專利名稱：油氣藏勘探與監(jiān)測(cè)的綜合井中系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是對(duì)井眼所鉆入的地層進(jìn)行成像的方法。
背景技術(shù)：
能源勘探和開(kāi)發(fā)使用鉆井進(jìn)入地球內(nèi)部的地層，同時(shí)需要監(jiān)測(cè)和評(píng)估地層巖石的各種物理參數(shù)，例如井眼周圍地層的電阻率和電導(dǎo)率。
電磁場(chǎng)激勵(lì)的方法可以大致分為頻率域激勵(lì)和時(shí)間域激勵(lì)。在頻率域激勵(lì)中，通常以固定的頻率發(fā)射連續(xù)的波信號(hào)，不過(guò)該發(fā)射信號(hào)可以是多個(gè)疊加的頻率。對(duì)于時(shí)間域激勵(lì)，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行突然的切換，這里的信號(hào)可以是方波或者脈沖、三角波或者偽隨機(jī)二進(jìn)制序列信號(hào)。
頻率域(連續(xù)波)激勵(lì)的局限是發(fā)射器和接收器間很強(qiáng)的耦合。這個(gè)耦合(稱為直接模式)是由于接收器檢測(cè)到直接從發(fā)射器發(fā)射到接收器的磁場(chǎng)而導(dǎo)致的。直接模式信號(hào)可能比從地層接收到的信號(hào)還要強(qiáng)，使得難以準(zhǔn)確測(cè)量從地層接收到的信號(hào)。提高率頻率域分辨率的方法包括使用多線圈設(shè)備，例如傳統(tǒng)的裸眼井感應(yīng)儀器，其只能永久地測(cè)量裸眼井周圍某一特定的地層范圍。此類方法還包括利用陣列感應(yīng)或側(cè)向儀器來(lái)產(chǎn)生多組測(cè)量值，并將多目標(biāo)處理技術(shù)應(yīng)用于多組測(cè)量數(shù)值來(lái)提供大量我們所關(guān)注的選定地層。然而，由這些多目標(biāo)處理技術(shù)得到的凈信號(hào)與總測(cè)量信號(hào)相比較小。
當(dāng)使用時(shí)間域激勵(lì)的時(shí)候，突然切斷激勵(lì)電流，從而產(chǎn)生瞬態(tài)信號(hào)，被接收器檢測(cè)到。另外由于在檢測(cè)瞬態(tài)信號(hào)的時(shí)候不再產(chǎn)生發(fā)射器信號(hào)，所以可以對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波以去除任何直接耦合模式信號(hào)的殘留影響。不包含地層電阻率/電導(dǎo)率信息的直接模式信號(hào)被排除在瞬態(tài)測(cè)量之外。
能夠在檢測(cè)信號(hào)中按時(shí)間對(duì)地層的不同空間區(qū)域的響應(yīng)進(jìn)行分離能力是瞬變電磁方法的重要特征。根據(jù)楞次(Lenz)定律，在切斷發(fā)射器電流的時(shí)候，響應(yīng)于發(fā)射器電流的變化而感應(yīng)出電流。感應(yīng)電流的幾何分布類似于被切斷的發(fā)射器電流。在發(fā)射器電流被切斷后，電流開(kāi)始傳播到外部地層。傳播之后接著是衰減和擴(kuò)散，其中，隨后時(shí)間階段的空間分辨率顯著降低。然而已經(jīng)證明，與頻率域或直流信號(hào)數(shù)據(jù)相比，隨后時(shí)間階段中的瞬變場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)遠(yuǎn)方地層電阻率更加敏感。
已經(jīng)在礦產(chǎn)勘探工作中采用瞬變電磁測(cè)量技術(shù)來(lái)進(jìn)行電阻率/電導(dǎo)率測(cè)量，其中使用了大表面偶極天線(通常有幾百米長(zhǎng))和位于井中的電磁接收器，以測(cè)量井眼周圍的地層以及井眼和地表之間的區(qū)域。這種礦產(chǎn)勘探工作中的應(yīng)用很普遍。最近，地球物理工作中已經(jīng)利用了這樣地表上的大表面偶極天線，如美國(guó)專利No.5,467,018所示，該專利于1995年11月14日授權(quán)給Ruter等人。在此引入美國(guó)專利No.5,467,018作為參考。
直到最近，瞬變響應(yīng)的建模還局限于相當(dāng)簡(jiǎn)單的近似模型。然而，建立井眼瞬變電磁響應(yīng)的實(shí)際模型的方法現(xiàn)在已經(jīng)為人所知。例如，請(qǐng)見(jiàn)Tabarovsky，L.A.，Goldman，M.M.，Rabinovich，M.B.，Str交流k，K.-M.，1996，2.5-D modeling in Electromagnetic Method of Geophysics，Journal of Applied Geophysics 35，261-284。與這些數(shù)值建模領(lǐng)域進(jìn)展的同時(shí)，高功率切換電容、放大器和數(shù)據(jù)傳輸都得到了較大的改善，因此使得時(shí)間域井中瞬變電磁技術(shù)成為可能。
用瞬變電磁方法進(jìn)行測(cè)量所能達(dá)到的徑向深度的限制主要是由測(cè)量的信噪比決定的，而這又與能夠產(chǎn)生的脈沖能量相關(guān)。另外，如果能夠通過(guò)其他地球物理數(shù)據(jù)，例如重力、地震波、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)或者相應(yīng)的地球物理數(shù)據(jù)得到(或至少是近似)地層邊界結(jié)構(gòu)，則可以簡(jiǎn)化測(cè)量值的解釋。這個(gè)信息可以用來(lái)保持某些部分的地層參數(shù)固定，而其他的參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)得到解釋。
