CN104350396A - 用于获得倾斜方位角的电磁方法 - Google Patents

Abstract

一种用于从井下电磁测量结果获得倾斜方位角的电磁方法包括：在地下井眼中从至少一个测量阵列获取电磁测量数据。采用最小平方法对电磁测量数据进行处理以获得倾斜方位角。相关的系统和设备也在此公开。

Description

用于获得倾斜方位角的电磁方法

技术领域

公开的实施例总体上涉及井下电磁测井方法，更特别地涉及一种用于获得倾斜方位角的方法。

背景技术

在现有技术的井下应用中电磁测量的使用，例如随钻测井(LWD)和电缆测井的应用是众所周知的。这种技术可以用于确定地下地层电阻率，其和地层孔隙率测量结果一起常用于指示地层中烃的存在性。此外，方位敏感的定向电阻率测量结果一般用在例如油层导向应用中，以提供做出导向决策所依赖的信息，例如，包括距离远处地层的距离和方向。定向电阻率工具常利用倾斜或横向天线(具有相对于工具轴线倾斜或处于横向的磁偶极子的天线)。

利用定向电磁电阻率测量结果，例如获得的模型、可从德克萨斯州的糖城的斯伦贝谢科技公司获得的LWD井下工具的一个具有挑战的方面是获得井眼和远处地层边界之间的倾斜方位角的可靠测量结果。现有技术中用于获得倾斜方位角的方法(其在下文中更详细地描述)噪音很大并且容易受相位缠绕问题影响。因此，现有技术需要更稳健的方法用于从电磁测量结果中获得倾斜方位角。

发明内容

公开了一种用于从井下电磁测量结果计算倾斜方位角的方法。该方法包括由至少一个测量阵列获取地下井眼中的电磁测量数据。对电磁测量数据进行处理以获得最小平方系数，最小平方系数被进一步处理以获得倾斜方位角。

公开的实施例可具有多种技术上的优点。例如，公开的最小平方估计技术(从应用于获取的电压上的最小平方准则计算倾斜方位角)提供了一种更精确、噪音更少的倾斜方位角测定。此外，避免了现有技术中存在的相位缠绕问题。

本发明内容的目的是介绍可供选取的构思，其在下面的详细说明中进一步描述。本发明内容既不用于确定要求保护的主题的关键或基本特征，也不用于帮助限制要求保护的范围。

附图说明

为了更加完整地理解公开的主题和其优点，现在参照附图进行以下描述，其中：

图1描绘出可采用电磁测井工具的钻机的一个例子。

图2描绘出图1的电磁测井工具的一个例子。

图3A示意性地描绘出设置在地下井眼中的电磁测井工具。

图3B示意性地描绘出用于限定倾斜方位角的抬升层理面。

图4描绘出一个公开的方法实施例的流程图。

图5A、5B、5C、5D和5E描绘出用于实验检验的电磁测井记录，其中公开的方法实施例被用于在钻井时获得倾斜方位角。

具体实施方式

图1描绘出适于采用这里公开的多种方法实施例的示例性钻机10。半潜式钻井平台12设置在位于海底16下方的油层或气层(未示出)上方。海底管道18从平台12的甲板20延伸至井口装置22。平台可以包括用于升高和降低钻柱30的井架和起重设备，如图所示，所述钻柱30延伸到井眼40中并且包括设置在井底钻具组合(BHA)的下端的钻头32，所述井底钻具组合进一步包括适于井下电磁测井测量的电磁测量工具50(例如)。

应当理解的是，图1示出的布置仅是一个例子。钻柱30大体上可以包括任何合适的井下工具构件，例如，包括诸如旋转导向工具的导向工具、井下遥测系统以及一个或多个MWD或LWD工具，所述MWD或LWD工具包括用于感测井眼和周围的地层的井下特征的多个传感器。公开的实施例并不局限于任何特殊的钻柱构造。

应当进一步理解的是，公开的实施例不限于与图1所示的半潜式平台12一起使用。公开的实施例同样很好地适用于陆上或海上地下操作。此外，应当意识到，术语井眼和井筒可在此相互替代使用。

