CN1580821A - 独立于泥浆类型和钻孔环境而确定倾角的电磁方法 - Google Patents

Abstract

一种方法，利用用于产生与地下构造的电磁能响应相关的方向信号的装置。该方法用于导出地层边界的斜角和相对倾度。根据与钻孔定向耦合的相对倾度信息可以算出真正的倾度和方位。还说明了该方法的其他应用。

Description

独立于泥浆类型和钻孔环境而 确定倾角的电磁方法

相关申请的参照

本申请根据35U.S.C.§119要求2003年8月8日申请的临时申请系列号60/493,747的优先权，在此作为参考结合其全部内容。

技术领域

本发明总体上涉及测井领域。更具体的，本发明涉及一种改进的技术，其中装备有具有横向或倾斜的磁偶极矩表现的天线系统的设备用于电磁地检测地下构造和用于界定水库基床结构及构造倾度，以及相对于水库中的地质边界设井。

背景技术

在感兴趣的地下构造中确定倾度的信息，对于理解水成岩的沉积环境以及开发和执行用于石油和天然气勘探的钻井计划很重要。可以从地震图和从钻孔图像中导出构造基床的倾度和斜面。地震图提供了大比例的结构信息，而钻孔图像提供了关于由于钻孔穿透的局部地层环境的信息。这两种信息类型是对烃探矿有用的信息。但是从钻孔图像导出的倾度信息通常比从地震图导出的信息具有更高的精度。

在烃探矿领域里已知有各种测井技术以及评估由钻孔穿透的地下构造的产品。这些技术一般利用装备有适于向地层发射能量的能量源的仪器或工具。在本说明书中，“仪器”和“工具”可以互换地用来表示，例如电磁仪器(或工具)、测井缆工具(或仪器)、或测钻井工具(或仪器)。所发射的能量与周围地层相互作用而产生随后可由一个或多个传感器检测和计量到的信号。通过处理检测到的信号数据，可获得地层属性的图像或轮廓。

目前提供的用来产生电钻孔图像的商用工具包括地形影像电阻率(GVR)工具和方位密度中子(ADN)工具(都是“随钻测井(while drilling)”工具)以及地层微电阻率映象(FMI)工具(测井缆工具)，它们都属于本发明的受让人，Schlumberger并且通过其测井服务来提供。通过在图像上识别底部边界分界面或确定由不同的传感器测出的图像之间的相关性，从而从钻孔图像导出倾度。根据图像估出的倾度的精度受到许多因素影响，这些因素包括图像质量、工具的垂直分辨率、地质学家的技能、以及在斜钻井中钻孔勘测的精度。

在上述成像工具中，FMI工具由于使用了小尺寸(例如.2英寸)的测量电极，因此提供了最高质量的钻孔图像。根据FMI工具的图像得到的明显的倾度的精度一般对于典型高倾角(或倾高)是在0.5°左右。对于较低的明显倾度，精度降到几度。而且，FMI工具和其他电极工具仅在导电泥浆中工作。

GVR工具提供实时倾度服务，但是仅对大于53°的明显倾度服务。在地面上对所获的实时图像的分析可以消除该限制，但由于图像是利用一英寸电极按钮获取的，因此当相对倾度很低时图像质量不允许对倾度进行精确确定。快速的穿透还可以影响图像质量以及从图像得到的倾度精度。与FMI工具类似，GVR工具仅在导电泥浆中工作。

对于基于石油和综合的泥浆来说，也由Schlumberger提供的石油基础微成像(OBMI)工具可以用来提供图像服务。其图像质量比FMI工具得到的图像质量差，且确定倾度时出现的误差要大于FMI工具的。目前，没有电成像工具既能在导电的又能在绝缘的泥浆中提供倾角服务。

电磁(EM)感应和传播测井是公知的技术。测井仪器设置于测井缆上或通过“随钻测井”的钻柱的钻孔内以测出钻孔周围的地形构造的导电率(或其倒数，电阻率)。在本说明书中，任何所指的导电率意指包括其倒数、电阻率，反之亦然。典型的电磁电阻率工具包括发射天线和沿着工具的轴线距发射天线一定距离设置的一个或多个(一般为一对)接收天线(见图1)。

感应工具通过检测在接收天线中感应出的电压来测出构造的电阻率(或导电率)作为由流经放射(或发射)天线的AC电流感应出的磁通量的结果。所谓的传播工具以类似的方式运作，但对于可比较的天线间距通常以高于感应工具的频率运作(传播工具的大约106Hz与感应工具的大约104Hz相比)。典型的传播工具可以在1kHz-2MHz的频率范围内运作。

传统的发射器和接收器是由线圈构成的天线，该线圈包括绕支柱缠绕的一圈或多圈绝缘导线。这些天线一般可作为发射源和/或接收器运作。本领域普通技术人员会理解同样的天线在某时可用作发射器而在另一时可用作接收器。还应理解这里公开的发射器—接收器结构由于互易原理可互换，即“发射器”可用作“接收器”，且反之亦然。

天线以这种原理运作，即携载AC电流的线圈(例如发射器线圈)产生磁场。来自设置于钻孔中的测井工具的发射器天线的电磁能量发射进入地层的周围区域，且该发射感应出在发射器附近的地层中流动的涡流(见图2A)。本身为地层电阻率的函数的在地层中感应出的涡流产生磁场，其依次在接收天线中感应出电压。如果使用一对分离开的接收器，则在两个接收器天线中感应出的电压由于周围地层的几何扩散和吸收会具有不同的相位和幅值。来自两个接收器的相位差(相移φ)和幅值比(衰减A)可以用于导出地层的电阻率。测出的相移(φ)和衰减(A)不仅依据两个接收器之间的间隔以及发射器和接收器之间的距离，还依据由发射器产生的EM波的频率。

在传统的感应和传播测井仪器中，发射器和接收器天线沿着仪器的纵轴以其轴线安装。因此，这些工具用具有纵向磁偶极矩(LMD)的天线来实现。图2A显示了从设置于一钻孔部分或片断中的该测井仪器流出的电磁(EM)能量的简化表示，该钻孔部分或片断以垂直于感兴趣的地层基床的方向穿透地下地层。但是，这不是对弥补钻孔的所有众多片断的精确描述—尤其当钻孔已经被定向钻开，如下所述。因此，钻孔的片断通常以不同于90度的角度穿透构造地层，如图2B所示。当这种情况发生时，地层面据说具有相对倾度。相对倾角θ定义为钻孔轴线(工具轴线)BA和感兴趣的地层基床平面P的法线N之间的角度。

众所周知，测井工具的响应会受到其中放置工具的钻孔片断周围的地层基床结构的影响。对于电磁测井工具来说，这作为肩基效应公知。因此，具有LMD天线的传统的感应和传播工具的响应会受到地层基床及其倾度的影响。但是，这种工具本质上是非定向的，因此不能提供关于基床构造的方位角信息。因而目前的商用测井缆引入工具和LWD传播电阻率工具不能精确确定倾度。

测井领域中的新兴技术使用包括具有倾斜或横向的线圈的天线的仪器，即线圈的轴线不平行于工具或钻孔的纵轴。因此这些仪器通过横向或倾斜的磁偶极矩(TMD)天线来实现。

本领域普通技术人员会理解可以用多种方式来使天线倾斜或歪斜。装配有TMD天线的测井仪器在例如US专利6163155、6147496、5115198、4319191、5508616、5757191、5781436、6044325和6147496中有过说明。这种工具的响应会依赖于工具在倾斜的地层中的方位角定向。因此，关于地质结构的有用信息，尤其是倾度和斜面，可以从方位角或定向检测的属性分析中获得。

目前已转让给Schlumberger的Omeragic的美国专利申请公开No.2003/0055565导出了用于从三轴感应检测计算出各向异性的地层参数的闭式表达式。转让给Dresser的Bittar的US专利No.6163155公开了一种方法和装置，其中通过正交线圈的软件旋转来获得水平和垂直电阻率之间的退耦从而对各向异性的地层构造同时确定水平电阻率、垂直电阻率和相对倾角。转让给Halliburton的Gao et al的US专利No.6556016公开了一种利用三轴检测确定各向异性的地层构造的近似倾角的感应方法。这些申请局限于具有各向异性的地层。

