CN108291441A - 补偿的方位角不变的电磁测井测量 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于进行地下地层的井下电磁测井测量的方法。电磁测井工具在地下井筒中旋转。该工具包括与接收器轴向间隔开的发射器。发射器可以包括轴向发射天线和至少一个横向发射天线，并且接收器可以包括轴向接收天线和至少一个横向接收天线。发射天线将相对应的电磁波发射到地下井筒中。接收天线接收相对应的电压测量结果，所述电压测量结果被处理以计算谐波电压系数。处理所选择的谐波电压系数的比以计算增益补偿的方位角不变的测量量。

Description

补偿的方位角不变的电磁测井测量

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年11月4日提交的第62/250,651号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

所公开的实施方案总体上涉及井下电磁测井方法，并且更具体地涉及用于获得全增益补偿的方位角不变电磁测井测量的测井工具和方法。

背景技术

在现有技术的井下应用(诸如随钻测井(LWD)和电缆测井应用)中使用电磁测量是众所周知的。这些技术可用于测定地层电阻率，其与地层孔隙度测量一起经常用于指示地层中烃的存在。

虽然方位角灵敏的定向电阻率测量的使用可提供能够据此做出转向决定的有价值的信息(例如，在产油层转向操作中)，但由于测量的方位角依赖性，获得准确的地层性质可能具有挑战性。这个问题会由于发射器和接收器的增益和增益失配而进一步加剧，该增益和增益失配会随着井下压力和温度的变化而变化，并且会受到钻井环境中固有的机械冲击和振动的影响。

目前还没有用于提供全增益补偿、方位角不变的三轴传播测量的已知方法。

发明内容

公开了一种用于进行地下地层的井下电磁测井测量的方法。电磁测井工具在地下井筒中旋转。该工具包括与接收器轴向间隔开的发射器。发射器可以包括轴向发射天线和至少一个横向发射天线，并且接收器可以包括轴向接收天线和至少一个横向接收天线。发射天线将相对应的电磁波发射到地下井筒中。接收天线接收相对应的电压测量结果，所述相对应的电压测量结果经过处理以计算谐波电压系数。所选择的谐波电压系数的比经过处理以计算增益补偿的方位角不变的测量量。

在一个替代实施方案中，偏心(偏离中心)电磁测井工具在地下井筒中旋转。发射天线和接收天线如在先前的文段中描述的用于发射电磁波并接收相对应电压。接收到的电压测量结果的组合经过处理以计算组合的测量量，该组合的测量量的比进而被进一步处理以计算增益补偿的方位角不变的测量量。

所公开的实施方案可以提供各种技术优点。例如，所公开的方法可用于提供增益补偿的方位角不变量的测量量。这种补偿的测量结果的性质通常仅取决于其他地层性质，诸如水平和垂直导电率(电阻率)和相对倾角。为了反演地层性质，使用方位角不变的测量可以大大提高反演过程的稳健性。

提供本发明内容是为了介绍将在以下详细描述中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在确定所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

为了更完整地理解所公开的主题及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1描绘了可以利用所公开的电磁测井方法的钻机的一个示例。

图2A描绘了图1所示的电磁测井工具的一个示例。

图2B示意性地描绘了包括三轴发射器和接收器的电磁测井工具中的天线矩(moment)。

图2C示意性地描绘了包括三轴发射器和接收器的替代的电磁测井工具中的天线矩。

图3描绘用于计算增益补偿的方位角不变的测量量的一个公开的方法实施方案的流程图。

图4描绘用于计算增益补偿的方位角不变的测量量的另一公开的方法实施方案的流程图。

图5描绘用于获得指示计算量的有效性的警告标志的方法实施方案的流程图。

图6A和图6B(统称为图6)描绘了以一相对倾角穿透各向异性地层的井筒中的偏心工具的示意图。

图7和图8描绘了针对从中心式(centered)工具获取的3×3张量分量中的每一个的补偿的实数建模测量结果(图7)和虚数建模测量结果(图8)与地层倾角方位角(AZF)的曲线图。

图9A和图9B描绘了从中心式工具获得的TBT(real(xxpyy_ij))和TBT(imag(xxpyy_ij))与AZF的曲线图。

图10A和图10B描绘了从中心式工具获得的TBT(real(xxmyy_ij))和TBT(imag(xxmyy_ij))与AZF的曲线图。

图11A描绘了在各种工具偏心方位角值下的TBT(real(XZ_ij+ZX_ij))和TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij))与AZF的曲线图。

图11B描绘了在各种地层倾角方位角值下的TBT(real(XZ_ij+ZX_ij))和TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij))与AZT的曲线图。

图12A和图12B描绘了TBT(real(XX_ij+YY_ij))和TBT(imag(XX_ij+YY_ij))与AZF(图12A)和AZT(图12B)的曲线图。

图13A和图13B描绘了TBT(real(XX_ij))+TBT(real(YY_ij))和TBT(imag(XX_ij))+TBT(imag(YY_ij))与AZF(图13A)和AZT(图13B)的曲线图。

图14A和图14B描绘了TBT(real(XY_ij-YX_ij))和TBT(imag(XY_ij-YX_ij))与AZF(图14A)和AZT(图14B)的曲线图。

