專利名稱：各向異性地層內(nèi)確定垂直和水平電阻率及相對(duì)傾斜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)鉆井環(huán)境內(nèi)所關(guān)心參數(shù)的測(cè)量。更具體地，本發(fā)明涉及在確定各向異性地層鉆眼內(nèi)電阻率值和相對(duì)傾斜時(shí)使用的裝置和方法。
背景技術(shù)：
通常，應(yīng)用電磁感應(yīng)和電波傳播的測(cè)井工具確定鉆眼周圍地層的電特性。此類測(cè)井工具可給出地層視在電阻率(或電導(dǎo)率)的測(cè)量值，通過(guò)適當(dāng)分析，可用于判斷地層的石油物理特性以及其中的氣體。
電磁感應(yīng)電阻率測(cè)井術(shù)的物理原理例如說(shuō)明于1949年Richardson Tex.石油工程師協(xié)會(huì)的石油技術(shù)雜志vol.1p.148上H.G.Doll的論文“感應(yīng)測(cè)井介紹及其應(yīng)用于泥漿采油鉆井測(cè)量”。自從上述Doll論文發(fā)表以來(lái)，對(duì)電磁感應(yīng)電阻率測(cè)量?jī)x器已作出許多改進(jìn)和修正。此類修正和改進(jìn)的例子例如可以在頒給Barber的美國(guó)專利No.4,837,517、頒給Chandler等人的美國(guó)專利No.5,157,605和頒給Beard等人的美國(guó)專利No.5,452,761中見(jiàn)到。
其內(nèi)容完全引入于此供參考的Beard等人的美國(guó)專利No.5,452,761中，公開(kāi)了一種由感應(yīng)測(cè)井工具對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理的裝置和方法，它包含一個(gè)發(fā)射機(jī)和多個(gè)接收機(jī)。由發(fā)射機(jī)發(fā)出振蕩信號(hào)，它在頻域、時(shí)域或頻域的域組合域內(nèi)引起周圍地層內(nèi)產(chǎn)生渦流。渦流大小與地層電導(dǎo)率成比例。渦流在接收機(jī)中轉(zhuǎn)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，在比之所關(guān)心最高頻率運(yùn)動(dòng)更高的采樣頻率上使接收的感應(yīng)電壓數(shù)字化。奈奎斯特采樣準(zhǔn)則規(guī)定，采樣頻率應(yīng)是待數(shù)字化的信號(hào)中存在的最高頻率的至少兩倍以上。數(shù)字化的窗口與振蕩電流信號(hào)的周期同步。在頻域內(nèi)觀測(cè)時(shí)，振蕩電流可以是各個(gè)正弦頻率的組合，在時(shí)域內(nèi)觀測(cè)時(shí)，可以是重復(fù)性的瞬時(shí)電流源。時(shí)域觀測(cè)中，測(cè)量數(shù)據(jù)需變換到頻域內(nèi)再作出電阻率測(cè)量的數(shù)據(jù)分析和處理，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可確定地層電阻率模型的電阻率特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在很大數(shù)目的此種周期上累積相加每個(gè)周期內(nèi)得到的相應(yīng)樣本，綜合的樣本形成堆疊信號(hào)。由相應(yīng)的接收機(jī)線圈產(chǎn)生的堆疊信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)上作頻譜分析。將堆疊信號(hào)傳輸?shù)降孛?，而不是各別地傳輸所有樣本信號(hào)，以減少需要存儲(chǔ)和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。對(duì)堆疊信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析以得到所關(guān)心頻率上接收機(jī)電壓中同相分量和正交分量的幅度。從各個(gè)分量幅度中，能精確地得知地層的電導(dǎo)率。
就諸如Beard等人論述的電磁感應(yīng)電阻率測(cè)井儀器而言，其局限性在于，它們一般地包含卷繞的發(fā)射機(jī)線圈和接收機(jī)線圈，這些線圈的磁矩實(shí)質(zhì)上只平行于儀器軸。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的儀器中，在地層內(nèi)感應(yīng)的渦流來(lái)自于發(fā)射機(jī)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，此類渦流的流動(dòng)路徑與大地形成環(huán)路，實(shí)質(zhì)上垂直于儀器軸。因此，接收機(jī)線圈內(nèi)感應(yīng)的電壓與渦流大小有關(guān)。然而，一定的地層在構(gòu)成上為導(dǎo)電的薄層地質(zhì)與實(shí)質(zhì)上不導(dǎo)電的薄層地質(zhì)相交錯(cuò)。當(dāng)各地層實(shí)質(zhì)上與渦流流動(dòng)路徑平行時(shí)，典型的電磁感應(yīng)電阻率測(cè)井儀器其響應(yīng)很大程度上取決于導(dǎo)電層的電導(dǎo)率。實(shí)質(zhì)上不導(dǎo)電的地層對(duì)儀器的總體響應(yīng)只有小量的貢獻(xiàn)，所以，它們的存在通常會(huì)被導(dǎo)電地層的存在所遮掩。然后，不導(dǎo)電地層典型地為蘊(yùn)藏碳?xì)湮镔|(zhì)的地層，正是儀器用戶最關(guān)心的。所以，一些可能有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的地層會(huì)被使用本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的電磁感應(yīng)電阻率測(cè)井儀器給出的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)資料疏漏掉。
Strack等人的美國(guó)專利No.6,147,496中說(shuō)明了一種感應(yīng)式測(cè)井工具的應(yīng)用，其中，至少一個(gè)發(fā)射機(jī)和至少一個(gè)接收機(jī)它們的排列方位限制于正交方向。通過(guò)測(cè)井工具在至少兩個(gè)不同的頻率上實(shí)施測(cè)量，有可能實(shí)質(zhì)上減小鉆眼效應(yīng)和入侵效應(yīng)而確定出測(cè)井工具相對(duì)于層理面的方位。
其內(nèi)容完全引入于此供參考的頒給Gupta等人的美國(guó)專利No.5,999,883中，公開(kāi)了一種確定各向異性地層內(nèi)水平如垂直電導(dǎo)率的方法。對(duì)感應(yīng)接收機(jī)感應(yīng)出的電磁感應(yīng)信號(hào)，在沿著三個(gè)互相正交軸的方位上進(jìn)行測(cè)量。電磁感應(yīng)信號(hào)的測(cè)量上，應(yīng)用的第一類接收機(jī)其每一個(gè)的磁矩平行于三個(gè)正交軸之一，應(yīng)用的第二類接收機(jī)其每一個(gè)的磁矩垂直于三個(gè)正交軸之一，又垂直于儀器軸。從包括測(cè)得的垂直于儀器軸信號(hào)的接收信號(hào)中，計(jì)算垂直于該正交軸的磁矩的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角。通過(guò)使接收信號(hào)旋轉(zhuǎn)一個(gè)與第一坐標(biāo)變換對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度的負(fù)值，計(jì)算出中間測(cè)量張量值。對(duì)于垂直電導(dǎo)率的方向，從該旋轉(zhuǎn)量中可計(jì)算出平行于儀器軸的正交軸之一的相對(duì)傾斜角。初始旋轉(zhuǎn)量是旋轉(zhuǎn)一個(gè)與坐標(biāo)變換對(duì)應(yīng)的傾斜角的負(fù)值。參照橫向各向異性(較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合中)的主軸和層理面，對(duì)電阻率的各向異性特性作出估值。對(duì)于更一般的場(chǎng)合，類似的方法可以解析分層介質(zhì)中Rhx不同于Rhy場(chǎng)合的雙軸各向異性特性。第二步旋轉(zhuǎn)后，可以接收信號(hào)的大小上計(jì)算出水平電導(dǎo)率。第二步旋轉(zhuǎn)后，可從接收機(jī)信號(hào)值中計(jì)算出各向異性參數(shù)。從水平電導(dǎo)率和各向異性參數(shù)中，可計(jì)算出垂直電導(dǎo)率。