也可以使用直流信號(hào)激勵(lì)，但是測(cè)量到的信號(hào)是復(fù)合信號(hào)，包含來(lái)自地下不同區(qū)域構(gòu)成的混合信號(hào)。分辨率因此相應(yīng)降低。
1999年9月21日授予Payton等人的美國(guó)專利5,955,884公布了一個(gè)這樣的系統(tǒng)，其中測(cè)井儀器包括至少一個(gè)電磁發(fā)射器和至少一個(gè)電場(chǎng)發(fā)射器，用來(lái)以選定的頻率和波形向地層施加電磁能。電磁發(fā)射器最好是一個(gè)三軸發(fā)射器，包含三個(gè)正交的線圈，用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電場(chǎng)發(fā)射器最好是一個(gè)三軸發(fā)射器，包括三個(gè)正交的電偶極天線，用來(lái)產(chǎn)生電場(chǎng)。在此引入美國(guó)專利5,955,884作為參考。
其它已授權(quán)的可能與本發(fā)明的主題相關(guān)的專利包括但不限于美國(guó)專利5,543,715；5,841,280；5,862,513；5,883,515；5,870,690；6,147,496，在此引入作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括一個(gè)利用鉆井對(duì)地下地層成像的系統(tǒng)。利用直流測(cè)量來(lái)測(cè)量地層的電阻率，通過(guò)時(shí)間域信號(hào)或者交流測(cè)量來(lái)測(cè)量地層的電導(dǎo)率和電阻率。還測(cè)量地層的聲波速度。把通過(guò)時(shí)間域電磁信號(hào)得到的直流電阻率測(cè)量值和電阻率測(cè)量值、通過(guò)時(shí)間域電磁信號(hào)得到的電導(dǎo)率測(cè)量值以及聲波速度測(cè)量值組合在一起而生成地層的圖像。
本發(fā)明還包括一種對(duì)井眼所鉆入的地層進(jìn)行成像的方法，包括使用通過(guò)直流信號(hào)檢測(cè)的地層電阻率生成地層的初始模型；計(jì)算用于進(jìn)行直流電阻率測(cè)量的儀器對(duì)所述初始模型的響應(yīng)；將所計(jì)算的響應(yīng)與電阻率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較；修正所述模型并且重復(fù)所述的計(jì)算和比較，直到計(jì)算響應(yīng)與測(cè)量結(jié)果之間的差值達(dá)到最小值；基于使用電磁測(cè)量?jī)x器進(jìn)行的電阻率測(cè)量對(duì)修正后的模型進(jìn)行細(xì)化；以及使用聲波速度測(cè)量對(duì)細(xì)化后的模型進(jìn)行約束。


由以下的說(shuō)明和附圖，可以更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1是描述本發(fā)明操作的示意圖。
圖2是對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明有用的一種儀器的示意圖。
圖3是對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明有用的儀器詳圖。
圖4是在儀器中心軸上安裝環(huán)形電極組件的示意圖。
圖5環(huán)形支架電極總成示意圖。
圖6描述了時(shí)間域激勵(lì)信號(hào)波形。
圖7描述了電流偶極子的電流和電位線的分布。
圖8描述了電極沿著井內(nèi)的放置。
圖9A，9B，9C描述了一個(gè)井眼成像的步驟。
圖10是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施實(shí)例的流程圖。
雖然以下將結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但可以理解本發(fā)明不限于此，而是包含落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有替代、改進(jìn)和同等。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明公布了一種用于生成井眼周圍地下地層圖像的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)例，使用一種裸眼井測(cè)井儀器系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行地層電阻率的直流信號(hào)測(cè)量、地層電導(dǎo)率和電阻率的電磁測(cè)量、以及地震波速度的測(cè)量。由地層電阻率的直流信號(hào)測(cè)量值生成一個(gè)初步的井圖像，這里稱作“偽截面”。然后可以利用電磁測(cè)量得到的地層電阻率和電導(dǎo)率值來(lái)進(jìn)一步改善“偽截面”所描述的井下圖像。然后還可以利用已有的地震波的地下速度剖面圖，再加上地層電阻率的直流信號(hào)測(cè)量值、電磁電阻率和電導(dǎo)率測(cè)量值生成的地下圖像來(lái)約束地面地震波數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明，隨著測(cè)井工作的進(jìn)行，該井眼周圍地下地層圖像將逐漸行成。
