確定鑽孔方位角的方法
2023-10-22 20:15:02 2
專利名稱:確定鑽孔方位角的方法
本發明涉及用於確定鑽在地下地層中的鑽孔方位角的方法。
本發明特別涉及藉助包括在鑽具組中的磁檢測器裝置來確定和修正偏差磁場對方位角測量的影響的方法，該偏差磁場是由於鑽具組的磁化造成的。
在深孔鑽孔操作中，一般的做法是用檢測器裝置時時測量鑽孔的進程，該檢測器裝置包括在鑽具組靠近其底端處。檢測器裝置一般包括測量局部磁場在三個正交方向上的分量的一組磁強計。因為地球磁場矢量的方向與局部重力矢量的方向一起，是確定鑽孔進程的合適參照，所以目的是要使由檢測器部件測出的磁場作為地球磁場的精確表示。
當測量鑽具組存在於鑽孔中時的檢測裝置相對於地球磁場的取向時，由於鑽具組的磁化而引起的偏差磁場會使如此測得的取向出現明顯的偏差。為儘可能減小這個偏差的幅度，現行的做法是將檢測器裝置安置在由無磁性物質製成的鑽孔套管中。此外，這種套管通常安置在包括有一系列套管的鑽具組部件中，以達到使鑽孔組件的鋼部件，如套管上的鑽頭和鑽管，對檢測器所在部位的磁場的影響減到最小。使用無磁性鑽孔套管要遇到的問題是這些套管在鑽孔中可能磁化，特別是在靠近檢測器組件處存在所謂磁點會顯著地損害方位角測量的精確度。
由美國書第4，163，324號可知道部分消除由於在檢測器裝置處的偏差磁場造成的方位角測量偏差的方法，該磁場主要是鑽具組磁化的結果。在該已知方法中，假定在檢測器的位置上偏差磁場矢量是沿著鑽孔軸。儘管已知的修正方法一般提高了方位角測量的精確度，但它沒有修正垂直於軸向的偏差磁場。所述垂直於軸向的偏差磁場可能源於磁點的存在或鑽孔組件中的鋼部件。
本發明的目的是提供改進的方位角測量，其中由鑽具組磁化而造成的偏差得到了比現有技術方法更精確的修正。
根據本發明，提供了確定鑽具組磁化對鑽孔中方位角測量的影響的方法，該方法藉助包括在鑽具組中的具有大致與鑽孔的縱軸共軸的中心軸2的檢測器裝置，該裝置還包括至少一個磁強計，用於測量檢測器部件處磁場
的垂直於軸向的分量，該方法包括既消除磁強計處鑽具組磁化垂直於軸向的分量，也消除它的軸向分量的影響，其中在消除軸向鑽具組磁化的影響之前，通過繞鑽孔縱軸旋轉帶檢測器裝置的鑽具組，同時對鑽具組的不同取向測量所述垂直軸向的分量，從而消除垂直於軸向的鑽具組磁化的影響。
在本發明的最佳實施方案中，檢測器裝置包括三個用於測量三個互相正交的方向X、Y和Z上的分量Bx，By和Bz的磁強計，其中鑽具組磁化引起的垂直於軸向的偏差分量Mx和My的對測出磁場的影響通過在以Bx作為橫坐標而將By作為縱坐標的圖中標繪出鑽孔中的檢測器裝置在不同取向上測出的磁場垂直於軸向的分量Bx和By而確定。如果鑽具組旋轉過大約360°的角度範圍，可在該坐標圖中通過這樣測得的垂直於軸向的分量Bx和By作出封閉的圓形曲線，在其上鑽具組的磁化矢量
垂直於軸向的偏差分量Mx和My可根據該坐標圖中的圓形曲線的中心的確定。
下面將參考附圖對本發明加以詳細的描述，其中
圖1是包括三維測量裝置的鑽具組的透視示意圖;
圖2是坐標圖，在其中當鑽具組在鑽孔中旋轉時，標繪出由垂直於軸向的檢測器測出的垂直於軸向的磁場;
圖3是矢量圖，顯示測出的磁場矢量的位置，相對於由重力矢量和地球磁場矢量確定的圓錐面，對垂直於軸向的鑽具組的磁化進行修正;
圖4是坐標圖，在其中對於軸向的鑽具組磁化的不同假定量值，計算圓錐底和所述修正矢量之間的距離;
圖5顯示本發明的另一實施方案，其中檢測器部件包括單一的磁強計;
圖6顯示圖5中的裝置的磁強計的讀數，該讀數是對於裝置的不同取向旋轉鑽具組而得到的。
