从三维感应测量值提取电阻率各向异性数据的多级工艺流程方法

专利名称：从三维感应测量值提取电阻率各向异性数据的多级工艺流程方法
从三维感应测量值提取电阻率各向异性数据的多级工艺流程方法
相关申请的交叉引用
本申请主张由2009年10月5日提出申请的美国临时申请No. 61Λ48，790和2010 年4月21日提出申请的美国临时申请No. 61/326，观7的优先权权益。技术领域
本发明总体涉及通过设置在钻通岩层的井眼内的仪器进行岩层电阻率的电磁测 量的领域。更具体地，本发明涉及用于使用岩层的电磁测量值确定电阻率、电阻率各向异性 和地层层态(倾角)的方法。
背景技术：
测井技术中的主要进展之一在于引入具有三维(3D)灵敏度的电磁测量值。在通 常所说的“电缆”测量系统(即，在铠装电缆的端部处被输送通过井眼的测量系统)，3D电磁 感应测量值被设计成主要用于检测垂直井中的电阻率各向异性(例如，参见Krieghauser 等人在2000年5月30日到6月3日在美国犹他州盐湖城举办的第41届SPWLA Symposium年 会上在论文D 中提出的"A New Multicomponent Induction Tool to ResolveAnisotropic Formation，，禾口 Rosthal, R. , Barber, Τ. , Bonner, S. , Chen, K. C. , Davydycheva, S. , Hazen, G.，Homan, D.，Kibbe, S.，Minerbo, G.，Schlein, R.，Villegas, Wang, W.和 Zhou 在 2003 年 6月22-25日在德克萨斯州Galveston举办的SPWLA Annual Logging Symposium中在论文 QQ 中提出的"Field testsof an experimental fully triaxial Induction Tool，，)。
由诸如注册商标为PERISCOPE的测井仪器得到的随钻测井(“LWD”)测量值表示多 轴电缆感应仪的LWD对应部分，PERISCOPE是本发明的受让人的注册商标。LWD仪器通常在 钻井期间或在钻杆或其它管道通过井眼的“起下钻”期间被输送通过井眼。上述PERISCOPE LWD仪器通常用于在选定的地下岩层或这种地层的储层部分内的井位。然而，迄今还没有使 用用于定量地层评价(尤其用于在所有视倾角处的地层电阻率各向异性的评价)的这些多 轴LWD测量值的全部潜能。
电缆3D感应测量值的解释基于单向参数反演。例如，参见在2003年10月27_30 日在德克萨斯州达拉斯举办的SEG年会中Wang，H.，Barber, Τ.，Rosthal, R.，Tabanou, J.，Anderson, B.禾口 Habashy，Τ·提出的"Fast and rigorousinversion of triaxial induction logging data to determine formation resistivityanisotropy, bed boundary position, relative dip and azimuth angles，，。M胃)(寸( LffD Uljfii 11!11 却不能获得这种反演过程，其中理想的是在井眼的钻进期间基本上实时地对电阻率各向异 性进行解释。
授予Omeragic等人并转让给本发明的受让人的美国专利No. 6，998，844说明了使 用横向磁偶极子天线和倾斜磁偶极子天线(在本文中的“横向”和“倾斜”表示以测井仪器 的纵向轴线为参考)获得电磁传播测量值。这种天线用于上述PERISCOPE仪器中。‘844专利还描述了一种用于根据基于参数反演的模型从各向异性测量值剔除“侵入”影响(紧邻 井眼的地层的电阻率由于孔隙中的天然流体被钻井液的液相替换而变化的影响)和围岩 影响(轴向相邻地层对在评价中的地层的影响)的方法。授予Omeragic等人并也被转让给 本发明的受让人的美国专利No. 6，594，584公开了一种包括来自电磁测量数据的区间(沿 井眼的纵向)的各向异性反演的到分层面距离的参数反演。