定义

特定术语在本说明书中始终定义为其首次使用的术语，而本说明书中使用的某些其他术语定义如下：

“明显的倾度”指得是在任何不垂直于斜面的方向测得的(倾斜的)基床与水平面之间的角度。

“床”或“基床”指得是一般在地下构造(通常是岩石)中发生的沉积物或沉淀物的分层或层化。

“装箱(binning)”指得是基于参数值对测得的波形—尤其是地层对发射的电磁能量的响应—进行分组，它可以对由波形确定的一个参数或多个参数执行。装箱标准的一个实例可以是波形成分的频率或周期。另一个实例是测得的波形与工具方位的方位角度的结合。

“倾度”或“倾角”指得是垂直于斜面测得的(倾斜的)基床与水平面之间的角度。

“倒转”或“转化”指得是根据特定标准从测得的数据(例如测井数据)导出模型(也叫作转化模型)，该模型生成与测得的数据最一致的响应。作为一种实例，可用测得的波形构建最佳的地下构造模型，其通过反复地调节模型参数而生成最符合测量值的响应。

“相对倾度”或“相对倾角”指得是钻孔轴(或工具轴)和感兴趣的地层基床所限定的平面的法线方向之间的角度。

这里用的“对称”或“均衡的”指得是沿着工具的纵轴(例如θ，180°-θ)相对定向设置的成套的发射器—接收器安排的构造，这样这些发射器—接收器装置可以与对在工具轴或垂直于该工具轴的对称平面上的点的标准对称操作(例如转换、镜像面、转化和旋转)发生联系。使对称指的是添加或减去对称的两方的响应以生成合成响应的程序。

“工具面”指得是仪器绕其纵轴的角度定向，并表示在仪器外壳(例如钻环)上的选择参考和井眼的重力最上壁或地理的北部之间对向的角度。

发明内容

一方面，本发明提供一种基于方向(方位角的)检测来确定地层构造的倾度和斜面的方法和装置。该检测相对深因此相比较于传统钻孔成像来说钻孔环境的效应更不重要。另一优势在于本发明在导电的和阻性的泥浆中都能工作。倾度确定的精度可以非常高，特别是当相对倾度不接近于90°时。

本发明利用电磁(EM)波工具的方向检测来导出地层基床的倾度和斜面。在测井缆的情况下或者通过真实的工具旋转或者通过带有一套三轴线圈的软件旋转来检测作为方位角的函数的方向响应从而可以确定方位角(例如见US专利No.6584408)。该倾度信息从对称的方向检测的响应导出并可以在钻井的同时运用从而提供实时的倾度服务，而不会象在公知工具的情况下受相对高倾度要求的限制。

本发明基于以下发现，即在几乎所有的倾角中，对称的方向响应(xz-zx感应或其传播相对方)与给定的地层构造的相对倾角几乎成线性比例关系。此外，当接收器和发射器处于基床边界的不同侧边时，比例因数几乎为常数并且不依赖于工具的位置。这种显著的属性仅仅对于对称的检测是真实的。

因此，本发明的一方面涉及需要进行这种对称检测的装置。它包括检测的对称的TR或TRR对，如目前已转让给Schlumberger的Minerbo et al发明的US专利申请公开No.2003/0085707中所建议的。从感应到传播频率地进行该检测。

本发明的另一方面涉及一种利用该装置的响应来精确地导出基床的相对倾度和方位角的方法。该真实的倾度和方位角可以根据结合钻孔定向的相对倾度和方位角信息来计算出。

本发明的另一方面涉及该倾度服务在实时随钻测井中的运用。

本发明还有一方面涉及该信息在对于三轴感应或传播工具的电阻率各向异性的辅助解释的运用。

这种倾度确定比传统钻孔图像导出的倾度的优势包括：

1.在相对较低的倾角时的高精度；

2.可以实时进行倾长确定服务；

3.对钻孔环境的依赖性、钻孔泥饼的自由度以及泥浆/过滤的影响较小；

4.倾度确定不受邻近钻孔壁的局部倾角的轻微变化的影响；

5.倾度服务不依赖于泥浆类型。

因此，本发明更具体地可以表达为利用设置于钻孔穿透的地层中的测井仪器来表征地下构造的方法，测井仪器具有纵轴且装备有至少一个发射器系统和接收器系统。该测井仪器位于钻孔内以将发射器系统和接收器系统设置于感兴趣的地层边界附近，从而测出测井仪器的方位角定向。利用发射器系统将电磁能量发射到地层内，利用接收器系统测出与用发射器系统发射的电磁能量关联的信号。确定地层边界的相对方位角，利用测出的信号和确定的相对边界方位角合成对称的方向测量值。然后利用合成的方向测量值确定地层边界的相对倾度。

于是可以按照本领域公知的方式利用地层边界的相对方位角和相对倾度来确定地层边界的真实方位角和倾度。

在本发明方法的一种实施例中，在钻柱中携载测井仪器随其转动。该实施例利用了包括第一和第二发射天线的发射器系统以及包括第一和第二接收天线的接收器系统。第二发射天线具有倾斜相应于第一接收天线的磁偶极矩的倾斜的磁偶极矩，且第二接收天线具有倾斜相应于第一发射天线的磁偶极矩的倾斜的磁偶极矩。至少一个第一天线具有相对于测井仪器的轴线倾斜的磁偶极矩，其具有对应于第一方位角的一个第一天线的倾斜的磁偶极矩。另外，至少一个第二天线具有相对于测井仪器的轴线倾斜的磁偶极矩，该一个第二天线的倾斜的磁偶极矩对应于第二方位角。该实施例适于在第一和第二方位角之间变化。因此，例如第二方位角可以与第一方位角相差基本90度，或这两个角度可以基本相等。

在另一个钻柱应用中，发射器系统包括至少一个具有相对于测井仪器的轴线倾斜角度为θ的磁偶极矩的天线，且接收器系统包括至少一个具有相对于测井仪器的轴线倾斜角度为180-θ的磁偶极矩的天线。在该情况下，当测井仪器随钻柱一起旋转时执行发射步骤和检测步骤。

在该钻柱应用中，发射器系统可以包括两个间隔开的发射天线，每个发射天线具有相对于仪器轴线倾斜第一角度的磁偶极矩。接收器系统可以包括至少一个以第一钻孔深度位于两个发射天线之间的接收天线，接收天线具有相对于仪器轴线倾斜第二角度的磁偶极矩。在该情况下，发射步骤包括向两个发射天线之一赋能以将电磁能发射到地层中，而检测步骤包括检测与由一个发射天线(利用接收天线)发射的电磁能相关的第一电压信号，确定测井仪器的方位角定向，并转动钻柱以使发射和接收天线绕测井仪器的轴线旋转。测井仪器在钻孔内移动以将两个发射天线中的另一个定位在第一钻孔深度，并对两个发射天线中的另一个赋能以将电磁能发射到地层中。然后利用接收天线测出与由该另一发射天线发射的电磁能相关的第二电压信号，并重新确定测井仪器的方位角定向，钻柱重新转动从而使发射和接收天线绕测井仪器的轴转动。然后可以根据测得的第一和第二电压信号确定相对的边界方位，于是可结合该测得的第一和第二电压信号从而构成了对称的方向测量值。

在本发明方法的钻柱应用中，可以利用工具面传感器确定测井仪器的方位。可以利用装箱或参考对应于所测的信号中最小和最大幅值的测得的方位角来确定相对边界方位。

优选的测得的信号为复数电压信号。因此，可以根据与相对边界方位角相关的测得的电压信号计算出相应的相移和衰减值。通过由两个独特的从确定的相对边界方位角中预选出的方位角(例如0和180度)获得的复数电压信号的比率的对数，可以获得相移和衰减值。

在本发明方法的特殊实施例中，方向检测合成步骤包括通过将在不同的仪器方位定向测得的信号的响应拟合到近似的函数从而导出所测的信号的幅值和相位。该拟合函数优选为用于依据方向检测值确定方位角的定义迭代的拟合算法的具有拟合系数的正弦曲线，这些系数包括常数、sinφ、cosφ、sin2φ和cos2φ项，如Li et al.于2004年4月21日申请的现已转让给本发明的受让人的正在审理的US专利申请No.10/709212中所描述的。

在本发明方法的特殊实施例中，发射器系统包括至少第一和第二发射天线，而接收器系统包括至少第一和第二接收天线。天线定向以使第一发射和第一接收天线限定第一对称的天线对，而第二发射和第二接收天线限定第二对称的天线对，至少一个天线的磁偶极矩形成与测井仪器之间基本非零的角度。

本发明的方法优选的还包括确定横跨地层边界的电阻率分布的步骤，其也可也不可被当作倾度确定步骤的部分。可以根据已知的定位孔数据或根据向下钻进的电阻率检测值来确定电阻率分布。向下钻进的电阻率检测值一般由测井仪器或在与测井仪器一起在普通工具柱中传送的另一工具提供。

