CN103946481A - 采用光学计算元件指导钻井作业 - Google Patents

Abstract

各个实施例包括在井中操作向下钻进的工具的设备和方法，其中该工具具有光学计算元件确定井下结构的不同特性。这样的光学计算元件可以被构造为提供与钻井操作有关的井下环境的流体和材料成分的光学。来自所述光学计算元件的测量数据可以在地质导向中使用。还公开了其它的设备、系统和方法。

Description

采用光学计算元件指导钻井作业

技术领域

本发明一般涉及用于进行与石油和天然气勘探相关的测量的设备。

背景技术

在石油和天然气勘探的钻井中，对相关的地质构造的结构和特性的理解提供信息以有助于这种勘探。由于大多数产油层在水平面上延伸，在含油区(“产油层”)中井的最优布置通常需要具有斜井或水平井轨迹的地质导向。地质导向是一种目的性控制以调节钻井方向。基于布井中地质导向的现有方法包括：交切(intersecting)和定位产油层，随后将钻柱移动到更高的位置并且开始钻一条新的从顶部通向目标区的分支。该第一种方法耗时，其中需要停止钻井，并且用于分支的设备需要深入到井下。另一基于布井中地质导向的现有方法包括：交切和定位产油层，随后继续钻井以从底部接近井。该第二种方法会导致超出所需目标区的井眼轨迹，并且仅当井眼在交切点处高度偏离的情况在有效。

附图说明

图1示出根据各个实施例的、示例设备的框图，该示例设备具有用于在井中向下钻进的操作的光学计算元件；

图2示出根据各个实施例的、采用光学计算元件确定钻孔的特性的示例方法的特征；

图3示出根据各个实施例的、在钻井操作中采用光学计算元件的示例方法的特征；

图4示出根据各个实施例的、在钻井操作中采用可操作的光学计算元件的示例系统；

图5示出根据各个实施例的图4的示例系统，其中探测设备物理地布置在壳体(housing)上以接触井壁；

图6示出根据各个实施例的具有窗口的示例随钻测井仪(logging whiledrilling)，其中光能够通过该窗口在井壁上被反射；

图7示出根据各个实施例的涉及图6描绘的、与工具相关的操作在两个不同时间处的信号记录，其中该工具随着其旋转同时在钻井方向上移动；

图8示出根据各个实施例的光学计算元件的示例布置的框图，该光学计算元件检测在钻井操作中流进和流出钻头的钻井液；

图9示出根据各个实施例的示例方法的特征，该方法包括在地质导向过程中采用来自光学计算元件的数据和其它的数据；

图10描绘根据各个实施例的示例系统的特征的框图，该系统包含具有光学计算元件的工具；

图11描绘根据各个实施例的在钻井工地的示例系统，其中该系统包含具有光学计算元件的工具。

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。

在各个实施例中，可以布置光学计算元件在井下环境中运行以提供与钻井操作有关的井下环境的流体和材料成份的光学分析。光学计算元件的一个示例是多元光学元件(multivariate optical element，MOE)。布置在装置中或系统中与其他元件一起提供可操作功能的光学计算元件可以称为集成的计算元件。可以在Myrick、Soyami、Schiza、Farr、Haibach、Greer、Li和Priore所著的“简化近红外样本点测量的多元光学计算的应用(Application ofmultivariate optical computing to simple near-infrared sample pointmeasurements)”(Proceedings of SPIE vol.4574(2002))中找到MOE操作原理的示例。来自光源的光能够穿过样品或被样品反射，并且部分地被包括干涉滤光片的MOE传送和发射。透射光的光谱与反射光的光谱之间的差值是S(λ)L(λ)，其中S(λ)是来自样品的光的光谱，L(λ)是MOE被设计以提供的光谱特性。由于探测器测量强度，测量的差值是S(λ)L(λ)dλ对系统的带宽的积分。当选择MOE的光谱特性L(λ)提供特定物质的测量时，系统的输出提供该物质的浓度的相对量度。可以采用多个MOE测量不同的物质。可以在美国专利申请US7,911,605中找到用于光学分析系统的MOE的示例。另外，可以在美国专利公开2010/0153048中找到MOE设计的一个方法，该方法包括用于非线性校正的技术。

MOE是可以被视作模拟计算机的光学计算元件，其采用光仅执行一种计算。MOE可被设置使得其进行加、减、乘和除。注意，加、减、乘和除是可以用于执行被称为回归的操作。回归通常是提取信息的反演过程，该信息是来自更广形式的数据的特定数据。当光(电磁辐射)与物质相互作用时，无论该物质具有什么形式，为该光学活性的物质的该物质的化学特性和物理特性有效地将自身编码入该光中。实质上，MOE能够被设计成具有回归向量的光处理器，以提取与光相互作用的物质的相关数据。

能够以与滤光器的结构类似的方式构造在光域中执行计算的MOE。滤光器能够被构造为干涉滤波器、吸收滤波器、全息滤波器或其它形式的电磁辐射的滤波器。通常将滤光器设计成通过或排斥特定波段的光，其中波段一般是光的连续子集。例如，滤光器可以由高斯滤波器、截止滤波器、宽带滤波器或其它类型的滤波器来实现，这些滤波器就光的频率(波长)的一个或多个连续范围而被构造，使得滤波器传送或排斥与这些频率有关的光。滤光器通常具有特定的透过特性使得其从一些频率中透过或拒绝一定数量的光，该特定的透过特性被称为带宽。这些滤波器的输出是所选频率的光，该光的整体强度能够被探测。但是与滤波器不同，MOE能够提供比所通过的光的整体强度更多的可提取的数据。