继续需要由在井眼的钻进期间得到的电磁测量值确定地层电阻率、电阻率各向异 性和地层层理层态(“倾角”)。发明内容
根据本发明的一方面的用于由井眼测量值确定地层电阻率、各向异性和倾角的方 法包括以下步骤使测井仪器移动通过地下地层。测井仪器包括被定向为纵向磁偶极子的 电磁发射器和接收器，测井仪器还包括倾斜磁偶极子和横向磁偶极子中的至少一个。发射 器和接收器用于获得相对应的偶极子灵敏测量值。地层分层界面和地层分层的水平电阻率 由纵向磁偶极子测量值确定。通过对各向异性灵敏电磁测量值做反演来确定地层分层的垂 直电阻率。通过对对称和反对称电磁测量值做反演来确定改进的地层分层的垂直电阻率和 所述地层分层的倾角。通过对纵向磁偶极子测量值、各向异性灵敏电磁测量值、对称和反对 称测量值做反演来确定改进的垂直电阻率、改进的地层界面和改进的倾角。通过对纵向磁 偶极子测量值、各向异性灵敏测量值、对称和反对称测量值做反演来确定改进的水平电阻 率、进一步改进的地层界面和进一步改进的倾角。
将从以下说明和所附权利要求认识本发明的其它方面和优点。


图IA显示可以得到可与本发明一起使用的测量值的随钻测井仪器
图IB显示一维地层模型的地质构造；
图IC显示图IA的一维模型的电阻率；
图2显示Iog(R)响应；
图3显示与实际模型相比较的初始地层模型；
图4显示仅对Mi做反演的反演结果；
图5显示仅对Rv做反演的反演结果；
图6显示对Rv和倾角做反演的反演结果；
图7显示置信水平计算；
图8显示反演质量控制图表；
图9A-9D显示在有和没有井眼效应的情况下测井仪响应的比较；
图10显示反演结果；以及
图11显示在减小井眼效应的情况下的反演结果。
具体实施方式
图IA显示其中可以获得与本发明的方法一起使用的测量值的钻机和钻柱。陆上 平台和井架组件10定位于钻通地下地层F的井眼11的上方。在所述的示例中，井眼11以本领域所公知的方式通过旋转钻井形成。然而，本领域的技术人员将认识到本发明还应用 于使用液压操作的马达以及旋转钻井的定向钻井应用中。此外，本发明的使用不局限于在 陆上钻机上使用。
钻柱12悬挂在井眼11内并且包括在其下端处的钻头15。钻柱12由转盘16旋 转，所述转盘由未示出的装置提供能量，所述转盘16接合在钻柱上端处的方钻杆17。钻柱 12通过方钻杆17和水龙头19从大钩18悬挂，所述大钩连接到游动滑车(未示出)，所述 水龙头允许钻柱相对于大钩旋转。
钻井液或泥浆沈储存在形成在井位处的槽27内。泵四通过水龙头19的端口将 钻井液26输送到钻柱12的内部，从而使钻井液由方向箭头9所示向下流动通过钻柱12。 钻井液通过钻头15内的端口离开钻柱12，然后如方向箭头32所示向上循环通过钻柱外部 与井壁之间的被称作为环空的区域。依此方式，当钻井液返回到槽27用于再循环时，所述 钻井液润滑钻头15并且将岩屑带到地面。
钻柱12还包括靠近(通常距离钻头几个钻铤长度)钻头15的总体由附图标记34 所示的底部钻具组合。底部钻具组合34可以包括用于测量、处理、和存储信息以及与地面 进行通信的能力。底部钻具组合(“BHA”)34因此尤其包括用于确定和通信井眼11周围的 地层F的电阻率的测量和局部通信设备36。包括对方位角灵敏的电阻率测量仪器的通信设 备36包括第一对发射天线T/接收天线R以及第二对发射天线T" /接收天线R"。第二对 天线T"、R"相对于第一对天线T、R对称。如本领域所公知的，电阻率仪器36还包括用于 控制数据的采集的控制器。