专利名称：用于地层的特征化、导航钻探路径以及在地下钻井中布置井的方法
技术领域：
本发明涉及在地下井眼中钻探和测量的领域，更具体地涉及用于特征化目标地层和用于例如在定向钻井期间准确地布置井的方法。
背景技术：
定向钻井以及随钻测井(LWD)和随钻测量(MWD)的出现大大地改进了用于生产碳 氢化合物资源的井的定位和布置。定向钻井涉及为了各种目的沿着偏离的路线钻井，包括在特定的目标区域中降至最低点。定向钻井用于例如在产油地层床(或“产油区”)中获得适当的井眼轨迹，并接着基本上在产油区内钻探。水平地钻出的井可极大地增加在产油区中的井眼体积，伴随着油产量的增加。LffD通常是指使用位于钻头紧邻上方的钻铤中的仪器来测量地层性能。在孔被切削出之后不久、在它被连续钻井或取岩心操作不利地影响之前进行测量。由于钻井和测量之间的较短时间，向井眼壁中的流体入侵相对于电缆测井也减小了。LWD和MWD有时区别在于LWD数据被记录在存储器中并在工具到达地面时被下载，而MWD数据被发送到地面(例如，通过泥浆脉冲或有线钻杆)并被实时地监测。然而，术语“LWD”也更一般地用于涵盖LWD和MWD，并将在这里以这种方式使用，除非另外指出。在定向钻井计划作出之前，钻井队常常有本地地层的地质属性的相当多的先验知识。最初的知识可例如从本地中的勘测井和/或生产井得到。地震勘测由于其能够很远地探测到地层中的能力而在定位地层中的井路径时被普遍使用。然而，地震勘测通常不能够提供期望的分辨率和精确度以充分特征化目标地层并预测有利地布置井的位置。常常使用电磁(EM)工具进行其它测量例如电阻率测量。一些EM测井工具使用传播技术来测量地层的电阻率。传播工具测量地层中的EM信号的幅度、相移和衰减以确定地层的电阻率，这些可能是地层特征化的重要方面。在转让给本发明的受让人的美国专利6，188，222中公开了提供相对深的读数的电阻率工具。可以是LWD工具阵列的一部分的这个工具包括在发射机和接收机之间的相对长的间隔，并可用于确定地层电阻率和获得用于在定向钻井过程中确定井位置的地层边界的表示。在LWD工具——其中一些在下文中被概述——中的随后发展提高了受控的定向钻井的精确度并便于井布置。然而，仍然存在改进这些功能和目标地层及它们的储层的特征化的很大余地，目标正是实现这种改进
发明内容
根据本发明的一种形式，公开了一种用于引导目标地层中的井眼钻探的方法，所述方法包括下列步骤提供具有井底组件的钻井设备，所述井底组件包括可控的定向钻井子系统以及具有环视和前视能力的随钻测井定向测量工具；确定所述目标地层中的预定类型的地层特征的存在；以及使用所述钻井设备在所述目标地层中对钻井路径进行导航，包括从所述定向测量工具接收测量信号，从接收到的测量信号获得关于所述目标地层中的所述地层特征的地层参数的代表物，以及控制所述定向钻井子系统，以便沿根据获得的地层参数的代表物确定的方向钻井。在本发明的这个形式的一个实施例中，提供随钻测井定向测量工具的步骤包括提供具有环视和前视能力的随钻测井定向电阻率测量工具。在该实施例中，环视能力高达大约100英尺，而前视能力高达大约60英尺。在本发明的所述形式的一个实施例中，确定目标地层中的预定类型的地层特征的存在的步骤包括在存储器中存储包括多个示例性地层特征模型的多个表示的知识库；提供所述目标地层的初始参数数据；以及比较所述初始参数数据与所述知识库中的模型，以便选择地层特征模型，所述目标地层中的所述预定类型的地层特征从选定的地层特征模型导出。在本实施例中，在存储器中存储包括多个示例性地层特征模型的多个表示的知识库的步骤包括存储包括多组地层几何结构和地层物理参数的模型。此外，在本实施例中，地 层参数包括钻头相对于目标地层中的所述地层特征的空间关系，或包括钻头相对于目标地层中的所述地层特征的选定边界的空间关系。预定类型的地层特征包括从一组中选择的多个典型特征，该组包括但不限于地层断层；连同页岩边界、脊、砂体、盐丘和地层油/水接触面的地层储层。根据本发明的另一形式，提供了一种用于动态地特征化目标地层的方法，所述方法包括下列步骤提供具有井底组件的钻井设备，所述井底组件包括可控的定向钻井子系统和具有环视和前视能力的随钻测井定向电阻率测量工具；确定目标地层中的预定类型的地层特征的存在；以及使用所述钻井设备在所述目标地层中钻井，从所述定向测量工具接收测量信号，以及基于接收到的测量信号进一步特征化所述目标地层中的所述预定类型的地层特征。在本发明的这种形式的一个实施例中，所述进一步特征化目标地层中的预定类型的地层特征的步骤包括进一步特征化目标地层中的地层几何结构和地层物理参数。根据本发明的又一形式，提供了一种用于在目标地层中产生井眼钻探计划的方法，所述方法包括下列步骤提供存储器；在所述存储器中存储包括多个示例性地层特征模型的多个表示的知识库；提供所述目标地层的初始参数数据；比较所述初始参数数据与所述知识库中的模型，且基于所述比较选择模型；以及根据选定的模型导出井眼钻探计划。在本发明的这个形式的一个实施例中，导出井眼钻探计划的所述步骤包括根据选定的模型和所述初始参数数据导出绘图。在该实施例中，比较所述初始参数数据与所述模型的步骤包括反演所述初始参数数据，以及比较所述反演的结果与所述模型。在另一个实施例中，比较所述初始参数数据与所述模型的步骤包括正演模拟所述多组地层参数，以及比较所述正演模拟的结果与所述初始参数数据。当结合附图理解时从下面的详细描述中，将使本发明的另外的特征和优点变得更明显。
