專利名稱：定向電磁波電阻率裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測井領(lǐng)域。特別是，本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的技術(shù)，其中使用具有天線系統(tǒng)的設(shè)備來進(jìn)行地下地質(zhì)構(gòu)造的電磁測量以及用于相對儲(chǔ)油層中的地質(zhì)邊界來定位井，該天線系統(tǒng)具有橫向或傾斜的磁偶極子表示。本發(fā)明通常應(yīng)用于測井領(lǐng)域，但是在鉆井同時(shí)進(jìn)行測井操作中也很有用。
2.背景技術(shù)在碳?xì)浠衔锾綔y和生產(chǎn)領(lǐng)域中已經(jīng)有多種測井技術(shù)。這些技術(shù)通常使用裝備有發(fā)射源的設(shè)備或工具，該發(fā)射源用于向鉆孔所穿透的地下地質(zhì)構(gòu)造中發(fā)射能量。在上述描述中，“設(shè)備”和“工具”可互換地指示，例如電磁設(shè)備(或工具)，有線工具(或設(shè)備)或鉆井同時(shí)測井工具(或設(shè)備)。所發(fā)射的能量與周圍的地質(zhì)構(gòu)造相互作用，從而產(chǎn)生后面將由一個(gè)或更多傳感器所檢測和測量的信號(hào)。通過處理所檢測到的信號(hào)數(shù)據(jù)，可以獲得地質(zhì)構(gòu)造屬性的分布圖。
電磁(EM)感應(yīng)和傳播測井是公知的技術(shù)。將該測井設(shè)備置于鉆孔中從而測量該鉆孔周圍的陸地地質(zhì)構(gòu)造的電導(dǎo)率(或它的倒數(shù)，即電阻率)。在本發(fā)明說明書中，任何對電導(dǎo)率的描述都包含它的倒數(shù)，電阻率，相反也是。典型的電磁電阻率工具包括一發(fā)射器天線和一個(gè)或更多(通常為一對)接收器天線，所述接收器天線被置于沿工具軸線距離發(fā)射器天線一定距離(見圖1)。
感應(yīng)工具通過測量由流經(jīng)發(fā)射(或發(fā)射器)天線的電流所感應(yīng)出的電磁通量在接收器天線中感應(yīng)出的電壓，來測量地質(zhì)構(gòu)造的電阻率(或電導(dǎo)率)。一EM傳播工具以相似的方式操作，但是其操作頻率比對應(yīng)類似天線間隔的感應(yīng)工具的頻率更高(傳播工具的頻率大約為106Hz，相比之下感應(yīng)工具為大約104Hz)。通常傳播工具可以在1kHz-2MHz的頻率范圍內(nèi)操作。
傳統(tǒng)的發(fā)射器和接收器都是由線圈形成的天線，這些線圈包括圍繞一支撐物的一匝或更多匝絕緣導(dǎo)線。這些天線通常作為信號(hào)源和/或接收器來操作。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解相同的天線可以在某一時(shí)間作為發(fā)射器而在另一時(shí)間作為接收器。很明顯這里所披露的發(fā)射器--接收器的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)互易性原理而互相交換，即“發(fā)射器”可用作“接收器”，反之亦然。
天線工作的原理是承載電流的線圈(例如發(fā)射器線圈)產(chǎn)生磁場。將發(fā)射器天線產(chǎn)生的電磁能量發(fā)射到周圍的地質(zhì)構(gòu)造中，這種發(fā)射將在發(fā)射器周圍的地質(zhì)構(gòu)造中感應(yīng)出渦電流(見圖2A)。地質(zhì)構(gòu)造中感應(yīng)出的渦電流作為地質(zhì)構(gòu)造的電阻率的函數(shù)，可以產(chǎn)生一個(gè)磁場，該磁場又在接收器天線中感應(yīng)出一電壓。如果使用了一對分離的接收器，則由于周圍地質(zhì)構(gòu)造的幾何擴(kuò)散和吸收，在兩個(gè)接收器天線中感應(yīng)到的電壓將具有不同的相位和幅度。這兩個(gè)接收器的相位差(相位位移Φ)和振幅比(衰減，A)可用于導(dǎo)出地質(zhì)構(gòu)造的電阻率。所檢測到的相位位移(Φ)和衰減(A)不僅取決于兩個(gè)接收器之間的間隔以及發(fā)射器與接收器之間的距離，還取決于發(fā)射器所產(chǎn)生的EM波的頻率。
在傳統(tǒng)的感應(yīng)和傳播測井設(shè)備中，發(fā)射器和接收器天線的軸沿該設(shè)備的縱向軸安裝。因此，這些工具都是由具有縱向磁偶極子(LMD)表示的天線來實(shí)現(xiàn)。在測井領(lǐng)域中新興的技術(shù)是使用包括具有傾斜或橫向線圈的天線的設(shè)備，即線圈軸線不與工具的縱向軸平行。這樣，這些設(shè)備是使用具有橫向或傾斜磁偶極子(TMD)天線來實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員很明白還有多種方法來傾斜或弄歪這些天線。裝備有TMD天線的測井設(shè)備在美國專利No.6163155；6147496；5115198；4319191；5508616；5757191；5781436；6044325和6147496中都有描述。
圖2A示出從測井器械中流出的渦流和電磁(EM)能量的簡化后表示，該測井器械置于在垂直于沉積層的方向上穿過地下地質(zhì)構(gòu)造的鉆孔部分或片斷中。但是，這并不是構(gòu)成鉆孔的所有無數(shù)段的精確描述，特別是當(dāng)該鉆孔按照如下方式定向鉆孔時(shí)。因此，如圖2B所示，鉆孔的某一段經(jīng)常按照非90度的另一角度穿透地質(zhì)構(gòu)造層。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，地質(zhì)構(gòu)造平面將具有一相對傾斜角。該相對傾斜角θ被定義為鉆孔軸(工具軸)BA和所關(guān)注的地質(zhì)構(gòu)造層的平面P的法線N之間的角度。
本領(lǐng)域已知的鉆孔技術(shù)包括從地球表面的選定地理位置沿選定的軌跡進(jìn)行鉆孔。該軌跡可以延伸到該井孔內(nèi)特定深度的另一選定地理位置。這些技術(shù)都被歸類為“定向鉆孔”技術(shù)。定向鉆孔的一個(gè)應(yīng)用是在相對較薄的烴層地質(zhì)構(gòu)造(稱為“產(chǎn)油區(qū)”)內(nèi)或沿著該地質(zhì)構(gòu)造在較大的距離上鉆出具有較大偏離(相對于垂直)、甚至水平的井孔。與“垂直”穿透產(chǎn)油區(qū)的“傳統(tǒng)”鉆孔(如圖2A所示，基本垂直于地質(zhì)構(gòu)造層)相比，這些高度偏離的鉆孔可能極大地增加烴從產(chǎn)油區(qū)的泄漏。
在產(chǎn)油區(qū)中進(jìn)行高度偏離或水平鉆孔的過程中，保持鉆孔的軌跡從而使其保持在產(chǎn)油區(qū)的特定位置非常重要。本領(lǐng)域中公知的定向鉆孔系統(tǒng)使用“泥漿馬達(dá)”和“彎接頭”以及其他裝置來控制井孔相對于地標(biāo)的軌跡，這些地標(biāo)例如是磁北、地球重心(垂直)、以及地球的旋轉(zhuǎn)速度(相對于慣性空間)。但是，地質(zhì)構(gòu)造的層并不會(huì)使產(chǎn)油區(qū)位于距離鉆孔的表面位置具有特定地理位置距離的預(yù)定軌跡。通常鉆孔操作者會(huì)使用在鉆孔期間所獲得的信息(例如LWD日志)，將鉆孔的軌跡保持在產(chǎn)油區(qū)內(nèi)，從而事實(shí)上進(jìn)一步驗(yàn)證該鉆孔在產(chǎn)油區(qū)內(nèi)進(jìn)行。
本領(lǐng)域公知的用于保持軌跡的技術(shù)已經(jīng)在例如2001年9月30的石油工程師世界的第71396頁中由Tribe等所著的“利用可控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和LWD測量精確確定井位”中被描述。在該參考文章中描述的技術(shù)基于LWD傳導(dǎo)率感應(yīng)響應(yīng)。作為一個(gè)例子，如果在鉆孔穿透之前已經(jīng)知道產(chǎn)油區(qū)的傳導(dǎo)率，且如果上層和下層區(qū)域的傳導(dǎo)率與產(chǎn)油區(qū)的傳導(dǎo)率具有顯著的不同，則在鉆井的同時(shí)可以使用地質(zhì)構(gòu)造傳導(dǎo)率的測量值作為“控制”鉆孔使其保持在產(chǎn)油區(qū)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。特別是，如果所測量到的傳導(dǎo)率顯著偏離了產(chǎn)油區(qū)的傳導(dǎo)率，則表明鉆孔接近或甚至已經(jīng)穿透了上層或下層地球地質(zhì)構(gòu)造的分界面。作為一個(gè)例子，飽和含油沙的傳導(dǎo)率顯著小于典型的上層和下層頁巖的傳導(dǎo)率。鉆孔附近的傳導(dǎo)率增加可以解釋為表示該鉆孔接近于上層或下層地質(zhì)構(gòu)造層(本例子中的頁巖)。使用地質(zhì)構(gòu)造特性測量值作為軌跡調(diào)節(jié)指導(dǎo)的定向鉆孔技術(shù)通常被稱為“地質(zhì)導(dǎo)向”。
除了EM測量，還可以使用聲音和放射性測量作為地質(zhì)導(dǎo)向的手段。下面再次使用具有上層和下層頁巖的產(chǎn)油區(qū)的例子，產(chǎn)油區(qū)內(nèi)的自然伽馬放射性通常顯著小于產(chǎn)油區(qū)下面和上面的頁巖層的自然伽馬放射性。因此，LWD伽馬射線傳感器測量到的自然伽馬射線放射性的增加表示鉆孔已經(jīng)偏離的產(chǎn)油區(qū)的中心并接近或者甚至穿透了上面或下面的頁巖分界面。
在前面的例子中，如果上層和下層的頁巖地質(zhì)構(gòu)造的傳導(dǎo)性和自然放射性彼此相似，則前面描述的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)僅能指示鉆孔正在偏離產(chǎn)油區(qū)，而不能指示該鉆孔是從產(chǎn)油區(qū)轉(zhuǎn)向該區(qū)域的上部還是該區(qū)域的下部。這就為鉆井操作者提出了難題，該鉆井操作者必須糾正鉆孔軌跡使其在產(chǎn)油區(qū)內(nèi)保持所選定的位置。
EM感應(yīng)測井儀器非常適用于地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊谠撱@孔周圍地質(zhì)構(gòu)造中進(jìn)行調(diào)查的橫向(徑向)深度非常大，特別是與核儀器相比。更深度的徑向調(diào)查可以使感應(yīng)儀器能夠“看到”距離鉆孔軸非常大的橫向(或徑向)距離。在地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用中，較大的調(diào)查的深度可以檢測到距離鉆孔更大橫向距離的所接近地質(zhì)構(gòu)造層邊界，從而可以使鉆孔操作者能夠有更多的時(shí)間來進(jìn)行必要的軌跡糾正。傳統(tǒng)的傳播類型的儀器可以分辨該儀器周圍地質(zhì)構(gòu)造的傳導(dǎo)性的軸向和橫向(徑向)變化，但是這些儀器的響應(yīng)通常不能分辨該儀器周圍的地質(zhì)構(gòu)造的傳導(dǎo)性的方位變化。另外，這種儀器不能感應(yīng)到垂直井中的非均質(zhì)性。
兩個(gè)重要的新興市場使得克服這些缺點(diǎn)變得更為迫切。第一個(gè)新興領(lǐng)域是對精確井位定位的需要增加，這要求定向測量對儲(chǔ)油層中最佳的鉆孔位置進(jìn)行指導(dǎo)性決定。第二個(gè)是在層疊的多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造中的較低電阻率沙層，其中在不知道電阻率的非均質(zhì)性的前提下，不可能進(jìn)行儲(chǔ)烴層的精確識(shí)別和特征化。很多近期的專利都披露了進(jìn)行定向測量并獲得電阻率各向異性的方法和裝置。對于鉆井的同時(shí)測井的申請，Sato等的美國專利No.5508616公開了一種具有兩個(gè)線圈的感應(yīng)類型工具，這些線圈按照不同的方向傾斜，所述方向與工具的軸向方向不一致。該測量的方向性是通過這樣的簡單論點(diǎn)來說明的，即兩個(gè)傾斜線圈的靈敏度函數(shù)將向每個(gè)線圈的靈敏度區(qū)域的重疊區(qū)域集中。通過這種工具的旋轉(zhuǎn)，Sato等聲稱可以得到地質(zhì)構(gòu)造的深度方位角電阻率圖像。但是，該專利參考文件不能對怎樣得到方位角電阻率進(jìn)行詳細(xì)說明，也不能進(jìn)一步描述作出定量地質(zhì)導(dǎo)向決定時(shí)所需的邊界檢測/特征化技術(shù)。