其內(nèi)容完全引入于此供參考的Kriegshauser等人的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No.09/676,097中，論述了多分量感應(yīng)式測(cè)井工具的使用，其中，記錄5個(gè)磁場(chǎng)分量。市場(chǎng)上，該測(cè)井工具由Baker Hughes公司命名為3DEXJ型，它測(cè)量3個(gè)主分量Hxx、Hyy、Xzz和2個(gè)交叉分量Hxy、Hxz。由3DEXJ型測(cè)井工具給出的測(cè)量數(shù)據(jù)是不集聚的，因此，在分析3DEXJ的數(shù)據(jù)時(shí)需進(jìn)行反演運(yùn)算。
3DEXTM型裝置中包含三個(gè)發(fā)射機(jī)和三個(gè)接收機(jī)，沿三個(gè)正交軸(x，y，z)定向，z分量沿著鉆探工具的縱向軸。3DEXTM型裝置給出電阻率信息，并提供數(shù)據(jù)的一般反演處理。在給定的初始條件的充分選取下，3DEXTM型裝置對(duì)確定方位十分有用。然而，3DEXTM型裝置是將非入侵地帶上采集的數(shù)據(jù)放入其模型中的。此外，3DEXTM型裝置對(duì)于在其數(shù)據(jù)反演中應(yīng)用的初始條件很敏感。需要提供一種方法使3DEXTM數(shù)據(jù)反演有改進(jìn)的初始條件，以改善運(yùn)算結(jié)果的收斂性、精確性和穩(wěn)定性。
Zhang等人的待審批美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No.10/091,310中，采用的方法是對(duì)多分量測(cè)井工具給出的測(cè)量值進(jìn)行同時(shí)反演，以得到分層電阻率模型和地層的傾斜角與方位。應(yīng)用包括水平和垂直電阻率的模型產(chǎn)生仿真的測(cè)井工具響應(yīng)。使用全局目標(biāo)函數(shù)可實(shí)施一種選代解法，能在模型輸出與現(xiàn)場(chǎng)觀察之間給出改善的匹配。全局目標(biāo)函數(shù)定義為數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù)(模型輸出與觀察數(shù)據(jù)之間的差值)同模型目標(biāo)函數(shù)之和，通過(guò)在每次迭代中對(duì)模型內(nèi)大的變化作出取舍，全局目標(biāo)函數(shù)可穩(wěn)定反演過(guò)程。測(cè)量值由一種電磁測(cè)井工具給出，它具有一個(gè)相對(duì)于地層的層理面法線呈傾斜的軸。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù)在線圈坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)作出規(guī)定。測(cè)井工具上的鉆眼探測(cè)和定位傳感器提供出必需信息，應(yīng)用于使模型輸出轉(zhuǎn)換到線圈坐標(biāo)系統(tǒng)中。
1996年6月16日至19日在新奧爾良召開(kāi)的第37屆SPWLA測(cè)井專題研討年會(huì)上，一篇題目為“沒(méi)有相對(duì)傾斜的先有資料下一種確定各向異性地層中水平電阻率的新方法”的技術(shù)論文內(nèi)，Hagiwara公開(kāi)了一種方法，應(yīng)用兩種常規(guī)的感應(yīng)式電阻率測(cè)量法用以對(duì)偏斜鉆眼或傾斜地層確定水平電阻率。然而，Hagiwara的方法不給出相對(duì)傾斜角。為得到相對(duì)傾斜角，必須知道地層的各向異性特性。而且，Hagiwara表明，對(duì)于常規(guī)感應(yīng)式測(cè)井工具(其中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線指向與測(cè)井工具是共軸的)，不可能同時(shí)得到全部三個(gè)參數(shù)(水平電阻率、垂直電阻率和相對(duì)傾斜角)。這種應(yīng)用常規(guī)感應(yīng)式測(cè)井工具不可能達(dá)到這些答案同時(shí)求解的原因在于，在此類測(cè)井工具的響應(yīng)上，垂直電阻率與相對(duì)傾斜角之間是耦聯(lián)的(也就是，兩者間相互不獨(dú)立)。
Wu的歐洲專利申請(qǐng)No.0840142中，公開(kāi)了一種方法和裝置，應(yīng)用于在鉆探中確定水平電導(dǎo)率、垂直電導(dǎo)率和相對(duì)傾斜角。相對(duì)傾斜角不知道時(shí)，Wu的技術(shù)涉及列出地層介電常數(shù)與地層各向異性電導(dǎo)率之間關(guān)系的公式。然而，對(duì)上面的說(shuō)明Hagiwara證明，介電常數(shù)為假定量，它們對(duì)相移電阻率的貢獻(xiàn)極小。所以，即使介電常數(shù)已知，垂直電阻率與相對(duì)傾斜角仍然耦聯(lián)，不可能同時(shí)求解它們。
頒給Bittar的美國(guó)專利No.6,136,155中公開(kāi)了一種裝置和方法，用于確定鉆井環(huán)境內(nèi)的電阻率。Bittar的發(fā)明針對(duì)一種改進(jìn)的鉆井方法和裝置，應(yīng)用于同時(shí)確定各向異性地層的水平電阻率、垂直電阻率和相對(duì)傾斜角。在天線配置上，發(fā)射機(jī)天線和接收機(jī)天線定向于不平行的平面內(nèi)，使垂直電阻率與相對(duì)傾斜角之間無(wú)耦聯(lián)關(guān)系?？扇〉?，發(fā)射機(jī)或是接收機(jī)之一的天線按常規(guī)定向安裝于與測(cè)井工具軸垂直的第一平面內(nèi)，另一個(gè)天線安裝于與第一平面不平行的第二平面內(nèi)。雖然，該發(fā)明原本預(yù)定用于MWD或LWD場(chǎng)合，但也能應(yīng)用于測(cè)井管線場(chǎng)合或其他場(chǎng)合。
Bittar＞155的方法應(yīng)用二維幾何學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，它不包括在鉆眼中需要考慮的相對(duì)方位角位置的測(cè)量，借以獨(dú)一地求解各向異性特性中主軸的定向，從而求解Rh、Rv和相對(duì)傾斜。三維測(cè)量系統(tǒng)中要求正確地探測(cè)和分析電阻率張量，并確定它在各向異性介質(zhì)中的定向。Bittar方法中，忽略在求解各向異性地層的主軸而且即使是簡(jiǎn)單的橫斷面各向異性(TI)地層的主軸中必需的方位角位置測(cè)量。在測(cè)量水平磁偶極子和垂直磁偶極子的概要方法中，進(jìn)一步表明，技術(shù)要求可以是二維的，能夠忽略求解各向異性地層的主軸而且即使是簡(jiǎn)單的橫斷面各向異性地層的主軸中必需的方位角位置測(cè)量。Bittar方法對(duì)于與感應(yīng)電壓相關(guān)的電阻率計(jì)算值和測(cè)量值，沒(méi)有實(shí)施必需的參數(shù)化處理借以做到正確和精確地描述測(cè)量值以及它們相對(duì)于所探測(cè)電阻率張量方向的各別位置。本發(fā)明能夠克服Bittar方法的缺點(diǎn)。
