专利名称：用于定向测井的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测井领域，更特别地讲，涉及一种用于对地层特性进行井底测量的改进方法和装置。特别地，所述方法和装置用于确定从第一种地层区中的装置到不同电阻率的相邻地层区的距离。本发明的主题通常用于测井技术中，特别是用于随钻测井中。
背景技术：
电阻率测井是电磁(‘ Μ”)传播测井的一种众所周知的方式。电阻率测井用于测量和评价地下地层中的可能含油气区的特性。具有高电阻率(低导电性)的多孔地层通常表明存在油气，而具有低电阻率(高导电性)的多孔地层通常是饱含水的。不可透过的页岩地层通常也比含油气层具有更低的电阻率。能够区别开含油气地层、含水地层或页岩地层的能力在钻探水平井时特别重要，在钻探水平井中，目标是将钻头保持在相对较薄的含油气区内。在传统的电缆测井技术中，多个天线或线圈安装在测井工具上。测井工具在缆线或电缆的末端上被下降到井眼中。交变电流对一个或多个发射线圈供电，以向地层中发射 EM能量。发射的能量传播通过井眼周围的地层。EM能量通过测井工具上的一个或多个接收线圈测量。连接到地面上的可移动的处理中心的缆线是将测量数据向上送到地面的装置。在这种类型的电缆测井系统中，可根据深度、即在工具正向井上拉动时测量井眼和地层参数。胃明名禾尔々“Method of Ultra Long Spaced Electric Logging of a Well Bore to Detect Horizontally Disposed Geologically Anomalous Bodies in the Vicinity of Massive Vertically Disposed Geologically Anomalous Bodies Lateral to and Not Intercepted by the Well Bore”(用于探测井眼侧旁的未被井眼穿入的块状垂直设置的地质异常体附近的水平设置的地质异常体的井眼的极长间距的电测井方法)的美国专利 No. 3，778，701描述了一种电缆测井技术，其中，电阻性地层的存在可在它们未被井眼穿入时被探测到。延长的电极阵列将电流注入到地层中，且测量沿着电极阵列的电势分布。产生的电势分布可被解释，以探测附近高电阻率区、例如盐丘的存在(或不存在)。所述方法未指出到高电阻率区的方向。电缆测井技术的一种替代方式是，在钻井过程中收集关于井底状况的数据。通过在钻井过程中收集和处理这种信息，钻机可修改或修正关键操作步骤，以优化性能。尤其重要的考虑是，钻头是否穿入正确的地质构造中。用于在钻井操作过程中收集井底状况和钻井组件的运动的数据的技术方案被称作随钻测量(“MWD”)技术。更多地关注地层特性的测量而不是钻井组件的运动的测量的类似技术称作随钻测井(“LWD”)。然而，术语MWD和LWD通常可互换地使用，且在本公开中任一术语的使用均应理解为包括信息和井底信息以及钻井组件的运动数据的收集。在测井领域中涌现的技术是使用包括倾斜天线的工具，S卩，其中，线圈相对于工具轴线倾斜。这些装置被如此构造，目的是改变井底测量的方向。发明名称为“Apparatus and method for determining parameters of formations surrounding a borehole in a preselected direction”(用于确定预选方向上的井眼周围的地层参数的装置和方法)的美国专利No. 5，508，616描述了一种包括倾斜发射线圈和接收线圈的测井工具。 发明名禾尔为 “Method and apparatus for directional well logging with a shield having sloped slots”(利用带有倾斜缝的屏蔽件的用于定向测井的方法和装置)的美国专利No. 6，297，639 Bl描述了一种尤其适合于钻探水平井的LWD测井技术。美国专利 No. 6，297，639 Bl被转让给本申请的受让人。美国专利No. 6，297，639 Bl中描述的装置包含用于发射和接收EM能量的天线。接收器确定在地层中传播的EM能量的相对衰减和/或相移。当所述装置与具有不同电阻率的两种地层之间的边界近似平行时，到边界的距离和方向可被确定。该技术也被证明是极其有用的，这是因为它可使钻机将水平井保持在油气中。 也请参看2005年10月9-12日在德克萨斯州达拉斯市举办的石油工程科学技术年会和展
