CN105229261A - 用于地质导向的装置和方法 - Google Patents

Abstract

各种实施方案包括用于生成地质信号响应的装置和方法。可生成包括来自所采集的信号的XX耦合分量与YY耦合分量之间的变化的确定的表示的地质信号响应。在测录钻具位于具有对称电阻率剖面的层状地层的钻探条件下，此类地质信号可用于5解决常规地质导向中遇到的“盲点”问题。公开了附加的装置、系统和方法。

Description

用于地质导向的装置和方法

技术领域

本发明通常涉及用于进行与油和气体勘探相关的测量的装置和方法。

发明背景

在用于油和气体勘探的钻井中，应当理解，相关联的地质地层的结构和特性提供了有助于这种勘探的信息。此外，采集最优井眼位置对于增加最大化的油开采可能是至关重要的。方位角定向电磁(EM)电阻率钻具已被实施来主动地调节钻孔位置，使得可实现最优井计划。这种钻具的相关应用是地质导向，地质导向是对调节钻探方向的有意控制。地质信号是可用于地质导向的信号或表示。方位角地质信号响应可用于实时引导井路径取向，以及将所述井导向期望的地层区域。众所周知，在测录钻具位于具有对称电阻率剖面的层状地层介质的钻探条件下，用于地质导向的现有方位角EM钻具遭遇“盲点”问题。在这种情况下，目前(常规)定向EM钻具的地质信号响应对这种层状地层效应非常敏感，使得岩石物理学家可能基于常规的地质信号而曲解地层地质。极其困难的地层情况的实例包括：钻具位于对称的3层地层电阻率剖面的中间层中，其中中间层比上层和下层两者具有更高的电阻率值。在该钻探条件下，地质信号非常弱，且岩石物理学家可能会留下以下错误印象：钻具在均匀的地层介质中进行钻探。

WO2011/129828Al讨论了包括用于相对于测井进行处理和地质导向的装置和方法的各种实施方案。方法和相关联的装置可包括采集从操作在井的钻孔中旋转的钻具而生成的信号，其中钻具包括相对于钻具的纵轴倾斜的接收器天线和两个传输器天线。可相对于钻具的旋转方向而处理所采集的信号，以确定与地层相关联的特性和/或确定用于对钻探操作进行地质导向的地质信号。WO2011/129828Al包括讨论将所采集的信号转换成耦合分量。

美国专利公开号2008/0078580涉及用于使用单个钻具执行矿床边界(bedboundary)检测和方位角电阻率测录的系统和方法。一些方法实施方案包括：使用方位角敏感的电阻率测录钻具来测录钻孔；从所述钻具提供的测量得到电阻率测录和边界检测信号两者；以及显示边界检测信号和电阻率测录中的至少一个。电阻率测录测量可以是补偿测录，即从一个或多个对称的传输器-接收器布置进行的测量导出测录。虽然对称布置还可用作边界检测信号的基础，但是可使用非对称布置获得更大探测深度。因此，边界检测信号可以是未经补偿的。

附图简述

图1示出根据各种实施方案的具有可在钻孔中操作以确定地层特性的钻具结构的实例装置的实施方案的框图。

图2示出根据各种实施方案的多分量电磁测录钻具的实例天线配置的表示。

图3示出根据各种实施方案的可操作为方位角深电阻率传感器的钻具。

图4A至图4B示出根据各种实施方案的三层地层，其具有沿三层地层中的路径进行操作的图2的钻具配置的对称电阻率结构和地质信号相位响应。

图5A至图5B示出根据各种实施方案的不具有沿三层地层中的路径进行操作的图2的钻具配置的对称电阻率结构和地质信号相位响应的三层地层。

图6A至图6C示出根据各种实施方案的与图3A的地层模型中图3的钻具配置中的传输器T6和接收器R1相关联的磁场响应。

图7A至图7C示出根据各种实施方案的与图4A中的地层模型中的XX分量和YY分量相关联的磁场响应。

图8示出根据各种实施方案的配备有倾斜接收器和倾斜传输器的天线系统的配置。

图9示出根据各种实施方案的钻具面元位置及对应方位角的配置。

图10示出根据各种实施方案的配备有倾斜传输器和倾斜接收器两者的电磁钻具的配置。

图11A至图11B示出根据各种实施方案的图6A的地层模型中的图10中的第一种钻具配置的地质信号响应。

图12A至图12B示出根据各种实施方案的图6A的地层模型中的图10中的第二种钻具配置的地质信号响应。

图13A至图13B示出根据各种实施方案的图6A的地层模型中的图10中的第一种钻具配置的地质信号图像。

图14A至图14B示出根据各种实施方案的图6A的地层模型中的图10中的第二种钻具配置的地质信号图像。

图15A至图15D示出根据各种实施方案的可操作以采集补偿地质信号响应的天线配置。

图16示出根据各种实施方案的用于相对于地质信号进行钻探相关的活动的实例方法的特征。

图17描绘了根据各种实施方案的可操作以在钻孔中进行测量并处理测量信号以相对于地质信号进行钻探相关的活动的实例系统的特征的框图。

图18描绘了根据各种实施方案的在钻探位置处的系统的实施方案，其中系统包括可操作以相对于地质信号进行钻探相关的活动的测量钻具和处理单元。

具体实施方式

以下详述涉及通过举例而非限制的方式示出可实践本发明的各种实施方案的附图。用充分的细节描述这些实施方案，以使得本领域的技术人员能够实践这些和其它实施方案。可利用其它实施方案，且可对这些实施方案做出结构、逻辑和电气变化。各种实施方案不一定相互排斥，因为一些实施方案可与一个或多个其它实施方案组合以形成新的实施方案。因此，以下详述不应当视为具有限制意义。

