешенных магнитных полей

Изобретение относится к бурению сближенных скважин и может быть использовано для определения расстояния между ними. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств для определения расстояния между сближенными скважинами. В частности, предложен способ определения расстояния между опорной скважиной и измеряемой скважиной, согласно которому: генерируют внутрискважинный ток через цепь токового ввода, причем цепь токового ввода создает первое магнитное поле; принимают обратный ток через возвратную цепь, причем возвратная цепь создает второе магнитное поле, причем первое и второе магнитные поля являются неуравновешенными относительно друг друга; и измеряют первое и второе магнитные поля. При этом способ дополнительно включает измерение суммарных магнитных полей на основе указанных первого и второго магнитных полей, а также определение на основе суммарного магнитного поля относительного расстояния и направления измеряемой скважины относительно опорной скважины. Раскрыта также система для реализации указанного способа. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Уровень техники

Определение расстояния с помощью магнитного поля относится к позиционированию скважины и позволяет определять относительное расстояние от одной скважины до другой и направление одной скважины относительно другой. Некоторые способы определения расстояния от измеряемой скважины до удаленной обсадной колонны в опорной скважине основаны на подаче тока с известной частотой от источника питания на поверхности земли вниз по обсадной колонне опорной скважины и приеме сигнала, излучаемого от обсадной колонны, в измеряемой скважине.

С источником питания на поверхности, как правило, используют кабель, присоединенный к грузовой штанге (для обеспечения внутрискважинного контакта с обсадной колонной скважины), для подачи тока в скважину, в результате чего вокруг опорной скважины могут возникать магнитные поля. Внутрискважинный контакт между грузовой штангой и обсадной колонной приводит к протеканию тока вверх по стволу скважины через обсадную колонну. Датчики в измеряемой скважине (например, буровой скважине) могут измерять магнитные поля для обеспечения возможности определения расстояния и направления между опорной скважиной и измеряемой скважиной.

Одна из проблем этого способа состоит в том, что направление протекающего вверх по стволу скважины тока является противоположным направлению тока в кабеле. Магнитное поле, создаваемое при протекании каждого из токов, имеет эффект уменьшения суммарного магнитного поля, принимаемого датчиками в измеряемой скважине. Таким образом, при измерении результирующего магнитного поля в измеряемой скважине могут возникать сложности.

Краткое описание чертежей

На ФИГ. 1 представлена схема приведенной в качестве примера однопроводной направляющей системы, имеющей спиральную конфигурацию согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 2 представлена схема приведенной в качестве примера однопроводной направляющей системы, которая включает кабель, который заканчивается внутри скважины на наружной стороне от обсадной колонны опорной скважины, согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 3 представлена схема приведенной в качестве примера однопроводной направляющей системы, имеющей спиральную конфигурацию снаружи от обсадной колонны опорной скважины, согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 4 представлена схема приведенной в качестве примера двухкабельной системы согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 5 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с металлической наружной частью, расположенной поверх изолятора, согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 6 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с треугольным металлическим сердечником согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 7 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с наружным изолятором согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 8 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с проводящим материалом цилиндрической формы, на который навит изолированный провод, согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 9 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с проводящим материалом прямоугольной формы, на который навит изолированный провод, согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 10 представлена схема приведенного в качестве примера устройства с экранированным кабелем для реализации способа определения расстояния согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 11 представлен график, демонстрирующий плотности энергии неуравновешенного магнитного поля в направлении оси x и в направлении оси z для устройства с экранированным кабелем по ФИГ. 10.

На ФИГ. 12 представлен график, демонстрирующий суммарную плотность энергии магнитного поля в точке, соответствующей расположению датчика, Р для устройства с экранированным кабелем по ФИГ. 10.

На ФИГ. 13 представлена схема приведенного в качестве примера варианта осуществления системы каротажного каната согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 14 представлена схема приведенного в качестве примера варианта осуществления системы буровой установки согласно аспектам настоящего раскрытия.

На ФИГ. 15 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ определения расстояния между опорной скважиной и измеряемой скважиной с использованием неуравновешенные магнитных полей согласно аспектам настоящего раскрытия.

Осуществление изобретения

Варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, служат для получения информации, которая позволяет определять относительное расстояние и направление скважины, пробуриваемой вблизи по меньшей мере одной другой скважины. Например, для определения местоположения опорной скважины относительно измеряемой скважины. Измеряемую скважину также можно назвать буровой скважиной.

«Опорная скважина» может быть определена в настоящем документе как скважина, местоположение которой следует использовать в качестве ориентира для строительства другой скважины. Другая скважина может быть определена как «измеряемая скважина». В других вариантах осуществления эта терминология может быть применена противоположным образом, поскольку варианты осуществления не ограничены какой-либо одной скважиной в качестве опорной скважины и любая скважина может быть определена как измеряемая скважина. Определение расстояния может быть использовано при гравитационном дренаже с помощью пара (steam assisted gravity drainage, SAGD), пересечении скважины, пересечении разгрузочной скважины, обходе скважины или при выполнении любой другой операции, когда требуется определение расстояния, обслуживание, обход или пересечение между двумя скважинами.

В контексте настоящего документа неуравновешенные магнитные поля определяются как два или более магнитных полей, которые имеют различную структуру поля. Например, магнитные поля могут иметь различные направления и/или амплитуды.

