在页岩地层中钻设侧井的方法和系统的制作方法
【专利摘要】在页岩地层中钻设侧井。至少一些示意实施例的方法包括：用包括钻头的钻柱来钻设通过页岩地层的斜钻孔；用设置在所述钻柱内的测井工具来测录所述页岩地层；随所述钻设实时地估测所述钻头附近的部分所述页岩地层的压裂潜能，所述压裂潜能的估测是基于由所述测井工具获取的信息；以及基于所述压裂潜能来控制钻井方向。
【专利说明】在页岩地层中钻设侧井的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]无。
【背景技术】
[0003]水平钻井和水力压裂技术中的改进已经导致能够从页岩地层中经济地开采碳氢化合物(主要为天然气)。然而，水平钻孔(也被称为侧井(lateral))的布置需要特别的精度。例如，页岩地层可以位于在地面以下数千英尺处，并且页岩地层自身可以是大约1000英尺厚。在例示的1000英尺厚度内，只有几个相对较薄的地带(每个地带大约几十英尺厚)可作为用于布置侧井和提取油气的适当位置(即，目标地带)。在目标地带之外，虽然提取油气是可能的，但这种提取在大多数情况下都并非经济可行的。
[0004]另外，诸如断层作用(faulting)和差异压实(differential compaction)等物理现象会使得目标地带的真实垂直深度视页岩地层内的水平位置而不同。即使能够在特定位置处识别到用于布置侧井的目标地带(例如在垂直勘测钻孔处)，目标地带的精确深度也会视距该特定位置的距离而变化。
[0005]因而，任何能够造成更好地识别目标地带以及在这些目标地带内更一致地的布置侧井的改进都将提供竞争优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]为了详细说明示例性实施例，现在将参考说明书附图，其中:
[0007]图1显示页岩地层的截`面图以解释在此处描述的各实施例之前是如何布置侧井；
[0008]图2显示根据至少一些实施例的钻井系统；
[0009]图3显示页岩地层的截面图以解释根据各实施例的侧井布置；
[0010]图4显示根据至少一些实施例的方法；
[0011]图5显示根据至少一些实施例的计算机系统；
[0012]图6显示根据至少一些实施例的测井工具。
【具体实施方式】
[0013]符号及术语
[0014]贯穿以下说明书和权利要求书使用特定的术语来指代特别的系统组件。本领域技术人员将理解，油田服务公司可用不同的名称来指代一个组件。本文并不打算区分在名称而非功能上有所不同的组件。在以下的讨论以及在权利要求书中，术语“包括”和“包含”是以开放的方式来使用，因而应解释成意为“包括，但不限于…”。另外，术语“耦接”或“连接”意图表示间接或直接连接。因而，如果第一装置耦接至第二装置，则该连接可以是通过直接连接或者通过间接的电连接。
[0015]“实时”应当意指在进行钻设钻孔的同时并且在钻孔长度增加50英尺之前完成与该钻孔有关的任务。[0016]涉及钻头(drill bit)的“附近”应当意指在该钻头的100英尺以内。
[0017]“斜(deviated)钻孔”应当意指距垂直偏离二十(20)度或更大角度的钻孔。
[0018]“机械特性”应当意指材料对于所施加机械力(例如应力或应变)的预期响应，而不是指电学特性(即电阻率、介电强度)、物理特性(例如孔隙度、渗透率)、或者材料的油气(碳氢化合物)的饱和指标。
[0019]“压裂潜能(fracture potential) ”应当意为指示一部分地层沿着第一方向压裂的承受性(susceptibility)以及该部分地层沿着第二方向压裂的承受性的一个值或一组值，其中所述第二方向垂直于所述第一方向。压裂潜能可替代地被称为“压裂指数”。
[0020]详细说明
[0021]下面的讨论涉及本发明的各个实施例。虽然优选这些实施例中的一个或多个，但所揭示的实施例不应被理解为或者被使用作为对本公开(包括权利要求书)的范围的限制。此外，本领域技术人员将理解以下说明有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意为该实施例的示例，而并非旨在暗示本公开(包括权利要求书)的范围限于该实施例。
[0022]本发明的各实施例涉及在进行页岩地层的实时地层估测的同时在页岩地层中钻设斜钻孔(尤其是在目标地带中钻设侧井)并基于在该实时地层估测中确定的页岩地层的机械特性控制钻井方向的系统和相关方法。在进入具体说明之前，讨论在相关技术中是如何进行地层估测和侧井布置有助于理解各实施例的益处。
[0023]地下页岩地层可存在于地面以下数千英尺处，并且可大约为1000英尺厚。虽然整个地层可能饱和有油气到一定程度上，但只有从该页岩地层内相对较小的地带中才能经济地产出油气，而所述相对较小的地带大约为几十英尺厚但具有相对较大的水平范围。从其中能够经济地产出油气的所述相对较小地带在本文中被称为目标地带。图1显示具有单个目标地带102 (以交叉阴影线被示出)的示意性地下页岩地层100。虽然组成页岩地层的材料最初可能被沉积成水平层，但差异压实和断层作用会导致页岩地层100和目标地带102这二者现今的真实垂直深度，其都视水平位置而有所不同，并且图1示出这种不同。例如，可能由于差异压实的作用，页岩地层100具有起伏的形状。另外，示意的页岩地层100具有断层104，其导致页岩地层100其他相关部分的垂直偏移。
