CN103562752B - 地层最大勘探深度的测量 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于确定围绕钻井的清理物的体积的方法。提供了一种测井工具。所述测井工具可以被布置在线缆、钻柱或有线钻杆上。使用所述测井工具来获得地层特性。所述地层特性可以包括：电压、体电阻率、水平电阻率、垂直电阻率、孔隙率、渗透性、流体饱和度、NMR驰豫时间、钻井尺寸、钻井形状、钻井流体组合物、MWD参数或LWD参数。使用模型响应和噪声水平来确定进入地下地层的最大勘探深度，使用所确定的最大勘探深度来确定清理物的体积。即使没有探测到边界层，也可以确定最大勘探深度和清理物的体积。

Description

地层最大勘探深度的测量

技术领域

本公开总体上涉及采用井下测井工具对钻井周围的地下地层的测井，尤其涉及确定在地层中进行的测量的最大勘探深度。

背景技术

测井工具很长时间用于井下进行例如地层评估的测量，以推断钻井周围地层和地层中流体的特性。尽管也使用各种其它的工具类型，常见的测井工具包括电磁工具、核工具、以及核磁共振（NMR）工具。

早期的测井工具在钻井钻好后，附在线缆上进入钻井。这种线缆工具的现代版本仍被广泛地使用。然而，钻孔的同时对信息的需要，产生了随钻测量（MWD）工具和随钻测井（LWD）工具。MWD工具通常提供诸如钻压、扭矩、温度、压力、方向和倾斜度的钻井参数信息。LWD工具通常提供诸如电阻率、孔隙度和核磁共振分布的地层评估测量结果。MWD和LWD工具经常具有共用的线缆工具部件（例如，发送和接收天线），但MWD和LWD工具必须被构建为不仅能承受恶劣的钻井环境，还要能在其中操作。

现有技术的工具和方法集中于确定并显示（映射）工具承载的测量传感器与地层边界之间的距离。地层边界的鉴定通常其特征在于地层的一个或多个物理特性的改变。存在各种技术和工作方法来评估至边界的距离，但没有一个可以在缺少可识别的地层边界的情况下，通过勘探深度和方位角的测量结果来确定地层体积，或就测量而言，深入相邻地层中读取相对近的地层边界。

发明内容

本公开涉及一种用于确定围绕钻井的清理物的体积（volume of clearance）的方法。提供了一种测井工具。所述测井工具可以被布置在线缆、钻柱或有线钻杆上。使用该测井工具可以获得地层特性。所述地层特性可以包括电压（严格来说，并非地层特性，而在此包括在内，因为其可以用于地层特性用于的地方）、体电阻率、水平电阻率、垂直电阻率、孔隙率、渗透性、流体饱和度、NMR驰豫时间、由电流感应的磁场、声波响应、钻井尺寸、钻井形状、钻井流体组合物、MWD参数或LWD参数。使用模型响应和噪声水平来确定进入地下地层的最大勘探深度，使用所确定的最大勘探深度来确定清理物的体积。即使没有探测到边界，也可以确定最大勘探深度和清理物的体积。

从以下的说明书和所附权利要求将容易理解其他方面及优点。

附图说明

图1示出了示范性的井场系统。

图2示出了现有技术电磁测井工具。

图3是根据本公开信号强度相对于勘探深度的曲线图。

图4是示出了根据本公开的示范性实施例的步骤的流程图。

图5示意性地示出了三层模型，其中测井工具位于上部地层之下两英尺的位置。

图6A－6D是根据图5的测井工具与下部边界之间的距离，具有和不具有下部边界时的信号差的曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图描述一些实施例。为一致性考虑，在不同附图中的相同部件将使用相同的附图标记。在下面的描述中，将阐述许多细节以提供对不同实施例和特征的理解。然而，本领域技术人员应该理解，一些实施例可以在没有许多细节的情况下实施，并且根据所描述的实施例许多变形或修改是可能的。在此使用的术语“之上”和“之下”，“向上”和“向下”，“上部”和“下部”，“上升”和“下降”，以及其他类似描述相对于给定点或元件之上或之下位置的术语，在说明书中用于更清晰地描述特定实施例。然而，当在偏斜或水平的井内使用装置和方法时，在适当的时候这些术语可以指的是左边到右边，右边到左边，或对角关系。

图1示出了可以使用各种实施例的井场系统。井场可以在陆上或海上。在该示范性系统中，通过旋转钻孔这样的已知方式在地下地层中形成钻孔11。如下所描述的，一些实施例也可以使用定向钻孔。