В настоящих вариантах осуществления неуравновешенные магнитные поля генерируют таким образом, чтобы результат нижеприведенного уравнения (1) не был равен нулю или не был слишком малым для измерения. Один способ генерации неуравновешенные магнитных полей включает применение различных ориентаций намотки кабеля в обсадной колонне или вокруг нее вместо применения прямого кабеля вдоль ствола скважины, как показано на ФИГ. 1-4 и обсуждается далее. Другой способ включает применение в кабелях магнитного экранирования (например, с помощью высокопроницаемого мю-металла), как показано на ФИГ. 5-9 и обсуждается далее. В других способах могут комбинировать применение различных ориентаций обмоток кабеля с магнитным экранированием. Например, в конфигурации скрученного кабеля может быть использован мю-металл с высокой магнитной проницаемостью. В другом примере любой из кабелей по ФИГ. 5-9 может быть использован в любой из конфигураций по ФИГ. 1-4.

Магнитное поле, создаваемое кабелем в обсадной колонне, может быть представлено полным током, протекающим в кабеле, I_C. Ток, протекающий в обсадной колонне обратно к земле, может быть представлен величиной I_t(β), имеющей азимутальный угол β относительно опорной скважины. Соответственно, при расстоянии R между датчиками в измеряемой скважине и обсадной колонне в опорной скважине магнитное поле H, принимаемое датчиками, может быть выражено с помощью следующего уравнения

Ток кабеля и ток обсадной колонны являются очень близкими по значению из-за заземления в устье скважины, что может быть выражено уравнением

Часть тока обсадной колонны может исчезать или ток может уменьшаться из-за ухудшения свойств трубы и/или утечки тока в геологические формации. В таких случаях ток I_C в уравнении (2) является бóльшим, чем суммарный ток обсадной колонны во всех азимутальных направлениях. Тогда уравнение (2) может характеризовать очень слабое магнитное поле или отсутствие магнитного поля в уравнении (1), вследствие чего спускаемые в скважину на кабель-канате измерительные датчики в измеряемой скважине могут быть не в состоянии измерять поле и определять расстояние и/или направление относительно опорной скважины во время выполнения операции, осуществляемой при помощи кабель-каната.

На ФИГ. 1 представлена схема приведенной в качестве примера однопроводной направляющей системы, имеющей спиральную конфигурацию согласно аспектам настоящего раскрытия. В этом варианте осуществления может быть применен типовой кабель 100, скрученный в спираль, и/или один из видов обсуждаемых далее кабелей с магнитным экраном, например, из мю-металлов с высокой магнитной проницаемостью.

На ФИГ. 1 показан кабель 100, скрученный в спираль внутри обсадной колонны 102 опорной скважины. Скрученный кабель 100 (например, соленоидный кабель) заканчивается внутри скважины в нижней части обсадной колонны 102 оконечным устройством 107. Оконечное устройство 107 может представлять собой грузовую штангу, которая электрически контактирует с обсадной колонной 102, или какое-либо другое проводящее оконечное устройство между кабелем 100 и обсадной колонной 102.

Кабель 100 соединен с источником 110 питания на поверхности формации 130, в которой пробурены опорная скважина и измеряемая скважина 103. Источник 110 питания обеспечивает ток I_C по кабелю 100. Заземление 111 источника питания может быть замкнуто на землю в устье скважины, которое электрически соединено с обсадной колонной или с геологической формацией 130. Благодаря оконечному устройству 107 между скрученным кабелем 100 и обсадной колонной 102 возникает ток I_t(β) обсадной колонны, который возвращается к заземлению 111 источника питания.

В измеряемой скважине 103 могут быть установлены датчики 105 (например, датчики в составе каротажного прибора на кабель-канате или бурильной колонны, которые, например, являются частью оборудования нижней части бурильной колонны (bottom hole assembly, BHA)) для измерения магнитного поля, создаваемого в опорной скважине. Датчики 105 могут включать трехосные магнитометры или измерительные датчики градиента магнитного поля. Датчики 105 расположены на расстоянии R (см. уравнение (1)) от скрученного кабеля 100 опорной скважины.

Кабель 100, имеющий спиральную конфигурацию, создает магнитные поля 121 в различных направлениях по сравнению с магнитными полями 120, создаваемыми током обсадной колонны. На ФИГ. 1 определено, что направление оси z является направлением вдоль ствола скважины, а направление оси x является направлением от буровой скважины к опорной скважине. Магнитные поля 120 на датчиках, связанные с током I_t(β) обсадной колонны, направлены по оси y, а магнитные поля 121 от скрученного кабеля 100 направлены как по оси y, так и по оси z.

Поле от скрученного кабеля 100, направленное по оси y, как правило, является подобным, но противоположным по знаку полю 120, создаваемому током I_t(β) обсадной колонны и направленному по оси y. Таким образом, суммарные магнитные поля, направленные по оси y, на датчиках 105 будут отсутствовать согласно уравнению (1). С другой стороны, чем больше витков содержит скрученный кабель 100, тем более неуравновешенными будут поля в направлении осей y и z. В одном или более вариантах осуществления, например, если скрученный кабель 100 образует много витков и/или имеет относительно большой радиус каждого витка, уравнение (1) не будет выполняться. Таким образом, можно получить значительное суммарное поле (поля, направленные по осям y и z) в скважине, обусловленное током I_C кабеля по ФИГ. 1, так что такое суммарное поле может быть определено с помощью различных конфигураций датчиков 105 в измеряемой скважине 130.

