專(zhuān)利名稱(chēng)：具有旋轉(zhuǎn)天線結(jié)構(gòu)的天線耦合元件測(cè)量工具的制作方法
具有旋轉(zhuǎn)天線結(jié)構(gòu)的天線耦合元件測(cè)量工具
些旦
地球巖層的電磁測(cè)井的基本原理和技術(shù)是公知的。例如，用來(lái)確定與井眼相 鄰的地球巖層的阻抗(或其倒數(shù)，傳導(dǎo)率)的感應(yīng)測(cè)井已長(zhǎng)時(shí)間作為搜索和恢復(fù)地 下石油礦床的標(biāo)準(zhǔn)和重要的技術(shù)。簡(jiǎn)言之，發(fā)射機(jī)發(fā)出透過(guò)井眼周?chē)鷰r層材料的電 磁信號(hào)并在一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)中感應(yīng)出信號(hào)。接收機(jī)信號(hào)的振幅和/或相位受巖層 阻抗的影響，以作出阻抗測(cè)量。測(cè)得的信號(hào)特征和/或從中計(jì)算出的巖層特性作為 工具在井眼中的深度或位置的函數(shù)被記錄，由此產(chǎn)生能由分析人員使用的巖層測(cè)井記錄。
然而要注意，給定巖層的阻抗可以是各向同性的(在所有方向上相等)或各 向異質(zhì)性的(在不同方向上不等)。在電各向異質(zhì)性巖層中，各向異質(zhì)性一般歸因
于巖層沉積生長(zhǎng)過(guò)程中極細(xì)的分層。因此，在定位成使x-y平面平行于巖層而z 軸垂直于巖層的巖層坐標(biāo)系統(tǒng)中，分別沿x、 y方向的阻抗Rx和RY往往是一樣的， 但沿z方向的阻抗Rz是不同的。因此，沿平行于巖層平面(即x—y平面)的方向 上的阻抗被稱(chēng)為水平阻抗RH，而垂直于巖層平面的方向(即z方向)上的阻抗被稱(chēng) 為垂直阻抗Rv。各向異質(zhì)性的指數(shù)il被定義為ii=[Rv/RH]1/2。
作為測(cè)量巖層阻抗的另一應(yīng)用，井眼一般不垂直于巖床。井孔軸和巖床方向 之間的角度(如通過(guò)法向矢量表示的那樣)具有兩個(gè)分量。這兩個(gè)分量是傾角和走 向角。傾角是井眼軸線和巖床的法向矢量之間的角。走向角是井眼軸線"偏離"法 向矢量的方向(這將在詳細(xì)說(shuō)明中更為嚴(yán)格地定義)。
電磁阻抗測(cè)井測(cè)量是巖層阻抗、巖層各向異質(zhì)性和巖層傾斜和走向角的復(fù)函 數(shù)，這些量可能都是未知的。未能將這些參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)考慮在內(nèi)的測(cè)井工具 將提供不理想的測(cè)量質(zhì)量。相反，可用來(lái)測(cè)量這些參數(shù)中的每一個(gè)的工具將提供改 進(jìn)的阻抗測(cè)量。此外，能夠提供傾角和走向角測(cè)量連同方位角取向信息的工具可用 于地質(zhì)導(dǎo)向(地質(zhì)導(dǎo)向是鉆井工程師調(diào)整鉆井方向以增加井眼對(duì)烴支承巖層("產(chǎn) 油帶")的暴露程度的過(guò)程)。
5附圖簡(jiǎn)述
結(jié)合附圖參閱下面給出的詳細(xì)說(shuō)明，能夠?qū)λ秾?shí)施例有更深入的理解， 在附圖中


圖1示出包括傾斜巖床的示例性邊測(cè)井邊鉆井環(huán)境； 圖2示出包括傾斜巖床的示例性電纜測(cè)井環(huán)境； 圖3示出井眼和傾斜巖床的取向之間的關(guān)系；
圖4示出具有正交三軸發(fā)射機(jī)和兩正交接收機(jī)的工具的假想天線結(jié)構(gòu)；
圖5示出定義傾斜天線取向的角度；
圖6是電磁阻抗工具的示例性電子模塊的方框圖7示出具有傾斜的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線的示例性電磁阻抗測(cè)井工具； 圖8是示例性電磁阻抗測(cè)井方法的流程圖9示出具有平行的傾斜發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線的示例性電磁阻抗測(cè)井工具； 圖10示出具有沿第一取向傾斜的發(fā)射機(jī)和沿第二取向傾斜的接收機(jī)天線的電 磁阻抗測(cè)井工具；
圖11示出具有平行和不平行的傾斜發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線的示例性電磁阻抗測(cè) 井工具；
圖12示出具有處于同一位置的傾斜接收機(jī)天線的示例性電磁阻抗測(cè)井工具； 圖13示出將井孔圓周分成方位角區(qū)；以及 圖14示出具有經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量的示例性電磁阻抗測(cè)井工具。 盡管本發(fā)明允許各種修改和選擇形式，然而其特定實(shí)施例以例示方式示出于 附圖中并在本文中予以詳細(xì)描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖與附圖的詳細(xì)描述不旨在將 本發(fā)明限制于所披露的具體形式，相反，本發(fā)明覆蓋落在所附權(quán)利要求書(shū)的精神和 范圍內(nèi)的所有修改、等效和替換。
詳細(xì)說(shuō)明
