CN108026769A - 用于利用声学测井装置检测含烃层压地层中的薄弱交界层的测量和处理 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了利用超声波声学测井工具的方法，所述方法用于检测薄地层，所述薄地层与例如层压致密的含烃地层中的周围岩石的柔性相比具有明显更高的柔性。这些层可以被解释为具有潜在的交界薄弱面，这可能与跨它们传播的水力裂缝传播的程度有关。

Description

用于利用声学测井装置检测含烃层压地层中的薄弱交界层的 测量和处理
本申请要求2015年7月6日提交的美国临时申请序号62/188,834的权益和优先权，所述申请据此全文以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及油气田的测井。更具体地，本公开涉及使用钻孔中形成的超声波测量值来勘测地下地层的方法。
背景技术
致密的含烃地层(石油和/或天然气)是渗透性低的地层，如致密页岩、砂岩和碳酸盐岩。此类含烃地层的示例包括北美的巴肯页岩(Bakken Shale)、鹰滩页岩(Eagle FordShale)和奈厄布拉勒(Niobrara)含烃地层，俄罗斯的Achimov地层，澳大利亚的库伯佩迪(Coober Pedy)地层等。为了从这些致密地层中经济地生产烃类，通常在与地层中的含烃地层相对应的期望深度位置钻出水平井，并且将井的上方和下方的岩石压裂以获得尽可能多的含烃储层。
最优完井设计和施工取决于对这些致密地层的力学性能的了解。致密的页岩/砂岩或粉砂岩/砂岩/碳酸盐岩地层由与柔性有机和/或粘土成分接触的坚硬矿物成分构成。这些层的厚度可以大到几英尺，薄到几英寸(例如，两英寸厚)，或甚至以亚英寸(mm)的尺寸更薄。然而，这些地层的目前技术水平的测量主要限于在几英尺分辨率下的原位声波测量和在几英寸分辨率下的岩心的实验室测量。这两种测量都具有局限性。
使用信号频率至多20kHz的声波工具和技术在钻孔附近进行的测量平均轴向地超过几英尺(例如，在一些接收器孔径配置中高达6英尺)并径向超过3至4英尺。当用此类工具测量时，英寸厚的层的机械性能的实际变化显著降低。这些声波测井仪器不能检测到薄弱层，除非这些层碰巧为敞开的水平裂缝，由于地层所承受的巨大的上覆应力，这些裂缝不可能在原位发生。另一方面，在实验室在岩心上进行的测量反映了岩石变化的条件，因为岩石基体可能在收回后已经松弛，甚至可能已经沿着裂缝和薄弱面破碎或裂开。尽管关于某些平面上的岩石分离的观察是有用的信息，但它并不能提供对原位条件下水力压裂可能遇到的弱点的相对量化。
发明内容
提供本概述是为了介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不意欲识别要求保护的主题的关键特征或重要特征，也不意欲被用作来辅助限制要求保护的主题的范围。
本公开的说明性实施方案涉及检测薄地层的方法和系统，这些薄地层与例如层压页岩/粉砂岩和砂岩/碳酸盐岩地层中的周围岩石的不坚实性相比具有显著更高的不坚实性。这些地层可能会阻止垂直水力裂缝的增长。在一些这样的地层中，更不坚实(例如，更柔性、更弱或较不硬)的层可以包括页岩和/或粉砂岩，而更坚实(例如，较不柔性、更强或更硬)的层可以包括砂岩和/或碳酸盐岩。利用这些方法，可以将这些层解释为具有潜在的交界薄弱面，这可能与跨它们传播的水力裂缝传播的程度有关。
本公开的一个实施方案涉及一种勘测钻孔所穿过的层压地层的方法。该方法包括在钻孔中操作超声波声学测井工具以沿钻孔的长度生成一发一收测量值。使用一发一收测量值来沿钻孔的长度确定地层的慢度指示(例如，慢度值和/或波速值)。通过识别地层的第一层，其慢度指示相对于两个或更多个第二层的慢度指示更高，来沿钻孔的长度确定潜在的地层薄弱面。第一层设置在两个或更多个第二层之间。
本公开的另一个实施方案涉及一种使用超声波一发一收测量值和脉冲-回波测量值来勘测钻孔所穿过的层压地层的方法。该方法包括在钻孔中操作超声波声学测井工具以生成超声波一发一收测量值和脉冲-回波测量值。使用一发一收测量值来根据方位角沿钻孔的长度生成慢度指示。使用慢度指示来沿钻孔的长度确定地层的机械强度。使用超声波脉冲-回波测量值来沿钻孔的长度确定钻孔半径。通过使钻孔半径的局部增大与和地层的第二层相比机械强度更低的地层的第二层相关联来确定潜在的薄弱面。第一层各自设置在第二层的两个或更多个之间。
本公开的另一个实施方案涉及一种勘测钻孔所穿过的层压地层的方法。该方法包括在钻孔中操作超声波声学测井工具以生成地层的超声波一发一收测量值。使用超声波一发一收测量值来根据方位角沿地层的长度生成慢度指示。使用慢度指示来沿钻孔的长度确定地层的机械强度。该方法还包括识别地层中的断裂点。通过识别相对于第二层机械强度更小的第一层处的断裂点的不连续性来确定潜在的薄弱面，这些第二层与机械强度更小的第一层相邻。