图15A和图15B描绘了TBT(real(Z_zz))和TBT(imagl(Z_zz))与AZF(图15A)和AZT(图15B)的曲线图。

具体实施方式

图1描绘了适用于采用本文公开的各种方法实施方案的示例钻机10。半潜式钻井平台12位于设置在海底16下方的油层或气层(未示出)上方。海底导管18从平台12的甲板20延伸到井口装置22。该平台可以包括用于井架和升起和降低钻柱30的提升装置，钻柱30如图所示延伸到钻孔40中并且包括部署在底部钻具组合(BHA)的下端处的钻头32，该底部钻具组合还包括被配置成进行定向电磁测井测量的电磁测量工具50。如下面更详细描述的，电磁测量工具50可以包括部署在随钻测井工具主体上的多轴天线。

应该理解，图1所示的部署仅仅是一个示例。钻柱30可以包括基本上任何合适的井下工具部件，诸如包括诸如旋转导向工具的导向工具、井下遥测系统以及包括用于感测井筒和周围地层的井下特征的各种传感器的一个或多个MWD或LWD工具。所公开的实施方案决不限于任何特定的钻柱配置。

将进一步理解的是，所公开的实施方案不限于与如图1所示的半潜式平台12一起使用。所公开的实施方案同样非常适用于岸上或离岸地下操作。

图2A描绘了电磁测量工具50的一个示例。在所描绘的实施方案中，测量工具50包括部署在随钻测井工具主体51上的轴向间隔开的第一发射器52和第二发射器54以及轴向间隔开的第一接收器56和第二接收器58，其中接收器56和接收器58轴向地布置在发射器52和发射器54之间。如下面更详细描述的，发射器52和发射器54以及接收器56和接收器58中的每一个包括至少一个横向天线并且还可以包括轴向天线。例如，发射器和接收器可以包括双轴天线布置，该双轴天线布置包括轴向天线和横向(横轴)天线。在另一个实施方案中，发射器和接收器可以包括三轴天线布置，该三轴天线布置包括彼此正交的轴向天线和第一和第二横向天线。如本领域普通技术人员所知，轴向天线是其矩与工具的纵向轴线基本平行的天线。轴向天线通常围绕测井工具的圆周缠绕，使得天线的平面基本上垂直于工具的纵向轴线。横向天线是其矩基本上垂直于工具的纵向轴线的天线。横向天线可以包括例如鞍形线圈(例如，如在美国专利公布第2011/0074427号和第2011/0238312号中公开的，每个公布通过引用并入本文中)。

图2B描绘了测量工具50的一个实施方案的矩(磁偶极子)，其中发射器52、54和接收器56、58各自包括三轴天线布置。发射器52、54中的每一个包括轴向发射天线T1_z和T2_z以及第一横向发射天线T1_x、T1_y和第二横向发射天线T2_x、T2_y。同样，接收器56、58中的每一个包括轴向接收天线R1_z和R2_z以及第一横向接收天线R1_x、R1_y和第二横向接收天线R2_x、R2_y。将理解的是，所公开的实施方案不限于诸如图2B所示的三轴天线配置。

图2C描绘了替代的电磁测量工具实施方案50'，其中第一和第二发射器被部署在相对于彼此自由旋转的相对应的第一子件(sub)61和第二子件62上(例如，在钻井动力机65部署在这二者之间的实施方案中)。如在工具实施方案50中那样，发射器T1和T2以及接收器R1和R1中的每一个可以包括三轴天线布置。在所描绘的示例实施方案中，R1_z的矩与T1_z(和z轴)的矩对齐，而R1_x和R1_y的矩与T1_x和T1_y的矩旋转偏移了偏移角α(例如，在所示实施方案中为45度)。R2_z的矩与T2_z的矩对齐，而R2_x和R2_y矩与T2_x和T2_y的矩旋转偏移了α(例如45度)。当然，所公开的实施方案在这些方面不受限制。

如上所述，第一子件61和第二子件62可以相对于彼此旋转，使得x轴和y轴发射天线与x轴和y轴接收天线的矩错位并相对于彼此旋转(即，子件之间的错位角(misalignmentangle)随时间而变化)。使用图2C所示的注释，在任何时刻，子件61上的x轴(T1_x方向)的取向角相对于任意的“全局”(或井筒)x方向为θ₁。同样地，在同一时刻，子件62(T2_x方向)上的x轴的取向角相对于全局x方向为θ₂。因此可以理解，x和y发射天线T1和T2与x和y接收天线R1和R2的矩错开错位角γ＝θ₁-θ₂。应该理解的是，θ₁和θ₂可以被称为第一和第二子件的工具面角，因为它们限定了子件相对于全局参考方向的旋转取向。由于θ₁和θ₂随时间变化(由于子件的旋转)并且由于子件以不同的速率旋转，所以错位角γ也随时间变化。

图3描绘了用于计算增益补偿的方位角不变的测量量的一个公开的方法实施方案100的流程图。在102处，电磁测量工具(例如，图2B和图2C所示的测量工具之一)部署在地下井筒中并在地下井筒中旋转(例如，在钻井筒时)。在104处，电磁测量结果在工具旋转时获取(例如，通过使发射器发射并在接收天线处接收相对应的电磁波)并被处理以获得谐波电压系数。在106处，然后可以处理所选择的谐波电压系数的比，以获得增益补偿的方位角不变的测量量。谐波电压系数被选择为使得(i)发射器和接收器增益在计算的比中被消去(即，使得分子中的系数具有与分母中的系数相同的增益)，并且使得(ii)测量量是方位角不变的(即，使得分母中的量的方位角响应相同，并因此消去分子中的量的方位角响应)。例如，如果分子包括一次谐波余弦函数，则分母可以被选择为使得它也包括一次谐波余弦函数。

