CN105637176A - 使用电阻率图像进行的裂缝检测和表征 - Google Patents

使用电阻率图像进行的裂缝检测和表征 Download PDF

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Abstract

用于裂缝识别和表征的实例方法可包括将磁性偶极子发射器和磁性偶极子接收器定位在地下地层中的井孔内。所述磁性偶极子发射器和所述磁性偶极子接收器中的至少一者可相对于所述井孔的轴线倾斜。所述磁性偶极子发射器可产生时变电磁(EM)信号。所述磁性偶极子接收器可测量所述地层对所述时变EM信号的响应；所述响应可包括地层的至少两个深度和所述地层相对于所述井孔的所述轴线的至少两个方位角定向。可至少部分基于所述响应产生所述地层的图像，且可至少部分基于所述第一图像和合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性。

Description

使用电阻率图像进行的裂缝检测和表征
发明背景
本公开一般来说涉及钻井操作，且更具体地说，涉及使用电阻率图像进行的裂缝检测和表征。
诸如石油和天然气的烃类通常从可位于陆上或海上的地下地层获得。地下操作的发展和从地下地层去除烃类所涉及的过程是复杂的。通常，地下操作涉及多个不同的步骤，诸如例如在期望的井场钻探井筒，处理井筒以优化烃类的生产，和执行必要的布置以生产和处理来自地下地层的烃类。
可在表征地层和辅助进行操作决定的整个操作期间进行地下地层的测量。一个实例测量对应于地层的电阻率(或其逆电导率)，其可用以确定地层或地层的层是否有可能含有烃类。然而，地层内的天然裂缝或裂纹可扭曲测量，从而降低计算的电阻率和基于计算的电阻率作出的决定的准确度。
附图简述
可通过部分地参看以下描述和附图来理解本公开的一些特定示例性实施方案。
图1是示出根据本公开的方面的说明性随钻测井环境的图。
图2是示出根据本公开的方面的说明性电缆测井环境的图。
图3是根据本公开的方面的实例信息处置系统的图。
图4是根据本公开的方面的实例电阻率测井工具的图。
图5是根据本公开的方面的用于电阻率测井工具的实例控制系统的图。
图6是根据本公开的方面的用于使用电阻率测井工具进行的测量的实例方位角分区的图。
图7是根据本公开的方面的具有至少一个裂缝的地层中的实例电阻率测井工具的模型的图。
图8是说明根据本公开的方面的实例传播电阻率图像的图。
图9是说明根据本公开的方面的实例传播电阻率图像的图。
图10是说明根据本公开的方面的相位电阻率值的图。
图11是说明根据本公开的方面的相位电阻率值的图。
图12是说明根据本公开的方面的电阻率测井设备的两个分区对导电地层中的电阻裂缝的方位角响应的图。
图13是说明根据本公开的方面的实例方位角电阻率响应的图。
图14说明示出根据本公开的方面的裂缝的实例重新定向的传播电阻率图像的图。
图15是说明根据本公开的方面的实例过程的流程图。
虽然已参考本公开的示例性实施方案描绘和描述并且定义了本公开的实施方案，但此类参考不暗示对本公开的限制，且不应推断此限制。所公开的主题能够在形式和功能上进行如相关领域中且受益于本公开的技术人员将想到的相当大的修改、更改和等效物。所描绘和描述的本公开的实施方案仅为实例，且并非详尽列举本公开的范围。
具体实施方式
为了本公开的目的，信息处置系统可包括任何工具或工具集，其可操作以计算、分类、处理、传输、接收、检索、起源、切换、存储、显示、证明、检测、记录、再现、处置或利用任何形式的信息、情报或数据以用于商业、科学、控制或其它目的。举例来说，信息处置系统可以是个人计算机、网络存储装置，或任何其它合适的装置，并且可在大小、形状、性能、功能和价格上有所不同。信息处置系统可包括随机存取存储器(RAM)、一个或多个处理资源，诸如中央处理单元(CPU)或硬件或软件控制逻辑、ROM和/或其它类型的非易失性存储器。信息处置系统的额外组件可包括一个或多个磁盘驱动器、用于与外部装置通信的一个或多个网络端口，以及各种输入和输出(I/O)装置，诸如键盘、鼠标和视频显示器。信息处置系统还可包括可操作来传输各种硬件组件之间的通信的一条或多条总线。其还可包括能够将一个或多个信号传输至控制器、致动器或类似装置的一个或多个接口单元。
为了本公开的目的，计算机可读媒体可包括可保留数据和/或指令达一段时间的任何工具或工具集。计算机可读媒体可包括(例如而非限制)存储媒体，诸如直接存取存储装置(例如，硬盘驱动器或软盘驱动器)、顺序存取存储装置(例如，磁带磁盘驱动器)、压缩光盘、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和/或快闪存储器；以及通信媒体，诸如电线、光纤、微波、无线电波和其它电磁和/或光学载波；和/或上述任何组合。
本文中详细描述了本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，可不在本说明书中描述实际实现方式的所有特征。当然，应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，可做出许多实现方式特定的决定，以实现特定实现方式目标，其将根据实现方式而有所不同。此外，应了解，这样的开发努力可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对于受益于本公开的本领域技术人员来说仍为常规任务。
