专利名称：各向异性地层内确定垂直和水平电阻率及相对倾斜的方法
技术领域：
本发明涉及对钻井环境内所关心参数的测量。更具体地，本发明涉及在确定各向异性地层钻眼内电阻率值和相对倾斜时使用的装置和方法。
背景技术：
通常，应用电磁感应和电波传播的测井工具确定钻眼周围地层的电特性。此类测井工具可给出地层视在电阻率(或电导率)的测量值，通过适当分析，可用于判断地层的石油物理特性以及其中的气体。
电磁感应电阻率测井术的物理原理例如说明于1949年Richardson Tex.石油工程师协会的石油技术杂志vol.1p.148上H.G.Doll的论文“感应测井介绍及其应用于泥浆采油钻井测量”。自从上述Doll论文发表以来，对电磁感应电阻率测量仪器已作出许多改进和修正。此类修正和改进的例子例如可以在颁给Barber的美国专利No.4,837,517、颁给Chandler等人的美国专利No.5,157,605和颁给Beard等人的美国专利No.5,452,761中见到。
其内容完全引入于此供参考的Beard等人的美国专利No.5,452,761中，公开了一种由感应测井工具对接收的信号进行数字处理的装置和方法，它包含一个发射机和多个接收机。由发射机发出振荡信号，它在频域、时域或频域的域组合域内引起周围地层内产生涡流。涡流大小与地层电导率成比例。涡流在接收机中转而产生感应电压，在比之所关心最高频率运动更高的采样频率上使接收的感应电压数字化。奈奎斯特采样准则规定，采样频率应是待数字化的信号中存在的最高频率的至少两倍以上。数字化的窗口与振荡电流信号的周期同步。在频域内观测时，振荡电流可以是各个正弦频率的组合，在时域内观测时，可以是重复性的瞬时电流源。时域观测中，测量数据需变换到频域内再作出电阻率测量的数据分析和处理，经转换后可确定地层电阻率模型的电阻率特性和结构特点。在很大数目的此种周期上累积相加每个周期内得到的相应样本，综合的样本形成堆叠信号。由相应的接收机线圈产生的堆叠信号传输至计算机上作频谱分析。将堆叠信号传输到地面，而不是各别地传输所有样本信号，以减少需要存储和传输的数据量。对堆叠信号进行傅里叶分析以得到所关心频率上接收机电压中同相分量和正交分量的幅度。从各个分量幅度中，能精确地得知地层的电导率。
就诸如Beard等人论述的电磁感应电阻率测井仪器而言，其局限性在于，它们一般地包含卷绕的发射机线圈和接收机线圈，这些线圈的磁矩实质上只平行于仪器轴。本技术领域内已知的仪器中，在地层内感应的涡流来自于发射机线圈产生的磁场，此类涡流的流动路径与大地形成环路，实质上垂直于仪器轴。因此，接收机线圈内感应的电压与涡流大小有关。然而，一定的地层在构成上为导电的薄层地质与实质上不导电的薄层地质相交错。当各地层实质上与涡流流动路径平行时，典型的电磁感应电阻率测井仪器其响应很大程度上取决于导电层的电导率。实质上不导电的地层对仪器的总体响应只有小量的贡献，所以，它们的存在通常会被导电地层的存在所遮掩。然后，不导电地层典型地为蕴藏碳氢物质的地层，正是仪器用户最关心的。所以，一些可能有经济价值的地层会被使用本技术领域内已知的电磁感应电阻率测井仪器给出的测井数据资料疏漏掉。
Strack等人的美国专利No.6,147,496中说明了一种感应式测井工具的应用，其中，至少一个发射机和至少一个接收机它们的排列方位限制于正交方向。通过测井工具在至少两个不同的频率上实施测量，有可能实质上减小钻眼效应和入侵效应而确定出测井工具相对于层理面的方位。
其内容完全引入于此供参考的颁给Gupta等人的美国专利No.5,999,883中，公开了一种确定各向异性地层内水平如垂直电导率的方法。对感应接收机感应出的电磁感应信号，在沿着三个互相正交轴的方位上进行测量。电磁感应信号的测量上，应用的第一类接收机其每一个的磁矩平行于三个正交轴之一，应用的第二类接收机其每一个的磁矩垂直于三个正交轴之一，又垂直于仪器轴。从包括测得的垂直于仪器轴信号的接收信号中，计算垂直于该正交轴的磁矩的相对旋转角。通过使接收信号旋转一个与第一坐标变换对应的旋转角度的负值，计算出中间测量张量值。对于垂直电导率的方向，从该旋转量中可计算出平行于仪器轴的正交轴之一的相对倾斜角。初始旋转量是旋转一个与坐标变换对应的倾斜角的负值。参照横向各向异性(较简单的场合中)的主轴和层理面，对电阻率的各向异性特性作出估值。对于更一般的场合，类似的方法可以解析分层介质中Rhx不同于Rhy场合的双轴各向异性特性。第二步旋转后，可以接收信号的大小上计算出水平电导率。第二步旋转后，可从接收机信号值中计算出各向异性参数。从水平电导率和各向异性参数中，可计算出垂直电导率。
其内容完全引入于此供参考的Kriegshauser等人的美国专利申请序列号No.09/676,097中，论述了多分量感应式测井工具的使用，其中，记录5个磁场分量。市场上，该测井工具由Baker Hughes公司命名为3DEXJ型，它测量3个主分量Hxx、Hyy、Xzz和2个交叉分量Hxy、Hxz。由3DEXJ型测井工具给出的测量数据是不集聚的，因此，在分析3DEXJ的数据时需进行反演运算。