钻柱12悬挂在钻孔11内，并具有底孔组件100，所述底孔组件100包括在其下端的钻头105。地面系统包括平台和定位在钻井11上的井架组件10，组件10包括转盘16、方钻杆17、钩18和旋转接头19。钻柱12通过轮盘16旋转，其由未示出的装置供给能量，钻柱在其上端部与方钻杆17啮合。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19悬挂于附接到移动块（也未示出）的钩18，这允许钻柱相对于钩旋转。如已知那样，或者还可以使用顶部驱动系统。

在该实施例的示例中，地面系统进一步包括存储在形成于井场的坑27中的钻井流体或泥浆26。泵29经由旋转接头19内的端口来输送钻井流体26至钻柱12内部，使得钻井流体如方向箭头8所示向下流动通过钻柱12。钻井流体经由钻头105内的端口离开钻柱12，然后通过钻柱外部和钻井壁之间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。在该已知方式中，钻井流体润滑钻头105，并且当其回到坑27进行再循环时，将地层钻屑带上地面。

所示实施例的底孔组件100包括随钻测井（LWD）模块120、随钻测量（MWD）模块130、旋转导向系统和电动机、以及钻头105。

如本领域已知的，LWD模块120容纳在特殊类型的钻环内，并且可以包含一个或多个已知类型的测井工具。还应该理解可以使用多于一个的LWD模块和/或MWD模块，如120A所示。（全文中，提及120位置处的模块或者也可以指120A位置处的模块）LWD模块包括用于测量、处理和存储信息的能力，以及用于与地面设备通信的能力。在本实施例中，LWD模块包括电阻率测量装置。

如本领域已知的，MWD模块130也容纳在特殊类型的钻环内，并且可以包含一个或多个用于测量钻柱和钻头特征的装置。MWD工具还进一步包括为井下系统发电的设备（未示出）。这典型地可以包括由钻井流体的流动供电的泥浆涡轮发电机，应当理解，也可以使用其它电源和/或电池系统。在本实施例中，MWD模块包括一个或多个如下类型的测量装置：钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置，粘着/滑动测量装置、方向测量装置以及倾斜度测量装置。

图2中示出了工具的示例，所述工具可以是LWD工具120，或者可以是LWD工具套件120A的一部分。如图2所示，在上部和下部发射天线T1和T2之间，具有上部和下部接收天线R1和R2。天线形成在修改的钻环上的凹部中，并且安装在绝缘材料中。接收器之间的电磁能的相移提供了在相对较浅的勘探深度处的地层电阻率的指示，接收器之间的电磁能的衰减提供了在相对较深勘探深度处的地层电阻率的指示。可以参考美国专利No.US4899112获得更多细节。在操作中，代表衰减的信号和代表相位的信号耦接至处理器，所述处理器的输出可耦接到遥测电路。

最近的电磁（EM）测井工具使用一个或多个倾斜或横向天线，其具有或不具有轴向天线。这些天线可以是发射器或接受器。倾斜天线是其偶极矩既不平行也不垂直于工具的纵向轴线的一种天线。横向天线是其偶极矩垂直于工具的纵向轴线的一种天线，并且轴向天线是其偶极矩平行于工具的纵向轴线的一种天线。三轴天线是其中三个天线（即，天线线圈）被设置为相互正交的一种天线。通常，一个天线（线圈）为轴向而其他两个为横向。如果它们的偶极矩矢量与工具的纵轴以相同的角度相交，则认为所述两个天线具有相等的角度。例如，如果它们的偶极矩矢量（具有概念性地固定到工具纵向轴线的一个点上的尾部）位于以工具的纵轴为中心直立圆锥的表面并具有位于所述参考点的顶点，则两个倾斜天线具有相同的倾斜角度。横向天线显然具有相等的90度角，而且不管相对于工具的方位角大小，这都是成立的。

现有技术测井工具/方法并不在没有检测到边界时提供反馈或信息给操作者，以指示工具的最大勘探深度。大多数深度和方位角灵敏测量结果具有取决于该工具配置以及地层特性的勘探深度。因此，方位角灵敏测量结果的勘探深度（DOI），或勘探体积（VOI）不应当认为是恒定的。我们在此可交换地使用缩写“DOI”和“VOI”以及它们对应的术语。