为了便于更好地理解本公开，给出某些实施方案的以下实例。以下实例绝不应被理解为限制或限定本发明的范围。本公开的实施方案可适用于任何类型的地下地层中的水平、垂直、偏离或另外非线性的井筒。实施方案可适用于注入井以及生产井，包括烃类井。可使用被制成适用于沿地层的区段进行测试、检索和取样的工具来实现实施方案。可使用例如可通过管柱中的流道或使用电缆、钢丝、连续油管、井下机械手等传送的工具来实现实施方案。“随钻测量”(“MWD”)是通常用于在钻井继续时测量关于钻井组合件的移动和位置的井下条件的术语。“随钻测井”(“LWD”)是通常用于较集中在地层参数测量的类似技术的术语。根据某些实施方案的装置和方法可用于电缆(包括电缆、钢丝，和连续油管)、井下机械手、MWD和LWD操作中的一个或多个中。
如本文中所使用的术语“耦接”旨在指间接或直接连接。因此，如果第一装置耦接至第二装置，那么该连接可通过直接连接或通过经由其它装置和连接的间接机械或电连接。类似地，如本文中所使用的术语“通信地耦接”旨在指直接或间接的通信连接。此连接可以是有线或无线连接，诸如，例如以太网或LAN。此类有线和无线连接对于本领域技术人员来说是众所周知的，且因此将不在本文中进行详细论述。因此，如果第一装置通信地耦接至第二装置，那么该连接可能通过直接连接或通过经由其它装置和连接的间接通信连接。
图1是根据本公开的方面的地下钻井系统100的图。钻井系统100包括位于表面102处的钻井平台2。在所示实施方案中，表面102包括含有一个或多个岩石地层或层18a至18c的地层104顶部，且钻井平台2可与表面102接触。在其它实施方案中，诸如在海上钻井操作中，表面102可通过一定体积的水与钻井平台2分隔。
钻井系统100包括井架4，其由钻井平台2支撑且具有用于使钻柱8上升和下降的行进块6。方钻杆10可在钻柱8下降穿过转台12时支撑钻柱8。钻头14可耦接至钻柱8且由井下马达和/或钻柱8通过转台12进行的旋转驱动。当钻头14旋转时，其形成穿过一个或多个岩石地层或层18的井孔16。泵20可使钻井流体通过馈送管22到方钻杆10，通过钻柱8的内部到井下，通过钻头14中的小孔，经由钻柱8周围的环返回至表面，并进入保留坑24中而循环。钻井流体将切割部分从井孔16输送至坑24中，并辅助维持井孔16的完整性。
钻井系统100可包括井底钻具组合件(BHA)，其在钻头14附近耦接至钻柱8。BHA可包括各种井下测量工具和传感器以及LWD和MWD元件，包括电阻率测井工具26。电阻率测井工具26可包括多个发射器和接收器(例如，能够接收和/或发射一个或多个电磁信号的天线)，诸如沿着工具的长度轴向地间隔且相对于工具26以不同角度定位的磁性偶极子。当钻头沿着井孔16延伸穿过地层18时，电阻率测井工具26可收集与地层104的电阻率相关的测量，即，地层104抵抗电流流动的强烈程度。在某些实施方案中，可使用例如方位角定向指示器来跟踪工具26的定向和位置，方位角定向指示器可包括磁力计、倾斜计和/或加速度计，但在一些实施方案中可使用其它传感器类型，诸如陀螺仪。在包括方位角定向指示器的实施方案中，电阻率测量可通过方位角分区与特定方位角定向相关联，如下文将描述。
包括电阻率测井工具26的BHA的工具和传感器可通信地耦接至遥测元件28。遥测元件28可将测量从电阻率测井工具26传送至表面接收器30和/或从表面接收器30接收命令。遥测元件28可包括泥浆脉冲遥测系统，和声学遥测系统、有线通信系统、无线通信系统，或本领域技术人员在阅读本公开后将了解的任何其它类型的通信系统。在某些实施方案中，在电阻率测井工具26处进行的测量中的一些或全部也可存储在工具26或遥测元件28内以用于稍后在表面102处检索。
在某些实施方案中，钻井系统100可包括位于表面102处的信息处置系统32。信息处置系统32可通信地耦接至表面接收器30且可通过地面接收器30接收来自电阻率测井工具26的测量和/或将命令发射至电阻率测井工具26。信息处置系统32还可在表面102处检索工具26时接收来自电阻率测井工具26的测量。如下文将描述，信息处置系统32可处理测量以确定地层104的某些特性，包括地层104内的裂缝的位置和特性。
在钻井过程期间的各个时间，钻柱8可从井孔16移除，如图2所示。一旦已移除钻柱8，可使用电缆工具34，即，通过缆线15悬挂至井孔16中的仪器实施测量/测井操作，缆线15具有用于将电力输送至工具且将遥测从工具主体输送至表面102的导体。电缆工具34可包括电阻率测井工具36，其具有与上文关于电阻率测井工具26描述的发射器和接收器类似的发射器和接收器。电阻率测井工具36可通信地耦接至缆线15。测井设施44(图2中示出为卡车，但其可以是任何其它结构)可收集来自电阻率测井工具36的测量，且可包括计算设施(包括例如信息处置系统)以用于控制、处理、存储和/或可视化通过电阻率测井工具36搜集的测量。计算设施可借助缆线15通信地耦接至测井/测量工具36。在某些实施方案中，信息处置系统32可充当测井设施44的计算设施。