在導(dǎo)電的鉆眼環(huán)境下，需要一種快速和可靠的方法用于確定穩(wěn)定和唯一的各向異性介質(zhì)的求解結(jié)果。需要一個(gè)三維系統(tǒng)正確地探測(cè)和分析各向異性介質(zhì)內(nèi)的電阻率張量。本發(fā)明能滿足這種要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種裝置和方法，用于對(duì)鉆眼穿透的地層確定電阻率特性。在測(cè)井工具中使用多個(gè)多分量電阻率傳感器，用于在鉆眼內(nèi)所述測(cè)井工具的多個(gè)工具表面角度上得到測(cè)量值。由電阻率傳感器給出的測(cè)量值以工具表面角度關(guān)聯(lián)的函數(shù)(諸如正弦函數(shù))表示。從這些函數(shù)中可得到電阻率特性。測(cè)井工具可以用測(cè)井管線或鉆探管筒傳送進(jìn)鉆眼。工具表面角度可借助定向傳感器獲得，諸如地磁儀、加速度計(jì)或陀螺儀。
可以聯(lián)合地分析在多個(gè)深度上給出的測(cè)量值。與數(shù)據(jù)的深度分段相結(jié)合，尤其是邊鉆探邊測(cè)量時(shí)，多個(gè)深度上的測(cè)量能改善信噪比，從而改進(jìn)電阻率的確定。


參考下面的附圖能最佳地理解本專利申請(qǐng)，各附圖中，類同的號(hào)碼指類同的分量，各附圖是圖1(現(xiàn)有技術(shù))示明在適用于本發(fā)明的打井中，供鉆探和導(dǎo)向用的一種典型的孔底組件；圖2示明由于井位偏斜而實(shí)際軌線偏離計(jì)劃軌線；圖3示明預(yù)測(cè)地質(zhì)模型偏離實(shí)際地質(zhì)模型；圖4示明在本發(fā)明坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；圖5示明三軸測(cè)井工具在低頻率仿真上的測(cè)量；圖6示明典型的層理面地層；圖7示明在鉆眼內(nèi)傳送測(cè)量裝置；圖8A示明本發(fā)明中的深度分段位置安排；圖8B示明本發(fā)明中的方位角扇區(qū)劃分安排；圖9示明使地層數(shù)據(jù)擬合相關(guān)的函數(shù)；圖10示明使數(shù)據(jù)擬合于相關(guān)函數(shù)的單種選擇；圖11示明地層數(shù)據(jù)的扇區(qū)劃分；以及圖12示明本發(fā)明應(yīng)用于偏心測(cè)量。
具體實(shí)施例方式
圖1示明適用于本發(fā)明的典型孔底組件的細(xì)節(jié)。組件40附裝在鉆眼壁24內(nèi)的鉆管段9處?？椎捉M件包含軟管11，彎頭或子組件27，以及驅(qū)動(dòng)鉆頭29圍繞軸29A旋轉(zhuǎn)的泥漿馬達(dá)單元28。鉆套11內(nèi)有基于陀螺儀的探測(cè)工具10，它具有慣性角速率傳感器裝置。驅(qū)動(dòng)鉆頭29旋轉(zhuǎn)的泥漿馬達(dá)受鉆探泥漿流驅(qū)動(dòng)，從地面上泵浦的泥漿流向下面通過(guò)鉆管9的空心內(nèi)腔25、并通過(guò)鉆套11內(nèi)的環(huán)形隔墊25A而圍繞探測(cè)工具10。泥漿又通過(guò)彎頭27流到泥漿馬達(dá)單元28上。
泥漿在鉆套/鉆管外面與鉆眼壁24之間的環(huán)形空間或環(huán)形套筒26內(nèi)流回地面。測(cè)井管線12在鉆眼內(nèi)連接至探測(cè)工具10上，通過(guò)指明于80處周知的子組件側(cè)面上的入口從鉆套的一側(cè)引出。另外，測(cè)井管線在使泥漿從泥漿馬達(dá)返回地面的同一環(huán)形空間26內(nèi)到達(dá)地面。彎頭子組件27的彎曲角根據(jù)所希望的方向一距離之變化率進(jìn)行選定。一般，可以考慮彎曲角的范圍在0.5°至3°之間。圖中示明的參考方向矢量X_即29B是在彎頭子組件軸29A上形成的豎直面內(nèi)的直線。在定向鉆探中周知，通過(guò)旋轉(zhuǎn)包括孔底組件在內(nèi)的整個(gè)鉆具組，直至彎頭子組件豎直面內(nèi)的參考矢量指向所需方向，便能引導(dǎo)鉆眼方向發(fā)生偏折。當(dāng)指向所需方向時(shí)，鉆頭上鉆具組的重量使鉆頭方向沿著該參考方向偏折。因此，引導(dǎo)鉆頭沿著所希望軌線前進(jìn)的過(guò)程可看作是一種參考矢量29方向的測(cè)量，使該測(cè)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給鉆探人員，由鉆探人員按照需要調(diào)整孔底組件的定向。由工具面標(biāo)志或工具現(xiàn)場(chǎng)連接鍵能給出正確的方位角基準(zhǔn)、或是磁矩測(cè)量和其他方位角測(cè)量的校準(zhǔn)面。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)處于分開(kāi)的子組件內(nèi)時(shí)，這種校準(zhǔn)面是關(guān)鍵性的。利用此類裝置能給出的測(cè)量值包括鉆眼成像(核子成像、聲學(xué)成像、電阻率成像)、運(yùn)動(dòng)和位置檢測(cè)測(cè)量(應(yīng)用傾斜儀、地磁儀、陀螺儀、加速度儀等)及方位角深度敏感的聲學(xué)和電阻率測(cè)量等。
圖2示明地層內(nèi)計(jì)劃的鉆探軌線201和實(shí)際的鉆探軌線211。制定鉆探計(jì)劃時(shí)，如地層1、2和3所示地應(yīng)用給定的地質(zhì)模型設(shè)計(jì)鉆井軌線，例如應(yīng)用于水庫(kù)建造。基于該模型，根據(jù)對(duì)鉆井路徑和地質(zhì)模型作出方位角與深度關(guān)系間的測(cè)量值處理，創(chuàng)建二維圖像。對(duì)計(jì)劃軌線的井眼201描畫出地層邊界200，它與計(jì)劃軌線的夾角為α(203)。對(duì)實(shí)際軌線的井眼211畫出地層邊界200的相交點(diǎn)，得到不同的夾角α”(213)。角度α”表明由于井位變化而產(chǎn)生傾斜偏差。在鉆井時(shí)，根據(jù)實(shí)際的磁矩測(cè)量值處理另一個(gè)二維圖像。將基于實(shí)際測(cè)量值的圖像與基于計(jì)劃井眼和地層模型數(shù)據(jù)的圖像進(jìn)行比較，可得到深部地層探測(cè)中的差值圖像，應(yīng)用來(lái)對(duì)鉆探人員告警偏斜。根據(jù)操作人員對(duì)于圖像的利用目的，這些圖像可依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和物質(zhì)特征進(jìn)行加權(quán)?？梢詫\層的鉆眼圖像數(shù)據(jù)結(jié)合入基于深部測(cè)量值的、上面討論的圖像制備和改善中。
圖2示明當(dāng)實(shí)際的井眼鉆探位置偏離計(jì)劃位置和地層模型時(shí)，給定邊界層與井眼路徑相交的相對(duì)傾斜角怎樣偏離模型值。圖3示明當(dāng)預(yù)測(cè)模型偏離地質(zhì)模型時(shí)，給定邊界層與井眼路徑相交的相對(duì)傾斜角有怎樣的偏差。路徑301表示計(jì)劃的鉆井路徑。實(shí)際地質(zhì)模型的邊界層如320所示，而預(yù)測(cè)地質(zhì)模型的邊界層如310所示。312的角度α表示井眼路徑301的預(yù)測(cè)相對(duì)傾斜，而322的角度α”表示由于地質(zhì)模型相對(duì)于預(yù)測(cè)模型有變化的實(shí)際相對(duì)傾斜。
圖6示明一個(gè)各向異性的地層層理面。平行于地層面方向內(nèi)的電阻率稱為水平電阻率RH，垂直于地層面方向內(nèi)的電阻率稱為垂直電阻率Rv。對(duì)于橫向各向異性介質(zhì)(TI)而言，特定場(chǎng)合下Rv在圖中的指向沿著對(duì)稱主軸601。對(duì)于橫向各向同性介質(zhì)而言，水平電阻率RH的值在層理面603內(nèi)不變化。相對(duì)傾斜角是鉆眼軸(工具軸)與分層地層面法線之間的夾角。如果工具軸相對(duì)于地層面法線相當(dāng)傾斜(也就是，非零的相對(duì)傾斜角)，則各向異性的巖石也影響測(cè)得的水平電阻率測(cè)量值。
