Система определения наземного возбуждения для применения пгд

Система определения наземного возбуждения для применения пгд

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ЗАЯВКА НА ПРИОРИТЕТ

В данной заявке заявлен приоритет по предварительной заявке на патент США № 61/734740, озаглавленной "Surface Excitation Ranging System for SAGD Application", поданной 7 декабря 2012 года, и по предварительной заявке на патент США № 61/735445, озаглавленной "Surface Excitation Ranging System for SAGD Application", поданной 10 декабря 2012 года, содержание которых включено в данный документ в полном объеме посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к работам по бурению скважин и, в частности, к способам и к системам сопровождения бурения нескольких скважин относительно друг друга. Наиболее предпочтительно, данное изобретение относится к способам и к системам определения относительного положения опорной скважины по отношению к скважине, в которой выполняют бурение, с применением оптимального размещения электродов эмиттера и возвратных электродов для улучшения определения расстояния по магнитному полю.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Поскольку легкодоступные и легко добываемые ресурсы углеводородного сырья истощаются, существует повышенный спрос на более усовершенствованные методы добычи. Одним из таких методов является парогравитационный дренаж (ПГД), метод, при котором применяют пар в связи с двумя скважинами, расположенными на расстоянии друг от друга. В частности, ПГД решает задачу подвижности тяжелой нефти в пласте путем закачки в пласт пара при высоком давлении и высокой температуре, или пара высоких параметров. Такой пар с высокими параметрами снижает вязкость тяжелой нефти с целью повышения добычи. Закачку пара в пласт производят из первой скважины (нагнетательной скважины), которая пробурена выше и параллельно второй скважине (добывающей скважине). Когда вязкость тяжелой нефти в пласте вокруг первой скважины уменьшается, тяжелая нефть стекает в расположенную ниже вторую скважину, из которой данную нефть добывают. Как правило, обе скважины бурят на расстоянии всего лишь нескольких метров друг от друга. Размещать нагнетательную скважину необходимо с очень небольшим интервалом расстояния. Если нагнетательная скважина расположена слишком близко к добывающей скважине, добывающая скважина подвергалась бы воздействию очень высоких давления и температуры. Если нагнетательная скважина расположена слишком далеко от добывающей скважины, снижается эффективность метода ПГД. С целью оказания помощи в обеспечении того, чтобы вторую скважину пробурили и разместили на необходимом расстоянии относительно первой скважины, нередко проводят исследование обеих скважин в пласте. Эти методы исследований традиционно называют "определением расстояния".

Электромагнитные (ЭМ) системы и способы обычно применяют в процессе определения расстояния, чтобы определить направление и расстояние между двумя скважинами. В ЭМ системах определения расстояния удлиненную проводящую колонну труб, такую как скважинная обсадная колонна, размещают в одной из скважин. Эту скважину, как правило, называют "целевой" скважиной, и обычно она представляет собой нагнетательную скважину ПГД. В любом случае электрический ток подают на проводящую колонну труб в целевой скважине посредством низкочастотного источника тока. Токи текут вдоль обсадной колонны скважины и протекают в пласт. В результате токи оказываются в ЭМ поле вокруг целевой скважины. ЭМ поля, генерируемые токами на обсадной колонне целевой скважины, измеряют с помощью электромагнитной системы датчиков управляемого оборудования, размещенной в другой скважине, которая, как правило, является скважиной, находящейся в процессе бурения. Эта вторая скважина обычно представляет собой добывающую скважину ПГД. Измеренное магнитное поле могут затем применять для определения расстояния, направления и угла между двумя скважинами. Системы определения расстояния, в которых ток подают в целевую скважину для того, чтобы индуцировать магнитное поле, называют "активными" системами определения расстояния.