3DEXTM型装置中包含三个发射机和三个接收机，沿三个正交轴(x，y，z)定向，z分量沿着钻探工具的纵向轴。3DEXTM型装置给出电阻率信息，并提供数据的一般反演处理。在给定的初始条件的充分选取下，3DEXTM型装置对确定方位十分有用。然而，3DEXTM型装置是将非入侵地带上采集的数据放入其模型中的。此外，3DEXTM型装置对于在其数据反演中应用的初始条件很敏感。需要提供一种方法使3DEXTM数据反演有改进的初始条件，以改善运算结果的收敛性、精确性和稳定性。
Zhang等人的待审批美国专利申请序列号No.10/091,310中，采用的方法是对多分量测井工具给出的测量值进行同时反演，以得到分层电阻率模型和地层的倾斜角与方位。应用包括水平和垂直电阻率的模型产生仿真的测井工具响应。使用全局目标函数可实施一种选代解法，能在模型输出与现场观察之间给出改善的匹配。全局目标函数定义为数据目标函数(模型输出与观察数据之间的差值)同模型目标函数之和，通过在每次迭代中对模型内大的变化作出取舍，全局目标函数可稳定反演过程。测量值由一种电磁测井工具给出，它具有一个相对于地层的层理面法线呈倾斜的轴。本发明的优选实施例中，数据目标函数在线圈坐标系统内作出规定。测井工具上的钻眼探测和定位传感器提供出必需信息，应用于使模型输出转换到线圈坐标系统中。
1996年6月16日至19日在新奥尔良召开的第37届SPWLA测井专题研讨年会上，一篇题目为“没有相对倾斜的先有资料下一种确定各向异性地层中水平电阻率的新方法”的技术论文内，Hagiwara公开了一种方法，应用两种常规的感应式电阻率测量法用以对偏斜钻眼或倾斜地层确定水平电阻率。然而，Hagiwara的方法不给出相对倾斜角。为得到相对倾斜角，必须知道地层的各向异性特性。而且，Hagiwara表明，对于常规感应式测井工具(其中，发射机和接收机的天线指向与测井工具是共轴的)，不可能同时得到全部三个参数(水平电阻率、垂直电阻率和相对倾斜角)。这种应用常规感应式测井工具不可能达到这些答案同时求解的原因在于，在此类测井工具的响应上，垂直电阻率与相对倾斜角之间是耦联的(也就是，两者间相互不独立)。
Wu的欧洲专利申请No.0840142中，公开了一种方法和装置，应用于在钻探中确定水平电导率、垂直电导率和相对倾斜角。相对倾斜角不知道时，Wu的技术涉及列出地层介电常数与地层各向异性电导率之间关系的公式。然而，对上面的说明Hagiwara证明，介电常数为假定量，它们对相移电阻率的贡献极小。所以，即使介电常数已知，垂直电阻率与相对倾斜角仍然耦联，不可能同时求解它们。
颁给Bittar的美国专利No.6,136,155中公开了一种装置和方法，用于确定钻井环境内的电阻率。Bittar的发明针对一种改进的钻井方法和装置，应用于同时确定各向异性地层的水平电阻率、垂直电阻率和相对倾斜角。在天线配置上，发射机天线和接收机天线定向于不平行的平面内，使垂直电阻率与相对倾斜角之间无耦联关系。可取地，发射机或是接收机之一的天线按常规定向安装于与测井工具轴垂直的第一平面内，另一个天线安装于与第一平面不平行的第二平面内。虽然，该发明原本预定用于MWD或LWD场合，但也能应用于测井管线场合或其他场合。
Bittar＞155的方法应用二维几何学进行设计，它不包括在钻眼中需要考虑的相对方位角位置的测量，借以独一地求解各向异性特性中主轴的定向，从而求解Rh、Rv和相对倾斜。三维测量系统中要求正确地探测和分析电阻率张量，并确定它在各向异性介质中的定向。Bittar方法中，忽略在求解各向异性地层的主轴而且即使是简单的横断面各向异性(TI)地层的主轴中必需的方位角位置测量。在测量水平磁偶极子和垂直磁偶极子的概要方法中，进一步表明，技术要求可以是二维的，能够忽略求解各向异性地层的主轴而且即使是简单的横断面各向异性地层的主轴中必需的方位角位置测量。Bittar方法对于与感应电压相关的电阻率计算值和测量值，没有实施必需的参数化处理借以做到正确和精确地描述测量值以及它们相对于所探测电阻率张量方向的各别位置。本发明能够克服Bittar方法的缺点。
在导电的钻眼环境下，需要一种快速和可靠的方法用于确定稳定和唯一的各向异性介质的求解结果。需要一个三维系统正确地探测和分析各向异性介质内的电阻率张量。本发明能满足这种要求。

发明内容
本发明涉及一种装置和方法，用于对钻眼穿透的地层确定电阻率特性。在测井工具中使用多个多分量电阻率传感器，用于在钻眼内所述测井工具的多个工具表面角度上得到测量值。由电阻率传感器给出的测量值以工具表面角度关联的函数(诸如正弦函数)表示。从这些函数中可得到电阻率特性。测井工具可以用测井管线或钻探管筒传送进钻眼。工具表面角度可借助定向传感器获得，诸如地磁仪、加速度计或陀螺仪。
可以联合地分析在多个深度上给出的测量值。与数据的深度分段相结合，尤其是边钻探边测量时，多个深度上的测量能改善信噪比，从而改进电阻率的确定。


