CN103649781A - 方位角脆性测井系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于收集、导出和显示井眼的方位角脆性指数的方法和系统。至少一些实施例包括实时地计算和显示用于地质导向和钻井操作的井眼测量的多种方法。用于计算和显示方位角脆性的至少一个公开的方法实施例包括测量作为自井眼内部的位置和取向的函数的压缩和剪切波速度。通过方位角声波工具进行这些速度测量。随后至少部分地基于压缩波速度和剪切波速率来导出方位角脆性。

Description

方位角脆性测井系统和方法

背景技术

知晓井眼的某些特性对于钻井操作而言是有用的。为了收集关于井眼的信息，钻探人员经常使用电缆或随钻测井（LWD）工具，其可检索数据并产生表示由井眼穿透的岩层的特性的记录或者甚至图像。一种这样的工具的示例是声波测井工具，其通过生成声脉冲和测量此类脉冲沿井眼传播所花费的时间来操作。利用此类测量，钻探人员能够测量多种地质特性，包括岩层密度和孔隙度。

钻探人员可能认为重要的性质之一是对岩层脆性的某种测量。可以预期，适度脆弱的岩层容易断裂因而对流体流而言更加可渗透。理想地，钻探人员愿意将井眼位置于其中这种渗透性提供到烃类储层的通道的区域中。另一方面，高度脆弱的岩层可被预期为不稳定且倾向于井眼塌落和塌陷，这种情形可造成经济和环境损失以及甚至需要放弃该井。看起来不存在可用于在钻井过程期间向钻探人员提供合适的方位角岩层脆性测量的任何测井系统和方法。

附图说明

当结合以下附图而考虑以下详细描述时，可获得对各公开实施例的更好的理解，附图中：

图1示出其中采用地质导向的例示性钻井环境；

图2示出例示性的电缆钻井环境；

图3是例示性声波测井工具；

图4示出井眼的杨氏模量和泊松比的例示性交会图；

图5是方位角脆性指数的例示性井眼图像；以及

图6是用于计算和显示方位角脆性的例示性流程图。

具体实施方式

背景技术中标识的问题通过所公开的用于收集、导出和显示井眼的方位角脆性指数的方法和系统至少部分地得以解决。至少一些实施例包括实时地计算和显示用于地质导向和钻井操作的井眼测量的多种方法。用于计算和显示方位角脆性的至少一个公开的方法实施例包括测量作为自井眼内部的位置和取向的函数的压缩波速度和剪切波速度。通过声波工具进行这些速度测量。方位角脆性随后至少部分地基于压缩波速度和剪切波速度来导出，且向钻探人员显示，钻探人员随后可基于方位角脆性信息来调整钻井方向。用于实现上述方法的测井系统包括方位角声波工具和处理器，该处理器从声波工具检索测量结果以生成脆性图像记录并且在地质导向应用中至少部分地基于脆性图像记录来任选地引导钻柱。

