CN1791808A - 用于钻井和测井的重力技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在诸如钻井和测井等应用中使用重力的技术。该些技术提出(1)使用重力传感器阵列的重力测井；(2)使用重力测量创建的密度假剖面；(3)使用单个或多个重力传感器实施随钻重力测量(GMWD)；和(4)使用GMWD的地质向导。

Description

用于钻井和测井的重力技术

本申请要求2003年3月21日提交的美国临时专利申请NO.60/456,766的优先权，其内容整合在此作为参考。

技术领域

本公开一般涉及重力及其在诸如钻井和测井等应用中的使用。

背景技术

A.地下重力背景

地下重力可能开始于Airy(1856)在1826、1828、和1854年间进行的摆测，Airy通过测量各种矿井顶底间的间隔垂直梯度以设法确定地球的平均密度。von Sterneck在1883和1885年以及Rische从1871到1902年开展了类似的测量。直到20世纪30年代便携式重力仪的研制，才有可能广泛的研究地下重力。从那时起，已经在矿井中进行了重力测量以确定相邻岩石的密度，确定地球的平均密度，以及用来研究由与矿体相关的大的正密度反差引起的异常垂直梯度。20世纪50年代首次提出了用于钻井重力测井的井下重力仪的概念，高精度井下重力仪(BHGM)的研制开始于20世纪60年代。

地下重力测量(例如在钻孔中或在矿井中)被用于探测异常密度构造或者侧向密度变化。通常，这些密度变化主要由地层、构造或成岩作用效应造成，所述效应导致相等重力的地下同重力等值线离开水平线。然而，解释密度变化是困难的，部分原因是密度模型不唯一——换句话说，不同的模型可以用来描述相同的密度变化。理论上，可以设计无数个密度-体积模型组合以产生相同的重力异常。但是，在许多情况下，均匀的、水平层状地层可以被假定为有用的模型，因为地层环境重力测量通常是侧向的或者接近侧向的并且在侧向上具有相对均匀的密度。在这种地区，地下重力数据可以容易地转换为精确、唯一的间隔密度剖面。

在可探测的钻孔距离内，在褶皱地层、断层、不整合、侵入、或者是岩性、孔隙度或者孔隙流体(由于局部沉积或者后生沉积过程造成的)的侧向变化交叉或者发生的地区，侧向密度变化可能很有意义。在这些情况下，由于同密度面一般所知有限而且可能在形态上很复杂，所以钻孔重力资料的分析更加困难。

虽然大多数其他的地球物理测井工具只能在钻孔的局部采样，但传统的BHGM测井可以为大体积的岩石采样。因此，它受到的在所有钻井中在一定程度上均涉及的钻井泥浆、流体侵入、井壁不平度、地层损害等的影响很小。BHGM测井在原地对密度和孔隙度的直接测量和对描述孔隙成分特征的能力构成了它应用于油气勘探和生产的基础。

井下重力勘察已被证明有价值，至少因为：

(1)高的相对或绝对精度；

(2)直接的密度响应；和

(3)调查大体积岩层的能力。

由于它对视密度测量的能力，井下重量测定也有用。传统测井工具只能深入地层的几英寸，然而钻孔重力可以采样几十到几百米的地层。使BHGM成为石油工业内很有吸引力的测井工具的一个方面是它能在离钻孔大距离的范围内探测天然气、石油和水之间的接触的能力。它也可以在多套管柱和地层损害的情况下完成这些，其中多套管柱和地层损害降低了很有竞争力的用来追踪流体饱和度的脉冲中子工具的效率，在低矿化水的条件下，也是如此。

B.地下重力物理学

重力勘探运用牛顿万有引力定律，

$\mathrm{Force}=G\frac{m_1{m}_2}{r^2}----\left(1\right)$

这条定律表明，在任何两个大物体之间，存在和它们的质量成正比、和它们之间距离的平方成反比的力。因此，引力的大小随着质量的增加而增加，却随它们间距离的增大而迅速减小。比例常数G是万有引力常数。重力传感器(或重力仪)使用非常灵敏的质量平衡装置来测量作用在试验负载(通常叫检测质量)上的重力。

利用牛顿第二运动定律，作用在试验负载m₂上的力可以表示为：

            Force＝m₂g                                (2)

式中g是由于重力导致试验负载受到的重力或重力加速度，方程(1)和(2)可以合并为：

$g=\frac{\mathrm{Force}}{m_2}=G\frac{m_1}{r^2}----\left(3\right)$

这样重力可以表示为每单位面积受到多少单位的力或加速度。在地球物理学中，在伽利略之后，将厘米/秒命名为“gal”。陆地、航空以及海洋重力调查通常用milli-gal或mgal的单位来记录，钻孔重力勘察通常用micro-gal或μgal给出结果。

尽管重力是张量，但大多数勘探重力仪只对重力在当地铅垂线方向的垂直分量g_z敏感。所以重力仪的试验负载受到的加速度为

其中如图1所示。

通常，重力勘探包括岩石的空间分布，它们的密度和体积部分已知或者可被推断。因为质量＝密度×体积，我们可重新将方程(4)写为

式中ρ是密度，V是体积。因实用的目的，我们将方程(5)对整个体积积分

方程(6)计算在任意点处由任意质量造成的重力垂直分量，其中质量由密度和体积确定。这样可以利用方程(6)构建密度模型以模拟提出的地质模型和它们的重力场，从而模型可以和实际测量的重力值对比。很多商业软件包都可以完成这些。它们中的很多是基于Talwani(1965)提出的算法。

若假设地球为无转动并且密度呈放射状对称分布的理想球体，半径为R，质量为M，那么，由方程(3)，地球表面的重力为：

$g=G\frac{M}{R^2}----\left(7\right)$

地球表面重力的自由空气梯度为：

$\frac{\∂g}{{\∂r}_{r=R}}=-\frac{8}{3}\mathrm{\πG}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_R----\left(8\right)$

