用于進(jìn)行井下測量的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】進(jìn)行井下測量的系統(tǒng)和方法利用：中子源(12)，其用于在地下地層(12)中形成標(biāo)記(122)；核輻射檢測器(D、124)，其用于檢測所述標(biāo)記(122)發(fā)射的伽瑪和/或其他核輻射；以及井下鉆井過程監(jiān)測單元(20)，其基于所述核輻射和所述中子源(120)和所述核輻射檢測器(D、124)之間的軸向距離L的檢測，生成關(guān)于自動化或其他鉆井組件(4)的增量深度和/或關(guān)聯(lián)機(jī)械鉆速(ROP)的實(shí)時信息，而不需要借助復(fù)雜的有線或無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將實(shí)時增量深度和/或ROP數(shù)據(jù)傳輸?shù)降乇碓O(shè)備。
【專利說明】
用于進(jìn)行井下測量的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及在在井下鉆孔中進(jìn)行井下測量的系統(tǒng)和方法。鉆孔可涉及勘探或生產(chǎn) 諸如原油和/或天然氣的烴流體。
【背景技術(shù)】
[0002] -般，使用可旋轉(zhuǎn)鉆柱，鉆出用于生產(chǎn)來自井下地層的原油和/或天然氣的鉆孔。 鉆柱通常包括一系列互連的鉆桿片段。鉆柱的井下端可通常設(shè)置有底部鉆具組合(BHA)， BHA包括提供鉆壓的較重鉆環(huán)的片段、隨鉆測量(MWD)設(shè)備、用于破碎地層在井下端的鉆頭。 鉆機(jī)的用于保持鉆柱的表面設(shè)置有驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)鉆柱，通常包括頂部驅(qū)動 或其他旋轉(zhuǎn)臺。
[0003] 實(shí)現(xiàn)實(shí)時地下導(dǎo)航的關(guān)鍵障礙之一在于地表和井下之間的通信瓶頸。當(dāng)前可用的 隨鉆測量工具和隨鉆測井工具可測量除了深度之外的所有至關(guān)重要的井下信息。深度估計(jì) 井下的實(shí)時可用性可提供鉆井操作中的實(shí)時自動化位舵和優(yōu)化的新可能性。
[0004] 為了進(jìn)行地下導(dǎo)航，最重要的測量值之一是任何時間點(diǎn)的鉆孔深度。伴隨著方位 角和旋轉(zhuǎn)位移的方向測量，它提供鉆頭相對于表面位置的定位。在下面優(yōu)化的鉆孔軌跡中， 存在多種深度測量的使用，諸如，用于在地層中進(jìn)行地理特征定位、用于遵循優(yōu)化的鉆孔軌 跡、用于計(jì)算套管鞋深度、用于估計(jì)水泥數(shù)量等。
[0005] 在深度測量的當(dāng)前系統(tǒng)中，地表系統(tǒng)可記錄鉆臺下方的鉆柱的時間和長度?？墒?用鉆柱長度作為標(biāo)準(zhǔn)深度測量。可使用方鉆桿補(bǔ)心或鉆臺作為基于陸地的鉆機(jī)的基準(zhǔn)和海 上鉆機(jī)的平均海平面。使用鉆柱(BHA和鉆桿片段的組合長度)至頂部驅(qū)動器(或游車）的距 離和頂部驅(qū)動器(或游車)在井架中的位置來確定鉆頭的深度和機(jī)械鉆速(R0P)。
[0006] 通過從絞車放出的鉆井鋼絲繩來測量游車的移動，這是用絞車旋轉(zhuǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)的或 者在鉆速記錄儀的幫助下進(jìn)行測量的?？墒褂煤Ｉ系纳裂a(bǔ)償器來消除浮式海上設(shè)施中的 升沉效應(yīng)。盡管為了準(zhǔn)確進(jìn)行深度測量費(fèi)盡全力，但當(dāng)前系統(tǒng)由于與熱膨脹、鉆桿伸展、壓 力效應(yīng)、和/或鉆壓誤差、鉆柱傳感器校準(zhǔn)和升沉校正而出現(xiàn)誤差。由于這些因素導(dǎo)致的深 度總誤差可以是3000m深度內(nèi)高達(dá)10-12m。已經(jīng)努力計(jì)算與以上提到的現(xiàn)象相關(guān)的誤差并 且使用此作為確定校正深度的調(diào)整，但它們沒有將誤差準(zhǔn)確定量并且極少實(shí)際運(yùn)用。深度 的井下測量有可能消除這些誤差。
[0007] 美國專利5,341，886公開了用于控制旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的前進(jìn)方向的方法和設(shè)備。該系統(tǒng) 包括鉆柱、攜載在鉆柱上的可旋轉(zhuǎn)鉆頭、可旋轉(zhuǎn)頭和有助于鉆井方向變化的順從性子組件。 該系統(tǒng)包括磁性標(biāo)記組件，包括地層磁化器。地層中的磁性標(biāo)記是通過磁化器用對應(yīng)的電 流脈沖形成的。該工具還包括與磁化器相隔距離L的磁性傳感器。當(dāng)磁性傳感器檢測到磁性 標(biāo)記時，促使磁化器形成另一個磁性標(biāo)記。新磁性標(biāo)記均分隔開距離L，從而允許測量增量 深度。
[0008] 實(shí)際上，美國專利5,341，886的系統(tǒng)證實(shí)有致使其不適于應(yīng)用的缺陷。地層常常是 不可磁化的，從而在深度測量時產(chǎn)生顯著誤差。美國專利5,341，886指示了使用高強(qiáng)度磁性 脈沖的必要性，大約桿面有幾千奧斯特。除了大量功率需求之外，高強(qiáng)度磁性脈沖會與工具 桿中的可磁化材料發(fā)生干擾。
[0009]美國專利7,283,910公開了用于記錄地層并且獲取地下信息以得到所關(guān)注參數(shù)的 方法和設(shè)備，這些參數(shù)可包括密度、孔隙率、聲學(xué)反射率、核磁共振性質(zhì)、或電阻。用多個傳 感器獲取這些參數(shù)。確定來自各個傳感器的信號之間的時間間隔值。使用已知的傳感器空 間間隔和時間間隔值，確定鉆孔速率并且定義地下特征的遞增深度。
[0010]美國專利7,283,910的設(shè)備發(fā)出核能(更特別地，伽瑪射線）。伽瑪射線源與被屏蔽 以不受射線源影響的兩個或更多個伽瑪射線檢測器組合。在探針的操作期間，從射線源發(fā) 射的伽瑪射線(或光子)進(jìn)入地層并且通過光電吸收，通過康普頓散射，或者通過電子偶的 產(chǎn)生與地層材料的原子電子相互作用。傳感器可包括核磁共振傳感器。
[0011]在鉆井的同時，兩個或更多個傳感器根據(jù)它們的間隔和機(jī)械鉆速在不同時間經(jīng)過 地層中的同一位置?？墒褂盟惴ū容^這些傳感器的實(shí)時輸出，以將源自同一地下地層的信 號的特征相關(guān)。因?yàn)檫@些信號對應(yīng)于同一地下位置，所以可使用傳感器之間的已知距離L來 計(jì)算沿著井下的前進(jìn)以及機(jī)械鉆速。即，鉆柱在時間差a t = (t2-tl)期間沿著井下前進(jìn)距 離L。機(jī)械鉆速ROP = L/(t2-t 1)。通過對R0P求積分，可計(jì)算增量深度。
[0012]美國專利7,283,910的設(shè)備面臨幾個挑戰(zhàn)。例如，在水平片段中，其中，鉆孔通常在 地層內(nèi)延伸，并且在同一巖性中，特性巖石屬性特征不會大幅度改變以致足以區(qū)分特征和 噪聲。另外，日志決不精確重復(fù)。連續(xù)伽瑪射線測量的微量變化經(jīng)常是由于到達(dá)檢測器或傳 感器的放射性脈沖的隨機(jī)性質(zhì)而導(dǎo)致的統(tǒng)計(jì)波動。例如，伽瑪射線工具的準(zhǔn)確的一般是5% 左右并且精確度與記錄速度的平方根成反比并且將受到瞬時速度變化的影響。例如由于沖 蝕導(dǎo)致的流體侵蝕和孔徑變化還可使測得的值隨時間推移而變化。因 R0P的積分，在計(jì)算出 的增量深度中引入積分誤差，該誤差將隨深度增大而增大。誤差的大小取決于例如R0P變 化、傳感器和測量頻率之間的距離。最后，記錄工具的精確度隨著溫度升高而減小，這樣限 制了尚溫應(yīng)用。
[0013] 美國專利7,999,220公開了一種脈動中子源和用于鉆孔記錄的伽瑪射線檢測器的 組件。該檢測器組件包括溴化鑭(LaBr3)閃爍晶體和與晶體協(xié)作的數(shù)字化譜儀和與晶體協(xié) 作以使脈沖處理吞吐量最大。該組件可應(yīng)用于鉆孔記錄方法，鉆孔記錄方法在嚴(yán)酷的鉆孔 條件下使用伽瑪射線進(jìn)行測量。該系統(tǒng)尤其可應(yīng)用于碳/氧記錄。
[0014] 歐洲專利申請EP2615477公開了用于測量地層壓裂中的壓裂液的方位分布。工具 具有中子源和繞著工具的外周分隔的多個檢測器。檢測器彼此屏蔽，使得各檢測器檢測來 自它最靠近的鉆孔區(qū)域和地層的伽瑪射線。為了用該工具采集記錄，中子源將高能種子發(fā) 送到周圍地層中。中子由于散射而快速失去能量，此后，它們被周圍環(huán)境內(nèi)的各種原子吸 附。被散射和吸收的中子發(fā)射具有特征能量的伽瑪射線。可測量這些伽瑪射線與特征能量 的關(guān)系并且可確定特定物質(zhì)的存在與否。
[0015]國際專利申請W02006/004740公開了一種井下脈動中子發(fā)射和檢測技術(shù)，該技術(shù) 用于確定鉆孔中流體的流動速率。
[0016]美國專利申請U2008/251710公開了一種電纜式懸掛鉆孔記錄工具，該工具裝配有 脈動中子發(fā)射源和核輻射傳感器和處理器，用于確定地層的硅含量，處理器位于地面上，可 被構(gòu)造成估計(jì)借助用于懸掛記錄工具的電纜發(fā)送到地表處理器的、基于傳感器進(jìn)行的測量 的記錄工具的速率。對于想要估計(jì)正鉆出的鉆孔的深度的熟練鉆井專家而言，顯而易見，找 到這個問題的解決方案要翻閱US2008/251710，US2008/251710涉及用于確定地層中的硅含 量的電纜式記錄工具。US2008/251710沒有教導(dǎo)作為將鉆孔中子發(fā)射源和核輻射傳感器進(jìn) 行的發(fā)送工具速率測量值發(fā)送到地面的處理器的替代，可將這些速率測量值發(fā)送到井下工 具，從而不再需要借助數(shù)據(jù)傳輸電纜將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面的處理器，旋轉(zhuǎn)鉆井組件牽涉 到借助數(shù)據(jù)傳輸電纜將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面的處理器是不且實(shí)際的或者成本高。
[0017]現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)提供了電纜作業(yè)的或相對不準(zhǔn)確的鉆孔深度測量工具。然而，無 法在不需要借助電纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到地表處理器的情況下測量深度和/或無法以對于自動化 鉆孔而言將是充分的準(zhǔn)確度來測量深度。
[0018]因此，需要改善如上所述的方法和系統(tǒng)中的一個或多個。
[0019]此外，需要一種準(zhǔn)確的井下鉆井過程監(jiān)測單元，該井下鉆井過程監(jiān)測單元可在鉆 井期間提供自動化或其他的鉆井組件的準(zhǔn)確實(shí)時增量深度，而不需要復(fù)雜和脆弱的從鉆井 組件的底部鉆具組合(BHA)延伸到地面的有線或無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]按照本發(fā)明，提供了一種在地下鉆孔中進(jìn)行井下測量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[0021 ]-中子源，其用于發(fā)送中子脈沖，以激活包圍所述鉆孔的地下地層中的靶物質(zhì)； [0022]-核輻射檢測器，其被設(shè)置成與核源相距軸向距離L，用于檢測被激活的所述靶物 質(zhì)發(fā)射的核輻射;以及
