使用电磁传感器进行井下侧支检测的系统、方法和装置与流程

各实施例涉及石油和天然气勘探，并且更具体地，涉及井下工具。

背景技术：

近年来，钻探和维护越来越复杂的井眼(wellbore)已成为可能。在一些情况下，取代于钻探多个垂直井，钻探相对少量的垂直井并且从这些垂直井分支出的大量侧支井(lateral well)可能是有利的。因此，相比于在多个垂直井的情况下实现对井下地层的期望的覆盖所需要的花费和时间，具有从其分支出的侧支的主干井眼可以以较少的花费和时间来提供相同的覆盖。然而，时间和金钱的节省伴随着新的挑战。实际上，随着从主干井眼分支的侧支的数量增加，定位和进入特定侧支的难度也增加。

一种提出的解决方案涉及在套管中安装特殊固定装置。可以将固定装置安装在侧支和主干井眼之间的连接点处，从而允许介入工具在所述连接点处着陆。另一种提出的技术涉及专门的井下装置，其包括：转位(indexing)工具；造斜万向接头(kickover knuckle joint)，其附着在转位工具的下端；以及探测棒(wand)，其附着在造斜万向接头的下端。该装置可以下降到连续油管末端的主干井眼中。用户可以标记主干井眼的底部以便建立最大深度。随后，可以将该装置升高到侧支井眼和主干井眼之间的连接的估计位置。此时，可以使用造斜万向接头使所述探测棒偏离井下装置的纵向轴线，并且可以在主干井眼中升高或降低该装置。为了在主干井眼中定向该装置，可以使用转位工具来使所述探测棒相对于连续油管旋转。如果定位了侧支，则可以将探测棒的尖端完全弯曲到该侧支中。当探测棒完全弯曲时，井下装置中的加压流体可以排出，这可以向用户提供地面指示：已定位到侧支井眼。

技术实现要素：

申请人已经认识到目前检测侧支的方法中的许多问题。例如，申请人已经认识到造斜和探测棒技术遭受许多缺点的损害。首先，这种技术容易出错，这是因为操作人员可能仅由于选择了不恰当的探测棒长度而不能定位侧支。另外，申请人已经认识到，这些井下装置不包括用于准确的井下深度控制的装置，但却严重依赖于这种深度控制来检测侧支。因此，申请人已经认识到这种方法可能是非常不准确的。另外，造斜和探测棒技术是昂贵的，且增加的成本提供很少的附加利益。

此外，涉及在套管中安装特殊固定装置的技术当然需要套管。如果主套管已安装，但尚未固定到位，则无法安装这些固定装置。而且，可能会存在根本没有安装主套管的情况。例如，操作员可能希望从裸井或无管套井直接进入侧支。在这些情况下，申请人已经认识到，可能不能使用特殊固定装置技术。因此，这种技术只能在某些开发阶段才能使用，而且只能付出很高的代价。申请人已经认识到，这些成本抵消了由多侧支井原本提供的协同效应的一部分。此外，申请人已经认识到需要以经济有效的方式在多侧支井的所有开发阶段来检测侧支的系统、方法和装置。

已经认识到这些和其他问题，申请人提出了用于对侧支进行增强的、经济的检测的系统、方法和装置。实施例可以包括地下单元、地面单元以及可操作地连接两者的线缆或连续油管。在本申请中，地下单元有时被称为侧支检测工具。应该理解的是，与在本申请中讨论的其他组件一样，可以独立于其他组件来制造和使用地下单元或侧支检测工具，并且这样的制造和使用在本发明的范围内。另外，本领域技术人员将理解的是，由本申请中所讨论的每个组件执行的步骤(包括步骤的组合和子组合)可以形成根据实施例的用于检测侧支的一个或多个方法的步骤。

在实施例中，地下单元包括加固封装件。地下单元可以通过主井眼地面入口引入到主井眼中，并且具有相对于主井眼地面入口的井上端和井下端。根据实施例，加固封装件可以是耐高温、耐高压、并且耐酸的。

在实施例中，地下单元包括设置在地下单元的井上端内的控制和通信子系统。控制和通信子系统可以包括适于控制地下单元的操作的控制器和适于生成宽带电磁信号的信号生成器。控制和通信子系统还可以包括调制器，所述调制器响应于控制器和信号生成器并适于调制宽带电磁信号以便生成调制信号。另外，控制和通信子系统可以包括发送器，所述发送器响应于控制器和调制器并且适于经由双工器向天线发送调制信号。双工器可以响应于控制器和发送器并且适于允许双向信号路径。控制和通信子系统还可以包括接收器，所述接收器响应于控制器和双工器并适于检测经由双工器从一个或多个天线传送到接收器的电磁脉冲的反射。电磁脉冲的反射表征接收到的信号。在实施例中，控制和通信子系统可以包括解调器，所述解调器响应于控制器并适于解调接收到的信号，从而生成解调信号。另外，控制和通信子系统可以包括通信模块，所述通信模块适于接收解调信号并将解调信号传输到地面单元，这将在后面的段落中更详细地讨论。

根据实施例，地下单元还可以包括设置在地下单元的井下端内的工具头端。工具头端可以包括一个或多个宽带天线。如本申请中使用的“天线”可以指的是一个或多个电磁天线。该术语还可以指的是以天线阵列布置的的多个电磁天线。例如，在天线阵列中包括一个或多个发送天线和一个或多个接收天线在术语“天线”的范围内，并且在本发明的范围内。为了简洁和清楚起见，申请人使用术语“天线”来指代这些和其它实施例。例如，采用包括单个天线、多个天线或天线阵列的天线在本发明的范围内。阵列中的天线可以采取多种配置，所述多种配置包括相控阵列、偶极阵列以及本领域技术人员在阅读本公开时将显而易见的其它配置。一个或多个宽带天线可以响应于双工器和发送器，并且适于将由发送器经由双工器发送的调制信号转换成电磁脉冲。所述一个或多个天线还可以适于通过井下环境来辐射电磁脉冲。另外，一个或多个宽带天线可以适于检测电磁脉冲的反射，并经由双工器向接收器传送电磁脉冲的反射。

