專利名稱：油氣藏勘探與監(jiān)測的綜合井中系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明是對井眼周圍的地層巖石進行成像的設備與相關方法。
背景技術(shù)：
能源勘探和開發(fā)使用鉆井進入地球內(nèi)部的地層，同時需要監(jiān)測和評估地層巖石的各種物理參數(shù)，例如井眼周圍地層的電阻率和電導率。
電磁場激勵的方法可以大致分為頻率域激勵和時間域激勵。在頻率域激勵中，通常以固定的頻率發(fā)射連續(xù)的波信號，不過該發(fā)射信號可以是多個疊加的頻率。對于時間域激勵，要對信號進行突然的切換，這里的信號可以是方波或者脈沖、三角波或者偽隨機二進制序列信號。
頻率域(連續(xù)波)激勵的局限是發(fā)射器和接收器間很強的耦合。這個耦合(稱為直接模式)是由于接收器檢測到直接從發(fā)射器發(fā)射到接收器的磁場而導致的。直接模式信號可能比從地層接收到的信號還要強，使得難以準確測量從地層接收到的信號。提高率頻率域分辨率的方法包括使用多線圈設備，例如傳統(tǒng)的裸眼井感應儀器，其只能永久地測量裸眼井周圍某一特定的地層范圍。此類方法還包括利用陣列感應或側(cè)向儀器來產(chǎn)生多組測量值，并將多目標處理技術(shù)應用于多組測量數(shù)值來提供大量我們所關注的選定地層。然而，由這些多目標處理技術(shù)得到的凈信號與總測量信號相比較小。
當使用時間域激勵的時候，突然切斷激勵電流，從而產(chǎn)生瞬態(tài)信號，被接收器檢測到。另外由于在檢測瞬態(tài)信號的時候不再產(chǎn)生發(fā)射器信號，所以可以對接收到的信號進行濾波以去除任何直接耦合模式信號的殘留影響。不包含地層電阻率/電導率信息的直接模式信號被排除在瞬態(tài)測量之外。
能夠在檢測信號中按時間對地層的不同空間區(qū)域的響應進行分離能力是瞬變電磁方法的重要特征。根據(jù)楞次(Lenz)定律，在切斷發(fā)射器電流的時候，響應于發(fā)射器電流的變化而感應出電流。感應電流的幾何分布類似于被切斷的發(fā)射器電流。在發(fā)射器電流被切斷后，電流開始傳播到外部地層。傳播之后接著是衰減和擴散，其中，隨后時間階段的空間分辨率顯著降低。然而已經(jīng)證明，與頻率域或直流信號數(shù)據(jù)相比，隨后時間階段中的瞬變場數(shù)據(jù)對遠方地層電阻率更加敏感。
已經(jīng)在礦產(chǎn)勘探工作中采用瞬變電磁測量技術(shù)來進行電阻率/電導率測量，其中使用了大表面偶極天線(通常有幾百米長)和位于井中的電磁接收器，以測量井眼周圍的地層以及井眼和地表之間的區(qū)域。這種礦產(chǎn)勘探工作中的應用很普遍。最近，地球物理工作中已經(jīng)利用了這樣地表上的大表面偶極天線，如美國專利No.5,467,018所示，該專利于1995年11月14日授權(quán)給Ruter等人。在此引入美國專利No.5,467,018作為參考。
直到最近，瞬變響應的建模還局限于相當簡單的近似模型。然而，建立井眼瞬變電磁響應的實際模型的方法現(xiàn)在已經(jīng)為人所知。例如，請見Tabarovsky，L.A.，Goldman，M.M.，Rabinovich，M.B.，Str交流k，K.-M.，1996，2.5-D modeling in Electromagnetic Method of Geophysics，Journal of Applied Geophysics 35，261-284。與這些數(shù)值建模領域進展的同時，高功率切換電容、放大器和數(shù)據(jù)傳輸都得到了較大的改善，因此使得時間域井中瞬變電磁技術(shù)成為可能。
用瞬變電磁方法進行測量所能達到的徑向深度的限制主要是由測量的信噪比決定的，而這又與能夠產(chǎn)生的脈沖能量相關。另外，如果能夠通過其他地球物理數(shù)據(jù)，例如重力、地震波、測井數(shù)據(jù)或者相應的地球物理數(shù)據(jù)得到(或至少是近似)地層邊界結(jié)構(gòu)，則可以簡化測量值的解釋。這個信息可以用來保持某些部分的地層參數(shù)固定，而其他的參數(shù)通過數(shù)據(jù)得到解釋。
也可以使用直流信號激勵，但是測量到的信號是復合信號，包含來自地下不同區(qū)域構(gòu)成的混合信號。分辨率因此相應降低。
1999年9月21日授予Payton等人的美國專利5,955,884公布了一個這樣的系統(tǒng)，其中測井儀器包括至少一個電磁發(fā)射器和至少一個電場發(fā)射器，用來以選定的頻率和波形向地層施加電磁能。電磁發(fā)射器最好是一個三軸發(fā)射器，包含三個正交的線圈，用來產(chǎn)生磁場，電場發(fā)射器最好是一個三軸發(fā)射器，包括三個正交的電偶極天線，用來產(chǎn)生電場。在此引入美國專利5,955,884作為參考。