电阻率仪器可以是在授予Li等人并转让给本发明的受让人的 美国专利No. 7，382，135中更加全面地描述的电阻率仪器。上述仪器在注册商标PERISCOPE 15和PERISCOPE 100下使用，PERISCOPE 15和PERISCOPE 100是本发明的受让人的注册商 标。PERISCOPE仪器具有倾斜偶极子天线。在如上所述的Omeragic等人的‘584专利中更 加全面地描述了来自这种倾斜偶极子天线的测量值的解释类型。为了获得可与根据本发明 的方法一起使用的测量值，仅需要具有电磁天线的任意组合，所述电磁天线具有(i)主要 对“水平电阻率” (Mi)灵敏的偶极矩，所述水平电阻率是平行于地层分层(“层理面”)的层 态测量的岩层的电阻率；(ii)主要对“垂直电阻率” (Rv)或电阻率各向异性灵敏的偶极矩， 所述垂直电阻率或电阻率各向异性是垂直于层理面测量的电阻率；以及(iii)能够获得或 合成“对称”和“反对称”的交叉偶极子测量值(这种测量值对地层倾角或层理面层态相对 于井眼/仪器纵向轴线的方向和大小是灵敏的)的偶极矩。
BHA 34还包括容纳在钻铤38、39内用于执行各种其它测量功能(例如，地层F的 自然放射、密度(伽马射线或中子)、和孔隙压力)的仪器。如本领域所公知的，钻铤中的至 少一些安装有扶正器37。
地面/局部通信子组件40正好在钻铤39上方也容纳在BHA34内。子组件40包 括用于与电阻率测井仪36局部通信的环形天线42 (虽然其它公知的局部通信装置可以有 利地采用)、和公知类型的声波遥测技术系统，所述声波遥测技术系统通过钻井液或泥浆中 携带的信号与地球地面上的类似系统(未示出)进行通信。因此，子组件40中的遥测系统 包括在钻井液中产生表征测量的井下参数的声信号(也被公知为“泥浆-脉冲”)的声波发 射器。在钻井液中应用声信号的这种遥测技术和相关遥测技术可以总体被表征为调制钻柱 或管柱内的流体的流动。
在地面上通过由附图标记31表示的转换器接收产生的声信号。诸如压电式转换 器的转换器将接收到的声信号转换成电子信号。转换器31的输出联接到井口接收子系统 90，所述井口接收子系统解调发送的信号。接收子系统90的输出然后联接到计算机处理器 85和记录器45。处理器85(尤其)可以用于在测井的同时“实时”地确定地层电阻率分布， 或用于随后通过从记录器45获取记录的数据而确定地层电阻率分布。计算机处理器联接 到采用图形用户界面(“GUI”)的监测器92，测量的井下参数和从所述井下参数推导出的 具体结果(例如，电阻率分布)以图形的方式显示给用户。
井口发送系统95还被设置成用于接收来自用户的输入指令(例如，通过监测器92 中的GUI)，并且可操作以选择性地以可由子配件40中的转换器99检测的方式中断泵四的 操作。依此方式，在子配件40与井口设备之间具有双路通信。在美国专利No. 5，235，285 和No. 5，517，464中更加详细地描述了适当的子配件40，这两个专利都被转让给本发明的 受让人。本领域的技术人员将认识到可选的声学技术以及其它遥测装置(例如，电机装置、 电磁装置)可以采用用于与地面进行通信。
在这种可选的信号遥测技术的一个示例中，钻柱12可以被“有线”管柱代替，所述 “有线”管柱包括形成每一根管段的一部分的有线信号遥测信道、和设置在在每一个管段的 每一个纵向端部处的螺纹凸肩上的电磁耦合器。例如，参见授予Boyle等人并转让给本发 明的受让人的美国专利No. 7，040, 415。这种遥测系统的示例可以包括如下部件，为清楚起 见，在附图IA中省略了上述部件。采用根据本示例的遥测系统的钻柱包括多个相互连接的 管状构件(如以下所述)。钻头被连接成用于在如上所述的旋转钻井结构中与钻柱12—起 旋转。