相对倾度确定步骤可以包括利用用于方向检测的预先计算好的查寻表对由地层边界分开的两个地层基床选择电阻率的值和相对倾角。通过确定两个地层基床的实际电阻率值，可以用为选择一对电阻率的一个或多个预先计算好的查寻表来确定相应于实际电阻率值的每单位倾度的边界方向响应。然后通过用比例因数除合成的方向检测值来确定相对倾度，比例因数是通过计算每单位倾度的边界方向响应而确定的电阻率分布来确定的。

相对倾度确定步骤还可以包括转化。一种实例包括以下步骤：选择一个或多个方向检测值用来转化，选择合适的转化模型，检验选出的转化模型是否与其他信息相符合，并确定相对倾度和选出的转化模型参数。该确定的、选出的转化模型参数可以包括地层边界的位置、和在边界的任一侧边上的地层基床的电阻率。该转化模型选择步骤包括选择符合已知信息的最简单模型，而检验步骤包括将选出的模型与已知的地质特性和其他测得的地层参数相比较。

在本发明方法的另一应用中，测井仪器是不旋转或缓慢旋转的测井缆或钻柱传送工具。在根据该情况的特殊实施例中，发射器系统包括两个发射天线且每个发射天线具有与仪器轴线对准的磁偶极矩。接收器系统包括两个横向的接收天线，它们的磁偶极矩以不同的方向定向并且都垂直于测井仪器的轴线。这两个接收天线基本在两个发射天线中间以第一钻孔深度位于两个发射天线之间。

在不旋转或缓慢旋转仪器的另一实施例中，接收器系统包括具有与仪器轴线对准的磁偶极矩的接收天线，发射器系统包括两个横向的发射天线对，每对的磁偶极矩以不同的方向定向并且都垂直于测井仪器的轴线。接收天线以第一钻孔深度位于两个发射天线对之间，第一钻孔深度基本在两个发射天线对中间。

由于该运用中没有仪器旋转可用，因此可以根据也转让给本发明的受让人的US专利No.6584408的教导而利用软件合成的旋转矩阵。在本发明方法的这种不旋转或缓慢旋转的应用中，发射步骤包括向两个发射天线之一赋能以将电磁能发射到地层中。检测步骤包括利用两个接收天线检测与由一个发射天线发射的电磁能相关的第一电压信号，检测测井仪器的方位，确定相对边界方位，以及利用相应于所确定的关于仪器方位的相对边界方位的旋转矩阵来合成在相对边界方位的虚拟横向接收器的第一方向检测电压信号。然后测井仪器在钻孔内移动以将两个发射天线中的另一个移动到第一钻孔深度(在此定位两个接收天线)，并重复该过程。因此，两个发射天线中的另一个被赋能以将电磁能发射到地层中，用两个接收器检测与由另一个发射天线发射的电磁能相关的第二电压信号，(再次)检测测井仪器的方位，(再次)确定相对边界方位。这些步骤准许利用相应于所确定的关于仪器方位的相对边界方位的旋转矩阵来合成在相对边界方位的虚拟横向接收器的第二方向检测电压信号。于是结合虚拟横向接收器的该合成的第一和第二电压信号以合成对称的方向检测值。

在不旋转或缓慢旋转应用的特殊实施例中，发射器系统包括三轴发射天线，而接收器系统包括三轴接收天线。天线系统中的三个天线的磁偶极矩矢量可以线性地独立或相互正交。该三轴天线还可以基本位于同一点。在运用三轴天线的实施例中，发射步骤包括顺序地对三个发射天线的每一个赋能以将电磁能发射到地层中。

在相互正交的三轴天线系统的情况下，检测步骤包括利用用于各个检测的三个接收天线顺序地检测与由第一、第二和第三发射天线发射的电磁能相关的第一、第二和第三电压信号。分别由这三个接收器检测的电压信号然后线性地结合以产生代表任意定向的虚拟发射器和接收器对的电压。这使得可以利用对称发射器和接收器对的耦合电压来合成三个相互正交的虚拟发射器和接收器之间的耦合电压以及合成对称的方向检测值。

在该实施例中可以根据下式来确定相对边界方位：

tan^-1(YZ/XZ)或tan^-1(2*XY/(XX-YY)，其中：

YZ是单位磁偶极矩的Y取向接收和Z取向发射天线的电压，

XZ是单位磁偶极矩的X取向接收和Z取向发射天线的电压，

XY是单位磁偶极矩的X取向接收和Y取向发射天线的电压，

XX是单位磁偶极矩的X取向接收和X取向发射天线的电压，

YY是单位磁偶极矩的Y取向接收和Y取向发射天线的电压，

Z是沿着仪器轴线的方向，

X是参考方位角的方向，其垂直于Z，

Y垂直于X和Z；且

X-Y-Z构成了笛卡尔坐标系。

利用X’Z-ZX’耦合电压可以合成根据该实施例的方向检测值，其中X’在相对边界方位的方向上且垂直于仪器轴Z。

在非线性三轴天线系统的情况下，通过相应于固定定向的3D空间旋转矩阵从测得的第一、第二和第三电压信号生成固定定向的虚拟发射器—接收器对的信号。

本发明的另一方面涉及一种表征地下构造的方法，包括以下步骤：将测井仪器定位于钻孔中从而使仪器的发射器系统和接收器系统置于感兴趣的地层边界附近，以及检测测井仪器的方位角取向。利用发射器系统将电磁能发射到地层中，利用接收器系统测出与由发射器系统发射的电磁能相关的信号。利用测得的信号合成对称的方向检测值，且将确定的方向检测值绘制成对于多个不同深度的深度函数。于是可以利用方向检测值中变化率的不连续性来识别上和下天线的至少一个跨过地层边界处的深度。

本发明的另一方面涉及一种用于表征由钻孔穿透的地下构造的测井装置，包括适于在钻孔中运送并具有纵轴的主体。该测井装置的主体可适用于在钻柱内运送和转动，并适于通过测井缆运送。发射器系统由用于将电磁能发射到地层中的主体携载。接收器系统由检测与由发射器系统发射的电磁能相关的信号的主体携载。还提供了用于在钻孔附近确定感兴趣的地层边界的相对方位角、利用由接收器系统测得的信号和由方位确定装置确定的相对边界方位来合成对称的方向检测值，以及利用合成的方向检测值确定地层边界的相对倾度的装置。

在本发明装置的特殊实施例中，发射器系统包括至少一个具有相对于测井仪器的轴线倾斜角度为θ的磁偶极矩的天线，且接收器系统包括至少一个具有相对于测井仪器的轴线倾斜角度为180-θ的磁偶极矩的天线。

在本发明装置的另一实施例中，发射器系统包括至少第一和第二发射天线，而接收器系统包括至少第一和第二接收天线。天线定向以使第一发射和第一接收天线限定第一对称的天线对，而第二发射和第二接收天线限定第二对称的天线对。

在本发明装置的另一实施例中，发射器系统包括两个发射天线且每个发射天线具有与仪器轴线对准的磁偶极矩。接收器系统包括两个横向、相互正交的接收天线，两个接收天线位于两个发射天线之间。或者，该装置可以构造成具有可互换的接收器和发射器(两个发射天线位于两个接收天线之间)。

在特殊实施例中，发射器系统包括三轴发射天线，而接收器系统包括三轴接收天线。

方位确定装置可包括工具面传感器和/或具有用于确定感兴趣的地层边界的相对方位的计算机可执行指令的计算机可读介质。

在一种实施例中，合成装置包括具有用于利用由接收器系统测得的信号和由方位确定装置确定的相对边界方位来合成对称的方向检测值的计算机可执行指令的计算机可读介质。

相对倾度确定装置可以包括具有用于利用合成的方向检测值确定地层边界的相对倾度的计算机可执行指令的计算机可读介质。

附图说明

为了详细理解本发明的上述特征和优势，上面简要概述的本发明的更具体的说明，可以由参照附图说明的实施例来获得。但是应该注意，附图仅显示了本发明的典型实施例并且应当理解其不局限于此范围，本发明还可以是与有效实施例等价的其他实施例。

