專利名稱:具有交叉井電磁的下套的井中的鉆井幾何位置的判定的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種用于在具有傳導襯件的鉆井中定位接收機的方法。
背景技術:
在下套的井中實現如記錄地巖層特性的操作中,重要的一點是了解工具下放井中的確切位置,以實現特定的功能。記錄工具一般從地表通過測量連接工具的纜線使用的長度,測量井深。連線工具和鉆孔工具均遵守這一基本概念。
鉆具的深度通常根據井表面的標定刻度輪上所通過的纜線判定。鉆具配置完畢后,監控纜線落入井中的長度為鉆具長度的評估值。通過計算基于纜線的長度,彈性和鉆具重量的理論延伸比率,可對纜的線延伸嘗試進行深度補償。然而,即便應用復雜的壓縮算法,纜線延長的實際量會隨時間變化而變化,因為纜線、鉆具和井鉆孔之間存在不可見和不可測量的作用力(如鉆具懸掛和纜線摩擦)以及纜線“彈性”的不規則性。斜鉆井的問題特殊,其鉆具沿井壁內徑放置,具有變化的和不一致的纜線負載,如鉆具“粘住”和沿鉆井跳動。該問題發生可能性小,在管道勘測操作中中,通過輪沿管道無阻礙的滾動測量管道長度。例如,很小的長度測量誤差率和其它差異會導致工具在一英里以上深的井中出現幾英尺或更多的絕對位置偏差。
已經開發的另一個方法是,在外力產生足以能將任何速率的纜線傳輸到輪圓周上的摩擦力的情況下,測量連接纜線的標定刻度輪的旋轉,并允許對相應深度增量的直接測量。
而另一種方法使用位于鉆井管內沿鉆井內已知的參考點的一對傳感器。考慮到兩個傳感器的間距由相對短的沖擊鉆鉆頭決定,其延長/壓縮的影響相對于沖擊鉆總長度的測量延伸和壓縮而言可以忽略,可以通過觀測當第二傳感器達到第一傳感器可以看到的相關距離時,作為向下鉆孔深度計量使用,深度增量是傳感器之間的間距。
向下鉆孔傳感器,在井壁影響向下鉆孔傳感器運行的井中使用,遇到很大困難。例如,鋼質的井壁一直被認為是電磁測量地巖層特性的障礙。傳導襯件所引出的問題在下列文獻中有所描述地球物理學(Geophysics),Vol.54,No.1(1989)中Augustin et al的“ATheoretical Study of Surface-to-Borehole Electromagnetic Loggingin Cased Holes”;德克薩斯州SEG Annual Meeting(1991)中Uchidaet al的“Effect of a Steel Casing on Crosshole EM Measur ements”;地球地理學(Geophysics),Vol.59.No.3(1994)中Wu et al的“Influenceof Steel Casing on Electromagnetic Signals”。這些現有技術參考資料說明發送機和傳導襯件的耦合連接,在場中遇到的實際巖層的阻力范圍內,獨立于周邊地質巖層電導性,同時也說明離發送機幾米距離的傳導襯件內部產生的磁場僅僅取決于傳導襯件的特性,而不是地質巖層的特性。
圖1說明應用于在使用電磁感應的兩個鉆井12a和12b的之間測量地質巖層10阻力的典型設備。發射機T位于一個鉆井中,而接收機R位于另外一個鉆井中。發射機T典型的包括多匝(包括NT匝線)線圈(未示出),纏繞在橫截面為AT的透磁磁芯上(金屬,鐵氧體及其他鐵磁原料)。發射機T還包括用于調諧線圈頻率電容器(未示出)。當頻率f0的交流電IT通過多匝線圈時,發射機產生隨時間變化的磁距MT。該磁距表示為MT=NTITAT(1)磁距MT被接收機R檢測為磁場B0。發射機T,接收機R或者兩者都設置在地表巖層10的鉆井中(如12a和12b)。此時,檢測到的磁場B0與發射機的磁距MT和地質系數K1成正比,即B0=k1MT(2)地質系數K1是與發射機磁距MT有關的磁場B0場分量空間和方向函數。