[0024]在相关技术中，常常是借由钻设穿过页岩地层的一个或多个垂直钻孔(也即，垂直或基本垂直穿过页岩地层的整个厚度)来识别目标地带。一旦钻设好垂直孔，就对被垂直孔穿透的页岩地层加以测试，例如，诸如核测井、声波测井、压降测试(draw-down testing)(即渗透率测试)，以及沿页岩地层收集岩芯样本。在图1的示意性示例中，显示了两个这样的垂直钻孔，其为钻孔106和108。基于从垂直钻孔106和108收集到的样本数据来识别目标地带102。
[0025]一旦识别出相关于垂直钻孔106和108的目标地带，就假设该目标地带在垂直钻孔106和108中的相对位置之间是成线性地(即，以直线的方式)延伸。基于该假设，在识别目标地带的尝试中创建一个或多个“虚构”面层。虚构面层(synthetic surface)应当被理解为数学产物——虚假的线或面——而并非必然具有任何实际物理构成。在图1的目标地带102示例情况中，第一虚构面层110 (用虚线显示)可识别目标地带102的假设上边界，而第二虚构面层112 (也用虚线显示)可识别目标地带102的假设下边界。
[0026]基于一个或多个虚构面层110和112，钻设横向钻孔114，使得该横向钻孔的目标路径驻留在一个或多个虚构面层Iio和112之间的地带中。因而，虽然用来创建横向钻孔114 的钻柱(drill string)可具有随钻测量(measuring-while-drilling, MWD)工具(例如倾角传感器、方位传感器)以便于在页岩地层中进行相对于一个或多个虚构面层110和112的物理布置，但横向钻孔114并非以沿着目标地带102实际路径的方式来加以导向或钻设。换言之，相关技术中的导向(steering)是几何学性质的(即，涉及一个或多个虚构面层110和112)，而且并未基于页岩地层的属性来实施侧井方向的改变。即使在存在随钻测井(logging-while-drilling, LffD)工具的情况下,该LWD也将是用来与来自探边井(offsetwell)的测井相关联的伽马包(gamma package)。另外,将斜钻孔朝着虚构面层导向是不完善的技术，容易遭受欠冲(undershoot)和过冲(overshoot)。
[0027]图1因而示出了相关技术的侧井布置于页岩地层中的方式的缺点。特别地，在很多情况下，关于垂直钻井106和108之间的目标地带102的线性关系的假设并非为有效假设。由于目标地带存在于虚构面层之外以及由于侧井自身布置的不精确性这两个原因，侧井114仅可间断地接触目标地带102。在图1的示意性示例中，侧井在位置116处初始接触目标地带102，但在一段距离上失去接触，然后又在位置118处再次建立与目标地带的接触。然而，沿着示意性断层104的移位导致侧井114再次失去与目标地带的接触，最终在位置120处又接触目标地带。
[0028]在相关技术中，只有在钻设好侧井114之后，并且在很多情况下是在侧井114具有里面注有水泥的套管之后，才对侧井114测录并且以确立侧井114的哪些部分接触目标地带102的方式来进行地层估测。一种沿着侧井识别目标地带的测井为SHALEL0G?品牌的测井，其由德克萨斯州休斯顿的兰德马克图形公司(Landmark Graphics Corporation)(哈里伯顿能源服务有限公司(Haliburton Energy Services, Inc.)的分公司)出品。在相关
技术中，SHALEL0G?品牌的测井不仅基于侧井114钻设好(并且在大多数情况下是套好管)之后所获取的测井数据生成，而且SHALEL0G?品牌的测井还通过人工手动将从侧井114所取的测井与垂直钻孔106和108中得到的测井连同涉及垂直钻孔106和108中所取的岩芯样本的数据相关联来生成。
[0029]在侧井114套好管且识别出接触在侧井114和目标地带102之间的地带之后，对侧井钻孔并水力压裂钻孔附近的部分页岩地层。然而在大多数情况下，尽管事实是侧井仅会在有限数目的位置接触目标地带，但仍对沿着整个侧井的套管钻孔，并且水力压裂整个间隔。虽然在相关技术理念下创建的侧井可产出天然气，但本说明书的发明人相信能够作出很多改善。
[0030]根据各实施例，通过其中在进行对侧井的钻井时实时执行地层估测的系统和相关方法来至少部分地解决相关技术的问题和困难。然后可实施对于钻井方向的修正以增大侧井与目标地带的接触。侧井与目标地带的增大的接触导致水力压裂被施加至更大体积的目标地带，并因而导致更大的天然气产出。本说明书现在将转到这一系统的实施，开始对页岩地层以及导致一个或多个地带被识别为目标地带的机械属性进行简要说明。
[0031]页岩地层是由沉积成多层的沉淀物压实形成的岩石。术语“页岩”实际涵盖主要为粘土矿物和石英的一系列成分。在美国，存在数个含油气页岩地层，诸如美国东部的玛西拉(Marcellus)页岩，以及德克萨斯中北部的巴耐特(Barnett)页岩。无论是否为特定的页岩地层，用于产出油气的目标地带都是那些在页岩地层内于水力压裂期间更易受压裂的地带。更特别地，虽然页岩地层沿其沉积层(被称为岩层平面(bedding plane))易受压裂，但目标地带是那些在其中不仅沿着岩层面而且垂直于岩层面普遍存在压裂的地带。