在一些实施方案中，进行超声波高分辨率一发一收测量以便沿钻孔/地层的期望部分找出剪切波(S)和/或压缩波(P)的地层慢度指示。可以将S和或P慢度指示绘制成钻孔周围的方位角的函数。一方面，可以将S和P慢度指示组合以便生成地层的局部强度/弱点(柔性)的指示。因此，在一个实施方案中，可以生成泊松比曲线图，这是S和P波速(Vs，Vp)的函数。在另一个实施方案中，使用地层密度(ρ)结合S和P波速的信息，生成杨氏模量曲线图，以提供地层的局部强度/弱点(柔性)的指示。还可以生成泊松比和/或杨氏模量随钻孔周围的方位角而变化的曲线图。
在一些实施方案中，进行超声波高分辨率脉冲-回波测量以便找出钻孔直径/形状的指示。地层中的钻孔的形状可以用作地层的柔性的代表以及交界弱点的代表。一方面，通过一发一收和/或脉冲-回波测量来成像的轴向断裂程度(轴向不连续性)是因为存在潜在的薄弱面。这个信息对于水力压裂过程的最优设计和预测是有价值的。
根据本公开的一个实施方案，一种方法使用由层压地层中的裸眼井内部的超声波一发一收和脉冲-回波测量工具获取的数据来提供各种层的机械性能和钻孔形状的定量。柔性相对高的薄层与表示薄弱面的倾向性相关联并且还提供在这些层的水力压裂期间的弱点的倾向性的定量。
各种实施方案涉及一种方法，该方法利用脉冲-回波测量(例如，单独地)来提供钻孔形状信息并将钻孔形状的局部增大(例如，在基本上全部方位角上)解释为存在薄弱面的指示。相对增大量成为弱点振幅的代表。后面的示例方法还可以提供在机械柔性对比鲜明的地层中存在层压的代表。其他实施方案(替代地或另外)依赖于利用一发一收(或脉冲-回波)模态来检测断裂图像的轴向程度并且将它们的不连续性归因于薄弱面的存在。
根据一些实施方案，使用高分辨率超声波一发一收测量来使层压地层中的P和S慢度指示(例如，波速值)成像。将波速与地层密度测井记录组合以提供包含地层的各个层的地层机械强度的测井记录。将薄层，其与它们的周围厚层相比机械强度相对更低，指示为具有潜在的薄弱面。
根据一些实施方案，使用高分辨率超声波一发一收和脉冲-回波测量值来使层压地层中的P和S慢度指示(例如，波速值)成像并且测量钻孔的几何形状。将波速与地层密度测井记录组合以提供地层中的各个层的地层机械强度的测井记录。将钻孔几何形状转化成钻孔的半径。将与薄层相关联的半径的局部增大指示为具有潜在的薄弱面，这些薄层与它们的周围厚层相比机械强度相对更低。
根据一些实施方案，使用高分辨率超声波一发一收测量来使层压地层中的P和S慢度指示(例如，波速值)成像。将波速与地层密度测井记录组合以提供地层内的各个层的岩石机械强度的测井记录。如果存在断裂点，则将它们成像并测量它们的轴向程度。将机械强度更小的层处的断裂点的不连续性指示为具有薄弱面。
根据一些实施方案，使用高分辨率超声波脉冲-回波测量值来使钻孔的几何形状成像。将钻孔几何形状转化成钻孔半径。将半径的局部增大解释为与和它们的围岩相比机械强度更低的层相关联并且指示为具有潜在的薄弱面。
在以上论述的任一实施方案中，可以沿钻孔的长度以小于或等于两英寸的分辨率来沿钻孔的长度确定地层的慢度指示。同样，可以沿钻孔的长度以小于或等于两英寸的分辨率来沿地层的长度确定钻孔半径。
可以使用具有超声波声学测井工具和处理系统的系统来实现以上论述的任一方法。
参照以下结合附图进行的详细描述，可以理解本发明公开的方法的另外的方面、实施方案、目的和优点。
附图说明
图1A示出了具有脉冲-回波换能器的旋转超声波工具。
图1B示出了图1A的工具的可互换旋转接头。
图1C示出了使用图1A的工具的换能器对地层(例如，岩石)的超声波成像。
图1D示出了与图1C所示的超声波成像相对应的信号。
图2A示出了由超声波工具根据方位角沿钻孔中的深度获得的测井图像，与伽马射线(GR)测井记录相邻。
图2B示出了对应于图2A的无断裂点的区域的横截面形状。
图2C示出了对应于图2A的包含断裂点的区域的横截面形状。
图3示出了具有用于实现一发一收和脉冲-回波模态的换能器和接收器的旋转超声波工具。
图4示出了密度测井记录(左侧道)以及从图3的一发一收换能器/接收器获得的层压的页岩/粉砂岩和砂岩/碳酸盐岩地层中的压缩慢度(中间轨道)和剪切慢度(右道)的轴向图像。
图5示出了从图3的脉冲-回波换能器获得的钻孔半径(左侧道)的曲线图，以及从图3的一发一收换能器/接收器的信号的处理中获得的杨氏模量的方位图像和轴向图像(中间道和右侧道)。
图6示出了脉冲-回波图像(左侧道)以及层压页岩/粉砂岩和砂岩/碳酸盐岩地层中的压缩慢度(中间道)和剪切慢度(右侧道)的高分辨率方位和轴向图像(这些图像表现出断裂点)的曲线图。
具体实施方式
如在权利要求书和本公开中使用的术语“慢度指示”包括慢度值(例如，每单位距离的时间)和诸如波速值和波速度值的倒数值(例如，每单位时间的距离)两者。应理解，当第一层具有比第二层更高的慢度值时，第一层也具有比第二层更低的波速值，因为波速是波慢度的倒数。此外，术语“波速度”、“波速”和“波慢度”，当在权利要求书和本公开中使用时，应理解为包括其他术语。