采用滤光器结构技术，回归向量能够被编码到形成MOE的滤波器中。被编码的回归向量采用光的干涉特性。光能够与其自身发生干涉，提供正干涉或负干涉。该正干涉和负干涉允许关于光本身的数学计算。由于回归向量被编码到滤光器，随着光穿过该编码后的滤光器，执行计算。从滤波器的传统意义上来说，以这样结构编码后的滤波器不再是滤波器。另外，通过将图像识别或点积(dot product)回归向量编码到形成MOE的滤波器，能够以比MOE的带宽高的多的分辨率将信息从光流提取到MOE。由于材料的透射和吸收特性通常依赖于波长，光学计算元件能够可以相对于其他光学元件而被布置，该其他光学元件将所选择的波长范围中的光提供到光学计算元件。

在各个实施例中，布置诸如MOE等的光学计算元件以操作井中的井下操作。被构造成钻井工具的一部分的光学计算元件可以用于各种应用，包括但不限于，与井眼有关的物理和/或化学信息的提取、与井眼中流体有关的物理和/或化学信息的提取、提取的信息在监控钻井操作安全的应用，以及提取的信息在钻井操作中引导钻头的应用。为了收集关于井眼的信息，与井眼交互作用的光能够穿过光学计算元件，该光学计算元件被设计成检测所研究的井眼的特性。随着光与光学计算元件交互作用，该光学计算元件对该光进行数学操作。来自光学计算元件的输出可以被传递到光探测器。来自光探测器的信号输出具体涉及由编码后的光学计算元件做出的询问的答案。例如，从光探测器输出的信号可以具体涉及井眼特性的估计或井眼中流体的特性的估计。特性包括但不限于井眼或流体的分析物的浓度。探测器的输出可以与正被研究的特性成正比。诸如探测器的略微非线性或系统的校正可能不是完美的线性等因素导致输出会与正比不同。例如，如果略微的非线性校正被编码到MOE，则输出的光也可能会略微非线性。由于这些变化，从探测器输出的信号是所研究的特性的估计。但是输出的信号可以与所研究的特性直接相关。

在其他特性之中，所研究的特性可以包括，井眼的成分、流体成分、在与井眼表面接触处的流体成分或井眼的孔隙度。所研究的特性可以包括与钻井操作有关的不同材料的相对浓度。例如，当检测储层段(reservoir section)时，光学计算元件能够提供与诸如该段中的沙子、碳酸盐和粘土等材料的相对浓度有关的数据。该数据能够提供与该储层段的质量有关的信息，其中该质量是基于该段中存在的材料。可以对于诸如油和水等流体做出质量分析。另外，由光学计算元件提供的数据可以用于引导钻井操作远离水区朝向油区。

图1示出具有光学计算元件105的设备100的实施例的框图。光能够被引导至光计算元件105，光计算元件105被设置使得部分光穿过光计算元件105到达探测器107，部分光从光计算元件105被反射引导至探测器109。被引导至光学计算元件105的光可以是所研究的材料的交互作用的结果。该交互作用可以由该材料透射的光、该材料反射的光、该材料发出的光或该材料散射的光来实现。对于材料的透射和反射，光能够由设备100中包括的光源被提供至该材料。设备100还可以包括诸如滤波器和分束器等的其它光学元件以将光提供至光学计算元件105，该光学计算元件105可以被限于与所研究的材料相关的波长范围。

图2示出采用光学计算元件确定钻孔中特性的方法的实施例的特征。在210处，将来自井壁的光引导至光学计算元件。探测光可以在井壁处被引导，使得来自井壁的探测信号的重新定向将从井壁引导来的光提供到光学计算元件。探测光可以采用探测装置而产生，这样探测装置物理接触井壁，其中探测光从探测装置传递到井壁。可以采用该探测装置从井壁刮掉材料。刮掉的材料可以包括一些在井壁上自然聚集的滤饼。去除这样的材料为将光从光探头和井眼的界面反射提供了一种途径。这个过程产生与该界面有关的数据。在各个实施例中，蓝宝石、亚硫酸锌、金刚石或碳化硅能够用作光探测装置的材料。这些是硬材料，其不但能够充当通向井眼的光通路还能够作为去除滤饼的方法。这些材料的使用可以与光源的选择相关，使得对于所选择的用于探测装置的材料在一定的光学区中波长是光学透明的。探测光还能够通过将探测光从光源(设置在包含光计算元件的工具中)通过流体传送到井壁而产生。

在一个实施例中，用于在包含光计算设备的工具与井眼之间传播探测光的光通路可以采用钻井液而形成。向下流到钻柱中心的钻井液的一部分可以在靠近工具的位置处被堵住，从而使得被堵住的那部分钻井液在工具与井壁之间流动。被堵住的钻井液提供通路，光能够通过该通路在井壁和工具之间传播的通路。由于在钻井操作中，在其流动型态那部分中的钻井液已经被提供为基本上不含固体，因此钻井液提供了基本上不含固体的相对透明的介质。这样形成的通路允许探头不接触井壁而检测井壁。