在圖1中，顯示了根據(jù)本發(fā)明的井下測(cè)量?jī)x器10放置在井14中，電纜12與井下測(cè)量?jī)x器相連。井下測(cè)量?jī)x器10可以使用常規(guī)的井下儀器扶正器13使井下儀器位于井內(nèi)中央。以常規(guī)的操作方式由懸掛于井架16上的天滑輪支撐電纜12，同時(shí)電纜12盤繞在絞車滾筒20上，按照井下測(cè)井儀器的操作模式在井內(nèi)上提和下放儀器10。電纜12是常規(guī)的多芯電纜，也可以是常規(guī)的電纜或光纜，來(lái)傳輸電源和電或光信號(hào)到井下儀器10，同時(shí)將井下儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妗Ｔ诘孛?6，電纜12連接到地面測(cè)量記錄單元電路接口22，同時(shí)地面數(shù)據(jù)采集單元24記錄數(shù)據(jù)。一個(gè)地震波發(fā)生器25連接到地面數(shù)據(jù)采集單元24，同時(shí)井下儀器10也可以記錄在地面產(chǎn)生的地震波信號(hào)。
圖2更加詳細(xì)地顯示了儀器10。通常該儀器包括至少一個(gè)中央單元32和多個(gè)輔助單元30。圖2只顯示了6個(gè)輔助單元。然而，根據(jù)本發(fā)明，典型的裸眼井測(cè)井儀器可以包括少至1個(gè)輔助單元或者多至100或更多輔助單元。在圖2中，中央單元32大致位于多個(gè)輔助單元30的中間。然而，中央單元實(shí)際上可以位于儀器10的任一端，或者位于儀器10上其它位置。
如圖3所示，中央單元32通常包括至少2個(gè)3分量電磁發(fā)射器/接收器，如發(fā)射器/接收器48、50所示，各自包括3個(gè)線圈48a、48b、48c和50a、50b、50c，用來(lái)在三個(gè)正交方向上發(fā)射或者探測(cè)磁場(chǎng)。發(fā)射器/接收器線圈可以配置為發(fā)射或者探測(cè)磁場(chǎng)。中央單元通常包括2個(gè)電磁發(fā)射器/接收器，而輔助設(shè)備通常只包括一個(gè)電磁發(fā)射器/接收器，因?yàn)橥ǔＳ芍醒雴卧獊?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰井的測(cè)量。中央單元32通常也包括至少3個(gè)環(huán)形安裝的電極組件44、45、46。雖然這些電極組件在圖3中顯示為位于中央單元32里面，但是環(huán)形安裝的電極組件通常是安裝在中央單元的中心軸49上，如圖4所示。
中央單元32通常也包括一個(gè)地震波檢測(cè)器56，它可以是一個(gè)三分量檢波器，感應(yīng)三個(gè)正交方向的地震波信號(hào)。在一些實(shí)施例中，檢波器可以是一個(gè)包含壓力傳感的四分量檢波器，例如水聽(tīng)器使用一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)三分量檢波器結(jié)合在一起。也可以使用四分量檢波器，其中4個(gè)傳感器相互成54度角，而不是像通常的三分量水聽(tīng)器那樣成正交方向。各個(gè)傳感器相互成54度角的四分量檢波器具有在所有四個(gè)分量檢波器中噪聲靈敏度都相等的優(yōu)點(diǎn)；即傳感器對(duì)所有方向上的噪聲具有相同的靈敏度。在一些實(shí)施例中，檢波器可以是一個(gè)使用壓力傳感器和一個(gè)四分量檢波器結(jié)合的五分量檢波器。
中央單元32通常還包括定向單元52，它可以是眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)通用定向儀器，例如三維磁針計(jì)和/或陀螺儀。
如圖3所示，每個(gè)輔助單元30通常包括至少一個(gè)三分量電磁發(fā)射器/接收器33，其包括三個(gè)線圈33a、33b和33c，用來(lái)在三個(gè)正交的方向上檢測(cè)或者發(fā)射磁場(chǎng)。發(fā)射器/接收器線圈可以配置成作為發(fā)射器或者接收器。如果需要在同一個(gè)輔助單元中發(fā)射和接收磁信號(hào)，則還可以包括第二個(gè)三分量電磁發(fā)射器/接收器35，其包含線圈35a、35b和35c。
每個(gè)輔助單元通常也包括至少三個(gè)環(huán)形安裝的電極組件，如圖3所示的環(huán)形安裝的電極組件38、39和40。每個(gè)輔助單元通常還包括一個(gè)檢波器58，它可以是一個(gè)用于在三個(gè)正交方向中的每個(gè)方向上感應(yīng)壓縮的地震波信號(hào)的三分量檢波器。在一些實(shí)施例中，檢波器可以是一個(gè)結(jié)合壓力傳感器的四分量檢波器。也可以使用四分量的水聽(tīng)器，其中4個(gè)傳感器相互成54度角，而不是像通常的三分量檢波器那樣互成90度角。同樣也可結(jié)合一個(gè)四分量檢波器和一個(gè)壓力傳感器，組成一個(gè)五分量檢波器。
每個(gè)環(huán)形安裝的電極組件包括多個(gè)觸點(diǎn)。每個(gè)觸點(diǎn)可以作為一個(gè)電極，或者所有的觸點(diǎn)可以一起形成一個(gè)環(huán)形電極。如果環(huán)形電極裝配到金屬桶內(nèi)，則這些觸點(diǎn)要與金屬桶絕緣。圖5顯示了環(huán)形安裝的電極組件38的俯視圖。為了簡(jiǎn)單示意，圖5中只顯示了4個(gè)觸點(diǎn)，標(biāo)示為觸點(diǎn)(電極)38a、38b、38c和38d。然而，在環(huán)形安裝的電極組件中通?？梢园ǜ髷?shù)量的電極，例如16個(gè)。可以按照不同的配置來(lái)連接電極以發(fā)揮作用。例如，如果要在井筒的軸向上或z方向的兩個(gè)位置之間施加電壓或探測(cè)電壓，或者如果施加電流或探測(cè)電流，則要同時(shí)激勵(lì)(或互連)環(huán)上的所有電極，從而將這些電極用作為環(huán)形電極。如果要在垂直于井筒軸線的x或y方向上施加或者檢測(cè)電壓，或者施加電流，則可以在電極38a和38c之間或者電極38b和38d之間施加或者檢測(cè)這些電壓或電流。中央單元32中的控制和處理單元54，以及輔助單元中的輔助控制和處理單元55將控制電極間的互聯(lián)。
