多分量钻井雷达系统和方法

多分量钻井雷达系统和方法
【专利摘要】本文公开了一种多分量钻井雷达工具和方法。至少一些工具实施例采用了接收从所述工具发射的电磁脉冲的反射的至少两个天线。处理器处理接收信号以识别反射信号并且确定距所述反射信号的源的方向和/或距离。可能的源包括岩层边界、流体边界、套管井、以及引起电磁特性差异的其他特征。除了反射信号以外，测量到的响应还可以包括对确定岩层电阻率和介电常数有用的直达信号测量值。每个天线可以发射并接收，并且可以并置天线以减小工具尺寸和降低处理复杂性。所公开的测井工具示例同时采用电偶极和磁偶极天线。
【专利说明】多分量钻井雷达系统和方法
【背景技术】
[0001]在石油钻井和测井领域，电磁测井工具常用于提供地下钻井周围的岩石层环境的电阻率的指示。在确定碳氢化合物的存在与否时，这样的有关电阻率的信息是有用的。通常的电磁测井工具包括发射天线和沿工具的轴位于距发射天线不同距离的一对接收天线。发射天线用于在周围岩层中建立电磁场。进而，岩层中的电磁场在每个接收天线中感生出电压。由于周围地下岩层的几何分布和吸收，在两个接收天线中感生的电压具有不同的相位和幅值。实验表明接收天线中感生电压的相位差(Φ)和幅值比(衰减A)指示岩层的电阻率。
[0002]当将这样的工具适用于需要较大检测范围和准确图形的地质导向(geosteering)时，这些工具的基于频域的操作具有一定的限制。在有限程度上，这些特征能够设置有较宽的天线间距、多个测量频率和复杂的变换算法。
[0003]已经提出了多个利用基于时域操作的工具，包括Fowler的美国专利4，297，699，“Radar drill guidance system(雷达钻井引导系统)” ；Gianzero的美国专利5, 115,198 “Pulsed electromagnetic dipmeter method and apparatus employingcoils with finite spacing(采用有限间距线圈的脉冲电磁地层倾角测量方法和装置)”；Van Oers 的美国专利 6, 712, 140 “Borehole radar antenna and algorithm, method andapparatus for subsurface surveys (用于地下勘探的钻井雷达天线和算法、方法和装置)”;Stolarczyk 的美国专利 6, 778, 127“Drillstring radar (钻柱雷达)”;Larsen 白勺美国专利 7，123，016“Systems and methods useful for detecting presence and/or locationof materials (有助于检测物质的存在和/或位置的系统和方法)”；以及Itskovich的美国专利 7，046，009,“Method for measuring transient electromagnetic components toperform deep geosteering while drilling(测量瞬变电磁分量以实施随钻深地质导向的方法)”。并未发现已经提出的这些工具中的任何工具被证明具有商业可行性。笔者认为，这个结果至少部分是由于在钻井环境中的极端条件下昂贵的电子器件被证实易于损坏，部分则是由于使用天线构造使得变换和解读过程复杂化。
【专利附图】

【附图说明】
[0004]当结合附图思考下列详细描述时，能够取得对各种公开的实施例的更好的理解，附图中:
[0005]图1示出说明性的包括倾角岩层边界的随钻测井环境；
[0006]图2示出说明性的电磁测井工具天线构造；
[0007]图3示出限定倾斜天线的取向的角度；
[0008]图4示出将钻井外周划分成方位角区块。
[0009]图5是说明性的电磁测井工具的电子模块的方框图；
[0010]图6是说明性的电磁测井方法的流程图；
[0011]图7是说明性的变换操作的数据流程图；[0012]图8至图13是在不同的测井条件下相对于时间的接收到的信号脉冲幅值的图表;
[0013]图14至图16是取决于各种参数的检测范围的图表；
[0014]图17至图18示出说明性的取决于工具位置的信号响应；
[0015]图19示出从图18的信号响应中提取的方向信息；
[0016]图20至图21示出从图18的信号响应推导出的距离和方向值；