在圖1中顯示了鑽孔部件1，它包括連接在鑽具組3下端的鑽頭2。鑽具組3的最下部分包括兩個無磁性鑽孔套管4。無磁性鑽孔套管4之一上安置有三維測量裝置5，該裝置用於測定套管4的中心軸Z的方位角和傾角，該軸在鑽頭2的部位處大體同鑽孔的縱軸共軸。
測量裝置5包括三個加速度計(未顯示)和三個磁強計(未顯示)上述三個加速度計用來檢測三個互相正交方向X、Y和Z上的重力分量，上述三個磁強計用來測量該裝置部位處同樣三個互相正交方向上的磁場。
圖1中顯示了由裝置5測量的重力矢量
和局部磁場矢量
，矢量
等於由加速度計量的分量gx，gy和gz的矢量和，矢量
等於裝置5的磁強計測量的分量Bx，By，Bz的矢量和。如圖所示;矢量Bm相對於重力矢量
成θm角，該夾角可根據已知的數學公式計算出來。
圖1中還顯示了真實地球磁場矢量B。和這個矢量相對於重力矢量
的傾角Qo。磁場矢量
和它相對於重力矢量
的取向可由鑽孔測量獨立地得到，如由鑽孔外部或內部的測量或地磁繪圖數據得到。
如在圖1中可看見的，測量出的磁場矢量
同真實的磁場矢量
並不一致。這是由在測量裝置處的偏差磁場矢量M造成的，該磁場主要是無磁性鑽孔套管4中存在分離的磁點S和鑽孔組件1中存在鋼部件的結果。在圖1中，矢量
被分解成軸向分量Mz和垂直於軸向的矢量
xy，該垂直於軸向的矢量
等於分量Mx和My的矢量和。
根據本發明，通過先測定偏差磁場垂直於軸向的矢量
，然後測定軸向分量Mz，從而消除偏差磁場
的影響。
垂直於軸向的矢量
xy的測定，是通過將鑽具組繞中心軸Z轉約360°，從而同時繞中心軸Z旋轉裝置5，同時對於裝置5相對於中心軸Z的不同取向連續或斷續地測量磁場
m而實現的。如圖1中顯示的那樣，鑽孔組件沿箭頭的方向旋轉360°將導致矢量
xy同時沿著同樣的方向旋轉，這樣作出圓周C。矢量
xy的量值和方向是由圖2顯示的曲線圖確定的，在該圖中，把測量出訪磁場
垂直於軸向的分量Bx和By對於裝置相對於中心軸Z的不同取向作圖。在該圖中，Bx和By的測量值位於偏離該圖中心(0，0)的圓周上。矢量
xy根據圓心10相對於圖中心(0，0)的位置而確定。如圖所示，矢量
的量值是由圓心10和圖的中心(0，0)之間的距離確定的。
現在，在圖1的矢量圖中引入矢量B，該矢量
等於
-
。
由於矢量
可用下面的公式表示
＝(Mx，My，O)
並且
＝(Bx，By，Bz)
故矢量B可表示成
＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)。
現定義分量Bx-Mx為Bxc
且
By-My為Byc
則
＝(Bxc，Byc，Bz)＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)……(1)
公式(1)給出了鑽具組垂直於軸向的磁化對檢測裝置5測量磁場的影響的修正。
在如此消除了鑽具組垂直於軸向的磁化
對測量的影響後，可用與美國書第4，163，324號中所公布的類似的方法對軸向偏差分量Mz的影響進行修正。
然而，最好用下面參照圖3所描述的計算方法來就軸向鑽具組磁化對裝置5的測量結果的影響進行修正。
矢量
的量值可以表示為
B＝(B2xc+B2yc+B2z)1/2……(2)
而重力矢量
的量值為
g＝(g2x+g2y+g2z)1/2……(3)
這樣就能夠通過下列公式計算出矢量
和
之間的傾角θ
θ＝Cos-1〔(Bxcgx+Bycgy+Bzgz)/Bg〕……(4)
角θ在圖1中表示了，也在圖3中表示了，圖3是與圖1中顯示的矢量圖相似，但它簡化了。
