CN102667530A - 加套管井眼和表面之间的电磁测井 - Google Patents

Abstract

本发明公开涉及一种用于执行井眼周围地层的井眼到表面电磁检查的系统和方法。这种方法包括将偶极子发射机部署至所述井眼中的探测深度；在所述井眼外部部署电磁接收机阵列；以及在部署于井眼外部，例如表面的电磁接收机阵列处测量地层的响应。从地层响应，基于在电磁接收机阵列处测量的地层响应可以确定地层的性质。对于加套管井的情形，可以在接近井眼的位置增加本地参考接收机以测量套管内部的发射机的有效磁矩，并对地层响应进行归一化，以便更精确地确定地层特性，例如电阻率。这些接收机也可以用于其他类型的检查。

Description

加套管井眼和表面之间的电磁测井

对其他申请的交叉引用

本申请要求享有2009年10月2日提交的题为“Marine Borehole toSurface Electromagnetic Survey with Transmitter in Well Casings”的美国临时专利申请No.61/248,162的优先权。本申请还涉及2009年4月10日提交，题为“Borehole to Surface Resistivity Logging”的美国临时专利申请No.61/168,281，以及在2009年10月21作为美国专利申请No.12/603,053非临时提交的申请，在此通过引用将其每者并入本文（事务所存档号23.0706）。

技术领域

本申请总体上涉及电磁测井领域，尤其涉及利用设置于加套管井眼中的一个或多个发射机和位于表面上的一个或多个接收机的电磁（EM）测井。

背景技术

一种测量地层电阻率的技术涉及通过低频磁场发射机使用电磁感应，低频磁场在地层中诱发电流。这些感应电流接着又产生次生磁场，所述次生磁场可以由磁场接收机测量到。

测量位置相邻的井眼之间地球地表下岩层电阻率被称为“井间测量”。现有技术中已知有各种工具和方法来执行井间测井，由此获得井间测量数据集。通常通过移动一个井中的发射机和另一个井中的接收机阵列来收集井间数据集。对对应于发射机和接收机阵列各种位置的电磁场进行测量。需要一个完善的求逆过程来解释这种数据集并获得井间区域的电阻率图像。典型的井间测井系统使用产生大垂直磁矩的发射机和特别对磁场垂直磁矩敏感的极灵敏接收机。

为井间测井设计的几种系统使用了磁场发射机和接收机。那些发射机和接收器产生沿工具纵轴取向的磁偶极矩。在原理上讲，可以为井之一或两者加套管。不过，在实践中，由于套管导致严重的衰减，为两个井都使用标准磁钢套管是有问题的。已经获得了成功且有用的测井曲线，其中两个井都是裸眼井，或其中接收机井已装备磁性套管。此外，已经获得了利用高铬含量的钢加套管的井之一或两者的成功测井曲线。那种套管是非磁性的，比标准套管具有更低电导率。结果，衰减比标准磁钢套管低得多。

也有各种工具从井眼之内向位于表面上的一个或多个接收机发射电磁信号。例如，有一种钢丝绳工具被设计成测量加套管井中的地层电阻率，一种同时测井和钻井（LWD）的工具跨过工具中的绝缘间隙并向地层中发送电流，一种生产测井工具在井下部件和表面之间实现无线遥测，一种EM遥测工具被用作泥浆脉冲遥测装置的替代，在工具中绝缘间隙两端施加电压，以生成E-偶极子源（在共同所有/转让的美国专利7,477,162中描述了E脉冲）。