继续参考图3，并且如本领域普通技术人员已知的，发射天线中的时变电流(交流电)在局部环境(例如，工具套环和地层)中产生相对应的时变磁场。磁场又在导电地层中感应出电流(涡流)。这些涡流进一步产生可能在接收天线中产生电压响应的次生磁场。如本领域普通技术人员已知的那样，可以处理接收天线中测得的电压以获得地层的一个或多个性质。

一般来说，地层是各向异性的，使得它们的电性质可以表示为包含关于地层电阻率各向异性、倾角、地层界面和地层几何形状的其他方面的信息的3×3张量。本领域的普通技术人员将理解，图2B和/或图2C上描绘的三轴发射器天线与三轴接收器天线之间的相互耦合形成3×3矩阵，并且因此可以对全3x3地层阻抗张量具有敏感性。例如，测量的电压V_ij的3×3矩阵可以表示如下：

其中V_ij表示测量的电压的3×3矩阵，其中i指示相对应的发射器三元组(triad)(例如T1或T2)，而j指示相对应的接收器三元组(例如R1或R2)，I_i表示发射器电流，并且Z_ij表示转移阻抗，该转移阻抗除了天线的频率、几何形状和间距之外还取决于天线周围环境的电和磁特性。第三下标和第四下标指示发射器天线和接收器天线的轴向取向。例如，V_12xy表示来自发射器T1的x轴天线的发射引起在接收器R2的y轴天线上的电压测量结果。

当测量工具的弯曲可忽略(例如，小于约10度)时，例如可以以如下以数学方式对所测量的电压进行建模：

V_ij＝G_Tim_Ti ^t(R_θt ^tZ_ijR_θr)m_RjG_Rj (2)

其中Z_ij是表示发射器i和接收器j的位置之间的三轴张量耦合(阻抗)的矩阵，G_Ti和G_Rj是表示发射器增益和接收器增益的对角矩阵，R_θt和R_θr表示用于使发射器和接收器绕z轴旋转通过角度θ_t和θ_r的旋转矩阵，m_Ti和m_Rj表示在θ＝0时的发射器和接收器矩的方向余弦的矩阵，且上标t表示相对应矩阵的转置。等式2中的矩阵可以例如如下给出：

使用T1x天线方向作为第一子件的参考方向并且使用T2x天线方向作为第二子件的参考方向，可以给出发射器和接收器矩的方向余弦的矩阵，例如，如下所示：

m_T1＝I

m_R1＝R_α

m_R2＝R_α

m_T2＝I (8)

其中I表示单位矩阵，并且R_α表示围绕z轴通过角度α的旋转矩阵。应该理解的是，等式2至等式8是为一般实施方案(例如图2C所示)写的，其中子件61和62可相对于彼此自由旋转。

在发射器和接收器被部署在共同工具主体上的实施方案中(使得不存在如图2B所示的错位)，将会理解θ_t＝θ_r，使得V_ij＝G_Ti(R_θ ^tZ_ijR_θ)G_Rj。应该理解，所公开的实施方案不限于关于发射器和接收器的相对旋转。可以在发射器和接收器之间有或没有相对旋转的情况下计算增益补偿量。例如，共同转让的美国专利申请序列号14/549,396(其通过引用全部并入本文中)公开了用于利用第一发射器和接收器相对于第二发射器和接收器的差分旋转来获得增益补偿的测量结果的方法(例如，在类似于图2C所示的实施方案中)。共同转让的美国专利申请序列号14/325,797(其也通过引用全部并入本文中)公开了用于获得补偿的测量结果的方法，其中发射器和接收器相对于彼此旋转地固定(例如，在类似于图2B上描绘的实施方案中)。

在发射器和接收器旋转地固定的实施方案中，旋转耦合可以以谐波形式在数学上表示为例如如下：

R_θ ^tZ_ijR_θ＝Z_{DC_ij}+Z_{FHC_ij}cos(θ)+Z_{FHS_ij}sin(θ)+Z_{SHC_ij}cos(2θ)+Z_{SHS_ij}sin(2θ) (9)

其中Z_{DC_ij}表示DC(平均)耦合系数，Z_{FHC_ij}和Z_{FHS_ij}表示一阶谐波余弦系数和一阶谐波正弦系数，并且Z_{SHC_ij}和Z_{SHS_ij}表示ij发射器接收器耦合的二阶谐波余弦系数和二阶谐波正弦系数。这些系数如下所示：

通常，接收天线电压在工具在钻孔中旋转时进行测量。按照等式9的形式，所测量的电压可以根据它们的谐波电压系数在数学上表达为例如如下，由此使得能够获得谐波电压系数：

V_ij＝V_{DC_ij}+V_{FHC_ij}cos(θ)+V_{FHS_ij}sin(θ)+V_{SHC_ij}cos(2θ)+V_{SHS_ij}sin(2θ) (11)