[0023]-井下鉆井過程監(jiān)測單元，其被構(gòu)造成計(jì)基于核輻射和軸向距離L的檢測來計(jì)算鉆 孔中的鉆井組件的增量深度。
[0024]所述井下鉆井過程監(jiān)測單元可布置在鉆井組件的底部鉆具組合(BHA)中并且被構(gòu) 造成向BHA中的自動化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)提供關(guān)于BHA的增量深度、關(guān)聯(lián)的機(jī)械鉆速(R0P)、 方位角和/或傾斜度的實(shí)時數(shù)據(jù)并且所述井下鉆井過程監(jiān)測單元可被構(gòu)造成借助所述BHA 中的信號傳輸組件將所述實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鲎詣踊@頭導(dǎo)航系統(tǒng)，而不需要將所述實(shí)時 數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诘乇淼臄?shù)據(jù)處理設(shè)備。
[0025]井下自動化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)還可包括用于基于存儲在所述系統(tǒng)中的關(guān)于以下的數(shù) 據(jù)將所述BHA向著地下鉆井靶導(dǎo)航的裝置：
[0026]-所述鉆孔的井口和所述地下鉆井靶的三維地理坐標(biāo)；以及
[0027] -基于所述鉆井過程監(jiān)測單元收集的關(guān)于所述鉆孔軌跡的整個長度內(nèi)所述BHA的 增量深度、方位角和傾斜度的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行所述鉆孔軌跡的估計(jì)。
[0028] 可選地，所述檢測器可以是圓柱形，具有至少5cm的高度和/或被構(gòu)造成檢測包括 氯-37、鈉 -23和/或硅-30的靶物質(zhì)發(fā)射的核輻射并且所述中子源和核輻射檢測器(D)之間 的軸向距離L可等于或小于最大值Lmax，其中，軸向距離L大于沿著所述鉆孔的軸的所述靶物 質(zhì)的被激活核的擴(kuò)散和/或L max在3米和6米之間和/或軸向距離是至少20cm。
[0029] 按照本發(fā)明，此外提供了一種在地下鉆孔中進(jìn)行井下測量的方法，所述方法包括 以下步驟：
[0030] -通過中子源發(fā)送中子脈沖，以激活包圍所述鉆孔的地下地層中的靶物質(zhì)；以及
[0031] -致使被設(shè)置成與所述中子源相距軸向距離L的核發(fā)射檢測器檢測被激活的所述 靶物質(zhì)發(fā)射的核輻射;以及
[0032]-致使井下鉆孔過程監(jiān)測單元基于所述核輻射和所述軸向距離L的檢測來計(jì)算所 述鉆孔中的鉆井組件的增量深度。
[0033]所述井下鉆孔過程監(jiān)測單元可布置在鉆井組件的底部鉆具組合(BHA)中并且借助 BHA中的信號傳輸組件將關(guān)于所述BHA的增量深度、關(guān)聯(lián)的機(jī)械鉆速(R0P)、方位角和/或傾 斜度的實(shí)時信息提供到BHA中的自動化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)，而不需要借助在BHA和地表鉆孔 導(dǎo)航和控制設(shè)備之間復(fù)雜、易碎且成本高的無線或有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿?于地表的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
[0034]所述自動化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)可包括基于關(guān)于以下的所述系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)將所述 BHA向著地下鉆井靶導(dǎo)航的裝置：
[0035]-所述鉆孔的井口和所述地下鉆井靶的三維地理坐標(biāo)；以及
[0036] -基于所述鉆井過程監(jiān)測單元收集的關(guān)于所述鉆孔軌跡的整個長度內(nèi)所述BHA的 增量深度、方位角和傾斜度的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行所述鉆孔軌跡的估計(jì)并且當(dāng)所述BHA已經(jīng)達(dá)到 或幾乎達(dá)到所述地下鉆井靶時，所述自動化鉆井過程可終止，由此，可從所述鉆孔取出所述 鉆井組件，所述鉆孔可完成并且被轉(zhuǎn)換成烴流體生產(chǎn)井，可由所述生產(chǎn)井來產(chǎn)生烴流體。
【附圖說明】
[0037] 下文中，將參照附圖更詳細(xì)地并且以舉例方式描述本發(fā)明，其中：
[0038] 圖1示出包括鉆井系統(tǒng)的實(shí)施例的鉆孔的剖視圖；
[0039] 圖2示出傳統(tǒng)定向鉆井系統(tǒng)的剖視圖；
[0040]圖3示出本發(fā)明的定向鉆井系統(tǒng)的實(shí)施例的剖視圖；
[0041]圖4A和圖4B分別示出在時間tl和t2的用于測量增量深度的標(biāo)記-檢測器系統(tǒng)的示 例性實(shí)施例的剖視圖；
[0042]圖5示出用于測量增量深度的示例性系統(tǒng)的剖視圖；
[0043 ]圖6至圖8示出本發(fā)明的系統(tǒng)的流程方案的實(shí)施例；
[0044]圖9A和圖9B分別示出時間tl和t2的本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例的剖視圖；
[0045] 圖10示出本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例的透視圖；
[0046] 圖11示出本發(fā)明的系統(tǒng)的流程方案；
[0047] 圖12示出本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例的剖視圖；以及
[0048] 圖13示出本發(fā)明的系統(tǒng)的流程方案。
【具體實(shí)施方式】
[0049]在說明書和附圖中，類似的參考標(biāo)號涉及類似的組件。所描繪的組件和所描述的 特征可按許多方式進(jìn)行組合。
[0050]圖1示出延伸到地下地層2中的鉆孔1，地下地層2通常包括多個層5、7,每一層具有 不同的特性。層7可以例如是儲層，儲層包括諸如原油和/或天然氣的烴流體。用于鉆出鉆孔 1的鉆井組件3通常包括管狀鉆柱4,鉆柱4從地表8上的鉆機(jī)6延伸到鉆孔1的井下端9。鉆柱4 可具有由多段鉆桿形成的第一或上段10。鉆柱的第二或井下段可被稱為底部鉆具組合或 BHA 12AHA 12的井下端設(shè)置有鉆頭13。環(huán)面14在鉆柱4和井眼1的壁之間延伸。鉆機(jī)6通常 設(shè)置有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)15，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)15用于將鉆柱繞著其縱軸旋轉(zhuǎn)。
[0051] 底部鉆具組合或BHA 12還可包括額外的設(shè)備，諸如鉆環(huán)和鉆柱穩(wěn)定器。鉆環(huán)可包 括較重的管道片段以提供鉆壓。
[0052] 在鉆井期間，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)15進(jìn)行操作，以將鉆柱4在井眼1中旋轉(zhuǎn)?？山柚@柱4 的內(nèi)部流體通道將鉆井流體從地表栗送到鉆頭13,鉆頭13排出鉆井流體。鉆井流體的回流 通過環(huán)狀空間向上流向地表，帶有因鉆頭13的切割動作而導(dǎo)致的鉆肩。
[0053]烴行業(yè)中所關(guān)注的新興領(lǐng)域之一是開發(fā)薄和/或致密的儲層。這些儲層需要比傳 統(tǒng)烴儲層更大的儲層接觸面積。增大儲層接觸面積的選擇包括鉆相對長的水平片段和/或 鉆多個側(cè)鉆以形成根狀多側(cè)面井眼。
[0054] 這些最新水平的鉆井應(yīng)用中的大部分使用實(shí)時地層評價技術(shù)和復(fù)雜的井下工具 來找尋地理靶地帶并且在向前鉆井的同時保持與儲層接觸例如達(dá)數(shù)千米。在鉆井的同時改 變井眼軌跡來實(shí)現(xiàn)與地理靶地帶更大的接觸或者避開風(fēng)險地帶被稱為地質(zhì)導(dǎo)向。地質(zhì)導(dǎo)向 會得到復(fù)雜的三維井眼幾何形狀。
[0055] 地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)可包括構(gòu)建和維修成本較高的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。這個成本因素限制了 它們的使用并且會致使使用它們是不經(jīng)濟(jì)的。
[0056] 當(dāng)前地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的另一種限制是其依賴于人類專業(yè)技能理解地下數(shù)據(jù)和鉆井 參數(shù)以進(jìn)行實(shí)時決策。一直依賴人類判斷為誤差留有空間和不一致并且增加了風(fēng)險承擔(dān)。
[0057] 可用更簡單的工具構(gòu)造和處理的自動化來實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前系統(tǒng)的改善，以使成本更低 并且使性能一致。
[0058]為了實(shí)現(xiàn)自動化地下導(dǎo)航的構(gòu)思，主要的決策之一是決定系統(tǒng)的控制單元20或大 腦的位置?？刂茊卧?0將取得來自所有可能測量的輸入并且用獲取的情報處理它以進(jìn)行實(shí) 時決定。如果系統(tǒng)的控制單元位于地面上，則所有井下測量值22必須被發(fā)送到地面，而關(guān)于 工具設(shè)置方面的決策24必須被發(fā)送到井下，如圖2中所示。
[0059] 開發(fā)基于地表的自動化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是當(dāng)前通信系統(tǒng)的能力瓶頸。用于底部孔 和地表之間的通信的當(dāng)前最新水平的技術(shù)是泥漿脈沖遙測技術(shù)，泥漿脈沖遙測技術(shù)遭遇由 于高頻信號的衰減較高而導(dǎo)致隨著底部孔的深度增加，數(shù)據(jù)攜載能力降低。商用系統(tǒng)聲明， 對于淺井而言，數(shù)據(jù)速率是大約40比特/秒，對于大位移井而言，減小至3比特/秒，其中在下 行(down-1 inking)操作中有中斷的額外開銷。這也是信息的地下測量和地表再現(xiàn)之間的時 滯，伴隨著有限的數(shù)據(jù)傳遞速率嚴(yán)重限制了控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆頭和井眼軌跡的閉環(huán)控制和獲 得高頻、高分辨率數(shù)據(jù)采集井下的能力。
[0060] 另一個選擇是將"大腦"20(即，控制單元)布置成較靠近鉆頭13,如圖3中所示。與 地層評價相關(guān)的井下測量值(諸如，伽瑪射線、電阻率、密度、聲速記錄等)可容易得到，并且 可被用作進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向決策的基礎(chǔ)。在井下定位控制單元20將大大減小與地表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸?shù)膸捫枰?。通過定位在井下，控制單元可實(shí)時利用高分辨率數(shù)據(jù)集，從而基本上消除了 時滯問題和數(shù)據(jù)壓縮需要，這將增強(qiáng)決策的準(zhǔn)確度和質(zhì)量。
