CN105672999B - 钻头应用的前瞻预测 - Google Patents

Abstract

本公开涉及钻头应用的前瞻预测。各实施例包括有关于测井的操作的装置和方法。装置和方法可包括工具，该工具具有在发射器‑接收器天线对中的相间隔的发射器天线和接收器天线的排布，用于做出浅测量和深测量。可处理从浅测量和深测量获取的信号来在钻探操作中提供前瞻预测信号。可将发射器和接收器天线取向为，响应于在井中井下地操作发射器，使得来自发射器天线和接收器天线之间的层的信号相消或基本相消。还公开了附加装置、系统、和方法。

Description

钻头应用的前瞻预测

本申请是申请号为201180074874.6、国际申请日为2011年11月15日、发明名称为“钻头应用的前瞻预测”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及具有测井(well logging)能力的系统。

背景技术

在用于油和气体探测的钻井中，应当理解，井眼周围的地质地层(formation)的结构和性质提供了有助于这种探测的信息。然而，钻探钻具操作的环境在地面下相当远的距离处，并且在这些位置进行测量以管理这种装备的操作。测井是经由位于井下的传感器做出测量的过程，可提供有关于地层特性的有价值的信息。测量技术可利用可作出深测量和浅测量的电磁信号，该深测量较少受到井眼和受到钻探侵袭的区域的效果的影响，且该浅测量在提供试探信号的工具附近。最常规的工具定位于钻杆上的钻探电机上，且从已经由钻头刺穿的地层中做出测量。此外，这种测量的实用性可相关于从这种测量推导出的信息的精度或质量。

发明内容

本发明的一方面涉及一种有关于测井的操作的装置，包括：工具，具有发射器天线和接收器天线，所述发射器天线和所述接收器天线被设置为响应于在井内井下地操作发射器，使得来自发射器天线和接收器天线之间的层的信号基本相消、或使得来自所述发射器天线和所述接收器天线之间的区域以外的层的信号基本相消。所述装置包括控制单元和数据处理单元，其可操作以通过将来自所述工具的排列的多个天线的信号组合来合成地创建倾斜角，所述排列的多个天线具有不同的倾斜角。所述控制单元和所述数据处理单元被设置为处理来自所述排列的多个天线的信号从而算法化地为不同地层倾角优化信号相消。所述控制单元和数据处理单元被设置为合成地创建所述倾斜角从而使得来自所述排列的多个天线之间的层的信号相消。所述控制单元和所述数据处理单元被设置为合成地创建所述倾斜角从而使得来自所述排列的多个天线之间的区域以外的层的信号相消。所述发射器天线和所述接收器天线沿所述工具的纵轴被设置，以使所述发射器天线或接收器天线中的至少一个相对于所述工具的所述纵轴具有倾斜角，所述发射器天线和所述接收器天线相对于所述纵轴的取向相对于彼此被选择为使得来自所述发射器天线和所述接收器天线之间的层的信号基本相消。所述发射器天线和所述接收器天线沿所述工具的纵轴被设置，以使所述发射器天线或接收器天线中的至少一个相对于所述工具的所述纵轴具有倾斜角，所述发射器天线和所述接收器天线相对于所述纵轴的取向相对于彼此被选择为使得来自所述发射器和接收器之间的区域以外的层的信号操作地相消。所述装置包括控制单元，以使用所述发射器天线和所述接收器天线进行绝对深测量、采用附加接收器的比深测量、或采用附加接收器和附加发射器的经补偿的深测量，以使各个测量中来自发射器和接收器天线对之间的层的信号被基本相消。所述工具具有四个天线，所述天线被设置为做出浅测量和深测量，且使得来自在所述四个天线之间的层的源于所述四个天线的操作的信号基本相消。所述工具具有少于四个天线，所述天线被设置为做出浅测量和深测量，且使得来自在所述少于四个天线之间的层的源于所述四个天线的操作的信号基本相消。所述工具具有成对设置的多个天线，第一发射器-接收器天线对具有在所述第一发射器-接收器天线对的所述发射器和所述接收器之间在从2英尺到20英尺范围内的间距，以做出浅测量以使来自所述第一发射器-接收器天线对的所述发射器和所述接收器之间的层的信号基本相消，且第二发射器-接收器天线对具有在所述第二发射器-接收器天线对的所述发射器和所述接收器之间在从20英尺到100英尺范围内的间距，以做出深测量以使得来自所述第二发射器-接收器天线对的所述发射器和所述接收器之间的层的信号基本相消。所述第一发射器-接收器天线对的所述发射器天线被设置为所述第二发射器-接收器天线对的所述发射器天线，或所述第一发射器-接收器天线对的所述接收器天线被设置为所述第二发射器-接收器天线对的所述接收器天线。所述装置包括：多个天线，其被设置为包括所述发射器天线和所述接收器天线的所述工具的组件；控制单元，当所述工具在井中被井下操作时，所述控制单元可操作以在所述多个天线中选择成一个或多个发射器-接收器对的天线，所述天线被设置为使得来自各个发射器-接收器对中的发射器和接收器天线之间的层的信号基本相消；和数据处理单元，处理来自所接收到的信号的数据从而在基本没有来自与所述工具的侧边相邻的区域的贡献的情况下，生成前瞻预测信号。

附图简述

图1示出根据各种实施例的具有在钻头之前进行测量的工具的示例性装置的框图。

图2示出根据各种实施例的在钻探操作中用于钻头应用的前瞻预测的示例性方法的特征。

图3A和3B示出根据各种实施例的前瞻预测信号计算。

图4A和4B示出根据各种实施例的层信号相消效果。

图5A和5B示出根据各种实施例的工具的综合几何因数。

图6示出根据各种实施例的实现不同倾角的层信号相消效果的倾斜角度组合，其中倾角的走向与偶极对齐。

图7示出根据各种实施例的高电导率介质的综合几何因数。

图8示出根据各种实施例的与两个不同间隔相关联的几何因数。

图9A-9C示出根据各种实施例的层信号相消配置和相关联的灵敏度区域的三个示例。

图10A和10B示出根据各种实施例的深测量和浅测量的基本配置的示例。

图11示出根据各种实施例的时间推移差分测量相对层信号相消测量的比较。

图12示出根据各种实施例的示例性数据采集系统。

图13示出根据各种实施例的经由浅反演和深反演(deep inversion)的前瞻预测信号计算的示例性方法的特征。

图14示出根据各种实施例的仅使用浅信号的前瞻预测信号计算的示例性方法的特征。

图15示出根据各种实施例的经由去卷积的前瞻预测信号的示例性计算。

图16示出根据各种实施例的经由全反演的深层性质的示例性计算。

图17示出根据各种实施例的经由简单反演的深层性质的示例性计算。

图18示出根据各种实施例的经由反演的深层性质的计算的示例。

图19示出根据各种实施例的地质导向决策表的示例。

图20示出根据各种实施例的与发射器和接收器之间的两个不同间隔相关联的几何因数。

图21示出根据各个实施例的非因果去卷积滤波器。

图22示出根据各个实施例的因果去卷积滤波器。

图23和24分别示出根据各种实施例的在反演过程中具有零倾角和四层的合成测井曲线(log)。

图25示出根据各种实施例的在去卷积过程中具有四层的合成测井曲线。

图26和27根据各种实施例，对于具有电阻率变化的很多层的情况，比较标准和层信号相消配置。

图28A-C示出根据各种实施例的示例性阶跃响应模型和示例性差分信号模型。

图29示出根据各种实施例的对于示例性情况的趋肤效应修正后的信号。

图30A-B示出根据各种实施例的对于示例性情况的对于边界的反演的距离和电阻率对比。

图31示出根据各种实施例的用于控制天线排布的激活，并处理所接收到的信号以用于钻头应用的前瞻预测的示例性系统的特征的框图。

图32示出根据各个实施例的在钻探部位的系统的一个实施例。

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。

图1示出装置100的实施例的框图，装置100具有工具105用来在钻头之前做出测量，该测量可被用于确定前瞻预测信号以及确定井102中的井下性质。工具105可具有相对于工具105的纵轴107结构化的发射器和接收器110-1、110-2、110-(N-1)、110-N的排布(arrangement)。可操作这些发射器和接收器来捕捉位于工具105后的区域内和与工具105的侧边相邻的区域内靠近工具105的信号。这些相对较短范围的信号可被称为浅信号。还可操作这些发射器和接收器来捕捉位于工具105前方的区域内的信号，且使用设置在钻探结构上的工具105，从工具105前方捕捉到的信号可包括在钻头前面的区域。这些相对长范围的信号，比浅信号更深，可被称为深信号。可通过选择发射器-接收器对来操作发射器和接收器110-1，110-2...110-(N-1)，110-N的排布，所述发射器-接收器对由每一对中的发射器和接收器之间的间隔所定义。可使用较大的间隔来探查钻头之前的情况并获取深信号。可使用较小的间隔来探查工具105周围的底层区域内的情况。深信号和浅信号可相关于发射器-接收器间隔，该间隔可继而由位于钻头后的发射器和接收器的定位所设置。例如，浅测量可包括来自从距离工具约一英寸到约十英尺的区域内的贡献，且深测量可包括来自从距离工具约5英尺到约200英尺的区域内的贡献。在作出浅和深测量时，深测量包括来自相比浅测量而言距离工具更远的区域的贡献。例如，深测量可提供来自离工具为(但不限于此)相比在浅测量中提供贡献的距离而言至少多出25％的距离的贡献。贡献距离之间的差异可小于或大于多出25％。