本文披露一種電磁阻抗測(cè)井系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法采用方位角靈敏天線 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)獲得比單獨(dú)使用靜態(tài)天線結(jié)構(gòu)更多的耦合矩陣的元素。這種旋轉(zhuǎn)的利 用允許通過(guò)僅具有兩個(gè)天線取向的工具來(lái)獲得完整的天線耦合矩陣。通過(guò)完整的天 線耦合矩陣可測(cè)得各種阻抗測(cè)量參數(shù)，包括巖層阻抗、巖層各向異質(zhì)性以及巖層傾 角和走向角。另外，當(dāng)耦合矩陣值與來(lái)自工具的取向信息結(jié)合時(shí)，可獲取地質(zhì)導(dǎo)向或邊界檢測(cè)信號(hào)。由于天線數(shù)目的減少，可以降低的成本和更高的可靠性實(shí)現(xiàn)這些 優(yōu)點(diǎn)。
所披露的工具結(jié)構(gòu)和操作在其工作的較大型系統(tǒng)的背景下得到最深刻的理 解。因此，圖l示出示例性邊測(cè)井邊鉆井(LWD)環(huán)境。鉆井平臺(tái)2支承具有移
動(dòng)構(gòu)件6的井架4，移動(dòng)構(gòu)件6用來(lái)抬高和降低鉆柱8。當(dāng)鉆柱8下降經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái) 12時(shí)，方鉆桿10支承鉆柱8。鉆頭14由向下打眼電動(dòng)機(jī)和/或鉆柱8的轉(zhuǎn)動(dòng)而驅(qū) 動(dòng)。當(dāng)鉆頭14轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它形成穿過(guò)各種巖層18的井眼16。泵20使鉆井液循環(huán)通 過(guò)進(jìn)料管22流至方鉆桿10，通過(guò)鉆柱8的內(nèi)腔通過(guò)鉆頭14的孔向下打眼，經(jīng)由 鉆柱8周?chē)沫h(huán)面回到表面，并進(jìn)入儲(chǔ)料坑24。鉆井液將切削物從井眼傳輸至儲(chǔ) 料坑24并幫助維持井眼的完整性。
電磁阻抗測(cè)井工具26集成在鉆頭14附近的底孔組件。隨著鉆頭使井眼穿透 巖層延伸，測(cè)井工具26采集與各種巖層特性相關(guān)聯(lián)的測(cè)量值以及工具取向、位置 和各種其它的鉆井條件(取向測(cè)量可使用方位角取向指示器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該指示器可包 括磁力計(jì)、傾角計(jì)和/或加速度計(jì)，盡管也可使用例如陀螺儀的其它傳感器類(lèi)型。 在一些實(shí)施例中，工具包括三軸磁門(mén)磁力計(jì)和三軸加速度計(jì))。測(cè)井工具26可采 用鉆鋌形式，即提供重量和剛度以助于鉆井工藝的厚壁管?？梢脒b測(cè)接頭 (telemetry sub)28以將工具測(cè)量值傳至表面接收機(jī)30并從表面接收機(jī)接收命令。
更佳地，旋轉(zhuǎn)位置指示器70可包括三軸磁門(mén)磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)。如業(yè)內(nèi) 所知，那兩種傳感器系統(tǒng)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)井孔的工具面、傾斜度和方位角取向角的測(cè)量。 工具面和井孔傾角是從加速度計(jì)傳感器輸出計(jì)算得到的。磁力計(jì)傳感器輸出用來(lái)計(jì) 算孔的方位角。通過(guò)工具面、孔傾斜度和孔的方位角信息，根據(jù)本發(fā)明的工具可用 來(lái)操縱鉆頭至理想的地層。具體地說(shuō)，可有效地使用響應(yīng)差或響應(yīng)比進(jìn)入理想的產(chǎn) 油帶或停留在感興趣的產(chǎn)油帶中。
在鉆井工藝過(guò)程的許多時(shí)間，可如圖2所示地將鉆柱8從井眼中拆除。 一旦 拆除鉆柱，可使用電纜測(cè)井工具34——即由具有導(dǎo)體以將功率傳至工具和從工具 至表面的遙測(cè)的電纜42懸掛的靈敏元件探測(cè)器一一執(zhí)行測(cè)井操作。測(cè)井工具34 的阻抗成像部分可具有當(dāng)工具上拉鉆孔時(shí)將工具定心在井眼中的居中臂36。測(cè)井 設(shè)備44釆集來(lái)自測(cè)井工具34的測(cè)量值，并包括用于處理和存儲(chǔ)由測(cè)井工具采集的 測(cè)量值的計(jì)算設(shè)備。
圖l示出巖層18不垂直于井眼的情形，這可以是自然形成的或定向鉆井操作 造成的。井孔可具有根據(jù)井孔長(zhǎng)軸(z軸)和孔的北側(cè)(或高側(cè))(x軸)定義的坐標(biāo)系統(tǒng)50。當(dāng)特征化為平面時(shí)，巖層18可具有根據(jù)平面法線(z"軸)和最陡下
