NO342045B1 - Fremgangsmåte og anordning for å bestemme egenskaper ved en undergrunnsformasjon som gjennomskjæres av et borehull - Google Patents

Abstract

Et boresystem tilveiebringer indikasjoner på litologien til den formasjonen som det bores i, ved dynamisk måling av minst én parameter av interesse, som blir påvirket av litologien til formasjonen som det bores i. Passende posisjonerte sensorer tar dynamiske målinger av parametere slik som brønnhullsvekt på borkronen, kronedreiemoment, kroneomdreininger, inntrengningsdybde og aksial kroneakselerasjon. Én eller flere prosessorer benytter sensormålingene i forbindelse med forutbestemte litologiske modeller til å bestemme om målingene indikerer en endring i formasjonslitologi. Egnede modeller kan være utledet ved hjelp av uttrykk slik som bergartsborbarhet, boringsrespons, dynamisk boringsrespons, normalisert eller dimensjonsløst dreiemoment og formasjonsskjærstyrke. De litologiske indikasjonene som tilveiebringes ved hjelp av prosessoren, kan brukes til å justere boringsparametere, styring av BHA, overvåkning av BHA-tilstanden, tilveiebringe dybdeposisjoner for laggrenser og formasjonsgrenseflater.

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Teknisk område

[0001] Foreliggende oppfinnelse vedrører systemer, anordninger og fremgangsmåter for å bestemme litologien til en formasjon under boring av et brønnhull. Mer spesielt vedrører foreliggende oppfinnelse systemer, anordninger og fremgangsmåter som benytter dynamiske målinger av valgte boreparametere til å bestemme litologien til en formasjon som bores.

2. Beslektet teknikk

[0002] For å fremskaffe hydrokarboner slik som olje og gass, blir borehull boret ved hjelp av å rotere en borkrone festet ved enden av en borestreng. En stor andel av den aktuelle boringsaktiviteten innebærer retningsboring, dvs. boring som avviker fra vertikalen og horisontale borehull, for å øke hydrokarbonproduksjonen og/eller for å trekke ut ytterligere hydrokarboner fra grunnformasjonene. Moderne retningsboringssystemer anvender generelt en borestreng med en bunnhullsanordning (BHA) og en borkrone ved enden av denne, som blir rotert ved hjelp av en boremotor (slammotor) og/eller borestrengen. Et antall brønnhullsanordninger plassert i nærheten av borkronen måler visse brønnhullsdriftsparametere i forbindelse med borestrengen. Slike anordninger innbefatter typisk sensorer for å måle temperatur og trykk nede i borehullet, asimutverdi og inklinasjonsverdimåleanordninger og en resistivitetsmåleanordning for å bestemme forekomsten av hydrokarboner og vann.

[0003] Ytterligere brønnhullsinstrumenter kjent som verktøy for logging-underboring (LWD) blir ofte festet til borestrengen for å bestemme formasjonens geologi og formasjonens fluidtilstander under boringsoperasjonene. Systemer for loggingunder-boring (LWD) eller mer generelt, systemer for måling-under-boring (MWD) er kjent for å identifisere og evaluere bergartsformasjoner og overvåke banen til borehullet i sanntid. Et MWD-verktøysett er vanligvis plassert i den nedre del av borestrengen nær borkronen. Verktøyene er enten plassert i en seksjon av vektrøret eller utformet for å være kompatibel med vektrøret. Det er ønskelig å tilveiebringe informasjon om formasjonen så nær borkronen som mulig. Flere fremgangsmåter for å evaluere formasjonen ved å bruke borkronen er blitt anvendt.

Disse fremgangsmåtene eliminerer tidsforsinkelsen mellom tidspunktet hvor borkronen trenger gjennom formasjonen og tidspunktet hvor MWD-verktøyet avføler dette område i formasjonen. De virker imidlertid bare under visse formasjonskarakteristikker. En annen løsning på å bestemme formasjonslitologiendringer har vært å bruke de mekaniske målingene som er tilgjengelig på overflaten, slik som målt inntrengningshastighet (ROP) og borkroneomdreininger pr. minutt (RPM) og gjennomsnittlig eller midlere brønnhullsvekt på borkronen (WOB) og gjennomsnittlig eller midlere dreiemoment på borkronen (TOR) nede i hullet, som blir utledet fra sanntidsmålingene på stedet som foretas ved hjelp av et MWD-verktøy.

[0004] Siden konvensjonelle anordninger og fremgangsmåter for å bestemme litologi bare i noen få anvendelser har vist seg å tilveiebringe adekvate resultater, er det et bestående behov for systemer, anordninger og fremgangsmåter som tilveiebringer mer nøyaktige indikasjoner på den litologien som det bores i.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

[0005] Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en fremgangsmåte for å bestemme én eller flere egenskaper ved en undergrunnsformasjon som gjennomskjæres av et borehull, kjennetegnet ved:

(i) å bore borehullet ved å anvende et boresystem;

(ii) å måle minst én dynamisk parameter av interesse som angår boresystemet som er påvirket av litologien av formasjonen som bores, hvor målingen innbefatter et flertall av målinger av frekvens og amplitude over et spesifisert tidsintervall; og (iii) å bestemme en forandring i litologi av formasjonen som bores, ved å bruke flertallet av målinger av frekvens og amplitude.

[0006] Foretrukne utførelsesformer av fremgangsmåten er utdypet i kravene 2 til og med 10.