发明内容

本公开涉及在裸眼井或金属套管井中进行井眼到表面（包括海底）电磁感应测井。

附图说明

图1和2是根据本公开用于进行井眼到表面电阻率测量的几何结构实施例的示意图。

图3示出了描述所公开方法一个实施例中步骤的流程图。

图4示出了根据实施例使用的计算机系统的方框图。

应该理解的是，附图不成比例，仅用于例示的目的，并不是本发明的范围界定，其范围仅由所附权利要求的范围确定。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明的具体实施例。为了一致，将用类似数字指称各图中类似的元件。在以下描述中，阐述了很多细节以提供对本发明的理解。不过，本领域的技术人员应该理解，可以无需这些细节中的很多来实践本发明，所述实施例的很多变化或修改都是可能的。如这里使用的，术语“垂直”表示基本对准或平行于井眼的纵轴，除非另行指出。

井间测井的补充测量是表面到井眼或井眼到表面测量。对于这样的测量，将源放在表面上，接收机放在井下，或反之。在一直执行的表面到井眼试验中，源是电偶极子（例如，连接到被推进到地球中的两个标桩的大发电机），接收机是感测所得磁场的垂直分量的常规井间磁场接收机。在美国专利申请No.12/603,053中已经提出了使用井下E偶极子源的井眼到表面测量方法。应当指出，测量加套管井中的垂直电场相当不实际。

有五项观测涉及形成本公开基础的先前测量，本公开涉及利用井下磁偶极子源的井眼到表面测量。在井间EM检查中，采用一个井内部的磁偶极子源，第二个井中部署接收机串，或在表面到井眼（STB）检查中，执行这些先前测量，在STB检查中，线电流源和/或表面电流环源位于表面上，同时将接收机串部署到加套管深井中的各种深度。观测结果如下：

1.包括单个井下发射机源，多个接收站位于井眼中、表面上或海底的配置对于在EM检查期间部署更有时间和成本效率。

2.对井下发射机磁矩的限制主要起源于测井电缆的设计、发射线圈的匝数以及发射机芯的磁导率和尺寸。测井电缆技术的最近发展允许向井下发射机输送高功率，这为井下发射机提供了迄今为止未达到的大磁矩。

3.可能优化设计并为加套管井应用设计更短的磁偶极子发射机。当前采用的系统（DeepLookEM^TM）中的发射机具有长磁芯，这对于在加钢套管井中工作并非最优。

4.只要没有与发射线圈交叠的套管扶正器和套管接箍，就可以利用放置于钢套管外部并较接近其的接收机测量加钢套管内部发射线圈的有效磁矩。

5.也可以将为了大地电磁（MT）或受控源电磁（CSEM）检查而放置的接收机阵列用于具有井下磁和/或电偶极子天线源的井眼到表面检查。

如美国专利申请No.12/603,053指出，有从井下位置向表面接收机发射的商用工具。上述LWD工具通过生成钻铤表面上绝缘段之间的电压差，向表面发射由工具收集的数据。在0.1875-12Hz的频率范围中调制该电压以向表面发射数据。在表面，电极测量电压（一般在井口装置和远端电极之间），数据被解调。该工具具有井下存储器，能够记录间隙两端的电压和电流，或以其他方式进行测量，从测量结果可以获得电压和电流。

上述生产测井工具基于相同原理工作，但也有从表面接收发射的能力。它工作于0.25-3Hz的频率范围中。两种工具都被设计成从井下具有垂直电偶极矩的天线发射信号。上述用于测量加套管井中的地层电阻率的钢丝绳工具工作于大约1Hz。如这里使用的，“垂直”表示基本平行于部署发射机的井眼的纵轴。

为了进行井眼到表面测量，也可以使用井下工具，其结合表面传感器阵列产生垂直的磁偶极矩。表面上的传感器（接收机）可以是至少两种类型的：（1）电极传感器；和（2）磁场传感器。电极传感器可以包括，例如推进到地中的标桩，或者，非极化电极（对于较低频率的测量），在它们之间测量电压。那会允许产生表面上的电压图。或者，对于磁场传感器，可以利用类似于用于井间测井的那些传感器或其他种类的常规磁场传感器，例如饱和式磁力仪或SQUID（超导量子干涉装置）的传感器测量磁场。由于这种装置不需要承受井下条件，所以它们的制造成本比井下工具低很多且更容易实现、设置和操作。

