CN102870014A - 通过旋转钻具来进行处理和地质导向 - Google Patents

Abstract

各个实施例包括相对于测井来进行处理和地质导向的装置和方法。装置和方法还包括采集因操作在井的钻孔中旋转的钻具而生成的信号，其中该钻具包括相对于该钻具的纵轴倾斜的接收器天线、以及两个发射器天线。可相对于该钻具的旋转方向来处理所采集的信号以确定与地层相关联的特性和/或用于对钻探操作进行地质导向的地质信号。

Description

通过旋转钻具来进行处理和地质导向

技术领域

本发明一般涉及具有测井（well logging）能力的系统。

背景技术

在用于油和气体探测的钻井中，应当理解，钻孔周围的地质地层（formation）的结构和特性提供了有助于这种探测的信息。然而，钻探钻具操作的环境在地面下相当远的距离处，并且在这些位置进行测量以管理这种装备的操作。此外，这种测量的实用性可相关于从这种测量推导出的信息的精度或质量。

附图简述

图1示出根据各个实施例的确定与在井的钻孔中操作钻具相关联的特性的方法特征。

图2示出根据各个实施例的多分量电磁测井钻具（logging tool）的天线配置。

图3A-B示出根据各个实施例的可在测井钻具中使用的两种天线结构。

图3C示出根据各个实施例的图3A-B的天线结构的倾斜角的象限。

图3D-E示出根据各个实施例的相对于其中配置有多组天线的钻具的轴而倾斜的这些天线。

图4示出根据各个实施例的钻具面元位置和相应方位角的配置。

图5示出根据各个实施例的具有倾斜+45和-45度的两个发射器、以及相对于纵轴倾斜45度角的中央接收器的钻具。

图6示出根据各个实施例的执行旋转测井钻具的示例流程图。

图7A-B示出根据各个实施例的针对特定地层模型使用图5所示钻具的天线配置的响应的反演（inversion）结果。

图8A-B示出根据各个实施例的针对另一地层模型使用图5所示钻具的天线配置的响应的反演结果。

图9示出根据各个实施例的参考在三层各向同性地层中钻探时的图5的上发射器-接收器对的交叉耦合测量的复电压的示例响应。

图10示出根据各个实施例的参考在三层各向同性地层中钻探时的图9的下发射器-接收器对的交叉耦合测量的复电压的示例响应。

图11示出根据各个实施例的参考在三层各向异性地层中钻探时的图5的上发射器-接收器对的交叉耦合测量的复电压的示例响应。

图12示出根据各个实施例的参考在三层各向异性地层中钻探时的图5的下发射器-接收器对的交叉耦合测量的复电压的示例响应。

图13示出根据各个实施例的三层各向同性地层的地质信号相位的示例。

图14示出根据各个实施例的图13的三层各向同性地层的地质信号衰减的示例。

图15示出根据各个实施例的三层各向异性地层的地质信号相位的示例。

图16示出根据各个实施例的图15的三层各向异性地层的地质信号衰减的示例。

图17示出根据各个实施例的处理响应于独立地激发（firing）多个天线的来自倾斜接收器的信号以直接确定耦合矩阵的系统的一个实施例的特征框图。

图18示出根据各个实施例的在钻探孔区的系统的一个实施例。

具体实施方式

以下详细描述引用示出作为说明而非限制的可实践本发明的各个实施例的附图。详细地描述这些实施例，以使本领域技术人员能够实践这些以及其他实施例。可使用其他实施例，并且可对这些实施例进行结构、逻辑和电气方面的改变。各个实施例不一定相互排斥，因为一些实施例可与形成新实施例的一个或多个其他实施例组合。因此，以下详细描述不应具有限制的意义。

图1示出确定与在井的钻孔中操作钻具相关联的特性的方法实施例的特征。在110，采集因操作在井的钻孔中旋转的钻具而生成的电压信号，其中该钻具包括多个发射器天线、以及相对于该钻具的纵轴倾斜的接收器天线。所采集的电压信号可包括响应于单独地激发与倾斜接收器天线相关联的发射器天线在倾斜接收器天线接收到的电压信号。该钻具的接收器和发射器天线可具有各种配置。例如，两个发射器天线实质上可置于相同的位置但有不同取向。这些发射器天线可在该钻具上相对于该钻具的纵轴位于倾斜接收器天线上方或下方。在各个实施例中，倾斜接收器天线可置于两个发射器之间，其中两个发射器具有不同的取向。在各个实施例中，除了倾斜接收器天线以外，可使用另一倾斜接收器天线。两个接收器天线可置于两个发射器天线之间，其中两个发射器天线可具有不同的取向。替换地，可使用置于两个倾斜接收器天线之间的两个发射器天线。在这些配置的每一个中，所使用的一个或多个发射器天线可相对于该钻具的纵轴倾斜。

在120，相对于该钻具的旋转方向来处理所采集的电压信号以确定与钻孔附近的地层相关联的特性，其中该处理包括根据所采集的电压信号确定耦合矩阵。这些电压信号可因激发发射器之一、和测量倾斜接收器处相对于该激发的响应，以及激发另一个发射器和测量倾斜接收器处相对于另一发射器的激发的响应来生成。术语“激发”用于使得将信号传输到井中的钻具附近的地层中可视化。发射器彼此独立地激发，从而接收器处的响应可与激发发射器相关。该相关性可通过处理单元跟踪测量活动及其时序来实现。激发还包括传输来自发射器的脉冲，以使每一脉冲都从该发射器发出，而其他发射器处于不发出脉冲的时间段。在各个实施例中，电流测量可用于采集信号以生成耦合矩阵。

处理可包括根据响应于一组发射器激发而接收到的测量响应来直接计算耦合矩阵的耦合电压分量。直接计算可包括乘法和加法相关运算。然而，这些直接计算可在无需诸如与求解一组方程式相关联的更多处理的情况下进行。由于测量响应与该钻具附近的地层中的电磁传播相关，因此可进行一个或多个反演运算以根据所确定的耦合矩阵生成地层参数。反演运算可包括测量与模型预测的比较，从而可确定物理特性的值或空间变化。常规反演运算可包括根据对所诱发的电场和磁场的测量确定正在操作的钻孔附近的地层中的导电性变化。