[0032]发明人并不希望受限于任何导致压裂潜能指标的特定物理特性，这是因为目标地带的特性对于每个特定的页岩地层而言会改变。然而，至少有一种理论认为沉积层越厚越有利于更好的裂纹扩展，这是因为裂纹会在遇到使裂纹方向偏转的中断处(例如分层之间的边界)之前扩展得更远。除了沉积层的厚度之外或替代沉积层的厚度，页岩地层特定地带的粘土含量也可为影响因素，其中越低的粘土含量导致越好的裂纹扩展。
[0033]更多从技术上而言，作为压裂潜能指标的岩石的一个机械特性为岩石的脆度(brittleness)。在本专利说明书上下文(包括权利要求书)中，“机械特性”应是指岩石如何响应于施加的力(例如应力、应变或波动)。机械特性不是指诸如孔隙度(即，岩石中孔隙的数目和大小)或渗透率(即，流体如何好地流过孔隙)等物理特性。另外，机械特性不是指诸如对电流的电阻率或介电强度等电学特性。如果岩石是脆性的，则该岩石倾向于在施加的应力或应变下破裂或压裂。相反，韧性的岩石倾向于在应力或应变下塑性变形，然后在移除力之后回到其应力前或应变前的状态。根据至少一些实施例，目标地带的至少部分特征在于地带的脆度，其中目标地带比页岩地层的其他部分更脆。诸如泊松比(Poisson’ sratio)、杨氏模量和页岩模量等机械特性可等效地用来指示脆度。
[0034]然而，在一些情况下，脆度的示意机械特性可能并非单独是页岩地层内特定地带是否为目标地带的指标。如上所述，特定地带可能是脆性的，但出于多种原因脆度可能是各向异性的。也即，该脆度的取向可能主要是沿着特定方向，例如沿着沉淀的岩层面。因而，根据至少一些实施例，除了存在油气之外，如果沿着岩层面的脆度与垂直于岩层面的脆度之间的差异低则可将特定地带识别为目标地带。换言之，如果沿着岩层面的机械特性接近垂直于岩层面的机械特性或者与其大体相同，则根据各实施例该特定地带可为目标地带。
[0035]其他机械特性同样可指示压裂潜能。例如，在诸如岩石等固体中会发生两种不同模式的波传播——压缩波(被称为“P”)和剪切波。在一些情况下，能量损失的大小作为压缩波的行进距离的函数可指示压裂潜能。更具体而言，岩层的压缩波阻抗可指示压裂潜能。同样，剪切波阻抗也可指示压裂潜能。在剪切波的情况下，剪切波可“分解”成快波分量和慢波分量。也即，取决于剪切(Shear)的取向，剪切波可以不同的速度行进，或者在行进的单位距离经受不同的幅度损失。在这样的情况下，慢波和快波剪切波的比率(被称为具有垂直轴对称的横向各向同性(transverse isotropic vertical axis symmetry, TIV)比)可指示压裂潜能。现在本说明书转到用于在目标地带中钻设侧井的示意性钻井系统。
[0036]图2显示根据至少一些实施例的钻井操作。尤其，图2显示配备有用于支撑提升机204的井架202的钻井平台200。根据一些实施例的对侧井的钻探通过一串由“钻具”接头连接在一起以形成钻柱206的钻管来执行。提升机204悬挂用于通过井口 210旋转钻柱206以及降下钻柱的顶驱208。与钻柱206的下端连接的是钻头212。通过使用钻头212附近的使钻头转动的向下打孔的“泥浆”电机，或者通过旋转钻柱206，或者通过这两种方法，钻头212被旋转并完成钻探。在一些情况下，所利用的系统为旋转式定向(steer)系统，其中通过在地面旋转钻柱来控制“方向”并通过钻头附近的井下电机来提供钻井动作。借由泥浆泵214通过出油管线216、竖管218、鹅颈管220、顶驱208泵入钻井液并使其以高压和高容量向下通过钻柱206以通过钻头212中的喷管(nozzle)或喷嘴(jet)涌出。然后钻井液经由形成在钻柱206外部和钻孔壁222之间的环部220沿钻孔往回行进，通过防喷器(未具体显示)，并进入地面上的泥坑224。在地面上，钻井液经过清洁然后再借由泥浆泵214回流。钻井液用于冷却钻头212，将来自井下底部的钻屑带到地面，以及平衡岩层中的静水压力。
[0037]根据各实施例，钻柱206采用至少一个LWD工具226，并且在一些情况下采用MWD工具228。LffD和MWD之间的区别在行业中有时模糊不清，但对于本说明书和权利要求书，LWD工具测量的是周围地层的属性(例如，孔隙率、渗透率、声速、电阻率)，而MWD工具测量的是与钻孔相关的特性(例如偏角、方向、井下钻井液压力、井下温度)。井下工具(downholetool >226和228可耦接至向地面传输数据的遥感模块230。在一些实施例中，遥感模块230以电磁的方式向地面发送数据。在其他情况下，遥感模块230借由嵌入在组成钻柱206的管体中的电导体或光导体来向地面发送数据。在其他情况下，遥感模块230调制对钻柱内钻井液流动的阻抗来生成以钻井液的声速传播到地面的压力脉冲。
