專利名稱：用于在鉆頭前方以及在鉆頭處按照方位角確定地層電阻率的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及對(duì)碳?xì)浠衔锏目碧?，其包含?duì)穿透地層的鉆 井的電學(xué)研究。更具體地，本發(fā)明涉及沿地層內(nèi)的鉆井移動(dòng)的工具上
的4義表鉆頭(instrumented bit),其用于引入和測(cè)量注入到鉆井壁中 的單獨(dú)勘查電流。還可以提供額外的測(cè)量傳感器。
背景技術(shù)：
電地鉆井測(cè)井(electrical earth borehole logging )是乂A知的,并 且為此目的已描述了各種裝置和各種技術(shù)。廣泛地說(shuō)，在電測(cè)井裝置 中使用兩類裝置。在稱為"電流(galvanic )，，裝置的第一類中，電 極向地層中發(fā)射電流，以便確定電阻率。最簡(jiǎn)單的形式的電流裝置之 一是所謂的"普通"裝置，其中電流電極通過(guò)地層向遠(yuǎn)程返回位置發(fā) 射電流，并且電壓電極測(cè)量由該電流產(chǎn)生的相對(duì)于該遠(yuǎn)程參考位置的 電位。在第二類即感應(yīng)測(cè)量工具中，測(cè)量4義器內(nèi)的天線在地層內(nèi)感應(yīng) 出電流流動(dòng)。可以通過(guò)借助于同一天線或分開(kāi)的接收機(jī)天線測(cè)量此電 流的傳播引起的大小或衰減，確定電阻率。本發(fā)明的各種示意性實(shí)施 例屬于第一類即電流裝置，如以下將更詳細(xì)描述的。
普通類型裝置已被廣泛用在測(cè)井工業(yè)中，用以在鉆井液比地層電 阻率更高或者電阻率略微更低時(shí)確定地層電阻率。早期裝置之一是 Doll的裝置，其中使用所謂的"微型普通(micronormal)"工具用 于測(cè)量鉆井壁附近的電阻率。
一些電流裝置被設(shè)計(jì)為將勘察電流聚焦在要被確定電阻率的地 層中。例如，Birdwell (美國(guó)專利3，365，658)教導(dǎo)了使用聚焦的電極 用于確定地下的地層的電阻率。從中央勘查電極向相鄰的地層中發(fā)射
5勘查電流。利用從位置與勘查電極相鄰并位于其任一側(cè)的附近的聚焦 電極發(fā)射的聚焦電流，此勘查電流從鉆井向外被聚焦為比較窄的電流 束。其他電流裝置聚焦鉆井壁附近的電流。當(dāng)泥漿電阻率遠(yuǎn)低于地層 電阻率時(shí)這是有用的。
授予Chemali等人且與本發(fā)明具有相同受讓人的美國(guó)專利 6,050,068教導(dǎo)了在鉆井過(guò)程中用于進(jìn)行地層的電阻率測(cè)量的設(shè)備，該 專利的內(nèi)容通過(guò)引用被包含在本文中。鉆頭在井底鉆具上被傳送用于 鉆井。在鉆頭的外表面上承載至少一個(gè)測(cè)量電極，并且所述至少一個(gè) 測(cè)量電極被用于將測(cè)量電流傳送到地層中。在鉆頭的腔中設(shè)置的裝置 響應(yīng)至少以下之一(i)該電流，以及(ii)所述至少一個(gè)測(cè)量電極 的電壓。此裝置的響應(yīng)指示鉆井附近的地層的電阻率的測(cè)量。耦合到 所述至少一個(gè)電極的電壓源向所述至少一個(gè)電極提供規(guī)定的電壓。在 Chemali等人的上述美國(guó)專利中公開(kāi)的裝置是非聚焦的裝置。因此， 由于在工具的轉(zhuǎn)動(dòng)期間電極的緊密距(standoff)的改變，在測(cè)量出的 電阻率中可能有差異?？赡芟Ｍ档途o密距的影響。受益于本發(fā)明的 本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到在鉆井期間可能由于鉆頭的跳動(dòng)而引起鉆 頭處的緊密距。

發(fā)明內(nèi)容