式中ρ_R是地球的体积平均密度。在离地球中心半径r的地球内部任意一点处，半径为r的球体的质量由下式给出：

$m_r=4\mathrm{\π}{\∫}_0^r\mathrm{\ρ}\left(r\right)r^2\mathrm{dr}$

式中ρ_r是内部密度，是r的函数。用方程(7)中的M代替方程(9)中的m_r，导出该点处的重力(Benfield，1937)：

$g=\frac{4\mathrm{\πG}}{r^2}{\∫}_0^r\mathrm{\ρ}\left(r\right)r^2\mathrm{dr}----\left(10\right)$

由于r和R之间的球壳的净引力为0(Ramsey，1940)。该点处的重力垂直梯度为：

$\frac{\∂g}{\∂r}=\frac{4\mathrm{\πG}}{r^2}\frac{\∂}{\∂r}{\∫}_0^r\mathrm{\ρ}\left(r\right)r^2\mathrm{dr}+{\∫}_0^r\left(r^2\right)\mathrm{dr}\frac{\∂}{\∂r}\frac{4\mathrm{\πG}}{r^2}----\left(11\right)$

缩写为：

$\frac{\∂g}{\∂r}=4\mathrm{\πG}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}-\frac{8}{3}\mathrm{\πG}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_r----\left(12\right)$

式中 ρ是半径为r的无穷薄球壳的密度，

是半径为r的球体内部的平均密度。更详细的讨论见Airy(1856)，Miller和Innes(1953)，Gutenberg(1959)，Hammer(1963)，和Beyer(1971)等。从方程(8)，我们可知方程(12)的第二项是无转动球体地球的重力自由空气垂直梯度。

为了精确预测地球上任意点处的地球引力场，我们必须以最可能的精度知道并校正形状和密度分布。由于旋转，地球不是真正的球体，所以在赤道膨胀、在极地被压扁。它的形状可被近似地描述为离心率为1/297的扁球。通过用正常的自由空气梯度代替方程(12)中的第二项，可以考虑地球的旋转和大致椭圆体形状，所述正常的自由空气梯度可在作为纬度φ的函数的平均海平面处，利用基于最佳适配的重力基准模型的球体模型确定。这个标准的基准模型是由国际测地和地球物理联合会(International Union of Geodesyand Geophysics)建立的。公认的模型在1967年被更新，其为：

      g₁₉₆₇＝[9.7803090+0.058552sin²φ-5.70×10^-5sin²2φ]ms^-2    (13)

或者以fts^-2的单位给出：

      g₁₉₆₇＝[32.0875312+0.192099sin²φ-1.87×10^-4sin²2φ]fts^-2  (14)

这个标准的基准模型认为重力在平均海平面处由赤道的978，030.90mgal变化到极地的983，884.10gal，总的范围为5，853.20mgal。注意，极地处的重力比赤道处的重力大，因为赤道距离地球重心比极地更远。正常的自由空气垂直梯度为：

$F=\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂h}=0.094112-0.000134\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\φ}-0.134\×{10}^{-7}h----\left(15\right)$

式中h是以英尺为单位的海拔。正常的重力自由空气梯度由赤道到极地以少于0.2％的幅度变化，并且随海拔每1,000英尺变化大约0.01％或者每千米变化0.05％(见Hammer，1970)。对在钻孔中进行的重力勘察，这些变化很小，可以近似的表示为：

$F=\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂h}=0.09406\mathrm{mGal}/\mathrm{ft}----\left(16\right)$

当这项代入到方程(12)的第二项时，在地球具有呈放射状对称的密度分布的情况下，我们得到侧向相邻岩石的垂向密度ρ

$\frac{\∂g}{\∂r}=4\mathrm{\πG}\stackrel{-}{\mathrm{\ρ}}-F=4\mathrm{\πG}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}-0.09406----\left(17\right)$

或者从海拔h变化到深度z，我们有

          Δg＝FΔz-4πG ρΔz                    (18)

或者

          Δg＝0.09406Δz-4πG ρΔz              (19)

方程(18)是井下重力的基础方程。4πG ρ项适用于厚度为Δz的无限延展的水平地层。根据方程(18)，重力向下以一定的速率增加，所述速率由自由空气垂直梯度F和异号的梯度项4πG ρ之间的差值确定，其中自由空气垂向梯度F大致为常数，异号的梯度项4πG ρ随相邻岩石密度的改变而变化。正项是由于向下更接近地球中心而产生的重力增加造成的，负项是厚度为Δz的无限延展水平层吸引力的两倍。所以，地层密度的增加与间隔垂直梯度Δg/Δz的减少是相符的，反之亦然。因而，很少或不用分析超过基本重力和深度测量的简单减少，就常常可能精确确定等同于不同的Δz间隔的岩石密度非常小的变化，这是井下重力很强的方面。

C.当前钻孔重力测井技术

图2图示了常规的井下重力勘察。目前，井下重力测井利用BHGM实施，所述BHGM包括位于测井探头10上的单个重力传感器。BHGM测井探头在电缆14的末端降入井12下。因为除了重力(由于等效原理)，重力传感器的任何加速度都会被测量到，所以所有的测量都在静止位置进行。为了确定中间层的视密度，在16和18处进行测量。最初的测量在16处进行。在16处测得的重力是由于密度为ρ和厚度为Δz的中间厚层的质量引起，如方程(18)给出的那样，再加上由于整体的其余部分质量造成的重力，

         g₍₁₀₎＝2πGρΔz+g(整体)                    (20)