[0017]图22至图23示出说明性的取决于工具位置的信号响应；以及
[0018]图24至图25示出从图23的信号响应推导出的距离和方向值。
[0019]通过示例的方法，在附图中示出特定的系统和方法实施例并且详细描述如下。然而应理解的是，附图和详细说明无意限制本公开，相反，其意图覆盖落在所附权利要求范围内的所有改进、等同和替代方案。
【具体实施方式】
[0020]于是，本文公开了一种使用多分量雷达以检测岩层异常处(诸如地床边界或者其他井眼)的钻井工具及其系统、方法和这种工具的应用。一些工具实施例包括接收从工具发射的电磁脉冲的反射的至少两个天线。处理器处理接收信号以识别反射信号并且确定到反射信号源的方向和/或距离。可能的源包括岩层边界、流体边界、套管井、以及引起电磁特性差异的其他特征。每个天线可以发射和接收，并且这些天线可以并置(collocated)以减小工具尺寸以及降低处理复杂性。所公开的测井工具示例同时使用电偶极天线和磁偶极天线。
[0021]至少一些方法实施例包括:从钻井中的工具发射电磁脉冲；测量该电磁脉冲的自分量和交叉分量响应；以及确定一个或多个反射信号源的距离和/或方向。除了反射信号以外，所测量到的响应还可以包括有助于确定岩层电阻率、介电常数和渗透率的直达信号(direct signal)的测量值。
[0022]在操作所公开的工具的更大规模的系统环境中，可以最佳地理解所公开的工具的操作和使用。因此，图1示出说明性的随钻测井(logging while drilling,LffD)环境。钻探平台2支撑具有活动块6并用于升高和降低钻柱8的井架4。在钻柱8通过井口 12降低时顶驱10支撑并且旋转钻柱8。钻柱(和/或井下马达)转动钻头14以沿钻井16延伸。泥浆再循环设备18将钻液从滞留坑20通过进料管22抽取到顶驱10，向下通过钻柱8的内部，通过钻头14中的节流孔，经由钻柱8周围的环形体返回地面，通过防喷器并返回坑20中。钻液将钻屑从钻井输送到坑20中并帮助保持钻井完整性。
[0023]井底组件(即，钻柱8的远端部分)包括被称为钻铤(drill collar)的厚壁管，从而增加重量和刚度以有助于钻探过程。这些钻铤的厚壁使其有助于容纳仪器和随钻测井(LffD)传感器。于是，例如，图1的井底组件包括具有电磁测井工具的工具组件24以及控制和遥感模块26。井底组件中还可以包括其他工具和传感器以收集诸如位置、取向、钻头重量、钻井直径等钻探参数的测量值。井底组件中还可以包括井下电机和导向机构。
[0024]随着钻头穿过岩层在钻井中延伸，LffD工具组件24旋转并收集多组分雷达测量值，使得井下控制器与工具的位置和取向测量值相关联而形成钻井周围的岩层三维地图。控制/遥感模块26从各种井底组件仪器收集数据并且将数据存储在内部存储器中。选取的部分数据可以通过例如泥浆脉冲遥感传达到地面接收器28。还存在其他随钻测井遥感方法并且可以使用这些方法。例如，可以采用具有可选的中继器30的穿墙声学遥感以延长遥感范围。作为另一个示例，钻柱8可以由线缆钻管形成，该线缆钻管使波形或图形能够实时发射到地面，以使得能够实时进行质量控制和处理，以便优化测井分辨率。大多数遥感系统还可以将指令从地面传达到控制和遥感模块以配置工具的操作。
[0025]地面接收器28将遥感信号传达到计算机系统50或者一些其他形式的数据处理设备。计算机50根据软件(软件可以存储在信息存储媒介52上)运行，并且经由输入设备54接收用户输入以对接收信号进行处理和解码。可以由计算机50进一步分析和处理得到的遥感数据以生成在计算机显示器56或者一些其他形式的显示设备上显示的有用信息。例如，钻探者可以采用此系统以获得岩层边界或者在井底组件附近现有井眼的地图。然后钻探者可以采用可旋转的导向系统或者导向叶片(steering vane)以导向钻探组件并且相对于岩层边界或者现有井眼来视需要定位钻井。
[0026]可以用工具面角(旋转取向)、倾斜角(斜率)和水平角(罗盘方向)来指定井底组件的取向。如现有技术通常定义的，倾斜角是竖直向下的偏向，水平角是水平面偏离正北的角度，并且工具面角是偏离钻井的上侧的取向角(围绕工具轴旋转)。(因为在竖直井中没有“上侧”，所以在这样的井中的旋转角从正北测量。由于这个原因，即使在偏向的钻井中，旋转角也常被称为“方位角”。)每个取向角可以由磁强计(magnetometer)、测斜计(inclinometer)和/或加速度计测量，但是也可以替代地使用诸如陀螺仪等其他传感器类型。在一个具体的实施例中，该工具包括3轴磁通门磁力计和3轴加速度计。如现有技术所已知的，这两种传感器系统的结合能够得到工具面角、倾斜角和罗盘方向(compassdirection)的测量值。LWD工具组件可以包括位置和取向模块，位置和取向模块需要这样的取向测量值并且将其与陀螺仪或惯性测量值结合以准确跟踪工具的位置和取向。