其它已授權(quán)的可能與本發(fā)明的主題相關的專利包括但不限于美國專利5,543,715；5,841,280；5,862,513；5,883,515；5,870,690；6,147,496，在此引入作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例包括一個利用鉆井對地下地層成像的系統(tǒng)。利用直流測量來測量地層的電阻率，通過時間域信號或者交流測量來測量地層的電導率和電阻率。還測量地層的聲波速度。把通過時間域電磁信號得到的直流電阻率測量值和電阻率測量值、通過時間域電磁信號得到的電導率測量值以及聲波速度測量值組合在一起而生成地層的圖像。


由以下的說明和附圖，可以更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，附圖中圖1是描述本發(fā)明操作的示意圖。
圖2是對實現(xiàn)本發(fā)明有用的一種儀器的示意圖。
圖3是對實現(xiàn)本發(fā)明有用的儀器詳圖。
圖4是在儀器中心軸上安裝環(huán)形電極組件的示意圖。
圖5環(huán)形支架電極總成示意圖。
圖6描述了時間域激勵信號波形。
圖7描述了電流偶極子的電流和電位線的分布。
圖8描述了電極沿著井內(nèi)的放置。
圖9A，9B，9C描述了一個井眼成像的步驟。
圖10是本發(fā)明一個實施實例的流程圖。
雖然以下將結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實例對本發(fā)明進行描述，但可以理解本發(fā)明不限于此，而是包含落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有替代、改進和同等。
具體實施例方式
本發(fā)明公布了一種用于生成井眼周圍地下地層圖像的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第一實例，使用一種裸眼井測井儀器系統(tǒng)來進行地層電阻率的直流信號測量、地層電導率和電阻率的電磁測量、以及地震波速度的測量。由地層電阻率的直流信號測量值生成一個初步的井圖像，這里稱作“偽截面”。然后可以利用電磁測量得到的地層電阻率和電導率值來進一步改善“偽截面”所描述的井下圖像。然后還可以利用已有的地震波的地下速度剖面圖，再加上地層電阻率的直流信號測量值、電磁電阻率和電導率測量值生成的地下圖像來約束地面地震波數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明，隨著測井工作的進行，該井眼周圍地下地層圖像將逐漸行成。
在圖1中，顯示了根據(jù)本發(fā)明的井下測量儀器10放置在井14中，電纜12與井下測量儀器相連。井下測量儀器10可以使用常規(guī)的井下儀器扶正器13使井下儀器位于井內(nèi)中央。以常規(guī)的操作方式由懸掛于井架16上的天滑輪支撐電纜12，同時電纜12盤繞在絞車滾筒20上，按照井下測井儀器的操作模式在井內(nèi)上提和下放儀器10。電纜12是常規(guī)的多芯電纜，也可以是常規(guī)的電纜或光纜，來傳輸電源和電或光信號到井下儀器10，同時將井下儀器測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。在地?6，電纜12連接到地面測量記錄單元電路接口22，同時地面數(shù)據(jù)采集單元24記錄數(shù)據(jù)。一個地震波發(fā)生器25連接到地面數(shù)據(jù)采集單元24，同時井下儀器10也可以記錄在地面產(chǎn)生的地震波信號。
圖2更加詳細地顯示了儀器10。通常該儀器包括至少一個中央單元32和多個輔助單元30。圖2只顯示了6個輔助單元。然而，根據(jù)本發(fā)明，典型的裸眼井測井儀器可以包括少至1個輔助單元或者多至100或更多輔助單元。在圖2中，中央單元32大致位于多個輔助單元30的中間。然而，中央單元實際上可以位于儀器10的任一端，或者位于儀器10上其它位置。
如圖3所示，中央單元32通常包括至少2個3分量電磁發(fā)射器/接收器，如發(fā)射器/接收器48、50所示，各自包括3個線圈48a、48b、48c和50a、50b、50c，用來在三個正交方向上發(fā)射或者探測磁場。發(fā)射器/接收器線圈可以配置為發(fā)射或者探測磁場。中央單元通常包括2個電磁發(fā)射器/接收器，而輔助設備通常只包括一個電磁發(fā)射器/接收器，因為通常由中央單元來實現(xiàn)對鄰井的測量。中央單元32通常也包括至少3個環(huán)形安裝的電極組件44、45、46。雖然這些電極組件在圖3中顯示為位于中央單元32里面，但是環(huán)形安裝的電極組件通常是安裝在中央單元的中心軸49上，如圖4所示。