在220处，对响应于光学计算元件接收的来自井壁的光而从光学计算元件输出的光进行分析。在230处，通过分析从光学计算元件输出的光确定与井壁相关联的特性。基于所确定的特性，可以产生信号以引导钻井操作。产生信号引导钻井操作可以包括地质导向(geosteering)钻井操作。地质导向钻井操作可以包括将钻孔保持在储层油层中。产生信号引导钻井操作可以包括产生监控信号以提供关于钻井的安全条件的预先警示。

与井壁相关联的特性的确定可以包括确定井壁的孔隙度、井壁的组分或对应于井壁的地层流体测量中的一个或多个。另外，与井壁相关联的特性的值可以通过其上设置有光学计算元件的工具沿钻孔的长度移动而确定。从这些值可以产生井壁的二维地图。另外，可以通过相对于在被引导至光学计算元件的光中的一频率(在该频率处钻井液是透明的)的光来分析从光学计算元件输出的光，而监控来自钻井动作的钻井液中的污染物。

图3示出在钻井操作中采用光学计算元件的示例方法的实施例的特征。在310处，一个或多个光学计算元件用于确定钻井操作的钻柱中的钻井液的光学特性。在一个实施例中，仅一个光学计算元件用于确定钻井操作的钻柱中的钻井液的光学特性。在320处，一个或多个光学计算元件用于确定钻柱的环空(annulus)中的流体的特性。环空是两个物体之间的间隔，诸如井眼与套管(其中套管是设置在井眼中的管子)之间、套管与管道之间或钻柱与井壁之间等。

在330处，监控钻井液的光学特性与环空中流体的光学特性之间的差异。该方法包括测量由在钻井操作中钻头位置处的钻井而导致的泄入地层中的流体。基于对钻井液的光学特性与环空中流体的光学特性之间的差异的监控，可以确定与环空中流体相关的特性。可以基于所确定的特性产生信号以引导钻井操作。产生信号引导钻井操作可以包括地质导向钻井操作，或者产生监控信号以提供关于钻井的安全条件的预先警示。

图4示出示例系统400的实施例的框图，该示例系统400采用在钻井操作中可操作的光学计算元件405。光学计算元件405设置在壳体401中，其中壳体401可附接于钻柱。当壳体401安装在钻柱上时，可以布置壳体401中的窗口402以接收来自壳体401外部的光，使得光从钻柱外部的区域被引导至光学计算元件405。分析单元420可以被构造基于响应于光学计算元件405从钻柱的外部接收的光而从光学计算元件405的输出来提供信号，其中从分析单元420提供该信号以基于从光学计算元件405的输出而确定的区域特性引导钻井操作。系统400还可以包括产生光的光源415，该光从壳体的外部被反射，使得所反射的光提供被引导至光学计算元件405的接收的光。系统还可以包括额外的窗口403，该窗口403被构造使得由光源415(光源415设置在壳体401中)产生的光离开壳体401以被壳体401的外部反射。

窗口402和窗口403可以由用于光学计算元件405的操作所需的波长处透明的材料构成。为窗口402和窗口403选择的材料可以是诸如蓝宝石等的硬材料。用于向下钻进的具有硬度特性的其它透明材料可以包括碳化硅或者其它为所选择的应用提供光学透明度的硬材料。

系统400可以包括相对于光计算元件405而布置的光探测器408，以探测从光学计算元件405被引导至各个光探测器的光。光探测器408可以布置为与分析单元420耦接，以将信号提供至分析单元420。分析单元420可以被构造为基于该信号确定钻井操作的钻柱中的钻井液与钻柱的环空中的流体之间的差异。系统400还可以包括光学元件411以将光从光学计算元件405引导至光探测器408。光学元件411可以包括一个或多个诸如透镜、滤波器或分束器等的光学构件。系统400还可以包括光学元件413以将光从光学计算元件405引导至窗口402。光学元件413可以包括一个或多个诸如透镜、滤波器或分束器等的光学构件。

图5示出构造有探测装置515的系统400，探测装置515物理地布置在壳体401上以接触井壁的探测装置515。由于探测装置515物理地布置在壳体401上以接触井壁，探测装置515可以被构造为产生探测光，使得该从探测装置515传递到井壁的探测光提供被朝向光学计算元件405引导的、从壳体401的外部接收的光。探测装置515可以被构造为通路，以将光从由壳体401向外的光源415传输。探测装置515可以被构造成可操作地从井壁刮掉材料。蓝宝石、亚硫酸锌、金刚石或碳化硅可以用作探测装置515的材料。这些硬材料不但可以用作通向井壁的光通路还可以用作从井壁去除滤饼的结构。这些材料的使用可以与光源的选择相关，使得对于所选择的探测装置515的材料，在一定的光学区域中波长是光学透明的。

探测装置515可以采用牢固地压在井壁上的钻垫(pad)来实现。采用钻垫，流体能够从地层被提取到井眼，这样清理了滤饼并且提供了到地层的清洁的流体通道。清洁的流体通道提供光通路，以将光从光源415引导至井壁。流体可以是油、水、气或其组合物。光通路的质量依赖于采用钻垫提取的流体的类型。另一种选择，除了从地层提取流体以提供光通路之外，钻垫可以与设计的光学透明流体齐平。为了有效地将材料从井壁刮掉，探测装置515还可以由将类似通气管(snorkel)的装置按压一寸左右到井眼上来实现。按压动作可以由在通气管上施加大约10,000至20,000磅/平方英寸(psi)的液压将通气管按压到井眼来实施。

