快速地层倾角估计系统和方法
【专利说明】快速地层倾角估计系统和方法
【背景技术】
[0001] 现代石油钻井和生产经营需要有关井下参数和条件的大量信息。该样的信息通常 包括钻孔和钻井组件的位置和定向、地层特性，和井下钻井环境的参数。有关地层特性和井 下条件的信息的收集通常被称为"测井"且可在钻井过程本身期间进行（因此术语"随钻测 井"或"LWD"经常与术语"随钻测量"或"MWD"互换使用）。
[0002] 存在用于LWD的各种测量工具。一种该样的工具是电阻率测井工具，其包括用于 将电磁信号发射到地层的一个或多个天线和用于接收地层响应的一个或多个天线。当在低 频率下操作时，电阻率测井工具可被称为"感应"工具，且在高频率下操作时它可被称为电 磁波传播工具。虽然支配测量的物理现象可能随频率变化，但是工具的操作原理是一致的。 在一些情况下，将接收信号的振幅和/或相位与发射信号的振幅和/或相位进行比较W测 量地层电阻率。在其它情况下，将多个接收信号的振幅和/或相位彼此比较W测量地层电 阻率。
[0003] 当根据钻孔中的深度或工具位置来绘制时，测井工具测量被称为"测井曲线 (logs)"。该样的测井曲线可提供对于钻工和完井工程师有用的碳氨化合物浓度和其它信 息的指示。具体来说，方位敏感的测井曲线可提供可用于为钻井组件导向的信息，因为它们 可通知钻工钻头相对于当前基床和附近基床边界的定向的方向，从而能够对钻井方案进行 修改，该将提供比仅使用地震数据的情况更多的价值和更高的成功。然而，如果该样的信息 不可W迅速的方式用于钻工，则该样的信息的效用是有限的。
[0004] 附图简述
[0005] 当结合附图考虑下面的【具体实施方式】时，可获得对各种公开的实施方案的更好理 解，在所述附图中：
[0006] 图1示出说明性随钻测井（UVD)环境。
[0007] 图2示出沿钻柱安装的说明性LWD工具。
[000引图3示出两个测井工具模块和表面系统的框图。
[0009] 图4示出用于快速地层倾角估计的说明性方法。
[0010] 应理解，附图和相应的【具体实施方式】不限制本公开，但与此相反，它们提供用于理 解落入所附权利要求书的范围内的所有修改、等效物和替代方案的基础。
【具体实施方式】
[0011] 下面的段落描述用于快速地层倾角估计的说明性装置、系统和方法。首先描述适 于使用该种装置、系统和方法的说明性钻井环境，随后描述说明性钻柱与随钻测井（LWD) 工具。容纳在LWD工具模块内的天线之间的位置关系也被描述和数学表达，如传播通过周 围地层的接收信号上的该些关系的效果那样。然后描述几个说明性快速地层倾角计算，W 及产生指示快速地层倾角计算的适用性的参数的公式。计算和公式都在说明性系统和由系 统实现的基于软件的方法的情况中表现，所述系统与操作W决定哪些计算用于估计地层倾 角的决策树一起进行所描述的计算。
[0012] 所公开的装置、系统和方法在它们操作于其中的较大系统的情况中被最好地理 解。因此，图1示出说明性LWD环境。钻井平台2支撑具有用于升高和降低钻柱8的移动 块6的井架4。顶部驱动器10在其降低通过井口 12时支撑和旋转钻柱8。钻头14由井下 电机和/或钻柱8的旋转来驱动。在钻头14转动时，它会建立穿过各种地层的钻孔16。累 18使钻井液20循环通过供给管22、通过钻柱8的内部到达钻头14。钻井液离开钻头14中 的孔并向上流过钻柱8周围的环形物W将钻屑输送到地面（其中钻井液被过滤并再循环）。
[0013] 钻头14仅仅是井底组件24中的一件，所述井底组件24包括泥浆电机和一个或多 个"钻挺"（厚壁钢管），其提供重量和刚度W辅助钻井过程。该些钻挺中的一些包括内置 测井仪器，其用于收集各种钻井参数（诸如位置、定向、钻压、钻孔直径等）的测量。可在工 具面角度（旋转定向）、倾斜角（斜率）和罗盘方向的方面指定工具定向，其中每个方面都 可从由磁力计、倾斜计，和/或加速度计的测量导出，然而也可使用其它类型的传感器（诸 如巧螺仪）。在一个具体实施方案中，工具包括3轴磁通口磁力计和3轴加速度计。如本领 域已知的，该两个传感器系统的组合可实现工具面角、倾斜角和罗盘方向的测量。该种定向 测量可与巧螺或惯性测量组合W准确地跟踪工具位置。
