從自動探測的鉆孔崩落生成報警和建議的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種用于為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議的方法，包括：利用處理器從位于鉆探鉆孔的鉆管處的井下工具接收鉆孔圖像；如果崩落在圖像中，就利用由處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法探測第一崩落和與第一崩落隔開大約180°的第二崩落；以及，如果探測到第一和第二崩落，就利用處理器生成警報或建議。
【專利說明】從自動探測的鉆孔崩落生成報警和建議的系統(tǒng)及方法
[0001]對相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年I月25日提交的美國申請N0.13/357816的利益，申請N0.13/357816是于2011年7月26日提交的美國非臨時性申請序列N0.13/191,016的部分繼續(xù)，申請N0.13/191，016又要求于2010年10月20日提交的美國臨時性申請序列N0.61/394, 845的優(yōu)先權。這些專利申請都在此引入其全部并入本文中。

【技術領域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及鉆探鉆孔，并且尤其涉及識別其中的崩落。

【背景技術】
[0004]為了諸如烴生產、地熱生產和二氧化碳封存的許多應用，鉆孔要鉆到地球中。鉆孔是利用位于鉆柱末端的鉆頭或切割工具來鉆的。鉆機轉動鉆柱和鉆頭，以切入地層巖石并因此鉆出鉆孔。
[0005]理想地，鉆出的鉆孔是有些平滑的，沒有會造成鉆孔不穩(wěn)定并妨礙進一步鉆探的中斷。缺乏鉆孔穩(wěn)定性會導致測井記錄質量的下降并且因此導致難以解釋它們。此外，缺乏鉆孔穩(wěn)定性會造成諸如卡管、高扭矩和倒劃眼(back-reaming)的機械問題,這些問題在設置套管和除去鉆屑的時候引起進一步的問題。不幸的是，鉆探過程會在鉆孔周圍的地層中重新分布應力，導致鉆孔不穩(wěn)定，這會導致鉆孔壁的部分從地層脫落并造成鉆孔壁中的凹進。這種情況被稱為“崩落(breakout)”。如果鉆探操作人員或者現(xiàn)場工程師可以得到在鉆探過程中發(fā)生了崩落的警報，以防止進一步的鉆探和完成問題，那么這將在鉆探領域中深受好評。


【發(fā)明內容】

[0006]所公開的是一種用于為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議的方法，包括:利用處理器從位于鉆探鉆孔的鉆管的井下工具接收鉆孔圖像；如果崩落在圖像中，就利用由處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法探測第一崩落和從第一崩落移開大約180°的第二崩落；并且，如果探測到第一和第二崩落，就利用處理器生成警報或建議。
[0007]還公開了用于為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議的裝置。該裝置包括:處理器，配置為:(i)從位于鉆探鉆孔的鉆管的井下工具接收鉆孔圖像；(ii)如果崩落在圖像中，就利用由該處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法探測第一崩落和從第一崩落移開大約180°的第二崩落；及(iii)如果探測到第一和第二崩落，就利用該處理器生成警報或建議。
[0008]還公開了包括計算機可執(zhí)行指令的非臨時性計算機可讀介質，其中指令用于通過實現(xiàn)一種方法來為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議，該方法包括:從位于鉆探鉆孔的鉆管的井下工具接收鉆孔圖像；如果崩落在圖像中，就探測第一崩落和從第一崩落移開大約180°的第二崩落；并且，如果探測到第一和第二崩落，則生成警報或建議。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]以下描述不應當以任何方式認為是限制。參考附圖，相同的元件被相同地編號:
[0010]圖1示出了位于穿入地球的鉆孔中的鉆孔成像工具的示意性實施例；
[0011]圖2繪出了具有崩落的鉆孔的圖像的各方面；
[0012]圖3繪出了處理和分析圖像數(shù)據(jù)以便探測崩落的各方面；
[0013]圖4繪出了把圖像區(qū)段分成角度片段的各方面；
[0014]圖5繪出了關于崩落旋轉角度片段的各方面；
[0015]圖6A和6B，統(tǒng)稱為圖6，繪出了旋轉具有不等角度的角度片段的各方面；
[0016]圖7繪出了從圖像上所顯示的崩落創(chuàng)建崩落間隔的各方面；
[0017]圖8繪出了被處理和分析后的圖像數(shù)據(jù)的各方面，示出了崩落的探測；
[0018]圖9繪出了用于約束鉆井流體壓力的壓力窗口的各方面；
[0019]圖10繪出了基于探測到的鉆孔崩落自動生成警報和建議的各方面；
[0020]圖11繪出了由顯示器顯示的警報和關聯(lián)的建議的一種示例性實施例的各方面；及
[0021]圖12是說明用于為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0022]參考附圖，這里給出的所公開裝置及方法的一種或多種實施例的具體描述是作為示例而不是限制。
[0023]鉆探鉆孔造成現(xiàn)場地球應力在鉆孔周圍重新分布。如果鉆井流體的環(huán)空壓力(annular pressure)逆著鉆孔壁所施加的負荷變得過低和/或溫度在鉆孔周圍的地層中充分升高，則重新分布的剪切應力超過巖石強度，由此，鉆孔壁的部分從地層中脫落，在鉆孔壁中形成凹進。這些凹進被稱為崩落。
