改進的套管檢測工具和方法
【專利摘要】提供了用于在井下檢測套管位置的方法和工具。所述方法利用帶有傾斜天線系統(tǒng)的電磁(EM)工具以檢測套管位置。有時，傾斜天線設計也增加EM工具對地層參數(shù)的靈敏度，這可能會導致套管檢測的錯誤信號。此外，很難在套管源和地層源之間區(qū)分測量到的信號。所提供的方法有助于更清楚地區(qū)分這兩種源。所提供的方法和工具還有助于使環(huán)境效應最小化，以及增強來自周圍導電性套管的信號。本文的方法提供了在離套管位置一定距離內(nèi)精確確定套管位置的EM工具的設計思路。
【專利說明】改進的套管檢測工具和方法
【背景技術】
[0001]全世界依賴油氣來解決很多能源需求。因此，油田運營商力爭盡可能高效地生產(chǎn)和銷售油氣。許多容易得到的石油已經(jīng)被采出，所以正在開發(fā)新技術來提取不易開采的油氣。這些技術往往涉及靠近一個或多個現(xiàn)有井來鉆設鉆孔。一個這樣的技術為美國專利6，257，334, “Steam-Assisted Gravity Drainage Heavy Oil Recovery Process (蒸汽輔助重力泄油開采稠油的過程)”中描述的蒸汽輔助重力泄油(“SAGD”)。SAGD使用一對在豎直方向上間隔小于10米的水平井，并且小心地控制間隔對該項技術的有效性至關重要。在現(xiàn)有井附近引導鉆井的其他示例包括用于控制井噴的交叉法、從海上鉆探平臺鉆設多口井、以及緊密排列井用于地熱能源回收。
[0002]緊鄰套管井(cased well)引導鉆孔的一種方法是通過使用電磁(EM)測井工具。EM測井工具能夠測量各種地層參數(shù)，包括電阻率、地層界面、地層各向異性、和傾角。因為這樣的工具通常設計用于測量這些參數(shù)，所以將其應用到套管檢測可能不利地受到其對這樣的環(huán)境參數(shù)的靈敏度的影響。具體來說，該工具對附近的套管的響應可能被該工具對各種環(huán)境參數(shù)的響應掩蓋，使其無法探測和跟蹤套管井，或相反，使得工具產(chǎn)生誤檢測信號，誤檢測信號可能使鉆井隊誤認為其在跟蹤附近的套管井，而情況并非如此。從前似乎并沒有認識到或充分解決這些困難。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]結合附圖考查下面的詳細描述，可以獲得對各種公開的系統(tǒng)和方法實施例的更好的理解，附圖中:
[0004]圖1示出可以采用電磁引導鉆井的示意性的鉆井環(huán)境；
[0005]圖2是具有平行和垂直的發(fā)送器-接收器對的示意性的傾斜天線系統(tǒng)；
[0006]圖3是示意性的兩層地層模型；
[0007]圖4A和圖4B是作為頻率和傾角的函數(shù)的對地層各向異性的模型工具響應；
[0008]圖5A和圖5B是作為邊界距離和傾角的函數(shù)的對附近的邊界的模型工具響應；
[0009]圖6A和圖6B是作為頻率和傾角的函數(shù)的對附近的邊界的模型工具響應；
[0010]圖7A和圖7B是作為套管距離和頻率的函數(shù)的對附近的套管的實驗性44”工具響應；
[0011]圖8A和圖SB是作為套管距離和頻率的函數(shù)的對附近的套管的實驗性52”工具響應；
[0012]圖9A和圖9B是作為套管距離和天線間距的函數(shù)的對附近的套管的實驗性工具響應；
[0013]圖10示出用作套管靈敏度計算的基礎的工具模型；
[0014]圖1lA示出作為天線間距和頻率的函數(shù)的工具靈敏度；
[0015]圖1lB示出作為天線間距和頻率的函數(shù)的工具信號電平；
[0016]圖12A和圖12B是作為天線間距和頻率的函數(shù)的分別為平行和垂直發(fā)送器-接收器對的信號響應；以及
[0017]圖13A和圖13B是作為套管距離和傾角的函數(shù)的模型50'工具響應；以及
[0018]圖14是示意性的套管檢測方法的流程圖。
[0019]雖然易于對本發(fā)明做出各種替代形式、等同方案和變型，在附圖中仍通過示例的方式示出其具體實施例并將在本文中對其詳細描述。然而，應當理解的是，附圖和詳細描述并不限制本公開，與此相反，它們提供了用于支持所有替代形式、等同方案和變型均落入所附權利要求的范圍之內(nèi)的基礎。