图I是一种类型的井场系统的一个例子的部分成方框形式的示图，本发明可结合该井场系统而被实践。图2是随钻测量电阻率测井装置的简化图。图3是具有环视能力的另一随钻测量电阻率测井装置的简化图。图4是具有环视和前视能力的另一随钻测量电阻率测井装置的简化图。图5是用于实践本发明的实施方式的用于控制处理器的例程的流程图。图6是由图5的例程的方框510表示的用于编译在知识库中的代表示例性地层特征模型的表示的例程的流程图。图7是由图5的例程的方框530表示的用于选择地层特征模型并使地层特征模型生效的例程的流程图。 图8A示出涉及在高倾角储层中的井底的模型或情况。图8B示出涉及在储层尖灭地层中的导航的模型或情况。图8C示出涉及高倾角底部地层中的储层中的停留的模型或情况。图8D示出涉及用于穿过剩余油囊的导航的模型或情况。图SE示出涉及在具有页岩空缺区的储层中的导航的模型或情况。图8F示出涉及在砂注入翼中的导航的模型或情况。图SG示出涉及探测和导航储层异态和指状变化的模型或情况。图8H示出涉及底部页岩不规则性的探测和描绘的模型或情况。图81示出涉及相对于不整合面导航的模型或情况。图8J示出涉及在脊的顶部处导航的模型或情况。图8K示出涉及在水平井中的页岩脉理探测和避开页岩的导航的模型或情况。图8L示出涉及在水平产油油井储层中的水锥的监测的模型或情况。图SM示出涉及地质导向、找到并地质导向到断裂区中以及相对于断裂区的方位的断裂区钻井的优化的模型或情况。图8N示出涉及在井眼周围的异质的探测和描绘的模型或情况。图9A示出涉及在进入储层之前在垂直井中的地质停止的模型或情况。图9B示出涉及为了最佳地取岩心而在垂直井中的地质停止的模型或情况。图9C示出涉及探测在垂直井中的钻头前面的储层之上的前兆物质层的模型或情况。图9D示出涉及探测在垂直井中的钻头前面的储层厚度的模型或情况。图9E示出涉及在垂直井中的油水接触面(OWC)之前的地质停止的模型或情况。图9F示出涉及在垂直井中的流体接触面的远程探测的模型或情况。图9G示出涉及在垂直井中的堆放的砂子中的流体接触的远程探测的模型或情况。图9H示出涉及在垂直井中的砂注入特征化的模型或情况。图IOA示出涉及顶部盐沼探测的模型或情况。图IOB示出涉及底部盐沼探测的模型或情况。图IOC示出涉及盐沼内含物探测的模型或情况。图IOD示出涉及邻近页岩和产油区的盐丘轮廓确定的模型或情况。
图IOE示出涉及在盐丘外部的导航的模型或情况。图IOF示出涉及在盐丘内部的导航的模型或情况。图IOG示出涉及在储层之上的盐沼区域的底部处的井底的模型或情况。图IOH示出涉及用于进入并停留在盐沼中的碳酸盐层内的地质导向的模型或情况。图IlA示出涉及在钻头处的断层垂直位移探测的模型或情况。图IlB示出涉及断层特征化的模型或情况。图IlC示出涉及在具有断层的地层中的多个OWC描绘的模型或情况。
图IlD示出涉及断层导向以避免水流入的模型或情况。图IlE示出涉及在断层之间的分隔空间的识别和描绘的模型或情况。图IlF示出涉及在钻头前面的层倾角的探测的模型或情况。图12A示出涉及在钻头前面的焦油层探测的模型或情况。图12B示出涉及在盐沼下面的焦油层探测的模型或情况。图12C示出涉及填充有焦油的断层的探测的模型或情况。图13A示出涉及在河床砂区域之间的跳变的模型或情况。图13B示出涉及河床砂描绘和导向的模型或情况。图13C示出涉及在钻头前面的河床砂导向的模型或情况。图14A示出涉及当穿过上页岩部分钻探时深的体电阻率的测量的模型或情况。图14B示出涉及在低渗透性储层中的深入侵描绘的模型或情况。图14C示出涉及裂缝特征化的模型或情况。图14D示出涉及在钻头前面或在井底组件周围的流体损失的探测和监测的模型或情况。图14E示出涉及在钻头前面的孔隙压力预测和压力区探测的模型或情况。图14F示出涉及在钻头前面的岩性的探测的模型或情况。图14G示出涉及套管探测和拦截的模型或情况。
具体实施例方式图I示出了井场系统，结合该井场系统可实践本发明。井场可以是在陆地上的或海上的。在这个示例性系统中，井眼11通过旋转定向钻井在地表下的地层30中形成。钻柱12悬挂在井眼11内，并具有井底组件100，该井底组件100在其下端处包括钻头105。地面系统包括位于井眼11上方的平台和井架组件10，组件10包括转盘16、方钻杆17、钩18和旋转接头19。钻柱12通过由未示出的装置供给能量的转盘16旋转，转盘16在钻柱的上端处啮合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19从连接到游动滑车(也未示出)的钩18悬挂，旋转接头19允许钻柱相对于钩旋转。如所公知的，可以可选地使用顶部驱动系统。在本实施方式的例子中，地面系统还包括贮存在形成于井场处的坑27中的钻井液或泥浆26。泵29经由接头19中的端口将钻井液26输送到钻柱12的内部，使钻井液通过钻柱12向下流动，如方向箭头8所示。钻井液经由钻头105中的端口从钻柱12出来，并接着通过钻柱的外侧和井眼的壁之间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。以这种公知的方式，钻井液使钻头15润滑，并在它返回到坑27以用于再次循环时将地层岩屑载送到地面。如在本领域中已知的，可在井场周围设置传感器以收集、优选实时地收集关于井场的操作以及井场处的条件的数据。例如，这样的地面传感器可被设置用来测量参数例如立管压力、钩负荷、深度、地面转矩、每分钟转数及其它参数。所示实施方式的井底组件100包括接口接头110、随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD)模块130、用于定向钻井的旋转导向系统和电机150、以及钻头105。