[0024]在許多情況下，崩落在鉆孔圖像上隔開大約180°地成對出現(xiàn)。如果鉆孔周圍的現(xiàn)場應力是各向異性的，使得主應力具有不等的幅值，則崩落在最小主應力的方向中發(fā)展。每個崩落的寬度通常作為巖石強度和重新分布的應力的幅值的函數(shù)而變化。
[0025]在鉆孔壁的圖像上對崩落的探測提供了一種約束現(xiàn)場地球應力幅值和取向以及巖石強度的方式，這對于預測井筒穩(wěn)定性是必要的前提條件。這種功能對于長的水平井(其中垂直應力大大超過了水平應力)和對于鉆探通過松散的沉積物尤其恰當。一旦識別出崩落，就可以執(zhí)行補救措施，以規(guī)避鉆探危險。此外，通過更新鉆探操作人員和工程師所使用的壓力窗口，現(xiàn)場地球應力的后續(xù)校準提高了持續(xù)鉆探的安全性。
[0026]這里所公開的是用于通過分析穿入通常由巖石組成的地質地層的鉆孔壁的圖像來探測崩落的技術。圖像總體上說是地層屬性測量的數(shù)據(jù)集。可以繪制測量值的變化，以創(chuàng)建地層的圖像。除了探測崩落，所述技術還包括，如果在鉆探鉆孔的時候探測到崩落，就自動地向鉆井操作人員和工程師提供警報。而且，除了探測崩落，探測出的崩落的取向和寬度也作為所應用的技術的輸出而輸送。除了輸送在一個特定深度位置的單個崩落的取向和寬度，在崩落存在的一個深度間隔上求平均的平均寬度和取向也可以作為所應用的技術的輸出而輸送。
[0027]除輸送用于一個深度間隔的平均寬度和取向以外，這里所給出的技術可應用到處于一個特定深度的單個圖像行，而不管該行中所包含的區(qū)段(像素值)數(shù)量。由此，來自不同采集技術和具有不同分辨率的圖像可以被自動分析。輸送用于一個深度間隔的平均寬度和取向要求對多于一個圖像行進行基于深度的分析。
[0028]在一種實施例中，分析是在井下在采集圖像數(shù)據(jù)的井下工具中執(zhí)行的。因為采集到的圖像會是數(shù)據(jù)密集的并且井下遙感勘測系統(tǒng)可能具有有限的帶寬，所以井下分析會比在地球表面執(zhí)行的分析更快地向鉆探操作人員和工程師提供崩落的警報。對于具有高速寬帶遙感勘測的實施例，也可以執(zhí)行圖像數(shù)據(jù)的表面處理和分析。
[0029]圖1示出了位于穿入地球3的鉆孔2中的井下工具10的示例性實施例，其中地球3包括地球地層4。地層4代表被鉆孔2穿入的任何感興趣的地下物質。井下工具10被載體5通過鉆孔2運輸。在圖1的實施例中，在稱為隨鉆測井(LWD)的操作中，載體5是包括鉆頭7的鉆柱6。在一種實施例中，井下工具10位于鉆頭7后面的井底組件(BHA) 12中。鉆井流體11通過鉆柱6被泵送并用于潤滑和冷卻鉆頭7，并且從鉆孔2沖洗巖石碎屑。在另一種實施例中，在稱為鋼絲線(wireline)測井的操作中，載體5可以是鎧裝鋼絲線。在鋼絲線測井中，鋼絲線通過鉆孔2運輸井下工具10并且可以提供用于在工具10和表面通信點之間傳送數(shù)據(jù)和命令的通信介質。
[0030]仍然參考圖1，井下工具10包括配置為處理由井下工具10獲得的數(shù)據(jù)的井下電子設備8。處理后的數(shù)據(jù)可以通過遙感勘測系統(tǒng)13發(fā)送到表面計算機處理系統(tǒng)9。遙感勘測系統(tǒng)13的非限制性實施例包括脈沖泥漿、具有寬帶同軸電纜或光纖電纜的有線鉆桿、聲學發(fā)送，及無線電發(fā)送。在一種實施例中，表面計算機處理系統(tǒng)9配置為在數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)并且準備、處理和可視化數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的分析和解釋。對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和解釋以便輸送鉆孔壁和深度的關系曲線的圖像由包括適當算法的應用工程軟件執(zhí)行。應用工程軟件可以由井下電子設備8和/或表面計算機處理系統(tǒng)9來實現(xiàn)。
[0031]應用工程軟件執(zhí)行對鉆孔壁的圖像的自動分析，以便監(jiān)視鉆孔崩落的存在或不存在(對于崩落的例子，見圖2)。如果崩落存在，則除諸如崩落的實測深度、崩落取向和崩落寬度的相關參數(shù)之外，警報也提供給用戶，這些輸送給用戶，用于進一步的處理和分析，諸如用于現(xiàn)場地球應力的校準或者為了執(zhí)行環(huán)境校正，等等。
[0032]井下工具10配置為測量地層4的屬性。屬性的非限制性例子包括伽瑪射線發(fā)射、聲學阻抗、電阻率(或者其逆，電導率)、密度或孔隙度。屬性的測量是在鉆孔壁周圍的圓周方向中(即，圍繞圓周的徑向測量)并且在鉆孔2中的各個深度執(zhí)行的，通常是在井下工具10運輸通過鉆孔2的同時。但是，工具10的運動可以在執(zhí)行測量的時候暫停。測量被分組成數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集中實測屬性的值的變化可以顯示為圖像。相應地，如在這里所使用的，術語“圖像”可以指可視圖像或者可以用于創(chuàng)建圖像的數(shù)據(jù)集。
[0033]圖2在左側示出了鉆孔壁的圖像上崩落的例子。鉆孔的圖像是位于鉆孔壁或接近其的地層的物理屬性的方位角/圓周表示(依賴于用于特定采集技術的穿入深度)。位于特定鉆孔位置的物理屬性的幅值存儲為像素值。圖像是像素值的圖形化的顏色編碼表示，不同的彩色陰影代表不同的像素值，但是在這里示為黑白圖像。
[0034]由于井下工具10中測量物理屬性和鉆孔壁的傳感器之間增加的距離，圖像上的崩落(即，處于相對位置的放大的鉆孔)變得可見。如果距離變得太大，則傳感器不再能確定巖石的物理屬性。
[0035]在圖2中左側，黑暗或陰影區(qū)域是觀察到的鉆孔崩落，而亮的區(qū)域代表完好的地層巖石。如以上所指出的，崩落在大部分深度間隔中成對出現(xiàn)，彼此隔開大約180度。