可沿工具105的纵轴107来结构化发射器天线和接收器天线的排布，该纵轴基本垂直于工具截面，该工具截面对应于钻杆中钻环的截面。该排布可包括数个发射器和接收器，所述数个发射器和接收器彼此间隔，以使发射器或接收器中的一个定位于最靠近钻头处且布置中发射器或接收器中的最后一个距离钻头最远。最靠近钻头的那一个发射器或接收器可定位为尽可能靠近钻头。排布开始时越是接近钻头，可确定越是远离钻头的地层性质。第一个天线可放置在钻探电机后的钻环上。可选地，第一个天线可放置在钻探电机上，而非放在钻探电机后的钻环上。

通过使用发射器倾斜角和接收器倾斜角的特定组合，诸如通过相对于工具105的纵轴107的在工具105上的取向，来设置发射器-接收器对，以使可使得来自该对的相应发射器和接收器之间的层的信号相消。发射器倾斜角可与接收器倾斜角相同或与接收器倾斜角不同。例如，接收器可具有零倾斜角而发射器可具有非零倾斜角。在工具105上的这种发射器和接收器的排布可使得工具105对于工具侧边的区域的性质不敏感。对于响应于该对的发射器所发射的探查信号而由该对的接收器所获取的信号，可实施处理来消除工具周围效应并聚焦到钻头前方。对于给定倾角，可实现按照特定层信号相消取向来构造发射器以及其它们相应的接收器。例如，对于按照针对零度倾角的特定层信号相消取向而构造的发射器和它们相应的接收器，在不同倾角的操作可导致小于完整的层信号相消。然而，可能存在倾角的范围，其不同于发射器和接收器被构造为基本完整相消来自层的信号的倾角，在所述的倾角的范围内，来自层的信号是基本相消的。基本相消可包括相对于最优相消的90％的相消。工具105的发射器和接收器110-1，110-2...110-(N-1)，110-N可具有足够数量以允许不同取向的发射器-接收器对以使对于多个不同倾角可由工具105来实现层信号的最优相消。

通过工具105可做出前瞻预测测量来提供前瞻预测信号或确定钻头前的地层性质，而不需使用取向成使得发射器-接收器对的操作不提供层信号相消的发射器-接收器对。可将来自一个或多个浅测量的数据从深测量中减去从而提供前瞻预测测量。可处理来自前瞻预测的数据从而提供前瞻预测信号且确定钻头前的地层性质。

工具105可具有成对设置的多个天线。第一发射器-接收器天线对可具有在该天线对的第一发射器和接收器之间两英尺到二十英尺范围内的间距，从而做出浅测量，以使在第一发射器-接收器天线对的发射器和接收器之间，层信号基本相消。第二发射器-接收器天线对可具有在该天线对的第二发射器和接收器之间从二十英尺到一百英尺范围内的间距，从而做出深测量，以使在第二发射器-接收器天线对的发射器和接收器之间，层信号基本相消。第一发射器-接收器天线对的发射器天线设置为第二发射器-接收器天线对的发射器天线，或第一发射器-接收器天线对的接收器天线设置为第二发射器-接收器天线对的接收器天线。

装置100可包括控制单元120来控制工具105的发射器的激活和在工具105的接收器处对信号的接收。当装置在井中被井下操作时，控制单元105可被构建为能在一个或多个发射器-接收器对中的多个天线中选择天线，所述天线被设置为执行一个或多个深测量以及一个或多个浅测量。当工具在井中被井下操作时，控制单元120可被设置为能用来在一个或多个发射器-接收器对中的多个中选择天线，所述天线被设置为使得该相应发射器-接收器对的发射器和接收器天线之间的层信号基本相消。控制单元120可设置为，除了其他操作外，使用发射器天线和对应接收器天线进行绝对深测量、使用附加接收器的比深(ratiodeep)测量、或使用附加接收器和附加发射器的补偿的深测量，以使相应测量中来自发射器和接收器天线对之间的层信号被基本相消。控制单元120可操作工具105，工具105具有四个天线，该四个天线设置为做出浅测量和深测量并且使得源自四个天线的操作的层信号基本相消。控制单元120可操作工具105，工具105具有少于四个天线，该少于四个天线设置为做出浅测量和深测量并且使得源自四个天线的操作的层信号基本相消。控制单元120可与数据处理单元126结合操作来处理从工具105的接收器处接收的信号。

数据处理单元126可被构建为处理来自一个或多个深测量以及一个或多个浅测量的数据，从而在没有或基本没有来自于工具的侧边相邻的区域的贡献的情况下，生成前瞻预测信号。数据处理单元126可包括仪器来执行一个或多个技术从而处理来自浅测量的信号以及来自深测量的信号从而生成前瞻预测信号。前瞻预测(look-ahead)信号被定义为位于与钻探操作关联的钻头前面的区域相关的信号。数据处理单元126还可使用所生成的前瞻预测信号来确定钻头前面的地层性质。可使用该前瞻预测信号和/或钻头前面的所确定的地层性质来做出地质导向(geosteering)决策。地质导向是对调节钻探方向的有意控制。

确定前瞻预测信号和/或钻头前面的地层性质的技术可包括反演运算、正向建模、使用合成测井曲线、以及过滤技术的各种应用。反演运算可包括测量与模型预测的比较，从而可确定物理特性的值或空间变化。常规反演运算可包括从感应电场和磁场的测量中确定地层中电导率的变化。其他技术，诸如正向建模，涉及计算与假设的模型有关的预期的观察值。合成测井曲线(synthetic log)是在已知地层参数中基于工具的建模的响应的经建模的测井曲线。通过对工具和地层的交互进行数值建模(一般涉及逐点模拟测井曲线的每个深度)来创建该合成的测井曲线。

数据处理单元126可被设置为可操作来使得来自一个或多个浅测量的数据在几何因数(geometrical factor)方面与来自一个或多个深测量的数据均衡，以使来自一个或多个深测量的数据与来自一个或多个浅测量的经均衡的(equalized)数据之间的差异提供前瞻预测信号。可经由去卷积滤波器来实现该均衡。数据处理单元126可被设置为可操作来基于来自一个或多个浅测量的信号和来自一个或多个深测量的信号来执行反演且可操作来将从该反演中推导出的预期深信号从所测得的深测量信号中减去来生成前瞻预测信号。数据处理单元126可被设置为可操作以在没有来自一个或多个深测量的输入的情况下基于来自一个或多个浅测量的信号来执行反演，并且可操作以减去由被施加于深配置的正向建模的反演所产生的信号，从而生成前瞻预测信号。数据处理单元126可使用用所选择的发射器-接收器天线对获得的数据，所述发射器-接收器天线对被选择为使得响应于发射器天线被操作，相应发射器-接收器对的发射器天线和接收器天线之间的层信号基本相消。数据处理单元126可使用从没有被操作为使得来自层的信号相消的发射器-接收器对获得的数据。

工具105的发射器和接收器110-1，110-2...110-(N-1)，110-N可设置为具有排列的带不同倾斜角的多个天线。执行控制单元120和数据处理单元126内的指令的电路和处理设备可操作以通过将来自具有不同倾斜角的排列的多个天线的信号组合来合成地创建倾斜角。这个方案允许装置100来算法地优化不同地层倾角的信号相消。执行控制单元120和数据处理单元126内的指令的电路和处理设备可操作为通过将来自排列的多个天线的信号组合来合成地创建倾斜角，从而合成地创建倾角来使得来自排列的多个天线之间的层的信号相消。可使用优化的信号相消来提供前瞻预测信号以及钻头前面的估计地层性质。

