用以在地下巖層中尋找位置的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及用于進行關(guān)于油氣勘探的測量的設(shè)備和方法。 技術(shù)背景
[0002] 在用于油氣勘探的鉆井中，了解相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)巖層的結(jié)構(gòu)和特性提供用以幫助此 類勘探的信息。用以提供所述信息的數(shù)據(jù)可以使用距地面較大距離處的位于地下巖層中的 傳感器來獲得。知道這些傳感器在地下巖層中的位置可用以制定用于勘探的信息。用以確 定地下巖層中的傳感器的位置的系統(tǒng)和技術(shù)可增強與鉆井作業(yè)相關(guān)聯(lián)的分析過程。
[0003] 附圖簡述
[0004] 圖1展示根據(jù)各種實施方案的發(fā)射器和接收器的實例放置，所述放置可用以確定 接收器的位置。
[0005] 圖2展示根據(jù)各種實施方案的用于分析頻率的影響的模擬設(shè)定。
[0006] 圖3A-B展示根據(jù)各種實施方案的用于圖2的模擬設(shè)定的針對不同頻率的接收的 信號的深度相對電壓電平。
[0007] 圖4A-B展示根據(jù)各種實施方案的用于圖2的模擬設(shè)定的用于固定操作頻率下的 不同巖層電阻率的接收的信號的深度相對電壓電平。
[0008] 圖5A-B展示根據(jù)各種實施方案的用于圖2的模擬設(shè)定的用于另一固定操作頻率 下的不同巖層電阻率的接收的信號的深度相對電壓電平。
[0009] 圖6展示根據(jù)各種實施方案的用以確定地下巖層中的接收器的位置的實例反演 方案的特征。
[0010] 圖7展示根據(jù)各種實施方案的用以確定地下巖層中的接收器的位置的受約束反 演方案的實例的特征。
[0011] 圖8展示根據(jù)各種實施方案的用以驗證反演方案以及用以分析在確定用于不同 系統(tǒng)組態(tài)的一個或多個傳感器的位置時獲得的準確性的模擬的特征。
[0012] 圖9展示根據(jù)各種實施方案的用于在地面處具有兩個x方向發(fā)射器的定位系統(tǒng)的 模擬幾何形狀。
[0013] 圖10A-E展示根據(jù)各種實施方案的用于圖9的模擬幾何形狀的蒙特卡洛（Monte Carlo)模擬的結(jié)果。
[0014] 圖11A-E展示根據(jù)各種實施方案的用于圖9的定位系統(tǒng)的蒙特卡洛模擬的結(jié)果， 其中使用第二接收器，所述第二接收器相對于第一接收器的位置受約束。
[0015] 圖12展示根據(jù)各種實施方案的用于兩個發(fā)射器定位系統(tǒng)的模擬幾何形狀，其中 所述發(fā)射器中的一者在地下。
[0016] 圖13A-E展示根據(jù)各種實施方案的用于圖12的定位系統(tǒng)的蒙特卡洛模擬的結(jié)果。
[0017] 圖14展示根據(jù)各種實施方案的用于具有四個三聯(lián)式發(fā)射器的定位系統(tǒng)的模擬幾 何形狀。
[0018] 圖15A-E展示根據(jù)各種實施方案的用于圖14的定位系統(tǒng)的蒙特卡洛模擬的結(jié)果。
[0019] 圖16展示根據(jù)各種實施方案的具有在地面上的發(fā)射器和地下的接收器的二維實 例，所述實例用以示出用以發(fā)現(xiàn)接收器相對于來自已知的源定向的源的位置的方法。
[0020] 圖17展示根據(jù)各種實施方案的具有在地面上的發(fā)射器和地下的接收器的二維實 例，其中所述接收器具有參考方向。
[0021] 圖18展示根據(jù)各種實施方案的具有在地面上的發(fā)射器和地下的接收器的三維實 例，其中所述接收器不具有參考方向。
[0022] 圖19A-B展示根據(jù)各種實施方案的使用用于圖9中所示的定位系統(tǒng)的半解析解法 的蒙特卡洛模擬結(jié)果。
[0023] 圖20展示根據(jù)各種實施方案的接收器處的歸因于磁偶極的電場，所述電場垂直 于接收器和發(fā)射器所位于的平面。