Directional Electromagnetic Measurements for Optimal Well Placemen”(深定向电磁测量以用于优化井布置)的SPE论文97045-MS。发明名禾尔为"Plural sensor magnetometer arrangement for extended lateral range electrical conductivity logging”(用于延展的侧向范围电传导率测井的多传感器磁力计配置)的美国专利No. 4，323，848A描述了一种技术，其中，磁力计设置在井眼中， 以探测流入所关心的邻近地层中的电流的分布和畸变。电流通过位于地面处或其他井眼处的远程交变电源激励，且电流中的扰动和由邻近地层的电特性引起的伴生磁场通过磁力计记录。胃明名禾尔为“Method and Apparatus for Locating Well Casings from an Adjacent Wellbore”(用于从相邻井眼定位井的套管的方法和装置)的美国专利申请 No. 20070126426 Al被转让给本申请的受让人。它描述了一种用于从第二个井眼中定位套管的技术。所述装置包括具有隔离间隙(insulated gap)的电流驱动器和定位于非磁性壳体内的磁力计，所述非磁性壳体设置在非磁性管件内。电流进入地层中，且一部分电流集中于附近导电套管上，这会产生次生磁场。磁力计设置成使它选择性地感测次生磁场。从所述装置到套管的距离和方向由磁力计的测量结果确定。该发明重要地应用于钻探重油地层中的SAGD (SteamAssisted Gravity Drainage，蒸汽辅助重力泄油)井对。所述成对的水平 SAGD井必须彼此平行地以预定间隔、通常以5米的间隔钻探，其中，一个井准确地位于另一个井的上方。希望获得一种可探测不同电阻率的地层的存在的装置和方法，所述地层未被井眼穿入，且希望用于确定到所述地层的方向和的距离。而且，这种装置不局限于使用倾斜线圈，这会产生成本更低的可靠系统。
发明内容
提供了一种方法和装置来定向测量井眼周围的地层的电阻率。更具体地讲，本发明提供了一种用于探测接近井眼的不同电阻率的地层的存在性的装置，但所述地层未被井眼穿入。它对于井布置和钻探水平井具有特殊的应用，其中，目标是与将两个不同电阻率的地层分开的边界平行地引导钻头。所公开的方法和装置包括使用至少一个隔离间隙和至少一个位于非磁性壳体内的磁力计，所述非磁性壳体设置在非磁性管件内。电流被施加经过隔离间隙，这会产生泄露到周围地层中的电流。磁力计被构造成当附近没有电阻率不同的地层时，不具有可觉察的磁信号。磁力计还被相对于一次磁场屏蔽，所述一次磁场由装置本身上的电流产生。当电阻率不同的地层接近测井装置时，磁力计探测到由不同地层引起的次生磁场。次生磁场的方向可用于确定到不同地层的方向。次生磁场的幅度可用于确定到不同地层的距离位置。通过以下描述、附图和权利要求书将显见其他特征或可选特征。
通过阅读下面所作的详细描述并参看附图，将显见本发明的其他方面和优点，附图包括图1是包含隔离间隙和磁力计的井底组件(BHA)的示意图，所述井底组件位于油区中的水平井眼中，所述油区位于页岩地层下方和含水地层上方。图2示出了位于含水地层上方的含油气地层中的水平井眼内的BHA。图3是包含压力壳体和磁力计的钻铤的剖视图。图4是在BHA下方具有和不具有低电阻率地层的总磁场的分布图。图5是位于含油气地层中的水平井眼内的BHA和位于含水地层中的像BHA的侧视图。图6是位于含油气地层中的水平井眼内的BHA和位于含水地层中的像BHA的端视图。图7是包含压力壳体和磁力计的钻铤的剖视图，且示出了次生磁场。图8是对于各种电阻率比值来说每安培电流的次生磁场与从BHA到低电阻率地层的距离之间的关系图。图9是灵敏度与距离之间的关系曲线。
