CN104054007B - 进行地下作业时用于分析地层特性的方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开一种用于分析地下地层的方法。从发射机把第一信号发射到地层，并且接收第二信号，第二信号是第一信号的反射。然后把第三信号发射到地层，第三信号是时间反演的第二信号。然后接收和监测第四信号，第四信号是来自地层的第三信号的反射。

Description

进行地下作业时用于分析地层特性的方法和系统

背景技术

通常从地下地层得到诸如油和气之类的碳氢化合物。从地下地层除去碳氢化合物所涉及的地下作业和过程的开发是复杂的。一般，地下作业包括许多不同的步骤，例如，诸如在期望的井场处钻掘井眼、处理井眼使碳氢化合物的生产最优化、以及执行必要的步骤来生产和处理来自地下地层的碳氢化合物。

现代油田作业需要与井下遭遇的参数和条件有关的大量信息。这样的信息可包括井眼遍历的地层的特征以及与井眼本身的大小和配置有关的数据。可以通过数种方法执行通常称之为“测井”的、与井下条件有关的信息的收集，这些方法包括电缆测井、随钻测量(MWD)、随钻测井(LWD)、钻杆传送测井、和线圈油管传送测井。对于这些方法中的每一种方法，可以用多种测井工具。

地层的电磁测井的基本技术是公知的。例如，在搜索和回收碳氢化合物时所使用的技术之一是感应测井，以便确定与井眼相邻的地层的电阻率(或其倒数，电导率)。通常，发射机发射电磁信号，通过围绕井眼的地层材料，并且在一个或多个接收机中感应到信号。地层电阻率影响接收到的信号的特性，诸如其幅值和/或相位，能够进行电阻率测量。可将测量到的信号的特性和/或从其计算的地层特性记录为井眼中工具的深度或位置的函数，生成获得了可以用于分析地层的地层记录。

在钻井作业期间，重要的是能够预测在钻头前的地层的特性。例如，不期望钻掘到会阻碍地下作业性能的高压水区域或其他地层区域。诸如，例如美国专利No.6,856,909号中建议的传统电磁方法或例如，在US2005/0098487中建议的交叉分量感应方法，这些用于钻头的前瞻预测的当前利用的地震模型和其它方法，都有许多缺点。例如，地震波的长波长限制其分辨率。电磁方法也是这样。此外，电磁方法要求地层电阻率的先验知识，这在钻井过程期间是不能得到的。

附图说明

图1示出示意性随钻测井环境；

图2示出示意性电缆测井环境；

图3A和3B描绘根据本发明示例性实施例的钻头前的地层基(formation bed)配置的示意性视图；

图4示出三轴感应工具的线圈配置；

图5示出位于有角度的(angled)地层基的井眼中的三轴感应工具；

图6展示旋转变换定义；

图7示出曲线图，用于示出发射机和接收机之间的磁耦合的位置导数的形状；

图8示出拟合位置导数数据点的最小均方误差曲线；

图9示出使用参数化的余弦函数的数据点的Hough变换；

图10示出在倾斜地层中确定倾角的公开的方法的流程图；

图11示出模型层状地层的电阻率测井；

图12示出从耦合的一阶导数计算的倾角测井；

图13示出从耦合的二阶导数计算的倾角测井；

图14示出图12的倾角测井的直方图；

图15示出图13的倾角测井的直方图；

图16描绘根据本发明的示例性实施例的在钻头前的边界检测的时间反演的过程。

图17A和17B分别描绘对于数个发射机-地层基距离，作为频率的函数的计算的频域中第二反射信号的实部和虚部。

图18描绘频域中在对于在底层基3米距离处的和对于在底层基0.5米距离处的第二反射信号(Z)的实部之间的差；以及

图19示出钻头前地层基配置的示意图，其中收发机阵列相对于地质地层有一个角度地放置。

尽管已经描绘和描述以及通过参考本公开的示例性实施例定义本公开的实施例时，如此的参考不暗示对于公开的限制，并且不推断如此的限制。公开的主题在形式和功能上能够作相当大的修改、改变、和等效，像发生在熟悉本领域相关技术的人员中那样，并且具有本公开的好处。本公开中描绘的和描述的实施例只是作为例子，并非本公开范围的详情无遗的公开。