Hagiwara和Song的美國專利No.6181138將Sato等的單獨(dú)固定的定向線圈擴(kuò)展為在發(fā)射器和接收器位置處的協(xié)同定位的三個(gè)一組的正交感應(yīng)線圈。由于可以通過正交線圈響應(yīng)的線性合成，將聚焦方向調(diào)節(jié)為任意方向，因此其中沒有說明需要工具旋轉(zhuǎn)。但是這里不清楚其中是否有一個(gè)屏蔽設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以使所有所需的EM分量通過而不會(huì)使“鉆孔同時(shí)”應(yīng)用中的波形產(chǎn)生嚴(yán)重的且不能控制的失真。
由Clark等申請且已經(jīng)出讓給本發(fā)明受讓人的美國專利No.6297639公開一種利用多種屏蔽設(shè)計(jì)來進(jìn)行定向測量，從而為軸向、傾斜、和橫向天線線圈提供所選擇的EM波能量衰減的方法和裝置。該專利參考文件描述了在對非平凡的測量進(jìn)行鉆孔補(bǔ)償處理的同時(shí)，利用傾斜的線圈和適當(dāng)?shù)钠帘芜M(jìn)行的通常的定向感應(yīng)和傳播測量。Clark等描述了一個(gè)軸向和一個(gè)傾斜發(fā)射器/接收器線圈的組合，以及通過研究在工具旋轉(zhuǎn)時(shí)所感應(yīng)到的信號(hào)的方位角變化來檢測地層界面。該耦合的方位角變化可用于在鉆井時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)。還有更多已經(jīng)授權(quán)的屏蔽專利，包括Rosthal等的美國專利No.6351127和Omeragic等的美國專利No.6566881，它們都已經(jīng)被出讓給本發(fā)明的受讓人。
Bittar的美國專利No.6476609將其較早的美國專利No.6163155中描述的發(fā)射器和接收器都可以具有傾斜角的各向異性專利擴(kuò)展為地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用領(lǐng)域。通過兩個(gè)不同方向上的信號(hào)的差或比值，來描述向上/下傾斜的感應(yīng)和傳播裝置的礦層響應(yīng)，但是其中并沒有提到屏蔽。也沒有各向異性或可觀的傾斜所帶來的后果。而且也沒有描述怎樣使用這些測量值來得到距離地質(zhì)構(gòu)造礦床界面的精確距離。該No.6476609專利中隱含假設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)確的知道礦層走向，從而可以計(jì)算該向上/向下響應(yīng)。但是，并沒有已經(jīng)公開的技術(shù)可以在計(jì)算上-下方向信號(hào)之前來精確的定位該上或下方向。
由Minerbo等提出且已經(jīng)出讓給本發(fā)明受讓人的美國專利申請公開No.2003/0085707公開工具結(jié)構(gòu)和對稱技術(shù)，它可以將方向測量值的響應(yīng)簡化到變得幾乎與各向異性或傾斜角度無關(guān)。對具有不同傾斜角和各向異性的礦床界面距離的響應(yīng)基本上重疊，除非靠近礦床界面。兩個(gè)線圈(一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器“TR”)感應(yīng)形式和三個(gè)線圈(一個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器“TRR”)傳播形式的測量值可以被對稱化，從而實(shí)現(xiàn)這種簡化。這種對稱是在兩個(gè)傾斜且具有相同間隔的TR對之間實(shí)現(xiàn)的，但是發(fā)射器的傾斜角度和接收器的傾斜角度互換。只有當(dāng)發(fā)射器和接收器的磁矩處于同一平面上的情況才會(huì)被考慮。此時(shí)的缺點(diǎn)是不能在變化的同時(shí)總是提供用于地質(zhì)導(dǎo)向所需要的信號(hào)，這是在軌跡上角度增加期間利用泥漿馬達(dá)進(jìn)行定位井的情況。如果工具的磁矩在變化的同時(shí)正好與礦層平行，則產(chǎn)生的上/下方向信號(hào)為0，與距離界面的距離無關(guān)。這樣就可以不監(jiān)視距離界面的距離。
同樣由Omeragic等提出且已經(jīng)出讓給本發(fā)明受讓人的美國專利申請公開No.2003/0200029中公開一種利用鉆孔補(bǔ)償在近似垂直的井中進(jìn)行各向異性判斷的傳播類型定向測量。也可以利用相反的技術(shù)來獲得各向異性地質(zhì)構(gòu)造屬性。Omeragic和Esmersoy提出且已經(jīng)出讓給本發(fā)明受讓人的美國專利申請公開No.2003/0184302也公開了利用定向測量來預(yù)測的技術(shù)。
Itzkovicz等的美國專利申請公開No.2004/0046560A1和2004/0046561A1中公開了與傳統(tǒng)的綜合偶極子XZ響應(yīng)具有相似的定向特征的四極天線、橫向偶極子-四極耦合和感應(yīng)類型測量方法的使用。但是對金屬軸環(huán)以及這種天線的適當(dāng)屏蔽的實(shí)際實(shí)現(xiàn)并不清楚。而且，這種測量方法的鉆孔效應(yīng)以及它與邊界效應(yīng)的相互作用/耦合都與XY類型的測量不同。
上述專利參考文件都沒有公開對測量到的信號(hào)的方位角響應(yīng)的使用或提取這種響應(yīng)的技術(shù)。這些參考文件也沒有教導(dǎo)怎樣使用這些定向測量值來得到用于地質(zhì)導(dǎo)向使用的邊界距離。他們僅提到了所謂的上/下測量，但這在工具朝向或遠(yuǎn)離地質(zhì)構(gòu)造床層之間的測量信號(hào)中存在不同。在鉆井之前通常并不能精確的知道床層傾斜和方位角信息，在進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向所需要的井位定位中這些信息經(jīng)常變化。當(dāng)床層方位角突然變化時(shí)，利用預(yù)先定義的床層上/下方向在最佳下降的測量和最差測量的產(chǎn)生值將導(dǎo)致錯(cuò)誤的地質(zhì)導(dǎo)向判斷。原則上，可以在向下鉆井中采集存儲(chǔ)方位測量值。該技術(shù)有很多缺點(diǎn)，包括很難在地質(zhì)構(gòu)造床層方向上精確的將頂部和低部采集箱排列，以及不能使用(浪費(fèi))不處于上和下采集箱中的數(shù)據(jù)。記錄這些具有足夠精度的方位數(shù)據(jù)所需的很大的內(nèi)存也是一個(gè)問題。
更為重要的是，利用定向測量用于地質(zhì)導(dǎo)向的已有技術(shù)僅能用于指導(dǎo)向上和向下。但還存在很多情況使得井孔需要變動(dòng)方位角以避免離開產(chǎn)油區(qū)。
因此需要一種方法和技術(shù)，從而可以利用在所有方位角度得到的測量值，提取和分析定向測井測量值的方位相關(guān)性，以便使地質(zhì)構(gòu)造特征化并在鉆井期間高精度地指導(dǎo)鉆井。
還需要根據(jù)定向測量值來提供礦層方位角，并產(chǎn)生可用于井的向上/向下定位或水平方位指導(dǎo)的測量值。
還需要提供一種方法從而可以利用實(shí)時(shí)的定向測量值來獲得地層界面距離以及獲得精確的地質(zhì)模型，這樣就可以實(shí)現(xiàn)用于定位井的地質(zhì)導(dǎo)向判斷。
還需要提供一種方法來檢測在近似垂直的井的附近的地質(zhì)構(gòu)造層中是否存在傳導(dǎo)率各向異性。
還需要提供一種有效系統(tǒng)，它可以提供這些定向測量值，在井下分析它們，并將相關(guān)信息發(fā)送到表面以便于在定位井期間執(zhí)行向上/向下或水平的地質(zhì)導(dǎo)向。如果該系統(tǒng)可以在鉆孔滑動(dòng)相位(即鉆桿沒有旋轉(zhuǎn))期間以及當(dāng)系統(tǒng)/工具旋轉(zhuǎn)時(shí)提供距離分界的距離信息，則更為有利。
定義在本說明書中將在特定詞匯第一次使用時(shí)對其進(jìn)行限定，其他特定詞匯將作如下限定“收斂”是指當(dāng)隨著迭代循環(huán)次數(shù)的增加，迭代計(jì)算的值接近所觀察到的值或有限極限時(shí)的情況。
“總計(jì)圖”是指一個(gè)圖表或該種圖標(biāo)的生成，它表示對相同目標(biāo)或樣本進(jìn)行的兩個(gè)不同測量值之間的關(guān)系。
“轉(zhuǎn)換”或“轉(zhuǎn)換”表示從測量到的數(shù)據(jù)(例如測井?dāng)?shù)據(jù))導(dǎo)出一個(gè)模型(也叫做“轉(zhuǎn)換模型”)，它可以描述井下地質(zhì)構(gòu)造并與所測量到的數(shù)據(jù)一致。
“工具表面”是指器械的縱軸的角度取向，且表示工具的殼體(例如鉆套)上所選擇的參考值與鉆孔的重心最上壁或地理北之間的角度。
“對稱”或“對稱的”是指這樣一種結(jié)構(gòu)，其中發(fā)射器-接收器設(shè)備組沿工具的縱軸向相反方向提供，從而可以利用相對于工具軸上的一點(diǎn)或垂直于工具軸的對稱平面的標(biāo)準(zhǔn)對稱操作(即平移、鏡像平面、反轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn))，使這些發(fā)射器-接收器組相互關(guān)聯(lián)。
3.發(fā)明內(nèi)容在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種新穎的快速數(shù)據(jù)處理技術(shù)，從而根據(jù)與地質(zhì)構(gòu)造特征化和地質(zhì)導(dǎo)向使用相關(guān)的定向測量的方位角變化，可以提取出信號(hào)。與傳統(tǒng)成像以及其他人提出的技術(shù)方案中將測井?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到方位角采集箱然后判斷與上和下方向相關(guān)的值不同，本發(fā)明簡化了測井響應(yīng)的物理性。特別是，通過將測量到的電壓值的方位角變化與某些正弦函數(shù)相匹配，可以從地質(zhì)構(gòu)造響應(yīng)中提取出相關(guān)分界、各向異性和裂縫信號(hào)。還可以得到礦層的走向。由于使用了所有方位角方向或角度的數(shù)據(jù)，且沒有根據(jù)特定角度進(jìn)行量化，因此這種快速處理提高了測量值的精確性。這種大規(guī)模處理可以在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中通過整數(shù)計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，這也是實(shí)現(xiàn)中的一種改進(jìn)。
通過按照相關(guān)電壓耦合的方位角相關(guān)性的順序提取出這些相關(guān)電壓耦合，本發(fā)明可以僅利用一個(gè)發(fā)射器和接收器對來計(jì)算傳播類型測量值。本發(fā)明也可對不同方位角方向的不同TR對的測量值進(jìn)行重疊，從而產(chǎn)生具有唯一屬性的其他測量值，例如對稱或不對稱的測量值。
本發(fā)明還提供了一種改進(jìn)的測量順序，以增強(qiáng)對不規(guī)則旋轉(zhuǎn)、諧波面元、甚至粘滑的容忍度。使用快速啟動(dòng)順序，該順序在每個(gè)采集循環(huán)中都是隨機(jī)的以便減少特定旋轉(zhuǎn)速度下的旋轉(zhuǎn)死鎖。