[0036]圖2在右側示出了用于一行圖像的規(guī)格化像素值的例子。圖2中的崩落是由像素值一(y_軸)表示的。對于所給出的圖像，每行圖像包含120個區(qū)段，S卩，120個像素，每個區(qū)段一個像素值(X-軸)。
[0037]這里所公開的技術給出了用于對來自鉆孔壁的圖像執(zhí)行自動分析的算法，以監(jiān)視鉆孔崩落的存在或不存在。如果崩落存在，則相關的參數(shù)(崩落取向和崩落寬度)被輸送，用于進一步的處理和分析，諸如用于現(xiàn)場地球應力的校準。
[0038]圖3示出了用于工程應用軟件的工作流的一個例子。崩落的存在或缺失可以從鉆孔壁的圖像來驗證。因此，所給出的算法的前提條件是通過圖像采集對鉆孔壁的自動監(jiān)視(過程31，圖3)。對于這個工作流，任何技術都可以用于任何分辨率的圖像采集，這當然影響崩落分析的準確性。
[0039]圖4定義了用于描述以下給出的用于崩落的自動探測的算法的術語表。下面的圖示出了構成圖像的圓圈中單行像素的頂視圖。圖像區(qū)段由虛線表示(也在上面的圖中示為直線)。每條虛線代表一個區(qū)段，向每個區(qū)段分配圖像的一個像素值。按對的崩落作為彼此隔開180度的圓形區(qū)段40。崩落寬度(還是見圖2)定義為崩落存在的每個圓形區(qū)段40的角度。片段定義為圓形的片或弧，標記為片段1-1V。片段1-1V所包括的角度被稱為α和β，圓形的片段角度之和(2 α +2 β )加起來等于360度。作為替代，片段I_IV所包括的角度可以全都彼此稍有不同，只要它們加起來等于360度就可以。
[0040]這里給出了用于這種按對的崩落的自動探測的算法。該算法可以應用到任何圖像，而不管所應用的用于圖像采集的技術。而且，該算法只分析位于特定深度的一個圖像行，而不管所考慮的深度之上崩落的存在(即，圖2中僅一行的分析)。這種設置使該算法適用于在井下工具10中固件中的實現(xiàn)。這種實現(xiàn)允許鉆孔狀態(tài)(即，崩落或無崩落)的自動監(jiān)視，并且在探測到崩落的任何時候都自動生成警報。與在表面的分析相比，這種算法大大減少了需要傳送到表面的信息量，在表面分析中，高分辨率的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)遙感勘測系統(tǒng)13發(fā)送。
[0041]該算法參考圖4-7包括以下步驟:
[0042]步驟1-可選地，通過對圖像數(shù)據(jù)應用任何過濾或平滑算法，過濾或平滑圖像數(shù)據(jù)。如果圖像的像素值代表地層鉆孔壁的電阻率，則過濾可以應用到像素值的對數(shù)。否則，過濾可以應用到像素值本身。而且，依賴于圖像的質量，過濾可以自動應用到圖像。圖像質量可以通過諸如峰度的統(tǒng)計參數(shù)來量化。
[0043]步驟2 -把圖像行再分成包括角度α、β的四個片段1-1V。彼此對角線相對的角度是相等的，而且所有角度加起來等于360度。
[0044]步驟3 -依賴于隨后使用的方法，規(guī)格化(并且可選地，反轉)像素值的最大值和最小值之間的像素值。與不存在崩落的位置相比，反轉應當在崩落由低像素值表示的時候執(zhí)行。如果崩落在圖像上由高像素值表示，則反轉不應當應用。
[0045]步驟4-以片段所包括的相等角度開始，α = β =90度，為四個片段1-1V中每一個計算物理屬性的平均值。可以計算不同類型的平均值，包括諧波、算術、幾何等平均值。
[0046]步驟5-堆疊相對的片段的平均值，即，堆疊分別來自片段I和III以及II和IV的平均值。不同的方法可以用于堆疊。
[0047]步驟6 -旋轉圖像和四個片段之間的相對位置一個或多個區(qū)段(圖5)，保持片段之間的角度恒定。然后，重復步驟2-5。
[0048]步驟7 -在旋轉90度(在片段之間有相等角度α = β = 90度的情況下)或180度(在不相等的角度α古β的情況下)之后，依賴于所應用的用于規(guī)格化和反轉的方法，找出最大或最小堆疊。而且，找出在其發(fā)現(xiàn)最大/最小(即，最大或最小)堆疊的旋轉角度。最大/最小堆疊在崩落的位置找到。
[0049]步驟8 -改變片段之間的角度(圖6Α和6Β) —個小的量(例如，改變一個區(qū)段)，使得α幸β，并且重復步驟1-6。但是，重復步驟2-7直到圖像和片段之間的相對位置達到180度。
[0050]步驟9 -從旋轉(步驟6)和角度改變(步驟8)的所有組合當中，找出在堆疊變成最大/最小的片段之間的取向和角度。在提供最大/最小堆疊的組合，片段的取向限定鉆孔周圍的崩落位置，并且片段之間的角度確定崩落的寬度(圖5)。步驟6-8可以按相反的次序應用，即，首先改變片段之間的角度，然后旋轉圖像。
[0051]步驟10 -如果在多個圖像行中探測到多個崩落，則那些崩落集群到一個崩落間隔中，如圖7中所說明的。如果深度信息可用，則崩落間隔的位置分配給該間隔。除其它之夕卜，諸如起始深度、端部深度、中心深度、崩落集群駐留在其中的崩落間隔的巖性、從鉆探崩落間隔的深度開始的時間以及崩落間隔的壓力范圍的屬性分配給崩落間隔。
[0052]步驟11 -如果已經(jīng)識別出崩落間隔，則從那個崩落間隔中每個崩落的寬度和取向計算平均寬度和取向，如圖7中所說明的?？梢詰糜糜谇笃骄牟煌椒?。特別地，一個選項是使用加權平均函數(shù)，該函數(shù)通過堆疊值給每個崩落的崩落寬度和取向加權。
[0053]步驟12 -對于崩落間隔，向參數(shù)(寬度和取向)分配不確定性，例如，通過統(tǒng)計分析每個間隔中崩落的寬度和取向。
[0054]除其它之外，以下方法可以用于每個像素值Isec的規(guī)格化(范數(shù))，其中每個像素值與圖4中所示的一個區(qū)段相關。
[0055]規(guī)格化方法1-根據(jù)最小(min)/最大(max)值規(guī)格化每個像素值:
,、 Isec-1min
[0056]Isccinorm)=-1max -1min
[0057]規(guī)格化方法2 -根據(jù)min/max值和反轉來規(guī)格化每個像素值:
[0058]Iscc(norm) = I — __*Π11Ι?