实施例可以包括适于允许数据和电力传送的线缆或连续油管。根据实施例，地面单元可以包括适于经由线缆从通信模块接收数据的一个或多个处理器。地面单元还可以包括与一个或多个处理器通信的一个或多个显示器以及与一个或多个处理器通信的有形计算机可读介质。有形计算机可读介质可以具有在内部存储的多个操作模块，所述多个操作模块包括适于处理解调信号从而检测井下环境中的侧支和侧线(sidetrack)的存在和位置的信号处理模块。根据实施例，一个或多个显示器可以适于显示井下环境中的侧支和侧线的存在和位置。

在一些实施例中，提供了一种用于检测侧支井眼的系统，其包括适于设置在井的主井眼中的地下单元。地下单元包括控制器、接收器和宽带天线。宽带信号生成器适于生成宽带频率范围内的频率的电磁信号。控制器适于识别宽带频率范围内的第一频率，并控制宽带信号生成器以使宽带信号生成器生成第一频率的第一电磁信号。接收器适于接收与由将电磁脉冲辐射到围绕地下单元的环境中而得到的反射相对应的信号。宽带天线适于生成具有在宽带频率范围内的频率的电磁脉冲。宽带天线还适于：接收与第一频率的第一电磁信号相对应的第一信号；将与第一信号相对应的(第一频率的)第一电磁脉冲辐射到围绕地下单元的第一环境中，所述第一信号与第一电磁信号相对应；以及检测由将第一电磁脉冲辐射到围绕地下单元的第一环境中而得到的一个或多个第一反射。天线还适于向接收器提供与一个或多个第一反射相对应的一个或多个第一反射信号。接收器适于向处理模块提供与一个或多个第一反射信号相对应的一个或多个第一数据信号。处理模块适于至少部分地基于与一个或多个第一反射信号相对应的一个或多个第一数据信号来确定所述第一环境中是否存在侧支。

在某些实施例中，控制器还适于识别宽带频率范围内的第二频率，并且控制宽带信号生成器以使宽带信号生成器生成第二频率的第二电磁信号。宽带天线还适于：接收与第二频率的第二电磁信号相对应的第二信号；将与第二信号相对应的(第二频率的)第二电磁脉冲辐射到围绕地下单元的第二环境中，所述第二信号与第二电磁信号相对应；以及检测由将第二电磁脉冲辐射到围绕地下单元的第二环境中而得到的一个或多个第二反射。天线还适于向接收器提供与一个或多个第二反射相对应的一个或多个第二反射信号。接收器适于向处理模块提供与一个或多个第二反射信号相对应的一个或多个第二数据信号。处理模块适于至少部分地基于与一个或多个第二反射信号相对应的一个或多个第二数据信号来确定在第二环境中是否存在侧支。

在一些实施例中，第一环境是第一井的主井眼的第一部分，并且第二环境是第一井的主井眼的第二部分。在一些实施例中，第一环境是第一井的主井眼的一部分，并且第二环境是第二井的主井眼的一部分。

在某些实施例中，所述系统包括处理模块，所述处理模块适于响应于确定所述一个或多个第一反射是相对弱的而确定所述第一环境中存在侧支，以及响应于确定所述一个或多个第一反射是相对强的而确定所述第一环境中不存在侧支。

在一些实施例中，地下单元还包括：调制器，其适于调制第一频率的第一电磁信号以生成第一调制信号；发送器，其适于向双工器发送第一调制信号；以及双工器，其适于从发送器接收第一调制信号以及向宽带天线发送第一调制信号。由宽带天线接收与第一频率的第一电磁信号相对应的第一信号包括从双工器接收第一调制信号。在某些实施例中，双工器适于从宽带天线接收与一个或多个第一反射相对应的一个或多个第一天线信号以及向接收器发送所述一个或多个第一天线信号，所述一个或多个第一反射是由将第一电磁脉冲辐射到围绕地下单元的第一环境中而得到的，所述接收器适于从双工器接收一个或多个第一天线信号以及向解调器发送所述一个或多个第一天线信号，并且所述地下单元还包括所述解调器，所述解调器适于解调从接收器接收的一个或多个第一天线信号，以生成一个或多个第一解调天线信号，以及向处理模块发送所述一个或多个第一解调天线信号，提供给处理模块的所述一个或多个第一数据信号与所述一个或多个第一解调天线信号相对应。

在一些实施例中，所述系统还包括包含处理模块的地面单元，并且地下单元还适于：确定通信模块和地面单元之间的连接是否是可用的，以及响应于确定通信模块和地面单元之间的连接是可用的，向地面单元的处理模块传输一个或多个第一数据信号。

在某些实施例中，所述系统还包括地面单元，并且所述地下单元还包括处理模块。所述处理模块适于至少部分地基于与一个或多个第一反射信号相对应的一个或多个第一数据信号来生成指示第一环境中是否存在侧支的侧支数据。地下单元还适于确定通信模块和地面单元之间的连接是否是可用的，以及响应于确定通信模块和地面单元之间的连接是可用的，向地面单元传输侧支数据。