Одно из решений, которые применяют в ЭМ определении расстояния, состоит в применении устройств для определения расстояния с целью непосредственно обнаруживать и измерять расстояние между двумя скважинами, когда производят бурение последней скважины. Известные двухскважинные коммерческие способы, при которых применяют оборудование в обеих скважинах (нагнетательной и добывающей), основаны либо на методах вращающихся магнитов, либо на методах наведения по магнитному полю. Однако эти способы являются нежелательными, поскольку требуют двух отдельных и различных бригад для управления оборудованием в каждой скважине, а именно каротажной бригады на добывающей скважине и бригады каротажа в процессе бурения на нагнетательной скважине, что экономически не рентабельно. При одном способе известного уровня техники применяют оборудование только в одной скважине (нагнетательной скважине) для передачи тока в целевую скважину (добывающую скважину), после чего делают абсолютное измерение магнитного поля для расчета расстояния. Один существенный недостаток этого способа заключается в том, что данный подход нередко дает очень ненадежные результаты из-за размещения эмиттера и возвратных электродов относительно друг друга и относительно магнитометра.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг. 1 иллюстрирует наземное возбуждение целевой скважины в односкважинной системе определения расстояния.

Фиг. 2 иллюстрирует конфигурации устья скважины и возбуждения обсадной трубы для систем, проиллюстрированных на Фиг. 1.

Фиг. 3а иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник излучает ток в пласт в непосредственной близости к целевой скважине и ток возвращается в геологическую среду, отдаленную от эмиттера.

Фиг. 3b иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник излучает ток в целевую скважину и использует возврат через землю в отдельной скважине, отделенной от целевой и нагнетательной скважин.

Фиг. 3с иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник излучает ток в целевую скважину и использует возврат через землю в нагнетательной скважине.

Фиг. 4а иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник, отдаленный от целевого устья скважины, излучает ток в неглубокий пласт, и ток возвращается в геологическую среду отдаленно от эмиттера.

Фиг. 4b иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник снабжен эмиттером, расположенным в скважине на витой паре проводов для доставки тока к целевой колонне труб и возврата через землю дальше в глубине целевой скважины.

Фиг. 4с иллюстрирует вариант реализации данного изобретения, в котором источник снабжен эмиттером, расположенным в скважине на витой паре проводов для доставки тока к удлиненной проволочной петле, расположенной внутри целевой скважины.

Фиг. 5 иллюстрирует основанный на градиенте магнитного поля принцип измерения основанной на градиенте магнитного поля скважинной системы определения расстояния.

Фиг. 6 иллюстрирует 3-, 4- и 8-дипольные схемы расположения для основанной на градиенте магнитного поля скважинной системы определения расстояния.

Фиг. 7 представляет собой график, иллюстрирующий неопределенность в абсолютном измерении в зависимости от градиентного измерения магнитных полей.

Фиг. 8 иллюстрирует способ измерения расстояния с применением основанной на градиенте магнитного поля скважинной системы определения расстояния.

Фиг. 9 иллюстрирует блок-схему способа определения расстояния основанной на градиенте магнитного поля скважинной системы определения расстояния с помощью градиента магнитного поля.

Фиг. 10 иллюстрирует блок-схему способа определения расстояния для скважин с применением оптимального размещения эмиттера и возвратных электродов с целью повышения производительности системы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В вышеизложенном описании изобретения могут повторяться номера и/или буквенные обозначения позиций различных примеров. Это повторение предусмотрено для простоты и ясности и само по себе не устанавливает взаимосвязь между различными описанными вариантами реализации изобретения и/или конфигурациями. К тому же, пространственно относительные термины, такие как "под" "ниже", "нижний", "выше", "вверх скважины", "вглубь скважины", "перед (чем-то)", "на выходе (из чего-то)" и тому подобные, могут использоваться в данном документе для простоты описания с целью описания отношения одного элемента или признака к другому(гим) элементу(ам) или признаку(ам), как проиллюстрировано на фигурах. Пространственные относительные термины предназначены для охвата различных ориентаций устройства в применении или эксплуатации в дополнение к ориентации, проиллюстрированной на фигурах. Например, если устройство на фигурах переворачивают, элементы, описанные, как расположенные "ниже" или "под" другими элементами или признаками, будут ориентированы "над" этими другими элементами или признаками. Таким образом, типовой термин "ниже" может охватывать ориентацию как выше, так и ниже. Устройство может быть ориентировано иным образом (повернуто на 90 градусов или иметь другие ориентации), и пространственные относительные термины, используемые в данном документе, также могут быть интерпретированы соответствующим образом.