中央單元32通常也包括一個地震波檢測器56，它可以是一個三分量檢波器，感應三個正交方向的地震波信號。在一些實施例中，檢波器可以是一個包含壓力傳感的四分量檢波器，例如水聽器使用一個壓力傳感器和一個三分量檢波器結(jié)合在一起。也可以使用四分量檢波器，其中4個傳感器相互成54度角，而不是像通常的三分量水聽器那樣成正交方向。各個傳感器相互成54度角的四分量檢波器具有在所有四個分量檢波器中噪聲靈敏度都相等的優(yōu)點；即傳感器對所有方向上的噪聲具有相同的靈敏度。在一些實施例中，檢波器可以是一個使用壓力傳感器和一個四分量檢波器結(jié)合的五分量檢波器。
中央單元32通常還包括定向單元52，它可以是眾所周知的標準通用定向儀器，例如三維磁針計和/或陀螺儀。
如圖3所示，每個輔助單元30通常包括至少一個三分量電磁發(fā)射器/接收器33，其包括三個線圈33a、33b和33c，用來在三個正交的方向上檢測或者發(fā)射磁場。發(fā)射器/接收器線圈可以配置成作為發(fā)射器或者接收器。如果需要在同一個輔助單元中發(fā)射和接收磁信號，則還可以包括第二個三分量電磁發(fā)射器/接收器35，其包含線圈35a、35b和35c。
每個輔助單元通常也包括至少三個環(huán)形安裝的電極組件，如圖3所示的環(huán)形安裝的電極組件38、39和40。每個輔助單元通常還包括一個檢波器58，它可以是一個用于在三個正交方向中的每個方向上感應壓縮的地震波信號的三分量檢波器。在一些實施例中，檢波器可以是一個結(jié)合壓力傳感器的四分量檢波器。也可以使用四分量的水聽器，其中4個傳感器相互成54度角，而不是像通常的三分量檢波器那樣互成90度角。同樣也可結(jié)合一個四分量檢波器和一個壓力傳感器，組成一個五分量檢波器。
每個環(huán)形安裝的電極組件包括多個觸點。每個觸點可以作為一個電極，或者所有的觸點可以一起形成一個環(huán)形電極。如果環(huán)形電極裝配到金屬桶內(nèi)，則這些觸點要與金屬桶絕緣。圖5顯示了環(huán)形安裝的電極組件38的俯視圖。為了簡單示意，圖5中只顯示了4個觸點，標示為觸點(電極)38a、38b、38c和38d。然而，在環(huán)形安裝的電極組件中通?？梢园ǜ髷?shù)量的電極，例如16個?？梢园凑詹煌呐渲脕磉B接電極以發(fā)揮作用。例如，如果要在井筒的軸向上或z方向的兩個位置之間施加電壓或探測電壓，或者如果施加電流或探測電流，則要同時激勵(或互連)環(huán)上的所有電極，從而將這些電極用作為環(huán)形電極。如果要在垂直于井筒軸線的x或y方向上施加或者檢測電壓，或者施加電流，則可以在電極38a和38c之間或者電極38b和38d之間施加或者檢測這些電壓或電流。中央單元32中的控制和處理單元54，以及輔助單元中的輔助控制和處理單元55將控制電極間的互聯(lián)。
中央單元32通常包括控制和處理單元54?？刂坪吞幚韱卧?4包括控制功能和通訊，和將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，以及實現(xiàn)緩沖以控制通訊的電子裝置?？刂坪吞幚韱卧?4還包括可以描述鄰井的功能。除了本發(fā)明之外，該領域那些普通的技術(shù)將會得到鄰井相關物理數(shù)據(jù)，如使用測井儀器的測量。所包含鄰井的描述不僅僅只局限于確定鄰井儀器所獲取的數(shù)據(jù)是否正常、井眼軌跡是否彎曲、斷層、泥漿侵入、斷層傾角、方位角以及其他與井眼狀況、環(huán)境修正、侵入效應和近井地層參數(shù)相關的物理參數(shù)?？刂坪吞幚韱卧?4接收來自地面采集單元24的控制信號。控制和處理單元54依次對電磁發(fā)射器/接收器和電極使用適當?shù)目刂菩盘枴？刂坪吞幚韱卧?4控制在任何給定的時間由哪個電磁發(fā)射器/接收器以及哪個電極作為發(fā)射器，同時控制哪個作為接收器。控制和處理單元54還控制地震波檢測器56對地震波(聲波)信號的接收。在一個可選的實施例中，控制和處理單元54還可以包括一個計算機處理單元，用來完成井下儀器所選擇的處理步驟。
