Способ, устройство и система определения расстояния от целевой скважины

Способ, устройство и система определения расстояния от целевой скважины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

В современных условиях добычи углеводородов важно точно знать расположение целевой скважины по отношению к опорной скважине, которая может использоваться, например, для таких операций, как гравитационное дренирование при закачке пара (SAGD).

Краткое описание графических материалов

На Фиг. 1 проиллюстрирован вариант реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины.

На Фиг. 2 проиллюстрирован другой вариант реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины.

На Фиг. 3 проиллюстрирован еще один вариант реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины.

На Фиг. 4 проиллюстрирован еще один вариант реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины.

На Фиг. 5 проиллюстрирован вариант реализации схемы для генерирования опорного сигнала в соответствии с системами, проиллюстрированными на Фиг. 1-4.

На Фиг. 6 проиллюстрирован вариант реализации устройства для реконструкции полученного опорного сигнала и обнаружения магнитного или электрического поля в соответствии с вариантами реализации изобретения на Фиг. 1-4.

На Фиг. 7 проиллюстрирована типовая диаграмма выходных сигналов синхронизирующего усилителя в соответствии с вариантом реализации изобретения на Фиг. 6.

На Фиг. 8 проиллюстрирован увеличенный вид диаграммы сигналов, проиллюстрированных на Фиг. 7.

На Фиг. 9 проиллюстрирована типовая диаграмма отношения амплитуд сигнала на приборе для измерения дальности в соответствии с вариантом реализации изобретения на Фиг. 6.

На Фиг. 10 проиллюстрирована диаграмма отношения амплитуд сигнала на приборе для измерения дальности, имеющего увеличенную частоту для измерения дальности, в соответствии с вариантом реализации изобретения на Фиг. 6.

На Фиг. 11 проиллюстрированы варианты реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины, в которых используется скважинный прибор на каротажном кабеле и на бурильной трубе.

Подробное описание изобретения

Различные варианты реализации изобретения, описанные в данной заявке, служат для получения информации, которая служит для проверки: производится ли бурение скважины вблизи по меньшей мере одной скважины. Например, путем определения местоположения целевой скважины относительно опорной скважины.

С целью исключения двусмысленного толкования, “целевая скважина” будет определяться как скважина, местоположение которой должно использоваться как точка отсчета при бурении другой скважины. Другая скважина будет определяться как “опорная скважина”. В других вариантах реализации изобретения данная терминология может использоваться в противоположном значении, поскольку варианты реализации изобретения не ограничиваются отдельно взятой целевой скважиной и отдельно взятой опорной скважиной. В большинстве вариантов реализации местоположение опорной скважины фактически хорошо известно, местоположение целевой скважины не так хорошо известно, при этом необходимо определить расстояние от опорной скважины до целевой скважины.

Некоторые технологии измерения расстояния от опорной скважины до удаленной обсадной колонны в целевой скважине основаны на подаче тока с известной частотой с поверхности земли вниз по обсадной колонне целевой скважины и получении сигнала, распространенного обсадной колонной опорной скважины. При прохождении через различные геологические породы полученные сигналы могут быть очень слабыми, особенно с учетом того, что некоторые технологии основаны на измерении градиента магнитного поля через сравнительно небольшой диаметр скважинного или бурового инструмента. Описанные ниже варианты реализации изобретения могут использоваться с целью увеличения отношения сигнал/шум в сигнале, полученном с помощью магнитного прибора для измерения дальности, в результате чего повышается точность определения расстояния между опорной скважиной и целевой скважиной, а также расширяется диапазон, в котором целевая скважина может быть точно обнаружена для планирования пересечения или предотвращения пересечения стволов скважин.

На близких расстояниях представленные варианты реализации изобретения могут использоваться на более высоких частотах по сравнению с теми, которые были возможны ранее. Некоторые варианты реализации изобретения могут легко распространяться на другие приборы для измерения дальности, выполненные с возможностью использования сигналов, излучаемых из скважины, до которой выполняется измерение расстояния (например, целевой скважины). Примеры таких приборов включают те, в которых дальность измеряется с помощью электрических полей или комбинации электрического и магнитного полей. Варианты реализации, описанные в данной заявке, могут быть применимы при измерении расстояния до скважин через геологические породы с высокой проводимостью.