在各个实施例中，可以在地质导向应用中使用诸如多元光学元件的光学计算元件。当集成入随钻测井仪(LWD)中时，MOE可以提供井壁成分的测量，包括边界、裂缝和地层流量测量。可以将这些测量转换成井壁地图以使钻井者能够想象井下环境。来自处理MOE数据的信息可以与其他信息结合以决定向哪个方向导向钻孔。这种其他信息可以包括与钻井操作有关的信息，其包括来自远离钻井位置(基于MOE的工具分布在其附近)的数据。由于来自基于MOE的工具的数据从非常接近的区域收集，这种其他信息实质上提供钻井操作的较大图像。另外，来自处理MOE数据的信息可以被集成入电子控制系统中以自动引导钻井操作，使得钻井者的活动被引导，以与钻井操作的总体规则一起监控地质导向。

图6示出示例随钻测井仪600的实施例的框图，该随钻测井仪600具有窗口602，通过窗口602光能够被井壁604反射。钻井工具600可以位于钻头626后面的耐压壳中。如图6所示，钻头626在L⁺方向上正被定向至层面606。可以定位窗口602以最小化钻孔流体的影响。例如，可以将窗口602定位在稳定器刀片(stabilizer blade)上或者钻井工具600的主体的其他突出物上。窗口602可以是嵌入物，这样可以保护窗口602不磨损。还可以通过其他形式的保护结构来保护窗口602不磨损。这样的保护结构可以与窗口602嵌入一起使用或不与窗口602嵌入一起使用。窗口602可以非常小，例如是光纤末端的尺寸。井壁604的照度可以通过窗口602或分开的窗口提供。随着钻井的进展，窗口602的通道沿井壁604描绘(trace)紧螺旋，使得工具测量能够提供图7中示出的井壁特性的二维地图。

图7示出涉及图6描绘的与工具600相关的操作在两个不同时间的信号记录，该工具600随其旋转同时在L⁺方向上移动。来自窗口602的监控信号721提供在时间t1时的图案，而来自窗口602的监控信号723提供稍后时间t2时的图案。可以看出，图案是从以一角度突起于层面606(在721中显示)到完全在层面内(在721中显示)而演化。

来自使用诸如MOE等的光学计算元件的工具的数据能够用于确定和显示钻井操作是在目标区中。来自工具的数据的继续处理可以用于钻井操作保持在特定目标区(可以是含油地层)中。如果进入的区域不是目标区，来自工具的数据可以用作在当前方向继续侧面钻井一段时间直到到达目标区，或者来自工具的数据可以用作改变钻井的方向。根据工具数据，钻井方向可以被改变为穿过地区中的软壳前进，而不是穿过附近的砂岩(sandstone)前进。另外，采用该工具的导向不必仅为在储层区中嗅探和停留，而是可以用作确定该工具设置于其中的特别的岩性带。

从井壁反射的光可以由诸如MOE等的一个或多个光学计算元件处理以测量各种地层特性。例如，由光学计算元件对反射的光的处理可以提供碳氢化合物分子和岩石成分的含量的测量。通过使用光学计算元件处理产生的井壁地图可以提供钻孔穿透的储层和边界的显示。观察该地图的操作者可以做出导向决定，诸如例如决定将钻孔保持在储层油层中等。这些决定可以包括导向远离区域的决定。作为另一种选择，可以将处理的结果自动地提供至自动系统的分析单元以确定参数，采用该参数引导钻井操作。自动系统可以包括一个或多个处理器、存储系统，和将结果与存储的表现产油层特性的信息比较的逻辑装置。存储的信息可以包括要避免的区域的特性。地质导向分析可以包括估计所处理的光中的变化的迭代处理，该变化是关于所处理的光与所存储的信息的比较。这些变化的估计为做出地质导向调整提供依据。

来自光学计算元件的测量信息可以与相关的工具位置和定向信息一起被传达到地面处理设备，并可以被分析并且呈现给操作者在导向钻孔中使用。作为另一种选择，井下电子器件可以被构造为分析来自光学计算元件的测量的数据与其他信息以自动地导向钻孔。

具有诸如MOE等光学计算元件的、用于测量井壁的特性的工具可以被构造为具有采用光基本上看穿钻井孔流体的能力，该光的辐射能量对于冲击井壁的钻井液是透明的。光学计算元件还可以被构造为具有监控钻井液中的污染物的能力。可以布置这样的装置以差分技术(differential technique)运行或者以直接测量环空中的流体而运行。差分技术，例如，可以包括监控钻柱中钻井液的光学特性与钻孔环空中的钻井液的光学特性之间的差异。一个或多个诸如MOE等光学计算元件的布置允许测量在钻头处经由钻井动作泄漏到地层中的流体。在监控流体特性的差分配置中，单个的光学计算元件可以用作监控“淡水钻井液(fresh drilling fluid)”和环空流体，取消了大量常用模式的转换。

