專(zhuān)利名稱(chēng)：用侵入確定各向同性和各向異性巖層電阻率的設(shè)備及方法
交叉引用的相關(guān)申請(qǐng)?jiān)撋暾?qǐng)要求2003年10月27日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)60/514720的優(yōu)先權(quán)。該臨時(shí)申請(qǐng)被作為參考整體引入。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明通常涉及測(cè)井領(lǐng)域，更特別地，本發(fā)明涉及用于測(cè)量具有各向異性和/或侵入的巖層的電特性的工具和方法。
背景技術(shù)：
多年來(lái)，在存在可能已侵入巖層的鉆孔液體時(shí)，一直將感應(yīng)工具用于測(cè)量鉆孔周?chē)牡刭|(zhì)巖層電阻率。感應(yīng)測(cè)井工具通過(guò)響應(yīng)于AC發(fā)送器信號(hào)而在巖層中感生的渦流來(lái)測(cè)量巖層的電阻率(或相反，導(dǎo)電率)。渦流感生次級(jí)磁場(chǎng)，其反過(guò)來(lái)在接收器天線(xiàn)中感生電壓。由于渦流的大小取決于巖層的導(dǎo)電率，從而接收信號(hào)的大小反映了巖層導(dǎo)電率。
典型的感應(yīng)工具包括至少兩個(gè)感應(yīng)陣列，其在發(fā)送器和接收器之間具有用于不同勘測(cè)深度(DOI)的不同間隔。該工具的一個(gè)例子由Tanguy提出的美國(guó)專(zhuān)利3067383公開(kāi)。該工具的最小配置包括用于在兩個(gè)不同DOI處測(cè)量的兩個(gè)線(xiàn)圈陣列深陣列(ILD)和中間陣列(ILM)。將深陣列設(shè)計(jì)成在泥漿侵入?yún)^(qū)之外“觀察”以提供巖層真電阻率(Rt)。然而，為了確定鉆井液所侵入巖層的最小參數(shù)(被侵入?yún)^(qū)域電阻率RXO，未被侵入?yún)^(qū)域電阻率Rt和侵入半徑Ri)，至少需要在不同勘測(cè)深度處進(jìn)行三次測(cè)量。歷史上通過(guò)聚焦電極陣列提供第三測(cè)量(淺測(cè)量)。在Tanguy提出的美國(guó)專(zhuān)利3329889中公開(kāi)了這樣一種工具。淺電極測(cè)量連同感應(yīng)陣列所提供的中間(ILM)和深(ILD)測(cè)量為解答具有簡(jiǎn)單侵入剖面的巖層中的巖層電阻率提供了充分的數(shù)據(jù)。在侵入剖面復(fù)雜、例如不止一個(gè)具有不同電阻率的區(qū)域環(huán)繞著鉆孔時(shí)，該工具并不能為巖層性質(zhì)的確定提供充分的數(shù)據(jù)。
因此，已將多陣列工具引入以確定具有更復(fù)雜侵入剖面的巖層中的巖層電阻率。多陣列工具的例子包括Hunka等人于1990年9月23-26日在NewOrleans，LA舉辦的第65屆SPE年度技術(shù)大會(huì)和博覽會(huì)上發(fā)表的論文SPE20559“A New Resistivity Measurement Syestem for Deep Formation Imaging and High-resolution Formation Evaluation”和Chandler等人提出的美國(guó)專(zhuān)利5157605中公開(kāi)的那些工具。在發(fā)送器和接收器之間具有不同間隔的多陣列可在不同勘測(cè)深度(DOI)處提供測(cè)量。因此，當(dāng)在不同的層發(fā)生不同程度(半徑)的泥漿侵入時(shí)，該工具仍可提供用于解答巖層電特性的充分?jǐn)?shù)據(jù)。
除了泥漿侵入，巖層各向異性也可使得電阻率記錄及整理分析變得復(fù)雜。巖層各向異性由巖層的天然沉積的方式產(chǎn)生。包含碳?xì)浠衔锏膸r層通常在巖層電阻率上呈現(xiàn)出各向異性。在這種巖層中，在與層面相平行方向上的水平導(dǎo)電率σh(或電阻率，Rh)不同于與層面相垂直方向上的垂直導(dǎo)電率σv(或電阻率，Rv)。在交錯(cuò)層的儲(chǔ)層中，各向異性的電阻率可由不同于那些與巖層平行和垂直的兩個(gè)方向來(lái)更好地定義。為了清楚地解釋?zhuān)菊f(shuō)明書(shū)使用了廣義上的“水平”和“垂直”以描述各向異性電阻率的兩個(gè)正交方向，而未考慮這些方向?qū)嶋H上是否與巖層面平行或垂直?？梢酝ㄟ^(guò)在測(cè)井分析中所使用的反演法、例如將在附圖9中描述的方法得出實(shí)際方向。
常規(guī)的感應(yīng)測(cè)井工具，例如上述的那些工具，具有以如此方式設(shè)置的發(fā)送器和接收器，以使其磁偶極子與工具的縱向軸位于同一直線(xiàn)上。這些縱向感應(yīng)陣列工具在與工具縱向軸垂直的回路中感生渦流。因此，這些工具僅僅對(duì)巖層的水平導(dǎo)電率敏感；它們無(wú)法提供垂直導(dǎo)電率(或電阻率)或各向異性的測(cè)量。
為了測(cè)量垂直導(dǎo)電率或各向異性，新的EM感應(yīng)或傳播儀器通常包括發(fā)送器和/或接收器天線(xiàn)，該發(fā)送器和/或接收器天線(xiàn)具有基本上垂直于儀器軸的磁偶極子。這些具有橫向感應(yīng)陣列的工具對(duì)于巖層電阻率各向異性具有良好的敏感度。例如，參見(jiàn)Moran和Gianzero，“Effects of Formation Anisotropy onResistivity Logging Measurements，”Geophysics，44，1266-1286(1979)。橫向感應(yīng)陣列工具包括三軸陣列工具，其包括三個(gè)正交的發(fā)送器線(xiàn)圈和三個(gè)相同正交方向上的接收器線(xiàn)圈。操作中，將三軸發(fā)送器沿三個(gè)正交方向充能，接著由排列在三個(gè)相同正交方向上的單個(gè)接收器線(xiàn)圈測(cè)量由周?chē)鷰r層中流動(dòng)的渦流所感生的電壓。三軸工具的例子，例如可在Huston提出的美國(guó)專(zhuān)利3510757，F(xiàn)organg等人的5781436，Desbrandes的3609521，Segesman的4360777，Kriegshaeuser等人的6553314中找到。只要巖層未被侵入或侵入深度較淺，這些三軸陣列感應(yīng)工具就可以確定巖層的各向異性電阻率。
盡管某些現(xiàn)有技術(shù)中的工具能夠測(cè)量具有復(fù)雜侵入剖面的巖層的電阻率且其他的適用于具備各向異性的巖層，但是需要在先了解巖層的類(lèi)型以選擇合適的工具。因此人們希望可利用EM感應(yīng)或傳播測(cè)井工具在不預(yù)先了解巖層的各向異性和/或侵入的情況下提供巖層電阻率的可靠測(cè)量。
發(fā)明概述一方面，本發(fā)明的實(shí)施例涉及測(cè)井工具。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的測(cè)井工具包括工具體；包含單根天線(xiàn)的設(shè)置在工具體上的簡(jiǎn)單發(fā)送器；四個(gè)簡(jiǎn)單接收器，每一個(gè)包括單根天線(xiàn)設(shè)置在工具體上，且與簡(jiǎn)單發(fā)送器相隔開(kāi)以形成四個(gè)陣列；和用于控制四個(gè)陣列工作的電子模塊，其中將簡(jiǎn)單發(fā)送器配置為生成包含橫向分量的磁場(chǎng)，其中四個(gè)簡(jiǎn)單接收器的每一個(gè)對(duì)簡(jiǎn)單發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)敏感，且四個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的至少一個(gè)對(duì)簡(jiǎn)單發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)的橫向分量敏感，且其中配置四個(gè)陣列以在至少三個(gè)勘測(cè)深度處提供測