为进一步帮助读者理解所公开的系统和方法，描述了适用于它们使用和操作的环境。图1示出了例示性地质导向环境。钻井平台2支承塔架4，塔架4具有用于提升和降低钻柱8的活动块6。当钻柱8被降低穿过井头12时上驱动10支承和旋转钻柱8。通过井下电机和/或钻柱8的旋转驱动钻头14。当钻头14旋转时，它产生通过多个岩层的井眼16。钻头14仅仅是底部钻具组件中的一件，底部钻具组件通常包括一个或多个钻铤（厚壁钢管）以提供重量和刚性来帮助钻井过程。这些钻铤中的一些可包括测井仪，用于收集诸如位置、取向、钻压、井眼直径等等之类的各种钻井参数的测量结果。工具取向可按照工具面角（旋转取向）、倾角（斜率）和罗盘方向来规定，工具面角（旋转取向）、倾角（斜率）和罗盘方向中的每一个可从磁力计、测倾计和/或加速度计的测量结果中导出，但是可替换地使用诸如陀螺仪之类的其它传感器类型。系统还包括用于收集岩层性质的测量结果的工具26，根据这些测量结果可标识岩层边界，如以下进一步讨论的。结合工具取向测量结果使用这些测量结果，钻探人员可使用多种合适的定向钻井系统（包括操纵叶片、“弯接头”和旋转可操纵系统）中的任何一种来操纵钻头14沿着期望路径18。泵20将钻井液通过给液管22到上驱动10、在井下通过钻柱8的内部、通过钻头14中的孔、经由钻柱8周围的环形套筒循环回地面并使之进入保存池24中。钻井液将切屑从井眼转移至池24中，并帮助保持井眼完整性。而且，耦合到井下工具26的遥测装置28可经由泥浆脉冲遥测将遥测数据发送到地表。遥测装置28中的发射器调整钻井液流动的阻力，由此产生以声速沿液体流传播至地表的压力脉冲。一个或多个压力换能器30、32将压力信号转换成用于信号数字化器34的电信号。注意，存在其它形式的遥测且可用于将信号从井下传达到数字化器。这种遥测可采用声学遥测、电磁遥测或经由有线钻杆的遥测。

数字化器34将压力信号的数字形式经由通信链路36提供给计算机38或一些其它形式的数据处理设备。计算机38根据软件（其可被存储在信息存储介质40上）和经由输入设备42的用户输入来操作以处理和解码所接收的信号。所得的遥测数据可被计算机38进一步分析和处理以在计算机监视器44或某种其它形式的显示器设备上生成有用信息的显示。例如，钻探人员可采用该系统来获取和监视钻井参数、包括方位角脆性记录的岩层性质以及相对于检测到的岩层边界46和48的井眼路径。

图2示出例示性电缆测井环境。在钻井过程期间的多个时刻，从井眼移除钻柱8以允许使用电缆测井工具134。电缆测井工具是由电缆142悬吊的感测仪器探测器，电缆142具有用于将功率传输到工具并将遥测从工具传输到地表的导体。电缆测井工具134可具有臂136，该臂136以井眼内的工具为中心或者如果需要则向井眼壁按压该工具。井眼穿透多个岩层121。测井设备144收集来自测井工具134的测量结果，且包括用于处理和存储测井工具收集到的测量结果的计算设备。

图3示出用于随钻测井环境中的例示性声波测井工具。类似的工具配置可用于电缆测井环境中。所示的测井工具具有四个方位角发射器303，方位角发射器303可作为单极、双极、交叉双极或四极源来操作。测井工具还具有声测径规304以及方位角敏感的接收器阵列306。声测径规304与接收器阵列306对准用于准确测量井眼大小、形状和工具位置。随着测井工具在井眼内旋转，它通过测量压缩波速度和剪切波速度来收集信息。每个发射器302能够发射正波或负波且协同地操作以产生在单极、双极、四极和交叉双极模式中传播的声波。所例示的工具具有四个方位角间隔的接收器阵列306，其中每个阵列中有六个接收器。每个阵列使其最近的接收器距离发射器5英尺，每个连续的接收器之间为6英寸。每个接收器在宽范围的频率上是敏感的且以消除钻头噪声和泥浆循环噪声的方式与钻铤隔离。处理器从每个接收器对发射器发射的响应收集测量结果，以测量各种波型的传播速度且提取压缩波和剪切波传播速度的方向角敏感测量结果。

当分析声波数据时，井眼大小和形状以及井眼中的工具位置的准确获知可用于增加测量准确性且增强方位角图像的分辨率。在电缆环境中，多臂机械测径规通常与声波工具结合运行以获取该信息，而所例示的工具采用四个超声波测径规（每个与一个接收器阵列对准）。每当声波数据被收集时，四个超声波测径规对与井眼壁的距离进行几乎同时测量。这四个测径规测量结果可用于确定井眼大小以及井眼中的工具位置。工具可被编程以按照1-、2-、4-、8-或16-扇区分辨率或者（如果需要）更高的分辨率来获取图像数据。实践中，经常利用16扇区方位角分辨率来获取数据。