[0007] Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås også ved en anordning for å bestemme én eller flere egenskaper ved en undergrunnsformasjon som gjennomskjæres av et borehull, kjennetegnet ved:

(i) en bunnhullsanordning (BHA) som borer borehullet;

(ii) minst én sensor som dynamisk måler minst én parameter av interesse som angår BHA'en og som blir påvirket av en litologi til den formasjonen som det bores i, hvor målingen blir tatt nede i borehullet, og

(iii) en prosessor som er konfigurert for å bestemme en forandring i litologien ved den formasjonen som det bores i, ved å bruke et flertall av målinger av frekvens og amplitude av parameteren av interesse over en spesifisert tid.

[0008] Foretrukne utførelsesformer av anordningen er videre utdypet i kravene 12 til og med 19.

[0009] Ifølge visse aspekter tilveiebringer oppfinnelsen indikasjoner på litologien til formasjoner som det bores i. Et eksempel på et system bestemmer egenskaper ved en formasjon som det bores i, ved dynamisk å måle minst én parameter av interesse som er påvirket av litologien til formasjonen. Systemet innbefatter passende sensorer posisjonert i en bunnhullsanordning (BHA) for å ta dynamiske målinger, og kan også innbefatte sensorer posisjonert i nærheten av borkronen, langs borestrengen og ved overflaten. Ved å bruke én eller flere prosessorer bestemmer systemet minst én litologisk karakteristikk ved formasjonen som bores, ved å bruke sensormålingene i forbindelse med forutbestemte litologiske modeller.

[0010] Eksempler på parametere av interesse som måles ved hjelp av brønnhullssensorene, innbefatter vekt på borkronen (WOB), nede i hullet, dreiemoment på borkronen (TOR), borkroneomdreininger (RPM), aksial borkroneakselerasjon, tangensial akselerasjon og lateral akselerasjon. Disse målingene kan være øyeblikksverdier, maksimums- og/eller minimumsverdier. Eksempler på parametere av interesse målt ved hjelp av overflatesensorene innbefatter inntrengningshastighet (ROP) og vekt på borkronen fra overflaten. Dynamiske målinger av én eller flere av disse parameterne sammen med andre målte parametere blir behandlet av prosessoren ved å bruke de litologiske modellene som er lagret i en lagringsmodul. Egnede modeller kan utledes fra uttrykk slik som

[0012] Avhengig av den type telemetrisystem som brukes (f.eks. et system med høy båndbredde eller et system med lav båndbredde), kan prosessoren være en overflateprosessor som behandler overflatemålinger og målinger overført fra BHA, en brønnhullsprosessor som behandler brønnhullsmålinger og målinger overført fra overflaten, eller en overflate- og brønnhullsprosessor som i samvirke behandler brønnhulls- og overflatemålinger.

[0013] De litologiske indikasjonene som leveres av prosessoren, kan brukes til å justere boreparameterne (f.eks. boreslamvekt), styre til en produktiv formasjon, styre bort fra en forkastning eller et annet uønsket område, overvåke BHA-helsen, og tilveiebringe nøyaktige dybdeposisjoner for laggrenser og formasjonsgrenseflater.

[0014] Eksempler på de viktigste trekkene ved oppfinnelsen er blitt oppsummert (selv om det er ganske generelt) slik at den detaljerte beskrivelsen som følger kan forstås bedre og for at de bidrag som de representerer til teknikkens stand, kan forstås. Det er selvsagt ytterligere trekk ved oppfinnelsen som vil bli beskrevet i det etterfølgende og som vil være grunnlag for de vedføyde patentkrav.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0015] For å få en detaljert forståelse av foreliggende oppfinnelse skal det vises til de følgende detaljerte beskrivelsene av de foretrukne utførelsesformene, tatt i forbindelse med de ledsagende tegninger:

Fig. 1 er et blokkskjema over et eksempel på et system i samsvar med foreliggende oppfinnelse for å bestemme litologien til en formasjon under boring;

Fig. 2 er et oppriss av et eksempel på et boresystem som benytter en metodologi som på fig.1 i samsvar med foreliggende oppfinnelse;

Fig. 3A-E illustrerer plottinger av gammastråle-, resistivitets-, ROP-, dreiemoment- og WOB-verdier som funksjon av dybde D;

Fig. 4A-C illustrerer plottinger av henholdsvis X-akselerasjon, Z-akselerasjon og HFRMS som funksjon av dybde D;

Fig. 5A-C illustrerer henholdsvis plottinger av S1, RPM (Max) og RPM (Min) som funksjon av dybde D;

Fig. 5D-F illustrerer henholdsvis plottinger av gammastråling, ROP, maksimal lateral akselerasjon som funksjon av dybde D;

Fig. 5G-I illustrerer henholdsvis plottinger av gammastråling og ROP, tangensial akselerasjon og maksimal tangensial akselerasjon som funksjon av dybden D;

Fig. 6A-C illustrerer henholdsvis plottinger av BM-X, BM-XY og BM som funksjon av dybde D;

Fig. 7 illustrerer en kryssplotting av RD/WN og gammastråling;

Fig. 8 illustrerer en kryssplotting av borerespons og gammastråling;

Fig. 9 illustrerer en kryssplotting av dynamisk borerespons og gammastråling;

Fig. 10 illustrerer en kryssplotting av RD/WN og T/WD for et første dybdeområde;

Fig. 11 illustrerer en kryssplotting av RD/WN og T/WD for et annet dybdeområde;

Fig. 12A-C illustrerer henholdsvis plottinger av dynamiske boreresponser, boringsegenskaper og dimensjonsløst dreiemoment som funksjon av dybde D;

