NO20180182A1 - Robuste inversjonssystemer og fremgangsmåter for asimutisk sensitiv resistivitetsloggeverktøy - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåter og systemer for å bestemme den horisontale resistiviteten, vertikal resistivitet og relativ inklinasjonsvinkel for anisotropiske bakkeformasjoner er beskrevet. Noen av de fremlagte fremgangsmåter og systemer måler sinusaktig variasjon av asimutisk sensitivitetsresistivitetsloggeverktøymålinger, bestemmer parametere som representerer de sinusaktige variasjonene og utføre inversjon basert på de sinusaktige parameterne. Når utført på denne måten vil inversjonsprosessen kunne gi mer nøyaktige og konsistente resistivitets- og inklinasjonsvinkelestimater. De sinusaktige parameterne har foretrukket formen av gjennomsnitt og topp-til-topp målinger, men kan også ha andre former. Videre vil bruk av slike sinusaktige parametere muliggjøre en pakket representasjon av resistivitetsloggeverktøymålinger, som muliggjør signifikant mer effektiv kommunikasjon og lagring av disse målingene. De pakkede representasjonene fortsetter å muliggjøre retningsgrensedeteksjon og geostyring.

Description

I området for petroleum brønnboring og logging er resistivitetsloggeverktøy ofte brukt for å gi en indikasjon om den elektriske resistiviteten i fjellformasjoner omkring et bakkeborehull. Slik informasjon med hensyn til resistivitet er hensiktsmessig i å bedømme tilstedeværelsen eller fraværet av hydrokarboner. Et typisk resistivitetsloggeverktøy inkluderer en senderantenne og et par av mottakerantenner plassert i forskjellig avstand fra senderantennen langs aksen til verktøyet. Senderantennen blir brukt til å opprette elektromagnetiske felt i den omkringliggende formasjonen. På sin side vil det elektromagnetiske feltet i formasjonen indusere en elektrisk spenning i hver mottakerantenne. På grunn av geometrisk spredning og absorpsjon av den omkringliggende bakkeformasjonen vil de indusert spenningene i de to mottakerantennene har forskjellige faser og amplitude. Eksperimenter har vist at faseforskjellen ( Φ) og amplitudeforholdet (dempningen A) til den induserte spenningen i mottakerantennene indikerer resistiviteten til formasjonen. Formasjonsområdet (som definert av en radiell avstand fra verktøyaksen) til hvilken en slik resistivitetsmåling fører til er en funksjon av frekvensen og avstanden fra senderen til midtpunktet mellom de to mottakerne.

Dermed kan man oppnå flere radielle dybder med undersøkelse av resistivitet enten ved å anordne flere sendere i forskjellig avstand fra mottakerparet eller ved å operere en enkelt sender på flere frekvenser.

Dersom en formasjon er elektrisk isotropisk vil resistivitetene målt i de forskjellige dybdene av undersøkelsen ved et slikt resistivitetsloggevektøy være den samme.

Imidlertid, dersom resistiviteten er samsvarende med de forskjellige dybdene i undersøkelsen er forskjellig vil slike forskjeller indikere at formasjonen som blir målt er elektrisk anisotropisk. I elektrisk anisotropiske formasjoner vil anisotropien generelt være tilstede på grunn av ekstremt fin lagdeling under sedimentoppbyggingen av formasjonen. Dermed, i et formasjonskoordinatsystem orientert slik at x-y planet er parallell med formasjonslagene og z-aksen er normal på formasjonslagene, vil resistiviteter Rxog Ryi retningen x og y respektivt være den samme, men resistiviteten Rzi zretningen er forskjellig fra Rxog Ry. Dermed vil resistiviteten i en retning parallell med planet i formasjonen (dvs. x-y planet) være kjent som den horisontale resistiviteten Rh, og resistiviteten i retningen normalt på planet i formasjonen (dvs. z-retningen) være kjent som den vertikale resistiviteten Rv. Indeksen for anisotropi, �, er definert som �=[Rv/Rh]<1/2>.

Den relative inklinasjonsvinkelen θ er vinkelen mellom verktøyaksen og normalen på planet til formasjonen. Dersom aksen til et resistivitetsloggeverktøy er normalt på planet til en anisotropisk formasjon (dvs. θ = 0<o>), vil både faseskiftet og amplitudeattenuasjonsmålingene reflektere bare den horisontale resistiviteten. Imidlertid, dersom aksen til verktøyet er hellende med hensyn til normalen til formasjonsplanet (dvs. for ikke-null relativ inklinasjonsvinkel), vil fjellanisotropien påvirke resistiviteten utledet fra faseskiftmålingene (”faseskiftresistivitet” eller RΦ) forskjellig fra det som påvirker resistiviteten utledet fra amplitudeattenuasjonsmålinger (”amplitudeattenuasjonsresistivitet” eller RA). For relativt små relative inklinasjonsvinkler (dvs. θ mindre enn omkring 45<o>), vil forskjellen mellom faseskift og amplitudeattenuasjonsresistiviteter være relativt liten. Imidlertid, denne forskjellen blir signifikant for relative inklinasjonsvinkler større enn omkring 50<o>, og forskjellen er stor for horisontale borehull (dvs. θ = 90<o>).

Dermed har anisotropi og inklinasjonsvinkler hver signifikante effekter på resistivitetsloggeverktøymålinger. Som et resultat bør resistivitetsloggesystemet ta hensyn til formasjonsanisotropi og relativ inklinasjonsvinkel dersom nøyaktige resistivitetslogginger skal bli oppnådd. I US patent 6.163.155 fremlegger Michael Bittar en slik fremgangsmåte som anvender resistivitetsloggeverktøy som har hellende sender- og/eller mottakerantenne. Fremgangsmåter i henhold til denne fremlagte fremgangsmåten er blitt utviklet og er presentert her.

Kort beskrivelse av tegningene

En bedre forståelse av de forskjellige fremlagte utførelser kan bli oppnådd når følgende detaljerte beskrivelse er betraktet i samband med følgende tegninger, hvor:

Figur 1 viser en illustrasjon av logging mens det bores miljø som inkluderer hellende formasjonsleier.

Figur 2 viser en illustrasjon av kabellinjeloggemiljø som inkluderer hellende formasjonsleier.

Figur 3 er en skjematisk perspektivtegning av et kartesisk koordinatsystem i en sedimentær bakkeformasjon.