На ФИГ. 2 представлена схема приведенной в качестве примера однопроводной направляющей системы, которая включает кабель, который заканчивается внутри скважины на наружной стороне от обсадной колонны опорной скважины, согласно аспектам настоящего раскрытия. Кабель 200 может включать прямой кабель (т. е. не скрученный) или один из вариантов осуществления кабеля по ФИГ. 5-9.

На ФИГ. 2 показана обсадная колонна 202, окруженная изолирующим бетонным слоем 213. Кабель 200 встроен в изолирующий бетонный слой 213 и соединен с обсадной колонной в терминальной точке 207 кабеля. Терминальная точка 207 может быть любым местом вдоль обсадной колонны 202 опорной скважины согласно различным вариантам осуществления.

Кабель 200 также соединен с источником 210 питания на поверхности формации 230, в которой пробурены скважины. Источник 210 питания обеспечивает ток I_C по кабелю 200. Заземление 211 источника питания может быть замкнуто на землю в устье скважины, которое электрически соединено с обсадной колонной или с геологической формацией 230.

Источник 210 питания подает ток I_C посредством кабеля 200 к терминальной точке 207. Затем ток возвращается к заземлению на обсадной колонне, как это показано с помощью обратного тока I_t(β).

Измеряемая скважина 203 содержит датчики 205 (например, магнитометры, измерительные датчики градиента магнитного поля), которые расположены на расстоянии R от центра обсадной колонны 202 опорной скважины. Датчики 205 могут входить в состав каротажного прибора на кабель-канате или в состав бурильной колонны, например, могут быть частью оборудования нижней части бурильной колонны (BHA).

С помощью одного из кабелей по ФИГ. 5-9 ток может быть подан на конец опорной скважины для создания бóльших неуравновешенных суммарных полей по сравнению с полями, создаваемыми таким же током в типовом прямом кабеле. Результирующие магнитные поля принимаются датчиками 205 в измеряемой скважине благодаря свойствам неуравновешенных магнитных полей между током I_C в кабеле 200 и током I_t(β) в обсадной колонне 202.

На ФИГ. 3 представлена схема приведенной в качестве примера однопроводной направляющей системы, имеющей спиральную конфигурацию снаружи от обсадной колонны опорной скважины, согласно аспектам настоящего раскрытия. В этом варианте осуществления применяют способы намотки, аналогичные способам, показанным на ФИГ. 5-9, которые представляют собой способы намотки кабеля, интегрированного с изолирующим цементным слоем 313.

Один конец скрученного в спираль кабеля 300 соединен с источником 310 питания на поверхности. Опорную скважину и измеряемую скважину 303 выбуривают в геологической формации 330. Кроме того, источник 310 питания заземлен либо на устье опорной скважины, либо на геологическую формацию 330. Источник 310 питания подает ток I_C кабеля.

Скрученный кабель 300 заканчивается на обсадной колонне 302 в терминальной точке 307. Терминальная точка 307 показана в нижней части обсадной колонны 302, но она может быть расположена в любом месте обсадной колонны 302. Соединение кабеля 300 с обсадной колонной 302 обеспечивает возврат тока I_t(β) обсадной колонны к заземлению источника питания.

Кабель 300 по ФИГ. 3 может представлять собой типовой кабель (с внутренним проводником и изолятором) или кабель с магнитным экраном. Цементный слой 313 обеспечивает как изоляцию кабеля 300 от обсадной колонны 302, так и фиксацию кабеля 300 относительно обсадной колонны 302. Система по ФИГ. 3 обеспечивает неуравновешенные магнитные поля, как было описано ранее. Поскольку кабель 300 постоянно установлен в цементном слое 313 вокруг обсадной колонны 302, кабель может быть постоянно доступен и может быть использован для других целей. Например, кабель 300 может представлять собой оптоволокно и его могут применять для целей мониторинга скважин.

На ФИГ. 4 представлена схема приведенной в качестве примера двухкабельной системы согласно аспектам настоящего раскрытия. Как кабель 400 источника тока, так и кабель 411 обратного тока расположены внутри обсадной колонны 402 опорной скважины.

Система по ФИГ. 4 включает кабель 400 источника тока, соединенный с выходом источника 410 питания. Кабель 411 обратного тока соединен с обратным проводом источника питания.

Как и в предыдущих вариантах осуществления, обсадная колонна 402 опорной скважины и измеряемая скважина 403 расположены в геологической формации 430. Измеряемая скважина 403 содержит датчики 405, которые расположены на расстоянии R от центра обсадной колонны 402 опорной скважины.

Первый кабель 400 из двух кабелей представляет собой кабель с магнитным экраном, например, показанным на ФИГ. 5-9. Второй кабель 411 из указанных двух кабелей является обычным, неэкранированным кабелем. Кабели 400, 411 не соединены с обсадной колонной 402 опорной скважины, поэтому ток обсадной колонны не возникает. Датчики 405 в измеряемой скважине 403 измеряют неуравновешенные магнитные поля 420, причем большую часть магнитных полей создает обычный, неэкранированный кабель. Либо кабель 400 источника тока, либо кабель 411 обратного тока может быть кабелем с магнитным экраном, при условии, что другой кабель является неэкранированным кабелем.