[0061] 可以使用底部鉆具組合12中包括的隨鉆測量(MWD)系統(tǒng)獲取所有至關(guān)重要的鉆井 參數(shù)(諸如，鉆壓、鉆頭每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)、鉆井流體的流速、溫度、壓力等）。MWD系統(tǒng)能夠 改善監(jiān)測和優(yōu)化。
[0062] 并非所有參數(shù)是在地下測量的。實(shí)際上，目前仍然是在地表測量鉆頭的深度并且 將把深度發(fā)送到BHA。深度的井下測量可不再需要將深度數(shù)據(jù)從地表發(fā)送到BHA并且可增強(qiáng) 自動化地下導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時能力和準(zhǔn)確度。
[0063] 盡管過去已經(jīng)研究了井下深度估計(jì)使其有可能消除基于地表的深度測量的誤差， 但目前還沒有可用的商用系統(tǒng)。在各種專利和公開文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了許多思路，例如，使用 機(jī)械輪(US-5341886)、鉆具表(US-5896939，US-2008/0105423)、磁性標(biāo)記物-檢測器系統(tǒng) (US-5341886)、地理標(biāo)記的相關(guān)性(US-7283910)。
[0064] 在以上的旋轉(zhuǎn)之中，使用鉆具表是實(shí)現(xiàn)最不復(fù)雜的。然而，深度估計(jì)的準(zhǔn)確度常常 不及基于地表的測量。得自系統(tǒng)的深度估計(jì)相對粗糙，不準(zhǔn)確（以鉆桿接頭長度為間隔），因 此不適于實(shí)時自動化應(yīng)用。
[0065] 提議基于壓力或重力測量的深度測量系統(tǒng)(US-4475386，US-8113041)可僅僅估計(jì) 垂直深度并且在井下環(huán)境中需要魯棒的重力或壓力模型以及高準(zhǔn)確度測量。
[0066] 幾個作者已經(jīng)提議使用類似于用于火箭和飛機(jī)的惰性導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度計(jì)(1^_ 2008/0105423，US-2009/0084546，US-2002/0195276，US-5585726)。然而，這些系統(tǒng)遭遇積 分漂移并且需要輔助系統(tǒng)來校正它們的估計(jì)。
[0067] 使用波速以及源和位于鉆柱端部的接收器之間的波傳播時間可提議一系列新構(gòu) 思。這些構(gòu)思的線索來自隨鉆進(jìn)行的垂直地震剖面測量。應(yīng)用的波可以是鉆柱中的聲波、泥 漿柱中的壓力波或地下的電磁波。實(shí)現(xiàn)這些構(gòu)思的最大挑戰(zhàn)是創(chuàng)建準(zhǔn)確的速率模型和時鐘 的漂移。最新水平的基于石英的井下時鐘可具有將估計(jì)的深度的準(zhǔn)確度限于幾米的毫秒級 測量準(zhǔn)確度。
[0068] 使用地理標(biāo)記的相關(guān)性進(jìn)行井下深度估計(jì)的固有優(yōu)點(diǎn)是，它可構(gòu)建在當(dāng)前隨鉆記 錄系統(tǒng)上，不需要開發(fā)新的測量技術(shù)。另一方面，可基于模式識別方法用得自信號處理范疇 的圖像分析或交叉相關(guān)來構(gòu)建相關(guān)部分，這樣可進(jìn)一步減少總開發(fā)工作量。這也是優(yōu)于其 他系統(tǒng)的優(yōu)異選擇，因?yàn)榭捎糜糜谌魏蔚乩碓O(shè)置的可用記錄數(shù)據(jù)來測試其可用性并且可針 對特定需要容易地調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0069] 參照圖4A和圖4B，使用地理標(biāo)記進(jìn)行增量深度估計(jì)的構(gòu)思涉及用兩個或更多個傳 感器(S1、S2)沿著鉆孔進(jìn)行連續(xù)測量，傳感器(S1、S2)布置在例如BHA中并且分開已知距離 L。計(jì)算在這些測量中出現(xiàn)同一記錄特征的時間差。測得的時間差和已知的傳感器S1和S2之 間的空間間隔L允許計(jì)算平均機(jī)械鉆速(R0P)。可對計(jì)算出的R0P求積分，以計(jì)算沿著鉆孔1 的增量深度。
[0070] 在圖4A中示出布置的示意圖，其中，S1和S2是位于底部鉆具組合中并且分隔距離L 的相同傳感器。在圖4A中，第一傳感器S1在時間tl經(jīng)過具有高伽瑪射線特征的區(qū)域。第二傳 感器S2在時間t2經(jīng)過相同的高伽瑪射線特征gl。因?yàn)閭鞲衅飨喔艟嚯xL，所以鉆柱在時間 (t2-tl)內(nèi)已經(jīng)沿著鉆孔前進(jìn)距離L。
[0071] 因此，平均機(jī)械鉆速(R0P)是
[0073] 通過對R0P求積分，可計(jì)算深度變化Δ D:
[0074] AD = R0P*At (2)
[0075] 而可通過將各深度變化相加來計(jì)算增量深度D
[0077] 此構(gòu)思的要素之一是把多個記錄的相關(guān)聯(lián)以識別所有這些記錄上的地下的每個 特有點(diǎn)的出現(xiàn)。地下測量的相關(guān)面臨例如以下挑戰(zhàn)：
[0078] 1)鉆孔測量會具有錯誤值，需要從待相關(guān)的數(shù)據(jù)集中過濾掉這些錯誤值；
[0079] 2)在沿著鉆孔的同一位置進(jìn)行井下測量可能在各個傳感器上提供不同測量值。測 量之間的差異需要引入容差帶寬以考慮不同工具的測量精確度；
[0080] 3)在同一地層內(nèi)，沿著鉆孔的任何巖石屬性的測量值的變化會非常小。因此，為相 關(guān)而選擇的巖石屬性應(yīng)該具有比預(yù)期最小變化小的相關(guān)測量精確度。這樣會需要在不同地 層或不同傳感器設(shè)計(jì)中使用不同類型的測量。
[0081] 為了應(yīng)對以上提到的挑戰(zhàn)，指示這種相關(guān)運(yùn)用的算法需要是靈活的，以使算法能 夠適于地下化學(xué)和巖石屬性。通常，可使用任何合適的記錄組件或一組記錄組件進(jìn)行相關(guān)， 只要巖石屬性沿著鉆孔深度充分變化。
[0082] 系統(tǒng)對于傳感器位置是不敏感的。傳感器可靠近或遠(yuǎn)離鉆頭。優(yōu)選地，傳感器被包 括在BHA 12中。還可針對不同地下位置的多個數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)進(jìn)行方位測量。
[0083]在圖5中示出針對該構(gòu)思的基本布置。第一傳感器S1是鉆孔中的前測量儀器。第二 傳感器S2是后測量儀器。
[0084] 第一傳感器S1收集到包括N個測量值的數(shù)據(jù)集Y。第二傳感器S2收集包括Μ個值的 第二數(shù)據(jù)集X或模式X。本文中，Μ〈Ν?？刂茊卧?0(圖5中未示出；參見例如圖3)嘗試使用預(yù)定 算法將數(shù)據(jù)集Μ匹配在數(shù)據(jù)集Ν內(nèi)的特定位置。數(shù)據(jù)集Ν足夠大，以包括對應(yīng)于數(shù)據(jù)集Μ的所 有可能匹配。
[0085] 圖6示出用于說明構(gòu)思的使用兩個傳感器布置進(jìn)行深度計(jì)算的算法的示例。可針 對不止一種巖石屬性或更多個傳感器來擴(kuò)展圖6的算法。以下，說明算法的主要步驟。
[0086] 在第一步驟50中，開始算法。算法可例如以設(shè)定的時間間隔來周期性開始?？晒┻x 擇地，可通過顯著事件(例如，前傳感器S1測得的顯著增大或減小的值)觸發(fā)算法。
[0087] 在第二步驟52中，第一傳感器S1和第二傳感器S2提供分別包括Ν個數(shù)據(jù)點(diǎn)和Μ個數(shù) 據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集Υ和Χ(另外參見圖5)?？赏ㄟ^添加最新獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)并且去除最老的數(shù)據(jù)點(diǎn) 來動態(tài)更新數(shù)據(jù)集Υ和X?？舍槍Ω魈囟ㄇ樾魏蜆?gòu)造來確定Μ和Ν的值。用來自后傳感器S2的 數(shù)據(jù)集X和來自前傳感器S1的數(shù)據(jù)集，在任何時間t s:
[0090] 各數(shù)據(jù)集中的各個數(shù)據(jù)點(diǎn)按時間排序，以能夠進(jìn)行比較并且找尋各個數(shù)據(jù)集之間 的相關(guān)性。本文中的比較可考慮預(yù)定容差，以處理地層特定特性并且保持預(yù)選的準(zhǔn)確度。
[0091] 在第三步驟54中，可使用任何相關(guān)性算法來識別數(shù)據(jù)集X與數(shù)據(jù)集Y的可接受匹 配，使得：

[0095]下一個步驟56檢查是否發(fā)現(xiàn)可接受匹配。如果未發(fā)現(xiàn)，則機(jī)械鉆速(R0P)將被設(shè)置 成零(步驟58)并且深度將被更新(步驟60)。
[0096]如果在步驟56中發(fā)現(xiàn)可接受匹配，則將在步驟62中計(jì)算來自傳感器S1和S2的測量 值之間的時間差A(yù)t。
[0097]使用該時間差A(yù)t，計(jì)算機(jī)械鉆速(R0P)(步驟64)。如果傳感器之間的空間間隔是 L ：
[0100] 隨后，在步驟60中，更新深度。可使用將(步驟64中計(jì)算的）平均R0P乘以時間差Δ t 來計(jì)算深度增大AD。本文中的深度是沿著鉆孔的增量深度。
[0101] 地理標(biāo)記的相關(guān)性中的構(gòu)成之一是匹配來自多個傳感器的響應(yīng)。為了處于特定目 的找尋最有效的模式匹配算法，探查不同的領(lǐng)域(諸如，文本編輯器中的串匹配、信號處理 和圖像處理）。這些方法中的每種表現(xiàn)出自身的優(yōu)點(diǎn)，從而致使其均最適于不同情形。優(yōu)選 地，最終選擇的算法是最有效的并且能被用于鉆孔中的應(yīng)用?；谙率龅奶囟ㄐ枰蛿?shù)據(jù) 集的屬性，進(jìn)行本發(fā)明中的針對相關(guān)性的可能匹配算法的選擇。
[0102] 1.數(shù)據(jù)集中的所有數(shù)據(jù)是數(shù)字。這樣允許使用數(shù)字運(yùn)算來比較可能的匹配。
[0103] 2.由于模式X和數(shù)據(jù)集Y的已知大小，導(dǎo)致可根據(jù)需要將導(dǎo)致不匹配的容差帶外的 測量值的數(shù)量上限進(jìn)行定性和選擇，以簡化復(fù)雜性。
[0104] 3.不匹配僅限于具有與數(shù)據(jù)集X中的值對應(yīng)的數(shù)據(jù)集Y中的不同值。不匹配不包括 缺失數(shù)據(jù)集X和數(shù)據(jù)集Y中的值的情況。
[0105] 4.給定容差內(nèi)的兩個值應(yīng)該被視為匹配。
[0106] 5.在時常沒有合適匹配的情況下，可針對步驟64中的R0P計(jì)算，忽略各個測量值或 數(shù)據(jù)點(diǎn)（例如，特定時間ts的數(shù)據(jù)集X，或所述數(shù)據(jù)集X的數(shù)據(jù)點(diǎn)）。替代地，可使用前一 R0P來 進(jìn)行步驟60中的深度計(jì)算，因?yàn)镽0P不會從一個測量急劇變化成下一個。
[0107] 6.相比于編輯器中的文本搜索問題，數(shù)據(jù)集X和數(shù)據(jù)集Y的大小可被視為是相對小 的。因此，預(yù)期匹配算法禁止出現(xiàn)任何計(jì)算能力相關(guān)問題，即使是使用強(qiáng)力算法。
[0108] 基于獨(dú)特需要和問題的簡化，以下在本文中考慮并且說明用于模式匹配的兩個可 能的解決方案。