Figur 4 viser en relasjon mellom koordinatsystemene til et borehull og et hellende formasjonsleie.

Figur 5 viser et koordinatsystem for å spesifisere orienteringen av skråstilte sløyfeantenner.

Figur 6 viser et blokkdiagram over kretsen brukt i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Figur 7A-7N viser forskjellige illustrerende antennekonfigurasjoner for et resistivitetsloggeverktøy.

Figur 8 viser en illustrasjon av et elektromagnetisk resistivitetsloggeverktøy som har kompenserte målinger.

Figur 9 er en illustrerende graf over målt amplitudeattenuasjon kontra resistivitet.

Figur 10 er en illustrerende graf over målt faseskift kontra resistivitet.

Figur 11 viser en illustrerende deling av en borehullomkrets i asimutiske binger.

Figur 12 viser en illustrerende graf over målt faseresistivitet som en funksjon av rotasjonsvinkel for forskjellige signalfrekvenser.

Figur 13 viser en illustrerende graf over målt faseresistivitet som en funksjon av rotasjonsvinkel for forskjellige sender-mottakeravstander.

Figur 14 er en illustrerende graf som sammenlikner fase- og attenuasjonsresistiviteter for forskjellige relativ inklinasjonsvinkler.

Figur 15 er en illustrerende graf som sammenlikner faseresistivitet som en funksjon over inklinasjonsvinkel for forskjellige sender-mottakeravstander.

Figur 16 er en illustrerende graf som sammenlikner faseresistivitet som en funksjon av inklinasjonsvinkel for forskjellige signalfrekvenser.

Figur 17 er et flytdiagram over en illustrerende resistivitetsloggefremgangsmåte.

Figur 18 er en illustrerende graf over verktøyreaksjonen på en asimutisk orientering.

Figur 19 er en illustrerende graf over verktøyreaksjonen på en asimutisk orientering motsatt den i figur 18, og

Figur 20 er en illustrerende graf over forskjellen mellom verktøyreaksjonene i figur 18 og 19.

Mens foreliggende oppfinnelse er gjenstand for forskjellige modifikasjoner og alternative former vil spesifikke utførelser av denne være vist som eksempel i tegningene og vil her være beskrevet i detalj. Det bør være forstått, imidlertid, at tegningene og den detaljerte beskrivelsen til disse ikke er ment å begrense foreliggende oppfinnelse til bestemte former som er fremlagt, men motsatt, meningen er å dekke alle modifikasjoner, ekvivalenter og alternativer som faller innenfor ånden og rekkevidden av de vedlagte krav.

Detaljert beskrivelse

Fremlagt her er forskjellige fremgangsmåter og systemer for å bestemme horisontal resistivitet, vertikal resistivitet og relativ inklinasjonsvinkel i anisotropiske bakkeformasjoner. Noen av de fremlagte fremgangsmåter og systemer måler sinusvariasjon av asimutisk sensitivitetsresistivitetsloggeverktøymålinger, bestemmer parametere som er representative for sinusvariasjonen, og utføre inversjon basert på sinusparameterne. Når utført på denne måten vil inversjonsprosessen kunne gi mer nøyaktige og konsistente resistivitets- og inklinasjonsvinkelestimater. Sinusparameterne tar foretrukket formen av gjennomsnitt og topp-til-toppmålinger, men kan også ta andre former. Videre vil bruk av slike sinusparametere muliggjøre en pakket representasjon av resistivitetsloggeverktøymålingene, som muliggjør signifikant mer effektiv kommunikasjon og lagring av disse målingene. Den pakkede representasjonen fortsetter å muliggjøre retningsgrensedeteksjon og geostyring.

Den fremlagte verktøykonfigurasjonen og operasjonen er best forstått i sammenhengen av større systemer hvor de virker. Følgelig er et illustrerende logging mens det bores (LWD) miljø vist i figur 1. En boreplattform 102 understøtter et boretårn 104 som har en løpeblokk 106 for å heise og senke en borestreng 108. Et rotasjonsrør 110 understøtter borestrengen 108 når den blir senket gjennom et rotasjonsbor 12. En borekrone 14 blir drevet av en nedhullsmotor og/eller rotasjon av borestrengen 8. Når borekronen 14 roterer skaper den et borehull 16 som går gjennom forskjellige formasjoner 18. En pumpe 20 sirkulerer borefluid gjennom materøret 22 til rotasjonsrøret 10, nedhulls gjennom det indre av borestrengen 8, gjennom åpninger i borekronen 14, tilbake til overflaten via den ringformede åpningen rundt borestrengen 8 og inn i en oppbevarings grop 24. Borefluidet transporterer avskjæringen fra borehullet inn i gropen 24 og hjelper til å beholde borehullintegritet.

Den fremlagte verktøykonfigurasjonen og virkning er best forstått i sammenhengen av større systemer hvor de virker. Følgelig er et illustrerende logging mens det bores (LWD) miljø vist i figur 1. en boreplattform 102 er utstyrt med et boretårn 104 som understøtter en talje 106 for å heve og senke en borestreng 108. Taljen 106 henger opp en toppdriv 110 som er brukt til å rotere borestrengen 108 og til å senke borestrengen gjennom brønnhodet 112. Koblet til den lavere enden av borestrengen 108 er det en borekrone 114. Når borekronen 114 roterer skaper den et borehull 120 som går gjennom forskjellige formasjoner 118. En pumpe 116 sirkulerer borefluid gjennom et forsyningsrør 118 til toppdriv 110, nedhulls gjennom det indre av borestrengen 108, gjennom åpninger i borekronen 114, tilbake til overflaten via den ringformede åpningen rundt borestrengen 108 og inn i en oppbevaringsgrop 124. Borefluidet transporterer skjæringen fra borehullet inn i gropen 124 og hjelper til i å beholde integriteten til borehullet 120.

I brønner som anvender akustisk telemetri for LWD vil nedhullssensorer (inkludert resistivitetsloggeverktøy 126) være koplet til en akustisk telemetrisender 128 som sender telemetrisignaler i formen av akustiske vibrasjoner i rørveggen til borestrengen 108. En akustisk telemetrimottakermatrise 130 kan være koplet til røret under toppdrivet 110 for å ta imot sendte telemetrisignaler. En eller flere gjentakermoduler 132 kan være valgfritt anordnet langs borestrengen for å ta imot og sende om igjen telemetrisignalene.