降的方向(x"軸)定義的坐標(biāo)系統(tǒng)51。如圖3所示，這兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)由兩次轉(zhuǎn)動(dòng) 形成關(guān)聯(lián)。從井眼的坐標(biāo)系統(tǒng)(x,y,z)開(kāi)始，繞z軸作出角度為Y的第一次轉(zhuǎn)動(dòng)。 所得到的坐標(biāo)系統(tǒng)表示為(x',y',z')。角度Y是相對(duì)走向角，該角表示巖層相對(duì)于 井眼坐標(biāo)系統(tǒng)的傾斜方向。隨后繞y，軸作出角度為a的第二次轉(zhuǎn)動(dòng)。這將井孔坐 標(biāo)系統(tǒng)與巖層坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)齊。角a是相對(duì)傾角，它是地層相對(duì)于井眼長(zhǎng)軸的傾角。 垂直阻抗一般發(fā)現(xiàn)是垂直于巖層平面測(cè)得的阻抗，而水平阻抗是在巖層平面 內(nèi)測(cè)得的阻抗。確定這些參數(shù)中的每一個(gè)(傾角、走向角、垂直阻抗和水平阻抗) 是希望的。
圖4示出多元件電磁阻抗測(cè)井工具的假想天線結(jié)構(gòu)(電磁阻抗測(cè)井工具可表 現(xiàn)為電纜工具和邊測(cè)井邊鉆井工具)。提供各自沿相應(yīng)軸線取向的三元組發(fā)射機(jī)線 圈Tx、 Ty和Tz。還提供至少一個(gè)相同取向的三元組接收機(jī)線圈Rnc、 R^和R!z。 為了接收關(guān)于發(fā)射信號(hào)的振幅和相位的信號(hào)測(cè)量值(有時(shí)稱(chēng)為"絕對(duì)"測(cè)量值)， 僅僅使用一個(gè)接收機(jī)三元組。當(dāng)要求差分測(cè)量時(shí)(例如沿給定軸線取向的接收機(jī)線 圈之間的信號(hào)振幅比和相位差)，也提供第二個(gè)相同取向的三元組接收機(jī)線圈對(duì) R2X、 R2Y和R2Z。差分測(cè)量可提供提高的空間分辨率。
Moran和Gianzero在地球物理學(xué)、巻44、第7部分、1266頁(yè)的"Effects of Formation Anisotropy on Resistivity Logging Measurement" (1979年)中提至lj接收 機(jī)線圈中的磁場(chǎng)h可以發(fā)射機(jī)處的磁矩m和耦合矩陣C予以表示
h=Cm (1)
在表達(dá)形式中，等式(1)為
x一4。jy

其中Mx、 My和Mz是分別由發(fā)射機(jī)Tx、 Ty和Tz形成的磁矩(與發(fā)射信號(hào)強(qiáng) 度成比例)。Hx、 HY、 Hz分別為接收機(jī)天線Rx、 RY和Rz處的磁場(chǎng)(與接收信號(hào) 強(qiáng)度成比例)。
在圖4的天線結(jié)構(gòu)中，如果每個(gè)發(fā)射機(jī)依次發(fā)射，并響應(yīng)每次發(fā)射在每個(gè)接 收機(jī)處作出信號(hào)測(cè)量，則獲得9個(gè)絕對(duì)測(cè)量值或差分測(cè)量值。這9個(gè)測(cè)量值能確定 完整的耦合矩陣C (Cu二auV/，其中I是接收機(jī)Rx、 Ry和Rz的索弓I， J是發(fā)射機(jī)
8Tx、 Ty和Tz的索引，au是由工具設(shè)計(jì)確定的常數(shù)，V/是表示響應(yīng)發(fā)射機(jī)J的發(fā)射由接收機(jī)I測(cè)得的信號(hào)振幅和相移的復(fù)值)。獲知完整的耦合矩陣能夠確定傾角、走向角、垂直阻抗和水平阻抗?？墒褂迷S多種技術(shù)來(lái)確定這些參數(shù)。例如，傾角、走向角可通過(guò)由LiGao和Stanley Gianzero在6727706號(hào)美國(guó)專(zhuān)利"Virtual Steeringof Induction Tool for Determination of Formation Dip Angle"中闡述的耦合矩陣值來(lái)確定。給定這些角，可根據(jù)由Michael Bittar在7019528號(hào)美國(guó)專(zhuān)利"ElectromagneticWave Resistivity Tool Having a Tilted Antenna for Geosteering within a DesiredPayzone"中提供的等式來(lái)確定垂直阻抗和水平阻抗。或者，這些參數(shù)的聯(lián)立求解可在Bittar參考文獻(xiàn)中找到。
圖5示出用來(lái)規(guī)定線圈天線的取向的兩個(gè)角度。可將線圈天線視為位于具有法向矢量的平面內(nèi)。傾斜角e是工具的縱軸和法向矢量之間的角度。方位角e是法向矢量在X-Y平面內(nèi)的投影和工具劃線之間的角度?；蛘?，在向下打眼的背景下，方位角0可表示法向矢量在X-Y平面內(nèi)的投影和井眼坐標(biāo)系統(tǒng)的x軸之間的角度。
要注意，在圖4的天線結(jié)構(gòu)中采用三個(gè)發(fā)射機(jī)天線取向和三個(gè)接收機(jī)天線取向。己發(fā)現(xiàn)當(dāng)利用工具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，還可通過(guò)僅一個(gè)發(fā)射機(jī)天線和兩個(gè)接收機(jī)天線的取向(或等同地通過(guò)一個(gè)接收機(jī)天線和兩個(gè)發(fā)射機(jī)天線的取向)確定完整的耦合矩陣。此外，通過(guò)關(guān)于巖層結(jié)構(gòu)的某些假設(shè)， 一個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線方向就足夠了。