钻柱遥测系统可以包括电缆通信链路，所述电缆通信链路具有在钻柱内的至少两 个间隔开的适配器接头(未示出)，和连接两个适配器接头(未示出)的用于在所述两个适 配器接头之间信号通信的电缆(未示出)。电缆通信链路可以包括允许适配器接头还用作 管道通信链路内的部件的通信耦合器。可以使用连接到水龙头19的电缆(未示出)将来 自测井仪器36的测量值通过钻柱12内的信号信道通信给地面单元90 (包括记录单元45)。 上述示例仅仅旨在说明BHA(包括图IA中所示的测井仪器36)与记录单元45之间的通信 原理，并且不旨在限制可以根据本发明使用的遥测装置的范围。
在根据本发明的方法中，对由诸如上述仪器的仪器获得的测量值进行处理以确定 水平电阻率(横向于地层分层的厚度测量的视电阻率)、垂直电阻率(沿地层分层的厚度方 向测量的电阻率)和倾角(分层相对于选定的轴向参考的层态)。
用于解释电缆三轴感应测量值的一维参数反演基于“层状饼”(大致平坦，平行于 层状地层)横向各向同性(Ti)地层模型。使用层状分层模型的类似基准，并且使用由诸如 以上参照图1所示的仪器的仪器获得的测量值，根据本发明的反演过程可以分别确定被测 井仪器穿过的所有地层分层的水平电阻率Ml和垂直电阻率Rv、地层倾角(方向和大小)和 厚度。根据本发明的方法利用的事实在于由仪器获得的不同测量值主要对不同的地层模型 参数灵敏。根据本发明的多步骤反演过程包括以下单独说明的通常步骤。
(1)由传统的电阻率(S卩，使用纵向磁偶极子天线或流电装置测量的电阻率)确定 地层分层(“层”)界面的初始轴向位置，或由通过诸如上述PERISCOPE仪器的仪器获得的 测量值确定方向响应。
(2)由传统的(例如，纵向磁偶极子)电阻率测量值，对水平电阻率Mi做反演。在 此步骤中，假设地层是各向同性的，即，Rv = Mi，并且地层分层(层)厚度和倾角是已知的。
(3)使用“各向异性”测量值对垂直电阻率(Rv)做反演。这种各向异性测量值可 以是横向或倾斜磁偶极子测量值。
(4)使用对称和反对称测量值对Rv和倾角做反演。
如上所述，可以由一些三轴感应交叉偶极子测量值获得测量值，或者可以由使用 上述PERISCOPE仪器获得的倾斜偶极子测量值对这种测量值进行合成。
(5)使用可获得的所有测量值对Rv、倾角和地层厚度(或者地层界面位置)做反演。
(6)使用可获得的所有测量值对Mi、倾角和地层厚度(或者地层界面位置)做反演。
(7)检查测量值与在步骤(6)中的模拟响应之间的拟合差。如果需要，扰动步骤 (6)的反演解(perturb the solution to the inversion)以生成新的反演模型，然后重复 步骤( 和(6)。重复步骤(7)、步骤( 和步骤(6)直到拟合差(在步骤(7)中)落入选 定的阈值以下。此时的结果将是最终的地层模型。
要注意的是以上通常步骤(1)-(6)中的每一个本身都是一种反演过程。每一个单 独反演步骤(1)-(6)的结果可以在上述过程中用作每一个随后反演步骤的初始模型。
图IB显示具有由附图标记102-118所示的倾斜地层的一维地层模型。生成设置 在穿透这种地层102-118的模拟垂直井100内的测井仪器的合成响应，并且合成响应用于 执行反演，图7示出了所述反演的结果。如本领域的技术人员容易理解的，使用根据本发明 的方法计算的“倾角”表示地层分层相对于井眼和/或测井仪器的轴线的层态。在井眼实 际上与大地线垂直的情况下，确定的倾角将表示大地测量倾角。在井眼轨迹不是垂直的情 况下，可以通过对井眼大地测量轨迹进行调节来将确定的倾角转换成大地测量倾角。通常 使用方向传感器(例如，三轴磁力仪和三轴加速计的组合)大致沿整个井眼测量这种轨迹。 以下更加详细地说明以上在根据本发明的示例性方法中所述的步骤。
1.由电阻率响应获得地层界面位置的初始估计倌