可以经由诸如钢缆起下工具或随钻测井(LWD)工具的井下工具获取超声波脉冲回波测量值以提供钻孔的方位卡尺，由此显示形状。也可以由井下工具通过钻杆以内存模式获得此类测量值。此类井下工具的示例包括Schlumberger的超声波钻孔成像仪或UBI(参见J.Zemanek、R.L.Caldwell、E.E.Gleen、S.V.Holcomb、L.J.Norton和A.J.D.Strauss，《钻孔井下电视——一种关于裂缝位置和其他类型的钻孔检测的新概念(The Boreholeteleviewer-a new concept for fracture location and other types of boreholeinspection)》，JPT 25，762-774页，(1969年))。图1A和图1B示出了这个工具100。工具100包括探头105、补偿装置110、马达组件115、齿轮箱组件120、旋转电连接件125、扶正器130、具有内置电子器件135的旋转轴、旋转密封件140、旋转接头145(例如，可互换旋转接头)和超声波换能器(例如，发射器/接收器)150。虽然术语“超声波”一般被定义为与20kHz以上的频率有关，但为了本文的目的，“超声波”应被理解为与50kHz或更高的频率有关。旋转接头145容纳换能器150。图1A表示接头例如以大约7.5转/秒的速度旋转绕中心轴线旋转，尽管也可以使用其他旋转速度。
图1C和图1D示出了脉冲回波技术的操作原理。在图1C中，位于泥浆170中并距地层175距离d处的聚焦超声波换能器150生成从地层反弹并被换能器150接收和记录的信号。在一个实施方案中，信号的带宽跨越从50kHz到800kHz以上的宽范围，中心频率为250kHz或500KHz，这取决于所使用的测井泥浆。在图1D中可以看到所接收的并且对于旋转接头145的每个位置来说，由于钻孔壁处的反射而表现出回波180的信号的包络的曲线图(参见R.M.Havira，《油井测井中的超声波技术(Ultrasonic techniques in oil welllogging)》，Proc.IEEE Ultrason.Symp.，563-571页，1986年11月)。行程时间t0等于距离d的两倍除以泥浆信号速度cm；t0＝2d/cm。
通过使行程时间与颜色或灰度相关联，可以将超声波信号的行程时间显示为随方位角(即，在测量位置处在横向于例如垂直于钻孔的纵向轴线的平面内的测量角)和钻孔中的深度的变化而变化的图像。图2A示出了灰度行程时间图像的示例。图2A示出了几个区域，包括跨方位角看起来基本上均匀的区域(诸如区域200)以及跨方位角看起来不均匀的区域250。因此，区域200提出了如图2B所示的圆形孔，其中示出了圆形横截面形状205，而区域250提出了不均匀的横截面形状，其中圆形255如图2C所示延伸到断裂点260中。(参见“钻孔成像(Borehole Imaging)”，Sonatrach-Schlumberger井评估会议——阿尔及利亚，2007年，3.28-3.65页(Schlumberger出版，2007年))。因此，图2A显示了多个断裂区域，该多个断裂区域由钻孔直径均匀的区域分开。图2A的左侧曲线图示出了伽马射线GR曲线图，该伽马射线GR曲线图在砂层段中诸如在表现出断裂点260的区域250中读取低于100gAPI，以及在页岩层段中诸如在具有圆形横截面形状的区域200中读取高于100gAPI。
除了成像断裂点之外，这种脉冲-回波类型的测量还可以用于使贯穿钻孔的敞开裂缝以及由于在预先存在的断层平面钻探期间的剪切运动而造成的钻孔变形成像(参见“钻孔成像(Borehole Imaging)”，Sonatrach-Schlumberger井评估会议——阿尔及利亚，2007年，3.28-3.65页(Schlumberger出版，2007年))。但除了使钻孔的几何形状及其特征成像之外，这种类型的测量数据还没有进行检查和用于与地层的机械性能有关的信息，特别是在层压致密的含烃地层的情况下。
现在转向图3，示出了设置在穿过地层350的钻孔320中的工具300。工具300示为具有脉冲回波换能器302(其功能如上文关于图1A的换能器150所述)和超声波一发一收设备。一发一收设备包括距离最近的接收器大约十英寸的超声波发射器305，其中两个超声波接收器310彼此间隔大约四英寸(参见S.Zeroug和B.Froelich，“通过对比非常鲜明的层所进行的超声泄漏兰姆波成像(Ultrasonic leaky-lamb wave imaging through a highlycontrasting layer)”，2003年IEEE超声波研讨会，794-798页，1卷，2003年，和R.vanKuijk、SPE、S.Zeroug、B.Froelich、M.Allouche、S.Bose、D.Miller、J.L.le Calvez、V.Schopf和A.Pagnin，“(一种用于增强水泥评估的新型超声波井下成像仪(A NovelUltrasonic Cased-Hole Imager for Enhanced Cement Evaluation)”，国际石油技术会议(IPTC)，2005年9月21至23日，多哈，卡塔尔，这两篇文献全文据此通过引入并入本文)。利用两个检测器，可以在这两个接收器处检测相关声波的到达时间，并且可以将渡越时间差(Δt)与检测器之间的距离结合使用以提供考虑中的(超)声波的速度(或慢度)(其可以为压缩波(P)或剪切波(S)，如声学测量领域的技术人员所识别的)。当然，同样也可以使用其他技术来识别相关的信号并确定地层中的声波速度，或者相反地确定地层慢度。应理解，工具300可以包括在工具周围轴向和/或方位间隔开的附加的超声波发射器和/或接收器，并且接收器的间距可以不同。