其中V_{DC_ij}表示DC电压系数，V_{FHC_ij}和V_{FHS_ij}表示一阶谐波余弦电压系数和一阶谐波正弦电压系数(在本文中也被称为一次谐波余弦电压系数和一次谐波正弦电压系数)，并且V_{SHC_ij}和V_{SHS_ij}表示ij发射器接收器耦合的二阶谐波余弦电压系数和二阶谐波正弦电压系数(在本文中也被称为二次谐波余弦电压系数和二次谐波正弦电压系数)。

应该理解，不需要并置的三轴发射器和接收器实施方案(例如，如图2B和图2C所示)来获得某些3×3矩阵分量的补偿。例如，轴向交叉项(即，xz，zx，yz和zy项)可以使用任何工具实施方案进行增益补偿，所述工具实施方案包括部署在工具主体上的轴向发射器天线、横向(横轴)发射器天线、轴向接收器天线以及横向接收器天线。这些发射器天线和接收器天线可以以基本上任何合适的间隔和顺序沿着工具主体分布。此外，发射器天线和/或接收器天线可以并置(或不并置)。所公开的实施方案不限于任何特定的发射器和接收器天线配置，只要该工具包括至少一个轴向发射器天线、至少一个横向发射器天线、至少一个轴向接收器天线和至少一个横向接收器天线。

例如，获得等式10中给出的DC xx和yy电压测量结果或者二次谐波xx和yy电压测量结果之间的比允许获得x对y发射器的增益比gT_i和x对y接收器的增益比gR_j，如下：

由于等式12中的增益比公式涉及取平方根，所以可能存在180度相位模糊性(即，符号模糊性)。因此，增益比可能不是任意的，但是应该被控制为使得它们小于180度。对于未调谐的接收天线，电子和天线增益/相位失配(假设天线用线不从一个接收器翻转(flip)到另一个接收器)通常可以被控制在大约30度以内(特别是在用于深测量的较低频率下)。这正好在180度以内(即使在错配可能最大的高温下)。然而，对于调谐的发射天线，如果天线调谐中的漂移横跨调谐谐振移动，则相位可以改变符号(即，跳过180度)。例如，可以使用等式12以及接收器增益/相位比不是任意的知识来解析这种发射器相位比模糊性(符号模糊性)，但限于约30度(即，使得能够确定发射器相位差是接近0度还是180度)。

等式12中定义的x和y增益比使得能够定义以下增益比矩阵：

其中G_{Rj_ratio}表示接收器Rj的增益比矩阵，G_{Ti_ratio}表示发射器Ti的增益比矩阵。

将这些增益比应用于所测量的电压(在等式11中示出)使得y发射器增益和y接收器增益能够被x发射器增益和x接收器增益替代。电压测量结果然后可以在数学上旋转以模拟R1接收器和R2接收器以及T2发射器中的x天线和y天线的旋转，使得它们与T1发射器中的x天线和y天线旋转地对齐。这种旋转消除了偏移角α和错位角γ对测量的影响，并导致以下后向旋转傅里叶系数：

其中VR表示旋转系数，β_T1＝0,β_R1＝-α,β_T2＝-γ,且β_R2＝-(α+γ).

以下项可以从等式14至等式18中给出的后向旋转系数获得：

其中和中的上划线指示该值是从傅立叶系数中获得的、是平均值。这些项中的公共增益因子是g_Tixg_Rjx。

表示3×3矩阵中的九个张量分量的以下附加项可以例如如下获得：

例如，这些可以写成3×3矩阵形式，如下所示：

等式23至等式32中的量包含发射器增益和接收器增益。为了使用这些测量的量以精确地反演地层性质，需要精确且稳定的发射器校准和接收器校准。然而，执行在所有工具操作条件下均有效的精确且稳定的校准是非常困难和有问题的(更不用说是昂贵的)。因此，再次参照图3，可以计算所选择的测量结果的比以消去所有发射器增益和接收器增益。这些比可以被认为具有两个组成部分：分子和分母。在下面的讨论中遵循，选择分子和分母使得(i)发射器增益和接收器增益在计算的比中被消去(即，使得分子中的系数具有与分母中的系数相同的增益)，并且使得(ii)测量量是方位角不变的(即，使得分母中的量的方位角响应相同，并因此消去分子中的量的方位角响应)。

增益补偿

例如，可以为在发射器i和接收器j之间获得的任何测量X_ij定义以下逐项(TBT)补偿算子，如下所示：

由于分子增益项通过分母增益项消去，这些算子得到完全增益补偿。应该理解的是，上述算子包含关于地层参数的相同信息并且任一个可以在随后的反演过程中使用。将进一步理解的是，对于TBT(X_ij)中的平方根有两种可行的解，并且应该格外小心以确保在比较测量的数据和模型数据时选择相同分支的解。

例如，增益补偿的测量结果可以从来自三轴测点(station)1和2的k方向发射器和l方向接收器(其中k和l取x，y和z方向)获得，如下所示：

然后，满3×3矩阵例如可以表达如下所示：

将理解的是，表示完全增益补偿的测量结果，在于分子增益项通过分母增益项消去。增益补偿的方位角不变的测量结果可以通过遵守上述两个标准来获得。

中心工具

对于中心式电磁测井仪器来说，的非对角线项，即CZ_xy、CZ_yx、CZ_xz、CZ_zx、CZ_yz、和CZ_zy是方位角不变的。例如，CZ_xz的分子包括和其中的每一个都是θ的一次谐波函数。CZ_xz的分母包括和其中的每一个也是θ的一次谐波函数。在分母中的θ的一次谐函数因此消去了分子中的θ的一次谐波函数，使得结果的CZ_xz既是增益补偿又是方位角不变的。类似地，CZ_zx、CZ_yz和CZ_zy每个均包括分子和分母两者中的θ的一次谐波函数，使得它们是方位角不变的。非对角线项CZ_xy和CZ_yx每个均包括分子和分母两者中的θ的二次谐波函数，使得它们是方位角不变的。