Fig. 13A-C illustrerer henholdsvis plottinger av gammastrålings-, resistivitets- og boreresponser som funksjon av dybde D; og

Fig. 14A-E illustrerer henholdsvis plottinger av gammastråling, resistivitet, skjærstyrke, bergartsstyrke og dynamisk styrke som funksjon av dybden D.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

[0016] Beskrivelsen av foreliggende oppfinnelse kan anvendes i et antall arrangementer for generelt å forbedre boringsprosessen ved å tilveiebringe indikasjoner på litologien til den formasjonen som det bores i. Som kjent refererer formasjonslitologi generelt til en grunnformasjons- eller bergarts-karakteristikk slik som beskaffenheten av mineralinnholdet, kornstørrelse, tekstur og farge. Slike forbedringer kan innbefatte redusert boretid og tilhørende kostnader, sikrere boringsoperasjoner, mer nøyaktig boring, forbedring i ROP, forlenget borestrenglevetid, forbedret borkrone- og kutterlevetid, reduksjon i slitasje og påkjenninger på BHA og en forbedring av borehullskvaliteten. Foreliggende oppfinnelse kan benyttes i forbindelse med utførelsesformer av forskjellige typer. Det er vist på tegningene og vil bli beskrevet i detalj i beskrivelsen spesielle utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse med den forståelse at foreliggende oppfinnelse må anses som en eksemplifisering av prinsippene bak oppfinnelsen, og ikke er ment til å begrense oppfinnelsen til det som er illustrert og beskrevet her.

[0017] Det vises nå til fig.1, hvor det er vist i blokkskjemaform til et eksempel på et system 10 laget i samsvar med foreliggende oppfinnelse for å bestemme litologien til en formasjon som det bores i. Systemet 10 innbefatter en prosessor eller flere prosessorer 12 som kommuniserer med brønnhulls- og overflate-sensorer 14 for å bestemme litologien til den formasjonen som det bores i. Sensorene 14 innbefatter én eller flere sensorer som dynamisk kan måle boreparametere slik som øyeblikkelig dreiemoment, vekt på borkronen og RPM for borkronen. Med ”dynamiske” målinger er det ment målinger av en parameter ved et spesielt punkt i tid i stedet for måling over en tidsperiode. Over en periode på fem sekunder kan f.eks. den målte RPM for borestrengen være 100 RPM. ”Dynamiske” målinger av RPM over det samme tidsrommet på fem sekunder innbefatter fem målinger tatt ved ett sekunds intervaller (f.eks. nitti RPM, etthundreogti RPM, etthundreogfem RPM, nittifem RPM og etthundre RPM). Dynamiske målinger kan dermed tilveiebringe flere detaljer med hensyn til oppførselen av en borkrone, en borestreng eller en BHA under boring.

[0018] Prosessoren 12 benytter litologiske indikasjonsmodeller 16 sammen med programmerte databaser 18 og 20 til å behandle sensormålingene for å fastslå den litologiske beskaffenheten til formasjonen. Som diskutert mer detaljert nedenfor, kan modellene 16 være teoretisk eller empirisk utledede uttrykk som kan brukes til å evaluere de målte dataene og bestemme om de målte dataene indikerer en endring i formasjonslitologien. BHA-databasen 18 kan innbefatte informasjon slik som borkronediameter og andre slike ”faste” utstyrsdata. BHA-databasen 18 kan også innbefatte data for å bestemme om de behandlede måledataene indikerer en endring i litologi eller om de behandlede måledataene antyder en annen situasjon; f.eks. en svikt i en BHA-komponent ( f.eks. fastkilte/ sviktende lagre), tann/kutter-slitasje, boring på en stabilisator, osv. Slike data kan akkumuleres, f.eks. fra tidligere BHA-operasjonskjøringer eller prediktiv modellering. Ytterligere andre data 20 som kan brukes i prosessoren 12, innbefatter seismiske overflatedata og brønn-offsetdata.

[0019] Prosessoren eller prosessorene 12 mater ut en indikasjon 22 på litologien som kan tjene et antall formål. Som vist i blokk 24, kan indikasjonen 18 brukes til å optimalisere eller justere boringsparametere, til å avgi boringsvarsler i forbindelse med forkastninger, høytrykkssoner, til å geostyre BHA, til å korrigere eller supplere seismiske overflatedata, osv.

[0020] Det vises nå til fig.2 hvor det er vist et eksempel på et boresystem 20 som benytter aspekter ved systemet på fig.1. Som vist innbefatter en konvensjonell rigg 22 et boretårn 24, et tårndekk 26, heiseverk 28, en krok 30, en svivel 32, en drivrørskjøt 34 og et rotasjonsbord 36. En borestreng 38 som innbefatter en borerørseksjon 40 og en vektrørseksjon 42 strekker seg nedover fra riggen 22 ned i et borehull 44. Vektrørseksjonen 42 innbefatter fortrinnsvis et antall rørformede vektrørorganer som er forbundet med hverandre, innbefattende en delanordning for måling-under-boring (MWD) og en samvirkende telemetridataoverføringsdelenhet som kollektivt blir referert til i det etterfølgende som ”MWD-systemet 46”. Borestrengen 38 innbefatter en borkrone 56 innrettet for å bryte opp en geologisk formasjon, og kjente komponenter slik som skyveranordninger, slammotorer, styringsenheter, stabilisatorer og andre slike komponenter for å lage et borehull gjennom undergrunnsformasjonen 14. Andre relaterte komponenter og annet relatert utstyr i systemet 20 er velkjent på området og blir ikke beskrevet i detalj her.

