Патент на изобретение №2386810

(54) СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ТОЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЯ ДВОЙНЫХ СКВАЖИН

(57) Реферат:

Изобретение относится к направленному бурению двойных скважин. Техническим результатом изобретения является обеспечение выравнивания второй скважины относительно первой. Для этого для направления траектории бурения второй скважины вблизи первой скважины осуществляют подачу изменяющегося во времени электрического тока к проводящей обсадной трубе или хвостовику первой скважины. Дополнительно бурят третью скважину вблизи периферического участка первой скважины и формируют проводящую траекторию вдоль третьей скважины между периферическим участком первой скважины и генератором электрического тока. Затем определяют электромагнитное поле второй скважины, генерированного током в первой скважине. Направление траектории бурения второй скважины определяют, используя определенное электромагнитное поле. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области направления бурения скважины и, в частности, к системам направления, которые используют электромагнитные поля, связанные с существующей обсадной трубой скважины для управления бурением второй скважины вблизи первой скважины.

Часто требуется пробурить вторую скважину вблизи существующей скважины. Например, можно пробурить пару горизонтальных скважин для извлечения нефти из месторождения тяжелой нефти или смолы. Из этой пары скважин верхняя скважина может выбросить пар в подземное месторождение тяжелой нефти или смолы, в то время как более глубокая скважина собирает ожиженную нефть из месторождения. Скважины этой пары должны быть расположены в пределах нескольких метров относительно друг друга в направлении длины горизонтальной выработки таким образом, чтобы нефть, сжиженная паром из первой скважины, собиралась второй скважиной.

Существует давно назревшая потребность в способах для бурения множества скважин, например пары скважин, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Выравнивание второй скважины относительно первой скважины является трудной операцией. Траектория бурения второй скважины может быть определена в пределах нескольких метров, например от 4 метров до 10 метров первой скважины, но она должна быть расположена внутри допуска, например, ±1 метр. Способы и системы направления бурения требуются для поддержания траектории бурения второй скважины, надлежаще выровненной с первой скважиной вдоль всей траектории бурения второй скважины.

Геодезическое изыскание траектории бурения в последовательных точках вдоль траектории является обычным способом направления бурения. Трудность геодезического изыскания заключается в том, что возникает накопленная ошибка в разведанном тракте скважины из-за малых ошибок, имеющихся на каждой последовательной точке геодезического изыскания вдоль траектории скважины, введенных в расчет геодезического изыскания, выполненный на последовательных точках изысканиях. Кумулятивный результат этих малых ошибок может, в конечном счете, привести к тому, что траектория бурения второй скважины выйдет за пределы определенных требуемых диапазонов расстояния или направления относительно первой скважины.

Патенты США 6530154, 5435069, 5230387, 5512830 и 3725777 а также опубликованная патентная заявка США 2002/0112856 раскрывают различные способы и системы направления для траектории бурения и для компенсации кумулятивного результата обычных ошибок геодезического изыскания.

Патент РФ 2131975 от 13.01.1994 раскрывает способ создания ствола скважины в почвенной формации в выбранном направлении по отношению к соседнему стволу скважины, образованному в почвенной формации, при котором располагают в первом из стволов скважины во многих местах вдоль его длины источник электромагнитного излучения, наводящий электромагнитное поле, проникающее во второй из стволов скважины, располагают на выбранной глубине во втором стволе скважины средство для измерения этого электромагнитного поля, управляют средством для измерения для измерения электромагнитного поля, определяют на основе измерений электромагнитного поля составляющие электромагнитного поля и определяют параметр направления, указывающий направление ствола скважины по отношению к соседнему стволу скважины, отличающийся тем, что параметр направления определяют из по меньшей мере двух составляющих электромагнитного поля в направлениях, нормальных по отношению к продольной оси первого ствола скважины.