在一些实施方案中，沿钻孔的长度以小于或等于两英寸的分辨率来沿钻孔的长度确定地层的性能和/或钻孔的性能。这些性能可以包括从脉冲-回波测量获得的钻孔半径值以及从一发一收测量获得的波慢度值、波速度值和/或波速值。例如，两英寸的分辨率意味着可以沿钻孔的长度确定每两英寸间隔的波速值。在一个具体实施方案中，一发一收测量值的分辨率可以在四分之一英寸和两英寸之间变化。在另一个具体实施方案中，脉冲-回波测量值的分辨率可以小于四分之一英寸。可以通过以下步骤实现较高的分辨率：(i)减小超声波工具上的接收器之间的间距(对于一发一收测量)；和/或(ii)沿钻孔的长度使用较高的空间采集率，这些空间采集率转化成超声波速度的较慢的测井速度。
对应于工具300的工具在层压的粉砂岩和碳酸盐岩地层中在垂直裸眼井中以允许慢度测定的分辨率小于或等于2英寸的测井速度进行测井。在这种构型中，使用一发一收技术来激发并检测信号，这些信号进入地层并在井筒附近传播，然后再出现在钻孔流体中，在该钻孔流体中，由接收器310的孔收集这些信号。由于超声波信号的高频含量，发射器305发射准直的声束，而接收器310相反地以其有限的孔径以准直的方式收集这些声束。当发射换能器和接收换能器(以及因此它们的声束)分别以与压缩波和剪切波相关联的两个特定角度对准时，对井筒附近及其检测采样的波的激发最有效地发生，这些波可以在存在井筒流体时在井筒附近传播。
因此，在对层压地层进行测井时，使该工具在孔中两次测井。第一测井是在换能器相对于钻孔壁法线以小角度(15度)对准的情况下进行的，用于将声能耦合到地层压缩波(P)，第二测井以更大的角度(28度)进行，用于耦合到剪切波(S)。在第二测井中，严格来说，束最强烈地耦合到波速非常接近剪切波的伪瑞利表面波。然而，为了本专利申请的目的，将相关速度称为剪切波速。
使用相关信号时间处理来处理来自第一测井和第二测井的信号，以约1英寸的分辨率提取压缩(P)和剪切(S)波速的指示或其倒数的指示(P和S慢度)。图4将在地层350的50英尺深度间隔中估计出的P和S慢度绘制成图。这个垂直井中的P和S慢度值与垂直-横向各向同性(VTI)地层的刚度矩阵元素C33和C44/55有关。所绘制的随方位角(水平)和深度(垂直)的变化而变化的慢度图像示出了一系列厚且坚实的(强)碳酸盐层(对于剪切波，以深灰色示出，慢度在约90和100微秒/英尺之间，以及对于压缩波，慢度在约50和60微秒/英尺之间)，这些碳酸盐层通过薄且相对不坚实的(较弱)粉砂岩层隔开(对于剪切波，以浅灰色和白色示出，慢度在约100和110微秒/英尺之间，以及对于压缩波，慢度在约60和70微秒/英尺之间)。不坚实的层看起来薄到几英寸(例如，参见xx60、xx62、xx64等处的层)并且厚到一英尺或两英尺(例如，参见xx70-71.5处的层)。层压地层的这两个部件之间的慢度的高对比度高达30％至40％(对于P)和20％至30％(对于S)。
根据一个方面，据信，不坚实层越薄且其相对于相邻岩石越不坚实(越弱)，越有可能在传播贯穿该层时，在影响水力传播的程度方面发挥关键作用。更确切地，薄而对比非常鲜明的不坚实层可能会具有薄弱面，这可以阻止水力压裂传播，并使裂缝沿着薄层面偏离。据信，层压床影响裂缝增长模式，并且这些影响表示为裂缝高度封闭(参见J.Miskimins和R.D.Barree，“(层压砂岩和页岩序列中的水力裂缝高度封闭的建模(Modeling ofHydraulic Fracture Height Containment in Laminated Sand and ShaleSequences)”，SPE 80935，2003年)。已通过实验室研究对薄弱面成的水力裂缝的抑制进行了研究和证实(参见Suarez-Rivera R.等人，“了解岩石结构对裂缝复杂性的影响以提高完井设计和井性能(Understanding the effects of rock fabric on fracturecomplexity for improving completion design and well performance)”，IPTC 17018，中国北京，2013年)。
应注意，在如图4所示的层压地层中，通常用于估计各个层之间的岩石慢度和机械性能对比度的常规声波测量将由于其大的探测波长(大约几英尺)而使对比度达到平均数并对应于其大的接收器阵列。因此，声波测量将无法检测到存在潜在的薄弱面，并且不能估计柔性对比度的程度。