中央單元32通常包括控制和處理單元54?？刂坪吞幚韱卧?4包括控制功能和通訊，和將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，以及?shí)現(xiàn)緩沖以控制通訊的電子裝置?？刂坪吞幚韱卧?4還包括可以描述鄰井的功能。除了本發(fā)明之外，該領(lǐng)域那些普通的技術(shù)將會(huì)得到鄰井相關(guān)物理數(shù)據(jù)，如使用測(cè)井儀器的測(cè)量。所包含鄰井的描述不僅僅只局限于確定鄰井儀器所獲取的數(shù)據(jù)是否正常、井眼軌跡是否彎曲、斷層、泥漿侵入、斷層傾角、方位角以及其他與井眼狀況、環(huán)境修正、侵入效應(yīng)和近井地層參數(shù)相關(guān)的物理參數(shù)?？刂坪吞幚韱卧?4接收來(lái)自地面采集單元24的控制信號(hào)?？刂坪吞幚韱卧?4依次對(duì)電磁發(fā)射器/接收器和電極使用適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)?？刂坪吞幚韱卧?4控制在任何給定的時(shí)間由哪個(gè)電磁發(fā)射器/接收器以及哪個(gè)電極作為發(fā)射器，同時(shí)控制哪個(gè)作為接收器。控制和處理單元54還控制地震波檢測(cè)器56對(duì)地震波(聲波)信號(hào)的接收。在一個(gè)可選的實(shí)施例中，控制和處理單元54還可以包括一個(gè)計(jì)算機(jī)處理單元，用來(lái)完成井下儀器所選擇的處理步驟。
控制和處理單元54還向各個(gè)輔助單元中的輔助控制和處理單元55發(fā)射控制信號(hào)和接收數(shù)據(jù)信號(hào)。輔助控制和處理單元55依次來(lái)向電磁發(fā)射器/接收器以及輔助單元中的電極施加適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，以發(fā)射或者接收適當(dāng)?shù)男盘?hào)。控制和處理單元55還控制檢波器58對(duì)地震波信號(hào)的接收。每個(gè)輔助單元都有一個(gè)唯一的地址，所以中央單元32和輔助單元30之間的通訊通常是數(shù)字的?？刂坪吞幚韱卧?4還可以進(jìn)行特定的信號(hào)處理，包括但不限于發(fā)射器和系統(tǒng)響應(yīng)修正、噪聲過(guò)濾、數(shù)據(jù)平均和信噪比改善。
根據(jù)本發(fā)明，電磁發(fā)射器/接收器以及電極可以用來(lái)在多個(gè)不同模式下生成和檢測(cè)信號(hào)。在這里所用到的術(shù)語(yǔ)“時(shí)間域”指的是利用激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其中突然切斷電流而產(chǎn)生瞬態(tài)信號(hào)。對(duì)于時(shí)間域激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)通常是方波，或者脈沖，或者三角波，或者偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PBRS)信號(hào)，如圖6所示?！邦l率域”測(cè)量通常利用正弦波激勵(lì)信號(hào)?！爸绷鳌睖y(cè)量是利用保持恒定的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行的。在進(jìn)行直流測(cè)量時(shí)，最好使用緩慢變化的交流信號(hào)，以防止電極的極化，然而，交流信號(hào)的變化率要足夠慢，使得在給定的采樣時(shí)間內(nèi)能夠檢測(cè)到地層的直流響應(yīng)。
儀器10可以進(jìn)行測(cè)量的不同模式包括但不限于下列模式
模式1時(shí)間域測(cè)量，其中信號(hào)由電磁發(fā)射器產(chǎn)生(3個(gè)分量x，y，z)并且由電磁接收器檢測(cè)(3個(gè)分量x，y，z)。這個(gè)測(cè)量主要對(duì)于導(dǎo)電層的電導(dǎo)率敏感。
模式2時(shí)間域測(cè)量，其中信號(hào)由電偶極子產(chǎn)生(只有z方向)，并且由電磁接收器檢測(cè)(3個(gè)分量x，y，z)。這個(gè)測(cè)量值具有對(duì)地層中導(dǎo)電和電阻部分的混合敏感性。這個(gè)測(cè)量對(duì)于地層的電阻率敏感是因?yàn)楫a(chǎn)生的信號(hào)是由電偶極子產(chǎn)生的時(shí)間域(瞬態(tài))信號(hào)。這個(gè)測(cè)量對(duì)于地層的電導(dǎo)率敏感是因?yàn)樾盘?hào)是由對(duì)與地層中的電流成正比的磁場(chǎng)敏感的電磁接收器檢測(cè)的。
模式3時(shí)間域測(cè)量，其中信號(hào)由電偶極子產(chǎn)生(只有z方向)，并且由電偶極子接收器檢測(cè)(3個(gè)分量x，y，z)。這個(gè)測(cè)量主要對(duì)于電阻敏感的地層。