在考慮具有特定天線結(jié)構(gòu)的各種工具前，先描述各種工具所共有的電子器件。圖6示出阻抗工具的電子器件的功能性方框圖。該電子器件包括耦合于模擬開(kāi)關(guān)604的控制模塊602。模擬開(kāi)關(guān)604被配置成用來(lái)自信號(hào)源606的交流電(AC)信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射機(jī)線圈T。 T2、 T3、 T4中的任何一個(gè)。在某些實(shí)施例中，信號(hào)源提供射頻信號(hào)?？刂颇K602較佳地選擇一發(fā)射機(jī)線圈，停頓足夠長(zhǎng)的時(shí)間以過(guò)渡至信號(hào)消失，然后向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器/發(fā)射模塊610發(fā)信號(hào)以接受由每個(gè)接收機(jī)接收的信號(hào)的振幅和相位采樣?？刂颇K602較佳地對(duì)每個(gè)發(fā)射機(jī)按順序重復(fù)該過(guò)程。振幅和相移值由以此為目的耦合于每個(gè)接收機(jī)線圈^和R2的振幅和相移檢測(cè)器608提供。
控制模塊602可處理振幅和相移測(cè)量值以獲得經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量值和/或測(cè)量平均值。原始、未經(jīng)補(bǔ)償或求平均的測(cè)量值被發(fā)射至地表以處理，從而確定傾角、走向角、垂直阻抗和水平阻抗以及其它信息，例如(i)最接近的地層界面的距離、(ii)
最接近的地層界面的方向以及(iii)任何附近相鄰地層的阻抗。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器/發(fā)射模塊610可耦合于遙測(cè)單元28 (圖1)以將信號(hào)測(cè)量值發(fā)射至地表。遙測(cè)單元28可使
9用若干已知技術(shù)中的任何一種以將信息發(fā)射至地表，所述已知技術(shù)不構(gòu)成限制地包括(1)泥漿壓力脈沖、(2)硬線連接、(3)聲波和(4)電磁波。
圖7示出僅具有兩個(gè)接收機(jī)天線取向的電磁阻抗測(cè)井工具702。工具702設(shè)有一個(gè)或多個(gè)直徑縮減的區(qū)域706。線圈704設(shè)置在區(qū)域706中并在一些實(shí)施例中離開(kāi)子組件702的表面一恒定距離。為了機(jī)械地支承和保護(hù)線圈704，可將例如環(huán)氧樹(shù)脂、橡膠或陶瓷的不導(dǎo)電填料(未示出)用于直徑縮減的區(qū)域706。線圈704是發(fā)射機(jī)線圈，而線圈710和712是接收線圈。在工作中，發(fā)射機(jī)線圈704發(fā)射通過(guò)井眼和周?chē)鷰r層傳播的詢(xún)問(wèn)電磁信號(hào)。接收機(jī)線圈710、 712檢測(cè)詢(xún)問(wèn)電磁信號(hào)并提供電磁信號(hào)的振幅衰減和相移的測(cè)量。為了差分測(cè)量，可在軸向間隔的距離上提供與線圈710、 712平行的附加接收機(jī)線圈。從振幅衰減和相移的絕對(duì)測(cè)量值或差分測(cè)量值，可確定耦合矩陣分量并將其作為確定巖層參數(shù)的基礎(chǔ)和地質(zhì)導(dǎo)向的基礎(chǔ)。
發(fā)射機(jī)線圈704可與接收機(jī)線圈710、 712相隔將近30英寸。發(fā)射機(jī)線圈和接收機(jī)線圈可包括少至一個(gè)線環(huán)，盡管更多的線圈提供額外的信號(hào)功率。線圈和工具表面之間的距離較佳在l/6英寸至3/4英寸的范圍內(nèi)，但也可以更大。發(fā)射機(jī)線圈704和接收機(jī)線圈712各自具有約45。的傾斜角并與同一方位角對(duì)齊，而接收機(jī)線圈710可具有離開(kāi)接收機(jī)線圈712大約45。的傾斜角和180。的方位角(或等同地，在與接收機(jī)線圈712相同的方位角下具有一45。的傾斜角)。
響應(yīng)傾斜發(fā)射機(jī)的發(fā)射由傾斜接收機(jī)測(cè)得的信號(hào)可依照由圖4的工具測(cè)得的
信號(hào)v/予以表示。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)線圈取向于同一方位角e時(shí)，傾斜的接收機(jī)
信號(hào)VR為
sin <9r cos / sin 67 sincos 6>r
'sin & cos /J'sin ^ sin / cos es
(3)
其中e t是發(fā)射機(jī)的傾斜角而e R是接收機(jī)的傾斜角。在全部寫(xiě)出的形式中，傾斜的接收機(jī)角度為
「r- [F/ sin < r sin 3R cos! - +sin (9r sin 0a sin - cos p + f cos Pr sin 6￡ cos / + f17 sin Sr sin & siu / cos / +sin er sin & sin) - + f cos er sin ^ sin 〃