具有取向天线的钻具可在井的钻孔中配置有作为诸如随钻测井（LWD）系统之类的随钻测量（MWD）系统或测井电缆系统的工具。处理单元和/或控制单元可在井下（downhole）配置有测量天线。替换地，一个或多个处理单元和控制电路可在井的表面配置有通信网络，从而相对于该钻具的天线来采集信息和/或生成控制信号。通信可使用与已知井下通信技术相关联的有线或无线通信机制。

在各个实施例中，装置和测量方案提供通过具有增强直接处理的旋转的倾斜天线系统进行的电磁测井，当钻具在钻孔中旋转时该旋转的倾斜天线系统使用测量信号。这些处理方案允许求解耦合电压矩阵。处理技术可基于配备有至少两个倾斜发射器天线和一个倾斜接收器天线的旋转LWD或者测井电缆钻具。本文中所讨论的该配置与处理方案一起允许根据从测量信号确定的耦合电压矩阵的解计算各向异性（如井斜水平电阻率R_h和垂直电阻率R_v呈现的）以及任何井斜处的相对倾角。相对倾角是平面特征（诸如地层）和水平面之间的角。

在各个实施例中，如本文中所讨论的装置和处理方案可用于地质导向操作。地质导向是对调节钻探方向的有意控制。该控制可基于井下测井测量以增加钻孔向含油气地层（“产油带”）的暴露。这种地质导向可用于将井眼维持在提供作为具有经济价值的来源的材料的区域内。地质信号是可用于地质导向的信号或表示。地质信号指示井下钻探钻具的方向以及能够检查边界。地质信号的能力在进行地质导向以优化井位以便于最大油回收方面是有用的。如本文中所讨论的装置和处理方案允许地质信号的生成。地质信号可基于作为与基准点的距离的函数的地球地层的一个或多个特性。本文中所限定的地质信号具有各种应用。地质信号还提供旋转钻具的方位角取向信息。另外，地质信号可用于计算到矿床边界（bed boundary）的距离。用于地质信号的处理技术可基于配备有至少两个倾斜发射器天线和一个倾斜接收器天线的旋转LWD或测井电缆钻具。还可实现一个倾斜发射器天线和一个倾斜接收器天线的配置以生成地质信号。

图2示出多分量电磁测井钻具的天线配置的一个实施例。接收器线圈中的磁场H可根据发射器处的磁矩M和耦合矩阵C来表示为：

H=CM    (1)

方程式（1）可表达为：

$\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\\ H_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{\mathrm{xx}}& C_{\mathrm{xy}}& C_{\mathrm{xz}}\\ C_{\mathrm{yx}}& C_{\mathrm{yy}}& C_{\mathrm{yz}}\\ C_{\mathrm{zx}}& C_{\mathrm{zy}}& C_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中M_X、M_Y和M_Z分别是发射器T_X、T_Y和T_Z所发出的传输信号的磁矩。H_X、H_Y和H_Z分别是与在发射器天线R_X、R_Y和R_Z接收到的信号成比例的磁场。对于图2的天线配置，可在激发每一天线且分别在三个接收器中的每一个处测量信号时获取九个绝对或差动测量。这九个测量实现对全耦合矩阵C的确定。分量C_IJ可限定为

其中I是接收器R_X、R_Y和R_Z的索引，J是接收器T_X、T_Y和T_Z的索引，a_IJ是钻具设计所确定的恒定系数，而

是表示接收器I响应于发射器J的激发而测量的信号幅值和相移的复值。在各个实施例中，电流测量可用于采集信号以生成耦合矩阵。

图3A-B示出用于测量钻具的倾斜发射器天线和倾斜接收器天线。这些天线可配备在旋转LWD或测井电缆钻具中。当激发发射器天线时，在图3的倾斜接收器处测量的信号可按信号电压

来表达，其中T表示激发发射器天线而R表示接收天线。在发射器和接收器线圈两者以相同的方位角β取向的情况下，倾斜接收器处的测量信号表达为：

$V_R^T\left(\mathrm{\β}\right)=\left[\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos \mathrm{\β}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_t\sin \mathrm{\β}\\ \cos {\mathrm{\θ}}_t\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{V}_x^x& V_y^x& V_z^x\\ V_x^y& V_y^y& V_z^y\\ V_x^z& V_y^z& V_z^z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\θ}}_r\cos \mathrm{\β}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_r\sin \mathrm{\β}\\ \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right],---\left(3\right)$

其中θ_t是发射器天线相对于z轴（图3A中的z轴301-A和图3B中的z轴301-B）的倾斜角而θ_r是接收器相对于z轴方向的倾斜角。在此，θ_t和θ_r的范围只在-90度和90度之间，如图3A-B所示。基于方程式（3），测量信号还可表达为：

$V_R^T\left(\mathrm{\β}\right)=C_{\mathrm{xx}}{\cos }^2\mathrm{\β}+C_{\mathrm{xy}}\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}+C_{\mathrm{xz}}\cos \mathrm{\β}+C_{\mathrm{yx}}\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}+C_{\mathrm{yy}}{\sin }^2\mathrm{\β}+C_{\mathrm{yz}}\sin \mathrm{\β}$

$\left(4\right)$

$+C_{\mathrm{zx}}\cos \mathrm{\β}+C_{\mathrm{zy}}\sin \mathrm{\β}+C_{\mathrm{zz}}$

其中

$C_{\mathrm{xx}}=V_x^x\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_r;$ $C_{\mathrm{xy}}=V_y^x\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_r;$ $C_{\mathrm{xz}}=V_z^x\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\θ}}_r$

$C_{\mathrm{yx}}=V_x^y\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_r;$ $C_{\mathrm{yy}}=V_y^y\sin {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_r;$ $C_{\mathrm{yz}}=V_z^y\sin {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\θ}}_r.$

$C_{\mathrm{zx}}=V_x^z\cos {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_r;$ $C_{\mathrm{zy}}=V_y^z\cos {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_r;$ $C_{\mathrm{zz}}=V_z^z\cos {\mathrm{\θ}}_t\cos {\mathrm{\θ}}_r$