接收機R典型的包括一個或多個天線(未示出)。每個天線包括多匝線圈,繞在透磁經書或鐵氧體芯上。接收機R識別出的變化磁場在接收機線圈(未示出)中產生感應電壓。該感應電壓(VR)是檢測到的磁場(BR),頻率(f0),接收機線圈匝數(NR),線圈有效橫截面面積(AR)和線圈透磁性(ρR)的函數。這樣VR可以表示為VR=πf0BRNRARρR(3)其中f0和NR已知,AR和ρR難以計算。實際中,這些常量組合為KR,等式(3)可以簡化為VR=kRBR(4)其中kR=πf0NRARρR。這樣,不需要判定AR、ρR的乘積,可以根據下列方法更加方便的判定出KR。首先,接收機線圈在已知磁場中具有標準刻度標記,頻率已知。然后,KR的確切值根據下面的等式,來自磁場(BR)和測量電壓(VR)kR=BR/VR(5)當該系統放置在傳導地質巖層時,由發射機磁距產生的隨時間變化的磁場B0,生成地質巖層中的電壓,依次驅動其中的電流L1。電流L1與地質巖層的電導性成正比,一般與鉆井的縱軸同軸。接近鉆井的磁場來自被稱做第一磁場的自由空間磁場,而來自電流L1的磁場被稱做第二磁場。
電流L1與發射機電流IT異相。在極低頻率處,感應電抗很小,電流L1正比于dB/dt,其相位相對IT有90。的偏移。隨著頻率的增加,感應電抗也增大,感應電流L1增加到900以上。電流L1感應出的第二磁場也與感應電流L1異相,因此接收機R檢測到的總磁場情況復雜。
接收機R檢測到的復雜磁場可以分解為兩個分量與發射機電流IT同相的實分量IR和有90°相移的虛(或積分)分量II。磁場中特定頻率的實分量IR和積分分量I1的值以及幾何設置唯一指定了沖擊鉆打孔的均勻巖層的電阻率。而在非均勻巖層中,沿接收機鉆孔縱軸在每個接收機位置的連續點處測量復雜磁場。這樣獲得的測量值的多樣性可以用于判定鉆孔之間非均勻巖層的電阻率。
上述測量均勻地質巖層電阻率或測量非均勻地質巖層電阻率兩種情況中,在提取碳氫化合物之前進行測量。這是因為鉆井典型的由傳導襯件(如金屬襯件,參見圖3中的16a和16b)組成,以保護在抽取碳氫化合物時鉆井的物理完整性。傳導襯件干擾了電阻率的測量,一旦安裝在鉆井中就難以取出。因此,一旦開始抽取碳氫化合物,圖1所示的現有技術系統不適合分析碳氫化合物儲層。
發射機傳導襯件內部的實際或有效磁距Mθff由發射機和傳導襯件間的傳導耦合決定。一般的,傳導襯件的電阻系數很小,感應系數很大。此特性導致電流和傳導襯件感應的發射機電流幾乎大小相同。楞次定律(Lenz’s law)指出在傳導襯件中的感應電流生成的磁場將反抗發射機電流產生的隨時間變化的磁場。這樣,發射機產生的磁場幾乎被傳導襯件生成的磁場抵消掉。因此,傳導襯件的外部磁場被極大削弱,其強度與發射機和傳導襯件的電流差成正比。傳導襯件將發射機與位于傳導襯件之外的任何接收機“屏蔽”。
模擬一種接收機被傳導襯件環繞的情況。被檢測磁場感應的電流與接收機線圈同軸,減弱了襯件內的磁場。因此,被檢測磁場大幅度衰減,襯件特性的變化引起的衰減極大的影響測量,其實施例參照圖2中的坡度曲線的表示。如果接收機和接收機均被傳導襯件環繞,情況更加嚴重。通常,下套的井的交叉井勘測的設計準則將信號降低到無法被標準接收機檢測出的電平。而且,沿襯件縱軸的電導性,滲透性和深度變化使在任何特定點都很難判定衰減因素。
均勻巖層中環繞發射機的鋼質殼體造成的衰減基本上維持在距離源幾米的位置。因為衰減和所述磁場成一定比率,所以在此參考,Nichols提交的美國專利第6,294,917B1號中提到的消除套管的影響。在Wilt和Nichols提交的美國專利第6,393,363B1號中提到,磁場的不變性也可通過計算所述的位移算子得以消除。然而,對于多個下套的井來說,比率和位移算子的方法優化的使用適用所發射場的外部監控器。