+siii er cos P《cos - +巳'sin er cos S豕sin / 十K'5 cos 6r cos 0,]
(4)
10要注意，V/和V/的方位角依存性是相同的(sinPcosP) ， V/和VxZ的依存性是相同的(cose )，而V/和V/的依存性是相同的(sine )?？梢约僭O(shè)交叉耦合分量V/和V/相等，但這種假設(shè)對(duì)于其余的交叉分量來(lái)說(shuō)是不理想的(至少在傾斜的各向異質(zhì)性地層中是如此)。在那種情形下，無(wú)法獨(dú)立地從例如發(fā)射機(jī)線圈704和接收機(jī)線圈712的一對(duì)旋轉(zhuǎn)傾斜的發(fā)射機(jī)一接收機(jī)確定交叉耦合分量(然而注意仍然可以計(jì)算出對(duì)角元素)。第二發(fā)射機(jī)或接收機(jī)線圈(例如接收機(jī)線圈712)可用來(lái)提供獨(dú)立的一組等式，這組等式使確定交叉耦合值變得可能。
下面提供由旋轉(zhuǎn)工具702作出的測(cè)量的等式的線性系統(tǒng)。在推導(dǎo)這些等式時(shí)，選擇井眼坐標(biāo)系統(tǒng)以使x軸與周?chē)鷰r層的傾斜方位對(duì)齊，使V/和V/為零(可通過(guò)確定接收信號(hào)的假想分量達(dá)到其最小幅度時(shí)的方位角來(lái)找到傾斜方位，或者假設(shè)這些分量是相等的并被保持在等式的線性系統(tǒng)中)。由接收機(jī)Rl (線圈712)和R2 (線圈710)在各方位角PrPN測(cè)得的信號(hào)為
「Wl (A )=全[^f咖2 A +《cos A + 「/ sin2 A + 7/ sin A + " cos A + " sin^ +，(5.1)&1 (^2)=丄IT/咖2 -2 + G cosA +sin2々2 +sin々2 +coS>52 +《sin々2 + F/]，(5.2)
(5.N)
&2(A) = 1[《cos2 A -cos A -sin2 ^ - K/ sin A +cosy^ +《sin A + F/], (5.N+1)
《cos2 / w -cos-w 一sin2 ^ — F"/ sin + " cos~ + " sin+ F/].
(5.2N)
因此上面提供的線性系統(tǒng)具有七個(gè)未知量和2N個(gè)等式。預(yù)計(jì)工具可對(duì)至少10個(gè)不同的方位角執(zhí)行測(cè)量，并對(duì)圖13所示的16或32個(gè)均分的方位區(qū)執(zhí)行測(cè)量?？衫镁€性最小二乘方算法輕易地確定正交電壓分量V/。
圖8示出由接收來(lái)自工具的測(cè)量值的地面計(jì)算設(shè)備、由向下打眼控制器或兩者配合地執(zhí)行的示例性測(cè)井方法。在方框802選擇最初的發(fā)射機(jī)(下面進(jìn)一步闡述多發(fā)射機(jī)工具)。在方框804，所選擇的發(fā)射機(jī)發(fā)射，并測(cè)量每個(gè)接收機(jī)響應(yīng)的振幅和相位。工具的位置和取向被捕獲并用來(lái)將接收機(jī)響應(yīng)測(cè)量值關(guān)聯(lián)于一個(gè)方位區(qū)
(方位區(qū)具有角范圍和軸向范圍)。在方框806，當(dāng)前測(cè)量值用來(lái)更新給定區(qū)的每
個(gè)接收機(jī)的平均響應(yīng)。
在方框808，作出測(cè)試以確定在當(dāng)前井眼位置是否需要或即將出現(xiàn)附加測(cè)量值。例如，在具有多發(fā)射機(jī)的工具中，要求具有來(lái)自每個(gè)發(fā)射機(jī)的測(cè)量值。需要附加測(cè)量值的其它原因包括執(zhí)行附加處理前在每個(gè)方位區(qū)內(nèi)具有要求數(shù)目的測(cè)量值，或在執(zhí)行附加處理前具有至少給定數(shù)目的方位角不同的測(cè)量值。如果在當(dāng)前位置的附加測(cè)量值是可預(yù)計(jì)的，則可延遲附加處理直到已采集所有相關(guān)測(cè)量值為止。
一旦在井眼的給定位置獲得足夠數(shù)量的測(cè)量值，方法繼續(xù)至選項(xiàng)框810。在方框810，計(jì)算經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量值。補(bǔ)償最適用于如圖14所示的差分接收機(jī)結(jié)構(gòu)。工具1402包括位于等距離的發(fā)射機(jī)1408、 1414之間的一對(duì)接收機(jī)1410、 1412。響應(yīng)第一發(fā)射機(jī)1408的發(fā)射，接收機(jī)1402和1412檢測(cè)衰減和相移值A(chǔ)。 c^和A2、02,藉此確定差分測(cè)量值(例如(02—cD,)或(logA! —logA2))。響應(yīng)第二發(fā)射機(jī)1414的發(fā)射，接收機(jī)1410和1412檢測(cè)衰減和相移值A(chǔ)4、 c^4和A3、 03，藉此確定差分測(cè)量值(例如(04—03))。在每個(gè)方位區(qū)，與對(duì)應(yīng)發(fā)射機(jī)的差分測(cè)量值響應(yīng)被一起求平均以獲得經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量值，即消除電子器件中的固定偏移的測(cè)量值。