控制和處理單元54還向各個輔助單元中的輔助控制和處理單元55發(fā)射控制信號和接收數(shù)據(jù)信號。輔助控制和處理單元55依次來向電磁發(fā)射器/接收器以及輔助單元中的電極施加適當?shù)目刂菩盘枺园l(fā)射或者接收適當?shù)男盘?。控制和處理單?5還控制檢波器58對地震波信號的接收。每個輔助單元都有一個唯一的地址，所以中央單元32和輔助單元30之間的通訊通常是數(shù)字的?？刂坪吞幚韱卧?4還可以進行特定的信號處理，包括但不限于發(fā)射器和系統(tǒng)響應修正、噪聲過濾、數(shù)據(jù)平均和信噪比改善。
根據(jù)本發(fā)明，電磁發(fā)射器/接收器以及電極可以用來在多個不同模式下生成和檢測信號。在這里所用到的術(shù)語“時間域”指的是利用激勵信號進行測量，其中突然切斷電流而產(chǎn)生瞬態(tài)信號。對于時間域激勵，激勵信號通常是方波，或者脈沖，或者三角波，或者偽隨機二進制序列(PBRS)信號，如圖6所示?！邦l率域”測量通常利用正弦波激勵信號?！爸绷鳌睖y量是利用保持恒定的激勵信號進行的。在進行直流測量時，最好使用緩慢變化的交流信號，以防止電極的極化，然而，交流信號的變化率要足夠慢，使得在給定的采樣時間內(nèi)能夠檢測到地層的直流響應。
儀器10可以進行測量的不同模式包括但不限于下列模式模式1時間域測量，其中信號由電磁發(fā)射器產(chǎn)生(3個分量x，y，z)并且由電磁接收器檢測(3個分量x，y，z)。這個測量主要對于導電層的電導率敏感。
模式2時間域測量，其中信號由電偶極子產(chǎn)生(只有z方向)，并且由電磁接收器檢測(3個分量x，y，z)。這個測量值具有對地層中導電和電阻部分的混合敏感性。這個測量對于地層的電阻率敏感是因為產(chǎn)生的信號是由電偶極子產(chǎn)生的時間域(瞬態(tài))信號。這個測量對于地層的電導率敏感是因為信號是由對與地層中的電流成正比的磁場敏感的電磁接收器檢測的。
模式3時間域測量，其中信號由電偶極子產(chǎn)生(只有z方向)，并且由電偶極子接收器檢測(3個分量x，y，z)。這個測量主要對于電阻敏感的地層。
模式4時間域測量，其中信號由電磁發(fā)射器產(chǎn)生(3個分量x，y，z)，并且由電偶極子檢測(3個分量x，y，z)。這個測量提供了和模式2測量所提供的基本相同的信息，但可以作為重復和備用。測量值對于地層的電導率敏感是因為產(chǎn)生的信號是由電磁發(fā)射器產(chǎn)生的時間域(瞬態(tài))信號。這個測量值對于地層的電阻率敏感是因為信號是由對電流產(chǎn)生的電壓敏感的偶極子接收器檢測的。
模式5直流測量，其中信號由偶極子發(fā)射器產(chǎn)生(只有z方向)，并且由電磁接收器檢測(3個分量x，y，z)。通常這個測量不會為模式6測量所獲得的信息添加額外的信息?？梢赃M行這個測量來確認測量的一致性。這個測量理論上應該只提供一個常量信號，因為直流電壓不會產(chǎn)生磁場。常量信號中任何大的變化都應該解釋為是由設備工作產(chǎn)生的信號、儀器故障、由于地層中的高電導率結(jié)構(gòu)(如黃鐵礦)而產(chǎn)生的信號，或者是由于井眼本身導致的信號，例如非常大的自然電位，或者和油氣層中的擴散過程相關的非常大的感應極化。
模式6直流測量，其中信號由偶極子發(fā)射器產(chǎn)生(只有z方向)，并且由偶極子檢測器檢測(只有z方向)。這個測量提供了偶極子到偶極子的電阻率測量，由此根據(jù)本發(fā)明生成偽截面。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，通過模式6中的地層電阻率直流測量來生成初步的地下圖像，這里稱為“偽截面”。然后利用模式1、2和3中的電磁測量來完善偽截面圖像。模式1主要檢測地層中的導電區(qū)域。模式2檢測地層中導電和電阻區(qū)域。模式3主要檢測地層中電阻區(qū)域。在另一個實施例中，結(jié)合模式1、2和3的測量一起使用了模式4的測量。
模式6中進行的測量可以產(chǎn)生地層的初始圖像。在進行模式6的測量時，通過第一偶極子把電流施加到地層上，其中，電流從第一電極(包括配置成環(huán)形電極的環(huán)形安裝的電極組件中的電極)進入地層，并通過和第一環(huán)形電極隔開的第二環(huán)形電極從地層返回。通常，電流從電極環(huán)44進入地層，并通過中央單元的電極環(huán)46返回，或者電流從電極環(huán)38進入地層，并通過輔助單元的電極40返回。接著測量各個其他輔助單元中的兩個電極間的電壓，例如電極38，40，或者中央單元中的電極44和46。信號接著依次由所有其他的輔助單元和中央單元發(fā)射，并且信號被其他未發(fā)射信號的輔助單元和中央單元中的檢測器檢測到，直到信號從所有的中央和輔助單元發(fā)射出，并且對于每次發(fā)射，都被所有沒有發(fā)射信號的單元里的檢測器檢測到。