[0021] Man vil også forstå at andre anvendelser enn rotasjonsdrivanordninger (f.eks. oppkveilingsrøranvendelser) kan benytte annet utstyr slik som injektorer, oppkveilingsrør, en boremotor, skyveranordninger, osv. Boresystemer som benytter oppkveilingsrør som borestreng, er innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse.

[0022] MWD-systemet 46 innbefatter sensorer, kretser og behandlingsprogramvare og algoritmer for å tilveiebringe informasjon om ønskede dynamiske boreparametere vedrørende BHA, borestrengen, borkronen og brønnhullsutstyret, slik som en boremotor, en styringsenhet, skyveranordninger, osv. (kollektivt en bunnhullsanordning eller BHA). Eksempler på sensorer innbefatter, men er ikke begrenset til, borkronesensorer, en RPM-sensor, en sensor for vekt på borkronen, sensorer for måling av slammotorparametere (f.eks. temperatur i slammotorstatoren, differensialtrykksensorer over en slammotor og fluidstrømningshastighet gjennom en slammotor), og sensorer for måling av akselerasjon, vibrasjon, virvling, radial forskyvning, lugging, dreiemoment, støt, vibrasjon, strekk, spenning, bøyebevegelse, borkronesprett, aksial skyvkraft, friksjon, bakoverrotasjon, BHA-oppkveiling og radial skyvkraft. Sensorer som er fordelt langs borestrengen, kan måle fysiske størrelser slik som borestreng-akselerasjon og strekk, interne trykk i borestrengboringen, eksternt trykk i ring rommet, rotasjon, temperatur, elektrisk og magnetisk feltintensiteter inne i borestrengen, boringen i borestrengen, osv.

Passende systemer for å ta dynamiske brønnhullsmålinger innbefatter COPILOT, et brønnhullsmålesystem fremstilt av Baker Hughes Incorporated. Passende systemer er også diskutert i ”Downhole Diagnosis of Drilling Dynamics Data Provides New Level Drilling Process Control to Driller”, SPE 49206, av G. Heisig og J. D. Macpherson, 1998, som herved inkorporeres ved referanse for alle formål.

[0023] MWD-systemet 46 kan innbefatte én eller flere brønnhullsprosessorer 70. Prosessoren eller prosessorene 70 kan være mikroprosessorer som benytter et dataprogram implementert på et passende maskinlesbart medium som setter prosessoren i stand til å utføre styringen og behandlingen. Det maskinlesbare mediet kan innbefatte ROM-er, EPROM-er EAROM-er, flash-lagre og optiske plater.

Annet utstyr slik som kraft- og databusser, kraftforsyninger og lignende vil være opplagte for en fagkyndig på området.

[0024] I en utførelsesform benytter MWD-systemet 46 slampulstelemetri til å kommunisere data fra en brønnhullsposisjon til overflaten under boringsoperasjoner. For å motta data på overflaten er en transduser 60 tilveiebrakt i kommunikasjon med slamforsyningsledningen 54. Denne transduseren genererer elektriske signaler som reaksjon på variasjoner i boreslamtrykket. Disse elektriske signalene blir overført ved hjelp av en overflateleder 62 til en elektronisk prosessor 64 på overflaten som fortrinnsvis er et databehandlingssystem med en sentralprosessor for å utføre programinstruksjoner, og for å reagere på brukerkommandoer. For systemer som benytter slampulstelemetri eller andre systemer med begrenset dataoverføringskapasitet (f.eks. båndbredde), kan prosessoren 12 i systemet på fig. 1 benytte brønnhullsprosessoren 70 i forbindelse med overflateprosessoren 64. Brønnhullsprosessoren 70 kan f.eks. behandle de målte data i borehullet og overføre reduserte data og/eller signaler som indikerer den litologien som bores, til overflaten. Overflateprosessoren 64 kan behandle de overflatemålte dataene sammen med data overført fra brønnhullsprosessoren 70 for å evaluere formasjonslitologi.

[0025] I en annen utførelsesform benytter MWD-systemet 46 et telemetrisystem som tilveiebringer forholdsvis høy båndbredde, f.eks. ledningstråder eller kabler anordnet i eller langs borestrengen, RF- eller EM-baserte systemer, eller andre systemer. I slike systemer kan ”rådata” eller ubehandlede data i tillegg til eller i stedet for behandlede data overføres til overflateprosessoren 64 for behandling. I et slikt arrangement behøver brønnhullsprosessoren 70 ikke å være tilstede. I andre arrangementer blir overflatemålingene overført ned i hullet, og brønnhullsprosessoren 70 behandler overflate- og brønnhullsdata. I dette arrangementet er bare brønnhullsprosessoren 70 nødvendig for å fremskaffe litologiske indikasjoner. Det skal derfor bemerkes at et antall arrangementer kan benyttes for prosessoren 12 på fig.1, f.eks. en overflateprosessor som behandler brønnhulls- og overflatemålinger, en brønnhullsprosessor som behandler brønnhulls- og overflatemålinger, og en overflate- og brønnhullsprosessor som i samvirke behandler brønnhulls- og overflatemålinger.