对地质导向的控制可基于井下测录测量以增加钻孔对含碳氢化合物地层(“产油带”)的暴露。这种地质导向可用于将井眼维持在提供作为具有经济价值的来源的材料的区域内。地质信号的能力在进行地质导向以优化井位以便于最大油回收方面是有用的。指示井下钻探钻具的方向的地质信号能够检测边界。此外，地质信号可用于计算到矿床边界的距离。如本文中所讨论的装置和处理方案允许地质信号的生成。

图1示出具有可在钻孔中操作以确定地层特性的钻具结构105的装置100的实施方案的框图。钻具结构105包括沿钻具105的纵轴107的传感器110-1、110-2…110-(N-1)、110-N的布置。每个传感器110-1、110-2…110-(N-1)、110-N可相对于纵轴107倾斜。倾斜传感器是以选定角度被放置在钻具结构105上的一个传感器，所述选定角度大于与附接地放置成平行于或垂直于纵轴107的传感器相关联的公差角度。术语“倾斜”指示传感器的平面不垂直于纵轴107。倾斜角度可以从纵轴107到传感器平面法线进行测量，并且可被称为小于90°的正角或负角。通常，倾斜角度的范围在5°到85°的绝对值内。传感器的布置可包括具有倾斜角度的传输传感器和接收传感器中的一个或多个组合。传输传感器和接收传感器的配置可形成对称的传感器钻具。

钻具结构105可包括对称布置的一组或多组传输传感器和接收传感器以及不对称布置的一组或多组传输传感器和接收传感器。对称和非对称布置可通过选择性地控制用于传输的传感器110-1、110-2…110-(N-1)、110-N中的选定一个和用于接收的传感器110-1、110-2…110-(N-1)、110-N中的选定一个而实现。对称的传感器钻具的操作允许结构补偿以生成可被处理以确定地层参数的补偿信号。处理与生成选择信号相关而接收的选择信号可产生地质信号，该地质信号可用于在线缆应用和随钻测量(MWD)应用(诸如随钻测录(LWD)应用)二者中为地层的各向异性测量和精确估算提供精确读数。

在各种实施方案中，如本文教导的传感器的布置可包括使用各种传感器。例如，传输传感器和接收传感器两者可以是天线。传感器可被实现为线圈、螺线管、磁力计或其它类似传感器中的一个。在线圈传感器的情况下，倾斜角度可通过成角度缠绕线圈而产生。在螺线管的情况下，核心的仰角可被调节用于期望的倾斜角度。在磁力计的情况下，设备可以期望的倾斜角度安装在钻具结构105上或钻具结构105中。

装置100可包括控制单元120，其管理传输信号的生成和与传输信号对应的接收信号的收集。控制单元120可被结构化成可操作以选择传感器110-1、110-2…110-(N-1)、110-N中的特定一个作为传输传感器和接收传感器，以形成对称的传感器钻具。控制单元120可控制所选择的传输传感器的启动(firing)和来自所选择的接收传感器的信号的采集，使得测量信号可用于生成与本文教导的耦合分量相关的补偿信号。传感器的启动意指来自传感器的传输信号的生成。传输信号的生成可被执行以提供不同频率的信号。不同频率中的每一个可与不同的传输传感器相关联。所收集的接收信号可以适当格式被提供到处理单元130，以对从在传感器110-1、110-2…110-(N-1)、110-N的布置中的接收传感器处采集的信号生成的数据执行数值反演。

处理单元130可被结构化来处理测量信号，以生成地质信号。可根据本文讨论的各种实施方案来执行用于生成地质信号的方案。处理单元130可应用反演过程以生成地层参数。执行一个反演运算或多个反演运算可包括使用正演模型和/或库。正演模型为传感器响应提供一组数学关系式，传感器响应可被应用来确定所选择的传感器将在特定环境(其可包括特定地层)中测量何物。库可包括关于各种地层特性的信息，所述地层特性可与对选择的探测信号的测量响应相关。执行一个反演运算或多个反演运算可包括执行迭代过程或执行模式匹配过程。

处理单元130可被结构化来处理测量信号以生成地质信号。这些地质信号可基于XX耦合分量和YY耦合分量的敏感度。也可生成基于XZ耦合分量和ZX耦合分量的地质信号。钻探操作诸如(但不限于)地质导向可使用基于XX耦合分量和/或YY耦合分量的敏感度的地质信号来进行。使用基于XX耦合分量和YY耦合分量的敏感度的地质信号可包括结合基于XZ耦合分量和/或ZX耦合分量的地质信号的估算。处理单元130可被布置成独立于控制单元120的单元或与控制单元120集成的单元。处理单元130和控制单元120中的每一个或二者可被构造成分布式部件。

在各种实施方案中，具有处理单元130或控制单元120和处理单元130的组合的测量钻具105可被布置来确定并生成包括XX耦合分量和YY耦合分量两者的敏感度的XX耦合分量和YY耦合分量，以区分“盲点”和均匀介质中的常规工具的零位信号。XX耦合分量和YY耦合分量的敏感度可通过以下方式提供：通过处理以解耦使钻具105的接收传感器处接收到的信号与钻具105的传输传感器传输的信号相关的耦合矩阵的耦合分量；通过直接提供解耦的XX耦合分量和YY耦合分量的传输传感器和接收传感器的布置；或通过使用有限的处理而提供XX耦合分量和YY耦合分量的传输传感器和接收传感器的布置。可根据耦合分量的不同组合来生成利用XX敏感度和YY敏感度来解决“盲点”问题的不同地质信号。这种组合可包括(但不限于)生成可包括XX耦合分量与YY耦合分量之间的变化的确定的算术平均数，或可包括XX耦合分量与YY耦合分量之间的变化的确定的几何平均数或本文教导的其它组合。对变化或变化量的确定可用于识别不同地层之间的边界。