模式4時(shí)間域測(cè)量，其中信號(hào)由電磁發(fā)射器產(chǎn)生(3個(gè)分量x，y，z)，并且由電偶極子檢測(cè)(3個(gè)分量x，y，z)。這個(gè)測(cè)量提供了和模式2測(cè)量所提供的基本相同的信息，但可以作為重復(fù)和備用。測(cè)量值對(duì)于地層的電導(dǎo)率敏感是因?yàn)楫a(chǎn)生的信號(hào)是由電磁發(fā)射器產(chǎn)生的時(shí)間域(瞬態(tài))信號(hào)。這個(gè)測(cè)量值對(duì)于地層的電阻率敏感是因?yàn)樾盘?hào)是由對(duì)電流產(chǎn)生的電壓敏感的偶極子接收器檢測(cè)的。
模式5直流測(cè)量，其中信號(hào)由偶極子發(fā)射器產(chǎn)生(只有z方向)，并且由電磁接收器檢測(cè)(3個(gè)分量x，y，z)。通常這個(gè)測(cè)量不會(huì)為模式6測(cè)量所獲得的信息添加額外的信息?？梢赃M(jìn)行這個(gè)測(cè)量來(lái)確認(rèn)測(cè)量的一致性。這個(gè)測(cè)量理論上應(yīng)該只提供一個(gè)常量信號(hào)，因?yàn)橹绷麟妷翰粫?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。常量信號(hào)中任何大的變化都應(yīng)該解釋為是由設(shè)備工作產(chǎn)生的信號(hào)、儀器故障、由于地層中的高電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)(如黃鐵礦)而產(chǎn)生的信號(hào)，或者是由于井眼本身導(dǎo)致的信號(hào)，例如非常大的自然電位，或者和油氣層中的擴(kuò)散過(guò)程相關(guān)的非常大的感應(yīng)極化。
模式6直流測(cè)量，其中信號(hào)由偶極子發(fā)射器產(chǎn)生(只有z方向)，并且由偶極子檢測(cè)器檢測(cè)(只有z方向)。這個(gè)測(cè)量提供了偶極子到偶極子的電阻率測(cè)量，由此根據(jù)本發(fā)明生成偽截面。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)模式6中的地層電阻率直流測(cè)量來(lái)生成初步的地下圖像，這里稱為“偽截面”。然后利用模式1、2和3中的電磁測(cè)量來(lái)完善偽截面圖像。模式1主要檢測(cè)地層中的導(dǎo)電區(qū)域。模式2檢測(cè)地層中導(dǎo)電和電阻區(qū)域。模式3主要檢測(cè)地層中電阻區(qū)域。在另一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)合模式1、2和3的測(cè)量一起使用了模式4的測(cè)量。
模式6中進(jìn)行的測(cè)量可以產(chǎn)生地層的初始圖像。在進(jìn)行模式6的測(cè)量時(shí)，通過(guò)第一偶極子把電流施加到地層上，其中，電流從第一電極(包括配置成環(huán)形電極的環(huán)形安裝的電極組件中的電極)進(jìn)入地層，并通過(guò)和第一環(huán)形電極隔開(kāi)的第二環(huán)形電極從地層返回。通常，電流從電極環(huán)44進(jìn)入地層，并通過(guò)中央單元的電極環(huán)46返回，或者電流從電極環(huán)38進(jìn)入地層，并通過(guò)輔助單元的電極40返回。接著測(cè)量各個(gè)其他輔助單元中的兩個(gè)電極間的電壓，例如電極38，40，或者中央單元中的電極44和46。信號(hào)接著依次由所有其他的輔助單元和中央單元發(fā)射，并且信號(hào)被其他未發(fā)射信號(hào)的輔助單元和中央單元中的檢測(cè)器檢測(cè)到，直到信號(hào)從所有的中央和輔助單元發(fā)射出，并且對(duì)于每次發(fā)射，都被所有沒(méi)有發(fā)射信號(hào)的單元里的檢測(cè)器檢測(cè)到。
電阻率中的方位角變化也可以通過(guò)模式6測(cè)量。但是，不是由z方向上縱向分隔開(kāi)的2個(gè)環(huán)形電極形成接收器偶極子測(cè)量的，而是由第一電極(例如圖4所示的電極44a)以及和第一電極縱向隔開(kāi)的第二電極(例如圖4所示的電極46a)形成偶極子測(cè)量的。這樣的偶電極配置對(duì)井中接收電極所處的一邊地下地層的電導(dǎo)率區(qū)域非常敏感，例如充滿液體的斷層。該偶電極的另一邊也可以從其它圍繞該井的側(cè)向位置上配置的徑向電極對(duì)構(gòu)成，同時(shí)每一個(gè)電極所處的一邊地下地層的電導(dǎo)率區(qū)域非常敏感，例如充滿液體的斷層。
圖7、8、9A、9B和9C描述了模式6測(cè)量的使用。在進(jìn)行模式6的測(cè)量時(shí)，圖7顯示了對(duì)于電流偶極子的電流和電勢(shì)線的分布，該偶極子在圖7中稱為電極C1和C2，包括該井地面上的兩個(gè)電極。該表面表示井眼一邊地層的垂直切面。電流線(從C1通過(guò)地層到C2的曲線)表示各承載了從電極C1到電極C2的十分之一電流的管面。圖7還顯示了所造成的等電位場(chǎng)力線，其垂直于電流線。這些電位場(chǎng)力線延伸到井的表面，沿著井壁在分開(kāi)的位置產(chǎn)生電壓差。這個(gè)電壓差可以通過(guò)電壓電極測(cè)量，如圖7中P1、P2所示。可以理解，通過(guò)C1和C2間任何特定路徑的電流量是沿著那條路徑的電阻的函數(shù)，并且在電極P1和P2的位置處，電阻率會(huì)對(duì)電極之間的電壓產(chǎn)生最大影響的地層部分是從電極C1和C2的中心位置出來(lái)、與井壁成45度角進(jìn)入地層并延伸到P1和P2的線與從電極P1和P2的中心位置出來(lái)、與井壁成45度角進(jìn)入地層并延伸到C1和C2的線相交的區(qū)域。相應(yīng)地，與電流電極間隔更遠(yuǎn)的電壓檢測(cè)電極會(huì)檢測(cè)到從井表面更加深入地層的區(qū)域的電阻率。