對(duì)于完善描述測(cè)井工具的定位而言，需考慮5種坐標(biāo)系統(tǒng)。最一般的場(chǎng)合下，地層的層理面是傾斜的，層理面法線與絕對(duì)參考系(地球參考系)的z軸不一致。稱為地球參考系(Rv)的第一坐標(biāo)系統(tǒng)的z軸指向地球重力的朝下方向。第二坐標(biāo)系統(tǒng)RD指對(duì)應(yīng)于傾斜層理面的坐標(biāo)系統(tǒng)。RN和RD坐標(biāo)系統(tǒng)的兩個(gè)z軸所形成平面之法線定義為RN和RD兩者共通的Y軸。每個(gè)參考系內(nèi)的x軸是各別的ZY平面的法線。在地層不傾斜的場(chǎng)合下，這兩個(gè)系統(tǒng)是同一的，其Y軸和X軸可分別選取為指向東和北。借助于圍繞公共的Y軸使RD的Z軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)與層理面傾斜角對(duì)應(yīng)的兩個(gè)Z軸之間的夾角量而到達(dá)RN的Z軸，可將RD系統(tǒng)變換成RN系統(tǒng)。
圖4示明對(duì)圖1中的參考矢量X_即29B怎樣確定其與地球固定坐標(biāo)(RN)的關(guān)系，以應(yīng)用于井眼計(jì)劃、鉆探導(dǎo)向和探測(cè)空間內(nèi)的鉆眼軌線。圖(A)中，示明絕對(duì)參考系(地球參考系)RN的等角圖，三個(gè)參考方向?yàn)楸?、東如下。北和東兩個(gè)軸的指定只意味著為了簡(jiǎn)便的目的，并不限定本發(fā)明的范圍。RN系統(tǒng)的方向分別標(biāo)記為X、Y和Z。
第三個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)RF這里是指地層系統(tǒng)，它包含由鉆眼軌線和RN之Z軸組成的平面。在筆直的鉆眼軌線中，角度φ是該平面的方位角，該平面內(nèi)的工具是傾斜的，相對(duì)于地層系統(tǒng)RF的Z’軸進(jìn)行測(cè)量。RF的Z’軸與RN的Z軸相同，將它作為旋轉(zhuǎn)軸。通過(guò)圍繞Z’軸使RN的X軸水平旋轉(zhuǎn)角度φ，進(jìn)入由鉆眼軌線和Z軸組成的平面中，可得到RF的X’軸。RF的Y’軸與X’和Z’軸正交。在橫向各向異性(TI)的各向異性介質(zhì)中，地層面垂直于各向異性介質(zhì)的主軸。對(duì)于此種各向異性(TI)介質(zhì)，水平電阻率(RH)在地層的層理面內(nèi)測(cè)量，該層理面內(nèi)的各個(gè)方向上RH的值保持恒定。垂直電阻率(Rv)在垂直于地層層理面的方向內(nèi)測(cè)量。
圖4的圖(B)上，示明圖(A)中的參考方向圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度φ。角度φ定義為鉆眼的方位角方向，得到的新軸標(biāo)記為X’和Y’。方位角旋轉(zhuǎn)時(shí)Z軸方向不變，但為了統(tǒng)一性，標(biāo)記為Z’。
第四個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)RB是以鉆眼軌線本身為準(zhǔn)的坐標(biāo)參考系。相對(duì)于RF的Z’軸，鉆眼軌線有角度θ(相對(duì)傾斜角)。通過(guò)以Y’軸為旋轉(zhuǎn)軸，使RF的Z’軸旋轉(zhuǎn)角度θ進(jìn)入鉆眼軌線(Z”軸)，可得到RB。所得到的RB的各個(gè)軸指定為X”、Y”和Z”，但Y”與Y’是同一的。
圖4的圖(C)上，是示明沿圖(B)上Y’矢量方向看過(guò)去的視圖。圖中所示是圍繞Y’軸又旋轉(zhuǎn)θ角。由于該視圖內(nèi)Y’軸是真正水平方向的，所以，該旋轉(zhuǎn)定義為鉆眼的傾斜旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)指出，Z”軸仍然沿著鉆眼軸。
第五個(gè)系統(tǒng)是工具參考系RT，通過(guò)使RB的X”軸圍繞其Z”(也就是，工具和鉆眼軸)旋轉(zhuǎn)角度β，可得到RT，角度β使所述X”軸與指向發(fā)射機(jī)線圈的X_軸對(duì)準(zhǔn)。這些相應(yīng)的軸指明為X_、Y_和Z_，它們與測(cè)井工具內(nèi)測(cè)量線圈的X、Y和Z軸對(duì)準(zhǔn)。
圖(D)上是沿Z”軸或鉆眼軸的視圖，它示明最后旋轉(zhuǎn)角度β的結(jié)果。矢量Z_的方向垂直于鉆眼方向，彎頭子組件(圖1中的27)內(nèi)的彎曲平面按定義安裝于該方向內(nèi)。因此，圖(D)上的矢量X_與圖1中所示的參考方向矢量X_即29B是同一的。
這里，如下面所示，以矩陣形式表明各種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的旋轉(zhuǎn)映射。從傾斜地層面坐標(biāo)系統(tǒng)RD到地球參考系DN的映射如下式Γα∶RD→RNΓα=cosα0-sinα010sinα0cosα---(1)]]>旋轉(zhuǎn)矩陣Γ_使各矢量旋轉(zhuǎn)一個(gè)從地球參考系RN到鉆眼面坐標(biāo)系統(tǒng)RF的角度_Γ_∶RN→RF 從鉆眼面坐標(biāo)系統(tǒng)RF到鉆眼軌線坐標(biāo)系統(tǒng)RB的映射為Γθ∶RF→RBΓθ=cosθ0sinθ010-sinθ0cosθ---(3)]]>從鉆眼軌線坐標(biāo)系統(tǒng)RB到工具本身參考系RT的映射由下式給出Γβ∶RB→RTΓβ=cosβsinβ0-sinβcosβ0001---(4)]]>為了對(duì)工具參考系內(nèi)每一個(gè)(X，Y，Z)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)建模，在鉆眼面坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)可充分地求解它們。應(yīng)用上面的變換，按下面的順序可做到這一點(diǎn)RT→RB→RFMx′′xMy′′xMz′′xMx′′yMy′′yMy′′zMx′′zMy′′zMz′′z=Γθ-1Γβ-1Mx′′000My′′000Mz′′---(5)]]>帶雙撇的坐標(biāo)是指在工具參考系內(nèi)見(jiàn)到的工具參考系坐標(biāo)。左側(cè)矩陣內(nèi)的每一項(xiàng)表示在鉆眼面參考系RF內(nèi)球解出的發(fā)射機(jī)分量。因此，例如Mx”y是表示x發(fā)射機(jī)的鉆眼面坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)y方向中的分量。
地層參考系內(nèi)每個(gè)接收機(jī)中的磁場(chǎng)可以下式中得到HxxHyxHzxHxyHyyHyzHxzHyzHzz=Gxx000Gyy000GzzMx′′xMy′′xMz′′xMx′′yMy′′yMy′′zMx′′zMy′′xMz′′z---(6)]]>式中，Guv是指在v方向接收機(jī)內(nèi)得到的、由u方向發(fā)射機(jī)偶極子天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)，Hu”v是指在地層參考系內(nèi)的v方向接收機(jī)上得到的、由工具參考系內(nèi)的u方向發(fā)射機(jī)偶極子天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
上面的磁場(chǎng)矩陣需要變換回工具參考系，以便得到在其每一個(gè)接收機(jī)內(nèi)由工具測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)。可以用下面的變換做到這一點(diǎn)Hx′′x′′Hy′′x′′Hz′′x′′Hx′′y′′Hy′′y′′Hy′′z′′Hx′′z′′Hy′′z′′Hz′′z′′=ΓβΓθHx′′xHy′′xHz′′xHx′′yHy′′yHy′′zHx′′zHy′′zHz′′z]]>=ΓβΓθGxxGyxGzxGxyGyyGyzGxzGyzGzzΓθ-1Γβ-1Mx′′000My′′000Mz′′---(7)]]>式中，Hu”v”是指工具參考系中的v方向接收機(jī)內(nèi)得到的、由工具參考系中的u方向發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。坐標(biāo)系統(tǒng)及地層定向地特定選擇，對(duì)某些張量分量可得出零值。式(7)內(nèi)地層參考系中的磁場(chǎng)是按完全的各向異性張量這個(gè)最一般的情況寫出的。在分層地層為橫向各向異性(TI介質(zhì))的場(chǎng)合下，它們可簡(jiǎn)化成前面式(6)的磁場(chǎng)式子。