图2描述电磁测量工具50的一个例子。在描述的实施例中，测量工具50包括定向深探测随钻测井钻具，其包括沿工具本体51轴向间隔开的以52、54、56、58、60和62示出的多个发射器T1、T2、T3、T4、T5和T6以及以64、66、68和69示出的多个接收器R1、R2、R2和R4。在描述的例子中，测量工具50包括轴向的、横向的和倾斜的天线。轴向天线是其偶极矩基本与工具的纵轴平行的一种天线，例如以54示出。轴向天线一般围绕测井工具的圆周缠绕使得天线的平面与工具轴线正交。轴向天线产生与沿工具轴线(常规的z方向)的偶极子相当的辐射型式。横向天线是其偶极矩基本与工具的纵轴垂直的一种天线，例如以62示出。横向天线可包括鞍形线圈(例如在公开号为2011/0074427和2011/0238312的美国专利公开中公开的)并且产生与垂直于工具轴线(常规的x或y方向)的偶极子相当的辐射型式。倾斜天线是其偶极矩既不平行于也不垂直于工具的纵轴的一种天线，例如以68示出。倾斜天线在现有技术中是众所周知的并且一般产生混合模式的辐射型式(即，偶极矩既不平行于也不垂直于工具轴线的辐射型式)。

在图2描绘的具体实施例中，5个发射器天线(T1、T2、T3、T4和T5)是沿工具的轴线间隔开的轴向天线。第6个发射器天线(T6)是横向天线。轴向地位于发射器之间的第一和第二接收器(R1和R2)是轴向天线并且可用于获得传统形式的传播电阻率测量结果。围绕发射器轴向设置的第三和第四接收器(R3和R4)是倾斜天线。这种定向布置(包括倾斜和/或横向天线)在工具50的一个方位角侧产生优先的灵敏度以使地层边界和地下地层的其他特征能得以识别和定位。

应当理解的是，这里公开的方法实施例不限于任何特殊的电磁测井工具结构。图2中的描述仅仅是合适的电磁测井工具的一个例子。也可以采用其它结构。例如，公开号为2011/0133740的美国专利公开(其通过引用全部合并于此)公开的一种模块化电磁工具结构，其可以用于获得深探测定向电阻率数据。这种模块化设计允许发射器和接收器天线被放置于BHA内的多个位置，或BHA上方的钻柱中的多个位置。设置在BHA中的发射器和接收器的数量和结构以及各个模块之间的轴向间隔可以基于地下地层的特性选择。

图3A为描绘包括设置在地下井眼40’中的电磁测量工具50的BHA的示意图。在描述的实施例中，井眼40’以视倾角(视倾角的补角90-δ在图3A中示出)与多个岩层(例如岩层72和74)相交。视倾角可以理解为两个方向之间的角度；(i)以92示出的与边界(或地层)垂直的方向和以94示出的井顶(TOH)方向(与重力矢量在电磁测量工具的横截面上投影相反的方向)并且因此限定出工具轴线(或井眼轴线)和地层边界(例如岩层72和74之间的交界面)的平面之间的角度关系。

倾斜方位角(其也可以被称作视倾方位角)是地层方位并且限定出视倾的方位角(即，相对于基准方向、例如磁北方向倾斜或偏斜的方向)。倾斜方位角也可以理解为钻具转动到使x轴(横过于工具轴线的预定方向)指向倾角矢量的方向(最大倾斜方向)所必须经过的角度。在图3B中倾斜方位角Φ_B被描绘成为北向和倾角矢量96在水平平面98上的投影之间的角度。倾角δ也在图3B中示出。

时变电流(交流电)在一个发射天线(例如T1、T2、T3、T4、T5或T6)中的应用在地层中产生相应的时变磁场。磁场接着在导电地层中感应产生电流(涡电流)。这些涡电流进一步产生可以在一个或多个接收天线(例如接收天线R1、R2、R2和R4)中产生电压响应的次生磁场。如本领域技术人员已知的，可以对在一个或多个接收天线中的测量电压进行处理，以获得次生磁场的一个或多个测量结果，测量结果接着可以被进一步处理以估测各种地层特性(例如电阻率(导电性)、电阻率各向异性、距离远处地层的距离、视倾角和/或倾斜方位角)。

现有技术中具有多种用于计算倾斜方位角的方法。例如，倾斜方位角可以如下估测。倾斜接收器中的测量电压作为传感器方位角(即，工具面角)的函数而变化，例如，如方程1中描述的。