Imax -1min
[0059]規(guī)格化方法3 -根據(jù)min/max值和反轉規(guī)格化每個像素值，然后取平方(一種實施例中的優(yōu)選方法):
[0060]Isec(norm) = 1- ~*m'n

VImax-1minJ
[0061]規(guī)格化方法4 -根據(jù)min/max值規(guī)格化每個像素值，然后取1glO:
■ , s , Iscc-1min
[0062]Iscc( norm) = 1g10-1max -1mi n
[0063]規(guī)格化方法5 -根據(jù)min/max值規(guī)格化每個像素值，然后取平方:
「 n τ, ( Iscc-1min V
[0064]Iscc(norm)=-1 Imax -1min J
[0065]除其它之外，以下方法可以用于為如圖4中所示的四個片段中每一個把規(guī)格化的像素值求平均。
[0066]求平均方法1-為4個片段中每一個把規(guī)格化的像素值求平均:
I ^
[0067]aVj =-^Iscc(I1rm), i = 1，2，3，4，其中 η =片段 i 中的區(qū)段號

η
[0068]求平均方法2 -為4個片段中每一個把規(guī)格化的像素值的對數(shù)求平均:
[0069]aVj =丄[丨og丨丨,(丨scc(norm)), i = 1，2，3，4，其中η =片段i中的區(qū)段號
η
[0070]除其它之外，以下方法可以用于堆疊來自如圖4中所示相對片段的規(guī)格化像素值的平均值。
[0071]堆疊方法1-堆疊(stack)來自相對片段的平均值，減去堆疊，并且取絕對值:
[0072]stack = (av^avg) - (av2+av4)
[0073]堆疊方法2-堆疊來自相對片段的平均值，除以兩個結果產生的堆疊并且確定最小值(這個方法只適用于規(guī)格化方法2和3):
[0074]stackl = (av^avg) / (av2+av4)
[0075]stack2 = (av2+av4) / (av^avg)
[0076]stack = min (stackl, stack2)
[0077]堆疊方法3 -堆疊來自相對片段的平均值并且確定最小值(這種方法只適用于規(guī)格化方法1、4和5):
[0078]stackl = (av^avg)
[0079]stack2 = (av2+av4)
[0080]stack = min (stackl, stack2)
[0081]堆疊方法4 -堆疊來自相對片段的平均值并且確定最大值(這種方法只適用于規(guī)格化方法2和3):
[0082]stackl = (av^avg)
[0083]stack2 = (av2+av4)
[0084]stack = max (stackl, stack2)
[0085]堆疊方法5-堆疊來自相對片段的平均值，除以兩個結果產生的堆疊并且確定最小值(這種方法只適用于規(guī)格化方法1、4和5):
[0086]stackl = (av^avg) / (av2+av4)
[0087]stack2 = (av2+av4) / (av^avg)
[0088]stack = max (stackl, stack2)
[0089]圖8示出了對片段之間變化的角度利用規(guī)格化方法3、求平均方法I以及堆疊方法I的鉆孔崩落自動識別的結果。最左邊的軌跡顯示出具有鉆孔崩落的圖像并且在圖像頂部示出了崩落的取向(點70)。點71示出了兩個識別出的崩落區(qū)的平均取向。從左邊看第二個軌跡示出了崩落間隔和每個崩落的寬度(點72)，以及用于每個崩落間隔的平均寬度(點73)。從左邊看第三個軌跡示出了堆疊例程的最大值。當最大值超過0.8的閾值時，識別出中斷，閾值在一種實施例中是憑經(jīng)驗確定的值。右邊的軌跡示出了用于每個圖像行的峰度。峰度是一個可以用于在峰度一旦超過預定義的閾值就自動應用過濾/平滑(步驟I)的統(tǒng)計參數(shù)。
[0090]一旦探測到崩落，就可以依賴算法的配置提供不同級別的警報(圖3中的過程33)。級別1:可以生成通知用戶已經(jīng)探測到崩落的警報(不輸送參數(shù))。這種警報可以是改變遙感勘測配置以便為了更具體的分析而發(fā)送更高分辨率圖像的觸發(fā)器。如果崩落取向也輸送(圖3，過程33中的級別2)，就監(jiān)視后續(xù)的崩落(記住或記錄)，直到可以識別出崩落區(qū)(深度間隔)(圖3，過程34)。然后，崩落區(qū)的取向可以用于校準現(xiàn)場地球應力的取向。級別3觸發(fā)后續(xù)警報的監(jiān)視(圖3，過程35)。如果識別出崩落區(qū)，則在鉆探該區(qū)的時候占優(yōu)勢的壓力和溫度范圍用于校準現(xiàn)場地球應力。此外，不同級別的警報可以基于探測到的崩落的幅值來生成。不同崩落的幅值可以與對應于不同警報級別的各種閾值進行比較。在一種或多種實施例中，三個警報級別可以提供給操作人員-不重要(繼續(xù)鉆探)、小的重要性(小心)和大的重要性(預期嚴重事件)。這些僅僅是例子，因為本領域技術人員可以利用這里所公開的技術創(chuàng)建對應于感興趣的裝備、方法和參數(shù)的其它警報和報警。