[0026] Det vises fremdeles til fig.1 hvor prosessorene 12 benytter de forhåndsprogrammerte litologi-indikasjonsmodellene 16 som benytter målinger av én eller flere parametere som kan være påvirket av litologien til den formasjonen som det bores i. Disse parameterne innbefatter, men er ikke begrenset til, dreiemoment nede i borehullet på borkronen (DTOB), brønnhullsvekt på borkronen (DWOB), umiddelbar RPM av borestrengen nede i hullet, og bevegelse av borkronen og borestrengen (torsjonsakselerasjon, aksial borkroneakselerasjon, ROP, tangensial akselerasjon, lateral akselerasjon). Modellene 16 behandler enten delvis eller i samvirke de målte dataene for å fastslå endringer i formasjonslitologien til de borede formasjonene. Målinger av slike parametere reagerer forskjellig på forskjellige litologier under boring. Modellene 16 kan følgelig benytte en lang rekke forskjellige måter eller metodologier for å kvantifisere endringer i målte verdier av disse parameterne (f.eks. størrelse, helning, maksima, minima, osv.). Modellene 16 kan være i form av programvare, algoritmer eller instruksjoner lastet inn i en lagringsmodul (ikke vist) i prosessoren 12.

[0027] Illustrerende metodologier som er egnet for utvikling av modellene 16, blir beskrevet nedenfor. Basert på analysen av vekselvirkning mellom en PDC-borkrone (eller bergartsborkrone) og bergartsformasjonen (under boringstilstander på stedet), er det blitt vist at:

(1)

Hvor T representerer dreiemoment på borkronen, W representerer brønnhullsvekten på borkronen, R er ROP, N er RPM og D er borkronediameteren. I det ovenfor angitte uttrykket er også σ og� representative for boringen og skjærstyrkene til formasjonen, og θ og β representerer tilbakebestrykende og sidebestrykende bitkuttervinkler. Det skal også bemerkes at σ og� som definert ovenfor er funksjoner av poretrykk, bergartskompresjonsstyrke, friksjonskoeffisient og bor-

kronegeometri. I ligning 1, blir parameterne kalt henholdsvis

normaliserte (eller dimensjonsløse) dreiemoment og bergartsborbarhet. Diskusjon av disse og andre relasjoner er gitt i Jogi, P.N. & Zoeller W.A., “The Application of a new drilling model for evaluating formation and Downhole Drilling Conditions”, 7<th>SPE Petroleum Computer Conference, Houston, Texas, 19-22 juli, 1992, som herved inkorporeres ved referanse for alle formål. Den inverse borbarheten er kjent som bergartsstyrke (eller boringsstyrke). Det har blitt vist at bergartsstyrke er

en funksjon av σ og det normaliserte dreiemomentet er en funksjon av Begge

disse parameterne er derfor funksjoner av litologiske endringer. Det er blitt vist at endringer i borkronedreiemomentet/vekt-forholdet og borbarheten kan brukes til å klassifisere porøse skifrige eller harde formasjoner. Slike endringer blir videre også påvirket av formasjonstrykk.

[0028] Boringsrespons, definert av uttrykket har vist seg å være relatert til

bergartens boringsstyrke og skjærstyrke ved følgende uttrykk:

(2)

Hvor η blir kalt slitasjefaktoren og er lik 1 for en ny borkrone. Det ovennevnte uttrykket kan også skrives som

(3)

I dette uttrykket representerer det første leddet på høyre side formasjonsrespons og de andre to leddene er funksjoner av formasjonskompaktering og borkroneslitasje. Plottet på en logaritmisk skala representerer derfor boringsresponskurven en formasjonslogg, og dens helning er en funksjon av formasjonens kompaktering og borkroneslitasje.

[0029] Basert på utledede modeller for rullemeiselkroner er det blitt vist at

(4)

Hvor dc er konusdiameteren (maksimal), b er tannbredde, η representerer antallet tenner pr. konus, θ og Φ representerer kronetannvinkel og formasjonens interne friksjonsvinkel, K1 er en formasjonsrelatert parameter og K2 er en funksjon av den interne friksjonsvinkelen og differensialtrykk og bergartsskjærstyrke. Ligning 4 kan derfor uttrykkes som

(5)

For PDC-kroner, er boringsresponsen gitt ved

(6)

Hvor

(7)

I ligning (7) er β kuttertilbakestrykningsvinkelen, ζ er formasjonens friksjonsvinkel, pm og pp representerer henholdsvis slamtrykket og poretrykket, og c er formasjonskohesjonsstyrken. Dette uttrykket har den sammen formen som borbarhet, som diskutert ovenfor. Parameterne dr<p>og dr<p>i ligningene (5) og (7) funksjoner av litologi, differensialtrykk og kutteregenskaper, og representerer derfor boringsrespons.

[0030] Variasjonen av dreiemoment omkring en middelverdi forårsaket av lugging er sterkt relatert til friksjonsegenskapene til den litologien som bores. Det gjennomsnittlige dreiemomentet er på den annen side relatert til bergartsstyrke. Dreiemomentsvingninger kan derfor variere med forskjellige litologier, spesielt i tilfelle med PDC-kroner. Endrede litologier kan også forårsake endringer i kronestøy (også kalt SNAP) uttrykt ved frekvens og amplitude. Dette kan videre bidra til prosessen med litologisk identifikasjon brukt i forbindelse med ROP. Frakturerte formasjoner kan f.eks. oppvise et plutselig tap av SNAP med en plutselig økning i ROP.