在钻井操作中，地层流体会干扰钻头附近的钻井液。在钻头附近，钻井操作的材料可以包括钻井液，该钻井液具有一小部分流入到井眼的地层流体和钻井液。检测该相对少量的地层流体的流入的方法包括减去钻井液自身的效果。在微量成分(trace constituent)通过钻井动作加入到钻井液之前，钻井液自身基本上是流过离钻头不远处的环形管的材料。可以通过检测流过管内部的流体获得没有该微量成分的钻井液的标示。这样，对于在管内部流动的流体与在管的外部具有来自地层的微量成分的流体的比较检测提供差分测量。对钻柱内部与钻柱外部之间进行流体差分确定来生成具有提高的分辨率的地层流体的测量(微量成分)。分辨率提高是因为大部分对内部和外部相同的测量被从测量中除掉。可以采用一个或多个光学计算元件进行差分测量。

图8示出光学计算元件805的布置，该光学计算元件805检测在钻井操作中流入和流出钻头826的钻井液。光学计算元件805可以布置在具有井壁804的井眼中靠近钻头826的钻柱829上。光源815提供朝向流向钻头826的钻井液而被引导出窗口802-2的光。流向钻头826的钻井液可以在钻柱829中流动。光源815还可以提供朝向从钻头826流回的钻井液而被引导出窗口802-1的光，该钻井液包括来自地层的组分819。作为另一种选择，可以使用两种光源。在两个方向上流动的流体之间的差别基本上是组分819。在两个方向之间关于测量信号的差异操作可以消除形成每个单独测量的主导部分的公共因子。与直接将组分819确定为从钻头826流走的流体的一部分的测量相比，这种差异操作可以以更高的分辨率提供与组分有关的数据。

被流向钻头826的钻井液反射的光在窗口802-2中被接收。作为另一种选择，窗口802-2可以被布置为两个窗口，一个传送来自光源815的光，另一个接收被流向钻头826的钻井液反射的光。被从钻头826流走的钻井液反射的光在窗口802-1中被接收。窗口802-1可以被布置为两个窗口，一个传送来自光源815的光，另一个接收被从钻头826流走的钻井液反射的光。在窗口802-1中接收的光和在窗口802-2中接收的光被引导至光学计算元件。

光学计算元件805可以布置有4个探测器808-1、808-2、808-3和808-4，其分别关于信号D1、D2、D3和D4而被参考。额外的光学元件可以用于将合适的光引导并且提供至光学计算元件805和探测器808-1、808-2、808-3和808-4。这些额外的光学元件可以包括透镜、滤波器和分束器(为了易于介绍光学计算元件805的布局而未示出)。信号D1和D3被光学计算元件805反射至它们各自的探测器808-1和808-3，并且信号D2和D4穿过光学计算元件805被传输至它们各自的探测器808-2和808-4。透射的信号和反射的信号之间的差异与添加物的浓度直接相关。各自特性的比率可以被形成为(k₁D₁-k₂D₂)/(k₃D₃-k₄D₄)，其中k₁、k₂、k₃和k₄是拟合常数(fitting constant)。

尽管可以通过采用在地面处做出的流体测量来监控在地面处的流体含量中的差异，但是在井下提供这种服务使可增强可操作性。例如，与地面测量相比，采用在井下MOE布置可以立即无延迟地做出导向决定。地面测量的延迟包括岩屑(cuttings)和流体从钻头到达地面的传送时间，其中这样的传送时间通常是1/2小时至1小时。

采用布置一个或多个MOE进行井下测量，可以监控从地层流出的流体的各种混合物。例如，MOE布置可以用于监控甲烷，其是石油的最轻的组成物之一，并且很可能侵入井眼。通过探测甲烷，可以将钻头向更高甲烷含量处导向。

对于混合物的监控不限于甲烷。基于MOE的监控的混合物包括丙烷、轻质烃和其它与特定的钻井操作有关的混合物。根据井下MOE装置的输出的分析的导向可以基于一种分布而不是仅基于单个元件而做出。例如，如果基于MOE的监控表明甲烷比丁烷的比例增加，这种增加可以表示钻井正朝向气顶进行，这是由于甲烷的比例相对于丁烷含量的增加表示区域富有气体组分。对于石油钻井的导向，这样的指示可以用作将导向后退，从这种富含气的区域出来回到基于石油的储层地段。可以进行导向操作保持轻质烃组分的分布以恰当地布井，该轻质烃组分是诸如但不限于甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、巳烷等。这样的钻井操作的导向采用来自井下MOE布置的化学信息，该井下MOE布置检测钻井滤液自身的组分。

与借助地面运行的流体记录在地面处监控流体相比，采用井下MOE提供了更靠近钻头而设置的传感器。在地面处，随着流体沿钻柱向上移动到地面，引到地面的泥浆的组分已相对于管横向散开。泥浆是可以包括来自钻井操作的固体和其它组分的钻井液。因此，更靠近钻头设置的井下MOE传感器布置与地面运行的流体记录相对比，提供了测量，在该测量中由于该传感器更靠近钻头而设置，被检测的钻井液经历了较少的横向扩散。此外，向上钻孔中泥浆的特性仅是井下流体的代表，而井下的泥浆可以在钻头之前和钻头之后被直接监控，因此提供更精细分辨率的差异。由于更少的横向扩散，可以以更精细的分辨率更好地识别潜在的产油层。