图1显示了现有技术中感应和传播工具的示意图。

图2A和2B分别显示了当不具有和具有相对倾度时在钻孔穿透的地层中由测井工具感应出的涡流的前视图。

图3显示了传统旋转钻柱的前视示意图，其中运用本发明可以具有优势。

图4显示了具有对称的发射和接收天线对的基本的方向检测测井工具的示意图。

图5显示了设置于位于单独的地层基床内的钻孔片断中的方向检测测井工具的示意图，由此对称的方向检测值设计成对倾度α和各向异性不敏感。

图6显示了设置于横过基床边界以穿透两个地层基床的钻孔片断中的方向检测测井工具的示意图，由此对称的方向检测值几乎恒定且当发射器和接收器位于基床边界的相对侧上时对于给定的电阻率分布检测值与倾度成比例。

图7显示了绘制划分两个邻近的地层基床的单独地层边界的电阻率分布图。

图8A-8C显示了地层对由沿着钻孔/工具轴线定向的测井工具发射的电磁能的响应图(传统的电阻率和对称的方向检测值)，其中测井工具具有位于边界的两侧上的天线。

图9显示了根据本发明的一方面当跨过基床边界时对于不同的倾角绘制的作为真实垂直深度(TVD)的函数的对称的方向传播信号的响应。

图10显示了与图9中类似的响应，但传播信号在对数标度上通过倾角归一化。

图11显示了在线性标度上的与图10中类似的归一化的响应。

图12显示了与图9中类似的响应，但显示了在对称化之前的单独的发射器—接收器(TR)对。

图13显示了与图10中类似的响应，但显示了两个定位于一起的TR对。

图14显示了通过倾角归一化的对于对称的TR对的等价的感应工具响应(XZ-ZX检测值)。

图15显示了根据本发明的一方面用于倾度确定的工作流程图。

具体实施方式

图3显示了传统的钻机和钻柱，其中利用本发明可具有优势。陆地基础的平台和起重设备10位于穿透地下构造F的井眼11上。在所显示的实施例中，井眼11以公知的方式通过旋转钻探而形成。但是本领域普通技术人员还应从本公开内容中得到益处，即本发明还在定向钻探应用以及旋转钻探中发现应用，且并不局限于陆地基础的钻塔。还应理解本发明并不局限于“随钻测井”应用，而且还利用测井缆应用(下面将要说明)。

钻柱12在井眼11内悬挂且包括在其较低端的钻头15。钻柱12由通过未显示的装置赋能的轮盘16旋转，其将在钻柱上端的传动钻杆17接合。钻柱12通过传动钻杆17和允许钻柱相对于钩转动的旋转轴承19而从滑块(也未显示)上带着的钩18上悬挂下来。

钻探流体或泥浆26存储于形成于井点的凹坑27中。泵29通过轴承19中的端口将钻探流体26送到钻柱12的内部，感应钻探流体如方向箭头9所指示的通过钻柱12向下流。钻探流体经过钻头15中的端口而存在于钻柱12中，然后如方向箭头32所指示的通过钻柱外部和井眼壁之间的区域而向上循环，即所谓的环面。以这种方式，钻探流体润滑钻头15并携带随着其为了再循环而返回到凹坑27而切碎到表面的信息。

钻柱12还包括底孔装备，通常指34，在钻头15附近(换句话说，在距离钻头几个钻环长度的范围内)。底孔装备包括检测、处理、存储信息以及与地面通讯的能力。底孔装备34除了其他之外因而还包括用于确定井眼11周围的地层F的电阻率并传达它的检测和本地通讯装置36。通讯装置36，也公知为电阻率工具，包括第一对发射/接收天线T、R，以及第二对发射/接收天线T’、R’。如这里所述，第二对天线T’、R’关于第一对天线T、R对称。电阻率工具36还包括现有技术公知的控制数据采集的控制器。

BHA34还包括容纳于钻环38、39内的用于执行各种其他检测功能的仪器，例如检测自然辐射、密度(伽马射线或中子)以及地层F的孔压力。至少某些钻环装配有本领域公知的稳定器37。

表面/本地通讯组件40也包含在BHA34内，正好在钻环39上面。组件40包括用于与电阻率工具36本地通讯的螺旋管形天线42(虽然有利地还可以利用其他公知的本地通讯装置)，以及通过钻探流体或泥浆携载的信号与地面上的类似系统(未显示)通讯的公知类型的声学遥测系统。因此，组件40中的遥测系统包括在钻探流体中产生声学信号(又叫作泥浆脉冲)的声学发射器，其由所测得的井下参数表示。

在地面上由转换器接收到的产生的声学信号由附图标记31表示。转换器，例如压电式转换器将接收到的声学信号转换成电子信号。转换器31的输出耦合到井上接收子系统90，其解调发射信号。接收子系统90的输出然后耦合到计算机处理器85和记录器45。处理器85可以用来确定在测井的同时或随后从记录器45中访问记录数据时在“实时”基础上的地层电阻率分布(除了其他之外)。计算机处理器耦合到利用了绘图用户界面(“GUI”)的监视器92，通过绘图用户界面可将所测得的井下参数及其导出的具体结果(例如电阻率分布)以图形方式显示给用户。

还提供用于接收来自用户的输入命令(例如通过监视器92中的GUI)的井上发射系统95，其以可由组件40中的转换器99探测的方式操作从而有选择地中断泵29的操作。在这种方式下，在组件40和井上装备之间存在双向通讯。在已经转让给本发明的受让人的US专利No.5235285和5517464中较详细地说明了合适的组件40。本领域普通技术人员会理解其他的声学技术以及其他遥测装置(例如机电、电磁)也可用来与地面通讯。

可用两种类型的线圈天线来合成具有方向灵敏度的检测值。一种类型通过具有或者例如从测井工具的纵轴中心的偏移或者被局部覆盖的天线来获得其方向灵敏度。方向检测还可由构成的至少一个天线进行从而其磁偶极矩不与携载天线的工具的纵轴对准。本发明涉及第二种类型的方向敏感天线。

图4示意地显示了用于方向电磁(EM)波检测的基本的电阻率工具36。工具36包括发射具有某频率f的EM波的发射天线T和与其相距某距离L的接收天线R。还根据已转让给本发明的受让人的US专利申请公开No.20003/0085707(“Minerbo et al”)的教导显示了对称对(T’、R’)。为了清楚和简化，下面的讨论将局限于发射天线T和接收天线R，尽管通常运用对称的天线对T’、R’。应当注意尽管两个对称对的倾斜的磁偶极矩在图4中是在同一平面上，但这在本发明中是不要求的。在下面的讨论中将明白，如果将提取的系数或方向相移或衰减用于对称操作中，则来自偶极矩在不同平面上的两个对的信号还可以相加以获得等价结果。

在操作中，接收天线R将注册由发射天线T发出的EM波感应出的电压VRT及其在由包含测井工具36的钻孔穿透的地层中产生的次级电流。天线T和R都固定在工具36上从而绕工具物理转动。将这与本发明的选择测井缆应用相比较，其中虚拟天线通过软件“转动”(即利用相应于所确定的边界方位的旋转矩阵使所测的电压信号绕位于垂直于感兴趣的边界的平面上的测井仪器的轴线“转动”)。

工具36装备有位于钻环38、39之一内的用于连续指示测井工具的方位定向的工具面传感器、以及控制第一和第二发射—接收天线对以选择地将电磁能发射到地层中并检测与发射的电磁能相关的电压信号作为测井仪器的方位定向的函数的控制器。工具面传感器利用了以下之一：指示测井仪器相对于地球磁北的方位定向的磁力计、指示测井仪器相对于地球重力矢量的方位定向的重力传感器、或其他本领域中公知的合适装置。天线定向可以假设形成为发射天线T为角度θ_T，接收天线R为角度θ_R。耦合电压随着工具旋转的方位变化然后可以根据磁偶极矩的笛卡儿分量的耦合来表达：

$V_{\mathrm{RT}}\left(\mathrm{\φ}\right)=[V_{\mathrm{xz}}\cos {\mathrm{\θ}}_T{\cos \mathrm{\θ}}_R+\frac{1}{2}\left(V_{\mathrm{xx}}{+V}_{\mathrm{yy}}\right)\sin {\mathrm{\θ}}_T{\sin \mathrm{\θ}}_R]$

$+[V_{\mathrm{xz}}{\sin \mathrm{\θ}}_T\cos {\mathrm{\θ}}_R+V_{\mathrm{zx}}{\cos \mathrm{\θ}}_T{\sin \mathrm{\θ}}_R]\cos \mathrm{\φ}+[V_{\mathrm{yz}}{\sin \mathrm{\θ}}_T\cos {\mathrm{\θ}}_R+V_{\mathrm{zy}}{\cos \mathrm{\θ}}_T{\sin \mathrm{\θ}}_R]\sin \mathrm{\φ}$