具体实施方式

对于本公开的目的，信息处理系统可以包括任何工具或工具的集合，可操作而计算、分类、处理、发射、接收、检索、创建、交换、存储、显示、表现、检测、记录、再现、处理、或利用任何形式的信息，情报，或业务、科学、控制、或其它用途的数据。例如，信息处理系统可以是个人计算机、网络存储设备或任何其它合适的设备，并且大小、形状、性能、功能和价格可以变化。信息处理系统可以包括随机存取存储器(RAM)、诸如中央处理单元(CPU)或硬件或软件控制逻辑之类的一个或多个处理资源、ROM、和/或其它类型的非易失性存储器。信息处理系统的另外的部件可以包括一个或多个盘驱动器、与外部设备以及各种输入和输出(I/O)设备(诸如键盘、鼠标、以及视频显示器)通信的一个或多个网络端口。信息处理系统还可以包括一个或多个总线，可操作而在各个硬件部件之间发送通信。

对于本公开的目的，计算机可读介质可以包括能把数据和/或指令保留一个时间周期的任何工具或工具的集合。计算机可读介质可以包括，例如，没有限制，诸如直接访问存储设备(例如，硬盘驱动器或软盘驱动器)、顺序访问存储设备(例如，磁带盘驱动器)之类的存储介质、光盘、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、和/或闪存；以及诸如导线、光纤、微波、无线电波以及其它电磁和/或光载波之类的通信介质；和/或上述的任何组合。

这里详细描述本发明的示意性实施例。为了清楚起见，本说明中可能不是描述实际实施的所有的特征。当然要理解，在任何如此的实际实施例的开发中，可以作出许多实施-特定的判定，以便得到特定的实施目的，这些目的可以从一个实施到另一个实施而变化。此外，要理解，如此的开发努力可能是复杂的和花费时间的，但是，是具有本发明的好处的熟悉本领域普通技术的人员承接的常规。

为了便于较佳地理解本发明，给出某些实施例的下述例子。不应该认为下述例子限制或定义了本发明的范围。本公开的实施例可以应用于任何类型的地下地层中的水平的、垂直的、偏移的或非线性的井眼。实施例可以应用于注入井以及生产井，包括碳氢化合物井。可以使用工具来实施实施例，所述工具适合于测试、检索和沿地层部分采样。例如，可以用工具来实施实施例，例如，可以通过管柱中的流动通道、或使用电缆、钢丝、连续油管、井下机器人等来传送工具。在继续钻掘时，通常“随钻测量”(“MWD”)这个术语用于测量井下关于钻具组合的运动和位置的情况。通常“随钻测井”(“LWD”)这个术语用于更集中于地层参数测量的相似的技术。在一个或多个电缆测井、MWD和LWD作业中可以使用根据某些实施例的设备和方法。

旨在使这里使用的术语“耦合”意味着间接或直接的连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则这个连接可以通过直接连接、或通过经由其它设备和连接的不直接的机械或电气连接。相似地，旨在使这里使用的术语“通信地耦合”意味着直接或不直接的通信连接。如此的连接可以是有线的或无线的连接，例如，诸如以太网或局域网(LAN)。对于熟悉本领域普通技术的人员来说，如此的有线和无线连接是众知的，因此这里不进行详细讨论。因此，如果第一设备通信地耦合到第二设备，则该连接可以通过直接连接或通过经由其它设备和连接的不直接的通信连接。

本申请针对提高地下作业的效率，更特定地，涉及当进行钻井作业时用于钻头的前瞻预测的方法和系统。

现在转到图1，示出了在示意性LWD环境中使用的油井钻井设备。钻井平台2支承用于升高和降低钻杆8的、具有活动块(traveling block)6的起重机4。当钻杆8通过旋转台12降低时，方钻杆10支承钻杆8。井下马达和/或钻杆8的旋转驱动钻头14。当钻头14旋转时，生成创建通过各种地层18的井眼16。泵20可以使钻井液循环通过馈送管22到方钻杆10，井下通过钻杆8的内部，通过钻头14中的孔，经由围绕钻杆8的环形区域返回到地面，并且进入容水坑24。钻井液把钻屑从井眼传送到坑24，并且有助于保持井眼的完整性。

可以把测井工具26组合到接近钻头14的井底组件中。测井工具26可包括接收机和发射机。在一个实施例中，测井工具26可包括用作发射机和接收机的收发机阵列。当钻头14通过地层延伸井眼时，测井工具26可收集关于各种地层特性以及工具取向和位置以及各种其它钻井情况的测量值。可使用方位角取向指示器来执行取向测量，方位角取向指示器可包括磁力仪、测斜仪、和/或加速度计，但是在同一实施例中可以使用诸如陀螺仪之类的其它类型传感器。测井工具26可以采用钻环的形式，即，提供重量和刚性的厚壁管，以辅助钻井过程。可以包括遥测装置(telemetry sub)28，以把工具测量值传送到地面接收机30以及接收来自地面接收机30的命令。