在18处进行第二次测量。类似地，在18处测得的重力是由于密度为ρ和厚度为Δz的中间厚层的质量引起，再加上由于整体的其余部分质量造成的重力，

           g₍₁₂₎＝-2πGρΔz+g(整体)                    (21)

这两次测量之间的差值为：

           Δg＝g₍₁₂₎-g₍₁₀₎                             (22)

           Δg＝-4πGρΔz                              (23)

其中给出：

$\mathrm{\ρ}=\frac{-1}{4\mathrm{\πG}}\frac{\mathrm{\Δg}}{\mathrm{\Δz}}----\left(24\right)$

所以，被井贯穿的岩层密度能通过在该层任一侧测量的重力和在该些重力测量点之间的距离直接地确定。

当应用于真实地球时，方程(18)和(24)不是严格正确的。地球表面与椭球体间的偏差和地下侧向密度的变化影响地下重力的变化。由地形或与井有关的质量扰动引起的不必要或外在的加速度通常极小并可忽略不计，或者可用充足的精度校正。为地形所作的校正能在大多常规地球物理学教科书(例如Dobrin，1976；Telford et al.，1976)中找到，这里不做讨论。

目前商业化的井下重力仪工具只能在偏离垂向小于14度的范围内测量。一些井下重力仪样机已发展到可以在偏离垂向多达115度的范围内进行测量。图3示出了这样的井下重力仪20。原则上，重力传感器22是能使重力测量充份满足其应用并能被放在足够小的壳体中以使它适用于井下测井环境的任何设计——见例如Ander et al.，1999b。实际上，这样的传感器主要包括金属或融熔石英相关的弹簧传感器元件。重力传感器22的壳体安装在绕其水平轴24和垂直轴26转向的万向架上。重力传感器22通过触发马达30A和30B定向到垂直方向，所述触发马达30A和30B通过一系列齿轮28A、28B、28C和28D和传感器轴24、26相连。由商业化的高精度水平控制的马达通常位于重力传感器壳体中。

一旦井下重力仪器能在重要的偏向上进行测量，则井斜校正就变得很重要了。井斜校正通常是直向前的。校正是

            Δz_真实＝Δz_测量cosθ                        (26)

它将测量深度转换成真实的垂直深度，式中θ是与垂向的偏差。Rivero(1971)和Fitchard(1981)已提出更加完善的可用于包括狗腿井的井斜情况的校正方法。如果不对偏斜进行校正，那么间隔重力梯度可能是错误低的，计算的间隔密度可能是错误高的，而且间隔孔隙度可能是错误低的。

如果一口井严重偏斜，那么理论的总重力的依赖纬度的水平梯度和总重力的任何异常水平梯度将会影响井下测量的重力变化。理论的依赖纬度的梯度不超过0.2μgal/ft，而且只适用于偏向的南北分量。给出的真实值为0.8122sin2φmgal/km，式中φ是纬度(Nettleton，1976，p.80-81)。总重力中的异常水平梯度有时候是大于1.9到3.8μgal/ft。理论上的依赖纬度的水平重力梯度值和从表面重力图估计的异常水平梯度一起连同来自井方向勘察查的钻孔方位和钻孔角数据可被分析以确定水平重力梯度校正是否是必需的。使用目前的井下重力仪技术，在多数的情况下，这些效应的校正是不需要的或者是非常小的。

一旦井下重力测量能在水平或近水平井中进行，则不能再使用方程(24)了，因为Δz→0而且在连续的重力测量之间不再有重要的垂直梯度。在水平井测井的实例中，重力测井勘察可按水平陆地重力剖面对待。

D.缺点

尽管上文概述了该技术，但重力测量和重力测量在诸如测井和钻井等应用方面的使用中仍然存在重要缺点。也就是，传统的技术没有能力：(1)使用重力传感器阵列执行重力测井；(2)创建密度假剖面；(3)在钻进时进行重力测量；和(4)利用重力测量控制钻头或其他设备。然而，本公开的技术致力于解决这些缺点，如下文的详细讨论。

发明内容

在本公开中描述的技术可用在很广的应用中，包括钻井和测井应用。

更特别地，在这里讨论的技术允许人们在钻井阶段或者钻后进行重力测量。重力测量可以在测井期间进行。重力测量可以使用一个或多个与钻柱或测杆连接的重力传感器进行。在钻井期间进行的传感器测量的一般过程有时是指随钻测井(LWD)或者随钻测量(MWD)，本公开的实施例指的是随钻重力测量(GMWD)。

本公开的实施例也涉及用来控制钻头的GMWD的使用和地下同重力等值线图的使用。其他实施例涉及使用连接在形成阵列的测杆或其他形式的多个重力传感器来进行多个重力测量。在不同的实施例中，这种重力阵列测量可同时进行以在较短的期间提供大量的有用数据。

一方面，本发明涉及一种设备，其包括隔开已知距离的多个重力传感器以形成重力传感器阵列，所述阵列和地下测井设备相连。所述测井设备包括测井探头、线圈盘管或电缆。与一个重力传感器有关的传感器漂移和其他重力传感器的传感器漂移是时间相关的。所有重力传感器的传感器漂移彼此间是时间相关的。一个或多个所述重力传感器的传感器漂移可利用传感器硬件或软件校正。不同的重力传感器可彼此隔开不同的距离。所述阵列可以是线性的、垂直的阵列。

另一方面，本发明涉及一种使用多个重力传感器的测井方法。重力传感器隔开已知距离以形成重力传感器阵列。所述重力传感器阵列被放入地下，并且所述重力传感器阵列被用于进行地下重力测量。所述重力传感器可同时进行重力测量。

另一方面，本发明涉及一种计算视密度的方法。作为位置和重力点间隔的函数绘制所述视密度以形成密度假剖面。所述密度假剖面表明所述视密度如何随位置和深度而改变。所述方法也包括形成和所述视密度有关的等值线。