【具體實施方式】
[0020]在【背景技術】中確定的問題至少部分地由所公開的套管檢測工具和方法解決。至少一個公開的方法實施例包括從第一鉆孔獲得地層電阻率測量值。至少部分地基于這些測量值，為在相對于第一鉆孔的特定位置處的第二鉆孔確定預計環(huán)境信號電平。然后，選擇發(fā)送器-接收器間距和工作頻率中的至少一個以從第二鉆孔為第一鉆孔提供所需的檢測信號電平，使得所需的檢測信號電平高于預計環(huán)境信號電平，并將底部鉆具組合(bottomholeassembly, BHA)構造為帶有具有用于第二鉆孔的所選擇的間距和/或工作頻率的傾斜天線測井工具。
[0021]至少一個所公開的工具實施例包括傾斜的發(fā)送天線和兩個或更多個傾斜的接收天線，接收天線距離發(fā)送天線至少所選擇的間距，以檢測對發(fā)送信號的響應的分量。發(fā)送信號具有的頻率等于或低于所選擇的工作頻率，結合所述間距選擇所述頻率以確保預計套管檢測信號電平大于預計環(huán)境信號電平。
[0022]為進一步幫助讀者理解所公開的系統(tǒng)和方法，我們描述適用于使用和操作所述系統(tǒng)和方法的環(huán)境。為此，圖1示出示意性的地質(zhì)導向環(huán)境。鉆井平臺2支撐井架4，井架4具有用于升高和降低鉆柱8的游動滑車(traveling block) 6。頂驅(qū)10在鉆柱8通過井口12降低時支撐并旋轉(zhuǎn)鉆柱8。鉆頭14通過井下馬達和/或鉆柱8的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動。隨著鉆頭14旋轉(zhuǎn)，鉆頭14形成穿透各種地層的鉆孔16。泵20將鉆井液通過供給管22循環(huán)到頂驅(qū)10，通過鉆柱8的內(nèi)部到井下，通過鉆頭14的孔，經(jīng)由圍繞鉆柱8的環(huán)形區(qū)回到地表，并進入存留坑24。鉆井液將來自鉆孔的鉆屑輸送到坑24中并有助于保持鉆孔的完整性。
[0023]鉆頭14僅是底部鉆具組合中的一件，底部鉆具組合包括一個或多個鉆鋌(厚壁鋼管)，以提供重量和剛度以有助于鉆井過程。這些鉆鋌中的一些包括測井儀器以收集諸如位置、取向、鉆壓(weight-on-bit)、鉆孔直徑等各種鉆井參數(shù)的測量值。工具取向可以具體化為工具面角(又稱為旋轉(zhuǎn)取向或方位角取向)、傾斜角度(斜率)以及羅盤方向，其中每一個可由磁強計、傾斜計和/或加速度計的測量值導出，可選地使用其他類型的傳感器，諸如陀螺儀。在一個具體實施例中，所述工具包括三軸磁通門磁力計和三軸加速度計。如本領域已知的，這兩個傳感器系統(tǒng)的結合能夠測量工具面角、傾斜角和羅盤方向。在一些實施例中，工具面和孔的傾斜角度是從加速度計傳感器輸出計算出的。磁力計傳感器的輸出用來計算羅盤方向。
[0024]底部鉆具組合還包括測距工具26以在附近的諸如管道、套管柱和導電地層等導體中感應電流，并收集所產(chǎn)生的場的測量值，以確定距離和方向。使用這些測量值并結合工具取向測量值，鉆機例如可以使用各種適用的引導鉆井系統(tǒng)(包括轉(zhuǎn)向葉片、“彎接頭(bentsub) ”以及旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向系統(tǒng))使鉆頭14沿著所需的路徑18相對于地層46中現(xiàn)有的井19轉(zhuǎn)向。為了精確轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向葉片可能是最可取的轉(zhuǎn)向機構。可選地，可以用被編程以預定距離48和一位置(例如，現(xiàn)有鉆孔的正上方或下方)跟隨現(xiàn)有鉆孔19的井下控制器在井下控制轉(zhuǎn)向機構。
[0025]耦接到井下工具(包括測距工具26)的遙測子構件28可以將遙測數(shù)據(jù)經(jīng)由泥漿脈沖遙測發(fā)送到地表。遙測子構件28中的發(fā)送器調(diào)制鉆井液流動的阻力以產(chǎn)生壓力脈沖，所述壓力脈沖沿鉆井液流以聲速傳播到地表。一個或多個壓力換能器30、32將壓力信號轉(zhuǎn)換成(多個)電信號給信號數(shù)字轉(zhuǎn)換器34。需指出，存在其他形式的遙測裝置，并且可以用于將信號從井下傳送到數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這樣的遙測裝置可以采用聲學遙測、電磁遙測或經(jīng)由有線鉆桿的遙測。