[0038]仍参照图2，在数据被编码成传播到地面的压力脉冲的示意情况下，诸如换能器232、234和/或236等一个或多个换能器将该压力信号转换成用于信号数字转换器(例如模数转换器)238的电信号。虽然示出了三个换能器232、234和/或236，但可等效地使用更多数目的换能器或者更少的换能器。数字转换器238将数字化形式的压力信号提供给计算机240或其他形式的数据处理装置。计算机240根据软件(其可存储在计算机可读存储介质上)来运行以处理及解码所接收的信号。得到的遥感数据可进一步由计算机240加以分析和处理，从而直接作出或辅助钻机作出对于钻井方向的改变和/或修正，以确保钻柱206的下端保持在页岩地层260的目标地带250内。
[0039]可被包括在钻柱206中用以基于所遇到地带的压裂潜能来完成导向到目标地带102中的LWD工具226的组合有很多。因而本说明书提供这些工具以及由这些工具收集的数据可如何用来估测或确定页岩地层机械特性的示意性例子。
[0040]如上所述，以岩层面的方向以及垂直于岩层面的方向考虑，或者单独考虑，一部分页岩地层的机械特性可指示该部分页岩地层的压裂潜能。然而，脆度是与对于施加应力的响应相关的机械特性，其无法在钻探期间实时地直接加以测量。尽管如此，存在一些能够进行的测量来指示脆度，例如声速测量。特别地，根据至少一些实施例，LWD工具226是能够在钻探的同时对钻头附近的地层进行基于声波的声速测量的声学工具。更具体地，根据至少一些实施例，LffD工具226是能够在钻头附近的页岩地层内进行这样的基于声波的测量的声学工具，该测量区分出(剪切波或压缩波的)声速的快波偏振(fast polarization)和慢波偏振(low polarization)。例如,可使用诸如可从哈里伯顿能源服务获得的双模声学工具(BAT?)或者也可从哈里伯顿能源服务获得的QBAT?多极工具来进行对声波波形的快波偏振和慢波偏振敏感的测量。
[0041]因而，根据至少一些实施例，LWD工具226在钻探的同时对钻头附近的地层进行基于声波的声速测量，尤其是进行区分出(剪切波或压缩波的)声速快波偏振和慢波偏振的测量。基于快波和慢波的测量值，对钻头附近的那部分地层进行压裂潜能(基于机械特性)的估测，并基于压裂潜能的估测来控制钻探方向(例如，要么更完全地进入目标地带，或者作出重新进入目标地带的修正)。在特定情况下，可使用快波和慢波剪切波的速度之比(TIV比)。在一些情况下，测量的快波偏振和慢波偏振的声速大体相同意味着沿着岩层面以及垂直于岩层面的脆度正在接近相同值。在沿着岩层面以及垂直于岩层面的脆度正在接近相同值的情况下，地层可更易受压裂，这导致以经济可行的量来产出油气。相比之下，当钻头附近的这部分地层在快波偏振和慢波偏振之间具有高差异时，这意味着该部分地层如果进行水力压裂则会导致良好的沿着岩层面的压裂而相对较小的垂直于岩层面的压裂。在垂直于岩层面的压裂相对较小的情况下，水力压裂的花费不太可能导致具有商业可行的量的油气产出。
[0042]对于在目标地带中的侧井布置，使用基于声波的声速测量来确定或估测页岩地层机械特性的各实施例无需单独依赖于基于声波的测量。例如，在一些实施例中，可基于从垂直钻孔得到的、和/或从在与当前所钻侧井有距离但相对较近的其他位置处钻探到目标地带中的其他侧向钻孔(其可被称为探边井)得到的数据来预先估测初始方向和假设的目标地带。换言之，侧井的初始导向可朝着一个或多个虚构面层，但随着钻柱的末端接近目标地带，将根据基于声波的测量来改变和修正钻探方向。
[0043]根据其他实施例，LffD工具226在钻探的同时对钻头附近的地层进行基于声波的应力各向异性测量(即应力的取向)。应注意基于声波的应力各向异性测量与基于声波的声速测量有关；然而，在一些情况下无需计算声速来确定应力各向异性。例如，沿着特定传播方向的声波衰减(阻抗)可指示沿该特定方向的应力，而无需确定沿该特定方向的声速。所述声波衰减值可以是属于压缩波、剪切波或二者的。更进一步，沿着特定传播方向的声波相移可指示沿该特定方向的应力，也无需确定沿该特定方向的声速。可基于应力确定结果对钻头附近的部分地层进行机械特性的估测，并基于由该应力确定结果指示的压裂潜能估测来控制钻探方向(即，要么更完全地进入目标地带，或者作出重新进入目标地带的修正)。在一些情况下，应力各向异性接近或大体为零意味着沿着岩层面以及垂直于岩层面的脆度正在接近相同值。换言之，当沿着岩层面以及垂直于岩层面的应力大约相同时，这意味着沿着岩层面以及垂直于岩层面的脆度的机械特性同样大约相同。相比之下，当钻头附近的这部分地层在方向性应力(directional stress)之间具有高差异时,这意味着该部分地层如果进行水力压裂则会导致沿着主要应力方向(很可能是沿着岩层面)压裂良好但垂直于岩层面压裂相对较小。
[0044]基于测量波阻抗和/或应力各向异性的LWD工具226的各实施例对于在目标地带中侧井的布置，无需单独依赖于基于声波的测量。这里再提及，在一些实施例中，可基于从垂直钻孔得到的、和/或从在与当前所钻侧井有距离但相对较近的其他位置处钻探到目标地带中的其他侧井钻孔(其可被称为探边井)得到的数据来预先估测初始方向和假设的目标地带。换言之，侧井的初始导向可朝着一个或多个虚构面层，但随着钻柱的末端接近目标地带，将基于所测量的作为脆度指标的应力各向异性来改变和修正钻井方向。