[0031] Umiddelbar økning av RPM (sammenlignet med middelverdien) nede i borehullet kan i likhet med dreiemomentet også vise betydelig endringer som skyldes forskjeller i luggingsmønstrene i foranderlige litologier. Når kronen imidlertid borer inn i formasjonen, slites tennene (og kuttere brekker) og taper derfor sin aggressivitet. Dette viser seg som reduksjon i både statisk og dynamisk dreiemomentkorrelasjon for reduksjonen i dynamisk dreiemoment og statisk dreiemoment med tendens i ROP som kan bidra til å identifisere denne prosessen. Konuslåsing kan forårsake at en friksjonskrone virker som en PDC-krone og derved resulterer i tap av SNAP-energi. Kronetilstopping og lagerslitasje som kan forårsake tannbrekkasje, kan likeledes også forårsake tap av SNAP-energi. Kronerelaterte problemer blir derfor betraktet mens litologier analyseres.

[0032] De tre parameterne DWOB, DTOB, RPM (øyeblikkelige) og den resulterende bitakselerasjonen (aksial) (av SNAP) OG ROP, som alle blir påvirket av litologien som det bores i, eller en sammensatt logg bestående av disse parameterne, kan brukes til å detektere litologiske endringer under boring.

[0033] Bruk av den antagelse at formasjonsresponsen er en funksjon av vekt på borkronen (W), dreiemoment på borkronen (T) RPM (N), aksial akselerasjon (Ax), ROP og kronediameter (D), indikerer dimensjonsmessig analyse at formasjonsendringen er relatert til endringer i de følgende grupperte boringsparametere, hvorav noen er den velkjente modellen for utledede parametere som er diskutert ovenfor:

(i) kjent som bergartssårbarhet, er den inverse verdien av

bergartsstyrke;

(ii) representerer boringsresponsen basert på SLDT-modellen

(rullemeiselkroner);

(iii) er kjent som boringsresponsen;

(iv) som kan kalles dynamisk boringsrespons;

(v) som er kjent som det normaliserte (eller dimensjonsløse)

dreiemomentet;

<(vi)> som er relatert til formasjonsskjærstyrken.

[0034] Bortsett fra det dynamiske boringsresponsuttrykket som ble utledet fra den dimensjonsmessige analysen, innebærer den andre modellen og den dimensjonsmessige analysen utledede parametere under benyttelse av ROP, som er en parameter målt på overflaten. Det dynamiske boringsresponsuttrykket benytter bare dynamisk målte parametere.

[0035] Testdata som har dynamiske målinger, ble bruk til å beregne de forskjellige parameterne som er diskutert ovenfor. Resultatene av denne analysen ble sammenlignet med to litologiindikatorlogger: gammastråling og elektromagnetisk forplantningsresistivitet (fase og amplitude). Gammastrålingskurven som utskiller potensielle produktive formasjoner (sandsten og kalksten) fra andre litologier, er hovedsakelig en skiferlogg ettersom den avspeiler skiferinnholdet i en formasjon. Det elektromagnetiske forplantnings-resistivitetsverktøyet tilveiebringer fasedifferansen og dempningen ved et signal med konstant frekvens som forplanter seg gjennom formasjonen.

[0036] Disse to målingene representerer fase- og amplitudeendringene i signalet mellom to mottakerantenner og er inverst relatert til endringene i formasjonsresistivitet.

[0037] Den borede formasjonen består av fire generelle litologier: (i) leirstein og skifer fra et første dybdeintervall 90, (ii) kalksten, mindre hard flint og skifer i et annet dybdeintervall 92, (iii) kalk i et tredje dybdeintervall 94, og (iv) leirstein / siltsten i et fjerde dybdeintervall 96. Det skal bemerkes at de kurvene som er vist på de figurene som diskuteres nedenfor, er blitt hensiktsmessig benevnt og representerer tilnærmelser istedenfor aktuelle data, som selvsagt varierer fra formasjon til formasjon.

[0038] Fig.3A-E viser plottinger av gammastråling (fig.3A), resistivitet (fig.3B), brønnhullsvekt på krone (DWOB) (fig.3C), brønnhullsdreiemoment på krone (DTOB) (RMS og gjennomsnittverdi) (fig.3D) og inntrengningshastighet (ROP) (fig. 3E) som funksjon av dybde. En korrelasjon mellom formasjonsendringer og tilsvarende endringer i de tre målte parameterne, spesielt ROP og DTOB, observeres. DTOB og ROB forblir konstante under et leirsteins-skiferintervall 90. ROP, DTOB og DWOB oppviser så en endring ved en dybde 102, fulgt av en annen endring ved en dybde 104 osv. Disse endringene kan observeres i både gammastrålings- og resistivitetsplottingene. Kurver for DTOB- og DWOB-plottinger som representerer de gjennomsnittlige verdiene, er merket med tallet 106. Kurver for DTOB- og DWOB-plottinger som representerer RMS-verdiene, er merket med tallet 108.

[0039] Figurene 4A-4C viser plottinger av x-akse-akselerasjon (fig.4A), zakseakselerasjon (fig.4B) og aksial høyfrekvent spenning (HFRMSR) som også kalles SNAP (fig.4C). Dybdeverdiene på figurene 4A-C svarer generelt til den dybden som er vist på fig.3A. X-akselerasjonsplottingen (lateral) innbefatter plottinger av en maksimal ett sekunds lateral RMS akselerasjonskurve 110, en maksimal lateral akselerasjonskurve 112 og en maksimal lateral RMS-akselerasjonskurve 114. Z-akselerasjonsplottingen viser den aksiale maksimumsakselerasjonskurven 116 og maksimum for en annen aksial RMS-akselerasjonskurve 118. Disse plottingene viser en viss aktivitet eller endringer i leirsteinsområdet og kalkområdet, men viser generelt ikke noen klare endringer ved eller omkring posisjonen til litologiendringene. Likevel kan modifikasjoner / justeringer av plasseringen av sensorene, driftsparameterne, BHA-utforming, behandlingsmetode/formler resultere i parametere som tilveiebringer indikasjoner på litologisk endring.