[0026]數(shù)字轉(zhuǎn)換器34將數(shù)字形式的遙測信號經(jīng)由通信鏈路36提供給計算機38或某些其他形式的數(shù)據(jù)處理設備。計算機38根據(jù)軟件(其可以存儲在信息存儲介質(zhì)40中)和經(jīng)由輸入設備42的用戶輸入運行，以處理和解碼接收到的信號。得到的遙測數(shù)據(jù)可以由計算機38進一步分析和處理，以產(chǎn)生有用的信息顯示在計算機監(jiān)視器44或某些其他形式的顯示設備上。例如，鉆井者可以采用這個系統(tǒng)以獲得和監(jiān)視鉆井參數(shù)、地層特性、以及鉆孔相對于現(xiàn)有鉆孔19和任何檢測到的地層邊界的路徑。然后，可以使用下行鏈路信道將轉(zhuǎn)向命令從地表發(fā)送到底部鉆具組合。
[0027]圖2示出測距工具26的示意性天線配置。下面用此特定的天線配置作為說明環(huán)境參數(shù)對比附近的套管柱的相對效應的具體示例，但該結論也適用于幾乎所有的具有至少一個傾斜天線的電磁測井工具。因此，下面的討論并不限制本公開的范圍。所示的配置包括兩個發(fā)送天線(標記為Tup和Tdn)和在兩個發(fā)送天線之間中部的接收天線(標為Rx)。每個天線從工具的縱向軸線傾斜45°，使得接收天線平行于一個發(fā)送天線并垂直于另一個發(fā)送天線。天線的中心等距間隔開，接收器和每個發(fā)送器之間的距離為d。隨著工具旋轉(zhuǎn)，發(fā)`送器交替發(fā)送，并且響應于發(fā)送器Tup和Tdn由接收器檢測到的接收信號分別為FgpCft
和,其中β是工具的方位角。預計工具對附近的套管柱、附近的流體界面或地底層邊界、或者各向異性傾斜地層的響應為下列形式:
[0028]V^(P) =A1 cos(2/?)+ B1 cos0)+ C1(I)
[0029]V: (β) = A2 cm(2fi)+ B2 ms(fi)+ C2
[0030]其中Ap Bi和Ci是表示接收器對上發(fā)送器(i=l)或下發(fā)送器(i=2)的響應的取決于方位角的雙周期正弦波、單周期正弦波、以及常數(shù)的電壓幅值的復數(shù)系數(shù)(complexcoefficient)。使用曲線擬合函數(shù),每個響應的三個復數(shù)電壓幅值可以由原始測量信號電壓直接導出。實驗表明，當將工具對附近的套管柱的響應的系數(shù)與工具對環(huán)境參數(shù)的響應的系數(shù)相比較時，套管柱響應的系數(shù)Ai比系數(shù)Bi大,而對環(huán)境參數(shù)的響應則相反。事實上，發(fā)現(xiàn)套管柱響應的系數(shù)Bi相比于系數(shù)Ai相對較小。因此，建議套管檢測工具優(yōu)選采用系數(shù)Ai用于檢測和測距測量值。通過使用比例IAi / CiI可以實現(xiàn)溫度補償和電壓歸一化，并且發(fā)現(xiàn)在模擬工具的操作時采用此比例的對數(shù)很有用，例如lo^dAi / C」)。[0031]可以采用三個代表性的模型分析工具對下列項的響應:⑴地層各向異性；(2)附近的邊界；以及(3)套管柱。圖3A示出第一模型，其中工具位于具有電阻各向異性的相對厚的傾斜地層中。水平電阻率(Rx和Ry)取為ΙΩπι，而豎直電阻率(Rz)取為2Ωπι。圖3Β示出第二模型，其中工具在電阻地層(Rt=200Qm)中并接近帶有更大導電性地層(Rt=IQm)的邊界。從接收天線到邊界上的最近點來測量工具的到地底層邊界距離(distance to thebed boundary, DTBB)。圖3C示出第三模型，其中工具位于離均質(zhì)地層中的套管柱距離d處。