參考圖8，如上所述，施加電流到地層的電流電極可以包括儀器10的一個(gè)單元(中央或者輔助)中的兩個(gè)環(huán)形電極。然后在儀器10的其他單元(中央或者輔助)上的電極對(duì)之間進(jìn)行電壓測(cè)量。圖8中，偶極子的電極間的單位距離用“a”表示，電流電極的中心到各個(gè)電壓測(cè)量電極間的距離是“na”，這里“n”表示電流電極和相應(yīng)電壓電極間的單位距離的數(shù)目。由一個(gè)電極上的注入電流測(cè)量和另一個(gè)電極上記錄的電壓所得到的電阻率值顯示在電極中心之間45度投影線的交點(diǎn)處。選取大的n值，也就是大的間隔，可以得到更大深度的探測(cè)結(jié)果。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，源偶極子和/或檢測(cè)器偶極子還可以包括中央或者輔助單元之一里的第一電極，和另一個(gè)中央或者輔助單元里的第二電極，因?yàn)殚g距越大，信噪比越好。
圖9A顯示了沿著井一部分用模式6進(jìn)行的電阻測(cè)量的圖形化表示。雖然圖9A只是顯示了井的一側(cè)地層的一個(gè)垂直切片，但是假設(shè)井周圍的地層為圓周對(duì)稱，這樣偽截面可以延伸到井的整個(gè)圓周。沿著井內(nèi)的連續(xù)測(cè)量來(lái)得到生產(chǎn)偽截面數(shù)據(jù)。從獲取的偽截面數(shù)據(jù)的測(cè)量中提供一個(gè)視電阻率，由此可以生成偽截面。對(duì)于電流偶極子的每個(gè)位置，會(huì)在電壓偶極子的多個(gè)位置進(jìn)行電壓測(cè)量。對(duì)于每個(gè)電流偶極子/電壓偶極子位置，在從電流偶極子發(fā)出的線與從電壓偶極子發(fā)出的線交叉的地方標(biāo)出測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)(如上所述)。接著對(duì)各個(gè)交點(diǎn)處的數(shù)據(jù)值畫出等高線，如圖9A所示的等高線，以得到地下的近似圖像。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)選擇一個(gè)地質(zhì)模型，利用已知的傳統(tǒng)技術(shù)反演和成像處理解釋如圖9A的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。圖9C顯示了一個(gè)復(fù)雜地質(zhì)模型的示例。使用同一配置的儀器計(jì)算出的地質(zhì)模型的響應(yīng)值被用來(lái)對(duì)井進(jìn)行測(cè)量，然后地質(zhì)模型的計(jì)算響應(yīng)值與實(shí)際的測(cè)量值進(jìn)行比較。改變地質(zhì)模型，直到地質(zhì)模型計(jì)算響應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)之間達(dá)到了良好的匹配。圖9B顯示了對(duì)圖9C的地質(zhì)模型的計(jì)算響應(yīng)，對(duì)其采用了二維數(shù)值算法來(lái)計(jì)算這個(gè)響應(yīng)。
然后利用模式1、2和3的電磁測(cè)量來(lái)得到井眼周圍地下的電導(dǎo)率和電阻率估計(jì)值。在模式1測(cè)量中，第一輔助單元(或者中央單元)的電磁發(fā)射器的各個(gè)正交線圈相繼通電，由此產(chǎn)生的信號(hào)被其它的各個(gè)輔助和中央單元里的電磁接收器的三個(gè)正交線圈探測(cè)到，這樣對(duì)于每個(gè)電磁發(fā)射器，由各個(gè)電磁接收器進(jìn)行了9次測(cè)量。在模式2中，電偶極子對(duì)產(chǎn)生信號(hào)，其中電極位于中央單元或者一個(gè)輔助單元中，所產(chǎn)生的信號(hào)被電磁接收器的三個(gè)正交線圈檢測(cè)到，這樣對(duì)于每次信號(hào)發(fā)射，進(jìn)行了3次測(cè)量。在模式3中，由電偶極子產(chǎn)生信號(hào)，其中偶極子的電極位于中央單元或者一個(gè)輔助單元中，所產(chǎn)生的信號(hào)被配置為在三個(gè)正交方向上檢測(cè)信號(hào)的電偶極子接收器檢測(cè)到，這樣對(duì)每次信號(hào)發(fā)射，進(jìn)行3次測(cè)量。在每一個(gè)模式1、2、和3中，沿著井身方向上定位的每個(gè)儀器，沿著井內(nèi)儀器從各個(gè)相繼的輔助(或者中央)單元發(fā)出信號(hào)，對(duì)于各個(gè)相繼的發(fā)射，由所有沒(méi)有用來(lái)發(fā)射信號(hào)的輔助(中央)單元中的接收器檢測(cè)到電阻率信號(hào)。在本發(fā)明的一個(gè)特別的實(shí)施例中，和模式1、模式2和模式3測(cè)量一起進(jìn)行并使用了模式4測(cè)量。
電磁線圈發(fā)射器產(chǎn)生電磁場(chǎng)，當(dāng)流過(guò)線圈發(fā)射器的電流突然切斷時(shí)，會(huì)在井眼附近的地層中感應(yīng)出電流。這些電流會(huì)產(chǎn)生二次電磁場(chǎng)，其可以被電磁接收器檢測(cè)到，該接收器包括磁場(chǎng)接收器或線圈以及電場(chǎng)接收器或電偶極子。檢測(cè)到的二次磁場(chǎng)的強(qiáng)度主要和目標(biāo)地層的電導(dǎo)率成正比。電磁場(chǎng)產(chǎn)生二次電場(chǎng)和磁場(chǎng)，其可以被偶極子接收器以及電磁接收器檢測(cè)到。檢測(cè)到的電場(chǎng)的強(qiáng)度主要和目標(biāo)地層的電阻率成正比。檢測(cè)到的磁場(chǎng)的強(qiáng)度主要和目標(biāo)地層的電導(dǎo)率成正比。與簡(jiǎn)單水平層的偏差，例如地層中的結(jié)構(gòu)和大的電阻率對(duì)比，會(huì)提高接收器的混合敏感性。對(duì)于一個(gè)給定的發(fā)射器，沿著井身方向上的不同距離間隔的接收器對(duì)井眼地面以下不同間隔的電阻率和/或電阻率是敏感的。通常，測(cè)量對(duì)于距離井壁5到50米遠(yuǎn)處的地層部分的電導(dǎo)率和/或電阻率敏感。對(duì)電導(dǎo)率和電阻率測(cè)量已定地層的方法是常規(guī)技術(shù)所知的。