在方框812，基于經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量值或每個(gè)方位區(qū)的衰減和相移的平均差分或平均絕對(duì)測(cè)量值來(lái)計(jì)算正交天線耦合。計(jì)算等式的線性系統(tǒng)的最小二乘解(例如上面等式5.1—5.2N中所提供)以找到這些耦合值。在方框814，基于正交天線耦合計(jì)算感興趣的巖層參數(shù)。巖層參數(shù)的計(jì)算可利用聯(lián)立反演，或者使用外部信息固定某些巖層參數(shù)，由此使其余參數(shù)的求解過(guò)程變得簡(jiǎn)單。
在選項(xiàng)框816，用來(lái)自方框814的新計(jì)算出的參數(shù)值更新一個(gè)或多個(gè)巖層參數(shù)(例如水平阻抗和各向異性)的實(shí)時(shí)測(cè)井記錄。測(cè)井記錄將計(jì)算出的值關(guān)聯(lián)于井眼中的深度或軸向位置。作為選擇，也可將信息關(guān)聯(lián)于方位角取向以形成方位角阻抗的井眼圖像。
在方框818，作出檢查以確定井孔中附加位置的測(cè)井信息是否可得(或即將可得)。如果是，則進(jìn)程再次從方框802開(kāi)始，否則，進(jìn)程終止。
圖7、 9-12和14示出可作為例如針對(duì)圖4描述的多元件測(cè)井工具的合適選擇的示例性電磁阻抗測(cè)井工具的各種天線結(jié)構(gòu)。在圖7中，工具包括一個(gè)傾斜的發(fā)射機(jī)天線704和與該發(fā)射機(jī)天線平行的至少一個(gè)傾斜的接收機(jī)天線712。僅使用一個(gè)傾斜的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線取向允許確定對(duì)角耦合矩陣分量，并在假設(shè)交叉分量相等的情況下，也允許確定交叉耦合分量。然而，在較佳實(shí)施例中，設(shè)置第二傾斜的
接收機(jī)天線710以在僅假設(shè)XY和YX分量相等的同時(shí)允許確定交叉耦合分量。因
此具有一個(gè)發(fā)射機(jī)和兩個(gè)接收機(jī)天線取向(或一個(gè)接收機(jī)和兩個(gè)發(fā)射機(jī)天線取向)的工具在復(fù)雜性和完善性之間提供最好的折衷。
工具702可具有若干變例。在第一變例中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的角色互換，以使發(fā)射機(jī)線圈710、 712輪流發(fā)射并測(cè)量接收機(jī)線圈704的響應(yīng)。作為附加的變例，交叉的天線線圈710和712沿相反方向與天線線圈704形成相等間距。天線線圈710和712可仍然扮演對(duì)來(lái)自發(fā)射機(jī)線圈704的信號(hào)作出應(yīng)答的接收機(jī)的角色，或再次交換角色。
工具702旨在絕對(duì)測(cè)量(即相對(duì)于發(fā)射信號(hào)測(cè)量衰減和相移)。圖9示出旨在用不同的發(fā)射機(jī)-接收機(jī)間距的補(bǔ)償差分測(cè)量的示例性工具902。傾斜的接收機(jī)線圈910和912是平行的，并具有大約45°的傾斜角和大約8英寸的間距。第一對(duì)平行的發(fā)射機(jī)線圈908、 914與接收機(jī)線圈中點(diǎn)相等地隔開(kāi)約32英寸，并圖示為平行于接收機(jī)天線取向。在另一實(shí)施例中，平行的發(fā)射機(jī)線圈卯8、 914可具有任何傾斜角，包括零度傾斜角(同軸取向)。第二對(duì)發(fā)射機(jī)線圈904和916與接收機(jī)線圈中點(diǎn)相等地隔開(kāi)大約48英寸，且平行于第一對(duì)發(fā)射機(jī)線圈。更大的發(fā)射機(jī)一接收機(jī)間距使電磁信號(hào)提供更大穿透深度的測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)更精確的巖層阻抗測(cè)量。由于所有發(fā)射機(jī)線圈平行且接收機(jī)線圈平行，工具902僅給出一個(gè)發(fā)射機(jī)天線取向和一個(gè)接收機(jī)取向，這意味著只需通過(guò)交叉耦合相等的假設(shè)來(lái)確定完整的耦合矩陣。在一個(gè)變例中，工具902僅采用一個(gè)接收機(jī)以進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量而不是差分測(cè)量。
圖10示出在作出補(bǔ)償?shù)牟罘譁y(cè)量的天線配置中還具有平行的發(fā)射機(jī)線圈和平行的接收機(jī)線圈的示例性工具1002。圖示的平行的接收機(jī)線圈1010和1012在與發(fā)射機(jī)線圈相對(duì)的方位中具有大約45°的傾斜角。然而，由于只提供了一個(gè)發(fā)射機(jī)天線取向和一個(gè)接收機(jī)天線取向，因此工具1002可僅通過(guò)假設(shè)交叉耦合相等來(lái)確定完整的耦合矩陣。在一個(gè)無(wú)補(bǔ)償變例中，工具1002省去發(fā)射機(jī)線圈914和916。
