CN103917732B - 用于在地下地层中进行电磁测量的钻头 - Google Patents
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Abstract
公开的是一种用于地下地层的电磁传播电阻率测量的钻头。该钻头包括柄部和具有凸面的切削部。该钻头包括发射器元件和被设置在该凸面上的接收器元件。该发射器元件以至少一千兆赫的频率向地下地层中传播电磁波。该接收器元件在相对于发射器元件预定距离处被定位，该预定距离至少部分地基于所述电磁波的频率。
Description
技术领域
本发明总体涉及在地下地层中使用的测井工具，特别涉及使用钻头测量电磁传播电阻率的方法和设备。
背景技术
为便于在地层内钻井的过程，并提升所需地层流体的产品产量，油田服务业已经开发出了用于在钻井期间或其后的短时间内测量地层性质的工艺和工具，一种工艺被称为“随钻测井”(LWD)。整体化的随钻测井不仅能缩短井投入使用所需的时间，还能允许钻机操作员测量地层的性质。LWD工具和方法对多项参数例如地层电阻系数进行估算，以确定组成地层的矿物和/或流体的类型。总体上，测井工具和工艺涉及向地层中辐射能量(例如电磁波)，以感应来自地层的能量。感应到的能量特征显示地层的性质。钻井工艺中特定数值的性质是本说明书中出现的矿物和流体的特性、位置和相对比例。
为了在井壁钻成后尽快获得测量值，LWD工具将测量装置整合在井底组件中。迄今为止，LWD被附接到钻柱上，例如具体地配合位于钻头上方的钻铤。因此，被整合在这些LWD工具中的传感器通常会在钻头刚刚经过的深度探测地层的性质。本领域存在改进LWD工具的需求，使其能够在钻探和LWD工具经过某个深度之前探测地层的性质。
附图说明
部分地通过参考下文的说明和附图，可理解本发明的一些特定的示例性实施例。
图1示出一个具有示例性测井系统的井。
图2示出整合有本发明的多个方案的钻头的立体图。
图3示出图2中钻头的水平横截面。
图4示出整合有本发明的多个方案的钻头的立体图。
图5示出整合有本发明的多个方案的钻头的立体图。
图6示出整合有本发明的多个方案的钻头的立体图。
图7示出整合有本发明的多个方案的钻头的立体图。
图8示出整合有本发明的多个方案的钻头的立体图。
虽然本发明对实施例进行了图示和文字描述，并参照本发明的示例性实施例对其进行了限定，但此种参照并非意味着要限制本发明，且不应推断存在任何此种限制。本发明的主题在形式和功能上具有多种变换、变形和等效方式，其能够被本领域技术人员能够想到且均受益于本发明。本发明所图示和文字描述的实施例仅作为示例，而并非是穷尽本发明的范围。
具体实施方式
本发明总体涉及用于地下地层的测井工具，特别涉及使用钻头测量电磁传播电阻率的方法和设备。
本文详细描述了本发明的说明性实施例。为了清晰，本说明书并未描述实际实施方案的全部特征。当然应认识到，在这些实际实施例的任何开发中，必然能做出许多为实施所特定的选择以实现特定的实施目的，这些选择可从一个实施方案到另一个方案改变。并且应认识到，此种开发工作可能会复杂而耗时，然而其无论如何都是受益于本发明的本领域普通技术人员的惯常工作。
为了有助于更好地理解本发明，以下给出了多个特定实施例的实例。这些实例不应以任何方式理解为对本发明的限制或限定。本发明中的实施例可应用于任何种类的地下地层中的水平井、竖直井、斜井、或其它形式的非线性井。这些实施例可应用于注入井以及生产井，包括烃类井。