$+\left[\frac{1}{2}(V_{\mathrm{yx}}+V_{\mathrm{xy}})\sin {\mathrm{\θ}}_T{\sin \mathrm{\θ}}_R\right]\sin 2\mathrm{\φ}+\left[\frac{1}{2}(V_{\mathrm{xx}}-V_{\mathrm{yy}})\sin {\mathrm{\θ}}_T{\sin \mathrm{\θ}}_R\right]\cos 2\mathrm{\φ}$

$=C_0({\mathrm{\θ}}_T,{\mathrm{\θ}}_R)+C_{1c}({\mathrm{\θ}}_T,{\mathrm{\θ}}_R)\cos \mathrm{\φ}+C_{1s}({\mathrm{\θ}}_T,{\mathrm{\θ}}_R)\sin \mathrm{\φ}+C_{2c}({\mathrm{\θ}}_T,{\mathrm{\θ}}_R)\cos 2\mathrm{\φ}+C_{2s}({\mathrm{\θ}}_T,{\mathrm{\θ}}_R)\sin 2\mathrm{\φ}---\left(1.1\right)$

其中定义的一系列复系数C₀、C_1c、C_1s、C_2c、C_2s表示测得的地层响应的不同分量的幅值。因此，该复系数定义为：

$C_0({\mathrm{\θ}}_T,{\mathrm{\θ}}_R)\≡[V_{\mathrm{xz}}\cos {\mathrm{\θ}}_T\cos {\mathrm{\θ}}_R+\frac{1}{2}(V_{\mathrm{xx}}+V_{\mathrm{yy}})\sin {\mathrm{\θ}}_T\sin {\mathrm{\θ}}_R]$

C_1c(θ_T，θ_R)≡[V_xz sinθ_Tcosθ_R+V_zx cosθ_Tsinθ_R]

C_1s(θ_T，θ_R)≡[V_yz sinθ_Tcosθ_R+V_zy cosθ_Tsinθ_R]

$C_{2c}({\mathrm{\θ}}_T,{\mathrm{\θ}}_R)\≡\left[\frac{1}{2}(V_{\mathrm{xx}}-V_{\mathrm{yy}})\sin {\mathrm{\θ}}_T\sin {\mathrm{\θ}}_R\right]$

$C_{2s}({\mathrm{\θ}}_T,{\mathrm{\θ}}_R)\≡\left[\frac{1}{2}(V_{\mathrm{yx}}+V_{\mathrm{xy}})\sin {\mathrm{\θ}}_T\sin {\mathrm{\θ}}_R\right]---\left(1.2\right)$

根据本发明的一方面，认识到这些系数是在工具位置处的地层电阻率、钻孔偏差、以及方位角的函数。

通过对称操作，即(θ_T<＝>θ_R)，等式(1.1)简化为：

$\stackrel{\&OverBar;}{V}\left(\mathrm{\&phi;}\right)\&equiv;V_{\mathrm{RT}}(\mathrm{\&phi;},{\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)-V_{\mathrm{RT}}(\mathrm{\&phi;},{\mathrm{\&theta;}}_R,{\mathrm{\&theta;}}_T)=$

$2[V_{\mathrm{xz}}-V_{\mathrm{zx}}]\sin ({\mathrm{\&theta;}}_T-{\mathrm{\&theta;}}_R)\cos \mathrm{\&phi;}+2[V_{\mathrm{yz}}-V_{\mathrm{zy}}]\sin ({\mathrm{\&theta;}}_T-{\mathrm{\&theta;}}_R)\sin \mathrm{\&phi;}$

$\&equiv;{\stackrel{\&OverBar;}{C}}_{1c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\cos \mathrm{\&phi;}+{\stackrel{\&OverBar;}{C}}_{1s}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\sin \mathrm{\&phi;}---\left(1.3\right)$

所有的二次谐波(C_2c、C_2s)在减法之后消失，这是因为它们关于发射器和接收器倾角的交换对称。因此该对称简化了反对称信号的方位变化。

在该阶段，方位角的参考点是任意的。对于平面几何，如果我们选择角度(参考点作为由基床平面的法线矢量突出到工具面的方向，则通过对称V_yz＝V_zy＝0并且

将具有纯的cosφ关系。在实际应用中，基床取向是未知的。但是给定任意参考，就可以由下式计算出基床取向：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bed}}={\tan }^{-1}\left[\right|\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{C}}_{1s}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)}{{\stackrel{\&OverBar;}{C}}_{1c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)}\left|\right]={\tan }^{-1}\left[\right|\frac{V_{\mathrm{yz}}-V_{\mathrm{zy}}}{V_{\mathrm{xz}}-V_{\mathrm{zx}}}|---\left(1.4\right)$

旋转φ_bed、 将与基床垂直，因此

除了乘以常数2sin(θ_T-θ_R)之外准确为[V_xz-V_zx]。

一旦根据各个发射线圈确定了各个接收线圈的电压，就可以通过以下方式确定总检测值：在感应工具的情况下加上电压；或在传播工具的情况下取电压的混合比。例如，对于图4中的传播测井设备，可以获得在各个接收器的绝对电压值作为复数电压的实部和虚部的平方和的平方根(等式1.1)，并且绝对值的比提供衰减，根据其可以获得衰减确定的电阻率R_ad(在接收器周围的勘测相对深的深度处的地层电阻率)。根据复数电压的虚部和实部之比的反正切来获得每个接收器的相位，且相移是在两个接收器处的相位差。于是可以获得相移确定的电阻率R_ps(在接收器周围的勘测相对浅的深度处的地层电阻率)。

对于传播类型的检测，取两个检测值之间的电压(或比)的对数差。根据Minerbo et al的教导，我们取方位响应的幅值，即在电压响应最大处估出的在角度φ和角度(φ+180)处的检测值的相移差和衰减。这从等式(1.1-2)近似地导出：

$\frac{V_{\mathrm{RT}}\left(\mathrm{\&phi;}\right)}{V_{\mathrm{RT}}(180+\mathrm{\&phi;})}=\frac{C_0({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)+C_{1c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\cos \mathrm{\&phi;}+C_{1s}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\sin \mathrm{\&phi;}+C_{2c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\cos 2\mathrm{\&phi;}+C_{2s}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\sin 2\mathrm{\&phi;}}{C_0({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)-C_{1c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\cos \mathrm{\&phi;}-C_{1s}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\sin \mathrm{\&phi;}+C_{2c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\cos 2\mathrm{\&phi;}+C_{2s}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\sin 2\mathrm{\&phi;}}$

$\&equiv;1+2\frac{C_0({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)+C_{1c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\cos \mathrm{\&phi;}+C_{1s}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\sin \mathrm{\&phi;}}{C_0({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)+C_{2c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\cos 2\mathrm{\&phi;}+C_{2s}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)\sin 2\mathrm{\&phi;}}$

$\&equiv;1+2\frac{[V_{\mathrm{xz}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_T\cos {\mathrm{\&theta;}}_R+V_{\mathrm{zx}}{\cos \mathrm{\&theta;}}_T\sin {\mathrm{\&theta;}}_R]\cos \mathrm{\&phi;}+[V_{\mathrm{yz}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_T\cos {\mathrm{\&theta;}}_R+V_{\mathrm{zy}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_T\sin {\mathrm{\&theta;}}_R]\sin \mathrm{\&phi;}}{V_{\mathrm{zz}}{\cos \mathrm{\&theta;}}_T\cos {\mathrm{\&theta;}}_R+\frac{1}{2}[V_{\mathrm{xx}}+V_{\mathrm{yy}}]{\sin \mathrm{\&theta;}}_T\sin {\mathrm{\&theta;}}_R+\frac{1}{2}\left[\right[V_{\mathrm{yx}}+V_{\mathrm{xy}}]\sin {\mathrm{\&theta;}}_T\sin {\mathrm{\&theta;}}_R\sin 2\mathrm{\&phi;}+\frac{1}{2}[[V_{\mathrm{xx}}-V_{\mathrm{yy}}]{\sin \mathrm{\&theta;}}_T{\sin \mathrm{\&theta;}}_R\cos 2\mathrm{\&phi;}}---\left(1.5\right)$

如果选择x为垂直于基床的方向，则在φ＝0处获得|V|的最大值。在角度φ＝0处估算，等式(1.5)生成：

$\frac{V_{\mathrm{RT}}\left(0\right)}{V_{\mathrm{RT}}\left(180\right)}\&cong;1+2\frac{C_0({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)+C_{1c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)}{C_0({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)+C_{2c}({\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)}$