如本领域已知的，LWD模块120容纳在特殊类型的钻铤中，并可包含一个或多个现有类型的测井工具。也可以理解，可使用多于一个的LWD模块和/或MWD模块。图I的图示不出了位于模块150 (旋转导向系统和电机)的相反侧的附加模块120A和120B。如将在下文进一步描述的，这些模块可包含天线，所述天线是最近开发的具有环视和前视能力的LWD 定向电阻率测量工具的一部分。LWD模块具有用于测量、处理并存储信息以及用于与地面设备通信的能力。在本实施方式中，LWD模块特别是包括刚刚提到的具有确定的环视和前视能力的定向电阻率测量工具，该定向电阻率测量工具进一步在下文中被描述并在转让给本申请的同一受让人的PCT国际公开文献WO 2009/029517中被详细描述。LWD模块还可包括测量地层特征的下列类型的测井装置中的一个或多个声波测量装置、核测量装置、核磁共振测量装置、压力测量装置、地震测量装置、成像装置和地层采样装置及其它装置。如本领域已知的，MWD模块130也可安置在特殊类型的钻铤中，并可包含用于测量钻柱和钻头的特征的一个或多个装置。MWD工具一般还可包括用于对井下系统产生电力的设备。这可一般包括由钻井液的流动提供动力的泥浆涡轮发电机，应理解，也可使用其它电力和/或电池系统。MWD模块可包括下列类型的测量装置中的一个或多个钻压测量装置、转矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置和倾度测量装置及其它装置。结合本发明，使用钻柱遥测系统，其在所示实施方式中包括被感应地耦合的有线钻杆180的系统，钻杆180从地面接头185延伸到井底组件中的接口接头110。有线钻杆系统的相对较高的带宽和伴随的相对较高的数据速率对在本发明的实施方式中的使用是有利的，但可以理解，本发明的实施方式也可结合任何适当的通信技术例如常规泥浆脉冲通信技术操作。根据包括钻柱的长度的因素，中继接头或转发器可在有线钻杆柱中以一定间隔设置，一个例子在附图标记182处示出。也可设有传感器的中继接头进一步在共同未决的美国专利申请公开文献2009-0173493中被描述，其转让给与本申请相同的受让人。接口接头110在LWD和MWD模块的通信电路与钻柱遥测系统之间提供接口，钻柱遥测系统在本实施方式的例子中包括具有感应耦合器的有线钻杆。也可设有传感器的接口接头110进一步在所引用的共同未决的美国专利申请公布号2009-0173493中被描述。地面接头或地面接口 185位于有线钻柱的顶部处。当有线钻杆系统被使用时，通信链路在顶端的有线钻杆和地面处理器200之间提供。如例如在美国专利7，040, 415中公开的旋转接头技术可用于将信号耦合到处理器。目前，无线方法是更优选的，例如进一步在美国专利申请公开文献2007-0030167中被描述并转让给与本申请相同的受让人的那种类型的无线方法。如在此所述的，成地面接头185的形式的井口接口与电子装置35耦合，该电子装置35随着方钻杆17旋转并包括与控制单元的天线和收发机双向地通信的收发机和天线，控制单元在本实施方式中可以是用于井口处理器系统200的接口。在电子装置35和处理器系统200的井口接口的天线之间示意性地示出了通信链路175。因此，该实施方式的配置提供了从井口处理器200通过通信链路175到地面接头185，再通过有线钻杆遥测系统到井下接头110和井底组件的部件的通信链路，且包括相反的通信链路，以进行双向操作和控制。在本实施方式的例子中，设有旋转导向子系统150(图I)，其适合于经由钻柱遥测系统进行控制。定向钻井涉及使井眼故意偏离它本自然行进路径。换句话说，定向钻井是对钻柱的导向，使得它在期望的方向上行进。定向钻井也能够实现穿过储层的水平钻探，并能够使较长长度的井眼横穿储层，这增加了井的生产率。如在本发明的实施方式中所使用的，定向钻井能够相对于几种或很多不同类型的所遇到的地层特征实现相对准确的导航和井布置，这些特征使用知识库建模来确定并 使用LWD测井输入被改进。现有的定向钻井方法包括旋转导向系统(“RSS”)的使用。在RSS中，钻柱从地面被旋转，且井下装置使钻头沿期望的方向钻探。使钻柱旋转极大地减少了钻柱在钻井期间被挂住或卡住的发生。用于在地中钻斜井眼的旋转导向钻井系统可通常被分为“指向式钻头”系统或“推靠式钻头”系统。在指向式钻头系统中，钻头的旋转轴线在新孔的总体方向上从井底组件的局部轴线偏离。孔根据上稳定器接触点和下稳定器接触点以及钻头限定的常规三点几何结构延伸。与钻头和下稳定器之间的有限距离关联的钻头轴线的偏离角度导致要产生的曲线所需的非同线条件。存在可实现此点的很多方式，包括接近于下稳定器的井底组件中的点处的固定弯曲部或分布在上稳定器和下稳定器之间的钻头驱动轴的挠曲。在其理想化形式中，钻头不需要向侧面切削，因为钻头轴线在弯曲的孔的方向上连续旋转。在美国专利申请公开文献2002/0011359和2001/0052428以及美国专利6，394，193、6，364，034,6, 244，361,6, 158，529,6, 092，610 和 5，113，953 中描述了指向钻头型旋转导向系统的例子以及它们如何操作。在推靠式钻头旋转导向系统中，通常没有特别确定的机构来使钻头轴线从局部井底组件轴线偏离；相反，必要的非共线条件通过使上稳定器和下稳定器中的任一个或两个在优选相对于孔延伸方向定向的方向上施加偏心力或移位来实现。此外，有很多可实现此的方式，包括沿期望的导向方向将力施加到钻头的非旋转(相对于孔)的偏心稳定器(基于移位的方法)和偏心致动器。而且，导向通过在钻头和至少两个其它接触点之间产生非共线性来实现。