此公開(kāi)的 一個(gè)實(shí)施例是一種用于在鉆井期間測(cè)量地層的設(shè)備。該 設(shè)備包括在井底鉆具(BHA)上被傳送的鉆頭。鉆頭上的電極被配置 為將測(cè)量電流傳送到地層中，所述電極與所述鉆頭電絕緣。配置功率 源以生成測(cè)量的電流并且將鉆頭保持在一個(gè)電位，所述電位的值基本 上等于所述電極的電位。該設(shè)備還包括處理器，所述處理器被配置為 使用所述電位的值和所述電流的值，以估計(jì)所關(guān)心的參數(shù)的值，并且 將所估計(jì)的值記錄在合適的介質(zhì)上。所關(guān)心的參數(shù)可以是地層的電阻 率、地層的導(dǎo)電率、到地層中的界面的距離和/或地層的電阻率圖像。 該設(shè)備還可在BHA上包括姿態(tài)傳感器，所述電極處于鉆頭的一側(cè)， 其中所述處理器還被配置為壓縮地層的電阻率圖像并將其以遙測(cè)方式
6可被配置為使用從對(duì)已知電阻率的介質(zhì) 中的測(cè)量確定的校準(zhǔn)因子估計(jì)所關(guān)心的參數(shù)的值。所述姿態(tài)傳感器可 以是加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)和/或陀螺儀。所述功率源還可包括環(huán)狀線圈。 所述設(shè)備還可包括電流測(cè)量裝置，其被配置為提供測(cè)量電流的值。所 述處理器還可被配置為基于所確定的到地層中的界面的距離和/或地
層的電阻率圖像控制BHA的鉆井方向。
另一個(gè)實(shí)施例是在鉆井期間測(cè)量地層的所關(guān)心的參數(shù)的方法。該 方法包括在BHA上將鉆頭傳送到鉆井。利用鉆頭上的且與所述鉆頭 電絕緣的電極將測(cè)量電流傳送到地層中。測(cè)量電流被聚焦，并且使用 電極的電位的值和電流的值，對(duì)所關(guān)心的參數(shù)的值進(jìn)行估計(jì)。所關(guān)心 的參數(shù)的所估計(jì)的值被記錄在合適的介質(zhì)上。聚焦測(cè)量的電流的步驟 可以通過(guò)將鉆頭維持在一個(gè)電位來(lái)進(jìn)行，所述電位的值基本上等于所 述電極的電位。所關(guān)心的參數(shù)可以是地層的電阻率、地層的導(dǎo)電率、 到地層中的界面的距離和/或地層的電阻率圖像。該方法還可包括在 BHA上測(cè)量姿態(tài)，從鉆頭側(cè)傳送測(cè)量電流，并且壓縮地層的電阻率圖 像并將其以遙測(cè)方式傳送到地表位置。對(duì)所關(guān)心的參數(shù)的值進(jìn)行估計(jì) 的步驟還可基于使用從對(duì)已知電阻率的介質(zhì)中的測(cè)量確定的校準(zhǔn)因 子。測(cè)量所述BHA的姿態(tài)的步驟可基于利用姿態(tài)傳感器，所述姿態(tài) 傳感器可以是加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)和/或陀螺儀。所述測(cè)量電流可利用環(huán) 狀線圏而被生成。測(cè)量電流的值可通過(guò)使用電流測(cè)量裝置而被提供。 該方法還可包括基于所確定的到地層中的界面的距離和/或地層的電 阻率圖像，控制BHA的鉆井方向。
另一實(shí)施例是計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其與用于測(cè)量地層的所關(guān)心的參 數(shù)的設(shè)備一起使用。所述設(shè)備包括在BHA上被傳送的鉆頭。鉆頭上 的電極被配置為將測(cè)量電流傳送到地層中，所述電極與所述鉆頭電絕 緣。配置功率源以生成測(cè)量電流并且將鉆頭保持在一個(gè)電位，所述電 位的值基本上等于所述電極的電位。該介質(zhì)包括指令，所述指令使處 理器能夠使用所述電位的值和所述電流的值，以估計(jì)所關(guān)心的參數(shù)的 值，并且將所關(guān)心的參數(shù)的所估計(jì)的值記錄在合適的介質(zhì)上。該介質(zhì)可以包括ROM、 EPROM、 EEPROM、閃存和/或光盤。


參照以下附圖，本發(fā)明得到最佳理解，在附圖中相似的附圖標(biāo)記 指示相似的元件。
圖l是包括根據(jù)本發(fā)明的各種示意性實(shí)施例的電阻率測(cè)井工具的 鉆井系統(tǒng)的示意圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖示，其中使用鉆頭而聚焦在該鉆 頭前方的測(cè)量電流；
圖3是本發(fā)明的對(duì)方位角靈敏的實(shí)施的圖示，其中使用鉆頭而聚 焦該測(cè)量電流；