求解方程式（3）中所限定的耦合复电压矩阵的每一分量

允许进行可生成该钻具在其中操作的井的地层特性的一个或多个准确反演处理。

图3A-B示出根据本文中所讨论的处理的各个实施例的两种天线结构，这些天线结构可用于实现对耦合复电压矩阵的直接求解。图3A所示的第一种结构包括置于相同位置但有不同取向的两个倾斜发射器、以及距这些发射器的距离为d的倾斜接收器。这些天线相对于纵轴301-A倾斜。图3B所示的第二种结构具有倾斜接收器置于有不同取向的两个倾斜发射器的中央的配置。为了直接求解图3A-B中的任一配置的耦合复电压矩阵，使用两种准则。第一准则是，接收器天线的取向无法具有0度的倾斜角而两个发射器的取向不能同时为零。另一准则是，两个发射器的取向处于相邻的象限。图3C示出关于相对于z轴的倾斜的象限的示例。在一个实施例中，倾斜角可限于图3C所示的第一象限或第四象限中。因此，如果图3A-B的一个发射器的倾斜角（T₁的θ_t1）处于例如第一象限中，则另一发射器的取向（T₂的θ_t2）例如处于第四象限中。为了简便起见，一个发射器到另一发射器的取向在图3A-B中反转，即θ_t1等于-θ_t2。在这些参数用于倾斜接收器和发射器的取向且使用图3A-B所示的结构之一的情况下，耦合复电压矩阵的每一分量可直接从以下方程式（5a）至（5h）导出。

$V_z^z=\frac{1}{2N\cos {\mathrm{\θ}}_{t1}\cos {\mathrm{\θ}}_r}[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)]---\left(5a\right)$

$V_x^x=\frac{{[{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{3}\right)-{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)]}^{-1}}{2{\sin \mathrm{\θ}}_{t1}\sin {\mathrm{\θ}}_r}\left\{\frac{1}{4}\right[V_R^{T_1}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^{T_1}(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})$

$+V_R^{T_1}(\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})-V_R^{T_2}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)-V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})-V_R^{T_2}(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})-V_R^{T_2}(\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})]-$

$\left(5b\right)$

$\frac{{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}{2}[V_R^{T_1}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+$

$V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})-V_R^{T_2}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)-V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})-V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})-V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})\left]\right\}$

$V_y^y=-V_x^x+\frac{1}{2\sin {\mathrm{\θ}}_{t1}\sin {\mathrm{\θ}}_r}\×[\frac{V_R^{T_1}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})}{2}-$

$\left(5c\right)$

$\frac{V_R^{T_2}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})}{2}]$

$V_x^y=V_y^x=\frac{V_x^y+V_y^x}{2}$

$=\frac{\frac{[V_R^{T_1}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})-V_R^{T_2}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)-V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})]}{-2\sin {\mathrm{\θ}}_{t1}\sin {\mathrm{\θ}}_r}+2V_x^x{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+2V_y^y{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}{-4\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)\sin \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(5d\right)$

$V_z^x=\frac{V_R^{T_1}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^{T_1}(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^{T_2}(\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})}{4\sin {\mathrm{\θ}}_{t1}\cos {\mathrm{\θ}}_r\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}-\frac{V_z^z\cot {\mathrm{\θ}}_{t1}}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(5e\right)$

$V_z^y=\frac{V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^{T_1}(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})+V_R^{T_2}(\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})}{4\sin {\mathrm{\θ}}_{t1}\cos {\mathrm{\θ}}_r\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}-\frac{V_z^z\cot {\mathrm{\θ}}_{t1}}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(5f\right)$

$V_x^z=\frac{V_R^{T_1}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^{T_1}(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^{T_2}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^{T_2}(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})}{4\cos {\mathrm{\θ}}_{t1}\sin {\mathrm{\θ}}_r\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}-\frac{V_z^z\cot {\mathrm{\θ}}_{t1}}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(5g\right)$

$V_y^z=\frac{V_R^{T_1}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^{T_1}(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^{T_2}(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^{T_2}(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})}{4\cos {\mathrm{\θ}}_{t1}\sin {\mathrm{\θ}}_r\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}-\frac{V_z^z\cot {\mathrm{\θ}}_{t1}}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(5h\right)$

其中和

是在发出发射器T₁和发射器T₂独立地激发时接收器（R）处的测量电压。

当钻具旋转时，

或的值相对于方程式（3）中所限定的方位角β变化。可将该钻具的旋转分割成N个区段（称为面元），其中N个面元的整体是该钻具的一个满转，N≥2，其中N面元的总数。每一面元具有相关联的方位角β。在该钻具的旋转分割成等量的角旋转的情况下，每一面元具有相等的旋转角β_m。如图4所示，β_m是由β_m=2π/N给出的等分方位角，其中m指示所考虑的的方位角用于第m面元。由此，方程式5(a)-5(h)根据所选面元中的测量响应来提供耦合复电压矩阵的分量，该耦合复电压矩阵对应于如图4所示的特定方向。在各个应用中，N可等于32。然而，N可设为其他值。

在各个实施例中，多组发射和接收天线可排列成倾斜的发射器-接收器（Tx-Rx）天线系统来提供来自井眼中的探测地层的响应，以用于提供可用于确定与地层相关联的特性的耦合复电压矩阵。图3D示出相对于轴301-D倾斜的多组天线的一个实施例。一组天线包括置于相同位置但有不同取向的两个倾斜发射器T₁和T₂、以及距发射器T₁和T₂的距离为d₁的倾斜接收器R₁。另一组天线包括置于相同位置但有不同取向的两个倾斜发射器T₃和T₄、以及距发射器T₃和T₄的距离为d₁的倾斜接收器R₂。在该配置中，可获取两个耦合复电压矩阵，其中一个矩阵涉及相关于上发射器T₁和T₂与下接收器R₂的距离、下发射器T₃和T₄与上接收器R₁的距离为d₁的配置，而另一矩阵针对上发射器T₁和T₂与下接收器R₂的距离、下发射器T₃和T₄与上接收器R₁的距离为d₂的结构使用。

图3E示出相对于轴301-E倾斜的多组天线的一个实施例。一组天线包括置于在相同位置但有不同取向的两个倾斜接收器R₁和R₂上方的一个倾斜发射器T₁，两个倾斜接收器R₁和R₂距发射器T₁的距离为d₁另一组天线包括置于在相同位置但有不同取向的两个倾斜接收器R₃和R₄下方的一个倾斜发射器T₂，两个倾斜接收器R₃和R₄距发射器T₂的距离为d₁。在该配置中，可获取两个耦合复电压矩阵，其中一个矩阵涉及关于下接收器R₃和R₄与上发射器T₁的距离、以及上接收器R₁和R₂与下发射器T₂的距离为d₁的配置，而另一矩阵针对下接收器R₃和R₄与上发射器T₁的距离、以及上接收器R₁和R₂与下发射器T₂的距离为d₂的结构使用。根据本文中所讨论的各个实施例，发射器和接收器天线的其他配置可用于提供响应信号以进行处理从而确定与井眼周围的地层相关联的特性。