[0091]除井下圖像數(shù)據(jù)分析之外，警報的自動生成還包括監(jiān)視鉆探狀態(tài)(或者在井下由工具10或者在表面由表面計算機處理系統(tǒng)8—旦發(fā)送了探測到的崩落)。鉆探狀態(tài)可以包括在探測到的崩落處的壓力和溫度。
[0092]除了圖3中給出的特征，工程應用系統(tǒng)還提供以下應用，以便處理操作約束。
[0093]提供了輸送鉆孔的幾何形狀(傾角、方位角、急轉彎嚴重性等)的第一應用，以規(guī)避對不對稱圖像(其上面的一個崩落沒有其對應物顯著的圖像)的分析。而且，該第一應用還能夠預測地層床是被垂直還是傾斜地穿入。如果鉆孔以傾斜的角度穿入地層床，就提供能夠對圖像執(zhí)行浸涂去除(dip removal)的第二應用，以規(guī)避由傾斜的床造成而不是由崩落造成的警報。
[0094]提供能夠輸送鉆探狀態(tài)的第三應用。該應用可以控制自動圖像分析的激活，以排除對在不鉆探或重新測井時采集到的圖像的分析。
[0095]提供為了校準壓力窗口 91而提供關于探測崩落的信息的第四應用，其中壓力窗口 91在圖9中表示。壓力窗口關于具有一個上限(壓裂梯度)和兩個下限(剪切失效梯度或孔隙壓力梯度)的鉆井流體壓力范圍，其中鉆井流體壓力局限在所述上限和兩個下限中較高的一個之間，如圖9中所說明的。剪切失效梯度可以通過崩落信息和與崩落相關聯(lián)的其它鉆井參數(shù)來約束。剪切失效梯度的同義詞是坍塌梯度或坍塌壓力。
[0096]這里所公開的技術具有以只探測顯著、清晰可見的崩落的方式而穩(wěn)健的益處，這規(guī)避了故障的警報。此外，該方法只在崩落按對出現(xiàn)、偏移大約180度的時候發(fā)出警報。這后一個益處規(guī)避了開鍵槽(key seating)的故障探測。
[0097]如以上所指出的，各種級別或類型的警報都可以自動生成。警報可以由應用工程軟件自動生成。這些警報關于應用工程軟件對鉆孔崩落的探測和/或量化，如以上所討論的。警報還可以包括應用工程軟件沒有探測到崩落的狀況。此外，警報可以關于探測到的崩落、崩落的尺寸或崩落的取向是否是預期的。一旦警報生成，它就可以顯示給鉆探操作人員或其他用戶。在一種或多種實施例中，警報作為井下發(fā)生的事件是否與探測到的崩落相關以及是否事件被預期或沒有被預期的描述給出。在一種或多種實施例中，警報可以作為“交通燈”給出，利用諸如綠色、黃色和紅色的顏色來表示井下崩落狀況的嚴重性。除了自動生成警報之外或代替之，基于與探測到的崩落相關的井下狀況或事件，應用工程軟件還可以自動向鉆探操作人員或其他用戶生成建議。建議與意見相關，以便安全高效地鉆探鉆孔。
[0098]圖10繪出了基于探測到的鉆孔崩落自動生成警報和建議的各方面?？梢园▉碜砸粋€或多個模塊的、用于自動生成警報和建議的應用工程軟件90可以由井下電子設備
8、計算機處理9或者其組合來實現(xiàn)。警報和建議可以通過顯示器94呈現(xiàn)給鉆探操作人員或用戶。顯示器94可以位于鉆探鉆孔的鉆機處或者遠離它。一旦從已知深度或位置的鉆孔圖像探測到和/或量化了井下崩落對，應用工程軟件90就可以應用一個或多個警報和建議生成模塊。為了確定探測到的崩落是否是預期的，壓力窗口 91、被鉆孔2穿入的地層4的地質力學模型92，和/或測出的地層和鉆孔參數(shù)93就可以輸入到應用工程軟件90。應用工程軟件90自己可以能夠發(fā)布一些警報和相關聯(lián)的建議。例如，地質力學模型92在鉆探完全新的區(qū)域中第一個勘探鉆孔時可能是不可用的。在這種情況下，軟件90自己可以探測并量化崩落并發(fā)布相關的警報和建議。但是，其它警報，諸如崩落狀況是否是預期的，可能需要模塊91、92和/或93的使用。
[0099]壓力窗口 91是包括鉆井流體壓力范圍的軟件包或模塊，這個范圍以壓裂梯度作為上限并且以剪切失效梯度(或坍塌壓力)和孔隙壓力梯度作為兩個下限。一般而言，(由于鉆井流體造成的)井下環(huán)空壓力嘗試維持在壓力窗口 91的壓力范圍內。通過把用于在其獲得鉆孔圖像的深度的井下環(huán)空壓力輸入到應用工程軟件90，軟件90將能夠確定在那個深度探測到的崩落對是否是預期的。例如，如果探測到崩落且環(huán)空壓力小于剪切失效梯度，則崩落是預期的。如果探測到崩落并且環(huán)空壓力大于剪切失效梯度，則崩落不是預期的，因為環(huán)空壓力總是超過預測的坍塌壓力。
[0100]地質力學模型92包括與地層4和鉆孔2相關的以下參數(shù)或值中的至少一些:
[0101]地球的現(xiàn)場應力張量，包含三個主要或正交應力的幅值以及這個應力張量的取向；
[0102]地層孔隙壓力，除其它之外，還通過從絕對應力減去地層孔隙壓力來計算有效應力；
[0103]鉆孔關于現(xiàn)場應力張量或者關于另一參考系統(tǒng)的取向，使得可以計算應力張量和鉆孔軌跡之間的相對取向；
[0104]鉆孔的尺寸和/或直徑；
[0105]預測的和/或實測的屬性，諸如溫度、壓力、地層和鉆井流體的化學成分，以及鉆井流體添加物；
[0106]描述現(xiàn)場和/或表面條件下地層巖石的壓縮強度的子模型；及
[0107]描述應力下地層巖石的變形行為(例如，線性彈性、非線性彈性、多孔彈性、塑性)的子模型。