工具105的发射器和接收器110-1，110-2...110-(N-1)，110-N可被设置为一组具有选定倾角的发射器和接收器，以使来自这个组的相应发射器和接收器之间的区域外的层的信号可被相消。这提供了和前文所述的发射器和对应接收器之间的层信号相消相反的相消。这产生了聚焦于工具周围的浅读数，且可被用作本文提及的其他浅测量。发射器天线和接收器天线可被沿工具105的纵轴配置，以使发射器天线或接收器天线中的至少一个相对于工具的纵轴具有倾角，其中发射器天线和接收器天线相对于纵轴以及相对于彼此的取向，使得来自相应发射器和接收器之间区域外的层的信号被可操作地相消。执行控制单元120和数据处理单元126内的指令的电路和处理设备可操作以通过将来自排列的多个天线的信号组合来合成地创建倾斜角，从而使得来自排列的多个天线之间的区域外的信号相消。在其中从具有不同倾角的排列的天线中合成地生成相关联于发射器和接收器的倾角的信号的应用中，该相同的发射器和接收器对可被用于聚焦工具105前面以及聚焦工具105周围。

控制单元120和/或数据处理单元126可定位于井102的表面上，经由通信机制与工具105通信。这样的通信机制可被实现为对于井操作而言是标准化的通信载具。控制单元120和/或数据处理单元126可沿该机制分布，通过该机制，工具105被放置在井120的井下。控制单元120和/或数据处理单元126可与工具105集成，以使控制电路120和/或处理单元126在井102中可井下地操作。控制单元120和/或数据处理单元126可沿工具105分布。这样的实施例可通过提供地质导向机制，提供对于钻探操作期间钻头还没有穿透的地层的稳定和深估计，防止诸如爆发(blow-out)之类的危险情况，且提供对于烃的增强的回收。

装置100可被构建为用于井的井眼中的实施，作为诸如随钻记录(LWD)系统之类的随钻测量(MWD)系统。工具105可定位在钻探操作的钻头处。可选地，装置100可配置为电缆配置。

图2示出在钻探操作中用于钻头应用的前瞻预测的方法的示例性实施例的特征。在210，控制部署于井下的工具的激活，其中该工具具有在选定发射器-接收器对(多个)中可操作地间隔开的发射器天线和接收器天线的排布。控制该工具的激活可包括选择发射器-接收器天线对的操作，以使响应于发射器天线传输探寻信号，相应发射器-接收器对的发射器天线和接收器天线之间的层信号被基本相消。发射器-接收器天线对可操作以其中来自相应发射器-接收器对的发射器天线和接收器天线之间的层的信号相对于来自发射器的探寻信号没有被相消。

在220，获取来自使用发射器-接收器对的深测量的深信号，且获取来自使用一个或多个其他发射器-接收器对的一个或多个浅测量的一个或多个浅信号。在其中不存在来自操作发射器的层信号的相消的情况下，可做出多个浅测量。

在230，处理一个或多个浅信号，生成相对于与工具的侧边和后方(back)相邻的区域的建模的信号。在240，通过相对于该建模信号来处理深信号，在基本没有来自与工具相邻的区域的贡献的情况下，生成前瞻预测信号。

处理一个或多个浅信号并形成前瞻预测信号可包括使得一个或多个浅信号在几何因数方面与深信号均衡，以使该深信号和均衡后的一个或多个浅信号之间的差异提供该前瞻预测信号。均衡该一个或多个浅测量可包括经由浅几何因数和深几何因数的去卷积来生成从浅到深转换的滤波器。处理该一个或多个浅信号可包括基于该一个或多个浅信号和深信号执行反演，从而从该反演中推导出经建模的信号作为预期深信号。随后，形成前瞻预测信号可包括将建模的信号从深信号中减去以生成前瞻预测信号。处理一个或多个浅信号可包括在没有来自深信号的输入的情况下基于该一个或多个浅信号来执行反演，并且将源自该反演的信号施加至深配置的正向建模来提供所建模的信号。因此，形成前瞻预测信号可包括将建模的信号从深信号中减去以生成前瞻预测信号。

在各实施例中，可使用工具周围的层的前瞻预测信号和参数来进行反演，从而生成在与该工具对应的钻头前面的深层的电阻率和电阻率。可在钻探操作期间在井下分析该前瞻预测信号，且基于该分析来在井下做出地质导向决策。可选地，可通过查看该分析或在地表上进行该分析，从而在地表上作出该地址导向决策。可经由可与显示器一起操作的用户界面来进行地表活动，该用户界面向操作人员提供分析或分析的一部分。可在钻头向前移动时生成深层的电阻率和位置。可基于钻头向前移动时的电阻率变化超出电阻率变化的阈值的判定结果，停止钻探操作。超过阈值可能指示钻头前面的危险压力变化。

一般地，所有商业可用的电磁工具对于发射器和接收器位置之间的部分的地层性质最为敏感。然而，在一些应用中，可期望的是在这个部分之上或之下具有更多敏感度。例如，对于地质导向，可期望有这样的敏感度。对于地质导向，可当钻探时在钻头周围做出测量，以将井轨迹有效地引导向产油带或在穿透危险区之前停止钻探。尽管已经做过若干尝试来设计对于钻头前面的地层性质敏感的工具，但是在几乎所有情况下，这些工具还是保持对于工具侧边的地层性质更为敏感。作为结果，由于工具周围的地层轮廓变化，使得测量复杂化。

在各实施例中，可实现一过程来消除工具周围的效应并聚焦于钻头前面。可通过使用发射器倾斜角和接收器倾斜角的特殊组合来使得来自发射器和接收器之间的层的信号相消并使得该工具对于工具侧边的区域的性质不敏感，来实现这个过程。例如，参见图4A和4B。所得敏感区域被图示于图3A的左侧，其中图3A示出来自层信号相消倾斜角的前瞻预测测量。作为第二步骤，可经由去卷积滤波器使得分开的浅测量在几何因数方面与之前的测量均衡，然后从之前的测量中减去。例如，参见图3A的中间和右侧框图。然而，要注意的是，如果没有减去浅测量，图3A中示出的过程可提供有效值(significant value)来评估钻探操作。可选地，该过程可使用具有如图3B所示的不具有层信号相消的任意倾斜角的减除，图3B示出来自任意倾斜角的前瞻预测测量。

前文已经揭示了，对于工具的特别的发射器和接收器倾斜角组合，可能使得从工具的发射器到接收器的直达信号相消。在示例性实施例的不同方法中，缘于发射器和接收器之间的地层引起的信号被相消。应该注意的是，尽管当考虑到三维空间内的个别点时，这个特殊倾斜角组合没有产生敏感度减少，但是由于在如图4A和4B所示的平面上的层信号相消效应，其以给定倾角和走向在平面边界上产生了敏感度消除。图4A示出在发射器和接收器之间具有边界的示例性层信号相消效果。图4B示出在发射器-接收器区段之外具有边界的示例性层信号相消效果。作为结果，示例性过程的实施例可被限制在具有已知倾角和走向角的平面。从研究中观察到，尽管地表并非完美地平坦，或没有准确地已知倾角和走向，本文讨论的过程仍可实现良好的相消。

图5A和5B示出工具的集成的几何因数。这些因数是用于操作在f＝500Hz频率、且在高电阻率区域内具有d1＝24英尺间隔的单个发射器、单个接收器的工具的。图5A示出通过以零倾角创建非常薄的低对比度层的合成测井曲线，所获得的集成(径向方向)的几何因数。曲线561对应0°的发射器倾斜角和45°的接收器倾斜角。曲线562对应45°的发射器倾斜角和45°的接收器倾斜角。曲线563对应50°的发射器倾斜角和50°的接收器倾斜角。曲线564对应55°的发射器倾斜角和55°的接收器倾斜角。从图5A中可见，在55°的发射器和接收器角度，在发射器和接收器的所有位置处几何因数减少。应该注意的是，尽管在这些情况下发射器和接收器倾斜被选择为相同，但层信号相消可在具有不同发射器和接收器倾角的情况下实现。图5B示出类似曲线，不过对应的是30°地层边界倾角。曲线571对应0°的发射器倾斜角和45°的接收器倾斜角。曲线572对应45°的发射器倾斜角和45°的接收器倾斜角。曲线573对应50°的发射器倾斜角和50°的接收器倾斜角。曲线574对应55°的发射器倾斜角和55°的接收器倾斜角。在这个情况下，仍可实现层信号相消，但是位于曲线572中所示的约45°的不同角度处。即使在55°的非最佳倾角处，仍实现相对好的相消。作为结果，对于所用的频率和间隔，预计45°或55°倾斜角的工具在0-30°倾角范围的井中表现良好。可使用这个方法来设计对于不同倾角范围最优的工具。同样重要的是，要注意可使用类似优化过程来实现相反相消：通过相应地调节发射器和接收器倾斜角，可使得来自发射器和接收器之间区域以外的信号相消。这产生了聚焦于工具周围的浅读数，且可被用作本文提及的任何浅测量。获得这样的配置的一个方式在于以曲线561中的配置开始，且减少发射器和接收器倾斜角度直到发射极和接收器之间的敏感度基本大于该区域外的信号。在其中从具有不同倾斜角的配套的天线中合成地生成相关联于发射器和接收器的倾斜角的信号的情况中，该相同的发射器和接收器对可被用于聚焦前面以及聚焦周围二者。