在钻井过程期间的各个时刻，如图2所示，可以从井眼移去钻杆8。一旦已经移去了钻杆，就可以使用电缆测井工具34(即，通过具有把电功率传输到工具以及从工具到地面进行遥测的电缆悬挂的传感仪探头)进行测井作业。测井设施44可从测井工具34收集测量值，并且可以包括用于处理和存储测井工具收集的测量值的计算设施。

熟悉本领域普通技术的人员会理解，利用本公开的益处，可以通过下述波动方程来表达在具有介电常数ε(r)和磁性介μ(r)的介质中传播的电磁波：

${\▿}^{2}E(r,t)-\mathrm{\μ}\left(r\right)\mathrm{\ϵ}\left(r\right)\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}E(r,t)=0$

在时间反演操作中，这个方程式是不变的。尤其，如果E(r,t)是解，则E(r,-t)也是该方程的解。这里公开的方法和系统采用方程(1)的时间反演不变性的优点，如下更详细地描述。

图3A和3B描绘在钻头(“bit”)前的地层基配置302的示意图。熟悉本领域普通技术的人员会理解，可以用分立的发射机和接收机来代替测井工具26收发机304用于传输和检测脉冲信号。在图3的示例性地层中，地层包括具有电阻率ρ₁的第一部分和电阻率ρ₂的第二部分。然而，熟悉本领域普通技术的人员会理解，使用本公开的优点，这里公开的方法和系统不局限于任何特定的地层配置。

图3A描绘水平收发机304。然而，在另一个示例性实施例中，收发机304可以如图3所示的那样倾斜。因此，连同这里公开的方法和系统一起使用的收发机可以是同轴的、倾斜的、或水平的收发机。

在另一个示例性实施例中，通过调节同轴和水平收发机对之间的相对相位可以虚拟地(virtually)操纵收发机阵列到任何期望的方向(此后称之为“虚拟地可操纵的收发机”)，如在美国专利6,272,706号中公开的那样。下面连同图4-15一起讨论虚拟地可操纵的收发机的操作。

图4示出井下感应工具的线圈配置的概念性草图。提供Tx、Ty和Tz三个一组的发射机线圈，每个沿各自的轴取向。还提供三个一组的、类似取向的、平衡的接收机线圈对(R1x、R2x)、(R1y、R2y)、和(R1z、R2z)。优选地选择发射机-接收机间隔L1和L2以及每个接收机线圈中的匝数，为的是将每个发射机和对应的组合接收机对之间的直接耦合设置为等于零。此后，可将每个接收机线圈对待作为单个平衡的接收机线圈。为了清楚起见，假定在每一个三个一组中的三个线圈表示取向为相互垂直的实际线圈，其中z-轴对应于工具的长轴。然而，要注意，通过对不同取向的三个一组执行合适的变换可以“合成”这种线圈配置。

图5示出以一个角度倾斜的、具有一系列分层的地层基102的地层。示出通过地层基102的井眼104包括感应工具106。第一(x,y,z)坐标系统50与地层基102相关联，而第二坐标系统(x”,y”,z”)51与感应工具106相关联。如图6所示，通过两个旋转使两个坐标系统相关。从感应工具的坐标系统(x”,y”,z”)开始，围绕z”轴做出角β的第一旋转。把生成的坐标系统表示为(x’,y’,z’)。角β是走向角(strike angle)，这表示地层倾角的方向。围绕y’轴做出角α的第二旋转。这样使坐标系统与地层基对齐。角α是倾角，是地层基的坡角(slopeangle)。

通过使用旋转变换矩阵，可以以其它坐标系统来表示坐标系统之一中的任何矢量。因此，如果v”是(x”,y”,z”)坐标系统中表示的矢量，则数学上在(x’,y’,z’,)坐标系统中可以表示为：

v＝R_αR_βv”＝Rv” (1)

其中：

$R=R_{\mathrm{\α}}\·R_{\mathrm{\β}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& 0& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\α}& 0& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}& 0\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(2\right)$