如果工具中只有兩個(gè)發(fā)射機(jī)磁矩及相應(yīng)的X和Z方向上的兩個(gè)接收機(jī)，則只能測(cè)量Hx”x”、Hx”z”(＝Hz”x”)和Hz”z”。
Hx”x”＝cos2β[cos2θ·Gxx+sin2θ·Gzx+sin2θ·Gzz]+sin2β·GyyHy”y”＝sin2β[cos2θ·Gxx+sin2θ·Gzx+sin2θ·Gzz]+sin2β·GyyHz”z”＝sin2θ·Gxx-sin2θ□Gzx+cos2β·GxzHx”x”＝Hx”x”＝cosβ·[sinθ·cosθ·(Gzx-Gxx)+cos2θ·Gzx]Hx”y＝Hy”z”＝sinβ·[sinθ·cosθ·(Gzz-Gxx)+cos2θ·Gzx]Hx”y”＝Hy”x”＝sinβ·cosβ·[cos2θ·Gxx+sin2θ·Gxx+sin2θGzx-Gxx](8)有4個(gè)主要未知量(β，θ，Rh，Rv)待確定。作為中間步驟，首先確定β，θ，Gxx，Gzx，Gzz，Gyy。顯然，沒(méi)有足夠測(cè)量信息用以求解全部未知量，除非從某些其他的獨(dú)立測(cè)量中已知某些參數(shù)。
圖5示明由三軸測(cè)井工具在等效低頻率仿真上的測(cè)量結(jié)果，工具有一個(gè)沿工具軸(Z)定向的垂直磁偶極子(VMD)和兩個(gè)垂直于工具軸定向，相互正交的水平(或偏斜)磁偶極子(HMDx和HMDy)。圖5的例子中，以水平井孔鉆探地層，地層的電阻率值為Rh＝7Ωm，Rv＝14Ωm。圖中示明關(guān)于地層電阻率張量(也就是，TI各向異性場(chǎng)合的Rh和Rv)方面水平或偏斜的線圈測(cè)量值與相對(duì)方位角之工具位置間的關(guān)系。在低頻率(60kHz)上，從接收的磁場(chǎng)測(cè)量值中計(jì)算出的視在電導(dǎo)率將伴隨以電阻率各向異性張量定向?yàn)闇?zhǔn)的相對(duì)方位角位置而變。Hzz值顯示出與角度定向無(wú)關(guān)，而Hxx和Hyy值相對(duì)于方位角呈正弦變化。交叉分量Hxy表明電導(dǎo)率測(cè)量值隨方位角的變化，與Hzz有90°相位差。由曲線族能確定角度定向。
求解相對(duì)傾斜及垂直和水平電阻率的反演程序中，利用由上面討論的公式所描述的磁場(chǎng)方程式和測(cè)量值方面的正向橫型。任一已證實(shí)的反演運(yùn)算都能應(yīng)用，例如，最小二乘方或Marquardt法。3DEXTM測(cè)量工具用的一種反演運(yùn)算例子說(shuō)明于Zhang等人的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No.10/091,310中，它與本申請(qǐng)有同一受讓人，其內(nèi)容引入于此供作參考。工具的測(cè)量值陣列Hzz、Hzy、Hxz、Hxx、Hxy、Hyx、Hyz、Hyy連同相對(duì)于外部參考(垂直/重力及磁場(chǎng)北，或是這兩者)測(cè)得的各個(gè)相對(duì)方位角位置，都予以記錄。Zhang等人的反演方法中使用的模型包含各地層的厚度、各地層的電阻率，以及人侵地帶的長(zhǎng)度和電阻率。在邊鉆探邊測(cè)量的場(chǎng)合，入侵效應(yīng)多半地很小。因此，完全應(yīng)用Zhang等人的方法時(shí)，可能不需要附加的陣列測(cè)量以獲得入侵地帶的參數(shù)。
Dubinsky等人的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No.10/167,322中說(shuō)明一種方法，用于在鉆探時(shí)的鉆眼內(nèi)確定所傳送的鉆井組件穿透速率，它與本申請(qǐng)有同一受讓人，其內(nèi)容引入于此供作參考。加速度儀是一種典型裝置用于在鉆井組件上進(jìn)行測(cè)量，指明鉆井組件的軸向運(yùn)動(dòng)。其他的典型裝置包括的類別諸如地磁儀和陀螺儀等。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，這些測(cè)量應(yīng)用于確定運(yùn)動(dòng)的軸向速度。識(shí)別出最大速度和最小速度，并假定穿透為步進(jìn)式發(fā)生的情況下，可確定穿透速率。另一種方式中，確定最大和最小的軸向位移，應(yīng)用它們來(lái)得到深度的時(shí)間函數(shù)曲線。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，從鉆井組件的平均加速度及其瞬時(shí)頻率上確定穿透速率。然后，可以用確定的穿透速率控制鉆探時(shí)測(cè)井工具的工作。特別地，對(duì)測(cè)井工具中發(fā)射機(jī)的激活進(jìn)行控制，以得到在所需深度上的測(cè)量值。在諸如應(yīng)用于鉆眼補(bǔ)償聲學(xué)測(cè)井法的陣列式測(cè)井工具中，上面的特點(diǎn)是特別希望的。方位角方向的測(cè)量可應(yīng)用鉆井測(cè)量裝置加以實(shí)施，諸如是地磁儀和/或加速度儀、陀螺儀，或是傾斜儀等。
圖7示明沿著鉆探路徑2206在鉆眼703內(nèi)傳送鉆具組701。鉆具組傳送到鉆眼內(nèi)的至少一個(gè)深度上。鉆眼組701內(nèi)包含用于得到縱向運(yùn)動(dòng)測(cè)量值的裝置705(也就是，加速度儀、陀螺儀、地磁儀等)以及用于測(cè)量相對(duì)旋轉(zhuǎn)角的裝置707。工具沿鉆探路徑以垂直速度Vz(t)和加速度az(t)行進(jìn)。工具還如箭頭2204指出地圍繞其縱軸以角速度ω(t)和角加速度aω(t)旋轉(zhuǎn)。所有這些動(dòng)態(tài)變量能夠反映鉆眼內(nèi)部基本的工具運(yùn)動(dòng)和位置狀況。
本發(fā)明的方法能應(yīng)用由測(cè)井管線中傳送的測(cè)井儀器采集的數(shù)據(jù)，也能應(yīng)用鉆探時(shí)在鉆筒內(nèi)傳送的(MWD)測(cè)量裝置諸如鉆具組或繞線管采集的數(shù)據(jù)。具體地，當(dāng)應(yīng)用MWD測(cè)量時(shí)，該方向信息可應(yīng)用于控制鉆探方向，并使鉆眼相對(duì)于層理面保持于貼近的位置上。
在鉆眼內(nèi)傳送的MWD工具用各種發(fā)射機(jī)-接收機(jī)陣列組合和配置實(shí)施測(cè)量。這些測(cè)量對(duì)方位角很敏感，測(cè)量對(duì)工具軸可以對(duì)稱或不對(duì)稱。比之從MWD圖像工具或其他淺方位角工具得到的數(shù)據(jù)，這些測(cè)量給出縱深的電磁數(shù)據(jù)。為改善信噪比和便于分析數(shù)據(jù)，可以將這些方位角測(cè)量值以深度區(qū)間(達(dá)到所需的深度分辨率)和方位角扇區(qū)進(jìn)行組合。
圖8A中所示的MWD工具的側(cè)視圖上表示出本發(fā)明中的深度分段，各個(gè)深度分段標(biāo)記為z(n-2)、z(n-1)、z(n)、z(n+1)等。相鄰的深度段之間諸如801與803或803與805之間，均間隔距離ΔZ。典型的各個(gè)深度段的長(zhǎng)度例如深度段805的長(zhǎng)度為ΔZ。所以，從每個(gè)深度段一側(cè)到其中央的距離為ΔZ/2。可選地，當(dāng)井眼路徑軌線探測(cè)數(shù)據(jù)或井眼路徑設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)綜合入真垂直深度(TVD)計(jì)算量中時(shí)，這些測(cè)量數(shù)據(jù)陣列可以放入TVD中。圖8B中所示的MWD工具的橫截面上，表示出在鉆眼內(nèi)劃分成例如S(1)、S(2)、…、S(10)10個(gè)扇區(qū)的方位角位置。以標(biāo)記為2202的一個(gè)方位角扇區(qū)作為例子。扇區(qū)的實(shí)際數(shù)目可由操作人員預(yù)先選定以做到優(yōu)化使用。每個(gè)扇區(qū)的夾角等于360°/K，K為扇區(qū)數(shù)目。圖8B的示例中有10個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)的夾角為36°。