В соответствии вначале с Фиг. 1а и 1b, первая скважина 10 простирается от устья скважины 11 вглубь пласта 12 с поверхности 13 пласта. Внутри скважины 10 вдоль по меньшей мере части ее длины размещен продолговатый токопроводящий элемент 14, который, как правило, ориентирован внутри скважины 10 так, чтобы быть соосным с ней. Скважина 10 может быть обсажена или необсажена. В некоторых вариантах реализации изобретения в той мере, насколько скважина 10 является обсаженной, токопроводящий элемент 14 может представлять собой обсадную колонну или хвостовик, размещенный внутри скважины 10. В некоторых вариантах реализации изобретения и в случае обсаженных, и в случае необсаженных скважин токопроводящий элемент 14 может представлять собой колонну труб, буровой комплект, лифтовую трубу, электрические провода или другой проводник, размещенные в первой скважине 10. В любом случае намерение состоит в том, чтобы обеспечить путь для протекания тока вдоль значительного отрезка длины опорной скважины, и могут применять любой путь проводимости, содействующий выполнению этой задачи. Кроме того, токопроводящий элемент 14, как правило, размещают внутри скважины 10 для вырабатывания магнитного поля в радиальном направлении наружу со скважины 10.

В некоторых вариантах реализации изобретения первая скважина 10 может содержать вертикальный участок 16 и направляющий участок 18. Направляющий участок 18 бурят из вертикального участка 16 вдоль требуемой азимутальной траектории и требуемой траектории наклона.

Вторая скважина 28 проиллюстрирована в процессе бурения. Буровую систему 30, как правило, иллюстрируют как соединенную с ней. Буровая система 30 может содержать буровую платформу 32, расположенную над пластом 12, и устьевую установку 34, содержащую противовыбросовые превенторы 36. Платформа 32 может быть размещена для подъема и опускания механизма транспортировки 48 во второй скважине 28. Механизм транспортировки 48 может представлять собой лифтовую трубу, обсадную трубу, такую как бурильная колонна, или кабель, такой как кабельная проволока, тросовая проволока или тому подобное, в зависимости от работ, проводимых во второй скважине 28.

Механизмом транспортировки 48 во вторую скважину 28 опускают электромагнитный ("ЭМ") датчик 51. В некоторых вариантах реализации изобретения ЭМ датчик 51 может измерять по меньшей мере одну составляющую магнитного поля или градиент магнитного поля. В некоторых вариантах реализации изобретения ЭМ датчик 51 может измерять по меньшей мере одну составляющую электрического поля или градиент электрического поля. В некоторых вариантах реализации изобретения ЭМ датчик 51 включает по меньшей мере датчик магнитного градиента или магнитный градиентометр (приемник).

Система инжекции тока для подачи тока на токопроводящий элемент 14 включает по меньшей мере одну пару электродов, а именно электрод эмиттера "Е" и возврат "R". Электрод эмиттера Е и возвратный электрод R, вместе с системой инжекции тока, как правило, образуют скважинную систему определения расстояния. Система инжекции тока, а именно электрод эмиттера Е и возвратный электрод R, вводит переменные токи в пласт 12, в котором токи идут к и затем вдоль токопроводящего элемента 14 в первой скважине 10. ЭМ датчик 51 размещают внутри второй скважины 28 для замера магнитных полей из-за этих переменных токов в токопроводящем элементе 14. В любом случае расстояние и направление до цели может быть рассчитано путем анализа измеряемых магнитных полей. В некоторых вариантах реализации изобретения, в которых ЭМ датчик 51 включает градиентометр, градиент магнитного поля может быть измерен и применен для определения расстояния между скважинами.

В той мере, насколько буровую систему 30 используют для активного бурения второй скважины 28, ЭМ датчик 51 может быть частью компоновки низа бурильной колонны (КНБК) 52 буровой системы. В таких вариантах реализации изобретения механизм транспортировки 48 может быть лифтовой трубой или бурильной колонной, в которой КНБК 52 закреплена на конце колонны труб 48. КНБК 52 содержит буровое долото 54. В одном или более вариантов реализации изобретения ЭМ датчик 51 можно расположить в непосредственной близости или смежно с буровым долотом 54. КНБК может также содержать модуль питания 56, такой как турбонасосный забойный двигатель, направляющий модуль 58, контрольный модуль 60 и другие датчики и приборные модули 62. Как поймут специалисты в данной области техники, КНБК 52, проиллюстрированная на Фиг. 1а и 1b, может представлять собой систему измерения в процессе бурения или систему каротажа в процессе бурения, в которой ЭМ определение расстояния может использоваться, чтобы направлять буровое долото 54 в то время, как бурильную колонну размещают в скважине 28.