例如，上述LWD工具进行两种测量。一种测量是井下发射机的阻抗；亦即，绝缘间隙两侧电压和电流的比率V/I。这给出了大致正比于地层电阻率的本地测量值。此外，在井口装置和定位于一定距离之外的标桩之间测量表面处的信号（即，电压）。在钻井且LWD工具距井口装置越来越远的时候，信号强度减小。减少率是井几何形状和地层电阻率的函数。地层越导电，信号强度减小得越快。通过监测信号强度，实现了地层电阻率的低分辨率深度测量。可以通过在表面上引入传感器阵列推广这一第二测量类型以获得地表下方电阻率的图。此外，除了电场之外，能够利用表面接收机阵列测量磁场，以提供井眼周围更高的横向灵敏度。可以在以其正常角色将工具用作LWD遥测工具的同时进行测量，无需额外的钻井时间。于是，可以产生裸眼井测井曲线。

于是，在一个实施例中，可以移动井下发射机，或者出于增强地层属性判定的特定目的，或者是因为井眼工作的属性。能够通过在发射机静止时进行一些测量，在发射机运动时进行一些测量来提高井眼操作的效率。

描述井下磁偶极子发射机。

图1示出了系统100，已经由承载结构106将发射机工具102下降到井眼104中。承载结构106可以是钢丝绳/盘管或从井眼104的井口装置延伸的任何其他承载结构。承载结构106包括通信介质（例如，电通信介质、光通信介质等）以允许发射机工具102和表面设备108之间进行通信，还向发射机工具102输送电力。承载结构106优选是大功率电缆，例如NuPower^TM，如共有的美国专利No.7,586,313和美国专利No.7,259,689中所述，通过引用将其每者全文并入。

表面设备108一般包括计算机，计算机具有处理器和存储介质。可以在处理器上执行软件以执行预定义的任务。根据一些实施例，软件能够处理从工具接收的测量数据以确定地层特性。表面设备108可以是可运输的，例如位于钢丝绳车中，或者可以位于远离井位的位置。在这样的实施例中，可以通过很多公知方法的任一种从井位向表面设备108传输数据，公知方法包括，但不限于通过卫星或无线连接，直到简单的方法，例如将数据记录到存储介质，并将存储介质物理地移动到井位旁表面设备计算机以进行处理。

可以为井眼104镶衬套管109，套管包括铬含量高的钢或非磁性且电导率低于标准套管的任何其他套管。将套管109放置就位以使井眼104稳定，保护淡水地层、隔离井漏区域和/或隔离具有显著不同压力梯度的地层。同样沿着井眼104的长度设置，可以部署各种套箍或扶正器110以在用水泥使套管109就位之前，分别将各个长度的套管耦合在一起并保持套管109接触井眼104的壁。在典型的井中，利用大约30到40英尺长的套管完成井，这些套管通过套管接箍连接在一起，每个套管段都具有一个或最多两个套管扶正器。

在井的外部位置、海底表面114或陆地位置116处部署或在浅水中牵引电磁传感器112的阵列（电场传感器或磁场传感器或两者的组合）。尽管图1中示出了具有特定取向的十二个接收机，但要指出的是，在替代实施方式中，可以采用任意不同数量的接收机，从一个到超过一个，并且处于各种取向。

在图1中所示的实施例中，井眼104的一部分是开放的，亦即，尚未加套管。为了表征地层中关于井眼未加套管部分的研究深度处的目标，在由电磁传感器112的阵列进行测量时，向期望研究深度部署、激活并向表面向上收回发射机工具102。这样一来，发射机工具102单次通过研究深度幅度的深度范围就产生多个测量结果，从其可以确定地层特性。