電阻率中的方位角變化也可以通過模式6測量。但是，不是由z方向上縱向分隔開的2個環(huán)形電極形成接收器偶極子測量的，而是由第一電極(例如圖4所示的電極44a)以及和第一電極縱向隔開的第二電極(例如圖4所示的電極46a)形成偶極子測量的。這樣的偶電極配置對井中接收電極所處的一邊地下地層的電導率區(qū)域非常敏感，例如充滿液體的斷層。該偶電極的另一邊也可以從其它圍繞該井的側(cè)向位置上配置的徑向電極對構(gòu)成，同時每一個電極所處的一邊地下地層的電導率區(qū)域非常敏感，例如充滿液體的斷層。
圖7、8、9A、9B和9C描述了模式6測量的使用。在進行模式6的測量時，圖7顯示了對于電流偶極子的電流和電勢線的分布，該偶極子在圖7中稱為電極C1和C2，包括該井地面上的兩個電極。該表面表示井眼一邊地層的垂直切面。電流線(從C1通過地層到C2的曲線)表示各承載了從電極C1到電極C2的十分之一電流的管面。圖7還顯示了所造成的等電位場力線，其垂直于電流線。這些電位場力線延伸到井的表面，沿著井壁在分開的位置產(chǎn)生電壓差。這個電壓差可以通過電壓電極測量，如圖7中P1、P2所示?？梢岳斫?，通過C1和C2間任何特定路徑的電流量是沿著那條路徑的電阻的函數(shù)，并且在電極P1和P2的位置處，電阻率會對電極之間的電壓產(chǎn)生最大影響的地層部分是從電極C1和C2的中心位置出來、與井壁成45度角進入地層并延伸到P1和P2的線與從電極P1和P2的中心位置出來、與井壁成45度角進入地層并延伸到C1和C2的線相交的區(qū)域。相應地，與電流電極間隔更遠的電壓檢測電極會檢測到從井表面更加深入地層的區(qū)域的電阻率。
參考圖8，如上所述，施加電流到地層的電流電極可以包括儀器10的一個單元(中央或者輔助)中的兩個環(huán)形電極。然后在儀器10的其他單元(中央或者輔助)上的電極對之間進行電壓測量。圖8中，偶極子的電極間的單位距離用“a”表示，電流電極的中心到各個電壓測量電極間的距離是“na”，這里“n”表示電流電極和相應電壓電極間的單位距離的數(shù)目。由一個電極上的注入電流測量和另一個電極上記錄的電壓所得到的電阻率值顯示在電極中心之間45度投影線的交點處。選取大的n值，也就是大的間隔，可以得到更大深度的探測結(jié)果。
在本發(fā)明的另一個實施例中，源偶極子和/或檢測器偶極子還可以包括中央或者輔助單元之一里的第一電極，和另一個中央或者輔助單元里的第二電極，因為間距越大，信噪比越好。
圖9A顯示了沿著井一部分用模式6進行的電阻測量的圖形化表示。雖然圖9A只是顯示了井的一側(cè)地層的一個垂直切片，但是假設井周圍的地層為圓周對稱，這樣偽截面可以延伸到井的整個圓周。沿著井內(nèi)的連續(xù)測量來得到生產(chǎn)偽截面數(shù)據(jù)。從獲取的偽截面數(shù)據(jù)的測量中提供一個視電阻率，由此可以生成偽截面。對于電流偶極子的每個位置，會在電壓偶極子的多個位置進行電壓測量。對于每個電流偶極子/電壓偶極子位置，在從電流偶極子發(fā)出的線與從電壓偶極子發(fā)出的線交叉的地方標出測量數(shù)據(jù)點(如上所述)。接著對各個交點處的數(shù)據(jù)值畫出等高線，如圖9A所示的等高線，以得到地下的近似圖像。
根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)選擇一個地質(zhì)模型，利用已知的傳統(tǒng)技術(shù)反演和成像處理解釋如圖9A的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。圖9C顯示了一個復雜地質(zhì)模型的示例。使用同一配置的儀器計算出的地質(zhì)模型的響應值被用來對井進行測量，然后地質(zhì)模型的計算響應值與實際的測量值進行比較。改變地質(zhì)模型，直到地質(zhì)模型計算響應和現(xiàn)場數(shù)據(jù)之間達到了良好的匹配。圖9B顯示了對圖9C的地質(zhì)模型的計算響應，對其采用了二維數(shù)值算法來計算這個響應。