对于井眼周围的每个扇区，在给定深度，对压缩波速度和剪切波速度进行测量。根据这些原始测量结果，在从另一测井工具或对比井记录对密度进行合理估计的情况下，可导出杨氏模量和泊松比。或者，可根据M.Oraby于2011年1月11日提交的共同待决美国申请13/003,609“Systems and Methods for Acoustically Measuring BulkDensity（用于声学测量体密度的系统和方法）”中公开的方法从声波测井工具测量结果中导出密度估计。泊松比可如下以压缩波速度（V_P）和剪切波速度（V_S）来表达：

$v=\frac{0.5{(V_P/V_S)}^2-1}{{(V_P-V_S)}^2-1}.---\left(1\right)$

随后可基于密度（ρ）、泊松比（ν）和剪切波速度（V_S）来计算杨氏模量：

$E={\mathrm{\ρV}}_2^2{(1+v)}^2.---\left(2\right)$

由于压缩波速度和剪切波速度测量结果（以及可能的密度测量结果）的方位角相关性，泊松比和杨氏模量的值可作为井眼位置和方位角的函数导出以提供这些值的图像记录。随后可根据Rickman等人的“A Practical Use of Shale Petrophysics forStimulation Design Optimization:All Shale Plays Are Not Clones of the Barnett Shale（将页岩岩石物理学实际用于激励设计优化：所有页岩作用并不是Barnett页岩的克隆）”[SPE115258](2008)的教导，将这些图像记录结合以导出每个扇区的脆性指数。可采用多种脆性测量，包括可如下表达的脆性指数：

BI=(c₁E+c₂ν)/2，       (3)

其中c₁和c₂是使作为脆性指标的每个因数的重要性均衡的系数。

图4示出根据试验井的声波记录确定的杨氏模量和泊松比的例示性交会图。在该图中示出井眼的较不脆弱区域402和较脆弱区域404两者。杨氏模量和泊松比的分量被组合以反映岩石在应力下损坏以及一旦岩石断裂则维持断裂的能力。韧性页岩（其会在区域402中出现）不是用于通向储层的良好岩层，因为该岩层将趋向于密封任何天然或水力压裂。但是，韧性页岩产生良好密封，从而捕获烃类使其无法移出下面较脆弱的页岩。脆性页岩（其会在区域404附近出现）更有可能自然断裂并且还将更有可能对水力压裂处理有良好响应。因此，需要以将页岩中的这两个岩石机械性质结合的方式来量化脆性因数。图4是该概念的图形表示。按照泊松比，其值越低，岩石越脆弱，并且随着杨氏模量值的增大，岩石也将变得更加脆弱。因为泊松比和杨氏模量的单位非常不同，由每个分量导致的脆性被组合且随后被平均以产生百分比的脆性系数。

图5示出可在钻井操作期间被计算和显示的方位角脆性指数的例示性图像记录表示。脆性指数的图像记录在地质导向期间会是有用的。这种技术利用LWD工具旋转同时获取数据以产生井眼周围的声速图像的事实。沿着水平轴，记录示出脆性指数与井眼中的工具深度或位置的相关性。沿着垂直轴，记录示出脆性指数与工具的方位角或旋转角的相关性。通常，记录的上边缘和下边缘表示井眼的高边，而中间则表示低边。可以观察到，记录展示了由井眼穿透的岩层的脆性指数的变化，从而使得钻探人员能够标识期望岩层且操纵井眼以最大化地暴露于此类岩层。

例如，假设钻探人员将区域502所表示的岩层视为具有期望脆性指数。当钻井组件遭遇具有较不期望脆性指数的相邻岩层时（如区域504所表示），钻探人员采取校正动作并操纵井眼回到期望岩层（再次由区域506所表示）。可能由于过度校正，井眼完全通过期望岩层并且需要进一步操纵校正。由脆性图像记录所展示的信息可帮助钻探人员将井眼地质导向到在经济上期望的岩层中。这些图像还可在使用传统电缆交叉双极数据（用于应力分析、断裂表征以及三维岩石力学）时使用以及提供诸如地质导向之类的附加服务。