图1示出了地层100，其含有所需流体例如油或天然气的储层。为了提取此类流体，通常会利用钻井系统110在地层100中钻出井101。在图1所示的示例性钻井系统110，钻机111耦接到钻柱112，钻柱112再耦接到钻头113。如同在本文中所使用的，钻柱被限定为包括钻杆114、一个或多个钻铤115、和钻头113。本文中使用的术语“耦接”或“进行耦接”意指直接或间接连接中的任何一种连接。因此，如果第一装置“耦接”到第二装置，此连接可能是通过直接连接来实现的、或通过其它装置或连接器的间接连接来实现的。钻柱112可包括旋转可控系统(未示出)，该旋转可控系统从地面驱动钻头113的动作。钻头113的功能是逐步地切削地层，从而产生并延伸井101。随着井101的深度增加，钻机操作员向钻柱112增加另外的钻杆和/或钻铤节段，以使钻头113能够进一步深入地层100内。钻头113可在任何方向上被操纵，以使井101与流体储层接触。
根据本发明的一个方案，作为添加到钻井系统110的一部分，钻头113可作为LWD系统的一部分被包含在内。钻头113可以测量井101，包括测量地层的电磁传播电阻率性质、识别压裂、并识别和解析地质特征例如地床平面及其相对倾角和方位角。如下文将论述的，钻头113可使用被设置在钻头113的凸面上的接收器元件133a来测量井101。此外，如下文将论述的，钻头113还可允许产生围绕钻孔的电阻率的三维轮廓图，三维轮廓图可表现为图像形式，并用于输入复杂的地质和储层模型，或者作为复杂的三维解析程序中的数据。
整合有钻头113的LWD系统可包括处理器160，用以操作LWD系统或分析所测到的地层100的性质。虽然图1所示的处理器160处在地面位置，但处理器160可位于井101内，或者当钻井在水下进行时，处理器160可位于海床处或海床附近。例如，处理器160可位于钻头113内或钻柱112中。在其它实施例中，LWD系统可包括多个处理器，其中一个处理器与数据存储设备一同位于钻头113内。然而，如果处理器160位于井外，则数据存储单元161和电池162可被设置在钻头113内，从而为测量元件供电，供电及所测到的井下数据的存储将在下文论述。LWD系统还可使用井下电池162作为能源。
LWD系统还可包括遥测系统170，用以在地面、处理器160以及钻柱112之间传输数据，如图1所示。钻头113可与LWD遥测系统170通信，遥测系统170可从钻头113或数据存储单元161向处理器160传输数据。遥测系统170例如可使用无线遥测系统或声学遥测系统。例如，遥测系统170可包括诸如位于井下的天线171和接收器172这样的短距遥测系统。在一些实施例中，天线可耦接到钻头113或者数据存储单元161。遥测系统170还可包括遥测线173，用以将数据从接收器172传输到地面。可选地，遥测系统170可包括位于井下的遥测-接收器系统174。遥测-接收器系统174还可从天线171接收数据并将数据无线地传输至井101的外部。在一个变换的实施例中，遥测线可直接连接至钻头。借助有线连接的钻头113，数据存储元件和电池可从钻头113内被移除，这是因为可通过有线连接从地面供电。
钻头113可使用耦接到钻头113的至少一个传输元件将能量传输到地层100中，且可通过耦接到钻头113的至少一个接收器元件来接收反射/折射能量中的至少一种能量。本文中所使用的术语“地层”包括矿床和储层，以及矿床和储层中含有的流体。并且，本文中所使用的术语“能量”包括所有形式的电磁波，包括短脉冲和延长持续波形的电磁波。这些波可通过频率、速度和波长来描述。进一步地，某个波的一些特定特征的相对位置，例如波峰和波谷，也可通过相位来描述。通过向地层辐射能量，钻头113会从地层感应能量。这种感应到的能量会携带关于地层的性质信息。
图2示出一种示例性钻头200，其整合有发射器和接收器元件。图2所示的示例性钻头200可为聚晶金刚石复合片(PDC)钻头，如在本领域中公知的。为了清晰，钻头200被示为与钻柱断开。钻头200具有柄段210和切削段220。柄段210处在钻头200的上部且包括螺纹212，螺纹212用于将钻头200连接到钻柱中的钻铤。切削段220包括刀刃222，且每个刀刃222包括凸面224。
