快速地層傾角估計(jì)系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】快速地層傾角估計(jì)系統(tǒng)和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 現(xiàn)代石油鉆井和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)需要有關(guān)井下參數(shù)和條件的大量信息。該樣的信息通常 包括鉆孔和鉆井組件的位置和定向、地層特性，和井下鉆井環(huán)境的參數(shù)。有關(guān)地層特性和井 下條件的信息的收集通常被稱(chēng)為"測(cè)井"且可在鉆井過(guò)程本身期間進(jìn)行（因此術(shù)語(yǔ)"隨鉆測(cè) 井"或"LWD"經(jīng)常與術(shù)語(yǔ)"隨鉆測(cè)量"或"MWD"互換使用）。
[0002] 存在用于LWD的各種測(cè)量工具。一種該樣的工具是電阻率測(cè)井工具，其包括用于 將電磁信號(hào)發(fā)射到地層的一個(gè)或多個(gè)天線和用于接收地層響應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)天線。當(dāng)在低 頻率下操作時(shí)，電阻率測(cè)井工具可被稱(chēng)為"感應(yīng)"工具，且在高頻率下操作時(shí)它可被稱(chēng)為電 磁波傳播工具。雖然支配測(cè)量的物理現(xiàn)象可能隨頻率變化，但是工具的操作原理是一致的。 在一些情況下，將接收信號(hào)的振幅和/或相位與發(fā)射信號(hào)的振幅和/或相位進(jìn)行比較W測(cè) 量地層電阻率。在其它情況下，將多個(gè)接收信號(hào)的振幅和/或相位彼此比較W測(cè)量地層電 阻率。
[0003] 當(dāng)根據(jù)鉆孔中的深度或工具位置來(lái)繪制時(shí)，測(cè)井工具測(cè)量被稱(chēng)為"測(cè)井曲線 (logs)"。該樣的測(cè)井曲線可提供對(duì)于鉆工和完井工程師有用的碳氨化合物濃度和其它信 息的指示。具體來(lái)說(shuō)，方位敏感的測(cè)井曲線可提供可用于為鉆井組件導(dǎo)向的信息，因?yàn)樗鼈?可通知鉆工鉆頭相對(duì)于當(dāng)前基床和附近基床邊界的定向的方向，從而能夠?qū)︺@井方案進(jìn)行 修改，該將提供比僅使用地震數(shù)據(jù)的情況更多的價(jià)值和更高的成功。然而，如果該樣的信息 不可W迅速的方式用于鉆工，則該樣的信息的效用是有限的。
[0004] 附圖簡(jiǎn)述
[0005] 當(dāng)結(jié)合附圖考慮下面的【具體實(shí)施方式】時(shí)，可獲得對(duì)各種公開(kāi)的實(shí)施方案的更好理 解，在所述附圖中：
[0006] 圖1示出說(shuō)明性隨鉆測(cè)井（UVD)環(huán)境。
[0007] 圖2示出沿鉆柱安裝的說(shuō)明性LWD工具。
[000引圖3示出兩個(gè)測(cè)井工具模塊和表面系統(tǒng)的框圖。
[0009] 圖4示出用于快速地層傾角估計(jì)的說(shuō)明性方法。
[0010] 應(yīng)理解，附圖和相應(yīng)的【具體實(shí)施方式】不限制本公開(kāi)，但與此相反，它們提供用于理 解落入所附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)的所有修改、等效物和替代方案的基礎(chǔ)。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面的段落描述用于快速地層傾角估計(jì)的說(shuō)明性裝置、系統(tǒng)和方法。首先描述適 于使用該種裝置、系統(tǒng)和方法的說(shuō)明性鉆井環(huán)境，隨后描述說(shuō)明性鉆柱與隨鉆測(cè)井（LWD) 工具。容納在LWD工具模塊內(nèi)的天線之間的位置關(guān)系也被描述和數(shù)學(xué)表達(dá)，如傳播通過(guò)周 圍地層的接收信號(hào)上的該些關(guān)系的效果那樣。然后描述幾個(gè)說(shuō)明性快速地層傾角計(jì)算，W 及產(chǎn)生指示快速地層傾角計(jì)算的適用性的參數(shù)的公式。計(jì)算和公式都在說(shuō)明性系統(tǒng)和由系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基于軟件的方法的情況中表現(xiàn)，所述系統(tǒng)與操作W決定哪些計(jì)算用于估計(jì)地層傾 角的決策樹(shù)一起進(jìn)行所描述的計(jì)算。