因此，给出感应工具的坐标系统中的测量值，如果已知倾角和走向角，则可以确定在地层基的坐标系统中对应的测量值。

Moran和Gianzero，在“Effect of Formation Anisotropy on ResistivityLogging Measurements”，Geophysics，44卷，第7期，1266页(1979)注明可以以发射机处的磁矩“m”和耦合矩阵“C”来表示接收机线圈中的磁场“h”：

h＝Cm (3)

在表达形式中，方程(3)是：

$\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\\ H_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{xx}& C_{xy}& C_{xz}\\ C_{yx}& C_{yy}& C_{zz}\\ C_{zx}& C_{zy}& C_{zz}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right]---\left(4\right)$

当然，在感应工具坐标系统中方程(3)也是有效的，所以：

h”＝C”m” (5)

可以从方程(1)、(3)、和(5)确定耦合矩阵C和C”之间的关系为：

C”＝R^-1CR＝R_β ^-1R_α ^-1CR_αR_β (6)

感应工具可以从磁场测量值中确定C”的元素的每一个。从下式计算耦合矩阵元素C_ij”(i,j＝x”,y”,z”)：

C_ij”＝R_iT_j/m_j (7)

其中R_iT_j是通过第i个接收机响应于第j个发射机而测量的磁场，且m_j是第j个发射机的磁矩。如果每个发射机具有相同的磁矩m。则可以表示耦合矩阵为：

$C^{\′\′}=\frac{1}{m}\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Rx}}^{\′\′}{\mathrm{Tx}}^{\′\′}& {\mathrm{Rx}}^{\′\′}{\mathrm{Ty}}^{\′\′}& {\mathrm{Rx}}^{\′\′}{\mathrm{Tz}}^{\′\′}\\ {\mathrm{Ry}}^{\′\′}{\mathrm{Tx}}^{\′\′}& {\mathrm{Ry}}^{\′\′}{\mathrm{Ty}}^{\′\′}& {\mathrm{Ry}}^{\′\′}{\mathrm{Tz}}^{\′\′}\\ {\mathrm{Rz}}^{\′\′}{\mathrm{Tx}}^{\′\′}& {\mathrm{Rz}}^{\′\′}{\mathrm{Ty}}^{\′\′}& {\mathrm{Rz}}^{\′\′}{\mathrm{Tz}}^{\′\′}\end{array}\right]---\left(8\right)$

注意，由于地层中的变化是深度的函数，所以耦合常数也是深度的函数。可以直接从测量到的信号确定走向角。例如，可以通过下式计算：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{TzRy}{TzRx}\right)---\left(9\right)$

已知走向角，就可以进行反向β旋转。根据方程(6)，耦合矩阵变成：

C”＝R_βC”R_β ^-1＝R_α ^-1CR_α (10)

因此，信号测量允许简单确定耦合矩阵C”和走向角β。剩余角是倾角α。

如果已知倾角α，则可以完成反α旋转来确定地层基坐标系统中的耦合系数。为了确定倾角，我们假设(postulate)校正角γ。当执行围绕y’轴的旋转时，耦合矩阵变成：

$\tilde{C}\left(\mathrm{\γ}\right)=R_{\mathrm{\γ}}{C}^{\′\′}{R}_{\mathrm{\γ}-1}=R_{\mathrm{\γ}}{R}_{\mathrm{\α}}^{-1}{\mathrm{CR}}_{\mathrm{\α}}{R}_{\mathrm{\γ}}^{-1}---\left(11\right)$

方程(10)和(11)表示发射机和接收机的实质操纵(virtual steering)，以致在旋转之后，发射机和接收机的取向在没有走向角(β＝0)以及倾角为γ的方向上。

在研究耦合矩阵C(γ)的行为时，已经发现可以使用某些元素的导数来标识倾角α。通常可以把作为深度z的函数的RxTx(γ)的一阶和二阶导数表示为：

${C^{\′}}_{xx}\left(\mathrm{\γ}\right)=\frac{\∂}{\∂z}\[R_x{T}_x\left(\mathrm{\γ}\right)\]=Acos\left(2\right(\mathrm{\γ}-\mathrm{\α}\left)\right)+B---\left(12\right)$

${C^{\′}}_{xx}\left(\mathrm{\γ}\right)=\frac{{\∂}^2}{\∂z^2}\[R_x{T}_x\left(\mathrm{\γ}\right)\]=Ccos\left(2\right(\mathrm{\γ}-\mathrm{\α}\left)\right)+D---\left(13\right)$