На ФИГ. 5-9 показаны различные варианты осуществления кабелей с магнитным экраном. В этих вариантах осуществления могут использовать кабель с: (a) магнитным экраном из материала с собственной проводимостью; (b) соленоидной обмоткой с собственной проводимостью или спиральной обмоткой вокруг материала цилиндрической формы с примесной проводимостью (например, мю-металл) или (c) другими ориентациями обмотки с собственной или примесной проводимостью (например, с цилиндрической, треугольной, прямоугольной или другими формами обмотки). Мю-металл может представлять собой сплав никель-железо.

На ФИГ. 5 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с металлической наружной частью, расположенной поверх изолятора согласно аспектам настоящего раскрытия. Показанный вариант осуществления включает металлическую оболочку 501 (например, стальную) для защиты проводника 504 и экранирующего элемента 503. Изолятор 502 изолирует проводник 504 и экранирующий элемент 503 от металлической оболочки 501. Экранирующий элемент 503 (например, изготовленный из металла, мю-металла) навит вокруг металлического проводника 504 (например, из меди). В одном варианте осуществления экранирующий элемент 503 спирально навит вокруг металлического проводника 504.

На ФИГ. 6 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с треугольным металлическим сердечником согласно аспектам настоящего раскрытия. Показанный вариант осуществления включает треугольный металлический сердечник 602 (например, изготовленный из металла, мю-металла), вокруг которого навит металлический проводник 603 (например, из меди), который обеспечивает магнитное экранирование металлического сердечника 602. Изолятор 601 охватывает кабель для его защиты, а также для изолирования проводника 602 и экранирующего элемента 603 от контакта с другими металлическими поверхностями. Металлический проводник 603 может быть спирально навит вокруг металлического сердечника 602.

На ФИГ. 7 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с наружным изолятором согласно аспектам настоящего раскрытия. Показанный вариант осуществления включает цилиндрический металлический сердечник 702 (например, изготовленный из металла, мю-металла), вокруг которого навит металлический проводник 703 (например, из меди), который обеспечивает магнитное экранирование металлического сердечника 702. Изолятор 701 охватывает кабель для его защиты, а также для изолирования металлического проводника 702 и экранирующего элемента 703 от контакта с другими металлическими элементами. Металлический проводник 703 может быть спирально навит вокруг металлического сердечника 702.

На ФИГ. 8 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с проводящим материалом цилиндрической формы, на который навит изолированный провод, согласно аспектам настоящего раскрытия. Показанный вариант осуществления включает металлический сердечник 802 (например, из меди), окруженный изолятором 801, т. е. представляет собой изолированный провод. Для формирования кабеля этот изолированный провод спирально навивают вокруг цилиндрического проводящего материала 800 (например, металла, мю-металла). Изолированный провод может быть спирально навит вокруг проводящего материала 800 цилиндрической формы.

На ФИГ. 9 представлена схема приведенного в качестве примера экранированного кабеля с проводящим материалом прямоугольной формы, на который навит изолированный провод, согласно аспектам настоящего раскрытия. Показанный вариант осуществления включает металлический сердечник 902 (например, из меди), окруженный изолятором 901, т. е. представляет собой изолированный провод. Для формирования кабеля этот изолированный провод навивают вокруг цилиндрического проводящего материала 900 (например, металла, мю-металла) прямоугольной формы. Изолированный провод может быть спирально навит вокруг проводящего материала 900 прямоугольной формы.

Различные формы и составы в вариантах осуществления, показанных на ФИГ. 5-9, приведены исключительно в целях иллюстрации. Для кабелей с магнитным экраном могут быть использованы другие формы и составы.

На ФИГ. 10 представлена схема приведенного в качестве примера устройства с экранированным кабелем для реализации способа определения расстояния согласно аспектам настоящего раскрытия. Параметры этого устройства, смоделированные с использованием нижеследующих допущений для параметров, включены в уравнение (1) для формирования графиков, представленных на ФИГ. 11 и 12.

На ФИГ. 10 видно, что кабель 1000 содержит две секции 1001, 1002 со спиральной обмоткой. Предполагается, что каждая секция 1001, 1002 имеет длину L. Кроме того, между двумя секциями 1001, 1002 спиральной обмотки имеется разделяющее расстояние S.

Одна спиральная обмотка 1001 выполнена в направлении против часовой стрелки, а другая спиральная обмотка 1002 выполнена в направлении по часовой стрелке. Внутренний проводник 1005 может быть использован в качестве цепи токового ввода, а наружный проводник 1001, 1002 может быть использован в качестве цепи обратного тока. Проводник цепи токового ввода и проводник цепи обратного тока являются взаимозаменяемыми. Цепь ввода может быть преобразована в возвратную цепь путем изменения направления тока (т. е. приложения положительного напряжения к одной цепи и отрицательного напряжения к другой цепи).

Нижеследующие допущения для параметров используют при моделировании устройства по ФИГ. 10 только для формирования графиков по ФИГ. 11 и 12 и не они предполагают ограничения для любых других примеров, приведенных в настоящем документе: радиус скрученного кабеля = 2,54 см, L = 4 м, S = L, вводимый ток составляет 1 A, а плотность скрученного кабеля равна D=N/L=200 = количеству витков на метр. Предполагается, что датчик (например, магнитометр, прибор, спускаемый в скважину на кабель-канате) находится в 5 метрах от кабеля в направлении оси x. Z = 0 м для точки P, которая соответствует положению датчика между двумя секциями 1001, 1002 спиральной обмотки.

