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专利名称：通过旋转钻具来进行处理和地质导向的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及具有测井(well logging)能力的系统。
背景技术：
在用于油和气体探测的钻井中，应当理解，钻孔周围的地质地层(formation)的结构和特性提供了有助于这种探测的信息。然而，钻探钻具操作的环境在地面下相当远的距离处，并且在这些位置进行测量以管理这种装备的操作。此外，这种测量的实用性可相关于从这种测量推导出的信息的精度或质量。附图简述图I示出根据各个实施例的确定与在井的钻孔中操作钻具相关联的特性的方法特征。图2示出根据各个实施例的多分量电磁测井钻具(logging tool)的天线配置。图3A-B示出根据各个实施例的可在测井钻具中使用的两种天线结构。图3C示出根据各个实施例的图3A-B的天线结构的倾斜角的象限。图3D-E示出根据各个实施例的相对于其中配置有多组天线的钻具的轴而倾斜的这些天线。图4示出根据各个实施例的钻具面元位置和相应方位角的配置。图5示出根据各个实施例的具有倾斜+45和-45度的两个发射器、以及相对于纵轴倾斜45度角的中央接收器的钻具。图6示出根据各个实施例的执行旋转测井钻具的示例流程图。图7A-B示出根据各个实施例的针对特定地层模型使用图5所示钻具的天线配置的响应的反演(inversion)结果。图8A-B示出根据各个实施例的针对另一地层模型使用图5所示钻具的天线配置的响应的反演结果。图9示出根据各个实施例的参考在三层各向同性地层中钻探时的图5的上发射器-接收器对的交叉耦合测量的复电压的示例响应。

图10示出根据各个实施例的参考在三层各向同性地层中钻探时的图9的下发射器-接收器对的交叉耦合测量的复电压的示例响应。图11示出根据各个实施例的参考在三层各向异性地层中钻探时的图5的上发射器-接收器对的交叉耦合测量的复电压的示例响应。图12示出根据各个实施例的参考在三层各向异性地层中钻探时的图5的下发射器-接收器对的交叉耦合测量的复电压的示例响应。图13示出根据各个实施例的三层各向同性地层的地质信号相位的示例。图14示出根据各个实施例的图13的三层各向同性地层的地质信号衰减的示例。图15示出根据各个实施例的三层各向异性地层的地质信号相位的示例。图16示出根据各个实施例的图15的三层各向异性地层的地质信号衰减的示例。
图17示出根据各个实施例的处理响应于独立地激发(firing)多个天线的来自倾斜接收器的信号以直接确定耦合矩阵的系统的一个实施例的特征框图。图18示出根据各个实施例的在钻探孔区的系统的一个实施例。
具体实施例方式以下详细描述引用示出作为说明而非限制的可实践本发明的各个实施例的附图。详细地描述这些实施例，以使本领域技术人员能够实践这些以及其他实施例。可使用其他实施例，并且可对这些实施例进行结构、逻辑和电气方面的改变。各个实施例不一定相互排斥，因为一些实施例可与形成新实施例的一个或多个其他实施例组合。因此，以下详细描述不应具有限制的意义。图I示出确定与在井的钻孔中操作钻具相关联的特性的方法实施例的特征。在110，采集因操作在井的钻孔中旋转的钻具而生成的电压信号，其中该钻具包括多个发射器天线、以及相对于该钻具的纵轴倾斜的接收器天线。所采集的电压信号可包括响应于单独 地激发与倾斜接收器天线相关联的发射器天线在倾斜接收器天线接收到的电压信号。该钻具的接收器和发射器天线可具有各种配置。例如，两个发射器天线实质上可置于相同的位置但有不同取向。这些发射器天线可在该钻具上相对于该钻具的纵轴位于倾斜接收器天线上方或下方。在各个实施例中，倾斜接收器天线可置于两个发射器之间，其中两个发射器具有不同的取向。在各个实施例中，除了倾斜接收器天线以外，可使用另一倾斜接收器天线。两个接收器天线可置于两个发射器天线之间，其中两个发射器天线可具有不同的取向。替换地，可使用置于两个倾斜接收器天线之间的两个发射器天线。在这些配置的每一个中，所使用的一个或多个发射器天线可相对于该钻具的纵轴倾斜。在120，相对于该钻具的旋转方向来处理所采集的电压信号以确定与钻孔附近的地层相关联的特性，其中该处理包括根据所采集的电压信号确定耦合矩阵。这些电压信号可因激发发射器之一、和测量倾斜接收器处相对于该激发的响应，以及激发另一个发射器和测量倾斜接收器处相对于另一发射器的激发的响应来生成。术语“激发”用于使得将信号传输到井中的钻具附近的地层中可视化。发射器彼此独立地激发，从而接收器处的响应可与激发发射器相关。该相关性可通过处理单元跟踪测量活动及其时序来实现。激发还包括传输来自发射器的脉冲，以使每一脉冲都从该发射器发出，而其他发射器处于不发出脉冲的时间段。在各个实施例中，电流测量可用于采集信号以生成耦合矩阵。处理可包括根据响应于一组发射器激发而接收到的测量响应来直接计算耦合矩阵的耦合电压分量。直接计算可包括乘法和加法相关运算。然而，这些直接计算可在无需诸如与求解一组方程式相关联的更多处理的情况下进行。由于测量响应与该钻具附近的地层中的电磁传播相关，因此可进行一个或多个反演运算以根据所确定的耦合矩阵生成地层参数。