钻头200包括发射器元件230，发射器元件230耦接到柄段210。在本实施例中，发射器元件230包括环式天线；该环式天线围绕柄段210的外表面，使得环式天线与钻头200的竖直轴线240基本上同轴。在一些实施例中，环式天线可被设置在钻头200上的机加工槽中。环式天线可包括被电线缠绕的铁氧体环，铁氧体环在受到电流激发时向地下地层内传输能量。因为钻头(例如钻头200)通常由导电材料构成，所以环式天线可通过绝缘层与钻头的本体电绝缘，绝缘层由本领域中公知的多种绝缘材料中的任何一种构成。
图2利用从环式天线向外辐射的辐射线250，示出了通过钻头200传播的能量场。可见，能量场从环式天线沿所有方向大体相等地传播。为了更好地示出能量场，图3包括钻头200穿过环式天线的水平截面，并示出了环式天线230的大体一致的水平传播形式250。由图2和图3均可见，使用环式天线向地层中传播能量是有益的，这是因为环式天线大体上不存在相长/相消干涉的问题，而点式矩阵源会存在此问题。此外，通过环式天线传播的能量场可承受旋转，这意味着天线可沿其中心轴线旋转而不会明显改变能量场。如同后文将论述的，通过环式天线产生的大致均匀且可承受旋转的能量场能够更大程度地控制方向分量，这些方向分量是通过多个接收器元件在能量场中的方向来测量到的。
转到图2，钻头113包括接收器元件260、270，这些接收器元件耦接到刀刃222的凸面224。图2中的接收器元件260、270包括杆式天线。类似于环式天线，杆式天线可包括电线缠绕的铁氧体材料。每个接收器元件可相对于发射器元件230和其它接收器元件按照多个定向来放置。例如，多个接收器元件270可被首尾相连地放置，使得它们共处一个平面，且处在与发射器元件230所在平面大致垂直的角度。另一方面，接收器元件260对发射器元件230偏斜一个小于直角的角度，且这些接收器元件彼此分开，使得它们位于不同的、相互平行的平面上。其它方式的定向也是可行的。例如在图4中，钻头400上的接收器元件410包括两个杆式天线，这两个杆式天线叠置以形成交叉，其中一个杆式天线被放置在大致垂直于发射器元件430所在平面的平面上，而另一个杆式天线被放置在大致平行于发射器元件430所在平面的平面上。相比之下，接收器元件420包括三个杆式天线，这三个杆式天线全部叠置且以不同角度偏转。
图5示出了整合有本发明的多个方案的另一个示例性钻头500。然而不同于图2和图4中的接收器元件，接收器元件510、520包括环式天线。环式天线包括接收器元件510，接收器元件510被示出耦接到凸面512的外表面并与凸面512的外表面齐平。相比之下，包括接收器元件520的环式天线被插入凸面522中的机加工槽内，使得环式天线被设置在凸面522内(凸面522处在大致平行于发射器元件530所在平面的平面中)。在其它实施例中，在钻头500的每个凸面中可使用数目多于两个或少于两个的环式天线。此外，在一些实施例中，钻头的每个凸面可包括多个定向相同或相近的接收器元件，以取代图2、图4及图5中所示的不同定向。
钻头上的接收器元件的定向包括到发射器元件的距离、接收器元件相对于发射器元件的角度、以及接收器元件之间的距离，至少部分地控制钻头所取得的测量值的特征。发射器元件和接收器元件之间的距离以及发射器元件所激发的能量场的频率决定了传感器的探测深度。大致上，发射器和接收器相隔越远，系统在地层中就测量得越深。钻头所测到的能量场的方向分量受到接收器元件相对于发射器元件的角度的影响，且尤其受到发射器元件所产生的能量场的影响。杆式天线、例如用于接收器元件260、270的那些杆式天线具有沿杆式天线的末端所指的方向强度最大的传播形式。因此，通过使杆式天线相对于发射器天线成角度，可以选择能量场的特定方向分量进行测量。此外，接收器元件之间的距离影响测量值的分辨率，这是因为接收器元件之间越近，接收器元件能够检测到的能量场变化就越小。