[0032]比較這三個模型中的每個的工具響應，從各向異性的模型開始。圖4A示出由天線之間帶有52英寸間距的平行發(fā)送-接收天線對得到的測量值(以下簡稱“平行響應")，而圖4B示出由帶有相同間距的垂直發(fā)送-接收天線對得到的測量值。在這兩種情況下，都將測量值示為傾角和發(fā)送信號頻率的函數(shù)。以系數(shù)比例的對數(shù)，即log^lAi / CiD的形式示出測量值。一般來說，越高的信號頻率上測得的各向異性響應越強。而且，工具測量值在大于10度的傾角處相當穩(wěn)定，但其隨著模型相對于工具軸線更加對稱而在較小的傾角處急劇下降。
[0033]圖5A和圖5B示出作為傾角和邊界距離的函數(shù)的工具對附近的地底層邊界的平行響應和垂直響應。這些圖中，假設工具具有52英寸的天線間距和125kHz的信號頻率。隨著到地底層邊界的距離變小，工具響應變得越強，并且只要傾角大于大約10度，信號則保持相當穩(wěn)定。低于此，模型對稱性增大，而測量值急劇下降。在圖6A和圖6B中還將附近的地底層邊界測量值顯示為信號頻率的函數(shù)，再次表明工具響應隨著頻率而增加，盡管沒有第一模型中那樣顯著。
[0034]圖7A和圖7B示出作為套管距離和信號頻率的函數(shù)的工具對附近的井套管的平行響應和垂直響應，假設44英寸的天線間距。圖8A和圖SB示出具有52英寸的天線間距的工具的預計響應。這些響應表示經(jīng)由水槽實驗獲得的實際測量值，在所述水槽實驗中，水槽中填充1Ω.πι的水以代表均質(zhì) 的各向同性地層。工具定位在水槽的中央，并且套管的管狀體定位為以可以視需要在0.85英尺到6英尺之間變化的距離平行于工具。這些附圖表明信號強度隨信號頻率減小而增大。盡管這種趨勢不是單調(diào)的，且其在較低頻率處略微反轉(zhuǎn)(參見圖12Α-圖12Β)，但預計工具對套管的響應和工具對其他環(huán)境因素的響應之間的差別隨信號頻率降低而增加。重要的是，使用較低的信號頻率還使得在增大的天線間距上操作工具是可行的。
[0035]圖9Α和圖9Β示出不同天線間距下，作為套管距離的函數(shù)的工具的平行響應和垂直響應，假設500kHz的信號頻率。從該曲線圖可以看出，工具對信號強度的響應隨天線間距而增加。每個模型的工具響應的比較表明，使用較低的工具工作頻率和/或工具的發(fā)送器和接收器之間的較大間距將有利于套管檢測工具，因為這提高了工具對附近的套管的靈敏度，同時降低了工具對地層各向異性和附近的圍巖(shoulder bed)的靈敏度。
[0036]另一方面，降低頻率也造成了幾個問題。首先，當工具的其他規(guī)格一致(相同的間距，相同的天線設計等)時，較低的頻率降低了在工具的接收器處接收的信號幅度。對于非常弱的信號幅度而言，噪聲電平或信噪比將成為具有挑戰(zhàn)性的問題。第二，如果在低頻率上工作，則在接收器處的大部分接收信號是從發(fā)送器直接發(fā)送到接收器的直達信號。如果直達信號遠強于來自套管的信號，則確定工具附近的套管的處理方案可能會失敗?？傊档凸ぷ黝l率對于附近的套管檢測可能是有利的，但是不同的地層電阻率和不同的套管到工具的距離限定了最佳工作頻率以及發(fā)送器和接收器之間的最佳間距。
[0037]為了可能進入優(yōu)化分析的更好地量化考查，如圖10所示，取位于均質(zhì)各向同性地層中的電磁測井工具作為示例，所述地層帶有50Ω.πι的電阻率，帶有在10英尺距離處平行的套管柱。工具對套管的靈敏度可以通過測量歸因于套管的信號的相對強度來表征。如圖10所示，當天線沿y軸取向時，套管信號最大，因為該取向在套管中感應最大電流并且提供對由此電流感應的場的最大靈敏度。由該發(fā)送器和接收器取向所測量的信號分量的復數(shù)
幅值在這里稱為/工具靈敏度則可以通過比較存在或不存在套管時模型信號0-/)的
相對強度來表達:
[0038]
【權利要求】