Известные способы включают определение магнитного поля, образованного магнитными свойствами обсадной трубы или магнитного зонда, введенного в скважину. Эти способы и системы могут потребовать использования второй буровой установки или другого устройства в первой скважине для проталкивания или закачки источника сигнала магнитного поля. Магнитные поля от такого источника затухают и искажаются первой обсадной трубой скважины и могут также генерировать относительно слабое магнитное поле, которое трудно определить из требуемой траектории бурения второй скважины. С учетом этих проблем существует давно назревшая потребность в способе и системе для направления траектории второй скважины, так чтобы она была выровнена с существующей скважиной.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является создание системы и способа для точного направления траектории бурения второй скважины, обеспечивающих надлежащее выравнивания второй скважины с первой скважиной.

Согласно изобретению создан способ направления траектории бурения второй скважины вблизи первой скважины, содержащий подачу изменяющегося электрического тока от генератора электрического тока к проводящей обсадной трубе или хвостовику первой скважины, дополнительно включающую бурение третьей скважины вблизи периферического участка первой скважины и формирование проводящей траектории вдоль третьей скважины между периферическим участком первой скважины и генератором электрического тока, бурение второй скважины вдоль траектории бурения, определение электромагнитного поля второй скважины, генерированного током в первой скважине, и направление траектории бурения второй скважины, используя определенное электромагнитное поле.

Поданный электрический ток может быть переменным током.

Согласно изобретению создана система для направления траектории бурения второй скважины вблизи первой скважины, содержащая первую проводящую траекторию, проходящую по длине первой скважины, генератор электрического тока, подсоединенный к противоположным концам первой скважины для подачи электрического тока к первой проводящей траектории, и датчик магнитного поля, расположенный в траектории бурения второй скважины, предназначенный для обнаружения напряженности и направления электромагнитного поля, генерированного током, поданным к первой проводящей траектории, и третью скважину, проходящую от земной поверхности к зоне вблизи периферического участка первой скважины, и дополнительную проводящую траекторию, прходящую вдоль третьей скважины и электрически соединенную с генератором и периферическим участком первой скважины.

Генератор может быть генератором переменного тока. Первая скважина может быть горизонтальной, а вторая траектория бурения второй скважины может быть горизонтальной вдоль участка, направленного определенным электромагнитным полем.

Датчик магнитного поля может включать ортогональные датчики магнитного поля.

Дополнительная проводящая траектория может содержать электрод, электрически соединенный с периферическим участком первой скважины.

Электрод дополнительно включает расширяющиеся пружинящие контакты для взаимодействия с третьей скважиной.

Из вышеописанного понятно, что в одном воплощении изобретения металлическая обсадная труба в первой скважине проводит переменный ток, который генерирует переменное магнитное поле в пласте, окружающем первую скважину. Это магнитное поле является, по существу, более предсказуемым по величине, чем магнитное поле, обусловленное только статическими магнитными характеристиками первой скважины. Предполагаемая траектория бурения второй скважины расположена внутри измеряемого магнитного поля, генерированного током в первой скважине. Магнитный детектор размещен внутри буровой установки, использованной для бурения второй скважины. Магнитный детектор определяет магнитное поле, генерированное током в первой скважине. Измеренные величины напряженности и направления магнитного поля используются для выравнивания траектории буровой установки, бурящей вторую скважину.

Система может быть использована для направления второй горизонтальной скважины, бурение которой проводят вблизи первой горизонтальной скважины для увеличения добычи нефти из подземных резервуаров тяжелой нефти или смоляных песков. Две параллельные скважины должны быть проложены одна над другой на определенное расстояние между ними, например, в диапазоне от 4 метров до 10 метров, проходя через горизонтальный разрез месторождения тяжелой нефти или смолы. В одном воплощении изобретения способ направляет траекторию бурения таким образом, что вторая горизонтальная скважина является совместимой и удалена на небольшое расстояние от первой скважины благодаря образованию известного электрического тока, протекающего в металлической обсадной трубе или хвостовике (в общем, называемыми “обсадной трубой”) первой скважины для создания непрерывного магнитного поля в области вокруг первой скважины и использованию устройств определения магнитного поля во второй скважине во время бурения для измерения и расчета точного расстояния, а также информации о направлении относительно первой скважины, так чтобы бурильщик мог корректировать траекторию скважины и проложить вторую скважину в требуемой зависимости от первой скважины.