用于由电阻率测量值估计初始地层分层(“层”)界面位置的一般程序包括选择电 阻率响应(R)。在一个示例中，可以使用上述PERISCOPE仪器或任意纵向磁偶极子电磁仪 器并且选择电阻率响应曲线中的一个，诸如相位移，获得响应R。然后计算所述响应的对数 Iog(R)。然后，可以计算Iog(R)相对于轴向位置(量测深度)的导数。导数曲线上的峰值 可以被选择为地层界面。
接下来，研究层厚。如果最薄的地层界面在预定截止值或阈值以下，则可以使用以 下程序。如果相邻层中的一个是厚的(例如，在阈值厚度以上)，选定的地层界面可以朝向 较厚层移动以增加具有在阈值厚度以下的分层(“较薄层”)的厚度。如果相邻层都是厚 的，地层界面可以朝向相对于薄层具有较低电阻率差异的地层界面移动。如果相邻层都是 薄的(在阈值厚度以下)，则除去相对于研究中的薄层具有较低电阻率差异的地层界面。上 述过程可以重复直到从初始估计值除去所有薄层。如果层中的一些太厚(即>3米)，可以 适当地增加另外的地层界面。
一旦地层界面被限定，在层的轴向中间层处确定选定响应(例如，如上确定的相位响应)的电阻率。对于每一个地层界面，这种值是水平电阻率Mi的初始估计值。可以使 用诸如图像测量值对地层倾角进行假设。如果不能获得这种外部信息，可以将零倾角选择 为初始估计值。
图2显示由曲线120所示的28英寸间距相位响应的Iog(R)响应和由附图标记 1 所示的使用上述过程的选定的地层界面。在122处显示Iog(R)的导数。上述过程可识 别所有的实际地层界面，而且所述过程还可以识别错误的地层界面。地层界面轴向位置的 估计值接近实际模型位置。
图3显示如以上参照图2推导出的初始地层估计值，并且在图3与使用的实际地 层模型进行比较。Mu Rv和倾角值沿MD( “量测深度”或沿井眼的长度的轴向位置)被画 出。Mi的模型输入值在曲线1 处被显示，Rv的模型输入值在曲线1 处被示出，初始Mi 和Rv分别在曲线127和130处被示出。模型倾角在曲线132处在测井图第二轨迹中被示 出，而初始倾角在曲线134处被示出。Mi和Rv的中断通常指示地层界面的位置。Mi的初 始估计值显示为非常接近Mi的实际模型值。然而，Rv值和倾角值在使用上述过程和实际 模型确定的初始估计值之间非常不同。
为了评价初始估计值和实际模型之间的差，提出以下公式以描述相对精度(百分 比)，依然如图3中的右手“轨迹”的曲线所示。整体因子用于限定在本文中的反演模型精 度的精度。整体精度因子被定义为Mu Rv和倾角精度的加权平均。
权利要求
1.一种用于由井眼测量值确定地层电阻率、各向异性和倾角的方法，包括以下步骤 使测井仪器移动通过地下地层，所述测井仪器包括电磁发射器和接收器，所述发射器和接收器被定向为纵向磁偶极子，以及倾斜磁偶极子和/或横向磁偶极子，所述发射器和 接收器用于获得相对应的偶极子灵敏测量值；由纵向磁偶极子测量值确定地层分层界面和地层分层的水平电阻率； 通过对各向异性灵敏电磁测量值做反演来确定所述地层分层的垂直电阻率； 通过对对称电磁测量值和反对称电磁测量值做反演来确定改进的地层分层的垂直电 阻率和所述地层分层的倾角；通过对所述纵向磁偶极子测量值、所述各向异性灵敏电磁测量值、所述对称电磁测量 值和反对称电磁测量值做反演来确定改进的垂直电阻率、改进的地层界面和改进的倾角； 以及通过对所述纵向磁偶极子测量值、所述各向异性灵敏测量值、所述对称电磁测量值和 反对称电磁测量值做反演来确定改进的水平电阻率、进一步改进的地层界面和进一步改进 的倾角。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤扰动所述改进的垂直电阻率、进一步改进的水平电阻率、进一步改进的地层界面和进 一步改进的倾角中的至少一个，并且重复以下步骤通过对所述纵向磁偶极子测量值、各向异性灵敏测量值、对称电磁测量值和反对称电 磁测量值做反演来确定改进的垂直电阻率、改进的地层界面和改进的倾角；以及通过对所述纵向磁偶极子测量值、各向异性灵敏测量值、对称电磁测量值和反对称电 磁测量值做反演直到所述纵向磁偶极子信道响应、各向异性灵敏信道响应、对称信道响应 和反对称信道响应的输出与所述测井仪器测量的响应之间的差落入选定阈值以下，来确定 改进的水平电阻率、进一步改进的地层界面和进一步改进的倾角。