圖4是鉆頭和在鉆頭前面的測(cè)量電極的模型的圖示，用于對(duì)本發(fā) 明的電阻率測(cè)井工具的響應(yīng)進(jìn)行仿真；以及
圖5示出本發(fā)明的電阻率測(cè)井工具對(duì)鉆頭前方的地層界面的電流 與現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)井工具的響應(yīng)之間的比較。
具體實(shí)施例方式
圖1示出鉆井系統(tǒng)10的示意圖，所述鉆井系統(tǒng)10具有井下鉆具， 所述井下鉆具包含根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的傳感器系統(tǒng)和地表裝置。 如圖所示，系統(tǒng)10包括豎立在鉆臺(tái)12上的常規(guī)井架11，所述鉆臺(tái)12 支持轉(zhuǎn)盤14，所述轉(zhuǎn)盤14通過(guò)原動(dòng)機(jī)(未示出)以所需的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 轉(zhuǎn)動(dòng)。包括鉆桿部22的鉆柱20從轉(zhuǎn)盤14向下延伸到鉆井26中。連 附在鉆柱20井下端上的鉆頭50在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使地質(zhì)地層碎裂。鉆柱20 經(jīng)由方鉆桿接頭21、轉(zhuǎn)體28、和線路29，通過(guò)滑輪組29a耦合到絞 車30。在鉆井操作期間，絞車30被操作為控制鉆頭上的重量和鉆柱 20向鉆井26中的穿透速率。絞車30的操作在本領(lǐng)域中是公知的，因 而不在此詳細(xì)描述。
在鉆井操作期間，來(lái)自泥坑32的合適的鉆井液(在本領(lǐng)域中通 常稱為"泥漿，，)31借助泥漿泵34在壓力下通過(guò)鉆柱20被循環(huán)。鉆井液31從泥漿泵34經(jīng)由波動(dòng)消除器36、鉆井液線路38、以及方鉆桿 接頭21進(jìn)入鉆柱20中。鉆井液31在鉆井底部51通過(guò)鉆頭50中的開(kāi) 口被排放。鉆井液31通過(guò)鉆柱20和鉆井26之間的環(huán)形空間27向井 上循環(huán)，并且經(jīng)由返回線路35被排放到泥坑32中。優(yōu)選地，根據(jù)本 領(lǐng)域中的已知方法，適當(dāng)?shù)卦诘乇聿渴鸶鞣N傳感器(未示出)，以提 供關(guān)于各種與鉆井相關(guān)的參數(shù)的信息，諸如鉆井液流率、鉆頭上的重 量、大鉤負(fù)載等。
地表控制單元40經(jīng)由布置在鉆井液線路38中的傳感器43，接收 來(lái)自井下傳感器和裝置的信號(hào)，并且根據(jù)提供給地表控制單元40的編 程的指令處理這些信號(hào)。地表控制單元40在顯示器/監(jiān)視器42上顯示 所需的鉆井參數(shù)和其他信息，這些信息被操作者利用以控制鉆井操作。 地表控制單元40包含計(jì)算機(jī)、用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、 一臺(tái)或多臺(tái)數(shù) 據(jù)記錄機(jī)和/或其他外圍設(shè)備。地表控制單元40還包括模型，并且根 據(jù)編程的指令處理數(shù)據(jù)，并且響應(yīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置諸如鍵盤輸入的用 戶命令?？刂茊卧?0優(yōu)選適于在發(fā)生某種不安全或不希望的操作狀況 時(shí)激發(fā)警報(bào)44。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)可，如果使用泥漿馬達(dá)，則在鉆 頭和鉆柱之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且必需考慮鉆頭和鉆柱之間的信號(hào)傳 送。這種傳送可以使用電磁遙測(cè)來(lái)進(jìn)行。