V(f，t，r)＝a₀+a₁cosφ+b₁sinφ+a₂cos2φ+b₂sin2φ  方程1

其中，V(f，t，r)表示特殊的频率、发射器、接收器(f，t，r)组合下的倾斜接收器中的电压，Ф表示工具面角，a₀、a₁、a₂、b₁和b₂表示复合拟合系数(复合意味着每个拟合系数包括实数和虚数分量)。尽管在方程1中没有明确地指出，但应当理解的是，复合拟合系数a₀、a₁、a₂、b₁和b₂也是频率、发射器、接收器组合(f，t，r)的函数。通过将依赖于方位角(工具面角)的信号拟合于井下傅立叶级数，用于每个发射器接收器对(测量阵列)的电压的复合拟合系数可以在工具旋转的同时被求解出。然后，这些复合拟合系数可被用于推算相移和衰减值以及倾斜方位角(在本领域中也称为层理定位角)。

倾斜方位角可以由方程1中给出的电压V的实数和虚数分量估测。这例如可以在数学上表示如下：

$\mathrm{real}\left(V(f,t,r)\right)=\sqrt{\mathrm{real}{\left(\frac{a_1}{a_0}\right)}^2+\mathrm{real}{\left(\frac{b_1}{b_0}\right)}^2}\cos (\mathrm{\φ}-{{\mathrm{\φ}}_B}^{\mathrm{RE}}(f,t,r))$

$\begin{array}{c}\mathrm{imag}\left(V(f,t,r)\right)=\sqrt{\mathrm{imag}{\left(\frac{a_1}{a_0}\right)}^2+\mathrm{imag}{\left(\frac{b_1}{b_0}\right)}^2}\cos (\mathrm{\φ}-{{\mathrm{\φ}}_B}^{\mathrm{IM}}(f,t,r))\\ {{\mathrm{\φ}}_B}^{\mathrm{RE}}(f,t,r)=\arctan \left[\frac{\mathrm{real}\left(b_1\right)}{\mathrm{real}\left(a_1\right)}\right]\\ {{\mathrm{\φ}}_B}^{\mathrm{IM}}(f,t,r)=\arctan \left[\frac{\mathrm{imag}\left(b_1\right)}{\mathrm{imag}\left(a_1\right)}\right]\end{array}$    方程2

其中，real(·)和imag(·)表示指示的自变量的实数和虚数分量，Ф_B表示倾斜方位角(Ф_B ^RE表示倾斜方位角的实数分量，Ф_B ^IM表示倾斜方位角的虚数分量)。

由于倾斜方位角的实数和虚数分量不必然相同(并且通常不相同)，因此这些角度估计值的加权平均可以采用现有技术方法用于获得倾斜方位角。倾斜方位角可以采用每个测量频率下的每个使用的发射器接收器对的各个角度的加权平均进行计算，其例如可以在数学上表示如下：

${\mathrm{\φ}}_i(f,t,r)=\frac{\sqrt{{a^2}_{\mathrm{RE}1}+{b^2}_{\mathrm{RE}1}}}{\sqrt{{a^2}_{\mathrm{RE}1}+{b^2}_{\mathrm{RE}1}}+\sqrt{{a^2}_{\mathrm{IM}1}+{b^2}_{\mathrm{IM}1}}}\arctan \left(\frac{b_{\mathrm{RE}1}}{a_{\mathrm{RE}1}}\right)+\frac{\sqrt{{a^2}_{\mathrm{IM}1}+{b^2}_{\mathrm{IM}1}}}{\sqrt{{a^2}_{\mathrm{RE}1}+{b^2}_{\mathrm{RE}1}}+\sqrt{{a^2}_{\mathrm{IM}1}+{b^2}_{\mathrm{IM}1}}}\arctan \left(\frac{b_{\mathrm{IM}1}}{a_{\mathrm{IM}1}}\right)$

                                              方程3

其中，Ф_i(f，t，r)表示为每个目标频率下每个发射器接收器对计算的倾斜方位角，RE和IM表示方程1中给出的各个复合系数的实数和虚数分量。工具相对于分层的角度可以通过将每个具有相同的对称定向测量对的间隔的发射器接收器对的各个角度进行平均而计算得出。

应当意识到，在求平均值时(由于多个反正切计算)常常需要特别小心以避免发生相位缠绕问题。在求解反正切函数时也可能需要特别小心。由于反正切函数是非线性的，求平均值的这种方法会带来统计偏差。如下面图5A至5E中更详细地描绘的，采用现有技术的方法计算出的倾斜方位角同样趋向于产生噪音。因此，需要提供一种改进的方法用于获得倾斜方位角。