图6示出一示例性实施例，其中发射器元件和接收器元件之间的距离减小，以测量特定类型的电阻率(电介质测量)，其中需要千兆赫量级的特高频信号。在变换实施例中，可使用兆赫量级的高频信号。而在其它实施例中，信号(频率)介于一兆赫和一千兆赫之间，例如五十兆赫、一百兆赫或五百兆赫。图6中的钻头600是具有柄部610和切削部620的牙轮钻头。类似于图2、图4和图5中的钻头，钻头600包括从钻头向外凸出的凸面622。同样类似于图2、图4和图5中的钻头，牙轮钻头600包括柄段610上的螺纹612。然而，取代将发射器元件耦接到柄610的方式，钻头600包括处在凸面622上的空腔624，空腔624包括发射器元件640和接收器元件650两者。在所示实施例中，发射器和接收器元件可均为环式天线，且在空腔624中绑扎在一起或至少部分地叠置。例如，发射器和接收器元件可包括缠绕在相同的铁氧体芯上的多个独立线圈。在其它实施例中，发射器和接收器元件可为环式天线和杆式天线的某些结合。空腔624即可以部分地通过钻头600的凸面622暴露，也可被完全地设置在钻头600之内。虽然当前的结构被示为处在牙轮钻头上，但此实施例可以毫无阻碍地应用到如图2、图4和图5所示的PDC钻头。同样，图2、图4和图5中的发射器元件和接收器元件的实施例可以毫无阻碍地应用到牙轮钻头，例如图6所示的钻头。
图8示出另一个用于电介质测量的示例性实施例。钻头800可包括PDC钻头，其具有被设置在凸面812和822上的发射器/接收器的结合。在其它实施例中，钻头800的每个凸面可包括用于电介质测量的发射器/接收器的结合。例如，环式天线802可包括缠绕在单个铁氧体芯上的多个独立电线。一个电线可包括以至少一兆赫、或者在其它实施例中以一千兆赫的频率向地层发射能量的发射器。其它电线可包括从地层接收反射能量的接收器。在一个变换实施例中，发射器804和接收器806可包括独立的杆式天线，且两者均被设置在凸面822上。发射器804和接收器806可位于平行的平面中，其横向距离部分地根据发射器804所产生的能量频率来确定。
如前所述，整合有本发明的多个方案的钻头可作为LWD系统的一部分。同样如前所述，LWD系统可将从钻头接收的数据传输到位于地面的处理器和存储器。在其它实施例中，电子器件可被整合至钻头内，以使钻头能够成为独立部件。例如，处理器、电池和存储元件可被整合至钻头内。因此，钻头还可收集数据并在内部存储数据，以在钻头从井眼内被收回时收集这些数据。在其它实施例中，钻头可经由电线连接至LWD系统，从而向钻头中的发射器和接收器元件提供电能，并且提供为测定地下地层所需的处理和存储能力。
处理器和存储系统无论是包括在钻头内或者远程式地处在LWD系统中，均可用于追踪天线在井孔中的位置。例如，处理器可识别井孔中每个接收器天线的角度位置。图7示出了钻头700的横截面，包括设置在地层750内的井眼710中的多个接收器元件702。每个接收器元件可沿箭头704所指的方向接收来自地层的能量。通过追踪井孔中接收器天线的位置(包括深度和角度)，处理器能够将接收器天线取得的定向测量值组合成为三维电阻率分布图。该三维电阻率分布图可随后以图形形式来表示，并用于输入复杂的地理和储层模型，或作为数据输入复杂的三维分析程序。一旦生成，储层模型就能够用于地质导向和地质停止操作。例如，如果图1中的钻头113测量地层电阻率并生成了储层模型，钻井操作员就能够使用该模型来确定如何操纵钻头到所需地层，以及一旦到达所需位置，何时停止钻头。在一些实施例中，该模型可以实时生成，从而使操纵决定能够立即做出而不需要撤出钻柱或者穿过所需位置以借助现有的位于钻柱上的LWD系统来进行读取。