利用常規(guī)技術(shù)計(jì)算模型來(lái)解釋模式2和3的測(cè)量值，以確定傳感器檢測(cè)到的電阻率和電導(dǎo)率。對(duì)各自響應(yīng)的地層電阻率值的變化通過(guò)Normalized Jacobian的計(jì)算評(píng)估測(cè)量的靈敏度和它們各自響應(yīng)的模型。然后按照時(shí)間對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行標(biāo)繪，最大的靈敏度表示更靈敏的信號(hào)。
當(dāng)泥漿電阻率太高使得電場(chǎng)傳感器不能接觸地層時(shí)，可以取電磁場(chǎng)接收器檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)的梯度來(lái)得到時(shí)間域電場(chǎng)信號(hào)。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，可以利用磁場(chǎng)梯度儀或者環(huán)形天線(toroidal antenna)代替電極來(lái)測(cè)量電阻率。例如，請(qǐng)見(jiàn)Karinski，A.，和Mousatov，A.，2001，Vertical Resistivity Estimation With Toroidal Antennas inTransversely Isotropic Media，SPWLA Transaction，paper BB。
利用電導(dǎo)率和電阻率的時(shí)間域電磁測(cè)量來(lái)細(xì)化由地層電阻率的直流測(cè)量得到的偽圖像。如上所述，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，頻率域電磁測(cè)量和時(shí)間域電磁測(cè)量相結(jié)合而使用。在利用直流測(cè)量得到初步的地層偽截面圖像，并且利用電導(dǎo)率和電阻率的時(shí)間域電磁測(cè)量(或許還有頻率域電磁測(cè)量)來(lái)細(xì)化偽截面圖像之后，利用所測(cè)量的聲波速度對(duì)圖像進(jìn)行約束。地面震源25產(chǎn)生的地震信號(hào)，由井中的中央單元探測(cè)器52和在輔助單元探測(cè)器58監(jiān)測(cè)到。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，地震信號(hào)是由井中的震源儀器發(fā)生的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，除了時(shí)間域測(cè)量，還在地下進(jìn)行頻率域電磁測(cè)量。如上所述，通常通過(guò)使用正弦波作為信號(hào)源來(lái)進(jìn)行頻率域測(cè)量。雖然頻率域測(cè)量通常對(duì)于井眼周圍的更遠(yuǎn)區(qū)域的地層參數(shù)很不敏感，但是和時(shí)間域數(shù)據(jù)一起在圖像處理中引入頻率域數(shù)據(jù)可以改善地層圖像的質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明，由直流電阻率測(cè)量得到地下的初步圖像。這使得在鉆井時(shí)就可以生成圖像，而不需要在幾天甚至幾個(gè)星期之后在數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行冗長(zhǎng)的反演處理。對(duì)直流數(shù)據(jù)進(jìn)行快速反演，然后再用電磁成像進(jìn)行反演。利用地震波速度數(shù)據(jù)來(lái)約束電阻率/電導(dǎo)率數(shù)據(jù)；即，在地下地震波速度大致為常數(shù)的區(qū)域中，把電阻率/電導(dǎo)率也限制為常數(shù)。
雖然以上根據(jù)通過(guò)電纜12將儀器10放到井中的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，可以通過(guò)傳統(tǒng)的鉆桿或油管或者繞管放入井中。對(duì)于定向井，水平井或者由于井內(nèi)狀況對(duì)儀器下方有阻礙，可以使用鉆桿或油管傳輸系統(tǒng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明被當(dāng)作傳感器用來(lái)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行永久性監(jiān)測(cè)。這個(gè)實(shí)施例與使用井下儀器一樣，只是傳感器永久性地保留在井下固定的位置上。