反演运算可包括测量与模型预测的比较，从而可确定物理特性的值或空间变化。常规反演运算可包括根据对所诱发的电场和磁场的测量确定正在操作的钻孔附近的地层中的导电性变化。具有取向天线的钻具可在井的钻孔中配置有作为诸如随钻测井(LWD)系统之类的随钻测量(MWD)系统或测井电缆系统的工具。处理单元和/或控制单元可在井下(downhole)配置有测量天线。替换地，一个或多个处理单元和控制电路可在井的表面配置有通信网络，从而相对于该钻具的天线来采集信息和/或生成控制信号。通信可使用与已知井下通信技术相关联的有线或无线通信机制。在各个实施例中，装置和测量方案提供通过具有增强直接处理的旋转的倾斜天线系统进行的电磁测井，当钻具在钻孔中旋转时该旋转的倾斜天线系统使用测量信号。这些处理方案允许求解耦合电压矩阵。处理技术可基于配备有至少两个倾斜发射器天线和一个倾斜接收器天线的旋转LWD或者测井电缆钻具。本文中所讨论的该配置与处理方案一起允许根据从测量信号确定的耦合电压矩阵的解计算各向异性(如井斜水平电阻率Rh和垂直电阻率Rv呈现的)以及任何井斜处的相对倾角。相对倾角是平面特征(诸如地层)和水平面之间的角。在各个实施例中，如本文中所讨论的装置和处理方案可用于地质导向操作。地质导向是对调节钻探方向的有意控制。该控制可基于井下测井测量以增加钻孔向含油气地层 (“产油带”)的暴露。这种地质导向可用于将井眼维持在提供作为具有经济价值的来源的材料的区域内。地质信号是可用于地质导向的信号或表示。地质信号指示井下钻探钻具的方向以及能够检查边界。地质信号的能力在进行地质导向以优化井位以便于最大油回收方面是有用的。如本文中所讨论的装置和处理方案允许地质信号的生成。地质信号可基于作为与基准点的距离的函数的地球地层的一个或多个特性。本文中所限定的地质信号具有各种应用。地质信号还提供旋转钻具的方位角取向信息。另外，地质信号可用于计算到矿床边界(bed boundary)的距离。用于地质信号的处理技术可基于配备有至少两个倾斜发射器天线和一个倾斜接收器天线的旋转LWD或测井电缆钻具。还可实现一个倾斜发射器天线和一个倾斜接收器天线的配置以生成地质信号。图2示出多分量电磁测井钻具的天线配置的一个实施例。接收器线圈中的磁场H可根据发射器处的磁矩M和耦合矩阵C来表示为H=CM (I)方程式(I)可表达为
Hx ^xx Qtv CX二 MxHy = C VX Cyy Cyz My(2)
Im-其中Mx、My和Mz分别是发射器Tx、Ty和Tz所发出的传输信号的磁矩。Hx、Hy和Hz分别是与在发射器天线&、&和&接收到的信号成比例的磁场。对于图2的天线配置，可在激发每一天线且分别在三个接收器中的每一个处测量信号时获取九个绝对或差动测量。这九个测量实现对全耦合矩阵C的确定。分量Cu可限定为CV 二au-Vf，其中I是接收器Rx、Ry和Rz的索引，J是接收器TX、TY和Tz的索引，Blj是钻具设计所确定的恒定系数，而F/是表示接收器I响应于发射器J的激发而测量的信号幅值和相移的复值。在各个实施例中，电流测量可用于采集信号以生成耦合矩阵。图3Α-Β示出用于测量钻具的倾斜发射器天线和倾斜接收器天线。这些天线可配备在旋转LWD或测井电缆钻具中。当激发发射器天线时，在图3的倾斜接收器处测量的信号可按信号电压Fj来表达，其中T表示激发发射器天线而R表示接收天线。在发射器和接收器线圈两者以相同的方位角β取向的情况下，倾斜接收器处的测量信号表达为
权利要求
1.一种确定与在井的钻孔中操作相关联的特性的方法，所述方法包括 采集因操作在所述钻孔中旋转的钻具而生成的信号，所述钻具具有纵轴，所述钻具包括两个发射器天线、以及相对于所述纵轴倾斜的接收器天线，所采集的信号包括响应于单独地激发与所述倾斜接收器天线相关联的两个发射器天线在所述倾斜接收器天线接收到的信号；以及 操作处理单元以相对于所述钻具的旋转方向处理所采集的信号，从而确定与地层相关联的特性，包括根据所采集的信号直接确定耦合矩阵。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，采集信号包括通过相对于所述纵轴倾斜的接收器天线以及实质上置于相同位置但有不同取向的两个发射器天线来采集因操作所述钻具而生成的电压信号。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，采集信号包括通过接收器天线来采集因操 作所述钻具而生成的电压信号，所述接收器天线相对于所述纵轴倾斜以使所述倾斜接收器天线置于所述两个发射器之间，其中所述两个发射器天线具有不同取向。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，采集信号包括通过相对于所述纵轴倾斜的接收器天线、相对于所述纵轴倾斜的另一接收器天线、以及置于所述两个发射器天线之间的两个接收器天线来采集因操作所述钻具而生成的电压信号，所述两个发射器天线具有不同的取向。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据在所述两个倾斜接收器接收到的电压信号来生成两个耦合电压矩阵。