Варианты реализации изобретения для измерения расстояния до целевой скважины, проиллюстрированные на Фиг. 1-4, имеют ряд общих характеристик. Например, варианты реализации изобретения генерируют зондирующий сигнал непосредственно из тактового сигнала, генерируемого задающим генератором, и опорного сигнала, сгенерированного на основании тактового сигнала. Результирующий опорный сигнал имеет гораздо более низкую частоту, чем зондирующий сигнал. Устройство, подключенное к скважинному прибору, содержит схему реконструкции, выполненную с возможностью реконструкции опорного сигнала из полученного сигнала, переданного к скважинному прибору.

Варианты реализации изобретения могут содержать один или более магнитометров, магнитных градиометров или датчиков электрического поля для измерения значений полей или изменения значений полей, наводимых целевой скважиной в зависимости от зондирующего сигнала, передаваемого вниз по целевой скважине. Как будет описано ниже, далее может быть определено сравнительное расположение целевой скважины по отношению к опорной скважине на основании зависимости между реконструированным опорным сигналом и значениями магнитного или электрического поля или изменениями в этих полях. Сравнительное расположение целевой скважины может включать сравнительное расстояние от опорной скважины, а также угол наклона опорной скважины.

Зондирующий сигнал, передаваемый в обсадную колонну целевой скважины, может генерироваться непосредственно задающим генератором. Опорный сигнал является производным сигналом от одного и того же задающего генератора. При этом частота опорного сигнала отличается от зондирующего сигнала, передаваемого в обсадную колонну. Опорный сигнал получают путем использования схемы умножения и деления частоты (например, схемы преобразования частоты).

Если частота опорного сигнала была только составной частью частоты задающего осциллятора, нелинейные искажения данного сигнала можно легко спутать с обнаруженным зондирующим сигналом. Другими словами, данная гармоника может исказить полученный зондирующий сигнал. Также гармоника может исказить опорный сигнал синхронизирующего усилителя, используемого в системе (более подробно будет описан ниже). Таким образом, в различных вариантах реализации изобретения опорный сигнал генерируется путем деления частоты задающего осциллятора на целое число n и умножения на другое целое число m, причем m/n < 1. Например, если зондирующий сигнал имеет частоту 5 Гц, сначала может генерироваться сигнал 5/7 Гц, а затем из него может быть получен сигнал 2*5/7 Гц. Основной и первыми тремя гармониками такого сигнала являются 1,4285 Гц, 2,8571 Гц, 4,28571 Гц и 5,7143 Гц.

Сигналы любой из этих частот можно легко получить из 5 Гц опорного сигнала, излучаемого из обсадной колонны целевой скважины. Основная гармоника (в данном примере 1,4285 Гц) может распространяться через толщу земли со значительно меньшими потерями сигнала, чем опорный сигнал с частотой 5 Гц.

Как описано ниже, с помощью синхронизирующего усилителя можно добиться разделения сигналов, являющихся гораздо более близкими по частоте, чем в вышеприведенном примере, даже если потери сигнала через толщу земли являются существенными. Таким образом, возможно получение опорного сигнала более низкой частоты, чем в данном примере, без искажения зондирующего сигнала. Например, при использовании соотношения 2/17 основной частоты основная и 8 первых гармоник сигнала 5 Гц имеют частоту 0,5882 Гц, 1,1765 Гц, 2,3529 Гц, 2,9412 Гц, 3,5294 Гц, 4,1177 Гц, 4,7059 Гц и 5,2941 Гц.

На Фиг. 1 проиллюстрирован вариант реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины. В данной системе используется передающая схема, содержащая токовую петлю большой площади 150 (например, петлевую антенну) для излучения опорного сигнала в геологическую породу над опорной скважиной 101. Петлевая антенна 150 может быть выполнена в виде проводника большого размера вблизи или в непосредственном контакте с поверхностью геологической породы.

Система содержит задающий осциллятор 120, который является генератором прецизионного тактового сигнала. Как будет описано ниже, желательно, чтобы частота данного тактового сигнала была относительно стабильной. Способность описанных ниже синхронизирующих усилителей подавлять помехи является функцией стабильности опорного сигнала, генерируемого задающим осциллятором 120, и времени интегрирования, используемого в синхронизирующем усилителе. Таким образом, чем стабильнее тактовая частота, тем лучше характеристика подавления помех синхронизирующего усилителя.