可以确定并显示对其没有识别地层边界的深度的最大DOI、方位角EM测量。该信息可以用于优化该类型测量的使用，并优化其他类型的深度读取测量。举几个例子，应用包括井定位、地层特性评估以及储层结构评估。这些应用可以实时或以记录模式来实施。为方便和清晰起见，本公开在此讨论了电磁（EM）测量，但也可以使用其他类型测量。参数还可以是使用一个或多个传感器测量结果得到的计算结果，例如地层的电阻率、至电阻率参照物的距离、流体（水、油和气体）饱和度、地层压力、破裂压力、以及渗透性。

沿着钻井轨道在不同深度采集的数据可以被实时处理，或者它可以被记录并用于后续处理，或两者兼有。优选使用特定数据格式以允许数据通过不同的3D表现平台进行传输。测量结果本身通常是随时间变化测量的，但也可以使用其它域。例如，利用LWD和MWD工具，利用井下和地面的压力、温度、流体流量等传感器来获得测量结果。因为一些参数会根据围绕钻井周围的方位角而变化，某些测井传感器被设计成测量那些根据方位角变化的参数。那些测量结果实现了在地层和钻井的轴向和方位角变化下进行检测和可视化。可以研究地层基岩的特性和含量、地层流体、钻井液体、钻井岩屑和其它构成材料、钻孔的尺寸和形状，地层参数和流体参数。

可以分析这些数据以确定清理物的体积。例如，清理物的体积可以是以工具轴线为中心的圆柱体积。在一个实施例中，圆柱形清理物的体积成形为类似于“药箱”，其半径与发射器-接收器的距离成比例，并且具有与该半径相比较短的“高度”。也可能是其他尺寸和形状的体积。可以分析测量结果来研究地层对测量结果的影响，并且评价总体灵敏度（例如，最大信/噪比），因为信号仍承载有可辨别的地层特性信息。这种分析提供了随着地层几何特性中的轴向、方位角和径向变化下的检测和可视化。一旦确定，不管真实或是虚拟的，可以沿着钻井轨道显示定位在3D环境中的3D空间取向的清理物的体积。在这样的显示可以产生一个或多个地层特性边界的颜色编码。可以生成被相邻放置的不同大小和形状的多个圆或椭圆，以表示清理物的体积的变化（或没有变化）。同样，可以产生工具与最大勘探距离之间的距离的3D显示。

使用所获得的EM测量结果，可以确定各向异性地层的垂直电阻率和水平电阻率。各种频率和发射器-接收器间距（测量耦合）用于进行测量，导致各种勘探深度。根据所确定的电阻率，可以识别提供了最深的DOI的特定频率和间距的组合。所识别的提供了最深DOI的测量耦合可以用于确定噪声阈值。所述噪声阈值是使得信号变得不可靠，难以确定和区分的噪水平。噪声本身通常取决于频率和发射器-接收器间距，并且由所述工具的电子噪声进行表征。

返回到所确定的电阻率，电阻率比可以构造为表征所需的或假设的电阻率对比度。在一个实施例中，该比值的分子是所确定的水平电阻率，而分母是用户定义的或选择的电阻率。电阻率比和所识别的测量耦合可以用来模拟相对于工具至假定或推测的地层边界的距离的信号响应。如图3所示，可以绘制信号强度相对于勘探深度距离的曲线。根据用户需求，可以设置多个位置和多个大小的噪声阈值。例如，可以将其设置为噪声的标准偏差的两倍或三倍。可以基于其他标准来选择其他值。噪声阈值可以在模拟信号强度图上绘制为水平线。噪声阈值线与信号强度曲线相交于一点，在此该店被称为“截止点”。假设低于噪声阈值的信号强度太低而不可靠，因此最大DOI对应于截止点，对于最大DOI来说，信号中存在合理的置信水平。即，在给定的测量环境中，从截止点向下的垂直线相交于水平轴线的点为工具的最大DOI。

图4示出了列举上述步骤的流程图400。步骤402中，获得数据，并且如果数据是EM数据，则确定电阻率（步骤404）。对于其他的测量类型，相似地确定和使用其他物理性质。作为所确定的电阻率的函数，识别产生最深DOI的特定测量耦合（步骤406）。所识别的测量耦合用于确定噪声阈值（步骤408）。使用所确定和选择的电阻率值来形成电阻率比（步骤410）。使用所识别的测量耦合和电阻率比，模拟信号响应被确定为DOI的函数，并绘制模拟信号响应（步骤412）。在信号响应图上绘制所确定的噪声阈值，并确定截止点（步骤414）。然后，基于所确定的截止点来确定最大DOI（步骤416）。