相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種使地下地質(zhì)構(gòu)造特征化的方法，起始步驟為將合適的測井儀器放入鉆孔內(nèi)。該測井儀器至少裝備有彼此間隔第一距離的第一發(fā)射器和接收器天線。第一天線中的至少一個(gè)相對于該儀器的縱軸具有傾斜的磁偶極子。第一天線的方向與測井儀器軸向相同，從而至少一個(gè)傾斜的磁偶極子對應(yīng)于第一方位角度。通過例如包含該儀器的鉆套或鉆桿工具的旋轉(zhuǎn)，該測井儀器可以在井孔內(nèi)進(jìn)行方位角旋轉(zhuǎn)。在測井儀器旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，第一發(fā)射器天線開始向地質(zhì)構(gòu)造發(fā)送電磁能量。而且，在測井儀器旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，利用第一接收器天線可以定向測量與所發(fā)射的電磁能量相關(guān)的一組第一電壓信號(hào)，該第一電壓信號(hào)作為測井儀器的方位角方向的函數(shù)。該定向測量判斷所測量到的第一電壓信號(hào)的方位角變化。這種方位角變化與近似的函數(shù)相匹配。重復(fù)執(zhí)行啟動(dòng)、測量和匹配步驟以執(zhí)行隨后的采集循環(huán)。
在特定的實(shí)施例中，在測量第一電壓信號(hào)的同時(shí)執(zhí)行匹配步驟，當(dāng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了收斂時(shí)停止匹配。最好利用快速傅立葉變換來確定該匹配系數(shù)。
在特定實(shí)施例中，匹配函數(shù)為正弦曲線，通過將第一發(fā)射器天線的磁偶極子的分量和第一接收器天線的方向向量相耦合來定義該正弦曲線。匹配分量的系數(shù)最好是地球地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)至少包括地質(zhì)構(gòu)造床層的電阻率、測井儀器的位置、鉆孔偏差、測井儀器位置處的方位角以及它們的組合。匹配分量的系數(shù)最好包括常數(shù)、sinΦ、cosΦ、sin2Φ、和cos2Φ等，它們可以定義用于確定定向測量值方位角相關(guān)性的迭代匹配算法。
如上所述，本發(fā)明用于將不同發(fā)射器-接收器(“TR”)對的測量值重疊。因此，在特定實(shí)施例中，測井儀器還包括彼此分隔第一距離的第二發(fā)射器天線和接收器天線。該第二發(fā)射器具有一磁偶極子，該磁偶極子的傾角對應(yīng)于第一接收器天線的傾角，第二接收器天線具有一磁偶極子，其傾角對應(yīng)于第一發(fā)射器天線的傾角，這樣第二天線中的至少一個(gè)具有傾斜的磁偶極子。第二發(fā)射器和接收器天線繞測井儀器的軸取向，從而至少一個(gè)傾斜的磁偶極子對應(yīng)于第二方位角。因此，在測井儀器旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，第二發(fā)射器天線向地質(zhì)構(gòu)造中發(fā)射電磁能量，利用第二接收器天線定向測量作為測井儀器的方位角方向函數(shù)且與所發(fā)射的電磁能量相關(guān)的第二組電壓信號(hào)。這些定向測量值可以確定所測量到的第二電壓信號(hào)的方位角變化。與利用所測量到的第一電壓信號(hào)一樣，將所測量到的第二電壓信號(hào)的方位角變化與適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)相匹配。
在特定實(shí)施例中，第二方位角與第一方位角的差別基本為90度?；蛘?，第二方位角基本上等于第一方位角。
在特定實(shí)施例中，匹配函數(shù)為正弦曲線，通過將第一發(fā)射器天線的磁偶極子的分量和第一接收器天線的方向向量相耦合，并通過將第二發(fā)射器天線的磁偶極子的分量和第二接收器天線的方向向量相耦合來定義該正弦曲線。匹配分量的系數(shù)最好是地球地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)例如為地質(zhì)構(gòu)造床層的電阻率、測井儀器的位置、鉆孔偏差、測井儀器位置處的方位角。匹配分量的系數(shù)最好包括常數(shù)、sinΦ、cosΦ、sin2Φ、和cos2Φ等，它們可以定義用于確定定向測量值方位角相關(guān)性的迭代匹配算法。所測量到的第一和第二電壓信號(hào)最好為復(fù)數(shù)電壓信號(hào)。因此，在本實(shí)施例中，所發(fā)明的方法還包括根據(jù)用于測量到的第一和第二電壓信號(hào)的匹配系數(shù)來計(jì)算相位偏移和衰減值，以及將對應(yīng)所測量到的第一和第二電壓信號(hào)而計(jì)算到的相位偏移和衰減值合并從而產(chǎn)生對稱或反對稱的測量值的步驟。可以通過對根據(jù)從在兩個(gè)方位角匹配表達(dá)中獲得的復(fù)數(shù)電壓信號(hào)的比率的對數(shù)來得到相位偏移和衰減值，這兩個(gè)方位角最好為相對確定的床層方位角為0和180度的方位角。
在另一方面中，本發(fā)明還用于表征在定位測量中的噪聲。因此，在第一天線中僅有一個(gè)具有傾斜的磁偶極子的實(shí)施例中，可以利用二次諧波系數(shù)來表征所測量到的第一和第二電壓信號(hào)的噪聲。在第一天線中每一個(gè)都具有傾斜和橫向磁偶極子中的一個(gè)，且匹配系數(shù)包括三次諧波系數(shù)的實(shí)施例中，可以利用三次諧波系數(shù)來表征所測量到的第一和第二電壓信號(hào)的噪聲。在其他情況下，可以通過將第一和第二測量到的電壓信號(hào)合并來表征第一和第二測量到的電壓信號(hào)的噪聲。
本發(fā)明還可用于測井儀器沒有旋轉(zhuǎn)的條件，例如當(dāng)利用泥漿馬達(dá)設(shè)備進(jìn)行定向鉆井時(shí)在鉆井桿旋轉(zhuǎn)停止期間。在這種條件下，第二天線最好相對于第一天線對稱?？梢酝ㄟ^將第一和第二天線耦合合并(如上所述)，并根據(jù)當(dāng)儀器不旋轉(zhuǎn)時(shí)所獲得的測量到的第一和第二電壓信號(hào)來確定該常數(shù)和第一諧波系數(shù)，從而確定所關(guān)注的地質(zhì)構(gòu)造礦層的方位角。然后當(dāng)儀器再次旋轉(zhuǎn)時(shí)，所確定的系數(shù)可用于執(zhí)行匹配步驟。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種利用提取出的定向信號(hào)來獲得分界距離并進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向判斷的方法和系統(tǒng)。該提取出的定向信號(hào)用于利用兩種技術(shù)來提取距離分界的距離。簡單的交會(huì)圖可用于簡單的一個(gè)分界情況或公知的地質(zhì)構(gòu)造電阻率剖面，而轉(zhuǎn)換技術(shù)可用于更為復(fù)雜的情況并用于建立相一致的結(jié)構(gòu)模型。二維交會(huì)圖包含對電阻率敏感的測量和對距離敏感的測量，如果圍巖電阻率已知。或者利用二維交會(huì)圖測量值來得到對應(yīng)公知礦層電阻率的圍巖的距離和電阻率。對于一個(gè)分界情況也可以產(chǎn)生三維交會(huì)圖，其中地質(zhì)構(gòu)造電阻率、圍巖電阻率和距離分界面的距離中的每一個(gè)都可以被產(chǎn)生。轉(zhuǎn)換技術(shù)使用多個(gè)測量值對不同模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并找到最佳匹配。這種轉(zhuǎn)換可以在井下或在地表完成。
圖形用戶接口(GUI)是用于將地質(zhì)構(gòu)造模型以及測量和轉(zhuǎn)換結(jié)果可視化的系統(tǒng)中的一部分。該GUI便于轉(zhuǎn)換參數(shù)的交互定義、測量值和模型的選擇，以便于改進(jìn)說明并產(chǎn)生一致的結(jié)構(gòu)模型。
迭代匹配算法最好包括以下步驟初始化P0和U0；for rm＝1 to NsamplesPm←Pm-1-Pm-1·rm-1T·rm-1·Pm-11+rm-1·Pm-1·rm-1T]]>Um←Um-1-Pm·rm-1T·(ym-1-Um-1T·rm-1T)T;]]>next m；return(U)；
其中Nsamples是在一個(gè)循環(huán)中所獲得的采樣的總數(shù)目，M是近似函數(shù)向量的維(近似函數(shù)的編號(hào))，U是維M的匹配系數(shù)的向量，r是在維M的各測量位置處近似函數(shù)值的向量，和P是MxM維的矩陣。
在一個(gè)實(shí)施例中，迭代匹配算法判斷匹配誤差是否低于預(yù)定閾值，U是否收斂到代表匹配系數(shù)的一個(gè)值。
在一個(gè)實(shí)施例中，迭代匹配算法為整數(shù)實(shí)現(xiàn)。最佳地，當(dāng)測井儀器以相對較高速率旋轉(zhuǎn)且大量數(shù)目的響應(yīng)信道需要匹配時(shí)，使用整數(shù)實(shí)現(xiàn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，匹配系數(shù)用于確定地質(zhì)構(gòu)造礦層的方向。測量到的第一和第二電壓信號(hào)最好為復(fù)數(shù)電壓信號(hào)。根據(jù)下面公式來確定地質(zhì)構(gòu)造礦層相對于對應(yīng)各定向測量信道的方位角參考值的方向
φbed=tan-1[|C1s%(θT,θR)C1c%(θT,θR)|],]]>其中C1s為系數(shù)sinΦ的實(shí)部或虛部，C1c為cosΦ的系數(shù)。可以利用所測量到的電壓信號(hào)的實(shí)部和虛部的匹配系數(shù)的加權(quán)平均值來計(jì)算第一和第二電壓信號(hào)的公共方位角?？梢栽诩僭O(shè)的所感興趣的礦層分界的正交方向上計(jì)算所測量到的電壓信號(hào)的幅度和相位?？梢酝ㄟ^對兩個(gè)方位角度例如Φbed和Φbed+1800進(jìn)行傳播測量來確定相位位移和衰減。最好將對應(yīng)第一和第二電壓測量值的匹配系數(shù)的信號(hào)合并從而產(chǎn)生確定距離感興趣的礦層分界的距離所需的信號(hào)。
本發(fā)明的其他方面涉及利用交會(huì)圖來進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造特征化。一個(gè)方法包括這樣一個(gè)步驟，該步驟通過對從置于與地質(zhì)構(gòu)造層相交叉的鉆孔中的儀器中獲得的兩個(gè)方向的測井測量值繪制交會(huì)圖，得到距離至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造分界的距離以及對應(yīng)至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造礦層的電阻率。該繪制交會(huì)圖可以利用單分界模型來實(shí)現(xiàn)。所獲得的電阻率為圍巖電阻率，所獲得的距離為距離圍巖的最近距離。
其他方法包括這樣一個(gè)步驟，該步驟通過對利用置于與地質(zhì)構(gòu)造層相交叉的鉆孔中的儀器所確定的電阻率和方向測量值繪制交會(huì)圖，得到距離至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造分界的距離以及對應(yīng)至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造礦層的電阻率。該繪制交會(huì)圖可以利用單分界模型來實(shí)現(xiàn)。所獲得的電阻率為圍巖電阻率，所獲得的距離為距離圍巖的最近距離。