然后利用模式1、2和3的電磁測量來得到井眼周圍地下的電導率和電阻率估計值。在模式1測量中，第一輔助單元(或者中央單元)的電磁發(fā)射器的各個正交線圈相繼通電，由此產(chǎn)生的信號被其它的各個輔助和中央單元里的電磁接收器的三個正交線圈探測到，這樣對于每個電磁發(fā)射器，由各個電磁接收器進行了9次測量。在模式2中，電偶極子對產(chǎn)生信號，其中電極位于中央單元或者一個輔助單元中，所產(chǎn)生的信號被電磁接收器的三個正交線圈檢測到，這樣對于每次信號發(fā)射，進行了3次測量。在模式3中，由電偶極子產(chǎn)生信號，其中偶極子的電極位于中央單元或者一個輔助單元中，所產(chǎn)生的信號被配置為在三個正交方向上檢測信號的電偶極子接收器檢測到，這樣對每次信號發(fā)射，進行3次測量。在每一個模式1、2、和3中，沿著井身方向上定位的每個儀器，沿著井內(nèi)儀器從各個相繼的輔助(或者中央)單元發(fā)出信號，對于各個相繼的發(fā)射，由所有沒有用來發(fā)射信號的輔助(中央)單元中的接收器檢測到電阻率信號。在本發(fā)明的一個特別的實施例中，和模式1、模式2和模式3測量一起進行并使用了模式4測量。
電磁線圈發(fā)射器產(chǎn)生電磁場，當流過線圈發(fā)射器的電流突然切斷時，會在井眼附近的地層中感應出電流。這些電流會產(chǎn)生二次電磁場，其可以被電磁接收器檢測到，該接收器包括磁場接收器或線圈以及電場接收器或電偶極子。檢測到的二次磁場的強度主要和目標地層的電導率成正比。電磁場產(chǎn)生二次電場和磁場，其可以被偶極子接收器以及電磁接收器檢測到。檢測到的電場的強度主要和目標地層的電阻率成正比。檢測到的磁場的強度主要和目標地層的電導率成正比。與簡單水平層的偏差，例如地層中的結(jié)構(gòu)和大的電阻率對比，會提高接收器的混合敏感性。對于一個給定的發(fā)射器，沿著井身方向上的不同距離間隔的接收器對井眼地面以下不同間隔的電阻率和/或電阻率是敏感的。通常，測量對于距離井壁5到50米遠處的地層部分的電導率和/或電阻率敏感。對電導率和電阻率測量已定地層的方法是常規(guī)技術(shù)所知的。
利用常規(guī)技術(shù)計算模型來解釋模式2和3的測量值，以確定傳感器檢測到的電阻率和電導率。對各自響應的地層電阻率值的變化通過Normalized Jacobian的計算評估測量的靈敏度和它們各自響應的模型。然后按照時間對這些結(jié)果進行標繪，最大的靈敏度表示更靈敏的信號。
當泥漿電阻率太高使得電場傳感器不能接觸地層時，可以取電磁場接收器檢測到的磁場信號的梯度來得到時間域電場信號。在本發(fā)明另一個實施例中，可以利用磁場梯度儀或者環(huán)形天線(toroidal antenna)代替電極來測量電阻率。例如，請見Karinski，A.，和Mousatov，A.，2001，Vertical Resistivity Estimation With Toroidal Antennas inTransversely Isotropic Media，SPWLA Transaction，paper BB。
利用電導率和電阻率的時間域電磁測量來細化由地層電阻率的直流測量得到的偽圖像。如上所述，在本發(fā)明的一些實施例中，頻率域電磁測量和時間域電磁測量相結(jié)合而使用。在利用直流測量得到初步的地層偽截面圖像，并且利用電導率和電阻率的時間域電磁測量(或許還有頻率域電磁測量)來細化偽截面圖像之后，利用所測量的聲波速度對圖像進行約束。地面震源25產(chǎn)生的地震信號，由井中的中央單元探測器52和在輔助單元探測器58監(jiān)測到。在本發(fā)明的另一個實施例中，地震信號是由井中的震源儀器發(fā)生的。
在本發(fā)明的另一個實施例中，除了時間域測量，還在地下進行頻率域電磁測量。如上所述，通常通過使用正弦波作為信號源來進行頻率域測量。雖然頻率域測量通常對于井眼周圍的更遠區(qū)域的地層參數(shù)很不敏感，但是和時間域數(shù)據(jù)一起在圖像處理中引入頻率域數(shù)據(jù)可以改善地層圖像的質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明，由直流電阻率測量得到地下的初步圖像。這使得在鉆井時就可以生成圖像，而不需要在幾天甚至幾個星期之后在數(shù)據(jù)處理中心進行冗長的反演處理。對直流數(shù)據(jù)進行快速反演，然后再用電磁成像進行反演。利用地震波速度數(shù)據(jù)來約束電阻率/電導率數(shù)據(jù)；即，在地下地震波速度大致為常數(shù)的區(qū)域中，把電阻率/電導率也限制為常數(shù)。
雖然以上根據(jù)通過電纜12將儀器10放到井中的實施例對本發(fā)明進行了描述，但在本發(fā)明的另一些實施例中，可以通過傳統(tǒng)的鉆桿或油管或者繞管放入井中。對于定向井，水平井或者由于井內(nèi)狀況對儀器下方有阻礙，可以使用鉆桿或油管傳輸系統(tǒng)。
在另一個實施例中，本發(fā)明被當作傳感器用來對儲層進行永久性監(jiān)測。這個實施例與使用井下儀器一樣，只是傳感器永久性地保留在井下固定的位置上。
