专利名称：确定井孔方位角的方法
技术领域：
本发明涉及一种用磁力仪确定形成于地层中的井孔之方位角的方法，其中磁力仪设置于沿井孔纵向延伸的钻柱内。在地层中钻进井孔的过程中，通常需要通过以固定间隔测量井孔的倾角和方位角来校正井孔的方位角。可通过加速度计在井孔中的测量结果并以地球重力场作为基准来确定井孔的倾角。井孔的方位角可由包括于钻柱的底部钻具组件(BHA)内的磁力仪确定。磁力仪用于以地球磁场为基准测量局部磁场的分量，通过该分量就可确定井孔的方位角。在许多情况下，除了地球磁场分量外，被测量的局部磁场还包括基于钻柱的磁化分量。为得到足够精确的方位角数据，就必须考虑钻柱的磁化作用。
EP-A-0193230公开了一种使用磁力仪组件确定地层中井孔之方位角的方法，其中磁力仪组件设置于伸入井孔中的钻柱内，并且在消除钻柱磁化的轴向影响之前，首先通过消除钻柱之磁化强度沿垂直轴向的方向上的影响，来考虑钻柱的磁化强度。钻柱在垂直轴向方向上的磁化作用可通过旋转测量而得以消除，即通过在磁力仪的不同转动位置上测量局部磁场，从而由磁场数据得到钻柱沿垂直轴向方向上的磁化强度。钻柱的轴向磁化强度可由测得的磁场和地球磁场计算出来。如果对测得的磁场作出关于钻柱沿轴向和垂直轴向的方向的磁化强度的校正，那么就可以由校正过的磁场和地球磁场确定井孔的方位角，一般情况下，地球磁场在大部分地区都是已知的。但是，计算出来的方位角对不精确的地球磁场数据很敏感，尤其是在测量基本沿东向或西向延伸的大倾角钻孔时，更是如此。
本发明的目的在于提供一种确定井孔方位角的改进方法，这种方法对地球磁场数据的不精确性不很敏感，即使是在测量基本沿东向或西向延伸的大倾角井孔之方位角时，也不很敏感。
根据本发明，提供一种用磁力仪确定形成于地层中的井孔之方位角的方法，其中磁力仪设置于沿井孔延伸的钻柱内，磁力仪相对钻柱位于选定的方位上，所述方法包括a)沿井孔选择至少两个具有不同倾角的位置；b)在井孔内的每个所选位置上，以能够使磁力仪定位于选定位置上的方式安装钻柱，操纵磁力仪，从而测出局部磁场沿一轴线的分量，其中所述轴线相对磁力仪位于选定的方向上，局部磁场包括地球磁场和钻柱的磁化场；c)根据测量结果和所选的井孔倾角确定钻柱的磁化强度对所测分量的影响；d)对测量结果作关于所述钻柱磁化作用的校正；e)根据校正过的测量结果确定井孔的方位角。
因为钻柱及所述的轴线在不同的位置上相对地球磁场的方位不同，因此，地球磁场对沿所选方位的轴线测得的每个分量在不同的井孔位置上也就不同。另外，因为所述轴线相对钻柱磁化场的方向不变，因此钻柱的磁化强度对测得的分量的影响在不同的井孔位置上是相同的。由于所述轴线的方位直接关系到钻柱的方位及井孔的倾角，因此可根据在不同位置上测得的分量差及在不同位置上的不同井孔倾角来确定钻柱磁化场对所测分量的影响。这种确定方法的一个实施例具体如下所述。
所述局部磁场分量最好是局部磁场的轴向分量，这个分量就是钻柱轴向上的分量。应该理解钻柱的磁化场对垂直轴向方向的磁场分量之影响(如果存在的话)一般小于轴向影响的数量级。因此，对于大多数应用场合而言，忽略这种垂直轴向方向的影响已经足够精确了。或者，在步骤c)之前，用钻柱磁化场沿垂直轴向方向的作用对测得的结果进行校正。
该方法可被应用于在所选位置上纵向轴线基本位于垂直平面内的钻孔。
对于大多数应用场合而言，选择两个具有不同井孔倾角的位置已经足够了。
为提高使用本发明之方法的精确度，在至少两个所述位置上的井孔倾角可以相差至少40°。
如果在第一位置上的井孔倾角小于45°，那么最好根据地球磁场的垂直分量确定出对基于钻柱磁化强度的轴向分量之影响。如果第一位置上的钻柱磁化强度与第二位置上的钻柱磁化强度不同，例如由于使用不同的BHA，那么第二位置上的井孔倾角应该落入80°-100°之间的范围内。
相反，如果第一位置上的井孔倾角超过45°，那么最好根据地球磁场的水平分量确定出对基于钻柱磁化强度的轴向分量之影响。如果第一位置上的钻柱磁化强度与第二位置上的钻柱磁化强度不同，那么第二位置上的井孔倾角应该落入0°和+10°之间的范围内。
现参照附图，接合实施例对本发明进行详细说明，其中附图
图1示出了(N,E,V)坐标系的水平平面；图2示出了通过图1之坐标系的直线H的垂直平面；图3示出了一个井孔固定的坐标系(HS,HSR,Z)和一个工具固定的坐标系(x,y,z)。
在图1中，示出了北(N)、东(E)和垂直方向(V)构成的坐标系中的N-E平面，其中直线H是井孔10(图3)的纵向轴线在N-E平面内的投影，角度A表示井孔的方位角。应该理解角度A可沿井孔的长度变化。BN表示地球磁场的水平矢量。