發明內容
公開了一種方法,用于通過從第一鉆井中的發射機感應的電磁場在鉆井中定位具有傳導襯件的接收機,通過位于具有傳導襯件的第二鉆井中的至少一個接收機在第一位置檢測由發射機所感應的第一電磁場,通過至少一個接收機在第二位置檢測由發射機感應的第二電磁場,以及計算基于第一和第二電磁場的第一位置的幾何坐標集。
公開了另一種方法,用于通過在鉆井中在第一位置感應第一磁場以繪制通過地表巖層的下套的井的軌跡,檢測感應的第一磁場在鉆井中的第二位置的第一響應,檢測感應的第一磁場在鉆井中第三位置的第二響應,以及在鉆井一定深度范圍內重復感應和檢測步驟,并計算基于被檢測的響應確定鉆井的軌跡的幾何坐標。
圖1是使用交叉井電磁分析的地質巖層的透視圖;圖2是設置在已用傳導襯件成殼的鉆井中以接收機感應的磁場的圖形表示;圖3是按照公開的主題的示例性交叉井電磁系統的視圖;圖4是按照公開的主題的示例性單井電磁系統的視圖;圖5是使用圖3所示系統確定下套的井的軌跡的已公開的方法的流程圖;以及圖6是已公開的軌跡繪制的示例性的輸出。
具體實施例方式
根據已公開的主題的實施方式,規則的倒置巖層消除了來自磁場的殼體影響以在未封閉鉆井中生成等同的數據。獲得的解決方法取決于勘測幾何數據和正測量巖層的電導性。
參考圖1,接受分析的地質巖層11包括一個或多個鉆井,圖中記作附圖標記12a和12b,和資源儲層,該示例中附圖標記14a和14b表示了一個或多個碳氫化合物儲層。典型的,鉆井12a和12b中的至少一個是用傳導襯件16a和16b成殼,圖3中更清楚地示出。被用來分析地質巖層的系統19包括在鉆井12a,地質巖層的第一區域中設置的發射機20。和發射機20的信號通信的是包含在地表站22的信號發生器。如附圖標記26所示,鉆井12b中設置接收機24。發射機20和接收機24使用標準的七個導線絞盤,纜線和標準的七針Gerhardt-Owens纜線連接器配置。系統19使用包含在地表站28中的計算機(未示出)進行操作,其與發射機20和接收機24進行數據通信。計算機(未示出)包括處理器(未示出)和用于存儲需要操作系統19的程序的存儲器(未示出)。應當注意到,盡管為清楚起見圖中示出的鉆井12a和12b是基本上直的豎直井,但是對于鉆井而言改變圍繞Z軸線或者深度軸線的軌跡是非常常見的。
典型的,發射機20在關注的區域內、上方和下方的不同垂直位置產生磁場。例如,接收機24感應的磁場在關注的區域內、上方和下方r1,r2和r3的不同垂直點位置被感應。在示例性實施例中,發射機20放置在未設有殼的鉆井中,并在固定的深度位置s1,s2以及s3,以3-5米/分的速率橫過。接收機保持在設有殼的鉆井中的一個固定位置,例如r1。發射機20在先前提到的固定的深度點之間移動后,接收機在帶襯的鉆井內被移動到一個不同點,如r2,且發射機20再次橫過固定深度的位置之間。然而,由于上面討論的原因,襯件對測量具有負面影響。
為消除襯件的影響,在授予Wilt et al的美國專利第6,393,363號中更充分地公開的巖層的模型用于計算接收機24所感應的磁場,其對應在沒有電傳導襯件時獲得的相同信息的情況。從這個模型化的演示中,可以識別和去除包含在由接收機24感應的磁場中的殼體信息的近似值。然后更正的數據被用來確定用于巖層電阻系數的新模型,且該處理過程被重復多次。每次將殼體信息更為準確的去除,且更加精確地恢復巖層響應。
在授予Nichol的美國專利第6,294,917號中詳細公開了另一個方法,可以用來通過測量地質巖層作為在鉆井中設置的一個或多個接收機感應的兩個磁場的比率的函數特性來補償傳導襯件的影響。特別的,在殼體外的分離位置由殼體內的相同發射機形成至少兩個測量。這種情況下,兩個測量的比率僅僅取決于巖層,因為在該比率中取消了殼體影響條件。當發射機和接收機處于分開的下套的井或在單個下套的井中時,可以使用同樣的原理更正殼體的影響。最終結果是在下套的井外的巖層特性的測量,其與不存在殼體的情況下取的相同巖層的虛擬測量值相同或者非常接近。