除了岩层渗透性，井眼稳定性问题也是钻井操作期间所关注的问题。例如，井眼的某些区域对于钻井而言可能过于脆弱。如果对极其脆弱的区域进行钻井，那么整个井眼可能塌陷，从而造成材料和资源的灾难性损失。另一方面，井眼的脆弱区域还可表示井眼的更加可渗透区域。更多的气体可能流经井眼的更加可渗透区域。因此，存在折衷，并且需要钻探人员在进行钻井操作的同时快速知晓井眼的脆性指数。

图6示出用于计算和显示方位角脆性的例示性方法。在框602和604中，声波测井工具获取井眼中的压缩波速度和剪切波速度两者的测量结果。在框606中，地表处理系统计算方位角脆性并将其与声波测井工具的位置和取向相关联以形成方位角脆性图像记录。在框608中，地表处理系统向工程人员显示该记录，例如用于分析井眼稳定性并确定合适的水力压裂程序。任选地，可在钻井过程期间获取记录且向钻探人员实时地显示。在框610，钻探人员基于方位角脆性记录调整钻井方向。

提供了用于确定方位角脆性且任选地将其用作钻井操作期间的指导的方法和系统的不同实施例。用于计算和显示方位角脆性的方法实施例包括测量作为自井眼内部的位置和取向的函数的压缩波速度和剪切波速度。随后至少部分地从这些速度导出方位角脆性。

用于执行地质导向操作的另一方法实施例包括确定井眼的方位角脆性，以及至少部分地基于方位角脆性的确定来自动调整钻井方向。用于实现上述方法的测井系统包括方位角声波工具和从该声波工具检索测量结果的处理器。该系统还可包括地质导向组件，并且在电缆和LWD操作期间使用。

构想了方位角脆性记录可用于指导射孔器和激励喷射用于增强穿透。本领域技术人员一旦完全领会以上公开，则这些以及其它变型和修改将变得显而易见。所附权利要求书旨在被解释为包括所有这些变型和修改。

Claims (19)

1.一种脆性测井方法，包括：

对作为自井眼内部的位置和取向的函数的压缩波速度进行测量；

对作为自所述井眼内部的位置和取向的函数的剪切波速度进行测量；

至少部分地从所述压缩波速度和所述剪切波速度导出方位角脆性；以及

将方位角脆性显示为图像记录。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述方位角脆性用于在地质导向期间的指导。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导出包括确定方位角相关的泊松比值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述导出还包括确定方位角相关的杨氏模量值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述导出包括将所述杨氏模量值与所述泊松比值进行加权平均。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过电缆声测井工具来获取所述测量结果。

7.一种地质导向方法，包括：

确定井眼的方位角脆性；以及

至少部分地基于所述确定来调整钻井方向。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述确定方位角脆性包括从所述井眼获得对压缩波速度和剪切波速度的测量结果。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括将方位角脆性显示为来自所述井眼的图像记录。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调整钻井方向包括向钻探人员提供方位角脆性图像记录的显示。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，至少部分地基于所述方位角测量结果来自动执行所述调整钻井方向。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述导出包括确定方位角相关的泊松比值。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述导出还包括确定方位角相关的杨氏模量值。

14.一种测井系统，包括：

方位角声波工具；以及

处理器，其至少部分地基于从所述声波工具检索的测量结果来确定方位角脆性记录。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统还包括地质导向组件。

16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述方位角声波工具在电缆测井期间使用。

17.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述方位角声波工具在随钻测井（LWD）期间使用。

18.如权利要求14所述的系统，其特征在于，作为确定所述方位角脆性的一部分，所述处理器导出方位角相关泊松比值。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，作为确定所述方位角脆性的一部分，所述处理器导出方位角相关杨氏模量值。

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