[0109] 1.歸一化的交叉相關(guān)算法
[0110] 交叉相關(guān)是在信號處理中用于識別兩個信號之間的時滯的方法。在地表接收到記 錄之后，在確定鉆孔末端的平均機(jī)械鉆速時使用該方法。交叉相關(guān)方法對于所有可能的匹 配計(jì)算相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)的最高值識別最有可能的匹配。模式的大小仍然保持可變的選 擇并且可被最佳化。這種方法就計(jì)算而言可比其他算法的成本更高，因?yàn)樾枰獧z查所有可 能的匹配和/或可涉及更復(fù)雜的計(jì)算。
[0111] 如果分別通過前傳感器S1和后傳感器S2進(jìn)行的測量取得N數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集Y和Μ數(shù) 據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集X，使得適用公式⑷、(5)、(6)和⑴，貝嗵過以下給出任何子集c: 的相關(guān)系數(shù)：
[0113] 公式（10)中的分母用于將相關(guān)系數(shù)歸一化，使得-1< rdl，其中，界限(值-1或1) 指示最大相關(guān)并且"〇"指示不相關(guān)。高的負(fù)相關(guān)指示高相關(guān)，但是一系列之一的倒數(shù)。
[0114] 交叉相關(guān)性的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)之一是操縱傳感器中的任何漂移的能力。傳感器漂移噪聲 的任何偏移將不影響交叉相關(guān)系數(shù)，因?yàn)槠七€將反映在分子和分母中的被從數(shù)據(jù)集Y和 數(shù)據(jù)集X二者中減去的平均值，從而使交叉相關(guān)性系數(shù)不變。
[0115] II.混合匹配算法
[0116] 混合匹配算法模式是用于應(yīng)用記錄相關(guān)性的匹配算法，并且是強(qiáng)力方法和平方距 離方法的組合。相關(guān)算法首先使用強(qiáng)力方法基于擬合和容差標(biāo)準(zhǔn)來找尋可能的匹配。如果 不止一個匹配達(dá)標(biāo)，則選擇具有最小平方距離的匹配。
[0117] 混合匹配算法靈活地用于不同大小的數(shù)據(jù)集X和Y(分別地，數(shù)據(jù)點(diǎn)Μ和N的數(shù)量）。 這允許根據(jù)地層屬性和鉆孔參數(shù)的變化進(jìn)行匹配?？苫跍y量的類型來選擇容差和擬合需 要的值。
[0118] 以下，在本文中，針對控制擬合選擇和基于統(tǒng)計(jì)的容差的伽瑪射線測量來說明算 法。參照圖7說明算法的流程圖。
[0119] 算法開始于步驟70所指示的預(yù)定時間。
[0120] 在第二步驟72中，設(shè)置匹配需要μ(用單位％表達(dá)）。
[0121] 隨后，在步驟74中，第一傳感器S1和第二傳感器S2提供分別包括Ν個和Μ個數(shù)據(jù)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)集Υ和X。
[0122] 在步驟76中，并且進(jìn)一步地，針對τ = η，計(jì)算容差τ，其中，i = [ 1，Μ]。
[0123] 對于各i = l、2、…(Ν-Μ+1)，算法檢查是否| xi-yi | < η。初始地，在步驟78中選擇數(shù) 據(jù)集X的第一值并且在步驟80中進(jìn)行比較。
[0124] 對于j = l、2'"M(步驟82)，算法檢查是否 |xj-yi+j-1| < Tj。
[0125] 如果計(jì)數(shù)2 μ，則算法結(jié)束。
[0126] 在步驟84中，如果實(shí)現(xiàn)了匹配需要，則接受數(shù)據(jù)集X。本文中的匹配需要是例如步 驟72中設(shè)置的匹配需要μ(用單位％表達(dá)）。
[0127] 如果數(shù)據(jù)集X被作為匹配接受，則在步驟86中，計(jì)算平方距離。
[0128] 針對數(shù)據(jù)集Υ中的每個值，重復(fù)以上步驟。在步驟90中設(shè)置階梯增量，并且從步驟 78起重復(fù)匹配處理。
[0129] 當(dāng)達(dá)到數(shù)據(jù)集Υ中的第(Ν-Μ+1)值時，即，當(dāng)數(shù)據(jù)集X與整個數(shù)據(jù)集Υ相匹配時，步驟 88參考通向步驟92的數(shù)據(jù)，以得到步驟86中提供的所有計(jì)算出的平方距離的最小平方距離 匹配。
[0130] 測量相同地層屬性的兩個傳感器S1和S2之間的距離可對于計(jì)算出的深度關(guān)聯(lián)的 誤差產(chǎn)生影響。這個效果是由于任何時間計(jì)算出的R0P是時間間隔內(nèi)的R0P值的平均值的事 實(shí)導(dǎo)致的，因?yàn)閭鞲衅鱏1和S2經(jīng)過同一地下位置。本文中計(jì)算出的ROP涉及作為如上所述的 作為計(jì)算出的井下的R0P。誤差引入在地表記錄的R0P和井下計(jì)算出的平均R0P之間的差異。
[0131] 經(jīng)常，深度的計(jì)算值比深度的實(shí)際測量值高。在測試中，誤差幾乎從大約1% (對于 大約lm的傳感器空間間隔距離L)線性增大至大約3%至3.5% (對于大約10m的距離L)。
[0132] 計(jì)算出的R0P波動越大，平均和關(guān)聯(lián)誤差的效果越大。如果可消除R0P的波動，則可 避免與R0P平均關(guān)聯(lián)的誤差，并且能實(shí)現(xiàn)理論上的零誤差。
[0133] 這些值與混合匹配算法相關(guān)。可通過高斯分布逼近伽瑪射線測量，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講， 任何位置處的測量的大約68%應(yīng)該產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)（± 〇)的計(jì)數(shù)。對于高斯分布，可通 過總計(jì)數(shù)的平方根來逼近標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用誤差的傳播規(guī)則，可通過以下給出來自同一設(shè)計(jì) 的不同傳感器的兩個數(shù)據(jù)集之間的總標(biāo)準(zhǔn)偏差(〇t)
[0135]其中，~和％是同一位置測得的計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
[0137] 可使用總標(biāo)準(zhǔn)偏差(〇t)作為找尋可接受匹配的容差(τ)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，來自對應(yīng) 于同一位置的兩個傳感器的時間值中的大約68%應(yīng)該處于± 〇t的容差帶內(nèi)，這樣將提供針 對± 〇t容差的68 %的擬合需要。
[0138] 因?yàn)閥(tP)是未知的并且需要找尋，所以總標(biāo)準(zhǔn)偏差可被逼近為：
[0140]在漂移的情況下，以上計(jì)算出的容差值不可保持有效。如果漂移即時增大，則可隨 時間推移添加和更新引起漂移的額外項(xiàng)。可通過模式（即，數(shù)據(jù)集X)的平均值和可能匹配之 間的差異來逼近由于漂移導(dǎo)致的偏移，使得：
[0142]并且可通過以下給出新容差值τ
[0144] 將在其中搜索模式（即，數(shù)據(jù)集）的匹配的數(shù)據(jù)集Υ的大小優(yōu)選地長得足以包含所 有情形下的模式。因需要將找尋故障匹配的任何可能性降至最低來提供數(shù)據(jù)集大小的上 限，隨著數(shù)據(jù)集大小增加，該可能性將增加。為了將故障匹配的發(fā)生降至最低，數(shù)據(jù)集Y的大 小優(yōu)選地保持最小。在計(jì)算出的平均R0P和已知的傳感器間隔距離L的幫助下，可限定逼近 時間窗，在逼近時間窗中，期望后傳感器S2經(jīng)過前傳感器S1的位置。
[0145] 假定平均R0P = RP并且傳感器距離是L。用P指示R0P中的不確定性。可通過以下給 出用于搜索模式的時間窗Ta:
[0147]如果通過ω給出用于進(jìn)行各測量的時間窗，則通過以下給出數(shù)據(jù)集Y的長度
[0149] 模式（即，數(shù)據(jù)集）的大小還可以是待優(yōu)化的參數(shù)。模式優(yōu)選地長得足以捕獲足夠 的變量，從而有助于找尋數(shù)據(jù)集Y中的特有對應(yīng)匹配。然而，計(jì)算上，功率和時間的考慮導(dǎo)致 數(shù)據(jù)集X的大小的上限。模式大小可被選定為針對特定地層的常數(shù)。對于另一個地層，可使 用算法重復(fù)地優(yōu)化數(shù)據(jù)集X的大小。
[0150] 例如，使用來自兩個傳感器S1和S2的響應(yīng)的線性回歸分析，可估計(jì)數(shù)據(jù)集X的最佳 大小。因?yàn)閬碜詢蓚€傳感器S1和S2的測量值之間的差異可被表現(xiàn)為高斯噪聲，所以針對數(shù) 據(jù)集X的最小代表性模式大小將優(yōu)選地提供數(shù)據(jù)集Y和數(shù)據(jù)集X的測量值之間的線性關(guān)系。 即，這兩個傳感器在預(yù)定容差內(nèi)測量特定地下位置的近似數(shù)量的被計(jì)數(shù)的伽瑪射線。一旦 滿足這個線性關(guān)系，在數(shù)據(jù)集X中添加更多數(shù)據(jù)點(diǎn)就將在模式中添加值。
[0151] 為了估計(jì)通過基于混合匹配和/或交叉相關(guān)的算法計(jì)算出的噪聲水平、傳感器漂 移和總計(jì)數(shù)的效果，運(yùn)行各種模擬。針對每種情況，采集時間上的絕對誤差。選擇25個數(shù)據(jù) 點(diǎn)(數(shù)據(jù)集X)的模式大小和100個數(shù)據(jù)點(diǎn)（數(shù)據(jù)集Y)的設(shè)置大小。為了避免由于不匹配導(dǎo)致 的不切實(shí)際的高RP，針對R0P，設(shè)置150米/小時的上限。
[0152] 通過模擬得到的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：
[0153] 1.交叉相關(guān)保持不受偏移的影響并且產(chǎn)生相同的結(jié)果；
[0154] 2.隨著總計(jì)數(shù)的增大，最大誤差減??；
[0155] 3.總體上，隨著噪聲級的增大，誤差增大；
[0156] 4.由于R0P本身的平均而導(dǎo)致的誤差可高達(dá)大約22m;
[0157] 5.誤差更快速地在鉆孔的更多水平片段上增大。在水平片段上，伽瑪射線讀數(shù)的 變化更受限制，這樣會導(dǎo)致認(rèn)為錯誤匹配被用于深度計(jì)算。
[0158]以上，伽瑪射線測量被描述為模式匹配的可能測量，但其他測量也會是合適的。例 如，還可出于增量深度測量的相同目的，考慮密度測量。伽瑪射線和密度測量提供了良好的 可重復(fù)性。
[0159] 總體上，基于密度數(shù)據(jù)估計(jì)的深度可以與基于伽瑪射線的結(jié)果一樣好或者更好。 基于密度的測量的最大偏差可以是相對于地表測得深度的大約l〇m(基于，桿片段的數(shù)量， SP，鉆柱的長度）。基于伽瑪射線的深度測量的最大偏差可以是大約15m至20m。實(shí)際上，密度 測量需要有源中子源。
[0160] 在用記錄相關(guān)性計(jì)算出的深度的兩個誤差源：
[0161] 1.錯誤識別的匹配；以及
[0162] 2.R0P 平均。