Задающий осциллятор 120 соединен с усилителем мощности 122 (например, усилителем с симметричным входом/выходом), выход которого соединен с обсадной колонной 130 целевой скважины 100, а выход соединен с заземленным электродом 124. Усилитель мощности 122 выполнен с возможностью усиления мощности до значения, необходимого для излучения целевого сигнала вниз по обсадной колонне целевой скважины 100.

Контур масштабирования частоты 121 (например, делитель и множитель частоты) соединен с задающим осциллятором 120. Контур масштабирования частоты 121 выполнен с возможностью преобразования опорного сигнала путем понижения частоты для передачи. Контур масштабирования частоты 121 выполнен с возможностью деления частоты тактового сигнала от задающего осциллятора 120 на первое целое число n и умножения результата деления на второе целое число m таким образом, что m/n < 1.

Усилитель мощности 123 (например, усилитель с симметричным входом/выходом) соединен с выходом контура масштабирования частоты 121. Усилитель мощности 123 выполнен с возможностью усиления мощности до значения, используемого для излучения опорного сигнала в геологическую породу над опорной и целевой скважинами 100, 101. Вариант реализации генератора опорного сигнала и схема передатчика 120, 121, 123 описывается ниже со ссылкой на Фиг. 5.

Система в опорной скважине 101 дополнительно содержит прибор для измерения дальности 103. Прибор для измерения дальности 103 может быть скважинным прибором, который является частью бурильной колонны в опорной скважине 101. Прибор для измерения дальности 103 содержит устройство для обнаружения магнитного или электрического полей для определения сравнительного расположения целевой скважины 100 по отношению к опорной скважине 101. Устройство для обнаружения магнитных или электрических полей более подробно описано ниже со ссылкой на Фиг. 6.

На Фиг. 2 проиллюстрирован другой вариант реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины. В данной системе используется передающая схема, содержащая один или более заземленных контактов (например, дипольные передатчики) 250, 251 для излучения опорного сигнала в геологическую породу над целевой скважиной 200 и опорной скважиной 201.

Система содержит задающий осциллятор 220, соединенный с усилителем мощности 222, который содержит выход, соединенный с обсадной колонной 230 целевой скважины 200, а также выход, соединенный с заземленным электродом 224. Усилитель мощности 222 (например, усилитель с симметричным входом/выходом) выполнен с возможностью усиления мощности до значения, используемого для излучения зондирующего сигнала вниз по целевой скважине 200.

Контур масштабирования частоты 221 (например, делитель и умножитель частоты) соединен с задающим осциллятором 220. Контур масштабирования частоты 221 выполнен с возможностью преобразования опорного сигнала путем понижения частоты для передачи. С помощью контура масштабирования частоты 221 генерируется сигнал с частотой, которую получают путем деления частоты тактового сигнала от задающего осциллятора 220 на первое целое число n и умножения результата деления на второе целое число m таким образом, что m/n < 1.

Усилитель мощности 223 (например, усилитель с симметричным входом/выходом) соединен с выходом контура масштабирования частоты 221. Усилитель мощности 223 выполнен с возможностью усиления мощности до значения, используемого для излучения опорного сигнала через заземленные контакты 250, 251 в геологическую породу над опорной и целевой скважинами 200, 201. Вариант реализации схемы генерирования опорного сигнала 220, 221, 223 описывается ниже со ссылкой на Фиг. 5.

Система дополнительно содержит прибор для измерения дальности 203 в опорной скважине 201. Прибор для измерения дальности 203 может быть скважинным прибором, который является частью бурильной колонны в опорной скважине 201. Прибор для измерения дальности 203 содержит устройство для обнаружения магнитного или электрического полей для определения сравнительного расположения целевой скважины 200 по отношению к опорной скважине 201. Устройство для обнаружения магнитных или электрических полей более подробно описано ниже со ссылкой на Фиг. 6.