Система инжекции тока также содержит либо управляемый напряжением, либо управляемый током передатчик 38, и в некоторых вариантах реализации изобретения его изменяют под очень низкие частоты порядка 0,02-250 Гц для генерации тока, подаваемого на электрод эмиттера Е. Передатчик 38 может быть локально расположен относительно электрода эмиттера Е или расположен в месте, удаленном от электрода эмиттера Е в электрическом контакте с электродом Е через токопроводящую проволоку. Подобным образом, питание и связь с датчиком 51 могут осуществлять локально с помощью соответствующих модулей 56-62 или могут передавать через транспортировочную систему 48.

Модуль турбонасосного забойного двигателя 56 приводится в движение потоком буровой жидкости, а он, в свою очередь, приводит в движение буровое долото 54 для продления второй скважины 28 вдоль заданной траектории 32. Требуемая траектория 32 проиллюстрирована как идущая параллельно горизонтальной части скважины 10, потому что во многих случаях, таких как парогравитационный дренаж (ПГД) или дегазация угольного пласта, желательно пробурить ряд сближенных параллельных скважин. Модуль турбонасосного забойного двигателя 56 может обеспечить питание системе инжекции тока и/или ЭМ датчику 51.

Направляющий модуль 58 позволяет скважине 28 быть расширенной в нужном направлении. Многие пригодные направляющие механизмы хорошо известны, например, рулевые лопасти, "кривые переводники" в сборе и роторные управляемые системы. Конфигурацию направляющего механизма могут устанавливать и корректировать командами из системы управления 64 на поверхности, такой как передвижная каротажная станция или другой блок-вагончик управления. В качестве альтернативы, контрольный модуль 60 может быть запрограммирован на требуемый маршрут, и он может регулировать направляющий механизм по необходимости для направления скважины по заданной траектории.

В то время как система инжекции тока и ЭМ датчик 51, как описано в настоящем документе, проиллюстрированы в отношении наземных буровых систем, описание изобретения также включает применение шельфовой и морской буровой системы.

Кроме того, размещение системы инжекции тока и ЭМ датчика 51 не ограничивается какой-либо конкретной ориентацией первой и второй скважин. Как проиллюстрировано на Фиг. 1, первая и вторая скважины 10, 28, соответственно, являются, по существу, горизонтальными скважинами. В таком случае система инжекции тока и ЭМ датчик 51 могут быть особенно полезными в определении расстояния при операциях ПГД. В качестве альтернативы, первая и вторая скважины 10, 28, соответственно, являются, по существу, вертикальными скважинами. Таким образом, система инжекции тока и ЭМ датчик 51 могут быть применены при бурении рельефных скважин или пересекающихся скважин, например, когда желательно установить прямую гидравлическую связь между двумя скважинами. Это может быть особенно полезно, например, в скважинных интервенционных работах.

В любом случае систему управления могут также применять для управления буровой системой 30 на основании ЭМ определения расстояния с применением системы инжекции тока и ЭМ датчика 51.

Таким образом, скважинная система определения расстояния состоит из двух частей: (i) источника тока, а именно системы инжекции тока, состоящей из электрода эмиттера Е и возвратного электрода R, отдаленного от электрода эмиттера Е, разделения электрода эмиттера Е и возвратного электрода R для подачи переменного тока от электрода эмиттера Е, вдоль токопроводящего элемента 14 в первой скважине 10 и назад к возвратному электроду R и (ii) ЭМ датчика 51, а именно датчика магнитного градиента или магнитного градиентометра или магнитометра, помещенных в разведывательную или вторую скважины и размещенных для измерения магнитных полей или магнитных полей градиента из-за этих переменных токов на токопроводящем элементе 14. Хотя данная система и способ по изобретению не ограничены конкретным измерением магнитного поля, в одном варианте реализации изобретения измеряют либо абсолютное магнитное поле, либо градиент, а в другом варианте реализации изобретения измеряют и то, и другое. Расстояние и направление до цели может быть рассчитано путем анализа измеряемых магнитных полей. Электрод эмиттера Е расположен в точке вблизи поверхности или в фиксированной точке в целевой скважине. Возвратный электрод R расположен на или вблизи поверхности или внутри пласта, но в любом случае на расстоянии от электрода эмиттера Е так, что токи, протекающие от электрода эмиттера Е к возвратному электроду R, пересекаются или как-то иначе сначала подходят к токопроводящему элементу 14 в первой скважине 10.