[0045]到此为止所讨论的实时确定或估测钻头附近的这部分页岩地层的压裂潜能的各实施例已经假设单个LWD工具226来测量机械特性，然后随着钻探实时地基于该机械特性来改变或修正导向方向。然而，各实施例并不限于单个LWD工具226，而是可存在很多LWD工具226来辅助侧井的初始布置和/或验证对于布置侧井的假设。例如，在很多钻探的情况下，钻柱206中包括有一套LWD工具，诸如行业中被称为“三位一体(triple-combination)”或“三组合(triple-combo) ”系列的LWD工具的组合。虽然有些许变化，但在大多数情况下，所述三组合系列的测井工具都包括中子孔隙率工具、密度孔隙率工具、以及电阻率工具。
[0046]中子孔隙率工具是一种中子-伽马工具，意味着用中子来探询(interrogate)地层，并根据响应于与地层中的原子进行交互作用的中子而返回抵达该工具的伽马辐射或伽马粒子(下文仅称伽马)来作出测量。中子孔隙率工具测量含氢指数，并且可由该含氢指数确定结果来推出孔隙率。密度孔隙率工具是一种伽马-伽马工具，意味着用伽马来探询地层，根据响应于与地层中的原子进行交互作用的伽马而返回抵达该工具的伽马来进行测量。密度孔隙率工具测量容积密度(bulk density)，并且由该容积密度测量结果同样可推断出孔隙率(例如，低容积密度意味着孔隙率高和/或有机物总含量高)。电阻率工具测量周围地层的电阻率。在使用导电钻井液的情况下，可借由传导工具来进行电阻率测量，其中电流从该工具流进和流出到地层中。在使用非导电钻井液的情况下，可借由感应工具来进行电阻率测量，该感应工具将来自所述工具的地磁波发射到地层中。
[0047]在继续之前，对相关技术与各实施例之间的重要区别加以讨论。特别地，相关技术中在页岩地层外已经并正在使用三组合测井工具来帮助引导或导向钻探。如上所讨论的，用于页岩地层的侧井的钻柱传统上并不包括三组合LWD工具。然而，即使在钻柱中包括有三组合测井工具的情况下，由示意性三组合测井工具所收集的数据也不见得是用于随钻探实时地估测和/或确定地层机械特性的地层估测。也即，虽然所述三组合LWD工具可在钻探的同时读取数据(即实时进行测量)，但由这些工具所收集的数据不见得是用来实时估测和/或确定地层的机械特性。
[0048]相反，在相关技术中所述三组合LWD工具显然是用于所谓的“地质导向(geosteering) ”中。在地质导向中，是基于将由LWD工具得到的数据关联于预先得到的数据(诸如由探测钻孔和/或探边井得到的数据)来钻设钻孔及导向钻柱。换言之，三组合LWD工具提供信息以将该钻孔的位置关联于来自探测和/或探边井钻孔的信息，并且能够对钻探方向作出修正。例如，三组合LWD工具可用来关联位置标记(例如，在易识别的岩石型过渡带(transition)之间的钻孔的过渡带)。但如此并非基于实时估测和/或确定的机械特性来控制钻探方向。
[0049]另外，三组合LWD工具数据看起来对于页岩地层的各部分之间显示了极少(如果有的话)区别。例如，中子孔隙率工具(该工具测量含氢指数并可由该含氢指数推出孔隙率)对于页岩地层内的目标地带和非目标地带之间显示了小到没有的区别。同样，密度孔隙率工具在页岩地层的目标地带中以及在目标地带外都显示了低的容积密度。对于电阻率也同样如是，这是因为页岩地层中的电阻率(目标或非目标地带)大体会是均匀的。三组合LWD工具对于页岩地层中目标和非目标地带之间的区别的相对“看不见”可能是之所以极少(如果有的话)有钻设到页岩地层中的侧井包括三组合LWD工具的一个原因。
[0050]然而，根据各实施例，可将三组合系列的测井工具用来实时估测和/或确定机械特性。特别地，在示意性三组合实施例中，可将由三组合测井工具读取的数据与针对预先钻设的一个或多个钻孔而在先创建的SHALEL0G?品牌测井、还有用来创建SHALEL0G?品牌测井的数据进行比较或对比分析。例如，可关于垂直钻孔、或者一个或多个探边侧向钻孔来创建SHALEL0G?品牌测井，并且可将钻设侧井时得到的三组合数据与这些SHALELOG?品牌测井以及用来创建SHALEL0G?品牌测井的数据进行对比分析。基于所述比较和分析，可通过与所计算的用来产生SHALELOG?品牌测井的机械特性相关的钻头当前位置来实时地估测或确定钻头附近(例如在钻头100英尺范围内)页岩地层的机械特性。
[0051]然而，应当注意，可确定油母岩质(kerogen)含量的LWD工具(即中子-伽马工具)可被结合使用和/或用来验证压裂潜能。也即，虽然测量的其他机械特性可指示压裂潜能，但在压裂潜能良好的情况下，经过油母岩质修正的密度孔隙率可提供确认指示。也即，有着良好压裂潜能但未经油母岩质修正的密度孔隙率确认的地带可能会轻易被压裂但具有更少的经济可行含氢量。
[0052]除了三组合LWD工具，行业内有时还实施“四位一体”或“四组合”系列的测井工具，其包括三组合的所有工具，并且还包括基于声波的工具。然而，应当注意由四组合LWD工具中基于声波的工具得到的数据显然是在钻井的同时得以收集，但其是稍后用来帮助进行完井(completion)验证和/或确定。换言之，即使在设置有四组合LWD工具的系统中所实施的地质导向并不是显然基于使用由基于声波的工具得到的数据所估测和/或确定的机械特性作出在单地层类型(例如页岩)内的方向改变。