在图2中，示出了通过直线H的垂直平面。直线T表示井孔的纵向轴线，角度I表示可随井孔长度变化的井孔倾角。Bv表示地球磁场的垂直矢量，Bn.cosA是地球磁场的水平分量在直线H上的投影。
在图3中，示出了井孔10的横向剖视图，一坐标系(HS,HSR,z)固定于井孔10上，一坐标系(x,y,z)固定于磁力仪(未示出)上，用于测量局部磁场B在坐标系(x,y,z)中的分量。磁力仪固定设置于钻柱(未示出)内，因此可认为坐标系(x,y,z)固定于钻柱上。HS-轴、HSR-轴、x-轴和y-轴在井孔的横向平面内的P点延伸，在该点上，x-轴和y-轴相对HS-轴、HSR-轴转动一个角度α，该角度被称为工具面角(tool-face angle)。z-轴沿井孔10的纵向延伸。钻柱还可设置有一个加速度仪(未示出)，用于测量地球重力场G在坐标系(x,y,z)中的分量。
在常规的操作过程中，磁力仪测量局部磁场矢量B的分量BX,BY和BZ，而当钻柱保持静止时，加速度仪测量重力场矢量G的分量GX,GY,GZ。工具面角α和倾角Ⅰ由下列等式确定GHS=GXcosα-GYsinα(1)GV=GZcosI-GHSsinI(2)GZsinI+GHScosI=0 (3)其中GHS为G在HS方向上的分量；GV为G在V方向上的(已知)分量。
由测得的数值BX,BY,BZ和工具面角α可确定坐标系(HS,HSR,Z)内的分量B，从而得出局部磁场矢量(BHS,BHSR,BZ)。这些分量包括地球磁场和钻柱磁化强度的作用。用(BHSe,BHSRe,Bze)来表示地球磁场矢量，用(CHS,CHSR,Cz)来表示钻柱的磁化强度矢量，那么局部磁场矢量就是(BHS,BHSR,BZ)=(BHSe,BHSRe,Bze)+(CHS,CHSR,Cz)(4)这样，就可以确定钻柱磁化强度沿垂直轴向的方向上的作用，并可通过“旋转测量法”将其从磁场矢量中除去，从而可在井孔内在磁力仪的不同转动角度上进行大量的测量，如EP-A-0193230所述。消除这种作用后，局部磁场矢量为(BHS,BHSR,BZ)=(BHSe,BHSRe,Bze+Cz) (5)垂直分量BHSe与Bze之和等于磁场的垂直分量Bv(BHSRe没有垂直分量)，这样就得出Bv=-BHSesinI+BzecosI而且由等式(5)
Bv= -BHSesinI+(Bz-Cz)cosI(6)通过在具有不同倾角Ⅰ1和Ⅰ2的两个井孔位置操作磁力仪，得到两个局部磁场矢量(BHS1,BHSR1,Bz1)和(BHS2,BHSR2,Bz2)，并且由等式(6)得出Bv=-BHS1esinI1+(Bz1-Cz1)cosI1---(7)]]>Bv=-BHS2esinI2+(Bz2-Cz2)cosI2---(8)]]>轴向的钻柱磁化强度主要决定于BHA的磁性，而不是决定于井孔的倾角。因此，我们认为只要BHA不更换，那么Cz1=Cz2=Cz(9)等式(7),(8),(9)中包含了未知量Bv,Cz1和Cz2。倾角Ⅰ1和Ⅰ2可由通过一个或多个包括于钻柱中的加速度仪测出的结果而得知。可以发现Cz(cosI2-cosI1)=BHS1esinI1-Bz1cosI1-BHS2esinI2+Bz2cosI2---(10)]]>从上述等式中可确定Cz。
现在可用轴向钻柱的磁化强度对每个点上的局部磁场进行校正。
由于Cz对井孔倾角的变化比较敏感，因此上述方法最好用于井孔倾角较小的情况下，即倾角小于45度的情况下。
对于井孔倾角大于45度的情况，最好使用下述的方法。
BHSe和Bze沿方向H的分量之和等于地球磁场沿方向H的分量，因此得出BncosA= BHSecosI+ BzesinI (11)或者BncosA=BHSecosI+(Bz-Cz)sinI(12)对于倾角分别为I1和I2、方位角分别为A1和A2的两个点而言，可得出BncosA1=BHS1ecosI1+(Bz1-Cz1)sinI1(13)BncosA2=BHS2ecosI2+(Bz2-Cz2)sinI2---(14)]]>如上所述，用垂直轴向的钻柱磁化强度对上述两个点作过校正的局部磁场之HSR分量为
BHSR1e=-BnsinA1---(15)]]>BHSR2e=-BnsinA2---(16)]]>从等式(13)至(16)，由于Cz1=Cz2=Cz(例如用于BHA未更换的情况下)，因此可得出(BHSR1e)2+(BHS1ecosI1+(Bz1-Cz)sinI1))2-(BHSR2e)2+(BHS2ecosI2]]>+(Bz2-Cz)sinI2))2=0 (17)等式(17)是一个关于Cz的二次式，Cz的求解方法一般有两种。可以从两种方法中选择所给水平磁场分量与期望水平磁场分量最接近的那种求解方法。这样，就可对每个位置上的局部磁场作轴向钻柱磁化强度方面的校正。