圖10顯示了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的流程圖。在步驟72，生成由直流信號測量的地層電阻率的圖形表示。在步驟74，基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量值選擇地質(zhì)模型。在步驟76，針對井下測量時使用的儀器配置，生成對所選地質(zhì)模型的計算響應。在步驟78，將所選地質(zhì)模型的計算響應與測量數(shù)據(jù)進行比較。在步驟80，根據(jù)這個比較結(jié)果對地質(zhì)模型進行修正。在步驟82，將電磁數(shù)據(jù)和直流電阻率數(shù)據(jù)進行組合，以細化由直流電阻率數(shù)據(jù)生成的圖像。在步驟84，利用地震波數(shù)據(jù)來約束由直流電阻率數(shù)據(jù)和電磁數(shù)據(jù)的組合生成的圖像。了解哪些本領域的常規(guī)技術(shù)，如果有先前的地質(zhì)數(shù)據(jù)或者其他相關的先前數(shù)據(jù)，那么可以利用這些先前數(shù)據(jù)來進一步優(yōu)化該井下成像。
在設計該儀器時，把測量的數(shù)據(jù)與儲層的電阻率和電導率數(shù)據(jù)聯(lián)系起來?？梢灶A期在儀器刻度，以及已有儲層的參數(shù)被用來建立測量和儲層之間的關系。這個刻度系數(shù)也隨著測井和成像的進程不斷地更新。
本發(fā)明不僅包括預測鉆井過程中不規(guī)則的鉆頭前沿的電導率，還包括定向井和水平井的預測。
徑向靈敏度信息對鉆井修正也很有用。為測量徑向靈敏度，把電流注入到地層中。電流沿著井內(nèi)(套管、鉆液、泥漿等)流動并且一些電流泄漏到地層中。如果沿著井眼在兩個連續(xù)位置檢測電流，則測量值之間的差值就可以歸為泄漏到地層中的電流。通過測量電壓來測量電流，兩個連續(xù)位置間電壓測量值的差值可以歸為泄漏到地層中的電流。這個差值稱為第二差值。對于進行這些第二差值的測量，在中央單元中包含三個環(huán)形安裝的電極組件(44、45和46)并在輔助單元中包含三個環(huán)形安裝的電極組件(38、39和40)是特別有用的。
可以認識到，在不脫離后附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種修改和變化。所有這些修改和變化都涵蓋在權(quán)利要求所限定的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種生成鉆入地層的井眼周圍的地層圖像的方法，包括用直流電信號測量地層的電阻率；用時間域電磁信號測量地層的電導率；用時間域電磁信號測量地層的電阻率；測量地層的聲波速度；以及將所述的用直流電信號測得的電阻率、所述的用時間域電磁信號測得的電導率、所述的用時間域電磁信號測得的電阻率以及所述的測量聲波速度結(jié)合起來生成所述的地層圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中用直流信號測量地層的電阻率包括測量電阻率中的方位角變化。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測量是利用放下到所述井眼中的測井儀器進行的，并且在所述儀器處于所述鉆井中的時候所述圖像就基本上生成了。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測量是利用安裝在井眼中的傳感器進行的，用來進行油氣藏監(jiān)測。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聲波速度是利用對三個正交方向上的地震波信號敏感的三分量檢波器測量的。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聲波速度是利用水聽器和對三個正交方向上的地震波信號敏感的三分量檢波器測量的。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聲波速度是利用四分量檢波器測量的，所述四分量檢波器的傳感器朝向使得所述傳感器對于所有方向上的噪聲具有基本上相同的靈敏性。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述傳感器的朝向相互成54度角。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中由直流信號測量的地層電阻率是這樣測量的利用電流偶極子在第一位置向井壁施加電流，并在與所述第一位置間隔開的一個位置上用電壓偶極子來測量所產(chǎn)生的電壓。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中利用磁場梯度儀來用時間域電磁信號測量地層的電導率。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中利用環(huán)形天線來用時間域電磁信號測量地層的電導率。