具体实施例方式在下面的描述中，众多细节被提供用于理解本公开。然而，本领域的技术人员可以理解，本发明也可在没有这些细节的情况下实施，且可对所述的实施例进行多种变化或修改。在本公开中，下面的术语具有特定的含义。尽管许多术语与本领域的普通技术人员所知晓的含义一致，但该含义在此还是被指出。为了清楚起见，并不是所有实际的实施方式的特征均在该说明书中被描述。可以理解，尽管任何这种实际实施方式的开发可能是复杂的和耗时的，但对于本领域的普通技术人员来说，借助于该公开内容，这只是一项常规任务。参看图1，示出了一种典型的情况，其中，水平井在具有高的电阻率的含油气地层 (10)中被钻探。油气区(10)在底部由具有低的电阻率的含水地层(20)限界。目标是将井完全钻在油气区中，而不会钻到水区(20)中。然而，目标也可以是使水平井处于水区(20) 上方的预定距离处，例如上方2米处。示出的典型的井底组件(BHA 100)包括钻铤(101)、 MWD工具(102)、导向系统(103)和钻头(104)。MWD工具(102)测量BHA的方向和倾度，且将信息传递到地面。MWD数据可通过泥浆脉冲遥测技术、通过电磁遥测技术或通过其他任何众所周知的方法发送。基于钻机的地质构造知识(即，油气区多厚、多深，地层是水平的还是倾斜的，等等)、以及基于MWD测量结果，钻机将确定沿何种方向对钻头进行导向。导向命令向下传递到导向系统(103)，如现有技术中所公知的那样，所述导向系统可由电机和弯接头或旋转导向系统构成。实际上，油气区厚度、深度和倾斜度以及地层边界仅通过使用MWD方向和倾度测量结果通常不能足够准确地被获知来使钻机将钻头保持在油气区(10)中。即使钻机具有良好的地层地质知识，MWD方向和倾度测量结果也是不足够准确地精确钻探长的水平井。即使MWD方向和倾度测量结果中的小的误差也会随着钻探的距离的增加而累加，且可导致大的位置误差。例如，MWD倾度测量结果的1°误差可在钻探1000米的水平井之后产生17米的竖直误差。而且，MWD方向和倾度测量结果通常仅每隔30米被获得，且由于井眼方向和倾度可在该距离上明显偏斜，因此也可由于欠采样而产生较大的误差。由于上述原因，实际中的标准做法是，利用地层特性的测量结果来在钻探水平井时帮助对钻头进行导向，该技术称作“地质导向”。例如，BHA(IOO)可包含LWD工具(105)， 以测量地层特性，例如电阻率、天然放射性或多孔性。例如，页岩地层和含水地层通常比含油气地层具有更低的电阻率。对于图1所示的情形，油气区电阻率可能为Rh = 100ohm-m, 水区电阻率Rw = 2ohm-m。油气区与水区的电阻率比值为C = Rh/Rw = 100/2 = 50。因此， 地层电阻率的测量结果可用于确定钻头是否处于正确的地层中。许多LWD装置已被开发出来用于测量地层电阻率，但仅在地层已被钻头穿入之后。例如，美国专利No. 5，235，285描述了一种在钻头处进行的电阻率测量方法。即使该测量在BHA的末端处进行，但还是太晚而无法避免进入错误的地层中。优选地，所述测量可在钻头进入错误的地层中之前进行，使得钻机有时间对钻头进行导向以使其回到正确的地层中。因此，希望从几米的距离处就能探测到地层边界。在图1的示例中，希望从几米远处探测到接近含水地层(20)，从而，使得钻机有时间向上和远离地层边界进行导向。而且，绝大部分的LWD电阻率工具对方位角变化不敏感，即它们测量井眼周围的平均电阻率。在没有能力进行方位角测量的情况下，不能确定井眼通过顶部、通过底部还是通过左侧或右侧的断层引出(或将引出)含油气地层。因此，还高度希望具有确定到接近的地层边界的方向的能力。参看图2，示出了一种BHA(100)，所述BHA能够探测到具有不同的电阻率的相邻地层的存在，以及能够确定到相邻地层的距离和方向。BHA包括MWD工具(102)、导向系统 (103)、钻头(104)、具有隔离间隙(201)的电流驱动工具以及位于钻铤内的磁力计(200)。 磁力计(200)优选具有至少两个敏感轴线(例如χ'和y')，所述两个轴线横过于或垂直于BHA轴线(ζ)。注意，BHA(IOO)可转动或不可转动，使得磁力计轴线(χ'，y')可相对于 (x，y)轴线处于任意角度，所述(x，y)轴线被分别限定为垂直的和水平的。