在各种实施方案中，处理技术连同配备有倾斜传输器和倾斜接收器两者的EM钻具可被实施来提供地质信号。地质响应可被利用来在无法被常规的方位角EM钻具解决的若干种情况下区分地层模型。新的技术可消除“盲点”问题，且更好地辅助岩石物理学家基于对特定方位角取向敏感的各种地质信号响应来理解地层的地质。这些技术可满足先进的地质导向应用中的特定需求。

图2示出用于多分量电磁测录钻具的天线配置200。对多分量电磁测录钻具的这种配置的讨论可在国际公开号WO2011/129828中找到。接收器线圈中的磁场h可用传输器处的磁矩m和耦合矩阵C表示为：

h＝Cm(1)

方程式(1)可表达为：

$\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\\ H_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{xx}& C_{xy}& C_{xz}\\ C_{yx}& c_{yy}& C_{yz}\\ C_{zx}& c_{zy}& C_{zz}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中M_X、M_Y和M_Z是分别由传输器T_X、T_Y和T_z发射的传输信号的磁矩。H_X、H_Y和H_Z是与分别在接收器天线R_X、R_Y和R_z处的接收信号成比例的磁场。对于图2的天线配置，当天线被启动且信号在三个接收器中的每一个处分别被测量时，可获得九个绝对或差分测量。这九个测量实现对完整的耦合矩阵C的确定。耦合矩阵C具有分量，其中I是接收器R_X、R_Y和R_z的指数，J是接收器T_X、T_Y和T_z的指数，a_IJ是由钻具设计确定的常系数，是表示由接收器I响应于传输器J的启动而测量的信号幅度和相位偏移的耦合分量。

图3示出可操作为方位角的定向电阻率EM钻具的钻具305。钻具配置305可被操作以提供方位角的深感测。在具有倾斜接收器(R1、R2和R3)的情况下，钻具配置实现方位角的敏感测量。钻具305进行的测量与图2中的和耦合分量相关联，从而在钻探操作期间旋转钻具时提供方位角电阻率和地质信号响应来检测岩床边界。钻具305的配置和操作在美国专利公开号2008/0078580中被讨论。钻具305可获取在许多离散方向(称为面元或面元方向)上的测量，从而允许许多不同的探测深度确定到多个岩床边界的距离和方向。例如，钻具305可被布置有传输器和接收器以使用32个离散方向和14个不同的探测深度。然而，与钻具305类似的钻具的其它布置可使用多于或少于32个离散方向和/或多于或少于14个不同的探测深度。

钻具305包括传输器T1-T6和倾斜接收器R1-R3以测量敏感度，其可被结构化成通过启用不同的传输器连同选择适当的倾斜接收器来收集来自启用不同传输器的响应而提供方位角电阻率阵列。相对于倾斜接收器以不同距离间隔开的传输器允许对从包括相对深的探测的钻具305不同距离处的地层的探测。钻具305提供的更深读数可提高反应时间，允许增加的钻探速度。倾斜传感器的布置还提供用于方位角测量。方位角读数可提供用于推导各向异性电阻率值、R_h(水平)和R_v(垂直)和倾角。方位角测量可针对许多面元进行。面元的数量可被设置为32个面元。面元的数量可被设为另一个数字。

钻具305的传输器和接收器可被间隔，以提供一组分隔距离。例如，上部传输器与中央倾斜接收器以与下部传输器间隔中央倾斜接的相同距离间隔开。这样的配置提供可被分组以提供多个子阵列的传感器的对称布置。示例性分隔距离可包括16英寸、32英寸和48英寸的分隔距离。可使用其它分隔距离。此外，存在可被使用且不在对称布置中的分隔距离，该分隔距离诸如将上部传输器和下部传输器与远程倾斜接收器R3结合使用，这样可提供更长的分隔距离。此外，可在一组不同的频率下操作钻具305。例如，钻具305可在包括(但不限于)2MHz、500KHz和125KHz的频率下进行操作。

然而，存在将地质响应用于若干地层模型(尤其针对具有对称电阻率结构的层状模型)的问题。考虑三层地层模型。图4A示出在三层地层模型中沿路径407进行钻探的图3的钻具，其中上层和下层可具有1Ω·m的低电阻率，以及中间层具有20Ω·m的高电阻率。图4B显示针对钻具的高边方向的对应地质信号相位响应441以及针对低边方向的对应地质信号相位响应442。高边方向(图9中示出)描述钻具的面指向具有0°方位角的表面，然而低边方向是与高边方向相反的180°。如在图4A至图4B中示出，当钻具位于15英尺的真实垂直方向(TVD)时，地质信号相位变成零位，无论钻探倾角如何。在该情况下，由于细微的地质信号响应而导致岩石物理学家可能将地层地质视为均匀介质。

如果最下层电阻率变为5Ω·m(如图5A中示出)，则发生类似情况，其中图3的钻具在三层地层中沿路径507进行钻探。图5B显示针对钻具的高边方向的对应地质信号相位响应541和针对低边方向的对应地质信号相位响应542。在图5A至图5B中大约12英寸的TVD处，对应地质信号相位保持零位，这与均匀地层情况的响应类似。如可从有关图3的钻具的这些附图看到，无论电阻率如何，存在地质信号(或相当于)在中间层比其它层更具电阻性的三层场景中变成零位的“盲点”。其它示例性地层(诸如在具有高-低-高序列或低-高-低序列的电阻率剖面的三层场景或多层场景中，中间层比上层和下层更具导电性)可在常规的LWD方位角定向电阻率EM钻具的地质信号响应中创建这样的“盲点”。