另一方法包括這樣一個(gè)步驟，該步驟通過對利用置于與地質(zhì)構(gòu)造層相交叉的鉆孔中的儀器所確定的電阻率和兩個(gè)方向測量值繪制交會(huì)圖，得到距離至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造分界的距離以及對應(yīng)至少兩個(gè)地質(zhì)構(gòu)造礦層的電阻率。該繪制交會(huì)圖可以利用單分界模型來實(shí)現(xiàn)。所獲得的電阻率為礦層電阻率和圍巖電阻率，所獲得的距離為距離圍巖的最近距離。所確定的分界距離和礦層電阻率可用于進(jìn)行鉆孔判斷。
本發(fā)明的另一方面涉及使用轉(zhuǎn)換技術(shù)來解釋用于地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用的定向測量。這里，迭代匹配算法對于在地質(zhì)導(dǎo)向中有用的所選擇的實(shí)時(shí)定向測量非常有用。對該被選擇的實(shí)時(shí)定向測量值選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換模型。一旦驗(yàn)證該被選擇的模型與其他信息一致，則可利用它來進(jìn)行鉆孔判斷。
該模型選擇步驟最好包括運(yùn)行包括以下模型類型的多個(gè)模型同質(zhì)各向同性(單獨(dú)參數(shù)電阻率)；同質(zhì)各向異性(兩個(gè)參數(shù)Rh和Rv)；單分界各向同性地質(zhì)構(gòu)造，分界以上或以下(三個(gè)參數(shù)Rbed，Rshoulder和距離分界的距離)；單分界各向異性地質(zhì)構(gòu)造，分界以上或以下(四個(gè)參數(shù)Rbed_h，Rbed_v，Rshoulder和距離分界的距離)；兩個(gè)分界各向同性地質(zhì)構(gòu)造三個(gè)參數(shù)(五個(gè)參數(shù)Rbed，Rshoulder_up，Rshoulder_down和距離工具以上和以下的分界的距離)；兩個(gè)分界各向異性地質(zhì)構(gòu)造三個(gè)參數(shù)(六個(gè)參數(shù)Rbed_h，Rbed_v，Rshoulder_up，Rshoulder_down和距離工具以上和以下分界的距離)。
該模型選擇步驟最好還包括為被選擇定向測量值產(chǎn)生可視化。
在特定實(shí)施例中，該模型選擇步驟包括識(shí)別已知地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)，迭代地選擇轉(zhuǎn)換被選擇定向測量值的模型，以及選擇匹配已知信息的最簡單的模型。
該模型檢驗(yàn)步驟包括將所選擇的模型與已知的地質(zhì)特征和其他測量到的地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)相比較，如果所選擇到的模型與已知信息不一致，則更新所選擇的模型。
該更新步驟包括根據(jù)趨勢、已有技術(shù)、外部信息中的一個(gè)以及它們的結(jié)合來改進(jìn)該被選擇模型。選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換參數(shù)，并定義所選擇的參數(shù)的范圍。最好通過增加更多的地質(zhì)構(gòu)造礦層來更新該轉(zhuǎn)換模型?？梢詫⒛承?shí)時(shí)定向測量值重新加權(quán)或者將其刪除，所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)定向測量值可以被重新轉(zhuǎn)換為更新模型。
本發(fā)明的交會(huì)圖繪制方法最好包括定義一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，選擇適當(dāng)?shù)亩ㄏ驕y量值，將所選擇的測量值輸入到所定義的模型中從而產(chǎn)生交會(huì)圖，并產(chǎn)生該交會(huì)圖的可視表示?？梢岳闷渌麑?shí)施測量值來更新該交會(huì)圖。
本發(fā)明的另一方面涉及一種用于測量鉆孔周圍地球地質(zhì)構(gòu)造的特征的裝置。該裝置包括一置于鉆孔內(nèi)的測井儀器。該測井儀器具有縱向軸且裝備有第一和第二發(fā)射器-接收器天線對。第一發(fā)射器-接收器天線對包括具有磁偶極子的第一發(fā)射器天線和距離第一發(fā)射器天線為第一距離且具有磁偶極子的第一接收器天線，該第一發(fā)射器天線的磁偶極子的方向相對測井儀器的縱向軸為第一方向，第一接收器天線的磁偶極子的方向?yàn)榈诙较颉５谝缓偷诙较虮舜瞬煌?。第一發(fā)射器和接收器天線的磁偶極子定義了一個(gè)平面，該平面包括測井儀器的縱軸。第二發(fā)射器-接收器天線對包括一第二發(fā)射器天線和一第二接收器天線，該第二發(fā)射器天線具有相對于測井儀器的縱軸為第二方向的磁偶極子，第二接收器天線距離第二發(fā)射器天線為第一距離，且具有第一方向的磁偶極子。第二發(fā)射器和接收器天線的磁偶極子定義了一個(gè)包括測井儀器縱軸的平面。該裝置還包括工具面?zhèn)鞲衅骱鸵豢刂破鳎摴ぞ呙鎮(zhèn)鞲衅饔糜谶B續(xù)的指示測井儀器的方位角方向，該控制器用于控制第一和第二發(fā)射器-接收器天線對，從而選擇性地向地質(zhì)構(gòu)造發(fā)射電磁能量，并測量與該被發(fā)射電磁能量相關(guān)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)作為測井儀器的方位角方向的函數(shù)。
在特定實(shí)施例中，第二發(fā)射器-接收器天線對的方向與關(guān)于測井儀器縱軸的第一發(fā)射器-接收器天線對具有第一方位角度(例如90度)。
在不同實(shí)施例中，測量到的地質(zhì)構(gòu)造特征包括電阻率、和地球地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)信息，例如深度、方位和礦層厚度。
第一和第二方向是可變的，且可以例如與測井儀器的縱軸基本共線或基本與測井儀器的縱軸成45度角。
在特定實(shí)施例中，第一和第二發(fā)射器-接收器天線對與測井儀器位于同樣的物理位置。
在特定實(shí)施例中，發(fā)射器和接收器中的每一個(gè)都具有發(fā)射接收能力。
工具面?zhèn)鞲衅骺梢允褂么帕τ?jì)來指示測井儀器相對于地球磁北的方位角方向，還可以使用重力傳感器來指示測井儀器相對于地球重力向量的方位角方向。
本發(fā)明裝置最好還包括一用于處理在鉆孔中所測量到的電壓信號(hào)的CPU，一用于將測量到的信號(hào)和CPU處理后的結(jié)果從鉆孔發(fā)送到地表的遙測裝置，以及用于對測量到的信號(hào)與其他測量值一起進(jìn)行處理從而產(chǎn)生并顯示一致的地質(zhì)模型的被選擇參數(shù)的地表系統(tǒng)。
4.


為了對本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行更好地理解，可以參照附圖中所示的對實(shí)施例的更為詳細(xì)的描述。但是應(yīng)當(dāng)注意，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例，它們并不對本發(fā)明范圍進(jìn)行限定，因?yàn)楸景l(fā)明還可以允許其他等效實(shí)施例。
圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中感應(yīng)或傳播工具的示意性圖。
圖2A和2B分別示出由沒有穿透地質(zhì)構(gòu)造和穿透地質(zhì)構(gòu)造一定深度的鉆孔中的測井工具所感應(yīng)到的渦流的前視圖。
圖3示出傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井柱的前視圖，其中可以使用本發(fā)明。
圖4示出具有對稱發(fā)射器和接收器天線對的基本定向測量測井工具的示意性表示。
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，具有對任何傾角處的各向異性不敏感的TRR結(jié)構(gòu)的定向測量測井工具的示意性表示。
圖5B示出利用根據(jù)圖5A的測井工具，對應(yīng)三層地質(zhì)構(gòu)造的定向傳播響應(yīng)所作的圖。
圖6示出裝箱技術(shù)和根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的快速匹配技術(shù)之間的圖形比較。
圖7示出表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的匹配技術(shù)產(chǎn)生的目標(biāo)系數(shù)組中的收斂和誤差的圖，該匹配技術(shù)根據(jù)本發(fā)明另一方面的數(shù)字信號(hào)處理器中的整數(shù)算法來實(shí)現(xiàn)。
圖8示出表示傳統(tǒng)電阻率測量和定向測量的交會(huì)圖，對于已知的圍巖電阻率而言，這兩個(gè)測量用于獲得地質(zhì)構(gòu)造礦層的電阻率和距離礦層分界的距離。
圖9示出用于獲得地質(zhì)構(gòu)造礦層的電阻率和逐點(diǎn)分界位置的轉(zhuǎn)換技術(shù)的結(jié)果。
圖10示出用于解釋定向電阻率測量的基于轉(zhuǎn)換技術(shù)的交會(huì)圖。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面來進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向的工作流程圖。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明另一方面，可以確定礦層分界距離并在實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向中提供該距離的工作流程圖。
圖13示出用于顯示基于轉(zhuǎn)換的地質(zhì)構(gòu)造礦層模型的GUI的結(jié)構(gòu)的方塊圖。
圖14示出計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的與圖13中GUI相聯(lián)系的地質(zhì)導(dǎo)向轉(zhuǎn)換的可視化結(jié)果。
5.具體實(shí)施方式
圖3示出傳統(tǒng)的鉆機(jī)和鉆桿，本發(fā)明可應(yīng)用其中以產(chǎn)生良好效果。地基平臺(tái)和井架設(shè)備10位于鉆孔11之上，該鉆孔穿透地下地質(zhì)構(gòu)造F。在所示實(shí)施例中，通過公知的方式利用旋轉(zhuǎn)鉆孔的方式形成鉆孔11。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道，本發(fā)明也可以用于定向鉆井應(yīng)用和旋轉(zhuǎn)鉆井中，而且并不局限于地基鉆機(jī)。
鉆桿12位于鉆孔11內(nèi)，且在其最低端包括鉆頭15。該鉆桿12由鉆臺(tái)16旋轉(zhuǎn)，并由未示出的裝置來激勵(lì)，該裝置與鉆桿上端的傳動(dòng)鉆桿17接合。鉆桿12從與移動(dòng)塊(未示出)連接的鉤子18開始，通過傳動(dòng)鉆桿17以及旋轉(zhuǎn)接頭19懸掛下來，該旋轉(zhuǎn)接頭19可以允許鉆桿相對于鉤子旋轉(zhuǎn)。
鉆探液體或泥漿26儲(chǔ)存在鉆井位置附近形成的深坑27中。一個(gè)泵29將鉆探液體26經(jīng)過旋轉(zhuǎn)接頭19的一部分運(yùn)送到鉆桿12的內(nèi)部，將鉆探液體引導(dǎo)經(jīng)過鉆桿12沿方向箭頭9所示的方向向下流動(dòng)。該鉆探液體通過鉆頭15中的部分流出鉆桿12，然后在方向箭頭32的指示下，經(jīng)過鉆桿外側(cè)和鉆孔壁之間的稱為環(huán)面的區(qū)域向上循環(huán)。這樣，鉆探液體就可以潤滑鉆頭15，并將地質(zhì)構(gòu)造碎屑運(yùn)到地表，使其返回到深坑27中進(jìn)行再次循環(huán)。