圖10顯示了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的流程圖。在步驟72，生成由直流信號(hào)測(cè)量的地層電阻率的圖形表示。在步驟74，基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量值選擇地質(zhì)模型。在步驟76，針對(duì)井下測(cè)量時(shí)使用的儀器配置，生成對(duì)所選地質(zhì)模型的計(jì)算響應(yīng)。在步驟78，將所選地質(zhì)模型的計(jì)算響應(yīng)與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在步驟80，根據(jù)這個(gè)比較結(jié)果對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行修正。在步驟82，將電磁數(shù)據(jù)和直流電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，以細(xì)化由直流電阻率數(shù)據(jù)生成的圖像。在步驟84，利用地震波數(shù)據(jù)來(lái)約束由直流電阻率數(shù)據(jù)和電磁數(shù)據(jù)的組合生成的圖像。了解哪些本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)，如果有先前的地質(zhì)數(shù)據(jù)或者其他相關(guān)的先前數(shù)據(jù)，那么可以利用這些先前數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化該井下成像。
在設(shè)計(jì)該儀器時(shí)，把測(cè)量的數(shù)據(jù)與儲(chǔ)層的電阻率和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)。可以預(yù)期在儀器刻度，以及已有儲(chǔ)層的參數(shù)被用來(lái)建立測(cè)量和儲(chǔ)層之間的關(guān)系。這個(gè)刻度系數(shù)也隨著測(cè)井和成像的進(jìn)程不斷地更新。
本發(fā)明不僅包括預(yù)測(cè)鉆井過(guò)程中不規(guī)則的鉆頭前沿的電導(dǎo)率，還包括定向井和水平井的預(yù)測(cè)。
徑向靈敏度信息對(duì)鉆井修正也很有用。為測(cè)量徑向靈敏度，把電流注入到地層中。電流沿著井內(nèi)(套管、鉆液、泥漿等)流動(dòng)并且一些電流泄漏到地層中。如果沿著井眼在兩個(gè)連續(xù)位置檢測(cè)電流，則測(cè)量值之間的差值就可以歸為泄漏到地層中的電流。通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)測(cè)量電流，兩個(gè)連續(xù)位置間電壓測(cè)量值的差值可以歸為泄漏到地層中的電流。這個(gè)差值稱為第二差值。對(duì)于進(jìn)行這些第二差值的測(cè)量，在中央單元中包含三個(gè)環(huán)形安裝的電極組件(44、45和46)并在輔助單元中包含三個(gè)環(huán)形安裝的電極組件(38、39和40)是特別有用的。
可以認(rèn)識(shí)到，在不脫離后附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變化。所有這些修改和變化都涵蓋在權(quán)利要求所限定的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)井眼所鉆入的地層進(jìn)行成像的方法，包括使用通過(guò)直流信號(hào)檢測(cè)的地層電阻率生成地層的初始模型；計(jì)算用于進(jìn)行直流電阻率測(cè)量的儀器對(duì)所述初始模型的響應(yīng)；將所計(jì)算的響應(yīng)與電阻率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較；修正所述模型并且重復(fù)所述的計(jì)算和比較，直到計(jì)算響應(yīng)與測(cè)量結(jié)果之間的差值達(dá)到最小值；基于使用電磁測(cè)量?jī)x器進(jìn)行的電阻率測(cè)量對(duì)修正后的模型進(jìn)行細(xì)化；以及使用聲波速度測(cè)量對(duì)細(xì)化后的模型進(jìn)行約束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中電磁電阻率測(cè)量包括時(shí)間域電磁測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中電磁電阻率測(cè)量包括頻率域電磁測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中聲波速度測(cè)量包括地震波傳播時(shí)間測(cè)量。
全文摘要
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中包括系統(tǒng)(10)，用于生成鉆入地層的井眼(14)周圍的地層圖像。利用直流測(cè)量(44、45、46、38、39、40)測(cè)量地層的電阻率，利用時(shí)間域信號(hào)或交流測(cè)量(48、50、33、35)測(cè)量地層的電導(dǎo)率和電阻率。還測(cè)量地層的聲波速度(52、58)。把直流電阻率測(cè)量、由時(shí)間域電磁信號(hào)進(jìn)行的電導(dǎo)率測(cè)量、由時(shí)間域電磁信號(hào)進(jìn)行的電阻率測(cè)量以及聲波速度測(cè)量結(jié)合起來(lái)(82、84)，從而生成地層的圖像。
文檔編號(hào)G01V3/20GK1749781SQ20051010901
公開(kāi)日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月23日
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