参考下面的附图能最佳地理解本专利申请，各附图中，类同的号码指类同的分量，各附图是图1(现有技术)示明在适用于本发明的打井中，供钻探和导向用的一种典型的孔底组件；图2示明由于井位偏斜而实际轨线偏离计划轨线；图3示明预测地质模型偏离实际地质模型；图4示明在本发明坐标系统中的坐标轴旋转效应；图5示明三轴测井工具在低频率仿真上的测量；图6示明典型的层理面地层；图7示明在钻眼内传送测量装置；图8A示明本发明中的深度分段位置安排；图8B示明本发明中的方位角扇区划分安排；图9示明使地层数据拟合相关的函数；图10示明使数据拟合于相关函数的单种选择；图11示明地层数据的扇区划分；以及图12示明本发明应用于偏心测量。
具体实施例方式
图1示明适用于本发明的典型孔底组件的细节。组件40附装在钻眼壁24内的钻管段9处。孔底组件包含软管11，弯头或子组件27，以及驱动钻头29围绕轴29A旋转的泥浆马达单元28。钻套11内有基于陀螺仪的探测工具10，它具有惯性角速率传感器装置。驱动钻头29旋转的泥浆马达受钻探泥浆流驱动，从地面上泵浦的泥浆流向下面通过钻管9的空心内腔25、并通过钻套11内的环形隔垫25A而围绕探测工具10。泥浆又通过弯头27流到泥浆马达单元28上。
泥浆在钻套/钻管外面与钻眼壁24之间的环形空间或环形套筒26内流回地面。测井管线12在钻眼内连接至探测工具10上，通过指明于80处周知的子组件侧面上的入口从钻套的一侧引出。另外，测井管线在使泥浆从泥浆马达返回地面的同一环形空间26内到达地面。弯头子组件27的弯曲角根据所希望的方向一距离之变化率进行选定。一般，可以考虑弯曲角的范围在0.5°至3°之间。图中示明的参考方向矢量X_即29B是在弯头子组件轴29A上形成的竖直面内的直线。在定向钻探中周知，通过旋转包括孔底组件在内的整个钻具组，直至弯头子组件竖直面内的参考矢量指向所需方向，便能引导钻眼方向发生偏折。当指向所需方向时，钻头上钻具组的重量使钻头方向沿着该参考方向偏折。因此，引导钻头沿着所希望轨线前进的过程可看作是一种参考矢量29方向的测量，使该测量数据呈现给钻探人员，由钻探人员按照需要调整孔底组件的定向。由工具面标志或工具现场连接键能给出正确的方位角基准、或是磁矩测量和其他方位角测量的校准面。当接收机和发射机处于分开的子组件内时，这种校准面是关键性的。利用此类装置能给出的测量值包括钻眼成像(核子成像、声学成像、电阻率成像)、运动和位置检测测量(应用倾斜仪、地磁仪、陀螺仪、加速度仪等)及方位角深度敏感的声学和电阻率测量等。
图2示明地层内计划的钻探轨线201和实际的钻探轨线211。制定钻探计划时，如地层1、2和3所示地应用给定的地质模型设计钻井轨线，例如应用于水库建造。基于该模型，根据对钻井路径和地质模型作出方位角与深度关系间的测量值处理，创建二维图像。对计划轨线的井眼201描画出地层边界200，它与计划轨线的夹角为α(203)。对实际轨线的井眼211画出地层边界200的相交点，得到不同的夹角α”(213)。角度α”表明由于井位变化而产生倾斜偏差。在钻井时，根据实际的磁矩测量值处理另一个二维图像。将基于实际测量值的图像与基于计划井眼和地层模型数据的图像进行比较，可得到深部地层探测中的差值图像，应用来对钻探人员告警偏斜。根据操作人员对于图像的利用目的，这些图像可依据结构特点和物质特征进行加权。可以将浅层的钻眼图像数据结合入基于深部测量值的、上面讨论的图像制备和改善中。
图2示明当实际的井眼钻探位置偏离计划位置和地层模型时，给定边界层与井眼路径相交的相对倾斜角怎样偏离模型值。图3示明当预测模型偏离地质模型时，给定边界层与井眼路径相交的相对倾斜角有怎样的偏差。路径301表示计划的钻井路径。实际地质模型的边界层如320所示，而预测地质模型的边界层如310所示。312的角度α表示井眼路径301的预测相对倾斜，而322的角度α”表示由于地质模型相对于预测模型有变化的实际相对倾斜。
图6示明一个各向异性的地层层理面。平行于地层面方向内的电阻率称为水平电阻率RH，垂直于地层面方向内的电阻率称为垂直电阻率Rv。对于横向各向异性介质(TI)而言，特定场合下Rv在图中的指向沿着对称主轴601。对于横向各向同性介质而言，水平电阻率RH的值在层理面603内不变化。相对倾斜角是钻眼轴(工具轴)与分层地层面法线之间的夹角。如果工具轴相对于地层面法线相当倾斜(也就是，非零的相对倾斜角)，则各向异性的岩石也影响测得的水平电阻率测量值。
对于完善描述测井工具的定位而言，需考虑5种坐标系统。最一般的场合下，地层的层理面是倾斜的，层理面法线与绝对参考系(地球参考系)的z轴不一致。称为地球参考系(Rv)的第一坐标系统的z轴指向地球重力的朝下方向。第二坐标系统RD指对应于倾斜层理面的坐标系统。RN和RD坐标系统的两个z轴所形成平面之法线定义为RN和RD两者共通的Y轴。每个参考系内的x轴是各别的ZY平面的法线。在地层不倾斜的场合下，这两个系统是同一的，其Y轴和X轴可分别选取为指向东和北。借助于围绕公共的Y轴使RD的Z轴旋转一个与层理面倾斜角对应的两个Z轴之间的夹角量而到达RN的Z轴，可将RD系统变换成RN系统。