Et elektromagnetisk resistivitetsloggeverktøy 126 er integrert i bunnhullsammensetningen nær borekronen 114. Når borekronen strekker borehullet gjennom formasjonen vil loggeverktøy 126 samle inn målinger relatert til forskjellige formasjonsegenskaper så vel som verktøyorientering og posisjon og forskjellige andre borebetingelser. Loggeverktøyet 126 kan ha formen av en borekrage, dvs. et tykkvegget rør som gir vekt og stivhet for å hjelpe i boreprosessen. En telemetrisub 128 kan inkludere å overføre verktøymålinger til en overflatemottaker 130 og til å ta imot kommandoer fra overflatemottakeren. I noen alternative utførelser vil telemetrisub’en 128 samle inn og lagre verktøymålinger for senere gjenvinning når verktøyet blir brakt tilbake til overflaten.

Orienteringsmålingene kan bli utført ved å bruke en asimutisk orienteringsindikator, som kan inkludere magnetometre, inkinometre og/eller akselerometre, selv om andre sensortyper slik som gyroskoper også kan bli brukt. Foretrukket inkluderer verktøyet et 3-akset fluksportmagnetometer og et 3-akset akselerometer. Som vist i teknikkens stand vil kombinasjonen av disse to sensorsystemene muliggjøre målingen av verktøysidevinkelen, borehullinklinasjonsvinkel og borehullasimutvinkel. I noen utførelser vil verktøysiden og hullets inklinasjonsvinkel være beregnet fra akselerometersensorutgangen. Magnetometersensorutgangene blir brukt til å beregne hullets asimut. Med verktøysiden vil hullinkinasjonen og hullasimutinformasjonen, forskjellige resistivitetsloggeverktøy fremlagt her kunne bli brukt til å styre borekronen til det ønskede leiet. Spesifikt vil en asimutreaksjonsforskjell i reaksjonsforholdet kunne bli brukt effektivt til å komme inn i en ønsket lastsone eller å være innenfor en lastsone av interesse.

På forskjellige tidspunkter under boreprosessen vil borestrengen 108 bli fjernet fra borehullet, som vist i figur 2. Med en gang borestrengen er blitt fjernet vil loggeoperasjoner kunne bli utført ved å bruke et kabellinjeloggeverktøy 134, dvs. en følerinstrumentsonde opphengt i en kabel 142 som har ledere for å sende effekt til verktøyet og telemetri fra verktøyet til overflaten. En resistivitetsavbildningsdel av loggeverktøyet 134 kan ha sentraliserte armer 136 som sentrerer verktøyet innenfor borehullet når verktøyet blir trukket oppover. En loggefasilitet 144 samler inn målinger fra loggeverktøyet 134, og inkluderer beregningsfasiliteter for å prosessere og å lagre målingene samlet av loggeverktøyet.

Figurer 1 og 2 viser formasjoner 118 som ikke er normale på borehullet, en situasjon som kan opptre naturlig eller kan opptre på grunn av retningsboreoperasjoner. Når det måles formasjonsresistivitet og orientering er det hensiktsmessig å bruke formasjonskoordinatsystemet, som vist i figur 3. Figur 3 viser en del av sedimentærformasjonsleie der z-aksen er orientert normalt på planet til formasjonen i retningen av sedimentæropphopningen. Som tidligere nevnt vil formasjonsresistivitetene, når målt langs denne aksen, ofte være forskjellig fra formasjonsresistiviteten målt i x-y planet. I et hellende leie vil x-aksen være valgt å være orientert i retningen til den dypeste hellingen, dvs. ”nedoverbakke”.

Relasjonen mellom formasjonskoordinatsystemet og borehullkoordinatsystemet er vist i figur 4. z-aksen til borehullkoordinatsystemet er opplinjert med borehullets lange akse, og x-aksen til borekoordinatsystemet er rettet mot nordsiden (eller alternativt den høye siden) av hullet. Som vist i figur 4 vil de to koordinatsystemene være relatert via to rotasjoner. Begynnende med formasjonskoordinatsystemet (x,y,z) til en første rotasjon av vinkel� bli gjort omkring z-aksen. Det resulterende koordinatsystemet er benevnt (x’,y’,z’). Vinkel � er den relative anslagsvinkelen, som indikerer retningen til formasjonshellingen relativ til borehullets koordinatsystem. En andre rotasjon av vinkel θ blir så gjort omkring y’-aksen. Dette opplinjerer formasjonskoordinatsystemet med borehullkoordinatsystemet. Vinkel θ er den relative inklinasjonsvinkelen, som er hellingsvinkelen til leiene relativ til den lange aksen i borehullet.

Den vertikale resistiviteten er generelt funnet å være resistiviteten som målt normalt på planet til formasjonen, og den horisontale resistiviteten er resistiviteten som målt innenfor planet til formasjonen. Bestemmelse av hver av disse parameterne (inklinasjonsvinkel, anslagsvinkel, vertikal resistivitet og horisontal resistivitet) er ønskelig. Følgelig, fremlagt her, er en forbedret nedhullsfremgangsmåte og apparat for samtidig å bestemme horisontal resistivitet, vertikal resistivitet og relativ inklinasjonsvinkel for anisotropiske bakkeformasjoner. Noen systemutførelser anvender et elektromagnetisk loggeverktøy som har en antennekonfigurasjon hvor en senderantenne og en mottakerantenne er orientert i ikke-parallelle plan slik at den vertikale resistiviteten og den relative inklinasjonsvinkelen er frakoplet. Foretrukket vil verken senderen eller mottakeren være montert i en konvensjonell orientering i et første plan som er normalt på verktøyaksen, og den andre antennen er montert i et andre plan som ikke er parallell med det første planet. Den fremlagte utførelsen er passende for LWD-anvendelser, og er også anvendbar på kabellinje og muligens andre anvendelser.