DOI显示的一个目的是向用户以图形方式表明，即使通过反演（inversion）没有检测到边界，基于不存在的信号，仍然可以推断在由最大DOI表示的距离内不存在边界。因此，能够确定清理物的体积。在任一站点基于所选的反演输入，用户可以评估最大勘探深度。例如，评估可以基于电阻率分布和反演其他类型的结果。电阻率分布可以在前期工作中预先确定，或者用户可以输入，例如，如果已知或估计的导电围岩的电阻率。

基于反演模型可以确定检测范围。DOI将产生一个区域，其可以与真实电阻率参照值清晰区别地标识出来，以使不对物理边界产生困扰。在一个实施例中，每次测量的噪声的三倍标准偏差（例如，方位角测量的衰减为0.025dB，方位角测量中0.15度的相移）用作截止值来评估最大DOI。DOI不仅取决于至地层的距离，还取决于电阻率参照值或分布。最大DOI可以通过深度定向测量获得，深度定向测量取自定向测量的输入设定。例如，如果定向测量的输入设定包括96英寸间距测量和34英寸间距测量，优选使用96英寸间距测量以确定最大DOI。如果定向测量的输入设定包括34英寸间距测量和22英寸间距测量，优选使用34英寸的定向测量来确定最大DOI。

对于每个站点，地层模型和工具位置，可以确定工具的最大DOI。当地层模型为两层模型，最大DOI可以通过以下方式确定：移动边界位置，直到深度定向测量中的一个（可能是96英寸）下降于测量的标准偏差的三倍以下。当地层模型为三层模型并且工具在中间层中，下部边界的最大DOI可以通过以下方式获得：固定上部边界位置、工具位置、上部层电阻率（Ru）、中间层的水平电阻率（Rh）、中间层的垂直电阻率（Rv）和下部层电阻率（Rl），并移动底部边界位置，直到具有下部边界和没有下部边界的深度定向测量结果之间的绝对信号差小于测量结果的标准偏差的三倍。

合成三层示例证明了该过程。例如，输入的地层模型具有Ru=1ohm-m,Rh=Rv=30ohm-m,以及Rl=2ohm-m.如图5所示，中心层厚度是8英尺，工具位置是上部边界以下2英尺。具有和没有下部边界的信号差根据下部边界至工具位置的距离而绘制在图6A-6D中绘出。根据图6A（SAD1），最大DOI是7.9英尺。在这种情况下，测量规格的三倍（0.25dB）产生两个值:7.9英尺和17.6英尺。选择较短值。根据图6B（SAD4）,最大DOI是12.5英尺；根据图6C（SPD1）,7.6英尺；而根据6D(SPD4)，12.8英尺。目前商用的反演方法只能提供一个边界解，因此本过程输出的朝向下部边界的最大DOI为7.6英尺至12.8英尺的范围。这意味着，当下部边界为12.8英尺远时，定向测量具有灵敏度，然而，当边界离工具为7.6英尺远时，目前的反演方法仅输出一个下部边界。

相同的逻辑可以用于确定朝向上部边界层的最大DOI。当地层模型为3层以上时，地层模型优选地首先简化为三层模型，并且使用上述方法来获得最大DOI范围。为简化地层模型为三层模型，可以采用下述等式来确定基于地层电导率以及从地层中央测量的至工具的距离的加权平均值。

${\stackrel{\‾}{C}}_u=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{e}^{{-d}_{\mathrm{iu}}}\×C_{\mathrm{iu}}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{e}^{{-d}_{\mathrm{iu}}}},{\stackrel{\‾}{C}}_l=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{e}^{{-d}_{\mathrm{il}}}\×C_{\mathrm{il}}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{e}^{{-d}_{\mathrm{il}}}}$

在等式中，d_iu为从上层边界至从上开始数第i层的中央的距离，C_iu为从上开始数第i层的电导率，d_il时从下层边界到从下开始数第i层的中央的距离，C_il为从下开始数第i层的电导率。

在这种情况下定义的DOI共享上述提到的信噪比的某些相似点。两者都指示了测量信号是否是边界的存在的好的指示器。然而，量化是不同的。信噪比提供了一种简单的方式，来指示针对特定工具位置测量的信号是否低于噪声规范。然而，任何关于遥远边界的存在的其它解释是没有价值的。另一方面，DOI阐述了需要多远的边界，测量才会变得不敏感，因此当反演边界在所计算的检测范围内给出置信度（confidence）来解释。