图4示明对图1中的参考矢量X_即29B怎样确定其与地球固定坐标(RN)的关系，以应用于井眼计划、钻探导向和探测空间内的钻眼轨线。图(A)中，示明绝对参考系(地球参考系)RN的等角图，三个参考方向为北、东如下。北和东两个轴的指定只意味着为了简便的目的，并不限定本发明的范围。RN系统的方向分别标记为X、Y和Z。
第三个坐标系统RF这里是指地层系统，它包含由钻眼轨线和RN之Z轴组成的平面。在笔直的钻眼轨线中，角度φ是该平面的方位角，该平面内的工具是倾斜的，相对于地层系统RF的Z’轴进行测量。RF的Z’轴与RN的Z轴相同，将它作为旋转轴。通过围绕Z’轴使RN的X轴水平旋转角度φ，进入由钻眼轨线和Z轴组成的平面中，可得到RF的X’轴。RF的Y’轴与X’和Z’轴正交。在横向各向异性(TI)的各向异性介质中，地层面垂直于各向异性介质的主轴。对于此种各向异性(TI)介质，水平电阻率(RH)在地层的层理面内测量，该层理面内的各个方向上RH的值保持恒定。垂直电阻率(Rv)在垂直于地层层理面的方向内测量。
图4的图(B)上，示明图(A)中的参考方向围绕Z轴旋转角度φ。角度φ定义为钻眼的方位角方向，得到的新轴标记为X’和Y’。方位角旋转时Z轴方向不变，但为了统一性，标记为Z’。
第四个坐标系统RB是以钻眼轨线本身为准的坐标参考系。相对于RF的Z’轴，钻眼轨线有角度θ(相对倾斜角)。通过以Y’轴为旋转轴，使RF的Z’轴旋转角度θ进入钻眼轨线(Z”轴)，可得到RB。所得到的RB的各个轴指定为X”、Y”和Z”，但Y”与Y’是同一的。
图4的图(C)上，是示明沿图(B)上Y’矢量方向看过去的视图。图中所示是围绕Y’轴又旋转θ角。由于该视图内Y’轴是真正水平方向的，所以，该旋转定义为钻眼的倾斜旋转。应当指出，Z”轴仍然沿着钻眼轴。
第五个系统是工具参考系RT，通过使RB的X”轴围绕其Z”(也就是，工具和钻眼轴)旋转角度β，可得到RT，角度β使所述X”轴与指向发射机线圈的X_轴对准。这些相应的轴指明为X_、Y_和Z_，它们与测井工具内测量线圈的X、Y和Z轴对准。
图(D)上是沿Z”轴或钻眼轴的视图，它示明最后旋转角度β的结果。矢量Z_的方向垂直于钻眼方向，弯头子组件(图1中的27)内的弯曲平面按定义安装于该方向内。因此，图(D)上的矢量X_与图1中所示的参考方向矢量X_即29B是同一的。
这里，如下面所示，以矩阵形式表明各种坐标系统之间的旋转映射。从倾斜地层面坐标系统RD到地球参考系DN的映射如下式Γα∶RD→RNΓα=cosα0-sinα010sinα0cosα---(1)]]>旋转矩阵Γ_使各矢量旋转一个从地球参考系RN到钻眼面坐标系统RF的角度_Γ_∶RN→RF 从钻眼面坐标系统RF到钻眼轨线坐标系统RB的映射为Γθ∶RF→RBΓθ=cosθ0sinθ010-sinθ0cosθ---(3)]]>从钻眼轨线坐标系统RB到工具本身参考系RT的映射由下式给出Γβ∶RB→RTΓβ=cosβsinβ0-sinβcosβ0001---(4)]]>为了对工具参考系内每一个(X，Y，Z)发射机和接收机建模，在钻眼面坐标系统内可充分地求解它们。应用上面的变换，按下面的顺序可做到这一点RT→RB→RFMx′′xMy′′xMz′′xMx′′yMy′′yMy′′zMx′′zMy′′zMz′′z=Γθ-1Γβ-1Mx′′000My′′000Mz′′---(5)]]>带双撇的坐标是指在工具参考系内见到的工具参考系坐标。左侧矩阵内的每一项表示在钻眼面参考系RF内球解出的发射机分量。因此，例如Mx”y是表示x发射机的钻眼面坐标系统内y方向中的分量。
地层参考系内每个接收机中的磁场可以下式中得到HxxHyxHzxHxyHyyHyzHxzHyzHzz=Gxx000Gyy000GzzMx′′xMy′′xMz′′xMx′′yMy′′yMy′′zMx′′zMy′′xMz′′z---(6)]]>式中，Guv是指在v方向接收机内得到的、由u方向发射机偶极子天线产生的磁场，Hu”v是指在地层参考系内的v方向接收机上得到的、由工具参考系内的u方向发射机偶极子天线产生的磁场。
上面的磁场矩阵需要变换回工具参考系，以便得到在其每一个接收机内由工具测得的场强。可以用下面的变换做到这一点Hx′′x′′Hy′′x′′Hz′′x′′Hx′′y′′Hy′′y′′Hy′′z′′Hx′′z′′Hy′′z′′Hz′′z′′=ΓβΓθHx′′xHy′′xHz′′xHx′′yHy′′yHy′′zHx′′zHy′′zHz′′z]]>=ΓβΓθGxxGyxGzxGxyGyyGyzGxzGyzGzzΓθ-1Γβ-1Mx′′000My′′000Mz′′---(7)]]>式中，Hu”v”是指工具参考系中的v方向接收机内得到的、由工具参考系中的u方向发射机产生的磁场。坐标系统及地层定向地特定选择，对某些张量分量可得出零值。式(7)内地层参考系中的磁场是按完全的各向异性张量这个最一般的情况写出的。在分层地层为横向各向异性(TI介质)的场合下，它们可简化成前面式(6)的磁场式子。
如果工具中只有两个发射机磁矩及相应的X和Z方向上的两个接收机，则只能测量Hx”x”、Hx”z”(＝Hz”x”)和Hz”z”。