Også fremlagt her er forbedrede nedhullsfremgangsmåte og apparater for å styre et nedhullsverktøy under retningsstyringsoperasjonen for å beholde borehullet innenfor en ønsket geologisk formasjon ved å anordne en forhåndsindikasjon av resistiviteten for et gitt leie før innføring i dette leiet. I noen utførelser vil denne styringsegenskapen bli oppnådd ved å gi sender- og mottakerantenner som er montert i ikke-parallelle plan og å beregne asimutisk forskjell eller forholdet mellom fasebaserte eller amplitudebaserte reaksjoner til mottakerantennene. Med en slik antenneanordning vil det asimutiske forholdet eller forskjellen til reaksjonene indikere om resistiviteten i et nærmende leie er høyere eller lavere enn resistiviteten til leiet man er i. Med slik informasjon kan boreoperatøren styre boreapparatet for å beholde borehullet i et ønsket geologisk leie.

Figur 5 viser et koordinatsystem for å spesifisere orienteringen av en sløyfeantenne. Verktøykoordinatsystemet (x”,y”,z”) har en z-akse orientert parallell med den lange aksen til loggeverktøyet. x-aksen er rettet mot ”verktøysidens risselinje” som er brukt til å spesifisere verktøyorientering. I verktøykoordinatsystemet vil orienteringen av sløyfeantrennen være representert av en normal vektor N som er normal på planet til sløyfeantennens vinninger. Hellingsvinkelen til antennen er vinkelen ξ mellom z-aksen og normalvektoren N. Den asimutiske orienteringen � av sløyfeantennen er vinkelen � mellom x-aksen og projeksjonen av normalvektoren N i x-y planet.

Figur 6 viser et illustrerende loggeverktøy 10 som har N koaksiale senderantenner T1, T2, T3, …, TNi avstand langs lengden av loggeverktøyet. Det illustrerende loggeverktøyet 10 har også to hellende mottakerantenner R1og R2som er aksielt i avstand fra hverandre fra senderantennene og fra hverandre. Foretrukket vil senderen og mottakerantennene være montert i fordypninger i verktøyet 10 og være beskyttet av ikke-ledende materiale eller et materiale med ikke-ledende åpninger. I noen verktøyutførelser konstruert for å virke på mer enn én frekvens, for eksempel f1=2 MHz og f2=1 MHz, vil hver mottakerantenne inkludere et par av spoler, der en spole er innstilt på f1og 1 spole er innstilt på f2. I slike utførelser vil spolene i hvert par kunne være plassert side-vedside rundt periferien av verktøyet 10 eller kan være konsentrisk stablet. Senderen og mottakerantennene kan være fremstilt i henhold til læren i US patent nr.4.940.943. Det bør være forstått at legemet til verktøyet 10 er foretrukket laget av stål for å forhindre verktøyet 10 fra å bli en svak link i borestrengen 14.

Et bør være forstått at loggeverktøyet 10 også har passende elektronisk krets for å prosessere signalene mottatt av mottakerantennene som fremlagt videre nedenfor, som dermed kvarterer de mottatte signalene til en logg eller annen indikasjon av formasjonsresistivitet. Det bør også være forstått at de prosesserte signalene kan bli tatt opp innenfor den elektroniske seksjonen av verktøyet 10 eller kan bli fremført til overflaten via et telemetrisystem for samtidig prosessering og utlesning på overflaten.

Avstanden mellom spolene brukt for R1og R2er foretrukket seks tommer langs den langsgående aksen til verktøyet 10, men andre mottakeravstander kan også bli brukt. Avstanden mellom mottakerpar og påfølgende sendere i avstand vil variere i noen anvendelser, som diskutert heretter i større detalj. En foretrukket konfigurasjon inneholder en avstand mellom T1og R1/R2på 12 tommer/18 tommer, en avstand mellom T2og R1/R2på 24 tommer/30 tommer, og en avstand mellom T3og R1/R2på 36 tommer/42 tommer. I den foregående setningen bør det være forstått at uttrykket ”12 tommer/18 tommer”, for eksempel, indikerer at avstanden mellom T1og R1er 12 tommer og at avstanden mellom T1og R2er 18 tommer, basert på R1og R2som er seks tommer fra hverandre. Slik avstandskonfigurasjon er noen ganger referert til her ved å bruke et forkortet uttrykk på for eksempel ”12/18”.

Fremdeles med referanse til det illustrerte loggeverktøyet i figur 6 er forsterkere A1, A2, A3…ANkopler til senderspolene T1, T2, T3…TN, respektivt. Hver av forsterkerne på sin side er drevet av en oscillator F1, F2, F3…FN. De operative frekvensene til oscillatorene er foretrukket mellom omkring 0,5 MHz opp til omkring 4 MHz. På grunn av effektdemping på større dybder som undersøkes vil det i slike tilfeller være en lengre avstand mellom senderne der frekvensene foretrukket er i overensstemmelse med relasjonen F1

FN. Oscillatorene F1, F2, F3…FNer kontrollert av en igangsetterkrets 30 for en sender med grensesnitt til en mikroprosessor 32, som på sin side har grensesnitt med en kommunikasjonsgrensesnittkrets 34 og en analog-til-digi8tal (A/D) konverterer 36. Kommunikasjonsgrensesnittkretsen 34 muliggjør kommunikasjon mellom mikroprosessoren 32 og en verktøykontroller, integrert hukommelse, en telemetrienhet og/eller en ekstern port for å kommunisere med operatører eller datamaskiner med en gang verktøyet er blitt fjernet fra borehullet.

Mottakerantennene R1og R2er respektivt koplet til forsterkere 40 og 42, som er koplet, respektivt, til blanderkretser 44 og 46. oscillatorer F1, F2, F3…FNer koplet til en oscillatorvelgerkrets 48, utgangen til denne er koplet til inngangen av blanderkretsene 44 og 46. Oscillatorvelgerkrets 48 har grensesnitt til mikroprosessor 32 for å bestemme hvilken oscillator som blir koplet til blanderkretsene.

De respektive utgangene fra blanderkretsene 44 og 46 driver lavpassfiltre 50 og 52, respektivt, utgangene av disse driver amplitudemålekretser 54 og 56, respektivt.

Utgangene av amplitudemålekretser 54 og 56 er koplet til en multiplekserkrets 60. Utgangene fra lavpassfilterkretsene 50 og 52 er også koplet til inngangene til en relativ fasemålkrets 62, utgangen av denne er matet inn i multiplekser 60. Under kontroll av mikroprosessoren 32 sender multiplekser 60 videre en valgt en av sine innganger til A/D-konvertereren 36 for sampling konvertering til en digital verdi som mikroprosessoren kan lagre og prosessere. Mikroprosessoren 32 samler videre verktøyorienteringsmålinger fra orienteringssensorer 70, og bestemmer en verktøyorientering som er assosiert med hver resistivitetsmåling utledet fra de samplede mottakersignalene.