在一些实施例中，宽带频率范围具有约5千兆赫(GHz)的带宽。在一些实施例中，宽带频率范围具有大约1千赫(KHz)至大约5GHz的范围。在某些实施例中，控制器还适于识别针对第一电磁信号的第一发送功率，以及控制宽带信号生成器以使宽带信号生成器生成第一频率和第一发送功率的第一电磁信号。在某些实施例中，第一发送功率是基于第一环境的以下特征中的一个或多个来确定的：地层类型、在先电阻率测井、或井眼口(或开口)直径。

在一些实施例中，提供了一种方法，其包括：识别地下单元的宽带信号生成器和宽带天线的宽带频率范围内的第一频率(所述第一频率是基于第一主井眼环境的特征而确定的)。所述方法包括：当所述单元设置在第一主井眼环境中时：由宽带信号生成器生成第一频率的第一电磁信号；由地下单元的宽带天线辐射与第一电磁信号相对应的第一电磁脉冲(所述第一电磁脉冲具有第一频率)；以及由地下单元的宽带天线来检测由辐射第一电磁脉冲而得到的一个或多个第一反射。确定在第一主井眼环境中是否存在侧支是至少部分地基于所检测到的一个或多个第一反射的。所述方法还包括识别地下单元的宽带信号生成器和宽带天线的宽带频率范围内的第二频率(第二频率是基于第二主井眼环境的特征而确定的)。所述方法包括：当所述单元设置在第二主井眼环境中时：由宽带信号生成器生成第二频率的第二电磁信号；由所述地下单元的宽带天线辐射与所述第二电磁信号相对应的第二电磁脉冲(第二电磁脉冲具有第二频率)；以及由地下单元的宽带天线来检测由辐射第一电磁脉冲而得到的一个或多个第二反射。确定在第二环境中是否存在侧支是至少部分地基于所检测到的一个或多个第二反射的。

在一些实施例中，第一主井眼环境是第一井的主井眼的第一部分，并且第二主井眼环境是第一井的主井眼的第二部分。在一些实施例中，第一主井眼环境是第一井的主井眼的一部分，并且第二主井眼环境是第二井的主井眼的一部分。

附图说明

结合以下描述、权利要求书和附图，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中，相同的附图标记表示相同的组件。然而，要注意的是，附图仅示出了若干个实施例，并且不认为其是对本发明的范围的限制，这是因为本发明包括其他有效的实施例。

图1是根据实施例的系统的示意图，该示意图描绘了地面单元、地下单元以及可操作地连接两者的线缆，所述地面单元具有设置在其内部的信号处理模块；

图2是根据实施例的系统的示意图，该示意图描绘了地面单元、地下单元以及可操作地连接两者的线缆，所述地下单元具有设置在其内部的信号处理模块；

图3是根据实施例的地下单元的示意图；

图4A至图4C是根据实施例的引入到各种井下环境中的地下单元的示意图；

图5A是根据实施例的具有专用集成电路(ASIC)的系统的示意图；

图5B是根据实施例的示例ASIC的示意图；

图6是示出根据实施例的用于检测井中的侧支的方法的流程示意图；以及

图7是示出根据实施例用于生成宽带电磁信号的方法的流程图

具体实施方式

为了可以以更详细的方式来理解本发明的系统、方法和装置的实施例的特征和优点等等(其将变得显而易见)，可以通过参考前面部分的实施例而具有对在前面部分中简要总结的实施例的更详细的描述，所述实施例在附图中示出，所述附图形成本说明书的一部分。然而，要注意的是，附图仅示出了实施例的各种实施例，并因此不应被视为限制本发明的范围的实施例，这是因为本发明也包括其他有效的实施例。

图1和2描绘了系统实施例。为了提供更清晰的公开内容，这些图是在突出差异的情况下大部分一起讨论的。系统实施例可以包括：地下单元300、300'，地面单元100、100'，以及可操作地连接地下单元300、300'和地面单元100、100'的线缆110、110'或连续油管(未示出)。在实施例中，地下单元300、300'包括加固封装件305、305'。加固封装件305、305'保护地下单元300、300'的组件免受井下环境中的元素的影响，但允许传输电磁信号。在实施例中，使用可以被加工或印刷的非铁磁性井下材料来构造加固封装件305、305'。例如，在实施例中，可以部分或全部利用聚醚醚酮(PEEK)来构造加固封装件305、305'。

在实施例中，地下单元300、300'包括设置在地下单元300、300'的井上端内的控制和通信子系统310、310'。如本申请中所使用的，井上和井下指的是当将地下单元300、300'引入到主井眼中时，组件与主井眼地面入口的相对距离。将参照图4A至图4C来提供更多细节。然而，为了给读者定向，要注意的是，当地下单元300、300'在主井眼中垂直定向时，相对于主井眼地面入口的井上组件可以认为是在相对于主井眼地面入口的井下组件的垂直上方。例如，地下单元300的井下端可以指的是地下单元300的前/头部分，其在地下单元300的井上端之前进入并穿过主井眼。地下单元300的井上端可以指的是地下单元300的后/尾部分，其在地下单元300的井下端之后进入并穿过主井眼。