$\&cong;1+2\frac{[V_{\mathrm{xz}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_T\cos {\mathrm{\&theta;}}_R+V_{\mathrm{zx}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_T\sin {\mathrm{\&theta;}}_R]}{V_{\mathrm{zz}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_T\cos {\mathrm{\&theta;}}_R+V_{\mathrm{xx}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_T\sin {\mathrm{\&theta;}}_R}---\left(1.6\right)$

但是这还不是期望的纯xz-zx式响应，即它对基床各向异性和倾角不敏感。本发明涉及对在宽倾角范围和宽频率范围的地层的各向异性不敏感的方向检测。现在如Minerbo et al所述，通过对称化程序(θ_T<＝>θ_R)，我们有：

$\frac{V_{\mathrm{RT}}(0,{\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)}{V_{\mathrm{RT}}(180,{\mathrm{\&theta;}}_T,{\mathrm{\&theta;}}_R)}-\frac{V_{\mathrm{RT}}(180,{\mathrm{\&theta;}}_R,{\mathrm{\&theta;}}_T)}{V_{\mathrm{RT}}(0,{\mathrm{\&theta;}}_R,{\mathrm{\&theta;}}_T)}\&cong;1+2\frac{[V_{\mathrm{xz}}-V_{\mathrm{zx}}]\sin ({\mathrm{\&theta;}}_T-{\mathrm{\&theta;}}_R)}{V_{\mathrm{zz}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_T\cos {\mathrm{\&theta;}}_R+V_{\mathrm{xx}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_T\sin {\mathrm{\&theta;}}_R}---\left(1.7\right)$

尽管分母还具有一些并不简单的[xz-zx]分量，但这又和感应式的响应相似。这证明用于传播式检测的对称化程序可以产生与对称感应式而不纯式相似的响应。在方位响应的两个任意导向处可以进行传播检测，这也是真实的。

因此，通过检验依据测井工具响应的方位可以确定基床导向。一种用于提取方位响应的不同成分(即系数)的技术在由Li et al于2004年4月21日申请的并已转让的名为“方向电磁波电阻率装置和方法(Directional Electromagnetic WaveResistivity Apparatus and Method)”的US专利申请系列No.10/709212中公开，其中将所测的信号的方位变化拟合到近似的函数。尤其是，根据反复地求方向检测值的相关sin和cos项的开方拟合方位响应。这种拟合算法通过整数算法在数字信号处理器中进行从而对于在4ms的采样时间内的所有信道足够快速执行。对方位角信息、采集序列的随机化的精确利用使得算法很有能力耐受不规则工具的旋转以及在粗糙的钻探环境下刮蹭。通过这种方式，所有数据用来获得上/下信号而不仅仅是两位数据，从而改善了检测的信噪比。精确地利用方位角还可更精确地确定基床取向。

详细算法可说明如下。

浮点运算：用矩阵P₀和矢量U₀的初始值起动，然后用检测值y(φ_i)和基数r＝(1cosφ_isinφ_icos2φ_isin2φ_i)^T进行下述算法，其中P为M×M维矩阵且U和r为维度M的矢量。M是基础函数的维度。迭代N之后，于是U会聚成表示表达式系数的值。该算法是稳定的，且会聚通常在10-15次迭代内获得。

该详细算法显示如下：

initialize P₀ and U₀；

for m＝1 to Nsamples

$P_m\&LeftArrow;P_{m-1}-\frac{P_{m-1}\&CenterDot;r_{m-1}^T\&CenterDot;r_{m-1}\&CenterDot;P_{m-1}}{1+r_{m-1}\&CenterDot;P_{m-1}\&CenterDot;r_{m-1}^T}$

$U_m\&LeftArrow;U_{m-1}-P_m\&CenterDot;r_{m-1}^T\&CenterDot;{(y_{m-1}-U_{m-1}^T\&CenterDot;r_{m-1}^T)}^T;$

next m；

return(U)；

其中：

N次采样是在一次循环中获得的采样总数，

M是近似函数矢量的维度(近似函数的数目)，

U是维度M的拟合系数的矢量，

r是在维度M的各个检测位置的近似函数值的矢量，而P是M×M维度的矩阵。

在许多情况下，浮点运算非常昂贵从而不便在井下CPU中运行，这是因为可能有上百条需相配的信道以及对每个方位角的数据采集必须非常短(ms)以便在较高的旋转速度下获得精确的角度。在这些情况下，可运用具有某些变动的整数运算，以改善精度(例如利用32位的乘法)，执行比例改变以避免溢出并加快会聚。基函数的值还可以预先生成并存储于存储器中从而随后插值以获得真实角度φ_I的值。

由于在拟合技术中仅求出相关信号，因此仅需存储有用的系数。因此，在该情况下，相比较于如果要利用32库来装库所有数据的实例中的32，仅需存储5个系数。本领域普通技术人员会理解本发明技术的优势包括提取信号很精确和在方位角中精度的特殊改进。

根据这些拟合系数，可以确定基床边界方位(斜面)角度。

图5显示了具有轴线BA的方向检测测井工具36’的示意图，其位于处于单独地层基床B₂中的钻孔片断11中。基床B₂与上层的基床B₁由边界P₁分开，并与下层的基床B₃由边界P₂分开。在该构造中，根据已经证实对倾度α和各向异性不敏感的耦合T₁-R₁和T₂-R₂(根据Minerbo et al)来获得对称的方向检测。

但是，图6显示了其中方向检测对倾度极度敏感的构造。因此，图6是具有轴线BA的方向检测测井工具36”的示意图，其设置于横过基床边界P₁的钻孔片断11’中。钻孔11’穿透两个地层基床B₁、B₂，且测井工具构造(和定位)以使发射器T₁和接收器R₂布置于边界P₁的一侧上，而发射器T₂和接收器R₁布置于边界P₁的另一侧上。在该安排下，通过工具36”获得的对称的方向检测值几乎恒定且对于给定的电阻率分布与倾度成比例。

图7是描绘横过单独地层边界P₁的钻孔片断轴线BA的电阻率图，单独地层边界P₁划分两个邻近的地层基床B₁、B₂。在该实例中，邻近的地层基床展现出跨过边界P₁的20/1Ωm电阻率过渡，倾度α＝5°。

图8A-8C显示了地层对如图7中导向的测井工具所发射的电磁能的响应的绘图，测井工具的天线在边界P₁的相对侧上(与图6的方式类似)。因此，图8A绘出了传统确定的跨过基床B₁、B₂的电阻率分布。图8B、8C分别绘出了通过位于地层边界上的天线(如图7中所示)进行的对称方向检测而得出的衰减和相移。因此，在图8B和8C中的几乎恒定的部分绘出曲线(即几乎“平”的下段)，其表示当天线位于边界P₁的任一侧上时进行的检测。

发现对称的方向响应对于较高的相对倾角(例如＞60°)并且当发射器和接收器均处于边界的同一侧上时对倾角和各向异性不敏感(见Minerbo et al)。对于较小的相对倾角(例如＜40°)，发现如果如下所述当发射器和接收器位于边界的相对侧上时，对称方向检测(xz-zx式)的响应与相对倾角成正比例。

图9显示了当方向传播信号在100kHz时的响应，其绘制作为当跨过1ohm-m的基床到10ohm-m的基床时在真实垂直深度(TVD)的工具位置的函数。信号随着相对倾角的增加而逐渐增加。在零相对倾角时，由于对称因此就没有随着工具旋转而从结构中产生的信号变化。因此信号为零。但是，一旦相对倾度变成非零，则将产生有限信号。实际上，从图中可以看出，即使在1°的相对倾度时，相移信号稍微大于1°，这在考虑可以用目前电子设备获得的测量精度时已经相当大了。

图10显示了对于相对倾角增加到30°时与图9中一样的响应，但相移和衰减信号由相对倾角归一化。该归一化的曲线彼此堆叠在顶部，而与倾角无关。当发射器和接收器在基床边界的相对侧上时这在中部尤其真实。这意味着来自对称响应的相移和衰减信号与倾角成线性比例并且当T和R在边界的相对侧上时该比例常数几乎与工具位置无关。当然线性因子依赖于主要取决于两个基床的更加导电部分的值的两基床TR间距、检测频率和电阻率。

图11中重新显示了100kHz方向检测的倾角归一化的响应，该图中包括在线性比例上直到70°的角度。对50°的相移比例系数显示为2％，而对70°为6％，这比对于较小的相移角度的还小。衰减更为敏感，在50°和70°分别显示为15％和40％的变化。