根据一个方面，可以单独地使用或与地层密度的确定结合使用S和P波速(和/或慢度)的高分辨率确定(图4中示出了其测井记录(左侧道))来生成地层的机械强度的高分辨率指示。具体地讲，泊松比和杨氏模量均被认为是地层机械强度的指示，其中术语“柔性”和“强度”在本文中可互换使用。泊松比根据来定义，其中Vs为剪切波速，且Vp为P波速。杨氏模量根据来定义，其中ρ为岩石密度，Vs为剪切波速，且Vp为P波速。由于这些波速属于垂直井，因此将相应的杨氏模量和泊松比称为垂直杨氏模量和垂直泊松比，这与可以根据高度偏斜或水平井中的测量值估计出的它们的水平对应物形成对照。可以从工具诸如中子γ密度(NGD)工具的钻探期间获取的信息或从可以在利用或不利用诸如Schlumberger的Platform Express工具的超声波工具的情况下运行的标准钻孔密度工具获得岩石密度ρ。
图5中示出了图4的钻孔段的垂直杨氏模量的测井记录。图5的右侧曲线图是在近似1英寸分辨率下随方位角的变化而变化的杨氏模量曲线图(以千兆帕或GPa为单位)，并且图5的中间曲线图是平均杨氏模量(跨方位角)随钻孔深度的变化而变化的曲线图。根据两个杨氏模量曲线图可以理解，存在杨氏模量值相对较低和较高的薄层。仅举例而言，在例如深度xx99、xx97、xx86-xx87、xx70-xx71处可以看到相对低值的杨氏模量层(其中杨氏模量值在45GPa和55GPa之间)，而在例如深度xx53、xx60-xx61、xx61.5-xx62.5、xx63.5-xx65、xx76-xx77和xx97-xx98处可以看到相对高值的杨氏模量层(其中杨氏模量值在75GPa和85GPa之间)。
图5的最左侧曲线图是根据从工具300的超声波脉冲-回波测量获得的回波行程时间数据确定的钻孔半径曲线图。也可以根据其他测量获得这样的曲线图。半径曲线图示出了在表现出相对较低杨氏模量值的不坚实层的位置处的钻孔半径的增大。半径偏移与杨氏模量之间的相关性是显著的。在图5中，半径偏移与杨氏模量之间的相关性在某些深度处用星号(*)定性地表示。举例来说，在深度xx86周围，半径增大是高度局部的和显著的。类似地，在深度xx54周围，半径增大是高度局部的和显著的。对杨氏模量图像的仔细检查表明存在非常薄的不坚实层(如在这两个图像中在用xx54附近用箭头指出的那样)。半径的增大可能有一些解释。它可以对应于不坚实层的压缩或正蠕变——最近在实验室测量中观察和记录的现象(参见Sone,H.和M.D.Zoback，“页岩气藏岩石的力学性能研究——第2部分：延性蠕变、脆性强度及其与弹性模量的关系(Mechanical properties of shale gasreservoir rocks—Part 2:Ductile creep,brittle strength,and their relation tothe elastic modulus)”，《地球物理》，78，2013年)。这也可能是由于粉砂岩层的粘聚力比碳酸盐岩层弱，而且在钻孔的敞开面上优先被侵蚀。这类似于查看岩石露头，因为岩石更容易受到环境的影响，因此岩石较弱。第三个解释可能是粉砂岩凹陷是由钻井过程中岩石压缩程度较大引起的。
根据一个方面，无论粉砂岩、页岩，还是可论证地，甚至岩性未知的薄层都会侵蚀或压缩(即，导致钻孔半径增大)并与和周围层相比相对较高的柔性(例如，杨氏模量值较低)相关联，薄床层都被确定为表示潜在的薄弱面。
一方面，也可以在半径偏移和慢度值偏移之间找到相关性。因此，无论粉砂岩、页岩，还是可论证地，甚至岩性未知的薄层都会侵蚀或压缩(即，导致井筒半径增大)并且与和周围层相比相对较高的柔性相关联，如通过较高的S和/或P慢度值所证明的那样，薄床层都被确定为表示潜在的薄弱面。
根据一个方面，可以认为，只要沙泥岩或页岩或甚至岩性未知的薄层侵蚀或压缩，仅仅围绕钻孔整个圆周的钻孔半径的增大就意味着存在潜在的薄弱面。
在一个实施方案中，取代杨氏模量曲线图的使用或除此之外，可以使用泊松比(其为柔性的指标)的测井记录以便识别被确定为表示潜在的薄弱面的薄的不坚实层。在一个实施方案中，可以将泊松比的测井记录与钻孔半径偏移的曲线图进行比较，并且可以利用这两者之间的相关性来识别潜在的薄弱面。
转向图6，中央曲线图和右侧曲线图为灰度图像，示出了由于一发一收超声波扫描而在地层350的50英尺深度层段(与图4的层段不同)中的P和S慢度估计。图6的左图是与图2A的脉冲-回波扫描相似的回波振幅曲线图，其沿着与提供了图6的右侧曲线图和中间曲线图的一发一收扫描相同的钻孔350的50英尺长度截取。回波振幅图像示出具有相对低回波振幅的方位不连续性(以黑色示出)。
还应注意，任何给定深度的不连续性倾向于彼此间隔180°，并且不同深度的不连续性通常在这些深度在相同或几乎相同的方位角上出现。一方面，当经受足够高以克服岩石强度的水平应力差时，岩石的压缩破坏形成断裂。