12.如權(quán)利要求1的方法，進一步包括利用頻率域電磁信號測量地層的電導率；利用頻率域電磁信號測量地層的電阻率；以及將所述的用頻率域信號測量的電導率和電阻率與所述的用時間域電磁信號測量的電導率、所述的用時間域電磁信號測量的電阻率以及所述的測量聲波速度結(jié)合起來，從而生成所述地層圖像。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的時間域測量是這樣進行的生成時間域磁信號并且檢測所產(chǎn)生的二次磁信號；生成時間域磁信號并且檢測所產(chǎn)生的二次電信號；并且生成電信號并檢測所產(chǎn)生的二次磁信號。
14.一種生成鉆入地層的井眼周圍的地層圖像的方法，包括利用由直流信號測得的地層電阻率測量值來生成地層的初步圖像；基于由直流信號得到的所述測量值，導出所述地層的地質(zhì)模型；針對用來由直流信號測量所述地層電阻率的儀器配置，計算對地質(zhì)模型的響應；把所述計算響應與所述由直流信號得到的地層電阻率測量值進行比較；基于所述比較修正所述地質(zhì)模型；并且將由電磁信號得到的所述地層的電導率和電阻率的測量值和聲波速度測量值與所述的由直流信號得到的地層電阻率測量值結(jié)合起來，從而細化所述地質(zhì)模型。
15.一種用于對井眼所鉆入的地下地層進行測井的設備，包括中央單元，包括用于和地面設備進行通訊的通訊系統(tǒng)，位于所述中央單元上的至少一個三分量儀器，其可以用于發(fā)射或者檢測磁場；位于所述中央單元上的至少兩個電極組件，所述電極組件上具有多個電極觸點，使得所述觸點可以用作為環(huán)形電極或者作為單獨的電極；位于所述中央單元上的地震波檢測器；在所述設備上與所述中央單元間隔開的至少一個輔助單元；位于所述輔助單元上的至少一個三分量儀器，其可以用于發(fā)射或者檢測磁場；位于所述輔助單元上的至少兩個電極組件，所述電極組件上具有多個電極觸點，使得所述觸點可以用作為環(huán)形電極或者作為單獨的電極；位于所述輔助單元上的地震波檢測器；以及所述中央單元上的用于控制所述工具的工作的控制系統(tǒng)。
16.如權(quán)利要求15所述的設備，其中至少一個所述的地震波檢測器包括對三個正交方向上的地震波信號敏感的三分量檢波器。
17.如權(quán)利要求15所述的設備，其中至少一個所述的地震波檢測器包括水聽器和對三個正交方向上的地震波信號敏感的三分量檢波器。
18.如權(quán)利要求15所述的設備，其中至少一個所述的地震波檢測器包括四分量檢波器，所述四分量檢波器的傳感器的朝向使得所述傳感器對于所有方向上的噪聲具有基本上相同的靈敏性。
19.如權(quán)利要求15所述的設備，其中至少一個所述的地震波檢測器包括水聽器和四分量檢波器，所述四分量檢波器的傳感器的朝向相互大致成54度角。
20.如權(quán)利要求15所述的設備，進一步包括用于配置所述偶極子的裝置，使得在第一位置由第一偶極子向井壁施加電流，并在所述井壁上與所述第一位置間隔開的其它位置處測量所產(chǎn)生的電壓。
21.如權(quán)利要求15所述的設備，進一步包括位于所述中央單元上的磁場梯度儀。
22.如權(quán)利要求15所述的設備，進一步包括位于所述中央單元上的環(huán)形天線。
23.如權(quán)利要求15所述的設備，進一步包括用于控制所述三分量儀器的裝置，使得由第一三分量儀器向所述地層施加時間域電磁信號，并由其他的三分量儀器檢測地層的電導率和電阻率。
全文摘要
在本發(fā)明的一個實施例中包括系統(tǒng)(10)，用于生成鉆入地層的井眼(14)周圍的地層圖像。利用直流測量(44、45、46、38、39、40)測量地層的電阻率，利用時間域信號或交流測量(48、50、33、35)測量地層的電導率和電阻率。還測量地層的聲波速度(52、58)。把直流電阻率測量、由時間域電磁信號進行的電導率測量、由時間域電磁信號進行的電阻率測量以及聲波速度測量結(jié)合起來(82、84)，從而生成地層的圖像。
文檔編號G01V11/00GK1575425SQ02821102
公開日2005年2月2日 申請日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月23日
發(fā)明者庫爾特·馬丁·斯泰克 申請人:Kjt企業(yè)公司