另一方面，本发明涉及一种设备，其包括连接到钻井装置的重力传感器，所述传感器用于在所述钻井装置开始钻凿孔之后在所述孔完成之前，在所述钻井装置临时停止期间进行地下重力测量。所述重力传感器可与工具包相连。所述工具包可连接到和钻头相连的钻管上。所述传感器可在钻管被加到钻柱时进行地下重力测量。所述重力传感器可与一个或多个其他重力传感器隔开已知距离以形成重力传感器阵列。所述重力传感器可以是金属零长度弹簧重力传感器。所述重力传感器可以包括用来抵抗由钻进造成的震动的夹紧机构。

另一方面，本发明涉及一种将重力传感器连接到钻井装置的方法。使用所述钻井装置钻孔。钻进被临时停止。在钻进临时停止时进行重力测量，然后继续钻孔。所述方法还包括使用所述重力测量数据控制所述钻井装置。所述方法还包括使用所述重力测量数据控制所述钻井装置出入盐构造。所述方法还包括使用所述重力测量数据控制所述钻井装置进入多孔结构。所述方法还包括使用所述重力测量数据控制所述钻井装置进入由上倾或下倾的断块形成的封闭区。所述方法还包括使用所述重力测量数据控制所述钻井装置进入或包围人造结构。所述方法还包括使用所述重力测量数据验证所述钻井装置的进程。所述孔可以是井。所述方法还包括使用所述重力测量数据定位孔隙度。所述方法还包括使用所述重力测量数据绘制盐界面剖面。所述方法还包括使用所述重力测量数据对碳酸盐单元进行测井。所述方法还包括使用所述重力测量数据探测断裂。所述方法还包括使用所述重力测量数据确定礁临近带。所述方法还包括使用所述重力测量数据探测流体接触面。所述方法还包括使用所述重力测量数据绘制侧向相变。所述方法还包括使用所述重力测量数据确定钻孔位置。所述钻孔位置可以是和接触面有关的优化钻孔位置。

另一方面，本发明涉及一种使用随钻重力测量控制钻头的方法。所述方法还包括将所述重力测量数据和模型化的重力比较。所述模型化的重力包括地下重力图。

另一方面，本发明涉及一种控制钻头的方法。提供地面的地质模型。基于所述地质模型进行重力计算。基于重力计算创建地面的地下重力图，并且使用所述地下重力图控制钻头。使用所述地下重力图控制钻头可以包括：(a)在钻井临时停止期间进行重力测量；(b)使用所述重力测量数据和地下重力图定义钻井进程；并且(c)将所述钻井进程发送到钻井引导系统。所述方法还包括使用地质模型定义所述钻井进程。

通过参考以下描述，其他的优点和特征对本领域普通技术人员来说是显而易见的。

附图说明

下列附图形成了本说明书的一部分并且被包括在此以进一步示范本公开的某些方面。通过参考一个或更多的附图并结合此处对特定实施例的详细描述可以更好的理解本发明。附图中相同的附图标记指代相似的或相同的结构。这些附图没有标尺仅被包括在此作为示例。

图1示出点质量的万有引力；

图2示出常规的井下重力测井；

图3示出根据本公开实施例的用于重力测量的重力传感器；

图4示出根据本公开的实施例在测井探头中使用多个重力传感器阵列的重力测并；

图5示出根据本公开实施例的密度假剖面方法的实例；

图6示出根据本公开实施例的密度假剖面的实例；

图7示出根据本公开实施例的随钻重力测量。

具体实施方式

读者注意：在本文中描述的技术只是例子。这些描述针对特定实施例。然而，那些实施例不应该被理解为限制本发明的范围。本发明由给出的权利要求合法定义。例如，权利要求可能不包括结合实施例描述的所有特征；在这种情况下，权利要求比实施例范围更广。同样地，权利要求可能包括来自不同实施例的不同组合。本领域的普通技术人员应该认识到，在不违背本公开的实质和范围以及权利要求的实质、范围和合法覆盖范围的情况下能够对此处列举的实施例进行改变。

本公开的不同实施例包括如下概念：(1)使用重力传感器阵列的重力测井；(2)密度假剖面；(3)使用单个或多个重力传感器的随钻重力测量(GMWD)；和(4)使用GMWD的地质向导。

1.使用多个重力传感器的重力测井

井下重力测并勘察的质量取决于将Δg和Δz测量中的误差减小到足够小，以确保计算的间隔密度具有所需的精度。

根据Caton(1981)， ρ的Δg_误差结果由下式给出：

而 ρ的Δz_误差结果由下式给出：

井下重力测量中视密度P_ρ的可能误差为：

$p_{\mathrm{\ρ}}=\frac{0.9539\sqrt{h^2\mathrm{\δ}{g}^2+{\mathrm{\Δg}}^2{\mathrm{\δh}}^2}}{4\mathrm{\πG}{h}^2}----\left(28\right)$

式中δg是重力测量中的不确定性，δh是高度测量中的不确定性。

注意，当Δz减少时，地层密度的不确定性增加。典型的井下重力操作获得精度在1到5μgal之间的数据。对于1μgal的测量不确定性，对大约七英尺以上的Δz，地层密度的近似误差小于0.01g/cm³。目前，重力数据很少在Δz少于10英尺的情况下收集。密度不确定性的重要来源是相对深度不精确。典型的电缆操作获得的井下位置的精度在0.1到0.2英尺之间。在Δz大约为16英尺时，地层密度的不精确性接近0.02g/cm³。在较大的井下位置间隔，密度误差可小于0.01g/cm³。