[0012] 所公開(kāi)的裝置、系統(tǒng)和方法在它們操作于其中的較大系統(tǒng)的情況中被最好地理 解。因此，圖1示出說(shuō)明性LWD環(huán)境。鉆井平臺(tái)2支撐具有用于升高和降低鉆柱8的移動(dòng) 塊6的井架4。頂部驅(qū)動(dòng)器10在其降低通過(guò)井口 12時(shí)支撐和旋轉(zhuǎn)鉆柱8。鉆頭14由井下 電機(jī)和/或鉆柱8的旋轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)。在鉆頭14轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)建立穿過(guò)各種地層的鉆孔16。累 18使鉆井液20循環(huán)通過(guò)供給管22、通過(guò)鉆柱8的內(nèi)部到達(dá)鉆頭14。鉆井液離開(kāi)鉆頭14中 的孔并向上流過(guò)鉆柱8周?chē)沫h(huán)形物W將鉆屑輸送到地面（其中鉆井液被過(guò)濾并再循環(huán)）。
[0013] 鉆頭14僅僅是井底組件24中的一件，所述井底組件24包括泥漿電機(jī)和一個(gè)或多 個(gè)"鉆挺"（厚壁鋼管），其提供重量和剛度W輔助鉆井過(guò)程。該些鉆挺中的一些包括內(nèi)置 測(cè)井儀器，其用于收集各種鉆井參數(shù)（諸如位置、定向、鉆壓、鉆孔直徑等）的測(cè)量?？稍诠?具面角度（旋轉(zhuǎn)定向）、傾斜角（斜率）和羅盤(pán)方向的方面指定工具定向，其中每個(gè)方面都 可從由磁力計(jì)、傾斜計(jì)，和/或加速度計(jì)的測(cè)量導(dǎo)出，然而也可使用其它類(lèi)型的傳感器（諸 如巧螺儀）。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，工具包括3軸磁通口磁力計(jì)和3軸加速度計(jì)。如本領(lǐng) 域已知的，該兩個(gè)傳感器系統(tǒng)的組合可實(shí)現(xiàn)工具面角、傾斜角和羅盤(pán)方向的測(cè)量。該種定向 測(cè)量可與巧螺或慣性測(cè)量組合W準(zhǔn)確地跟蹤工具位置。
[0014] 還包括在井底組件24中的是保持與地面的通信鏈接的遙測(cè)接頭。泥漿脈沖遙測(cè) 是用于將工具測(cè)量轉(zhuǎn)移到地面接收器并從地面接收命令的一種常見(jiàn)遙測(cè)技術(shù)，但也可W使 用其它遙測(cè)技術(shù)。對(duì)于某些技術(shù)（例如，穿墻聲信號(hào)傳送），鉆柱8包括用W檢測(cè)、放大和重 傳信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器30。在地面上，換能器28在機(jī)械和電形式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)，從而 使網(wǎng)絡(luò)接口模塊36從遙測(cè)接頭接收上行鏈路信號(hào)和（至少在一些實(shí)施方案中）將下行鏈 路信號(hào)發(fā)射到遙測(cè)接頭。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)50接收數(shù)字遙測(cè)信號(hào)、解調(diào)該信號(hào)，并將工具數(shù)據(jù) 或測(cè)井曲線顯示給用戶(hù)。軟件（在圖1中表示為非暫時(shí)性信息存儲(chǔ)介質(zhì)52)支配系統(tǒng)50 的操作。用戶(hù)經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)輸入裝置54和55W及一個(gè)或多個(gè)輸出裝置56與系統(tǒng)50及 其軟件52交互。在一些系統(tǒng)實(shí)施方案中，鉆工采用系統(tǒng)來(lái)作出地質(zhì)導(dǎo)向決策并將適當(dāng)命令 傳送到井底組件24。
[0015] 井底組件24可仍進(jìn)一步包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，鉆工可采用所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)W響應(yīng)于它們 的測(cè)井測(cè)量的分析來(lái)改變鉆孔的軌跡。說(shuō)明性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括可控翼板、鉆準(zhǔn)，或彎曲接頭。 旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向系統(tǒng)巧S巧可禪接到該樣的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)W甚至在鉆柱繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)也實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo) 向。