鉆桿12還包括位于鉆頭15附近的底孔構(gòu)件(換句話說，在距離鉆頭幾個(gè)鉆套長度內(nèi))，通常表示為34。該底孔構(gòu)件包括測量、處理和存儲(chǔ)信息以及與地表進(jìn)行通信的能力。底孔構(gòu)件34包括一測量和局部通信裝置36，用于確定和通知該鉆井11周圍的地質(zhì)構(gòu)造F的電阻率。通信裝置36還可作為電阻率工具，包括第一發(fā)射/接收天線對T，R以及第二發(fā)射/接收天線對T’，R’。第二天線對T’，R’相對于第一天線對T，R對稱，這將在下面詳細(xì)說明。電阻率工具36還包括一控制器，用于根據(jù)本領(lǐng)域公知技術(shù)控制數(shù)據(jù)的獲取。
BHA34還包括位于鉆套38、39內(nèi)的儀器，用于執(zhí)行多種其他的測量功能，例如對自然輻射、密度(伽馬射線或中子)以及地質(zhì)構(gòu)造F的孔隙壓力的測量。如本領(lǐng)域公知，至少一些鉆套裝備有穩(wěn)定器37。
地表/局部通信部件40也可以包括在BHA34中，就在鉆套39上。該部件40包括用于與電阻率工具36進(jìn)行局部通信的環(huán)形天線42(雖然也可以使用其他公知的通信裝置)以及公知類型的聲學(xué)遙測系統(tǒng)，該聲學(xué)遙測系統(tǒng)可以通過鉆探液體或泥漿中攜帶的信號(hào)與地表的相似系統(tǒng)(未示出)進(jìn)行通信。因此，該部件40中的聲學(xué)遙測系統(tǒng)包括可以在鉆探液體中產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)(也稱為“泥漿脈沖”)的聲音發(fā)射器，該聲學(xué)信號(hào)代表測量到的井下參數(shù)。
通過幅圖標(biāo)記為31的地表傳感器來接收到產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)。該傳感器例如壓電傳感器可以將接收到的聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。傳感器31的輸出與井上接收子系統(tǒng)90耦合，該子系統(tǒng)90可以解調(diào)所發(fā)射的信號(hào)。接收子系統(tǒng)90的輸出與計(jì)算機(jī)處理器85和記錄器45耦合。該處理器85可用于在測井的同時(shí)實(shí)時(shí)地或者隨后通過訪問記錄器45中存儲(chǔ)的記錄數(shù)據(jù)來確定地質(zhì)構(gòu)造電阻率情況(除了其他事以外)。計(jì)算機(jī)處理器與監(jiān)視器92耦合，該監(jiān)視器92使用圖形用戶接口(“GUI”)，所測量到的井下參數(shù)和從中得到的特定結(jié)果(例如電阻率情況)通過該GUI以圖形形式提供給用戶。
井上發(fā)射系統(tǒng)95也可以從用戶處接收到輸入命令(例如通過監(jiān)視器92中的GUI)，并且可以選擇性地中斷泵29的操作，部件40中的傳感器99可以檢測到這種方式。這樣，部件40和井上設(shè)備之間就有兩種通信方式。在美國專利No.5235285和5517464中對適當(dāng)?shù)牟考?0進(jìn)行了很詳細(xì)的描述，這兩個(gè)專利已經(jīng)出讓給本發(fā)明的受讓人。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道其他聲學(xué)技術(shù)以及其他遙感監(jiān)測裝置(例如，電動(dòng)機(jī)械、電磁)都可以用于與地面通信。
定向測量的方位角相關(guān)性和新的傳播類型等效物使用了兩種類型的線圈天線來構(gòu)成對方向靈敏度的測量。一種類型通過使天線例如與測井工具的縱軸中心偏離或者局部覆蓋來實(shí)現(xiàn)方向靈敏度。也可以利用這樣的天線結(jié)構(gòu)，即天線的磁矩不與具有天線的工具的縱軸平行，來實(shí)現(xiàn)定向測量。本發(fā)明涉及第二種類型的方向靈敏天線。
圖4示意性地示出了用于定向電磁(EM)波測量的基本電阻率工具36。該工具36包括一發(fā)射器天線T和一接收器天線R，該發(fā)射器天線T發(fā)射具有某一頻率f的EM波，接收器天線R與發(fā)射器天線R的距離為L。還示出了根據(jù)美國專利申請公開No.20003/0085707(“Minerbo等”)提出的對稱對(T’和R’)，該美國專利申請公開并已出讓給本發(fā)明受讓人。為了清楚和簡便起見，下面的描述主要局限于發(fā)射器天線T和接收器天線R，雖然通常也可用于對稱天線對T’和R’。應(yīng)當(dāng)注意雖然在圖4中，兩個(gè)對稱對的傾斜磁矩在同一平面內(nèi)，但是本發(fā)明中并不需要這樣。在下面的說明中將會(huì)清楚，如果在對稱操作中使用了提取出的系數(shù)或定向相位位移或衰減，則磁矩處于不同平面內(nèi)的兩對天線所發(fā)出的信號(hào)仍然可以彼此相加從而實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。
在操作中，接收器天線R將記錄發(fā)射器天線T發(fā)出的EM波所感應(yīng)出的電壓VRT，以及由包含測井工具36且被鉆孔穿透的地質(zhì)構(gòu)造中所產(chǎn)生的第二電流。天線T和R都固定在工具36上，因此與工具一起旋轉(zhuǎn)?？梢约僭O(shè)天線方向?yàn)閷τ诎l(fā)射器天線T形成角度θT，對于接收器天線R形成角度θR。隨著工具旋轉(zhuǎn)，耦合電壓的方位角變化也可表示為磁偶極子的Cartesian分量的偶和VRT(φ)=[VzzcosθTcosθR+12(Vxx+Vyy)sinθTsinθR]]]>+[VzzsinθTcosθR+VzxcosθTsinθR]cosφ+[VyzsinθTcosθR+VzycosθTsinθR]sinφ---(1.1)]]>+[12(Vyx+Vxy)sinθTsinθR]sin2φ+[12(Vxx-Vyy)sinθTsinθR]cos2φ]]>=C0(θT,θR)+C1c(θT,θR)cosφ+C1s(θT,θR)sinφ+C2c(θT,θR)cosφ+C2s(θT,θR)sin2φ]]>其中已經(jīng)定義了一組復(fù)數(shù)系數(shù)C0，C1c，C1s，C2c，C2s來表示所測量到的地質(zhì)構(gòu)造響應(yīng)的不同成分的幅度。該復(fù)數(shù)系數(shù)被定義為C0(θT,θR)≡[VzzcosθTcosθR+12(Vxx+Vyy)sinθTsinθR]]]>C1c(θT,θR)≡[VxzsinθTcosθR+VzxcosθTsinθR]---(1.2)]]>C1s(θT,θR)≡[VyzsinθTcosθR+VzycosθTsinθR]]]>C2c(θT,θR)≡[12(Vxx-Vyy)sinθTsinθR]]]>C2s(θT,θR)≡[12(Vyx+Vxy)sinθTsinθR]]]>根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到這些系數(shù)都是工具位置處地質(zhì)構(gòu)造電阻率、鉆孔偏離以及方位角度的函數(shù)。
通過對稱操作，即 ，可以將公式(1.1)簡化為
V%(φ)≡VRT(φ,θT,θR)-VRT(φ,θR,θT)=]]>2[Vxz-Vzx]sin(θT-θR)cosφ+2[Vyz-Vzy]sin(θT-θR)sinφ---(1.3)]]>≡C1c%(θT,θR)cosφ+C1s%(θT,θR)sinφ]]>所有的二次諧波(C2c，C2s)在相減后都消失，因?yàn)樗麄兿鄬τ诎l(fā)射器和接收器傾角的交換對稱。這樣，反對稱就會(huì)簡化反對稱后信號(hào)的方位角變化。
在這個(gè)階段，方位角的參考點(diǎn)是任意的。對于設(shè)計(jì)幾何學(xué)來說，如果我們選擇角度Φ參考點(diǎn)為礦層平面的法線方向，則通過對稱，Vyz＝Vzy＝0且V％(Φ)將具有純cosΦ相關(guān)性。在實(shí)際應(yīng)用中，礦層的方向是未知的。但是，舉出任何參考，都可以通過下面公式來計(jì)算礦層的方向φbed=tan-1[C1s%(θT,θR)C1c%(θT,θR)]=tan-1[|Vyz-VzyVxz-Vzx|---(1.4)]]>其中旋轉(zhuǎn)Φbed， 與礦層垂直，因此除了倍增常數(shù)2sin(θT-θR)以外，V％(Φ)正好為[Vxz-Vzx]。
一旦各發(fā)射器線圈導(dǎo)致的各接收器線圈的電壓被確定，就可以確定總的測量值在一個(gè)感應(yīng)工具情況下通過將電壓相加；或者在一個(gè)傳播工具的情況下通過得到電壓的復(fù)數(shù)比。例如，對于圖4所示的傳播測井設(shè)備，可以通過對復(fù)數(shù)電壓的實(shí)部和虛部平方和取均方根(公式1.1)，來獲得各接收器處的電壓絕對值，絕對值的比率提供了衰減，根據(jù)這些可以獲得由衰減決定的電阻率Rad(接收器周圍相對較深深度處地質(zhì)構(gòu)造的電阻率)。從復(fù)數(shù)電壓的虛部和實(shí)部的比率的反正切可以得到各接收器的相位，相位位移為兩個(gè)接收器相位之間的差。然后可以獲得該相位位移決定的電阻率Rps(接收器周圍較淺深度的地質(zhì)構(gòu)造的電阻率)。
對于傳播類型的測量值，可以取兩個(gè)測量值之間的電壓的對數(shù)差(或比率)。在Minerbo等的教導(dǎo)下，我們可以取電壓響應(yīng)最大時(shí)計(jì)算得到的方位角響應(yīng)的幅度，即角度Φ和角度(Φ+180)處的相位位移差和測量衰減。這將從公式(1.1-2)得到
VRT(φ)VRT(180+φ)=C0(θT,θR)+C1c(θT,θR)cosφ+C1s(θT,θR)sinφ+C2c(θT,θR)cos2φ+C2s(θT,θR)sin2φC0(θT,θR)-C1c(θT,θR)cosφ-C1s(θT,θR)sinφ+C2c(θT,θR)cos2φ+C2s(θT,θR)sin2φ]]>≅1+2C0(θT,θR)+C1c(θT,θR)cosφ+C1s(θT,θR)sinφC0(θT,θR)+C2c(θT,θR)cos2φ+C2s(θT,θR)sin2φ---(1.5)]]>≅1+2[VxzsinθTcosθR+VzxcosθTsinθR]cosφ+[VyzsinθTcosθR+VzycosθTsinθR]sinφVzzcosθTcosθR+12[Vxx+Vyy]sinθTsinθR+12[[Vyx+Vxy]sinθTsinθRsin2φ+12[[Vxx-Vyy]sinθTsinθRcos2φ]]>如果選擇x為礦層的法線方向，則在Φ＝0時(shí)可以得到|V|的最大值。在角度Φ＝0時(shí)計(jì)算，公式(1.5)可以得到VRT(0)VRT(180)≅1+2C0(θT,θR)+C1c(θT,θR)C0(θT,θR)+C2c(θT,θR)]]>≅1+2[VxzsinθTcosθR+VzxcosθTsinθR]VzzcosθTcosθR+VxxsinθTsinθR---(1.6)]]>但是，這仍然不是所需要的純xz-zx類型的響應(yīng)，即它仍然對礦層各向異性和傾角不敏感。
本發(fā)明涉及定向測量，它在很廣的傾角范圍和很大的頻率范圍內(nèi)對地質(zhì)構(gòu)造的各向異性不敏感。如上所述，本發(fā)明的特定實(shí)施例基于反對稱的天線結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)?，F(xiàn)在利用如Minerbo等已經(jīng)描述的對稱過程 ，可以得到VRT(0,θT,θR)VRT(180,θT,θR)-VRT(180,θR,θT)VRT(0,θR,θT)≅1+2[Vxz-Vzx]sin(θT-θR)VzzcosθTcosθR+VxxsinθTsinθR---(1.7)]]>這又與感應(yīng)類型的響應(yīng)相似，雖然分母仍然為不是簡單的[xz-zx]的一些分量。這證明對于傳播類型的測量來說，對稱過程可以產(chǎn)生與對稱后感應(yīng)類型相似的響應(yīng)，但仍然不是純的類型。而且在方位角響應(yīng)的兩個(gè)任意方向上，都可以實(shí)現(xiàn)傳播測量。