根据图4的实施例，多个重力传感器20的阵列被间隔放置在诸如测井探头10、线圈管盘、电缆、自控车辆等测井运输工具之内或之上。通过精确知道沿测井运输工具的多个重力传感器20之间的间隔，与Δg_误差相比，Δz_误差可被忽略。结果是，对于十分小的Δz，也可以保持较低的 ρ_误差。

Δg_误差有几个分量。见Ander et al.，1999a，对Δg_误差的不同分量和它们的比较量级的研究。多个传感器的引入使它有利于传感器漂移，因为为了不增加Δg_误差，每个重力传感器和其他所有的重力传感器是时间相关的。现在，通过漂移校正或由于硬件和/或软件的改进而减少的传感器漂移，由漂移造成的Δg_误差分量被减少了。如何执行重力传感器漂移校正的细节见教科书如Dobrin(1976)或Telford et al.(1976)。

因为与Δg_误差相比，Δz_误差可被忽略，所以这允许人们接近地放置重力传感器并仍然维持可接受水平的 ρ_误差。两个重力传感器间最近的间距只受传感器设计的限制。

测井装置中多个重力传感器阵列的实例可以包括100个重力传感器，每个相距30cm，形成沿钻孔向下的30米长的重力传感器阵列。利用这种系统，人们可以在给定的Δz值从30cm到30米的范围内以30cm增量检查视密度。对于这种阵列，不同的视密度总数是4,950。

在其他实施例中，可以在阵列中使用不同数目的重力传感器。例如，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39，40，41，42，43，44，45，46，47，48，49，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，60，61，62，63，64，65，66，67，68，69，70，71，72，73，74，75，76，77，78，79，80，81，82，83，84，85，86，87，88，89，90，91，92，93，94，95，96，97，98，99，101，102，103，104，105，等，均能被使用。

尽管个别传感器间的间距可能是常数，但这不是必须的。阵列中的每个传感器可根据区域或以用户想要的任何样式同时、单独地进行重力测量。例如，在一个实施例中，阵列中的每个传感器可以在给定时刻或给定的时间范围内进行测量。在不同的实施例中，定义第一区的一组传感器可以紧随不同区中的一组传感器之后测量。基于本公开的优点，本领域普通技术人员应该认识到，传感器测量可以根据需要和预期分配。

在图4中尽管被显示为线性的、垂直的阵列，但重力传感器阵列可根据需要采取不同的形式。比如，阵列可以形成曲线，或阵列中的传感器可以彼此偏移。

根据本公开的优点，本领域普通技术人员应该认识到，可以各种方式收集、分析和使用来自重力传感器阵列的数据。例如，可在中央位置收集和分析来自阵列的数据，并通过使用诸如因特网的计算机网络本地或远程地传送数据。

2.密度假剖面

若x是重力数据点沿钻孔向下的重力点的总数目，则视密度ρ_i，j值由下式给出：

${\mathrm{\ρ}}_{i,j}=\frac{1}{-4\mathrm{\πG}}\frac{{\mathrm{\Δg}}_{i,j}}{{\mathrm{\Δz}}_{i,j}}i,j=\mathrm{1,2},...x----\left(29\right)$

重力点的每个(i，j)组合具有Δz_i，j间隔。重力点数目为x时，有

$\frac{x(x-1)}{2}----\left(30\right)$

个ρ_i，j总数。

在图5中示出的具有7个重力点的阵列的密度假剖面，可显示与每个Δg_i，j/Δz_i，j有关的视密度ρ_i，j值。密度假剖面可以和应用于电地球物理学的电假剖面比较。(Marshall and Madden，1959)。

密度假剖面是作为位置和重力点间隔的函数的视密度的绘制。密度假剖面揭示了视密度如何随沿井向下的位置和远离井的水平距离而改变。视密度可通过地球物理反演转换到模型中(见例如，Blakely，1996)。可以在第i和第j个重力点间的中点处，在井的右边(或左边)的水平点处绘制ρ_i，j。可以在重力点的每个(i，j)对之间的中点处开始以角度α从井中重力点的基线划出两条线，在这两条线交点处的水平线上绘制重力点的每个(i，j)对的视密度ρ_i，j值。

为了方便，在图5和图6中，α＝45°。通过这种方式，每个视密度值ρ_i，j出现在两个重力点之间的中点处，与右侧(或左)的水平距离随重力点分布的n值增加。因此图5中，从重力点#1和重力点#5获得的视密度ρ_1，5成45°绘制在1和5的右侧。其他对重力点的视密度以类似的方式绘制。视密度点的每列可以按顺序编号，例如n＝1，2，3，4，5，6……。n值越大，视密度数据点深入地层的深度就越大。注意，

            x＝n-1                                (31)

最后，可以在ρ_i，j值处绘制等值线。图6示出了密度假剖面等值线的实例。所示结果的形式为水平截面上的二维图。注意，密度假剖面代表穿过在井内居中的旋转体的切片。

3.随钻重力测量

图7示出了随钻重力测量(GMWD)。通常，GMWD包括一个或多个连接在用于在表面形成孔或开口的装置上的重力传感器。通常，重力传感器(们)在钻凿开始后但在钻凿完成之前进行地下重力测量，测量通常在钻凿临时停止时进行。

在优选实施例中，并根据图7，GMWD包括一个或多个重力传感器(们)20，所述重力传感器可操作地位于一个或多个工具包32上，而工具包可操作地位于和钻头36相连的钻管34上。在优选的实施例中，传感器20位于工具包32内或在其之上或接近其。优选地，工具包32位于钻管34内或在其之上或接近其。优选地，钻管34在钻头上方。