如上所述，目前在商业用途中的方位角定向电阻率EM钻具的地质信号响应与和耦合分量相关联，以及方位角敏感度仅与耦合分量相关(参见国际公开号WO2011/129828)。图6A示出地层模型，其中图6B示出磁场的实部，以及图6C是使用图3的传输器T6和接收器R1的磁场的虚部。图6B至图6C示出关于ZX耦合分量和ZZ耦合分量的磁场的建模响应。曲线641和曲线643用于H_ZX且曲线642和曲线644用于H_ZZ。地层模型被设置成与图4A的相同，但是具有恒定相对倾角89°。如在图6B至图6C中描绘，当钻具位于地层模型的中间(15英尺处的TVD)时，H_ZX耦合分量变得非常小。结果，方位角定向电阻率EM钻具在遭遇此类地层模型时失去方位角敏感度。确实，其它类型的对称层状地层模型可在某个深度位置处发出无用的地质信号，使得引发有关常规地质导向应用的模糊性问题。

为了解决地质信号应用中的上述模糊性，本文介绍了新的地质信号响应。如图6B至图6C中示出，ZX耦合分量在地层模型的中间失去敏感度(确实，XZ耦合分量将与ZX类似)，以及ZZ耦合分量无法用于提供方位角敏感度。因此，两个耦合分量被引入地质信号响应中；即，XX耦合分量和YY耦合分量。

图7A示出与图6A相同的地层模型，以及在图7B至图7C中使用相同的频率和天线间隔(图3的传输器T6和接收器R1)。图7B至图7C示出与XX耦合分量和YY耦合分量相关联的H场响应。曲线741和曲线743用于H_XX，以及曲线742和曲线744用于H_YY。在理论上，XX和YY的耦合分量在均匀地层模型中是相同的。如图7B至图7C中示出，磁场的XX与YY之间总是存在间隔，且因此这种间隔可用于解决上述模糊性。这些间隔的距离的增加可用于识别具有不同电阻率的地层之间的边界。

在国际公开号WO2011/129828中讨论了图8中的倾斜传输器和倾斜接收器配置800，其中配置800可操作以在LWD测录钻具中提供XX耦合分量和YY耦合分量。在图8中，在相对于传输器(T)的启动而在接收器(R)处接收到的信号可表达为方程式(3)。

$V_R^T\left(\mathrm{\β}\right)=(\frac{C_{xx}}{2}-\frac{c_{yy}}{2})\cos 2\mathrm{\β}+(C_{xz}+C_{zx})\cos \mathrm{\β}+(C_{zz}+\frac{C_{xx}}{2}+\frac{c_{yv}}{2})---\left(3\right)$

其中

$C_{xx}=V_x^x{\mathrm{sin\θ}}_r{\mathrm{sin\θ}}_r;C_{xy}=V_y^x{\mathrm{sin\θ}}_t{\mathrm{sin\θ}}_r;C_{xz}=V_z^x{\mathrm{sin\θ}}_t{\mathrm{cos\θ}}_r$

$C_{yx}=V_x^y{\mathrm{sin\θ}}_r{\mathrm{sin\θ}}_r;C_{yy}=V_y^y{\mathrm{sin\θ}}_t{\mathrm{sin\θ}}_r;C_{yz}=V_z^y{\mathrm{sin\θ}}_t{\mathrm{cos\θ}}_r.$

$C_{zx}=V_x^z{\mathrm{cos\θ}}_r{\mathrm{sin\θ}}_r;C_{zy}=V_y^z{\mathrm{cos\θ}}_t{\mathrm{sin\θ}}_r;C_{zz}=V_z^z{\mathrm{cos\θ}}_t{\mathrm{cos\θ}}_r$

此外，在美国专利公开号2008/0078580中介绍了两种地质信号定义(V_Geo1和V_Geo2)；第一种地质信号由以下方程式定义

$V_{Geo1}\left(i\right)\≡\frac{V_R^r\left({\mathrm{\β}}_i\right)}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{V}_R^T\left({\mathrm{\β}}_i\right)},i=1,...,N---\left(4\right)$

且另一种表达为

$V_{Geo2}\left(i\right)\≡\frac{V_R^T\left({\mathrm{\β}}_i\right)}{V_R^T\left({\mathrm{\β}}_j\right)},i=1,...,N---\left(5\right)$

其中i是旋转钻具的面元号的指数，β_i是从高边到具有如图9示出的指数i的面元的对应方位角，β_j是与面元i的方位角方向相反的面元j的方位角，且N是图9中的面元总数。

考虑图10中的天线设计1000。在对称天线结构的情况下，可补偿方程式(4)和方程式(5)中描述的地质信号响应。在使用与图6A相同的钻探条件的情况下，在图11A和图11B中分别示出在四个不同钻具方位角(0°、90°、180°和270°)的第一种地质信号V_Geo1的补偿地质信号相位响应和衰减响应。曲线1141是用于0°方位角。曲线1142是用于90°方位角。曲线1143是用于180°方位角。曲线1144是用于270°方位角。曲线1146是用于0°方位角。曲线1147是用于90°方位角。曲线1148是用于180°方位角。曲线1149是用于270°方位角。在使用与图6A相同的钻探条件，在图12A和图12B中分别示出在四个不同的钻具方位角(0°、90°、180°和270°)的第二种地质信号V_Geo2的补偿地质信号相位响应和衰减响应。曲线1241是用于0°方位角。曲线1242是用于90°方位角。曲线1243是用于180°方位角。曲线1244是用于270°方位角。曲线1246是用于0°方位角。曲线1247是用于90°方位角。曲线1248是用于180°方位角。曲线1249是用于270°方位角。如在图11A至图11B中示出，如果钻具位于地层模型的中间，则第一种地质信号永远不会为零位。另一方面，第二种地质信号响应与方位角定向电阻率EM钻具类似，其中在这种对称地层模型发现模糊性。