[0108]根據(jù)現(xiàn)場地球應力張量，地質力學模型92可以計算鉆孔周圍由于鉆孔被鉆探而造成的重新分布的應力，并且對照壓縮地層巖石強度(以壓力單位規(guī)定)比較重新分布的應力(也以壓力單位規(guī)定)。如果應力超過地層巖石強度，則鉆孔會坍塌，造成崩落。重新分布的應力超過地層巖石強度的圓周范圍確定了崩落的寬度。崩落的取向依賴于現(xiàn)場地球應力的取向以及它們在鉆孔周圍如何分布。由此，利用地質力學模型92，應用工程軟件90可以對井下環(huán)空壓力和/或溫度條件預測崩落的預期寬度和預期取向。一般而言，在獲得鉆孔圖像的深度鉆孔中的環(huán)空壓力(即，鉆井流體壓力)輸入到地質力學模型92中，以便確定崩落是否是預期的，并且，在是預期的情況下，確定其寬度。對于井下環(huán)空壓力和/或溫度條件，崩落的預期寬度和預期取向隨后與探測到的崩落寬度和探測到的崩落取向進行比較。如果它們一致，則地質力學模型92得到驗證。如果它們不一致，則可以生成警報，通知不一致，并且可以生成建議，以便重新校準或更新地質力學模型92的適當部分。例如，如果探測到崩落但不是預期的，則地質力學模型92需要更新。如果探測到的崩落寬度大于或小于預期的寬度，則用于現(xiàn)場地球應力的模型和/或用于地層巖石強度的模型需要更新。如果探測到的崩落取向與預期的崩落取向不一致，則重新分布的應力取向需要更新。地質力學模型92可以在對鉆孔圖像執(zhí)行測量的時候從地層和鉆孔測量獲得。作為替代或者相結合，用于地質力學模型的地層和鉆孔測量可以在穿入相同地層的鉆孔附近或者根據(jù)表面地震測量來執(zhí)行。此外，地層樣本還可以從附近的鉆孔獲得，用于實驗室分析，以確定地層巖性和相關的巖石機械屬性。
[0109]測出的地層和鉆孔參數(shù)93輸入到應用工程模型90、壓力窗口 91和/或地質力學模型92中。測出的參數(shù)93包括可以替代之前假設的參數(shù)的最近測出的參數(shù)。測出的參數(shù)93的非限制性例子包括:位于獲得鉆孔圖像的各個鉆孔深度的環(huán)空壓力或鉆井流體壓力，諸如由位于BHA12中的壓力傳感器(未示出)感測到的；位于獲得鉆孔圖像的各個鉆孔深度的鉆孔溫度，諸如由位于BHA12中的溫度傳感器(未示出)感測到的；鉆孔卡徑(caliper)測量；由位于井下工具10附近的井底組件中的地層測試器獲得的地層孔隙壓力測量，使得孔隙壓力代表在其獲得鉆孔圖像的地層；此外，來自地層測試器的孔隙壓力可以用作一種測量，模型91/92中的孔隙壓力可以對照其來校準；以及諸如利用鉆孔軌跡確定系統(tǒng)獲得的諸如傾角(從垂直面)和方位角的鉆孔軌跡。一般而言，鉆孔軌跡確定系統(tǒng)包括井下工具或傳感器組合，給定關于垂直面的方位角方向(給定傾角)，它們能夠測量井下組件關于北極(磁極或地理極，每個都可以轉換成另一個)的取向或方向。
[0110]除了確定探測到的崩落的寬度，應用工程軟件90還可以把寬度分類，用于提供警報和建議。在用于垂直鉆孔的一種或多種實施例中，寬度可以分類為小、大或超大，其中小崩落的寬度小于75度，大崩落的寬度在75和90度之間，而超大崩落的寬度大于90度。在用于水平鉆孔的一種或多種實施例中，小崩落的寬度小于20度,大崩落的寬度在20和30度之間，而超大崩落的寬度大于30度。一般而言，傾角為15度或更小的鉆孔可以被認為是垂直的。對于其它傾角，類別可以插在兩個極端(垂直和水平)情況之間?？梢哉J識到，地質力學工程師可以在鉆探的時候基于局部環(huán)境條件提出其它標準。例如，非常厚的泥餅或者優(yōu)秀的鉆孔清潔做法可以在以上列出的通用值中要求增加時強化鉆孔。
[0111]圖11繪出了由顯示器94顯示的警報和相關聯(lián)建議的一種示例性實施例的各方面。而且圖11中還繪出了配置為顯示綠色、黃色和紅色的“交通燈”，以便分別指示增加的嚴重性的通用水平。如果沒有觀察到崩落，則顯示綠燈，連同繼續(xù)鉆探的建議。
[0112]如果觀察到崩落，則相關聯(lián)的建議包括監(jiān)視從表面和井下參數(shù)得出的鉆機參數(shù)，諸如水力學參數(shù)、鉆探動態(tài)(例如,振動)、鉆頭上的重量、鉆管扭矩以及鉆管拖阻(drag)。如果崩落被量化為小，則顯示黃色交通燈。如果預期小崩落但是沒有出現(xiàn)，則也顯示黃色交通燈。在這種情況下，建議包括重新校準剪切失效梯度。此外，如果觀察到的和預期的崩落取向一致或不一致，則顯示黃色交通燈。如果它們不一致，則建議包括重新校準剪切失效梯度。另外，如果探測到的崩落取向與鉆探方向的變化一致，則也顯示黃色交通燈。在這種情況下，建議包括:監(jiān)視塌落，諸如通過百分比、尺寸或形狀；警告由于鉆柱動態(tài)而造成崩落放大是可能的；確保鉆孔的清潔；和/或警告由于開鍵槽造成卡鉆管是可能的。
[0113]如果探測到大或超大崩落，則顯示紅色交通燈。如果探測到旋轉的崩落取向而沒有鉆探方向的變化，則顯示紅色交通燈。對這種情形的建議包括監(jiān)視故障、警告卡鉆管是有可能的、監(jiān)視鉆井流體損失、以及確保鉆孔清潔。如果探測到大崩落但不是預期的或者探測到的崩落寬度大于預期的，則顯示紅色交通燈并且建議包括重新校準剪切失效梯度、確保鉆孔清潔、增加井下環(huán)空壓力和/或考慮鉆井流體變化。
[0114]如果觀察到非常大的崩落，則相關聯(lián)的建議包括確保鉆孔清潔、增加井下環(huán)空壓力、考慮泥漿變化和/或拔出鉆孔。