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，相对于所述纵轴，所述两个发射器之一倾斜45度而另一发射器天线倾斜-45度，并且所述两个接收器倾斜45度角。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，采集信号和操作所述处理器单元包括 激发所述两个发射器之一，并且测量所述倾斜接收器处相对于所述激发的响应； 激发所述另一发射器，并且测量所述另一倾斜接收器处相对于所述另一发射器的激发的响应；以及 使用在所述两个倾斜接收器接收到的相对于钻具位置和钻具取向的测量响应来计算所述耦合矩阵的耦合电压分量；以及 进行一个或多个反演运算以从所述耦合矩阵生成地层参数。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述两个发射器天线各自相对于所述纵轴具有倾斜取向，以使所述两个发射器天线的倾斜取向相对于所述纵轴处于相邻的象限。
9.如权利要求I所述的方法，其特征在于，采集信号包括相对于钻具取向采集电压信号，所述钻具取向包括多个方向，方向总数对应于分割成N个面元的一个满转，每一面元与等于2 π /N的旋转角相关联，N是大于或等于I的自然数。
10.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据所述耦合矩阵确定水平电阻率、垂直电阻率、相对倾角、或者其组合。
11.如权利要求I所述的方法，其特征在于，采集信号包括通过作为发射天线操作的接收器天线以及倾斜并作为接收器天线操作的两个发射器天线来采集因操作在所述钻孔中旋转的钻具而生成的电压信号。
12.一种确定与在井的钻孔中操作相关联的特性的方法，所述方法包括采集因操作在所述钻孔中旋转的钻具而生成的信号，所述钻具具有纵轴，所述钻具包括相对于所述纵轴倾斜的接收器天线、以及两个发射器天线，所采集的信号包括响应于单独地激发与所述倾斜接收器天线相关联的两个发射器天线在所述倾斜接收器天线处接收到的信号；以及 操作处理单元以相对于所述钻具的旋转方向来处理所采集的信号，从而确定与地层相关联的特性，包括根据所采集的信号直接确定地质信号响应。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括基于所述地质信号响应来对钻探操作进行地质导向。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，根据所采集的信号确定地质信号响应包括生成所述地质信号响应作为地质信号相位和地质信号衰减。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法包括 将所述钻具旋转分割成N个面元,其中所述N个面元的整体是一个满转，N ^ 2 ； 针对面元，生成所述地质信号相位作为响应于针对所述面元激发一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的相位、与响应于激发和所述面元相差180度的另一面元处的所述一个发射器在所述倾斜接收器接收到的电压信号的相位之间的差值；以及 针对所述面元，生成所述地质信号衰减作为响应于针对所述面元激发所述一个发射器在所述倾斜接收器接收到的电压信号的日志、与响应于激发和所述面元相差180度的另一面元处的所述一个发射器在所述倾斜接收器接收到的电压信号的日志之间的差异。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法包括 将所述钻具旋转分割成N个面元，其中所述N个面元的整体是所述钻具的一个满转，N >2,每一面兀具有相关联的方位角β ； 针对方位角为β的面元，生成两个地质信号之一或两者，所述两个地质信号为
17.一种存储指令的机器可读介质，所述指令在由机器执行时使得所述机器执行操作，所述操作包括 采集因操作在井的钻孔中旋转的钻具而生成的信号，所述钻具具有纵轴，所述钻具包括相对于纵轴倾斜的接收器天线以及两个发射器天线，所采集的信号包括响应于单独地激发与倾斜接收器天线相关联的两个发射器天线而在倾斜接收器天线接收到的信号；以及 操作处理单元以相对于所述钻具的旋转方向来处理所采集的信号，从而确定与地层相关联的特性，包括根据所采集的信号确定耦合矩阵。
18.如权利要求17所述的机器可读介质，其特征在于，采集信号包括通过相对于所述纵轴倾斜的接收器天线以及相对于所述纵轴倾斜的另一接收器来采集因操作所述钻具而生成的电压信号，所述两个接收器倾斜45度角，且两个接收器天线置于所述两个发射器天 线之间，所述两个发射器天线相对于所述纵轴取向以使所述两个发射器之一倾斜45度而另一发射器天线倾斜-45度。
19.如权利要求17所述的机器可读介质，其特征在于，所述指令包括据所述耦合矩阵确定水平电阻率、垂直电阻率、相对倾角、或者其组合。
20.如权利要求17所述的机器可读介质，其特征在于，所述指令包括根据所采集的信号确定地质信号响应；以及基于所述地质信号响应来对钻探操作进行地质导向。