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的測(cè)井工具包括工具體；設(shè)置在工具體上的包含兩根天線(xiàn)的發(fā)送器，其中將兩根天線(xiàn)設(shè)置為不同的朝向；兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器，每一個(gè)包含單根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上且與發(fā)送器相隔開(kāi)；第三接收器，包含兩根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上且與發(fā)送器和兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器相隔開(kāi)；和用于控制由發(fā)送器和兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器和第三接收器所形成的四個(gè)陣列工作的電子模塊，其中配置發(fā)送器中兩根天線(xiàn)的至少一個(gè)以生成具有橫向分量的磁場(chǎng)，其中第三接收器的兩根天線(xiàn)中的至少一個(gè)響應(yīng)于由發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)的橫向分量，且其中配置四個(gè)陣列以在至少三個(gè)勘測(cè)深度處提供測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的測(cè)井工具包括工具體；設(shè)置在工具體上的包含三根天線(xiàn)的發(fā)送器，其中三根天線(xiàn)沿三個(gè)不同的方向設(shè)置；設(shè)置在工具體上的兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器，每一個(gè)包含單根天線(xiàn)，其中兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的每一個(gè)與發(fā)送器相間隔；設(shè)置在工具體上且與發(fā)送器和兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器相間隔的第三接收器，其中第三接收器包含被設(shè)置為與發(fā)送器的三根天線(xiàn)的三個(gè)不同方向基本上相同的三個(gè)方向上的三根天線(xiàn)；和用于控制發(fā)送器、兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器和第三接收器工作的電子模塊，其中將發(fā)送器和兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器及第三接收器形成的陣列配置為在至少三個(gè)勘測(cè)深度處提供測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的測(cè)井工具包括工具體；設(shè)置在工具體上的發(fā)送器，其中配置發(fā)送器以生成具有橫向分量的磁場(chǎng)；設(shè)置在工具體上且與發(fā)送器相間隔的四個(gè)接收器；和用于控制發(fā)送器和四個(gè)接收器工作的電子模塊，其中四個(gè)接收器中的每一個(gè)響應(yīng)于發(fā)送器生成的磁場(chǎng)，其中四個(gè)接收器中的至少一個(gè)響應(yīng)于發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)的橫向分量，且其中發(fā)送器和四個(gè)接收器所形成的陣列提供至少3個(gè)勘測(cè)深度。
另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于測(cè)井的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于測(cè)井的方法包括將測(cè)井工具布置在穿透巖層的鉆孔中；獲得多個(gè)巖層電阻率的測(cè)量值，其中多個(gè)測(cè)量值覆蓋至少3個(gè)不同的勘測(cè)深度且多個(gè)測(cè)量值中的至少一個(gè)對(duì)巖層各向異性敏感；且基于多個(gè)測(cè)量值確定巖層的電特性。
本發(fā)明其他方面和優(yōu)點(diǎn)將在以下描述及附加的權(quán)利要求中顯而易見(jiàn)。
附圖簡(jiǎn)述附

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)井系統(tǒng)。
附圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的測(cè)井工具。
附圖3示出了包含三軸向發(fā)送器、三軸向屏蔽接收器和三軸向接收器的三軸向天線(xiàn)陣列。
附圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例如附圖2所示的工具的半徑響應(yīng)。
附圖5示出了泥漿侵入及各向異性對(duì)于由72英寸三軸向陣列所獲得的真實(shí)(R)和積分(X)信號(hào)的影響。
附圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的測(cè)井工具。
附圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例如附圖6所示的工具的半徑響應(yīng)。
附圖8中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的測(cè)井工具。
附圖9中示出了從利用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的工具而獲得的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中得出巖層電阻率的方法。
附圖10中示出了可與根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法一起使用的1D巖層模型。
附圖11示出了可與根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法一起使用的2D巖層模型。
附圖12示出了可與根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法一起使用的3D巖層模型。
附圖13示出了傾斜天線(xiàn)磁矩的軸向及橫向分量的簡(jiǎn)圖。
詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于確定具有泥漿侵入和/或各向異性的巖層的電特性的設(shè)備及方法。為了解答具有侵入的巖層的電特性(Rxo，ri，和Rt)，需要不同DOI處的三個(gè)測(cè)量值。如果巖層同時(shí)具有各向異性，則需要另外一個(gè)對(duì)各向異性敏感的測(cè)量值(例如，橫向測(cè)量值)。因此最少需要四次測(cè)量以解答具有侵入和各向異性的巖層。這4次測(cè)量應(yīng)該在至少3個(gè)不同的DOI處獲得且四次測(cè)量中的至少一個(gè)應(yīng)對(duì)巖層的各向異性敏感。四次測(cè)量可以為以下的組合中任一(1)三次軸向測(cè)量和一次橫向測(cè)量；(2)兩次軸向測(cè)量和兩次橫向測(cè)量；(3)一次軸向測(cè)量和三次橫向測(cè)量；和(4)四次橫向測(cè)量。