Hx”x”＝cos2β[cos2θ·Gxx+sin2θ·Gzx+sin2θ·Gzz]+sin2β·GyyHy”y”＝sin2β[cos2θ·Gxx+sin2θ·Gzx+sin2θ·Gzz]+sin2β·GyyHz”z”＝sin2θ·Gxx-sin2θ□Gzx+cos2β·GxzHx”x”＝Hx”x”＝cosβ·[sinθ·cosθ·(Gzx-Gxx)+cos2θ·Gzx]Hx”y＝Hy”z”＝sinβ·[sinθ·cosθ·(Gzz-Gxx)+cos2θ·Gzx]Hx”y”＝Hy”x”＝sinβ·cosβ·[cos2θ·Gxx+sin2θ·Gxx+sin2θGzx-Gxx](8)有4个主要未知量(β，θ，Rh，Rv)待确定。作为中间步骤，首先确定β，θ，Gxx，Gzx，Gzz，Gyy。显然，没有足够测量信息用以求解全部未知量，除非从某些其他的独立测量中已知某些参数。
图5示明由三轴测井工具在等效低频率仿真上的测量结果，工具有一个沿工具轴(Z)定向的垂直磁偶极子(VMD)和两个垂直于工具轴定向，相互正交的水平(或偏斜)磁偶极子(HMDx和HMDy)。图5的例子中，以水平井孔钻探地层，地层的电阻率值为Rh＝7Ωm，Rv＝14Ωm。图中示明关于地层电阻率张量(也就是，TI各向异性场合的Rh和Rv)方面水平或偏斜的线圈测量值与相对方位角之工具位置间的关系。在低频率(60kHz)上，从接收的磁场测量值中计算出的视在电导率将伴随以电阻率各向异性张量定向为准的相对方位角位置而变。Hzz值显示出与角度定向无关，而Hxx和Hyy值相对于方位角呈正弦变化。交叉分量Hxy表明电导率测量值随方位角的变化，与Hzz有90°相位差。由曲线族能确定角度定向。
求解相对倾斜及垂直和水平电阻率的反演程序中，利用由上面讨论的公式所描述的磁场方程式和测量值方面的正向横型。任一已证实的反演运算都能应用，例如，最小二乘方或Marquardt法。3DEXTM测量工具用的一种反演运算例子说明于Zhang等人的美国专利申请序列号No.10/091,310中，它与本申请有同一受让人，其内容引入于此供作参考。工具的测量值阵列Hzz、Hzy、Hxz、Hxx、Hxy、Hyx、Hyz、Hyy连同相对于外部参考(垂直/重力及磁场北，或是这两者)测得的各个相对方位角位置，都予以记录。Zhang等人的反演方法中使用的模型包含各地层的厚度、各地层的电阻率，以及人侵地带的长度和电阻率。在边钻探边测量的场合，入侵效应多半地很小。因此，完全应用Zhang等人的方法时，可能不需要附加的阵列测量以获得入侵地带的参数。
Dubinsky等人的美国专利申请序列号No.10/167,322中说明一种方法，用于在钻探时的钻眼内确定所传送的钻井组件穿透速率，它与本申请有同一受让人，其内容引入于此供作参考。加速度仪是一种典型装置用于在钻井组件上进行测量，指明钻井组件的轴向运动。其他的典型装置包括的类别诸如地磁仪和陀螺仪等。本发明的一个实施例中，这些测量应用于确定运动的轴向速度。识别出最大速度和最小速度，并假定穿透为步进式发生的情况下，可确定穿透速率。另一种方式中，确定最大和最小的轴向位移，应用它们来得到深度的时间函数曲线。本发明的另一个实施例中，从钻井组件的平均加速度及其瞬时频率上确定穿透速率。然后，可以用确定的穿透速率控制钻探时测井工具的工作。特别地，对测井工具中发射机的激活进行控制，以得到在所需深度上的测量值。在诸如应用于钻眼补偿声学测井法的阵列式测井工具中，上面的特点是特别希望的。方位角方向的测量可应用钻井测量装置加以实施，诸如是地磁仪和/或加速度仪、陀螺仪，或是倾斜仪等。
图7示明沿着钻探路径2206在钻眼703内传送钻具组701。钻具组传送到钻眼内的至少一个深度上。钻眼组701内包含用于得到纵向运动测量值的装置705(也就是，加速度仪、陀螺仪、地磁仪等)以及用于测量相对旋转角的装置707。工具沿钻探路径以垂直速度Vz(t)和加速度az(t)行进。工具还如箭头2204指出地围绕其纵轴以角速度ω(t)和角加速度aω(t)旋转。所有这些动态变量能够反映钻眼内部基本的工具运动和位置状况。
本发明的方法能应用由测井管线中传送的测井仪器采集的数据，也能应用钻探时在钻筒内传送的(MWD)测量装置诸如钻具组或绕线管采集的数据。具体地，当应用MWD测量时，该方向信息可应用于控制钻探方向，并使钻眼相对于层理面保持于贴近的位置上。
在钻眼内传送的MWD工具用各种发射机-接收机阵列组合和配置实施测量。这些测量对方位角很敏感，测量对工具轴可以对称或不对称。比之从MWD图像工具或其他浅方位角工具得到的数据，这些测量给出纵深的电磁数据。为改善信噪比和便于分析数据，可以将这些方位角测量值以深度区间(达到所需的深度分辨率)和方位角扇区进行组合。