Under operasjon av innretningen og krets illustrert i figur 6 bør det være forstått at det er ønskelig å prosessere mellomliggende frekvenssignaler heller enn de nominelle signalene mottatt av mottakerpar R1og R2. Følgelig vil oscillatorene F1’, F2’, F3’…FN’ være konstruert til å gi frekvenser som er svært nær de tilsvarende frekvensene F1, F2, F3…FN. For eksempel, FNkan være satt til å være en frekvens på 1.998 MHz og dermed gi en mellomliggende frekvens som kommer ut av blandekretsen 44 og 46 på 0.002 MHz (2 KHz). På tilsvarende måte kan F2’ og F3’ være satt på 1.998 MHz og 0.998 MHz, respektivt. Dermed vil bare signalene som går gjennom lavpassfiltrene 50 og 52 være de mellomliggende frekvensene som er oppnådd ved å blande frekvensene til F1, F2, F3…FNmed frekvensene F1’, F2’, F3’…FN’, respektivt. Det bør være forstått at amplitudemålingskretsen 54 gir en måling av amplituden til signalet mottatt av mottakerantenne R1, mens amplitudemålingskrets 56 måler amplituden til innkomne signaler mottatt av mottakerantenne R2. Tilsvarende vil relativ fasemålekrets 62 gi en indikasjon om faseforskjellen mellom signalene mottatt i mottakerantenne R1og signalene mottatt i mottakerantenne R2. Amplitudemålingene (A) og fasemålingene ( Φ) (alternativt, amplitudeforholdet og faseforskjellsmålinger) indikerer hver formasjonsresistivitet.

Det bør være forstått at frekvensene F1, F2, F3…FNalle kan være den samme frekvensen selv om noen utførelser anvender forskjellige frekvenser som tar hensyn til økt effekttap i formasjonen for større sender-mottakerantenneavstander. Foretrukket vil de individuelle senderantennene avfyres i sekvens, selv om det i noen alternative utførelser er mulig at senderantennene virker samtidig. Imidlertid, en fagmann vil forstå at samtidig sending av alle sendersignalene vanligvis vil kreve tilleggsfiltre og prosesseringskrets for å muliggjøre at instrumentet korrekt skal skille mellom de forskjellige frekvensene.

I tillegg til antennekonfigurasjonen i figur 6 illustrerer figurene 7A-7N et utall av forståtte sender/mottakerantennekonfigurasjoner, som hver har asimutisk sensitivitet på grunn av en skråstilt senderantenne, en skråstilt mottakerantenne, eller begge. Figur 7A viser verktøyet som har en koaksial senderantenne T1og en skråstilt mottakerantenne R1. Figur 7B sier et verktøy som har en skråstilt senderantenne T1og en koaksial mottakerantenne R1. Imidlertid, antennekonfigurasjonen inkluderer ikke nødvendigvis en koaksial antenne. Figur 7C vier et verktøy som har en senderantenne T1skråstilt i en vinkel ξT1og en motakerantenne R1skråstilt på en vinkel ξR1.

Mens antennekonfigurasjonene i figurer 7A-7C gir hensiktsmessige resistivitetsmålinger, vil slike målinger generelt lide av asymmetriske reaksjoner i leiegrensene, som ofte gjør resistivitetsloggene unødvendig vanskelige å tolke. For å adressere dette spørsmål kan symmetriske antennekonfigurasjoner bli anvendt. Figur 7D viser et verktøy som har en skråstilt mottakerantenne R1posisjonert midtveis mellom to koaksialsenderantenner T1, T2. Figur 7E viser et verktøy som har en koaksial mottakerantenne R1posisjonert midtveis mellom to skråstilte senderantenner T1, T2. De skråstilte senderantennene i figur 7E er parallelle, men dette er valgfritt, som vist i senderantennene i figur 7F, som er skråstilt i motsatte asimutriske vinkler. Som før vil antennekonfigurasjonen ikke nødvendigvis inkludere en koaksial antenne. Figur 7G vier et verktøy som har en første senderantenne T1skråstilt på en vinkel ξT1, en andre senderantenne T2skråstilt på en vinkel ξT2, og en mottakerantenne R1skråstilt på en vinkel ξR1.

Antennekonfigurasjonene i figurer 7A-7G er passende for å gjøre absolutte (ikkedifferensielle) attenuasjons- og faseskiftsmålinger. Mens slike målinger er hensiktsmessige behøver de ikke å ha tilstrekkelig romlig oppløsning. For å adressere dette spørsmålet kan forskjellige antennekonfigurasjoner bli anvendt. Figur 7H viser et verktøy som har en koaksial senderantenne T1og et par av skråstilte mottakerantenner R1og R2. Figur 7I vier et verktøy so har en skråstilt senderantenne T1og et par av koaksialmottakerantenner R1og R2. Denne antennekonfigurasjonen inkluderer ikke nødvendigvis en koaksial antenne, og paret av mottakerantenner er ikke nødvendigvis parallelle. Figur 7J viser et verktøy som har en senderantenne T1skråstilt på en vinkel ξT1, en første mottakerantenne R1skråstilt på en vinkel ξR1, og en andre mottakerantenne R2skråstilt på en vinkel ξR2.

Selv om det ikke er passende for å gi en forbedret romlig oppløsning viser figur 7K en antennekonfigurasjon som har et par av samplasserte mottakerantenner R1og R2, som er skråstilt i forskjellige asimutriske retninger. Denne antennekonfigurasjonen kan være særlig hensiktsmessig for å utlede et retningsstyresignal.