在对角线项中，CZ_zz仅包含DC分量，且因此也是方位角不变的。余下的对角线项CZ_xx和CZ_yy每个均包含DC项和θ的二次谐波函数，使得它们不是方位角不变的。可以计算以下的补偿的方位角不变的量(包含与CZ_xx和CZ_yy相同但方位角不变的信息)：

其中CRXXPYY和CIXXPYY表示与xx加yy耦合分量相关的实量和虚量，而CRXXMYY和CIXXMYY表示与xx减yy耦合分量相关的实量和虚量。

偏心工具

对于偏心(偏离中心)的电磁测井工具，的非对角线项，即CZ_xy、CZ_yx、CZ_xz、CZ_zx、CZ_yz、和CZ_zy，通常不再是方位角不变的，因为分子包含了与偏心方位角有关的附加谐波项。为了获得偏心测井工具的增益补偿的方位角不变的测量结果，定义了替代测量结果。

图4描绘用于计算增益补偿的方位角不变的测量量的替代方法120的流程图。在122处，电磁测量工具(例如图2B和2C所示的测量工具之一)部署地下井筒中并在该地下井筒中旋转(例如，在钻井筒时)。在122中，测量工具通常(但不一定)在旋转时在井筒中偏心(偏离中心)。在124处，获取多个电磁测量结果。例如，可以通过当工具在122中旋转时使多个发射器顺序发射并且在相对应的多个接收天线处接收相对应的电磁波(电压)来获取这些测量结果。在126处，将电磁测量结果中的某些组合(例如，加上或减去)以获得组合的测量量。在某些实施方案中，相对于地层倾角方位角和偏心方位角中的一者或两者，所述组合的测量量可以是方位角不变的。在128处，随后可以处理组合的测量量中所选择的组合的测量量的比，以计算增益补偿的方位角不变的测量量。

偏心工具-轴向交叉耦合分量

基于来自钻孔中的偏心工具的建模数据，Z_xz和Z_zx交叉耦合阻抗可以用以下函数形式表示：

其中A、B、C和D表示系数值，并且FHF和SHF表示一次谐波函数和二次谐波函数(例如正弦和余弦函数)。交叉耦合阻抗Z_xz和Z_zx的系数彼此相关如下：

A_xzij＝A_zxij；B_xzij＝-B_zxij；C_xzij＝-C_zxij；D_xzij＝D_zxij；以及

A_xzij～B_xzij>>C_xzij～D_xzij

使得等式36和等式37可以例如如下组合：

A_xzij和B_xzij的大小通常彼此相似，但明显大于C_xzij和D_xzij的大小。对于单独的(不同的)发射器和接收器测点(i,j＝1,2)，A_xzij的实分量和虚分量的大小与D_xzij的实分量和虚分量的大小的比与B_xzij和C_xzij的相似比同样地变化。模型数据表明，imag(XZ_ij+XZ_ij)具有最高的比值，使得以下近似成立：

因此，与xz和zx交叉耦合分量有关的以下增益补偿量是基本上方位角不变的(因为A_xzij>>D_xzij)：

CIXZPZX＝TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij)) (41)

类似地，与yz和zy交叉耦合分量的和相关的以下增益补偿量也是基本上方位角不变的。

CIYZPZY＝TBT(imag(YZ_ij+ZY_ij)) (42)

偏心工具-横向耦合分量

来自钻孔中的偏心工具的建模数据显示，Z_xx和Z_yy耦合阻抗可以用下面的函数形式表示：

使得补偿量CZ_xx和CZ_yy不是方位角不变的。等式43和44可以例如如下组合：

其中(A_xxij+A_yyij)的实部和虚部的大小比(B_xxij+B_yyij)和(C_xxij+C_yyij)大3个数量级，使得：

(A_xxij+A_yyij)＞＞(B_xxij+B_yyij)和(C_xxij+C_yyij)

并且

因此可以计算与xx和yy耦合分量的和相关的以下增益补偿的方位角不变的量。

CRXXPYY＝TBT(real(XX_ij+YY_ij))

CIXXPYY＝TBT(imag(XX_ij+YY_ij)) (48)

XX_ij-YY_ij的函数形式表明，当工具偏心时，TBT(XX_ij-YY_ij)不是方位角不变的(因为(A_xxij-A_yyij)～(B_xxij-B_yyij)～(C_xxij-C_yyij))。

偏心工具-横向交叉耦合分量

来自钻孔中的偏心工具的建模数据显示，Z_xy和Z_yx交叉耦合阻抗可以用以下函数形式表示：

其中：

A_xyij＝-A_yxij＝-C_xyij＝C_yxij；B_xyij＝B_yxij；且D_xyij＝D_yxij

等式49和50因此可以例如如下组合：

因此可计算与xy和yx交叉耦合分量之间的差有关的以下增益补偿的方位角不变的量。

CRXYMYX＝TBT(real(XY_ij YX_ij))