[0014] 还包括在井底组件24中的是保持与地面的通信链接的遥测接头。泥浆脉冲遥测 是用于将工具测量转移到地面接收器并从地面接收命令的一种常见遥测技术，但也可W使 用其它遥测技术。对于某些技术（例如，穿墙声信号传送），钻柱8包括用W检测、放大和重 传信号的一个或多个转发器30。在地面上，换能器28在机械和电形式之间转换信号，从而 使网络接口模块36从遥测接头接收上行链路信号和（至少在一些实施方案中）将下行链 路信号发射到遥测接头。数据处理系统50接收数字遥测信号、解调该信号，并将工具数据 或测井曲线显示给用户。软件（在图1中表示为非暂时性信息存储介质52)支配系统50 的操作。用户经由一个或多个输入装置54和55W及一个或多个输出装置56与系统50及 其软件52交互。在一些系统实施方案中，钻工采用系统来作出地质导向决策并将适当命令 传送到井底组件24。
[0015] 井底组件24可仍进一步包括导向机构，钻工可采用所述导向机构W响应于它们 的测井测量的分析来改变钻孔的轨迹。说明性导向机构包括可控翼板、钻準，或弯曲接头。 旋转可导向系统巧S巧可禪接到该样的导向机构W甚至在钻柱继续旋转时也实现地质导 向。
[0016] 钻工做出地质导向决策的受关注的一个地层参数是地层的真倾角。如本领域中已 知的，倾角是相对水平面的倾斜基床的下降的最大角度或其它地层特征。真倾角是垂直于 地层的走向线（即标记基床或特征与水平面的交点的线）所测量的倾角。（它也可被表达 为垂直轴和垂直于地层基床面的矢量之间的角度。）相关的参数是相对倾角，其是钻孔轴 和垂直于地层基床面的矢量之间所测量的角度。例如，钻工可测量地层的相对倾角并采用 该信息来尽可能将钻孔的轨迹保持在地层基床内（相对倾角接近90° )，或尽快退出基床 (相对倾角角度接近0°或180° )。
[0017] 如下面更详细地示出，真倾角和/或相对倾角可基于多分量/S轴电阻率测量来 估计。在至少一些说明性实施方案中，使用包含=轴发射和接收线圈和/或发射和接收信 号可被分解成并建模为正交分量的方位灵敏的发送和接收天线的LWD工具来获得该样的 测量。一般来说，该样的LWD工具的发射和接收天线之间的禪接可被表达为W下形式的张 里：
[001 引 (1)
[0019] 其中每个分量TiRj.表示响应于具有i-轴定向（X，y或Z)的发射天线的信号的具 有j-轴定向（也是x,yorZ)的接收天线上的理论信号。
[0020] 在至少一些说明性实施方案中，上述X、y和Z定向由与钻柱的轴和其它地层特征 (例如地层的走向和倾角）对准的坐标系轴限定。图2示出说明性LWD工具的钻柱连同对 应于每个发射和接收天线的坐标系。LWD工具包括由旋转导向系统204分离并禪接到钻头 208的模块202和206。LWD模块202包括接收天线212且LWD模块206包括发射天线216， 但是任一模块可W是发送或接收天线，W及任意数量的额外发射和/或接收天线。图2的 右侧坐标轴系的Z轴与具有所示的X和y轴的钻柱轴对准。应指出，虽然由于由旋转导向 系统204有意引入的钻柱的扭曲或位置和定向改变而使接收天线212和发射天线216有可 能彼此未对准，但是可使用已知的矩阵旋转来校正该样的未对准，所述矩阵旋转在数学上 重新对准两个天线坐标系并适当调整张量分量。因此，即使在该样的未对准存在时，本文所 描述的系统和方法也可与多模块LWD工具一起使用。
[0021] 在钻柱和LWD工具模块旋转时，旋转或方位角4描述天线在由X和y轴限定的平 面内的定向，如由图2的方位角曲线图所示。为了便于获取和处理所测量的接收天线数据， 在至少一些说明性实施方案中，钻孔被分为方位分区（即，旋转角范围）。在图2的方位角 曲线图中，圆周已经被划分为编号242至Ij 256的八个分区，然而可采用较大或较小数量的分 区。在旋转工具采集方位灵敏的测量时，测量可与该些分区中的一个并与深度值相关联。通 常LWD工具旋转的速度远远超过它们沿钻孔行进的速度，使得给定深度下的每个分区可与 大量测量相关联。在给定深度下的每个分区内，该些测量可组合（例如，取平均值）W改进 其可靠性。
[0022] 对于倾斜非均质地层（例如，基床边界附近的倾斜地层），其中Z-轴表示沿钻柱的 LWD工具轴，已知的是，如果工具坐标系的y轴平行于地层的走向线，则x-y和y-z发射器/ 接收器对之间的交叉禪接可忽略不计。该种情况下由等式（2)的张量表示，