根据需要，工具包还可能包括位于各种重力传感器上方和/或下方的其他装置，诸如仪表、其他传感器、电子、热冷却装置、通信技术等。图7所示的工具包只是为了说明的目的，并且显示了由包括其他装置38的间隔分离的四个重力传感器20。包括重力传感器阵列的钻管的多个区段可连在一起，以产生比钻管单个长度要长得多的连续重力传感器阵列。

真正钻凿穿过岩石42的钻孔40时，传统技术并不提取重力数据。一个原因是任何传感器的加速度会混入真正的重力测量中，因此会给出错误读数(加速度和重力的平衡原理)。第二个原因是和钻进有关的振动会压制重力传感器并且损害或破坏它。

根据本公开的实施例，重力测量能够在钻孔被形成时进行，但是在真实的钻凿被暂停的时刻进行。例如，在另外的钻管节被加入钻柱的任何时候，钻凿可被停止。钻管一般长30英尺。当增加钻管时，钻凿操作要暂停几分钟。在此时刻期间，当钻凿暂停时，一个或多个重力传感器(比如，如果使用多个传感器，就是重力阵列)可以测量重力数据。

重力数据可电子储存，然后在任何方便的时间传输到地表。即使来自于重力传感器大阵列的重力数据的数据储存需求也是很小的，而且能以低的波特率传输。数据传输方案是商业化的并且在本领域是公知的，如泥浆脉冲(钻井泥浆的声学振动)。

如果GMWD装置只有一个重力传感器，那么最小的Δz通常是30英尺，就是每个钻管节的典型长度。但若使用在每个钻管节中包括许多重力传感器的GMWD，那么利用任何想要长度的重力传感器阵列，可得到更短的Δz。如上所述，通过知道沿钻柱的多个重力传感器20之间的间隔，那么，和Δg_误差相比，Δz_误差可被忽略。结果，由于更小的Δz， ρ_误差保持较低。因为和△g_误差相比，Δz_误差可被忽略，因此这允许重力传感器可以放置得和希望的距离一样接近并且仍然保持可接受水平的 ρ_误差。两个重力传感器间最接近的间隔只受传感器设计所限，而且阵列可像希望的那么长。由这种GMWD重力传感器阵列收集到的视密度数据可被应用于密度假剖面。

如更前面提到的那样，存在一些Δg_误差分量。见Ander et al.，1999a关于Δg_误差各种分量和它们的可比量级的研究。在优选实施例中，为了不增加Δg_误差，多个重力传感器中的每个的传感器漂移和其他重力传感器是时间相关的。现今，通过漂移校正或通过硬件和/或软件改良来减小传感器漂移，由漂移造成的Δg_误差的分量被减小了。见教科书，如Dobrin(1976)或Telford etal.(1976)，关于如何执行重力传感器漂移校正的详细论述。

优选地，执行GMWD的重力传感器要高精度、足够牢固以抵抗钻井环境，并具小的漂移率(虽然已有软件解决方案可校正更大的漂移率)。为抵抗由于钻凿造成的振动，GMWD重力传感器优选地具有牢固的传感器夹紧机构。商业化的重力传感器具有必需属性，如，金属零长度弹簧重力传感器是可接受的。本领域普通技术人员应该认识到，其他的传感器和相关的设备也可用于诸如这里讨论的那些GMWD应用。

GMWD的应用很广泛，并包括在钻井环境中获得井下重力测量数据和/或使用重力测量数据来辅助设备的地质向导，例如辅助钻头进入地质的、构造的或人造的目标区。以下是GMWD应用实例的非限制性列表：

1.随钻定位远离钻井的未知孔隙度。

2.随钻绘制盐界面剖面。

3.随钻碳酸盐单元测井。

4.随钻砂岩单元测井。

5.随钻探测断裂。

6.在钻凿礁相目标时，随钻确定礁临近带。

7.随钻预测盐。

8.随钻探测临区流体接触面的存在和几何形态。

9.地质向导：

a.出入盐构造。

b.描绘侧向相变。

c.根据流体、地质、或人为接触面(如盖层、油-水接触面、气-水接触面、气-油接触面)等最优化钻孔位置。

d.进入多孔构造，如多孔碳酸盐构造、断裂带、砂单元等。

e.进入由上倾或下倾断块形成的封闭区。

f.进入或包围人造结构，如隧道、地下设施、地下结构等。

根据本公开的优点，其他的应用对本领域普通技术人员是显而易见的。

在上述应用的每一种中，GMWD设备的操作可能是相似的。操作钻井设备以开始形成开口。利用和钻井设备相连的一个或多个重力传感器执行重力测量。在优选实施例中，真正的测量在钻头暂停的时候进行，但仍然在形成孔的整个过程期间。重力测量可使用一个或多个重力传感器阵列执行。在优选实施例中，使用重力传感器阵列，每个重力传感器彼此间存在一个或多个已知的预定距离。随后，重力测量，钻井继续，其他回合的重力测量根据需要或预期执行。来自GMWD的数据可根据需要储存或传送。在优选的实施例中，数据被传送到地表分析或使用，比如形成密度假剖面。在不同的实施例中，随钻获得的数据可通过诸如因特网的计算机网络传送给一个或多个远程用户。因此，数据可被分析、观察，或者工地以外的远程使用。同样的，可以进行GMWD操作的工地以外的监测。

4.利用GMWD的地质向导

在一个实施中，钻头利用随钻所做的重力测量控制。重力测量可与模型化的重力对比，例如在井下重力图中被模型化的重力。

在一个实施例中，GMWD工具可进行重力测量并经由，例如，钻井泥浆的声波振动，将测量数据传送到地表。这些数据可与钻孔位置信息结合，然后被输入到用来分析这些数据的计算机软件系统，此处称之为情景比较系统(CSS)。