在图6的中央曲线图和右侧曲线图中所绘制的随方位角和深度的变化而变化的慢度图像示出了一系列厚且坚实(非常硬)的碳酸盐层(对于剪切波，以深灰色示出，慢度在约90和100微秒/英尺之间，以及对于压缩波，慢度在约50和60微秒/英尺之间)，这些碳酸盐层由薄且相对不坚实(更柔性)的粉砂岩层隔开(对于剪切波，以浅灰色或白色示出，慢度在约100和110微秒/英尺之间，以及对于压缩波，慢度在约60和70微秒/英尺之间)。一些不坚实的层看起来薄到几英寸(例如，参见xx85处的层)并且厚到一英尺或两英尺(例如，参见xx58–xx62处的层)。慢度图像还示出方位不连续性，这是在脉冲-回波振幅中所识别的断裂点(左侧曲线图)。它们的慢度相对较低(以黑色示出)，这是由于这些断裂点所散射的信号的复杂性而引起的处理中的伪影造成的。根据一个方面，这些不连续性显示出在坚实碳酸盐层中出现的断裂点。
在高分辨率的慢度成像和一发一收模态表现出断裂点的情况下，可以检查它们出现的位置和轴向程度。例如，可以在深度x100-xx98、xx92-xx87、xx78-xx77、xx66-xx65处看到不连续性。这些断裂点几乎全部出现在坚实的碳酸盐岩(深灰色)层中，它们看起来在与更柔性粉砂岩层(浅灰色或白色)相交处受阻。
一方面，确定这些断裂点断开(例如，受阻)的位置以指示潜在的地层薄弱面，从而重新加强上面讨论的其他指标。
一些实施方案提供了一种方法，该方法利用脉冲-回波测量(例如，单独地)来提供钻孔形状信息(例如，随方位角变化而变化的半径)，并且将钻孔形状的局部增大解释为存在薄弱面的指示。图5的最左曲线图是根据从超声波脉冲-回波测量获得的回波行程时间数据确定的钻孔半径曲线图。钻孔的局部增大在某些深度以星号(*)指出。在一些实施方案中，将基本上所有方位角上的钻孔形状的局部增大解释为存在薄弱面的指示。相对增加量可以是弱点振幅的代表。后面的示例方法还可以提供在地层中存在机械柔性对比鲜明的层压的代表。其他实施方案(替代地或另外)依赖于利用一发一收(或脉冲-回波)模态来检测断裂点图像的轴向程度并且将它们的不连续性归因于薄弱面的存在。
应理解，指示存在薄弱面并且量化针对水力压裂相关性的某些力学性能的测量值是非常需要的，并且原位进行的测量比在实验室中在岩心上进行的测量更为理想。
一方面，由处理系统执行上述的一些方法和过程。例如，可由处理系统执行以下操作：(i)慢度指示和钻孔半径的确定；(ii)杨氏模量和泊松比的计算；以及(iii)钻孔测井记录内的层和特征(例如，断裂点)的识别。术语“处理系统”不应解释为将本文所公开的实施方案限制为任何特定的装置类型或系统。处理系统可以包括计算机系统。计算机系统还可包括用于执行上文所述的任一方法和过程的计算机处理器(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器或通用计算机)。计算机系统还可包括存储器，诸如半导体存储器装置(例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或快闪可编程RAM)、磁存储装置(例如，软盘或硬盘)、光学存储器装置(例如，CD-ROM)、PC卡(例如，PCMCIA卡)或其他存储器装置。
上文所述的一些方法和过程可以实现为与计算机处理器一起使用的计算机程序逻辑。计算机程序逻辑可以各种形式来体现，包括源代码形式或计算机可执行形式。源代码可以包括以各种编程语言(例如，目标代码、汇编语言或诸如C、C++或JAVA的高级语言)的一系列计算机程序指令。这样的计算机指令可以存储在非暂时性计算机可读介质(例如，存储器)中并由计算机处理器执行。计算机指令可以任何形式作为附带有打印的或电子文档的可移除存储介质(例如，紧缩套装软件)来发布，预先加载到计算机系统上(例如，系统ROM或固定盘上)，或者从服务器或电子布告版通过通信系统(例如，互联网或万维网)发布。
替代地或另外，处理系统可以包括离散的电子部件，这些电子部件耦接到印刷电路板、集成电路(例如，专用集成电路(ASIC))和/或可编程逻辑装置(例如，现场可编程门阵列(FPGA))。上述任一方法和过程可以使用这样的逻辑装置来实现。
尽管以上仅详细描述了几个示例，但本领域技术人员将很容易理解，很多修改在这些示例中是可能的，而实质上不会偏离本公开。因此，仅通过举例而不是限制的方式，虽然各种实施方案描述了用于确定慢度指示的特定超声波工具，但应理解，也可以使用其他超声波工具。而且，虽然泊松比和杨氏模量值被描述为表示地层机械强度的指示，但应理解，也可以其他方式表示地层的机械强度。因此，所有这样的修改都意图被包括在如随附权利要求书中所限定的本公开的范围内。

Claims (36)

1.一种勘测钻孔所穿过的层压地层的方法，所述方法包括：
在所述钻孔中操作超声波声学测井工具以沿所述钻孔的长度生成一发一收测量值；
使用所述一发一收测量值来沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的慢度指示；以及
通过识别所述地层的第一层，其慢度指示相对于两个或更多个第二层的慢度指示更高，来沿所述钻孔的所述长度确定潜在的地层薄弱面，其中所述第一层设置在所述两个或更多个第二层之间。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中确定所述慢度指示包括沿所述长度生成所述地层的压缩波和剪切波慢度指示，并且