[0053]为了描述根据各实施例的侧井的钻设，图3显示页岩地层300的截面图，其具有单个目标地带302。很像图1的页岩地层100，示意的页岩地层300具有断层304，其导致页岩地层300其他相关部分的垂直移位。
[0054]在钻设侧井314之前，诸如借由钻设一个或多个通过页岩地层的垂直钻孔306和308来识别目标地带。一旦钻设好垂直钻孔，然后就对页岩地层300加以测试，举几个例子来说，诸如核测井、声波测井、压降试井，以及沿页岩地层收集岩芯样本。在图3的示意性示例中，显示了两个垂直钻孔，但在利用垂直钻孔的实施例中，可使用一个或多个垂直钻孔。基于所收集的数据，识别出目标地带302。在其他实施例中，可借由诸如从地面执行的“3D”地震操作等其他方式来识别和/或验证目标地带。
[0055]一旦识别出目标地带，就创建识别特定目标地带的一个或多个“虚构”面层。在图3的目标地带302的示例情况中，第一虚构面层310 (用虚线显示)可识别目标地带302的假设上边界，而第二虚构面层312 (也用虚线显示)可识别目标地带302的假设下边界。
[0056]基于一个或多个虚构面层310和312，钻设侧井钻孔314，其中该侧井钻孔的目标路径初始将要位于一个或多个虚构面层310和312之间。换言之，在至少一些实施例中，部分侧井314被钻设至由一个或多个虚构面层310和/或312识别的目标处，诸如侧井314的部分316。虽然图3示出是从垂直钻孔306内开始钻设侧井314，但在其他示例中侧井可为单独钻设的钻井，其具有自己的通过覆盖层(overburden)的垂直部分，而后具有成为侧井314的偏斜部分。
[0057]用来创建侧井钻孔314的钻柱可具有MWD工具(例如倾角传感器、方位传感器)来便于使初始钻井方向朝着一个或多个虚构面层310和312。然而，随着侧井314进入页岩地层300，尤其是随着侧井接近目标地带302，侧井的导向就是基于由位于钻柱中创建侧井314的LWD工具226 (图2)所估测和/或确定的机械特性。
[0058]仍参见图3，考虑随着正在钻设的侧井314在位置318处接近目标地带302的情况。根据各实施例，至少在部分钻柱位于页岩地层300内的同时，随着钻柱穿透页岩地层300，钻井系统连续地实时估测和/或确定钻头附近页岩地层300的压裂潜能，该压裂潜能在一些情况下可由页岩的机械特性来指示。随着钻头穿透目标地带302，所述机械特性将指示表示进入目标地带302的压裂潜能的变化，而不考虑钻柱已经穿透示意性虚构面层310和312之间的地带的事实。例如，由LWD数据确定的脆度的指标值可指示横穿到压裂潜能更高的地带中，和/或横穿到沿着岩层面和垂直于岩层面的脆度大体相同的地带(也指示为压裂潜能更高的地带)中。
[0059]根据各实施例，基于进入目标地带302的指示，钻探方向被控制和/或改变以使得早于预期地遭遇目标地带302，并试图维持在目标地带302内。因而，侧井314被转向以留在目标地带302内，而不是继续向虚构面层310和312之间的地带导向。在理想情况下，一旦目标地带312被侧井穿透，侧井314就在侧井的整个规划长度(其可为数千英尺)上维持于目标地带302内。然而，由差异压实还有诸如断层304等局部断层导致的目标地带302的起伏自然属性会使得难以将侧井314保持在目标地带302中。
[0060]图3进一步示出各实施例不仅可用来将侧井314初始导向入目标地带302中，还可用来随着目标地带302在垂直深度上的改变在基于钻柱的转向半径容许的程度上确保侧井维持在目标地带302内。例如，在位置320处示意侧井314部分离开目标地带314，该部分离开是由目标地带302在该位置处的垂直深度改变所导致的。根据各实施例，可借由系统所估测和/或确定的机械特性上的改变来检测侧井314从目标地带302中不必要的离开。在一些情况下，钻柱中的LWD工具226能够感测所测量的在侧井314之上和之下的特性的差异，并因而能够感测到正在接近目标地带302与目标地带302之下的那部分页岩地层(仍然在同一页岩地层内)之间的层界面(bed boundary)。在其他情况下,可能直到侧井314完全离开目标地带302才能充分感测到侧井314的离开。不管怎样，根据各实施例，在机械特性指示正在接近边界或越过边界时改变钻井方向，从而使侧井314维持在目标地带内。
[0061]关于侧井314和目标地带302的相同问题显示在图3中位置322处(在该处示意侧井离开目标地带302的顶部)，并且作出修正以将侧井带回目标地带内。同样，图3显示了侧井314在断层304处离开目标地带302。在断层304的示意情况下，钻机和/或系统对往哪个方向(上或下)导向侧井作出猜测以再次拦截目标地带。另一方面，如果提前知道断层304，则可得知再一次拦截目标地带302的钻井方向。无论如何，利用估测和/或确定机械特性的各实施例的系统，将得知侧井314何时再次拦截目标地带302的认知。
[0062]将图3的侧井314与图1的侧井114相比，可看出侧井314驻留在目标地带302内所持续的那部分长度比侧井114显著更大。由于侧井314和目标地带302之间显著更大的对应，水力压裂将具有更好的效果，并且因为一般规则在于，在页岩地层中是仅从已经被水力压裂的区域产出油气，所以图3的侧井314所产出的油气应比图1的侧井114显著更大。