在一个实施例中，CSS是被配置成使用例如已知算法和/或数学技术来分析重力数据的简单计算机系统。然而，在优选的实施例中，CSS是人工智能计算机系统，这套系统可合并使用重力势能反演理论、特别是重力理想体分析、模型正演、和/或数值分析技术(见，如Ander and Huestis，1987；Huestisand Ander，1983；Blakely，1996；Parker，1975)，通过和一套转化为二维或三维重力场的地下同重力等值线图的地质情景对比，以快速评价GMWD重力数据。通过这个对比，CSS可以计算钻井进程修正量，该修正量可通过钻进井下引导系统自动执行。

在一个实施例中，地质情景和地下同重力等值线可由诸如负责前景规划、储层分析软件包、或交叉目标等的地质学家、地球物理学家、工程师、技师等组成专家组创建。专家组所能放入模型中的已知的和猜想的地质信息和/或目标信息越多，地下同重力等值线的精确度就越高，用来引导钻井工作量的GMWD数据值就越多。

基于地质学/地球物理学的输入，该系统可计算三维重力的地下同重力等值线和在整个钻井操作进程中钻井单元应当停留的相关误差范围。该系统可被设计成通过传送数据和分析返回专家组的方式以给专家组实时反馈。

只要GMWD数据停留在由基于地质情景的地下同重力等值线预测的误差范围内，系统就自动继续。但若情景被证明为基本不正确，系统就会通知专家组并寻求情景校正。基于接近钻头处获得的实际数据和模型化情景的地下同重力等值线的对比分析，系统允许专家组介入并对钻井操作进行可远程访问的实时进程校正。

在一个实施例中，通过后处理程序，人工智能CSS可以从各个后续的钻进操作中学习，因此允许系统开发将在各个后续钻进操作中产生的未来情景中产生更高精确度的行为适应程序。CSS可基本上按和赛车驾驶者的发展类似的反复学习过程，即从他第一次落在驾驶员教育指导员车后的时候，到他赢得Indianapolis 500的时候。

在一个实施例中，基于和地质密度变化有关的实时重力采样以及基于和地质情景模型的地下同重力等值线的比较而自动进行的进程校正，可控制钻头。可以预期，GMWD这种类型的使用可在定向钻井控制中产生范例漂移。

在其他的一般实施例中，基于随钻所做的任何重力测量控制钻头。当然，使用重力测量来控制设备不限于钻头，也可包括井中的其他设备。例如，实时或近实时的重力测量可被用来指导需要某些类型的控制、进程校正或进程核实的任何地下设备。

                 *          *          *

包括的下列实例用于示范本公开的特定实施例。它应该被本领域普通技术人员理解为在以下实例中公开的技术代表被发明者发现并在本发明的实践中功能良好的技术，因此可被认为构成了其实践的特定模式。然而，根据本公开，本领域普通技术人员应该理解可以对特定实施例进行改变并仍然得到不脱离本发明实质和范围的同样的或相似的结果。

实例

如下实例强调并重申上面详细描述的部分，提供人们可用来实现本公开技术的(非限制性的)过程。

一旦井的位置和地下目标路径被确定，本公开的示范性实施例可包括一个或多个如下步骤。

1.基于由地质学、地球物理学、工程学、和/或井数据提出的地质模型，产生最佳估算的地下三维密度模型。这样的预测密度模型可以以概率范围的形式给出可能地下几何形态和密度的最佳估算和范围。

2.创建涵盖包括建议井身路径的地下研究区的三维网格。在三维网格各处，计算由上一步获得的预测的密度模型造成的重力的预测垂直分量。这个重力模型可包括与上一步获得的误差范围相对应的误差范围。在上一步形成的预测重力模型可以输入到被称为情景比较系统(CSS)的数据处理和模拟的计算机软件中。

3.随钻重力测量(GMWD)工具可被加入到和钻头有操作关系(如，在钻头之上或通常和钻头相连或离钻头很近)的钻井单元中。然后，钻井被钻凿。在钻井工作量停止期间的每一次或选定的次数(如，当停下来加入另外长度的钻管时)，GMWD单元可测量重力的垂直分量和钻井的倾角。钻井工作量也可在需要或想要额外的重力读数的任何时候临时停止。GMWD单元包括一个或多个设计用来在钻井环境中操作的重力传感器。因为重力定义了地球内的垂直方向，所以重力仪应当高精度水平放置。由重力仪定义的垂直方向和钻管的轴线之间的角度就是测量点的倾角。

4.重力数据和倾角数据可以从井内传送(如通过钻井泥浆的声波振动)到可能位于钻井地表处的CSS。另外，井内钻柱的总长度也可输入到CSS中。作为深度和总管长函数的倾角可用来确定每次GMWD测量的位置，因此也可根据深度确定钻孔的位置。CSS是人工智能计算机软件系统，该系统合并使用了重力势正演模拟、可能的反演方法，以及在本领域公知的数值分析技术，并通过和步骤2得到的预测三维重力场的比较，快速评价GMWD数据。

5.CSS将做出决策。通过预测的重力误差范围，利用预定的公差设置，它能确定钻头是否在运转或需要进程校正。它也可确定预测的模型是否足够不正确以需要人为干涉。

6.如果钻头的位置在预定的公差内，那么CSS则计算钻井进程的修正量，该修正量通过钻井井下引导系统自动执行。只要GMWD数据停留在重力误差范围内，系统就会自动继续。CSS输入数据，输出观察相关性的预测结果，并且输出的进程修正量也可以经由例如因特网实时或近实时的传输到需要监测钻井过程的任何人处，例如传输到可能位于办公室或其他什么地方的勘探队或决策者(专家组)处。注意，在预测模型中放入的已知的和猜测的地质和/或目标信息越多，引导钻井工作量GMWD数据就越多。