[0027]电磁测井工具的电子器件容纳在钻铤内，其中天线位于钻铤外，通常在钻铤表面的凹槽中，如图2所示。该凹槽可以填充有非导电性树脂以支撑和保护天线。可替代地，或者叠加地，可以在天线上放置保护盖。该盖可以由导电性材料制成，只要设置开口以允许发射和/或接收电磁能。
[0028]如图3所示，环形天线取向可以用倾斜角ξ和方位角α来指定。倾斜角ξ在工具的纵轴和天线的法向向量N之间测得。方位角α处于垂直于工具的纵轴的平面中并且在工具面划线(tool face scribe line)与天线的法向向量N的投射之间测得。
[0029]工具110(图2)具有三个一组的并置天线112、114、116，具有54.7°的倾斜角和120°的方位角间隔以提供正交性。这样的工具能够提供完整的一组自分量和交叉分量测量值，其可以用于合成任意取向天线的响应。然而，三个一组天线构造具有一定的制造困难，这可以通过使用诸如工具100那样的双重天线系统来避免。工具100具有两个天线102、104以45°倾斜并且方位角相反以提供正交性。根据共同审理中的美国专利申请 12/294,557 “Antenna coupling component measurement tool having a rotatingantenna configuration (具有旋转天线构造的天线稱合分量测量工具)”，在一定假设下，随着这两个天线旋转所取得的测量值将提供所有的自分量和交叉分量测量值。如果天线的共同位置被视为是不理想的，则制造者能够采用工具120的构造，其中天线122、124间隔开，但是这可能使信号处理和变换复杂化。[0030]随着工具旋转并沿钻井前进，工具需要测量值并将这些测量值与钻井位置和方位角相关联。相近的位置和角度可以被分组成“区块(bin)”，并且对每个区块中的所有测量值求平均或者组合每个区块中的所有测量值，以提高测量值质量。图4示出说明性地将钻井外周划分成N个角区块。N通常大于8并且一般可以为数百个。
[0031]图5是电磁测井工具的说明性实施例的电子器件的方框图。当提供触发信号或者在一些实现中提供数字波形时，数模转换器502产生模拟发射信号。每个发射器504提供频率上移、放大以及阻抗匹配，以有效地驱动对应的天线506。天线506运行以将电磁能辐射到岩层中和/或从岩层接收电磁能。为了保护敏感的接收器电子器件，当相应的发射器驱动天线时时间门(time gate) 508将天线506从接收器510去耦合。否则，接收器510提供放大、滤波、频率下移、以及增益控制以适当地调整接收信号用于模数转换器512的数字化。数据缓冲器514使得多个接收器和发射器能够同时运行而不对工具的处理器516施加过于严格的性能要求。处理器516将所需的测量参数写到合适的缓冲器514 (例如，选择特定的天线作为发射天线，以指定所需的信号幅值、频率以及脉冲定时，并且指定所需的记录窗口)，并且在适当的延迟之后，从所需的接收天线收集数字化的波形。处理器能够在存储器518中存储测量数据，如果需要则处理测量数据，并且经由通信界面通过遥感通道将测量数据传达给该界面处的数据获取系统。
[0032]在至少一些实施例中，天线506为并置的多分量天线。图2所示的天线为环形(“磁偶极”)天线，但是也可以使用正交取向的电偶极天线。通过适当地定向电极、线缆、环形线或喇叭形天线，可以实现或近似这种天线。一般而言，处理器516管理具有线性独立取向的N个并置偶极天线的发射、接收以及处理操作以提供一个以上极化(polarization)的测量数据。可以使用倾斜线圈、非倾斜线圈、电磁线圈和/或磁力计实现磁偶极天线。天线偶极的取向可以选为相互正交以优化工具的方向或各向异性灵敏度。当然，可以组合来自不同取向的天线的测量值以确定本来由其他取向的天线所测的测量值。并且，可以利用钻柱的旋转来从不同取向获得数据。一些工具的实施例具有定位在沿钻柱的不同位置的天线以改善图形范围及分辨率。