应该理解，尽管本发明已经参照有限数量的实施例已经描述，本领域技术人员，得益于本发明公开内容，将意识到其他实施方式可以在不偏离在此所公开的本发明的范围内进行设计。相应地，本发明的范围应当仅由所附权利要求限定。

Claims (18)

1.一种用于确定围绕钻井的清理物的体积的方法，包括：

提供测井工具；

使用所述测井工具来获得地下地层的特性；

基于所选择的所述测井工具的发射器-接收器测量耦合和所述测井工具的电子噪声来确定噪声阈值；

基于所接收的测量结果确定电阻率比；

使用所述电阻率比来模拟所述测井工具的信号响应；

绘制第一曲线和第二曲线，所述第一曲线作为信号强度和勘探深度距离的函数并且代表所述信号响应，所述第二曲线代表所述噪声阈值；

将与所述第一曲线和所述第二曲线在图上相交的点对应的勘探深度距离确定为进入所述地下地层的最大勘探深度；以及

使用所确定的最大勘探深度来确定清理物的体积。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供包括将所述测井工具布置在线缆、钻柱或有线钻杆上。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述获得地层特性包括发射和接收以特定频率发射的电磁信号，或发射和接收多个电磁信号，所述电磁信号中的每一个信号以不同的频率进行发射。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述地层特性包括以下各项中的至少一项：电压、体电阻率、水平电阻率、垂直电阻率、孔隙率、渗透性、流体饱和度、NMR驰豫时间、磁场、声波响应、钻井尺寸、钻井形状、钻井流体成分、MWD参数和LWD参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其中没有检测到边界层。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所确定的清理物的体积用于井定位、地层特性评估以及储层结构评估中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括显示所述清理物的体积。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述显示包括对一个或多个地层特性边界进行颜色编码。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述显示包括相邻地放置不同大小的多个圆或椭圆。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述显示包括沿着钻井轨迹绘制定位在3D环境中的3D空间取向的清理物的体积。

11.一种用于确定围绕钻井的清理物的体积的系统，包括：

测井工具；以及

处理器，所述处理器被配置为：

使用所述测井工具获得地下地层的特性；

基于所选择的所述测井工具的发射器-接收器测量耦合和所述测井工具的电子噪声来确定噪声阈值；

基于所接收的测量结果确定电阻率比；

使用所述电阻率比来模拟所述测井工具的信号响应；

绘制第一曲线和第二曲线，所述第一曲线作为信号强度和勘探深度距离的函数并且代表所述信号响应，所述第二曲线代表所述噪声阈值；

将与所述第一曲线和所述第二曲线在图上相交的点对应的勘探深度距离确定为进入所述地下地层的最大勘探深度；以及

使用所确定的最大勘探深度来确定所述清理物的体积。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述测井工具被布置在线缆、钻柱或有线钻杆上。

13.根据权利要求11所述的系统，其中没有检测到边界层。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述地层特性包括以下各项中的至少一项：电压、体电阻率、水平电阻率、垂直电阻率、孔隙率、渗透性、流体饱和度、NMR驰豫时间、磁场、声波响应、钻井尺寸、钻井形状、钻井流体成分、MWD参数和LWD参数。

15.根据权利要求11所述的系统，进一步包括将所确定的清理物的体积用于井定位、地层特性评估和储层结构评估中的至少一个。

16.根据权利要求11所述的系统，进一步包括显示所述清理物的体积。

17.一种用于确定围绕钻井的清理物的体积的设备，包括：

用于提供测井工具的模块；

用于使用所述测井工具来获得地下地层的特性的模块；

用于基于所选择的所述测井工具的发射器-接收器测量耦合和所述测井工具的电子噪声来确定噪声阈值的模块；

用于基于所接收的测量结果确定电阻率比的模块；

用于使用所述电阻率比来模拟所述测井工具的信号响应的模块；

用于绘制第一曲线和第二曲线的模块，所述第一曲线作为信号强度和勘探深度距离的函数并且代表所述信号响应，所述第二曲线代表所述噪声阈值；

用于将与所述第一曲线和所述第二曲线在图上相交的点对应的勘探深度距离确定为进入所述地下地层的最大勘探深度的模块；以及

用于使用所确定的最大勘探深度来确定清理物的体积的模块。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述测井工具是随钻测井工具。