该角度也可称为 “工具面”。也可使用在χ' ,1'和ζ方向上具有敏感性的三轴线式磁力计。如果BHA(IOO) 被转过不同的角度，则也可使用沿横向方向安装的单轴线式磁力计，且可以以不同的角度进行测量。可以理解，BHA还可包括LWD工具(105)、MWD工具(102)、遥测工具以及用于钻探环境中的其他井底工具。还可理解，包含磁力计(200)的钻铤可包括其他传感器、例如加速计。电流驱动工具例如可以是斯伦贝谢的E-Pulse或E-Pulse Express (增加引用)。 为了简单起见，电流驱动工具在此可以称为E-Pulse工具，但在不脱离本发明的保护范围的情况下也可使用其他电流驱动工具。在示出的实施例中，电流驱动工具可包括随钻测量 (MWD)和遥测(泥浆脉冲或者电磁)构件。在图2中，E-Pulse工具既充当MWD工具(102)，也充当使用隔离间隙(201)钻铤的电流源。该隔离间隙使得电流(210)可被注入到BHA(IOO) 上，以用于EM遥测目的和用于探测不同的电阻率的附近地层的目的。因此，它可以节省成本的方式实现双重目的。然而，可以指出，在一些操作中，可使用不同的结构配置。例如，在一个实例中，电流驱动工具可以是电磁遥测工具。在另一实例中，BHA可包括泥浆脉冲遥测工具和电流驱动工具。图3是包含磁力计(200)的钻铤(202)的一个实例的剖视图。钻铤可由非磁性金属例如不锈钢或铍铜构成；它们均通常作用钻铤材料。钻铤的壁厚度通常为1英寸或更大。 钻铤方位角向对称，且具有内半径r = a和外半径r = b。磁力计(200)可被承载在非磁性压力壳体(203)中，所述压力壳体居中地位于钻铤内。用于钻井泥浆的通道(204)设置在压力壳体与钻铤(202)的内壁之间。参看图2和3，电流驱动工具产生经过隔离间隙的交变电流I (0)。例如，电流可具有优选在大约IHz至大约IOOHz之间的频率和具有高达大约20安培的幅度。也可采用较低的频率和较高的频率，但ΙΗζ-ΙΟΟΗζ的范围是最有益的。交变电流随时间的变化通过公式eiut控制，其中，ω是角频率，t是时间。随时间的变化未明确地包括在随后的等式中， 且被采用。类似地，由电流产生的任何磁场均与电流具有相同的时间变化。与直流(dc)相比，使用交变电流的益处是，产生的交变磁场可与静态的地球磁场区别开，所述静态的地球磁场通常远大于由交变电流产生的磁场。因此，用于测量磁场的装置的输出可具有被设定为交变电流的频率的带通滤波器。然而，DC电流也可被用于测量，但不太便利。交变电流(210)沿着BHA(IOO)流动；它进入和流入周围的油气地层(211)中。 一部分电流流入水区(212)。在油基泥浆(OBM)中，大部分的电流将通过钻头(104)离开 BHA(IOO)，且通过与井壁接触的稳定器(未示出)和钻铤在隔离间隙上方返回到BHA(IOO)。 在水基泥浆(WBM)中，电流沿着BHA的长度流出BHA(IOO)。在WBM中，电流在隔离间隙(201) 与钻头(104)之间以近似线性的方式减小。用I(z)表示沿着BHA(IOO)的轴向电流，其中，I (0)是隔离间隙(201)处的电流， ζ是距离隔离间隙的轴向距离。如图3所示，对于径向距离r > b，轴向电流I(Z)产生由
Bo(z，r) =B0(z,r)θ外给出的一次磁场，其中，r是径向距离，&是方位角方向上的单位矢量。在
钻铤(202)的表面上，磁场由云0(ζ，6) = ^^ 给出，其中，Ptl = 10_7亨利/米，1(2)
Inb
用安培表示，b用米表示。如果钻铤(202)和围绕着磁力计(200)的压力壳体(203)是方位角向对称的，则轴向电流I(Z)也将是方位角向对称的。该轴向电流(210)将进入钻铤的横截面区域，且方位角向对称的电流密度= 可以安培/平方米的单位确定，其中J是沿着ζ-方向的单位矢量。由于方位角向对称，意味着，J(r)不是方位角θ的函数。如果对于1~< J(r) = 0，则对于r < a的钻铤内的任何位置，磁场也将为零。这遵循电磁学的Maxwell公