[0024] 圖21展示根據(jù)各種實施方案的用于基于電場的定位系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)。
[0025] 圖22A-C展示根據(jù)各種實施方案的使用圖21的基于電場的定位系統(tǒng)的蒙特卡洛 模擬結(jié)果。
[0026] 圖23描繪根據(jù)各種實施方案的用以發(fā)現(xiàn)地下巖層中的位置的實例系統(tǒng)的特征的 框圖。
【具體實施方式】
[0027] 以下【具體實施方式】涉及附圖，所述附圖借助于說明且非限制的方式來展示其中可 以實踐本發(fā)明的各種實施方案。充分詳細地描述這些實施方案以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)?踐這些和其它實施方案。可利用其它實施方案，且可對這些實施方案進行結(jié)構(gòu)、邏輯和電性 的改變。各種實施方案并非必須互相排斥，因為一些實施方案可與一個或多個其它實施方 案組合而形成新的實施方案。因此，以下【具體實施方式】不以限制性意義來理解。
[0028] 在各種實施方案中，用以尋找地下接收器的位置的系統(tǒng)和方法可包括根據(jù)接收器 所進行的測量和產(chǎn)生用于測量的信號的源的已知位置來定位一個或多個接收器的位置?？?以使用放置在地面處或地球表面以下的已知位置處的源，其中一個或多個接收器位于地 下?？梢愿鶕?jù)精確知曉其位置的許多發(fā)射源所產(chǎn)生的信號的測量來確定地下接收器的位 置。
[0029] 可以在系統(tǒng)中使用電磁類型的發(fā)射源和接收器來確定地下位置。此類發(fā)射源可包 括（但不限于）：偶極發(fā)射器；在地上或在地下產(chǎn)生電磁場的土地附近產(chǎn)生大量電流分布的 源，其中所述電磁場可在接收器處進行測量；或可產(chǎn)生可在地下巖層深處的接收器處測量 的信號的其它源?？蓪⒃吹呐紭O定向在垂直于感興趣區(qū)域的方向上，其中所述感興趣區(qū)域 包括將要定位的接收源。此定向可慮及沿著偶極的方向的零點。發(fā)射源可以通過一個或多 個三聯(lián)式發(fā)射器來實現(xiàn)。三聯(lián)式發(fā)射器是具有在相同位置處的三個發(fā)射源的結(jié)構(gòu)，其中所 述三個發(fā)射源的位置或定向是彼此不同的。所述三聯(lián)式的三個發(fā)射源可以安裝在給定位置 處的相同結(jié)構(gòu)上?？梢圆僮髟诘厣匣蛲恋馗浇陌l(fā)射源以產(chǎn)生具有用以深深地穿透地下的 低頻的信號，使得所述信號可在深度從一百英尺延伸到幾千英尺和整個深度從一百英尺到 幾千英尺的地下體積中測量?；蛘?，可以在系統(tǒng)中使用用于油田勘探業(yè)中的其它類型的發(fā) 射器（如，但不限于，聲學傳感器和地震傳感器），從而確定地下位置。發(fā)射源的數(shù)目可以包 括三個或三個以上發(fā)射源。在實施方案中，三個發(fā)射源可以通過單個三聯(lián)式發(fā)射器來實現(xiàn)。
[0030] -個或多個接收器可以由安置在地下的電子器件來控制。另外，可以將處理單元 定位在井下以分析接收器所接收的信號。所述處理單元可以通過與接收器集成的電子器件 來實現(xiàn)，其中關(guān)于發(fā)射傳感器的已知位置的信息連同用以處理信號的指令一起由所述電子 器件存儲。所述處理單元可以通過安置在結(jié)構(gòu)上的電子器件來實現(xiàn)，在所述結(jié)構(gòu)上安置接 收器，且電子器件與接收器分離。位于井下的處理單元和接收器控制件可以允許自動的地 質(zhì)導向。或者，處理單元可以位于地面處，響應(yīng)于接收到信號或關(guān)于來自接收器的信號的數(shù) 據(jù)。