在其理想化形式中，钻头需要向侧面切削，以便产生弯曲的孔。在美国专利 5，265，682,5, 553，678,5, 803，185,6, 089，332,5, 695，015,5, 685，379、5，706，905,5, 553，679,5, 673，763,5, 520，255,5, 603，585,5, 582，259,5, 778，992 和5，971，085中描述了推靠钻头型旋转导向系统的例子和它们如何操作。本发明的某些实施例有利地利用钻头的具有提高的环视和前视能力的随钻测井定向电阻率测量工具。已经用作LWD工具的较早类型的电阻率工具的一个例子是美国专利4，899，112中公开的标题为 “Well Logging Apparatus And Method For Determining FormationResistivity At A Shallow And A Deep Depth”的转让给与本申请相同的受让人的双电阻率LWD工具。该LWD工具在图2中示出，且可以看到，上发射天线T1和下发射天线T2在它们之间具有上接收天线R1和下接收天线R2。天线形成在更改的钻铤中的凹部中，并安装在绝缘材料中。该测井装置有利地利用以下事实衰减测量看起来比以相同的天线间隔进行的相位测量更深些。接收机R1和R2之间的电磁能的相移提供了所研究的相对较浅的深度处的地层电阻率的指示，接收机R1和R2之间的电磁能的衰减提供了所研究的相对较深的深度处的地层电阻率的指示。可以为了另外的细节而参考上文引用的美国专利4，899，112。图3的LWD电阻率测量工具提供倾斜和横向线圈来获得定向灵敏的测量结果(见L. Chou等人的Oilfield Review, 2005,其通过引用被并入本文)。传感器阵列包括六个发射机天线和四个接收机天线。五个发射机天线化到^沿着工具的长度轴向布置。第六个发射机天线(T6)定向成横过于工具轴线。接收机天线位于工具的每个端部处。这对接收机天线(RJPR4)使发射机设置在它们之间，且这些接收机中的每个倾斜成与工具轴线成45度。位于发射机阵列的中心中的另一对接收机天线(义和民)被轴向地布置并可获得常规类型的传播电阻率测量结果。所述布置在工具的一侧产生对导电性的优先敏感性。当工具旋转时，工具的传感器可探测附近的导电区，并记录可从其测量到最大导电率的方向(环视能力)。磁力计和加速计可为工具提供参考定向方向数据。除了其定向能力以外，该工具比以前可用的LWD电阻率工具提供更深的测量。在转让给与本申请相同的受让人的、通过引用并入本文且标题为“Look AheadLogging System”的PCT公布的申请WO 2009/029517中，公开了具有定向成能够在期望方向上——包括测井系统前面和在钻头前面——实现灵敏性的电阻率阵列的LWD测井装置。图4示出了其中的实施方式之一。如看到的，系统440包括与工具例如井底组件446组合的随钻测井系统444。井底组件446包括钻头(在本图中是466)。随钻测井系统444包括具有发射机天线460的发射机模块458和具有接收机天线464的接收机模块462。在所示的特定例子中，随钻测井系统444包括多个例如两个接收机模块462。发射机模块458和一个或多个接收机模块462位于沿着井底组件446的分开的位置处，且间隔被选择成提供所期望的研究深度。发射机模块458定位成靠近井底组件446的钻头466。在本例中，发射机模块458安装在钻头466之后和旋转导向系统480之前的接头上。通过使用这样的系统，测量点(被认为在发射机模块458和接收机模块462之间的中点)以不仅提供径向灵敏度(环视)而且提供在发射机天线460前面的灵敏度(前视)的方式而被推向钻头466。如在’ 517公布的申请中描述的，可利用各种天线配置。例如，发射机模块458可具有倾斜的天线460。倾斜天线的使用意味着磁性偶极矩不与工具轴线例如井底组件轴线对齐，也不是与工具轴线垂直的磁性偶极矩。接收机模块462也可使用倾斜的天线464，或接收机模块462的天线464可包括轴向天线，其中其磁性偶极矩沿着工具轴线或垂直于工具轴线。在一个所述实施方式中，在发射机和接收机模块中的天线的总数是四，且可利用那四个天线的很多配置方式。天线460、464还可包括电偶极子天线。作为例子，磁性电偶子天线例如线圈可用在感应和/或传播测量中。电偶极子天线可使用电极和/或环形室。根据特定的应用，发射机天线和接收机天线的作用可互换。发射机模块458和天线460可添加到用于驱动钻头466的泥浆马达(未单独地示出)的钻头盒470。每个发射机模块458也可包括一个或多个传感器474和通过外部或内部电线或通过机载电池供电的相关电子装置476。此夕卜，随钻测井系统444还可包括其他多种模块478，所述其他多种模块478可包括各种工具或传感器。如进一步在‘517公布的申请中描述的，传感器474例如电磁传感器紧邻地位于钻头466之后或可与钻头466集成。可选地,一个或多个传感器474连同相应的电子装置476可紧邻地安装在旋转导向系统480上或泥浆马达上。如进一步描述的，可利用各种天线。例如，发射机天线460可形成为三轴天线TX，且接收机天线464可形成为三轴RCV天线。相应的传感器可以是单独的传感器或感应/传播和/或侧向测井传感器的组合。在其它实施方式中，如在’ 517公布的申请中描述的，天线可以是可能对使用油基泥浆钻探的井特别有用的环形电偶极子天线。可参考美国专利7，612，565和7，656，160以及美国专利申请公开文献2006/0011385和2008/0136419，它们都转让给与本申请相同的受让人，并通过引用并入本文。参考图5，示出了用于控制处理器例如图I的计算机处理器200的用于实践本发明的实施方式的过程的流程图。方框250代表示例性地层特征模型的知识库的编译。[图6是由方框510代表的过程的更详细的流程图。]在本实施方式的例子中，地层特征模型被以几种应用类别分组如下I.储层导航(图 8A-8N)；2.在垂直井中的地质停止应用(图9A-9H)；