[0115]圖11中的上標I關于可以與自動崩落算法(即，應用工程軟件90)獨立地生成的警告和建議，諸如:崩落存在/不存在(時間/深度)；崩落的取向在…方向(時間/深度)；崩落的寬度為…(時間/深度)；和/或崩落間隔(深度)。圖11中的上標2關于可以從自動崩落探測算法結合壓力窗口模型(例如，輸入:圖像數(shù)據(jù)和剪切失效梯度)生成的潛在警告，諸如:崩落的存在/不存在以及是否是預期的；探測到的和預期的崩落取向是否一致；和/或探測到的和預期的崩落寬度是否一致。圖11中的上標3關于，如果附加的地層評估和鉆探數(shù)據(jù)(例如，輸入:圖像數(shù)據(jù)、傾角、方位角、急轉彎、伽瑪輻射數(shù)據(jù)、地層巖性)可用的話，可以從自動崩落探測算法生成的潛在警告，諸如:崩落取向與鉆探方向變化一致和/或不同巖性中的崩落。
[0116]可以認識到，警報和建議可以用多種方式給出。在一種或多種實施例中，只顯示當前的警報、交通燈和相關聯(lián)的建議。作為替代，在一種或多種實施例中，所有潛在的警報和建議都可以一起顯示并且當前的警報和相關聯(lián)的建議可以突出或閃爍。除了可視顯示，警報和相關聯(lián)的建議還可以通過聲音給出。錄制的語音可以用于真實地說出警報和建議是什么或者一個聲音可以警告鉆探操作人員看顯示器94。
[0117]圖12是說明用于為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議的方法110的流程圖。方框111要求利用處理器接收來自位于鉆探鉆孔的鉆管的井下工具的鉆孔圖像。方框112要求，如果崩落在圖像中，就利用由處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法探測第一崩落和與第一崩落隔開大約180°的第二崩落。方框113要求，如果探測到第一和第二崩落，就利用處理器生成警報或建議。方法110還可以包括發(fā)布指示沒有探測到崩落的警報，連同繼續(xù)鉆探的相關聯(lián)的建議。方法110還可以包括確定崩落、崩落寬度或崩落取向是否是預期的并且生成相關聯(lián)的警報和建議。
[0118]為了支持這里的教導，可以使用各種分析部件，包括數(shù)字和/或模擬系統(tǒng)。例如，井下電子設備8或表面計算機處理系統(tǒng)9可以包括數(shù)字和/或模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)可以具有諸如處理器、存儲介質、存儲器、輸入、輸出、通信鏈路(有線的、無線的、脈沖泥漿、光學的，等等)、用戶接口、軟件程序、信號處理器(數(shù)字的或模擬的)的部件或者其它此類部件(諸如電阻器、電容器、電感器等)，以便用本領域中眾所周知的幾種方式中的任何一種提供這里所公開的裝置和方法的操作和分析?？梢哉J為這些教導可以，但不必需，結合存儲在非臨時性計算機可讀介質上的一組計算機可執(zhí)行指令來實現(xiàn)，其中非臨時性的計算機可讀介質包括存儲器(ROM、RAM)、光學的(CD-ROM)或磁性的(盤、硬驅)，或者任何其它類型，當指令被執(zhí)行時，使計算機實現(xiàn)本發(fā)明的方法。除本公開內容中所公開的功能之外，這些指令可以提供系統(tǒng)設計者、所有者、用戶或其它此類人員認為相關的設備操作、控制、數(shù)據(jù)收集和分析及其它功能。
[0119]另外，為了提供本文教導的各方面，各種其它部件可以被包括并調用。例如，為了支持這里所討論的各方面或者為了支持超出本公開內容的其它功能，電源(例如，發(fā)電機、遠端電源和電池中至少一種)、冷卻部件、加熱部件、磁體、電磁體、傳感器、電極、發(fā)送器、接收器、收發(fā)器、天線、控制器、光學單元、電氣單元或機電單元都可以包括。
[0120]如在這里所使用的，術語“載體”指可以用于運輸、容納、支撐或以別的方式方便另一設備、設備部件、設備的組合、介質和/或構件使用的任何設備、設備部件、設備的組合、介質和/或構件。其它示例性的非限制性載體包括盤管類型的、有接頭管道類型的鉆柱及其任意組合或部分。其它的載體例子包括管道、鋼絲線、鋼絲線探空儀、平直管線探空儀、drop shots、井底組件、鉆柱插入、模塊、內部機架及其基底部分。
[0121 ] 實施例的元素是利用冠詞“一個”來介紹的。冠詞是要指有一個或多個這些元素。術語“包括”和“具有”是包容性的，使得可以有除列出的元素之外的附加元素。當與至少兩項的列表一起使用時，連詞“或者”要指任何一項或者項的組合。術語“第一”、“第二”和“第三”用于區(qū)分元素而不是用于表示特定的次序。
[0122]應當認識到，各種部件或技術可以提供某些必要的或有益的功能性或特征。因此，如支持所附權利要求及其變體可能需要的，這些功能和特征被認為是作為這里教導的一部分及所公開的本發(fā)明的一部分固有地包括。
[0123]雖然本發(fā)明已經(jīng)參考示例性實施例進行了描述，但是應當認識到，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，對于進行各種變化并且可以用等價物替換其元素。此外，在不背離其本質范圍的情況下，對于本發(fā)明的教導，為了適應特定的儀器、情形或材料，許多修改都將是可以理解的。因此，本發(fā)明不是要局限于預期作為執(zhí)行本發(fā)明最佳模式所公開的特定實施例，而是本發(fā)明將包括屬于所附權利要求書范圍的所有實施例。
【權利要求】