如果在测量过程中在不同的测量位置上使用不同的BHA，那么Cz1通常不等于Cz2。因此，对于倾角较小的情况而言，即当使用等式(10)时，至少一个测量点上的井孔倾角介于80°至100°之间，最好约为90°，因为等式(7)和(8)中的分量Cz1cosI1或Cz2cosI2之一将基本变为零。
类似地，对于倾角较大的情况而言，即当使用等式(17)时，至少一个测量点上的井孔倾角介于0°至10°之间，最好约为0°，因为等式(17)中的分量Cz1sinI1或Cz2sinI2之一将基本变为零。
也可以替代上述使用两个测量点的情形，使用两个以上的测量点来作轴向钻柱磁化强度方面的校正。
权利要求
1．一种使用磁力仪来确定地层中井孔方位角的方法，其中磁力仪设置于沿井孔延伸的钻柱内，所述磁力仪相对钻柱位于选定的方位上，所述方法包括以下步骤a)沿井孔选择至少两个具有不同倾角的位置；b)在井孔内的每个所选位置上，以能够使磁力仪定位于选定位置上的方式安装钻柱，操纵磁力仪，从而测出局部磁场沿一轴线的分量，其中所述轴线相对磁力仪位于选定的方向上，局部磁场包括地球磁场和钻柱的磁化场；c)根据测量结果和所选的井孔倾角确定钻柱的磁化作用对所测分量的影响；d)对测量结果作关于所述钻柱磁化作用的校正；e)根据校正过的测量结果确定井孔的方位角。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于位于选定位置上的井孔之纵向轴线基本位于一个垂直平面内。
3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于至少两个所述位置上的井孔倾角相差至少40°。
4．根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于所述局部磁场的分量是局部磁场的轴向分量。
5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于第一个所述位置上的井孔倾角小于45°，而且步骤(c)包括通过以下关系确定钻柱磁化强度之轴向分量的影响Cz(cosI2-cosI1)=BHS1esinI1-Bz1cosI1-BHS2esinI2+Bz2cosI2]]>。
6．根据权利要求5所述的方法，其特征在于位于第一位置上的磁力仪之钻柱磁化强度不同于第二位置上的磁力仪之钻柱磁化强度，第二位置上的井孔倾角介于80°-100°之间。
7．根据权利要求4所述的方法，其特征在于第一个所述位置上的井孔倾角大于45°，而且步骤(c)包括通过如下关系式确定钻柱磁化强度的轴向分量(BHSR1e)2+(BHS1ecosI1+(Bz1-Cz1)sinI1))2-(BHSR2e)2+(BHS2ecosI2]]>+(Bz2-Cz2)sinI2))2=0
8．根据权利要求7所述的方法，其特征在于位于第一位置上的磁力仪之钻柱磁化强度不同于第二位置上的磁力仪之钻柱磁化强度，而且第二位置上的井孔倾角介于0°与10°之间。
9．根据权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于磁力仪确定局部磁场在一个坐标系中的分量，所述坐标系包括一个大体佳于井孔轴向上的第一轴，一个大体位于井孔高边方向上的第二轴和一个大体位于井孔高边右侧方向上的第三轴。
10．根据权利要求1-9之一所述的方法，其特征在于两个所述的位置是沿井孔选择的。
11．参照附图如上述说明所述的方法。
全文摘要
本发明提供一种使用磁力仪来确定地层中井孔方位角的方法,其中磁力仪设置于沿井孔延伸的钻柱内,所述磁力仪相对钻柱位于选定的方位上。这种方法包括以下步骤:a)沿井孔选择至少两个具有不同倾角的位置;b)在井孔内的每个所选位置上,以能够使磁力仪定位于选定位置上的方式安装钻柱,操纵磁力仪,从而测出局部磁场沿一轴线的分量,其中所述轴线相对磁力仪位于选定的方向上,局部磁场包括地球磁场和钻柱的磁化场;c)根据测量结果和所选的井孔倾角确定钻柱的磁化对所测分量的影响;d)对测量结果作关于所述钻柱的磁化影响的校正;e)根据校正过的测量结果确定井孔的方位角。
文档编号E21B47/022GK1305565SQ99807513
公开日2001年7月25日 申请日期1999年6月14日 优先权日1998年6月18日
发明者罗宾·A·哈特曼 申请人:国际壳牌研究有限公司