圖11示出具有平行的發(fā)射機(jī)線圈但沿相反方位角方向具有傾斜大約45°的接收機(jī)線圈lllO和1112的示例性工具1102。由于工具1102提供兩種接收機(jī)取向，因此可確定完整的耦合矩陣。工具1102的結(jié)構(gòu)允許執(zhí)行經(jīng)補(bǔ)償?shù)牟罘譁y(cè)量。在無(wú)補(bǔ)償變例中，發(fā)射機(jī)線圈914和916被省去。
圖12示出具有兩個(gè)發(fā)射機(jī)天線取向和兩個(gè)接收機(jī)天線取向的示例性工具
131202。接收機(jī)天線1210和1212位于同一位置并沿相反方位角方向傾斜大約45。。第一對(duì)發(fā)射機(jī)線圈包括沿相反的軸向與接收機(jī)天線等間隔地相距約32英寸的發(fā)射機(jī)線圈1208和914，而第二對(duì)發(fā)射機(jī)線圈包括沿相反的軸向與接收機(jī)天線等間隔地相距約48英寸的線圈1204和916。每對(duì)發(fā)射機(jī)線圈具有沿相反方位角方向傾斜的發(fā)射機(jī)線圈。也可采用圖12的結(jié)構(gòu)以形成補(bǔ)償?shù)牟罘譁y(cè)量。在非差分的變例中，省去其中一個(gè)接收機(jī)天線。在第二變例中，可通過(guò)省去線圈1212而使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的角色互換?？蓪?duì)本文披露的每種示例性工具實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)線圈之間的角色互換。
圖14示出具有一對(duì)平行的傾斜接收機(jī)天線1410和1412的示例性工具1402，其中一對(duì)平行的共軸發(fā)射機(jī)天線1402和1414與兩接收機(jī)天線的中點(diǎn)等距地隔開(kāi)。盡管所公開(kāi)的這種和其它天線結(jié)構(gòu)僅具有一個(gè)發(fā)射機(jī)取向和一個(gè)接收機(jī)取向，然而它們?nèi)匀粚?duì)傾斜地層的各向異質(zhì)性很敏感并能用來(lái)計(jì)算各向異性。
如前所述，耦合矩陣C的分量可作為地質(zhì)導(dǎo)向的基礎(chǔ)。通過(guò)適當(dāng)?shù)囟ㄏ蚓圩鴺?biāo)系統(tǒng)，將z軸作為地層邊界方向的指示，而Cxz和Czx分量用來(lái)確定邊界的接近性。
一旦完全理解了前面披露的內(nèi)容，許多變化和修正對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員而言是明顯的。例如，前面披露的內(nèi)容記載了在邊測(cè)井邊鉆井工具背景下的多種天線結(jié)構(gòu)，這些天線結(jié)構(gòu)也可輕易地適用于電纜測(cè)井工具。此外，也可應(yīng)用互易性原則以在互換每個(gè)天線的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)角色的同時(shí)獲得等效的測(cè)量。下面的權(quán)利要求書(shū)解釋為涵蓋所有變化和修正。
1權(quán)利要求
1. 一種電磁阻抗測(cè)井工具，包括旋轉(zhuǎn)的位置傳感器；至少一個(gè)發(fā)射機(jī)天線；處于第一接收機(jī)天線取向的第一接收機(jī)天線；以及處于不同的第二接收機(jī)天線取向的第二接收機(jī)天線；以及處理器，用來(lái)接收針對(duì)處于多個(gè)方位角中的每一個(gè)方位角的各接收機(jī)天線的相位和振幅測(cè)量值中的至少一個(gè)，以?xún)H使用具有所述第一和第二接收機(jī)天線取向的接收機(jī)天線計(jì)算耦合矩陣的至少一個(gè)分量。
2. 如權(quán)利要求l所述的工具，其特征在于，所述處理器僅使用具有所述第一和第二接收機(jī)天線取向的接收機(jī)天線來(lái)計(jì)算耦合矩陣的至少七個(gè)分量。
3. 如權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于，所述處理器還僅使用與所述至少一個(gè)發(fā)射機(jī)天線具有相同取向的發(fā)射機(jī)天線來(lái)確定耦合矩陣的七個(gè)分量。
4. 如權(quán)利要求l所述的工具，其特征在于，所述處理器對(duì)關(guān)聯(lián)于所述多個(gè)方位角中的每一個(gè)的區(qū)的測(cè)量值求平均并從平均測(cè)量值確定所述耦合矩陣分量。
5. 如權(quán)利要求l所述的工具，其特征在于，所述處理器基于表達(dá)方位角上每個(gè)接收機(jī)的響應(yīng)的依存性的等式的線性系統(tǒng)來(lái)確定耦合矩陣分量。
6. 如權(quán)利要求l所述的工具，其特征在于，所述耦合矩陣分量用來(lái)確定巖層參數(shù)的測(cè)井記錄以存儲(chǔ)或顯示。
7. 如權(quán)利要求5所述的工具，其特征在于，所述巖層參數(shù)在由各向異性和垂直阻抗構(gòu)成的一個(gè)組中。
8. 如權(quán)利要求5所述的工具，其特征在于，所述巖層參數(shù)是巖層傾角。
9. 如權(quán)利要求l所述的工具，其特征在于，所述處理器至少部分地基于所述耦合矩陣的Cxz或Czx分量確定地質(zhì)導(dǎo)向信號(hào)。