控制和通信子系统310、310'可以包括被配置为控制地下单元300、300'的操作的控制器114、114'以及被配置为生成电磁信号的信号生成器116、116'。根据实施例，电磁(EM)信号具有落入用于生成信号的宽带信号源(例如宽带信号生成器和最终用于发送信号的宽带天线)的频率范围内的频率。在一些实施例中，信号源可以发送宽带频率。在这样的实施例中，可以基于在接收器处接收到的反射来分析较窄的感兴趣的频率(在宽带频率内)。控制和通信子系统310、310'还可以包括调制器118、118'，所述调制器118、118'响应于控制器114、114'和信号生成器116、116'(例如，由其控制)，并且被配置为调制电磁信号，从而生成调制信号。另外，控制和通信子系统310、310'可以包括发送器120、120'，所述发送器120、120'响应于控制器114、114'和调制器118、118'，并且被配置为经由双工器122、122'向天线124、124'发送调制信号。通过使用宽带信号生成器116、1116'和宽带天线(例如，包括多个天线，例如宽带天线阵列)124、124'，可以实现宽的带宽，这转而可以用于促进宽范围的信号频率。这确保可以实现针对给定环境条件的适当频率。例如，可以从信号生成器116、116'(例如，宽带信号生成器)和天线124、124'(例如，宽带天线布置)可用的宽范围的频率中选择适于地下单元300、300'位于其中的环境条件的信号频率，并且可以如本文所描述的那样生成和发送所选频率的信号。另外，天线阵列124、124'可以提供对各种脉冲参数的准确控制，所述脉冲参数包括辐射脉冲的大小、功率、极化和波束角度。与信号频率类似，这可以进一步确保可以实现针对给定环境条件的适当脉冲参数。宽带信号生成器116、116'可以具有大约5GHz的最大操作频率和/或大约1KHz的最小操作频率。宽带信号生成器116、116'可以具有大约5GHz的带宽。例如，宽带信号生成器116、116'可以具有大约1KHz至大约5GHz的操作频率范围。也就是说，宽带信号生成器116、116'可以可操作为生成具有在约1KHz至约5GHz范围内的频率的电磁信号。宽带天线124、124'可以具有大约5GHz的最大操作频率和/或大约1KHz的最小操作频率。宽带天线124、124'可以具有大约5GHz的带宽。例如，宽带天线124、124'可以具有大约1KHz至大约5GHz的操作频率范围。也就是说，宽带天线(或天线阵列)124、124'可以可操作为发送具有在约1KHz至约5GHz范围内的频率的电磁信号。所描述的信号生成器116、116'和天线124、124'可以包括宽带信号生成器和宽带天线，尽管有时将其分别简称为信号生成器和天线。宽带天线124、124'可以是单个天线(例如分形天线)，或者是覆盖整个带宽(例如，大约1KHz到大约5GHz)的天线阵列。

双工器122、122'可以响应于控制器114、114'和发送器120、120'并且被配置为允许双向信号路径。换句话说，双工器122、122'可以允许来自发送器120、120'的信号由天线124、124'辐射，并且还可以允许天线124、124'检测到的反射信号由接收器126、126'检测。接收器126、126'也可以包括在控制和通信子系统310、310'内，所述接收器126、126'可以响应于控制器114、114'和双工器122、122'并且被配置为检测合并的并且从一个或多个天线124经由双工器122、122'向接收器126、126'发送的电磁脉冲的反射。电磁脉冲的反射表征接收到的信号。在实施例中，控制和通信子系统310、310'可以包括解调器128、128'，所述解调器128、128'响应于控制器114、114'并且被配置为解调接收到的信号，从而生成解调信号。另外，控制和通信子系统310、310'可以包括通信模块112、112'，所述通信模块112、112'被配置为接收解调信号并且向地面单元100、100'传输解调信号，如本文所讨论的。

根据实施例，地下单元300、300'还可以包括设置在地下单元305、305'的井下端内的工具头端320、320'。之前提及的一个或多个天线124、124'可以设置在工具头端320、320'内。以这种方式，在控制和通信子系统310、310'中包括可重复使用的、昂贵的组件(包括电路)，而将一个或多个宽带天线124、124'分到工具头端320、320'中。因此，在实施例中，可以在侧支内部牺牲工具头端320、320'，并且可以恢复控制和通信子系统310、310'。例如，工具头端320、320'可以是可从通信子系统310、310'拆卸的模块，并且在操作期间，工具头端320、320'可以与通信子系统310、310'物理分离，使得其保留在侧支或井眼中，并且可以在没有工具头端320、320'的情况下取回通信子系统310、310'。例如，如果工具头端320、320'陷入侧支或井眼中，使得其不能立即取回，而通信子系统310、310'可以经由与工具头端320、320'分离而从侧支或井眼中取回，则这可能是有利的。在工具头端320、320'中使用单个天线、多个天线或天线阵列在本发明的范围内。一个或多个宽带天线124、124'可以响应于双工器122、122'和发送器120、120'，并且被配置为将发送器120、120'经由双工器发送的调制信号转换成电磁脉冲。一个或多个宽带天线124、124'还可以被配置为通过井下环境来辐射电磁脉冲。另外，一个或多个宽带天线124、124'可以被配置为检测电磁脉冲的反射，以及组合与所述电磁脉冲的反射相对应的信号并经由双工器122、122'向接收器126、126'发送。

实施例可以包括被配置为允许数据和电力传送的线缆110、110'或连续油管。例如，可以经由线缆110、110'来调整控制器114、114'的设置。另外，经由线缆110、110'传送的数据可以用于传递关于地下单元300、300'的各种组件的操作状态的数据。本领域的技术人员将理解，在本发明的范围内，可以使用各种其他电力和数据信道来代替线缆110、110'。例如，根据实施例，地下单元300、300'由内置电池供电。同时，可以经由被优化用于数据传送的电缆在地下单元300、300'与地面单元100、100'之间传送数据，或者，在实施例中，可以无线地传送所述数据。