7.基于传送回专家组的数据，可在任何时候做出人为决定以干预和发回钻井进程校正，经由例如因特网到达钻井现场的CSS。然后，CSS可以将修正传达到钻井井下引导系统以执行。

8.如果，在步骤5，CSS发现预测的重力情景被证明为基本不正确，则该系统将会通知专家组并寻求对预测重力模型的校正。基于接近钻头处获得的实际数据和带有误差范围的预测重力模型的对比分析，系统允许专家组介入并对钻井操作进行可远程访问的实时进程校正。CSS能够辅助获得和/或执行这样的进程校正。

CSS可以被设计成这样，即通过后处理程序，CSS将从每次连续钻井操作中学习，因此允许系统开发将在各个后续钻进操作中产生的未来情景中产生更高精确度的行为适应程序。

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66.Parker，R.L.，1994，地球物理反演原理：普林斯顿大学出版社(Geophysical Inverse Theory：Princeton University Press)，386p.

67.Ramsey，A.S.，1940，牛顿引力理论介绍，剑桥大学出版社(Anintroduction to the theory of Newtonian Attraction：Cambridge Univ.Press)，Cambridge，England，184p.

68.Rivero，R.T.，1971，运用曲率原理确定真实垂直储层厚度(Use ofthe curvature method to determine true vertical reservoir thickness)：石油技术杂志(Journal of Petroleum Technology)，April，p.491-496.

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70.Telford，W.M.，L.P.Geldart，R.E.Sheriff，and D.A.Keys，1976，应用地球物理学(Applied Geophysics)，剑桥大学出版社(CambridgeUniversity Press)，860pp.

Claims (41)

1.一种设备，包括

地下测井设备；以及

和所述地下测井设备连接的多个重力传感器，所述传感器隔开已知距离以形成重力传感器阵列。

2.如权利要求1所述的设备，所述测井设备包括测井探头、线圈盘管或电缆。

3.如权利要求1所述的设备，其中与一个重力传感器相关联的传感器漂移与其他重力传感器的传感器漂移是时间相关的。

4.如权利要求3所述的设备，其中所有所述重力传感器的传感器漂移彼此间是时间相关的。

5.如权利要求1所述的设备，还包括用来校正一个或多个所述重力传感器的传感器漂移的传感器硬件或软件。

6.如权利要求1所述的设备，其中不同的重力传感器彼此隔开不同的距离。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述阵列是线性的、垂直的阵列。

8.一种使用多个重力传感器的测井方法，包括：

将重力传感器隔开已知的距离以形成重力传感器阵列；

将所述重力传感器阵列放置到地下；并且

使用所述重力传感器阵列进行地下重力测量。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述重力传感器同时进行重力测量。

10.一种方法，包括

计算视密度；并且

作为位置和重力点间隔的函数绘制视密度以形成密度假剖面，所述密度假剖面表明所述视密度如何随沿井向下的位置和远离所述井水平距离而变化。

11.如权利要求10所述的方法，还包括形成和所述视密度相关联的等值线。

12.一种设备，包括和钻井装置相连的重力传感器，所述传感器用来在所述钻井装置开始钻孔之后在所述孔被完成之前，在所述钻井装置临时停止期间进行地下重力测量。

13.如权利要求12所述的设备，所述重力传感器和工具包相连。

14.如权利要求13所述的设备，所述工具包和钻管相连，所述钻管和钻头相连。

15.如权利要求12所述的设备，所述传感器用来在钻管加到钻柱时进行地下重力测量。

16.如权利要求12所述的设备，所述重力传感器与一个或多个其他重力传感器隔开已知距离以形成重力传感器阵列。

17.如权利要求12所述的设备，所述重力传感器包括金属零长度弹簧重力传感器。

18.如权利要求12所述的设备，所述重力传感器包括用来抵抗由于钻进造成的振动的夹紧机构。

19.一种方法，包括：

将重力传感器连接到钻井装置；

使用所述钻井装置钻孔；

临时停止钻井；

在钻井临时停止时使用所述重力传感器进行重力测量；以及

恢复钻孔。

20.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量控制所述钻井装置。

21.如权利要求20所述的方法，还包括使用所述重力测量控制所述钻井装置进出盐构造。

22如权利要求20所述的方法，还包括使用所述重力测量控制所述钻井装置进入多孔构造。

23.如权利要求20所述的方法，还包括使用所述重力测量控制所述钻井装置进入由上倾或下倾的断块形成的封闭区。

24.如权利要求20所述的方法，还包括使用所述重力测量控制所述钻井装置进入或包围人工结构。

25如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量验证所述钻井装置的进程。

26.如权利要求19所述的方法，所述孔包括井。

27.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量定位孔隙度。

28.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量绘制盐界面剖面。

29.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量对碳酸盐单元测井。

30.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量探测断裂。

31.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量确定礁临近带。

32.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量探测流体接触面。

33.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量绘制侧向相变。

34.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述重力测量确定钻孔位置。

35.如权利要求34所述的方法，所述钻孔位置包括和流体、地质、或人工接触面有关的优化钻孔位置。

36.一种方法，包括使用随钻重力测量控制钻头。

37.如权利要求36所述的方法，还包括将所述重力测量和模型化的重力对比。

38.如权利要求37所述的方法，所述模型化的重力包括地下重力图。

39.一种控制钻头的方法，包括：

提供大地的地质模型；

基于所述地质模型执行重力计算；

基于所述重力计算创建大地的地下重力图；以及

使用所述地下重力图控制钻头。

40.如权利要求39所述的方法，其中使用所述地下重力图控制钻头包括：

在钻井临时停止期间进行重力测量；

使用所述重力测量和地下重力图定义钻井进程；以及

将所述钻井进程发送到钻井引导系统。

41.如权利要求40所述的方法，还包括使用地质模型定义钻井进程。

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