Ved å kombinere symmetriske og differensielle antennekonfigurasjonskonstruksjoner er det mulig å skape antennekonstruksjoner som gir kompenserte målinger, dvs. målinger som er beskyttet mot feil som skyldes temperaturindusert drift i de elektroniske kretskomponentene. Figur 7L viser et verktøy som har et par av skråstilte mottakerantenner R1og R2som har et midtpunkt sentrert mellom to koaksialsenderantenner T1og T2. Figur 7M viser et verktøy som hare t par av koaksialmottakerantenner R1og R2, som har et midtpunkt sentrert mellom to skråstilte senderantenner T1og T2. Legg merke til at de skråstilte antenne kan være parallelle, men det er ikke nødvendigvis at de er det. Videre, i hver av de foregående antennekonfigurasjonene kan sender- og mottakerrollene bli byttet om i henhold til prinsippet om resiprositet. Figur 7N, for eksempel, viser et par av koaksialsenderantenner T1og T2, som har et midtpunkt sentrert mellom to skråstilte mottakerantenner R1og R2. Videre vil hver av de foregående antennekonfigurasjonene kunne ha tilleggssender- og mottakerantenner som kan være tilstede for å muliggjøre målinger på tilleggssender-mottakerantenneavstander.

Figur 8 illustrerer amplitude- og fasemålingene som kan bli gjort av et kompensert resistivitetsloggeverktøy 802. Som reaksjon på et signal fra en senderantenne 808 måler mottakerantenner 810 og 812 signaler som har en attenuasjon A1og A2, respektivt, og som har faseskift Φ1og Φ2, respektivt. Fra at disse målingene vil en første differensiell attenuasjon (logA2-logA1) og en differensiell fase ( Φ2- Φ1) kunne bli bestemt. Tilsvarende, som reaksjon på et signal fra senderantenne 814 måler mottakerantenner 810 og 812 signaler som har en attenuasjon A4og A3, respektivt, og som har faseskift Φ4og Φ3, respektivt. Fra disse målingene kan en andre differensiell attenuasjon (logA4-logA3) og andre differensielle fase ( Φ4- Φ3) kunne bli bestemt. Den første og andre differensielle attenuasjonsmålingen kan så bli laget gjennomsnitt av (slik som den første og andre differensielle fasemålingen) for å oppnå en kompensert måling, dvs. en måling der faste forspenninger i elektronikken er kansellert ut.

Figur 9 viser en illustrerende relasjon mellom attenuasjon og isotropisk formasjonsresistivitet for et skråstilt antenneresistivitetsloggeverktøy. Figur 10 vier en refererende relasjon mellom fastskift og isotropisk formasjonsresistivitet for en skråstilt antenne resistivitetsloggeverktøy. Slike relasjoner er kjent i teknikkens stand og vil bli anvendt i beskrivelsen nedenfor.

For å muliggjøre samtidig måling av resistivitet, anisotropi og inklinasjon vil det fremlagte loggeverktøyet og fremgangsmåter anvende en eller flere skråstilte antenner for å oppnå asimutisk-sensitive resistivitetsmålinger. Omkretsen til verktøyet (eller borehull) er delt inn i asimutiske binger som vist i figur 11, og når verktøyet roterer og verktøyets siderisslinje går gjennom hver asimutisk binge vil et sett med resistivitetsmålinger bli gjort innenfor hver binge på en gitt posisjon i borehullet. I forskjellige forståtte utførelser vil antallet av binger være i området fra så lavt som 6 eller 8 binger og så høyt som 16 eller 32 binger. Avhengig av den relative rotasjon og aksielle traverseringsrater vil flere målingssett kunne bli oppnådd innenfor hver binge og bli kombinert (dvs. ved å lage gjennomsnitt). Settet med resistivitetsmålinger kan være absolutt fase og/eller attenuasjonsmålinger, eller differensielle fase- og/eller attenuasjonsmålinger. Imidlertid, i det minste i noen utførelser vil resistivitetsmålingene være kompenserte attenuasjonsresistivitet og kompenserte faseresistivitetsmålinger (dvs. bestemt ved å bruke relasjoner som de som er i figurer 9-10, og å ignorere for tilfellet enhver inklinasjon eller anisotrop i effekt), mens i andre utførelser vil resistivitetsmålinger være kompenserte attenuasjonsresistivitetsmålinger (dvs. ved å bruke en relasjon som i figur 9). Settet med resistivitetsmålinger kan inkludere målinger av forskjellige frekvenser og/eller forskjellige sender-mottakeravstander.

Figur 12 illustrerer asimutisk avhengighet av faseresistivitetsmålinger på forskjellige frekvenser i en inklinerende anisotropisk formasjon. Figur 13 illustrerer asimutisk avhengighet av faseresistivitetsmålinger på forskjellige sender-mottakeravstander. På hver frekvens og avstand vil resistivitetsmålinger være tilnærmet sinusaktiv. Den sinusliknende egenskapen til disse målingene er foretrukket utnyttet for å pakke de asimutiskavhengige målingene inn i et representativt sett av karakteristiske parametere. I noen foretrukne utførelser vil de karakteristiske parameterne være (1) en gjennomsnittsverdi, (2) en maks-til-min. forskjellsverdi, og (3) en identifikator av plasseringen av toppen i sinussignalet (dvs. et asimutisk bingetall). Andre sett med representative karakteristiske parametere kan også bli anvendt. For eksempel, gjennomsnittsverdien kan være erstattet med en maksimalverdi, eller en kvadratrot av gjennomsnittlig kvadratisk verdi. Maks-til-min. forskjellsverdien kan være erstattet med en maks-tilgjennomsnittlig forskjellsverdi eller med den andre ekstremverdi som, når sammenliknet med den første parameteren, indikerer amplituden til den sinusliknende oscillasjonen. Plasseringen av toppen kan være erstattet med plasseringen av dalbunnen, eller utelatt helt dersom anslagsvinkelen til formasjonen allerede er kjent. I noen utførelser kan det være tilstrekkelig å bestemme et undersett av et representativt sett av sinusparametere for å karakterisere et valgt aspekt ved den asimutiske variasjonen.

Den pakkede representasjonen av resistivitetsmålinger på en gitt dybde i borehullet kan være hensiktsmessig for lagring og telemetrikommunikasjoner. Mer viktig, imidlertid, er bruken av disse karakteristiske parameterne i inversjonsprosessen for å bestemme vertikal og horisontal resistivitet og formasjonsinklinasjon. Når en inversjonsprosess som anvender bare maksimalverdien eller gjennomsnittlig verdi blir det sammenliknet med en inversjonsprosess som anvender en gjennomsnittlig verdi og en maks-til-min. forskjellsverdi, vil en signifikant forbedring i nøyaktighet bli observert og de bestemte formasjonskarakteristikkene er mer motstandsdyktige mot målestøy.