根据实施例，地面单元100、100'可以包括被配置为经由线缆110、110'从通信模块112、112'接收数据的一个或多个处理器102、102'。地面单元100、100'还可以包括与一个或多个处理器102、102'通信的一个或多个显示器104、104'。

在实施例中，地面单元100包括与一个或多个处理器102通信的有形计算机可读介质106。有形计算机可读介质可以在内部存储多个操作模块，所述多个操作模块包括信号处理模块108，所述信号处理模块108被配置为处理解调信号，从而检测井下环境中的侧支和侧线的存在和位置。这样的配置可以类似于图1中示意性示出的配置。在包括例如图2中显示的实施例的其他实施例中，有形计算机可读介质106'和嵌入式信号处理模块108'可以包括在地下单元300'中。因此，例如，如果可靠的高速数据链路是不可用的，则信号处理模块108'可以在地下单元300'中本地处理解调信号。随后可以向通信模块112'发送经处理的解调信号，其中，体现经处理的信号的数据将保留，直到可靠的数据信道允许将经处理的信号传输至地面单元100'。通信模块112、112'可以包括可操作为接收和发送数据的模块，所述模块包括例如发送器-接收器和收发器。一个或多个额外的通信模块(未示出)可以用于向地下单元300、300'中继电力或数据，或向地面单元100、100'中继来自地下单元300、300'的数据，以供一个或多个处理器102、102'使用。可以使用本领域技术人员已知的各种数字和模拟通信协议来管理单元之间的通信。根据实施例，一个或多个显示器104、104'可以被配置为显示井下环境中的侧支和侧线的存在和位置。

在本申请中讨论的组件的一种可能的配置在图3中显示。地下单元300”(还被称为侧支检测工具300”)被描绘为水平定向，其具有工具头端320”(例如，在图3的右侧上描绘的地下单元300”的井下/前/头部分)。工具头端320”可以指的是在地下单元300”的工具尾322”(例如，在图3的左侧上描绘的地下单元300”的井上/后/尾部分)之前进入并穿过主井眼的地下单元300”的井下/前/头部分。因此，工具尾322”可以指的是地下单元300”的、在地下单元300”的工具头端320”之后进入并穿过主井眼的部分。在操作中，工具头端320”可以是侧支检测工具300”的前导/最低部分，尽管不一定是这种情况，例如当侧支检测工具300”进入检测到的侧支时则不是这种情况。也就是说，当侧支检测工具300”由线缆110”或者连续油管引入到主井眼中时，侧支检测工具300”可以具有基本垂直的轮廓，其中工具头端320”低于控制和通信子系统310”。如上所述，线缆110”或连续油管可以允许电力传送和针对命令、控制和数据传送的双向通信。例如根据图2中显示的内部配置，控制和通信子系统310”可以包括信号处理模块。在实施例中，例如根据图1中所示的配置，信号处理模块可以位于其他地方。在任一情况下，侧支检测工具300”包括加固封装件305”。根据实施例，加固封装件305”可以是耐高温、耐高压并且耐酸的。在一些实施例中，可以不均匀地构造加固封装件305”。例如，可以将导电合金(例如，EM导电合金或聚合物)构建成工具头端320”处的加固封装件，以帮助一个或多个天线既辐射电磁脉冲又检测电磁脉冲的反射。如果侧支检测工具300”与地面单元无线通信，则某些配置可能是有利的。例如，可以将额外的金属(例如，具有PEEK的碳纤维)包括在加固封装件305”中，以确保对无线信号的增强的接收。在一些实施例中，天线124可以被定向为横向地(例如，至少部分地以侧支检测工具300”前面的方向，例如以箭头330”的方向，使得信号遇到主井眼的与工具300”相邻的横向部分)和/或纵向地(例如，至少部分地以侧支检测工具300”前面的方向，例如以箭头332”的方向)引导所生成的信号，使得信号遇到主井眼的在工具300”前面井下部分。这样的纵向信号可以例如在侧支检测工具300”邻近侧支之前就能够检测到侧支。例如，如果侧支的上壁在主井眼中大约1000米深度处与主井眼相交，则当检测工具300”的工具头端320”位于主井眼中大约999米的深度时就可以检测到该侧支。

根据实施例，地下单元400、400'、400”可以通过主井眼地面入口405、405'、405”引入到主井眼450、450'、450”中，并具有相对于主井眼地面入口405、405'、405”的井上端和井下端。例如在图4A至图4C中显示了如此定向并操作的地下单元400、400'、400”，虽然本领域技术人员将理解，其他定向是可能的。例如，在检测到这样的侧支之后，地下单元400、400'、400”可以设置在侧支内。在这种情况下，将理解的是，地下单元400、400'、400”将具有非绝对垂直的轮廓，但其仍将具有相对于设备轴线的井上/井下角度，所述设备轴线基本平行于所述设备所处于的井眼的轴线。事实上，如果地下单元400、400'、400”进入侧线，则地下单元400、400'、400”可能被水平定向。因此，将理解的是，地下单元400、400'、400”的被称为井上的部分和被称为井下的部分有时可以具有到主井眼地面入口405、405'、405”的基本类似的绝对距离。换句话说，井下和井下不是以绝对海拔意义来使用的。相反，这些术语根据地下单元400、400'、400”中的组件相对于主井眼地面入口的相对位置来引导读者。