Фиг. 1а иллюстрирует систему инжекции тока, при этом электрод эмиттера Е находится на поверхности 13, в непосредственной близости или смежно с первой скважиной 10, в то время как возвратный электрод R расположен вдоль поверхности 13 на расстоянии от электрода эмиттера E, а также первой скважины 10. В некоторых вариантах реализации изобретения электрод эмиттера Е электрически присоединен к устью скважины 11, чтобы облегчать проведение тока к токопроводящему элементу 14. Изолированный токопроводящий провод 22 присоединен к возвратному электроду R и к электроду эмиттера Е для замыкания электрической цепи. Соответственно, ток, введенный в электрод эмиттера Е, проходит вниз и вдоль токопроводящего элемента 14, как проиллюстрировано линиями тока 34а. В то время как часть тока будет протекать в пласт 12, как проиллюстрировано линиями тока 34b, большая часть тока 34а будет перемещаться вдоль токопроводящего элемента 14, в результате чего образуется электромагнитное поле 36, исходящее от токопроводящего элемента 14. Возвратный электрод R расположен на поверхности так, что ток 34а, который перемещается вдоль токопроводящего элемента, будет затем проходить через пласт 12 назад к возвратному электроду R, как проиллюстрировано линиями тока 34с, замыкая таким образом цепь. На основании расположения скважины 10 ток в пределах скважины 10 может быть оптимизирован путем регулирования относительного расположения электрода эмиттера Е и возвратного электрода R. В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 1А, возвратный электрод R расположен на поверхности 13 в непосредственной близости, или смежно, или мимо дистального конца 20 первой скважины 10, с целью обеспечения прохождения тока 34а вдоль токопроводящего элемента 14, размещенного в нем, до прохождения через пласт 12 назад к возвратному электроду R.

Фиг. 1b иллюстрирует систему инжекции тока, при этом электрод эмиттера Е расположен вблизи первой скважины 10, в то время как возвратный электрод R расположен вдоль поверхности 13 на расстоянии от электрода эмиттера R, а также первой скважины 10. В некоторых вариантах реализации изобретения электрод эмиттера Е электрически присоединен к токопроводящему элементу 14 для облегчения проведения тока в токопроводящий элемент 14. Изолированный токопроводящий провод 22 присоединен к возвратному электроду R и к электроду эмиттера Е для замыкания электрической цепи. Соответственно, ток, поданный на электрод эмиттера Е, перемещается вдоль токопроводящего элемента 14, как проиллюстрировано линиями тока 34а. В то время как часть тока будет протекать в пласт 12, как проиллюстрировано линиями тока 34b, большая часть тока 34а будет перемещаться вдоль токопроводящего элемента 14, в результате чего образуется электромагнитное поле 36, исходящее от токопроводящего элемента 14. Возвратный электрод R расположен на поверхности так, что ток 34а, который перемещается вдоль токопроводящего элемента, будет затем проходить через пласт 12 назад к возвратному электроду R, как проиллюстрировано линиями тока 34с, замыкая таким образом цепь. На основании расположения скважины 10 ток в пределах скважины 10 может быть оптимизирован путем регулирования относительного расположения электрода эмиттера Е и возвратного электрода R. В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на Фиг. 1b, возвратный электрод R расположен на поверхности 13 в непосредственной близости, или смежно, или мимо дистального конца 20 первой скважины 10 с целью обеспечения прохождения тока 34а вдоль токопроводящего элемента 14, размещенного в нем, до прохождения через пласт 12 назад к возвратному электроду R.

На Фиг. 2а электрод эмиттера Е по Фиг. 1а проиллюстрирован более подробно. В частности, передатчик 38, расположенный на поверхности 13, вырабатывает ток 34 на электрод эмиттера Е, подключенный к первой скважине 10 через изолированный кабель 25, который непосредственно зажат или соединен с устьем скважины 11, находящемся в непосредственном электрическом контакте с токопроводящим элементом 14.