CRXYMYX＝TBT(imag(XY_ij YX_ij)) (53)

XY_ij+YX_ij的函数形式表明TBT(XY_ij+YX_ij)不是方位角不变的。

偏心工具-轴向耦合分量

Z_zz耦合阻抗可以用下面的函数形式表示：

其中real(A_zzij)＞＞real(B_zzij)。由于A_zzij的实部的大小比B_zzij的大小大3个数量级，所以TBT(real(Z_zz))是基本上方位角不变的。

应该理解的是，在具有零倾角的各向同性地层或各向异性地层中，(等式32)的非对角线分量等于零。此外，在具有非零倾角的各向异性地层中，的非对角线分量通常展现过零点。轴向(z相关)非对角线项具有两个过零点，而非轴向(非z相关)非对角线项随着地层倾角方位角变化具有4个过零点。容易明白的是，当的测量具有零响应(零值)时，等式33中的量是不确定的(由于除以零)。在实践中，因此可能有必要捕获和/或标记这样的状况。例如，可以针对任何特定的测量来评估本底噪声。因此可以标记小于本底噪声的某个因子(例如，五)的测量值。

图5描绘了用于计算本文公开的增益补偿的方位角不变的量之一TBT(X_ij)和警告标志F_x以指示所计算的量的有效性的方法150的流程图。该方法在152处通过将警告标志设置为零并选择倍增因子n的值来初始化。在154处接收电磁测量结果X，例如，基本上包括上面关于等式32至等式54描述的任何合适的测量结果。例如，测量值X可以包括xz、zx、yz、zy、xy、yx、xx、yy和/或zz张量分量和/或复合测量结果，诸如xx+yy、xx-yy、xz+zx、xz-zx、yz+zy、yz-zy、xy+yx和/或xy-yx，和/或这些测量结果中的任何一个或多个测量结果的实分量和虚分量。输入N_ijx表示输入测量的噪声水平。

继续参考图5，可以在156处(例如，使用一个或多个上述等式)计算补偿的测量结果并在160处输出。在158处，评估补偿量的分母中的零响应。通过使因子n乘以噪声水平(n·N_ijx)获得阈值。高于阈值的值被认为是非零的，而低于阈值的值则被认为等于零。当分母项中的一个低于阈值时，标志F_x被设置为值1。应该理解，可以使用任何合适的倍增因子(例如，n＝5)。较高的值趋向于使更多数据点失去资格，因为被接受的数据点具有较高置信水平。较低的值倾向于接受更多的数据点，但相对应的置信水平较低。所公开的实施方案决不限于任何倍增因子值。

模型数据验证

现在通过以下非限制性计算示例更详细地描述所公开的实施方案。图6描绘了部署在井筒40中的偏心电磁测井工具50的示意图，该井筒以一相对倾角穿透各向异性地层。井筒参考系可以由x、y和z轴(其相对于井筒固定)来定义。工具参考系可以由相对于测井工具固定的x'、y'和z'轴定义。工具在井筒中的旋转导致x'和y'工具轴线相对于井筒的x轴和y轴围绕z轴和z'轴旋转。参考系之间(例如，在与z轴正交的平面中的x和x'轴之间)的相对角度φ在本领域中通常被称为工具面角。

工具50被示出为在井筒40(具有井筒直径d)中以偏心方位角ψ偏心一偏心距离decc(在井筒参考系中)。视偏心方位角(也称为视工具偏心角AZT)可以被定义为工具参考系中工具偏心的方向(例如相对于x'轴)。地层被描绘为各向异性的、具有在相对于x轴(即相对于井筒参考系)的相对倾角φ_倾角下的垂直电导率σv和水平电导率σh。视倾角方位角用Φ指示，并表示工具上的取向标记(例如工具上与x轴发射器上的磁偶极子对齐的x'轴)与和工具的z'轴正交的平面上地层法向矢量的方向之间的相对角度。视倾角方位角在本文也被称为视地层方位角AZF。钻井液的电导率也由σmud指示。

使用有限元代码对图2B所描绘的示例性三轴工具的响应进行建模，所述三轴工具部署在横穿诸如图6A和图6B所示的倾斜各向异性地层的井筒中。发射器到接收器的间距(T1和R1之间以及T2和R2之间)为34英寸。R1和R2之间的间距为18英寸。该工具的外径是8.5英寸，并且井筒直径是14英寸。各向异性地层的水平电阻率和垂直电阻率分别为Rh＝1欧姆米和Rv＝5欧姆米(本领域普通技术人员将会理解，电导率和电阻率是相互关联的并且可以相互导出)。井筒充满了电阻率为1000欧姆米的油基钻井液。地层倾角为30度，且视倾角方位角以30度梯度从0度递增到330度，共12次地层迭代。

对于每个地层迭代，工具被部署在偏离井筒中心的偏离距离decc处，其中视工具偏心方位角以30度增量从0度变化到330度，总共12次工具偏心方位角迭代。因此，对于给定的工具偏心距离，生成一组144次的迭代(12次倾角方位角迭代乘以12次偏心方位角迭代)。对于从0变化到2英寸的相对应的工具偏心距离，计算多组迭代。图7至图10B上描绘的曲线图是针对中心式工具计算的。图11A至图15B上的曲线是针对具有2英寸的偏心距离和各种偏心方位角的偏心工具计算的。