式，且通过估计积分P·汤=μ0 Jp(^) ·&办计算，其中，左手线积分在半径r < a的圆上计算，右手面积积分在该圆的横截面面积上计算。如果在钻铤内的任何位置、即对于！· < a, :7(r)*0，则上述结果不适用。因此，重要的是，不允许电流经由电线、馈电元件或其他路径在钻铤内存在。实际中，不可能具有完全对称的钻铤，而可容许具有小的非对称度。因此，位于钻铤内的磁力计将不会探测到一次磁场，这是因为对于r < a, 5o(z,r) = 0。在非常大的同质地层中，地层中的电流将也是方位角向对称的；因此，也不可在钻铤内产生磁场。该结论源于对地层中的电流应用相同的对称理由。因此，当BHA(IOO) 处于大的同质地层中时，磁力计将记录零信号。钻铤内不具有磁场(零信号)表明，不具有电阻率不同的相邻地层。图2示出了处于具有Rh = lOOohm-m的高电阻率油区(10)中的BHA (100)，该油区位于具有Rw = 2ohm-m的低电阻率水区(20)上方。在这种情况下，油气区中的电流(211) 将趋向于流向水区(20)，这是因为水区提供了返回BHA(IOO)的较低的电阻率路径。因此， 在BHA下方的水区(20)中比在BHA上方的油气区(10)具有更大的电流。地层电流中的这种不平衡将产生不对称的磁场万1。基本物理方面的知识可通过参看图4和5理解。在高电阻率比值的情况下，两个区之间的分界面(30)处的总磁场孟(z,r)与分界面基本平行(图5a)。这种情况可以通过将导电地层替换为与分界面上方的实际BHA(IOO)成镜像关系的位于分界面(30)下方的相同距离(d)处的像BHA (220)、以及通过向像BHA (220)施加与实际BHA(IOO)上的电流幅度相等但方向相反的电流被近似地建模。一个来自BHA (100)、一个来自像BHA (220)的两个磁场的矢量和在分界面(30)处使磁场的y分量抵消。次生磁场云1(^7")关于像8撤(220)方位角向对称，但在BHA的位置处横过于实际BHA (100)(图4、5b和6)。由于工作频率低(< 100Hz)， 因此，次生磁场il(z,r)可容易地进入非磁性的钻铤(202)内和通过磁力计(200)测量。如果磁力计(200)具有至少两个敏感轴线(χ'和y')，则到水区的方向可被确定，这是因为它必须与次生磁场云l(z，r)垂直。如果磁力计(200)仅具有一个横向轴线，则BHA(IOO)必须转动，且在两个或多个角度或工具面处进行测量。注意，磁力计(200)仅对次生磁场云1(2，/0 敏感，而不会探测到一次磁场3o(z，r)。因此，磁力计中的非零信号表明存在不同电阻率的相邻地层。BHA(IOO)上的电流的相位也必须被确定，以确定低电阻率水区(20)是在BHA上方还是下方。由于像BHA(220)上的电流与实际BHA上的电流反相，因此足以测量出隔离间隙 (201)处的电流的相位。可选地，BHA(IOO)上的电流的相位可借助于安装在BHA(100)的外表面上的小的磁力计测量。一旦像BHA(220)上的电流已被确定，通过将“右手定律”应用于像BHA(220)上的电流和磁场云i(z,r)得到朝向低电阻率水区(20)的绝对方向(向上与向下)。例如，在图5b中，BHA(100)上的电流进入纸面中，从而，像BHA(220)上的电流从纸面出来。次生磁场根据右手定律在图5b中为逆时针方向。由于像BHA(220)上的电流的方向是已知的且磁力计处的次生磁场的方向为-χ方向，因此，低电阻率水区必然在 BHA(IOO)下方。当BHA(IOO)接近地层分界面(30)时，磁力计信号将随着距离d的减小而增大。因此，如果BHA(IOO)上的电流的幅度是已知的，则磁力计(200)可用于估计至地层边界的距离。BHA(IOO)上的电流可通过测量施加给隔离间隙(201)的电流确定。可选地，BHA(IOO) 上的电流也可通过使用安装在BHA(IOO)的表面上的小的磁力计(300)测量，如图7所示。 BHA 电流(210)通过 I (z) = (2 3ib/y0)B0(z,r)给出，其中，r = b。参看图8，向着分界面(30)的实际方向可以由两个横向磁力计读数确定。例如， 如果地层分界面(30)与y-ζ平面平行，则从磁力计(200)向着分界面(30)的方向可由
权利要求