如文中所使用的，“軸向”意味著與工具的縱向軸相平行的方向，且“橫向”意味著與工具的縱向軸垂直的方向。由此，“軸向”天線(xiàn)(發(fā)送器或接收器)是指具有與工具縱向軸相平行的磁矩的線(xiàn)圈，同時(shí)“橫向”天線(xiàn)(發(fā)送器或接收器)是指具有與工具縱向軸相垂直的磁矩的線(xiàn)圈。傾斜天線(xiàn)具有既不垂直也不平行于工具的縱向軸的磁矩。然而，傾斜天線(xiàn)的磁矩可以被分解為軸向分量和橫向分量(參見(jiàn)附圖13)。換句話(huà)說(shuō)，傾斜天線(xiàn)所生成的磁場(chǎng)包括橫向分量和軸向分量。本發(fā)明的實(shí)施例可能需要使用軸向接收器或橫向接收器。在這些情況下，傾斜天線(xiàn)可以替代地用于提供軸向分量或橫向分量。因此，在本說(shuō)明書(shū)中使用常用術(shù)語(yǔ)“軸向-分量”接收器以表示具有包含軸向分量的磁矩的接收器，且使用“橫向-分量”接收器以表示具有包含橫向分量的磁矩的接收器。從而，“軸向分量”接收器可包括軸向天線(xiàn)或傾斜天線(xiàn)，且“橫向-分量”接收器可包括橫向天線(xiàn)、傾斜天線(xiàn)、或三軸天線(xiàn)。一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器形成一個(gè)陣列。在一些實(shí)施例中，陣列進(jìn)一步包括屏蔽接收器以減少或消除發(fā)送器和接收器之間的相互耦合。因此“軸向-分量”陣列表示包含發(fā)送器和接收器的陣列，每一發(fā)送器和接收器具有包含軸向分量的磁矩，和“橫向-分量”陣列表示包含發(fā)送器和接收器的陣列，每一發(fā)送器和接收器具有包含橫向分量的磁矩。
相應(yīng)地，可以利用軸向陣列或軸向-分量陣列獲得軸向測(cè)量值，和可以利用橫向陣列或橫向分量陣列獲得橫向測(cè)量值。例如，可將使用傾斜陣列所獲得的測(cè)量值分解為軸向分量測(cè)量值和橫向分量測(cè)量值。
如以下將要描述的，可以將本發(fā)明的工具中的任一軸向陣列(或軸向-分量陣列)替換為電極設(shè)備。因此，可以將上述任一或全部軸向測(cè)量值替換為電極(電流)測(cè)量值。本發(fā)明的實(shí)施例可以使用本技術(shù)領(lǐng)域中所知的任何電極設(shè)備，包括按鈕電極，環(huán)電極，和超環(huán)面電極。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將可理解電極設(shè)備包括電流注入器和用于探測(cè)回流至工具的電流的傳感器。在本說(shuō)明書(shū)中，“電極”被廣義地使用以表示電極設(shè)備而并不限定于任一特定類(lèi)型的電極設(shè)備。應(yīng)注意，四個(gè)測(cè)量值表示用于解答具有簡(jiǎn)單侵入剖面(例如具有固定電阻率的單個(gè)被侵入?yún)^(qū)域)和簡(jiǎn)單各向異性(例如已知各向異性的方向)的巖層的電特性的最小需求。在具有更復(fù)雜的侵入和/或各向異性的巖層中，將需要更多的測(cè)量值。
從而，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電阻率測(cè)井工具可以提供至少四個(gè)測(cè)量值，其包括至少3個(gè)位于不同DOI的測(cè)量值和至少一個(gè)對(duì)各向異性敏感的測(cè)量值。一些工具配置能夠提供這些測(cè)量值。簡(jiǎn)單的工具配置，例如可以包括一個(gè)共用發(fā)送器、三個(gè)軸向-分量接收器和一個(gè)橫向-分量接收器。每一接收器和共用發(fā)送器構(gòu)成一個(gè)陣列。因此該簡(jiǎn)單工具配置包括三個(gè)軸向-分量陣列和一個(gè)橫向-分量陣列。由于共用發(fā)送器需要在軸向-分量陣列和橫向-分量陣列中工作，因此其包含兩個(gè)線(xiàn)圈-一軸向線(xiàn)圈(天線(xiàn))和橫向線(xiàn)圈。可替代地，發(fā)送器可以為傾斜天線(xiàn)，其在磁矩中包含軸向分量和橫向分量。應(yīng)注意共用發(fā)送器也可以為三軸天線(xiàn)。優(yōu)選地在發(fā)送器中的橫向分量的磁矩優(yōu)選地與橫向接收器中的磁矩方向相同；然而當(dāng)將它們投射在橫向平面上時(shí)，可形成一角度(除了90°之外，非正交的)。橫向平面是垂直于工具縱向軸的平面。
本說(shuō)明書(shū)中廣義地使用了“三軸”天線(xiàn)(發(fā)送器或接收器)以表示三個(gè)沿三個(gè)非共面方向設(shè)置的天線(xiàn)，其可以為或不為相互正交。如果這些天線(xiàn)不互相正交，那么它們的磁矩可以被分解為三個(gè)正交分量。在優(yōu)選實(shí)施例中，三軸向發(fā)送器或接收器內(nèi)的三根天線(xiàn)沿正交方向設(shè)置。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，三軸向發(fā)送器或接收器中三根正交天線(xiàn)中的一根在與工具的縱向軸基本上成一條直線(xiàn)的方向上。在這種情況下，三軸向發(fā)送器或接收器包括一根縱向天線(xiàn)和兩根橫向天線(xiàn)。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括三軸向發(fā)送器和接收器的使用，在一些情況下，僅僅需要橫向或傾斜發(fā)送器和接收器。例如，如果各向異性的方向未知，則可能需要全部的三軸測(cè)量。另一方面，在簡(jiǎn)單的情況下，其中各向異性的方向是已知的，則僅需要做橫向測(cè)量。在本說(shuō)明中，“發(fā)送器”和“接收器”被用于描述天線(xiàn)/線(xiàn)圈的不同功能，看起來(lái)有不同類(lèi)型的線(xiàn)圈。這僅僅為了闡釋的清晰。發(fā)送器線(xiàn)圈和接收器線(xiàn)圈具有相同的物理特征，且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解應(yīng)用互易原理且一個(gè)天線(xiàn)/線(xiàn)圈可以一時(shí)被用作發(fā)送器，而另一時(shí)被用作接收器。從而工具中發(fā)送器和接收器的任何詳細(xì)說(shuō)明應(yīng)當(dāng)被解釋為包含補(bǔ)充配置，其中可以將“發(fā)送器”和“接收器”進(jìn)行轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步地，在本說(shuō)明書(shū)中“發(fā)送器”或“接收器”被廣義地使用且可以包括一個(gè)單線(xiàn)圈，兩個(gè)線(xiàn)圈，或三個(gè)線(xiàn)圈。如果需要單線(xiàn)圈“發(fā)送器”或“接收器”，那么其將被稱(chēng)為“簡(jiǎn)單發(fā)送器”或“簡(jiǎn)單接收器”。
圖1示出了典型測(cè)井系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。為了清晰地闡述，某些常規(guī)細(xì)節(jié)在附圖1中被省略。測(cè)井系統(tǒng)100包括適宜于可移動(dòng)地通過(guò)鉆孔的測(cè)井工具105。將測(cè)井工具105通過(guò)電纜115(或鉆柱)連接至表面儀器110。盡管已示出電纜工具，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本發(fā)明的實(shí)施例可以通過(guò)電纜或同時(shí)-鉆孔(LWD或MWD)操作實(shí)現(xiàn)。該表面儀器110可以包括計(jì)算機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，測(cè)井工具105裝備有至少3個(gè)天線(xiàn)陣列以用于在存在侵入和/或各向異性時(shí)確定巖層電阻率。