當(dāng)鉆井液31在壓力下通過(guò)泥漿馬達(dá)55時(shí)，經(jīng)由布置在軸承57 中的傳動(dòng)桿(未示出)耦合到鉆頭50的鉆頭馬達(dá)或泥漿馬達(dá)55轉(zhuǎn)動(dòng) 鉆頭50。軸承57支持鉆頭50的徑向和軸向力、鉆頭馬達(dá)55的下沖、 以及來(lái)自施加在鉆頭上的重量的反作用向上負(fù)載。耦合到軸承57的穩(wěn) 定器58充當(dāng)用于泥漿馬達(dá)55組件的最低部分的扶正器。
在該系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，井下子鉆具59 (也稱為井底鉆具或 "BHA")被耦合在鉆頭50和鉆桿22之間，所述井下子鉆具59包 含用于提供關(guān)于地層的信息和井下鉆井參數(shù)的各種傳感器和MWD裝 置以及泥漿馬達(dá)55。井下鉆具59優(yōu)選地在結(jié)構(gòu)上是模塊化的，即各 種裝置都是互連的部件，使得單個(gè)部件可以在需要時(shí)被更換?？赡苡?必要在鉆頭和返回電極(以下討論)之間的所有其他裝置中組裝用于
9鉆頭電極(也在以下討論)的纜線。
仍返回參考圖1，除了上迷傳感器之外，BHA 59還可以包含傳 感器和裝置。這些裝置包括用于測(cè)量鉆頭50附近和/或前方的地層電 阻率的裝置64、用于測(cè)量地層伽馬射線強(qiáng)度的伽馬射線裝置76、以及 諸如用于確定鉆柱20的傾斜和/或方位角的傾斜儀74之類的裝置。地 層電阻率測(cè)量裝置64優(yōu)選耦合在下部造斜子組件62上方，所述下部 造斜子組件62提供信號(hào)，鉆頭50附近或前方的地層的電阻率從所述 信號(hào)確定。使用具有一對(duì)或更多對(duì)發(fā)射天線66a和66b的雙傳播電阻 率裝置("DPR")，所述一對(duì)或更多對(duì)發(fā)射天線66a和66b與一對(duì) 或更多對(duì)接收天線68a和68b隔開(kāi)。采用了磁偶極子，所述磁偶極子 在中頻語(yǔ)和較低的高頻語(yǔ)中工作。在工作中，所發(fā)射的電磁波在傳播 通過(guò)電阻率測(cè)量裝置64周圍的地層時(shí)纟皮擾亂。接收天線68a和68b 檢測(cè)被擾亂的波。地層電阻率從所檢測(cè)到的信號(hào)的相位和幅度推導(dǎo)出。 所檢測(cè)到的信號(hào)由優(yōu)選布置在泥漿馬達(dá)55上方的外殼70中的井下電 路和/或處理器處理，并利用適當(dāng)?shù)倪b測(cè)系統(tǒng)72被發(fā)送到地表控制單 元40。
傾斜儀74和伽馬射線裝置76被適當(dāng)?shù)匮刂娮杪蕼y(cè)量裝置64 布置，用于分別確定鉆柱20靠近鉆頭50的部分的傾斜以及地層伽馬 射線強(qiáng)度。然而，可以利用任何合適的傾斜儀和伽馬射線裝置，用于 本發(fā)明的各種示意性實(shí)施例。此外，可以利用諸如磁強(qiáng)計(jì)、加速度計(jì)、 或陀螺儀裝置之類的姿態(tài)裝置(未示出)來(lái)確定鉆柱20的方位角。這 些裝置在本領(lǐng)域中公知，因而不在此詳細(xì)描述。在上述配置中，泥漿 馬達(dá)55將功率經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)穿過(guò)電阻率測(cè)量裝置64的空心桿傳送 到鉆頭50。空心桿使得鉆井液能夠從泥漿馬達(dá)55到達(dá)鉆頭50。在鉆 柱20的替換實(shí)施例中，泥漿馬達(dá)55可以被耦合在電阻率測(cè)量裝置64 下方或任何其他合適的位置。
鉆柱20例如包含模塊化的傳感器組件諸如地層電阻率測(cè)量裝置 64、馬達(dá)組件諸如泥漿馬達(dá)55組件、以及一個(gè)或多個(gè)造斜子組件諸如 下部造斜子組件62。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括如以下更加詳細(xì)描述的電阻率裝置、伽馬射線裝置76、以及傾斜儀74。