图6示出实现不同倾角的层信号相消效果的倾斜角度组合，其中倾角的走向与偶极对齐。发射器天线-接收器天线间隔是24英尺，且在高电阻率区域内以500Hz操作。曲线681对应30°的倾角。曲线682对应15°的倾角。曲线683对应30°的倾角。曲线684对应45°的倾角。曲线686对应60°的倾角。曲线681对应75°的倾角。从图6中可看到，对于所用配置的广泛的角度组合范围，该相消方法在高达约60度时还是有作用的。可将多个发射器或接收器组合来实现更宽范围内的相消效果。可使用交叉偶极或三轴工具来以最优地相消层信号的倾斜角合成偶极向量。

图7示出对于高电导率介质的集成的几何因数。这些因数对应于具有单个发射器、单个接收器的工具，其操作在f＝500Hz的频率下、在具有R＝1欧姆的电阻率的区域内、倾角θ_dip＝30°、间距d1＝24英尺。曲线771对应0°的发射器倾斜角和45°的接收器倾斜角。曲线772对应44.5°的发射器倾斜角和44.5°的接收器倾斜角。曲线773对应42.5°的发射器倾斜角和42.5°的接收器倾斜角。曲线774对应40.5°的发射器倾斜角和40.5°的接收器倾斜角。尽管对于高电阻率背景的任何倾角可实现非常好的相消，在如图7中所示的高电导率介质中观察到相消性能的减少。此处，如曲线773所示，在42.5°处实现最优性能。在更低频率的操作可允许在更高电导率值的成功相消。

图8示出与两个不同间距相关联的几何因数。图8还示出与两个不同间距相关联的几何因数的减除(subtraction)。这些因数对应于一工具，其以f＝500Hz频率工作、在高电阻率区域中、倾角θ_dip＝0°，间距d1＝24英尺时具有如曲线891中所示的信号，且间距d1＝20英尺时具有曲线892中所示的信号。对于24英尺间距的几何因数被从20英尺间距的几何因数中减去，如曲线893中所示。从图8中可见，通过使用减法，可使得工具后面周围的几何因数最小化，且聚焦向前面。本文讨论的信号以毫姆欧的形式呈现。使用现有公知步骤，将电压乘以相关联的工具系数，可获得这样的信号。

图9A-9C示出层信号相消配置和相关联的敏感度区域的三个实施例。图9A将绝对测量相关联与图9B的比例测量、且相关联于图9C的经补偿测量。图9B的比例测量可消除校准发射器的需要，因为发射器信号上的任何倍增效果可被消除。可不同地调节第一和第二接收器的倾斜角用于相消。在两个接收器上可实现同时相消。图9C中的经补偿测量可进一步消除对于发射器和接收器两者的校准需要，且还可移除在接收器上的倍增的温度变化。对于两个发射器可在两个接收器上实现同时相消，特别是当位于工具前面和位于工具后面的天线之间的距离保持较小时。在各实施例中，天线之一可被放置为尽可能靠近钻头来增加钻头前面的检测深度。

图10A和10B示出深测量和浅测量的配置的示例。一般而言，可使用总共四个天线：用于浅测量的发射器和接收器、以及用于深测量的发射器和接收器。然而，如图10A中所示，可使用通用的发射器或接收器来减少天线元件的数量。当钻探开始时，深测量具有比浅测量延伸得更远的敏感度，且比浅测量更早接收信号。当与浅测量相比，深测量一般具有更长的发射器-接收器间距；然而，这并不是绝对要求的。对于相同发射器-接收器天线对而言，较低的操作频率相比更高频率而言可提供更大的调查距离。深测量的典型发射器/接收器间距是20-100英尺，而浅测量的发射器/接收器间距是2英尺到20英尺。浅间距可足够大以允许对于井眼的敏感度和侵入效果。为了确保最优聚焦，应该在尽可能靠近钻头处进行浅测量。随着发射器和接收器倾斜角增加，深敏感度增加，然而这也放大了井眼和心轴效果。可将发射器或接收器中的至少一个倾斜以产生方向角敏感度。方向角敏感度对于地质导向应用是重要的，因为其允许确定来自不同方向的信号之间的区别。浅和深测量的典型频率范围分别包括500Hz-10MHz以及50Hz-100KHz。可为了区别不同深层距离而使用多个频率。图10B示出现有工具配置，诸如商业可获得的工具，可用于浅或深测量。可通过方向角深敏感度(ADR)传感器来实现这样的工具。

在方向角阵列中具有倾斜天线的ADR传感器可获取多个分立的方向(称为元或元方向)的测量，允许进行多个不同深度的调查来确定至多个岩层界线的距离和方向。例如，ADR可设置为具有发射器和接收器来使用32个分立方向和14个不同深度的调查。然而，ADR排布可使用多于或少于32个分立方向和14个不同深度的调查。ADR传感器可通过使用倾斜的接收器天线并在每次工具旋转时从所有可能的发射器-到-接收器间距多次地(对应于元的数量)获取数据，来向测量增加维度。接收器的倾斜给予ADR传感器阵列方向敏感度。ADR提供的深读数可改进反应时间、允许增加的钻探速度。ADR传感器，，可提供组合在一个工具中的完全经补偿的石油物理-质量电阻率测量和深读数地质导向测量，以最小化底部钻具组件(BHA)长度。方向角读数提供了各向异性电阻值的导数、R_h(水平)和R_v(垂直)、以及倾角。

图11示出时间推移差分测量相对层信号相消测量的比较。在这个示例中，以55°发射器倾斜角和接收器倾斜角、在高电阻率区域内以500Hz操作，进行层信号相消测量，其中其信号由曲线1142表示。在这个示例中，以0°的发射器倾斜角和45°的接收器倾斜角进行时间推移差分测量，其中差分信号由曲线1141表示。通过将在一个工具位置接收到的信号从相距0.2英寸的另一个工具位置接收到的信号中减去，可计算时间推移差分测量。从图11中可看出，当与差分时间推移测量的三阶衰减相比，由于相对于深度的二阶衰减的原因，层信号相消测量可聚焦地深得多。

图12示出诸如数据采集系统之类的装置1200的实施例的框图，该装置具有工具1205，工具带有发射天线1210-T-1...1210-T-N和接收天线1210-R-1...1210-R-M，可在工具1205所在的井眼内操作。发射天线1210-T-1...1210-T-N和接收天线1210-R-1...1210-R-M可沿工具1005配置以使每个天线相对于工具1005的纵轴1207具有倾斜角。发射器天线或接收器天线可具有零度的倾斜角。当工具1205可操作地部署于井的井下时，可将发射天线和接收天线的至少一个组合设置为具有倾斜角，以使该组合的发射天线和接收天线设置为将来自该组合的发射天线和接收天线之间的层的信号相消，且使得工具1206对于工具1205侧边区域的性质不敏感。组合的发射天线和接收天线的倾斜角可不同。当工具1205可操作地部署于井的井下时，可将发射天线和接收天线的至少一个组合设置为具有倾斜角，以使该组合的发射天线和接收天线设置为将来自该组合的发射天线和接收天线之间区域以外的层的信号相消。组合的发射天线和接收天线的倾斜角可不同。发射天线1210-T-1...1210-T-N和接收天线1210-R-1...1210-R-M可包括具有不同倾斜角的天线排列(collocation)，其中合成地创建出一个或多个倾斜角且合成地实现信号相消。可对于来自排列的天线之间的层的信号、或来自排列的多个天线之间区域以外的层的信号，进行合成相消。

除了带有发射天线1210-T-1...1210-T-N和接收天线1210-R-1...1210-R-M的工具1205外，装置1200可包括系统控制中心1220、发射器1212-1...1210-N、接收器1214-1...1214-M、数据采集单元1222、数据缓冲器1224、数据处理单元1226、以及通信单元1228。系统控制中心1220可包括中央处理单元(CPU)、模拟电子器件、数字电子器件、或其各种组合来管理装置1200的其他单元的操作。系统控制中心1220可生成信号并将该信号馈送至发射器1212-1...1212-N。可在100Hz到10MHz的频率范围内生成信号。可使用其它频率范围。发射器1212-1...1212-N可将电流引导至发射天线1210-T-1...1210-T-N，发射天线将电磁波发射至地层内。尽管工具1205可操作来将来自选定组合的发射天线和接收天线之间的层的信号相消且使得工具1205对于工具1205侧边的区域的性质不敏感，可使用多个发射天线来收集附加数据从而改进地层参数的感测。例如，位于与接收天线相距不同距离处的发射天线可产生具有不同深度和分辨率的图像。作为另一个示例，可使用具有不同倾斜角或取向的天线来产生对于各向异性地层性质的敏感度。