如上所述，為了確定徑向不均勻的巖層的電特性(例如，被鉆井液侵入或固有的不均勻)，需要在多個(gè)(例如三個(gè))勘測(cè)深度處(DOI)的測(cè)量值。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的工具可包括多個(gè)天線(xiàn)陣列以提供至少3個(gè)在不同的DOI處的測(cè)量值和至少一個(gè)對(duì)各向異性敏感的測(cè)量值。多個(gè)天線(xiàn)陣列中的大部分可以為軸向陣列。然而，它們中的至少一個(gè)應(yīng)該為具有橫向分量的陣列，即三軸向的，傾斜的，或橫向陣列。清楚起見(jiàn)，下面的說(shuō)明將使用三軸向陣列(發(fā)送器或接收器)以闡釋本發(fā)明的實(shí)施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將可以理解可以使用其他具有橫向分量的發(fā)送器或接收器(例如，傾斜的或橫向發(fā)送器或接收器)以替代三軸向發(fā)送器或接收器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，測(cè)井工具包括至少三個(gè)天線(xiàn)陣列且該至少3個(gè)天線(xiàn)陣列中的至少一個(gè)響應(yīng)于發(fā)送器(例如，三軸向的、傾斜的、或橫向陣列)所生成的磁場(chǎng)的橫向分量。該至少一個(gè)三軸向的、傾斜的、或橫向陣列提供可被用于得出巖層各向異性特性即Rh，Rv和各向異性系數(shù)(λ)的測(cè)量值。該工具的一個(gè)例子如附圖2中所示。
附圖2示出了感應(yīng)或傳播工具200。應(yīng)注意可以將本發(fā)明的實(shí)施例用作感應(yīng)工具或傳播工具。由于這兩種類(lèi)型工具之間的不同與本發(fā)明關(guān)系不大，因此下面的說(shuō)明將使用廣義上的“感應(yīng)”工具以同時(shí)稱(chēng)呼“感應(yīng)”和“傳播”工具。如所示，感應(yīng)工具200包括電子模塊201和心軸202，在心軸上設(shè)置有一系列天線(xiàn)。電子模塊201包括用于控制信號(hào)以給發(fā)送器充能和通過(guò)接收器控制信號(hào)(電壓)獲取的元件。此外，電子模塊可包括處理器和/或存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)用于進(jìn)行測(cè)井操作和數(shù)據(jù)處理的程序。工具200還包括設(shè)置在多根天線(xiàn)上的保護(hù)性殼體(未示出)。感應(yīng)工具200包括一個(gè)三軸向發(fā)送器210T，二個(gè)軸向接收器221m和222m，和一個(gè)三軸向接收器231m。將每一接收器與相應(yīng)的屏蔽接收器221b，222b和231b分別耦合。在符號(hào)中，后綴“b”表示天線(xiàn)(線(xiàn)圈)作為屏蔽接收器起作用，和后綴“m”表示天線(xiàn)(線(xiàn)圈)作為主接收器天線(xiàn)起作用。屏蔽接收器的作用是減少或消除發(fā)送器和接收器之間的相互耦合。
共用三軸向發(fā)送器210T，二個(gè)軸向接收器221m和222m，和兩個(gè)屏蔽接收器221b和222b共同形成了兩個(gè)軸向陣列，同時(shí)共用三軸向發(fā)送器210T，三軸向接收器231m和三軸向屏蔽接收器231b共同形成了三軸向陣列。如上所述，“三軸向”發(fā)送器或接收器包括三個(gè)線(xiàn)圈，該三個(gè)線(xiàn)圈的磁矩朝向非共面的方向，包括正交方向。此外，可以將該例中的“三軸向”發(fā)送器或接收器替換為傾斜發(fā)送器或接收器。一個(gè)陣列，無(wú)論是軸向還是三軸向的，包括一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器。在優(yōu)選實(shí)施例中，陣列進(jìn)一步包括屏蔽線(xiàn)圈/接收器。在本說(shuō)明書(shū)中，“屏蔽接收器”用于指廣義上的屏蔽線(xiàn)圈、例如單線(xiàn)圈(軸向)或三線(xiàn)圈(三軸向)屏蔽接收器。對(duì)于軸向接收器，屏蔽接收器包括沿與接收器線(xiàn)圈的纏繞方向相反的方向纏繞的軸向線(xiàn)圈。對(duì)于三軸向接收器，屏蔽接收器(即，三軸向屏蔽接收器)由三個(gè)沿與相應(yīng)接收器線(xiàn)圈相同定向、但是相反方向纏繞的線(xiàn)圈構(gòu)成。
附圖3示出了例示性三軸向陣列300，包括三軸向發(fā)送器301，三軸向屏蔽接收器302，和三軸向接收器303。盡管已示出協(xié)同定位的線(xiàn)圈，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解本發(fā)明的實(shí)施例并不需要將三軸向天線(xiàn)協(xié)同定位。協(xié)同定位意味著三個(gè)線(xiàn)圈的中心基本上位于相同位置。三軸向發(fā)送器301包括三個(gè)具有朝向正交方向(x，y，z)的磁偶極子(MxT，MyT，MzT)的線(xiàn)圈。三軸向接收器303包括三個(gè)具有朝向相同正交方向(x，y，z)的磁偶極子(MxR，MyR，MzR)的線(xiàn)圈。三軸向屏蔽接收器302包括三個(gè)具有朝向與發(fā)送器301和接收器303的正交方向相反的正交方向(-x，-y，-z)的磁偶極子(MxB，MyB，MzB)的線(xiàn)圈。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解屏蔽接收器應(yīng)當(dāng)放在發(fā)送器和接收器之間。如所示，將屏蔽接收器302設(shè)置在距離發(fā)送器301為L(zhǎng)B的地方。距離LB小于發(fā)送器301和接收器303之間的距離(LR)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到用于本發(fā)明實(shí)施例的三軸向陣列不必為“正交”三軸向陣列。而且，使用多個(gè)發(fā)送器和/或多個(gè)接收器線(xiàn)圈的更復(fù)雜的設(shè)置也都可以用于軸向和三軸向感應(yīng)陣列。
應(yīng)該選擇屏蔽線(xiàn)圈的精確位置和匝數(shù)以最大化地消除發(fā)送器和接收器之間的相互耦合。美國(guó)專(zhuān)利5157605中所公開(kāi)的例子包括設(shè)置在發(fā)送器和接收器中點(diǎn)的屏蔽接收器。在該配置中，屏蔽線(xiàn)圈中導(dǎo)線(xiàn)的匝數(shù)為接收器線(xiàn)圈的導(dǎo)線(xiàn)匝數(shù)的1/8。
附圖2所示的感應(yīng)工具200包括兩個(gè)軸向陣列和一個(gè)三軸向陣列。這表示了一個(gè)能為具有侵入和各向異性的巖層提供電阻率估計(jì)的感應(yīng)工具的例子。在操作中，通過(guò)在其中通過(guò)交流電信號(hào)將三軸向發(fā)送器210T充電且記錄每一陣列中接收器所接收的電壓?？梢詫⑷S向發(fā)送器中的三根天線(xiàn)在不同的時(shí)間(時(shí)間復(fù)用)或在不同的頻率(頻率復(fù)用)下進(jìn)行充能從而可以區(qū)分接收器所記錄的響應(yīng)。
除了用于信號(hào)識(shí)別的時(shí)間復(fù)用或頻率復(fù)用之外，三軸向發(fā)送器110T優(yōu)選在不止一個(gè)頻率下操作以提供不止一組的測(cè)量值用于數(shù)據(jù)處理?？梢詫?lái)自?xún)蓚€(gè)或更多頻率的測(cè)量值例如用于減少集膚效應(yīng)和/或集中DOI，如Chandler等人提出的美國(guó)專(zhuān)利5157605中所公開(kāi)的。該專(zhuān)利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并整體引入作為參考。感應(yīng)工具的工作頻率優(yōu)選在5至200kHZ范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)工具在兩個(gè)頻率、例如大約26kHZ和大約13kHZ下操作。需要較低的頻率(相對(duì)于常規(guī)的、工作在高達(dá)幾百kHZ的感應(yīng)工具)是由于橫向天線(xiàn)或陣列上更大的集膚效應(yīng)。對(duì)于傳播工具，工作頻率優(yōu)選在100kHZ至2MHZ的范圍內(nèi)。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，傳播工具在兩個(gè)頻率、例如大約400KHZ和大約2MHZ下工作。
