无源密度确定设备、方法和系统的制作方法
【专利说明】无源密度确定设备、方法和系统
[0001] 发明背景
[0002] 在用于油气勘探的钻井中，了解地质岩层的结构和特性（包括其密度）可提供用 以帮助此类勘探的信息。测井是用以进行岩层特性的测量（经由位于井下的传感器）来提 供此信息的最常使用的过程。
[0003] 测井作业中所使用的一些传感器包括声波传感器和超声波传感器。虽然已尝试根 据声波测量来确定岩层密度，但结果是不可靠的，这是因为沿着发射器-接收器阵列的长 度的井孔不规则性可以很大地影响最终结果。
[0004] 附图简述
[0005] 图1是根据本发明的各种实施方案的设备的透视图。
[0006] 图2包括根据本发明的各种实施方案的超声波信号图，以及对应井孔大小和工具 位置的图表。
[0007] 图3包括根据本发明的各种实施方案的作为钻井流体与岩层之间的速度和密度 比率的函数的垂直入射反射系数的线性图和对数图。
[0008] 图4是根据本发明的各种实施方案的可用于确定地质岩层密度的工作流程图。
[0009] 图5是根据本发明的各种实施方案的设备和系统的框图。
[0010] 图6示出本发明的测井电缆系统实施方案。
[0011] 图7示出本发明的钻机系统实施方案。
[0012] 图8是示出根据本发明的各种实施方案的若干方法的流程图。
[0013] 图9是根据本发明的各种实施方案的物品的框图。
【具体实施方式】
[0014] 为处理上文所描述的一些挑战以及其它挑战，本文描述进行操作以使用在井孔内 进行的声波和超声波测量的组合来确定地质岩层的密度的设备、系统和方法。为了本文档 的目的，使用50kHz以下的频率来进行声波测量，且使用100kHz以上的频率来进行超声波 测量。
[0015] 声波频率测量指示岩层中的波速。超声波频率测量指示井孔流体（泥浆）速度和 岩层阻抗。由于阻抗等于密度乘以速度，所以获得速度和岩层的阻抗就能够计算出其密度。 因此，通过使用方位声波和超声波测量，可以确定方位密度。由于勘探深度较浅，所以阻抗 测量也较浅，且超声波与声波之间的速度色散应较小。
[0016] 图1是根据本发明的各种实施方案的设备100的透视图。在此情况下，设备100包 括附接到发射器102的外壳104 (例如，井下工具）、超声波传感器106和声波传感器108。 在一些实施方案中，发射器102包括声波发射器或超声波发射器，或两者。在一些实施方案 中，超声波传感器106包括超声波井径仪换能器，例如可以操作为超声波发射器和超声波 接收器两者的一发一收换能器或脉冲回波换能器。
[0017] 声波发射器102和传感器106、108可以分别包括发射器102和传感器106、108的 一维或二维阵列。举例来说，设备100中的传感器106可以包括四个超声波井径仪换能器 的一维阵列连同六个声波传感器108的四个一维线性阵列（或二十四个声波传感器108的 二维阵列），线性声波传感器阵列中的每一者与声波发射器102中的一者相关联。
[0018] 在许多实施方案中，设备100所提供的超声波和声波测量被组合且用以估计岩层 密度。通过使用每一声波传感器阵列或通过使用加总在一起的所有四个阵列来估计岩层纵 波慢度。针对所述过程的此部分，可以使用本领域技术人员已知的标准估计方法，例如相似 时间。这导致在声波发射器102与声波传感器108的阵列之间或者在声波传感器108的阵 列之间测量的平均岩层纵波速度。因此，使用声波传感器108来获取确定岩层密度的过程 中的一个测量集合。
[0019] 图2包括根据本发明的各种实施方案的超声波信号图210、220、230、240,以及对 应井孔大小和工具位置的图表250。此处可以看见通过包括超声波井径仪的传感器106 (参 见图1)中的每一者而获得的声学反射信号。图210、220、230、240对应于图表250中所指 出的换能器A、B、C、D提供的信号，其中展示所得井孔大小和工具位置估计。
[0020] 超声波井径仪换能器A、B、C、D经组配以测量来自井孔壁的超声波信号反射。反 射的传播时间用以估计井孔流体速度以及井孔的直径和形状，如图中所示。每一个别传感 器（例如，传感器106的阵列中的换能器A、B、C和D)处的反射的传播时间由穿越图210、 220、230、240中的每一者中的信号迹线的垂直线指示，如本领域技术人员已知的。接着使用 传播时间连同泥浆速度估计来提供井孔大小确定。
[0021] 泥浆速度可以通过操作在具有已知大小的壳体中的传感器106来估计，或者通过 直接测量地面处的泥浆特性来估计，从而可以据此而外推井下结果（虑及井下压力和温 度）。还可以使用单独的井下泥浆传感器来确定泥浆速度。
[0022] 除了传播时间之外，反射脉冲的振幅可用于估计井孔壁的反射系数。可以使用实 际的传播距离-经过的传播时间信息来针对传播路径衰减而校正脉冲的振幅。图210、220、 230、240中的脉冲振幅可以个别地使用或者在阵列中的所有接收器中或在若干获取循环中 进行平均，从而改进反射信号的信噪比。因此，使用超声波接收器106来获取确定岩层密度 的过程中的另一测量集合。
[0023] 图3包括根据本发明的各种实施方案的作为钻井流体与岩层之间的速度和密度 比率的函数的垂直入射反射系数RPP的线性图310和对数图320。当入射波具有单位振幅 且垂直于其撞击的界面时，垂直入射反射系数RPP是反射波的振幅。此处RPP值的范围是 从-0. 8 到 +0. 6。
[0024] 垂直入射反射系数RPP可以表达为钻井流体（下标1)与岩层（下标2)中的声学 阻抗（PV，密度乘以速度）的对比度，如以下方程式（1)中所示：
[0026] 因此，Pl是流体密度，且P2是岩层密度。Vi是流体速度，且V2是岩层速度。必 要时可以修改方程式（1)以包括非垂直入射，如本领域技术人员在阅读本发明的内容且审 阅相关联的图之后将了解。
[0027] 图4是根据本发明的各种实施方案的可用于确定地质岩层密度的工作流程图。此 处，与图1中所示的设备100类似或相同的设备100用以获得声波和超声波测量，如先前所 描述，分别作为用于方框410、420的活动的部分。确定泥浆速度和其它泥浆特性作为方框 430处的活动的部分。
[0028] 根据经由方框410中的声波接收器阵列进行的慢度测量，例如可以获得岩层的速 度。与来源于方框420中的超声波井径仪测量的声学阻抗相组合，在方框460处的反演之 后，可以作为方框470处的结果而获得岩层密度，这是因为密度等于阻抗除以速度。
[0029] 方框460处的反演是尝试将理论与已知值进行匹配，从而得到岩层密度P2。馈入 反演过程的中间值包括孔形状、工具位置、流体速度、入射角度、和从方框440获取的波形 (其可以来源于方框420所提供的超声波测量数据和方框430所提供的泥浆特性），连同来 自方框450的剪切波速度和压缩波速度（其可以来源于方框410所提供的声波阵列测量数 据），上述每一者可以个别地获得，如本领域技术人员所已知的。可以在插图480中看见基 于测量入射波和反射波的特性的反演性质关系。
[0030] 图5是根据本发明的各种实施方案的设备100和系统564的框图。设备100可与 图1中所示的设备100类似或相同。举例来说，参考图1和4,设备100可以包括附接到一 个或多个声波发射器102、一个或多