图4描述一种公开的方法实施例100的流程图。包括电磁测量工具(例如图1、2和3中描述的)的钻柱被布置在地下井眼中。目标区域中的定向电阻率数据(例如在井眼的预定区域中，在该区域需要估测倾斜方位角)在方框102中获得。获得的数据可以包括来自至少一个测量阵列(即，与具有至少一个接收天线的接收器间隔开的具有至少一个发射天线的发射器)的传感器数据。测量阵列基本可以包括产生交叉耦合分量的任何合适的发射器和接收器天线。

获得的数据可以包括电压张量中的至少一个交叉耦合分量(例如V_xz和V_zx)。例如，当采用定向发射器和接收器布置时，获得的数据可以包括来自以下电压张量的选取的交叉耦合分量：

$V=\left(\begin{array}{ccc}{V}_{\mathrm{xx}}& V_{\mathrm{xy}}& V_{\mathrm{xz}}\\ V_{\mathrm{yx}}& V_{\mathrm{yy}}& V_{\mathrm{yz}}\\ V_{\mathrm{zx}}& V_{\mathrm{zy}}& V_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)$

其中，第一个标记(x，y或z)表示发射器偶极子，第二个标记表示接收器偶极子。按照惯例，x和y标记表示横向力矩，而z标记表示轴向力矩。当然，公开的实施例不局限于任何特殊的约定。它们也不局限于采用完全轴向或完全横向的发射器和/或接收器天线。实际上，以下更加详细描述的所选实施例使用一个或多个倾斜的发射器或接收器天线。在这种实施例中，接收天线中的测量电压包括直接和交叉耦合分量。

获得的数据也可以包括从天线耦合中得到的多个测量结果。这些测量结果可以包括，例如，对称定向振幅和对称定向相位(USDA和USDP)，不对称定向振幅和不对称定向相位(UADA和UADP)，谐波电阻率振幅和谐波电阻率相位(UHRA和UHRP)和谐波各向异性振幅和谐波各向异性相位(UHAA和UHAP)。这些参数对本领域技术人员来说是已知的并且可从天线耦合中推导得出，例如如下：

$\mathrm{USDA}=20{\log }_{10}(\frac{V_{\mathrm{zz}}-V_{\mathrm{zx}}}{V_{\mathrm{zz}}+V_{\mathrm{zx}}}\·\frac{V_{\mathrm{zz}}+V_{\mathrm{xz}}}{V_{\mathrm{zz}}-V_{\mathrm{xz}}})$

$\mathrm{USDP}=-\mathrm{angle}(\frac{V_{\mathrm{zz}}-V_{\mathrm{zx}}}{V_{\mathrm{zz}}+V_{\mathrm{zx}}}\·\frac{V_{\mathrm{zz}}+V_{\mathrm{xz}}}{V_{\mathrm{zz}}-V_{\mathrm{xz}}})$

$\mathrm{UADA}=20{\log }_{10}(\frac{V_{\mathrm{zz}}-V_{\mathrm{zx}}}{V_{\mathrm{zz}}+V_{\mathrm{zx}}}\·\frac{V_{\mathrm{zz}}+V_{\mathrm{xz}}}{V_{\mathrm{zz}}-V_{\mathrm{xz}}})$

$\mathrm{UADP}=-\mathrm{angle}(\frac{V_{\mathrm{zz}}-V_{\mathrm{zx}}}{V_{\mathrm{zz}}+V_{\mathrm{zx}}}\·\frac{V_{\mathrm{zz}}+V_{\mathrm{xz}}}{V_{\mathrm{zz}}-V_{\mathrm{xz}}})$

$\mathrm{UHRA}=20{\log }_{10}\left(\frac{-2V_{\mathrm{zz}}}{V_{\mathrm{xx}}+V_{\mathrm{yy}}}\right)$

$\mathrm{UHRP}=-\mathrm{angle}\left(\frac{-2V_{\mathrm{zz}}}{V_{\mathrm{xx}}+V_{\mathrm{yy}}}\right)$

$\mathrm{UHAA}=20\log \left(\frac{V_{\mathrm{xx}}}{V_{\mathrm{yy}}}\right)$

$\mathrm{UHAP}=-\mathrm{angle}\left(\frac{V_{\mathrm{xx}}}{V_{\mathrm{yy}}}\right)$