有利地，实施例可以在各种类型的多侧支井之间进行区分。例如，图4A至图4C显示了侧支检测工具400、400'、400”，其与线缆408、408'、408”通信并邻近侧支460、460'、460”设置在主井眼450、450'、450”中。辐射的电磁脉冲410、410'、410”撞击环境430、430'、430”中的周围物体(例如，包括套管或缸套的壁432、432'和周围的地层434、434'、434'，包括井眼的壁436、436'、436”)。检测到的电磁脉冲420、420'、420”的反射由侧支检测工具400、400'、400”中的一个或多个天线接收。根据实施例，处理接收到的信号提供可以用于确定侧支460、460'、460”相对于主井眼450、450'、450”的位置和定向的信息。

另外，有利的是，无论主井眼的类型和侧支的类型如何，处理接收到的信号可以提供对检测到的侧支的准确表示。例如，如图4A的配置所示，实施例准确地描绘了与套管的主井眼450相邻的套管的侧支460的存在和位置。另外，如图4B的配置所示，实施例准确地描绘了与套管的主井眼450'相邻的裸井侧支460'的存在和位置。更进一步地，如图4C的配置所示，实施例准确地描绘了与裸井主井眼450”相邻的裸井侧支460”的存在和位置。

电磁脉冲410、410'、410”的某些特性有助于这种功能。例如，在存在水时通常不使用电磁波，特别是当盐度增加时，这是由于电磁信号的高度衰减。然而，电磁波的这个方面有利地用于实施例中。实际上，通过使用宽带信号源和宽带天线，可以实现宽范围的频率。宽范围的发送信号频率允许以被确定为使井下环境中发送信号和反射信号的衰减最小化的频率来校准电磁脉冲。另外，由于在井下环境中的信号传播距离或者天线与可检测物体之间的距离可能是几英寸，所以某种程度的衰减可能是有利的。换句话说，实施例包括调谐一个或多个天线，使得衰减在大于天线和可检测物体之间的距离的特定阈值距离处增加。这防止远处的物体生成的噪声干扰对可检测侧支的检测。换言之，一定程度的衰减提供了良好的信噪比，这使得能够沿着主井眼壁更准确地检测侧支的入口。

另外，发送功率和频率以及侧支检测算法的其他特征的组合允许检测参考图4A至图4C讨论的各种侧支开口。例如，侧支检测算法部分地涉及计算返回到一个或多个天线124、124'(图1至图2)的信号的功率。当发送天线和接收天线在同一个位置时，可以修改一般的雷达方程。在这种情况下得到的方程由等式(1)给出：

在这个雷达方程的应用中，Pr＝接收功率，Pt＝发送器功率；Gt＝发送器天线的增益；Ar＝接收天线的有效孔径(面积)；F＝图案传播因子；σ＝目标的雷达截面或散射系数；并且R＝范围。

侧支检测算法还考虑了侧支检测工具400、400'、400”可以在朝向或远离侧支460、460'、460”的开口移动的同时执行。在这些情况下，侧支检测算法将反射频率的改变作为因子，其可以由多普勒效应来量化。可以利用等式(2)来实现对多普勒频移的计算：

在等式(2)中，FD＝多普勒频率；Ft＝发送频率；Vr＝径向速度；并且C＝光速。

此外，侧支检测算法将电磁脉冲420、420'、420”的反射的极化作为因子。在电磁辐射中，电场垂直于波的传播方向。这个电场的方向被称为波的极化。根据实施例，可以控制波的极化以实现不同的效果。例如，可以使用水平、垂直、线性和圆形极化来检测不同类型的反射。线性和随机极化回馈特别相关。线性极化例如指示金属表面。因此，侧支检测算法可以用于将线性极化回馈解释为套管。另外，随机极化指示分形结构，如岩石或土壤。因此，侧支探测算法可以用于将随机极化回馈解释为地层岩石。侧支检测算法的这些特征允许精确检测井下环境中的侧支的位置和定向，并且还允许识别从各种类型的主井眼分支出的各种类型的侧支，包括例如参考图4A至图4C讨论的各种侧支和主井眼组合。另外，当一个或多个天线以阵列布置时，侧支检测算法可以分析由阵列中的不同天线接收的信号的特征之间的差异，以提供井下环境的更准确的图像。在某些实施例中，由于辐射波410、410'、410”和反射波420、420'、420”在井下环境中行进的相对短的距离，所以不考虑雷达的传统渡越时间原理，或者在侧支检测算法中给予其较小的权重。相反，可以给予频率调制、反射功率水平相对多的权重以及在移动侧支检测工具400、400'、400”的情况下可以给予脉冲多普勒信号处理相对多的权重。较大侧支开口的存在可能导致脉冲的较弱反射(例如，由于不存在套管、主井眼的壁或地层以反射脉冲)，并且相反地，不存在侧支开口可能导致脉冲的较强反射(例如，由于存在套管、主井眼的壁或地层以反射脉冲)。因此，在一些实施例中，可以基于接收到脉冲的相对弱的反射来确定存在侧支，并且相反地，可以基于接收到脉冲的相对强的反射来确定不存在侧支。一旦确定了侧支460、460'、460”的准确位置，则可以使用工具导向机构来将侧支检测工具400、400'、400”导引到检测到的侧支460、460'、460”中。导向可以是自动的过程，其中，将接收到的数据反馈给工具导向机构控制系统，并且该工具响应于接收到的数据而转向。在一些实施例中，地面操作员手动地对地下单元进行导向。