因此，两种地质信号响应的组合可用于在具有对称电阻率剖面的均匀地层模型与非均匀层状地层模型之间加以区分。事实上，图13A至图13B示出相对于在图6A的地层模型中分别与图11A和图11B的信号对应的不同钻具方位角的第一种的地质信号相位图像和地质信号衰减图像。图14A至图14B示出相对于在图6A的地层模型中分别与图12A和图12B的信号对应的不同钻具方位角的第二种的地质信号相位图像和地质信号衰减图像。通过使用这种地质信号图像，岩石物理学家可在不具有模糊性问题的情况下解释地层地质。

当EM钻具位于对称的层状地层(或其它地层)的中间时，XX分量和YY分量的差可移除盲点。因此，对XX分量和YY分量之间的这种差的利用提供从均匀地层模型区分所有描述的层状地层模型的机制。在图10的钻具配置中，传输器垂直于接收器，且所有天线呈45度倾斜。对于这种配置，响应于传输器的启动而在接收器处测量的电压信号可呈现(如在方程式(3)中描述)为：

$V_R^T\left(\mathrm{\β}\right)=-\frac{V_{xx}-y_{yy}}{4}\cos 2\mathrm{\β}-\frac{V_{xz}-V_{zx}}{2}\cos \mathrm{\β}+\frac{2V_{zz}-V_{zz}-V_{yy}}{4}---\left(6\right)$

所以使用方程式(6)，方程式(4)可表示为：

$V_{Geo1}\≡\frac{V_R^T\left({\mathrm{\β}}_i\right)}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{V}_R^T\left({\mathrm{\β}}_i\right)}=\frac{-\frac{V_{xx}-V_{yy}}{4}cos2{\mathrm{\β}}_i-\frac{V_{xz}-V_{zx}}{2}{\mathrm{cos\β}}_i+\frac{2V_{zz}-V_{xx}-V_{yy}}{4}}{\frac{2V_{zz}-V_{xx}-V_{yy}}{4}},i=1,...,N---\left(7\right)$

以及方程式(5)可表示为：

如在方程式(7)和方程式(8)中指示，针对不同面元i的不同方位角β_i，V_Geo1包括XX与YY之间以及XZ与ZX之间的变化两者，这通过使用常规技术能够确定与盲点相关联的模糊性。然而，V_Geo2地质信号仅观察到XZ和ZX的变化，这与利用ZX分量的常规商业定向方位角EM钻具类似。

另一方面，对于图10的钻具配置，处理单元可通过将拟合函数和/或傅里叶变换应用到方程式(3)来解耦 和然后，第三种的地质信号响应可被计算并生成为：

$V_{Geo3}\left(i\right)\≡\frac{-\frac{V_{xx}-V_{yy}}{4}\cos 2\mathrm{\β}}{\frac{2V_{zz}-V_{xx}-V_{yy}}{4}},---\left(9\right)$

以及第四种地质信号响应

$V_{Geo4}\left(i\right)\≡\frac{-\frac{V_{xz}-V_{zx}}{4}\cos \mathrm{\β}}{\frac{2V_{zz}-V_{xx}-V_{yy}}{4}}---\left(10\right)$

地质信号V_Geo3可用于解决模糊性问题，且所生成的地质信号V_Geo4与常规商业钻具的地质信号响应类似。新的地质信号可被生成来反映XX分量与YY分量之间的差，以移除盲点模糊性。

除了使用XX耦合分量和YY耦合分量之间的差值之外，其它地质信号响应还可由(但不限于)XX耦合分量与YY耦合分量之间的比值或XX耦合分量与YY耦合分量的平方根的值来定义。也可使用XX和YY的其它代数函数。可基于磁场和/或复杂的电压信号来计算此类值。例如，可由具有图2的配置的多分量钻具获取对平方根的使用。通过采集所有耦合分量，技术人员可通过使用包括XX耦合分量和YY耦合分量的耦合分量的组合来生成并模拟地质信号响应，以在与在“盲点”和均匀介质中的常规工具相关联的零位信号之间加以区分。例如，图15C和图15D的钻具配置可用于解耦所有耦合分量。非对称钻具配置可与深度偏移技术一起使用，以实现这种解耦。在解耦分量的情况下，不同的地质信号响应可被生成为与具有解决模糊性问题的能力的下列项(但不限于)相关的耦合分量的组合的函数：(XX-YY)/(XX+YY+2ZZ)、(XX-YY)/(XX+YY-2ZZ)、XX/ZZ和YY/ZZ、(XX-YY)/ZZ和(XX+YY)/ZZ、XX/(XX+YY+2ZZ)和YY/(XX+YY+2ZZ)、或XX/(XX+YY-2ZZ)和YY/(XX+YY-2ZZ)。通过检查并使用XX耦合分量和YY耦合分量，可解决常规地质导向应用的模糊性问题。