На Фиг. 3 проиллюстрирован еще один вариант реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины. В данной системе на поверхности используется электрод 351, а также электрод 350, соединенный с обсадной колонной 331 скважины, содержащей прибор для измерения дальности 303 (например, опорной скважины) с целью излучения опорного сигнала в геологическую породу над целевой скважиной 300 и опорной скважиной 301, а также по всей длине опорной скважины 301.

Система содержит задающий осциллятор 320, соединенный с усилителем мощности 322 (например, усилителем с симметричным входом/выходом), выход которого соединен с обсадной колонной 330 целевой скважины 300, а выход соединен с заземленным электродом 324. Усилитель мощности 322 выполнен с возможностью усиления мощности до значения, используемого для излучения зондирующего сигнала вниз по обсадной колонне целевой скважины 300.

Контур масштабирования частоты 321 (например, делитель и множитель частоты) соединен с задающим осциллятором 320. Контур масштабирования частоты 321 выполнен с возможностью преобразования опорного сигнала путем понижения частоты для передачи. Контур масштабирования частоты 321 выполнен с возможностью деления частоты тактового сигнала от задающего осциллятора 320 на первое целое число n и умножения результата деления на второе целое число m таким образом, что m/n < 1.

Усилитель мощности 323 (например, усилитель с симметричным входом/выходом) соединен с выходом контура масштабирования частоты 321. Усилитель мощности 323 выполнен с возможностью усиления мощности до значения, используемого для излучения опорного сигнала в геологическую породу над опорной и целевой скважинами 300, 301, а также вниз по опорной скважине 301. Усилитель мощности 323 имеет выход, соединенный с электродом 351, расположенным в земле, а также выход, соединенный с электродом 350, соединенным с обсадной колонной опорной скважины 301. Вариант реализации схемы генерирования опорного сигнала 320, 321, 323 описан ниже со ссылкой на Фиг. 5.

Система дополнительно содержит прибор для измерения дальности 303 в опорной скважине 301. Прибор для измерения дальности 303 может быть скважинным прибором, который является частью бурильной колонны в опорной скважине 301. Прибор для измерения дальности 303 содержит устройство для обнаружения магнитного или электрического полей для определения сравнительного расположения целевой скважины 300 по отношению к опорной скважине 301. Устройство для обнаружения магнитных или электрических полей более подробно описано ниже со ссылкой на Фиг. 6.

На Фиг. 4 проиллюстрирован еще один вариант реализации системы для измерения расстояния до целевой скважины. В данной системе используется суммирующий усилитель 424 выполненный с возможностью суммирования опорного сигнала с зондирующим сигналом перед подачей полученного суммарного сигнала в обсадную колонну 430 целевой скважины 400.

Система содержит задающий осциллятор 420, соединенный с суммирующим усилителем 424, который в свою очередь содержит выход, соединенный с усилителем мощности 422 (например, усилитель с симметричным входом/выходом). Выход усилителя мощности 422 соединен с обсадной колонной 430 целевой скважины 400, причем другой выход усилителя мощности 422 соединен с заземленным электродом 425. Усилитель мощности 422 выполнен с возможностью усиления мощности до значения, используемого для излучения зондирующего сигнала вниз по обсадной колонне целевой скважины 400.

Контур масштабирования частоты 421 (например, делитель и множитель частоты) соединен с задающим осциллятором 420. Контур масштабирования частоты 421 выполнен с возможностью преобразования опорного сигнала путем понижения частоты для передачи. Контур масштабирования частоты 421 выполнен с возможностью деления частоты тактового сигнала от задающего осциллятора 420 на первое целое число n и умножения результата деления на второе целое число m таким образом, что m/n < 1.

Первый усилитель 423 (например, усилитель с симметричным входом/выходом) соединен с выходом контура масштабирования частоты 421. Выход усилителя 423 соединен с входом суммирующего усилителя 424 таким образом, что с помощью суммирующего усилителя 424 возможно суммирование опорного сигнала с зондирующим сигналом перед излучением полученного суммарного сигнала вниз по целевой скважине 400. Усилитель мощности 426 содержит вход, соединенный с выходом усилителя 423, выход, соединенный с заземленным электродом 427, а также выход, соединенный с обсадной колонной 450 опорной скважины 401. Усилитель мощности 426 выполнен с возможностью усиления мощности до значения, используемого для излучения зондирующего сигнала вниз по опорной скважине 401. Вариант реализации схемы генерирования опорного сигнала 420, 421, 423 описан ниже со ссылкой на Фиг. 5.