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤对所确定的改进的水平电阻率、进一步改进的垂直电阻率、进一步改进的地层界面和 进一步改进的倾角计算整体精度值。
4.根据权利要求3所述的方法，所述整体精度值包括所确定的改进的水平电阻率、进 一步改进的垂直电阻率和进一步改进的倾角的加权平均精度。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤在井眼信号在限定的阈值以上的情况下，通过从所有确定步骤排除受井眼尺寸和电导 率影响的电磁测量值的响应来减小井眼电导率的影响。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤对所确定的改进的水平电阻率、进一步改进的垂直电阻率和进一步改进的倾角中的每 一个确定品质因子。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤将所述品质因子表示为彩色图、灰度图和曲线中的至少一个。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述品质因子由在反演中使用的模型的有效性、 数据拟合和参数的不确定性限定。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述品质因子用于限定所确定的改进的水平电阻率、进一步改进的垂直电阻率和进一步改进的倾角的结果的置信水平。
10.根据权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤 计算倾角值的标准偏差。
11.根据权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤 计算倾角方位值的标准偏差。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述品质因子包括计算反演残差。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，所述品质因子包括计算数据拟合误差。
14.根据权利要求6所述的方法，其中，所述品质因子包括计算反演参数不确定性。
全文摘要
本发明公开了一种用于由井眼测量值确定地层电阻率、各向异性和倾角的方法，其包括以下步骤使测井仪器移动通过地下地层。测井仪器包括电磁发射器和接收器，所述发射器和接收器被定向为纵向磁偶极子、以及倾斜磁偶极子和/或横向磁偶极子。地层分层界面和地层分层的水平电阻率由纵向磁偶极子测量值确定。通过对各向异性灵敏电磁测量值做反演来确定地层分层的垂直电阻率。通过对对称和反对称测量值做反演来确定改进的地层分层的垂直电阻率和倾角。通过对所有偶极子测量值做反演来确定改进的垂直电阻率、改进的地层界面和改进的倾角。通过对对所有偶极子测量值做反演来确定改进的水平电阻率、进一步改进的地层界面和进一步改进的倾角。
文档编号E21B49/00GK102031964SQ20101051283
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月5日
发明者塔里克·哈巴希, 孙克利, 李启明, 泽瓦特·奥梅拉吉奇 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司