[0033]图6示出说明性的测井方法，其可以由井下处理器516实施、可以由地面计算设备522实施、或者由两者协作实施。在方框602中，选择初始的发射器。在方框604中，激发所选择的发射器，并且从每个接收器响应性地取得数字波形。考虑使用数个信号波形，包括隔离的方形、三角形或者高斯脉冲。也可以采用线性调频脉冲(chirps)和其他载波调制的脉冲。可以使用重复脉冲以提高信噪比，以便能够调制连续波雷达信号。可考虑的脉冲宽度包括从IOOps到I μ s的范围，优选低于IOOns的宽度，但其他脉冲宽度也可以是合适的。当接收器在接收模式并且启用相关联的时间门时，从天线接收到的信号被递送到数据缓冲器。随着第i个发射器的激励，除了 i以外的所有接收器开始接收数据。此阶段原则上也可以开始从接收器i接收，但是至少一些实施例延迟接收器i上的测井数据直到天线的发射后振铃(ringing)已停止或可忽略不计。处于接收模式足够长的时间后，可以关闭所有的接收器。
[0034]在方框604中，还可以捕捉工具的位置和取向并且用于将接收器响应测量值与方位角区块相关联。(方位角区块同时具有角度范围和轴向范围。)在方框606中，当前的测量值用于为所给定区块更新每个接收器的平均响应。[0035]在方框608中，进行测试以确定是否需要额外的测量值或者是否在当前钻井位置将出现额外的测量值。例如，在具有多个发射器的工具中，希望具有来自每个发射器的测量值。需要额外测量值的其他原因包括在实施额外的处理之前在每个方位角区块内具有所需数量的测量值，或者在实施额外的处理之前具有至少给定数量的方位角不同的测量值。如果在当前位置处期望额外的测量值，则可以将额外的处理推迟到已经收集所有相关的测量值为止。该方法重复方框602-608，直到获得足够数量的测量值。
[0036]一旦在钻井的给定位置获得足够数量的测量值，则该方法继续方框610中可选的预处理。例如，在方框610中，处理器可以组合来自不同接收器的测量值以合成能够被导向以使任何给定方向的灵敏度最大化的虚拟天线的测量值，或者可以处理测量值以对工具电子器件的变化提供补偿。
[0037]在方框612中，系统处理工具测量值以确定岩层介电常数、电阻率和渗透率，以及岩层中任何异常处的距离和方向，这些异常处诸如为地床边界、流体边界、断裂或其他形式的岩层空隙、现有的井眼、或者在附近产生电磁差异的任何其他地下特征。还可以确定异常处的电磁特性(例如，介电常数、电阻率和渗透率)。下面进一步描述一定的变换策略以表明能够轻松地从接收信号中抽取参数，但是可以采用任何标准的岩层特性变换，包括库匹配以及迭代正演建模(forward modeling)。在方框614中，可以更新实时显示以反映最新的测量值。在方框616中，实施测试以确定测井过程是否继续，如果继续，则系统返回到方框602。否则，在方框618中，系统向用户显示测量测井数据。可考虑的测井数据包括反映出的自分量电磁信号图形、反映出的交叉分量电磁信号(角点)图形、异常处的介电常数/电阻率/渗透率、异常处的方位角/仰角图形、以及介电常数/电阻率/渗透率测井数据。测井数据还可以采取围绕钻井的空间的容积图形的形式，或者取决于工具在钻井中的位置和取向的一个或多个岩层特性的图表。已知并且可以使用其他测井显示数据。
[0038]在沿钻井不同位置处可以重复数据获取。在不同深度z处取得的波形数据可以表示为电压Vu (t，z)，其中下标i和j表示关联的发射器和接收器标号，并且t表示从发射器激发起测量的时间。当然，还可以使用电流、功率或者其他一些波形测量变量。有时电压Vu(t，z)可以被看作图形因为其依赖两个维度(时间t和深度z)。如图7所示，自分量电压数据(即i = j)通常示出渗透率ε、介电常数μ或者电阻率P的任意差异的函数。交叉分量电压数据(即i古j)，通常示出渗透率ε、介电常数μ或者电阻率P的倾角(dipped)特征或者角点(corner)特征的函数,只要偶极的取向大致正交并且岩层介质是各向同性的。
[0039]在此阶段可以显示图形，或者如图7所示，可以进一步处理图形或者变换图形以生成改进的电压图形或者渗透率/电阻率图形作为辐射距离d和深度z的函数。在合适的情况下，变换可以产生与异常处相关联的参数，诸如异常处距离da、以及方向(即方位角(K和仰角ea)。可以通过比较波形数据和预编的电压响应库，或者通过利用迭代方式的正演模型以找到产生最拟合实际测量值的预测响应的模型参数来实施变换。该库可以由时间数据、深度数据、背景渗透率/电阻率、异常处距离、异常处方位角和异常处仰角参数组成。取决于待解决的问题范围所需的灵活性，库可以包括更多或者更少的参数。在未被库中的参数范围覆盖的问题中，介电常数、渗透率、电阻率或者电压图形在视觉观察上仍可以提供关于异常处参数的足够信息。例如，即使准确的距离测量值不可用，反射信号的峰值也可以提供相对距离信息。