上述所列不代表详尽。其它导出参数同样也可以在方框102中获得。

继续参照图4，可以对电压测量结果进行处理(例如通过井下处理器)以在方框104获得最小平方，接着在方框106结合各个复合拟合系数进一步处理以获得倾斜方位角。这种处理例如可以根据以下的数学方程进行。当电磁测量工具在井眼中转动时，接收到的电压随着工具面角周期性地变化，例如，如下：

V_n＝b_ncosφ+c_nsinφ    方程4

其中，V_n表示特殊的发射器接收器对和频率n下的倾斜接收器中的电压(即，特殊的测量结果)，Ф表示工具面角，b_n和c_n如下使用方程1中的复合拟合系数限定：

$b_n=\frac{a_1(f,t,r)}{a_0(f,t,r)}$

$c_n=\frac{b_1(f,t,r)}{a_0(f,t,r)}$

应当理解的是，方程4表示的是描述接收器电压随着工具旋转产生的周期振荡的一阶周期方程。也可以采用包括高阶项(例如包括如上述方程1中给出的二阶项)的方程。公开的实施例不局限于此。

方框104中的处理可以包括计算一个或多个电压测量结果n的残差的平方的加权和L，例如如下：

$L=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n{\left|V_n\right|}^2=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n{|b_n\cos \mathrm{\φ}+c_n\sin \mathrm{\φ}|}^2$         方程5

其中，w_n表示分配给每个电压测量结果(即，分配给特殊频率、发射器接收器组合的每个n)的统计权重。L的角关系可以通过如下展开而简化：

方程6

它可以进一步简化成：

L＝P+Qcos2φ+R sin2φ         方程7

其中

$P=\frac{1}{2}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n[{\left|b_n\right|}^2+{\left|c_n\right|}^2]$

$Q=\frac{1}{2}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n[{\left|b_n\right|}^2-{\left|c_n\right|}^2]$

$R=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n\mathrm{real}\left({b_n}^{*}{c}_n\right)$

实数Q和R可以如下表示：

Q＝S cos 2α

R＝S sin 2α

其中

$S=\sqrt{Q^2+R^2}$

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\arctan 2(R,Q)\∈[-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2}]$

因此，L可以用P、S和α表示如下：

L＝P+S cos2(φ-α)       方程8

可以容易地意识到，当Ф＝αmodπ时L的值达到最大值P+S，而当Ф＝(α+π/2)modπ时L的值达到最小值P-S。方程8与上面的方程2相比进一步表明方程8中的α表示倾斜方位角Ф_B的最小平方估值。因此，方框104中的处理进一步包括计算系数P、Q、R和S并且例如采用方程8计算倾斜方位角α。

如下面更详细地描述，这种最小平方估值(通过使获得的电压的平方残差的加权和最小化而计算倾斜方位角)提供更精确、噪音更少的估测的倾斜方位角。此外，仅仅在过程结束时计算一次反正切函数由此避免相位缠绕。

例如可以通过对获得的倾斜方位角的置信区间(例如，误差条)进行计算而执行测井质量控制。在方程7中，Q和R可以作为|b_n|²-|C_n|²和real(b_n ^*c_n)的加权平均值进行处理，从而可对Q和R中的标准偏差进行计算。这种标准偏差可以被认为表示Q和R中的置信区间(以ΔQ和ΔR标记)并且可以被用于计算倾斜方位角的置信区间2Δα，例如如下：

$2\mathrm{\Δ\α}=\frac{1}{R^2+Q^2}(Q\·\mathrm{\ΔR}-R\·\mathrm{\ΔQ})$      方程9

然后可以计算倾斜方位角的置信区间的上下边界，例如如下：

errhi＝α+abs(Δα)

errlo＝α-abs(Δα)       方程10

errlo值和errhi值表示置信区间的上、下边界。如本领域技术人员可理解的，范围越小(errlo值和errhi值彼此越接近)，计算的倾斜方位角的准确性越好。

可以理解的是，以上描述的最小平方估测方法基本上可以被应用于任何电磁测井测量以获得倾斜方位角。例如，电磁测量基本上可以在任何合适的电磁辐射频率(例如100、400和/或2000kHz)下进行。此外，电磁测量基本上可以采用利用基本上任何合适的测量阵列产生的任何合适的发射器接收器交叉耦合分量。例如，倾斜方位角可以采用使用轴向发射器以及倾斜和/或横向接收器、横向发射器以及轴向和/或倾斜接收器，和/或倾斜发射器和轴向接收器获得的测量结果进行计算。测量阵列中的发射器和接收器在电磁测量工具本体或井底组件上可以进一步具有基本上任何合适的轴向间距。公开的实施例明显不局限于此。