該分析的最終響應(yīng)包含不同類型耦合產(chǎn)生的分量，根據(jù)傳統(tǒng)測井技術(shù)，該響應(yīng)開始看起來并不需要。但是，該響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)一進(jìn)行傳播測量的改進(jìn)方法，它簡單且更接近感應(yīng)類型。通過觀察不同類型的耦合可以自然分離不同類型的方位角相關(guān)性，從而可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的定向測量。注意我們可以使用C0，C1c，C1s來更清楚地進(jìn)行定向測量。
通過公式(1.4)可以假設(shè)確定的礦層方向Φbed，這樣所有的角度Φ以及 都可以通過這個(gè)方向來定位。在這種情況下，公式(1.1)可以簡化為VRT(φ)=[VzzcosθTcosθR+12(Vxx+Vyy)sinθTsinθR]]]>+[VxzsinθTcosR+VzxcosθTsinθR]cosφ]]>+[12(Vxx-Vyy)sinθTsinθR]cos2φ---(1.8)]]>≡C‾0(θT,θR)+C‾1c(θT,θR)cosφ+C‾2c(θT,θR)cos2φ]]>然后，可以通過下面公式來簡單定義傳播測量C‾0(θT,θR)+C‾1c(θT,θR)C‾0(θT,θR)-C‾1c(θT,θR)---(1.9)]]>和C‾0(θT,θR)+C‾2c(θT,θR)C‾0(θT,θR)-C‾2c(θT,θR)]]>現(xiàn)在利用對稱，可以獲得第一表達(dá)式C‾0(θT,θR)+C‾1c(θ1c(θT,θR)C‾0(θT,θR)-C‾1c(θT,θR)·C‾0(θR,θT)+C‾1c(θR,θT)C‾0(θR,θT)-C‾1c(θR,θT)]]>≅1+2[Vxz-Vzx]sin(θT-θR)VzzcosθTcosθR+12[Vxx+Vyy]sinθTsinθR---(1.10)]]>該公式(1.10)與公式(1.7)僅有一些不同。
因此，對于兩個(gè)線圈(TR)測量的感應(yīng)和傳播類型來說，應(yīng)當(dāng)根據(jù)電壓VRT(Φ)電平來執(zhí)行對不同分量的分析。這樣會(huì)產(chǎn)生精確的sinΦ、cosΦ、sin2Φ和cos2Φ，它們都可以通過下面描述的新穎處理算法被提取出來。
這里需要再次注意的是在當(dāng)θT＝0或θR＝0時(shí)的特定情況下，sin2Φ和cos2Φ項(xiàng)都變?yōu)榱?。電壓相關(guān)性僅簡單地基于sinΦ和cosΦ項(xiàng)。
相位位移和衰減的傳播類型測量的一個(gè)重要方面是它很適于“鉆孔的同時(shí)”進(jìn)行的測量，對于它來說，在井下條件下很難實(shí)現(xiàn)熱電子漂移的詳細(xì)特征化。這里定義的定向相位位移和衰減測量都具有傳統(tǒng)的鉆孔補(bǔ)償?shù)膫鞑ル娮杪使ぞ叩膬?yōu)點(diǎn)發(fā)射器和接收器天線特征以及接收器電子的漂移都不影響測量。
還應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明中利用提取出的系數(shù)來實(shí)現(xiàn)對稱處理，該系數(shù)可以獨(dú)立于兩個(gè)TR對的實(shí)際相對方位角來處理。如果TR對方向繞工具軸額外物理旋轉(zhuǎn)了角度Φ0，則除了將Φ替換為Φ+Φ0以外，可以利用相同的表達(dá)式來描述該響應(yīng)。這對實(shí)際線圈結(jié)構(gòu)有很重要的含義。通過利用兩對TR測量值，而不是利用不同的方位角方向，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)期間的對稱處理，就像兩個(gè)對處于同一平面一樣。但是，當(dāng)工具滑動(dòng)時(shí)，可以通過簡單地假設(shè)工具的方位角和礦層在工具仍然旋轉(zhuǎn)時(shí)相比沒有變化，來使用兩個(gè)方向上測量到的信號(hào)構(gòu)成所需的定向測量值。這樣，我們就可以使用公式1.3來獲得構(gòu)成傳播測量值所需的幅度C1c和C1s。
這些分析可以直接擴(kuò)展到傳統(tǒng)的TRR類型的測量值，如Minerbo等中所述那樣。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易知道這個(gè)過程實(shí)質(zhì)上產(chǎn)生了與上述相同的響應(yīng)，只是當(dāng)接收器對之間的間隔遠(yuǎn)小于TR間隔時(shí)，信號(hào)加倍。這兩個(gè)接收器輸出的定向信號(hào)簡單地相加。
圖5A示出在任何傾斜角度都對各向異性不敏感的TRR結(jié)構(gòu)，圖5B示出根據(jù)該結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。啟動(dòng)發(fā)射器天線T1并測量接收天線R11、R12的相位位移和衰減。然后，啟動(dòng)發(fā)射器天線T2并測量接收器天線R21、R22的相位位移和衰減。工具數(shù)據(jù)對應(yīng)于這兩組測量值之間的差。由于在均勻介質(zhì)中任何角度和任何各向異性下，各測量值都相同，因此在任何深度下均勻介質(zhì)中的工具數(shù)據(jù)都為零。
圖5B中示出了三層各向異性地質(zhì)構(gòu)造中的測量響應(yīng)。在遠(yuǎn)離分界的任何深度下工具數(shù)據(jù)都為零，在靠近分界的時(shí)候?qū)Ω飨虍愋詭缀醪幻舾?。如果發(fā)射器和接收器位置互換時(shí)傳播響應(yīng)不對稱，則將導(dǎo)致對響應(yīng)進(jìn)行分割。向上/向下測量僅包含定向信息，即使接近于分界也一樣。應(yīng)當(dāng)發(fā)現(xiàn)與理想的XZ-ZX感應(yīng)測量(上面所述)相似，如果所有的天線處于同一介質(zhì)中則對于不同深度的衰減響應(yīng)將實(shí)際上重疊。雖然響應(yīng)為導(dǎo)電層中的兩倍值(1S/m)，但是相位位移測量值也相互重疊。
根據(jù)方位角相關(guān)性來提取信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)算法從上面的分析中很明顯可以看出提取定向測量值的最好方法就是分析電壓信號(hào)并提取相關(guān)的測量值，然后根據(jù)對稱化結(jié)果將它們合成以用于最終的地質(zhì)導(dǎo)向目的。傳統(tǒng)上處理方位角數(shù)據(jù)的方法是將它們存儲(chǔ)在具有相等方位間隔的小箱中(見圖6的左半部分)，就像利用電阻率或密度鉆孔圖像所作的一樣。然后，通過定位最大和最小來識(shí)別上面和下面的采集箱。但是，該技術(shù)的缺點(diǎn)在于1.裝箱降低了測量的角度分辨率；2.裝箱導(dǎo)致數(shù)據(jù)浪費(fèi)，原因是上面和下面采集箱以外的數(shù)據(jù)中沒有用于對距離分界的距離進(jìn)行計(jì)算；3.在卡住或滑動(dòng)發(fā)生時(shí)，裝箱并不均勻，因此上面和下面采集箱可能是空的或具有很少的采樣，這樣會(huì)在上/下測量中引起誤差并在最糟的情況下可能產(chǎn)生峰值的錯(cuò)誤識(shí)別；4.裝箱占用大量的內(nèi)存。
本發(fā)明的一個(gè)方面主要涉及確定sinΦ、cosΦ、sin2Φ和cos2Φ項(xiàng)的系數(shù)，本發(fā)明定義了一種新的算法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的裝箱。這種新的技術(shù)采用迭代方式，根據(jù)定向測量值的相關(guān)sin和cos項(xiàng)的提取值對方位角響應(yīng)進(jìn)行“快速”匹配(見圖9中標(biāo)繪出的點(diǎn))。這種匹配算法是在DSP中利用整數(shù)算法實(shí)現(xiàn)的，因此它的執(zhí)行非?？?，可以在4ms的采樣時(shí)間內(nèi)對所有的信道執(zhí)行。對方位角信息的精確使用和對捕獲序列的隨機(jī)化使得算法可以適應(yīng)不規(guī)則的工具旋轉(zhuǎn)以及在粗糙的鉆井條件下的停滯和滑動(dòng)。這樣，所有的數(shù)據(jù)都可用于獲得上/下信號(hào)，而不僅是兩個(gè)采集箱中的數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)了測量中的信噪比。對精確方位角的使用還使得所確定的礦層方向更為精確。
下面詳細(xì)說明該算法。
浮點(diǎn)運(yùn)算從矩陣P0和向量U0的初始化開始，然后利用測量值y(Φi)和基礎(chǔ)r＝(1cosΦisinΦicos2Φisin2Φi)T執(zhí)行下面的算法(同樣在圖6的右半部分示出)，其中P為MxM維的矩陣且U和r是維M的向量。M是基礎(chǔ)函數(shù)的維。在迭代N次之后，U收斂到表示該表達(dá)式系數(shù)的一個(gè)值。該算法非常穩(wěn)定，通常在10-15次跌代后可實(shí)現(xiàn)收斂。
詳細(xì)的算法如下所述初始化P0和向量U0；for rm＝1 to NsamplesPm←Pm-1-Pm-1·rm-1T·rm-1·Pm-11+rm-1·Pm-1·rm-1T]]>Um←Um-1-Pm·rm-1T·(ym-1-Um-1T·rm-1T)T;]]>next m；return(U)；
其中Nsamples是在一個(gè)循環(huán)中所獲得的采樣的總數(shù)目，M是近似函數(shù)向量的維(近似函數(shù)的編號(hào))，U是維M的匹配系數(shù)的向量，r是在維M的各測量位置處近似函數(shù)值的向量，和P是MxM維的矩陣。
DSP中的整數(shù)算法在很多情況下，由于有成百個(gè)信道需要匹配且為了在高速旋轉(zhuǎn)下使得角度精確，對應(yīng)各方位角的數(shù)據(jù)獲取需要很短時(shí)間(ms)完成，因此對于井下CPU來說浮點(diǎn)運(yùn)算太過浪費(fèi)。在這種情況下，可以通過某些修改提供整數(shù)運(yùn)算以提高精度(例如使用32位乘法)，改變比例以避免溢出，從而加快收斂。該基本函數(shù)的值也可被預(yù)先產(chǎn)生并存儲(chǔ)在內(nèi)存中，從而可以以后結(jié)合它來獲得對應(yīng)真實(shí)角度Φi的值?？偟膩碚f該整數(shù)算法為●根據(jù)利用32位整數(shù)中間變量的16位整數(shù)數(shù)據(jù)表示；●效率更高但精度稍差；●適用于提高精度和收斂速度縮放、初始化和重新初始化；●適合用于DSP環(huán)境除法和四舍五入。
圖7中示出了算法的整數(shù)版本的收斂流。應(yīng)當(dāng)注意匹配相當(dāng)精確且誤差通常小于1％。匹配中非常重要的一點(diǎn)是幾乎所有的數(shù)據(jù)都用于得到系數(shù)(定向測量信號(hào))，從而顯著地提高了信噪比。例如，如果使用了32個(gè)采集箱，然后如果執(zhí)行了上/下裝箱，則僅使用了數(shù)據(jù)的1/16。相反使用快速匹配，將幾乎所有的數(shù)據(jù)都考慮在內(nèi)(除了初始收斂部分)。
由于在匹配技術(shù)中僅提取了相關(guān)信號(hào)(如上所述)，因此僅需要存儲(chǔ)有用的系數(shù)。因此，在這種情況下，與利用32個(gè)采集箱來存儲(chǔ)所有的數(shù)據(jù)相比，僅需要存儲(chǔ)5個(gè)系數(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道本發(fā)明技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于包括提取出信號(hào)的精度和對方位角的精度的特定改進(jìn)。