Som et illustrerende eksempel p hvordan inversjonslikningen kan bli utledet betraktes antennekonfigurasjonen i figur 7A. Når verktøyet penetrerer en anisotropisk formasjon på en relativ inklinasjonsvinkel θ (se figur 4), vil det magnetiske momentet MTtil koaksialsenderantennen kunne bli betraktet som superposisjonen av en horisontal magnetisk dipol (”HMD”), en magnetisk dipol orientert langs formasjonens x-akse) og en vertikal magnetisk dipol (”VMD”, en magnetisk dipol orientert langs formasjonens z-akse), med tilsvarende hroisontale og vertikale komponenter for magnetiske momenter MThog MTv, respektivt, som er gitt av likningene

<[1]>

<[2]>

der

It= strømmen i senderspolen,

At= tverrsnittsarealet til slenderspolen, og

θ = den relative inklinasjonsvinkelen (vinkelen mellom verktøyaksen og normalen til formasjonen).

Som vist av Luling, M.G., ”Processing and Modeling 2-MHz Resistivity Tools in Dipping, Laminated, Anisotropic Formations”, SPWLA 35. årlige loggesymposium, 19.-22. juni 1994, fremstiller HMD magnetiske felt Hkxog Hhz, og VMD fremstiller magnetiske felt Hvxog Hvzgitt av følgende likninger:

kh= det komplekse bølgetallet i den horisontale retningen

kv= det komplekse bølgetallet i den vertikale retningen

σ = vinkelfrekvensen (i radianer/sekunder) for senderspolen = 2�f

f = frekvensen til senderspolen (i Hertz)

µ = den magnetiske permeabiliteten til formasjonen (antar µ = µair)

σh= den horisontale ledningsevnen til formasjoenn

σv= den vertikale ledningsevnen til formasjonen

εh= den horisontale dielektriske konstanten (antatt)

εv= den vertikale dielektriske konstanten (antatt)

L = avstanden mellom senderspolen og mottakerspolen, og

i =

I mottakerantennen vil Hz-feltet (feltet langs z-aksen til verktøyet) være gitt av likningen

[7a]

og Hxfeltet (feltet normalt på z-aksen til verktøyet og i x-z planet til formasjonskoordinatsystemet) er gitt av likningen

[7b]

For en mottakerantenne som er skråstilt på en vinkel ξRog har en asimutvinkel på α (se figur 5), vil spenningen indusert i en mottakersløyfe være

<[8]>

hvor Arer tverrsnittsseksjonsareal til mottakerspolen. Fra de foregående likningene kan det bli vist at når senderen og mottakerantennen er parallelle vil den induserte mottakerspenningen være

[9] Likning [9] viser at den induserte spenningen V er avhengig av khog β. På sin side er khavhengig av σh, og β er avhengig av σh, σvog θ .�Disse relasjonene indikerer at σvog θ�er avhengige, og denne avhengigheten forhindrer konvergens av en samtidig løsning av σh, σvog θ .�For å bryte denne avhengigheten og muliggjøre en løsning for σh, σvog θ�er det ønskelig å ha senderantennen og mottakerantennen skråstilt på forskjellige vinkler. Selv om formuleringen ovenfor er for en koaksial sender med en skråstilt mottaker vil teorien om resiprositet gi at de samme resultater også gjelder for en skråstilt sender med en mottaker som ikke er skråstilt. Virkelig vil både senderen og mottakeren kunne være skråstilt gitt at de respektive vinklene for skråstilling ikke er den samme,dvs.<ξ>T<⊊ ξ>R .

De sinusliknende variasjonene i figurer 12-13 er åpenbare. Figurene 14-16 illustrerer inklinasjonsavhengigheten av sinustoppverdiene for en typisk bakkeformasjon som har en horisontal resistivitet på 1 ohm-m og en vertikal resistivitet på 4 ohm-m. Figur 14 viser amplitudeattenuasjonsresistivitet og faseskiftsresistivitet som en funksjon av relativ inklinasjonsvinkel ved å bruke et enkelt sender-mottakerpar på en enkel sekvens. Figur 15 viser faseskiftsresistivitet som en funksjon av relativ inklinasjonsvinkel ved å bruke tre sender-mottakerpar som er i avstand fra hverandre på en enkel frekvens. Figur 16 viser faseskiftresistivitet som en funksjon av relativ inklinasjonsvinkel ved å bruke et enkelt sender-mottakerpar på tre forskjellige frekvenser.

Figur 17 viser en illustrerende resistivitetsloggeprosess for å bestemme horisontal resistivitet, vertikal resistivitet og relativ inklinasjonsvinkel som en funksjon av posisjon langs borehullet. Etter at resistivitetsloggeverktøyet er blitt plassert i et borehull og boring starter med medfølgende rotasjon av loggeverktøyet, begynner loggeprosessen i blokk 1702 med valget av en senderantenne og en senderfrekvens. Når prosessen fortsetter vil valgoperasjonen iterere gjennom hver senderantenne og hver senderfrekvens som er passende for denne senderantennen.

I blokk 1704 vil loggeverktøyet drive den valgte senderantennen på den valgte frekvensen, og måle mottakerreaksjonene. Loggeverktøyet måler videre verktøyposisjonen og orienteringen som er assosiert med den målte mottakerreaksjonen. I forskjellige utførelser vil mottakerreaksjonene kunne være absolutt faseskift, absolutt attenuasjon, differensielt faseskift og/eller differensiell attenuasjon. I blokk 1706 vil posisjonen og orienteringsinformasjonen bli brukt til å assosiere de målte mottakerreaksjoner med en asimutisk binge. Dersom flere målinger er oppnådd for en gitt binge vil målingene kunne bli kombinert, dvs. ved å lage et gjennomsnitt. I blokk 1708 blir en test gjort for å bestemme om det er flere målinger som blir gjort i denne posisjonen i borehullet (dvs. en test for å se om den målte verktøyposisjonen fremdeles er innenfor et forhåndsbestemt område). Dersom det er slik vil blokkene 1702-1708 bli gjentatt.