3.盐沼导航(图 IOA-10H)；4.断层探测和特征化(图11A-11F)；5.焦油探测(图 12A-12C)；6.河床砂导航(图13A-13C)；7.地层评估(图 14A-14G)。可以理解，为了在其它变型中实现本发明，这些类别和每个类别中的模型可被修改和/或补充。为了地层特征建模的初始说明，可参考类别(4)——断层探测和特征化，其是示例性类别之一。图IlA示出地层层理的例子，其中具有倾向断层。最暗的区域是有产油储层，且弯曲的实线是直到一个时间点的井眼轨迹。最左边的双向箭头代表LWD电阻率装置的“环视”能力，而两个最右边的双向箭头代表LWD电阻率装置的“前视”能力。在这种情况下，对钻头前面的断层的探测及其相应垂直位移的估计可用于改变定向钻井的随后轨迹(以虚线示出)，以最大化断层之后的产油区中的距离。在图IlB所示的下一建模情况中，地层是相同的，且钻探轨迹从图IlA继续。在这种情况下，双向箭头代表LWD电阻率装置的环视能力的使用以确定断层和储层特征，并继续相应地导航。再次参考图5，方框520表示目标地层的初始参数数据的推导。该数据可包括例如地震测量结果或任何其它测量结果，包括但不限于密度、中子、电阻率、声速，从这些测量结果可引出推断以帮助特征化地层。接着，如方框530所表示的，初始参数数据与知识库中的模型比较，且模型被选择并在有利的匹配的基础上生效。基于选定和生效的模型，例如通过输出地层几何结构和参数，可做出定向钻井导航控制决定(方框540)和/或可特征化目标地层和储层(方框550)。方框520可接着被重新输入用于进一步考虑当前的目标地层或下一目标地层。参考图6，示出了根据图5的方框510所表示的功能的用于编译地层特征模型的知识库的例程的流程图。模型索引开始(方框610)，且当前模型的基本几何结构被输入(方框620)。模型可以例如是结合关于它的图8-14描述的类型，应理解，很多其它类型的模型和目标地层情况可根据现有的经验以及在未来获得的经验而被包括。对于正被输入的当前模型，方框630表示对模型的几何结构限制的定义。这可包括例如层理厚度和方位的范围、地层特征等，以及被认为对模型有用的任何其它几何特征和/或约束。此外，如方框640所表示的，参数限制(对于电阻率和其它选定的地层变量)被定义。如在示图上指示的，这些可从现有的知识和模拟以及动态地从当前和/或未来的观察得到，这可用于将模型添加到知识库或编辑现有的储存的模型。在对当前模型的完整定义被存储(方框650)之后，判断模型索引是否指示出最后一个模型已被编译(决策方框660)。如果否，模型索引递增(方框670)，方框620被重新输入，且循环680继续，直到所有期望的地层特征模型被输入到知识库中。可以理解，随着例如使用改进的环视和前视装置确定的地层特征的进一步的理解如上文所述地被采用，知识库可被连续改善并改进。参考图7，示出了用于实现图5的方框530表示的功能的一种实施例的例程的流程图，其用于选择所存储的地层特征模型并使该模型生效。 该实施例的方框715表示例如基于方框520(图5)的推导出的数据从所存储的模型当中识别候选模型。在图7的实施例中，使用输入数据执行反演(方框775)，以获得候选模型(例如，二维参数化层泥饼模型)的参数。关于适当类型的反演技术可例如参考美国专利7，366，616。可接着使用可选的生效例程(方框735)，以例如通过使用成本函数分析来确定选定的模型是否满足预定的有效性概率。如果多于一个存储的模型被考虑生效，则最高概率结果可用于选择最佳候选模型(方框745)。基于进一步导出的数据，可实现监测和更新模型确定，如箭头750所表示的。在下面的示图和描述中，双向箭头再次用于表示在本发明的背景中使用的环视和前视能力。图8A示出涉及在高倾角储层中的井底的模型或情况。储层顶部的早期探测能够实现井轨迹的优化。图SB示出涉及在储层尖灭地层中的导航的模型或情况。当在储层尖灭地层中导航时，储层主要边界的描绘使得可获得井路径的最优化布置。图SC示出涉及在高倾角底部地层中的储层中的停留的模型或情况。如果储层具有合理倾斜的回升，它可被足够早地探测到，用于进行轨迹校正。图8D示出涉及用于穿过剩余油囊的导航的模型或情况。环视和前视的组合对找到并导向到阁楼油或分隔开的油囊是有用的。图SE示出涉及在具有页岩空缺区的储层中的导航的模型或情况。当穿过储层导航时，使用前视和环视早期探测页岩区域使得在储层中的距离最大化并减小钻井危险。图8F示出涉及在砂注入翼中的导航的模型或情况。当在砂注入翼内导航时，在钻头前面的探测和环视允许停留在快速变化的砂体几何结构内并对轨迹变化做出较早决定。图SG示出涉及探测和导航储层异态和指状变化的模型或情况。当接近于储层的顶部导航时，环视能力使得可描绘边界不规则性(异态)及其程度。图8H示出涉及底部页岩不规则性的探测和描绘的模型或情况。这类似于前一情况。图81示出涉及相对于不整合面导航的模型或情况。当接近于不整合面导航时，2D目标是不整合面边界的描绘，并同时确定地层倾角。图8J示出涉及在脊的顶部处导航的模型或情况。当接近于脊的顶部导航时，边界的同时探测使得可最优化井眼布置。