图5A至图5B提供了在本发明范围内的另一种配置的示例。例如，地面单元100”可以经由线缆110”或连续油管与地下单元300”通信。与其他实施例一样，地下单元300”可以包括例如以阵列布置的一个或多个天线505(例如，与天线124、124'、124”相同或相似)。一个或多个天线505可以设置在地下单元300”的井下端内。其他组件可以设置在地下单元300”的井上端内。根据实施例，这些其他组件可以形成专用集成电路(ASIC)500的各部分。图5B中示出了ASIC上的微电子组件的一种可能的配置。例如，ASIC 500'可以包括信号生成器516，在实施例中，信号生成器516可以被配置为生成宽带电磁信号(例如，与本文中描述的信号生成器116、116'相同或相似)。ASIC 500'还可以包括调制器518(例如，与调制器118、118'相同或相似)、发送器520(例如，与发送器120、120'相同或相似)、双工器522(例如，与双工器122、122'相同或相似)、接收器526(例如，与接收器122、122'相同或相似)、解调器528(例如，与解调器128、128'相同或相似)、信号处理模块508(例如，与信号处理模块108、108'相同或相似)以及通信模块512(例如，与通信模块112、112'相同或相似)。可以使用ASIC 500'上的控制器530(例如，与控制器114、114'相同或相似)来控制ASIC 500'上的组件的操作。在实施例中，可以将这些微电子组件包括在具有存储器和处理器组件的芯片上。因此，在某些实施例中，可以将位于ASIC上的所公开的组件包括在片上系统中。根据实施例，这些微电子组件可以类似于之前讨论的其类似物来工作。另外，这些组件可以以彼此相同的方式来布置，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下使用其它配置。

如所述，各种方法在本发明的范围内。例如，图6描绘了根据实施例的方法的步骤。方法可以包括：生成宽带电磁信号600；调制所述电磁信号以生成调制信号602；以及经由双工器向一个或多个天线发送调制信号604。本文描述的生成宽带电磁信号600的示例方法至少考虑图7的方法700。根据实施例，所述方法还可以包括使用一个或多个天线将调制信号转换成电磁脉冲606。可以利用一个或多个天线将电磁脉冲辐射到井下环境中608。当电磁脉冲撞击井下环境中的物体时，可以预期的是一些波将分散，并且一些将被反射回到源头。因此，实施例可以包括利用一个或多个天线来检测电磁脉冲的反射，以及将这些反射表征为接收信号610。可以组合来自一个或多个天线的接收信号，并且经由双工器将其提供给接收器612。所述方法还可以包括解调接收到的信号以生成解调信号614。

取决于在地下单元中的通信模块和远程位置处的通信设备之间是否存在可靠的高速数据链路，本发明范围内的方法可以包括不同的步骤，所述远程位置处的通信设备可以包括例如地面单元。因此，做出是否存在这种可靠的高速数据链路的确定616。如果是，则在实施例中，该方法可以包括向通信模块发送解调信号618，以及向远程位置传输解调信号以用于处理620。该方法还可以包括在远程位置处处理解调信号以生成指示检测到的侧支的处理信号622。例如，处理解调信号可以包括使用与本申请中所公开的相类似的侧支检测算法。一旦处理了解调信号，则可以解释该处理信号，以在远程位置处的一个或多个显示器上显示检测到的侧支636。

在某些实施例中，例如，如果在步骤616处不存在可靠的高速数据链路，则该方法的实施例可以包括在地下单元处本地处理解调信号，从而生成指示检测到的侧支的处理信号。将理解的是，这样的本地处理并不严格地取决于不存在可靠的高速数据链路，而是仅根据一些实施例来示出的。在其他实施例中，即使在地下单元和地面单元之间存在可靠的高速数据链路并且功能完备的情况下，环境也可以规定本地处理。在任何情况下，一旦已经本地处理了解调信号以生成处理信号624，则可以向通信模块发送该处理信号630，并且通信模块可以向远程位置传输该处理信号634。在实施例中，可以发生第二检查(例如，在框624之后和框630之前)以确定是否存在可以用于向通信模块传输该处理信号的可靠的高速数据链路。如果确定了确实存在可靠的高速数据链路，则该方法可以包括随后经由高速数据链路向通信模块发送该处理信号630，以及通信模块向远程位置发送该处理信号634。如果确定不存在可靠的高速数据链路，则该方法可以包括重复检查数据链路，直到恢复或初始建立这样的链路，以及经由高速数据链路(一旦建立)向通信模块发送该处理信号630，以用于传输至远程位置634。根据实施例，可以无限地存储该处理信号，直到建立了这种可靠的高速数据链路。在某些情况下，可以恢复地下单元以从地下单元下载经处理的信号数据并手动地向地面单元上载经处理的信号数据。从此，可以在远程位置636处的一个或多个显示器上显示检测到的侧支。

图7是示出根据实施例的用于生成宽带电磁信号的方法700的流程图。这样的方法700可以在关于图6描述的方法的步骤600处执行。方法700可以包括：确定将生成电磁信号的环境的一个或多个特征以检测主井眼中的侧支(框702)；确定与所确定的环境特征相对应的一个或多个信号特征(框704)；以及生成具有所确定的信号特征的电磁信号(框706)。

在一些实施例中，确定将生成电磁信号的环境的一个或多个特征以检测主井眼中的侧支(框702)包括：确定将生成电磁信号的主井眼的位置中的井眼、套管和地层的一个或多个特征以检测主井眼中的侧支。这可以包括例如在经由天线124、124'发送电磁信号期间围绕或预计围绕地下单元300、300'、300”的环境的特征。例如，如果地下单元300、300'、300”位于主井眼中的一深度处，则确定将生成电磁信号的环境的一个或多个特征以检测主井眼中的侧支可以包括确定：井眼的一个或多个特征、在主井眼所述深度处或接近主井眼所述深度处的任何套管的一个或多个特征、以及在所述深度处的地层的一个或多个特征。所述井眼的相关特征可以包括：直径、深度、主井眼中是否存在套管、待定位的侧支中是否存在套管、套管的直径、套管的厚度等。地层的相关特征可以包括：围绕主井眼的地层部分的反射率、电阻率、阻抗和/或类似特征。

