CN103842852B - 经补偿的井间层析成像方法和系统 - Google Patents

Abstract

呈现了一种补偿井间层析成像中的不准确性的方法和系统。该方法包括响应来自至少两个发射机的发射从至少两个接收机获得数据。接着，基于接收机对发射机的响应来推导出至少经补偿的值。最终，至少部分地基于所得到的经补偿的值来执行反演。该方法消除了反演处理中可由传感器增益和相位变化造成的不准确性。具有增益和相位补偿的反演结果产生更好的成像结果，这能更好地帮助确定储层的形状和边界。

Description

经补偿的井间层析成像方法和系统

背景技术

现代油田运作需要大量有关井下遭遇的参数和工况的信息。期望的信息的类型包括储油气层中的流体的范围和分布。尽管可通过表面勘探来收集一般的图片，但这类勘探受限于覆盖在感兴趣区域之上的地下层的效果。可通过在感兴趣区域内或附近使用井眼来消除或减少这些效果。通过井眼发射机和接收机的适当配置，井间层析成像可用来提取感兴趣区域的相对详细的图像，适于规划和监测来自储层的生产。

一开始，使用地震发射机和接收机来执行井间层析成像，但最近以焦点放到使用电磁(EM)发射机和接收机方面。对于任何地球物理勘探，勘探系统中的噪声和不准确性将负面地影响图像质量。井间层析成像中的这种劣化的一个重要原因是传感器增益和相位的假设值和实际值之间的不匹配。这些不匹配可源自许多原因，包括传感器类型差异、校准误差、井眼配置的变化(例如，泥浆成分和井眼半径)、以及诸如温度和压力之类的环境参数。相位不匹配可因为电子系统中的延时和典型井间层析成像系统的广泛分布的组件的同步误差所造成或恶化的。传统方法的井间层析成像看上无法充分解决这类不准确性。

附图简述

在附图中：

图1示出一示例性钻探环境；

图2A示出井间层析成像的说明性多边环境；

图2B示出井间层析成像的说明性多井眼环境；

图3是说明性的经补偿的井间层析成像系统的功能框图；

图4A和图4B示出电磁(EM)发射和接收天线的说明性配置；

图5是说明性反演过程的高级流程图；

图6是说明性反演过程的详细流程图；

图7示出用于模拟的说明性储层模型；

图8示出用于说明性模拟的传统反演结果；

图9示出用于说明性模拟的补偿反演结果；以及

图10是说明性的经补偿的井间层析成像方法的流程图。

虽然本发明容易得出多种替代形式、等效物、和修正例，但已经通过示例在附图中示出且将详细描述其特定实施例。然而应当理解，这里的附图和详细说明不对本公开构成限制，相反，它们提供本领域内技术人员理解由所附权利要求书的范围描述的实施例涵盖的替代形式、等效物、和修正例的基础。

具体实施方式

背景技术中标识的问题可由所公开的经补偿的井间层析成像方法和系统至少部分地解决。在至少一些方法实施例中，响应至少两个发射机中的每一个从至少两个接收机获得数据，该发射机和接收机位于感兴趣区域附近的井眼内。数据被组合以形成至少一个经补偿的值，该经补偿的值对任何发射机和接收机增益或相位不准确性进行补偿。然后执行反演来标识最佳地匹配这些经补偿的值的地下结构。至少一些系统实施例使用随后输出从地下结构导出的一个或多个图像的软件来实现该方法。

所公开的系统和方法采用感兴趣地下区域内或附近的至少一个井眼。这些井眼可如图1所示地被钻探。钻探平台2配有井架4，该井架4支承升降机6，用以上升和下降钻柱8。升降机6悬挂顶部驱动器10，该顶部驱动器10用来使钻柱8转动并使钻柱通过井口12下降。钻柱8的各段通过螺纹连接器7连接。钻头14连接至钻柱8的下端，该钻头14转动以沿期望路径创建并延伸井眼16。泵20使钻井液循环流过供液管22至顶部驱动器10、通过钻柱8的内部至井下、通过钻头14中的孔、经由钻柱8周围的环形套管回到地表并进入容水坑24。钻井液将岩屑从井眼运入到坑24中并帮助维持井眼16的完整性。

测井仪器26可被放置在钻柱8上。遥测模块28可使用多种可用的遥测技术中的任何一种提供测井仪器26和地表接口34之间的通信。在一个示例中，声传感器30、32检测来自测井仪器的泥浆脉冲遥测携载数据。数据处理系统38通过有线或无线通信链路36耦合至地表接口34以控制和获取来自测井仪器26的测量。所示数据处理系统38是具有与用户交互的一个或多个输入设备42和一个或多个输出设备44的通用目的计算机。信息存储介质40上的(或计算机内部存储器中的)软件配置计算机的内部处理器(多个)以获取井间层析成像测量并推导出地下结构的模型以将其显示给用户。