На Фиг. 2b электрод эмиттера Е по Фиг. 2b проиллюстрирован более подробно. В частности, передатчик 38, расположенный на поверхности 13, вырабатывает ток 34, доставляемый через изолированный кабель 25 к электроду эмиттера Е, размещенному внутри первой скважины 10 и электрически присоединенному к токопроводящему элементу 14, который может находиться в непосредственной близости с зоной, предназначенной для бурения ПГД. В некоторых вариантах реализации изобретения кабель 25 может быть экранирован, чтобы свести к минимуму воздействие на него магнитного поля, создаваемого токопроводящим элементом 14.

В вариантах реализации изобретения, как на Фиг. 2a, так и на Фиг. 2b, токи 34а, перемещающиеся по токопроводящему элементу 14, постепенно протекают в находящийся в непосредственной близости или смежный пласт 12 (см. Фиг. 1а и 1b) и следуют экспоненциальному затуханию при условии, что они отдалены от концов токопроводящего элемента 14. Как известно, такое возбуждение тока может достигать расстояний вплоть до 10000 футов и более, что является желательным для применения ПГД по данному изобретению. Для того, чтобы минимизировать сопротивление нагрузки, подключенной к передатчику 38, контакт может быть выполнен с возможностью уменьшать контактное сопротивление как можно больше. Например, в случае возбуждения в скважине от устья скважины (Фиг. 1а и 2а) могут применять механический зажим. В случае возбуждения в скважине от места в целевой скважине удлиненный проводник может быть расположен на дне скважины и прижат к стволу скважины, например, силой притяжения, чтобы усилить контакт с пластом.

Фиг. 3а иллюстрирует вариант реализации изобретения, аналогичный Фиг. 1а, но при этом электрод эмиттера Е не находится в непосредственном электрическом контакте с токопроводящим элементом 14 или устьем скважины 11. Вместо этого электрод эмиттера Е подает ток через электрод эмиттера Е в пласт 12, находящийся в непосредственной близости или смежно с устьем скважины 11. Электрод эмиттера Е расположен достаточно близко к устью скважины 11 так, что ток потечет через пласт 12 к целевой скважине 10 и к токопроводящему элементу 14. Специалисты в данной области техники поймут, что в этой конфигурации возвратный электрод R должен быть расположен на достаточно большом расстоянии от электрода эмиттера Е так, что ток 34 будет течь сначала к токопроводящему элементу 14 в первой скважине 10, а затем к возвратному электроду R, в противоположность течению прямо к возвратному электроду R.

Как указано выше, размещение или положение возвратного электрода R для системы инжекции тока могут быть выбраны с целью оптимизации производительности скважинной системы определения расстояния. В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на некоторых из Фиг. 3 и 4, опорную точку YY могут выбрать и применять для расположения возвратного электрода R. Опорную точку YY могут выбрать для прохождения через конец 20 первой скважины 10, проходящей в пласт 12, вокруг которого определена торцевая часть данной скважины. Выбирают опорную точку 37 вдоль опорной оси YY, а затем выбирают положение возвратного электрода R, чтобы минимизировать расстояние "D" между опорной точкой 37 и возвратным электродом R. В этом случае оптимизация включает генерирование самого мощного магнитного поля из возможных токопроводящих элементов 14 в зоне, измеряемой ЭМ датчиком 51 из второй скважины 28.

Фиг. 3b иллюстрирует вариант реализации изобретения, аналогичный Фиг. 3а, но при этом возвратный электрод R не находится на поверхности 13. Вместо этого возвратный электрод R расположен внутри пласта 12. В частности, возвратный электрод R опускают на каротажной проволоке, тросовой проволоке или другом кабеле в третью скважину 29, отходящую от поверхности 13 в пласт 12. Как проиллюстрировано, изолированный токопроводящий провод 22 присоединен к возвратному электроду R и к электроду эмиттера Е для замыкания электрической цепи. Кроме того, третья скважина 29 может содержать колонну труб, такую как обсадная или бурильная колонна (не проиллюстрированы) в контакте с пластом 12, который электрически соединен с возвратным электродом R, расположенным на поверхности 13 третьей скважины 29. В этих вариантах реализации изобретения следует иметь в виду, что опорная точка 37, а следовательно, и возвратный электрод R необязательно должны быть расположены как можно дальше от конца 20 первой скважины 10, как в ранее описанных вариантах реализации изобретения, потому что токопроводящий элемент 14 первой скважины 10 более непосредственно расположен между физическим положением электрода эмиттера Е и возвратным электродом R, так что ток 34, скорее всего, пройдет по токопроводящему элементу 14 прямо к возвратному электроду R в противоположность непосредственному проходу через пласт 12 между электродом эмиттера Е и возвратным электродом R.