10. —種電磁阻抗測(cè)井工具，包括旋轉(zhuǎn)的位置傳感器；至少一個(gè)接收機(jī)天線；具有第一發(fā)射機(jī)天線取向的第一發(fā)射機(jī)天線；以及具有不同的第二發(fā)射機(jī)天線取向的第二發(fā)射機(jī)天線；以及處理器，用來(lái)接收響應(yīng)于處于多個(gè)方位角中的每一個(gè)方位角的各發(fā)射機(jī)天線 的相位和振幅測(cè)量值中的至少一個(gè)，以?xún)H使用具有所述第一和第二發(fā)射機(jī)天線取向 的發(fā)射機(jī)天線計(jì)算耦合矩陣的至少一個(gè)分量。
11. 如權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于，所述處理器僅使用具有所述第 一和第二發(fā)射機(jī)天線取向的發(fā)射機(jī)天線來(lái)計(jì)算所述耦合矩陣的至少七個(gè)分量。
12. 如權(quán)利要求ll所述的工具，其特征在于，所述處理器僅使用與所述至少 一個(gè)接收機(jī)天線具有相同取向的接收機(jī)天線來(lái)計(jì)算所述耦合矩陣的七個(gè)分量。
13. 如權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于，還包括第二接收機(jī)天線，其中 所述相位和振幅測(cè)量值中的至少一個(gè)是所述接收機(jī)天線的響應(yīng)之間的相位差和所 述接收機(jī)天線的響應(yīng)之間的振幅比的其中之一。
14. 如權(quán)利要求IO所述的工具，其特征在于，所述處理器對(duì)關(guān)聯(lián)于所述多個(gè)方位角的每一個(gè)的區(qū)中的測(cè)量值求平均并從所述平均測(cè)量值確定所述耦合矩陣分
15. 如權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于，所述耦合矩陣分量用來(lái)確定巖 層參數(shù)的測(cè)井記錄以存儲(chǔ)或顯示。
16. 如權(quán)利要求15所述的工具，其特征在于，所述巖層參數(shù)在由各向異性和 垂直阻抗構(gòu)成的一個(gè)組中。
17. 如權(quán)利要求15所述的工具，其特征在于，所述巖層參數(shù)是巖層傾角。
18. 如權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于，所述處理器至少部分地基于所 述耦合矩陣的Cxz或Czx分量確定地質(zhì)導(dǎo)向信號(hào)。
19. 一種測(cè)井方法，包括響應(yīng)來(lái)自具有不超過(guò)一個(gè)發(fā)射機(jī)取向的一組發(fā)射機(jī)的信號(hào)，從具有不超過(guò)兩 個(gè)不同接收機(jī)取向的一組接收機(jī)接收作為方位角和工具位置的函數(shù)的一組振幅和 相位測(cè)量值中的至少一個(gè);從所述一組測(cè)量值將耦合矩陣的至少七個(gè)分量確定為工具位置的函數(shù)； 從所述耦合矩陣分量中找到作為工具位置函數(shù)的垂直阻抗和各向異性的至少 一個(gè)；以及以測(cè)井記錄的形式存儲(chǔ)所述垂直阻抗或各向異性。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述相位和振幅測(cè)量值中的至 少一個(gè)是接收機(jī)天線響應(yīng)之間的相位差和接收機(jī)天線響應(yīng)之間的振幅比的其中之
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括對(duì)多個(gè)與不同方位角 關(guān)聯(lián)的區(qū)內(nèi)的測(cè)量值求平均。
22. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，基于表達(dá)每個(gè)接收機(jī)在方位角 上的響應(yīng)的依存性的等式的線性系統(tǒng)執(zhí)行所述確定。
全文摘要
本文披露了采用具有相對(duì)于井眼轉(zhuǎn)動(dòng)的至多兩個(gè)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)天線取向的天線結(jié)構(gòu)的電磁阻抗測(cè)井系統(tǒng)和方法。通過(guò)這種復(fù)雜度降低的天線結(jié)構(gòu)作出的測(cè)量能確定耦合矩陣的至少七個(gè)分量，這些分量是使用表達(dá)測(cè)量的方位依存性的等式的線性系統(tǒng)確定的。為了更為可靠，可對(duì)方位角間隔的區(qū)內(nèi)的測(cè)量求平均。耦合矩陣分量則用作確定各巖層參數(shù)(包括垂直阻抗和各向異性)的測(cè)井記錄的基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)E21B25/16GK101460698SQ200680054943
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者M·比塔爾, 胡國(guó)煜 申請(qǐng)人:哈里伯頓能源服務(wù)公司