本發(fā)明的井底鉆具(BHA) 59包括MWD部件78，所述MWD 部件78可以包括在泥漿馬達(dá)55上方布置在MWD部件78的外殼中 的核地層孔隙度測(cè)量裝置、核密度裝置、以及聲學(xué)傳感器系統(tǒng)，它們 用于提供沿著鉆井26評(píng)估和測(cè)試地下地層有用的信息。本發(fā)明還可利 用任何已知地層密度裝置?？梢允褂萌魏维F(xiàn)有技術(shù)的利用伽馬射線源 的密度裝置。在使用中，從源發(fā)射的伽馬射線進(jìn)入地層，它們?cè)谀抢?與地層相互作用，并且衰減。伽馬射線的衰減通過(guò)合適的檢測(cè)器來(lái)測(cè) 量，從該衰減確定地層的密度。
上述裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送到井下遙測(cè)系統(tǒng)72，所述井下遙測(cè)系統(tǒng)72 接著將接收到的數(shù)據(jù)向井上發(fā)送到地表控制單元40。所述井下遙測(cè)系 統(tǒng)72還從井上控制單元40接收信號(hào)和數(shù)據(jù)，并且將這些接收的信號(hào) 和數(shù)據(jù)發(fā)送到適當(dāng)?shù)木卵b置。本發(fā)明可以使用泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)， 以在鉆井操作期間通信來(lái)自井下傳感器和裝置的數(shù)據(jù)。布置在泥漿供 應(yīng)線路38中的換能器43檢測(cè)響應(yīng)于井下遙測(cè)系統(tǒng)72發(fā)送的數(shù)據(jù)的泥 漿脈沖。換能器43響應(yīng)于泥漿壓力變化生成電信號(hào)，并將這些信號(hào)經(jīng) 由導(dǎo)線45發(fā)送到地表控制單元40。諸如電磁和聲學(xué)技術(shù)之類的其他 遙測(cè)技術(shù)和/或任何其他合適的技術(shù)可以被用于本發(fā)明的目的。鉆具還 包括定向傳感器。不限制本發(fā)明的范圍，定向傳感器可以是慣性類型 的磁強(qiáng)計(jì)。
本發(fā)明的原理示于圖2。在鉆柱20上的適當(dāng)位置，提供電壓源 107。在本例中，電壓源107被示出在鉆鋌101上和/或鉆鋌101中， 并且是BHA 59的一部分。這并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。例如可以通 過(guò)利用在鉆柱20上和/或圍繞鉆柱20于某處安裝的環(huán)狀線圏來(lái)生成電 壓。此電壓源107在鉆柱20中生成軸向上的電流，所述電流在鉆頭 106的方向上流動(dòng)，并且在遠(yuǎn)程位置的電壓源107的相反側(cè)返回。如 果泥漿是導(dǎo)電的，則鉆鋌可以用作返回件。在電壓源107和鉆頭106 之間通過(guò)鉆鋌101提供電連接。為了本發(fā)明的目的，電壓源107也是 功率源，因?yàn)槠湓阢@柱20中生成電流。在鉆頭106內(nèi)部，電極108:故安裝在鉆頭端面處。電極108與BHA 59的其余部分隔離，并且通 過(guò)纜線109連接到諸如緊密圍繞纜線109或圍繞與纜線109串聯(lián)的測(cè) 量電阻器(未示出)安裝的環(huán)狀線圏之類的電流測(cè)量裝置103。纜線 109從電流測(cè)量裝置103到電極108所取的路線可以是任意的，但是 纜線109應(yīng)該例如通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娊^緣而與鉆鋌101隔離。在纜線109 的遠(yuǎn)離電極108的另一端，電流測(cè)量裝置103連接到位于BHA 59的 鉆鋌IOI中的電子電路。通過(guò)此布置，鉆頭106 (以及鉆鋌IOI的相 鄰部分)的絕對(duì)電位與電極108的絕對(duì)電位大致相同。這保持對(duì)于由 電極108傳送的電流的聚焦?fàn)顩r，如以下討論的。
通過(guò)所示的配置，鉆頭106和鉆鋌101的相鄰部分充當(dāng)聚焦電極， 其將聚焦電流105在大體上如圖2所指示的方向上傳送。應(yīng)該注意， 術(shù)語(yǔ)"傳送"應(yīng)使用其最寬的含義，并且意圖包括進(jìn)入和離開(kāi)地層的 電流。作為聚焦電流105所提供的聚焦的結(jié)果，來(lái)自電極108的測(cè)量 電流111 一般指向鉆頭106前方。正是測(cè)量電流111的這個(gè)前向方向 提供本發(fā)明的觀察鉆頭前方的能力。