Система дополнительно содержит прибор для измерения дальности 403 в опорной скважине 401. Прибор для измерения дальности 403 может быть скважинным прибором, который является частью бурильной колонны в опорной скважине 401. Прибор для измерения дальности 403 содержит устройство для обнаружения магнитного или электрического полей для определения сравнительного расположения целевой скважины 400 по отношению к опорной скважине 401. Устройство для обнаружения магнитных или электрических полей более подробно описано ниже со ссылкой на Фиг. 6.

Варианты реализации изобретения, проиллюстрированные на Фиг. 1-4, выполнены с возможностью передачи опорного сигнала различными способами. Например, некоторые варианты реализации изобретения могут быть целесообразными в случае, если требованиями безопасности будут исключаться варианты, в которых передаваемый сигнал, как правило, сигнал, обладающий большой энергией, может представлять опасность для персонала буровой вышки или существует опасность взрыва.

На Фиг. 5 проиллюстрирован вариант реализации схемы генерирования опорного сигнала. Вариант реализации, проиллюстрированный на Фиг. 5, приводится исключительно с целью наглядности, поскольку опорный сигнал может генерироваться с помощью других способов. Данная схема выполнена с возможностью генерирования опорного сигнала, имеющего частоту f₀⋅m/n тактов в секунду, где f₀ является частотой задающего осциллятора (например, генератора прецизионного тактового сигнала).

Схема содержит задающий осциллятор 520, выполненный с возможностью генерирования тактового сигнала. Схема умножения 501 выполнена с возможностью умножения частоты f₀ на целое число m. Полученная частота, mf₀, затем подается на вход схемы деления 502, которая выполнена с возможностью деления полученной частоты на целое число n для генерирования опорного сигнала с частотой f₀⋅m/n.

Схема преобразования 503 выполнена с возможностью приема тактового сигнала от схемы деления 502 и преобразования его в сигнал синусоидальной формы с частотой f , причем f = f₀⋅m/n. В другом варианте реализации изобретения схема преобразования 503 может быть опущена за счет использования фильтрации на выходе схемы деления 502. Сигнал синусоидальной формы от схемы преобразования 503 поступает на вход фильтра (например, фильтра нижних частот, полосового фильтра) 504, выполненного с возможностью подавления нежелательных частот, близких к опорной частоте. Усилитель 505 выполнен с возможностью усиления мощности до значения, необходимого для передачи сигнала к нагрузке 506 в зависимости от одного или более описанных выше вариантов реализации изобретения. Нагрузкой 506 может быть передатчик 150, заземленные контакты 250, 251, соединение обсадной колонны 350 и заземлитель 351 или соединение обсадной колонны 450 и заземлитель 427.

В другом варианте реализации изобретения опорный сигнал может генерироваться в цифровом виде. В случае цифровой реализации, при которой опорный сигнал генерируется в цифровом виде, опорный сигнал в цифровом виде преобразуется в аналоговый вид с помощью цифроаналогового преобразователя. Результирующий опорный сигнал отфильтровывается посредством полосовой фильтрации для устранения влияний дискретизации сигнала. Как правило, с аналоговыми реализациями умножителей и делителей частоты могут также использоваться полосовой фильтр или фильтр нижних частот, поскольку в этих схемах могут иметь место нелинейности.

На Фиг. 6 проиллюстрирована структурная схема варианта реализации устройства для реконструкции полученного опорного сигнала и обнаружения магнитного или электрического поля в соответствии с вариантами реализации изобретения на Фиг. 1-4. Устройство, проиллюстрированное на Фиг. 6, может размещаться в приборе для измерения дальности как часть бурильной колонны в опорной скважине. На Фиг. 6 проиллюстрирован вариант использования синхронизирующего усилителя с опорным и зондирующим сигналами с целью увеличения отношения сигнал/шум выше возможного при известном уровне техники фильтрации зондирующих сигналов, при котором не используется опорный сигнал.