將這些陣列中的接收器設(shè)置在距共用三軸向發(fā)送器110T不同的距離上。發(fā)送器和接收器之間不同的間隔(L1，L2和L3)提供了不同的勘測(cè)深度(DOI)，即由井孔至巖層的不同距離。由于集膚效應(yīng)在EM測(cè)井中是發(fā)送器頻率的函數(shù)，因此能夠通過(guò)改變發(fā)送器的工作頻率而不是不同的發(fā)送器-接收器間隔來(lái)獲得不同的DOI。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，通過(guò)在多個(gè)頻率下操作軸向、橫向或三軸向陣列實(shí)現(xiàn)不同的DOI。感應(yīng)或傳播陣列的勘測(cè)深度通常被限定為積分徑向響應(yīng)的中點(diǎn)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解陣列的徑向響應(yīng)在其他因素中取決于發(fā)送器和接收器之間的間隔。
附圖4示出了附圖2中工具200內(nèi)的多個(gè)陣列的徑向幾何因素。曲線(xiàn)421和422分別表示兩個(gè)軸向接收器221m和222m的幾何因素，同時(shí)曲線(xiàn)431a和431t分別表示三軸向接收器231m的軸向分量和橫向分量。顯而易見(jiàn)地是，短陣列(軸向陣列)在近井孔區(qū)域具有更大的響應(yīng)?？梢詫?lái)自短陣列的測(cè)量值用于矯正鉆孔效應(yīng)和/或得出被侵入?yún)^(qū)的電阻率。長(zhǎng)陣列(三軸向陣列)更能響應(yīng)于遠(yuǎn)離井孔的巖層區(qū)域(參見(jiàn)曲線(xiàn)431a和431t)。軸向分量(431a)能與兩個(gè)軸向測(cè)量值相結(jié)合以得出各向同性巖層中的巖層電阻率特性(RXO，ri，和Rt)。在各向異性巖層中，可以包含橫向分量(曲線(xiàn)431t)以提供水平電阻率(Rh)，垂直電阻率(Rv)，和各向異性系數(shù)(λ)。因此，工具200能夠不管泥漿侵入和/或各向異性而提供可靠的巖層電阻率估計(jì)值。
附圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的工具配置的一個(gè)例子。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解其他改變也是可能的。例如，工具可以包括第三軸向陣列從而為求解侵入剖面所需的三個(gè)不同的DOI測(cè)量值并不依靠三軸向陣列的軸向分量。另一工具配置可包括一個(gè)單橫向或三軸向陣列和一個(gè)單軸向陣列，例如附圖2中沒(méi)有屏蔽接收器222b和主接收器222m的工具200。在這種情況下，可以使用不同的工作頻率以獲得在不同DOI處的測(cè)量值。在附圖2中，第一軸向接收器221m和第二屏蔽接收器222b如圖所示在心軸202上的相同位置處被共同纏繞。在一些實(shí)施例中，這些線(xiàn)圈不一定被共同纏繞且可以被設(shè)置在沿心軸202的不同的軸向位置上。此外，可以將軸向陣列中的一個(gè)(例如包括接收器221m的一個(gè))替換為電極設(shè)備以提供近井孔電阻率測(cè)量值。已知在某些情況下(例如不規(guī)則的鉆孔或?qū)щ娿@孔流體和電阻層之間非常高的電阻率差別)，電極設(shè)備能夠比感應(yīng)陣列提供更可靠的測(cè)量值。
附圖2中所示的工具可以提供足夠的測(cè)量值以確定巖層的電特性，其中侵入?yún)^(qū)域?yàn)楦飨蛲缘?。在各向異性巖層中泥漿滲透侵入可以使被侵入?yún)^(qū)域變?yōu)楦飨蛲缘摹Ｈ欢?，如果侵入并未消除各向異性，則被侵入?yún)^(qū)域的水平(RXO， h)和垂直(RXO，v)電阻率將會(huì)不同。附圖5中示出了甚至在侵入?yún)^(qū)域進(jìn)入巖層100英寸或更多時(shí)，各向異性仍然可被檢測(cè)到。附圖5中的結(jié)果來(lái)自于對(duì)具有與Schlumberger技術(shù)公司(Houston，TX)所銷(xiāo)售的商標(biāo)為AITTM的陣列感應(yīng)工具的72-英寸陣列相同的間隔的XX橫向信號(hào)的模擬。巖層具有1,000mS/m的水平導(dǎo)電率(σh)且被侵入?yún)^(qū)域具有100mS/m的導(dǎo)電率(σx0)。模擬了Rv/Rh＝1，2，5，10和50時(shí)的五種情況，且將同步信號(hào)(σ-R)和積分信號(hào)(σ-X)都作為侵入半徑的函數(shù)給出。
附圖5清晰地示出了甚至在侵入達(dá)到100英寸以上時(shí)侵入也并未完全消除對(duì)巖層各向異性的敏感性。例如，曲線(xiàn)51R和51X，其表示Rv/Rh＝1時(shí)的同步(σ-R)和積分信號(hào)(σ-X)，與表示Rv/Rh＝2時(shí)的同步(σ-R)和積分信號(hào)(σ-X)的曲線(xiàn)52R和52X非常不同。這些結(jié)果清楚地表明各向異性可以保留在被侵入?yún)^(qū)，且被侵入?yún)^(qū)可用各向同性電阻率(Rxo)表征的通用假定不一定成立。
從而，為了完全地表征巖層特性，而不考慮侵入或各向異性，可能需要不止一個(gè)橫向或三軸向陣列。附圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)感應(yīng)或傳播工具。感應(yīng)工具600包括兩個(gè)軸向陣列和6個(gè)三軸向陣列，即比附圖2的感應(yīng)工具200多5個(gè)三軸向陣列。感應(yīng)或傳播工具600包括電子模塊601和心軸602，在心軸上設(shè)置有一系列天線(xiàn)。感應(yīng)或傳播工具600還包括設(shè)置在多根天線(xiàn)上的保護(hù)性殼體(未示出)。兩個(gè)軸向陣列包括共用三軸向發(fā)送器610T，三個(gè)屏蔽接收器621b，622b，和三個(gè)軸向接收器621m，622m，同時(shí)6個(gè)三軸向陣列包括共用三軸向發(fā)送器610T，6個(gè)屏蔽接收器631b-636b，和6個(gè)三軸向接收器631m-636m。該實(shí)施例包括兩個(gè)軸向陣列。從而一個(gè)三軸向陣列的軸向分量被用于提供第三軸向測(cè)量值，連同由兩個(gè)軸向陣列獲得的另兩組軸向測(cè)量值，提供三個(gè)不同DOI處的測(cè)量值以確定侵入剖面。
如附圖6所示，將屏蔽接收器622b與接收器621m一起纏繞。相似地，6個(gè)三軸向陣列包括一系列一起纏繞的屏蔽和接收器天線(xiàn)。這些一起纏繞的天線(xiàn)僅用于說(shuō)明。本發(fā)明的實(shí)施例可使用一起纏繞的天線(xiàn)或不一起纏繞的天線(xiàn)。如果將一個(gè)陣列的屏蔽接收器和一個(gè)更短陣列的主接收器線(xiàn)圈一起纏繞，那么可以將其一起纏繞在由陶器或其他合適材料制成的線(xiàn)筒上。在一起纏繞的配置中，將陣列如此設(shè)置從而陣列n的主接收器線(xiàn)圈與陣列n+1的互平衡(屏蔽)線(xiàn)圈在近似相同的軸向位置上。例如，用于主接收器623m的屏蔽接收器623b與主接收器622m一起纏繞在附圖6中的同一線(xiàn)筒上。Orban等人提出的美國(guó)專(zhuān)利5668475中包括一起纏繞的屏蔽-主接收器線(xiàn)圈的詳細(xì)描述。該專(zhuān)利被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人且被整體引入以作為參考。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解可以選擇多個(gè)軸向陣列和三軸向陣列的間隔以提供所要求的勘測(cè)深度(DOI)。一個(gè)多個(gè)間隔的例子在附圖6中示出，其中將兩個(gè)軸向陣列中的接收器設(shè)置為離共用三軸向發(fā)送器310T6和9英寸，和將六個(gè)三軸向陣列中的接收器設(shè)置為離共用三軸向發(fā)送器310T15，21，27，39，54和72英寸。應(yīng)注意這僅為一個(gè)例子。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解可以改變這些間隔以獲得所要求的DOI。此外，可以將發(fā)送器和三軸向及軸向接收器的相對(duì)位置改變。即發(fā)送器不需要位于工具部分(工具體)的頂部，三軸向接收器不需要位于比軸向接收器離發(fā)送器更長(zhǎng)的間隔上。