I den valgfrie blokken 1710 bestemmer loggeverktøyet kompensert fase og/eller attenuasjonsmålinger som tidligere beskrevet med hensyn til figur 8. I blokk 1712 vil loggeverktøyet bestemme et sett med sinusparametere som representerer målingene oppnådd på nåværende posisjon i borehullet. Foretrukket vil settet med karakteristiske parametere indikere gjennomsnittet og maks-til-min. forskjellen, og kan også indikere posisjonen til toppen eller dalen for det sinusformede signalet. I noen utførelser vil parameterne bli bestemt fra en parameterisert sinusfunksjon som er tilpasset de målte data med en minimal kvadratisk feil. De sinusliknende parameterne kan bli kommunisert til overflaten for etterfølgende operasjon som blir utført av overflateberegningsfasiliteter.

I blokk 1714 vil de karakteristiske parameterne bli invertert for å bestemme en eller flere av formasjonsanslagsvinklene, formasjonsinklinasjonsvinkelen, formasjonsresistiviteten (horisontal eller vertikal), og formasjonens anisotropi. De bestemte formasjonsmålingene blir lagret i formen av en logg, som kan være valgfritt fremvist og oppdatert i blokk 1716. I blokk 1718 vil en test bli gjort for å bestemme om loggingen bør fortsette (dvs. om boreprosessen skal fortsette), og dersom det er slik vil blokkene 1702-1718 bli gjentatt.

Inversjonsprosessen kan ta formen av en oppslagstabell basert søking med interpolasjon, men er foretrukket utført med en lukket form for forovermodell av verktøyreaksjonene som er forventet som reaksjon på estimater av formasjonens inklinasjon, resistivitet og anisotropi. Begynnende med tilfeldige, eller i noen tilfeller forhåndsbestemte estimater av formasjonens inklinasjon, resistivitet og anisotropi, vil inversjonsprosessen gjentagende oppdatere disse estimatene helt til de sinusaktige parameterverdiene gitt av forovermodellen er lik de målte sinusliknende parameterverdiene som er innenfor en forhåndsbestemt terskel. Oppdateringsrutinen kan for eksempel anvende Levenberg-Marquardt fremgangsmåten diskutert av Tianfei Zhu og Larry D. Brown, ”Twodimensional Velocity Inversion and Synthetic Seismogram Computation”, Geophysics, vol. 52, nr.1, januar 1987, s. 37-50.

I noen utførelser vil de målte karakteristiske parameterverdiene være gjennomsnittet og maks-til-min. forskjellsverdiene til de differensielle faseskiftene målt som en funksjon av asimut på hver av de tre eller flere senderfrekvensene. I andre utførelser vil de karakteristiske parameterverdiene være gjennomsnittet og maks-til-min. forskjellsverdiene for de differensielle attenuasjonene målt som en funksjon av asimut på tre eller flere sender-til-mottakeravstander. I enda andre utførelser vil både fase- og attenuasjonsinformasjon bli målt og brukt som grunnlag for inversjonen. Andre karakteristiske parameterverdier er mulige og kan bli brukt.

Det henvises nå til geostyreaspektet for dette systemet, fig. 18 viser den målte faseskift og attenuasjonen på én asimutisk orientering i et illustrert resistivitetsloggeverktøy som har antennekonfigurasjonen som vist i figur 7A, der det er antatt at et borehull går gjennom et isotropisk 20 fots tykt 10 Ωm leie som er i en sandwich mellom tykke, isotropiske 1 Ωm leier med en relativ inklinasjonsvinkel på 60<o>. Reaksjonene vist er for 2-MHz verktøy med 24/30 antenneavstander, og en mottakerantenne med skråstilt vinkel på 45<o>. (Videre stimuleringsdetaljer er tilgjengelige i Bittar, US patent nr.7.138.803.) Imidlertid vil en fagmann kunne forstå at andre frekvenser og antennekonfigurasjoner kan bli brukt. Det målte faseskift og attenuasjon på den motsatte asimutiske orienteringen til det illustrerte resistivitetsloggeverktøyet er vist i figur 19. Når forskjellen i reaksjon tatt i motsatt asimutisk retning blir tatt hensyn til vil dette resultere i en differensiell reaksjon lik den som er vist i figur 20. (En tilsvarende reaksjon kan bli funnet ved å trekke fra reaksjonen i én asimutisk retning med gjennomsnittet av reaksjonene i alle asimutiske retninger.)

Det bør legges merke til at verktøyreaksjonen i en grense mellom isotropisk reaksjon fremviser en sinusaktig reaksjon som er svært lik de som er vist i figurene 12 og 13. Den maksimale verdien til reaksjonen finner sted i den asimutiske retningen mot nærliggende grenser i områder med høyere ledningsevne og i den asimutiske retningen bort fra nærliggende grenser med områder med lavere ledningsevne. Følgelig vil minimumsverdien til reaksjonen finne sted i den asimutiske retningen bort fra grensene med områder med høyere ledningsevne og i den asimutiske retningen mot nærliggende grenser med områder med lavere ledningsevne. I begge tilfeller vil retningen av styresignalet være konsistent siden verktøyet krysser en grense.

I utførelser som pakker asimutresistivitetsmålingsinformasjon inn i sinusaktige parametere slik som gjennomsnitt, en maks-til-min. forskjell og topporienteringsindikatorer, vil maks-til-min. forskjellen og topporienteringsindikatoren kunne bli brukt som styre signaler. En maks-til-min. forskjell og topporienteringsindikator kan bli anvendt med tilsvarende effekt. I noen alternative utførelser vil et forhold mellom maks-til-min. verdien bli anvendt. Boreoperatøren kan kombinere styresignalinformasjonen med verktøyposisjon og orienteringsmålinger og kunnskap utledet fra testhull eller seismiske undersøkelser for å formulere retningsstyrebeslutninger. Styresignalene beskrevet her er forventet å være delvis effektive ved at de muliggjør en boligoperatør effektivt i å detektere og komme inn i en lastsone og å muliggjøre at boreoperatøren kan beholde en borehullkurs som maksimaliserer borehullintervallene i lastsonen.

Selv om de foregående spesifikke detaljene som er beskrevet er foretrukne utførelser av foreliggende oppfinnelse vil en fagmann forstå at brønnboring og logging vil kunne ha forskjellige forandringer som kan bli gjort i detaljene av fremgangsmåten og apparatet i henhold til denne oppfinnelsen uten å avvike fra ånden og rekkevidden til foreliggende oppfinnelse som definert i det vedlagte krav. Derfor bør det være forstått at foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til de spesifikke detaljene vist og beskrevet her.