Структурная схема, проиллюстрированная на Фиг. 6, приводится исключительно для наглядности, поскольку опорный сигнал может быть реконструирован с использованием других вариантов реализации изобретения (например, цифрового), а также проиллюстрированные магнитометры могут быть заменены градиометрами для обнаружения электрического поля. В зависимости от требуемой степени детализации для обнаружения опорного сигнала в других вариантах реализации изобретения может использоваться различное число магнитометров и/или градиометров.

Обнаруженные устройством магнитные или электрические поля обусловлены полями, которые наводятся в целевой скважине в результате излучения зондирующего сигнала вниз по целевой скважине. Таким образом, сигнал, полученный в виде обнаруженного магнитного или электрического полей, может рассматриваться как сигнал, содержащий зондирующий сигнал в сочетании с помехами. Данные помехи могут отфильтровываться с помощью реконструированного опорного сигнала с целью генерирования отфильтрованного опорного сигнала, как описано ниже.

Устройство, проиллюстрированное на Фиг. 6, для генерирования фильтрующего элемента 602 (например, резонансного контура) содержит соленоидальную или тороидальную антенну 600, параллельно которой подключен конденсатор 601. Резонансная частота данного контура выбирается как частота f₁ (т. е. частота основной гармоники) опорного сигнала. В другом варианте реализации изобретения в качестве фильтрующего элемента 602 может использоваться полосовой фильтр. Фильтрующий элемент предназначен для предотвращения искажения опорного сигнала зондирующим сигналом. Фильтрующий элемент 602 также служит для улучшения обнаружения опорного сигнала путем фильтрации помех вблизи опорной частоты.

Усилитель 603 соединен с выходом фильтрующего элемента 602, который может содержать резонансный контур или фильтр. Усиленный полученный сигнал с частотой f₁ с выхода усилителя 603 подается на схему умножителя частоты 605, причем на выходе схемы умножения частоты сигнал имеет частоту n*f₁, причем n является целым числом, как было описано выше. Выходной сигнал схемы умножителя 605 является входным сигналом схемы делителя частоты 607, которая генерирует сигнал с частотой n*f₁/m, где m представляет собой целое число, как было описано выше. Поскольку n*f₁/m = f₀, генерируется сигнал точно такой же частоты, как у сигнала, излученного к целевой скважине. Если пренебречь задержкой распространения сигнала, которая является малой по сравнению со временем обнаружения сигнала, данный сигнал будет отслеживать медленный уход опорной частоты f₀.

Из данного сигнала с частотой f₀ генерируются три сигнала. Два из этих сигналов 610, 611 находятся в квадратуре. Другими словами, один сигнал может быть представлен в виде амплитуды, умноженной на сигнал синусоидальной формы с частотой f₀ с определенным фазовым сдвигом, в то время как другой сигнал может быть представлен в виде амплитуды, умноженной на сигнал косинусоидальной формы с частотой f₀ с тем же фазовым сдвигом (или сигналом синусоидальной формы с дополнительным фазовым сдвигом 90° по сравнению с первым сигналом синусоидальной формы). Третий сигнал 612, представленный в виде сигнала прямоугольной формы, генерируется контуром генератора интервала интегрирования 609, генерирующий прямоугольный сигнал с периодом, который является целым кратным 1/f₀. Выходной сигнал 612 используется для выбора времени, в течение которого работают две схемы интегратора 642, 643 в каждом из множества синхронизирующих усилителей 620-623.

Два квадратурных сигнала 610, 611 подаются в качестве опорных сигналов на множество синхронизирующих усилителей 620-623. Также на каждый из синхронизирующих усилителей 620-623 подается выходной сигнал прямоугольной формы от контура генератора интервала интегрирования 609. Выходы 3-осевого магнитометра 630-633 соединены с соответствующими синхронизирующими усилителями 620-623.