其中A,B,C,和D不是γ的函数。可以以相同的形式表示RzTz(γ)的导数，尽管具有不同的常数。当探头正界于地层基之间的界面上时，这个形式不适用。

图7示出模型地层的电阻率测井，所述模型地层示出具有不同电阻率的四个地层基。与电阻率测井邻近的是确认方程(12)和(13)的形式的RxTx(γ)的导数的测绘点。使用通用3-线圈三个一组的探头的响应来计算这些，在具有30°倾角和40°走向角的倾斜地层中进行测井。在已经获得所有数据之后，在每个测井点处，虚拟地操纵探头到达作为旋转角的函数的导数处。根据标绘目的的深度，已经对在每个测井位置处的导数的幅值进行归一化和重新密封(resealed)。

由于作为校正角γ的函数的导数的形式是已知的，所以当作为校正角γ的函数标绘导数时，可以确定未知的A、B和α或C、D和α。因此，可以采用耦合系数测量值，旋转而校正走向角β，并且通过一系列校正角γ旋转，以得到RxTx(γ)的深度测井。可以预先确定校正角的组，例如，0°，10°，20°，30°，…，180°。然后可相对于深度对深度测井进行微分以得到一阶和/或二阶导数。

如果作为校正角γ的函数标绘的话，导数可以具有方程(12)、(13)的形式。因此可以以数种方式从导数计算倾角γ。例如，拟合数据的简单的最小二乘曲线是可行的，如图8所示。可以使用的另一个方法包括Hough变换。D.Tores、R.Strickland以及M.Gianzero的“ANew Approach to Determining Dip and Strike Using Borehole Images”讨论Hough变换的使用(SPWLA 31.sup.st Annual Logging symposium,1990年6月24-27日)。

首先除去偏差(bias)。在方程(12)和(13)中，常数B和D表示偏差。通过标识最大和最小值，并且减去最大和最小值的平均值，可以大大地消除偏差。因此，通过下式可以发现纯余弦函数y’(γ)和y”(γ)：

$y^{\′}\left(\mathrm{\γ}\right)={C^{\′}}_{xx}\left(\mathrm{\γ}\right)-\frac{1}{2}\[max\left({C^{\′}}_{xx}\right(\mathrm{\γ}\left)\right)-min\left({C^{\′}}_{xx}\right(\mathrm{\γ}\left)\right)\]=Acos\left(2\right(\mathrm{\γ}-\mathrm{\α}\left)\right)---\left(14\right)$

$y^{\′\′}\left(\mathrm{\γ}\right)={C^{\′\′}}_{xx}\left(\mathrm{\γ}\right)-\frac{1}{2}\[max\left({C^{\′\′}}_{xx}\right(\mathrm{\γ}\left)\right)-min\left({C^{\′\′}}_{xx}\right(\mathrm{\γ}\left)\right)\]=Ccos\left(2\right(\mathrm{\γ}-\mathrm{\α}\left)\right)---\left(15\right)$

其中最大和最小表示区间0°≤γ≤180°中的最大和最小值。

可以使方程(14)和(15)参数化，即，可以把未知数之一写成其它未知数的函数，例如：

$A\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{y^{\′}\left(\mathrm{\γ}\right)}{cos\left(2\right(\mathrm{\γ}-\mathrm{\α}\left)\right)}---\left(16\right)$

$C\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{y^{\′\′}\left(\mathrm{\γ}\right)}{cos\left(2\right(\mathrm{\γ}-\mathrm{\α}\left)\right)}---\left(17\right)$

换言之，给出已知的校正角γ以及已知的对应值y’(γ)或y”(γ)，幅值A或C是倾角α的函数。对于给定的倾角，可能存在A或C的多个值。校正角γ和对应的值y’(γ)的每个组合给出不同的A(α)曲线。图9示出校正角γ的9个不同值的一组A(α)曲线。这是满足方程(14)的测量数据的Hough变换。

使用Hough变换要关注的一个方面是必须考虑变换空间的大小。当增加参数的范围时，增加了计算要求。期望可把幅值参数范围限制在y’(γ)的两倍最大值和y’(γ)的两倍最小值之间，或当使用二阶导数时在y”(γ)的两倍最大值和两倍最小值之间。