图8K示出涉及在水平井中的页岩脉理探测和避免页岩的导航的模型或情况。如果地层已经被分层，以均质地层(ID)、2D和3D效果探测来临的薄页岩层是可能的。钻井危险的减小和产油的最大化由于避免了页岩而得以实现。前视提供早期探测和更有效的井轨迹校正。图8L示出涉及监测水平产油油井储层中的水锥的模型或情况。水锥可在产油井或附近的井中被监测。图SM示出涉及地质导向、找到并地质导向到断裂区中以及相对于断裂区的方位优化断裂区钻井的模型或情况。图SN示出涉及在井眼周围的异质的探测和描绘的模型或情况。图9A示出涉及在进入储层之前在垂直井中的地质停止的模型或情况。通常，在钻头之前停止2到3米是合乎需要的。
图9B示出涉及为了最佳地取岩心而在垂直井中地质停止的模型或情况。通常，目标在于取岩心的这层地层在被识别出之前被横穿。目的是在进入这样的层之前探测和停止。图9C示出涉及探测在垂直井中的钻头前面的储层之上的前兆物质层的模型或情况。目的是确定何时是实际储层而不是前兆物质层。图9D示出涉及探测在垂直井中的钻头前面的储层厚度的模型或情况。当在储层的顶部处地质停止时，对储层的厚度的估计可能对地震测量的校准和下一钻井段的规划是重要的。图9E示出涉及在垂直井中的油水接触(OWC)之前的地质停止的模型或情况。一旦储层被穿透，在OWC上方停止5到6米也被认为是必要的。气油接触也是有利的，但由于电阻率差异的缺乏而通常不能只使用EM测量来探测。在这种情况下，声测量将是一种有任何前视能力的选择。图9F示出涉及在垂直井中的流体接触的远程探测的模型或情况。使用环视，应用是探测远离井眼的owe。图9G示出涉及垂直井中的堆放的砂子中的流体接触面的远程探测的模型或情况。使用环视，应用是探测远离井眼和不同的接近的砂层中的owe。图9H示出涉及垂直井中的砂注入特征化的模型或情况。图IOA示出涉及顶部盐沼探测的模型或情况。通常在低倾角井中，探测钻头前面的盐沼顶部(盐沼入口)使得可设定用于加套管的停止点。由于盐沼的可塑性，盐沼边界周围的区域可能是不稳定的(疏松的，并具有压力差)并具有较高的钻井危险。图IOB示出涉及底部盐沼探测的模型或情况。通常在低倾角井中，在盐沼底部(盐沼出口)的钻头前面的探测使得可设定用于加装套管井眼的停止点。再次，由于盐沼的可塑性，在盐沼边界周围的区域可能是不稳定的(疏松的，并具有压力差)并具有较高的钻井危险。下部页岩可能具有前兆物质分层(中间页岩)。图IOC示出涉及盐沼内含物探测的模型或情况。当钻探穿过盐沼时，通常在低倾角或垂直井中，探测钻头前面的盐沼内含物(页岩)及其厚度使得可确定是否到达盐沼底部。这些内含物通常是水平的。图IOD示出涉及邻近页岩和产油区的盐丘轮廓确定的模型或情况。为了在盐丘周围钻井时最大化产油层中的轨迹，可确定到盐丘和封堵的页岩层的接近度和距离。使用前视使得可较早地改变轨迹。图IOE示出涉及在盐丘外部导航的模型或情况。通过将轨迹维持在远离盐沼边界的一定距离处并探测由可能钻头前面的盐丘围住的产油层来实现在盐丘边界之外的导航。盐沼边界可具有外层。由于盐沼的均质性，在盐丘内部的导航非常难。如果在盐沼边界的大距离处的探测超出EM环视或前视的范围，则井眼声或雷达测量可更好地适用。图IOF示出涉及在盐丘内部的导航的模型或情况。一些与前面的情况类似的考虑。图IOG示出涉及储层之上的盐沼区的底部处的井底的模型或情况。当以高倾角接近盐沼底部(井底)时，探测来临的盐沼边界使得可最佳地定位储层之上的井眼(井眼倾斜)，为下一储层钻井阶段作准备。图IOH示出涉及进入并停留在盐沼中的碳酸盐层内的地质导向的模型或情况。前 视对找到碳酸盐层并停留在该层内是有用的。图IlA示出涉及在钻头处的断层垂直位移探测的模型或情况。这在说明书前面部分中已被讨论。图IlB示出涉及断层特征化的模型或情况。这也早些时候在说明书部分中被讨论。图IlC示出涉及在具有断层的地层中的多个OWC描绘的模型或情况。通过使用环视，当垂直距离被断层(封堵)分开时，可相对于不同的总垂直距离处的OWC进行导向。图IlD示出涉及断层导向以避免水流入的模型或情况。使用环视和前视，可相对于断层完成导向以避免水经由断裂的断层流入。图IlE示出涉及断层之间的分隔空间的识别和描绘的模型或情况。图IlF示出涉及在钻头前面的层倾角的探测的模型或情况。环视和前视可用于估计钻头前面的层的倾角。图12A示出涉及在钻头前面的焦油层探测的模型或情况。焦油砂(疏松的)在具有足够的粘性时将泄漏到井眼中，使井底组件粘住或扭断。如果焦油足够坚固，则没有与钻井相关的问题。在钻头前面的焦油层的探测使得可停止钻井和应用减轻措施，例如泵送化学物质以使焦油变硬。钻井危险于是减小了。对于在烃柱中并具有重力的焦油或非常重的油，储层可从顶部处的可移动的油转达到底部处的高粘性油。在这种情况下，使用电阻率不可探测到焦油接触。NMR测量可用于寻找这个接触。图12B示出涉及盐沼下面的焦油层探测的模型或情况。当焦油砂紧邻地在盐沼之下(焦油通常有高电阻率，而盐沼有无限大的电阻率)时，在钻头前面的焦油层的探测使得可停止钻井和施加减轻措施，例如泵送化学物质以使焦油变硬。钻井危险——包括成本——于是减小了。图12C示出涉及填充有焦油的断层的探测的模型或情况。当焦油穿过断层出现时，断层于是是阻性的并且也可包含油或被矿物化。在垂直或水平应用中的钻头前面的探测将再次允许应用减轻措施，例如泵送化学物质以使焦油变硬。钻井危险于是减小了。另一方面，断层也可包含水，且是非常有传导性的。图13A示出涉及在河床砂区域之间的跳变的模型或情况。当横穿河床砂时，应用是估计河床砂的侧向尺寸并探测在钻头前面的下一河床砂的方向。