Далее представлено подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 – схематически изображает план для бурения двойных горизонтальных скважин;

фиг.2 – карту расположения двойных горизонтальных скважин и приемлемой области для траектории второй скважины;

фиг.3 – схему магнитных датчиков;

фиг.4 – вид с боку приведенного в качестве примера электрода в третьей скважине, который обеспечивает электрический контакт с первой скважиной.

Фиг.1 схематически иллюстрирует типичный план для бурения двойных горизонтальных скважин 10, 12. На поверхности 14 скважины могут быть пробурены от одной или двух буровых платформ 16, более вероятно от двух платформ. После первоначального, по существу, вертикального бурения осуществляется горизонтальное бурение скважины в месторождение, например, тяжелой нефти или смолы. Первую скважину 12 бурят и крепят обсадными трубами, прежде чем начнется бурение второй горизонтальной скважины 10. Обсадная труба или хвостовик с щелевидными отверстиями являются металлическими и будут проводить электричество. Горизонтальный участок первой скважины может находиться выше второй скважины на несколько метров, например на 4-10 метров.

Направленное геодезическое изыскание проводят для первой скважины, чтобы картографировать скважину и облегчить проектирование местоположения поверхности для малой вертикальной скважины 20, являющейся третьей скважиной. Эта малая скважина будет почти пересекать в точке 21 первую скважину на периферической оконечной стороне первой скважины. Малой скважине с установленной временной обсадной трубой предпочтительно из непроводящего материала, такого как поливинилхлорид, лишь требуется быть достаточно большой для размещения специального электрода 22, который должен быть опущен до днища и поблизости первой обсадной трубы. Малая вертикальная скважина может быть аналогична по размеру водозаборной скважине и может проходить на несколько метров глубже первой скважины.

Для создания проводящего траектории в малой скважине 18 может быть закачана соответствующая текучая среда в скважину 20. Электрод 22 опускают в вертикальную скважину для создания траектории тока через малую скважину. Электрод 22 электрически соединяет обсадную трубу или хвостовик 18 первой скважины с проводящей траекторией, например проводом в малой скважине 20.

Вышеупомянутая грунтовая проводящая траектория, например, провода 24 соединяет забои на поверхности третьей скважины 20 и обсадную трубу или хвостовик 18 первой скважины 10 с электрическим генератором 26 переменного тока. Электрическая энергия от генератора запускает ток 28, который протекает через провод 24, третью скважину 20, электрод 22, обсадную трубу или хвостовик первой скважины 18 к генератору.

Переменный ток 28 возбуждает электромагнитное поле 30 в пласте, окружающем обсадную трубу 18 первой скважины. Характеристики электромагнитного поля от проводящей траектории АС являются хорошо известными. Напряженность электромагнитного поля 30 пропорциональна переменному току, поданному генератором. Величина тока в обсадной трубе может быть точно измерена, например, амперметром. Так как напряженность магнитных полей пропорциональна току, имеет место хорошо определенная зависимость между током, измеренной напряженностью магнитного поля на новой скважине и расстоянием между новой скважиной и обсадной трубой первой скважины. Напряженность и направление магнитного поля указывают на расстояние и направление к обсадной трубе первой скважины.

Фиг.2 является схематическим видом первой и второй скважин в плоскости поперечного сечения вдоль вертикальных разрезов через скважины. Электромагнитное поле 30 излучается от обсадной трубы 18 первой скважины 10 и входит в окружающий пласт. Вторая скважина 12 показана как более глубокая скважина, однако положение первой и второй скважин может быть изменено на обратное в зависимости от применения бурения. Узел 40 магнитных датчиков во второй скважине определяет магнитное поле.