通常，與此種工具類型配合作出的輔助測(cè)量諸如有傾斜儀、陀螺儀(纖維、機(jī)械等)、加速度儀(1、2和3軸)和/或地磁儀，它們可提供附加數(shù)據(jù)以確認(rèn)鉆探路徑、以及實(shí)施這些測(cè)量時(shí)工具對(duì)地層的相對(duì)位置。依靠此種可用數(shù)據(jù)，可以接收二維深度段內(nèi)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)(RD)以及井眼路徑和工具對(duì)地層的相對(duì)位置數(shù)據(jù)?？梢詫⒃紨?shù)據(jù)組合入深度間隔(n)和方位角扇區(qū)(k)的群集內(nèi)，得到原始數(shù)據(jù)陣列RD(n，k，ti)。RD(n，k，ti)是深度間隔n、扇區(qū)k和時(shí)間ti上的原始數(shù)據(jù)。由給定深度和方位角扇區(qū)上的許多測(cè)量值，能得出該深度和方位角扇區(qū)的平均值。此種場(chǎng)合下，平均值可從下列方程式中得到M(n，k)＝AVG[F(RD(n，k，ti))]式中，M(n，k)是對(duì)給定深度和方位角扇區(qū)得到的測(cè)量值記錄。
對(duì)深度和相對(duì)方位角的加速度作出校正后，在兩個(gè)步驟下進(jìn)行平均以改善信噪比。第一步中，在至少一個(gè)深度和多個(gè)角度上得到測(cè)量值。將每一個(gè)深度段例如801(MD或TVD)和相對(duì)方位角扇區(qū)例如803上的測(cè)量值進(jìn)行平均，以獲得信噪比(S/N)的改善。第二步中，使給定深度上得到的各個(gè)方位角測(cè)量值同一個(gè)相對(duì)方位角函數(shù)作似合處理。
由于工具旋轉(zhuǎn)很可能與其發(fā)射機(jī)信號(hào)源的重復(fù)周期不同步，所以，相對(duì)于發(fā)射機(jī)信號(hào)源的重復(fù)周期而言，分配給一個(gè)方位角扇區(qū)的原始數(shù)據(jù)時(shí)間系列可能沒(méi)的相等的時(shí)間間隔。對(duì)重新組合的原始數(shù)據(jù)作時(shí)間平均能夠提高信噪比，并通過(guò)減小下式所示的原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差以改善精確度σM(n,k)=σRD(n,k)N]]>式中，σRD(n，k)表示在深度間隔n和方位角扇區(qū)K上得到的測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差。N是在給定深度段和方位角扇區(qū)內(nèi)實(shí)施測(cè)量的次數(shù)。測(cè)得的原始數(shù)據(jù)時(shí)間系列在各深度間隔和方位角扇區(qū)內(nèi)進(jìn)行群集，分配到在發(fā)射機(jī)信號(hào)源重復(fù)周期內(nèi)的一個(gè)相對(duì)時(shí)間點(diǎn)上?？蛇x地，至少在一個(gè)步驟上，可以使一部分工具靜止面指向優(yōu)選的方位角方位，對(duì)它得出原始數(shù)據(jù)(RD)時(shí)間系列。對(duì)于每一個(gè)深度間隔n和方位角扇區(qū)k，在各深度段和扇區(qū)內(nèi)群集的和平均的數(shù)據(jù)M(n，k)能組成另一個(gè)陣列，如下表所示。

制定鉆探計(jì)劃時(shí)，井眼路徑的確定例如根據(jù)水庫(kù)的地質(zhì)模型，水庫(kù)物理參數(shù)的說(shuō)明中包括與鉆井的合理性目的關(guān)聯(lián)的電阻率目標(biāo)。這些電阻率目標(biāo)有其響應(yīng)特性。例如，圖9示明對(duì)于一定的多分量感應(yīng)測(cè)量(Hxx、Hyy、Hzz、Hyz)，各個(gè)方位角與各電阻率分層間的響應(yīng)關(guān)系。上面的表中示明的平均數(shù)據(jù)可應(yīng)用于對(duì)已知特性的特定地層目標(biāo)估計(jì)預(yù)期的測(cè)量值陣列的方位角響應(yīng)，然后，可應(yīng)用該估計(jì)對(duì)該地層目標(biāo)的幾何參數(shù)(距離、方向、厚度)和物質(zhì)特征進(jìn)行分析。圖9中示明的全部例子依從三角正弦函數(shù)。每一次完整的工具旋轉(zhuǎn)中Hxx905和Hyy903各有兩個(gè)相同的循環(huán)，而每一次工具旋轉(zhuǎn)中Hyz909和Hxz907各發(fā)生一次對(duì)稱循環(huán)。
不同的地層目標(biāo)會(huì)給出不同的函數(shù)，例如，典型的有關(guān)函數(shù)為正弦曲線。如果給定的測(cè)量值陣列與特定的地層目標(biāo)不能夠正確匹配預(yù)期的函數(shù)，則將以可視方式或是在那類失配被認(rèn)定(預(yù)期對(duì)實(shí)際)場(chǎng)合顯示出概要報(bào)告，或是顯示出與預(yù)期的地層響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的預(yù)期關(guān)系方面的平均陣列數(shù)據(jù)M(n，k)與函數(shù)估計(jì)1010之間的誤差(見(jiàn)圖10)。不同方位角扇區(qū)的實(shí)際數(shù)據(jù)和預(yù)期函數(shù)示例于圖9中所示的曲線圈上，它包含4個(gè)函數(shù)(F1至F4)。鉆探時(shí)，該信息可應(yīng)用于地質(zhì)導(dǎo)向、鉆鑿和井位確定。
由于測(cè)量值信噪比的組合效應(yīng)，該曲線擬合方法可降低反演處理結(jié)果內(nèi)的不精確性。這種改善的獲得是因?yàn)閷⑾喔珊拖嚓P(guān)性的測(cè)量值組合起來(lái)應(yīng)用于已知正弦函數(shù)的最佳擬合中。操作人員能夠在選定的角度上選用擬合的測(cè)量值供反演程序應(yīng)用。實(shí)施反深運(yùn)算時(shí)，選取的數(shù)據(jù)包括外部的相對(duì)方位角參考數(shù)據(jù)并利用正向的建模，建模中包括上述的方程式、相對(duì)角度和三維參數(shù)。
特別地，測(cè)量值的反演能給出對(duì)鉆眼軸(工具的Z軸)與層理面之間相對(duì)傾斜角的估計(jì)。許多情況下，希望鉆眼的鉆探持續(xù)處在特定的水庫(kù)信息(諸如上面有油頁(yè)巖的沙層)內(nèi)。采用上述方法，如果相對(duì)傾斜角變得太大或不正確，可采取校正措施，以免井眼穿出水庫(kù)或進(jìn)入諸如油頁(yè)巖的非生產(chǎn)性冠巖中。校正描述的實(shí)施或是由操作人員在地面上進(jìn)行，或是應(yīng)用鉆井處理器調(diào)整鉆探方向。
另一種應(yīng)用場(chǎng)合是使鉆眼相對(duì)于水庫(kù)內(nèi)的液體界面總保持于優(yōu)選位置上。多孔地層的電阻率取決于地層中存在的液體情況，與蘊(yùn)藏石油的地層和蘊(yùn)藏天然氣的地層相比較，水潤(rùn)濕地帶的電阻率較低。
作為另一種反演實(shí)施，可以應(yīng)用正向建模預(yù)測(cè)測(cè)井儀器在沿所需井眼上預(yù)期的電阻率響應(yīng)，并根據(jù)實(shí)際的和/或平均的測(cè)量值采取校正措施。此種方法說(shuō)明于Wu等人關(guān)于傳播電阻率工具的美國(guó)專利Re35,386中，它有著與本發(fā)明相同的受讓人，其內(nèi)容完全引入于此供參考。Wu的專利與本發(fā)明之間的重大差別在于，此處應(yīng)用方向性傳感器能夠提高靈敏度，而Wu等人的傳播電阻率工具本質(zhì)上是無(wú)方向性的。