軸向陣列(短陣列)的較短間隔(6和9英寸)允許這些短陣列測(cè)量鉆孔附近的電阻率，如附圖7中其徑向幾何因素(曲線(xiàn)721，722)所顯而易見(jiàn)的?？梢詫⒔诇y(cè)量用于矯正由長(zhǎng)陣列所造成的測(cè)量中的鉆孔效應(yīng)。此外，可將短陣列測(cè)量用于得出被侵入?yún)^(qū)域的電阻率Rxo。此外，發(fā)送器的橫向線(xiàn)圈和較短陣列接收器的軸向線(xiàn)圈之間的耦合可以提供關(guān)于鉆孔尺寸和鉆孔中工具位置的信息，這對(duì)于矯正鉆孔效應(yīng)非常有用。
設(shè)計(jì)位于更長(zhǎng)間隔的三軸向陣列以在進(jìn)入巖層的不同距離處勘測(cè)，如附圖7所示的徑向幾何因素(曲線(xiàn)731-736)所顯而易見(jiàn)的。在一系列至鉆孔的徑向距離上進(jìn)行三軸向測(cè)量使得在得出侵入和非侵入?yún)^(qū)中的各向異性電阻率成為可能。從而，附圖6所示的感應(yīng)或傳播工具600在無(wú)須考慮侵入和/或各向異性的情況下能夠提供可靠的巖層電阻率測(cè)量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的工具配置包括三個(gè)陣列，其中至少一個(gè)響應(yīng)于由發(fā)送器(例如，傾斜的或三軸向陣列)所生成的磁場(chǎng)的橫向分量。附圖2中示出了一個(gè)例子。附圖6中示出了感應(yīng)或傳播工具600，與附圖2中的工具200比較，包括另外的三軸向陣列。以相似的方式，可以將另外的軸向陣列添加至附圖2中工具200的配置中。附圖8中示出了這樣一個(gè)例子。
附圖8示出了感應(yīng)或傳播工具800，包括電子模塊801和心軸802，在心軸上設(shè)置有天線(xiàn)陣列。還包括保護(hù)性殼體(未示出)以保護(hù)天線(xiàn)陣列。如所示，感應(yīng)或傳播工具800包括7個(gè)軸向陣列和一個(gè)三軸向陣列。即，感應(yīng)或傳播工具800與附圖2中所示的工具200相比，包括5個(gè)另外的軸向陣列。即使侵入半徑在每一層都不同時(shí)另外的軸向陣列也可以提供更全面的測(cè)量以限定侵入?yún)^(qū)域。從而可以將工具800用于測(cè)量具有復(fù)雜侵入剖面的巖層的電特性。
附圖2，6，8中所示的EM感應(yīng)或傳播工具僅僅用于說(shuō)明。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，其他改變也是可能的。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解可以將本發(fā)明的工具用于電纜、測(cè)井-同時(shí)-鉆孔(LWD)或測(cè)量-同時(shí)-鉆孔(MWD)操作。此外，可以將這些工具用于水基泥漿或油基泥漿所鉆的孔中。
在操作中，將發(fā)送器中的每一根天線(xiàn)充能并記錄下每一個(gè)接收器中的響應(yīng)。因此來(lái)自三軸向陣列的測(cè)量值由發(fā)送器天線(xiàn)和接收器天線(xiàn)之間9個(gè)可能的耦合構(gòu)成，從而所獲得的電壓測(cè)量值可以由方程式(1)中的3×3的矩陣表示VxxVxyVxzVyxVyyVyzVzxVzyVzz---(1)]]>如鉆孔中的工具所看出的，該矩陣中的原始電壓測(cè)量值反應(yīng)了巖層的特性。在偏離的鉆孔(即具有相對(duì)傾斜的巖層)中，原始測(cè)量受到相對(duì)傾斜和/或沖擊的影響，其將使得數(shù)據(jù)處理復(fù)雜化。在這種情況下，需要在數(shù)據(jù)分析之前將矩陣旋轉(zhuǎn)至更加方便的坐標(biāo)體系。例如，Omeragic提出的美國(guó)專(zhuān)利6584408公開(kāi)了一種方法，將三軸向系統(tǒng)的發(fā)送器和接受器之間的整組耦合在巖層坐標(biāo)體系和工具坐標(biāo)體系之間變換。該變換簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理且便于水平和垂直導(dǎo)電率和傾斜和沖擊(傾斜-方位角的)角度的測(cè)量值的直接轉(zhuǎn)化。
由軸向接收器接收的來(lái)自充能三軸向發(fā)送器的電壓可以由3元向量表示[VxzVxyVxz](2)可使用正確的巖層模型來(lái)分析(通過(guò)轉(zhuǎn)化)用本發(fā)明的工具所獲得的三軸向和軸向測(cè)量值以得出巖層電子參數(shù)。建模可以使用任何本領(lǐng)域所已知的合適方案。該方案的例子包括Anderson等人在SPWLA第36屆年度測(cè)井探討會(huì)的會(huì)報(bào)上(巴黎，法國(guó)，1995年6月26-29日)的論文D“The Response of InductionTools to Dipping Anisotropic Formations”，Anderson等人在SPWLA第39屆年度測(cè)井研討會(huì)(5月26-29日，1998，Keystone，Co)上提出的論文B“The effectof crossbedding anisotropy on induction tool response”和Davydycheva等人在Geophysics第68卷，第5期(2003年9月-10月)第1525-1536頁(yè)的“An efficientfinite-difference scheme for electromagnetic logging in 3D anisotropic inhomogeneousmedia”中公開(kāi)的方案。
附圖9示出了描述由軸向和三軸向測(cè)量值得出巖層電阻率特性的方法900的流程圖。首先定義巖層模型(如92所示)。這包括選擇正確的巖層模型，在巖層模型中限定層的邊界，和確定一些原始巖層特性估計(jì)值。該過(guò)程可依靠由感應(yīng)法測(cè)井圖所獲得的數(shù)據(jù)，例如三軸向感應(yīng)數(shù)據(jù)(如91所示)，和可從其他測(cè)井圖得到的巖層信息或其他關(guān)于巖層的信息，例如但不限定于，地震數(shù)據(jù)，泥漿測(cè)井或鉆孔數(shù)據(jù)(如93所示)。
通常用于確定巖層電阻率的巖層模型包括1D模型，1D+1D模型，2D模型，和3D模型。附圖10示出了1D模型，其中電阻率隨著離井孔的徑向距離(r)而變化?？商鎿Q的1D模型(未示出)包括作為垂直距離(z)的函數(shù)的電阻率變化。如果巖層電阻率獨(dú)立地同時(shí)在徑向(r)和垂直(z)方向上變化，那么可以將其建模為1D+1D模型(未示出)。如果徑向變化(例如泥漿侵入鋒面)在不同的沉積層是不同的，則可以使用如附圖11所示的2D巖層模型。如果井偏離了，則3D模型可能為必要的(附圖12)。
在建模之前，使用任何本領(lǐng)域已知的方法，可將來(lái)自每一陣列的多個(gè)耦合進(jìn)行鉆孔效應(yīng)、肩頸效應(yīng)、集膚效應(yīng)和垂直分辨率誤配方面的矯正。例如，Minerbo提出的美國(guó)專(zhuān)利6216089B1和Minerbo等人提出的6304086B1中所公開(kāi)的三軸Grimaldi處理方法可以被用于矯正測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中的側(cè)角效應(yīng)和垂直分辨率誤配。該處理方法生成了由Grimaldi間隔所限定的具有勘測(cè)深度RV和Rh的測(cè)井估計(jì)值。在1D徑向巖層模型(附圖10)或1D+1D模型中使用徑向響應(yīng)轉(zhuǎn)化估計(jì)值將生成巖層各向異性真電阻率的估計(jì)值。對(duì)于1D+1D轉(zhuǎn)化不充分的巖層，可以使用23或3D轉(zhuǎn)化。