重要的是要注意这种响应的简单性是对称的直接结果。图12显示了在对称之前在正好与图9中相同的构造下单独的TRR对的响应。该响应更为复杂。我们可清楚看出的对于对称的TR构造的测出信号和地层倾度之间的线性关系不再存在。对称简化了工具对高角度井中基床边界的响应，且其重新具有相同的对于倾度的敏感性。涉及到地下物理。

图9-12显示了即使为对称所需的两对固定TR距离也没有位于相同物理位置的TR天线对。图13显示了对于两个共同定位的TR对的归一化响应。将其与图10相比较。共同定位与没有共同定位的TR对对倾度的响应非常相似。

图14显示了在10kHz的对称对的等价(xz-zx)感应工具响应，其归一化为明显的倾角。接收器电压的实部和虚部都可以良好近似标度为倾度。当发射器和接收器对在界面的两侧上时，比例因数对于电压的实部几乎为常数且随距离成线性变化。

对相对倾度的对称的方向响应的简单关系将允许精确确定构造基床的相对倾度和方位角。例如，在倾度＝1°时，从图9中得出的相移信号大约为0.09dB和1.6°。即使利用电子设备，也可检测相移和衰减分别直到0.02°和0.004dB。这意味着可以以0.01°-0.03°的精度测量倾度—如果要求这种精度—在这种情况下要使用很精确的传感器。通过比较，该精度比公知钻孔成像工具所提供的精度小两个数量级。更实际地，考虑到参与的环境效应，即使在相对倾角非常低时，也可以测出精度为10％的相对倾度。

一旦确定了相对倾度，就可以利用方向响应来导出当传感器远离边界时距估计边界的距离。

还有兴趣注意到当发射器和接收器在边界的相对侧上时和当发射器和接收器在相同侧上时工具响应之间具有的剧烈差别。作为深度函数的响应的倾斜在发生跨越时会突然变化。可以用该变化来精确地识别基床边界位置。

该技术既应用测井缆引入工具又应用LWD传播工具，而不依赖于传送方法。对于“随钻测井”应用来说，该信息可以通过向井上发送检测值并在地面上分析它们，或通过首先在井下分析数据然后将倾度结构信息传送到地面来实时获得。

本领域普通技术人员会理解虽然响应取决于基床属性例如电阻率，但它还取决于接收器—发射器间距和频率。

下面将参照图15说明本发明的特殊方面。利用布置于一个或多个感兴趣的基床附近的钻孔中的测井仪器获取实时方向检测，确定基床边界方位，合成方向检测值(全部如上所述)(块110)。

利用标准电阻率检测、感应或传播确定在识别边界的各个边上的地层电阻率(块105)。从获取的方向电压信号中选出的方向信道用于精确地确定边界倾角和位置。利用从获取的方向电压信号来的不同的方向信道、利用查询表、或利用转化技术可以确认确定的倾角(块120)。简单的图表或查询表程序最初被认为是用于单独边界倾度确定。

产生对称的检测响应，并基于已知的电阻率衡量该响应，从而预知感兴趣的地层基床的倾角(即基床边界)。该衡量步骤对应于比例系数。通过在钻孔内移动测井仪器、产生新的方向检测值和对称的响应、缩放对称响应并观察响应中的变化从而识别感兴趣的地层基床的边界(块120)。

在一种实施例中，明显的倾度确定步骤包括利用查询表。在这种情况下，该方法还包括以下步骤：通过计算每单位倾度的边界方向响应确定对于确定电阻率的选出对的比例因数，通过用比例因数除合成的方向检测值来确定相对倾度，以及利用对于电阻率的选出对的查询表和确定的相对倾度和方位角来确定真实倾度。对于多个电阻率对可以预先计算出查询表。然后根据明显的电阻率，我们可以容易地在表中查找出每度倾角具有多少单元(deg、dB或Volt)。或者建立含有倾度的3D查询表，并采用该简单的查询表程序。

或者，通过计算每单位倾度的边界方向响应、和通过用比例化因数除合成的方向检测值来确定相对倾度，从而从确定的电阻率分布确定比例化因数。

在另一实施例中，相对倾度确定步骤包括转化。该转化优选地包括以下步骤：选择一个或多个方向检测值用于转化，选择合适的转化模型，检验选出的转化模型是否与其他信息相容，并确定倾度和选出的转化模型参数。所确定的选出的转化模型参数优选的包括地层边界位置的位置、和在边界的任一侧上的地层基床的电阻率。

建模或选择步骤(块125)优选的包括选择与已知信息相配的最简单的模型，并生成选出的方向检测值的可视图。模型选择步骤优选的还包括利用算法来减轻模型复杂性，例如Akaike Information Criterion(Akaike信息标准)。基于模型的转化应该是灵活的以允许选择从1(仅倾度)到6(两基床的倾度、边界位置和各向异性电阻率)的参数。该处理可以是交互式的或成批的对数处理。基于模型的转化可以用于一个或多个边界(任意电阻率分布)。

对于本领域普通技术人员来说，很明显本发明可以利用一个或多个合适的通用计算机来实现，计算机具有合适的硬件并可编程以执行本发明的处理。该程序可通过利用一个或多个可由计算机处理器读出的程序存储装置并编码可由计算机(用于执行上述操作)执行的一个或多个指令程序来实现。程序存储装置可采取形式如一个或多个软盘、CD ROM或其他光盘、磁带、只读存储器片(ROM)、以及本领域公知的或后来开发的其他形式。指令程序可以是“目标代码”，即或多或少可由计算机直接执行的二进制形式；在执行之前需要编译或解释的“源代码”；或某些中间形式例如局部编译的代码。这里程序存储装置和指令编码的精确形式是非实质的。因此这些处理装置可以在地面设备中、在工具中实施，或由本领域公知的两个来共享。还应理解可以用任何类型的测井系统例如钢丝绳起下的工具、LWD/MWD工具或LWT工具来实现本发明的技术。

根据前述说明可以理解，在不脱离本发明精神的前提下在本发明的优选和选择实施例中可以进行多种改动和变化。

本说明书的目的仅在于解释并且不应解释为局限范围。本发明的范围应当仅由所附的权利要求的文字来定义。权利要求中的术语“包括”意指“包括至少”从而权利要求中的列举清单是个开放组。“一”、“一个”和其他单数术语意指包括其复数形式除非明确排除。

Claims (32)

1.一种利用设置于穿透地下地层的钻孔中的测井仪器来表征该地下地层的特征的方法，该测井仪器具有纵轴且装备有至少一个发射器系统和接收器系统，该方法包括以下步骤：

将该测井仪器定位于钻孔内以将发射器系统和接收器系统设置于感兴趣的地层边界附近；

检测测井仪器的方位定向；

利用发射器系统将电磁能发射到地层内；

利用接收器系统检测与由发射器系统发射的电磁能相关的信号；

确定地层边界的相对方位；

利用测出的信号和确定的相对边界方位合成对称的方向测量值；以及

利用合成的方向测量值确定地层边界的相对倾度。

2.根据权利要求1的方法，还包括确定地层边界的真正方位和真正倾度的步骤。

3.根据权利要求1的方法，其中：

在钻柱中携载测井仪器随其转动；

发射器系统包括第一和第二发射天线；且

接收器系统包括第一和第二接收天线；

第二发射天线具有磁偶极矩，该磁偶极矩的倾斜相应于第一接收天线的磁偶极矩的倾斜，且第二接收天线具有磁偶极矩，该磁偶极矩的倾斜相应于第一发射 天线的磁偶极矩的倾斜，从而：

至少一个第一天线具有相对于测井仪器的轴线倾斜的磁偶极矩，这一个第一天线的倾斜的磁偶极矩对应于第一方位角，且

至少一个第二天线具有相对于测井仪器的轴线倾斜的磁偶极矩，该一个第二天线的倾斜的磁偶极矩对应于第二方位角。

4.根据权利要求1的方法，其中：

在钻柱中携载测井仪器随其转动；

发射器系统包括至少一个天线，该天线具有相对于测井仪器的轴线倾斜角度为θ的磁偶极矩；

当测井仪器随钻柱一起旋转时执行发射步骤；

接收器系统包括至少一个天线，该天线具有相对于测井仪器的轴线倾斜角度为180-θ的磁偶极矩；且

当测井仪器随钻柱一起旋转时执行检测步骤。

5.根据权利要求4的方法，其中通过参考对应于所测得的信号中最小和最大幅值的测得的方位角来确定相对边界方位。

6.根据权利要求1的方法，其中方向测量值合成步骤包括通过将在不同的仪器方位定向测得的信号的响应拟合到近似的函数从而导出信号的幅值和相位

7.根据权利要求1的方法，其中：

发射器系统包括至少第一和第二发射天线；

接收器系统包括至少第一和第二接收天线；

天线定向以使第一发射和第一接收天线限定第一对称的天线对，而第二发射和第二接收天线限定第二对称的天线对，以及至少一个天线的磁偶极矩与测井仪器之间形成基本非零的角度。