可由系统控制中心1220提供的信号来驱动N个发射天线中的一个或多个。该信号可包括位于对频域应用而言所期望的频率的正弦波。在时域应用中，信号可以是具有特定形状和频谱的脉冲。可同时或顺序地激活发射器，且它们可经由堆积(stacking)保持达足够长的时间来允许瞬变消失(die off)且让噪声效果减小。所接收到的信号可被变换至域内，其中信号的入射部分可与反射部分分离。这样的变换的一个特定实施例是Hilbert变换。将位于接收器处的信号提供至系统控制中心1220，在最终通信至地表前，该信号可被存储在数据缓冲器1224处。系统控制中心1220可在不咨询地表的情况下基本自治地控制地质导向操作或与地质导向操作接口，从而以最小延迟做出决策。

在接收天线1210-R-1...1210-R-M处接收到的电磁波信号可被引导至相对应的接收器1214-1...1214-M和系统控制中心1220。装置1200的操作可包括为了更好的时间利用在同时被发射和接收的多个频率。在这样的操作中，可使用正弦波形、方波、或其他基于时间的波形来同时激发位于每一个发射天线1210-T-1...1210-T-M处的多个频率、或位于发射器天线1210-T-1...1210-T-M处的个别频率。通过位于数据采集单元1222的接收端处的滤波器，可将对应于多个频率的经接收的信号分离。对于每一个发射天线1210-T-1...1210-T-M，可记录在所有接收器1214-1...1214-M处接收到的信号。可使用数据缓冲器1224来存储所接收到的信号用于处理。

可使用数据处理单元1226来对数据执行反演或其他处理。可根据与本文教导的实施例类似或相同的处理特征，来继续该处理和反演。反演运算可包括将测量与模型预测比较，从而可确定物理特性的值或空间变化。常规反演操作可包括从感应电场和磁场的测量中确定地层中电导率的变化。其他技术，诸如正向建模，涉及计算与假设的模型相关的预期的观察值。在各实施例中，相对于装置1200进行的反演过程，可在井下执行或在数据被传输至地表1204后在地表处的分析单元(诸如计算机)内执行。通信单元1228可将数据或结果通信至地表1204，用于观察和/或确定将于钻探操作中采取的、与利用装置1200采取的测量相关的后续动作。数据或结果还可被通信至井下其他工具，且被用于改进定位和提取烃的各方面。

使用所获取的浅和深数据，可在整组所接收到的测量上做出暴力(brute-force)反演。然而，可使用将整个操作分为两部分的过程来实现替代的增强处理，所述两部分为：计算前瞻预测信号以及从该前瞻预测信号中计算地层性质。这种分两部分的方法允许直接从前瞻预测信号进行解释，即使对于深层水平电阻率Rh、垂直电阻率Rv、以及位置的解不是唯一的。

图13示出经由浅和深反演的计算前瞻预测信号的方法的示例性实施例的特征。这个计算可利用使用浅信号1311和深信号1312二者的完全反演。可为数值反演1331提供浅信号1311和深信号1312。数值反演1331可使用多个不同的常规技术，包括但不限于模式匹配和迭代方法。库1332和正向模型1333可帮助数值反演1331。来自井眼修正1334的反演的井眼参数可反馈至数值反演1331来获得较好的估算。来自数值反演1331的输出可包括层电阻率(R_h，R_v)、层位置(z)、倾角(θ)、走向角井眼半径(r_b)、井眼电阻率(R_b)、离心率(d_ecc)、和离心率方向角可将这些参数反馈至井眼修正1334来更新井眼修正1334。还可将这些因素转发馈送来为在工具1335周围或后面的层提供数据用于进一步处理。从数值反演1331输出的深层电阻率(R_h，R_v)、深层位置(z)没有被提供用以确定前瞻预测信号，被保留用以用所测得的深信号1312作进一步处理的数据涉及工具周围或后面的层。工具1335周围或后面的层的数据可被提供用以正向建模1336，从而提供与工具周围或后面的层相关的深配置。来自正向建模1336的输出提供经建模的信号，这是来自工具周围的层的预期深信号，其可被引导至减法节点1337。通过将来自工具周围的层的预期深信号从所测得的深信号中减去，可获得前瞻预测信号。

图14示出通过仅使用浅信号1411的前瞻预测信号计算的方法的示例性实施例的特征。在这个情况下，反演的层全都位于工具附近，因为浅测量大多在工具附近敏感。可对于数值反演1431提供浅信号1411。数值反演1431可使用多个不同的常规技术，包括但不限于模式匹配和迭代方法。库1432和正向模型1433可帮助数值反演1431。来自井眼修正1434的反演的井眼参数可反馈至数值反演1431来获得较好的估算。来自数值反演1431的输出可包括层电阻率(R_h，R_v)、层位置(z)、倾角(θ)、走向角井眼半径(r_b)、井眼电阻率(R_b)、离心率(d_ecc)、和离心率方向角可将这些参数反馈至井眼修正1434来更新井眼修正1434。这些因素还可被馈送至具有深配置的正向建模1436来获得仅包括工具附近的层的信号。来自正向建模1436的输出提供仅包括工具附近的层的建模的信号，其可被引导至减法节点1437。作为结果，当从测得的深信号1412中减去经建模的信号后，可获得前瞻预测信号。

图15示出经由去卷积计算前瞻预测信号的示例性实施例。可用不涉及反演的方式执行这样的前瞻预测信号计算。在这个情况下，可执行正向建模1541来获得因变于深度、相关联于深配置的浅几何因数1542。可执行正向建模1543来获得因变于深度、相关联于浅配置的浅几何因数1544。可向正向建模1541和正向建模1543提供地层倾角。获得几何因数的一个方式在于执行地层的合成测井曲线，其包括深度为0处的背景电阻率和非常薄的层。假设背景电阻率与频率的倒数相比足够大，在这个情况下，观察不到显著的趋肤效应。图15中所示的方法还被期待在其中存在一些趋肤效应的情况下起作用，但是这样的方法使用将与特定电阻率一起被计算的惯常几何因数。然而，由于趋肤效应所引起的非线性，所得的前瞻预测信号可由浅信号所污染。

在计算几何因数后，通过将浅几何因数从深几何因数1545中去卷积来计算滤波器。在地质导向应用中，没有对于将来信号值的存取，所以可将滤波器转换为因果1551，例如，通过在滤波器的将来侧上强制取零值且将所移除的值之和增加至最终可用的滤波器系数来完成此举。在其中发射器和接收器的偶极子取向并非最优(例如，如果它们没有提供良好的层信号相消)的情况下，可旋转发射器和接收器至任何角度，只要可作出交叉偶极测量来优化深信号1512的偶极取向1552且优化浅信号1511的偶极取向1554。在其中发射或接收天线旋转的情况下，可将所得不同天线偶极取向组合进行类似优化。

对于浅信号的滤波器应用1556均衡其分辨率，并且向深测量的对中(centering)提供经变换的浅信号1157。这允许在减法节点1537处，在不产生由于分辨率差异引起的效应的情况下，有效地将浅信号从深信号中减去。也可在减法和滤波之前，应用浅信号1511的趋肤深度和井眼修正过程1555以及深信号1512的趋肤深度和井眼修正过程1553，从而移除且由此均衡化趋肤深度和井眼效应。上述方法手段没有反演且该方法甚至在其中反演被认为不能很好起作用的情况下也可起作用。该方法可被快速处理从而在地质导向的同时被应用，因为最大的计算部分是滤波器应用。

图16示出经由全反演的深层性质计算的示例性实施例。尽管在这些应用中，前瞻预测信号单独可有用，可期望计算钻头前的层的电阻率和位置。如图16中所示，可通过考虑了诸如工具周围层参数之类的所有已知信息的反演算法来执行此举。可为反演1631提供前瞻预测信号，以及诸如层电阻率(R_h，R_v)、层位置(z)、倾角(θ)、走向角井眼半径(r_b)、井眼电阻率(R_b)、离心率(d_ecc)、和离心率方向角之类的工具附近的参数。库1632和正向模型1633可帮助反演1631。反演1631可包括使用一个或多个技术，诸如但不限于解析公式、模式匹配、和迭代方法，来输出深层电阻率(R_h，R_v)和深层位置(z)。