Магнитометры 630-633 используются для обнаружения магнитного поля. По меньшей мере один магнитометр используется для обнаружения опорного сигнала, при этом для обнаружения зондирующего сигнала используется по меньшей мере один магнитометр (или по меньшей мере одним магнитный градиометр). Магнитометры 630-633 могут быть индукционными магнитометрами, магниторезистивными магнитометрами, свободными от спин-обменного уширения (SERF), или аналогичными атомными магнитометрами (или любыми другими устройствами аналогичного предназначения), а также индукторами или тороидами, которые используются для приема значений изменяющегося во времени магнитного поля. Опорный и зондирующий сигналы могут получаться одним(и) и тем(и) же магнитометром(ами). Магнитометры могут быть векторными магнитометрами (т. е., магнитометрами, имеющими предпочтительные оси чувствительности) или скалярными магнитометрами (например, магнитометрами, измеряющими величину магнитного поля). В некоторых применениях для измерения расстояния могут использоваться магнитометры с несколькими осями. Магнитометры, главным образом, связанные с обнаружением зондирующего сигнала, как правило, являются магнитометрами векторного типа.

Выходные сигналы синхронизирующих усилителей 620-623 подаются на один или более сигнальных процессоров 650-653 для мониторинга обнаруженных сигналов в опорной скважине с целью определения сравнительного расположения опорной скважины по отношению к целевой скважине на основании зависимости между обнаруженными магнитными полями (например, отфильтрованного опорного сигнала) на основе измерений, выполненных для множества точек в опорной скважине. В еще одном варианте реализации изобретения может использоваться только один сигнальный процессор, содержащий множество входов для обработки сигналов. В другом варианте реализации изобретения решение может приниматься на основании измерения в опорной скважине только одного градиента магнитного поля. Опорный сигнал может использоваться в качестве опорной частоты для синхронизирующих усилителей.

При работе с использованием, например, магнитометра 1 630 выходной сигнал первого магнитометра 630 усиливается и, насколько возможно, фильтруется с помощью полосового фильтра, после чего подается на пару смесителей 640, 641. На каждый смеситель 640, 641 подаются два входных сигнала, причем смеситель выполнен с возможностью перемножения этих двух входных значений для получения выходного сигнала. Вторым входным сигналом одного из смесителей является сигнал синусоидальной формы 610 с частотой f₀, а вторым входным сигналом второго смесителя является косинусоидальный сигнал 611 с частотой f₀. Чтобы лучше проиллюстрировать работу смесителей 640, 641, а затем интеграторов 642, 643 необходимо пояснить терминологию сигналов и формулы.

В качестве выходного сигнала магнитометра определим S_m, который используется в качестве одного входного сигнала смесителя:

S_m = A_r⋅sin(2π⋅f₀⋅t+θ)+N_r(t)+N_i(t),

где A_r является амплитудой опорного сигнала, полученного прибором для измерения дальности, и может содержать коэффициент усиления;

f₀ является частотой зондирующего сигнала в Гц;

t является интервалом времени в секундах;

θ является фазовым коэффициентом, связанным с начальной точкой отсчета времени и задержкой распространения сигнала от обсадной колонны целевой скважины до прибора для измерения дальности;

N_r(t) является помехами, которые получаются магнитометром; и

N_i(t) является аппаратным шумом, который вносится во входной сигнал смесителя электронными компонентами магнитометра.

Синусоидальный сигнал на входе смесителя R_s имеет вид:

R_S=B⋅sin(2π⋅f₀⋅t+φ)+N(t),

где B является амплитудой выходного сигнала синусоидальной формы схемы, которая реконструирует сигнал с частотой f₀ из полученного сигнала с частотой f₁;

φ является фазовым коэффициентом, подобным θ. Заметим, что φ и θ будут медленно меняться со временем, поскольку прибор для измерения дальности перемещается в скважине; и

N(t) является электронным шумом схемы, с помощью которой реконструируется сигнал с частотой f₀.

Исходя из приведенных выше формул для S_m и R_S, выходной сигнал первого смесителя определяется по формуле:

QUOTE

Согласно простому тригонометрическому тождеству, произведение двух компонентов с частотой f₀ является константой + компонент с частотой f₀ + компонент с частотой 2*f₀. Отдельные составляющие шума умножаются на синусную и косинусную составляющие с частотой f₀ или перемножаются. Аналогичным образом вычисляется выходной сигнал второго смесителя 641.