现在参考图2，在图1的系统100中，已经由承载结构106将发射机工具102降入井眼104中，套管109（连同个别套管接箍和扶正器110）在整个期望研究深度内延伸。在图2中所示的实施例中，在海底增加附加传感器作为本地（local）参考接收站118。本地参考接收站118的位置在海底上或表面上的井外部，但与之靠近，于是远离地层中目标地质的地方。本地参考接收站118测量恰好在套管109外部的发射机工具102的有效发射机磁矩。利用在套管109外部这样测量的套管中发射机的已知有效磁矩，可以直接将接收机阵列的较远接收站中测量的远场归一化，以消除发射机套管的效应。

现在参考图3，示出了执行井眼到表面电磁测量的一般方法流程图。该方法开始于300，在穿透地层的井眼外部部署接收机阵列。在海底或表面上布置接收机的阵列与为井下接收机牵引发射机相比具有时间和成本效率。在302，在穿透地层的井眼中可移动地部署发射机。根据执行的特定检查必要的灵敏度，发射机包括电偶极子或磁偶极子发射机源。磁偶极子发射机固有地具有磁矩，该磁矩主要取决于测井电缆的设计、发射线圈的匝数以及发射机芯的磁导率。如上所述，使用NuPower^TM敷设电缆技术，能够实现向发射机输送高功率，从而实现大磁矩。在至少一些实施例中，芯长度不超过八（8）英尺长的发射机是合乎需要的，这样有效磁矩不会减小，但加钢套管井中的可用数据量增加，因为更少的数据点受到套管接箍和套管扶正器的影响并将被丢弃。

在304，判断在特定探测深度井眼是否已有套管。如果在探测深度井眼没有套管，在306激活发射机，在308，在井眼中将发射机移动到多个位置。更具体而言，通过在上述承载结构106上向上拉起工具来通过井眼移动发射机。相对于加套管井，为裸眼井可以使用不同的发射机。

在310，根据共同拥有/转让的美国专利申请No.12/603,053已经描述和主张的方法，由接收机阵列针对多个位置的每个记录地层响应的测量值，在此通过引用将其全文并入。在一些情况下，可以将接收机阵列移动到另一个位置，以完全覆盖所有测量面积并再次记录发射机，如任选步骤311中所示。在312，对地层响应的测量值求逆（inversion），从而能够确定探测深度附近区域中的地层特性。

或者，如果在304，判断结果是，井眼在探测深度具有套管，那么在314，在井外部署本地参考接收站的附加传感器。优选地，本地参考接收站位于海底上井套管外部。在316，激活发射机。在318，在井套管外部的本地接收站处测量发射机的有效磁矩，从而知道套管如何影响在几乎没有或没有地质构造影响场的区域中近场中的发射机磁矩，然后能够使用发射机的有效磁矩以消除套管对（在接收机阵列处测量的）地层响应的一些影响。在加钢套管的井段中，将使用加套管井发射机探头，例如用于Schlumberger'sDeep Look EM系统中的更短版本探头。

在320，在井眼中向多个位置移动加套管井发射机。更具体而言，通过在上述承载结构106上向上拉起工具来通过井眼移动发射机。在322，根据共同拥有/转让的美国专利申请No.12/603,053已经描述和主张的方法，由接收机阵列针对多个位置的每个记录地层相应的测量值，在此通过引用将其全文并入。

在324，从322的测量结果去除在深度记录上对应于套管接箍和扶正器周围和附近的位置的测量结果，因为套管接箍和扶正器在实测场上导致一些较大的印记。在消除了对应于套管接箍和扶正器附近深度的测量结果后，在326，利用在318中测量的发射机的实测有效磁矩进一步对（在远场接收机阵列处测量的）地层响应测量结果进行归一化。如上所述，在一些情况下，可能需要将接收机阵列移动到另一个位置，以完全覆盖所有测量面积并再次记录发射机。