1.一種用于為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議的方法，該方法包括: 利用處理器從位于鉆探鉆孔的鉆管處的井下工具接收鉆孔圖像； 如果崩落在所述圖像中，就利用由處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法探測第一崩落和與第一崩落移開大約180°的第二崩落；以及 如果探測到第一崩落和第二崩落，就利用處理器生成警報或建議。
2.如權利要求1所述的方法，如果由處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法在所述圖像中沒有探測到崩落，就生成包括沒有觀察到崩落的警報或者包括繼續(xù)鉆探的建議。
3.如權利要求2所述的方法，還包括利用處理器接收針對鉆孔深度的鉆井流體壓力，并且在鉆探壓力窗口中將該鉆井流體壓力與剪切失效梯度比較，其中所述圖像在所述鉆孔深度處獲得，其中，如果鉆井流體壓力小于剪切失效梯度，則警報包括崩落沒有被觀察到但是被預期，并且建議進一步包括重新校準剪切失效梯度。
4.如權利要求1所述的方法，其中，如果探測到第一崩落和第二崩落，則警報包括觀察到崩落，并且建議包括監(jiān)視鉆機參數(shù)、鉆探動態(tài)、鉆管扭矩和鉆管拖阻。
5.如權利要求4所述的方法，還包括利用處理器接收針對鉆孔深度的鉆井流體壓力，并且在鉆探壓力窗口中將該鉆井流體壓力與剪切失效梯度比較，其中所述圖像在所述鉆孔深度處獲得，其中，如果鉆井流體壓力大于剪切失效梯度，則警報包括崩落被觀察到但不被預期，并且建議進一步包括重新校準剪切失效梯度。
6.如權利要求4所述的方法，還包括利用由處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法根據(jù)所述圖像確定第一崩落和第二崩落的取向。
7.如權利要求6所述的方法，還包括利用處理器從地層的地層應力模型接收針對鉆孔深度的應力取向，其中所述圖像在所述鉆孔深度處獲得，其中，如果地層應力模型中的應力取向與第一崩落和第二崩落的取向不一致，則警報包括觀察到的取向和崩落取向一致，并且建議包括重新校準地層應力模型中的應力取向。
8.如權利要求6所述的方法，還包括利用處理器接收鉆探方向。
9.如權利要求6所述的方法，其中，如果接收到的鉆探方向的變化與第一崩落和第二崩落的取向一致，則警報包括崩落取向與鉆探方向變化一致，建議進一步包括監(jiān)視鉆孔塌落、崩落放大、確保鉆孔清潔以及由于開鍵槽造成的可能的卡鉆管中的至少之一。
10.如權利要求8所述的方法，其中，如果接收到的第一崩落和第二崩落的取向隨著增加鉆孔深度而旋轉并且鉆探方向沒有變化，則警報包括沒有鉆探方向變化的旋轉崩落取向，并且建議包括監(jiān)視故障、可能的卡鉆管、監(jiān)視鉆井流體損失以及確保鉆孔清潔中的至少之一 O
11.如權利要求4所述的方法，還包括利用由處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法根據(jù)圖像確定第一崩落和第二崩落的寬度。
12.如權利要求11所述的方法，還包括確定寬度中的最寬部分在崩落寬度的第一范圍內，并且警報包括觀察到大崩落，并且建議包括確保鉆孔清潔、增加井下環(huán)空壓力以及考慮鉆井流體變化中的至少之一。
13.如權利要求12所述的方法，其中崩落寬度的第一范圍是75至90度。
14.如權利要求12所述的方法，還包括確定寬度中的最寬部分在崩落寬度的第一范圍之外且在崩落寬度的第二范圍內，而且警報包括觀察到非常大的崩落，并且建議進一步包括拔出鉆孔。
15.一種用于為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議的裝置，該裝置包括: 處理器，被配置為:(i)從位于鉆探鉆孔的鉆管處的井下工具接收鉆孔圖像；(ii)如果崩落在所述圖像中，就利用由該處理器實現(xiàn)的用于探測崩落的方法探測第一崩落和與第一崩落移開大約180°的第二崩落；以及(iii)如果探測到第一崩落和第二崩落，就利用該處理器生成警報或建議。
16.如權利要求15所述的裝置，還包括耦合到處理器并且被配置為顯示警報或建議的設備。
17.如權利要求16所述的裝置，其中警報包括與鉆探條件重要性相關的顏色，所述鉆探條件與所述圖像中崩落存在或不存在相關。
18.如權利要求15所述的裝置，還包括井下工具。
19.如權利要求17所述的裝置，其中井下工具被配置為感測伽瑪射線發(fā)射、聲學阻抗、電阻率、導電率、密度或孔隙度中的至少之一。
20.一種包括計算機可執(zhí)行指令的非臨時性計算機可讀介質，其中指令通過實現(xiàn)一種方法來為鉆探穿入地球地層的鉆孔生成警報或建議，該方法包括: 從位于鉆探鉆孔的鉆管處的井下工具接收鉆孔圖像； 如果崩落在所述圖像中，就探測第一崩落和與第一崩落移開大約180°的第二崩落；以及 如果探測到第一崩落和第二崩落，就生成警報或建議。
【文檔編號】E21B47/08GK104136713SQ201380003845
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年1月21日 優(yōu)先權日:2012年1月25日
【發(fā)明者】S·維斯鈴, C·沃爾夫, A·賽塔伽提, M·A·杰肯斯 申請人:貝克休斯公司