Затем выходные сигналы двух смесителей 640, 641 поступают на интеграторы 642, 643 и интегрируются в течение N тактов с периодом 1/f₀, то есть в течение N/f₀ секунд. При интегрировании в течение целого числа тактов с частотой f₀ слагаемые с частотами f₀ и 2*f₀ становятся равными 0. Если шумы фактически являются случайными шумами, при этом только компонент, являющийся когерентным частоте f₀, вносит вклад в интеграл, и, таким образом, шумовая составляющая от этих слагаемых значительно снижается. Аналогичным образом, если предположить, что составляющие шума не коррелированы, первое слагаемое, являющееся произведением составляющих шума, после интегрирования будет значительно уменьшаться. В результате остается только слагаемое QUOTE как результат вышеприведенной формулы и аналогичное слагаемое QUOTE от интегратора 643.

Выходные сигналы интеграторов 642, 643 обнаруживаются с помощью электронной схемы по завершению периода N/f₀, при этом интеграторы 642, 643 обнуляются, и начинается еще один период интегрирования N/f₀ секунд (есть способы обработки данных выходных сигналов как аналоговых сигналов; в некоторых вариантах реализации изобретения для выполнения этой задачи наряду с аппаратным и программным обеспечением для обработки сигналов будет использоваться аналого-цифровой преобразователь).

Результирующие потоки дискретных данных содержат случайный шум, уменьшенный в корень квадратный из N раз, соответственно шуму во входных сигналах интеграторов 642, 643. Среднеквадратическая сумма выходных сигналов двух интеграторов 642, 643 будет пропорциональна выходному сигналу магнитометра 1 630, при этом с существенно сниженным уровнем шума. Отношение амплитуд двух сигналов интеграторов 642, 643 отображает некоторую информацию о распространении сигналов через толщу земли, но, как правило, не представляет интереса для измерения расстояния. В некоторых вариантах реализации изобретения с помощью скачкообразного изменения данного соотношения (которое является тангенсом фазы зондирующего сигнала относительно фазы реконструированного сигнала с частотой f₀, используемой в качестве опорной) отображается значительное изменение в целевой скважине или значительное изменение в соотношении между целевой скважиной и прибором для измерения дальности, поскольку фаза или соотношение фаз могут мониториться.

В некоторых вариантах реализации изобретения все или часть синхронизирующих усилителей 620-623 могут быть реализованы с помощью аналого-цифровых преобразователей, а также цифровой обработки сигналов. В данном случае дискретизация должна выполняться с какой-то высокой кратной эталонной частотой f₀, которая может формироваться с помощью другого умножителя частоты.

Критерий для определения разноса по частоте зондирующего и опорного сигналов, а также для определения стабильности осциллятора может определяться, как описано ниже.

Избирательность синхронизирующего усилителя может быть проанализирована путем вычисления его выходного сигнала в случае, если реконструированная опорная частота отличается от частоты сигнала на другом входе синхронизирующих усилителей 620-623 (в приведенном примере это выходной сигнал одного из других магнитометров 631-633).

Выходной сигнал синхронизирующего усилителя для двух таких сигналов проиллюстрирован на Фиг. 7 для времени интегрирования 1/f₀, 10/f₀, 100/f₀ и 1,000/f₀. С целью облегчения понимания данных сравнений в случае, если нет никакой разницы между сигналами, каждый выходной сигнал делится на выходной сигнал синхронизирующего усилителя. Абсцисса на Фиг. 7 является частичной разностью частот между двумя сигналами. Например, при значении по оси абсцисс 0,1 входной сигнал от магнитометра для измерения расстояния составляет 1,1*f₀, а значение по оси абсцисс -,1 соответствует сигналу от магнитометра для измерения расстояния 0,9*f₀. Как видно на чертеже, по мере увеличения времени интегрирования избирательность синхронизирующего усилителя резко возрастает.

На Фиг. 8 проиллюстрированы такие же кривые, но с уменьшенным диапазоном частот, который охватывает только 0,01 (нормализованный к f₀) тех, что проиллюстрированы на Фиг. 7. Даже при более значительном уменьшении диапазона на Фиг. 8 кривую, соответствующую интегрированию более 1000 тактов, может быть трудно интерпретировать. Локальный максимум 0,01 возникает вблизи сдвига частоты 0,001 (т.е. 1,001* f₀). То есть сигнал с частотой 1,001*<f₀ уменьшается до 0,01 амплитуды, полученной с тем