在328，对地层响应的测量结果求逆，能够确定探测深度附近区域中的地层特性，减小或消除了由于套管、套管接箍和扶正器导致的效应。

注意，可以在降低工具或在井眼104中向上测井时连续执行包括图3中任务的过程。可以由图4中所示计算机110执行的软件执行图3中所示的任务312和322-328。

图4示出了可用于执行根据实施例的任务的计算机系统400。计算机系统400包括可以在处理器404上执行的求逆处理软件402。处理器404连接到存储介质406，存储介质存储已经从各接收机接收的检查测量数据408。可以利用一个或多个基于盘的存储装置或集成电路（IC）存储装置实现存储介质406。该计算机系统还包括图形用户界面（GUI）410，可以在其上输出并以2D、3D甚至4D方式表示检查求逆的图解表示。

加载软件指令以执行上述处理和求逆，以在处理器（例如图4中的处理器）上执行。该处理器包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统（包括一个或多个微处理器或微控制器）或其他控制或计算装置。“处理器”可以指单个部件或多个部件（例如，一个或多个计算机中的一个或多个中央处理单元）。

（软件的）数据和指令存储在相应的存储装置中，存储装置被实现为一个或多个计算机可读或计算机可用存储介质。存储介质包括不同形式的存储器，包括半导体存储装置，例如动态或静态随机存取存储器（DRAM或SRAM），可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）和闪速存储器；磁盘，例如硬盘、软盘和可移除盘；其他磁介质，包括磁带；以及光学介质，例如紧致盘（CD）或数字视频盘（DVD）。

优点：

在标准的表面到井眼方法中，源在表面上，接收机传感器通过一段井眼移动。在井下传感器的每次运输之后，典型地将源移动到新位置并重复该过程。这是非常耗时的。如果作为替代，在尺度为几千米的表面上放置多个传感器阵列，发射机仅需要穿过井一次以在多个位置获得测量结果。这样节省了相当多宝贵的钻井时间。此外，可以获得更完整的一组传感器位置，因为钻井时间不取决于测量次数。部署表面接收机的准备时间一般比表面发射机的准备时间短得多。

因为井下的接触电阻一般非常低，所以可以使用大电流而无需高功率（即，可以使用低电压）。如果使用高电压，将在井眼中而非在表面发射机位置施加它。还不需要试图或设法减小井下发射机的接触电阻，如常常针对表面发射机电极做的那样。可以针对频率或时间域含量修改发射机波形，以增强提高期望频率或瞬态时间的信噪比，或者以其他方式优化透射能，用于期望的地层成像。

尽管已经相对于有限数量的实施例描述了本发明，但本领域的技术人员受益于本公开，将认识到可以想到不脱离这里公开的本发明范围的其他实施例。因此，本发明的范围应当仅受所附权利要求的限制。

Claims (28)

1.一种用于评估井眼附近感兴趣地质目标周围的地层的系统，所述井眼是在所述地层中钻出的，所述系统包括：

测井电缆，其在所述地层中钻出的所述井眼中可移动地部署偶极子发射机，所述偶极子发射机被配置成在所述高功率测井电缆将所述偶极子发射机从所述井眼中的第一位置向所述井眼中的第二位置移动时，从多个发射机位置向所述地层中发射电磁能量；

部署在所述井眼外部一个或多个位置处的电磁接收机阵列；以及

耦合到所述测井电缆的表面测井计算机，所述表面测井计算机被配置成使用所述电磁接收机阵列接收的信号来确定所述地层的性质。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收机阵列还用于收集海洋大地电磁数据、陆地大地电磁数据、陆地受控源电磁数据和海洋受控源电磁数据中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的系统，其中与海洋大地电磁数据、陆地大地电磁数据、陆地受控源电磁数据和海洋受控源电磁数据中的至少一种一起使用所述电磁接收机阵列接收的信号以确定所述地层的性质。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述偶极子发射机包括磁偶极子发射机，其包括设置于芯周围的线圈，在激活时产生大磁矩。