在通过以上所讨论的准则来固定天线取向且θ_t1等于-θ_t2的情况下，可通过选择特定倾斜角来进一步简化方程式5(a)-5(h)。图5示出具有倾斜+45和-45度的两个发射器、以及相对于纵轴501倾斜45度角的中央接收器的钻具的一个实施例。该配置提供垂直倾斜的发射器-接收器（Tx-Rx）天线系统。在该配置中，可获取两个耦合复电压矩阵。如图5所示，一个电压矩阵与信号发射器天线和信号接收器天线之间的距离为d₁的天线结构的配置相关，其中所采集的响应包括相关于图5所示的T_up、R_up、T_dn和R_dn的信号

和

其他电压矩阵针对信号发射器和信号接收器之间的距离为d₂的结构使用，该电压矩阵涉及相关于图5所示的T_up、R_up、T_dn和R_dn的信号

和

然后，任一耦合复电压矩阵的每一分量可直接如下地处理。

$V_z^z=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)---\left(6a\right)$

$V_x^x=\{\frac{1}{4}\×[V_R^U\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^U(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^U(\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})-V_R^L\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)-V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})$

$-V_R^L(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})-V_R^L(\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})]-\frac{{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}{2}\×[V_R^U\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})---\left(6b\right)$

$-V_R^L\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)-V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})-V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})-V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})\left]\right\}\×{[{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)-{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)]}^{-1}$

$V_y^y=-V_x^x-\frac{V_R^U\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})}{2}+$

$\left(6c\right)$

$\frac{V_R^L\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})}{2}$

$V_x^y=V_y^x=\frac{V_x^y+V_y^x}{2}$

$=\frac{[V_R^U\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})-V_R^L\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)-V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})]+2V_x^x{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+{2V}_y^y{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}{-4\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)\sin \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(6d\right)$

$V_z^x=\frac{V_R^U\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^U(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\mathrm{\π})+V_R^L(\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})}{-2\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}+\frac{V_z^z}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(6e\right)$

$V_z^y=\frac{V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^U(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{2})+V_R^L(\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})}{-2\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}+\frac{V_z^z}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(6f\right)$

$V_x^z=\frac{V_R^U\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^U(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^L\left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)+V_R^L(2\mathrm{\π}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})}{2\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}-\frac{V_z^z}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(6g\right)$

$V_y^z=\frac{V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^U(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+V_R^L(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2})}{2\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}-\frac{V_z^z}{\cos \left(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}\right)}---\left(6h\right)$

其中是在使用上发射器（T_up）时接收器（R_up或R_dn）处的测量电压，而是在使用下发射器（T_dn）时接收器（R_up或R_dn）处的测量电压。命名

（）是指与在（）内列出的方位角相对应的面元处的测量电压

举例而言，

是指如果高侧的方位角被限定为0则作为图4所示的面元1的所选面元处的测量电压

而

是指从所选面元起旋转正90度的面元处的测量电压

另外，

是指作为从所选面元起旋转（i-1）个面元的那个面元处的测量电压

根据可逆性原理，应当预期，一个天线可在一个实现中用作发射器而在另一实现中用作接收器。本文中所公开的发射器-接收器天线系统的配置可以是能互换的，即发射器可用作接收器而接收器可用作发射器。

一旦使用以上所述的处理来获取耦合电压矩阵，就可使用诸如最小二乘法之类的标准反演技术来获取地层参数。在图6中呈现实现如图5所示的倾斜天线的配置的方法实施例的流程图。在610，选择初始上和下发射器来激发。在620，单独地激发所选发射器并测量接收器响应。在630，处理响应于上下发射器的激发而在接收器处测量到的信号。在640，收集钻具位置和取向。钻具位置与测量信号的特定面元相关。该钻具可包括用于确定钻具位置和钻具取向（包括相对于方位角确定钻具位置和钻具取向）的传感器或其他机构。针对面元，根据方程式5(a)-5(h)计算九个耦合电压分量。在650，可根据九个耦合电压分量来进行反演运算以确定地层特性。这些地层特性可基本实时地或者作为后处理操作来确定。在660，可根据九个耦合电压分量来确定地质信号。地质信号可在井中的地质导向操作中使用。地质信号确定和后续地质导向可基本实时地或者作为后处理操作来进行。在670，关于是否要采取附加测量进行确定。这些附加测量可对一个或多个其他面元进行。

可相对于在倾角R_h值和R_v值的宽泛范围内的以上所述的处理来评估若干建模情况。图7A-B示出针对特定地层模型使用图5所示钻具的天线配置的响应的反演结果。地层模型包括在从0度到90度的任意相对倾角下的0.7Ω·m的水平电阻率R_h和5.0Ω·m的垂直电阻率R_v。图7A中的曲线707示出来自该钻具的R_v的反演结果，而曲线709示出来自该钻具的R_h的反演结果。图7B示出与来自该模型的倾角相匹配的来自反演结果的倾角。

图8示出针对另一地层模型使用图5所示钻具的天线配置的响应的反演结果。该地层模型包括在从0度到90度的任意相对倾角下的2.5Ω·m的水平电阻率R_h和5.0Ω·m的垂直电阻率R_v。图8A中的曲线807示出来自该钻具的R_v的反演结果，而曲线809示出来自该钻具的R_h的反演结果。图8B示出与来自该模型的倾角相匹配的来自反演结果的倾角。图7A-B和8A-B所示的面元1的这些反演结果产生好的解并与建模数据良好地相当，这展示了在所有井斜的各个实施例的技术的鲁棒性。

在各个实施例中，可使用本文中所讨论的配备有倾斜发射器和倾斜接收器的结构的钻具来确定地质信号响应。所确定的地质信号响应可用于地质导向应用。这些地质导向应用可用（但不限于）配备有倾斜发射器和倾斜接收器的结构的旋转LWD钻具进行。地质信号响应可通过处理接收器处的测量信号来计算。对于方位角为β的旋转的倾斜发射器和倾斜接收器钻具，参考交叉耦合测量（例如，其中z轴如图1-5中取向以及x轴如图1中与z轴正交的ZX和XZ测量）的复电压V_CZ(β)被限定为：