地质信号响应的实施方案可由具有倾斜的传输器和接收器两者的不同配置获得。此外，技术人员可使用至少一个倾斜传输器和至少一个倾斜传输器来实现本文教导的地质信号响应。图15A至图15D中还示出若干可能的配置，以实现补偿信号，其中补偿可在与上层方位角测量和下层方位角测量相关联的相同面元数据或相反面元数据之间实现。例如，上层意指来自T₁-R的数据，且下层意指来自图15A的配置中的T₂-R的数据。由于天线互反性，在图15A至图15D中的传输器和接收器可交换。

图16示出用于相对于地质信号进行钻探相关的活动的实例方法的实施方案的特征。在1610，采集信号，其中信号从或已经从在钻孔中操作钻具而生成。具有纵轴的钻具可包括相对于纵轴倾斜的一个或多个传输传感器和相对于纵轴倾斜的一个或多个接收传感器。所采集的信号可包括响应于启动所述一个或多个倾斜传输传感器而在所述一个或多个倾斜接收传感器处接收的信号。传输传感器的启动可包括控制启动，使得传输传感器单独进行。采集信号可包括相对于单独启动的传输传感器而单独地在每个接收传感器处收集信号。采集信号可包括采集补偿信号。采集信号可包括采集从操作具有所述一个或多个倾斜传输传感器和所述一个或多个倾斜接收传感器的对称布置的钻具而生成的电压信号。采集信号可包括采集从操作钻具生成的电压信号，以选择性地启用所述一个或多个倾斜传输传感器的所选择的传输传感器且选择性地收集来自所述一个或多个倾斜接收传感器的所选择的倾斜接收传感器的信号，使得所选择的传输传感器和所选择的倾斜接收传感器相对于纵轴处于对称布置中。所述一个或多个传输传感器和所述一个或多个接收传感器可为(但不限于)天线，所述天线呈相对于纵轴以幅值为45°或45°上下一两度内的倾斜角度倾斜，使得幅值可相对于纵轴约为45°。采集信号可包括相对于钻具取向采集电压信号，钻具取向包括多个方向，方向总数对应于分割成N个面元的一个满转，每个面元与等于2π/N的旋转角相关联，N是等于或大于1的整数。采集信号可包括采集从操作在钻孔中旋转的钻具而生成的电压信号。采集从操作钻具而生成的信号可包括使用具有实质上相对于钻具的纵轴倾斜的一个或多个传输传感器和实质上相对于纵轴倾斜的一个或多个接收传感器的布置的钻具，使得所采集的信号提供解耦的耦合分量。

在1620，在处理单元中处理所采集的信号，从而生成包括在XX耦合分量与YY耦合分量之间的变化的确定的表示的地质信号。XX耦合分量与YY耦合分量的变化可用于在层状地层中解决与常规钻具相关联的模糊性。处理所采集的信号可包括解耦来自所采集的信号的耦合分量，并使用所解耦的耦合分量生成地质信号。生成地质信号可包括使地质信号基于XX耦合分量与YY耦合分量之间的差、XX耦合分量与YY耦合分量之间的比率或XX耦合分量和YY耦合分量的平方根。生成地质信号可包括根据包括下列项的耦合分量的关系使地质信号基于耦合分量的组合：(XX-YY)/(XX+YY+2ZZ)、(XX-YY)/(XX+YY-2ZZ)、XX/ZZ和YY/ZZ、(XX-YY)/ZZ和(XX+YY)/ZZ、XX/(XX+YY+2ZZ)和YY/(XX+YY+2ZZ)、或XX/(XX+YY-2ZZ)和YY/(XX+YY-2ZZ)。可从所采集的补偿信号生成地质信号。从所采集的信号生成地质信号包括生成地质信号相位和地质信号衰减。处理所采集的信号可包括使用所采集的信号计算耦合矩阵的耦合分量，并且执行一个或多个反演运算以从耦合矩阵生成地层参数。

在1630，使用地质信号指导钻探相关的操作。钻探相关的操作可包括基于地质信号地质导向钻探操作。钻探相关的操作可包括使用生成的地质信号执行地层结构的分析。

在各种实施方案中，机器可读存储设备可包括在其上存储的指令，所述指令在被机器执行时使得机器执行操作，所述操作包括与本文描述的方法或技术的特征类似或相同的一个或多个特征。在各种实施方案中，一种系统可包括：具有纵轴的钻具，所述钻具包括相对于纵轴倾斜的一个或多个传输传感器和相对于纵轴倾斜的一个或多个接收传感器；和处理单元，其基于XX耦合分量、YY耦合分量或XX耦合分量和YY耦合分量的组合生成地质信号，其中钻具和处理单元被配置来根据与本文描述的方法或技术的特征类似或相同的一个或多个特征进行操作。

目前，商业地质导向钻具服务在它们接近储层的中心时可能无法进行任何有用的测量。例如，在使用常规方位角定向EM钻具的地质导向应用中，当钻具位于层的中心附近时，其对于相邻边界是盲目的。因此，在该情况下，基于这种钻具的定向引导是无用的。在本文，地质信号方法的实施方案可解决所述和类似的模糊性问题。这种地质响应在与已知的地质信号响应一起使用时，可辅助岩石物理学家采集更精确的地层地质，并且更可靠地对钻具进行实时导向。增加的地质导向可靠性可通过使用地质信号响应的实施方案获得，所述地质信号响应与本文教导的地质信号响应类似或相同，且仅在传输器和接收器均倾斜时可用。