5.根据权利要求4所述的系统，其中优化所述发射机以用于以钢加套管的井中，所述套管具有不长于大约八英尺长的芯。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述偶极子发射机包括电偶极子发射机，其包括调制绝缘间隙两侧施加的电压的电路。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收机阵列包括磁场接收机和电场接收机的任何组合。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述井眼包括开放的未加套管井眼。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述井眼包括以磁钢或非磁性铬钢加套管的井眼。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括在相对接近所述井眼且位于钢套管外部的位置处的至少一个本地参考接收机，其被配置成测量所述钢套管内部的所述发射机的有效磁矩。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述电磁接收机阵列位于陆地、海底上，牵引在电缆系统上或是其任意组合。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述电磁接收机阵列包括电场传感器、磁场传感器、地震传感器、或那些传感器的组合。

13.一种用于执行井眼到表面电磁测量的方法，包括：

在井眼中的井下位置处部署偶极子发射机；

在所述井眼外部部署电磁接收机阵列；

在相对接近所述井眼且位于钢套管外部的位置处部署至少一个本地参考接收站，所述本地参考接收站被配置成测量所述钢套管内部的发射机的有效磁矩；

激活所述偶极子发射机、所述本地参考接收站和所述电磁接收机阵列；

在所述电磁接收机阵列处测量地层的响应；

在所述本地参考接收站测量加套管井眼中的所述发射机的所述有效磁矩；

基于所述加套管井眼中的所述发射机的有效磁矩对所述地层的响应进行归一化；以及

基于归一化的所述地层的响应来确定所述地层的性质。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述接收机阵列还用于收集海洋大地电磁数据、陆地大地电磁数据、陆地受控源电磁数据和海洋受控源电磁数据中的至少一种。

15.根据权利要求14所述的方法，其中与海洋大地电磁数据、陆地大地电磁数据、陆地受控源电磁数据和海洋受控源电磁数据中的至少一种一起使用所述电磁接收机阵列接收的信号来确定所述地层的性质。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述偶极子发射机包括磁偶极子发射机，其包括设置于芯周围的线圈，在激活时产生大磁矩。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括通过选择长度不长于大约八英尺长的芯，优化所述发射机以用于以钢加套管的井中。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述偶极子发射机包括电偶极子发射机，其包括调制绝缘间隙两侧施加的电压的电路。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述接收机阵列包括磁场接收机和电场接收机的任何组合。

20.根据权利要求13所述的方法，其中所述井眼包括开放的未加套管井眼。

21.根据权利要求13所述的方法，其中所述井眼包括以磁钢或非磁性铬钢加套管的井眼，所述方法还包括利用发射机中心监测器的测量结果和线圈阻抗测量结果来去除受到套管接箍和套管扶正器影响的数据。

22.根据权利要求13所述的方法，还包括在陆地上定位所述接收机。

23.根据权利要求13所述的方法，还包括在海底上定位所述接收机。

24.根据权利要求13所述的方法，还包括在电缆系统上牵引所述接收机。

25.根据权利要求13所述的方法，其中所述接收机包括电场传感器、磁场传感器、地震传感器、或那些传感器的组合。

26.一种用于对井眼周围的地层执行电磁测量的方法，包括：

将偶极子发射机部署至所述井眼中的探测深度；

在所述井眼外部部署电磁接收机阵列；

在所述电磁接收机阵列处测量所述地层的响应；以及

基于在所述电磁接收机阵列处测量的所述地层的响应来确定所述地层的性质。

27.根据权利要求24所述的方法，其中在所述探测深度，所述井眼是未加套管的。

28.根据权利要求24所述的方法，其中在所述探测深度，所述井眼是加套管的，并且还包括：

在相对接近所述井眼且位于钢套管外部的位置处部署至少一个本地参考接收站，所述本地参考接收站被配置成测量所述发射机的有效磁矩；以及

基于所述钢套管中所述发射机的所述有效磁矩对所述接收机阵列的响应进行归一化。

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