$V_{\mathrm{CZ}}\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{1}{4\sqrt{2}}[V_R^T(\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{4})-V_R^T(\mathrm{\β}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})+V_R^T(\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{\π}}{4})-V_R^T(\mathrm{\β}+\frac{5\mathrm{\π}}{4})]---\left(7\right)$

图9示出在三层各向同性地层中钻探时图5的上发射器-接收器对（T_up和R_up）的V_CZ(β)的示例响应。针对图4的面元1所限定的方位角方向，激发发射器T_up并测量R_up处的电压。V_CZ(β)具有实部917和虚部919，其中两个部示出边界901和903处的显著改变。图10示出在三层各向同性地层中钻探时图5的下发射器-接收器对（T_dn和R_dn）的V_CZ(β)的示例响应。针对图4的面元1所限定的方位角方向，激发发射器T_dn并测量R_dn处的电压。V_CZ(β)具有实部1017和虚部1019，其中两个部示出边界901和903处的改变。用于图9和10的示例的钻探处于85度的相对倾角。第一层具有1欧姆-米的电阻率，中间层具有10欧姆-米的电阻率，而最后一层具有1欧姆-米的电阻率。

图11示出在三层各向异性地层中钻探时图5的上发射器-接收器对（T_up和R_up）的V_CZ(β)的示例响应。针对图4的面元1所限定的方位角方向，激发发射器T_up并测量R_up处的电压。V_CZ(β)具有实部1117和虚部1119，其中两个部示出边界1101和1103处的显著改变。图10示出在图11的三层各向异性地层中钻探时图5的下发射器-接收器对（T_dn和R_dn）的V_CZ(β)的示例响应。针对图4的面元1所限定的方位角方向，激发发射器T_dn并测量R_dn处的电压。V_CZ(β)具有实部1217和虚部1219，其中两个部示出边界1101和1103处的改变。用于图11和12的示例的钻探还处于85度的相对倾角。该各向异性地层的第一层具有1欧姆-米的水平电阻率R_h和4欧姆-米的垂直电阻率R_v，中间层具有10欧姆-米的水平电阻率R_h和50欧姆-米的垂直电阻率R_v，而最后一层具有1欧姆-米的水平电阻率R_h和4欧姆-米的垂直电阻率R_v。

从图9到图12，可推断出垂直倾斜的发射器-接收器天线系统能够提供地质导向信息并检测边界位置。如果两个倾斜发射器和倾斜接收器在不同的相邻象限中取向（如图3C所示），则接收器处的测量信号将与耦合电压分量和

之差成比例，以使测量信号只对边界效应敏感。根据各个实施例，这些测量信号可用于呈现地质信号响应。然而，如果倾斜发射器和倾斜接收器在相同象限或对角象限（诸如第一-第三象限或者第二-第四象限）中取向，则测量信号部分有效地包含耦合电压分量

和

的和效应。这种和效应对各向异性、相对倾角和边界之间的缠结效应敏感。由此，倾斜发射器和倾斜接收器在相同象限或对角象限中取向情况下的相应地质信号响应不提供与两个倾斜发射器和倾斜接收器在不同的相邻象限中取向情况下提供的响应一样好地用于地质导向的响应。

在各个实施例中，配备有图5的上发射器和中央接收器的天线系统可在地质导向应用中使用，在该天线系统中两个倾斜发射器和倾斜接收器在不同的相邻象限中取向。地质信号响应可获取为：

$V_{\mathrm{Geo}}\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{V_R^T\left(\mathrm{\β}\right)}{V_R^T(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})},---\left(8\right)$

该地质信号响应是当前面元（如图4所示的N个面元方向中的一个面元方向）中的测量信号

除以与当前面元相差180度的面元中的测量信号

地质信号响应可用地质信号相位φ_Geo和地质信号衰减A_Geo来表达如下：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Geo}}\left(\mathrm{\β}\right)=\mathrm{phase}\left\{V_R^T\left(\mathrm{\β}\right)\right\}-\mathrm{phase}\left\{V_R^T(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})\right\}---\left(9a\right)$

$A_{\mathrm{Geo}}\left(\mathrm{\β}\right)=\log \left\{V_R^T\left(\mathrm{\β}\right)\right\}-\log \left\{V_R^T(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})\right\}---\left(9b\right)$

图13示出用于三层各向同性地层的地质信号相位的示例。图13所示的方程式（9a）的地质信号相位φ_Geo针对在图4的一个面元的方向上的图5的垂直Tx-Rx对。图14示出针对图13的三层各向同性地层的地质信号衰减的示例。图14所示的方程式（9b）的地质信号衰减A_Geo针对在图4的一个面元的方向上的图5的垂直Tx-Rx对。图13和14是因操作在85度的相对倾角下发射器到接收器间隔为32英寸且频率为500kHz的图5的钻具而生成的地质信号。该各向同性地层的第一层具有1欧姆-米的电阻率，中间层具有10欧姆-米的电阻率，而最后一层具有1欧姆-米的电阻率。根据测量电压信号

计算的这些地质信号示出因变于深度的对边缘1301和1302的检测。

图15示出用于三层各向异性地层的地质信号相位的示例。图15所示的方程式（9a）的地质信号相位φ_Geo针对在图4的一个面元的方向上的图5的垂直Tx-Rx对。图16示出图15的用于三层各向异性地层的地质信号衰减的示例。图16所示的方程式（9b）的地质信号衰减A_Geo针对在图4的一个面元的方向上的图5的垂直Tx-Rx对。图15和16是因操作在85度的相对倾角下发射器到接收器间隔也为32英寸且频率为500kHz的图5的钻具而生成的地质信号。该各向异性地层的第一层具有1欧姆-米的水平电阻率R_h和4欧姆-米的垂直电阻率R_v，中间层具有10欧姆-米的水平电阻率R_h和50欧姆-米的垂直电阻率R_v，而最后一层具有1欧姆-米的水平电阻率R_h和4欧姆-米的垂直电阻率R_v。根据测量电压信号

计算的这些地质信号示出因变于深度对边缘1501和1503的检测。

在各个实施例中，可定义适用于钻探操作的其他地质信号响应和

基于图5中的天线结构的两个地质信号响应被定义为：

$V_{\mathrm{Feo}}^{\mathrm{ZX}}\left(\mathrm{\β}\right)\≡\frac{V_R^U\left(\mathrm{\β}\right)+V_R^L(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)]}---\left(10a\right)$

$V_{\mathrm{Geo}}^{\mathrm{XZ}}\left(\mathrm{\β}\right)\≡\frac{V_R^U(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})+V_R^L(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)]},---\left(10b\right)$