1.一種井下測井方法，包括: 從第一鉆孔獲得地層電阻率測量值； 至少部分基于所述地層電阻率測量值確定相對于所述第一鉆孔的特定位置處的第二鉆孔的預計環(huán)境信號電平； 選擇發(fā)送器-接收器間距和工作頻率中的至少一個，以從所述第二鉆孔為所述第一鉆孔提供所需的檢測信號電平，所述所需的檢測信號電平大于所述預計環(huán)境信號電平；以及在用于所述第二鉆孔的底部鉆具組合中設置具有所選擇的間距和/或工作頻率的傾斜天線測井工具。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述所需的檢測信號電平小于所述預計環(huán)境信號電平的10倍。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在鉆設所述第二鉆孔之前，對所述第一鉆孔進行套管。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述傾斜天線測井工具包括能夠被可變數(shù)量的中間子構件分開的天線模塊。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述傾斜天線測井工具有可編程的工作頻率。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述預計環(huán)境信號電平包括能夠歸因于地層各向異性的方位角信號因變量。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述預計環(huán)境信號電平包括能夠歸因于地層流體界面或地底層邊界的方位角信號因變量。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法`，其中所述預計環(huán)境信號電平包括能夠歸因于鉆孔效應的方位角信號因變量。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述確定所述預計環(huán)境信號電平包括基于試驗性的發(fā)送器-接收器間距和工作頻率產(chǎn)生模型響應。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述選擇包括: 基于所述試驗性的發(fā)送器-接收器間距和工作頻率為套管檢測信號找到建模響應；以及 系統(tǒng)地改變所述試驗性的發(fā)送器-接收器間距和工作頻率，直到所述建模的套管檢測信號超過建模的環(huán)境信號電平。
11.一種套管檢測工具，為在高電阻率地層中使用而設計，所述工具具有: 至少一傾斜發(fā)送器天線，發(fā)射發(fā)送信號；以及 至少兩個或更多的傾斜接收器天線，檢測感應磁場的分量， 其中，所述接收器天線位于離所述發(fā)送器天線具有至少所選擇的間隔距離處，并且其中所述發(fā)送信號具有所選擇的工作頻率處或以下的至少一個頻率分量，所述所選擇的間隔距離和所選擇的工作頻率提供的預計套管檢測信號電平大于預計環(huán)境信號電平。
12.根據(jù)權利要求11所述的工具，其中所述預計環(huán)境信號電平包括以下中的至少一個:對地層各向異性的因變量；對地層流體界面的因變量；對地底層邊界的因變量；以及對鉆孔效應的因變量。
13.根據(jù)權利要求11所述的工具，其中所述預計套管檢測信號電平基于特定的檢測范圍和地層電阻率。
14.根據(jù)權利要求11所述的工具，其中所述所選擇的間隔距離大于約35英尺，并且所選擇的工作頻率低于約IOOkHz。
15.根據(jù)權利要求14所述的工具，其中所述所選擇的間隔距離大于約40英尺，并且所選擇的工作頻率低于約IOkHz。
16.根據(jù)權利要求15所述的工具，其中所述所選擇的間隔距離大于約50英尺，并且所選擇的工作頻率低于約IkHz。
17.根據(jù)權利要求11所述的工具，其中所述發(fā)送信號具有可編程的工作頻率。
18.根據(jù)權利要求17所述的工具，其中所述套管檢測工具在所述發(fā)送器天線和至少一個接收器天線之間具有一定數(shù)量的中間子構件，其中所述數(shù)量是可變的，以提供至少所選擇的間隔距離。
19.根據(jù)權利要求11所述的工具，還包括處理器，所述處理器收集多個發(fā)送器-接收器間距下的測量值。`
【文檔編號】G01V3/30GK103874936SQ201180072865
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2011年8月18日 優(yōu)先權日:2011年8月18日
【發(fā)明者】邁克爾·S·比塔爾, 吳旭翔 申請人:哈利伯頓能源服務公司