На ФИГ. 11 представлен график, демонстрирующий плотности энергии неуравновешенного магнитного поля в направлении оси x и в направлении оси z для устройства с экранированным кабелем по ФИГ. 10. На ФИГ. 12 представлен график, демонстрирующий суммарную плотность энергии магнитного поля в точке, соответствующей расположению датчика, Р для устройства с экранированным кабелем по ФИГ. 10. На обоих графиках магнитное поле представлено в размерности ампер/метр (A/м) в направлении оси z. Из графиков видно, что максимальное поле для показанного варианта осуществления составляет приблизительно 0,57 А/м (или ~ 716 нТл). Это относительно большое значение магнитного поля для типовых методов определения расстояния.

Варианты осуществления по ФИГ. 10, 11 и 12 приведены исключительно в целях иллюстрации типового варианта осуществления определения расстояния. Другие варианты осуществления могут предполагать использование других параметров, которые обуславливают создание других магнитных полей в месте расположения P датчика.

На ФИГ. 13 представлена схема, изображающая систему 1364 каротажного каната, а на ФИГ. 14 представлена схема, изображающая систему 1464 буровой установки. Таким образом, системы 1364 и 1464 могут содержать части корпуса 1320 каротажного прибора на кабель-канате, включая вышеописанные датчики, при осуществлении операций каротажа на кабель-канате или скважинного инструмента 1424, включая вышеописанные датчики, при осуществлении скважинных буровых работ.

На ФИГ. 13 показана скважина, которая может быть использована в качестве измеряемой скважины или опорной скважины. В данном случае буровая платформа 1386 оборудована буровой вышкой 1388, которая поддерживает подъемник 390. Если настоящую скважину используют в качестве опорной скважины, датчики в каротажном приборе 1320 на кабель-канате и показанный кабель могут быть заменены одним или более датчиков или кабелей из ранее упомянутых вариантов осуществления (например, скрученный кабель с магнитным экраном из материала с собственной проводимостью, соленоидной обмоткой с собственной проводимостью или спиральной обмоткой вокруг материала цилиндрической формы с примесной проводимостью (например, мю-металл) или с другими ориентациями обмотки с собственной или примесной проводимостью (например, с цилиндрической, треугольной, прямоугольной или другими формами обмотки).

Бурение нефтяных и газовых скважин, как правило, осуществляют с использованием колонны бурильных труб, соединенных между собой с образованием бурильной колонны, которую опускают через роторный стол 1310 в ствол скважины или в буровую скважину 1312. В данном случае предполагается, что бурильную колонну временно извлекают из буровой скважины 1312 для возможности опускания каротажного прибора 1320 на кабель-канате, например, зонда, с помощью каротажного или геофизического каната 1374 (например, тросового каната) в буровую скважину 1312. Как правило, каротажный прибор 1320 на кабель-канате опускают на дно исследуемой области и затем поднимают вверх с по существу постоянной скоростью. В одном или большем количестве вариантов осуществления буровая скважина 1312 по ФИГ. 3 может представлять собой измеряемую скважину для опорной скважины по ФИГ. 14. Если настоящую скважину используют в качестве измеряемой скважины, каротажный прибор 1320 на кабель-канате может содержать датчики для измерения магнитного поля, создаваемого в опорной скважине.

Во время подъема на различных глубинах различные приборы могут быть использованы для проведения измерений в подземных геологических формациях 1314, прилегающих к буровой скважине 1312 (и к блоку 1320 прибора), в том числе для измерения магнитного поля, создаваемого в опорной скважине. Данные, получаемые с помощью прибора на кабель-канате, могут быть переданы на средство регистрации 392, расположенное на поверхности, для обработки, анализа и/или сохранения. Средство регистрации 1392 может содержать электронное оборудование, например, контроллер, для различных типов обработки сигналов. Контроллер 1396 может быть соединен с прибором для определения расстояния и выполнен с возможностью определения и выделения на основе суммарного магнитного поля относительного расстояния и направления измеряемой скважины относительно опорной скважины. Подобные данные оценки параметров формации могут быть собраны и проанализированы в ходе выполнения буровых работ (например, во время выполнения операций каротажа или измерений во время бурения (LWD/MWD), и, соответственно, отбора образцов во время бурения).

В некоторых вариантах осуществления корпус 1320 прибора подвешивают в стволе скважины с помощью каротажного кабеля 1374, который соединяет прибор с блоком управления (например, содержащим рабочую станцию 1354) на поверхности земли. Прибор может быть установлен в буровой скважине 1312 на колонне гибких труб, сочлененной бурильной трубе, буровой трубе с жестким монтажом проводки или любых других подходящих средствах для размещения.

Как можно видеть на ФИГ. 14, система 1464 также может представлять собой часть буровой установки 1402, размещенной на поверхности 1404 скважины 1406. Буровая установка 1402 может обеспечивать опору для бурильной колонны 1408. Бурильная колонна 1408 может быть выполнена с возможностью прохождения через роторный стол 1310 для выбуривания буровой скважины 1312 в подземных формациях 1314. Бурильная колонна 1408 может содержать буровую трубу 1418 и оборудование 1420 нижней части бурильной колонны, которое может быть расположено в нижней части буровой трубы 1418.