其中识别所述地层的设置在所述两个或更多个第二层之间的所述第一层包括将所述压缩波和剪切波慢度指示组合以沿所述长度生成所述地层的机械强度的指示的测井记录。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述组合包括根据以下公式进行组合：
<mrow> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中ν为泊松比，其为所述机械强度的所述指示，Vs为剪切波速且Vp为压缩波速。
4.根据权利要求2所述的方法，其还包括：
沿所述长度获得所述地层的密度的确定，其中所述组合包括根据以下公式进行组合：
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;rho;V</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <mn>4</mn> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中E为杨氏模量，其为所述机械强度的所述指示，ρ为所述密度确定，Vs为剪切波速且Vp为压缩波速。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个或更多个第二层中的每一个比所述第一层更厚。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一层小于或等于两英寸厚。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一层由不坚实岩石构成，并且所述两个或更多个第二层各自由坚实岩石构成。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一层由(a)页岩和(b)粉砂岩中的至少一者构成，并且所述两个或更多个第二层各自由(a)砂岩和(b)碳酸盐岩中的至少一者构成。
9.根据权利要求1所述的方法，其中操作所述超声波声学测井工具还包括：
沿所述钻孔的所述长度生成脉冲-回波测量值；
使用所述脉冲-回波测量值来测量所述钻孔的半径；以及
使钻孔半径的局部增大与所识别的第一层相关联以确认所述第一层表示地层薄弱面。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述两个或更多个第二层比所述第一层更厚。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一层小于或等于两英寸厚。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一层由不坚实岩石构成并且所述两个或更多个第二层各自由坚实岩石构成。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一层由(a)页岩和(b)粉砂岩中的至少一者构成，并且所述第二层各自由(a)砂岩和(b)碳酸盐岩中的至少一者构成。
14.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
使用所述一发一收测量值来沿所述钻孔的长度识别断裂点；以及
识别所述第一层处的所述断裂点的不连续性以确认所述第一层表示地层薄弱面。
15.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
沿所述钻孔的所述长度生成脉冲-回波测量值；
使用所述一发一收测量值和所述脉冲-回波测量值中的至少一者来沿所述钻孔的长度识别断裂点；以及
使用所述一发一收测量值识别所述第一层处的所述断裂点的不连续性以确认所述第一层表示地层薄弱面。
16.根据权利要求1所述的方法，其中以小于或等于两英寸的分辨率沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的所述慢度指示。
17.一种用于勘测钻孔所穿过的层压地层的系统，所述系统包括：
超声波声学测井工具，所述超声波声学测井工具被配置成沿所述钻孔的长度生成一发一收测量值；以及
处理系统，所述处理系统被配置成(i)使用所述一发一收测量值沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的慢度指示；以及(ii)通过识别所述地层的第一层，其慢度指示相对于两个或更多个第二层的慢度指示更高，来沿所述钻孔的所述长度确定潜在的地层薄弱面，其中所述第一层设置在所述两个或更多个第二层之间。