采用诸如MOE布置的光学计算元件的布置，向下钻进允许水油接触点的更好的标记。因为甲烷比碳氢化合物可在水中的溶解少的多，而甲烷能够被靠近其井下位置的光学计算元件探测，因此提供了这种增强的操作。另外，井下的光学计算元件能够在某一组分到达地面之前监控其快速增长。例如，井下的光学计算元件可以监控诸如H₂S或甲烷等化合物，对它们的识别可以允许在“井喷或井涌”发生之前使其缓解。井涌是在钻井过程中地层流体流动到井眼中。井喷是储层流体不受控制地流向井眼，并且有时对地面是毁灭。井喷可以由盐水、油、气或其组合物组成。如果发生井涌或井喷，井下的光学计算元件可以被构造使得控制系统和/或钻井者接收井喷或井涌的预先警告。

诸如井下基于MOE的测量布置等采用光学计算元件的测量布置可以被构造为监控诸如甲烷、乙烷、CO₂、H₂S或其它挥发性组分等的化合物。由于其能就这些挥发性化合物的存在产生早期的警示，这种监控提供了安全的途径。通常H₂S在腐蚀性泥浆中反应的方法使得基于在地面处对泥浆的分析，不易明显看出钻井已穿过含有H₂S储层地段。

井下基于MOE的测量布置可以被构造为当达到挥发性组分的泥浆的饱和点时，监控钻井操作的泥浆中的这些挥发性组分。通常可以很好理解与气体的饱和点有关的钻井液的特性，诸如对于特定的压力和温度，在其进行入两相(two phases)之前在泥浆中可以溶解多少气体。由于基于MOE的测量提供了化学成分的分析，井下MOE布置可以用作对这些气体监控以提供早期的井涌发现。例如，当井下MOE布置提供的早期井涌发现表示在井下两相刚被打破时，可以在地面处做出合适的行动。另外，当井下MOE布置被构造成监控甲烷或挥发性组分的浓度快速增加时，可以进行缓解步骤以避免井涌发生。根据这里教导的布置，MOE或其它光学计算元件被布置为井下测量工具可以避免井喷的情况。

与地面流体测量相比，采用诸如MOE等光学计算元件的井下测量可以提供关于产油层或目标层的位置的即时了解。这样的了解就水平钻井在目标层中停留特别有用。基于LWD工具的信息的光学计算元件可以与其他“大图像”信息结合，以帮助钻机操作者识别和遵循所期望的钻孔路径，或者将数据提供到自动系统以识别和遵循所期望的钻孔路径。在各个实施例中，地质导向可以基于整个或部分MOE测量而执行。这些测量的范围可以是有限的，并且钻井液会干扰这些测量的可靠性。然而，这些测量提供了以低耗能获得了地层成分的高质量测量。

图9示出一种方法的实施例的特征，该方法包括在地质导向过程中使用来自光学计算元件的数据和其它数据。在910处，获取一组与感兴趣的钻井操作有关的数据。该数据包括来自一个或多个测量技术的数据。例如，所获取的数据可以包括来自采用不同工具的测量的声像记录、伽马记录和电阻率数据。这些可以包括通过离钻孔相对远的距离检测地层的声学和电磁学工具。该组数据的获取可以包括运行这些工具收集数据。

在920处，产生钻井操作中来自使用井下光学计算元件的工具的数据。可以分析从设置有光学计算元件的工具的探测器输出的信号，以产生与该工具附近的化学成分有关的数据。在随钻测井操作中，该工具通常可以设置在钻头附近。这种设置提供钻尖部分附近地层的评估数据。

在930处，采用获取的数据和产生的数据评估相钻井操作对于周围地层的分布。从光学计算元件产生的化学数据可以与来自其他工具在地面显示的图像数据结合，以监控和/或引导地质导向活动。此外，从钻头附近的光学计算元件产生的化学数据可以与诸如涉及远离钻头区域的电阻率数据等其他数据结合，提供向哪个方向地质导向钻井的指示。

在940处，基于评估来地质导向井。在其他行动之中，该地质导向可以包括将井保持在诸如储层的所期望的目标区、引导井远离诸如高水含量区域等区域，或引导井穿过钻井操作更容易横过的区域。地质导向可以由在操作者指引下的地面系统来控制。地质导向由井下电子设备控制，该井下电子设备被布置采用电子设备中存储的指令收集数据、进行比较并且输出控制信号操作钻头的方向。地质导向的井下控制可以由操作者在地面处监控。

图10描绘了系统1000的示例实施例的框图。该系统1000具有工具1010，该工具1010被构造为具有在井中可井下操作的光学计算元件1005。工具1010可以包括与光学计算元件1005联合操作的探测器1008、光学元件1011和探测光源1015。系统1000可以被构造为根据本文的教导操作光学计算元件1005。系统1000可以包括控制器1025、存储器1035、电子设备1065和通信单元1040。

以与这里讨论的过程类似或相同的方式，可以布置控制器1025、存储器1035和通信单元1040以处理单元运行，控制工具1010的操作。这样的处理单元可以采用数据处理单元1030来实现。该数据处理单元1030可以以独立的单元实施，或分配在包括电子设备1065的系统1000的元件中。控制器1025和存储器1035可以运行，以控制探测光源1015的活动和来自工具1010的信号的收集。信号的收集可以包括根据这里描述的测量过程和信号处理，从光探测器1008获取以分析由工具1010产生的化学基数据。系统1000可以被构造为以与图1-9和图11相关的结构相同或类型的方式起作用。