图17示出经由简单反演的深层性质计算的示例性实施例。在其中仅已知倾角(θ)和走向角的情况下，可通过如图17中所示的反演来获得电阻率变化和层位置。可为反演1731提供前瞻预测信号，以及倾角(θ)和走向角库1732和正向模型1733可帮助反演1731。反演1731可包括使用一个或多个技术，诸如包括但不限于解析公式、模式匹配、和迭代方法，来输出深层电阻率(R_h，R_v)和深层位置(z)。由于几何因数与至层边界的距离平方成反比，可为反演使用解析公式。由于较大的电阻率变化可表示大的压力变化，来自这个计算的结果可被用于出于安全目的在接近危险区之前停止钻探。

图18示出经由反演的深层性质计算的示例性实施例。可使用图18中所示的计算方法来反演层的距离和电阻率。该计算开始于为正向建模1833所提供的倾角(θ)和走向角如果趋肤效应足够小或可被充分补偿，则在每层的电导率和在接收器处生成的信号之间存在基本线性的关系。作为结果，只要给出由于电导率分布上的小幅不稳引起的信号，就可预测对于具有任何电导率的层将有什么信号贡献。为此目的，在从正向建模1833到1831处，可通过合成测井两层地层(其中在层传导率之间存在非常小的对比Δσ)来生成阶跃响应Uⁿ(d)。在1832，基于线性性质，在其中具有单层不稳情况下在深度z处、第n次测量处的总信号可被写为

其中G_contrast是工具所在层和位于工具前面的层之间的电导率差异，且σ_background是由于工具当前所在层引起的电导率。在1834，为了移除未知背景的效应，可计算差分信号

DSMⁿ(σ_contrast，d)＝σ_contrast(Uⁿ(d)-Uⁿ(d-Δz)) (2)

在1835，可通过考虑如下来自第n次测量和第m次测量的差分信号的比值来移除电导率对比的效应，

在1836，可提供在深度z处在第n次测量出的前瞻预测信号σⁿ(z)，来计算差分信号DSⁿ(z)＝(σⁿ(z)-σⁿ(z-Δz))。在1837，可使用来自1836的结果将差分信号的比值计算为RDS^nm(z)＝DSⁿ(z)/DS^m(z)。在1838，如图16中所示，通过使用式1-3中的关系来为工具前面的层的距离、d^nm(z)、和电导率、σⁿ _contrast(z)而反演从测量获得的差分信号。可发现距离d^nm(z)以使RDS^nm(z)＝RDSM^nm(d)。可发现电导率σⁿ _contrast(z)以使DSⁿ(z)＝DSMⁿ(σⁿ _contrast，d^nm(z))。采用不同n和m的每一估算产生具有不同检测深度的结果，且在1839优化测量可被可视地或算法化地挑选。可从这个反演过程中输出深层电导率(R_h，R_v)和深层位置(z)。当工具远离边界时，期待只有深测量，来产生良好结果。当工具变得接近于边界时，具有较低检测深度的测量可有效。图18中所公开的处理要求层边界位于至少两个不同测量的范围内。尽管深测量可看得更深，但浅测量可更为准确，因为它们较少受到多层的边界的影响。在各实施例中，本文教导的处理方案可被重复且在该工具钻探/移动时可增加新的测量。图19示出地质导向决策图表的示例性实施例。可为可视和/或算法检查151提供前瞻预测信号以及深层电导率(R_h，R_v)和深层位置(z)，从中可做出地质导向决策。可由在地表处观察该测量的处理结果的人员做出地质导向决策。可选地，可由自动化系统在井下做出地质导向决策。由于与井下遥测设备向地表提供数据相关联的内在滞后，自动化系统可更加快速地响应。前瞻预测信号与电阻率对比的强度和变化的距离成正比。作为结果，前瞻预测信号可给出关于正在接近的层的本质的有用信息。较远的具有较大对比的深层与具有较小电阻率对比的近层创建出非常类似的信号，在某些情况下可能难以找到电阻率和距离的唯一结果。在这样的情况下，前瞻预测信号本身可被用于做出决策。另一个可选例是使用有关层电阻率或距离的先验知识来消除非唯一性问题。

文献中的现有努力聚焦于增加工具前面的敏感度，但是工具周围的敏感度的减少没有被解决。作为结果，现有工具接收到来自工具周围和前面的信号的混合，这种混合非常难以分离、或不可能分离。在各实施例中，可利用在发射器和接收器之间的层上实现层信号相消效果的特殊天线倾斜角。这基本完全消除了对于这些层的敏感度。进一步，可使用多个间隔数据的去卷积和反演来减少对于靠近工具的层的敏感度的可选方法。与经受重大困难和复杂性的方法相反，所得方法可在具有变化的电导率的多层的实践场景中提供前瞻预测能力。

图20示出与发射器和接收器之间的两个不同间距相关联的几何因数。在这个示例中，对在15kHz操作、一个天线倾斜在45°且一个天线倾斜在0°的浅测量，使用4英尺间距，该浅测量的信号示出在曲线2096中。对在500Hz操作、一个天线倾斜在45°且一个天线倾斜在0°的深测量，使用24英尺间距该深测量的信号示出在曲线2097中。该工具偏置被定义为工具沿z-轴的真实垂直位置，其中z-轴指向上。从图20中可见，深测量对于深位置(z＞0)更为敏感。当层边界位于发射器和接收器之间时，敏感度最大且为常数(对于浅测量-4＜z＜0，且对于深测量-24＜z＜0)。如图21中所示，从这两个曲线中计算出去卷积滤波器，图21示出的是非因果去卷积滤波器。如图22中所示，使这个滤波器变为因果滤波器。

图23和图24分别示出反演过程中具有零倾角和四层的合成测井曲线(log)。层边界被图示为具有标识于每个区域内的每层的敏感度的垂直线2304、2306、和2308。图23示出采用倾斜角45°、与具有倾斜角0°的接收器天线间隔24英尺、在500Hz操作的发射器，和采用倾斜角45°、与同一接收器天线间隔4英尺、在15KHz操作的发射器。曲线2341示出深信号。曲线2342示出浅信号。曲线2343示出经转换的浅信号。曲线2344示出前瞻预测信号。图24示出采用倾斜角55°、与具有倾斜角55°的接收器天线间隔24英尺、在500Hz操作的发射器，和采用倾斜角55°、与同一接收器天线间隔4英尺、在15KHz操作的发射器。曲线2441示出深信号。曲线2442示出浅信号。曲线2443示出经转换的浅信号。曲线2444示出前瞻预测信号。该工具被假设为从z＝200英尺移动至z＝-200英尺，其中深度被定义为-z。图14中示出的反演方法被用于经变换的浅信号和前瞻预测信号计算。可见，前瞻预测信号清楚地示出正在接近的层，其中对于更高的电导率对比产生更高信号。通过利用如前文所述的前瞻预测曲线型式(curve profile)，从反演中可确定正在接近的层的距离和电导率。尽管单个间距为这样的反演提供充足信息，通过使用多个深间隔可获得更高准确度。在图24中获得更高的信号电平，图24中发射和接收天线均被倾斜以实现层信号相消和深聚焦。

图25示出对于图23的配置、使用图15中描述的去卷积方法获得的结果。图25示出采用倾斜角45°、与具有倾斜角0°的接收器天线间隔24英尺、在500Hz操作的发射器，和采用倾斜角45°、与同一接收器天线间隔4英尺、在15KHz操作的发射器。曲线2541示出深信号。曲线2542示出浅信号。曲线2543示出经转换的浅信号。曲线2544示出前瞻预测信号。使用反演方法结果获得可比较的结果，然而，观察到由于因果实现和趋肤深度效应引起的一些噪声。

图26和27对于具有一些电阻率变化的大量层的实践情况，比较了标准配置和层信号相消配置。图26示出相对于标准测量配置的具有2个区(由接口2604分开)和20个层的合成测井曲线。图27示出相对于层信号相消配置的具有2个区(由接口2604分开)和20个层的合成测井曲线。在这个示例中，第一区电阻率在2.5和3.8Ωm范围内变化，且第二区电阻率在22和27Ωm范围内变化，且在两个区之间具有接口2604。在这两个配置中，使用相同天线定位但采用不同倾斜角。图26示出具有45°倾斜角的天线与在500Hz操作的具有0°倾斜角的天线之间具有24英尺间距，且具有45°倾斜角的该天线与在15KHz操作的具有0°倾斜角的另一个天线之间具有4英尺的间距。图27示出具有55°倾斜角的天线与在500Hz操作的具有55°倾斜角的天线之间具有24英尺间距，且具有55°倾斜角的该天线与在15KHz操作的具有0°倾斜角的另一个天线之间具有4英尺的间距。曲线2651示出深信号。曲线2652示出浅信号。曲线2653示出经转换的浅信号。曲线2654示出前瞻预测信号。曲线2751示出深信号。曲线2752示出浅信号。曲线2753示出经转换的浅信号。曲线2754示出前瞻预测信号。