图13B示出涉及河床砂描绘和导向的模型或情况。当在河床砂内部时，与河床砂边界的接近度的确定允许在这个河床内的导向和停留。图13C示出涉及在钻头前面的河床砂导向的模型或情况。当在河床砂内部时，与在钻头前面的河床砂边界的接近度的确定允许在这个河床内的导向和停留，并且可预先通知轨迹改变。 图14A示出涉及当穿过上部页岩部分钻探时的深的体电阻率的测量的模型或情况。图14B示出涉及在低渗透性储层中的深入侵描绘的模型或情况。在这里，长的间距的使用允许为低渗透性储层描绘非常深的入侵(直径> 20英尺)。图14C示出涉及裂缝特征化的模型或情况。对于某些类型的裂缝并有足够的横向宽度，可使用环视能力来执行裂缝密度的估计。图14D示出涉及钻头前面或井底组件周围的流体损失的探测和监测的模型或情况。当钻探时并当遇到泥浆损失时，在钻头前面和在井底组件周围的地层电阻率的监测可给出在哪里发生流体损失的指示。图14E示出涉及在钻头前面的孔隙压力预测和压力区探测的模型或情况。当电阻率缓慢地增加且增加的原因从声学工具或现场经验被识别为潜在的过压力区(孔隙压力预测)时，前视能力可用于在早期探测这个进入区并使得可采用减轻措施来最小化钻井危险。图14F示出涉及在钻头前面的岩性的探测的模型或情况。图14G示出涉及套管探测和拦截的模型或情况。这通常用于空缺区。从前述描述中将理解，在本发明的优选和可选的实施方式中可进行各种修改和改变，而不偏离其真实精神。该描述仅用于说明的目的，而不应在限制的意义上解释。本发明的范围应仅由接下来的权利要求确定。在权利要求中的术语“包括”旨在意指“包括至少”，使得在权利要求中所陈述的一列元件是开放的组。“单数术语旨在包括其复数形式，除非明确地指出不包括。
权利要求
1.一种用于引导目标地层中的井眼钻探的方法，所述方法包括下列步骤 提供具有井底组件的钻井设备，所述井底组件包括可控的定向钻井子系统以及具有环视和前视能力的随钻测井定向测量工具； 确定所述目标地层中的预定类型的地层特征的存在；以及 使用所述钻井设备在所述目标地层中对钻井路径进行导航，包括从所述定向测量工具接收测量信号，从接收到的测量信号获得关于所述目标地层中的所述地层特征的地层参数的代表物，以及控制所述定向钻井子系统，以便沿根据获得的地层参数的代表物确定的方向钻井。
2.如权利要求I所述的方法，其中，提供随钻测井定向测量工具的步骤包括提供具有环视和前视能力的随钻测井定向电阻率测量工具。
3.如权利要求2所述的方法，其中，提供具有环视和前视能力的随钻测井定向电阻率测量工具的步骤包括提供具有高达大约100英尺的环视能力和高达大约60英尺的前视能力的所述工具。
4.如权利要求2所述的方法，其中，确定所述目标地层中的预定类型的地层特征的存在的所述步骤包括 在存储器中存储包括多个示例性地层特征模型的多个表示的知识库； 提供所述目标地层的初始参数数据；以及 比较所述初始参数数据与所述知识库中的模型，以便选择地层特征模型，所述目标地层中的所述预定类型的地层特征从选定的地层特征模型导出。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在存储器中存储包括多个示例性地层特征模型的多个表示的知识库的步骤包括存储包括多组地层几何结构和地层物理参数的模型。
6.如权利要求4所述的方法，其中，比较所述初始参数数据与所述模型的步骤包括反演所述初始参数数据，以及比较所述反演的结果与所述模型。
7.如权利要求4所述的方法，其中，比较所述初始参数数据与所述模型的步骤包括正演模拟所述地层特征模型，以及比较所述正演模拟的结果与所述初始参数数据。
8.如权利要求2所述的方法，其中，从接收到的测量信号获得关于所述目标地层中的所述地层特征的地层参数的代表物的所述步骤包括反演所述接收到的测量信号，以获得关于所述目标地层中的所述地层特征的地层参数的所述代表物。
9.如权利要求2所述的方法，其中，所述地层参数包括钻头相对于所述目标地层中的所述地层特征的空间关系。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述地层参数包括钻头相对于所述目标地层中的所述地层特征的空间关系。
11.如权利要求2所述的方法，其中，所述地层参数包括钻头相对于所述目标地层中的所述地层特征的选定边界的空间关系。
12.如权利要求8所述的方法，其中，所述地层参数包括钻头相对于所述目标地层中的所述地层特征的选定边界的空间关系。
13.如权利要求2所述的方法，其中，所述地层参数包括电阻率张量。
14.如权利要求2所述的方法，其中，所述预定类型的地层特征包括从下面的组中选择的多个典型特征地层断层；连同页岩边界、脊、砂体、盐丘和地层油/水接触面的地层储层。
15.如权利要求8所述的方法，其中，所述预定类型的地层特征包括从下面的组中选择的多个典型特征地层断层；连同页岩边界、脊、砂体、盐丘和地层油/水接触面的地层储层。
16.如权利要求4所述的方法，其中，所述方法还包括根据从所述定向电阻率测量工具接收的测量结果修改选定的地层特征模型。
17.一种用于动态地特征化目标地层的方法，所述方法包括下列步骤 提供具有井底组件的钻井设备，所述井底组件包括可控的定向钻井子系统和具有环视和前视能力的随钻测井定向测量工具； 确定目标地层中的预定类型的地层特征的存在；以及 使用所述钻井设备在所述目标地层中钻井，从所述定向测量工具接收测量信号，以及基于接收到的测量信号进一步特征化所述目标地层中的所述预定类型的地层特征。