在图9中特别感兴趣的是各个曲线的交点。两个交点表示对于数据点的每一个都有效的幅值A值和倾角α值。因此，它们指定通过点的每一个的曲线，并且已经对于该深度确定了倾角值。虽然存在两个解，但是它们是等效的，即，反演的幅值等效于180°相移。因此，忽略α>90°的解。对于每个测井深度重复该过程以得到倾角相对深度的记录。

通过把参数空间量化成面元(bin)，并且计算通过每个面元的曲线的数量。曲线数量最多的面元包含交点。在许多标准参考文本中可以找到更详细的Hough变换的使用。

图10示出该方法的流程图。在方框1002中，使一些发射机顺序地发射，测量接收机信号，并且计算方程(8)中的耦合矩阵元素。在方框1004中，在耦合矩阵上执行反β-旋转。然后把一组倾斜-校正γ-旋转施加于矩阵以确定作为测井工具位置的函数的一组项(RxTx(γ)或RzTz(γ))。在方框1006中，相对于位置对项的选中的一组组进行微分以确定一阶或二阶导数。在方框1008中，在经微分的项的一组上执行曲线参数识别技术。这个技术可以是曲线拟合、Hough变换或一些其它技术。在方框1010中，使用所标识的曲线参数来计算倾角α。确定井眼中每个工具位置的倾角。

现在对使用一阶和二阶导数来计算倾角的结果做出比较。图11示出模型地层的电阻率测井。模型地层具有越过井眼倾斜30°的地层基。图12示出使用一阶导数对模型地层计算的倾角。在低电阻率地层基之间的地层基界面的相邻处，计算的角从真实的倾角向下偏移，但是通常对于较厚的地层基是正确的。图13示出使用二阶导数对相同地层计算的倾角。尽管在较薄的地层基邻近存在一些散射(scatter)，但是通常倾角计算是十分正确的。图14示出图12中生成的倾角结果的直方图，而图15示出图13中生成的倾角结果的直方图。一阶导数方法示出10°处的假峰以及30°真倾角处的峰值。在二阶导数方法中，没有假峰。

可以利用所公开的方法来确定井中的区域倾角以及走向角信息，这些井的条件对于传统的电阻率电缆倾角测量仪或电阻率成像仪是不利的。这样的条件包括，但是不局限于，用油基泥浆的钻井以及具有高度不规则的井眼的井。要注意，对于电缆测井作业以及LWD作业两者，都可以使用本公开的方法。在LWD作业中，该方法除了确定区域倾角和走向角之外，还可以在高度偏移的和/或水平井中进一步用来促进地质导向。

图16描绘根据本发明的示例性实施例的、用于钻头前的边界检测的时间反演过程。图16中阐明的时间反演过程可等同地应用于电磁波和声波。

首先，在步骤402处，从收发机阵列304发射短电磁脉冲(X)。如下详细地讨论的那样，这里公开的方法步骤可等同地应用于其中收发机阵列起初生成声波而不是电磁波的情况。然后由钻头前的地层基边界反射该脉冲作为时域中的脉冲s(t)。在步骤404处，收发机阵列304检测这个第一反射信号s(t)。然而，由于介质的散射，检测到的信号s(t)一般在时域中传播。

根据本公开的示例性实施例，在步骤406处，检测到的信号s(t)被时间反演为s(-t)。此外，在步骤408处，因为一部分起初生成的信号(X)从地层损耗，所以在一个实施例中，可以调节时间反演信号s(-t)的幅值以便补偿该损耗。然后在步骤410处，再发射经调节幅值的时间反演信号作为新脉冲s(-t)。然后通过介质再次反射信号s(-t)作为新的反射脉冲s_r(t)，在步骤412处，收发机阵列304检测新的反射脉冲作为第二反射信号。自然地聚焦第二反射信号s_r(t)使之在时域中给出显著改善的清晰度。在步骤414处，监测s_r(t)与以前得到的值的变化。当钻头通过地层前进时，然后该过程返回到步骤402，并且重复相同的步骤，监测s_r(t)随时间的变化。