[0040]由于工具的多分量性质，不同的发射器可以激励出不同极的电磁波以在接收信号数据中建立方向依赖性。结果，可以由Vij(Lz)波形获得异常处的方向。例如，假设从偶极的正交集合获得多分量数据Vij(Lz)，i = 1,2,3, j = 1,2,3.在每个时间和深度的数据张量可表示为
[0041]
【权利要求】
1.一种测井工具，包括:至少两个天线，接收从所述工具发射的一个或多个电磁脉冲的反射；以及处理器，处理来自所述至少两个天线的接收信号，以确定一个或多个异常处的方向。
2.如权利要求1所述的工具，其中所述一个或多个异常处包括具有不同电阻率的岩层区域之间的边界。
3.如权利要求1所述的工具，其中所述一个或多个异常处包括套管井。
4.如权利要求1所述的工具，其中所述处理器进一步确定所述一个或多个异常处的估计距离。
5.如权利要求4所述的工具，其中所述处理器根据工具位置来处理所述接收信号，以便提供来自由如下构成的集合中的至少一个测井数据:反射的自分量电磁信号图形；反射的交叉分量电磁信号图形；介电常数图形；电阻率图形；渗透率图形；异常处方位角图形；以及异常处仰角图形。
6.如权利要求1所述的工具，其中所述两个天线是三天线组的一部分，并且其中所述三天线组中的每个天线从所述工具发射从所述电磁脉冲中选取的多个脉冲。
7.如权利要求6所述的工具，其中所述三天线组中的所述天线是实质并置的。
8.如权利要求1所述的工具，其中所述天线属于由以下构成的集合中的类型:分离电极天线、电缆天线、环形天线、以及喇叭形天线。
9.如权利要求1所述的工具，其中所述天线属于由以下构成的集合中的类型:线圈、倾斜线圈、磁强计、以及螺线管 。
10.如权利要求1所述的工具，其中所述电磁脉冲具有低于IOOns的宽度。
11.一种测井方法，包括:从钻井中的工具发射电磁脉冲；测量对所述电磁脉冲的自分量和交叉分量响应，所述响应包括一个或多个反射信号；确定所述反射信号的一个或多个源的方向；以及将所述方向的表征传达给用户。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述确定进一步包括估计到所述一个或多个源的距离。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个源是由以下构成的集合:套管井、岩层地床边界、以及流体边界。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述工具包括:三个一组不同取向的天线，每个天线进行发射以及接收。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述天线至少近似于电偶极。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述天线至少近似于磁偶极。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述电磁脉冲具有低于IOOns的宽度。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述响应进一步包括直达信号。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括从所述直达信号确定岩层的电阻率。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括从所述直达信号确定所述岩层的相对介电常数。
21.如权利要求11所述的方法，其中所述确定包括寻找正交偶极信号数据张量的特征向量 扩展。
【文档编号】G01V3/00GK103477247SQ201180070241
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2011年4月18日 优先权日:2011年4月18日
【发明者】巴里斯·居内尔, 布尔考伊·东德勒哲, 迈克尔·S·比塔尔, 路易斯·E·桑·马丁 申请人:哈利伯顿能源服务公司