如上文所描述，图1和图2示出地层104的一个或多个岩石地层或层18a至18c。地层18a至18c中的每一者可具有不同的物理和电特性。举例来说，地层中的一些通常可以是导电的，而另外一些通常可以是电阻的。同样地，一些通常可以是多孔的，而一些可以是无孔的。在某些例子中，天然裂缝或裂纹可位于地层18a至18c内。在图1和图2中，井孔16与层18b中的裂缝106交叉。裂缝106可具有与其所位于的岩石层不同的特性，且不同的特性可扭曲地层的测量。举例来说，层18b可包括电阻层，而裂缝106可含有导电流体，或层18b可包括导电层，而裂缝106可含有电阻流体。因此，识别、表征和考虑这些裂缝可改进一般来说地层104，且具体地说是地层18a至18c的所得测量。
图3是根据本公开的方面的实例信息处置系统300的框图。信息处置系统300可与上文描述的钻井系统一起使用。信息处置系统300可包括处理器或CPU301，其通信地耦接至存储器控制器集线器或北桥302。存储器控制器集线器302可包括存储器控制器，其用于将信息引导至信息处置系统内的各种系统存储器组件，诸如RAM303、存储元件306，和硬盘驱动器307或从所述各种系统存储器组件引导信息。存储器控制器集线器302可耦接至RAM303和图形处理单元304。存储器控制器集线器302也可耦接至I/O控制器集线器或南桥305。I/O集线器305耦接至计算机系统的存储元件，包括存储元件306，其可包括快闪ROM，包括计算机系统的基本输入/输出系统(BIOS)。I/O集线器305也耦接至计算机系统的硬盘驱动器307。I/O集线器305还可耦接至至超级I/O芯片308，它本身耦接至计算机系统的I/O端口中的几个，包括键盘309和鼠标310。信息处置系统300可通过芯片308以及可视化机构(诸如计算机监视器或显示器)进一步通信地耦接至钻井系统的一个或多个元件。
用于上文描述的地下钻井系统的信息处置系统可包括处理和表征数据的软件组件。如本文中所使用，软件或软件组件可包括存储在计算机可读媒体内的指令集，所述指令集在由耦接至计算机可读媒体的处理器执行时使处理器执行某些动作。根据本公开的方面，可相对于来自电阻率测井工具的测量执行动作以识别和表征地层内的裂缝。
图4A和图4B说明根据本公开的方面的实例电阻率测井工具。图4A示出电阻率测井工具400，其可如上文所描述用作LWD/MWD工具或用于电缆布置内，且可包括至少一个磁性偶极子发射器和至少一个磁性偶极子接收器。在所示实施方案中，工具400包括沿着工具400的长度轴向地间隔的发射器T1-T3和T1’-T3’以及接收器R1-R3。发射器T1-T3和T1’-T3’可如所示为同轴的，和/或相对于工具主体410倾斜。接收器R1-R3可相对于工具主体410倾斜并与发射器T1-T3和T1’-T3’且与彼此轴向地间隔开。因为接收器R1-R3可以是倾斜的，所以借助其进行的测量可对方位角是敏感的。在某些实施方案中，发射器T1-T3和T1’-T3’以及接收器R1-R3可包括偶极子天线，其可安装在工具主体410中的凹处中且由非导电材料或具有非导电孔隙的材料保护。
在所示实施方案中，发射器T1-T3和T1’-T3’包括对称的同轴发射器天线T1-T1’、T2-T2’和T3-T3’，其以16英寸的增量与两个接收器R1和R2的中心420间隔。具体地说，发射器T3-T3’各自可位于距中心420为16英寸之处，发射器T2-T2’各自可位于距中心420为32英寸之处，且发射器T1-T1’各自可位于距中心420为48英寸之处。接收器R1和R2彼此可间隔四英寸且相对于工具主体410的纵向轴线以45度角倾斜。而且接收器R3可位于距中心420为64英寸之处。
如图4B中可见，发射器和接收器的其它配置是可能的，包括数目、间隔、定向、角度等。具体地说，工具450至460说明具有接收器R1和R2以及发射器T1和T1’的不同定向的工具。举例来说，发射器和接收器彼此可以是平行的、垂直的和/或位于同一位置。另外，接收器R1和R2以及发射器T1和T1’中的一者或两者可相对于工具的轴线倾斜。值得注意的是，发射器与接收器之间的距离与测量范围正相关且与测量分辨率负相关。因此，使发射器和接收器以各种距离定位平衡工具的范围和分辨率，其中特定距离是基于工具将被引入的地层的特性选择的。
图5是根据本公开的方面的用于电阻率测井工具的实例控制系统500的图。系统500包括可充当工具的主要控制器的系统控制中心502。在某些实施方案中，系统控制中心302可包括信息处置系统，且可通过发射器电子装置504通信地耦接至发射器1-N并通过接收器电子装置506通信地耦接至接收器1-M。发射器1-N和接收器1-M可包括与上文参看图4描述的磁性偶极子类似的同轴的或倾斜的磁性偶极子。发射器电子装置504和接收器电子装置506可包括发射器1-N和接收器1-M中的一些或全部耦接至的电路板。
系统控制中心502可触发发射器电子装置504以通过发射器1-N中的一个或多个产生时变电磁(EM)信号。发射器电子装置504可独立地触发发射器1-N中的每一者，从而基于发射器相对于接收器的定向(例如，距离)选择发射器。时变EM信号可以是正弦信号，其相位、振幅和频率设置于期望值。在某些实施方案中，系统控制中心502可使一个发射器发射多个时变EM信号，每个EM信号具有不同的相位、振幅和/或频率。在某些实施方案中，系统控制中心502可使发射器1-N中的每一者发射具有不同的相位、振幅和/或频率的不同的时变EM信号。其它发射方案是可能的，如本领域技术人员在阅读本公开后将了解。