图7和图8描绘了针对从中心式工具获取的3×3张量分量中的每一个的建模补偿实数测量结果(图7)和虚数测量结果(图8)与地层倾角方位角(AZF)的曲线图。利用上述的逐项(TBT)算法(例如，在等式33中)计算增益补偿量。注意，对于实数测量结果和虚数测量结果两者而言，非对角线响应中的每个(即，xy、yx、xz、zx、yz和zy分量)的补偿响应是基本上方位角不变的(基本上与地层倾角方位角无关)。增益补偿的zz响应(轴向耦合)也被观测为是方位角不变的。如前所述，增益补偿的xx和yy响应(横向耦合)随着AZF而变化为近似二次谐波函数。

图7和图8还示出了上面关于图4描述的过零标记算法的实用性。xy和yx分量有四个过零点(在AZF值为0度、90度、180度和270度时)。这些值已被标记并从图中移除。xz，zx，yz和zy分量有两个过零点(对于xz和zx分量，在AZF值为90度和270度时，对于yz和zy分量，在AZF值为0度和180度时)。这些值也已被标记并从相对应的曲线图中移除。

图9A和图9B描绘了从中心式工具获得并使用等式34计算的TBT(real(xxpyy_ij))和TBT(imag(xxpyy_ij))与AZF的曲线图。注意，这些增益补偿量是基本上方位角不变的(在这个示例中，在AZF的360度上变化小于0.1％)。

图10A和图10B描绘了从中心式工具获取并使用等式35计算的TBT(real(xxmyy_ij))和TBT(imag(xxmyy_ij))与AZF的曲线图。注意，这些增益补偿量是基本上方位角不变的(在这个示例中，在AZF的360度上变化小于0.5％)。

图11A描绘了各种工具偏心方位角值下的TBT(real(XZ_ij+ZX_ij))和TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij))与AZF的曲线图。如图所示，TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij))相对于地层倾角方位角(AZF)和工具偏心方位角(AZT)两者都是方位角不变的。TBT(real(XZ_ij+ZX_ij))被示出为随AZF和AZT而变化。在90度和270度时的过零点已被标记并从该曲线图中移除。

图11B描绘了各种地层倾角方位角值下的TBT(real(XZ_ij+ZX_ij))和TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij))与AZT的曲线图。如图所示，TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij))相对于地层倾角方位角(AZF)和工具偏心方位角(AZT)两者都是方位角不变的。TBT(real(XZ_ij+ZX_ij))被示出为随AZF和AZT而变化。

继续参考图11A和图11B，将理解的是，TBT(real(YZ_ij+ZY_ij))和TBT(imag(YZ_ij+ZY_ij))类似于TBT(real(XZ_ij+ZX_ij))和TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij))，但是相对于AZF和AZT偏移90度。例如，当相对于AZF绘制时，过零点在0度和180度处(类似于图9A)。

图12A和图12B描绘了如使用等式48计算的TBT(real(XX_ij+YY_ij))和TBT(imag(XX_ij+YY_ij))与AZF(图12A)和AZT(图12B)的曲线图。这些测量量被描述为相对于地层倾角方位角和工具偏心方位角二者都是不变的。

图13A和图13B描绘了TBT(real(XX_ij))+TBT(real(YY_ij))和TBT(imag(XX_ij))+TBT(imag(YY_ij))与AZF(图13A)和AZT(图13B)的曲线图。虚数测量量被描绘为相对于地层倾角方位角和工具偏心方位角二者都是不变的，而实数测量量显示出相对于地层倾角方位角和工具偏心方位角两者的一些变化。

图14A和图14B描绘了如使用等式53计算的TBT(real(XY_ij-YX_ij))和TBT(imag(XY_ij-YX_ij))与AZF(图14A)和AZT(图14B)的曲线图。这些测量量被描述为相对于地层倾角方位角和工具偏心方位角二者都是不变的。

图15A和图15B描绘了TBT(real(Z_zz))和TBT(imagl(Z_zz))与AZF(图15A)和AZT(图15B)的曲线图。TBT(real(Z_zz))被示出为随方位角而变化，而TBT(imagl(Z_zz))被描绘为对于地层倾角方位角和工具偏心方位角二者都是不变的。

应该理解，可以在井下处理器上实施本文中公开的用于计算增益补偿的方位角不变的测量量的各种方法。通过井下处理器，其意味着部署在钻柱中(例如，在电磁测井工具或BHA中的其它地方)的电子处理器(例如，微处理器或数字控制器)。在这样的实施方案中，计算量可以通过已知的遥测技术(例如，泥浆脉冲遥测或有线钻杆)存储在井下存储器中和/或随钻传输到地面。可替代地，谐波拟合系数或补偿量可以被传输到地面，并且可以使用地面处理器在地面计算视地层方位角、视工具偏心方位角和/或工具偏心距离。无论是传输到地面还是在地面计算，然后都可以在反演过程中使用这些量(连同地层模型)，以获得如上所述的各种地层参数。

尽管已经详细描述了用于进行增益补偿的方位角不变的电磁测井测量的方法，但应该理解，在不偏离由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中做出各种改变、替换和变更。

Claims (16)