在层信号相消配置中，对于天线之间采用示例性24英尺间距的情况，用于深读数的倾斜角被设置为得以实现图3中所示的效果。在标准配置中，由于对于底部和中间天线之间的层的较大敏感度，在距离边界5英尺距离处附近，边界效应变得显著。对于层信号相消配置，检测深度增加至15英尺。层信号相消的另一个重要特征在于深信号本身的形状也变得直接表示工具前面和后面的层，如例如图9中所示。在图14中所示过程中，工具后面的层的效应被移除，且不可在前瞻预测信号中看到。在深度0和20英尺之间观察到的曲线平稳段(plateau)是由于该工具对于中间天线和底部天线之间的地层的不敏感性。可通过使用诸如图23中的配置来消除这个效果。

图28A-C示出示例性阶跃响应模型和示例性差分信号模型。图28A示出阶跃响应模型，图28B示出差分信号模型，且图28C示出差分信号比模型。可经由与图16相关联的式子来获得这些模型。可使用具有多个间隔的工具。图28A-C中的多个间隔来自各自位于55°倾斜角的四个天线，包括各自与具有55°倾斜角的共用天线之间，间隔3英尺的在32000Hz操作的天线、间隔6英尺的在8000Hz操作的天线、间隔12英尺的在2000Hz操作的天线、以及间隔24英尺的在500Hz操作的天线。由于将曲线阶跃过渡设置为在z＝0处，为获得正值，工具偏置等于到边界的距离。曲线2861示出对于3英尺间距的阶跃响应。曲线2862示出对于6英尺间距的阶跃响应。曲线2863示出对于12英尺间距的阶跃响应。曲线2864示出对于24英尺间距的阶跃响应。曲线2871示出对于3英尺间距的差分信号。曲线2872示出对于6英尺间距的差分信号。曲线2873示出对于12英尺间距的差分信号。曲线2874示出对于24英尺间距的差分信号。曲线2881示出3英尺间距与6英尺间距的比值的差分信号的比值。曲线2882示出6英尺间距与12英尺间距的比值的差分信号的比值。曲线2883示出12英尺间距与24英尺间距的比值的差分信号的比值。从差分信号图线中可看出，对于所考虑范围内的每一个差分信号值，可找到至边界的唯一距离。与至边界的距离有关的差分信号的敏感度随着至边界的距离增加而减少。可对于差分信号比值做出类似观察。

图29示出对于具有多个边界和两个区的示例性情况的趋肤效应经修正的信号。在这个示例中，示出来自各自位于55°倾斜角的四个天线的多个间隔，四个天线分别是：与具有55°倾斜角的共用天线之间，间隔3英尺的在32000Hz操作的天线、间隔6英尺的在8000Hz操作的天线、间隔12英尺的在2000Hz操作的天线、以及间隔24英尺的在500Hz操作的天线。图29中示出示例性电导率值。曲线2951示出对于3英尺间距的信号。曲线2952示出对于6英尺间距的信号。曲线2953示出对于12英尺间距的信号。曲线2954示出对于24英尺间距的信号。

图30A-B示出图29的示例性情况的经反演的至边界距离和电阻率对比。在这个示例中，示出来自各自位于55°倾斜角的四个天线的多个间隔，四个天线分别是：与具有55°倾斜角的共用天线之间，分别间隔3英尺的在32000Hz操作的天线、间隔6英尺的在8000Hz操作的天线、间隔12英尺的在2000Hz操作的天线、以及间隔24英尺的在500Hz操作的天线。可使用与图18相关联的算法来获得反演的至边界距离和电阻率对比值。在图30A中，曲线3081示出对于3英尺间距比6英尺间距的比值的距离。曲线3082示出对于6英尺间距比12英尺间距的比值的距离。曲线3083示出对于12英尺间距24比英尺间距的比值的距离。在图30B中，面积3091示出3英尺间距的电导率对比。面积3092示出6英尺间距的电导率对比。面积3094示出24英尺间距的电导率对比。在这个情况下，除了使用前瞻预测信号，可直接使用图29中所示的总信号。由于测量的层信号相消性质(其将工具前面的信号予以聚焦)，这可产生良好结果。即使这还产生向工具后面的一些聚焦，如果当工具接近分区边界时工具后面不存在大幅电导率变化，则对于后面的敏感度不会产生干扰。在这个示例中，在Δz＝2英尺情况下选择差分测量间隔，该间隔足够大以消除测量噪声的影响，且足够小以允许检测测量的较小深度。从图中可见，在这个示例中，位于24英尺和12英尺间隔处的两个最深测量可读取与边界距离约15英尺处的距离和电导率。从该算法中获得的电阻率值接近于约300-400欧姆的实际对比。距离测量也接近实际值。使用本文教导的反演方法的实施例，即使在没有完全分离前瞻预测信号且具有多层的情况下，可成功地获得期望参数的确定。在附加测试中，已经确定，如果没有使用层信号相消，则来自多层的信号覆盖(overwhelm)了结果且反演不成功。

钻头电阻率工具的前瞻预测可对于还没有被钻探的地层做测量，且允许更好的地质导向决策来最大化产率并减少诸如钻探到压力异常区内之类的危险情况。现有努力已经聚焦于增加工具前面的敏感度，但完全没有解决工具周围的敏感度。具有对于工具周围较大敏感度的工具被认为对于感测工具前面的信号方面具有大得多的困难。在各实施例中，将装置设置为基本完全消除对于测量工具侧边的区域的电磁深读数敏感性并聚焦于工具前面。相对于通过利用特殊倾斜角来消除工具上的发射器及其相关联的接收器之间的直接信号的工具和方法而言，该排布可提供增强的测量敏感度。这个排布可显著增加深读数工具的成功度，因为传感器的与物理学相关的最大风险之一被认为是由于工具周围的层引起的复杂性。被设置和构造为与根据本文教导的实施例类似或相同地操作的工具可用于地质导向和孔隙压力测量应用。

如本文描述地或以类似方式，响应于在井中井下地操作发射器，使用在具有或不具有取向为使得来自发射器天线和接收器天线之间的层的信号相消或基本相消的发射器-接收器天线对的浅测量和深测量来生成前瞻预测信号和钻头前面的地层性质的测量工具的各组件以及处理单元，可用硬件和软件实现的组合来实现。这些实现可包括具有机器可读指令的机器可读介质，诸如具有计算机可执行指令的计算机可读介质，用于操作系统以用来：控制部署于井下的工具的激活，该工具具有在选定发射器-接收器对(多个)中可操作地间隔开的发射器天线和接收器天线的排布；获取来自使用发射器-接收器对的深测量的深信号和来自使用一个或多个其他发射器-接收器对的一个或多个浅测量的一个或多个浅信号；来处理该一个或多个浅信号，生成相对于与工具的侧边和工具的后方相邻的区域的经建模的信号；以及，通过相对于该经建模信号来处理深信号来在基本没有来自与工具相邻的区域的贡献的情况下，生成前瞻预测信号。与图1-图30A-B中讨论的过程类似或相同，该指令可包括指令以操作具有多个发射器-接收器对的工具以及处理来自深测量和浅测量的信号。该指令可包括根据本文的教示，来操作工具和地质导向操作的指令。进一步，本文中，机器可读存储设备是存储由设备中的物理结构所表示的数据的物理设备。机器可读存储设备的示例包括但不限于，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储器设备、光盘存储器设备、闪存、和其他电、磁、和/或光存储设备。

图31示出系统3100的实施例的特征的框图，系统3100包括传感器工具3105，该传感器工具具有发射器和接收器的排布，其中该排布可对于深测量和浅测量获取测量信号，从而生成前瞻预测信号以及确定钻头前面的地层性质。可与以本文讨论的设置类似或相同地实现传感器工具3105的发射器3110-1和接收器3110-2的排布。该排布可包括一个或多个发射器-传感器天线对，其设置为响应于在井中井下地操作发射器，使得来自发射器天线和接收器天线之间的层的信号相消或基本相消。

系统3100还可包括控制器3141、存储器3142、电子装置3143、以及通信单元3145。控制器3141、存储器3142、和通信单元3145可被设置为操作传感器工具3105来确定前瞻预测信号以及确定传感器工具3105前面的区域的性质。在接近钻头或位于钻头处将传感器工具3105粘附至钻杆时，传感器工具3105前面的区域就是钻头前面的区域。可将控制器3141、存储器3142、和电子装置3143实现为包括在传感器工具3105中控制发射器天线的激活和接收器天线的选择，且根据本文描述的测量过程和信号处理来管理处理方案。通信单元3145可包括钻探操作中的井下通信设备。此类井下通信设备可包括遥测系统。