一旦選擇了基本巖層模型，可以通過(guò)轉(zhuǎn)化測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)估計(jì)巖層參數(shù)。巖層模型典型地被定義為平行層序列。轉(zhuǎn)化的第一步包括估計(jì)層邊界位置?？梢岳?，通過(guò)在所選的測(cè)井組中辨認(rèn)和定位邊界的分段算法來(lái)從測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中檢測(cè)層邊界。可以使用基于使用者定義的侵入標(biāo)記、由任一測(cè)井引發(fā)的簡(jiǎn)單邏輯來(lái)區(qū)別侵入和未侵入層。該任務(wù)的輸出為由被限定的參數(shù)組所描述的巖層模型層邊界，被侵入?yún)^(qū)和原始區(qū)的水平和垂直電阻率，和侵入半徑(參見(jiàn)附圖10-12)。
轉(zhuǎn)化過(guò)程包括最小化成本函數(shù)(或補(bǔ)償函數(shù))C(p)?？梢詫⒊杀?補(bǔ)償)函數(shù)的例子定義為所選擇的測(cè)量值和相應(yīng)的建模測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間的加權(quán)平方差C(p)=Σiai||Mi-fi(p)||2μi2---(3)]]>其中p為未知的參數(shù)向量(電阻率或幾何參數(shù))，Mi為測(cè)量通路，fi為由在前模型所計(jì)算的相應(yīng)理論工具響應(yīng)，μi是測(cè)量值Mi的置信估計(jì)值和ai是使用者所選的加權(quán)。加權(quán)ai，例如可以用于在較差鉆孔環(huán)境或?qū)τ诠ぞ卟焕哪酀{電阻率差別中減少淺陣列測(cè)量值的影響。如果存在的話(huà)，可以將方程(3)的求和用于所有的工具測(cè)量，即由軸向陣列、三軸向陣列、和電極設(shè)備所獲得的測(cè)量值。本轉(zhuǎn)化為迭代過(guò)程，其當(dāng)成本函數(shù)低于收斂性判別標(biāo)準(zhǔn)時(shí)結(jié)束。此外，可以將多個(gè)補(bǔ)償函數(shù)添加至方程3的表達(dá)式中以穩(wěn)定解。這些補(bǔ)償函數(shù)可以具有寬范圍的形式，但是其一般用于補(bǔ)償具有大變化的參數(shù)的巖層或與地質(zhì)優(yōu)選模型差別較大的巖層。
再參考附圖9，一旦確定了巖層模型，在前模型接著計(jì)算工具對(duì)該巖層模型的理論響應(yīng)(步驟94)且將其與實(shí)際測(cè)量值比較(步驟96)。如果兩者之間存在明顯的誤配(即高成本函數(shù))，那么就提煉出巖層特性值(步驟97)以減少差別。重復(fù)這些過(guò)程直到匹配相對(duì)特定收斂性判斷標(biāo)準(zhǔn)變得可接受。如果所計(jì)算的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)匹配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，那么建模結(jié)束且將巖層特性作為巖層測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)輸出(步驟98)。輸出特性可以包括侵入剖面(例如，侵入半徑)，侵入?yún)^(qū)域電阻率(各向同性電阻率，Rxo，或各向異性電阻率，Rxo，v和Rxo，h)，和巖層電阻率(各向同性電阻率，Rt，或各向異性電阻率，RV和Rh)。
上述的建模過(guò)程還可以提供參數(shù)估計(jì)值的質(zhì)量指示器。質(zhì)量控制指示器通?；诔杀竞瘮?shù)的值或單個(gè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的重建錯(cuò)誤。例如可以將質(zhì)量指示器定義為所測(cè)得的值和計(jì)算值之間的差與計(jì)算值的百分比Reci=100×[Mi-fi(p)]fi(p)---(4)]]>
可以將上述的轉(zhuǎn)化和建模應(yīng)用于任何使用根據(jù)本發(fā)明的工具所獲得的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。如附圖9所示的方法900在不考慮巖層傾斜、各向異性或侵入時(shí)通常為可應(yīng)用的。因此，可以在不考慮泥漿侵入或巖層各向異性時(shí)將該方法連同本發(fā)明的工具用于確定巖層電特性。可將該方法作為存儲(chǔ)在感應(yīng)工具的電子模塊上(例如附圖2中的201)或表面計(jì)算機(jī)(例如附圖1中的110)內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)。
本發(fā)明實(shí)施例所呈現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)可包括以下內(nèi)容。本發(fā)明實(shí)施例提供了感應(yīng)工具，可將該感應(yīng)工具用于在不考慮泥漿侵入程度和/或巖層各向異性時(shí)提供充分的測(cè)量值以得出巖層電阻率。由于其多變性，巖層電阻率的精確確定可以在任一地理區(qū)域和任一鉆孔環(huán)境下完成。可將本發(fā)明實(shí)施例用于電纜或MWD/LWD工具。此外，可將本發(fā)明實(shí)施例用于水-基泥漿或油-基泥漿鉆探的鉆井。根據(jù)本發(fā)明的工具同時(shí)包括軸向和三軸向陣列，其具有共用三軸向發(fā)送器。這簡(jiǎn)化了工具配置并改善了制造和操作效率。
雖然已經(jīng)針對(duì)有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是受益于本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解可以在不脫離文中所公開(kāi)的發(fā)明范圍的情況下設(shè)計(jì)其他實(shí)施例。例如，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的感應(yīng)或傳播工具可以包括軸向和三軸向陣列的各種不同組合，而非僅僅所示的例子。此外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的工具可包括感應(yīng)陣列或傳播陣列，相應(yīng)地，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅僅由所附的權(quán)利要求書(shū)限定。
權(quán)利要求
1.測(cè)井工具，包括工具體；簡(jiǎn)單發(fā)送器，包括單根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上；四個(gè)簡(jiǎn)單接收器，每一個(gè)包括單根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上且與簡(jiǎn)單發(fā)送器相間隔以形成四個(gè)陣列；和用于控制四個(gè)陣列工作的電子模塊，其中將簡(jiǎn)單發(fā)送器配置為生成具有橫向分量的磁場(chǎng)，其中四個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的每一個(gè)對(duì)簡(jiǎn)單發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)敏感，且四個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的至少一個(gè)對(duì)簡(jiǎn)單發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)的橫向分量敏感，和其中將四個(gè)陣列配置為在至少3個(gè)勘測(cè)深度提供測(cè)量值。
2.如權(quán)利要求1的測(cè)井工具，其中將簡(jiǎn)單發(fā)送器配置為在約5KHZ至約200KHZ的頻率范圍內(nèi)工作。