圖11示明一個(gè)具有10個(gè)方位角扇區(qū)的例子中，發(fā)射機(jī)重復(fù)循環(huán)時(shí)間(Tr)1101、工具旋轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間1103和扇區(qū)時(shí)間間隔1105之間的定時(shí)同步情況。發(fā)射機(jī)信號(hào)由1110表示。圖中指明，當(dāng)信號(hào)源順序射向每個(gè)方位角扇區(qū)時(shí)，方位角測(cè)量值的平均化和綜合。另一種方式，可以在工具靜止下進(jìn)行測(cè)量。方位角測(cè)量值可以來(lái)自工具每旋轉(zhuǎn)一周中信號(hào)源波形的特定部分上?？梢允构ぞ咝D(zhuǎn)與信號(hào)源波形同步于特定的方位角扇區(qū)上，該狀態(tài)并能圍繞全部扇區(qū)逐漸地變化。信號(hào)源重復(fù)周期可處于3種情況下i)信號(hào)源重復(fù)周期小于扇區(qū)時(shí)間間隔；ii)信號(hào)源重復(fù)周期大于扇區(qū)時(shí)間間隔，但小于工具旋轉(zhuǎn)時(shí)間間隔；iii)信號(hào)源重復(fù)周期大于工具旋轉(zhuǎn)時(shí)間間隔。在情況iii)的場(chǎng)合，建議改變周期時(shí)間使之進(jìn)入情況i)或情況ii)。
結(jié)合其他方面得到的微電阻率以及諸如核子，電阻率和聲學(xué)鉆眼圖像之類的測(cè)井圖像，可對(duì)數(shù)據(jù)作出分析用于地質(zhì)導(dǎo)向場(chǎng)合。發(fā)射機(jī)可處于地面上或井眼附近。也可以將靈活地電路應(yīng)用于其他的輔助和補(bǔ)充的電磁測(cè)量中，供地質(zhì)導(dǎo)向和地層評(píng)估兩方面使用。
作為實(shí)施測(cè)量的另一種或附加的方式是在曲線擬合后實(shí)質(zhì)上配置連續(xù)旋轉(zhuǎn)的傳感器組件，借助于應(yīng)用來(lái)自定向傳感器的信號(hào)作為鉆井處理器的輸入，用以觸發(fā)在規(guī)定的工具面角度上獲得的電阻率測(cè)量值，這也能得到信噪比的改善。如果鉆探中穿透速率慢，通過(guò)對(duì)多個(gè)多分量電阻率傳感器之每一個(gè)給出的測(cè)量值進(jìn)行簡(jiǎn)單的平均，能夠得到充分質(zhì)量的數(shù)據(jù)值供反演運(yùn)算。
存在另一個(gè)有關(guān)的影響因素，當(dāng)感應(yīng)線圈軸相對(duì)于工具縱軸例如顯著偏斜時(shí)，電磁天線的旋轉(zhuǎn)和位置會(huì)在橫方向上有不同的靈敏度。Wang等人(SPWLA2001)示明一個(gè)涉及橫向感應(yīng)線圈的例子，即在垂直于空間靈敏度對(duì)稱性的電磁天線軸方向上，鉆眼偏心會(huì)影響橫向感應(yīng)線圈。這一點(diǎn)示明于圖12，其中，工具1153在鉆眼1151內(nèi)處于偏心位置上。當(dāng)鉆眼不是圓形時(shí)會(huì)有類似的效應(yīng)。此后，用術(shù)語(yǔ)偏心率包括這兩種情況，即圓形鉆孔內(nèi)工具偏離圓心以及井眼非圓形的情況。
應(yīng)用聲學(xué)法或其他測(cè)徑器，可得到在不同方向內(nèi)與鉆眼壁的距離，圖12中標(biāo)記為D1、D2、D3和D4。Wang等人表明，偏心率影響由橫向感應(yīng)線圈給出的測(cè)量值。有兩種校正此種偏心效應(yīng)的方法。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，采用多頻率集聚校正此種偏心率效應(yīng)。頒給Rabinovich等人的美國(guó)專利No.5,884,227中公開(kāi)一種對(duì)于感應(yīng)式測(cè)井儀器內(nèi)的趨膚效應(yīng)調(diào)整感應(yīng)式接收機(jī)信號(hào)的方法，感應(yīng)式測(cè)井儀器內(nèi)有多個(gè)間隔開(kāi)的接收機(jī)和一個(gè)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)在多個(gè)頻率上產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。方法中包括對(duì)多個(gè)頻率上測(cè)得的接收機(jī)信號(hào)大小進(jìn)行外推的步驟，根據(jù)在儀器周圍介質(zhì)內(nèi)感應(yīng)的交變磁場(chǎng)的檢測(cè)，外推出在零頻率上會(huì)得到的響應(yīng)。通過(guò)對(duì)外推的量值進(jìn)行反演處理，可得到儀器周圍介質(zhì)內(nèi)的電導(dǎo)率分布模型。該專利具有與本發(fā)明相同的受讓人。Rabinovich等人的美國(guó)專利No.5,884,227文獻(xiàn)基于一種假設(shè)，即感應(yīng)式工具裝置具有完善的電導(dǎo)率。在邊鉆探邊測(cè)量的裝置中，不能遵從這種假設(shè)。然而，Tabarovsky于2002年11月15日提出的、處于委托審查的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朜o.414-29441中敘述了一種對(duì)MWD測(cè)井工具給出的測(cè)量值進(jìn)行校正的方法，將只具有有限電導(dǎo)率的測(cè)井工具給出的測(cè)量值校正到由具有無(wú)限電導(dǎo)率的理想測(cè)井工具給出的測(cè)量值上，隨之可應(yīng)用多頻率集聚方法。該專利具有與本申請(qǐng)相同的受讓人，其內(nèi)容完全引入于此供參考。
另一種處理偏心率的方法是應(yīng)用已知的鉆眼幾何尺寸以及粘眼內(nèi)測(cè)井工具的位置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演?？扇〉?，此種反演應(yīng)基于鉆眼內(nèi)泥漿電阻率的已知值。
雖然，上述公開(kāi)內(nèi)容是針對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的，但對(duì)之作出各種修正對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練人員是顯而易見(jiàn)的。在所附權(quán)利要求書的范圍和精神內(nèi)的所有變型，均應(yīng)包含于上述公開(kāi)內(nèi)容內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)鉆眼穿透的地層確定電阻率特性的方法，方法中包含(a)將測(cè)井工具傳送至所述鉆眼內(nèi)的至少一個(gè)深度上；(b)應(yīng)用多個(gè)電阻率傳感器在鉆眼的所述至少一個(gè)深度內(nèi)，獲得在所述測(cè)井工具的多個(gè)工具面角度上指明它們所述電阻率特性的測(cè)量值；(c)對(duì)所述多個(gè)電阻率傳感器之每一個(gè)，借助于與所述工具面角度關(guān)聯(lián)的函數(shù)來(lái)表明所述測(cè)量值；以及(d)從所述多個(gè)相關(guān)函數(shù)中確定所述電阻率特性。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，所述測(cè)井工具有(i)測(cè)井管線和(ii)鉆探管筒之一內(nèi)傳送。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述至少一個(gè)深度進(jìn)一步包含多個(gè)深度。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)電阻率傳感器進(jìn)一步包括多個(gè)發(fā)射機(jī)—接收機(jī)對(duì)，它們的軸相對(duì)于所述鉆眼的縱軸有傾斜。
5.權(quán)利要求1的方法，還包含從(i)加速度儀、(ii)地磁儀和(iii)陀螺儀中選擇出一種定向傳感器，應(yīng)用于得到所述各工具面角度上的測(cè)量值。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，所述相關(guān)函數(shù)之每一個(gè)實(shí)質(zhì)上為正弦函數(shù)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中，確定所述電阻率特性中還包括對(duì)選定的工具面角度上的所述相關(guān)函數(shù)的值實(shí)施反演運(yùn)算。