18.如权利要求17所述的方法，其中，提供随钻测井定向测量工具的步骤包括提供具有环视和前视能力的随钻测井定向电阻率测量工具。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述进一步特征化所述目标地层中的所述预定类 型的地层特征的步骤包括进一步特征化所述目标地层中的地层几何结构和地层物理参数。
20.如权利要求18所述的方法，其中，提供具有环视和前视能力的随钻测井定向电阻率测量工具的步骤包括提供具有高达大约100英尺的环视能力和高达大约60英尺的前视能力的所述工具。
21.如权利要求18所述的方法，其中，确定所述目标地层中的预定类型的地层特征的存在的所述步骤包括 在存储器中存储包括多个示例性地层特征模型的多个表示的知识库； 提供所述目标地层的初始参数数据；以及 比较所述初始参数数据与所述知识库中的模型，以便选择地层特征模型，所述目标地层中的所述预定类型的地层特征从选定的地层特征模型导出。
22.如权利要求21所述的方法，其中，在存储器中存储包括多个示例性地层特征模型的多个表示的知识库的步骤包括存储包括多组地层几何结构和地层物理参数的模型。
23.如权利要求21所述的方法，其中，比较所述初始参数数据与所述模型的步骤包括反演所述初始参数数据，以及比较所述反演的结果与所述模型。
24.如权利要求21所述的方法，其中，比较所述初始参数数据与所述模型的步骤包括正演模拟所述地层特征模型，以及比较所述正演模拟的结果与所述初始参数数据。
25.如权利要求18所述的方法，其中，从接收到的测量信号获得关于所述目标地层中的所述地层特征的地层参数的代表物的所述步骤包括反演所述接收到的测量信号，以获得关于所述目标地层中的所述地层特征的地层参数的所述代表物。
26.如权利要求18所述的方法，其中，所述地层参数包括钻头相对于所述目标地层中的所述地层特征的空间关系。
27.如权利要求25所述的方法，其中，所述地层参数包括钻头相对于所述目标地层中的所述地层特征的空间关系。
28.如权利要求18所述的方法，其中，所述地层参数包括钻头相对于所述目标地层中的所述地层特征的选定边界的空间关系。
29.如权利要求25所述的方法，其中，所述地层参数包括钻头相对于所述目标地层中的所述地层特征的选定边界的空间关系。
30.如权利要求18所述的方法，其中，所述地层参数包括电阻率张量。
31.如权利要求18所述的方法，其中，所述预定类型的地层特征包括从下面的组中选择的多个典型特征地层断层；连同页岩边界、脊、砂体、盐丘和地层油/水接触面的地层储层。
32.如权利要求25所述的方法，其中，所述预定类型的地层特征包括从下面的组中选择的多个典型特征地层断层；连同页岩边界、脊、砂体、盐丘和地层油/水接触面的地层储层。
33.一种用于在目标地层中产生井眼钻探计划的方法，所述方法包括下列步骤 提供存储器； 在所述存储器中存储包括多个示例性地层特征模型的多个表示的知识库； 提供所述目标地层的初始参数数据； 比较所述初始参数数据与所述知识库中的模型，且基于所述比较选择模型；以及 根据选定的模型导出井眼钻探计划。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述示例性地层特征模型包括从下面的组中选择的多个典型特征地层断层；连同页岩边界、脊、砂体、盐丘和地层油/水接触面的地层储层。
35.如权利要求33所述的方法，其中，导出井眼钻探计划的所述步骤包括根据选定的模型和所述初始参数数据导出绘图。
36.如权利要求35所述的方法，其中，所述方法还包括根据所述导出的钻井绘图在所述目标地层中开始井眼钻探。
37.如权利要求33所述的方法，其中，所述示例性地层模型包括多组地层参数。
38.如权利要求33所述的方法，其中，比较所述初始参数数据与所述模型的步骤包括反演所述初始参数数据，以及比较所述反演的结果与所述模型。
39.如权利要求37所述的方法，其中，比较所述初始参数数据与所述模型的步骤包括正演模拟所述多组地层参数，以及比较所述正演模拟的结果与所述初始参数数据。
40.如权利要求36所述的方法，其中，所述方法还包括配置井底组件以包括定向钻井子系统和随钻测井子系统，以及使用具有所述配置的井底组件的钻柱在所述目标地层中钻井。
41.如权利要求40所述的方法，其中，所述方法还包括根据所述导出的钻井计划以及还根据从LWD测量结果确定的参数来控制所述目标地层中的钻井。
42.如权利要求41所述的方法，其中，所述随钻测井子系统包括具有环视和前视能力的定向电阻率测量工具。
43.如权利要求33所述的方法，其中，所述存储、比较和导出步骤使用机器处理器来执行。
44.如权利要求33所述的方法，其中，所述存储、比较和导出步骤使用计算机处理器来执行。
全文摘要
一种用于引导目标地层中的井眼钻探的方法包括下列步骤提供具有井底组件的钻井设备，所述井底组件包括可控的定向钻井子系统以及具有环视和前视能力的随钻测井定向测量工具；确定所述目标地层中的预定类型的地层特征的存在；以及使用所述钻井设备在所述目标地层中对钻井路径进行导航，包括从所述定向测量工具接收测量信号，从接收到的测量信号获得关于所述目标地层中的所述地层特征的地层参数的代表物，以及控制所述定向钻井子系统，以便沿根据获得的地层参数的代表物确定的方向钻井。
文档编号E21B47/02GK102725479SQ201080058477
公开日2012年10月10日 申请日期2010年10月15日 优先权日2009年10月20日
发明者J·赛都, Y·H·周 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司