其中

是指在ZX测量情况下所涉及的信号，而

是指在XZ测量情况下所涉及的信号。两个地质信号都适于地质导向操作。此外，对于不同的天线结构，方程式（10a）和（10b）中的分子的方位角β可加上180度、或者从所选面元减去180度。

在各个实施例中，若干处理方案采用旋转电磁（EM）测井钻具的特征。可直接根据对旋转钻具的响应的处理来求解耦合电压矩阵。此外，使用所求解的耦合电压矩阵，可计算地层参数。这些参数可包括在任何井斜处的地层各向异性R_h和R_v以及相对倾角。另外，限定可因旋转钻具的响应而生成的地质信号响应。这些地质信号可通过使用标准反演技术用于进行地质导向以及计算到矿床界面（DTBB）的距离。如本文中所讨论的处理测量电压允许求解耦合电压矩阵，可根据该耦合电压矩阵导出诸如各向异性R_h和R_v以及相对倾角之类的地层参数。不同于常规处理，可在任何井斜处确定这些地层参数。在各个实施例中，对于深水情形，如本文中所教导的处理测量信号可用于计算结构倾斜和垂直的各向异性、以及偏斜钻孔，从而提供LWD中的结构倾斜。

具有处理单元的测量钻具的各个部件可在硬件实现、软件实现、以及硬件和软件实现的组合中实现，该处理单元如本文中所描述地根据使用倾斜发射器和接收器天线的直接测量或者以类似的方式确定完整的耦合矩阵。这些实现可包括具有机器可执行指令的机器可读介质（诸如具有计算机可执行指令的计算机可读介质），这些机器可执行指令用于操作该系统来采集因在钻孔旋转的钻具生成的电压信号、以及相对于该钻具的旋转方向来处理所采集的电压信号，从而确定与钻孔附近的地层相关联的特性（包括根据所采集的电压信号直接确定耦合矩阵），其中该钻具包括多个发射器天线、以及相对于该钻具的纵轴倾斜的接收器天线，并且所采集的电压信号响应于单独地激发与倾斜接收器天线相关联的多个发射器天线在倾斜接收器天线处测量。机器可读介质还可存储在指令执行中所使用的参数，并且还可存储来自指令执行的结果。机器可读介质可包括用于根据所采集的电压信号生成地质信号的指令。机器可读介质还可包括基于根据所采集的电压信号生成的地质信号来进行地质导向的指令。在各个实施例中，电流测量可用于采集信号以生成耦合矩阵。机器可读介质的形式不限于任一种机器可读介质，但是可以是任何机器可读介质。例如，机器可读介质可包括可在设置在钻柱的环（collar）内、或者测井电缆配置和/或系统控制中心中的外壳中实现的数据存储介质。

图17示出具有处理单元1705、一个或多个倾斜接收器天线1710、以及多个发射器天线1715的系统1700的一个实施例的特征的框图。处理单元1705被配置成处理响应于独立地激发多个发射器天线1715在一个或多个倾斜发射器天线1710接收到的信号，从而直接确定与电磁信号因多个发射器天线1715的激发在井眼附近的地层中的传播相关的耦合矩阵。基于与其上安装有一个或多个倾斜接收器天线1710以及多个发射器天线1715的钻具的旋转有关的方向，处理单元1705可处理从一个或多个倾斜接收器天线1710采集的信号。处理单元1705可进行与相对于本文中的各个实施例所讨论的处理方案相同或类似的处理。

系统1700还可包括控制器1702、存储器1725、电子装置1735、以及通信单元1755。控制器1702、存储器1725、以及通信单元1755可排列成通过提供给处理单元105的所采集的电压信号来操作一个或多个倾斜接收器天线1710以及多个发射器天线1715，以确定耦合矩阵、地层特性、地质信号、以及地质导向操作。处理单元105可位于井眼的表面上。处理单元105可位于井下。处理单元可集成有一个或多个控制器1702、存储器1725、以及通信单元1755。处理单元1705可实现为包括根据本文中所描述的处理和测量的处理方案。通信单元1755可包括钻探操作中的井下通信。此类井下通信可包括遥测系统。

系统1700还可包括总线1707，其中总线1707提供系统1700的部件之间的导电性。总线1707可包括各自独立配置的地址总线、数据总线、以及控制总线。总线1707还可使用公共导线来提供地址、数据、或控制中的一条或多条，其使用由控制器1702调节。总线1707可配置成系统1700的部件分布开。这些分布可排列在诸如一个或多个倾斜接收器天线1710以及多个发射器天线1715之类的井下部件与诸如处理单元1705之类的表面部件之间。替换地，这些部件可共同位于诸如钻柱的一个或多个环、或者测井电缆结构上。

在各个实施例中，外围设备1745包括显示器、附加存储的存储器、和/或可与控制器1702和/或存储器1725协同操作的其他控制设备。在一个实施例中，控制器1702是处理器。排列为显示器的外围设备可与存储在存储器1725中的指令一起使用，以实现用户界面来管理系统1700中的处理单元1705、一个或多个倾斜接收器天线1710、多个发射器天线1715、和/或在系统1700内分布的部件的操作。

图18示出在钻探孔区的系统1800的一个实施例，其中系统1800包括确定井附近的地层特性和/或可用于地质导向钻探操作的地质信号的测量钻具1810和电子设备。测量钻具1810可包括一个或多个倾斜发射器天线以及多个发射器天线，其中独立地激发发射器天线以处理在倾斜接收器天线接收到的测量信号，从而直接确定关于电磁信号在钻孔附近的地层中的传播的耦合矩阵。耦合矩阵可用于根据从测量信号确定的耦合电压矩阵的解确定任何井斜处的诸如水平电阻率、垂直电阻率、以及相对倾角之类的地层特性，并且生成可用于相对于钻孔进行地质导向的地质信号。

系统1800可包括位于井1806的表面1804的钻机1802、以及连接在一起以形成通过转盘1807下降到井眼或钻孔18212中的钻柱的一串钻管（即，钻柱1808）。钻机1802可提供对钻柱1808的支持。钻柱1808可操作以穿透转盘1807，从而穿过地下地层1814钻探钻孔1812。钻柱1808可包括钻管1818、以及位于钻管1818的下部的井底（bottom hole）组件1820。

井底组件1820可包括钻环1815、附连到钻环1815的测量钻具1810、以及钻头1826。钻头1826可操作以通过穿透表面1804和地下地层1814来产生钻孔1812。