在另一方面中，本發(fā)明提供了定向測量中的噪聲表征。因此，在第一天線對(TR)中僅有一個(gè)具有傾斜磁偶極子的實(shí)施例中，可以利用二次諧波系數(shù)來表征所測量到的電壓信號(hào)的噪聲。在第一天線中的每一個(gè)都具有傾斜或橫向磁偶極子的實(shí)施例中，匹配系數(shù)包括三次諧波系數(shù)，可以利用三次諧波系數(shù)來表征所測量到的電壓信號(hào)的噪聲。在其他情況下，可以通過合并這些信號(hào)來表征所測量到的電壓信號(hào)的噪聲。
本發(fā)明還可適用于測量儀器不旋轉(zhuǎn)的條件，例如當(dāng)利用泥漿電機(jī)設(shè)備定向鉆孔時(shí)鉆桿旋轉(zhuǎn)停止期間。在這種條件下，第二天線對(T’，R’)最好相對于第一天線對對稱。通過將這些天線耦合合并(如上所述)，并根據(jù)當(dāng)儀器不旋轉(zhuǎn)時(shí)所獲得的測量到的電壓信號(hào)來確定常數(shù)和一次諧波系數(shù)，從而確定感興趣的地質(zhì)構(gòu)造礦層的方位。然后當(dāng)測井儀器再次旋轉(zhuǎn)時(shí)，所確定的系數(shù)可用于執(zhí)行迭代匹配。
用于地質(zhì)導(dǎo)向的邊界距離根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以使用確定的系數(shù)來獲得地質(zhì)構(gòu)造礦層的方向。對于定向測量的各信道來說，可以通過公式1.4來確定礦層的方向。還應(yīng)當(dāng)注意由于該方向?qū)τ谒械男诺纴碚f都是一樣的，因此還可以使用很多信道的平均值來增加精度，其中根據(jù)包括測量值的各信道的相對信號(hào)強(qiáng)度的函數(shù)進(jìn)行加權(quán)。然后可以計(jì)算出礦層法線方向上電壓信號(hào)VRT(Φbed)的幅度和相位。
利用公式1.10可以計(jì)算出定向相位位移和衰減。然后執(zhí)行對稱從而產(chǎn)生找到距離分界的距離所需的最終信號(hào)。但是應(yīng)當(dāng)明白可以隨著相似或相同的響應(yīng)改變這些步驟的順序。
為了實(shí)時(shí)地獲得分界距離，可以使用兩個(gè)技術(shù)。對于簡單的模型(僅有一個(gè)分界)，兩個(gè)方向的測量值交會(huì)圖可以使我們同時(shí)得到距離分界的距離和一個(gè)礦層的地質(zhì)構(gòu)造電阻率。在圖8中示出典型的圖表，使用84英寸、100kHz的衰減的響應(yīng)對應(yīng)28英寸、2MHz的相位位移電阻率(圍巖電阻率為Rh＝0.8Ωm，Rv＝3.6Ωm)。這里對稱有效地去除了對其他參數(shù)的考慮，例如各向異性和傾斜。對稱化測量的過程很簡單。使用成對測量值的不同組合來獲得一致的圖像將增加解釋的說服力。
圖9示出了利用基于轉(zhuǎn)換的交會(huì)圖來解釋定向測量。使用兩個(gè)方向的84英寸400kHz的測量值來解釋該使用單分界模型的測量，該模型具有100Ωm的固定礦層電阻率和變化的圍巖電阻率(工具以下)和距離。該響應(yīng)對礦層電阻率并不敏感，主要根據(jù)圍巖電阻率和距離來確定信號(hào)。所捕獲的屏幕畫面上的點(diǎn)指示圍巖電阻率測量值和距離數(shù)據(jù)?？梢詮脑摻粫?huì)圖中得到電阻率和距離的值并將其輸出在屏幕上。
對于一個(gè)礦層分界的情況，其中分界兩側(cè)的礦層的電阻率都已知，人們可以使用三個(gè)輸入，其中至少一個(gè)輸入是工具(例如圖3中工具36)周圍電阻率的測量值。
對于包含更多分界的更為復(fù)雜的模型，可以使用基于US專利No.6594584所公開的技術(shù)的轉(zhuǎn)換程序。在地質(zhì)構(gòu)造的初始模型上設(shè)計(jì)鉆孔的軌跡。將測井工具置于該鉆孔軌跡的分段內(nèi)，并測量沿該分段的響應(yīng)。根據(jù)該模型，還可確定該工具的預(yù)期響應(yīng)。然后使用沿該分段得到的預(yù)期響應(yīng)和測量到的響應(yīng)之間進(jìn)行比較所產(chǎn)生的差，來調(diào)節(jié)該模型，重復(fù)該比較和條件的循環(huán)直到該差別落入所選擇的閾值之內(nèi)為止。利用多個(gè)開始點(diǎn)和物理標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分結(jié)果從而提高該轉(zhuǎn)換模型的穩(wěn)定性。
然后提供轉(zhuǎn)換算法。該算法可以將任何測量值接受作為輸入，然后找到與該數(shù)據(jù)最為一致的模型。運(yùn)行多個(gè)模型，最后自動(dòng)選擇出最佳模型。在圖10A中示出了典型的電阻率分布再造圖，而圖10B中示出了對應(yīng)的分界(結(jié)構(gòu))再造圖。這些結(jié)果表明接近導(dǎo)體礦層時(shí)的結(jié)果比接近高阻層時(shí)的結(jié)果更為精確。由于定向響應(yīng)主要是由導(dǎo)體層來確定的，因此可以預(yù)期對導(dǎo)體層以上和以下的電阻率變化比對高阻圍巖的電阻率變化更為敏感。
本發(fā)明的另一方面是使用確定的分界距離來進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向判斷?？梢詤⒄請D11來說明整體的地質(zhì)導(dǎo)向工作流程。首先，在方框110中利用上述的快速匹配技術(shù)實(shí)時(shí)選擇定向測量值。然后在方框120中通過顯示原始測井響應(yīng)或使用圖8和10中的交會(huì)圖來將定向測量值可視化(其它地方將描述)。
然后判斷單元130根據(jù)是否已經(jīng)識(shí)別到最合適的模型來指導(dǎo)流程。如果已知了地質(zhì)構(gòu)造層或其他一些參數(shù)，則接近讓用戶固定這些已知參數(shù)。例如可能已知上部圍巖電阻率或地層是穩(wěn)定的，則可以高度確定下面沒有分界。這種信息可以例如利用單分界和固定的圍巖電阻率來選擇模型。數(shù)學(xué)上，這意味著僅需要轉(zhuǎn)換三個(gè)參數(shù)，即礦層的水平和垂直電阻率(Rh和Rv)以及距離上面分界的距離。方框140是一個(gè)完整模型轉(zhuǎn)換的例子，它可以確保一致的解釋，并避免在極限情況中出現(xiàn)的混亂，在這些極限情況下存在一些與被選擇測量數(shù)學(xué)匹配更好的非物理模型。
或者，按照自動(dòng)模型選擇算法(方框160)對多個(gè)模型進(jìn)行快速近似轉(zhuǎn)換(方框150)。該算法運(yùn)行不同的模型，這些模型從簡單(沒有分界、各向同性地質(zhì)構(gòu)造)到最復(fù)雜(兩個(gè)距離且各向異性地質(zhì)構(gòu)造)，包括●同質(zhì)各向同性(單獨(dú)參數(shù)電阻率)；●同質(zhì)各向異性(兩個(gè)參數(shù)Rh和Rv)；●單獨(dú)分界各向同性地質(zhì)構(gòu)造，分界以上或以下(三個(gè)參數(shù)Rbed，Rshoulder，距離分界的距離)；●單獨(dú)分界各向異性地質(zhì)構(gòu)造，分界以上或以下(四個(gè)參數(shù)Rbed_h，Rbed_v，Rshoulder和距離分界的距離)；●兩個(gè)分界各向同性地質(zhì)構(gòu)造三個(gè)參數(shù)(五個(gè)參數(shù)Rbed，Rshoulder_up，Rshoulder_down和距離工具以上和以下的分界的距離)；●兩個(gè)分界各向異性地質(zhì)構(gòu)造三個(gè)參數(shù)(六個(gè)參數(shù)Rbed_h，Rbed_v，Rshoulder_up，Rshoulder_down和距離工具以上和以下分界的距離)。
對各模型都獲得一個(gè)答案。
模型選擇算法對定向測量值使用基于物理的限制，并強(qiáng)加選擇“匹配數(shù)據(jù)的簡單模型”的條件(貝爾的剃刀)?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的Akaiker信息標(biāo)準(zhǔn)(AIC)或Bayesian信息標(biāo)準(zhǔn)來降低模型的復(fù)雜度。
然后在判斷框180執(zhí)行模型有效化，以判斷所選擇的模型是否與前面獲得的關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造或其他測量值例如伽馬射線的知識(shí)或者由方框170表示的其他實(shí)時(shí)測量值一致。如果模型與其他數(shù)據(jù)一致，則將其作為方框190的輸入直到方框200進(jìn)行鉆井判斷，在方框210中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膱?bào)告。鉆井判斷的執(zhí)行將導(dǎo)致進(jìn)一步的實(shí)時(shí)定向測量(方框100)，而這將再次輸入到方框110和120中的匹配和可視化步驟中。如果所選擇的轉(zhuǎn)換模型與方框170輸出的其他測量值不一致，則最好更新該模型。在這種情況下，執(zhí)行與‘584專利中的復(fù)雜轉(zhuǎn)換程序一致的交互式模式子程序220。
通常，自動(dòng)轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生不一致的解釋。這可能是由于電子引起的測量噪聲以及“模型噪聲”所致的，即實(shí)際上真實(shí)的模型與轉(zhuǎn)換中運(yùn)行的所有模型都不同。例如，鉆孔、侵入、薄層、交叉礦層和有限工具尺寸都沒有包含在模型中，它們可以導(dǎo)致匹配過程中的不匹配。
用戶交互地選擇對應(yīng)數(shù)據(jù)片斷的公共模型的靈活性和能力是成功解釋測量值的關(guān)鍵。軟件定義的交互模式子程序(方塊220)具有以下特征根據(jù)趨勢、現(xiàn)有知識(shí)或外部信息源來進(jìn)行模型改進(jìn)(方塊221)；限制或固定一些轉(zhuǎn)換參數(shù)(方塊222)；去除某些可能更易受到不包括在模型內(nèi)的環(huán)境影響的測量值；對數(shù)據(jù)進(jìn)行再次處理(方塊223)。
圖12示出生成可以提供分界距離的定向測量值交會(huì)圖的流程圖，如其他地方所述。交會(huì)圖的生成或修改由子程序20表示，該子程序從定義適當(dāng)?shù)哪Ｐ烷_始(方塊30)。然后根據(jù)確定/預(yù)測圍巖電阻率的能力來選擇適當(dāng)?shù)亩ㄏ驕y量值(方塊40)。如果就像大多數(shù)情況下在一個(gè)大的區(qū)域有很多井中那樣已知該圍巖電阻率時(shí)，根據(jù)一個(gè)電阻率和一個(gè)定向測量值就可以確定真正的礦床電阻率(校正后的圍巖)和距離分界的距離(方塊50)。如果沒有已知圍巖電阻率，則如圖9所示最好使用兩個(gè)方向的測量值的交會(huì)圖(方塊60)來確定圍巖電阻率和距離分界的距離。在方塊70，將所選擇的測量值輸入到定義的模型中從而產(chǎn)生響應(yīng)，按照圖8和9所表示的方式將該響應(yīng)可視化(方塊80)。在電阻率未知而它們的差已知的情況下，可以通過將一個(gè)電阻率和兩個(gè)方向的測量值合成來生成三維的交會(huì)圖。