[0163] 由于因地下測量的相關(guān)，深度計(jì)算有固有限制以使測得深度的整體誤差降至最 低，導(dǎo)致輔助系統(tǒng)優(yōu)選地與提議的系統(tǒng)并行使用。輔助系統(tǒng)所需的測量頻率取決于主系統(tǒng) 的誤差和可接受誤差的限制值。接下來，說明用于此輔助系統(tǒng)的兩種可能方法。與提議的系 統(tǒng)并行地，添加一個或多個輔助系統(tǒng)可提高深度估計(jì)的整體質(zhì)量。
[0164] 在鉆具表數(shù)據(jù)的幫助下進(jìn)行校正
[0165] 在估計(jì)深度中引入校正的最早解決方案之一是從地表起下行。鉆柱的總長度以鉆 桿片段數(shù)量的形式可得自地表。例如，鉆桿的各片段可具有例如大約l〇m的長度。鉆柱的總 長度是大約等于片段數(shù)量的10倍。鉆孔的增量深度將大約等于鉆柱的這個總長度，至少在 鉆頭接合鉆孔的井下端時。鉆桿的總長度可被發(fā)送并且存儲到井下系統(tǒng)中。可在形成鉆桿 的各片段時觸發(fā)信號24。然后，信號4可通過泥漿柱發(fā)送到井下(參見圖2)。
[0166] 在接收到信號24時，井下系統(tǒng)可識別鉆柱中添加了另一個桿接頭。逐漸地添加將 各管狀片段的長度使得井下系統(tǒng)能夠計(jì)算井中的鉆柱的總長度，因此計(jì)算鉆孔的相關(guān)增量 深度。在圖8中說明用于此系統(tǒng)的算法。
[0167] 算法開始于步驟100
[0168] 在第二步驟102中，井下控制單元20檢查是否添加了鉆桿的額外片段。實(shí)際上，控 制單元檢查它是否已經(jīng)接收到指示添加鉆桿片段的泥漿脈沖信號24(參見圖2)。
[0169] 如果沒有接收到信號24,則算法繼續(xù)到步驟106,其中，計(jì)算井下深度。隨后，在步 驟112中更新增量深度。
[0170]如果控制單元20確實(shí)接收到信號24,則在步驟104中，算法指示添加鉆桿片段。
[0171] 在步驟108中，算法得到鉆柱中包括的桿片段的最近數(shù)量。所述數(shù)量提供了鉆柱總 長度的度量。
[0172] 在步驟110中，算法通過將一個鉆桿片段的預(yù)定長度與最近存儲的增量深度相加， 計(jì)算鉆孔的增量深度。即，當(dāng)前增量深度=最近深度+1個鉆桿片段長度。
[0173] 在步驟112中，存儲井下的當(dāng)前增量深度，并且取代最近深度。
[0174] 盡管這個系統(tǒng)利用泥漿脈沖遙測技術(shù)來傳遞信號24,但由于不經(jīng)常進(jìn)行傳遞(取 決于接頭長度和R0P)，整體帶寬要求將受到限制。然而，基于地表的測量的誤差也滲透到井 下測量系統(tǒng)，并且在不引入用于估計(jì)與基于地表的測量關(guān)聯(lián)的誤差的任何算術(shù)模型的情況 下，不可進(jìn)行絕對校正。
[0175] 通過人造標(biāo)記跟蹤進(jìn)行校正
[0176] 基于地理標(biāo)記相關(guān)性的構(gòu)思，增量深度的井下估計(jì)的另一個構(gòu)思是基于在地下形 成標(biāo)記。原理基本上是關(guān)于在時間tl使用源120(N)在地層2中形成標(biāo)記122(圖9A)，然后在 時間t2用后檢測器124(D)檢測標(biāo)記122。
[0177] 當(dāng)檢測器124檢測到標(biāo)記122時，推導(dǎo)出鉆柱已經(jīng)前進(jìn)了距離L，該距離L等于源122 和檢測器124之間的間隔L。增量井下深度可被計(jì)算為標(biāo)記-檢測器間隔L的多倍。也可通過 測量形成標(biāo)記和檢測標(biāo)記之間的時間差A(yù) t = (t2-tl)來計(jì)算平均R0P。
[0178] 源120可以是核源?；谥T如Californium-252的放射性核素或加速劑的系統(tǒng)可用 作記錄的核源，即，能夠測量諸如本體密度和孔隙率的地下屬性。在用中子轟擊地下元素 時，可激活這些元素，使核素不穩(wěn)定，核素在去激活時產(chǎn)生具有特定特性的輻射?？稍诳汕?換或脈動中子源的幫助下，激活鉆孔的特定片段。中子源可以是商購的脈動中子發(fā)生器。脈 動中子裝減? PND?_):譜儀是例如由國際有限公司市售的。
[0179] 地層中的被激活元素的輻射可包括任何核輻射、α、β或γ射線。實(shí)際上，輻射將是 γ射線輻射。本文中的γ射線指示電磁輻射，具有近似于X射線的波長，但通常具有較短波 長，進(jìn)而具有較高頻率。本文中的伽瑪輻射源自伽瑪衰減，即，將經(jīng)常發(fā)射單伽瑪光子的被 激活核的衰減。
[0180] 通過識別源自不穩(wěn)定核素的特征發(fā)射，可識別這種發(fā)射的位置。這樣提供了地下 標(biāo)記-檢測器系統(tǒng)使用中子發(fā)生器作為中子源120以形成被激活地帶作為標(biāo)記122并且使用 核輻射檢測器124檢測被激活地帶發(fā)射的核輻射的構(gòu)思。檢測器124可以是基于伽瑪射線探 測器的檢測器。
[0181] 地層通常包括巨量的各種元素，這些元素例如構(gòu)成巖石地層的化合物和相關(guān)流 體。然而，并非所有地下元素適于本發(fā)明的標(biāo)記-檢測器系統(tǒng)。元素的實(shí)用性取決于三個主 要因素：
[0182] 1.中子俘獲剖面:這意味著給定溫度下針對給定中子能量的任何核素被激活的概 率；
[0183] 2.地下的豐度:濃度越高，被激活原子的產(chǎn)量將越高并且源自去激活的特征輻射 越多。
[0184] 3.衰減常數(shù):因俘獲中子而形成的放射性核素的半衰期意味著任何給定時間的衰 減原子的數(shù)量。在極短時間內(nèi)高度不穩(wěn)定衰減的核素會不足以使檢測器達(dá)到被激活位置并 且俘獲衰減光子。另一方面，幾乎穩(wěn)定的核素將不衰減充足的數(shù)量，以提供可檢測信號。
[0185] 在考慮到地下最常見元素的半衰期時，最有利元素中的一些是氯同位素 C1-37、硅 同位素 Si-30和天然鈉 Na-23。氯原子和鈉原子二者都在含鹽地層水中作為離子存在。硅常 常出現(xiàn)在砂質(zhì)和泥質(zhì)地層中的娃酸鹽礦物質(zhì)中。即使氯和娃本質(zhì)是豐富的，C1-37和Si-30 同位素也經(jīng)常以較低濃度(分別地，24%和3%)出現(xiàn)并且具有較低的中子俘獲剖面(分別 地，0.433和0.11靶）。會需要進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算來評價被激活原子和所得光子的數(shù)量。
[0186] 對于任何被激活元素，在任何給定時間點(diǎn)，衰減的量取決于放射性核素的濃度。隨 著時間增加，被激活核素的濃度呈指數(shù)減小，源自衰減的輻射也如此。因此，為了得到更強(qiáng) 的信號，優(yōu)選地，檢測器和源之間的間隔小。但是來自源的中子在所有可能方向上前進(jìn)并且 不限于源正上方的地層。由于在標(biāo)記-檢測器間隔較小的情況下，激活區(qū)域較大，因此精確 定位對應(yīng)于激活的源位置是非常困難的。因此，需要決定源和檢測器之間的距離，使得被激 活核的濃度保持足夠高，而位置保持不可區(qū)分。另外，檢測器可與中子源屏蔽。
[0187] 為了研究構(gòu)思的可行性和來自地下被激活核的所得信號，執(zhí)行核模擬來模擬地下 的中子和光子傳輸。用MCNP執(zhí)行這些模擬。這是夠通過整體幾何形狀進(jìn)行基于模擬時間的 核粒子(諸如，中子、光子和電子)的傳輸?shù)幕诿商乜宓耐ㄓ煤宿D(zhuǎn)運(yùn)代碼?；诿商乜?的計(jì)算涉及用各粒子的概率分布在使用隨機(jī)數(shù)字進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)取樣的幫助下各粒子的行為 模擬。它由實(shí)際上遵循在來自粒子源的各粒子在其從生到滅的整個過程中的結(jié)束類別（吸 收、逸出等）。使用傳輸數(shù)據(jù)對概率分布進(jìn)行隨機(jī)取樣，以確定其壽命中各階段的結(jié)果。構(gòu)思 驗(yàn)證需要兩個問題的模擬：
[0188] 1.激活合適的同位素
[0189] 2.檢測因去激活而生成的光子
[0190] 這兩個問題都需要在MCNP代碼中進(jìn)行分開的模擬。在來自中子發(fā)生器的中子的第 一模擬轉(zhuǎn)運(yùn)中，在地層中執(zhí)行中子的俘獲。第一問題的輸出給出因中子俘獲而得到的被激 活同位素的位置。使用這個輸出來形成針對第二問題的輸入。因?yàn)楣庾拥钠鹗嘉恢檬潜患?活核素的位置并且是已知的，為了完成第二問題的輸入，使用在隨機(jī)數(shù)字和核素的衰減常 數(shù)的幫助下對衰減時間的統(tǒng)計(jì)學(xué)取樣將衰減的時間與各核素關(guān)聯(lián)。在第二模擬中使用這個 間隔和時域光子源來模擬光子在地下的運(yùn)轉(zhuǎn)，以對可到達(dá)檢測器的光子的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。 這些光子將檢測器中的信號的強(qiáng)度定量并且其數(shù)量應(yīng)該大得足以被檢測到并且與背景噪 聲區(qū)分開，以便實(shí)施該構(gòu)思。
[0191] 在第一模擬中，形成地層的簡化模型。包括巖石塊(地層）的模型包括核源處于其 中的鉆孔。巖石塊是5m X 5m X 5m。鉆孔的直徑是20cm。核源是5cm高。模型化巖石類型是具有 30 %孔隙率和30，OOOppm的鹽分的沙石儲層。
[0192] 假設(shè)鹽分主要是由于有氯化鈉。本文中，大概氯原子的大約25%是天然的C1-37同 位素。
[0193] 用水模型化填充直徑20cm的鉆孔，以使用基于水的鉆井流體來模擬鉆井。中子源 和檢測器優(yōu)選地被包括在BHA中。因此，源和檢測器被認(rèn)為是位于鉆孔的軸上。中子源是 14. IMeV的、每秒大約108個中子的中子產(chǎn)量的D-T源。這是脈動中子發(fā)生器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 格。源被建模為5cm長且直徑為3cm的圓柱體(圖10B) 〇
[0194] 在第二模擬中，檢測器124被建模為具有5cm的高度Η并且具有6.5cm的內(nèi)徑ri和 8cm外徑r。的井型設(shè)計(jì)的Nal閃爍晶體，以得到較大的俘獲量（圖10A)。檢測器將在向前鉆井 的同時隨著BHA移動。
[0195] 為了確定關(guān)于信號強(qiáng)度的檢測器位置的效果，將四個檢測器124建模(如圖10B中 所示）。一個檢測器124(1)被建模在源120的位置。其他三個檢測器被設(shè)置成與源120的間隔 距離是10cm(檢測器124(2))、15cm(檢測器124(3))和20cm(檢測器124(4))。針對各檢測器， 計(jì)算隨時間的光子通量，以識別其中信號強(qiáng)度充分強(qiáng)的時間窗。
[0196] 針對108個中子執(zhí)行中子運(yùn)轉(zhuǎn)模擬。在所謂的PTRAC文件中得到各被激活核的位 置。在后續(xù)處理PTRAC文件時，發(fā)現(xiàn)被激活原子Na-23、Cl-37和Si-30的數(shù)量分別是14050、 3222和5555。因?yàn)槊商乜_模擬使用的是概率分布的隨機(jī)取樣，所以結(jié)果的不確定性常常 隨著工作用源離子的數(shù)量(nps)的增大而減小。當(dāng)源離子的數(shù)量增大10倍時，檢測器4中的 105秒（27.8小時）內(nèi)的每個源離子的總通量的標(biāo)準(zhǔn)偏差減小至31 % (從0.0325減小至 0.0100)。
[0197] 當(dāng)中子從源均勻地在所有方向上開始時，所關(guān)注的是檢驗(yàn)沿著鉆孔的軸被激活的 核的擴(kuò)展。測試表明，被激活核的軸向擴(kuò)散限于相對于源位置的大約20cm。最大數(shù)量的被激 活核將處于源的位置。在源位置的兩側(cè)，根據(jù)高斯分布，被激活核的數(shù)量將下降。測試表明， 沿著鉆孔軸的被激活核的數(shù)量下降至小于相對于源位置的50%，在+/-5cm內(nèi)。被激活核相 對于標(biāo)記122的軸向中心的軸向擴(kuò)散限于大約20cm?？赏ㄟ^使用準(zhǔn)確檢測器來提高檢測準(zhǔn) 確度。