为了监测接收到的时间反演信号s_r(-t)(此后为“测量到的信号”或“测量到的响应”)的变化，可以把该信号与已知的、预先计算的地层基-发射机分离和边界特性信息进行比较。这可通过假设到地层基边界的已知距离和感兴趣的即将遇到的地层基与围绕钻头的地层(即当前的地层基)之间的已知电阻率对比而进行。然后可以计算工具的预期时间反演响应。接着，可以对计算的响应与测量到的响应进行比较。可以在执行钻井作业的同时连续地迭代地进行这个比较。在一个示例性实施例中，这个迭代过程可以继续进行，直到测量到的响应和计算的响应之间的差等于或小于预设、阀值、可接受的误差值。基于计算的响应与测量到的响应的比较，可修改到地层基边界的距离和当前地层基与即将遇到的地层基之间的电阻率对比的假设值。当钻井作业继续并且更多的测量到的数据进入迭代过程时，进一步精选例如诸如与即将遇到的地层基之间的距离和它的性质之类的感兴趣的信息(例如，电磁波的阻力、声波的声阻抗)。

在图17中，在频域中理论地计算具有电阻率对比的接近的地层基的响应。尤其，图17A和17B分别描绘频域中第二反射信号s_r(t)的计算的实部和虚部，对于数个发射机-地层基距离来说，作为频率的函数。在图17A和17B描绘的示例性实施例中，地层304具有100欧姆.米的第一电阻率(ρ₁)以及0.1欧姆.米的第二电阻率(ρ₂)。熟悉本领域普通技术的人员会理解，在本公开的优点下，可以使用这些信号的傅里叶变换来生成地层的时域脉冲响应。

熟悉本领域普通技术的人员会理解，在本公开的优点下，在不同的发射机-到-地层基距离处，检测到的信号中存在可辨别的差异。例如，图18描绘频域中距离地层基3[米]处和距离地层基0.5[米]处的的第二反射信号sr(t)的实部之间的差异。

熟悉本领域普通技术的人员会理解，在本公开的优点下，这里公开的方法和系统不局限于如图3所示的、取向垂直于工具串轴(tool string axis)的收发机阵列。例如，图19描绘示例性实施例，其中设置收发机阵列602使之与地质特征604有一个角度。在该实施例中，可以利用这里公开的方法和系统来检测岔路(sideway)边界。当在水平井眼中引导钻头时，特别重要的是能够使用这里公开具有灵敏度来检测岔路边界的方法和系统。

此外，虽然连同电磁波形一起公开了本方法，但是这里公开的原理可应用于其它波形式，例如，诸如声波。例如，声波方程遵循相同的时间反演对称性。特定地，可使用声波方程来描述标量压力场p(r,t)为：

${\▿}^{2}p(r,t)-\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}p(r,t)=0$

其中p是声压(与环境压力的局部偏离)，而c是声速。因此，根据本发明的一个实施例，收发机可以生成和接收声波而不是电磁波。熟悉本领域普通技术的人员会理解，在本公开的优点下，因为地层对声波的散射比对电磁波的散射小，所以在特定应用中使用声波来代替电磁波是期望的。例如，含碳氢化合物区和含淡水区之间的电阻率对比比较小。反之，两个区域之间的声阻抗差异较大，因此容易检测。

熟悉本领域普通技术的人员会理解，在本公开的优点下，当介质中的信号损耗不可忽略时，时间反演会出故障(break down)。然而，存在可以用来补偿接收到的信号s(t)和再发射的时间反演信号s(-t)两者中的衰减的已建立的技术。在Yavuz等人的“Frequencydispersion compensation in time reversal techniques for UWB electromagneticwaves”(出版于IEEE Geosience and Remote Sensing Letter,第2卷，第2期，233-237页，2005年)中公开了一种这样的技术。此外，还可以利用相位信息。特别，用于测量围绕井眼的地层的电阻率的电磁波传播LWD工具的作业是基于测量发射机和接收及之间的信号衰减和相移的。类似地，可使用包含在时间反演信号的相位部分中的信息组合其幅值来精炼该测量。

熟悉本领域普通技术的人员会理解，在本公开的优点下，在一个示例性实施例中，可以使用信息处理系统来实施这里公开的方法和系统。在一个实施例中，可把收发机阵列通过有线或无线网络通信地耦合到信息处理系统。这样的系统的操作对于熟悉本领域普通技术的人员而言是公知的，因此这里不再详细讨论。信息处理系统可以控制由收发机阵列生成的信号生成和/或处理检测到的信号以便分析钻头前的地层。特别，可以把包括根据这里公开的方法的指令的软件存储在信息处理系统的计算机可读介质中。然后信息处理系统可以使用这些指令来进行这里公开的方法。在一个示例性实施例中，在进行这里公开的方法时，信息处理系统可存储在每个迭代中测量到的信号的值。在一个实施例中，信息处理系统可以包括用户界面，该用户界面可以向用户以实时提供关于地层性质的信息。