由於矢量
只由其相對於重力矢量
的傾角θ所限定，因此矢量
相對於矢量
的位置的確定被複雜化了。此外，真實磁場矢量
。相對於軸x，y和z的精確取向仍然是未知的。然而。由於真實磁場矢量
相對於重力矢量
有傾角θo，因而可以理解到在圖3的矢量圖中，矢量
將位於錐面12上，該錐面12具有與矢量
重合的中心軸，並且其頂角等於2θo。角θo是已知的，因為它是獨立地從鑽孔測量得到的。
現在，在矢量圖中引入距離E，其中E表示錐面12的底周邊13和矢量
的頂點之間的距離。
距離E的量值由下列方程給出
E＝〔B2+B2o-2BBoCos(θ-θo)〕1/2……(5)
把這樣得到的E的值標繪在顯示在圖4當中的曲線圖中，在其中Bz是橫坐標，E是縱坐標。
下一步假定裝置5測出的磁場的軸向分量Bz可由於偏差磁場的軸向分量Mz而變化。這樣，Bz取成不同的假定值，而對於每個假定值，通過方程(2)，(3)，(4)和(5)計算出距離E的相應值。把這樣得到的E的不同值畫在圖4的坐標圖中，它給出了曲線14，其中在Bz的某一值Bzc處會出現極小值15。這樣偏差磁場的軸向分量Mz的量值就可由該曲線圖確定，它等於Bz和Bzc之間的距離，因為Bzc＝Bz-Mz。
在這樣確定了裝置5處的磁場軸向分量量值Bzc後，可用修正後的值Byc，Byc，Bzc根據已知的公式計算出鑽孔的方位角。
顯然，檢測器裝置可以不同的方式包括在鑽具組之中。該裝置可用電纜懸掛在鑽具組中，並用已知的方式固定在無磁性部件上，其中檢測器產生的信號通過電纜傳送到地面上。該裝置還可以固定在鑽具組上，或落放到在鑽具組內選定的位置，其中檢測器產生的信號可通過無線遙測系統傳送到地面，或儲存在記憶組件中，然後在將鑽孔組件從鑽孔中取出後讀出。
此外，除了顯示在圖2和圖4中的坐標圖外，也可用計算機計算程序來確定磁場的所述修正分量Bxc，Byc和Bzc。
另外，象參考圖5和6所要解釋的那樣，可在傾斜的鑽孔中用包括單一磁強計的測量裝置得到測出的磁場垂直於軸向的分量的修正垂直軸向分量值Bxc和Byc。在圖5所示的實施方案中，測量裝置包括安置在垂直於鑽具組縱軸的單一平面內的兩個互相正交的加速度計和單一的磁強計。這些加速度計沿互相垂直的軸x和y放置，而磁強計的軸M平行於x軸加速度計。如圖5所示，由磁強計測出的磁場分量Bmx等於地球磁場
o的x分量Box和由於鑽具組磁化造成的偏差磁場
的x分量Mx的和。當鑽具組在鑽孔中旋轉時，相對於鑽具組是靜止的磁強計對於每個重力高側角(high side angle)φ讀出恆定磁場貢獻Mx，而上述高側角φ是由x軸向和y軸向加速度計確定的。另外，磁強計同時讀出地球磁場
正弦變化的磁場貢獻Box。當鑽具組相對於傾斜鑽孔的縱軸旋轉過大約360°時，該磁強計讀出如圖6所示的正弦變化磁場，它是幅度Bxyc和零偏移Mxo與重力高側角φ的關係曲線。對於鑽孔中鑽具組的選定角度取向，因而對於選定的重力高側角φ1、Bxc通過對磁強計讀數就零偏移Mx進行修正而得到。Byc於是通過在與鑽具組的選定取向相距90°重力高側角處對磁強計讀數就零偏移Mx進行修正而從圖6所示的曲線得到。
權利要求
1、藉助包含在鑽具組中的檢測器裝置消除鑽具組磁化對鑽孔中方位角測量的影響的方法，該檢測器裝置具有大致與鑽孔縱軸共軸的中心軸，並且包括至少一個用於測量該檢測器裝置處的磁場Bm垂直於軸向的分量的磁強計，該方法包括消除磁強計處鑽具組磁化垂直於軸向的分量和軸向分量的影響，其中在消除軸向鑽具磁化的影響之前，先通過在鑽孔中繞其縱軸連同所包含的檢測器裝置一起旋轉鑽具組，同時對於鑽具組的不同取向測量磁場的所述垂直於軸向的分量，從而消除垂直於軸向的鑽具組磁化的影響。