可以理解的是，公开的方法同样很好地应用于电偶极子天线，例如，与纽扣电极接收器连接的电偶极子发射器。

现在参照图5A、5B、5C、5D和5E中的以下非限制性例子进一步详细地描述公开的实施例。图5A描述电磁测井测绘衰减(ATT)随井眼深度的变化情况。在轨迹中的两条曲线绘制出作为深度的函数的对称202和非对称204衰减值。

图5B描绘了倾斜方位角(DANG)212随井眼深度的变化。倾斜方位角通过采用上面参看方程1至3描述的现有技术的方法得到的电磁测量结果而获得。注意的是，采用现有技术方法获得的计算的倾斜方位角是有噪音的，特别在大约7000至大约8500英尺的深度下。在井眼的这个区域内，倾角从大约-40度至大约40度变化。

图5C同样描绘出倾斜方位角(DANG)222随井眼深度的变化。图5C中绘制的倾斜方位角通过采用上面参看图4和方程4至8描述的本公开的方法得到的电磁测量结果而获得。通过比较图5B和5C可以容易地发现，采用本公开的最小平方法获得的倾斜方位角明显更加稳定并且在特定深度下的噪音小于正负2度。

图5D描绘了倾斜方位角222随着井眼深度的变化以及上误差条224和下误差条226。在更深的井眼深度(深度大于大约7500英尺)下，三条曲线222、224和226基本彼此重叠，表示获得的倾斜方位角具有高度的精确性(窄的置信区间)。在较浅的深度下(例如在少于大约7000英尺的深度下)，范围增加至大约30度，表示在那个区域中具有较大的不确定性，但仍然比图5B中描述的现有技术控制中的噪音小得多。

图5E再次描绘出倾斜方位角232随井眼深度的变化。在图5C中，采用本公开的方法实施例计算的倾斜方位角包括具有无意义值(由于在特殊深度下的高度不确定性)的稍微大的尖峰(例如在234处)。这些尖峰在图5E中被移除。注意到剩余的测井记录提供稳定的、精确的倾斜方位值而噪音通常少于正负5度。

可以理解的是，用于获得倾斜方位角的电磁方法通常在电子处理器(例如通过计算机处理器或微控制器、ASIC、FPGA、SoC等等)上实施。具体地讲，描述的函数、方法和/或步骤可以根据公开的实施例实施，任何这些函数和/或所有这些函数可以采用自动的或计算机化的过程实施。对于现有技术中的普通技术人员来说可以意识到这里描述的系统、方法和过程可以在可编程的计算机、计算机可执行软件或数字电路中实施。软件可以存储在计算机可读介质上，例如非暂时性计算机可读介质。例如，计算机可读介质可以包括软盘、RAM、ROM、硬盘、可移动媒介、闪存、记忆棒、光学媒介、磁光介质、CD-ROM等等。数字电路可以包括集成电路、门阵列、逻辑结构、现场可编程门阵列(FPGA)等等。公开的实施例决不局限于任何特殊的计算机硬件和/或软件布置。

在特定的实施例中，有利的是可以在井下处理器上实施本公开的用于计算倾斜方位角的方法。对于井下处理器来说，它是指布置在钻柱(例如在BHA中的电磁测井工具或其它地方)中的电子处理器(例如，微处理器或数字控制器)。在这些实施例中，计算的倾斜方位角可以存储在井下存储器中和/或在钻井时通过已知的遥测技术(例如泥浆脉冲遥测或有线钻杆)传送到地面。当传送到地面时，倾斜方位角可以进一步被处理以获得随后的钻井方向或随后的用于在地质导向应用中引导钻井的导向工具设置。在可选实施例中，倾斜方位角可以采用地面处理器(地面计算机)以及存储在工具存储器中的电磁测量数据或通过处理初始电压和/或在钻井操作期间传送至地面的拟合系数在地面进行计算。公开的主题并不局限于此。