系统3100还可包括总线3147，其中总线3147提供系统3100的部件之间的导电性。总线3147可包括各自独立配置的地址总线、数据总线、以及控制总线。总线3147还可使用公共线路来提供地址、数据、或控制中的一项或多项，公共线路的使用可由控制器3141调节。总线3147可配置成使系统3100的诸个部件分布开。可将这样的分布设置在诸如传感器工具3105的发射器和接收器之类的井下组件和可被部署在井表面上的组件之间。可选地，这些组件可共置在诸如钻杆的一个或多个环上、或者在测井电缆结构上。

在各个实施例中，外围设备3146可包括显示器、附加的贮存存储器、和/或可与控制器3141和/或存储器3142协同操作的其他控制设备。在实施例中，可将控制器3141实现为一个或多个处理器。可将外围设备3146设置为具有显示器，利用存储于存储器3142内的指令来实现用户界面来管理传感器工具3105和/或分布于系统3100内的组件的操作。可结合通信单元3145和总线3147来操作这样的用户界面。可将系统3100的各组件与传感器工具3105集成，以使可在测量周围的井下或在地表处执行与相对于本文各实施例所讨论的处理方案相同或类似的处理。

图32示出位于钻探部位的系统3200的实施例，其中系统3200包括传感器工具3105，该传感器工具具有发射器和接收器的排布，其中该排布可对于深测量和浅测量获取测量信号，从而生成前瞻预测信号并确定钻头前面的地层性质。可与以本文讨论的设置类似地或相同地实现传感器工具3105的发射器和接收器的排布。该排布可包括一个或多个发射器-传感器天线对，其设置为响应于在井中井下地操作发射器，使得来自发射器天线和接收器天线之间的层的信号相消或基本相消。

系统3200可包括位于井3206的地表3204的钻机3202、以及连接在一起以形成通过转盘3207下降到井眼或井眼3212中的钻杆的一串钻管(即，钻杆3208)。钻机3202可提供对钻杆3208的支持。钻杆3208可操作以穿透转盘3207，从而穿过地下地层3214钻探井眼3212。钻杆3208可包括钻管3218、以及位于钻管3218的下部的井底(bottom hole)组装件3220。

井底组件3220可包括钻环3215、传感器工具3205、和钻头3226。在各实施例中，传感器工具3205可包括定位于尽可能接近钻头3226处的传感器。钻头3226可操作以通过穿透地表3204和地下地层3214来产生井眼3212。可为MWD系统(诸如LWD系统)的井眼内的实现而构建传感器工具3205。传感器工具3205可被实现为具有外壳，该外壳容纳电子元件来激活发射源并收集位于选定接收传感器处的响应。这样的电子元件可包括处理单元来分析由传感器工具3205所收集的信号，并通过用于井中操作的通信机制来将所处理的结果提供至地表。可选地，电子元件可包括通信接口，来将传感器工具3205所感测到的信号通过用于井中操作的标准通信机制提供至地表，其中可在地表处的处理单元处分析这些所感测到的信号。

在各实施例中，可将传感器工具3205包括在耦合至测井线缆3274(诸如例如用于电缆应用(wireline application))的工具本体3270内。包含传感器工具3205的工具本体3270可包括电子元件来激活传感器工具3205的发射传感器，并从传感器工具3205的选定接收传感器处接收响应。这样的电子元件可包括处理单元来分析由传感器工具3205所收集的信号并通过用于在井中操作的通信机制来将所处理的结果提供至地表。可选地，电子元件可包括通信接口，来将传感器工具3205所收集的信号通过用于在井中操作的标准通信机制提供至地表，其中可在地表处的处理单元处分析这些所收集的信号。测井线缆3274可实现为电缆(wireline)(多个电源和通信线路)、单线缆(单个导体)、和/或钢丝(slick-line)(没有导体用于电源或通信)、或用于井眼3212内的其他合适的结构。

在钻探操作期间，钻杆3208可通过转盘3207来旋转。除此以外或可选地，井底组件3220还可通过位于井下的电机(例如，抽泥马达)来旋转。可使用钻环3215向钻头3226添加重量。钻环3215还可加固井底组件3220以允许井底组件3220向钻头3226传递所添加的重量，进而辅助钻头3226穿透地表3204和地下地层1814。

在钻探操作期间，抽泥泵3232可将来自泥浆池3234的钻探液(有时被本领域技术人员称为“钻探泥浆”)通过软管抽到钻管3218中并向下泵送到钻头3226。钻探液可从钻头3226流出，并且通过钻管3218和井眼3212侧面之间的环状区域3240返回到地表3204。然后，钻探液可返回到泥浆池3234，在该泥浆池中过滤这种钻探液。在一些实施例中，可使用钻探液来冷却钻头3226以及在钻探操作期间提供对钻头3226的润滑。另外，可使用钻探液来去除通过操作钻头3226产生的地下地层3214的钻屑。

虽然在本文中已示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，旨在实现相同目的的任何排布可替代所示的特定实施例。各个实施例使用本文中所描述的实施例的置换和/或组合。应当理解，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，以上实施例的组合以及其他实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (13)

1.一种有关于测井的操作的装置，包括：

用来在钻头之前做出测量的工具，具有发射器天线和接收器天线，所述发射器天线和所述接收器天线具有被适当设计的物理倾斜角或者合成地生成的倾斜角，所述发射器天线和所述接收器天线被设置为响应于在井内井下地操作发射器，使得来自发射器天线和接收器天线之间的层的信号基本相消、或使得来自所述发射器天线和所述接收器天线之间的区域以外的层的信号基本相消。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括控制单元和数据处理单元，其可操作以通过将来自所述工具的排列的多个天线的信号组合来合成地创建倾斜角，所述排列的多个天线具有不同的倾斜角。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制单元和所述数据处理单元被设置为处理来自所述排列的多个天线的信号从而算法化地为不同地层倾角优化信号相消。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制单元和数据处理单元被设置为合成地创建所述倾斜角从而使得来自所述排列的多个天线之间的层的信号相消。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制单元和所述数据处理单元被设置为合成地创建所述倾斜角从而使得来自所述排列的多个天线之间的区域以外的层的信号相消。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射器天线和所述接收器天线沿所述工具的纵轴被设置，以使所述发射器天线或接收器天线中的至少一个相对于所述工具的所述纵轴具有倾斜角，所述发射器天线和所述接收器天线相对于所述纵轴的取向相对于彼此被选择为使得来自所述发射器天线和所述接收器天线之间的层的信号基本相消。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射器天线和所述接收器天线沿所述工具的纵轴被设置，以使所述发射器天线或接收器天线中的至少一个相对于所述工具的所述纵轴具有倾斜角，所述发射器天线和所述接收器天线相对于所述纵轴的取向相对于彼此被选择为使得来自所述发射器和接收器之间的区域以外的层的信号操作地相消。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括控制单元，以使用所述发射器天线和所述接收器天线进行绝对深测量、采用附加接收器的比深测量、或采用附加接收器和附加发射器的经补偿的深测量，以使各个测量中来自发射器和接收器天线对之间的层的信号被基本相消。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工具具有四个天线，所述天线被设置为做出浅测量和深测量，且使得来自在所述四个天线之间的层的源于所述四个天线的操作的信号基本相消。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工具具有少于四个天线，所述天线被设置为做出浅测量和深测量，且使得来自在所述少于四个天线之间的层的源于所述四个天线的操作的信号基本相消。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工具具有成对设置的多个天线，第一发射器-接收器天线对具有在所述第一发射器-接收器天线对的所述发射器和所述接收器之间在从2英尺到20英尺范围内的间距，以做出浅测量以使来自所述第一发射器-接收器天线对的所述发射器和所述接收器之间的层的信号基本相消，且第二发射器-接收器天线对具有在所述第二发射器-接收器天线对的所述发射器和所述接收器之间在从20英尺到100英尺范围内的间距，以做出深测量以使得来自所述第二发射器-接收器天线对的所述发射器和所述接收器之间的层的信号基本相消。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一发射器-接收器天线对的所述发射器天线被设置为所述第二发射器-接收器天线对的所述发射器天线，或所述第一发射器-接收器天线对的所述接收器天线被设置为所述第二发射器-接收器天线对的所述接收器天线。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括：

多个天线，其被设置为包括所述发射器天线和所述接收器天线的所述工具的组件；

控制单元，当所述工具在井中被井下操作时，所述控制单元可操作以在所述多个天线中选择成一个或多个发射器-接收器对的天线，所述天线被设置为使得来自各个发射器-接收器对中的发射器和接收器天线之间的层的信号基本相消；和

数据处理单元，处理来自所接收到的信号的数据从而在基本没有来自与所述工具的侧边相邻的区域的贡献的情况下，生成前瞻预测信号。