由发射器1-N中的一个或多个产生的时变EM信号可激发工具周围的地层，且接收器1-M中的一个或多个可测量地层对时变EM信号的响应。在某些实施方案中，可调谐接收器1-M中的一个或多个以测量含有发射的时变EM信号的频带内的响应。系统控制中心502可通过接收器电子装置506从接收器1-M接收所测量的响应且可将所测量的响应发射至数据采集单元508。对于特定发射器激发，可同时接收来自多个接收器的所测量的响应。类似地，可同时激发多个发射器1-N且可对其进行时间、频率或联合多路复用以用于稍后在接收器处进行多路分解操作。在数据采集单元508处接收后，所测量的响应可被数字化，存储在数据缓冲器510中，在数据处理单元512处被处理，且通过通信单元316发送至表面514，通信单元316可包括井下遥测系统。
在某些实施方案中，来自接收器1-M的响应可相对于来自产生响应的发射器1-N的信号进行测量。在某些实施方案中，此可包括将所测量的响应与发射器信号进行比较。比较可例如在井下在数据处理单元512中或在表面处的信息处置系统处进行。当比较是在井下进行时，系统控制单元502可将所发射的时变EM信号的相位、振幅和频率传达至数据处理单元512，数据处理单元512可将时变EM信号与来自接收器1-M的所测量的响应进行比较。在某些实施方案中，数据处理单元512可确定所测量的响应的相位和振幅，且将所测量的响应的确定的相位和振幅与对应的所发射的时变EM信号的相位和振幅进行比较。因此，所测量的响应的振幅可包括相对于所发射的时变EM信号的振幅比或振幅差，且所测量的响应的相位可包括相对于所发射的时变EM信号的相移或相位差。如下文将描述，所测量的响应的相位和振幅可用以识别和表征工具周围的地层内的裂缝。
与上文描述的电阻率测井工具类似的电阻率测井工具可基于倾斜的接收器和/或发射器的方位角定向而对方位角是敏感的。在给定时间，引导工具的方位角方向可称作工具面角。可例如使用上文描述的定向传感器识别工具面角。当电阻率测井工具放置在井孔内且旋转时(例如，在LWD/MWD配置中的钻井操作期间)，可作出工具周围的地层的方位角敏感的所测量的响应，其中每个所测量的响应的方位角方向与测量响应时的测井工具的工具面角相关联。如果工具在例如一个深度处旋转，那么可收集沿着360度旋转的所测量的响应。
在某些实施方案中，可根据与所测量的响应相关联的工具面角将所测量的响应划分为多个方位角“分区”。图6是根据本公开的方面的实例分区的图。每个“分区”可对应于电阻率测井工具的一系列工具面角，其中每个分区范围等于360/M且M等于分区的数目。在所示实施方案中，总共有32个分区，每个分区对应于工具周围的地层的11.25度。每个分区可包括在工具面定向在对应的角度范围内时捕获的所测量的响应的振幅和相位。举例来说，箭头602可识别工具的当前工具面角和在该工具面角作出的所测量的响应将存储的分区(分区3)。可对分区编号以相对于彼此来识别分区。在所示实施方案中，分区1对应于垂直于工具的轴线的0度工具面角，而分区17对应于180度工具面角，与分区1相对。在某些实施方案中，如下文也将描述，分区编号可改变以减小识别和表征地层裂缝的计算负担。
在某些实施方案中，可基于地层在一个方位角定向上的所测量的响应来计算分区中的每一者的测量。尽管倾斜的磁性偶极子在一个方位角方向上具有最大方位角敏感度，但倾斜的磁性偶极子也可收集关于地层在其它方位角方向上的响应。根据本公开的方面，可处理由磁性偶极子在第一方位角方向上测量的地层响应，且可提取、调整来自其它方位角的地层的响应贡献并将其分离至与上文描述的分区类似的方位角分区中。
根据本公开的方面，可处理与每个分区相关联的响应的振幅和相位以确定每个分区的电阻率值。如上文所描述，电阻率测井工具可包括至少一个发射器T1和至少两个接收器R1和R2，其中由发射器T1发射的时变EM信号使得地层响应在沿着工具的接收器R1和R2处被测量。由发射器T1发射的时变EM信号和在接收器R1和R2处的所测量的响应可由振幅和相位值表征。在某些实施方案中，在R1和R2处的所测量的响应与由发射器T1产生的信号之间的振幅和相位的差可使用方程式(1)和(2)来计算
方程式(1)：ΔAT1(k)＝20log(AR1T1(k))-20log(AR2T1(k))
方程式(2)：ΔφT1(k)＝φR1T1(k)-φR2T1(k)
其中A*包括振幅，φ*包括相位，R*包括接收器，T*包括发射器，且k包括分区编号。具体地说，AR1T1(k)包括来自接收器R1的对由处于第k分区位置的源T1产生的信号的所测量的响应的振幅；AR2T1(k)包括来自接收器R2的对由处于第k分区位置的源T1产生的信号的所测量的响应的振幅；φR1T1(k)包括来自接收器R1的对由处于第k分区位置的源T1产生的信号的所测量的响应的相位；且φR2T1(k)包括来自接收器R1的对由处于第k分区位置的源T1产生的信号的所测量的响应的相位。分区的电阻率值可使用查找表或反演算法和使用方程式(1)和(2)计算的值来计算。