于是，地層的視電阻率p由以下給出
<formula>formula see original document page 12</formula> (1)，
其中卩是電壓源107的電壓，J是測(cè)量電流lll，所述測(cè)量電流 111例如是在電流測(cè)量裝置103處測(cè)量的。地層的實(shí)際電阻率獲得如 下
<formula>formula see original document page 12</formula> (2)，
其中^是校準(zhǔn)因子。校準(zhǔn)因子例如可以通過(guò)在已知電阻率的介質(zhì) 中使用該工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量或者通過(guò)建模而獲得。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例示于圖3。如圖2的實(shí)施例中那樣，提供 軸向電壓源207。在本例中，電壓源207 f皮示出為在鉆鋌201上和/或 在鉆鋌201中，并且是BHA 59的一部分。這并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限 制。電壓例如可通過(guò)利用圍繞鉆柱20的環(huán)狀線圏生成。此電壓源207 生成鉆柱20的軸向上的電流，所述電流在鉆頭206的方向上流動(dòng)，并 且在遠(yuǎn)程位置(見(jiàn)前文)的電壓源207的相反側(cè)返回。在電壓源207和鉆頭206之間通過(guò)鉆鋌203提供電連接。在鉆頭206內(nèi)部，電極208 被安裝在鉆頭206的一側(cè)。這與圖2的實(shí)施例是相反的，在圖2的實(shí) 施例中，電極108位于鉆頭端面處。電極208與BHA 59的其余部分 隔離，并且通過(guò)纜線209連接到諸如緊密圍繞纜線209或圍繞與纜線 209串聯(lián)的測(cè)量電阻器(未示出)安裝的環(huán)狀線圈之類的電流測(cè)量裝 置203。纜線209從電流測(cè)量裝置203到電極208所取的路線可以是 任意的，但是纜線209應(yīng)該例如通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娊^緣而與鉆鋌201隔離。 在纜線209的遠(yuǎn)離電極208的另一端，電流測(cè)量裝置203連接到位于 BHA 59的鉆鋌201中的電子電路。
鉆頭206和鉆鋌201的相鄰部分的聚焦電流由205指示。由于電 極208位于鉆頭206的一側(cè)，因此測(cè)量電流211在4妄近徑向的方向上 流動(dòng)。測(cè)量電流211的此方向提供具有方位角靈敏度的測(cè)井工具。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將知曉，MWD裝置進(jìn)行的電阻率測(cè)量比穿繩 (wireline)測(cè)量提供對(duì)地層電阻率(或者相當(dāng)于導(dǎo)電率)的更好的指 示。這是因?yàn)樵趶你@井以來(lái)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后進(jìn)行的穿繩測(cè)量受到鉆 井液對(duì)地層入侵的影響。在這一點(diǎn)上，在鉆頭處進(jìn)行的電阻率測(cè)量甚 至更好。
為了證明本發(fā)明的"觀察鉆頭前方"的性能，進(jìn)行了數(shù)值建模。 該建模包括與現(xiàn)有技術(shù)工具的比較，其僅由其發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間隔表 示。圖4示出所使用的測(cè)井工具300的模型。該建模對(duì)于直徑為12.25 英寸(31.12厘米)的孔26進(jìn)行。發(fā)射機(jī)303生成直流電壓，由此產(chǎn) 生通過(guò)鉆柱301的電流。電流在返回部件302處返回到發(fā)射4/U 303。 整個(gè)鉆柱301被假設(shè)是理想導(dǎo)電并且無(wú)損耗的。因此，在鉆頭309方 向上在發(fā)射機(jī)303以下的電位等于測(cè)井工具300上的電位?？梢栽诠?具表面區(qū)域處確定電流。在該模型內(nèi)，整個(gè)鉆井鉆具(BHA) 59 (除 了鉆頭309以外)都被特定泥漿電阻率的鉆井泥漿31包圍，所述特定 泥漿電阻率一般不同于地層電阻率。仿真在1Q-m地層電阻率的地層 304開(kāi)始。具有不同電阻率的另一地層306在垂直方向上偏移，以便 仿真鉆頭和鉆具穿透兩個(gè)地層之間的邊界307。在穿透過(guò)程中，記錄通過(guò)接收機(jī)305以及通過(guò)測(cè)量電極311的電流。