因此，本发明较佳地适合于所提出的、以及固有存在的那些情况，以便执行目标以及达到结果。在已经通过参考本发明的例子描绘、描述和定义了本发明的同时，如此的参考并不暗示对本发明的限制，并且不推断如此的限制。本发明在形式和功能上能够作相当大的修改、改变、和等效，像发生在具有本公开的好处的熟悉本领域相关技术的人员中那样。所描绘的和描述的例子并非是详情无遗的发明。因此，旨在仅通过所附的权利要求书的精神和范围来限制本发明，充分认识到各个方面的等效性。

Claims (20)

1.一种用于分析地下地层的方法，包括：

从发射机把第一信号发射到地层；

在接收机处从所述地层接收第二信号；

其中所述第二信号是所述第一信号从所述地层的反射；

在与所述发射机和所述接收机通信耦合的信息处理系统处生成第三信号；

其中所述第三信号是时间反演的第二信号；

从所述发射机把所述第三信号发射到所述地层；

在所述接收机处接收第四信号；

其中所述第四信号是所述第三信号从所述地层的反射；

监测所述第四信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成第三信号还包括补偿所述第二信号的幅值损耗。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从包括电磁波和声波的组中选择所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号和所述第四信号中的至少一个。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一信号是脉冲信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

假设到地层基边界的距离；

假设即将遇到的地层基和当前地层基之间的电阻率对比；以及

使用假设的到地层基边界的距离以及假设的电阻率对比来确定计算的信号。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

比较所述第四信号和计算的信号；

至少部分地根据所述第四信号和计算的信号的比较，调节到地层基边界的假设距离以及即将遇到的地层基和当前地层基之间的假设的电阻率对比中的至少一个。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

假设到地层基边界的距离；

假设在即将遇到的地层基和当前地层基之间的声阻抗对比；以及

使用到地层基边界的假设距离以及假设的声阻抗对比来确定计算的信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

比较所述第四信号和计算的信号；

至少部分地根据所述第四信号和计算的信号的比较，调节到地层基边界的假设距离以及即将遇到的地层基和当前地层基之间的假设的声阻抗对比中的至少一个。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于计算所述地下地层包括预测即将遇到的地层基，其中预测所述地层基进一步包括：

使用假设的地层性质来确定计算的信号；

比较所述第四信号和计算的信号；且

如果所述第四信号和计算的信号之间的差异超过阀值，则修改假设的地层性质。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，从包括电磁波和声波的组中选择所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号、和所述第四信号中的至少一个。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，假设的地层性质包括到当前地层基与即将遇到的地层基之间的边界的距离、即将遇到的地层基和当前床之间的电阻率对比、以及即将遇到的地层基和当前地层基之间的声阻抗对比中的至少一个。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，生成第三信号还包括补偿第二信号的幅值损耗。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，如果所述第四信号和计算的信号之间的差异超过阀值，则信息处理系统执行如下操作中的至少一个：使用假设的地层性质确定计算的信号、比较所述第四信号和计算的信号、以及修改假设的地层性质中。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括把所述第四信号存储在计算机可读介质中。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，收发机生成所述第一信号和所述第三信号中的至少一个，并且接收所述第二信号和所述第四信号中的至少一个。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，从包括同轴收发机、倾斜收发机、水平收发机、和虚拟地可操纵的收发机的组中选择所述收发机。

17.一种用于分析地层性质的系统，包括：

信息处理系统；

放置在地层中并且通信地耦合到所述信息处理系统的发射机；

放置在地层中并且通信地耦合到所述信息处理系统的接收机；

其中发射机响应于来自所述信息处理系统的指令来发射第一信号；

其中接收机接收第二信号，所述第二信号是第一信号的反射；

其中接收机把所述第二信号传送给所述信息处理系统；

其中发射机响应于来自所述信息处理系统的指令来发射第三信号，所述第三信号是时间反演的第二信号；

其中接收机接收第四信号，所述第四信号是所述第三信号的反射；

其中信息处理系统使用所述第四信号来进行如下中的至少一个：确定即将遇到的地层基的性质并且确定到地层基边界的距离。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述发射机和接收机是收发机的一部分。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，从包括同轴收发机、倾斜收发机、水平收发机和虚拟地可操纵的收发机的组中选择所述收发机。

20.如权利要求17所述的系统，其特征在于，从包括电磁波和声波的组中选择所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号和所述第四信号中的至少一个。