在某些实施方案中，处理所测量的响应可进一步包括使用相移和衰减信息来计算分区的补偿的信号中的至少一者，以及使用所计算的补偿的信号来计算每个分区的电阻率值。除了针对发射器T1计算的振幅和相位值之外，可针对电阻率测井工具的其它发射器计算对应于给定分区的类似的振幅和相位值，其中一些可形成对称的对，诸如来自图4的发射器T1-T1’、T2-T2’和T3-T3’。在某些实施方案中，补偿的信号可通过对至少一个对称的发射器对的响应一起求平均值而产生。举例来说，当电阻率测井工具包括对称的发射器对T1和T1’时，方程式(1)和(2)可用以计算发射器中的每一者的衰减和相位值(例如，ΔAT1(k)、ΔφT1(k)、ΔAT1’(k)和ΔφT1’(k))，且衰减和相位值可使用以下方程式来平均值以形成补偿的衰减和相位值：
方程式(3)：ΔAT1T1’(k)＝(ΔAT1(k)+ΔAT1’(k))/2
方程式(4)：ΔφT1T1’(k)＝(ΔφT1(k)+ΔφT1’(k))/2
分区的电阻率值可使用查找表或反演算法和使用方程式(3)和(4)计算的值来计算。
在某些实施方案中，平均补偿值可通过对来自至少两个对称的发射器对的补偿值一起求平均值来计算。举例来说，假设电阻率测井工具包括对称的对T1-T1’和T2-T2’，方程式(1)至(4)可分别用以计算每一发射器和对称的对的衰减和相位值以及补偿值，且对称的对T1-T1’和T2-T2’的补偿值可一起求平均值。查找表或反演算法也可用以基于平均补偿值计算分区的电阻率值。
在另一实施方案中，分区中的每一者的电阻率值可使用查找表或反演算法和地质信号来计算。如本文中所使用，地质信号可通过取一个分区的相位或测井振幅与给定轴向位置处的所有分区的平均相位或测井振幅之间的差来计算。举例来说，可针对接收器R1和发射器T1使用以下方程式来计算地质信号：
方程式(5)：
方程式(6)：
其中geo*包括地质信号，att*包括衰减，*pha包括相位，A*包括振幅，φ*包括相位，R*包括接收器，T*包括发射器，且k包括分区编号，且m包括分区的总数目。
根据本公开的方面，上文计算的电阻率值可用以形成地层的感应或传播电阻率图像，其又可用以识别和表征地层内的裂缝。图7是根据本公开的方面的实例电阻率测井工具在具有至少一个裂缝的地层中的图。工具700在地层710内沿着对应于工具700的纵向轴线的轴线720定位。如上文所描述，工具700可包括LWD/MWD工具或电缆工具。地层710包括裂缝730，工具700穿过裂缝730。工具700可相对于裂缝730以“倾角”740定向，“倾角”740对应于轴线720与裂缝730之间的角度。
工具700可进行地层710的至少一个方位角敏感的地层响应测量，其可用以计算地层710的电阻率值，如上文所描述。在某些实施方案中，可在沿着轴线720的对应于地层深度的一个以上轴向位置处进行方位角敏感的地层响应测量。举例来说，可不断地或近不断地进行方位角敏感的测量以提供地层710在工具遇到的每个深度处的详细的360度测量。在其它实施方案中，可进行方位角和轴向限制的测量，可从所述测量计算多个深度处的360度测量。如下文将描述，使用测量计算的电阻率值可随着工具700靠近裂缝730而改变，且可基于改变的电阻率值识别和表征裂缝730。
方位角和轴向不同的电阻率值可组合成地层的感应或传播电阻率图像。图8是说明实例传播电阻率图像800和850的图。如可见，图像800和850包括在以英尺为单位的地层的深度(y轴)和用分区编号表示的方位角定向(x轴)方面绘制地层的电阻率值的图。值得注意的是，图像800和850中的每一者包括Rp区段和Ra区段，其分别对应于使用来自电阻率测井工具的相位测量和振幅测量计算的电阻率值。
图像800和850说明另外均质地导电的地层中的电阻特征。图像800例如识别导电地层中的50英尺深度处的电阻性1.2英寸的裂缝802。相比之下，图像850识别另外均质地层的10英尺的电阻层804。图9说明与图8中的图像类似的图像900和950，不同之处在于图像900中的1.2英寸的裂缝902包括另外均质电阻地层中的导电的1.2英寸的裂缝，且10英尺的层904包括电阻地层中的导电层。图像的电阻和导电部分可通过其对应的电阻率值识别。在图像800、850、900和950中，较深的颜色与较高电阻率值相关联且较浅的颜色与较低电阻率值相关联。通过识别图8和图9中的突然的由深到浅和由浅到深的改变说明的电阻率值的突然改变，可识别裂缝。举例来说，比邻近深度和方位角定向的电阻率值高的第一组电阻率值可指示导电地层中的电阻裂缝，如通过图8中的另外浅色背景内的深色区段所说明。相反地，比邻近深度和方位角定向的电阻率值低的第二组电阻率值可指示电阻地层中的导电裂缝，如通过图9中的另外深色背景内的浅色区段所说明。
在某些实施方案中，滤波器可应用于感应或传播电阻率图像以取消对裂缝的边界的极化效应并增强裂缝与周围地层之间的电阻率对比度。一个实例滤波器是二元滤波器，其利用阈值电平且将低于阈值的任何电阻率值设定为第一值并将高于阈值的任何电阻率值设定为第二值。图10和图11是将21英尺的深度处的0.9英尺的裂缝的相位电阻率值说明为实线并将被滤波的相位电阻率值说明为虚线的图。如可见，被滤波的电阻率值相对于地层的深度在裂缝顶部和裂缝底部提供阶梯对比，其中图10中的裂缝包括导电裂缝(高-低-高)且图11中的裂缝包括电阻裂缝(低-高-低)。值得注意的是，被滤波的电阻率值的阶梯对比可简化定位和表征裂缝所需的图像处理技术。