Оборудование 1420 нижней части бурильной колонны может содержать утяжеленные бурильные трубы 1422, скважинный инструмент 1424 и буровое долото 1426. Буровое долото 1426 может быть выполнено с возможностью создания буровой скважины 1312 за счет проникновения в поверхность 1404 и подземные формации 1314. Скважинный инструмент 1424 может содержать любое количество приборов различных типов, включая датчики, используемые для измерения магнитных полей согласно вышеприведенному описанию, приборы для измерений во время бурения, приборы для каротажа во время бурения и другие приборы. Датчики могут быть использованы для измерения магнитных полей и передачи информации на контроллер 1396, который затем может управлять направлением и глубиной буровых работ таким образом, чтобы поддерживать определенное расстояние до опорной скважины.

Во время выполнения буровых работ бурильную колонну 1408 (которая может содержать буровую трубу 1418 и оборудование 1420 нижней части бурильной колонны) может приводить во вращение роторный стол 1310. Хотя это не показано, в дополнение или в качестве альтернативы, оборудование 1420 нижней части бурильной колонны также могут приводить во вращение с помощью двигателя (например, гидравлического забойного двигателя), который расположен в забое скважины. Буровые воротники 1422 могут использовать для увеличения массы бурового долота 1426. Буровые воротники 1422 также могут придавать жесткость оборудованию 1420 нижней части бурильной колонны, что позволяет оборудованию 1420 нижней части бурильной колонны передавать дополнительную массу на буровое долото 1426 и, в свою очередь, способствует проникновению бурового долота 1426 через поверхность 1404 и подземные формации 1314.

Во время выполнения буровых работ буровой насос 1432 может закачивать буровую текучую среду (также известную специалисту в данной области техники как «буровой раствор») из бака 1434 для бурового раствора через шланг 1436 в буровую трубу 1418 и вниз к буровому долоту 1426. Буровая текучая среда может вытекать из бурового долота 1426 и возвращаться на поверхность 1404 через кольцевое пространство 440 между буровой трубой 1418 и боковыми стенками буровой скважины 1312. Затем буровую текучую среду могут возвращать в бак 1434 для бурового раствора, в котором эту текучую среду фильтруют. В некоторых вариантах осуществления буровую текучую среду могут использовать для охлаждения бурового долота 1426, а также для смазывания бурового долота 1426 при выполнении буровых работ. Кроме того, буровая текучая среда может быть использована для удаления из подземной формации бурового шлама, образуемого при работе бурового долота 1426.

Рабочая станция 1354 и контроллер 1396 могут включать модули, содержащие схемы аппаратного обеспечения, процессор и/или схемы памяти, которые могут хранить модули и объекты программно-реализованного программного обеспечения, и/или аппаратно-реализованное программное обеспечение, а также их комбинации. Рабочая станция 1354 и контроллер 1396 могут быть выполнены с возможностью управления направлением и глубиной бурения путем выполнения команд для определения расстояния от опорной скважины с использованием способа определения расстояния с применением неуравновешенных магнитных полей, согласно нижеследующему описанию. Например, контроллер 1396 может быть выполнен с возможностью определения и выделения на основе суммарного магнитного поля относительного расстояния и направления измеряемой скважины относительно опорной скважины. Например, в некоторых вариантах осуществления такие модули могут быть включены в пакет программ для моделирования работы устройства и/или системы, например, пакет программного моделирования электрического сигнала, пакет моделирования потребления и распределения энергии, пакет моделирования рассеивания энергии/тепла, и/или в комбинацию программного обеспечения и аппаратного обеспечения, используемых для моделирования работы различных возможных вариантов осуществления.

На ФИГ. 15 представлена блок-схема, изображающая вариант осуществления способа определения расстояния между опорной скважиной и измеряемой скважиной с использованием неуравновешенные магнитных полей. На этапе 1501 от источника питания ток подают в скважину посредством цепи ввода (например, по скрученному кабелю). Ток может представлять собой постоянный ток или переменный ток какого-либо вида (например, тактовый сигнал, синусоидальный сигнал).

На этапе 1503 обеспечивают возвратную цепь для тока. Возвратная цепь может представлять собой обсадную колонну опорной скважины или другой кабель. Возвратная цепь соединена с заземлением источника питания.

На этапе 1505 измеряют неуравновешенные магнитные поля, создаваемые цепью ввода и возвратной цепью. Измерение может быть выполнено из измеряемой скважины во время выполнения операции, осуществляемой при помощи инструмента, спускаемого на кабель-канате, как показано на ФИГ. 13, или при осуществлении операции измерения во время бурения/каротажа во время бурения (MWD/LWD), как показано на ФИГ. 14 и как обсуждалось ранее.

На этапе 1507 измеряют суммарное магнитное поле. Датчики воспринимают суммарное магнитное поле при наличии тока в цепи ввода и возвратной цепи. Поскольку первое и второе магнитные поля являются неуравновешенными, датчики воспринимают суммарное магнитное поле, которое является достаточно сильным для определения относительного расстояния и направления между опорной скважиной и буровой скважиной.