1.一种用于进行地下地层的增益补偿的电磁测井测量的方法，所述方法包括：

(a)使偏心电磁测井工具在地下井筒中旋转，所述测井工具包括与接收器轴向间隔开的发射器，所述发射器包括轴向发射天线和至少一个横向发射天线，所述接收器包括轴向接收天线和至少一个横向接收天线；

(b)使所述轴向发射天线和所述至少一个横向发射天线将相对应的电磁波顺序地发射到所述地下井筒中；

(c)使用所述轴向接收天线和所述至少一个横向接收天线来接收与在(b)中发射的所述电磁波相对应的电压测量结果；

(d)处理(c)中接收的所述电压测量结果的组合以计算组合的测量量；并且

(e)处理(d)中计算的所述组合的测量量中的所选择的组合的测量量的比，以计算增益补偿的方位角不变的测量量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述比的分子中的组合的测量量的方位角响应与所述比的分母中的组合的测量量的方位角响应相同。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在(d)中计算的所述组合的测量量相对于所述地下井筒中的地层倾角方位角和所述电磁测量工具的工具偏心方位角中的至少一个是方位角不变的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在(e)中计算的所述增益补偿的方位角不变的测量量相对于所述地下井筒中的地层倾角方位角和所述电磁测量工具的工具偏心方位角两者是方位角不变的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述增益补偿的方位角不变的测量量与xz和zx耦合或与yz和zy耦合有关。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增益补偿的方位角不变的测量量与xz+zx耦合的虚分量或yz+zy耦合的虚分量有关。

7.根据权利要求1所述的方法，其中根据以下数学等式中的至少一个来计算所述增益补偿的方位角不变的测量量：

CIXZPZX＝TBT(imag(XZ_ij+ZX_ij))

CIYZPZY＝TBT(imag(YZ_ij+ZY_ij))

其中CIXZPZX和CIYZPZY表示所述增益补偿的方位角不变的测量量，XZ_ij、ZX_ij、YZ_ij和ZY_ij表示所述电压测量结果，XZ_ij+ZX_ij和YZ_ij+ZY_ij表示所述组合的测量量，imag(·)表示所述组合的测量量的虚分量，且TBT(·)表示计算出的比。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述增益补偿的方位角不变的测量量与xx和yy耦合有关。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述增益补偿的方位角不变的测量量与xx+yy耦合的实分量或虚分量有关。

10.根据权利要求1所述的方法，其中根据以下数学等式中的至少一个来计算所述增益补偿的方位角不变的测量量：

CRXXPYY＝TBT(real(XX_ij+YY_ij))

CIXXPYY＝TBT(imag(XX_ij+YY_ij))

其中CRXXPYY和CIXXPYY表示所述增益补偿的方位角不变的测量量，XX_ij和YY_ij表示所述电压测量结果，XX_ij+YY_ij表示所述组合的测量量，real(·)表示所述组合的测量量的实分量，imag(·)表示所述组合的测量量的虚分量，且TBT(·)表示计算出的比。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述增益补偿的方位角不变的测量量与xy和yx耦合有关。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述增益补偿的方位角不变的测量量与xy+yx耦合的实分量或虚分量有关。

13.根据权利要求1所述的方法，其中根据以下数学等式中的至少一个来计算所述增益补偿的方位角不变的测量量：

CRXYMYX＝TBT(real(XY_ij-YX_ij))

CRXYMYX＝TBT(imag(XY_ij-YX_ij))

其中CRXYMYX和CRXYMYX表示所述增益补偿的方位角不变的测量量，XY_ij和YX_ij表示所述电压测量结果，XY_ij-YX_ij表示所述组合的测量量，real(·)表示所述组合的测量量的实分量，imag(·)表示所述组合的测量量的虚分量，且TBT(·)表示计算出的比。

14.一种用于进行地下地层的增益补偿的电磁测井测量的方法，所述方法包括：

(a)使电磁测井工具在地下井筒中旋转，所述测井工具包括与接收器轴向间隔开的发射器，所述发射器包括轴向发射天线和至少一个横向发射天线，所述接收器包括轴向接收天线和至少一个横向接收天线；

(b)使所述轴向发射天线和所述至少一个横向发射天线将相对应的电磁波发射到所述地下井筒中；

(c)使用所述轴向接收天线和所述至少一个横向接收天线来接收与在(b)中发射的所述电磁波相对应的电压测量结果；

(d)处理在(c)中接收的所述电压测量结果以计算谐波电压系数；并且

(e)处理所述谐波电压系数中的所选择的谐波电压系数的比，以计算增益补偿的方位角不变的测量量。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述比的分子中的谐波电压系数的方位角响应与所述比的分母中的谐波电压系数的方位角响应相同。

16.一种随钻测井工具，其包括：

随钻测井工具主体；

在所述工具主体上与至少一个接收器轴向间隔开的至少一个发射器，所述发射器包括轴向发射天线和至少一个横向发射天线，所述接收器包括轴向接收天线和至少一个横向接收天线；

控制器，其被配置为(i)使所述轴向发射天线和所述至少一个横向发射天线顺序地发射相对应的电磁波；(ii)使所述轴向接收天线和至少一个横向接收天线接收与在(i)中发射的所述电磁波相对应的电压，以及(iii)处理在(ii)中接收的电压测量结果的组合以计算组合的测量量，以及(iv)处理在(iii)中计算的所述组合的测量量中的所选择的组合的测量量的比，以计算至少一个增益补偿的方位角不变的测量量。