测井仪器26优选地包括用于发送和/或接收声音信号的声换能器、或用于发送和/或接收电磁(“EM”)信号的电磁天线。尽管示出位于钻柱上，但测井仪器也可附加地在有线线路或挠性油管柱上传输。数据处理系统38使用在感兴趣区域内和周围的多个位置的多个发射机和接收机来获取测量。

图2A示出说明性配置，其中各发射机(“T”)和接收机(“R”)被放置在多边井的每个分支上，包括穿透感兴趣区域的基本垂直分支以及沿储层顶部在各个方向向外延伸的五个基本水平分支。图2B示出不同的说明性配置，其中多个收发机(发射机和接收机)节点使用多个垂直井遍及感兴趣区域地放置，这些垂直井中的一些可包括具有附加收发机节点的侧分支。一些或全部的井眼可以是开放的(即露出的)类似地，这些井眼中的一些或全部可被加套并且在套管内放置有传感器。在套管造成过多衰减的情形下，传感器可被配置成发送/接收低频率磁波。一些系统可采用放置在地表处的附加传感器。

节点的数目和位置取决于区域的体积、属性(电阻率或声阻抗)、以及模型的期望分辨率。然而，一般来说，大量节点提供更好的模型准确性，并且节点的三维配置可相对二维配置而言是优选的，而继而二维配置可相对于一维配置而言是优选的。在一些节点与有用的感兴趣区域间隔过远的情形下，可将这些节点省去以免将不必要的噪声引入到反演过程中。

图3是经补偿的井间层析成像系统的功能框图。图2A和图2B中的每个节点包括至少一个传感器302，用于发送和/或接收声信号或EM信号。对于EM系统，传感器是天线或磁力计。合适的天线配置包括具有任选的补偿线圈(例如参见图4B)的线圈天线(例如参见图4A)、环面天线、电缝隙天线、间隔电极天线、以及喇叭天线。对于声系统，合适的传感器包括压电换能器、磁线圈扬声器、弯曲杆(bender bar)、以及传统的地震源。

一些传感器耦合至发射机304以将信号发送入地层，一些传感器耦合至接收机306以从地层接收信号，一些传感器可在发送和接收模式之间切换。在后一情形下，可在传感器302及其关联的发射机304和接收机306之间设置开关308。一些实施例甚至可例如针对不同的信号频率为给定的传感器提供多个发射机和接收机。相反，系统可包括耦合至给定的发射机304或接收机306的多个传感器302，例如，以使发射机或接收机以不同方向或偏振(polarization)来发送或接收信号。构想倾斜天线用于对正交或线性独立的EM信号组件作出测量。

每个节点包括遥测单元310，该遥测单元310根据来自系统控制中心314的命令来控制关联的发射机304和接收机306(以及开关308)。网络312将控制中心314经由至系统中每个井的井口的传统有线或无线通信链路耦合至各个节点，并且在每个井口处的接口单元经由井内遥测信道完成通信链，该井内遥测信道诸如为有线线路、电磁遥测链路、声遥测链路、或泥浆脉冲遥测技术。可将任何合适的配置用于网络312。

在正常的操作中，控制中心314迭代通过每个可用的发射机304，使它们依次发射，同时所有其它节点被设置为检测和捕捉任何所得接收信号。遥测单元310捕捉每个发射机发射的接收机信号，并将它们通信至控制中心314。这些测量可被重复和组合以改进信噪比。数据处理单元38获取对于每个发射机发射的一组接收机响应，并如下面列出的那样处理这些响应以产生地下结构的模型。用户可经由可视化单元44来查看模型并与之交互。

图5是反演过程的高级框图。原始数据(每个接收机对每个发射机的响应的振幅和相位)在框502中被处理以获得经补偿的数据。在框504，迭代的反演过程修改感兴趣区域的结构模型，直到经补偿的数据与预测数据匹配为止。前向模型框506基于当前结构模型来生成预测的数据，并且反演框响应地修改结构模型，直到预测和经补偿的数据值之间的误差落在阈值以下为止。经修改的结构模型随后通过框504输出以供可视化和/或分析，从而确定储层中流体的量和分布。

通过构建原始数据的比值而形成经补偿的数据。这些比值被设计成补偿各传感器的发射/接收特征中的任何系统误差。由于这种补偿，反演过程的结果相对于直接在原始数据上执行的反演过程的结果而言大为改善。此外，该方法放松了系统设计约束，允许使用多种传感器类型并工作在多样的井眼和环境状况下。同步要求被放松，并且系统可更容易地适应传感器的失调或参数漂移。