3.如權(quán)利要求1的測(cè)井工具，其中電子模塊包括具有用于確定至少一個(gè)巖層參數(shù)的指令的程序。
4.如權(quán)利要求1的測(cè)井工具，進(jìn)一步包括四個(gè)被配置用于減少四個(gè)陣列內(nèi)的相互耦合的屏蔽線(xiàn)圈。
5.如權(quán)利要求4的測(cè)井工具，其中四個(gè)屏蔽線(xiàn)圈中的至少一個(gè)與四個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的至少一個(gè)共同纏繞。
6.如權(quán)利要求1的測(cè)井工具，其中簡(jiǎn)單發(fā)送器包括傾斜天線(xiàn)。7.如權(quán)利要求6的測(cè)井工具，其中四個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的一個(gè)包括沿與簡(jiǎn)單發(fā)送器的傾斜天線(xiàn)的方向非正交的方向定向的傾斜天線(xiàn)。8.測(cè)井工具，包括工具體；發(fā)送器，包含兩根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上，其中將兩根天線(xiàn)設(shè)置為不同的朝向；兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器，每一個(gè)包括單根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上且與發(fā)送器相間隔；第三接收器，包括兩根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上且與發(fā)送器和兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器相間隔；和電子模塊，用于控制由發(fā)送器和兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器和第三接收器所形成的四個(gè)陣列的工作，其中將發(fā)送器內(nèi)兩根天線(xiàn)中的至少一根配置為生成具有橫向分量的磁場(chǎng)，其中第三接收器內(nèi)的兩根天線(xiàn)中的至少一根響應(yīng)于發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)的橫向分量，和其中將四個(gè)陣列配置為在至少3個(gè)勘測(cè)深度提供測(cè)量值。
9.如權(quán)利要求8的測(cè)井工具，其中將發(fā)送器配置為在約5KHZ至約200KHZ的頻率范圍內(nèi)工作。
10.如權(quán)利要求8的測(cè)井工具，其中電子模塊包括具有用于確定至少一個(gè)巖層參數(shù)的指令的程序。
11.如權(quán)利要求8的測(cè)井工具，進(jìn)一步包括四個(gè)屏蔽線(xiàn)圈以減少四個(gè)陣列內(nèi)的相互耦合。
12.如權(quán)利要求11的測(cè)井工具，其中四個(gè)屏蔽線(xiàn)圈中的至少一個(gè)與從兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器以及第三接收器中的兩根天線(xiàn)中選出的至少一根天線(xiàn)共同纏繞。
13.測(cè)井工具，包括工具體；發(fā)送器，包含3根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上，其中將三根天線(xiàn)設(shè)置在3個(gè)不同的方向；兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器，每一個(gè)包含單根天線(xiàn)，設(shè)置在工具體上，其中兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的每一個(gè)與發(fā)送器相間隔。第三接收器，設(shè)置在工具體上且與發(fā)送器和兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器相間隔，其中第三接收器包括沿與發(fā)送器的三根天線(xiàn)的三個(gè)不同方向基本上相同的三個(gè)方向設(shè)置的三根天線(xiàn)；和電子模塊，用于控制發(fā)送器、兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器和第三接收器的工作，其中將由發(fā)送器和兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器和第三接收器所形成的陣列配置為在至少3個(gè)勘測(cè)深度提供測(cè)量值。
14.如權(quán)利要求13的測(cè)井工具，其中將發(fā)送器配置為在約5KHZ至約200KHZ的頻率范圍內(nèi)工作。
15.如權(quán)利要求13的測(cè)井工具，其中電子模塊包括具有用于確定至少一個(gè)巖層參數(shù)的指令的程序。
16.如權(quán)利要求13的測(cè)井工具，進(jìn)一步包括5個(gè)屏蔽線(xiàn)圈，其用于減少兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器和第三接收器內(nèi)的三根天線(xiàn)間的相互耦合。
17.如權(quán)利要求16的測(cè)井工具，其中至少一個(gè)屏蔽線(xiàn)圈與從兩個(gè)簡(jiǎn)單接收器和第三接收器內(nèi)的三根天線(xiàn)中選出的至少一根天線(xiàn)共同纏繞。
18.用于測(cè)井的方法，包括將測(cè)井工具設(shè)置在穿透巖層的鉆孔內(nèi)；獲得多個(gè)巖層電阻率的測(cè)量值，其中多個(gè)測(cè)量值含蓋至少3個(gè)不同的勘測(cè)深度且多個(gè)測(cè)量值中的至少一個(gè)對(duì)巖層各向異性敏感；且基于多個(gè)測(cè)量值確定巖層的電特性。
19.如權(quán)利要求35的方法，其中巖層的電特性包括從被侵入?yún)^(qū)電阻率、未侵入?yún)^(qū)電阻率和巖層各向異性中選擇的一個(gè)。
20.如權(quán)利要求36的方法，其中被侵入?yún)^(qū)電阻率包括水平電阻率和垂直電阻率。
21.如權(quán)利要求36的方法，其中未侵入?yún)^(qū)電阻率包括水平電阻率和垂直電阻率。
22.如權(quán)利要求35的方法，其中多個(gè)測(cè)量值包括至少一個(gè)流電測(cè)量值。
全文摘要
測(cè)井工具包括工具體；包括單根天線(xiàn)的設(shè)置在工具體上的簡(jiǎn)單發(fā)送器；四個(gè)簡(jiǎn)單接收器，每一個(gè)包括，單根天線(xiàn)設(shè)置在工具體上且與簡(jiǎn)單發(fā)送器相間隔以形成四個(gè)陣列；和電子模塊，用于控制四個(gè)陣列的工作，其中將簡(jiǎn)單發(fā)送器配置為生成具有橫向分量的磁場(chǎng)，其中四個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的每一個(gè)對(duì)由簡(jiǎn)單發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)敏感，且四個(gè)簡(jiǎn)單接收器中的至少一個(gè)對(duì)由簡(jiǎn)單發(fā)送器所生成的磁場(chǎng)的橫向分量敏感，且其中將四個(gè)陣列設(shè)置為在至少3個(gè)勘測(cè)深度提供測(cè)量值。
文檔編號(hào)G01V3/28GK1611744SQ200410095939
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2004年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月27日
發(fā)明者T·D·巴伯, S·D·邦納, D·M·霍曼, G·N·米納博, R·A·羅斯塔爾, K·-C·陳 申請(qǐng)人:施盧默格海外有限公司