在钻探操作期间，钻柱1818可通过转盘1807来旋转。除此以外或替换地，井底组件1820还可通过位于井下的电机（例如，抽泥马达）来旋转。可使用钻环1815向钻头1826添加重量。钻环1815还可加固井底组件1820以允许井底组件1820向钻头1826传递所添加的重量，进而辅助钻头1826穿透表面1804和地下地层1814。

在钻探操作期间，抽泥泵1832可将来自泥浆池1834的钻探液（有时被本领域技术人员称为“钻探泥浆”）通过软管抽到钻管1818中并向下抽到钻头1826。钻探液可从钻头1826流出，并且通过钻管1818和钻孔1812侧面之间的环状区域1840返回到表面1804。然后，钻探液可返回到泥浆池1834，在该泥浆池中过滤这种钻探液。在一些实施例中，可使用钻探液来冷却钻头1826以及在钻探操作期间提供对钻头1826的润滑。另外，可使用钻探液来去除通过操作钻头1826产生的地下地层1814的钻屑。

本文中所描述的技术的各个实施例处理响应于独立地激发多个发射器天线在一个或多个倾斜发射器天线接收到的测量信号，从而直接确定与电磁信号因多个发射器天线的激发在井眼附近的地层中的传播相关的耦合矩阵。基于与其上安装有一个或多个倾斜接收器天线以及多个发射器天线的钻具的旋转有关的方向，处理单元可处理从一个或多个倾斜接收器天线采集的信号。处理单元可进行与关于本文中的各个实施例所讨论的处理方案相同或类似的处理。

虽然在本文中已示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，旨在实现相同目的的任何排列可替代所示的特定实施例。各个实施例使用本文中所描述的实施例的置换和/或组合。应当理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的，并且本文中所采用的措辞或术语出于描述的目的。在研究以上描述之后，以上实施例的组合以及其他实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (30)

1.一种确定与在井的钻孔中操作相关联的特性的方法，所述方法包括：

采集因操作在所述钻孔中旋转的钻具而生成的信号，所述钻具具有纵轴，所述钻具包括两个发射器天线、以及相对于所述纵轴倾斜的接收器天线，所采集的信号包括响应于单独地激发与所述倾斜接收器天线相关联的两个发射器天线在所述倾斜接收器天线接收到的信号；以及

操作处理单元以相对于所述钻具的旋转方向处理所采集的信号，从而确定与地层相关联的特性，包括根据所采集的信号直接确定耦合矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采集信号包括通过相对于所述纵轴倾斜的接收器天线以及实质上置于相同位置但有不同取向的两个发射器天线来采集因操作所述钻具而生成的电压信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采集信号包括通过接收器天线来采集因操作所述钻具而生成的电压信号，所述接收器天线相对于所述纵轴倾斜以使所述倾斜接收器天线置于所述两个发射器之间，其中所述两个发射器天线具有不同取向。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采集信号包括通过相对于所述纵轴倾斜的接收器天线、相对于所述纵轴倾斜的另一接收器天线、以及置于所述两个发射器天线之间的两个接收器天线来采集因操作所述钻具而生成的电压信号，所述两个发射器天线具有不同的取向。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据在所述两个倾斜接收器接收到的电压信号来生成两个耦合电压矩阵。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，相对于所述纵轴，所述两个发射器之一倾斜45度而另一发射器天线倾斜-45度，并且所述两个接收器倾斜45度角。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，采集信号和操作所述处理器单元包括：

激发所述两个发射器之一，并且测量所述倾斜接收器处相对于所述激发的响应；

激发所述另一发射器，并且测量所述另一倾斜接收器处相对于所述另一发射器的激发的响应；以及

使用在所述两个倾斜接收器接收到的相对于钻具位置和钻具取向的测量响应来计算所述耦合矩阵的耦合电压分量；以及

进行一个或多个反演运算以从所述耦合矩阵生成地层参数。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个发射器天线各自相对于所述纵轴具有倾斜取向，以使所述两个发射器天线的倾斜取向相对于所述纵轴处于相邻的象限。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采集信号包括相对于钻具取向采集电压信号，所述钻具取向包括多个方向，方向总数对应于分割成N个面元的一个满转，每一面元与等于2π/N的旋转角相关联，N是大于或等于1的自然数。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据所述耦合矩阵确定水平电阻率、垂直电阻率、相对倾角、或者其组合。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采集信号包括通过作为发射天线操作的接收器天线以及倾斜并作为接收器天线操作的两个发射器天线来采集因操作在所述钻孔中旋转的钻具而生成的电压信号。

12.一种确定与在井的钻孔中操作相关联的特性的方法，所述方法包括：

采集因操作在所述钻孔中旋转的钻具而生成的信号，所述钻具具有纵轴，所述钻具包括相对于所述纵轴倾斜的接收器天线、以及两个发射器天线，所采集的信号包括响应于单独地激发与所述倾斜接收器天线相关联的两个发射器天线在所述倾斜接收器天线处接收到的信号；以及

操作处理单元以相对于所述钻具的旋转方向来处理所采集的信号，从而确定与地层相关联的特性，包括根据所采集的信号直接确定地质信号响应。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括基于所述地质信号响应来对钻探操作进行地质导向。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，根据所采集的信号确定地质信号响应包括生成所述地质信号响应作为地质信号相位和地质信号衰减。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述钻具旋转分割成N个面元，其中所述N个面元的整体是一个满转，N≥2；

针对面元，生成所述地质信号相位作为响应于针对所述面元激发一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的相位、与响应于激发和所述面元相差180度的另一面元处的所述一个发射器在所述倾斜接收器接收到的电压信号的相位之间的差值；以及

针对所述面元，生成所述地质信号衰减作为响应于针对所述面元激发所述一个发射器在所述倾斜接收器接收到的电压信号的日志、与响应于激发和所述面元相差180度的另一面元处的所述一个发射器在所述倾斜接收器接收到的电压信号的日志之间的差异。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述钻具旋转分割成N个面元，其中所述N个面元的整体是所述钻具的一个满转，N≥2，每一面元具有相关联的方位角β；

针对方位角为β的面元，生成两个地质信号之一或两者，所述两个地质信号为：

$V_{\mathrm{Geo}}^{\mathrm{ZX}}\left(\mathrm{\β}\right)\≡\frac{V_R^U\left(\mathrm{\β}\right)+V_R^L(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)]}$