令V′_ij是表示由接收机i接收的响应于发射机j的信号测量的振幅和相位的复数值。令其通过下式来关联于“真实”信号测量V_ij：

V′_ij＝c_ic_jV_ij,

其中c_i和c_j是表示接收机i和发射机j的实际特性和假设特性之间的增益误差和相位误差的复数值。可通过将该测量与接收机i响应第二发射机m的测量以及第二接收机k对两发射机j和m的测量进行组合来消除这些误差，以形成经补偿的值P_ikjm：

注意增益和相位误差的消除。如果系统包括总共T个发射天线和总共R个接收天线，那么就有总共T！/(2(T-2)！)个发射机对和总共R！/(2(R-2)！)个接收机对，由此得到总共T！R！/(4(T-2)！(R-2)！)个经补偿的值。对于T＝4且R＝16的系统，将有高达64个测量值，从中可以计算出高达720个经补偿的值。在实践中，可在多个频率下作出测量，这进一步增加了将在反演过程中匹配的测量的数量。

图6是反演过程的更详细框图。原始数据被表示为v_t,r,f，其中下标中的t、r和f分别表示发射机、接收机、和频率。一旦获得原始数据，将其传过最初处理级以获得经补偿的数据p_{t1,t2,r1,r2,f}。注意在确定经补偿的值之前，一些实施例相对于由假设的(可能是恒定电阻率的)背景模型预测的测量对原始数据进行归一化。该归一化对于减少反演过程中的强信号信道的支配可能有用。

图6中的平行轨道开始于对感兴趣区域内的地下结构的初始建模，这在附图中由导电率值表示，其中下标表示迭代次数而i、j、k表示对导电率栅格内的单元在x、y和z方向的空间指标。导电率栅格需要被选择成足够大以覆盖感兴趣区域和可影响测量的其它特征。前向模型604工作在该模型上以使用地层导电率的初始猜测来预测对每种发射机-接收机组合以及频率的信号测量。由于该导电率分布(被表示为v^F _t,r,f)的预测数据由框606处理，该框606执行与框602相同的操作。框606的输出被表示为框608确定框602和框608的输出之间的差异，产生p^DIF _{t1,t2,r1,r2,f}。框610评估该差异的大小以确定是否模型已收敛。在一些实施例中，通过将该差异的大小与经补偿的数据p_{t1,t2,r1,r2,f}的大小进行比较而确定收敛，例如测试是否其中和是其要素分别产生p^DIF _{t1,t2,r1,r2,f}和p_{t1,t2,r1,r2,f}的向量，而c是常数。如果满足收敛，则框611输出导电率模型。否则，框612基于p^DIF推导出一组导电率模型的变化，并且框614将该变化施加至导电率模型以得到迭代步骤n的更新的模型σⁿ⁺¹ _i,j,k。

图7示出将所公开的方法的性能与未补偿原始数据的层析成像方法比较的仿真模型的俯视图。仿真模型是具有九个垂直井眼的地层基，其每个井眼具有放置于高出地层基底部70米处的收发机。各井眼沿X方向和Y方向均匀地隔开500米。假设地层基在1Ω-m电阻率的其他部分同质介质中具有两处电阻率异常。两处异常沿z方向具有65米的厚度。如果中间收发机被视为原点，则第一异常是在x方向界定在155米和285米之间并在y方向为-130米至130米之间的体积。该异常具有25Ω-m的电阻率。第二异常部在x方向被界定在-290米和-150米之间，并在y方向在120米和330米之间。该异常的电阻率被取为20Ω-m。具有z方向线圈发射机的多频率系统被认为具有1、2、5和10Hz的工作频率。合成数据是根据前述导电率分布通过3D时域有限差分(FDTD)码来创建。5％的乘性增益噪声被施加至该合成数据。

来自该数据的传统反演的结果示出于图8。异常的真实位置用虚线表示。反演图像由于噪声表现出若干伪像。尽管观察到接近目标的若干峰，然而结果还示出许多假阳性并且不可可靠地确定储层的形状和边界。

来自根据前面公开的方法使用经补偿的值的反演的结果示出于图9。导电率图像不因传感器增益和相位误差的存在而受到影响。可看出，较高的强度区非常准确地与储层边界匹配，并且消除了由传感器增益和相位噪声引起的任何假阳性。

图10示出经补偿的井间层析成像的说明性流程图。在框1002，响应来自至少两个发射机的发射从至少两个接收机获得数据。接收机或发射机中的至少一个位于井眼内。发射机和接收机也可分布在两个或更多个井眼之间和分布在地表上。在框1004，响应附加的成对发射机从附加的成对接收机获得数据。在框1006，至少一个经补偿的值是基于接收机对发射机的响应推导出的。经补偿的值可表示为：