[0198] 由于軸線擴(kuò)散受限制，導(dǎo)致可以以相對良好的準(zhǔn)確度來確定標(biāo)記122的軸向位置。 準(zhǔn)確度是例如大約+/_5至10cm。使用本發(fā)明的標(biāo)記-檢測器檢測核標(biāo)記能實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度可 以是大約+/-5cm或更小。因此，本發(fā)明的標(biāo)記系統(tǒng)可提高增強(qiáng)深度測量的準(zhǔn)確度，例如當(dāng)使 用本發(fā)明的核標(biāo)記系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)時。
[0199] 檢測器中的信號強(qiáng)度取決于
[0200] 1.檢測器與被激活位置的接近度；以及
[0201 ] 2.在激活核標(biāo)記之后過去的時間。
[0202]放射性核素遵循指數(shù)衰減。如果每個時間單元產(chǎn)生的光子的數(shù)量保持恒定，則檢 測器中的信號應(yīng)該在接近被激活位置122的同時由于被激活核的濃度增大而增大。但是，由 于指數(shù)衰減，導(dǎo)致核標(biāo)記發(fā)射的光子的數(shù)量和關(guān)聯(lián)信號在時間上呈指數(shù)減小。因此，檢測器 124中的實(shí)際信號將是由于檢測器接近源位置而導(dǎo)致信號線性增大（即，隨著在鉆井期間在 圖10B中檢測器從位置3移動到2到1到4,信號強(qiáng)度增大并且隨后減小)和核發(fā)射信號本身呈 指數(shù)減小的結(jié)果。
[0203]光子轉(zhuǎn)運(yùn)的分析已經(jīng)表明，在接近被激活地帶的同時，通量增大例如從20cm至0cm 的距離的大約5倍。假設(shè)最適宜的R0P是大約8米/小時，可在大約90秒內(nèi)鉆出20cm的距離。在 這90秒期間，核發(fā)射的信號強(qiáng)度減小不到5%。對于大約5至15英尺/小時（1.5至5米/小時） 的范圍內(nèi)的R0P，可在大約8分鐘至2.4分鐘內(nèi)鉆出20cm的距離。在一些典型元素的半衰期 內(nèi)，這是很好的，從而使得能夠在所指示的準(zhǔn)確速率下使用本系統(tǒng)。例如，氯C1-38具有大約 37分鐘的半衰期，而鈉 Na-24具有大約15小時的半衰期。根據(jù)提供核衰減信號的特定同位 素，核發(fā)射的信號前度減小減少(差不多）不足5%。當(dāng)檢測器接近被激活地帶122時的信號 強(qiáng)度增大是相比于典型指數(shù)核衰減的主導(dǎo)因素。
[0204] 依據(jù)上文，在具有大約8米/小時或更多的機(jī)械轉(zhuǎn)速的典型鉆井操作期間，盡管有 核衰減，但以上(即，大約+/-5cm或更小）的準(zhǔn)確性將是能實(shí)現(xiàn)的。
[0205] 針對入射伽瑪射線生成的光子數(shù)量基于檢測器中使用的閃爍晶體的類型而變化。 然而，對于每種晶體，將入射伽瑪射線轉(zhuǎn)換成可見光光子的效率取決于日射輻射的幾何形 狀和能量。
[0206] 橫越檢測器的大部分光子的能量是大約0.5MeV或更小。隨著閃爍晶體的效率隨著 光子能量減小而增大(例如，Nal，參見圖10A)，這將導(dǎo)致檢測器中的信號較高。與Si-31、C1-38和Na-24的特征能量相關(guān)的峰值分別是大約1.3MeV、2. IMeV和2.75MeV。
[0207] 峰值相對小，所以檢測器124優(yōu)選地相對敏感。例如，在實(shí)施例中，檢測器可包括多 個檢測器元件，它們一起提供標(biāo)記122的檢測信號。在另一個實(shí)施例中，檢測器可相對大。實(shí) 際上，本文中相對大的檢測器將意味著包括相對大檢測表面或檢測晶體的檢測器。以下，更 詳細(xì)地說明后者。
[0208] 井下深度估計(jì)的動機(jī)是應(yīng)用井下深度估計(jì)進(jìn)行自動化地下導(dǎo)航。準(zhǔn)確深度估計(jì)可 有助于基于閉環(huán)進(jìn)行自動化地下導(dǎo)航。井下可用的深度估計(jì)還可消除由于基于表面的R0P 和深度測量導(dǎo)致的誤差。
[0209] 在后續(xù)部分中，提出針對自動化地下導(dǎo)航的方案。本文中，使用井下深度和測量數(shù) 據(jù)來遵循預(yù)定的鉆孔軌跡結(jié)合可操縱的鉆井系統(tǒng)。
[0210] 地下導(dǎo)航的主要目的是：
[0211] 1.在保持最佳井軌跡的同時，到達(dá)儲層；
[0212 ] 2.在實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向目的的同時，遵循儲層;和/或
[0213] 3.避免在去往儲層的路上的地理危害。
[0214] 圖11示出使用自動化可操縱鉆井到達(dá)靶儲層的簡化方案。
[0215] 用于自動化鉆井的方案開始于第一步驟140。
[0216] 在步驟142中，形成合成記錄。本文中的合成記錄是基于預(yù)期地層的預(yù)期屬性的預(yù) 先計(jì)算出的記錄結(jié)果。所述預(yù)期屬性和預(yù)期地層是使用在開始井下鉆井之前指定的地理測 試的結(jié)果通過專業(yè)地理軟件提供的。合成記錄是在鉆井開始之前預(yù)先計(jì)算出的，并且被存 儲在聯(lián)接到控制單元2 0的存儲介質(zhì)中。在自動化鉆井中，所述存儲介質(zhì)（未示出）和控制單 元20被包括在BHA(參見圖3)中。
[0217] 如步驟146所指示的，通常包括在BHA 12中的隨鉆記錄(LWD)工具(未示出）提供了 隨鉆的地層記錄結(jié)果。
[0218] 在后續(xù)步驟146中，該方案將LWD工具的記錄結(jié)果與合成記錄結(jié)果進(jìn)行比較。
[0219] 在下一個步驟148中，該方案檢查記錄結(jié)果是否指示鉆孔的井下端是否已經(jīng)到達(dá) 預(yù)定地層。本文中，該方法可考慮特定閾值特性(諸如，深度、地層壓力、密度、電阻率等）。
[0220] 如果步驟148的結(jié)果指示鉆孔在相對于儲層的預(yù)定閾值距離內(nèi)，則該方案切換至 步驟150。本文中，該方案切換至地質(zhì)導(dǎo)向方案。
[0221] 鉆井工程師使用可用地震測量、記錄數(shù)據(jù)和地理信息來形成井計(jì)劃，以避免與現(xiàn) 有井碰撞并且實(shí)現(xiàn)最佳井眼軌跡到達(dá)儲層。定向鉆機(jī)使用這些井計(jì)劃進(jìn)行井布置。在自動 化鉆井環(huán)境中，可使用井計(jì)劃進(jìn)入儲層，而此后可調(diào)配地質(zhì)導(dǎo)向算法對儲層片段進(jìn)行鉆井 來滿足井靶。
[0222] 井計(jì)劃包括測得的深度、傾斜度和方位值。還用定向測量來測量傾斜度和方位值 二者。通過連續(xù)監(jiān)測計(jì)劃好的測得的井路徑并且計(jì)算偏差，可實(shí)時采取校正動作來遵循計(jì) 劃好的鉆孔軌跡?？深A(yù)先在源自偏移井的記錄數(shù)據(jù)的幫助下形成合成日志響應(yīng)以識別正靠 近儲層并且相應(yīng)地可創(chuàng)建條目。類似地，還可使用此合成日志響應(yīng)來確定用于設(shè)置套管靴 的關(guān)鍵地理深度并且因此可在原始井計(jì)劃中進(jìn)行校正。
[0223] 可在地表將典型的可操縱鉆井系統(tǒng)編程。該程序可包括用于實(shí)現(xiàn)所需累積和轉(zhuǎn)動 速率的工具設(shè)置和工具面角度。程序提供了能夠使三維鉆孔軌跡復(fù)雜的靈活性和經(jīng)度。對 于不同工具，可用工具設(shè)置的數(shù)量是不同的。在任何設(shè)置下可實(shí)現(xiàn)的狗腿嚴(yán)密性取決于諸 如巖石屬性、孔的傾斜度、BHA設(shè)計(jì)、鉆孔參數(shù)等許多參數(shù)。在這些參數(shù)之中，諸如各向異性 和地層強(qiáng)度的巖石屬性具有相對高不確定性并且經(jīng)常造成相對于預(yù)測的行為和軌跡有偏 差。
[0224] 鉆井自動化的井下系統(tǒng)使得能夠利用鉆頭性能的實(shí)時井下測量和井下鉆井參數(shù) 來重復(fù)地校正鉆頭行為模型并且使用測量來調(diào)節(jié)工具設(shè)置。
[0225] 為了實(shí)現(xiàn)自動化地下導(dǎo)航，依據(jù)井下工具的角度構(gòu)建能力將井下工具的性能建 模?？墒褂煤喕乃阈g(shù)模型來模仿通過復(fù)雜建模軟件預(yù)測的工具性能。在簡化模型中，可假 設(shè)能實(shí)現(xiàn)的狗腿嚴(yán)密性⑴)與鉆頭13上的側(cè)切割力(F s)成比例。
[0226] 圖12示出具有鉆頭13的鉆柱4的井下端。鉆柱的中線170相對于垂直172成角度α， 垂直172通常是對齊重力的筆直向下的線。狗腿嚴(yán)密性(β)可被表達(dá)為：
[0227] P = kFs (18)
[0228] 其中，k是比例常數(shù)[deg/Nm]，可引起諸如位設(shè)計(jì)、巖石屬性和BHA設(shè)計(jì)的因素。
[0229] 就"推動鉆頭"設(shè)計(jì)的情況下對鉆頭13的側(cè)向力Fs可包括由于孔傾斜導(dǎo)致的鉆柱 重量W的和由于鉆柱彎曲導(dǎo)致的鉆柱壓縮的分量。另外，側(cè)向力Fs可包括操縱裝置174施加 的力。操縱裝置可包括接合井下壁的可回縮焊盤，以提供所述力。
[0230] 可使用穩(wěn)定器的各種布置來提供BHA所需的構(gòu)建、下降或保持趨勢。這些步驟允許 BHA彎曲成期望方向，成為通過穩(wěn)定器支承于井下壁的彈性梁。可操縱鉆井系統(tǒng)可例如使用 液壓操作焊盤來形成側(cè)向力和/或使用流體噴射。
[0231 ]傳統(tǒng)上，從地表起通過定向鉆井控制側(cè)向力。定向鉆機(jī)在泥衆(zhòng)脈動遙測計(jì)的幫助 下與井下系統(tǒng)通信，如圖2中所示。
[0232] 在簡化布置中，可假設(shè)靠近鉆頭穩(wěn)定器的人形成小擺測效應(yīng)。這將增加下降速率 并且減小建造速率?；谶@個假設(shè)，建造速率可被簡化成
[0233] P = k(FP+ff sina) (19)
[0234] 本文中，鉆孔以相對于垂直軸172的角度a入射，如圖12中所示。
[0235] 為了驗(yàn)證模型并且用比例常數(shù)k、重量W和側(cè)向力匕的真實(shí)值來調(diào)節(jié)它，使用可操 縱鉆孔數(shù)據(jù)，如在鉆出特定鉆孔的同時針對特定可操縱鉆井工具得到的?？刹倏v鉆井工具 可具有多個(例如，10至15個)工具偏轉(zhuǎn)的設(shè)置，從而得到不同的側(cè)向力F P。
[0236] 為了模擬相同行為，可假設(shè)側(cè)向力匕隨著工具設(shè)置的增大線性增大，從而忽略其 他效應(yīng)。使用k= ldeg/kNm、W= 1.4kN和FP = 5kN的初始值，可形成計(jì)算機(jī)程序預(yù)測的BHA行 為。
[0237] 在證實(shí)井下深度測量與可操縱鉆井系統(tǒng)的控制結(jié)合時使用相同的模型來遵循給 定的鉆孔軌跡。實(shí)際上，實(shí)際性能和模型預(yù)測之間的任何偏差可引起可基于實(shí)時型評價來 更新的比例常數(shù)k。模型的這種簡化使自動化鉆井系統(tǒng)更穩(wěn)健并且操作更容易。
[0238] 檢查并且保持與預(yù)定軌跡的依附。井眼計(jì)劃（即，存儲的預(yù)定軌跡)和實(shí)際井眼軌 跡的實(shí)時比較導(dǎo)致要調(diào)節(jié)軌跡，以盡可能符合計(jì)劃好的軌跡。