由授予Conti的美國專利申請09/879,252中更為詳細公開了另一個方法,以減少或使巖層測量中的殼體的影響最小。該方法使用多個接收機的方法,其中第一接收機具體地被調諧到幾乎唯一地按照鉆井殼體中感應的磁場。第二接收機檢測整個磁場,包括在巖層和鉆井殼體中感應的磁場。第一接收機的測量用來更正第二和其它接收機的測量。
對于一般的方法,假定殼體數據和真實數據之間的關系可表示為Hc=C1HC2(6)其中Hc=Hc(si,rj)i=1,2...ns;j=1,2...nr(7)是殼體中的磁場的矩陣作為源s和接收機r的函數,H=H(si,rj) i=1,2...ns;j=1,2...nr(8)是未設有殼的鉆井中的磁場C1=diag{c1(1),c2(1)...cns(1)} (9)是源周圍的殼體系數,以及C2=diag{c1(2),c2(2)...cnr(2)} (10)是接收機周圍的殼體系數。
假定沿鉆井的處理是連續的,并且,Hc和H是s和r的復雜函數。C1和C2是殼體的連續函數,等式(6)可重記作
Hc(s,r)=C1(s)H(s,r)C2(r). (11)為消除殼體系數,兩邊取對數,得出log(Hc(s,r))=log(C1(s))+log(H(s,r))+log(C2(r)).(12)殼體條件可通過對r和s連續求導來清除,得出(d2log(Hc(s,r)))/dr ds=(d2log(H(s,r)))/dr ds. (13)等式(13)表示H域中的比率,但它是對數域中的簡單求導。參見圖3,其中應用兩個源/發射機的位置(S1和S2)和兩個接收機位置(r1和r2),然后等式(13)的數字化形式可記作δH=1s2-s1(υs2r2-υs1r2r2-r1-υs2r1-υs1r1r2-r1)---(14)]]>其中v=log(Hc)。δH定義的新數據集不取決于殼體,因此其可應用于恢復接收機鉆井的幾何形狀。注意到為了得出等式(14),沿鉆井的兩個不同源和接收機的位置是必需的。例如,兩個測量位置之間的間距D,S2-S1,r2-r1,優選的為發射機井和接收機井之間的間距的5%,得出Hc(檢測場)和D。定義新數據集δH。一般的,δH取決于勘測幾何位置和巖層電導性。
δH=δH(xr,yr,zr,σ) (15)因此,從數據集δH可判定幾何形狀(或位置)和電導性。然而,試圖從等式(15)定義幾何形狀和電導性可能數學上是不穩定的。因此,使用感應對數數據可以合理假定電導性。更重要的是,電導性的效應在低頻時對數據的影響比幾何形狀在低頻時的影響小的多。所以使用假定的電導性,可以得出下面的函數
=‖δHobs-δH(xr,yr,zr,σ已知)‖2(16)其中δHobs是磁場數據,δH(xr,yr,zr)是根據假定的巖層電導性和幾何參數計算出的模型結果,對等式(16)采取最小平方方法,能夠獲得將目標函數φ最小化的接收機位置。因為等式(16)的目標函數取決于(x,y,z),倒置會生成最小化等式(16)最佳的(x,y,z)。等式(14)中的每個r和s值依次由一個(x,y,z)坐標限定。將發射機位置或s的位置視為參考點。等式(16)的結果定義接收機或r的位置。
注意到如果不了解有關巖層電導性的先前信息,等式(16)仍可以按照幾何形狀和巖層電導性,使用單個頻率數據得出結果。如上所述,如果綜合低頻數據,等式(16)可忽略巖層電導性,且可按前述方法直接得到幾何形狀。另一方面,使用高頻數據時,幾何形狀和電導性相互關聯,很難區分二者影響。