图8A中所示的MWD工具的侧视图上表示出本发明中的深度分段，各个深度分段标记为z(n-2)、z(n-1)、z(n)、z(n+1)等。相邻的深度段之间诸如801与803或803与805之间，均间隔距离ΔZ。典型的各个深度段的长度例如深度段805的长度为ΔZ。所以，从每个深度段一侧到其中央的距离为ΔZ/2。可选地，当井眼路径轨线探测数据或井眼路径设计数据综合入真垂直深度(TVD)计算量中时，这些测量数据阵列可以放入TVD中。图8B中所示的MWD工具的横截面上，表示出在钻眼内划分成例如S(1)、S(2)、…、S(10)10个扇区的方位角位置。以标记为2202的一个方位角扇区作为例子。扇区的实际数目可由操作人员预先选定以做到优化使用。每个扇区的夹角等于360°/K，K为扇区数目。图8B的示例中有10个扇区，每个扇区的夹角为36°。
通常，与此种工具类型配合作出的辅助测量诸如有倾斜仪、陀螺仪(纤维、机械等)、加速度仪(1、2和3轴)和/或地磁仪，它们可提供附加数据以确认钻探路径、以及实施这些测量时工具对地层的相对位置。依靠此种可用数据，可以接收二维深度段内测得的原始数据(RD)以及井眼路径和工具对地层的相对位置数据。可以将原始数据组合入深度间隔(n)和方位角扇区(k)的群集内，得到原始数据阵列RD(n，k，ti)。RD(n，k，ti)是深度间隔n、扇区k和时间ti上的原始数据。由给定深度和方位角扇区上的许多测量值，能得出该深度和方位角扇区的平均值。此种场合下，平均值可从下列方程式中得到M(n，k)＝AVG[F(RD(n，k，ti))]式中，M(n，k)是对给定深度和方位角扇区得到的测量值记录。
对深度和相对方位角的加速度作出校正后，在两个步骤下进行平均以改善信噪比。第一步中，在至少一个深度和多个角度上得到测量值。将每一个深度段例如801(MD或TVD)和相对方位角扇区例如803上的测量值进行平均，以获得信噪比(S/N)的改善。第二步中，使给定深度上得到的各个方位角测量值同一个相对方位角函数作似合处理。
由于工具旋转很可能与其发射机信号源的重复周期不同步，所以，相对于发射机信号源的重复周期而言，分配给一个方位角扇区的原始数据时间系列可能没的相等的时间间隔。对重新组合的原始数据作时间平均能够提高信噪比，并通过减小下式所示的原始数据的标准偏差以改善精确度σM(n,k)=σRD(n,k)N]]>式中，σRD(n，k)表示在深度间隔n和方位角扇区K上得到的测量值标准偏差。N是在给定深度段和方位角扇区内实施测量的次数。测得的原始数据时间系列在各深度间隔和方位角扇区内进行群集，分配到在发射机信号源重复周期内的一个相对时间点上。可选地，至少在一个步骤上，可以使一部分工具静止面指向优选的方位角方位，对它得出原始数据(RD)时间系列。对于每一个深度间隔n和方位角扇区k，在各深度段和扇区内群集的和平均的数据M(n，k)能组成另一个阵列，如下表所示。

制定钻探计划时，井眼路径的确定例如根据水库的地质模型，水库物理参数的说明中包括与钻井的合理性目的关联的电阻率目标。这些电阻率目标有其响应特性。例如，图9示明对于一定的多分量感应测量(Hxx、Hyy、Hzz、Hyz)，各个方位角与各电阻率分层间的响应关系。上面的表中示明的平均数据可应用于对已知特性的特定地层目标估计预期的测量值阵列的方位角响应，然后，可应用该估计对该地层目标的几何参数(距离、方向、厚度)和物质特征进行分析。图9中示明的全部例子依从三角正弦函数。每一次完整的工具旋转中Hxx905和Hyy903各有两个相同的循环，而每一次工具旋转中Hyz909和Hxz907各发生一次对称循环。
不同的地层目标会给出不同的函数，例如，典型的有关函数为正弦曲线。如果给定的测量值阵列与特定的地层目标不能够正确匹配预期的函数，则将以可视方式或是在那类失配被认定(预期对实际)场合显示出概要报告，或是显示出与预期的地层响应相关联的预期关系方面的平均阵列数据M(n，k)与函数估计1010之间的误差(见图10)。不同方位角扇区的实际数据和预期函数示例于图9中所示的曲线圈上，它包含4个函数(F1至F4)。钻探时，该信息可应用于地质导向、钻凿和井位确定。
由于测量值信噪比的组合效应，该曲线拟合方法可降低反演处理结果内的不精确性。这种改善的获得是因为将相干和相关性的测量值组合起来应用于已知正弦函数的最佳拟合中。操作人员能够在选定的角度上选用拟合的测量值供反演程序应用。实施反深运算时，选取的数据包括外部的相对方位角参考数据并利用正向的建模，建模中包括上述的方程式、相对角度和三维参数。
特别地，测量值的反演能给出对钻眼轴(工具的Z轴)与层理面之间相对倾斜角的估计。许多情况下，希望钻眼的钻探持续处在特定的水库信息(诸如上面有油页岩的沙层)内。采用上述方法，如果相对倾斜角变得太大或不正确，可采取校正措施，以免井眼穿出水库或进入诸如油页岩的非生产性冠岩中。校正描述的实施或是由操作人员在地面上进行，或是应用钻井处理器调整钻探方向。
另一种应用场合是使钻眼相对于水库内的液体界面总保持于优选位置上。多孔地层的电阻率取决于地层中存在的液体情况，与蕴藏石油的地层和蕴藏天然气的地层相比较，水润湿地带的电阻率较低。
作为另一种反演实施，可以应用正向建模预测测井仪器在沿所需井眼上预期的电阻率响应，并根据实际的和/或平均的测量值采取校正措施。此种方法说明于Wu等人关于传播电阻率工具的美国专利Re35,386中，它有着与本发明相同的受让人，其内容完全引入于此供参考。Wu的专利与本发明之间的重大差别在于，此处应用方向性传感器能够提高灵敏度，而Wu等人的传播电阻率工具本质上是无方向性的。