Фиг. 3с иллюстрирует вариант реализации изобретения, аналогичный Фиг. 3b, но при этом возвратный электрод R в пласте 12 расположен внутри второй скважины 28. В частности, возвратный электрод R может доставляться механизмом транспортировки 48, что также несет в себе ЭМ датчик 51. Кроме того, возвратный электрод R может быть спущен внутри механизма транспортировки 48 во вторую скважину 28 на кабеле, например, кабельной проволоке. Другие модули 56, 58, 60, 62 могут также доставляться механизмом транспортировки 48, как описано выше. Электрод эмиттера Е может быть присоединен непосредственно к первой скважине 10 (как описано на Фиг. 1а) или отделен от первой скважины 10 (как описано на Фиг. 3а). Изолированный провод 22 проходит между электродом эмиттера Е и возвратным электродом R для замыкания цепи. В некоторых вариантах реализации изобретения механизм транспортировки 48 содержит один или более изоляторов или переводников зазора G, размещенных вдоль механизма транспортировки 48 для изолирования возвратных электродов R от ЭМ датчика 51 и, в частности, препятствования току 34с проходить вдоль механизма транспортировки 48 от возвратного электрода R к ЭМ датчику 51. В контексте данного документа "переводник зазора" означает изолятор, такой как зазор в токопроводящих частях колонны труб или изоляционная часть трубы, или переводник изолятора, или любое другое непроводящее устройство, размещенное для препятствования течению тока вдоль бурильной колонны.

В соответствии с Фиг. 4а проиллюстрирован вариант реализации скважинной системы определения расстояния, при этом эмиттерный электрод Е расположен на поверхности 13 пласта 12 выше первой скважины 10, в то время как возвратный электрод R расположен на поверхности пласта 12 на расстоянии от электрода эмиттера Е. Опорная ось YY может быть выбрана и применена в расположении возвратного электрода R. Опорная ось YY может быть выбрана для прохождения через конец 20 первой скважины 10, проходящей в пласт 12, вокруг которого определена торцевая часть данной скважины. Выбирают опорную точку 37 вдоль опорной оси YY, а затем выбирают положение возвратного электрода R, чтобы минимизировать расстояние "D" между опорной точкой 37 и возвратным электродом R. В этом случае оптимизация включает генерирование самого мощного магнитного поля из возможных токопроводящих элементов 14 в зоне, измеряемой ЭМ датчиком 51 из второй скважины 28. Таким образом, ток 34, поданный в землю с помощью эмиттерного электрода Е, пойдет к первой скважине 10, затем вдоль токопроводящего элемента 14 и, в конце концов, обратно через пласт к возвратному электроду R. Как проиллюстрировано, изолированный провод 22, проходящий между электродом эмиттера Е и возвратным электродом R, замыкает электрическую цепь. Следует иметь в виду, что из-за потери тока в пласте данный конкретный вариант реализации изобретения был бы наиболее желательным в случаях определения расстояний, когда целевая скважина 10 расположена в пласте на сравнительно небольшой глубине, как, например, на глубине 30 футов или менее, а в некоторых вариантах реализации изобретения - на глубине менее 20 футов. В общем, "на расстоянии" означает, что отсутствует непрерывное электрическое соединение посредством электрического проводника, такого как медь или другие металлы.

Фиг. 4b иллюстрирует систему инжекции тока, при этом и электрод эмиттера Е, и возвратный электрод R расположены в скважине внутри первой скважины 10, но на расстоянии друг от друга. Электрод эмиттера Е размещен на витой паре проводов 39 для подачи тока на токопроводящий элемент 14. Возвратный электрод R заземлен далее в глубине скважины. В этом случае ток проходит в осевом направлении вдоль целевой обсадной трубы, и магнитное поле генерируется от обсадной трубы. Ток 34, поданный на электрод эмиттера Е, перемещается вдоль токопроводящего элемента 14, как проиллюстрировано линиями тока 34а. В то время как часть тока будет протекать в пласт 12, как проиллюстрировано линиями тока 34b, большая часть тока 34а будет перемещаться вдоль токопроводящего элемента 14, в результате чего образуется электромагнитное поле 36, исходящее от токопроводящего элемента 14.