1.一种用于确定到地层内的边界的距离和方向的电磁式电阻率测量的方法，包括在具有第一种电阻率的第一种地层中的井眼内部署导电管件，导电管件包括轴向延展井眼的钻头、具有隔离间隙的电流驱动工具和磁力计；在第一种地层中轴向延展井眼的过程中，产生沿着导电管件的电流；在导电管件内，测量由产生的电流感生的磁场的方向和幅度；以及基于导电管件内的被测量的磁场的非零幅度探测未被井眼穿入的相邻地层的存在，所述相邻地层具有第二种电阻率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于由产生的电流感生的被测量的磁场的幅度确定到相邻地层的距离。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于由产生的电流感生的被测量的磁场的方向相对于井眼确定到相邻地层的方向。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于到相邻地层的距离利用钻头对井眼的进一步的轴向延展进行导向。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于到相邻地层的方向利用钻头对井眼的进一步的轴向延展进行导向。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量利用至少二轴线式磁力计执行。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，磁力计的至少两个轴线与导电管件的方向轴线垂直。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，导电管件包括钻铤、井底组件、电缆探测器和连续油管输送装置中的一个。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测量在导电管件上产生的电流的相位。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于导电管件上的电流的相位判断地层边界是在井眼上方还是井眼下方。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测量导电管件上的产生的电流的幅度。
12.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测量由产生的电流感生的次生磁场的幅度。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括输入电阻率比值C的估计值，并根据以下公式执行反演运算来求解所述距离
14. 一种钻井系统，包括位于具有第一种电阻率的第一种地层中的井眼内的导电管件，所述导电管件包括 轴向延展井眼的钻头，电流驱动工具，所述电流驱动工具具有隔离间隙，且产生沿着导电管件的电流，以及磁力计，所述磁力计在导电管件内测量由产生的电流感生的磁场的方向和幅度； 所述钻井系统还包括将测量结果传输到地面的MWD工具；地面控制计算机系统，所述地面控制计算机系统基于导电管件内的被测量的磁场的非零幅度确定未被井眼穿入的相邻地层的存在；以及导向系统，所述导向系统基于确定出的未被井眼穿入的相邻地层的存在接收钻机命令，并基于钻机命令在地层中沿给定轨迹对钻头进行导向。
全文摘要
提供了一种方法和装置，所述方法和装置用于定向测量与井眼接近但未被井眼穿入的不同电阻率地层。所公开的方法和装置使用至少一个隔离间隙和至少一个磁力计，所述磁力计定位于非磁性壳体内，所述非磁性壳体设置在非磁性管件内。电流被施加经过隔离间隙，这会使电流泄漏到周围地层中。当不同电阻率的地层与测井设备接近时，磁力计探测源于不同地层的次生磁场。次生磁场的方向可用于确定不同地层的方向。次生磁场的幅度可用于确定至不同地层的距离位置。
文档编号E21B47/026GK102246063SQ200980149902
公开日2011年11月16日 申请日期2009年11月23日 优先权日2008年12月10日
发明者B·克拉克, B·龙, J·C·戈斯瓦米, J·C·莫利, M·帕邦 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司