在某些实施方案中，也可从被滤波的电阻率值和/或感应或传播电阻率图像确定裂缝与工具之间的方位角，但不需要滤波。举例来说，可通过识别首先检测裂缝的分区来确定方位角。图12是说明根据本公开的方面的电阻率测井设备的两个分区对导电地层中的电阻裂缝的方位角响应的图。两个分区包括对应于指向远离裂缝方向的分区的Rup分区，和与Rup分区相对且指向裂缝的分区Rdn。图12进一步绘制工具的平均电阻率值Ravg。如可见，当工具靠近电阻裂缝的上边界时，Rdn将示出因为相对于裂缝的方位角位置而在Rup分区之前的增大的电阻率值。当工具接近裂缝的下边界时，Rdn分区的电阻率值将因为周围的导电地层而下降，而Rup分区的电阻率值将增大。因此，直接向上或远离裂缝的测量将表示来自裂缝的最小电阻率响应，且直接向下或朝向裂缝的测量将表示最大电阻率值。
另外，可通过识别相对于井孔的轴向位置的电阻率最大值和最小值来确定方位角。图13是说明根据本公开的方面的在井孔内的一个深度处的实例方位角电阻率响应的图。如可见，方位角电阻率响应是具有对应于零度角的最小值和对应于与零度角相对的180度角的最大值的波形。取决于地层和裂缝的类型(即，导电与电阻)，裂缝可在方位角方面位于图中的最大或最小电阻率值处。在某些实施方案中，曲线切割方法可用以产生基本上正弦波形并平滑响应以较好地识别相对于方位角的最大和最小电阻率值。类似的响应可在整个裂缝床上产生，且合并的结果可用以准确地识别裂缝的方位角。
在某些实施方案中，一旦识别裂缝的方位角，就可对分区重新编号，使得裂缝的上边界位于分区1且下边界与分区1相对。举例来说，取决于地层的类型，Rup或Rdn可设定为对应于分区1且Rup或Rdn中的另一个可设定为对应于与分区1相对的分区。如上文所说明，可相对于用分区编号表示的电阻率值的方位角定向绘制感应或传播电阻率图像。通过对分区重新编号，不同裂缝的感应或传播电阻率图像可具有类似地定位的感应或传播电阻率图像。图14中示出实例偏移的传播电阻率图像，其中裂缝的上边界位于分区1中，且下边界位于图的中间。
使分区编号偏移可简化识别和表征裂缝的计算要求。举例来说，如果使用图形或数据处理算法，那么标准化裂缝的上边界和下边界的位置可简化算法。同样地，模式匹配技术可用以识别裂缝并确定其特性，包括其大小、形状、平均电阻率值、边缘位置和定向。如果上边界和下边界类似地位于感应或传播电阻率图像内，那么算法可被设计以在指定的地方寻找上边界和下边界，而不是在感应或传播电阻率图像内搜索边界。可类似地简化从感应或传播电阻率图像计算裂缝的大小。
根据本公开的方面，一种模式匹配技术可包括使用模型裂缝特性构建合成裂缝图像。可将合成裂缝图像与感应或传播电阻率图像中的所识别的裂缝进行比较，且可调整模型裂缝特性直到合成裂缝图像与裂缝在预定阈值内匹配为止。在另一实施方案中，模式匹配技术可包括确定一组可能的裂缝特性组合；以及针对可能的裂缝特性的每一组合，产生模型裂缝图像，使建模的电阻率图像的至少一个特性与所识别的裂缝相关，以及确定相关值。可选择具有较高相关值的裂缝特性。裂缝模型可以是井下环境中的电磁波传播的1D、2D或3D模拟。其可基于有线差分、有限元、矩量法和积分方程法。接受产生最佳匹配的裂缝参数作为解决方案。
图15是根据本公开的方面的实例过程的流程图。步骤1501可包括将磁性偶极子发射器和磁性偶极子接收器定位在地下地层中的井孔内。磁性偶极子发射器和磁性偶极子接收器中的至少一者相对于井孔的轴线倾斜。在某些实施方案中，磁性偶极子发射器和磁性偶极子接收器两者可相对于井孔的轴线倾斜。磁性偶极子发射器和磁性偶极子接收器可例如耦接至钻井组合件的电缆工具或LWD元件。
步骤1502可包括借助磁性偶极子发射器产生时变EM信号，且步骤1503可包括使用磁性偶极子接收器测量地层对时变EM信号的响应。响应可包括地层的至少两个深度和地层相对于井孔轴线的至少两个方位角定向。在某些实施方案中，响应可包括地层对EM信号的振幅、相位和衰减值。在某些实施方案中，测量响应可包括从磁性偶极子接收器接收对应于相对于井孔轴线的第一方位角定向的第一测量，以及计算对应于相对于井孔轴线的第二方位角定向的第二测量。
步骤1504可包括至少部分基于响应产生地层的图像。可将响应划分为方位角分区，且井孔或地层的每一深度或每一层可具有单独的方位角分区群组。可通过绘制方位角和深度定向的响应值的可视化来产生地层的图像。在某些实施方案中，至少部分基于响应和合成裂缝图像产生地层的第一图像包括使用来自响应的相位值、来自响应的振幅值、来自响应的衰减值以及使用来自响应的相位值、振幅值和衰减值中的至少一者计算的电阻率值中的至少一者来产生地层的第一图像。在某些实施方案中，计算单独的电阻率值可包括针对方位角分区中的每一者计算地质信号和补偿的信号中的至少一者，以及使用计算的地质信号或补偿的信号以及查找表和反演算法中的至少一者来确定多个分区中的每一者的单独电阻率值。
步骤1505可包括至少部分基于第一图像和合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性。在某些实施方案中，至少部分基于第一图像和合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性可包括使用模型裂缝特性来构建合成裂缝图像以及将合成裂缝图像与第一图像中的特征进行比较。第一图像中的特征可包括第一图像的被怀疑含有裂缝的一部分或区段。可调整模型裂缝特性直到合成裂缝图像与特征在阈值内匹配为止。