[0063]图4显示根据至少一些实施例的方法(其中一些可实施成软件)。特别地，方法开始(方框400)并进行到用包括钻头的钻柱来钻设通过页岩地层的斜钻孔(方框402)。如所讨论的，该钻井可借由任意适当形式，诸如借由使用离散管段组成钻柱的钻探机，或者借由其中钻柱是由油管组成的连续油管(coiled-tubing)，并且使用井下“牵引机”来移动钻柱并向钻头施力。无论钻井的精确方法如何，示意方法都进一步包括用安置在钻柱内的测井工具来测录页岩地层(方框404)。测井工具同样可采取许多形式。在一些实施例中为单个LWD工具，诸如基于声波的工具，其能够测量基于声波的参数(例如声速的快波和慢波偏振、应力各向异性)沿不同方向上的差别。在其他情况下，所述至少一个测井工具可包括三组合或四组合系列的测井工具。
[0064]基于由一个或多个测井工具得到的数据，示意方法然后可进行至随钻井实时地估测钻头附近的那部分页岩地层的压裂潜能，压裂潜能的估测是基于由测井工具获取的信息(方框406)。例如，可沿着岩层面和垂直于岩层面均作出对地层脆度的估测。在三组合(没有基于声波的工具)的情况下，可借由对三组合测井工具得到的数据与预先构建的SHALELOG?品牌测井的对比分析并与基于SHALELOG?的数据相关地来确定钻头的相对
位置，来估测机械特性。最后，示意方法可包括基于所述压裂潜能来控制钻井方向(方框408)，且方法结束(方框410)。
[0065]图5以更多细节显示可用来确定或估测钻头附近部分页岩地层机械特性的计算机系统500。计算机系统500因而可为示意的地面计算机系统240、遥感模块230、和/或一个或多个LWD工具226。因而，关于图5所描述的计算机系统500在正钻设侧井的时间段期间可位于钻孔附近(但身处外侧)的地面处，计算机系统500可处于油田服务公司的中央办公室中，计算机系统500可位于遥感模块230内(并因而在钻孔中)，或者计算机系统500可位于一个或多个测井工具226内(并因而在钻孔中)。计算机系统500包括处理器502，且该处理器借由桥装置508耦接至主存储器504。另外，处理器502可借由桥装置508耦接至长期(long term)存储装置510 (例如硬盘驱动器)。由处理器502可执行的程序可存储在存储装置510上，并在处理器602需要时对其加以访问。存储装置510上存储的程序可包括用来实施本说明书各实施例的程序，包括用来测量或接收来自一个或多个测井工具的数据、以及用来随对页岩地层进行钻探的同时实时地估测或确定钻头附近的地层的机械特性的程序。在一些情况下，将程序从存储装置510复制到主存储器504，并且从主存储器504来执行所述程序。因而，主存储器504和存储装置510 二者均可被考虑为计算机可读存储介质。
[0066]到此为止所讨论的各实施例都已假设了，用来确立钻柱是否处于目标地带内的机械特性的估测和/或确定是基于对在超过钻孔一定深度处的页岩地层的探询；然而，在其他实施例中，能够可见或可视地作出对机械特性的估测。图6显示根据其他实施例的测井工具。特别地，图6显示测井工具226还可包括被设置用来在钻井期间观察钻孔壁602的摄像装置600。该摄像装置600例如可包括组合有镜头606和一个或多个照明光源608的电荷耦合器件(CCD)阵列。因而形式为光学系统的测井工具226可拍摄钻孔壁的静止画面或一连串静止画面(其因而可成为动画)，并基于这些画面来作出对页岩地层机械特性的估测。例如，如果钻孔壁602的画面或视频显示页岩地层的薄分层(thin layering),这可表示沿岩层面的脆度与垂直于岩层面的脆度相比有所差异。同样，不存在薄分层可表示沿岩层面的脆度与垂直于岩层面的脆度大体相同。作为进一步的示例，部分页岩地层的颜色可提供关于该部分页岩地层的敏感性的信息。
[0067]虽然形式为光学装置的测井工具226可使用在可见光谱中，但各实施例并不限于可见光谱。例如，照明光源608可提供波长在可见光之上或之下的“照明”，并且C⑶阵列604同样可被设计和构建为对该波长敏感。视觉画面或活动视频因而可基于在可见光之上或之下的波长，并被适当调整至可见光谱以用于演示。更进一步，可由对测井工具226所拍摄的静止图像或视频进行操作的图像处理软件来确定用以估测机械参数的演示。
[0068]所述静止画面和/或活动视频可在井下加以处理，并将表示估测机械参数的值发送到地面。在其他情况下，尤其是在利用电学或光学有线管路的情况下，可将所述静止画面和/或活动视频发送到地面用于观察和/或分析。
[0069]从此处提供的描述中，本领域技术人员能够容易地将根据所描述的内容创建的软件与具有适当的通用目的或特定目的的计算机硬件组合，从而创建根据各种实施例的计算机系统和/或计算机子组件，创建用来实现各种实施例的方法的计算机系统和/或计算机子组件，和/或创建用来存储软件程序以实现各种实施例的方法方案的计算机可介质。