一旦已經(jīng)生成或更新了交會(huì)圖(子程序20)，則可以利用其他的實(shí)時(shí)測量值連續(xù)地對其進(jìn)行更新(方塊100)并進(jìn)行可視化(方塊120’)。對方向測量值的交會(huì)圖進(jìn)行處理可以產(chǎn)生距離一個(gè)或更多地質(zhì)構(gòu)造分界的距離以及一個(gè)或更多礦層的電阻率(方塊220)，在方塊200中可以輸出并將這些結(jié)果可視化(方塊230)來指示鉆孔判斷。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，圖形用戶接口(GUI)用于使用程序并將轉(zhuǎn)換后的礦層模型可視化。圖13中示出了GUI的結(jié)構(gòu)的方塊圖和處理數(shù)據(jù)的不同方式。因此，該GUI可以-對于給定層運(yùn)行模型-對測量值敏感性分析繪制交會(huì)圖-實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其特征在于-對一個(gè)電阻率和一個(gè)距離進(jìn)行基于交會(huì)圖的轉(zhuǎn)換(對于給定圍巖或礦床電阻率)-利用基于單分界響應(yīng)的重疊和自動(dòng)模型選擇、物理限制，結(jié)合Akaike信息標(biāo)準(zhǔn)或模型混合的快速變換(inversion)，自動(dòng)解釋-根據(jù)從三層模型(礦層和兩層圍巖-兩個(gè)距離和四個(gè)電阻率)得到的任何參數(shù)(最多為6個(gè))的全部轉(zhuǎn)換進(jìn)行交互式解釋，在轉(zhuǎn)換循環(huán)中運(yùn)行全部分層的介質(zhì)模型，改進(jìn)模型，選擇/放棄某些轉(zhuǎn)換參數(shù)并限制它們和/或選擇和重新權(quán)衡可用測量值。
-在快速和交互模型間切換，以改進(jìn)模型。
-對測量和轉(zhuǎn)換可視化圖14中示出了解釋屏幕的一個(gè)例子。在屏幕上同時(shí)顯示了在轉(zhuǎn)換中所使用的測量值和鉆孔軌跡。該轉(zhuǎn)換后的結(jié)果被圖形化顯示，這些結(jié)果包括距離上部和下部分界的距離、礦層和兩層圍巖的電阻率。該結(jié)果可以是一項(xiàng)一項(xiàng)地示出，并基于分界的重組后位置。也可以推斷地層傾角。應(yīng)當(dāng)注意即使在轉(zhuǎn)換循環(huán)中運(yùn)行的模型為一維分層的介質(zhì)，也可以建立更為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造圖像，包括-非平行分界-檢測錯(cuò)誤，包括井下地震斷層各向異性估算根據(jù)美國專利申請公開No.2003/020029(“Omeragic等”)的教導(dǎo)，可以利用具有發(fā)射器天線和至少一個(gè)傾斜的接收器天線的TRR結(jié)構(gòu)來執(zhí)行各向異性測量。將檢測到的與相位差或增益比相關(guān)的EM信號(hào)合并以確定各向異性。注意Omeragic等公開了新穎的鉆孔補(bǔ)償技術(shù)來進(jìn)行這種測量。
可以按照與上述相同的方式分析合并后的測量值的方向部分。因此，根據(jù)US專利No.6594584(也已經(jīng)在上面描述)的教導(dǎo)，可使用分量系數(shù)通過轉(zhuǎn)化來得到各向異性。這對于所有的傾角都適用。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白在高度偏離的鉆孔中，傳統(tǒng)的利用軸線圈的傳播測量已經(jīng)提供了可接受的各向異性靈敏度，從而避免了在這些鉆孔中使用鉆孔補(bǔ)償技術(shù)。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，很明顯可以利用一個(gè)或更多適當(dāng)?shù)耐ㄓ糜?jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，這些計(jì)算機(jī)具有適當(dāng)?shù)挠布统绦騺韴?zhí)行本發(fā)明的處理。通過利用可由計(jì)算機(jī)處理器讀取的一個(gè)或更多程序存儲(chǔ)裝置和由執(zhí)行上述操作的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的一個(gè)或更多程序指令進(jìn)行編碼來完成編程。該程序存儲(chǔ)裝置可以采用例如軟盤、CD ROM和其他光盤、磁帶、只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的一種或多種形式以及其他本領(lǐng)域公知形式和將要發(fā)展的形式。指令程序可以是“目標(biāo)碼”，即由計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行的二進(jìn)制形式，需要執(zhí)行前編譯或解釋的“源代碼”形式或例如局部編譯碼的中間形式。程序存儲(chǔ)設(shè)備和指令編碼的精確形式在此并不重要。因此，這些處理裝置可以用于地面設(shè)備、工具中，或如本領(lǐng)域公知由它們兩個(gè)共享。很明顯任何類型的測井系統(tǒng)都可以使用本發(fā)明的技術(shù)，這些系統(tǒng)例如有線工具、LWD/MWD工具或LWT工具。
從上面的描述應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明精神的情況下可以對本發(fā)明最佳和其他實(shí)施例進(jìn)行多種修改和變化。
本說明書僅用于示意性說明的目的，并不進(jìn)行限定。本發(fā)明的范圍僅由權(quán)力要求進(jìn)行限定。權(quán)利要求中的詞匯“包括”應(yīng)當(dāng)理解為表示“至少包括”，這樣權(quán)利要求中的元件的列表就是開放的?！耙粋€(gè)”和其他單數(shù)的詞匯都表示包括多種形式，除非另有說明。
權(quán)利要求
1.一種用于特征化井下地質(zhì)構(gòu)造的方法，包括以下步驟通過對從置于與地質(zhì)構(gòu)造相交叉的鉆孔中的儀器中獲得的兩個(gè)方向的測井測量值繪制交會(huì)圖，得到距離至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造分界的距離以及對應(yīng)至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造礦層的電阻率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該繪制交會(huì)圖利用單分界模型來實(shí)現(xiàn)；所獲得的電阻率為圍巖電阻率；和所獲得的距離為距離圍巖的最近距離。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中繪制交會(huì)圖的步驟包括以下步驟定義一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Ｐ?；選擇適當(dāng)?shù)亩ㄏ驕y量值；將所選擇的測量值輸入到所定義的模型中從而產(chǎn)生交會(huì)圖；和產(chǎn)生該交會(huì)圖的可視表示。
4如權(quán)利要求1所述的方法，其中所獲得的距離和電阻率用于進(jìn)行鉆孔判斷。
5.一種用于特征化井下地質(zhì)構(gòu)造的方法，包括以下步驟利用置于與地質(zhì)構(gòu)造相交叉的鉆孔中的儀器所獲得的電阻率和定向測量值來繪制交會(huì)圖，從而得到距離至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造分界的距離以及對應(yīng)至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造礦層的電阻率。
6.一種用于特征化井下地質(zhì)構(gòu)造的方法，包括以下步驟利用置于與地質(zhì)構(gòu)造相交叉的鉆孔中的儀器所獲得的電阻率和兩個(gè)方向測量值繪制交會(huì)圖，從而得到距離至少一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造分界的距離以及對應(yīng)至少兩個(gè)地質(zhì)構(gòu)造礦層的電阻率。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括以下步驟為所選擇的實(shí)時(shí)定向測量值選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換模型；檢驗(yàn)該選擇的模型與其他信息一致；和使用該檢驗(yàn)后的模型來進(jìn)行鉆孔判斷。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中模型選擇步驟包括生成所選擇的定向測量值的可視化。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中模型選擇步驟包括識(shí)別已知的地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)；交互式地選擇模型，利用該模型來轉(zhuǎn)換所選擇的定向測量值；和選擇與公知信息匹配的最簡單的模型。
10.一種用于測量鉆孔周圍地球地質(zhì)構(gòu)造的特征的裝置，包括一適于置于鉆孔內(nèi)的測井儀器，該測井儀器具有縱向軸且裝備有第一和第二發(fā)射器-接收器天線對；第一發(fā)射器-接收器天線對包括一具有磁偶極子的第一發(fā)射器天線，該第一發(fā)射器天線的磁偶極子沿著相對于測井儀器的縱向軸的第一方向定向，一距離第一發(fā)射器天線為第一距離且具有磁偶極子的第一接收器天線，第一接收器天線的磁偶極子沿著第二方向定向，第一和第二方向彼此不同，第一發(fā)射器和接收器天線的磁偶極子定義了一個(gè)平面，該平面包括測井儀器的縱軸，第二發(fā)射器-接收器天線對包括一第二發(fā)射器天線，該第二發(fā)射器天線的磁偶極子沿著相對于測井儀器的縱軸的第二方向定向，一第二接收器天線，第二接收器天線距離第二發(fā)射器天線為第一距離，且具有沿著第一方向的磁偶極子，第二發(fā)射器和接收器天線的磁偶極子定義了一個(gè)包括測井儀器縱軸的平面，工具面?zhèn)鞲衅?，用于連續(xù)的指示測井儀器的方位角方向；和一控制器，用于控制第一和第二發(fā)射器-接收器天線對，從而選擇性地向地質(zhì)構(gòu)造發(fā)射電磁能量，并測量與該被發(fā)射電磁能量相關(guān)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)作為測井儀器的方位角方向的函數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中第二發(fā)射器-接收器天線對相對于測井儀器縱軸的第一發(fā)射器-接收器天線對以第一方位角度定向。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中發(fā)射器和接收器中的每一個(gè)都具有發(fā)射接收能力。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中第一和第二發(fā)射器-接收器天線對位于測井儀器上的相同物理位置。
全文摘要
一種用于根據(jù)鉆孔內(nèi)的測井工具所獲得的定向測量值的方位角變化提取出信號(hào)的新穎的快速數(shù)據(jù)處理技術(shù)。通過將該測量電壓的方位角變化與一些正弦函數(shù)相匹配，從地質(zhì)構(gòu)造響應(yīng)中提取出相關(guān)分界、各向異性和片斷信號(hào)。從而也獲得了礦層的方向。所提取出的方向信號(hào)可用于獲得分界距離并進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向判斷。根據(jù)分界的屬性，可以使用包括轉(zhuǎn)換和交會(huì)圖的兩種技術(shù)。系統(tǒng)的一部分包括圖形用戶接口(GUI)，以便于靈活的定義轉(zhuǎn)換目標(biāo)，改進(jìn)轉(zhuǎn)換結(jié)果，并使地質(zhì)構(gòu)造模型和轉(zhuǎn)換測量值可視化。
文檔編號(hào)G01V3/28GK101082276SQ200710127478
公開日2007年12月5日 申請日期2004年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月22日
發(fā)明者Q·李, L·仇, D·奧梅拉吉克, L·楊, A·杜蒙特, L·胡 申請人:施盧默格海外有限公司