Приемлемая траектория бурения второй скважины определяется приемлемой зоной 32, которая показана в поперечном сечении на фиг.2. Приемлемой зоной 32 может быть область, которая обычно сосредоточивается в диапазоне 4-10 метров ниже первой скважины. Зона 32 может иметь короткую ось вдоль радиуса, проходящего от верхней скважины, и длинную ось, перпендикулярную вертикальной плоскости, проходящей через верхнюю скважину. Размеры приемлемой зоны могут составлять один метр вдоль короткой оси и два метра вдоль длинной оси зоны. Форма и размеры приемлемой зоны известны для каждого применения бурения, но могут изменяться в зависимости от применения.

Траектория бурения для второй скважины должна оставаться в приемлемой зоне 32 для всей длины горизонтального участка двух скважин. Система направления бурения, которая включает узел 40 датчиков, используется для поддержания траектории бурения второй скважины внутри приемлемой зоны. Расположение траектории бурения второй скважины 12 внутри приемлемой зоны 32 определяется на основании направления и напряженности электромагнитного поля 30 вдоль траектории второй скважины, определяют узлом 40 магнитных датчиков. Измерения напряженности и направления поля узлом 40 датчиков во второй скважине дают достаточную информацию для определения направления относительно первой скважины и расстояния между двумя скважинами. Эта информация поставляется к бурильщику в удобной форме, так чтобы он мог предпринять соответствующие меры для поддержания траекторий двух скважин в соответствующей зависимости. Узел 40 датчиков установлен в зонде нижней скважины инструмента управления проводной линией или системы измерения во время бурения для бурения второй скважины 12. Узел датчиков направляет, таким образом, бурение второй скважины для управления направлением траектории бурения.

Когда ток протекает в проводящей обсадной трубе 18 первой скважины, являются предсказуемыми квазистатические или переменные электромагнитные поля, образованные в области, окружающей проводник, в значениях напряженности, распределения и полярности их полей. Магнитное поле В, образованное длинным прямым проводником, таким как обсадная труба скважины, пропорционально току I в проводнике и обратно пропорционально перпендикулярному расстоянию r от проводника. Зависимость между магнитным полем, током и расстоянием определяется законом Био-Савара (Biot-Savart), который выражается следующим образом:

В=µ I/(2Пr),

где µ – магнитная проницаемость области, окружающей проводник, являющаяся константой.

Расстояние r второй скважины от обсадной трубы первой скважины может быть определено на основе измерения тока I в обсадной трубе и напряженности магнитного поля В во второй скважине.

Фиг.3 является схемой узла 40 магнитных датчиков компонентного типа (показан на виде с вырывом), имеющего возможность определять направление поля. Магнитные датчики компонентного типа, например магнитометры и акселерометры, являются датчиками направления и геодезического изыскания, обычно относящиеся к датчикам системы измерения во время бурения MWD. Узел 40 датчиков перемещается через вторую скважину обычно на несколько ярдов позади буровой головки и связанного с ней бурового оборудования. Узел 40 датчиков собирает данные, использованные для определения местоположения второй скважины. Эта информация формируется для направления буровой головки вдоль требуемой траектории бурения второй скважины.

Узел 40 датчиков также включает датчики стандартной ориентации (три ортогональных магнитометра 48 и три ортогональных акселерометра 51), а также три ортогональных датчика 44, 46, 52 переменного магнитного поля для обнаружения электромагнитного поля вокруг первой (опорной) скважины. Магнитные датчики имеют диаграмму чувствительности компоненты и являются наиболее чувствительными к напряженности переменного магнитного поля, соответствующей частоте источника переменного тока. Эти датчики установлены в фиксированной относительной ориентации в корпусе для узла датчиков.