在一些实施例中，确定与所确定的环境特征相对应的一个或多个信号特征(框704)包括选择与所确定的环境特征相对应的确定信号频率和信号发送功率。例如，如果第一环境(例如，在第一主井眼中或在第一主井眼中的第一深度处)具有第一集合的特征(例如，井眼直径为20厘米、套管内径为19厘米、套管外径为20cm、以及周围地层具有值约为0.2的反射率系数)，则可以确定第一集合的信号特征(例如，频率约为1MHz、发送功率约为1瓦(W))。如果第二环境(例如在第二主井眼中或在第一主井眼中的第二深度处)具有第一集合的特征(例如，井眼直径为15厘米、套管内径为14厘米、套管外径为15厘米、以及地层具有值约为0.4的反射率系数)，则可以确定第二集合的信号特征(例如，大约100KHz的频率和大约2W的发送功率)。在一些实施例中，从信号源的操作范围来选择频率。例如，如果信号生成器116、116'和天线124、124'、124”具有大约1KHz至大约5GHz的操作频率范围(例如，信号生成器116、116'和天线124、124'、124”的操作频率范围在大约1KHz到大约5GHz的范围内重叠)，则可以从该操作范围来选择频率。在一些实施例中，发送功率是从信号源的操作范围内选择的。例如，如果信号生成器116、116'和天线124、124'、124”具有大约1KHz到大约5GHz的操作功率范围，则可以从该操作范围来选择发送功率。

在一些实施例中，生成具有所确定的信号特征的电磁信号(框706)包括：使用地下单元300、300'、300”生成电磁信号以生成具有所确定的信号特征(例如，所确定的频率和发送功率)的电磁信号。这可以例如以与关于至少图6的框602至608所描述的方式一致的方式来完成。另外，可以以与关于至少图6的框610至636所描述的方式一致的方式来检测、处理和呈现作为辐射相应的电磁脉冲的结果而生成的反射。

在一些实施例中，可以针对地下单元300、300'、300”的各个位置执行方法700，使得可以针对特定条件来定制电磁信号。例如，可以针对第一主井眼确定第一集合的井眼特征，并且随着地下单元300、300'、300”前进穿过主井眼的各个部分，可以使用相应的第一集合的信号特征来生成电磁信号/脉冲。也就是说，例如，可以在整个主井眼中使用同一集合的信号特征。作为另一示例，可以确定第一集合的信号特征并将其用于具有第一集合的特征的第一主井眼，并且可以确定第二集合的信号特征并将其用于具有第二集合的特征的第二主井眼。也就是说，例如，可以将单个地面单元300、300'、300”定制为针对不同的主井眼生成不同的电磁信号/脉冲。这可以至少部分地通过使用宽带信号源(例如，包括宽带信号生成器116、116'和宽带天线124、124'、124”)来实现，所述宽带信号源允许单个地下单元300、300'、300”生成具有不同特征(例如，不同的频率和发送功率)的电磁信号/脉冲。作为又一示例，可以确定第一集合的信号特征并将其用于主井眼的具有第一集合的特征的第一部分(例如，在第一深度处)，并且可以确定第二集合的信号特征并将其用于主井眼的具有第二集合的特征的第二部分(例如，在第二深度处)。也就是说，例如，可以将地下单元300、300'、300”定制为生成针对同一主井眼的不同部分的电磁信号/脉冲。在一些实施例中，可以定期地确定更新的信号特征。例如，可以确定地下单元300、300'、300”在主井眼中前进大约每10米的信号特征。因此，随着在寻找侧支时地下单元300、300'、300”移动穿过主井眼，可以即时地、实时地定制地下单元300、300'、300”以考虑环境的变化特征。

在本申请中描述的各种实施例中，本领域的普通技术人员将认识到，各种类型的存储器(例如本申请中参考各种计算机(例如计算机、计算机服务器、web服务器或具有实施例的其他计算机)所描述的存储器)可由计算机读取。计算机可读介质的示例可以包括但不限于：非易失性硬编码型介质(例如只读存储器(ROM)、CD-ROM和DVD-ROM)或者可擦除电可编程只读存储器(EEPROM)；可记录型介质，例如软盘、硬盘驱动器、CD-R/RW、DVD-RAM、DVD-R/RW、DVD+R/RW、闪存驱动器、存储棒以及其他较新类型的存储器；以及传输型介质，其例如数字和模拟通信链路。例如，这样的介质可以包括操作指令以及与系统、装置、计算机介质有关的指令，并且所描述的方法步骤可以在计算机上操作。本领域的技术人员将会理解，替代于或者除了位于被描述为存储计算机程序产品(例如，其上包括软件)的位置之外，这样的介质还可以位于其他位置。本领域技术人员将会理解，所描述的各种软件模块或电子组件可以通过电子硬件、软件或这两者的组合来实现和维护，并且本发明的实施例考虑这样的实施例。

在附图和说明书中，已经公开了系统、装置和方法的实施例，并且尽管使用了特定术语，但这些术语仅用于描述性的意义而不是出于限制的目的。已经具体参照所示实施例相当详细地描述了实施例。然而，将显而易见的是，可以在如前面的说明书中所描述的、本发明的实施例的精神和范围内进行各种修改和改变，并且这样的修改和改变被认为是本公开内容的等同物及其一部分。另外，要注意的是，除非另有特别说明，否则关于某些实施例描述的各种特征也将归类到其他实施例。