多分量鉆井雷達系統和方法
【專利摘要】本文公開了一種多分量鉆井雷達工具和方法。至少一些工具實施例采用了接收從所述工具發射的電磁脈沖的反射的至少兩個天線。處理器處理接收信號以識別反射信號并且確定距所述反射信號的源的方向和/或距離。可能的源包括巖層邊界、流體邊界、套管井、以及引起電磁特性差異的其他特征。除了反射信號以外，測量到的響應還可以包括對確定巖層電阻率和介電常數有用的直達信號測量值。每個天線可以發射并接收，并且可以并置天線以減小工具尺寸和降低處理復雜性。所公開的測井工具示例同時采用電偶極和磁偶極天線。
【專利說明】多分量鉆井雷達系統和方法
【背景技術】
[0001]在石油鉆井和測井領域，電磁測井工具常用于提供地下鉆井周圍的巖石層環境的電阻率的指示。在確定碳氫化合物的存在與否時，這樣的有關電阻率的信息是有用的。通常的電磁測井工具包括發射天線和沿工具的軸位于距發射天線不同距離的一對接收天線。發射天線用于在周圍巖層中建立電磁場。進而，巖層中的電磁場在每個接收天線中感生出電壓。由于周圍地下巖層的幾何分布和吸收，在兩個接收天線中感生的電壓具有不同的相位和幅值。實驗表明接收天線中感生電壓的相位差(Φ)和幅值比(衰減A)指示巖層的電阻率。
[0002]當將這樣的工具適用于需要較大檢測范圍和準確圖形的地質導向(geosteering)時，這些工具的基于頻域的操作具有一定的限制。在有限程度上，這些特征能夠設置有較寬的天線間距、多個測量頻率和復雜的變換算法。
[0003]已經提出了多個利用基于時域操作的工具，包括Fowler的美國專利4，297，699，“Radar drill guidance system(雷達鉆井引導系統)” ；Gianzero的美國專利5, 115,198 “Pulsed electromagnetic dipmeter method and apparatus employingcoils with finite spacing(采用有限間距線圈的脈沖電磁地層傾角測量方法和裝置)”；Van Oers 的美國專利 6, 712, 140 “Borehole radar antenna and algorithm, method andapparatus for subsurface surveys (用于地下勘探的鉆井雷達天線和算法、方法和裝置)”;Stolarczyk 的美國專利 6, 778, 127“Drillstring radar (鉆柱雷達)”;Larsen 白勺美國專利 7，123，016“Systems and methods useful for detecting presence and/or locationof materials (有助于檢測物質的存在和/或位置的系統和方法)”；以及Itskovich的美國專利 7，046，009,“Method for measuring transient electromagnetic components toperform deep geosteering while drilling(測量瞬變電磁分量以實施隨鉆深地質導向的方法)”。并未發現已經提出的這些工具中的任何工具被證明具有商業可行性。筆者認為，這個結果至少部分是由于在鉆井環境中的極端條件下昂貴的電子器件被證實易于損壞，部分則是由于使用天線構造使得變換和解讀過程復雜化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0004]當結合附圖思考下列詳細描述時，能夠取得對各種公開的實施例的更好的理解，附圖中:
[0005]圖1示出說明性的包括傾角巖層邊界的隨鉆測井環境；
[0006]圖2示出說明性的電磁測井工具天線構造；
[0007]圖3示出限定傾斜天線的取向的角度；
[0008]圖4示出將鉆井外周劃分成方位角區塊。
[0009]圖5是說明性的電磁測井工具的電子模塊的方框圖；
[0010]圖6是說明性的電磁測井方法的流程圖；
[0011]圖7是說明性的變換操作的數據流程圖；[0012]圖8至圖13是在不同的測井條件下相對于時間的接收到的信號脈沖幅值的圖表;
[0013]圖14至圖16是取決于各種參數的檢測范圍的圖表；
[0014]圖17至圖18示出說明性的取決于工具位置的信號響應；
[0015]圖19示出從圖18的信號響應中提取的方向信息；
[0016]圖20至圖21示出從圖18的信號響應推導出的距離和方向值；
[0017]圖22至圖23示出說明性的取決于工具位置的信號響應；以及
[0018]圖24至圖25示出從圖23的信號響應推導出的距離和方向值。
[0019]通過示例的方法，在附圖中示出特定的系統和方法實施例并且詳細描述如下。然而應理解的是，附圖和詳細說明無意限制本公開，相反，其意圖覆蓋落在所附權利要求范圍內的所有改進、等同和替代方案。
【具體實施方式】
[0020]于是，本文公開了一種使用多分量雷達以檢測巖層異常處(諸如地床邊界或者其他井眼)的鉆井工具及其系統、方法和這種工具的應用。一些工具實施例包括接收從工具發射的電磁脈沖的反射的至少兩個天線。處理器處理接收信號以識別反射信號并且確定到反射信號源的方向和/或距離。可能的源包括巖層邊界、流體邊界、套管井、以及引起電磁特性差異的其他特征。每個天線可以發射和接收，并且這些天線可以并置(collocated)以減小工具尺寸以及降低處理復雜性。所公開的測井工具示例同時使用電偶極天線和磁偶極天線。
[0021]至少一些方法實施例包括:從鉆井中的工具發射電磁脈沖；測量該電磁脈沖的自分量和交叉分量響應；以及確定一個或多個反射信號源的距離和/或方向。除了反射信號以外，所測量到的響應還可以包括有助于確定巖層電阻率、介電常數和滲透率的直達信號(direct signal)的測量值。
[0022]在操作所公開的工具的更大規模的系統環境中，可以最佳地理解所公開的工具的操作和使用。因此，圖1示出說明性的隨鉆測井(logging while drilling,LffD)環境。鉆探平臺2支撐具有活動塊6并用于升高和降低鉆柱8的井架4。在鉆柱8通過井口 12降低時頂驅10支撐并且旋轉鉆柱8。鉆柱(和/或井下馬達)轉動鉆頭14以沿鉆井16延伸。泥漿再循環設備18將鉆液從滯留坑20通過進料管22抽取到頂驅10，向下通過鉆柱8的內部，通過鉆頭14中的節流孔，經由鉆柱8周圍的環形體返回地面，通過防噴器并返回坑20中。鉆液將鉆屑從鉆井輸送到坑20中并幫助保持鉆井完整性。
[0023]井底組件(即，鉆柱8的遠端部分)包括被稱為鉆鋌(drill collar)的厚壁管，從而增加重量和剛度以有助于鉆探過程。這些鉆鋌的厚壁使其有助于容納儀器和隨鉆測井(LffD)傳感器。于是，例如，圖1的井底組件包括具有電磁測井工具的工具組件24以及控制和遙感模塊26。井底組件中還可以包括其他工具和傳感器以收集諸如位置、取向、鉆頭重量、鉆井直徑等鉆探參數的測量值。井底組件中還可以包括井下電機和導向機構。
[0024]隨著鉆頭穿過巖層在鉆井中延伸，LffD工具組件24旋轉并收集多組分雷達測量值，使得井下控制器與工具的位置和取向測量值相關聯而形成鉆井周圍的巖層三維地圖。控制/遙感模塊26從各種井底組件儀器收集數據并且將數據存儲在內部存儲器中。選取的部分數據可以通過例如泥漿脈沖遙感傳達到地面接收器28。還存在其他隨鉆測井遙感方法并且可以使用這些方法。例如，可以采用具有可選的中繼器30的穿墻聲學遙感以延長遙感范圍。作為另一個示例，鉆柱8可以由線纜鉆管形成，該線纜鉆管使波形或圖形能夠實時發射到地面，以使得能夠實時進行質量控制和處理，以便優化測井分辨率。大多數遙感系統還可以將指令從地面傳達到控制和遙感模塊以配置工具的操作。
[0025]地面接收器28將遙感信號傳達到計算機系統50或者一些其他形式的數據處理設備。計算機50根據軟件(軟件可以存儲在信息存儲媒介52上)運行，并且經由輸入設備54接收用戶輸入以對接收信號進行處理和解碼。可以由計算機50進一步分析和處理得到的遙感數據以生成在計算機顯示器56或者一些其他形式的顯示設備上顯示的有用信息。例如，鉆探者可以采用此系統以獲得巖層邊界或者在井底組件附近現有井眼的地圖。然后鉆探者可以采用可旋轉的導向系統或者導向葉片(steering vane)以導向鉆探組件并且相對于巖層邊界或者現有井眼來視需要定位鉆井。
[0026]可以用工具面角(旋轉取向)、傾斜角(斜率)和水平角(羅盤方向)來指定井底組件的取向。如現有技術通常定義的，傾斜角是豎直向下的偏向，水平角是水平面偏離正北的角度，并且工具面角是偏離鉆井的上側的取向角(圍繞工具軸旋轉)。(因為在豎直井中沒有“上側”，所以在這樣的井中的旋轉角從正北測量。由于這個原因，即使在偏向的鉆井中，旋轉角也常被稱為“方位角”。)每個取向角可以由磁強計(magnetometer)、測斜計(inclinometer)和/或加速度計測量，但是也可以替代地使用諸如陀螺儀等其他傳感器類型。在一個具體的實施例中，該工具包括3軸磁通門磁力計和3軸加速度計。如現有技術所已知的，這兩種傳感器系統的結合能夠得到工具面角、傾斜角和羅盤方向(compassdirection)的測量值。LWD工具組件可以包括位置和取向模塊，位置和取向模塊需要這樣的取向測量值并且將其與陀螺儀或慣性測量值結合以準確跟蹤工具的位置和取向。
[0027]電磁測井工具的電子器件容納在鉆鋌內，其中天線位于鉆鋌外，通常在鉆鋌表面的凹槽中，如圖2所示。該凹槽可以填充有非導電性樹脂以支撐和保護天線。可替代地，或者疊加地，可以在天線上放置保護蓋。該蓋可以由導電性材料制成，只要設置開口以允許發射和/或接收電磁能。
[0028]如圖3所示，環形天線取向可以用傾斜角ξ和方位角α來指定。傾斜角ξ在工具的縱軸和天線的法向向量N之間測得。方位角α處于垂直于工具的縱軸的平面中并且在工具面劃線(tool face scribe line)與天線的法向向量N的投射之間測得。
[0029]工具110(圖2)具有三個一組的并置天線112、114、116，具有54.7°的傾斜角和120°的方位角間隔以提供正交性。這樣的工具能夠提供完整的一組自分量和交叉分量測量值，其可以用于合成任意取向天線的響應。然而，三個一組天線構造具有一定的制造困難，這可以通過使用諸如工具100那樣的雙重天線系統來避免。工具100具有兩個天線102、104以45°傾斜并且方位角相反以提供正交性。根據共同審理中的美國專利申請 12/294,557 “Antenna coupling component measurement tool having a rotatingantenna configuration (具有旋轉天線構造的天線稱合分量測量工具)”，在一定假設下，隨著這兩個天線旋轉所取得的測量值將提供所有的自分量和交叉分量測量值。如果天線的共同位置被視為是不理想的，則制造者能夠采用工具120的構造，其中天線122、124間隔開，但是這可能使信號處理和變換復雜化。[0030]隨著工具旋轉并沿鉆井前進，工具需要測量值并將這些測量值與鉆井位置和方位角相關聯。相近的位置和角度可以被分組成“區塊(bin)”，并且對每個區塊中的所有測量值求平均或者組合每個區塊中的所有測量值，以提高測量值質量。圖4示出說明性地將鉆井外周劃分成N個角區塊。N通常大于8并且一般可以為數百個。
[0031]圖5是電磁測井工具的說明性實施例的電子器件的方框圖。當提供觸發信號或者在一些實現中提供數字波形時，數模轉換器502產生模擬發射信號。每個發射器504提供頻率上移、放大以及阻抗匹配，以有效地驅動對應的天線506。天線506運行以將電磁能輻射到巖層中和/或從巖層接收電磁能。為了保護敏感的接收器電子器件，當相應的發射器驅動天線時時間門(time gate) 508將天線506從接收器510去耦合。否則，接收器510提供放大、濾波、頻率下移、以及增益控制以適當地調整接收信號用于模數轉換器512的數字化。數據緩沖器514使得多個接收器和發射器能夠同時運行而不對工具的處理器516施加過于嚴格的性能要求。處理器516將所需的測量參數寫到合適的緩沖器514 (例如，選擇特定的天線作為發射天線，以指定所需的信號幅值、頻率以及脈沖定時，并且指定所需的記錄窗口)，并且在適當的延遲之后，從所需的接收天線收集數字化的波形。處理器能夠在存儲器518中存儲測量數據，如果需要則處理測量數據，并且經由通信界面通過遙感通道將測量數據傳達給該界面處的數據獲取系統。
[0032]在至少一些實施例中，天線506為并置的多分量天線。圖2所示的天線為環形(“磁偶極”)天線，但是也可以使用正交取向的電偶極天線。通過適當地定向電極、線纜、環形線或喇叭形天線，可以實現或近似這種天線。一般而言，處理器516管理具有線性獨立取向的N個并置偶極天線的發射、接收以及處理操作以提供一個以上極化(polarization)的測量數據。可以使用傾斜線圈、非傾斜線圈、電磁線圈和/或磁力計實現磁偶極天線。天線偶極的取向可以選為相互正交以優化工具的方向或各向異性靈敏度。當然，可以組合來自不同取向的天線的測量值以確定本來由其他取向的天線所測的測量值。并且，可以利用鉆柱的旋轉來從不同取向獲得數據。一些工具的實施例具有定位在沿鉆柱的不同位置的天線以改善圖形范圍及分辨率。
[0033]圖6示出說明性的測井方法，其可以由井下處理器516實施、可以由地面計算設備522實施、或者由兩者協作實施。在方框602中，選擇初始的發射器。在方框604中，激發所選擇的發射器，并且從每個接收器響應性地取得數字波形。考慮使用數個信號波形，包括隔離的方形、三角形或者高斯脈沖。也可以采用線性調頻脈沖(chirps)和其他載波調制的脈沖。可以使用重復脈沖以提高信噪比，以便能夠調制連續波雷達信號。可考慮的脈沖寬度包括從IOOps到I μ s的范圍，優選低于IOOns的寬度，但其他脈沖寬度也可以是合適的。當接收器在接收模式并且啟用相關聯的時間門時，從天線接收到的信號被遞送到數據緩沖器。隨著第i個發射器的激勵，除了 i以外的所有接收器開始接收數據。此階段原則上也可以開始從接收器i接收，但是至少一些實施例延遲接收器i上的測井數據直到天線的發射后振鈴(ringing)已停止或可忽略不計。處于接收模式足夠長的時間后，可以關閉所有的接收器。
[0034]在方框604中，還可以捕捉工具的位置和取向并且用于將接收器響應測量值與方位角區塊相關聯。(方位角區塊同時具有角度范圍和軸向范圍。)在方框606中，當前的測量值用于為所給定區塊更新每個接收器的平均響應。[0035]在方框608中，進行測試以確定是否需要額外的測量值或者是否在當前鉆井位置將出現額外的測量值。例如，在具有多個發射器的工具中，希望具有來自每個發射器的測量值。需要額外測量值的其他原因包括在實施額外的處理之前在每個方位角區塊內具有所需數量的測量值，或者在實施額外的處理之前具有至少給定數量的方位角不同的測量值。如果在當前位置處期望額外的測量值，則可以將額外的處理推遲到已經收集所有相關的測量值為止。該方法重復方框602-608，直到獲得足夠數量的測量值。
[0036]一旦在鉆井的給定位置獲得足夠數量的測量值，則該方法繼續方框610中可選的預處理。例如，在方框610中，處理器可以組合來自不同接收器的測量值以合成能夠被導向以使任何給定方向的靈敏度最大化的虛擬天線的測量值，或者可以處理測量值以對工具電子器件的變化提供補償。
[0037]在方框612中，系統處理工具測量值以確定巖層介電常數、電阻率和滲透率，以及巖層中任何異常處的距離和方向，這些異常處諸如為地床邊界、流體邊界、斷裂或其他形式的巖層空隙、現有的井眼、或者在附近產生電磁差異的任何其他地下特征。還可以確定異常處的電磁特性(例如，介電常數、電阻率和滲透率)。下面進一步描述一定的變換策略以表明能夠輕松地從接收信號中抽取參數，但是可以采用任何標準的巖層特性變換，包括庫匹配以及迭代正演建模(forward modeling)。在方框614中，可以更新實時顯示以反映最新的測量值。在方框616中，實施測試以確定測井過程是否繼續，如果繼續，則系統返回到方框602。否則，在方框618中，系統向用戶顯示測量測井數據。可考慮的測井數據包括反映出的自分量電磁信號圖形、反映出的交叉分量電磁信號(角點)圖形、異常處的介電常數/電阻率/滲透率、異常處的方位角/仰角圖形、以及介電常數/電阻率/滲透率測井數據。測井數據還可以采取圍繞鉆井的空間的容積圖形的形式，或者取決于工具在鉆井中的位置和取向的一個或多個巖層特性的圖表。已知并且可以使用其他測井顯示數據。
[0038]在沿鉆井不同位置處可以重復數據獲取。在不同深度z處取得的波形數據可以表示為電壓Vu (t，z)，其中下標i和j表示關聯的發射器和接收器標號，并且t表示從發射器激發起測量的時間。當然，還可以使用電流、功率或者其他一些波形測量變量。有時電壓Vu(t，z)可以被看作圖形因為其依賴兩個維度(時間t和深度z)。如圖7所示，自分量電壓數據(即i = j)通常示出滲透率ε、介電常數μ或者電阻率P的任意差異的函數。交叉分量電壓數據(即i古j)，通常示出滲透率ε、介電常數μ或者電阻率P的傾角(dipped)特征或者角點(corner)特征的函數,只要偶極的取向大致正交并且巖層介質是各向同性的。
[0039]在此階段可以顯示圖形，或者如圖7所示，可以進一步處理圖形或者變換圖形以生成改進的電壓圖形或者滲透率/電阻率圖形作為輻射距離d和深度z的函數。在合適的情況下，變換可以產生與異常處相關聯的參數，諸如異常處距離da、以及方向(即方位角(K和仰角ea)。可以通過比較波形數據和預編的電壓響應庫，或者通過利用迭代方式的正演模型以找到產生最擬合實際測量值的預測響應的模型參數來實施變換。該庫可以由時間數據、深度數據、背景滲透率/電阻率、異常處距離、異常處方位角和異常處仰角參數組成。取決于待解決的問題范圍所需的靈活性，庫可以包括更多或者更少的參數。在未被庫中的參數范圍覆蓋的問題中，介電常數、滲透率、電阻率或者電壓圖形在視覺觀察上仍可以提供關于異常處參數的足夠信息。例如，即使準確的距離測量值不可用，反射信號的峰值也可以提供相對距離信息。
[0040]由于工具的多分量性質，不同的發射器可以激勵出不同極的電磁波以在接收信號數據中建立方向依賴性。結果，可以由Vij(Lz)波形獲得異常處的方向。例如，假設從偶極的正交集合獲得多分量數據Vij(Lz)，i = 1,2,3, j = 1,2,3.在每個時間和深度的數據張量可表示為
[0041]
【權利要求】
1.一種測井工具，包括:至少兩個天線，接收從所述工具發射的一個或多個電磁脈沖的反射；以及處理器，處理來自所述至少兩個天線的接收信號，以確定一個或多個異常處的方向。
2.如權利要求1所述的工具，其中所述一個或多個異常處包括具有不同電阻率的巖層區域之間的邊界。
3.如權利要求1所述的工具，其中所述一個或多個異常處包括套管井。
4.如權利要求1所述的工具，其中所述處理器進一步確定所述一個或多個異常處的估計距離。
5.如權利要求4所述的工具，其中所述處理器根據工具位置來處理所述接收信號，以便提供來自由如下構成的集合中的至少一個測井數據:反射的自分量電磁信號圖形；反射的交叉分量電磁信號圖形；介電常數圖形；電阻率圖形；滲透率圖形；異常處方位角圖形；以及異常處仰角圖形。
6.如權利要求1所述的工具，其中所述兩個天線是三天線組的一部分，并且其中所述三天線組中的每個天線從所述工具發射從所述電磁脈沖中選取的多個脈沖。
7.如權利要求6所述的工具，其中所述三天線組中的所述天線是實質并置的。
8.如權利要求1所述的工具，其中所述天線屬于由以下構成的集合中的類型:分離電極天線、電纜天線、環形天線、以及喇叭形天線。
9.如權利要求1所述的工具，其中所述天線屬于由以下構成的集合中的類型:線圈、傾斜線圈、磁強計、以及螺線管 。
10.如權利要求1所述的工具，其中所述電磁脈沖具有低于IOOns的寬度。
11.一種測井方法，包括:從鉆井中的工具發射電磁脈沖；測量對所述電磁脈沖的自分量和交叉分量響應，所述響應包括一個或多個反射信號；確定所述反射信號的一個或多個源的方向；以及將所述方向的表征傳達給用戶。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述確定進一步包括估計到所述一個或多個源的距離。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述一個或多個源是由以下構成的集合:套管井、巖層地床邊界、以及流體邊界。
14.如權利要求11所述的方法，其中所述工具包括:三個一組不同取向的天線，每個天線進行發射以及接收。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述天線至少近似于電偶極。
16.如權利要求14所述的方法，其中所述天線至少近似于磁偶極。
17.如權利要求11所述的方法，其中所述電磁脈沖具有低于IOOns的寬度。
18.如權利要求11所述的方法，其中所述響應進一步包括直達信號。
19.如權利要求18所述的方法，進一步包括從所述直達信號確定巖層的電阻率。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括從所述直達信號確定所述巖層的相對介電常數。
21.如權利要求11所述的方法，其中所述確定包括尋找正交偶極信號數據張量的特征向量 擴展。
【文檔編號】G01V3/00GK103477247SQ201180070241
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2011年4月18日 優先權日:2011年4月18日
【發明者】巴里斯·居內爾, 布爾考伊·東德勒哲, 邁克爾·S·比塔爾, 路易斯·E·桑·馬丁 申請人:哈利伯頓能源服務公司