8.權(quán)利要求3的方法，還包括應(yīng)用加速度儀得到所述多個(gè)深度的深度值。
9.權(quán)利要求3的方法，還包括在與所述地層的單個(gè)層理面關(guān)聯(lián)的所選定深度范圍內(nèi)，對(duì)所述測(cè)量值作出深度分段。
10.權(quán)利要求4的方法，其中，所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)一步包括沿x、y和z軸校準(zhǔn)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。
11.權(quán)利要求1的方法，其中，所述電阻率參數(shù)進(jìn)一步包括至少下列參數(shù)之一(i)地層的水平電阻率；(ii)地層的垂直電阻率；(iii)地層中入侵地帶的長(zhǎng)度；以及(iv)地層中入侵地帶的電阻率。
12.權(quán)利要求7的方法，其中，實(shí)施所述反演運(yùn)算中還包括(A)確定所述多種地層的初始模型，對(duì)于所述多種地層之每一個(gè)在其初始模型中包括(I)水平電阻率，(II)垂直電阻率；(B)確定測(cè)井工具對(duì)初始模型的預(yù)期響應(yīng)；(C)確定所述預(yù)期響應(yīng)與多分量測(cè)井工具給出的所述測(cè)量值之間的差值所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù)；(D)以迭代法更新所述模型，由此簡(jiǎn)化全局目標(biāo)函數(shù)，所述全局目標(biāo)函數(shù)包含所述數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù)同每次迭代中與所述模型內(nèi)的改變相關(guān)聯(lián)的模型目標(biāo)函數(shù)兩者函數(shù)之和。
13.權(quán)利要求12的方法，其中，所述地層進(jìn)一步包含入侵地帶，所述建模方法進(jìn)一步包括應(yīng)用陣列式電阻率測(cè)井工具得到能指明所述入侵地帶特性的測(cè)量值，所述初始模型進(jìn)一步包含(E)入侵地帶的長(zhǎng)度；以及(F)入侵地帶的電阻率。
14.權(quán)利要求1的方法，其中，所述鉆眼實(shí)質(zhì)上是水平的。、
15.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在多個(gè)頻率上實(shí)施權(quán)利要求1中的(6)，以及先于實(shí)施權(quán)利要求1中的(c)而對(duì)所述多個(gè)頻率上得到的所述測(cè)量值實(shí)施多頻率集聚。
16.權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括對(duì)有限電導(dǎo)率的所述測(cè)井工具按其同心情況的所述多頻率測(cè)量值作出校正。
17.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括(i)以測(cè)經(jīng)器得到多個(gè)測(cè)量值；以及(ii)應(yīng)用所述多個(gè)測(cè)量值確定所述電阻率特性。
18.一種對(duì)鉆眼穿透的所述地層內(nèi)的至少一個(gè)深度處確定地層電阻率特性的裝置，包含(a)一種具有多個(gè)電阻率傳感器用于得到指明所述電阻率特性之測(cè)量值的可旋轉(zhuǎn)測(cè)井工具，所述電阻率傳感器在多個(gè)工具面角度上給出測(cè)量值；(b)至少一個(gè)定向傳感器，用于得到指明所述多個(gè)工具面定向角度的測(cè)量值；以及(c)處理器，用于在應(yīng)用擬合函數(shù)下從所述各測(cè)量值和所述多個(gè)工具面角度中確定所述電阻率特性。
19.權(quán)利要求18的裝置，其中，所述至少一個(gè)深度進(jìn)一步可包含多個(gè)深度，所述處理器進(jìn)一步可將所述多個(gè)深度上的測(cè)量值進(jìn)行組合，以確定所述電阻率特性。
20.權(quán)利要求18的裝置，其中，所述電阻率特性進(jìn)一步包含至少下列特性之一(i)地層的水平電阻率；(ii)地層的垂直電阻率；(iii)地層中入侵地帶的長(zhǎng)度；以及(iv)地層中入侵地帶的電阻率。
21.權(quán)利要求18的裝置，其中，所述多個(gè)電阻率傳感器進(jìn)一步包括多個(gè)發(fā)射機(jī)一接收機(jī)對(duì)，它們的軸相對(duì)于所述鉆眼的縱軸有傾斜。
22.權(quán)利要求18的裝置，其中，所述至少一個(gè)定向傳感器進(jìn)一步包含(i)加速度儀、(ii)地磁儀和(iii)陀螺儀之一。
23.權(quán)利要求22的裝置，其中，所述處理器進(jìn)一步可從加速度儀中確定所述多個(gè)深度。
24.權(quán)利要求18的裝置，其中，所述擬合函數(shù)進(jìn)一步包含正弦函數(shù)。
25.權(quán)利要求21的裝置，其中，所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)一步包括沿x、y和z軸校準(zhǔn)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。
26.一種對(duì)鉆眼穿透的地層確定電阻率特性的方法，方法中包含(a)將測(cè)井工具中的鉆具組傳送進(jìn)所述鉆眼；(b)在鉆具組旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，作出指明所述鉆具組中工具面角度的測(cè)量，并將所述角度測(cè)量值提供給鉆井控制器；(c)在從所述角度測(cè)量值中確定的規(guī)范的工具面角度上，應(yīng)用所述鉆井控制器以多個(gè)多分量電阻率傳感器進(jìn)行測(cè)量，以得到指明所述電阻率特性的測(cè)量值；以及(d)從所述多分量電阻率傳感器給出的所述測(cè)量值中，確定所述電阻率特性。
27.一種在地層中鉆探鉆眼的方法，包含(a)在鉆眼的至少一個(gè)深度內(nèi)，應(yīng)用鉆具組上的多個(gè)多分量電阻率傳感器得到在所述測(cè)井工具的多個(gè)工具面角度內(nèi)給出的指明所述地層之電阻率的電阻率測(cè)量值；(b)對(duì)于多個(gè)電阻率傳感器之每一個(gè)，借助于與所述工具面角度關(guān)聯(lián)的函數(shù)來(lái)表明所述測(cè)量值；(c)應(yīng)用一個(gè)處理器從所述相關(guān)函數(shù)中確定所述測(cè)井工具縱軸與所述地層之間的相對(duì)傾斜角；以及(d)至少部分地基于所述確定的傾斜角，應(yīng)用所述處理器控制所述鉆具組的鉆探方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，應(yīng)用傳送至鉆井內(nèi)可三軸定向和陣列式天線的組合，確定各向異性地層中的水平和垂直電阻率。測(cè)量值是在給定深度處圍繞測(cè)量裝置的各個(gè)方位角上得到的。在每一個(gè)方位角定向上得到的測(cè)量值可以與一個(gè)函數(shù)曲線進(jìn)行擬合，產(chǎn)生出地層周圍的信息。對(duì)給定深度和方位角定向上得到的測(cè)量值，可作出加權(quán)以得到平均值。來(lái)自曲線擬合處理的值應(yīng)用于隨后的反演處理中，可以減小反演處理結(jié)果的不精確性。利用三維幾何學(xué)能獨(dú)一地求解出各向異性介質(zhì)中主軸的定向，由此求解出水平電阻率、垂直電阻率和傾斜角。
文檔編號(hào)G01V3/18GK1764851SQ200380108277
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者奧脫·凡尼尼, 圭蘭瑪巴斯·A.·默徹恩斯 申請(qǐng)人:貝克休斯公司