系统1000还可以包括总线1027，其中总线1027在系统1000的元件之间提供导电性。总线1027可以包括地址总线、数据总线和控制总线，每个独立地构成或以集成形式构造。总线1027可以由大量不同的通信介质实现，所述通信介质允许系统1000的元件的分配。通信单元1040可以包括可井下操作的通信工具和总线1027。这样的井下通信工具可以包括遥测系统。总线1027的使用可以由控制器1025控制。

在各个实施例中，外围设备1045可以包括可以与控制器1025和/或存储器1035联合运行的附加的存储器和/或其它控制装置。在一个实施例中，控制器1025可以由依赖于分配的功能独立地运行的一个处理器或一组处理器实现。外围设备1045可以设置有一个或多个显示器1055(作为分布在地面上的元件)，其可以用存储器1035中存储的指令实施用户界面以监控工具1010和/或系统1000中分布的元件的运行。该用户界面可以用于输入运行参数值使得系统1000可以没有用户的介入基本上自动地运行。

图11描绘了在钻井工地的系统1100的实施例，其中系统1100包括构造有光学计算元件的测量工具1110。系统1100包括具有光学计算元件的，工具1110可以以与这里讨论的布置类似或相同的方式实现。系统1100可以包括位于井1106的地面1104处的钻机1102和连接在一起以形成钻柱的一串钻管(也就是钻柱1129)，该钻柱穿过钻台1107下降到井眼或钻孔1112。钻机1102可以为钻柱1129提供支撑。钻柱1129可以运行穿透钻台1107，以用于穿过地下地层1114钻出钻孔1112。钻柱1129可以包括钻管1118和位于钻管1118的较低部位的底部钻具组合1120。

底部钻具组合1120可以包括钻铤(drill collar)1115、附接于钻铤1115的测量工具1110和钻头1126。钻头1126可以通过穿透地面1104和地下地层1114运行产生钻孔1112。

测量工具1110可以被构造为作为诸如LWD系统等随钻测量(MWD)系统，用于井的钻孔中的工具。测量工具1110可以包括与光学计算元件联合运行的光探测器、光学元件和探测光源。系统1100可以被构造成根据本文的教导运行光学计算元件。测量工具1110可以包括数据处理单元，以分析由测量工具1110产生的信号并且通过标准通信途径将测量结果从工具1110提供至地面以对井进行操作。作为另一种选择，测量工具1110可以包括具有通信界面的电子设备，将由测量工具1110产生的信号通过标准通信途径提供至地面以对井进行操作，其中这些信号可以在地面的处理单元中被分析。

在各个实施例中，测量工具1110可以被包括在与例如用于钢缆应用的测井电缆1174耦接的工具主体1170中。工具主体1170可以包括测量工具1110，测量工具1110包含与光计算元件联合运行的光探测器、光学元件和探测光源。系统1100可以被构造为根据本文的教导运行光学计算元件。测量工具1110可以包括数据处理单元，分析由测量工具1110产生的信号并且将来自工具1110的测量结果通过标准通信途径提供至地面用于对井进行操作。作为另一种选择，测量工具1110可以包括具有通信界面的电子设备，将由测量工具1110产生的信号通过标准通信途径提供至地面用于对井进行操作，其中这些信号可以在地面的处理单元中被分析。测井电缆1174可以由钢缆(多个电力和通信线路)、单芯电缆(单个导体)和/或钢丝(用于电力或通信的非导体)或者在钻孔1112中使用的其它合适的结构实现。

在钻井操作过程中，钻柱1129可以由转台1107旋转。此外，或者可选择地，底部钻具组合1120也可以由位于井下的马达(例如泥浆马达)旋转。钻铤1115可以用于为钻头1126增加重力。钻铤1115还可以硬化底部钻具组合1120，以允许底部钻具组合1120将增加的重力传递至钻头1126，以及帮助钻头1126穿透地面1104和地下地层1114。

在钻井操作中，泥浆泵1132可以将钻井液(本领域技术人员有时认为是“钻井泥浆”)从泥浆池1134通过软管(hose)1136泵送到钻管1118中并且向下至钻头1126。钻井液可以从钻头1126流出，并且通过钻管1118和钻孔1112的侧面之间的环空区域1140返回到地面1104。钻井液然后可以返回至泥浆池1134，其中这些液体被过滤。在一些实施例中，钻井液可以用来冷却钻头1126，并且在钻井操作中为钻头1126提供润滑。此外，钻井液可以用于去除由操作钻头1126产生的地下地层1114的岩屑。

在各个实施例，诸如计算机可读存储装置等机器可读存储装置具有机器可执行的指令，当这些指令由诸如处理器等控制器执行时，使得测量工具采用光学计算元件操作井中的向下钻进。这些指令提供一种途径，使测量工具以与具有光学测量元件的测量类似或相同的方式运行，该光学测量元件与图1至图11相关。机器可读存储装置不限于任意类型的装置。此外，这里的机器可读存储装置是物理装置，存储由装置内的物理结构呈现的数据。机器可读存储装置可以包括，但不限于，固态存储器、光学装置和电磁装置.机器可读存储装置包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、磁盘存储装置、光学存储装置、闪存和其它电子、电磁和/或光学存储等装置。