因此，本发明良好地实现本文所述的以及本发明所固有的目的和优点。所公开的具体实施例仅是说明性的，这是因为得益于本文教导的本领域技术人员对本发明做出诸多虽有差别却实质等同的改变和应用。此外，除了权利要求所述内容之外，不应对本文所示的结构和设计的细节施加其它限制。因此，显然可对以上所公开的具体示例性实施例进行变化和改变，并且这类变例均处于本申请公开的精神和范围内。另外，若非专利权人另作清晰而明确的定义，权利要求中的术语具有其通常而确定的含义。权利要求中使用的不定冠词“一”在本申请中意指其所涉及的元件为一个或多个，而非一个。
Claims (13)
1.一种用于地下地层的电磁传播电阻率测量的设备，包括：
钻头，其中，所述钻头包括具有至少一个凸面的切削部；
发射器元件，耦接到所述至少一个凸面；
第一接收器元件，耦接到所述至少一个凸面，其中，所述发射器元件和所述第一接收器元件至少部分地叠置，并且其中，所述发射器元件和所述第一接收器元件包括缠绕在相同的铁氧体芯上的独立的线圈；以及
第二接收器元件，耦接到所述至少一个凸面，其中，所述第二接收器元件包括多个叠置的杆式天线。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述发射器元件以至少一兆赫的频率向所述地下地层中辐射能量。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述发射器元件包括环式天线。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述第一接收器元件包括环式天线。
5.如权利要求1所述的设备，还包括被设置在所述钻头内的至少一个数据处理或者数据存储元件。
6.如权利要求1所述的设备，还包括被设置在所述钻头的每个凸面上的第二发射器元件，其中所述第二发射器元件包括杆式天线。
7.一种用于地下地层的电磁传播电阻率测量的设备，包括：
钻头；
发射器元件，耦接到所述钻头的凸面，其中，所述发射器元件以至少一兆赫的频率向所述地下地层内传播电磁波；以及
第一接收器元件，耦接到所述凸面，其中，所述第一接收器元件在距所述发射器元件预定距离处被定向，其中，所述预定距离至少部分地基于所述电磁波的频率，并且其中，所述发射器元件和所述第一接收器元件包括缠绕在相同的铁氧体芯上的独立的线圈；以及
第二接收器元件，耦接到所述至少一个凸面，其中，所述第二接收器元件包括多个叠置的杆式天线。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述发射器元件包括环式天线。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述第一接收器元件包括环式天线。
10.如权利要求7所述的设备，还包括被设置在所述钻头内的至少一个数据处理或数据存储元件。
11.如权利要求7所述的设备，还包括被设置在所述钻头的每个凸面上的至少一个接收器元件和至少一个发射器元件。
12.一种用于地下地层的电磁传播电阻率测量的方法，包括：
将钻头放置在地下地层中；
从耦接到所述钻头的凸面的发射器辐射第一电磁能量，其中，所述第一电磁能量包括至少一兆赫的频率；
在耦接到所述凸面的第一接收器处接收第二电磁能量，其中，所述发射器元件和所述第一接收器元件包括缠绕在相同的铁氧体芯上的独立的线圈；
在耦接到所述凸面的第二接收器处接收第三电磁能量，其中，所述第二接收器元件包括多个叠置的杆式天线；以及
测量所述第二电磁能量的由所述第一接收器相对于所述发射器的角度所确定的方向分量。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述发射器和所述第一接收器包括环式天线。
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