图17描绘了可操作以相对于地质信号进行钻探相关的活动的实例系统1700的特征的框图。系统1700包括具有可在钻孔中操作的传输器天线1710-1和接收器天线1710-2的布置的钻具1705。钻具1705的传输器天线1710-1和接收器天线1710-2的布置可被实现为与本文讨论的布置类似或相同。系统1700还可包括控制器1720、存储器1740、电子装置1750和通信单元1735。控制器1720和存储器1740可被布置成操作钻具1705以在钻具1705被操作时采集测量数据，并且将所采集的数据分配到多个面元，每个面元与钻具1705的旋转方位角相关。控制器1720和存储器1740可被实现来控制对传输器天线1710-1中的所选择一个的启用以及被钻具1705中的接收器天线1710-2的所选择一个进行的数据采集，并且管理处理方案以根据本文描述的测量程序和信号处理来确定地质信号。处理单元1720可被结构化来执行操作以管理处理方案，从而根据测量程序和信号处理以与本文描述的实施方案类似或相同的方式确定地质信号。

电子装置1750可与控制器1720结合使用，以执行与在井下使用钻具1705的传输器天线1710-1和接收器天线1710-2进行测量相关联的任务。通信单元1735可包括在钻探操作中的井下通信。这种井下通信可包括遥测系统。

系统1700还可包括总线1747，其中总线1747提供系统1700的部件之间的导电性。总线1747可包括各自独立配置的地址总线、数据总线和控制总线。总线1747还可使用共同导线来提供地址、数据或控制中的一条或多条，其使用可由控制器1720调节。总线1747可被配置成使得系统1700的部件为分布式。这些分布可被布置在诸如钻具1705的传输器天线1710-1和接收器天线1710-2的井下部件与可被放置在井的表面上的部件之间。替代地，这些部件可共同位于诸如钻柱的一个或多个环上、或测录电缆结构上。

在各种实施方案中，外围设备1760可包括显示器、附加存储的存储器和/或可与控制器1720和存储器1740协同操作的其它控制设备。在实施方案中，控制器1720可被实现为一个或多个处理器。外围设备1760可被布置成具有含存储于存储器1740的指令的显示器，以实施用户界面来管理钻具1705和/或在系统1700内分布的部件的操作。这种用户界面可结合通信单元1735和总线1747进行操作。系统1700的各种部件可与钻具1705整合，使得与相对于本文的各种实施方案讨论的处理方案相同或类似的处理可在接近测量的井下或在表面上执行。

图18描绘了在钻探位置处的系统1800的实施方案，其中系统1800包括可操作以相对于地质信号进行钻探相关的活动的装置。系统1800可包括钻具1805-1、1805-2或1805-1和1805-2二者，所述钻具具有可操作以进行可用于多个钻探任务(包括(但不限于)确定地质信号)的测量的传输器天线和接收器天线的布置。钻具1805-1和1805-2可被结构化成与本文讨论的钻具架构或钻具架构的组合相同或类似，其包括可操作来以与本文讨论的用于确定地质信号的处理技术相同或类似的方式执行处理方案的控制单元和处理单元。钻具1805-1、1805-2或1805-1和1805-2二者可被分布在系统1800的部件中。钻具1805-1和1805-2可以与本文讨论的控制单元、传输器、接收器和处理单元的布置类似或相同的方式实现。根据本文教导的各种实施方案，钻具1805-1和1805-2可被结构化、制造并校准。

系统1800可包括位于井1806的表面1804的钻机1802、以及连接在一起以形成通过转盘1807下降到井眼或钻孔1812-1的钻柱的一串钻管(即，钻柱1829)。钻机1802可提供对钻柱1829的支撑。钻柱1829可操作以穿透转盘1807，从而穿过地下地层1814钻探钻孔1812-1。钻柱1829可包括钻管1818、以及位于钻管1818的下部的井底(bottomhole)组件1820。

井底组件1820可包括钻环1816和钻头1826。钻头1826可操作以通过穿透表面1804和地下地层1814来产生钻孔1812-1。井底组件1820可包括附接到钻环1816以进行测量来确定地层参数的钻具1805-1。钻具1805-1可被结构化用于实施为MWD系统，诸如LWD系统。包含钻具1805-1的外壳可包括电子设备，以初始化来自所选的传输器天线的测量，并收集来自所选的接收器天线的测量信号。这些电子设备可包括处理单元，以通过用于在井中操作的标准通信机制提供地层参数的分析和地质信号。替代地，电子设备可包括通信界面，以通过用于在井中操作的标准通信机制将钻具1805-1收集的测量信号提供到表面，其中可在表面的处理单元处分析这些测量信号，以提供地层参数的分析并确定地质信号。

在钻探操作期间，钻柱1829可通过转盘1807来旋转。除此以外或替换地，井底组件1820还可通过位于井下的电机(例如，抽泥电机)来旋转。可使用钻环1816向钻头1826添加重量。钻环1816还可加固井底组件1820以允许井底组件1820向钻头1826传递所添加的重量，且进而辅助钻头1826穿透表面1804和地下地层1814。

在钻探操作期间，抽泥泵1832可将来自泥浆池1834的钻探液(有时被本领域技术人员称为“钻探泥浆”)通过软管1836泵送到钻管1818中并向下泵送到钻头1826。钻探液可从钻头1826流出，并且通过钻管1818与钻孔1812-1侧面之间的环状区域1840返回到表面1804。然后，钻探液可返回到泥浆池1834，在该泥浆池中过滤这种钻探液。在一些实施方案中，可使用钻探液来冷却钻头1826以及在钻探操作期间提供对钻头1826的润滑。另外，可使用钻探液来去除通过操作钻头1826产生的地下地层的钻屑。