在其它实施方案中，至少部分基于第一图像和合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性可包括确定一组可能的裂缝特性组合；以及针对可能的裂缝特性的每一组合，产生模型裂缝图像，使合成图像的第一特性与第一图像中的第二特征相关，以及确定相关值。如上文所描述，第一图像的特征可包括第一图像的一部分。接着可选择具有最高相关值的可能的模型裂缝特性作为第一图像的裂缝特性。
在某些实施方案中，使合成图像的第一特征与第一图像中的第二特征相关可包括确定第二特征的类型。在某些实施方案中，可通过确定第二特征是否包括高于地层中的邻近深度的电阻率值的第一组电阻率值和低于地层中的邻近深度的电阻率值的第二组电阻率值中的一者来确定第二特征的类型。
可确定第一特征与第二特征之间的方位角偏移和深度偏移。可通过基于第二特征的类型确定指向远离第二特征的第一方位角定向和指向第二特征的第二方位角定向来识别第二特征的方位角定向。第一图像和合成裂缝图像中的一者，使得第一特征与第二特征在方位角和深度上对准。
上文描述的方法可在具有磁性偶极子发射器和接收器以及通信地耦接至磁性偶极子接收器的信息处置系统的系统中实现。信息处置系统可包括处理器和指令集，指令集在由处理器执行时使处理器借助磁性偶极子发射器产生时变电磁(EM)信号；使用磁性偶极子接收器测量地层对时变EM信号的响应，响应包括地层的至少两个深度和地层相对于工具主体的轴线的至少两个方位角定向；至少部分基于响应产生地层的第一图像；以及至少部分基于第一图像和合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性。裂缝特性可包括裂缝的存在和/或裂缝的形状、大小、平均电阻率值和/或边缘位置中的至少一者。
因此，本公开非常适于达到所提到的目的和优点以及本文中固有的目的和优点。上文公开的特定实施方案只是说明性的，因为本公开可以对于受益于本文中的教导的本领域技术人员来说是显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外，除了如所附权利要求书中所描述之外，无意限制本文中所示的构造或设计的细节。因此，明显地，上文公开的特定说明性实施方案可被更改或修改，且所有这些变化被视为在本公开的范围和精神内。而且，除非专利权所有人另外明确地和清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其一般的普通含义。如权利要求书中所使用的不定冠词“一”在本文中定义为意指其引介的元件中的一个或一个以上。

Claims (20)

1.一种用于裂缝识别和表征的方法，其包括：
将磁性偶极子发射器和磁性偶极子接收器定位在地下地层中的井孔内，所述磁性偶极子发射器和所述磁性偶极子接收器中的至少一者相对于所述井孔的轴线倾斜；
借助所述磁性偶极子发射器产生时变电磁(EM)信号；
使用所述磁性偶极子接收器测量所述地层对所述时变EM信号的响应，所述响应包括所述地层的至少两个深度和所述地层相对于所述井孔的所述轴线的至少两个方位角定向；
至少部分基于所述响应产生所述地层的第一图像；以及
至少部分基于所述第一图像和合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性。
2.如权利要求1所述的方法，其中至少部分基于所述响应和所述合成裂缝图像产生所述地层的所述第一图像包括使用以下各项中的至少一者来产生所述地层的所述第一图像
来自所述响应的相位值；
来自所述响应的振幅值；
来自所述响应的衰减值；以及
使用来自所述响应的所述相位值、振幅值和衰减值中的至少一者计算的电阻率值。
3.如权利要求1所述的方法，其中至少部分基于所述第一图像和所述合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性包括
使用模型裂缝特性来构建所述合成裂缝图像；
将所述合成裂缝图像与所述第一图像中的特征进行比较；以及
调整所述模型裂缝特性直到所述合成裂缝图像与所述特征在阈值内匹配为止。
4.如权利要求1所述的方法，其中至少部分基于所述第一图像和所述合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性包括
确定一组可能的模型裂缝特性组合；
针对可能的模型裂缝特性的每一组合，
从可能的模型裂缝特性的所述组合产生合成裂缝图像；
使所述合成裂缝图像的第一特征与所述第一图像中的第二特征相关；以及
确定相关值；以及
确定可能的模型裂缝特性的所有组合中的具有最高相关值的可能的模型裂缝特性。
5.如权利要求4所述的方法，其中使所述合成裂缝图像的所述第一特征与所述第一图像中的所述第二特征相关包括
确定所述第二特征的类型；
识别所述第一特征与所述第二特征之间的方位角偏移；
识别所述第一特征与所述第二特征之间的深度偏移；以及