8.根据权利要求1的方法，还包括步骤：

确定跨过地层边界的电阻率分布。

9.根据权利要求8的方法，其中相对倾度确定步骤包括确定跨过地层边界的电阻率分布。

10.根据权利要求8的方法，其中或者根据已知的导向孔数据或者根据井下电阻率检测值来确定电阻率分布。

11.根据权利要求10的方法，其中通过测井仪器或通过在具有测井仪器的普通工具柱中传送的另一工具来提供井下电阻率检测。

12.根据权利要求8的方法，其中相对倾度确定步骤包括利用预先计算出来的查询表。

13.根据权利要求12的方法，其中相对倾度确定步骤包括：

确定由地层边界分开的两个地层基床的实际电阻率值；

利用为选择一对电阻率的一个或多个预先计算好的查寻表来确定相应于实际电阻率值的每单位倾度的边界方向响应；以及

通过用比例因数除合成的方向检测值来确定相对倾度，比例因数是通过计算每单位倾度的边界方向响应而确定的电阻率分布来确定的。

14.根据权利要求8的方法，还包括以下步骤：

通过计算每单位 倾 度的 边界方向响应而从确定的电阻率分布确定比例因数；以及

通过用比例因数除合成的方向检测值来确定相对倾度。

15.根据权利要求8的方法，其中相对倾度确定步骤包括转化。

16.根据权利要求1的方法，其中测井仪器是不旋转或旋转缓慢的测井缆或钻柱传送工具。

17.根据权利要求16的方法，其中：

发射器系统包括两个发射天线且每个发射天线具有与仪器轴线对准的磁偶极矩；

接收器系统包括两个横向的接收天线，它们的磁偶极矩以不同的方向定向并且都垂直于测井仪器的轴线，这两个接收天线位于两个发射天线之间，在基本上位于两个发射天线中间的第一钻孔深度处。

18.根据权利要求17的方法，其中：

发射步骤包括向两个发射天线之一赋能以将电磁能发射到地层中；

检测步骤包括

利用两个接收天线检测与由一个发射天线发射的电磁能相关的第一电压信号，

检测测井仪器的方位；

确定相对边界方位；以及

利用相应于所确定的关于仪器方位的相对边界方位的旋转矩阵来构造在相对边界方位的虚拟横向接收器的第一方向检测电压信号；并且还包括以下步骤：

在钻孔内移动测井仪器以将两个发射天线中的另一个移动到第一钻孔深度；

对两个发射天线中的另一个赋能以将电磁能发射到地层中；

利用两个接收天线测出与由该另一发射天线发射的电磁能相关的第二电压信号；

检测测井仪器的方位；

确定相对边界方位；以及

利用相应于所确定的关于仪器方位的相对边界方位的旋转矩阵来构造在相对边界方位的虚拟横向接收器的第二方向检测电压信号；以及

结合虚拟横向接收器的该构造的第一和第二电压信号从而合成对称的方向测量值。

19.根据权利要求16的方法，其中：

发射器系统包括三轴发射天线；

接收器系统包括三轴接收天线。

20.根据权利要求19的方法，其中三个发射天线的磁偶极矩矢量线性无关，且三个接收器的天线有效面积矢量线性无关。

21.根据权利要求19的方法，其中三个发射天线的磁偶极矩矢量相互正交，且三个接收天线的磁偶极矩矢量相互正交。

22.根据权利要求19的方法，其中三个发射天线和三个接收天线基本共同定位。

23.根据权利要求19的方法，其中：

发射步骤包括

向三个发射天线之一赋能以将电磁能发射到地层中；

向三个发射天线之二赋能以将电磁能发射到地层中；

向三个发射天线之三赋能以将电磁能发射到地层中；

检测步骤包括

利用三个接收天线检测与由一个发射天线发射的电磁能相关的第一电压信号，

利用三个接收天线检测与由第二个发射天线发射的电磁能相关的第二电压信号，

利用三个接收天线检测与由第三个发射天线发射的电磁能相关的第三电压信号；并且还包括以下步骤：

将分别由这三个接收器检测的电压信号线性地结合以产生代表任意定向的虚拟发射器和接收器对的电压；

合成三个相互正交的虚拟发射器和接收器之间的耦合电压；以及

利用对称发射器和接收器对的耦合电压来合成对称的方向检测值。

24.根据权利要求20的方法，其中通过相应于固定定向的3D空间旋转矩阵从测得的第一、第二和第三电压信号生成固定定向的虚拟发射器-接收器对的信号。

25.根据权利要求23的方法，其中根据下式确定相对边界方位：

tan^-1(YZ/XZ)或tan^-1(2*XY/(XX-YY)，其中：

YZ是单位磁偶极矩的Y取向接收和Z取向发射天线的电压，

XZ是单位磁偶极矩的X取向接收和Z取向发射天线的电压，

XY是单位磁偶极矩的X取向接收和Y取向发射天线的电压，

XX是单位磁偶极矩的X取向接收和X取向发射天线的电压，

YY是单位磁偶极矩的Y取向接收和Y取向发射天线的电压，

Z是沿着仪器轴 线的方向，

X是参考方位角的方向，其垂直于Z，

Y垂直于X 和Z；且

X-Y-Z构成了笛卡尔坐标系。

26.根据权利要求23的方法，其中利用X’Z-ZX’耦合电压合成方向检测值，其中X’在相对边界方位的方向上且垂直于仪器轴Z。

27.根据权利要求4的方法，其中：

发射器系统包括两个间隔开的发射天线，每个发射天线具有相对于仪器轴线倾斜第一角度的磁偶极矩；

接收器系统包括至少一个以第一钻孔深度位于两个发射天线之间的接收天线，接收天线具有相对于仪器轴线倾斜第二角度的磁偶极矩。

28.根据权利要求27的方法，其中：

发射步骤包括向两个发射天线之一赋能以将电磁能发射到地层中；

检测步骤包括

利用接收天线检测与由一个发射天线发射的电磁能相关的第一电压信号，

确定测井仪器的方位定向，以及

转动钻柱以使发射和接收天线绕测井仪器的轴线旋转，并且还包括以下步骤：

在钻孔内移动测井仪器以将两个发射天线中的另一个移动到第一钻孔深度；

对两个发射天线中的另一个赋能以将电磁能发射到地层中；

利用接收天线检测与由该另一发射天线发射的电磁能相关的第二电压信号；

确定测井仪器的方位定向；以及

转动钻柱从而使发射和接收天线绕测井仪器的轴转动；

根据测得的第一和第二电压信号确定相对边界方位；且

结合该测得的第一和第二电压信号从而合成对称的方向测量值。

29.一种利用设置于穿透地下地层的钻孔中的测井仪器来表征地下地层的特征的方法，该测井仪器具有纵轴且装备有共同包括至少一套上天线和一套下天线的至少一个发射器系统和接收器系统，该方法包括以下步骤：

将该测井仪器定位于钻孔内以将发射器系统和接收器系统设置于感兴趣的地层边界附近；

检测测井仪器的方位定向；

利用发射器系统将电磁能发射到地层内；

利用接收器系统检测与由发射器系统发射的电磁能相关的信号；

利用所测的信号合成对称的方向检测值；以及

将确定的方向检测值绘制成对于多个不同深度的深度函数；并

利用绘出的方向检测值中变化率的不连续性来识别上和下天线中的至少一个跨过地层边界处的深度。

30.一种用于表征由钻孔穿透的地下构造的测井装置，包括：

适于在钻孔中运送并具有纵轴的主体；

由用于将电磁能发射到地层中的主体携载的发射器系统；

由检测与由发射器系统发射的电磁能相关的信号的主体携载的接收器系统；

用于在钻孔附近确定感兴趣的地层边界的相对方位的装置；

利用由接收器系统测得的信号和由方位确定装置确定的相对边界方位来合成对称的方向检测值的装置；以及

利用合成的方向检测值确定地层边界的相对倾度的装置。

31.根据权利要求30的测井装置，其中该主体适于在钻柱内运送，并适于和钻柱一起转动。

32.根据权利要求30的测井装置，其中该主体适于通过测井缆传送。

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