На этапе 1509 относительное расстояние и направление измеряемой скважины относительно опорной скважины определяют на основании суммарного магнитного поля. Значение расстояния от скважины затем может быть использовано для регулирования направления измеряемой скважины во время выполнения буровых работ. Если магнитное поле увеличивается, измеряемая скважина приближается к опорной скважине. Если магнитное поле уменьшается, измеряемая скважина отдаляется от опорной скважины. Кроме того, для непосредственного определения относительного расстояния могут быть использованы измерительные датчики градиента магнитного поля, которые выполняют трехкоординатные измерения.

Пример 1 представляет собой способ определения расстояния между опорной скважиной и измеряемой скважиной, причем согласно этому способу: генерируют внутрискважинный ток через цепь токового ввода, причем цепь токового ввода создает первое магнитное поле; принимают обратный ток через возвратную цепь, причем возвратная цепь создает второе магнитное поле, причем первое и второе магнитные поля являются неуравновешенными друг относительно друга; и измеряют первое и второе магнитные поля.

В примере 2 объект по примеру 1 может дополнительно включать измерение суммарных магнитных полей на основе первого и второго магнитных полей.

В примере 3 объект по примерам 1 и 2 может дополнительно включать определение на основе суммарного магнитного поля относительного расстояния и направления измеряемой скважины относительно опорной скважины.

В примере 4 объект по примерам 1-3 может дополнительно учитывать, что цепь ввода и возвратная цепь являются взаимозаменяемыми.

В примере 5 объект по примерам 1-4 может дополнительно учитывать, что генерирование внутрискважинного тока через цепь токового ввода включает генерирование внутрискважинного тока в скрученном кабеле.

В примере 6 объект по примерам 1-5 может дополнительно учитывать, что скрученный кабель соединен с обсадной колонной опорной скважины таким образом, что обсадная колонна представляет собой возвратную цепь.

В примере 7 объект по примерам 1-6 может дополнительно учитывать, что скрученный кабель расположен внутри или снаружи обсадной колонны опорной скважины.

В примере 8 объект по примерам 1-7 может дополнительно учитывать, что генерирование внутрискважинного тока через цепь токового ввода включает генерирование внутрискважинного тока в кабеле с магнитным экраном из материала с собственной проводимостью.

Пример 9 представляет собой систему для определения расстояния между опорной скважиной и измеряемой скважиной, содержащую: цепь токового ввода, связанную с обсадной колонной опорной скважины, причем цепь токового ввода выполнена с возможностью создания первого магнитного поля; возвратную цепь, соединенную с цепью токового ввода, причем возвратная цепь выполнена с возможностью создания второго магнитного поля так, что первое и второе магнитные поля являются неуравновешенными друг относительно друга; причем цепь ввода и возвратная цепь являются взаимозаменяемыми.

В примере 10 объект по примеру 9 может дополнительно учитывать, что цепь токового ввода или цепь обратного тока содержит скрученный кабель.

В примере 11 объект по примерам 9 и 10 может дополнительно учитывать, что скрученный кабель вмурован в бетон вокруг наружной поверхности обсадной колонны опорной скважины.

В примере 12 объект по примерам 9-11 может дополнительно учитывать, что цепь токового ввода или цепь обратного тока включает обсадную колонну опорной скважины.

В примере 13 объект по примерам 9-12 может дополнительно учитывать, что скрученный кабель содержит кабель из мю-металла с высокой магнитной проницаемостью.

В примере 14 объект по примерам 9-13 может дополнительно учитывать, что скрученный кабель содержит проволоку из мю-металла, навитую вокруг проводящего сердечника.

В примере 15 объект по примерам 9-14 может дополнительно учитывать, что скрученный кабель содержит проводящую проволоку, навитую вокруг сердечника из мю-металла.

В примере 16 объект по примерам 9-15 может дополнительно учитывать, что скрученный кабель содержит сердечник, имеющий форму одного из следующего: треугольника, цилиндра или прямоугольника.

В примере 17 объект по примерам 9-16 может дополнительно учитывать, что цепь токового ввода представляет собой первый кабель, а возвратная цепь представляет собой второй кабель.

В примере 18 объект по примерам 9-17 может дополнительно учитывать, что первый кабель представляет собой скрученный кабель, а второй кабель представляет собой прямой кабель.

В примере 19 объект по примерам 9-18 может дополнительно учитывать, что цепь токового ввода представляет собой скрученный кабель, расположенный внутри или снаружи обсадной колонны опорной скважины, а возвратная цепь представляет собой обсадную колонну опорной скважины.

Пример 20 представляет собой систему, содержащую: опорную скважину, содержащую обсадную колонну; источник питания, соединенный с обсадной колонной и выполненный с возможностью подачи тока в скважину через цепь ввода и приема обратного тока из возвратной цепи, причем цепь ввода создает первое магнитное поле, а возвратная цепь создает второе магнитное поле, которое является неуравновешенным по отношению к первому магнитному полю; прибор для определения расстояния в измеряемой скважине, выполненный с возможностью измерения суммарного поля на основе первого и второго неуравновешенных магнитных полей; и контроллер, связанный с прибором для определения расстояния, выполненный с возможностью определения и выделения на основе суммарного магнитного поля относительного расстояния и направления измеряемой скважины относительно опорной скважины.

В примере 21 объект по примеру 20 может дополнительно учитывать, что цепь ввода или возвратная цепь содержит скрученный кабель, который заканчивается в обсадной колонне.