在各种实施方案中，钻具1805-2可包括在耦合到测录电缆1874(诸如，例如用于线缆应用)的钻具主体1870中。包含钻具1805-2的钻具主体1870可包括电子设备，以初始化来自所选择的传输器天线的测量，并收集来自所选择的接收器天线的测量信号。这种电子设备可包括处理单元，以通过用于在井中操作的标准通信机制提供地层参数的分析和地质信号。替代地，电子设备可包括通信界面，以通过用于在井中操作的标准通信机制将钻具1805-2收集的测量信号提供到表面，其中可在表面的处理单元处分析这些测量信号，以提供地层参数的分析，包括对所探测的每个地层估计真实地层电阻率。测录电缆1874可被实现为线缆(多条电源线和通信线)、单电缆(单导体)、和/或滑线(不具有用于供电或通信的导体)或用于钻孔1812的其它适当结构。虽然图18描绘用于线缆应用的布置以及用于LWD应用的布置两者，但是系统1800还可被实现用于这两个应用中的一个。

在各种实施方案中，测量钻具和处理单元可被布置来确定并生成XX耦合分量和YY耦合分量，所述耦合分量包括XX耦合分量和YY耦合分量二者的敏感度，以在与“盲点”与均匀介质中的常规钻具相关联的零位信号之间加以区分。XX耦合分量和YY耦合分量的敏感度可通过以下方式提供：通过处理以解耦耦合矩阵的耦合分量；通过直接提供解耦的XX耦合分量和YY耦合分量的传输传感器和接收传感器的布置；以及通过使用有限的处理而提供解耦的XX耦合分量和YY耦合分量的传输传感器和接收传感器的布置。可根据耦合分量的不同组合来生成不同地质信号，其利用XX和YY敏感度解决“盲点”问题。

虽然在本文中已示出和描述了特定实施方案，但是本领域普通技术人员将理解，被计算来实现相同目的的任何布置可替代所示的特定实施方案。各个实施方案使用本文中所描述的实施方案的置换和/或组合。将理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的，并且本文中所采用的措辞或术语出于描述的目的。在研究以上描述之后，以上实施方案的组合以及其他实施方案对本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (16)

1.一种方法，其包括：

采集从在钻孔中操作钻具而生成的信号；

在处理单元中处理所述采集的信号；

生成地质信号，其包括在XX耦合分量与YY耦合分量之间的变化的确定的表示；以及

使用所述地质信号指导钻探相关的操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述采集的信号包括解耦来自所述采集的信号的耦合分量并使用所述解耦的耦合分量生成所述地质信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中采集从操作所述钻具而生成的信号包括：使用具有实质上相对于所述钻具的纵轴倾斜的一个或多个传输传感器和实质上相对于所述纵轴倾斜的一个或多个接收传感器的布置的钻具，使得所述采集的信号提供解耦的耦合分量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述地质信号包括使所述地质信号基于XX耦合分量与YY耦合分量之间的差、XX耦合分量与YY耦合分量之间的比率或XX耦合分量与YY耦合分量的平方根。

5.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述地质信号包括使所述地质信号基于与下列项相关的耦合分量的组合：(XX-YY)/(XX+YY+2ZZ)、(XX-YY)/(XX+YY-2ZZ)、XX/ZZ和YY/ZZ、(XX-YY)/ZZ和(XX+YY)/ZZ、XX/(XX+YY+2ZZ)和YY/(XX+YY+2ZZ)、或XX/(XX+YY-2ZZ)和YY/(XX+YY-2ZZ)。

6.根据权利要求1所述的方法，其中采集信号包括采集补偿信号，且其中所述地质信号从所述补偿信号生成。

7.根据权利要求1所述的方法，其中采集从操作所述钻具而生成的信号包括：使用具有实质上相对于所述钻具的纵轴倾斜的一个或多个传输传感器和实质上相对于所述纵轴倾斜的一个或多个接收传感器的钻具，所述采集的信号包括响应于从所述一个或多个倾斜传输传感器中的每一个生成传输信号而在所述一个或多个倾斜接收传感器处接收的信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其中采集信号包括采集从操作所述钻具而生成的电压信号以选择性地启用所述一个或多个倾斜传输传感器中的所选择的传输传感器，并选择性地收集来自所述一个或多个倾斜接收传感器中的所选择的倾斜接收传感器的信号，使得所述选择的传输传感器和所述选择的倾斜接收传感器相对于所述纵轴而处于对称布置中。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个传输传感器和所述一个或多个接收传感器是相对于所述纵轴以幅值为45°或45°上下一两度内的倾斜角度倾斜的天线。

10.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述采集的信号包括：

使用所述采集的信号计算耦合矩阵的耦合分量；以及

执行一个或多个反演运算以从所述耦合矩阵生成地层参数。

11.根据权利要求1所述的方法，其中采集信号包括相对于钻具取向采集电压信号，所述钻具取向包括多个方向，方向总数对应于分割成N个面元的一个满转，每个面元与等于2π/N的旋转角相关联，N是等于或大于1的整数。

12.根据权利要求1所述的方法，其中采集信号包括采集从操作在所述钻孔中旋转的所述钻具而生成的电压信号。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括基于所述地质信号对钻探操作进行地质导向。

14.根据权利要求1所述的方法，其中从所述采集的信号确定地质信号包括生成地质信号相位和地质信号衰减。

15.一种其上存储有指令的机器可读存储设备，所述指令在被机器执行时使得所述机器执行操作，所述操作包括根据权利要求1至14中任一项所述的方法。

16.一种系统，其包括：

钻具，其具有一个或多个传输传感器和一个或多个接收传感器；和

处理单元，其生成包括XX耦合分量与YY耦合分量之间的变化的确定的表示的地质信号，其中所述钻具和所述处理单元被配置来根据权利要求1至14中任一项进行操作。