以及

$V_{\mathrm{Geo}}^{\mathrm{XZ}}\left(\mathrm{\β}\right)\≡\frac{V_R^U(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})+V_R^L(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)]}$

其中，V_Geo ^ZX(β)和V_Geo ^XZ(β)是方位角为β的面元处的两个地质信号，V_R ^U(β)是响应于激发置于所述倾斜接收器上方的所述发射器之一而在所述倾斜接收器接收到的方位角为β的面元处的电压信号，V_R ^L(β)是响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号，V_R ^U(β+π)是响应于激发置于所述倾斜接收器上方的所述发射器之一而在所述倾斜接收器接收到的与方位角为β的面元相差180度的另一面元处的电压信号，V_R ^L(β+π)是响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器而在所述倾斜接收器接收到的与方位角为β的面元相差180度的另一面元处的电压信号，并且所述和包括针对每一面元的响应于激发置于所述倾斜接收器上方的发射器之一而在所述倾斜接收器接收到的电压信号、以及针对每一面元响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号。

17.一种存储指令的机器可读介质，所述指令在由机器执行时使得所述机器执行操作，所述操作包括：

采集因操作在井的钻孔中旋转的钻具而生成的信号，所述钻具具有纵轴，所述钻具包括相对于纵轴倾斜的接收器天线以及两个发射器天线，所采集的信号包括响应于单独地激发与倾斜接收器天线相关联的两个发射器天线而在倾斜接收器天线接收到的信号；以及

操作处理单元以相对于所述钻具的旋转方向来处理所采集的信号，从而确定与地层相关联的特性，包括根据所采集的信号确定耦合矩阵。

18.如权利要求17所述的机器可读介质，其特征在于，采集信号包括通过相对于所述纵轴倾斜的接收器天线以及相对于所述纵轴倾斜的另一接收器来采集因操作所述钻具而生成的电压信号，所述两个接收器倾斜45度角，且两个接收器天线置于所述两个发射器天线之间，所述两个发射器天线相对于所述纵轴取向以使所述两个发射器之一倾斜45度而另一发射器天线倾斜-45度。

19.如权利要求17所述的机器可读介质，其特征在于，所述指令包括据所述耦合矩阵确定水平电阻率、垂直电阻率、相对倾角、或者其组合。

20.如权利要求17所述的机器可读介质，其特征在于，所述指令包括：根据所采集的信号确定地质信号响应；以及基于所述地质信号响应来对钻探操作进行地质导向。

21.如权利要求17所述的机器可读介质，其特征在于，所述指令包括：

将所述钻具旋转分割成N个面元，其中所述N个面元的整体是所述钻具的一个满转，N≥2，每一面元具有相关联的方位角β；以及

根据针对每一面元所采集的信号来确定地质信号响应，生成所述地质信号响应作为地质信号相位和地质信号衰减中的一个或多个，

所述地质信号相位作为响应于激发所述面元的一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的相位、与响应于激发和所述面元相差180度的另一面元处的所述一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的相位之间的差值，并且所述地质信号衰减作为响应于激发所述面元的所述一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的日志、与响应于激发和所述面元相差180度的另一面元处的所述一个发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号的日志之间的差异，

$V_{\mathrm{Geo}}^{\mathrm{ZX}}\left(\mathrm{\β}\right)\≡\frac{V_R^U\left(\mathrm{\β}\right)+V_R^L(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)]},$

或者

$V_{\mathrm{Geo}}^{\mathrm{XZ}}\left(\mathrm{\β}\right)\≡\frac{V_R^U(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})+V_R^L(\mathrm{\β}+\mathrm{\π})}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[V_R^U(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)+V_R^L(\frac{{\mathrm{\β}}_m}{2}+(i-1)\×{\mathrm{\β}}_i)]}$

其中，V_Geo ^ZX(β)和V_Geo ^XZ(β)是方位角为β的面元处的两个地质信号，V_R ^U(β)是响应于激发置于所述倾斜接收器上的所述发射器之一在所述倾斜接收器接收到的方位角为β的面元处的电压信号，V_R ^L(β)是响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器在所述倾斜接收器接收到的电压信号，V_R ^U(β+π)是响应于激发置于所述倾斜接收器上方的所述发射器之一而在所述倾斜接收器接收到的与方位角为β的面元相差180度的另一面元处的电压信号，V_R ^L(β+π)是响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器而在所述倾斜接收器接收到的与方位角为β的面元相差180度的另一面元处的电压信号，并且所述和包括针对每一面元响应于激发置于所述倾斜接收器上方的发射器之一而在所述倾斜接收器接收到的电压信号、以及针对每一面元响应于激发置于所述倾斜接收器下方的另一发射器而在所述倾斜接收器接收到的电压信号。

22.一种装置，包括：

可用于在钻孔中旋转的钻具，所述钻具具有纵轴，所述钻具包括相对于所述纵轴倾斜的接收器天线、以及两个发射器天线，所述倾斜接收器天线被配置成响应于单独地激发所述两个发射器天线来采集信号；以及

处理单元，用以相对于所述钻具的旋转方向来处理所采集的信号，从而根据所采集的信号直接确定耦合矩阵、并且确定与地层相关联的特性。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述两个发射器天线实质上置于相同的位置但有不同取向。

24.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述倾斜接收器天线置于所述两个发射器之间，其中所述两个发射器具有不同的取向。

25.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述钻具包括相对于所述纵轴倾斜的另一接收器天线，其中所述两个接收器天线置于所述两个发射器天线之间，所述两个发射器天线具有不同的取向。

26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括机器可读指令，所述机器可读指令可由处理器执行以根据在所述两个倾斜接收器接收到的电压信号来生成两个耦合电压矩阵。

27.如权利要求25所述的装置，其特征在于，相对于所述纵轴，所述两个发射器之一倾斜45度而另一发射器天线倾斜-45度，并且所述两个接收器倾斜45度角。

28.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述两个发射器天线各自相对于所述纵轴具有倾斜取向，以使所述两个发射器天线相对于所述纵轴的倾斜取向处于相邻的象限。

29.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括机器可读指令，所述机器可读指令可由处理器执行以根据所述耦合矩阵确定水平电阻率、垂直电阻率、相对倾角、或者其组合。

30.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括机器可读指令，所述机器可读指令可由处理器执行以根据所采集的信号确定地质信号响应、并且基于所述地质信号响应来对钻探操作进行地质导向。

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