[0040] Fig.5A-C viser plottinger av lugging (S1) (fig.5A), maksimal RPM (fig.5B) og minimums-RPM (fig.5C). Dybdeverdiene på figurene 5A-C svarer generelt til den dybden som er vist på fig.3A. I likhet med dreiemoment endres også maksimal, umiddelbar RPM også med endringer i litologi. Dette skyldes fenomener slik som lugging forårsaket av friksjon mellom borkronen og formasjonen. Lugging som representerer forholdet mellom endring i RPM (maksimal RPM minus minimal RPM) med hensyn til gjennomsnittlig RPM, viser derfor lignende endringer.

Akkurat som dreiemomentet synes derfor den umiddelbare RPM å være en god indikator på formasjonsendringer.

[0041] Figurene 5E & F viser plottinger av ett-sekunds tangensial akselerasjon (fig. 5E) og maksimal tangensial akselerasjon (fig.5F) som funksjon av dybde. Fig. 5D viser gammastråling 502 og ROP 504 som funksjon av dybde. Dybdeverdiene på fig.5E & F overensstemmer generelt med den dybden som er vist på fig. 5D. I likhet med dreiemoment endres tangensial akselerasjon også med endringer i litologi. Som en illustrasjon er kompakteringshellinger 506 og 508 vist. Som man kan se, opptrer en korrelasjon mellom målingene av tangensial akselerasjon, både i ett-sekundsintervallet og ved maksimalverdien, og gammamålingene.

Akkurat som dreiemomentet viser tangensiale akselerasjoner seg å være en god indikator på formasjonsendringer.

[0042] Fig.5H & I viser plottinger av lateral akselerasjon (fig.5H) og maksimal lateral akselerasjon (fig.5I) som funksjon av dybde). Fig.5G viser gammastråling som funksjon av dybde. Dybdeverdien på fig.5E & F svarer generelt til den dybden som er vist på fig.5D. I likhet med dreiemoment endres også tangensial akselerasjon med endringer i litologi. Som en illustrasjon er en kompakteringshelning vist. Som det kan ses, opptrer det en korrelasjon mellom målingene av tangensial akselerasjon, både i intervallet på ett sekund og den maksimale verdien, og gammamålinger. Akkurat som den tangensiale akselerasjonen viser det seg at lateral akselerasjon er en god indikasjon på formasjonsendringer.

[0043] Fig.6A-C viser plottinger av bøyemoment som funksjon av dybde, innbefattende en plotting av x-bøyemoment (BM-X) (fig.6A), en plotting av bøyemomentet (BM-XY) (kvadratroten av summen av x- og y-bøyemomentene (fig.6B), og en plotting av det resulterende bøyemomentet (BM) (kvadratroten av summen av kvadratene av tre bøyemomenter, innbefattende brønnhullsdreiemoment) (fig. 6C). Dybdeverdiene på figurene 6A-C svarer generelt til den dybden som er vist på fig.3A. Som vist oppviser BM-kurven merkbare endringer med hensyn til litologi. Dette kan tilknyttes innbefatningen av brønnhullsdreiemomentet.

[0044] Fig.7 viser kryssplottingen av borbarhet (REWN) og gammastråling. Som det kan ses, er det fire distinkte datapunktklynger ved forskjellige gammastrålingsnivåer. Hver klynge med punkter viser en lineær relasjon mellom gammastråling og borbarhet med forskjellige skjæringer og stopp for hver klynge. En første klynge 120 med punkter på plottingen er for det meste leirstein og skifer. En annen klynge 122 av punkter er for det meste flint og skifer. En tredje klynge 124 er kalkseksjonen. En fjerde klynge 126 med punkter representerer leirstein/siltstenseksjonen. Figurene 8 og 9 viser de tilsvarende plottingene for boringsrespons og dynamisk boringsrespons. Den positive helningen for hver gruppe i de tre plottingene, viser at formasjonsrelatert respons øker med en økning i gammastrålingsrespons.

[0045] Figurene 10 og 11 viser kryssplottinger av borbarhet (RD/WN) og dimensjonsløst dreiemoment (T/WD). Plottingene viser fire distinkte dataklyngepunkter 130, 132, 134 og 136, der hver klynge viser et tilnærmet lineært forhold mellom de to parameterne. Klyngen 130 med punkter synes å nesten samme helning som klyngen 134 som indikerer nesten lignende mekaniske egenskaper. Klyngen 132 med punkter viser en lavere helning.

[0046] Det skal bemerkes av skjæringen ved ROP = 0 (se ligning 1), er dreie-

momentet som funksjon av vekten en funksjon av friksjonskoeffisienten,<�>. Hver 4 av disse klyngene har forskjellig skjæring, noe som indikerer en annen litologi. Den høyere skjæringsverdien i tilfellet med klyngen 134 og klyngen 130 indikerer en høyere friksjonskoeffisient sammenlignet med den blå klyngen 136 (leirstein / siltsten). Basert på verdiene av skjæringene, er det klart at et høyere dreiemoment/vekt-forhold er nødvendig for å innlede boring i kalken enn i leirstein / siltsten-litologien. Helningen av hver klynge er en funksjon av borings- og skjærstyrke. Denne plottingen viser generelt at de to parameterne individuelt (dvs. borbarhet og dimensjonsløst dreiemoment) er gode indikatorer på litologi.