21.如权利要求17所述的机器可读介质，其特征在于，所述指令包括 将所述钻具旋转分割成N个面元，其中所述N个面元的整体是所述钻具的一个满转，N >2，每一面元具有相关联的方位角β ;以及 根据针对每一面元所采集的信号来确定地质信号响应，生成所述地质信号响应作为地质信号相位和地质信号衰减中的一个或多个， 所述地质信号相位作为响应于激发所述面元的一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的相位、与响应于激发和所述面元相差180度的另一面元处的所述一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的相位之间的差值，并且所述地质信号衰减作为响应于激发所述面元的所述一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的日志、与响应于激发和所述面元相差180度的另一面元处的所述一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的日志之间的差异， 或者其中，ν^ζχ(β)和VeJizW )是方位角为β的面元处的两个地质信号，νκυ(β)是响应于激发置于所述倾斜接收器上的所述发射器之一在所述倾斜接收器接收到的方位角为β的面元处的电压信号，ν, β )是响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器在所述倾斜接收器接收到的电压信号，νΕυ(β + π)是响应于激发置于所述倾斜接收器上方的所述发射器之一而在所述倾斜接收器接收到的与方位角为β的面元相差180度的另一面元处的电压信号，ν；(β + π)是响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器而在所述倾斜接收器接收到的与方位角为β的面元相差180度的另一面元处的电压信号，并且所述和包括针对每一面元响应于激发置于所述倾斜接收器上方的发射器之一而在所述倾斜接收器接收到的电压信号、以及针对每一面元响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号。
22.—种装置，包括 可用于在钻孔中旋转的钻具，所述钻具具有纵轴，所述钻具包括相对于所述纵轴倾斜的接收器天线、以及两个发射器天线，所述倾斜接收器天线被配置成响应于单独地激发所述两个发射器天线来采集信号；以及 处理单元，用以相对于所述钻具的旋转方向来处理所采集的信号，从而根据所采集的信号直接确定耦合矩阵、并且确定与地层相关联的特性。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述两个发射器天线实质上置于相同的位置但有不同取向。
24.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述倾斜接收器天线置于所述两个发射器之间，其中所述两个发射器具有不同的取向。
25.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述钻具包括相对于所述纵轴倾斜的另一接收器天线，其中所述两个接收器天线置于所述两个发射器天线之间，所述两个发射器天线具有不同的取向。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括机器可读指令，所述机器可读指令可由处理器执行以根据在所述两个倾斜接收器接收到的电压信号来生成两个耦合电压矩阵。
27.如权利要求25所述的装置，其特征在于，相对于所述纵轴，所述两个发射器之一倾斜45度而另一发射器天线倾斜-45度，并且所述两个接收器倾斜45度角。
28.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述两个发射器天线各自相对于所述纵轴具有倾斜取向，以使所述两个发射器天线相对于所述纵轴的倾斜取向处于相邻的象限。
29.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括机器可读指令，所述机器可读指令可由处理器执行以根据所述耦合矩阵确定水平电阻率、垂直电阻率、相对倾角、或者其组合。
30.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括机器可读指令，所述机器可读指令可由处理器执行以根据所采集的信号确定地质信号响应、并且基于所述地质信号响应来对钻探操作进行地质导向。
全文摘要
各个实施例包括相对于测井来进行处理和地质导向的装置和方法。装置和方法还包括采集因操作在井的钻孔中旋转的钻具而生成的信号，其中该钻具包括相对于该钻具的纵轴倾斜的接收器天线、以及两个发射器天线。可相对于该钻具的旋转方向来处理所采集的信号以确定与地层相关联的特性和/或用于对钻探操作进行地质导向的地质信号。
文档编号G01V3/28GK102870014SQ201080066207
公开日2013年1月9日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者M·S·比塔尔, H-H·吴, S·李 申请人:哈里伯顿能源服务公司