[0031] 圖1展示發(fā)射器和接收器的放置的實例實施方案，所述放置可用以確定接收器的 位置。在圖1中，示出表示為1^、1^ 2和1^3的三個發(fā)射器，作為實例，所述三個發(fā)射器相對 于接收傳感器RXi而處于不同位置中。Tx Jp Tx 2在地面104上，而Tx 3在不同于其中安置 RXl的一個井的井內(nèi)部的地下。此圖是2維（2D)圖，展示用于說明目的，其中發(fā)射器線處于 同一平面上。在各種實施方案中，用以定位接收傳感器的位置的發(fā)射源位于不超過兩個發(fā) 射器和接收器傳感器所共同的平面中。由于發(fā)射傳感器滿足此條件，所以可以在測量過程 中在接收的信號中獲得較佳的分辨率。另外，可以增加發(fā)射器的數(shù)目、接收器的數(shù)目、或發(fā) 射器和接收器的數(shù)目，以改進分辨率。
[0032] 取決于應(yīng)用還可以使用已知優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化發(fā)射器的數(shù)目和發(fā)射器位置。然而， 在實施方案的論述中，使用數(shù)值建模結(jié)果來分析發(fā)射器的數(shù)目及其的效應(yīng)。在模擬中將接 收器傳感器及發(fā)射器選擇為三聯(lián)式天線，如圖1中所示出，從而改進反演準確性，但方法的 實施方案的操作沒有必要確定在地下巖層中的位置。如圖1中所示，構(gòu)造為三個三聯(lián)式的 發(fā)射源T Xl、TxdP Tx 3可以在三個位置提供9個發(fā)射源，具有9個位置或定向。接收傳感器 尺七還可以構(gòu)造為在一個位置處具有三個接收器的三聯(lián)式接收傳感器，具有三個位置或定 向。
[0033]增加發(fā)射源的數(shù)目（其中每個發(fā)射源在已知位置處）可以增加用以確定地下巖層 中的一個或多個接收器的位置的信息量。另外，所述發(fā)射源并不限于使用相同類型的發(fā)射 源。舉例來說，布置可以包括在分布在顯著較大區(qū)域上的三個或三個以上發(fā)射器之中的兩 個三聯(lián)式發(fā)射器。其它布置可以包括構(gòu)造為分布在地面或地面附近上的顯著較大區(qū)域上的 電路。所述電路可以包括具有載流導線的閉合環(huán)路，其中所述載流導線處于已知位置，且所 述載流導線沿著直線路徑布置而使得在來自閉合環(huán)路的接收器處接收的信號可以從閉合 環(huán)路的沿行不同于直線路徑的路徑的部分忽略。接收器處的信號可以主要通過此單個載流 導線提供，其中所述電路的靠近環(huán)路的其它部分位于距接收器一定距離處，使得來自這些 其它部分的信號在到達接收器之前被有效衰減?；蛘?，發(fā)射源可以構(gòu)造為具有帶有許多載 流導線的閉合環(huán)路的電路，其中每個載流導線處于已知位置，且沿著直線路徑布置而使得 在來自閉合環(huán)路的接收器處接收的信號可以從閉合環(huán)路的沿行不同于這些各自直線路徑 的路徑的部分忽略。接收器處的所接收的信號可以基于載流導線的數(shù)目的模型及其對應(yīng)的 直線路徑來進行處理。
[0034]低頻電磁波可以深深地穿透到地球的表面以下。通過使用低頻源（f〈10Hz)，所述 源產(chǎn)生的場將可在深深埋入地下的位置處測量。在實施方案中，可以使用具有小于或等于 50Hz的頻率的低頻源。放置在地面之下的井孔中的接收器可以測量所述源產(chǎn)生的信號?？?以處理來自所述源中的每一者的這些信號以尋找距離、定向、或距離和定向。在各種實施方 案中，可以執(zhí)行在深達10, 〇〇〇米處的位置確定。
[0035] 第一考慮因素包括頻率對穿透巖層的信號的影響。隨著頻率升高，地下衰減升高， 使得在較高頻率下，衰減更嚴重且可以減少噪聲電平以下的信號。另一需考慮因素是較高 頻率也對巖層更敏感，這可能顯著影響所接收的信號。也就是說，在較高頻率下，用于接收 器的位置的解決方案將對于復雜的參數(shù)較敏感，且在大多數(shù)情況下并不準確地已知巖層信 息?？梢栽趩蝹€頻率操作下執(zhí)行用以確定地下位置的方法的實例實施方案。然而，在其它 實施方案中，可以在多頻率操作下執(zhí)行用以確定地下位置的方法的特征。
[0036] 圖2展示用于分析頻率的影響的模擬設(shè)定。為了分析頻率的影響，當存在單個發(fā) 射器時，將信號電平隨著深度的變化計