虽然已经详细描述了获得倾斜方位角的电磁方法及其特定的优点，但是应当理解的是，在这里可以有多种变化、替代和更替而不脱离由所附的权利要求限定的本公开的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于从井下电磁测量结果计算倾斜方位角的方法，该方法包括：

(a)由至少一个测量阵列获取地下井眼中的电磁测量数据；

(b)使处理器对在步骤(a)中获取的电磁测量数据进行处理，以获得最小平方系数；并且

(c)使处理器对最小平方系数进行处理，以获得倾斜方位角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)中采用具有倾斜接收器天线的测量阵列获取电磁测量数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)中采用具有轴向或横向发射器天线的测量阵列获取电磁测量数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)中获取的电磁测量数据包括在相应的多个测量阵列处获取的多个电压测量结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过使所述多个电压测量结果的平方的加权平均最小化而获得倾斜方位角。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，根据以下方程计算平方残差的最小平方加权和：

$L=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n{\left|V_n\right|}^2$

其中，L表示平方残差的加权和，V_n表示多个电压测量结果n，w_n表示分配给所述多个电压测量结果n中的每一个的统计权重。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，处理器对平方残差的最小平方加权和以及在步骤(a)中获取的电压信号的多个复合拟合系数进行处理，以获得步骤(c)中的倾斜方位角。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，根据以下方程在步骤(c)中计算倾斜方位角：

L＝P+S cos2(φ-α)

其中，L表示平方残差的加权和，α表示倾斜方位角，Φ表示工具面角，P和S表示复合拟合系数的加权平均值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，复合拟合系数的加权平均值P和S根据以下方程计算：

$P=\frac{1}{2}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n[{\left|b_n\right|}^2+{\left|c_n\right|}^2]$

$S=\sqrt{Q^2+R^2}$

其中： $Q=\frac{1}{2}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n[{\left|b_n\right|}^2-{\left|c_n\right|}^2]$

$R=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_k\mathrm{real}\left(b_n{c}_n\right)$

其中，w_n表示分配给在步骤(a)中获取的多个电压测量结果n中的每一个的统计权重，b_n和c_n表示用于所述多个电压测量结果中的每一个的复合拟合系数。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，根据以下方程计算倾斜方位角：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\arctan 2(R,Q)\∈[-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2}]$

其中，α表示倾斜方位角，Q和R表示在步骤(a)中获得的多个电压测量结果的最小平方系数。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

(d)使处理器计算在步骤(c)中获得的倾斜方位角的置信区间。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，置信区间根据以下方程计算：

$2\mathrm{\Δ\α}=\frac{1}{R^2+Q^2}(Q\·\mathrm{\ΔR}-R\·\mathrm{\ΔQ})$

其中，2Δα表示置信区间，R和Q表示在步骤(a)中获得的多个电压测量结果的最小平方系数，ΔR和ΔQ表示R和Q的标准偏差。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，置信区间的上、下边界根据以下方程计算：

errhi＝α+abs(Δα)

errlo＝α-abs(Δα)

其中，errhi和errlo表示置信区间的上、下边界，α表示在步骤(c)中获得的倾斜方位角。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)和(c)中的所述处理采用井下处理器实施。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：

(d)将获得的倾斜方位角传送至地面位置。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

(e)在表面位置进一步处理倾斜方位角，以获得用于地下井眼的随后的钻井方向。

17.一种测井工具，包括：

用于获取地下井眼中的电磁测量数据的至少一个测量阵列；和

用于对电磁测量数据进行处理以获得用于确定倾斜方位角的最小平方系数的处理器。

18.根据权利要求17所述的测井工具，其中，电磁测量数据包括通过所述至少一个测量阵列获得的多个电压测量结果，并且倾斜方位角通过使所述多个电压测量结果的平方的加权平均最小化进行确定。

19.根据权利要求18所述的测井工具，其中，根据以下方程计算平方残差的最小平方加权和：

$L=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{w}_n{\left|V_n\right|}^2$

其中，L表示平方残差的加权和，V_n表示所述多个电压测量结果n，w_n表示分配给所述多个电压测量结果n中的每一个的统计权重。

20.根据权利要求19所述的测井工具，其中，处理器处理平方残差的最小平方加权和以及电压测量结果的多个复合拟合系数，以确定倾斜方位角。