[0239] 然而，可操縱鉆井系統(tǒng)對地層的響應(yīng)和鉆井參數(shù)會偏離預(yù)測行為。在任何給定的 工具設(shè)置，建造或下降角度會不同并且導(dǎo)致與井計(jì)劃有偏差。表面上的定向鉆井改變可操 縱鉆井工具的工具設(shè)置，以使基于經(jīng)歷的偏差最小。
[0240] 實(shí)際上，由于當(dāng)前泥漿脈沖遙測技術(shù)系統(tǒng)中的帶寬限制和關(guān)聯(lián)時滯的限制，導(dǎo)致 實(shí)際軌跡和計(jì)劃好的軌跡之間將仍然有偏差。在自動化系統(tǒng)中，計(jì)劃好的軌跡被存儲在其 中將可得井下深度、傾斜度和方位角的BHA。通過將實(shí)際軌跡的實(shí)時測量與計(jì)劃好的軌跡相 比較，可使偏差最小并且可提高鉆井性能。
[0241]參照圖13中的方案，描述根據(jù)本發(fā)明的自動化鉆井。
[0242] 該方案開始于步驟180。
[0243] 在步驟182中提供鉆孔特性的測量值。在鉆孔的鉆井期間，測量儀器(諸如，LWD工 具)提供例如鉆孔傾斜度、方位角和深度的測量值。這些測量值可設(shè)置在沿著鉆孔軌跡的任 何地下位置?？墒褂萌缟纤龇椒ㄖ械娜我环N來測量本文中的深度?？稍诨诒砻娴纳疃?測量的輔助下檢查和更新井下深度測量。
[0244] 還提供相同鉆孔特性的參考值。在步驟184中，基于鉆孔的模型，提供參考值。如上 所述，參考值是與鉆孔的模型，基于地表測量、基于測試的鉆孔的模型化等。
[0245] 在步驟186中，該方案檢查是否已經(jīng)達(dá)到靶深度TD。如果達(dá)到了，則在步驟188中， 該方案結(jié)束。
[0246] 如果還未達(dá)到TD，則該方案在步驟190中計(jì)算計(jì)劃好的軌跡的測量值和參考值之 間的偏差。
[0247] 在后續(xù)步驟192中，該方案計(jì)算所需的建造速率。本文中的建造速率指示傾斜度的 增大（即，角度a的變化）。建造速率可通常表達(dá)為每個距離單元的角度(例如，1°/1〇〇英尺或 l°/30m)〇
[0248] 執(zhí)行測試已將實(shí)時井下鉆井自動化系統(tǒng)的性能與基于地表的自動化鉆井系統(tǒng)進(jìn) 行比較，以執(zhí)行計(jì)劃好的鉆孔軌跡?；诘乇淼南到y(tǒng)取決于用于通信的泥漿脈沖遙測技術(shù) 并且每添加一個鉆桿片段在設(shè)置中可能的變化次數(shù)是有限的?；诰碌南到y(tǒng)可進(jìn)行工具 設(shè)置的更頻繁變化。井下系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時閉環(huán)控制。
[0249]實(shí)際上，井下系統(tǒng)可例如當(dāng)已經(jīng)鉆出小于2m時頻繁進(jìn)行設(shè)置變化。井下系統(tǒng)可例 如每0.1m改變設(shè)置?；诘乇淼南到y(tǒng)可只在已經(jīng)鉆了至少2.5m之后改變。
[0250]測試表明，由于計(jì)劃好的軌跡的高扭轉(zhuǎn)，實(shí)時井下控制和基于地表的離散控制二 者偏離計(jì)劃好的軌跡。檢查東邊的相對于沿著深度的計(jì)劃好的軌跡的偏離（A E)、沿著北邊 的相對于計(jì)劃好的軌跡的偏離（A N)和沿著垂直的相對于計(jì)劃好的軌跡的偏離（△ TVD)。針 對井下系統(tǒng)的北邊方向上的誤差大大小于基于地表的系統(tǒng)的誤差(2.4%)。對于東邊方向， 基于地表的系統(tǒng)和井下系統(tǒng)的誤差屬于同一大小級別(0.5%至0.9% )。
[0251] 測試還用針對自動化鉆井的控制創(chuàng)建了井下深度測量的可積分性。
[0252] 基于用于估計(jì)井下深度的測試，得出以下結(jié)論。
[0253] 1.可使用地下測量的相關(guān)性來估計(jì)井下深度；
[0254] 2.可將伽瑪射線和密度測量成果用于進(jìn)行相關(guān)；
[0255] 3.交叉相關(guān)性和混合模式匹配算法針對低噪聲級別執(zhí)行地足夠好；
[0256] 4.通過優(yōu)化模式大小，可依據(jù)準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，提高算法的性能；
[0257] 5.基于交叉相關(guān)性的方法對于傳感器的漂移是穩(wěn)健的；
[0258] 6. R0P變化是地下測量的相關(guān)性的誤差的關(guān)鍵來源。可通過例如使R0P變化最小 和/或使源120和檢測器124之間的間隔L最小將這個誤差降至最??；
[0259] 7.對于包括兩個伽瑪射線傳感器S1和S2的深度測量系統(tǒng)（圖4A)，增量深度的誤差 可在鉆孔的水平片段上增大，這通常表明隨著鉆孔在同一地層內(nèi)延伸，伽瑪射線輻射的變 化越來越小；
[0260] 8.誤差隨著與各數(shù)據(jù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)數(shù)量的增大而減?。?br>[0261] 9.可在輔助系統(tǒng)(諸如，核標(biāo)記-檢測器系統(tǒng))的幫助下減小整體誤差；
[0262] 10.核標(biāo)記的信號強(qiáng)度取決于地下組成?？赏ㄟ^預(yù)先選擇一個或多個靶原子來進(jìn) 行優(yōu)化，特定地層中的靶原子可相對豐富。然后，可針對靶原子的伽瑪衰減來優(yōu)化檢測器。
[0263] 11.與核標(biāo)記-檢測器系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的誤差獨(dú)立于R0P變化；
[0264] 12.井下深度與RSS控制的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)井下自動化井計(jì)劃執(zhí)行；
[0265] 13.檢測器124優(yōu)選地是為了收集較高計(jì)數(shù)率而優(yōu)化的伽瑪射線傳感器。
[0266] 如上所述，本發(fā)明推薦在地層中使用人造核標(biāo)記的系統(tǒng)作為輔助深度測量系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)對地理特征和屬性的依賴性低，致使系統(tǒng)適于整個鉆孔，包括其傾斜和水平的片 段?？苫谔囟☉?yīng)用來選擇測量分辨率。本發(fā)明使用可用工具來提供穩(wěn)健標(biāo)記系統(tǒng)并且不 需要開發(fā)硬件?？筛鶕?jù)檢測器的精度和/或敏感性來選擇標(biāo)記系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。
[0267] 市面上可得合適的伽瑪射線檢測器。由于伽瑪射線檢測器基于其放射性而具有的 低成本、可靠性和識別不同地理層的能力而例如常被包括在LWD系統(tǒng)中。
[0268] 伽瑪射線發(fā)射是例如在不穩(wěn)定同位素的放射性衰減期間出現(xiàn)的。對放射性衰減的 宏觀觀察涉及對有限時長內(nèi)成千上萬不穩(wěn)定核素的衰減發(fā)射的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。因?yàn)榇嬖诖?量事件（即，放射性衰減發(fā)射)和給定不穩(wěn)定核發(fā)生衰減(根據(jù)半衰期）的小概率，所以可通 過泊松或高斯概率分布將放射性計(jì)數(shù)速率進(jìn)行建模。對于這些概率分布中的任一個，分布 標(biāo)準(zhǔn)偏差等于估計(jì)的均方根。如果伽瑪射線的總計(jì)數(shù)是X:
\并且相對
即，如果總計(jì)數(shù)X增加，則相對誤差減小。因此，本發(fā)明的工具 i 和數(shù)據(jù)采集方案優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成提供屬于信號中的各信號點(diǎn)的高總計(jì)數(shù)。后者將提高信號 的可重復(fù)性。
[0269] 改進(jìn)總計(jì)數(shù)X的概率中的一些包括晶體大小的增大、由于包圍檢測器的保護(hù)圈的 厚度減小而導(dǎo)致的衰減減小、和/或增大每次測量的時間窗。
[0270] 核源可包括基于氘-氘或氘-氚聚變的電動脈動中子源。中子源可在高達(dá)150°C和 20，000psi (大約1400巴）的環(huán)境中操作。核源是使用氖-氖和/或氖-氣反應(yīng)的相對緊湊的裝 置。這些反應(yīng)可分別產(chǎn)生大約2.5MeV和14. IMeV的能量的中子。以下，示出對應(yīng)的反應(yīng)。
[0273] 在公式（20)的反應(yīng)中，氦原子具有大約0.82MeV的能量，中子具有大約2.45MeV的 能量。在公式(21)的反應(yīng)中，氦原子具有大約3.5MeV的能量，氦具有大約14. IMeV的能量。其 他聚變反應(yīng)也是可能的。
[0274] 裝置的基本構(gòu)造由用于產(chǎn)生帶正電離子、離子加速器(例如高達(dá)110kV)和裝載氘、 氚或二者的混合物的金屬氫化物靶組成。
[0275] 伽瑪射線檢測器124可包括用于井記錄的基于山鎖的伽瑪射線檢測器（參見圖 14)。檢測器124可使用在與伽瑪射線光子相互作用時產(chǎn)生光的閃爍晶體210。晶體可設(shè)置有 保護(hù)蓋212。光電陰極214可接合晶體210,以將伽瑪射線轉(zhuǎn)換成可見光子。在閃爍晶體中添 加少量雜質(zhì)(被稱為活性劑），以增強(qiáng)可見光子的發(fā)射。通過活性劑雜質(zhì)發(fā)光的一個重要結(jié) 果是，本體閃爍晶體210對于閃爍光而言是透明的。
[0276] 在進(jìn)入晶體210時，伽瑪射線可通過三個不同過程來產(chǎn)生快速電子：1)光電效應(yīng)； 2)康普頓效應(yīng);和3)電子偶的產(chǎn)生(光子能量>1.02MeV)。這些快速電子噪聲閃爍并且產(chǎn)生 可見光光子216?？梢姽夤庾与S后經(jīng)過光電倍增管218,光電倍增管218按比例增大信號，使 得最終以電脈沖（即，一個或多個陽極220和一個或多個倍增器電極222之間的電勢）的形式 檢測到。脈沖高度將入射伽瑪射線能量定量。
[0277] 電脈沖的計(jì)數(shù)將與晶體210反應(yīng)的伽瑪射線光子的量定量。由于相比于電子的結(jié) 合能量，伽瑪射線能量通常非常高，因此當(dāng)伽瑪射線由于光電效應(yīng)而損失其能量時，幾乎所 有與其關(guān)聯(lián)的能量被傳遞到電子并且這些電子在光譜中形成光峰。另一方面，與康普頓散 射相關(guān)的光譜幾乎是平坦的平臺，因?yàn)榭灯疹D散射電子的能量分布是恒定的，其能量范圍 是從〇至被稱為康普頓邊界的最大能量損失。
[0278] 可使用各種有機(jī)和無機(jī)晶體和液體作為閃爍劑，諸如，BG0(鍺酸鉍）、LaCl3(Ce) (摻雜鈰的氯化鑭）、聚萘二甲酸乙二酯等。摻雜鉈的碘化鈉晶體[Nal(Ti)]由于其較高的光 產(chǎn)量是檢測器的晶體的好選擇。
[0279] 為了提高檢測效率，晶體210可具有環(huán)形設(shè)計(jì)（圖10A)。外徑r?？梢允谴蠹s8cm，內(nèi) 徑^可以是大約6.5cm，并且高度Η可以是大約5cm或更大。為了增大準(zhǔn)確性和/或檢測器靈 敏度，根據(jù)工具柱4或BHA 12中的可用空間，檢測器晶體的外徑和/或高度可增大。
[0280] 檢測器計(jì)數(shù)效率η可被定義為檢測器nd中計(jì)數(shù)的光子的數(shù)量與源ns發(fā)射的光子的 數(shù)量之比?？筛鶕?jù)以下因素中的一個或多個，優(yōu)化檢測器計(jì)數(shù)效率：
[0281] i)晶體幾何形狀；
[0282] ii)用覆蓋件212屏蔽晶體；
[0283] iii)晶體的光學(xué)效率，其將產(chǎn)生的總光子之中的可進(jìn)行管理以通過晶體傳輸?shù)墓?子定量；