其中i和k是接收机指标，而j和m是发射机指标。如框1008所示，至少部分地基于所得到的经补偿的值执行反演。最终，在框1010中，基于该反演来产生目标区的地下图像。图像可提供关于至少一个地层属性的信息，例如声速、衰减、地震反射率、电磁阻率、或介电常数。

图10所示的操作可实现为通用目的计算机上的软件。该计算机中的处理器(多个)被配置成执行存储在盘或存储器中的软件，该软件使处理器根据用户命令获得数据、处理数据、并显示所得图像。

本领域内技术人员在细阅前面的公开内容后将理解所公开的要素和操作的多种替代形式、等效物和修正。例如，补偿测量公式不仅仅是实现增益和相位误差的抵消的公式，因为通过三个接收机响应三个发射机的测量组合、或四个接收机响应四个发射机的测量组合等，将得到相同的抵消。在任何情况下，下面的权利要求书涵盖这些替代形式、等效物和修正。

Claims (17)

1.一种用于改善井间层析成像的图像质量的方法，所述方法包括：

响应来自至少两个发射机的发射从至少两个接收机获得数据，其中所述发射机和接收机分布在两个或更多个井眼之间；

推导出至少一个经补偿的值，所述经补偿的值将来自所述至少两个接收机的对所述至少两个发射机的响应的数据组合为抵消所述至少两个接收机和所述至少两个发射机的实际特性和假设特性之间的误差的比值；以及至少部分地基于所述经补偿的值来执行反演以获得地下图像，

其中所述反演采用前向模型，所述前向模型将地下地层属性关联于所述至少一个经补偿的值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经补偿的值补偿了包括传感器增益和相位变化的不准确性。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经补偿的值可由下式表达：其中i和k是接收机指标而j和m是发射机指标，其中V′_ij表示由接收机i接收的响应于发射机j的信号测量的振幅和相位的复数值，V′_km表示由接收机k接收的响应于发射机m的信号测量的振幅和相位的复数值，V′_im表示由接收机i接收的响应于发射机m的信号测量的振幅和相位的复数值，而V′_kj表示由接收机k接收的响应于发射机j的信号测量的振幅和相位的复数值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得数据进一步包括响应于附加的成对发射机从附加接收机获得数据。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据可表达为复数值以表示增益和相位。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收机包括如下至少一个：磁偶极子、电偶极子、空间间隔的电极。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像提供关于至少一个地层属性的信息，所述地层属性选自由如下各项构成的组：声速、衰减、地震反射率、和电磁阻率。

8.一种用于改善井间层析成像的图像质量的系统，所述系统包括：

存储反演模块的存储器单元；以及

耦合至所述存储器单元以执行所述反演模块的处理器，其中所述反演模块配置所述处理器以：

响应来自至少两个发射机的发射从至少两个接收机获得数据，其中所述接收机或发射机之一在井眼中；

基于所述发射机和所述接收机的响应推导出至少一个经补偿的值，所述响应被组合作为抵消所述接收机和所述发射机的实际特性和假设特性之间的误差的比值；以及

至少部分地基于所述经补偿的值来执行反演以获得地下图像，

其中所述反演采用前向模型，所述前向模型将地下地层属性关联于所述至少一个经补偿的值。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括网络，所述网络电耦合至所述处理器、至少两个发射机、和至少两个接收机，其中所述发射机中的至少一个或所述接收机中的一个位于所述井眼内。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述网络电耦合至至少一个传感器、至少一个发射机、和至少一个接收机。

11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述经补偿的值补偿了包括传感器增益和相位变化的不准确性。

12.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述经补偿的值由下式表达：其中i和k是接收机指标而j和m是发射机指标，其中V′_ij表示由接收机i接收的响应于发射机j的信号测量的振幅和相位的复数值，V′_km表示由接收机k接收的响应于发射机m的信号测量的振幅和相位的复数值，V′_im表示由接收机i接收的响应于发射机m的信号测量的振幅和相位的复数值，而V′_kj表示由接收机k接收的响应于发射机j的信号测量的振幅和相位的复数值。

13.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述反演模块进一步配置所述处理器以响应于附加的成对发射机从附加接收机获得数据。

14.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述数据可表达为复数值以表示增益和相位。

15.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述发射机和接收机被分布在两个或更多个井眼之间。

16.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述图像提供关于至少一个地层属性的信息，所述地层属性选自由如下各项构成的组：声速、衰减、地震反射率、和电磁阻率。

17.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述发射机和接收机各自耦合至天线，所述天线是选择由以下各项构成的组中的至少一个：线圈、螺线管、导线天线、电极、缝隙天线、和环面天线。