[0047] Figurene 12A-C viser plottinger av dynamisk boringsrespons (fig.12A), borbarhet (fig.12B) og dimensjonsløst dreiemoment (fig.12C). Dybdeverdiene på figurene 12A-C svarer generelt til den dybden som er vist på fig.3A. Den dynamiske boringsresponsen, borbarheten og de dimensjonsløse plottingene oppviser god korrelasjon med gammastrålings- og resistivitetsmålingene.

[0048] Figurene 13A-C viser plottinger av gammastråling (fig.13A), resistivitet (fig. 13B) og en plotting av boringsrespons (fig.13C) plottet på en logaritmisk skala. Dybdeverdiene på figurene 12A-C svarer generelt til den dybden som er vist på fig.3A. Plottingen viser god korrelasjon mellom boringsresponser og gammastråling.

[0049] Figurene 14C-E viser plottinger av skjærstyrke (TN/RD2) (fig.14C), bergartsstyrke (WN/RD) (fig.14D) som er den inverse verdien av borbarhet, og plotting av dynamisk styrke (W2N2/T Ax) (fig.14E), som er den inverse verdien av dynamisk respons i styrkeenheter. De tre plottingene viser også en korrelasjon med plottinger av både resistivitet (fig.3A) og gammastråling (fig.3B).

[0050] Som vist på figurene 3-14, kan dynamiske målinger og modellavledede uttrykk brukes som formasjonsendringsindikatorer under boring. Figurene som er beskrevet ovenfor, er vist forskjøvet med hensyn til dybde der hvor det er mulig å illustrere ytterligere forhold og korrelasjoner som kan utvikles mellom endringer i litologi og målte parametere. Det skal bemerkes at de ovenfor beskrevne litologiindikator-parameterne bare er eksempler på de dynamiske målings- og modellutledede uttrykkene som kan brukes til å bestemme litologiindikasjoner under boring. I tillegg til aksial, lateral og tangensial akselerasjon kan f.eks. torsjonsmessig akselerasjon også brukes i visse anvendelser. Akselerasjon, bøyemoment og SNAP (HFRMS), kan f.eks. tilveiebringe en svak indikasjon på litologi i noen tilfeller, men kan tilveiebringe sterkere indikasjoner med spesielle modellutledede uttrykk, BHA-konfigurasjon eller et sett med driftsparametere.

Behandlede dynamiske parametere (for eksempel aksial hastighet utledet ved å integrere den aksiale akselerasjonen) kan f.eks. benyttes som erstatning for ROP i boringsmodell-parametergruppene.

[0051] Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer dermed generelt metoder hvor én eller flere brønnhullsmålte parametere blir valgt for dynamisk måling. En egenskap ved den valgte parameteren eller de valgte parameterne er at en endring i litologien til formasjonen som det bores i, har en skjelnbar virkning på den valgte, målte parameteren. Aspekter ved foreliggende oppfinnelse innbefatter derfor en fremgangsmåte for å velge en egnet parameter ved å sammenligne dynamiske målinger av valgte parametere med kjente litologiske data. Denne sammenligningen kan innbefatte å bestemme styrken til korrelasjonen mellom endringer i målingene av den valgte parameteren og de kjente litologiske dataene. Litologiske modeller kan dannes basert på parametermålingene som har en forholdsvis sterk korrelasjon med litologi. Litologiske modeller basert på én eller flere av disse målte parameterne kan deretter benyttes til å fremskaffe en indikasjon på litologi under boring. Andre metodologier og systemer er beskrevet i US-patent nr.5,415,040 og 4,852,399, som herved inkorporeres ved referanse for alle formål.

[0052] Det vises nå til figurene 1 og 2 hvor det i et eksempel på en boringsoperasjon er anordnet en rotasjonskraft ved overflaten og/eller nede i hullet som roterer borkronen 56. Kronen bryter opp bergarter og jord og danner derved et brønnhull gjennom formasjonen. Én eller flere prosessorer 12 behandler kontinuerlig eller periodisk overflatedata og brønnhullsdata, innbefattende dynamiske målinger, for å bestemme om formasjonen som det bores i ved hjelp av borkronen 56, har en litologisk sammensetning som skiller seg fra den formasjonen som allerede er boret. Denne litologiske indikasjonen kan fortrinnsvis oppnås forholdsvis hurtig, dvs. når borkronen 56 kommer inn i den nye litologien, istedenfor når MWD-verktøyet 46 som kan spore borkronen 56 med mer enn femti fot, kommer inn i den nye litologien.

[0053] Som diskutert tidligere, kan de litologiske indikasjonene brukes på flere måter. Hvis f.eks. de litologiske indikasjonene antyder ankomst til en høytrykkssone, så kan slamvekten økes tilsvarende for å regulere borehullstrykket. Hvis derimot litologiindikasjonene antyder forholdsvis lavt poretrykk, kan slamvekten minskes for å hindre skade på formasjonen. Systemet 10 kan videre tilveiebringe en tidlig indikasjon på grenser eller grenseflater mellom forskjellige undergrunnsformasjoner. I situasjoner hvor litologien er ugunstig, kan derfor ”musehullet” inn i den ugunstige litologien, minimaliseres. Litologiindikasjonen kan også brukes til å levere seismiske overflatedata med mer nøyaktige dybdeposisjoner for laggrenser og formasjonsgrenseflater.

[0054] Selv om foretrukne utførelsesformer er blitt vist og beskrevet, kan forskjellige modifikasjoner og erstatninger gjøres uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. Det skal følgelig bemerkes at foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet ved hjelp av illustrasjoner og ikke begrensninger.