Пара магнитных датчиков 44 и 46 радиальной компоненты (обычно два или три датчика) установлены в узле 40 зонда, так что их оси чувствительности к магнитному полю являются взаимно ортогональными. Датчик 44, 46 каждой компоненты измеряет относительные напряженности магнитного поля В во второй скважине. Каждый из датчиков будет обнаруживать различные напряженности поля благодаря их ортогональным ориентациям. Направление поля В может быть определено обратной величиной тангенса (tan^-1) соотношения напряженности поля, определенного радиальными датчиками 44, 46. Системой отсчета для радиальных датчиков 44, 46 является земное притяжение и магнитный север, определенные магнитными датчиками 48 и датчиками гравитации. Направление к проводнику тока вычисляют добавлением 90 градусов к направлению поля в точке измерения. Направление от датчиков к первой скважине и перпендикулярное расстояние между датчиками и первой скважиной обеспечивает достаточную информацию для направления траектории второй скважины в приемлемой зоне 32.

Фиг.4 является иллюстрацией приведенного в качестве примера электрода 22, проходящего в малой вертикальной скважине 20 к зоне, с введенной проводящей текучей средой. Электрод 22 включает металлические пружины 50, например расширяемую сетку, которая расширяется до контакта со стенками открытой скважины 20. Пружинящие элементы 50 могут втягиваться до размера, обеспечивающего скольжение через временную обсадную трубу 53 вертикальной скважины 20. Временная обсадная труба обеспечивает отсутствие осыпания в эту скважину материала вокруг скважины. Электрод 22 размещен поблизости первой обсадной трубы 18 в точке 21 пересечения двух скважин. Проводящая текучая среда в третьей скважине 20 просачивается в пласт 56, окружающий точку 21 пересечения между скважинами. Проводящая текучая среда улучшает электрическую связь между первой обсадной трубой и третьей скважиной. Электрод подсоединен к изолированному проводу 54, который проходит через скважину 20 и к поверхности. Провод 54 соединен через провод 24 с возвратной стороной генератора.

Хотя изобретение было описано со ссылкой на считающееся в данный момент наиболее практичное и предпочтительное его воплощение, будет понятно, что изобретение не должно быть ограничено раскрытым воплощением, наоборот, оно предназначено охватить различные модификации и эквивалентные решения в пределах духа и объема патентных притязаний прилагаемой формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ направления траектории бурения второй скважины вблизи первой скважины, содержащий подачу изменяющегося электрического тока от генератора электрического тока к проводящей обсадной трубе или хвостовику первой скважины, дополнительно включающий бурение третьей скважины вблизи периферического участка первой скважины и формирование проводящей траектории вдоль третьей скважины между периферическим участком первой скважины и генератором электрического тока, бурение второй скважины вдоль траектории бурения, определение электромагнитного поля второй скважины, генерированного током в первой скважине, и направление траектории бурения второй скважины, используя определенное электромагнитное поле.

2. Способ по п.1, в котором поданный электрический ток является переменным током.

3. Система для направления траектории бурения второй скважины вблизи первой скважины, содержащая первую проводящую траекторию, проходящую по длине первой скважины, генератор электрического тока, подсоединенный к противоположным концам первой скважины для подачи электрического тока к первой проводящей траектории, и датчик магнитного поля, расположенный в траектории бурения второй скважины, предназначенный для обнаружения напряженности и направления электромагнитного поля, генерированного током, поданным к первой проводящей траектории, и третью скважину, проходящую от земной поверхности к зоне вблизи периферического участка первой скважины, и дополнительную проводящую траекторию вдоль третьей скважины, и электрически соединенную с генератором и периферическим участком первой скважины.

4. Система по п.3, в которой генератор является генератором переменного тока.

5. Система по п.3, в которой первая скважина является горизонтальной, а вторая траектория бурения второй скважины является горизонтальной вдоль участка, направленного определенным электромагнитным полем.

6. Система по п.3, в которой датчик магнитного поля включает ортогональные датчики магнитного поля.

7. Система по п.3, в которой дополнительная проводящая траектория содержит электрод, электрически соединенный с периферическим участком первой скважины.

8. Система по п.7, в которой электрод дополнительно включает расширяющиеся пружинящие контакты для взаимодействия с третьей скважиной.

РИСУНКИ