В примере 22 объект по примерам 20 и 21 может дополнительно учитывать, что источник питания заземлен на устье опорной скважины или на расположенную рядом с ним геологическую формацию.

Сопроводительные чертежи, которые являются частью настоящего документа, представляют собой не предполагающие ограничения иллюстрации конкретных вариантов осуществления, в которых предмет изобретения может быть реализован на практике. Проиллюстрированные и раскрытые варианты осуществления описаны достаточно подробно для того, чтобы специалисты в данной области техники могли практически реализовать изложенные в настоящем документе идеи. Могут быть применены другие варианты осуществления и производные от них, в которых структурные и логические замены и изменения могут быть предложены без отступления от объема настоящего изобретения. Поэтому настоящее подробное описание не следует рассматривать в ограничительном смысле, а объем различных вариантов осуществления определяется только прилагаемой формулой изобретения вместе с полным диапазоном эквивалентов, на которые распространяется настоящая формула изобретения.

1. Способ определения расстояния между опорной скважиной и измеряемой скважиной, согласно которому:

генерируют внутрискважинный ток через цепь токового ввода, причем цепь токового ввода создает первое магнитное поле;

принимают обратный ток через возвратную цепь, причем возвратная цепь создает второе магнитное поле, причем первое и второе магнитные поля являются неуравновешенными относительно друг друга; и

измеряют первое и второе магнитные поля,

при этом способ дополнительно включает измерение суммарных магнитных полей на основе указанных первого и второго магнитных полей, а также определение на основе суммарного магнитного поля относительного расстояния и направления измеряемой скважины относительно опорной скважины.

2. Способ по п. 1, в котором дополнительно цепь ввода и возвратная цепь являются взаимозаменяемыми.

3. Способ по п. 1, согласно которому генерирование внутрискважинного тока в цепи токового ввода включает генерирование внутрискважинного тока в скрученном кабеле.

4. Способ по п. 3, согласно которому скрученный кабель соединяют с обсадной колонной опорной скважины таким образом, что обсадная колонна представляет собой возвратную цепь.

5. Способ по п. 4, согласно которому скрученный кабель располагают внутри или снаружи обсадной колонны опорной скважины.

6. Способ по п. 1, согласно которому генерирование внутрискважинного тока в цепи токового ввода включает генерирование внутрискважинного тока в кабеле с магнитным экраном из материала с собственной проводимостью.

7. Система для определения расстояния между опорной скважиной и измеряемой скважиной, содержащая:

цепь токового ввода, связанную с обсадной колонной опорной скважины, причем цепь токового ввода выполнена с возможностью создания первого магнитного поля;

возвратную цепь, соединенную с цепью токового ввода, причем возвратная цепь выполнена с возможностью создания второго магнитного поля так, что первое и второе магнитные поля являются неуравновешенными относительно друг друга; причем цепь ввода и возвратная цепь являются взаимозаменяемыми.

8. Система по п. 7, в которой цепь токового ввода или цепь обратного тока содержит скрученный кабель.

9. Система по п. 8, в которой скрученный кабель вмурован в бетон вокруг наружной поверхности обсадной колонны опорной скважины.

10. Система по п. 9, в которой цепь токового ввода или цепь обратного тока включает обсадную колонну опорной скважины.

11. Система по п. 8, в которой скрученный кабель содержит кабель из мю-металла с высокой магнитной проницаемостью.

12. Система по п. 11, в которой скрученный кабель содержит проволоку из мю-металла, навитую вокруг проводящего сердечника.

13. Система по п. 11, в которой скрученный кабель содержит проводящую проволоку, навитую вокруг сердечника из мю-металла.

14. Система по п. 11, в которой скрученный кабель включает сердечник, имеющий форму одного из следующего: треугольника, цилиндра или прямоугольника.

15. Система по п. 7, в которой цепь токового ввода представляет собой первый кабель, а возвратная цепь представляет собой второй кабель.

16. Система по п. 15, в которой первый кабель представляет собой скрученный кабель, а второй кабель представляет собой прямой кабель.

17. Система по п. 7, в которой цепь токового ввода представляет собой скрученный кабель, расположенный внутри или снаружи обсадной колонны опорной скважины, а возвратная цепь представляет собой обсадную колонну опорной скважины.

18. Система для определения расстояния между опорной скважиной и измеряемой скважиной, содержащая:

опорную скважину, содержащую обсадную колонну;

источник питания, соединенный с обсадной колонной и выполненный с возможностью подачи тока в скважину через цепь ввода и приема обратного тока из возвратной цепи, причем цепь ввода создает первое магнитное поле, а возвратная цепь создает второе магнитное поле, которое является неуравновешенным по отношению к первому магнитному полю;

прибор для определения расстояния, расположенный в измеряемой скважине и выполненный с возможностью измерения суммарного поля на основе первого и второго неуравновешенных магнитных полей; и

контроллер, связанный с прибором для определения расстояния и выполненный с возможностью определения и выделения на основе суммарного магнитного поля относительного расстояния и направления измеряемой скважины относительно опорной скважины.

19. Система по п. 18, в которой цепь ввода или возвратная цепь содержит скрученный кабель, который заканчивается на обсадной колонне.

20. Система по п. 18, в которой источник питания заземлен на устье опорной скважины или на расположенную рядом с ним геологическую формацию.