為實現高頻應用,一種實施方式是綜合雙頻數據,一個高頻(幾百Hz)和一個低頻(幾十Hz)。如前所述,低頻數據更依賴于幾何形狀,而不是巖層電導性,也就是說可以假定一個基于其它地質/地球地理信息的巖層電導性的正確值。即使假定值不精確,仍可以使用低頻數據解決幾何形狀。一旦確定幾何形狀,使用高頻數據由等式(16)評估的巖層電導性變成了簡單的倒置問題。
注意到等式(16)也可應用于單井配置。就是鉆井幾何形狀可使用多個接收機和發射機在單個下套的井中勘測。在單井應用的情況下,典型的配置包括在單一向下鉆孔工具中的多個接收機和發射機。參照圖4,其中發射機54和60,接收機56和58是同一工具52的一部分。在單井設置中,不使用靜止接收機。實際上,如在s1和s2,沿鉆井進行測量。可根據上述的一項或多項技術實現殼體的修正,如比率的方法。在上述參考交叉井應用中討論的與單井應用也是同樣的考慮,如測量位置之間的間距。例如,盡管工具操作和設置可變化,但是應用在2米和50米之間,工作頻率為幾千Hz的發射機-接收機間隔已得到可接受的結果。而且,盡管實際中接收機典型的位置低于發射機,但是發射機和接收機的位置可以變化,只要間距已知或者能夠合理近似,這里,了解參考點的坐標(一般為鉆井的頂端)就可以沿井定義絕對坐標。
現參照圖5,顯示了為獲取下套的井的幾何形狀的示意性過程的流程圖。首先在步驟500,至少一個發射機被下放到第一鉆井中,根據第一實施例,發射機低于所希望的勘測深度的最低點。在步驟502,至少一個接收機被下放到第二鉆井中。在單井設置中,在同一鉆井中放置一個發射機和兩個接收機。如上所述,發射機/接收機配置可根據采用的修正方法進行改變。例如,可在發射機條件近似情況下采用兩個或多個測量值實施比率殼體修正方法。根據第一實施例,在第一鉆井中使用單個發射機的同時在第二鉆井中使用多達四個接收機。根據另一實施例,第一鉆井中的多個發射機可用來同時向第二鉆井中的多個接收機發送。
繼續進行步驟504,發送一個低頻EM場,同時工具從底部勘測點沿鉆井上移。可持續進行發送,同時工具繼續向上移動或根據從接收機接收的離散時間間隔分時段移動。低頻磁場用于使接收測量的巖層特性的影響最小。這種方法中,低頻EM場允許多個相對幾何形狀的鉆井操作數據而不是巖層特性,如巖層電導性。而且,如果巖層特性已知,比如合理近似的電導性,該數據可用于提高由接收機工具獲得的數據精度。
在步驟506,隨著接收機在鉆井中上移,在離散時間點同時進行測量。因為測量同時進行,可以確定發射機條件對于在每個接收機不同測量的條件相同。接收機接收的數據包括與發射場對應電磁場的強度和相位。在這些初始步驟中,接收機的位置保持不變,而發射機位置上移,在發射機移動勘測的深度后,接收機在第二鉆井中的新位置重復其過程。重復步驟500和508步之間的處理,直到接收機位置跨過第二鉆井的所希望的勘測深度。或者,重復處理步驟直到在預定精度范圍內獲得足夠數據,計算第二鉆井(帶有接收機的鉆井)的幾何形狀。特別的,對于第二鉆井不需要對每個點進行測量以獲得鉆井幾何形狀。實際上,可應用數據點的離散數推斷整個勘測的長度。這樣,接收機的位置數據或發射機工作數據依賴于鉆井繪制的所需的精度。
一旦獲得數據,則在步驟510應用殼體修正方法可消除掉殼體影響。如前所述,可根據任何已知技術完成此操作,如使用比率測量,使用僅調諧至殼體磁場響應的附加接收機,以及軟件模型技術。在殼體修正中,總體的數據修正以檢測非下套的井中處理是否適用。在這點上,接收的磁場可表示為勘測巖層和幾何位置的函數。
H修正=f(σ,x,y,z)(14)其中σ是巖層電導性,(x,y,x)是測量EM場的接收機相對于發射機的位置。如上所述,低頻EM場中,巖層特性將生成很小的第二感應磁場。因此,實質上可以忽略對已測場的影響。另一方面,已測場完全取決于發射機和接收機的間距。實際上,發射機的EM場正比于 其中r是發射機和接收機的間距。幾何位置的影響清楚地控制EM場的測量。