图11示明一个具有10个方位角扇区的例子中，发射机重复循环时间(Tr)1101、工具旋转循环时间1103和扇区时间间隔1105之间的定时同步情况。发射机信号由1110表示。图中指明，当信号源顺序射向每个方位角扇区时，方位角测量值的平均化和综合。另一种方式，可以在工具静止下进行测量。方位角测量值可以来自工具每旋转一周中信号源波形的特定部分上。可以使工具旋转与信号源波形同步于特定的方位角扇区上，该状态并能围绕全部扇区逐渐地变化。信号源重复周期可处于3种情况下i)信号源重复周期小于扇区时间间隔；ii)信号源重复周期大于扇区时间间隔，但小于工具旋转时间间隔；iii)信号源重复周期大于工具旋转时间间隔。在情况iii)的场合，建议改变周期时间使之进入情况i)或情况ii)。
结合其他方面得到的微电阻率以及诸如核子，电阻率和声学钻眼图像之类的测井图像，可对数据作出分析用于地质导向场合。发射机可处于地面上或井眼附近。也可以将灵活地电路应用于其他的辅助和补充的电磁测量中，供地质导向和地层评估两方面使用。
作为实施测量的另一种或附加的方式是在曲线拟合后实质上配置连续旋转的传感器组件，借助于应用来自定向传感器的信号作为钻井处理器的输入，用以触发在规定的工具面角度上获得的电阻率测量值，这也能得到信噪比的改善。如果钻探中穿透速率慢，通过对多个多分量电阻率传感器之每一个给出的测量值进行简单的平均，能够得到充分质量的数据值供反演运算。
存在另一个有关的影响因素，当感应线圈轴相对于工具纵轴例如显著偏斜时，电磁天线的旋转和位置会在横方向上有不同的灵敏度。Wang等人(SPWLA2001)示明一个涉及横向感应线圈的例子，即在垂直于空间灵敏度对称性的电磁天线轴方向上，钻眼偏心会影响横向感应线圈。这一点示明于图12，其中，工具1153在钻眼1151内处于偏心位置上。当钻眼不是圆形时会有类似的效应。此后，用术语偏心率包括这两种情况，即圆形钻孔内工具偏离圆心以及井眼非圆形的情况。
应用声学法或其他测径器，可得到在不同方向内与钻眼壁的距离，图12中标记为D1、D2、D3和D4。Wang等人表明，偏心率影响由横向感应线圈给出的测量值。有两种校正此种偏心效应的方法。
本发明的优选实施例中，采用多频率集聚校正此种偏心率效应。颁给Rabinovich等人的美国专利No.5,884,227中公开一种对于感应式测井仪器内的趋肤效应调整感应式接收机信号的方法，感应式测井仪器内有多个间隔开的接收机和一个发射机，发射机在多个频率上产生交变磁场。方法中包括对多个频率上测得的接收机信号大小进行外推的步骤，根据在仪器周围介质内感应的交变磁场的检测，外推出在零频率上会得到的响应。通过对外推的量值进行反演处理，可得到仪器周围介质内的电导率分布模型。该专利具有与本发明相同的受让人。Rabinovich等人的美国专利No.5,884,227文献基于一种假设，即感应式工具装置具有完善的电导率。在边钻探边测量的装置中，不能遵从这种假设。然而，Tabarovsky于2002年11月15日提出的、处于委托审查的美国专利申请号No.414-29441中叙述了一种对MWD测井工具给出的测量值进行校正的方法，将只具有有限电导率的测井工具给出的测量值校正到由具有无限电导率的理想测井工具给出的测量值上，随之可应用多频率集聚方法。该专利具有与本申请相同的受让人，其内容完全引入于此供参考。
另一种处理偏心率的方法是应用已知的钻眼几何尺寸以及粘眼内测井工具的位置对数据进行反演。可取地，此种反演应基于钻眼内泥浆电阻率的已知值。
虽然，上述公开内容是针对本发明的优选实施例的，但对之作出各种修正对本技术领域内的熟练人员是显而易见的。在所附权利要求书的范围和精神内的所有变型，均应包含于上述公开内容内。
权利要求
1.一种对钻眼穿透的地层确定电阻率特性的方法，方法中包含(a)将测井工具传送至所述钻眼内的至少一个深度上；(b)应用多个电阻率传感器在钻眼的所述至少一个深度内，获得在所述测井工具的多个工具面角度上指明它们所述电阻率特性的测量值；(c)对所述多个电阻率传感器之每一个，借助于与所述工具面角度关联的函数来表明所述测量值；以及(d)从所述多个相关函数中确定所述电阻率特性。
2.权利要求1的方法，其中，所述测井工具有(i)测井管线和(ii)钻探管筒之一内传送。
3.权利要求1的方法，其中，所述至少一个深度进一步包含多个深度。
4.权利要求1的方法，其中，所述多个电阻率传感器进一步包括多个发射机—接收机对，它们的轴相对于所述钻眼的纵轴有倾斜。
5.权利要求1的方法，还包含从(i)加速度仪、(ii)地磁仪和(iii)陀螺仪中选择出一种定向传感器，应用于得到所述各工具面角度上的测量值。
6.权利要求1的方法，其中，所述相关函数之每一个实质上为正弦函数。
7.权利要求1的方法，其中，确定所述电阻率特性中还包括对选定的工具面角度上的所述相关函数的值实施反演运算。
8.权利要求3的方法，还包括应用加速度仪得到所述多个深度的深度值。