[0284] iv)光陰極的量子效率。這是所發(fā)射的光電子的數(shù)量與入射的伽瑪射線光子的數(shù) 量之比；
[0285] v)倍增器電極的倍增因子。這是所發(fā)射的輔助電子與主要入射電子216的數(shù)量比。 輔助電子的發(fā)射是統(tǒng)計(jì)學(xué)過程，所以倍增因子不是常數(shù)，而是對于不同事件，圍繞平均值進(jìn) 行變化；
[0286] vi)陽極收集的效率。這是在陽極接收到的電子216的數(shù)量與最近倍增器電極222 處產(chǎn)生的總電子的數(shù)量比。
[0287] 在存在于地層中的眾多元件之中，在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的標(biāo)記系統(tǒng)可特別地 基于一些元素的豐度和/或半衰期來瞄準(zhǔn)一些元素。本文中，提供三個同位素的核屬性，可 根據(jù)本發(fā)明的核標(biāo)記系統(tǒng)來瞄準(zhǔn)這三個同位素。
[0288] 氯-37。氯經(jīng)常被包括在被限定在地層微孔內(nèi)的地層水中。氯被溶解在水中，成為 氯離子。它具有33靶熱俘獲剖面并且可在衰減時產(chǎn)生1.5MeV至8.6MeV之間的密集伽瑪射 線。C1-37是在天然氯中的具有24.2%的豐度的氯的天然同位素?？赏ㄟ^中子俘獲將C1-37 轉(zhuǎn)換成C1-38或Cl-39(氯的同位素）。對于C1-37,中子俘獲剖面面積可以是大約0.433靶。
[0289] 與C1-38的衰減相關(guān)的伽瑪射線的特征能量是1.6MeV和2. lMeVXl-38的半衰期是 大約37.24分鐘。用于檢測因衰減產(chǎn)生的伽瑪射線的時間窗口優(yōu)選地被設(shè)置在0分鐘至大約 37.2分鐘(50 %耗盡的時間）內(nèi)。以下，總結(jié)對應(yīng)的反應(yīng)。
[0292]鈉連同氯經(jīng)常還存在于被限定在地層微孔內(nèi)的含鹽地層水中。鈉-23具有大約 0.530靶的核俘獲片段。在進(jìn)行中子俘獲時，Na-23通常轉(zhuǎn)換成Na-24，Na-24具有大約14.96 小時的半衰期。與Na-24的β衰減相關(guān)的特性伽瑪射線具有大約1.369和2.754MeV的能量。對 應(yīng)反應(yīng)是
[0295] 硅是泥土中最豐富的元素之一。天然硅包含Si-28(大約92.23%)、Si-29(大約 4.67% )和Si-30(大約3.1% )。本文中，Si-30可以是中子激活所關(guān)注的。Si-30具有大約 0.11靶的種子俘獲剖面并且可被轉(zhuǎn)換成Si-31，Si-31具有大約157.3分鐘的半衰期。源自衰 減的特征伽瑪射線的能量是大約1.266MeV。

[0298]放射性同位素通常遵循指數(shù)衰減。通過衰減常數(shù)來管理核的衰減時間。在從激活 后的任何時間t，通過以下給出時間t的剩余激活核N相對于時間to的原始激活核No:
[0302] 其中，λ是衰減反應(yīng)的激活常數(shù)(^1)，并且T1/2是放射性核素的半衰期。
[0303] 在優(yōu)選實(shí)施例中，用于檢測的時間窗口限于大約靶向核素的半衰期。通過距離L結(jié) 合機(jī)械鉆速來確定時間窗口。后者取決于各種方面，但通常可落入大約5米/小時至10米/小 時的范圍（大約15英尺/小時至35英尺/小時的范圍）內(nèi)?？紤]以上提供的靶物質(zhì)的半衰期時 間，可在(幾乎)〇和最大值Lmax之間的范圍內(nèi)選擇源120和檢測器124之間的距離L:
[0305] 在以上的表中，提供Lmax的示例性值。本文中，基于預(yù)期的R0P來計(jì)算Lmax:Lmax = (被激活靶物質(zhì)的半衰期）X (預(yù)期平均R0P)?？稍谕瑫r考慮到所需準(zhǔn)確度的情況下，在〇(非 常接近源)和Lmax之間選擇L的值。
[0306]在實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)可包括多個檢測器D1、D2等，各檢測器相對于源位于對 應(yīng)的軸向距離L1、L2等。優(yōu)選地，L1、L2等中的每個等于或小于Lmax，如以上表中提供的。可 分別基于所述L1、L2等的倍數(shù)來計(jì)算增量深度?？杀容^使用各個檢測器的信號計(jì)算出的深 度值并且求平均，以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度。
[0307]本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，其中，在隨附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)能料想到各種修改 形式?？衫缃M合各個實(shí)施例的特征。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種在地下鉆孔中進(jìn)行井下測量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： -中子源，用于發(fā)送中子脈沖，以激活包圍所述鉆孔的地下地層中的靶物質(zhì)； -核輻射檢測器，位于與所述中子源相距軸向距離L處，用于檢測由被激活的所述靶物 質(zhì)發(fā)射的核輻射;以及 -井下鉆井過程監(jiān)測單元，被構(gòu)造成基于核輻射的檢測和所述軸向距離L來計(jì)算鉆孔中 的鉆井組件的增量深度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述井下鉆井過程監(jiān)測單元布置在鉆井組件的底 部鉆具組合BHA中并且被構(gòu)造成向自動化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)提供關(guān)于BHA的方位角和/或傾 斜度、增量深度、關(guān)聯(lián)的機(jī)械鉆速ROP的實(shí)時數(shù)據(jù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述自動化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)布置在所述BHA中 并且所述井下鉆井過程監(jiān)測單元被構(gòu)造成借助所述BHA中的信號傳輸組件將所述實(shí)時數(shù)據(jù) 傳輸?shù)剿鲎詣踊@頭導(dǎo)航系統(tǒng)，而不需要將所述實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诘乇淼臄?shù)據(jù)處理設(shè) 備。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述自動化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)包括用于基于存儲在所 述系統(tǒng)中的關(guān)于以下的數(shù)據(jù)將所述BHA向著地下鉆井靶導(dǎo)航的裝置： -所述鉆孔的井口和所述地下鉆井靶的三維地理坐標(biāo)；以及 -基于所述鉆井過程監(jiān)測單元收集的關(guān)于所述鉆孔軌跡的整個長度內(nèi)所述BHA的方位 角和傾斜度、增量深度的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行的所述鉆孔軌跡的估計(jì)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述檢測器是圓柱形的。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述檢測器具有至少5cm的高度和/或被構(gòu)造成檢 測靶物質(zhì)發(fā)射的核輻射，所述靶物質(zhì)包括氯-37、鈉-23和/或硅-30。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括被布置成與所述中子源相距預(yù)定軸向距離LdPL2 的至少兩個檢測器。8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)或任何組合所述的系統(tǒng)，其中，各軸向距離。。和"等 于或小于最大值Lmax。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，各軸向距離L、LjPL2是至少20cm并且大于所述靶 物質(zhì)的被激活核沿著所述鉆孔的軸的擴(kuò)散和/或L max在3米和6米之間。10. -種在地下鉆孔中進(jìn)行井下測量的方法，所述方法包括以下步驟： -通過中子源發(fā)送中子脈沖，以激活包圍所述鉆孔的地下地層中的靶物質(zhì)；以及 -致使位于與所述中子源相距軸向距離L處的核輻射檢測器檢測由被激活的所述靶物 質(zhì)發(fā)射的核輻射;以及 -致使井下鉆孔過程監(jiān)測單元基于所述核輻射的檢測和所述軸向距離L來計(jì)算所述鉆 孔中的鉆井組件的增量深度。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述核輻射包括伽瑪射線和/或所述檢測器檢 測靶物質(zhì)發(fā)射的核輻射，所述靶物質(zhì)包括氯-37、鈉-23和/或硅-30。12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述井下鉆孔過程監(jiān)測單元布置在鉆井組件的 底部鉆具組合BHA中并且將關(guān)于所述BHA的方位角和/或傾斜度、增量深度、關(guān)聯(lián)的機(jī)械鉆速 ROP的實(shí)時信息提供到自動化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述自動化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)布置在所述BHA中并 且借助所述BHA中的信號傳輸組件將所述實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鲎詣踊@頭導(dǎo)航系統(tǒng)，而不 需要將所述實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诘乇淼臄?shù)據(jù)處理設(shè)備。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述自動化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)包括基于所述系統(tǒng)中 存儲的關(guān)于以下的數(shù)據(jù)將所述BHA向著地下鉆井靶導(dǎo)航的裝置： -所述鉆孔的井口和所述地下鉆井靶的三維地理坐標(biāo)；以及 -基于所述鉆井過程監(jiān)測單元收集的關(guān)于所述鉆孔軌跡的整個長度內(nèi)所述BHA的方位 角和傾斜度、增量深度的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行的所述鉆孔軌跡的估計(jì)。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，當(dāng)所述BHA已經(jīng)達(dá)到所述地下靶時，所述自動化 鉆井過程終止，由此，從所述鉆孔取出所述鉆井組件，所述鉆孔完成并且被構(gòu)造為烴流體生 產(chǎn)井并且由所述井產(chǎn)生烴流體。
【文檔編號】G01V5/10GK105874354SQ201480071991
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年12月19日
【發(fā)明人】P·杰因
【申請人】國際殼牌研究有限公司