[0016] 鉆工做出地質(zhì)導(dǎo)向決策的受關(guān)注的一個(gè)地層參數(shù)是地層的真傾角。如本領(lǐng)域中已 知的，傾角是相對(duì)水平面的傾斜基床的下降的最大角度或其它地層特征。真傾角是垂直于 地層的走向線（即標(biāo)記基床或特征與水平面的交點(diǎn)的線）所測(cè)量的傾角。（它也可被表達(dá) 為垂直軸和垂直于地層基床面的矢量之間的角度。）相關(guān)的參數(shù)是相對(duì)傾角，其是鉆孔軸 和垂直于地層基床面的矢量之間所測(cè)量的角度。例如，鉆工可測(cè)量地層的相對(duì)傾角并采用 該信息來(lái)盡可能將鉆孔的軌跡保持在地層基床內(nèi)（相對(duì)傾角接近90° )，或盡快退出基床 (相對(duì)傾角角度接近0°或180° )。
[0017] 如下面更詳細(xì)地示出，真傾角和/或相對(duì)傾角可基于多分量/S軸電阻率測(cè)量來(lái) 估計(jì)。在至少一些說(shuō)明性實(shí)施方案中，使用包含=軸發(fā)射和接收線圈和/或發(fā)射和接收信 號(hào)可被分解成并建模為正交分量的方位靈敏的發(fā)送和接收天線的LWD工具來(lái)獲得該樣的 測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，該樣的LWD工具的發(fā)射和接收天線之間的禪接可被表達(dá)為W下形式的張 里：
[001 引 (1)
[0019] 其中每個(gè)分量TiRj.表示響應(yīng)于具有i-軸定向（X，y或Z)的發(fā)射天線的信號(hào)的具 有j-軸定向（也是x,yorZ)的接收天線上的理論信號(hào)。
[0020] 在至少一些說(shuō)明性實(shí)施方案中，上述X、y和Z定向由與鉆柱的軸和其它地層特征 (例如地層的走向和傾角）對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系軸限定。圖2示出說(shuō)明性LWD工具的鉆柱連同對(duì) 應(yīng)于每個(gè)發(fā)射和接收天線的坐標(biāo)系。LWD工具包括由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)204分離并禪接到鉆頭 208的模塊202和206。LWD模塊202包括接收天線212且LWD模塊206包括發(fā)射天線216， 但是任一模塊可W是發(fā)送或接收天線，W及任意數(shù)量的額外發(fā)射和/或接收天線。圖2的 右側(cè)坐標(biāo)軸系的Z軸與具有所示的X和y軸的鉆柱軸對(duì)準(zhǔn)。應(yīng)指出，雖然由于由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 系統(tǒng)204有意引入的鉆柱的扭曲或位置和定向改變而使接收天線212和發(fā)射天線216有可 能彼此未對(duì)準(zhǔn)，但是可使用已知的矩陣旋轉(zhuǎn)來(lái)校正該樣的未對(duì)準(zhǔn)，所述矩陣旋轉(zhuǎn)在數(shù)學(xué)上 重新對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)天線坐標(biāo)系并適當(dāng)調(diào)整張量分量。因此，即使在該樣的未對(duì)準(zhǔn)存在時(shí)，本文所 描述的系統(tǒng)和方法也可與多模塊LWD工具一起使用。
[0021] 在鉆柱和LWD工具模塊旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)或方位角4描述天線在由X和y軸限定的平 面內(nèi)的定向，如由圖2的方位角曲線圖所示。為了便于獲取和處理所測(cè)量的接收天線數(shù)據(jù)， 在至少一些說(shuō)明性實(shí)施方案中，鉆孔被分為方位分區(qū)（即，旋轉(zhuǎn)角范圍）。在圖2的方位角 曲線圖中，圓周已經(jīng)被劃分為編號(hào)242至Ij 256的八個(gè)分區(qū)，然而可采用較大或較小數(shù)量的分 區(qū)。在旋轉(zhuǎn)工具采集方位靈敏的測(cè)量時(shí)，測(cè)量可與該些分區(qū)中的一個(gè)并與深度值相關(guān)聯(lián)。通 常LWD工具旋轉(zhuǎn)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它們沿鉆孔行進(jìn)的速度，使得給定深度下的每個(gè)分區(qū)可與 大量測(cè)量相關(guān)聯(lián)。在給定深度下的每個(gè)分區(qū)內(nèi)，該些測(cè)量可組合（例如，取平均值）W改進(jìn) 其可靠性。
[0022] 對(duì)于傾斜非均質(zhì)地層（例如，基床邊界附近的傾斜地層），其中Z-軸表示沿鉆柱的 LWD工具軸，已知的是，如果工具坐標(biāo)系的y軸平行于地層的走向線，則x-y和y-z發(fā)射器/ 接收器對(duì)之間的交叉禪接可忽略不計(jì)。該種情況下由等式（2)的張量表示，