9.权利要求3的方法，还包括在与所述地层的单个层理面关联的所选定深度范围内，对所述测量值作出深度分段。
10.权利要求4的方法，其中，所述发射机和接收机进一步包括沿x、y和z轴校准的发射机和接收机。
11.权利要求1的方法，其中，所述电阻率参数进一步包括至少下列参数之一(i)地层的水平电阻率；(ii)地层的垂直电阻率；(iii)地层中入侵地带的长度；以及(iv)地层中入侵地带的电阻率。
12.权利要求7的方法，其中，实施所述反演运算中还包括(A)确定所述多种地层的初始模型，对于所述多种地层之每一个在其初始模型中包括(I)水平电阻率，(II)垂直电阻率；(B)确定测井工具对初始模型的预期响应；(C)确定所述预期响应与多分量测井工具给出的所述测量值之间的差值所关联的数据目标函数；(D)以迭代法更新所述模型，由此简化全局目标函数，所述全局目标函数包含所述数据目标函数同每次迭代中与所述模型内的改变相关联的模型目标函数两者函数之和。
13.权利要求12的方法，其中，所述地层进一步包含入侵地带，所述建模方法进一步包括应用阵列式电阻率测井工具得到能指明所述入侵地带特性的测量值，所述初始模型进一步包含(E)入侵地带的长度；以及(F)入侵地带的电阻率。
14.权利要求1的方法，其中，所述钻眼实质上是水平的。、
15.权利要求1的方法，进一步包括在多个频率上实施权利要求1中的(6)，以及先于实施权利要求1中的(c)而对所述多个频率上得到的所述测量值实施多频率集聚。
16.权利要求15的方法，进一步包括对有限电导率的所述测井工具按其同心情况的所述多频率测量值作出校正。
17.权利要求1的方法，进一步包括(i)以测经器得到多个测量值；以及(ii)应用所述多个测量值确定所述电阻率特性。
18.一种对钻眼穿透的所述地层内的至少一个深度处确定地层电阻率特性的装置，包含(a)一种具有多个电阻率传感器用于得到指明所述电阻率特性之测量值的可旋转测井工具，所述电阻率传感器在多个工具面角度上给出测量值；(b)至少一个定向传感器，用于得到指明所述多个工具面定向角度的测量值；以及(c)处理器，用于在应用拟合函数下从所述各测量值和所述多个工具面角度中确定所述电阻率特性。
19.权利要求18的装置，其中，所述至少一个深度进一步可包含多个深度，所述处理器进一步可将所述多个深度上的测量值进行组合，以确定所述电阻率特性。
20.权利要求18的装置，其中，所述电阻率特性进一步包含至少下列特性之一(i)地层的水平电阻率；(ii)地层的垂直电阻率；(iii)地层中入侵地带的长度；以及(iv)地层中入侵地带的电阻率。
21.权利要求18的装置，其中，所述多个电阻率传感器进一步包括多个发射机一接收机对，它们的轴相对于所述钻眼的纵轴有倾斜。
22.权利要求18的装置，其中，所述至少一个定向传感器进一步包含(i)加速度仪、(ii)地磁仪和(iii)陀螺仪之一。
23.权利要求22的装置，其中，所述处理器进一步可从加速度仪中确定所述多个深度。
24.权利要求18的装置，其中，所述拟合函数进一步包含正弦函数。
25.权利要求21的装置，其中，所述发射机和接收机进一步包括沿x、y和z轴校准的发射机和接收机。
26.一种对钻眼穿透的地层确定电阻率特性的方法，方法中包含(a)将测井工具中的钻具组传送进所述钻眼；(b)在钻具组旋转的同时，作出指明所述钻具组中工具面角度的测量，并将所述角度测量值提供给钻井控制器；(c)在从所述角度测量值中确定的规范的工具面角度上，应用所述钻井控制器以多个多分量电阻率传感器进行测量，以得到指明所述电阻率特性的测量值；以及(d)从所述多分量电阻率传感器给出的所述测量值中，确定所述电阻率特性。
27.一种在地层中钻探钻眼的方法，包含(a)在钻眼的至少一个深度内，应用钻具组上的多个多分量电阻率传感器得到在所述测井工具的多个工具面角度内给出的指明所述地层之电阻率的电阻率测量值；(b)对于多个电阻率传感器之每一个，借助于与所述工具面角度关联的函数来表明所述测量值；(c)应用一个处理器从所述相关函数中确定所述测井工具纵轴与所述地层之间的相对倾斜角；以及(d)至少部分地基于所述确定的倾斜角，应用所述处理器控制所述钻具组的钻探方向。
全文摘要
本发明涉及一种方法，应用传送至钻井内可三轴定向和阵列式天线的组合，确定各向异性地层中的水平和垂直电阻率。测量值是在给定深度处围绕测量装置的各个方位角上得到的。在每一个方位角定向上得到的测量值可以与一个函数曲线进行拟合，产生出地层周围的信息。对给定深度和方位角定向上得到的测量值，可作出加权以得到平均值。来自曲线拟合处理的值应用于随后的反演处理中，可以减小反演处理结果的不精确性。利用三维几何学能独一地求解出各向异性介质中主轴的定向，由此求解出水平电阻率、垂直电阻率和倾斜角。
文档编号G01V3/18GK1764851SQ200380108277
公开日2006年4月26日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月22日
发明者奥脱·凡尼尼, 圭兰玛巴斯·A.·默彻恩斯 申请人:贝克休斯公司