[0070]以上讨论意欲示意本发明的原理和各实施例。一旦以上公开内容被完全理解，则本领域技术人员将清楚多种变形和改型。例如，虽然各实施例已被显示与由独立管段创建的钻柱相关，但各实施例等同地可应用于使用连续油管的钻井条件，而与在钻头上提供钻井力的井下“牵引机”相关。另外，这里提到“声学”和“声波”测井工具，但应当注意这并非必然指代可听见的声音。这些声学/声波工具可工作在可听范围之下、可听范围之中、或者可听范围之上，并仍然落入各实施例当中。以下权利要求旨在被理解为涵盖所有的这些变化和改型。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 用包括钻头的钻柱来钻设通过页岩地层的斜钻孔；并且同时地 用设置在所述钻柱内的测井工具来测录所述页岩地层； 随所述钻设实时地估测所述钻头附近的部分所述页岩地层的压裂潜能，所述压裂潜能的估测是基于由所述测井工具获取的信息；以及 基于所述压裂潜能来控制钻井方向。
2.如权利要求1所述的方法，其中估测所述压裂潜能进一步包括估测所述部分页岩地层的脆度。
3.如权利要求1所述的方法，其中估测所述压裂潜能进一步包括计算快速和慢速剪切波的声速之比。
4.如权利要求1所述的方法，其中估测所述压裂潜能进一步包括基于选自以下群组的至少其中之一来进行估测，该群组包括:压缩波阻抗；以及剪切波阻抗。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述估测进一步包括估测沿着所述页岩地层的岩层面的方向的脆度与垂直于所述部分页岩地层的所述岩层面的脆度的差异。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述估测进一步包括基于对所述部分页岩地层采取基于声波的测量的所述测井工具的测量结果来进行估测。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述估测进一步包括基于采取基于声波的测量的所述测井工具的测量结果来进行 估测，该基于声波的测量区分所述页岩地层内剪切波的快波偏振和慢波偏振。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述控制进一步包括导向所述钻柱以驻留在所述剪切波的所述快波偏振和慢波偏振实质相同的部分页岩地层内。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述估测进一步包括基于采取基于声波的声速测量的所述测井工具的测量结果来进行估测，该基于声波的声速测量区分所述声速的快波偏振和慢波偏振。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述控制进一步包括导向所述钻柱以驻留在所述声速的所述快波偏振和慢波偏振测量结果实质相同的部分页岩地层内。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述估测进一步包括基于作出基于声波的应力各向异性测量的所述测井工具的测量结果来进行估测。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述控制进一步包括导向所述钻柱以驻留在所述应力各向异性实质为零的部分页岩地层内。
13.如权利要求1所述的方法，其中钻设所述斜钻孔进一步包括初始朝着预定地带钻探，所述预定地带是基于所述钻井之前的地震测量而被确定的。
14.如权利要求1所述的方法，其中钻设所述斜钻孔进一步包括初始朝着预定地带钻井，所述预定地带是基于从预先钻设到所述页岩地层中的钻孔所收集的数据来确定的。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述估测进一步包括基于由所述测井工具对所述部分页岩地层的光学观察来进行估测。
16.—种系统,包括: 测井工具，设置于钻柱内，所述钻柱包括钻头并且所述钻柱处于设置在页岩地层内的斜钻孔中；处理器，与所述测井工具相关联； 存储器，耦接至所述处理器，所述存储器存储有程序，该程序在由所述处理器执行时使得所述处理器: 接收由所述测井工具在钻探同时确定的数据，所述数据指示所述页岩地层的参数；随所述钻柱进行的钻探实时地估测所述钻头附近的部分所述页岩地层的机械特性，所述机械特性的估测是基于由所述测井工具确定的数据。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述测井工具为基于声学的工具。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述处理器和存储器设置在所述斜钻孔中。
19.如权利要求16所述的系统，其中所述处理器和存储器设置在地面处，且指示所述页岩地层的所述数据被发送至所述地面。
20.如权利要求16所述的系统，其中所述钻柱为选自以下群组的至少其中之一，该群组包括:从地面将旋转运动传至钻柱的钻柱；借由井下泥浆电机将旋转运动传至钻柱的钻柱；以及旋转可导向系统 。
【文档编号】E21B7/08GK103492659SQ201180069152
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2011年3月8日 优先权日:2011年3月8日
【发明者】理查德·B·洛甘, 斯蒂芬·R·英格拉姆, 马丁·D·保尔科, 阿迈云·Z·拉贾 申请人:兰德马克绘图国际公司