Фиг. 4с иллюстрирует систему инжекции тока, при этом электрод эмиттера Е расположен в скважине внутри первой скважины 10 на витой паре проводов 39 для доставки тока 34 к токопроводящему элементу 14, размещенному вглубь скважины от электрода эмиттера Е внутри скважины 10. В конкретном варианте реализации изобретения токопроводящий элемент 14 представляет собой удлиненную проволочную петлю, расположенную внутри целевой скважины 10. В этом случае ток идет в осевом направлении вдоль проволочной петли, и магнитное поле 36 генерируется из проволочной петли внутри скважины 10.

Как указано выше, размещение или положение возвратного электрода R для системы инжекции тока могут быть выбраны для оптимизации производительности системы при движении инжектированного тока вдоль токопроводящего элемента или корпуса внутри целевой скважины. В некоторых вариантах реализации изобретения опорная ось может быть выбрана и применена для расположения возвратного электрода R. Опорная ось может быть выбрана так, чтобы проходить через конец целевой скважины, уходя дальше в пласт. Выбирают опорную точку вдоль опорной оси, а затем выбирают положение возвратного электрода R, будь то на поверхности или в пласте, чтобы минимизировать расстояние "D" между опорной точкой и возвратным электродом R. В этом случае оптимизация будет включать генерирование магнитного поля, наиболее мощного из возможных, в целевой скважине в зоне, измеряемой ЭМ датчиком разведывательной или второй скважины. В некоторых вариантах реализации изобретения либо электрод эмиттера Е, либо возвратный электрод R или оба могут быть динамически перемещены во время процесса бурения, чтобы максимизировать отклик системы в требуемой части целевой скважины. В этом случае опорная точка вдоль опорной оси также будет двигаться для того, чтобы свести к минимуму расстояние между опорной точкой и возвратным электродом R. Таким образом, возвратный электрод может быть перемещен в сторону от устья скважины 11 первой скважины 10 в направлении простирающейся скважины 10.

Определение расстояния и направления токопроводящего элемента относительно второй скважины основывается на магнитных полях, полученных одним или более ЭМ датчиками. ЭМ датчик может представлять собой магнитометр, размещенный для измерения абсолютного магнитного поля, или приемник может представлять собой датчик магнитного градиента (или магнитный градиентометр), размещенный для измерения градиентов магнитного поля.

В любом случае определение расстояния и направления достигают за счет применения приведенного ниже отношения между токопроводящим элементом и магнитным полем, полученным ЭМ датчиком(ками).

H представляет собой вектор магнитного поля, I представляет собой ток на токопроводящем элементе, r представляет собой кратчайшее расстояние между ЭМ датчиком(ами) и токопроводящим элементом и φ представляет собой вектор, который перпендикулярен как оси z ЭМ датчика(ов), так и кратчайшему вектору, соединяющему токопроводящий элемент с ЭМ датчиком(ами). Следует отметить, что это простое отношение предполагает прохождение постоянного тока токопроводящего элемента по токопроводящему элементу, однако специалистам в данной области техники будет понятно, что данная концепция может быть расширена до любого текущего распределения при помощи соответствующих моделей. Отчетливо видно, что и расстояние, и направление можно рассчитать, используя эти отношения.

где ⋅ представляет собой действие скалярного произведения вектора. Замечено по опыту, что уравнение (3) представляет собой надежное измерение относительного направления электропроводящего элемента по отношению к координатам ЭМ датчика(ов) и его могут применять, пока как сигнал, получаемый от токопроводящего элемента, по существу, больший, чем погрешности измерения. Однако уравнение (2) не может быть надежным образом применено для вычисления расстояния, поскольку непосредственное или точное измерение I отсутствует. В частности, было отмечено, что любой аналитический расчет I может составлять 50% из-за неизвестных характеристик токопроводящего элемента. Кроме того, любая in situ калибровка I не производит систему, достаточно надежную для применения в ПГД или применения пересеч