使所述第一图像和所述合成裂缝图像中的一者偏移，使得所述第一特征与所述第二特征在方位角和深度上对准。
6.如权利要求5所述的方法，其中确定所述相关值包括计算所述第一图像和所述合成裂缝图像中的所述偏移的一者与所述第一图像和所述合成裂缝图像中的另一者之间的图像相关值。
7.如权利要求5所述的方法，其中确定所述第二特征的所述类型包括确定所述特征是否包括以下中的一者
高于所述地层中的邻近深度的电阻率值的第一组电阻率值；以及
低于所述地层中的邻近深度的电阻率值的第二组电阻率值。
8.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中至少部分基于所述第一图像和所述合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性包括确定所述裂缝的存在、形状、大小、平均电阻率值和边缘位置中的至少一者。
9.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述磁性偶极子发射器和所述磁性偶极子接收器两者相对于所述井孔的所述轴线倾斜。
10.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述磁性偶极子发射器和所述磁性偶极子接收器相对于所述井孔的所述轴线位于同一位置。
11.一种用于裂缝识别和表征的系统，其包括：
磁性偶极子发射器，其耦接至工具主体；
磁性偶极子接收器，其耦接至所述工具主体，所述磁性偶极子发射器和所述磁性偶极子接收器中的至少一者相对于所述工具主体的轴线倾斜；
信息处置系统，其通信地耦接至所述磁性偶极子发射器和所述磁性偶极子接收器，所述信息处置系统包括处理器和耦接至所述处理器的存储器装置，所述存储器装置含有在由所述处理器执行时使所述处理器执行以下操作的指令集：
借助所述磁性偶极子发射器产生时变电磁(EM)信号；
使用所述磁性偶极子接收器测量所述地层对所述时变EM信号的响应，所述响应包括地层的至少两个深度和所述地层相对于所述工具主体的所述轴线的至少两个方位角定向；
至少部分基于所述响应产生所述地层的第一图像；以及
至少部分基于所述第一图像和合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性。
12.如权利要求11所述的系统，其中使所述处理器至少部分基于所述响应和所述合成裂缝图像产生所述地层的所述第一图像的所述指令集进一步使所述处理器使用以下各项中的至少一者来产生所述地层的所述第一图像
来自所述响应的相位值；
来自所述响应的振幅值；
来自所述响应的衰减值；以及
使用来自所述响应的所述相位值、振幅值和衰减值中的至少一者计算的电阻率值。
13.如权利要求11所述的系统，其中使所述处理器至少部分基于所述第一图像和所述合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性的所述指令集进一步使所述处理器执行以下操作
使用模型裂缝特性来构建所述合成裂缝图像；
将所述合成裂缝图像与所述第一图像中的特征进行比较；以及
调整所述模型裂缝特性直到所述合成裂缝图像与所述特征在阈值内匹配为止。
14.如权利要求11所述的系统，其中使所述处理器至少部分基于所述第一图像和所述合成裂缝图像来确定至少一个裂缝特性的所述指令集进一步使所述处理器执行以下操作
确定一组可能的模型裂缝特性组合；
针对可能的模型裂缝特性的每一组合，
从可能的模型裂缝特性的所述组合产生合成裂缝图像；
使所述合成裂缝图像的第一特征与所述第一图像中的第二特征相关；以及
确定相关值；以及
确定可能的模型裂缝特性的所有组合中的具有最高相关值的可能的模型裂缝特性。
15.如权利要求14所述的系统，其中使所述处理器使所述合成裂缝图像的所述第一特征与所述第一图像中的所述第二特征相关的所述指令集进一步使所述处理器执行以下操作
确定所述第二特征的类型；
识别所述第一特征与所述第二特征之间的方位角偏移；
识别所述第一特征与所述第二特征之间的深度偏移；以及
使所述第一图像和所述合成裂缝图像中的一者偏移，使得所述第一特征与所述第二特征在方位角和深度上对准。
16.如权利要求15所述的系统，其中使所述处理器确定所述相关值的所述指令集进一步使所述处理器计算所述第一图像和所述合成裂缝图像中的所述偏移的一者与所述第一图像和所述合成裂缝图像中的另一者之间的图像相关值。
17.如权利要求15所述的系统，其中使所述处理器确定所述第二特征的所述类型的所述指令集进一步使所述处理器确定所述第二特征是否包括以下中的一者
高于所述地层中的邻近深度的电阻率值的第一组电阻率值；以及
低于所述地层中的邻近深度的电阻率值的第二组电阻率值。
18.如权利要求11至14中任一项所述的系统，其中所述裂缝特性包括所述裂缝的存在、形状、大小、平均电阻率值和边缘位置中的至少一者。
19.如权利要求11至14中任一项所述的系统，其中所述磁性偶极子发射器和所述磁性偶极子接收器两者相对于所述工具主体的所述轴线倾斜。
20.如权利要求11至14中任一项所述的系统，其中所述磁性偶极子发射器和所述磁性偶极子接收器位于所述工具主体上同一位置。
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