通過上述提到的殼體修正處理可獲得等式(14)的左邊部分。根據等式(14),殼體修正數據幾乎取決于低頻EM場測量下的幾何勘測。從中,能夠構建包括殼體修正觀測數據和模型響應的目標函數。模型響應源自Maxwell等式,允許根據巖層電導性和勘測幾何位置計算EM場。因為電導性可以假定,只需要變化幾何關系(x,y,z)使模型響應與觀測數據匹配。此為步驟512的倒置過程。已知的最小平方程序用于倒置過程,以獲得與每組發射機位置相應的接收機位置。在530步驟經過倒置得出x,y和z坐標。(x,y,z)數據表示在相同測量下,接收機相對發射機的位置。這說明在處理中,發射機位置用作參考位置。接收機井的每個(x,y,z)坐標定義為相對于發射機井的(x0,y0,z0)。如果已知發射機位置的合理評估值(通過陀螺儀或定位方法,如線深度)可以在532步驟應用此方法以獲得接收機測量位置的絕對位置。
圖6說明的是鉆井幾何形狀繪制的x,y,z坐標的示例性生成。x坐標表示接收機沿平行發射機鉆井的水平方向的位置。z坐標表示鉆井中接收機的垂直位置或深度。如上討論的,可基于已知的或最佳合理假設的發射機位置,或發射機在井中設置的幾何位置,獲得鉆井的絕對幾何位置。而且,盡管未示出y坐標,但y坐標表示沿發射機鉆井正交軸的接收機的水平位置。
所示修正的坐標接近基于最佳有效信息假定的場坐標。可以看出,使用公開的方法獲得的修正的坐標提供更新的判定。例如,沿x軸的數據的場坐標假定為常量,這就是說,勘測的鉆井最初假定平行于發射機鉆井。然而,修正的x坐標表明勘測鉆井接收發射機鉆井,較之中間接收機的位置向前或向后一些距離。而且,修正的z坐標或深度,表明每個接收機位置上的接收機比預想要稍微深些。這樣的精確數據對于某些向下鉆孔操作如打孔或精確的巖層評估測量非常重要。
本發明使用有限幾個實施方式進行描述,從中受益的現有技術人員可以在不脫離本發明公開范圍的前提下對其進行改動。因此,本發明范圍僅受所附加權利要求的保護。
權利要求
1.一種繪制下套的井穿過地表巖層的軌跡的方法,所述方法包括在鉆井中的第一位置感應第一磁場;在鉆井中的第二位置檢測對所述感應的第一電磁場的第一響應;在鉆井的第三位置檢測對所述感應的第一電磁場的第二響應;在鉆井深度的范圍內重復感應和檢測步驟;以及根據被檢測響應計算確定鉆井的軌跡的幾何坐標集。
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述磁場是低頻電磁場。
3.如權利要求1所述的方法,其特征在于,在多個頻率上重復所述感應和檢測步驟,其中第二頻率電磁場受巖層的電導性影響小于第一頻率磁場。
4.如權利要求3所述的方法,其特征在于,所述計算步驟還包括基于所述第二頻率磁場的響應以及巖層的電導性的評估值計算所述幾何坐標集;以及根據基于所述幾何坐標集的所述第一頻率磁場的響應計算巖層的更新電導性。
5.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述鉆井包括至少兩個鄰近的鉆井,所述第一位置位于所述第一鉆井中,所述第二和第三位置位于所述第二鉆井中,所述幾何坐標集確定所述第二鉆井的軌跡。
全文摘要
一種方法,用于通過在具有傳導襯件的第一鉆井中發射機感應的電磁場定位接收機,通過位于具有通過傳導襯件的第二鉆井中至少一個接收機和發射機所感應的第一電磁場檢測第一位置,通過至少一個接收機和發射機感應的第二電磁場檢測第二位置,以及計算基于第一和第二電磁場的第一位置的幾何坐標集。
文檔編號E21B47/092GK101089363SQ20071012861
公開日2007年12月19日 申請日期2004年5月31日 優先權日2003年5月29日
發明者E·哈伯, P·張 申請人:施盧默格海外有限公司