2、權利要求
1的方法，其中檢測器裝置包括三個磁強計，用於測量磁場
在三個互相正交的方向x，y和z方向上的分量Bx，By和Bz，並且其中通過在以Bx為橫坐標並以By為縱坐標的圖上標繪出在檢測器裝置在鑽孔中處於不同取向時測得的磁場垂直於軸向的分量Bx和By，來確定鑽具組磁化垂直於軸向的偏差分量Mx和My對測出的磁場的影響。
3、權利要求
2的方法，其中鑽具組相對於中心軸Z旋轉過大約360°範圍的角度，並且其中在圖上對檢測器裝置的不同取向如此測出的磁場垂直於軸向的分量Bx和By繪出封閉的圓形曲線，並且其中鑽具組磁化矢量
垂直於軸向的偏差分量Mx和My是根據圖中的該曲線的中心位置確定的。
4、如在權利要求
1至3中的任何一個所要求的方法，其中從測出的磁場垂直於軸向的分量Bx和By中減去如此確定的鑽具組磁化矢量
垂直於軸向的偏差分量Mx和My，從而對於測出的磁場的垂直於軸向的分量確定出修正的垂直於軸向的值Bxc和Byc，並且引入對於垂直於軸向的鑽具組磁化的修正矢量(Bxc，Bxc，Bz)，它由下列公式表示
(Bxc，Byc，Bz)＝(Bx，By，Bz)-(Mx，My，O)
5、如權利要求
4所要求的方法，其中檢測器裝置裝有用於確定局部重力矢量g垂直於軸向的和軸向的分量gx，gy，gz的重力檢測器，並且其中軸向鑽具組磁化對方位角測量的影響通過下列步驟確定
-由g＝(gx2+gy2+gz2)1/2計算出重力場強度，由B＝(Bxc2+Byc2+Bz2)1/2計算出對於垂直於軸向的鑽具組磁化的修正磁場強度B，接著由θ＝Cos-1〔(Bxcgx+Bycgy+Bzgz)/Bg〕計算矢量
和g之間的傾斜角θ。
-由鑽孔中的測量獨立地獲得地球磁場的真實量值Bc和矢量Bo與
之間的夾角θo，並且在矢量圖中確定具有由重力矢量
確定的中心軸和由
所包的圓錐，該圓錐的頂角等於2θo。
-在同一矢量圖中表示出矢量
，它從圓錐的頂點相對於重力矢量g成角度θ延伸，
-由下列公式表示矢量
和圓錐底邊之間的距離E
E＝〔B2+Bo2-2BBoCos(θ-θo)〕1/2
-對於Bz的不同的假定量值，根據關於B、g、θ和E的所述公式計算E，並在具有代表Bz量值的橫坐標和代表E的量值的縱坐標的圖上標繪出對於Bz的不同的量值如此計算出的E的各個量值，在該坐標圖中確定距離E的極小值，並且確定相應於E的極小值的Bz量值，作為由檢測器裝置測出的磁場軸向分量的修正量值Bzc，
-該方法進一步地包括根據檢測器裝置測出的磁場分量的修正量值Bxc，Byc，Bzc確定鑽孔的方位角。
6、如權利要求
1所要求的方法，其中檢測器裝置包括用於測量在該檢測器裝置處的磁場B的一個垂直於軸向的分量的單個磁強計。
7、消除鑽具組磁化對鑽孔中方位角測量影響的方法，基本上如參考附圖中的圖1至圖6所描述的那樣。
專利摘要
藉助包含在具有縱軸的鑽具組中的磁強計裝置，首先通過鑽具組的不同角度取向上的磁強計讀數消除鑽具組磁化垂直於軸向的分量的影響，然後消除鑽具組磁化的軸向分量的影響，從而消除鑽具組磁化對鑽孔中方位角測量的影響。
文檔編號E21B47/022GK86101119SQ86101119
公開日1986年8月20日 申請日期1986年2月24日
發明者詹尼斯·科尼爾斯·馬亞·萬·當根, 萊奧·伯恩哈德·馬基亞霍 申請人:國際殼牌研究有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan