深部地層估算系統(tǒng)和方法
【專利說明】深部地層估算系統(tǒng)和方法
【背景技術】
[0001] 現(xiàn)代石油鉆井和生產(chǎn)作業(yè)需要關于井下參數(shù)和狀況有關的大量信息。此信息通常 包括鉆孔和鉆井組合件的位置和定向、土壤地層性質(zhì)和井下鉆井環(huán)境的參數(shù)。與地層性質(zhì) 和井下狀況有關的信息的收集通常稱作"測井"且可在鉆井程序本身期間執(zhí)行（因此術語 "隨鉆測井"或"LWD"，通?？膳c術語"隨鉆測量"或"MWD"互換使用）。
[0002] 存在用于LWD的各種測量工具。一種此工具是電阻率工具，其包括用于將電磁信 號傳輸?shù)降貙又械囊粋€或多個天線和用于接收地層響應的一個或多個天線。當以低頻操作 時，電阻率工具可稱作"感應式"工具，且當以高頻操作時，其可以稱作電磁波傳播工具。雖 然以測量為主的物理現(xiàn)象可以隨著頻率改變，但是用于工具的操作原理是一致的。在一些 情況中，比較接收信號的振幅和/或相位與傳輸信號的振幅和/或相位以測量地層電阻率。 在其它情況中，彼此比較多個接收信號的振幅和/或相位以測量地層電阻率。
[0003] 當依據(jù)井下深度或工具位置繪制時，測井工具測量稱作"日志"。此類日志可以提 供碳氫化合物濃度的指示和有用于鉆完井工程師的其它信息。特定地說，對方位角敏感的 日志可以提供有用于操控鉆井組合件的信息，因為其可告知鉆孔機何時進入或退出目標地 層，藉此使得能夠對鉆井程序作出修改，所述修改與只使用地震數(shù)據(jù)的情況相比將提供更 大價值和更大的成功。然而，此類測井的效用通常被基床邊界的鉆頭穿透與足以警告鉆孔 機所述事件的測井信息的收集之間的延遲損害。
【附圖說明】
[0004] 當結合附圖考慮以下【具體實施方式】時可獲得對各個所公開實施方案的更好理解， 其中：
[0005] 圖1展示說明性隨鉆測井（LWD)環(huán)境。
[0006] 圖2A展示具有兩個測井工具模塊的說明性鉆柱。
[0007] 圖2B展示處于直立配置和彎折配置兩者中的說明性鉆柱。
[0008] 圖2C展示LWD工具模塊天線的位置的投影。
[0009] 圖3展示兩個測井工具模塊和地表系統(tǒng)的方框圖。
[0010] 圖4展示說明性方位角區(qū)間布置。
[0011] 圖5展示用于深部地層估算的說明性方法。
[0012] 圖6展示三個說明性鉆柱，各自具有三個測井工具模塊。
[0013] 應了解，附圖和對應【具體實施方式】并不限制公開內(nèi)容，而是相反地，其提供用于理 解屬于隨附權利要求的范圍的所有修改、等效物和替代物的基礎。
【具體實施方式】
[0014] 以下段落描述用于使用具有可以具有相對彼此不同的定向的多個模塊的隨鉆測 井（"LWD"）工具產(chǎn)生深部地層估算的說明性設備、系統(tǒng)和方法。首先描述適用于使用此類 設備、系統(tǒng)和方法的說明性鉆井環(huán)境，然后描述具有兩個LWD工具模塊的說明性鉆柱。還描 述且以數(shù)學方式表達容納于LWD工具模塊內(nèi)的天線之間的位置關系，正如此類關系對傳播 通過周圍地層的接收信號的影響一樣。本發(fā)明描述一種基于天線位置（即，位置和定向） 和接收信號執(zhí)行周圍地層的深部地層估算的說明性系統(tǒng)和由所述系統(tǒng)實施的基于軟件的 方法。最后，描述使用兩個以上LWD工具模塊的實施方案的實例。
[0015] 所公開設備、系統(tǒng)和方法在其工作的較大系統(tǒng)的背景下予以充分理解。因此，圖1 展示說明性LWD環(huán)境。鉆井平臺2支撐具有用于升降鉆柱8的游動滑車6的起重機4。頂 部傳動機構10支撐鉆柱8且隨著頂部傳動機構10通過井口 12下降而使鉆柱8旋轉。鉆 頭14是由井下馬達和/或鉆柱8的旋轉而驅動。隨著鉆頭14旋轉，其產(chǎn)生穿過各種地層 的鉆孔16。泵18使鉆井液體20循環(huán)通過供液管道22、通過鉆柱8的內(nèi)部而到鉆頭14。液 體通過鉆頭14中的小孔退出且向上流過鉆柱8周圍的環(huán)形物以將鉆井巖肩運輸?shù)降乇恚?中液體被過濾且再循環(huán)。
[0016] 鉆頭14僅僅是底部鉆孔組合件24的一個單件，其包括泥漿馬達和提供重量和硬 度以輔助鉆井程序的一個或多個"鉆鋌"（厚壁鋼管）。此類鉆鋌中的一些鉆鋌包括內(nèi)建測 井儀器以搜集諸如位置、定向、鉆壓、鉆孔直徑等等的各種鉆井參數(shù)的測量。工具定向可以 根據(jù)工具面角（旋轉定向）、傾角（斜率）和羅盤方向（其中的每一個可源自于磁力儀、測 斜儀和/或加速度計進行的測量）指定，但是替代地可以使用諸如陀螺儀的其它傳感器類 型。在一個具體實施方案中，工具包括3軸磁通門磁力計和3軸加速度計。如所屬領域中 眾所周知，所述兩個傳感器系統(tǒng)的組合實現(xiàn)工具面角、傾角和羅盤方向的測量。此類定向測 量可與陀螺儀或慣性測量組合以精確地跟蹤工具位置。
[0017] 底部鉆孔組合件24中還包括維持與地表的通信鏈路的遙測接頭。泥漿脈沖遙測 是用于將工具測量傳輸?shù)降乇斫邮掌髑覐牡乇斫邮彰畹囊环N常見的遙測技術，但是還可 使用其它遙測技術。對于一些技術（例如，穿墻聲信號發(fā)送），鉆柱8包括一個或多個中繼 器30以檢測、放大和再傳輸信號。在地表處，收發(fā)器28在機械形式與電形式之間轉換信號， 使得網(wǎng)絡接口模塊36能夠從遙測接頭接收上行鏈路信號且（至少在一些實施方案中）將 下行鏈路信號傳輸?shù)竭b測接頭。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)50接收數(shù)字遙測信號、解調(diào)信號并向用戶顯 示工具數(shù)據(jù)或測井日志。軟件（圖1中表示為非暫時性信息存儲介質(zhì)52)管理系統(tǒng)50的 操作。用戶經(jīng)由一個或多個輸入裝置54和55以及一個或多個輸出裝置56與系統(tǒng)50和其 軟件52交互。在一些系統(tǒng)實施方案中，鉆井工采用所述系統(tǒng)以作出地質(zhì)導向決策且將適當 命令傳達到底部鉆孔組合件24。
[0018] 圖1中所示的鉆柱說明定向鉆井操作，其中鉆井是沿著除了直立垂直路徑以外的 路徑向下執(zhí)行。在至少一些說明性實施方案中，使用"彎接頭"實現(xiàn)方向變化，"彎接頭"是 沿著鉆柱且相鄰于彎折或彎曲的鉆頭的管狀區(qū)段。彎折或彎曲可固定或可變，其中鉆井的 方向是由彎折單獨確定或由鉆柱的彎折和旋轉的組合而確定。例如，如果使用井下馬達以 驅動鉆頭且將具有固定彎接頭的鉆柱維持在固定方位角定向，那么鉆柱將逐漸朝彎折方向 改變方向。如果代之此鉆柱旋轉，那么鉆井將沿著平行于鉆柱區(qū)段的線進行，所述線高于彎 折且鉆頭繞所述線旋進。
[0019] 對于能夠改變彎接頭的角度的鉆柱，將接頭設置成所需角度和方向，同時將鉆柱 維持在所需固定方位角定向，其中鉆頭是由井下馬達驅動。此有時稱作"滑動鉆井"，因為鉆 柱滑動通過鉆孔而不旋轉。在其它鉆柱實施方案中，鉆柱繼續(xù)旋轉且彎接頭的角度是通過 以具體方向施加力于鉆柱上來維持。此使接頭與所需鉆井方向相反被推進鉆孔壁中以在鉆 柱管道和/或底部鉆孔組合件單元與接頭的任一側之間產(chǎn)生角度。此類系統(tǒng)有時稱作旋轉 式可操控系統(tǒng)。
[0020] 由于定向鉆井中使用的上述接頭和系統(tǒng)引入的角度變化且由于鉆柱中由所得鉆 孔產(chǎn)生的彎折，沿著鉆柱的長度定位的測井工具模塊可以定向在不同方向上。此尤其適用 于深部地層估算中使用的測井工具（即，其中傳輸器天線與接收天線分離至少20英尺的工 具），因為此類工具中使用的傳輸和接收天線可以容納在分離較大距離（與其它測井工具 相比）的測井工具模塊中以實現(xiàn)傳輸信號的所需地層穿透。測井工具模塊之間的距離越 大，橫越鉆孔路徑（彎曲或否則非直線）的鉆柱區(qū)段之間的傾角和走向角差可能越大。如 本文中使用，容納天線的LWD工具模塊的傾角被定義為所述天線局部的垂直z軸與鉆柱軸 z之間的角度。走向角被定義為法向于垂直z軸的參考向量與到天線局部的鉆柱z軸的水 平x-y平面的投影之間的角度。
[0021] 圖2A展示包括處于沿著鉆柱的不同位置和定向的兩個LWD工具模塊202和206 的深部地層估算測井工具的說明性實施方案。在所示的實施方案中，電阻率測井工具接收 天線212和對應的接收天線位置測