18.根据权利要求17所述的系统，其中以小于或等于两英寸的分辨率沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的所述慢度指示。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述超声波工具被进一步配置成沿所述钻孔的所述长度生成脉冲-回波测量值并且所述处理系统被进一步配置成：(iii)使用所述脉冲-回波测量值测量所述钻孔的半径；以及(iv)使钻孔半径的局部增大与所识别的第一层相关联以确认所述第一层表示地层薄弱面。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述处理系统被进一步配置成：(iii)使用所述一发一收测量值沿所述钻孔的长度识别断裂点；以及(iv)识别所述第一层处的所述断裂点的不连续性以确认所述第一层表示地层薄弱面。
21.根据权利要求17所述的系统，其中所述超声波工具被进一步配置成沿所述钻孔的所述长度生成脉冲-回波测量值并且所述处理系统被进一步配置成：(iii)使用所述一发一收测量值和所述脉冲-回波测量值中的至少一者沿所述钻孔的长度识别断裂点；以及(iv)使用所述第一层处的所述一发一收测量值识别所述断裂点的不连续性以确认所述第一层表示地层薄弱面。
22.一种勘测钻孔所穿过的层压地层的方法，所述方法包括：
在所述钻孔中操作超声波声学测井工具以生成超声波一发一收测量值和脉冲-回波测量值；
使用所述一发一收测量值来沿所述钻孔的长度根据方位角生成慢度指示；
使用所述慢度指示来沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的机械强度；
使用所述超声波脉冲-回波测量值来沿所述钻孔的所述长度确定钻孔半径；以及
通过使钻孔半径的局部增大与和所述地层的第二层相比机械强度更低的所述地层的第一层相关联来确定潜在的薄弱面，其中所述第一层各自设置在所述第二层的两个或更多个之间。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一层由不坚实岩石构成并且所述两个或更多个第二层各自由坚实岩石构成。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一层各自由(a)页岩和(b)粉砂岩中的至少一者构成，并且所述第二层各自由(a)砂岩和(b)碳酸盐岩中的至少一者构成。
25.根据权利要求22所述的方法，其中使用密度测井记录来沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的所述机械强度。
26.根据权利要求22所述的方法，其中以小于或等于两英寸的分辨率沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的所述慢度指示。
27.一种勘测钻孔所穿过的层压地层的方法，所述方法包括：
在所述钻孔中操作超声波声学测井工具以生成所述地层的超声波一发一收测量值；
使用所述超声波一发一收测量值来沿所述地层的长度根据方位角生成慢度指示；
使用所述慢度指示来沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的机械强度；
识别所述地层中的断裂点；以及
通过识别相对于第二层机械强度更小的第一层处的所述断裂点的不连续性来确定潜在的薄弱面，所述第二层与机械强度更小的所述第一层相邻。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第二层比机械强度更小的所述第一层更厚。
29.根据权利要求27所述的方法，其中机械强度更小的所述层由不坚实岩石构成并且与机械强度更小的所述层相邻的所述层各自由坚实岩石构成。
30.根据权利要求29所述的方法，其中机械强度更小的所述层各自由(a)页岩和(b)粉砂岩中的至少一者构成，并且与机械强度更小的所述层相邻的所述层各自由(a)砂岩和(b)碳酸盐岩中的至少一者构成。
31.根据权利要求27所述的方法，其中使用密度测井记录来沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的所述机械强度。
32.根据权利要求27所述的方法，其中以小于或等于两英寸的分辨率沿所述钻孔的所述长度确定所述地层的所述慢度指示。
33.一种勘测钻孔所穿过的层压地层的方法，所述方法包括：
在所述钻孔中操作超声波声学测井工具以生成所述地层的超声波脉冲-回波测量值；
使用所述超声波脉冲-回波测量值来沿所述钻孔的长度确定钻孔形状；以及
通过识别所述钻孔形状的局部增大来确定潜在的薄弱面。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述钻孔形状包括随方位角的变化而变化的钻孔半径。
35.根据权利要求34所述的方法，其中通过识别所述钻孔形状的局部增大来确定潜在的薄弱面包括通过识别所有方位角上的所述钻孔半径的局部增大来确定潜在的薄弱面。
36.根据权利要求33所述的方法，其中以小于或等于两英寸的分辨率沿所述钻孔的所述长度确定所述钻孔形状。
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