虽然本文已经说明和描述了具体实施例，但本领域技术人员会了解，适合用于实现相同用途的任何可取代所述具体实施例。各实施例采用这里描述的实施例的置换和/或结合。应当理解，以上描述只是说明性的而不是限制性的，并且这里使用的措辞和术语是用于说明。通过阅读以上描述，本领域技术人员会清楚以上实施例的组合和其他实施例。

Claims (25)

1.一种方法，包括：

将光从井壁引导至光学计算元件，

响应于所述光学计算元件接收来自所述井壁的光而分析从所述光学计算元件输出的光；以及

通过分析所述光学计算元件输出的光确定与所述井壁有关的特性。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：

基于所述确定的特性产生信号以引导钻井操作。

3.如权利要求2所述的方法，其中产生所述信号以引导所述钻井操作包括：

地质导向所述钻井操作。

4.如权利要求3所述的方法，其中地质导向所述钻井操作包括：

将钻孔保持在储层油层。

5.如权利要求2所述的方法，其中产生所述信号以引导所述钻井操作包括：

产生监控信号提供关于所述钻井操作的安全条件的预先警示。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中确定与所述井壁有关的特性包括：

确定所述井壁的孔隙度、所述井壁的组份或与所述井壁对应的地层流体测量中的一个或多个。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：

产生在井壁处被引导的探测光，使得来自所述井壁的探测信号的重新定向提供从所述井壁被引导至所述光学计算元件的光。

8.如权利要求7所述的方法，其中产生所述探测光包括：

采用探测装置使得所述探测装置物理地接触所述井壁并且所述探测光从所述探测装置传递至所述井壁。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述方法包括：

采用所述探测装置从所述井壁刮掉材料。

10.如权利要求7所述的方法，其中产生所述探测光包括：

将所述探测光从光源穿过流体传送到所述井壁，所述光源设置在包含所述光学计算元件的工具中。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：

随着工具沿钻井孔的长度移动来确定与所述井壁有关的所述特性的值，其中所述工具上设置有所述光学计算元件；以及

从所述值产生所述井壁的二维地图。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述方法包括：

根据在被引导至所述光学计算元件的光中的一频率分析来自所述光学计算元件输出的光，来监控钻井液中的污染物，其中对于所述频率的光钻井液是透明的。

13.一种方法，包括：

采用一个或多个光学计算元件确定钻井操作的、钻柱中的钻井液的光学特性；

采用所述一个或多个光学计算元件确定所述钻柱的、环空中的流体的光学特性；以及

监控所述钻井液的所述光学特性与所述环空中所述流体的所述光学特性之间的差异。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述方法包括：

测量在钻井操作中由于在钻头位置处进行的钻井导致的泄漏入地层的流体。

15.如权利要求13所述方法，其中所述方法包括：

仅采用一个光学计算元件。

16.如权利要求13所述的方法，其中所述方法包括：

基于对所述钻井液的光学特性与所述环空中流体的光学特性之间差异的监控确定与所述环空中流体有关的特性；以及

基于所确定的特性产生信号以引导钻井操作。

17.如权利要求16所述的方法，其中产生所述信号以引导所述钻井操作包括：

地质导向所述钻井操作或产生监控信号以提供关于所述钻井操作的安全条件的预先警示。

18.一种机器可读存储装置，具有存储于其中的指令，其中当由机器执行所述指令时，使得所述机器执行操作，所述操作包括权利要求1至17中任一所述的方法。

19.一种系统，包括：

光学计算元件，设置在壳体中，所述壳体附接至钻柱；

窗口，在所述壳体中，所述窗口设置为接收来自所述壳体外部的光，使得当所述壳体安装在所述钻柱上时，光从所述钻柱外部的区域被引导至所述光学计算元件；

分析单元，响应于所述光学计算元件从所述钻柱的外部接收的光而基于所述光学计算元件的输出来提供信号，所述信号被提供以基于根据所述光学计算元件的所述输出确定的区域特性来引导钻井操作。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述系统还包括：

光源，产生光，所述光从所述壳体的外部被反射，使得反射的光提供被引导至所述光学计算元件的所接收的光。

21.如权利要求20所述的系统，其中所述系统包括：

额外的窗口，被构造为使得在所述光源设置在所述壳体中的情况下，由所述光源产生的所述光离开所述壳体以从所述壳体的外部反射。

22.如权利要求19所述的系统，其中所述系统包括：

探测装置，被构造为产生探测光，所述探测装置物理地设置在所述壳体上以接触井壁，使得从所述探测装置传递到所述井壁的探测光提供来自所述壳体的外部的所接收的光。

23.如权利要求22所述的系统，其中所述探测装置可操作地将材料从所述井壁刮掉。

24.如权利要求19至24任一所述的系统，其中所述系统包括：

相对于所述光学计算元件而设置的光探测器，探测从所述光学计算元件被引导至各个光探测器的光。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述光探测器与所述分析单元耦接以将信号提供至所述分析单元，所述分析单元构造为基于所述信号确定钻井操作的钻柱中的钻井液与钻柱的环空中的流体之间的差异。