圖5示出與常規(guī)技術(shù)相比鉆頭電極處的電流改變，在常規(guī)技術(shù)中，鉆頭電流根據(jù)模型被記錄在接收機(jī)處。橫坐標(biāo)是表達(dá)為最大響應(yīng)的百分比的電流響應(yīng)?？v坐標(biāo)是以米(m)為單位的深度。曲線401 (有五條曲線)對(duì)于本發(fā)明各種示意性實(shí)施例，在鉆頭和接收機(jī)之間的間隔分別為Om、 0.28m、 0.87m、 2.11m、 4.75m。 BHA 59從lQ-m地層電阻率的地層向lOOO-m地層電阻率的地層移動(dòng)。深度的負(fù)值意味著B(niǎo)HA59完全在1Q-m電阻率地層內(nèi)部，深度的O值意味著鉆頭接觸到lOOQ-m電阻率地層邊界，深度的正值表示鉆頭端面的位置在lOOQ-m電阻率地層中。電流按照在-2m處1Q-m電阻率地層中的電流(100%)被歸一化。曲線403、 405、 407、 409和411是在用于仿真的現(xiàn)有技術(shù)裝置的接收機(jī)處的相應(yīng)電流響應(yīng)。
在圖5中可以看出，本發(fā)明各種示意性實(shí)施例的電流響應(yīng)401幾乎與鉆頭309和接收機(jī)305之間的距離無(wú)關(guān)。當(dāng)鉆頭和發(fā)射機(jī)之間的距離^皮延長(zhǎng)時(shí)，可以觀察到小的防守效應(yīng)(guard effect)。然而，鉆頭電極能夠在鉆頭接觸新的地層之前半米處檢測(cè)到20 %的電流改變，而使用環(huán)形接收機(jī)的常規(guī)技術(shù)在最好的情況下(見(jiàn)曲線403 )僅檢測(cè)到10%的改變。對(duì)于本發(fā)明，在新地層之前25厘米處達(dá)到50%的標(biāo)記，而現(xiàn)有技術(shù)僅在鉆頭已穿透新地層之后才示出這種改變。當(dāng)鉆頭端面接觸到新地層時(shí)，鉆頭電極指示電流改變的結(jié)束值，而常規(guī)技術(shù)在新地層邊界之后大于0.5m測(cè)量到該結(jié)束值。如果在鉆頭和環(huán)形接收機(jī)之間增加間隔，則所有結(jié)果對(duì)于環(huán)形接收機(jī)測(cè)量都變得更差，例如由曲線403到曲線411的惡化所示的那樣。
在實(shí)際中，定義地層的電阻率模型?？梢允褂脕?lái)自先前在附近鉆的井或來(lái)自其他信息的電阻率測(cè)量進(jìn)行這個(gè)操作?；诖穗娮杪誓Ｐ停梢允褂帽景l(fā)明的測(cè)井工具3 0 0測(cè)量的電阻率來(lái)估計(jì)到地層中的界面的距離。該界面可以是具有不同電阻率的地層之間的地層界面，或者
液界面。因而使用本發(fā)明的各種示意性實(shí)施例的測(cè)井工具300，確定
14地層的所關(guān)心的參數(shù)，諸如地層中鉆頭前方的電阻率和/或到界面的距離。
本發(fā)明的測(cè)井工具300觀察鉆頭前方的能力可以被利用在油藏導(dǎo)向中。當(dāng)在鉆井操作期間用包括安裝在BHA 59上的測(cè)井工具300的傳感器組件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，井下處理器可以使用所確定的距離來(lái)改變鉆井26的鉆井方向。作為替換方案和/或作為附加，還可以將距離信息以遙測(cè)方式傳送到地表，地表處理器40和/或鉆井操作者可以在地表控制鉆井方向。該方法還可以用于穿繩應(yīng)用中。對(duì)于穿繩應(yīng)用，探測(cè)器應(yīng)該位于鉆井的底部，以確定從鉆井26到地層界面的距離。這在完井中例如在設(shè)計(jì)碎裂操作以避免超出規(guī)定距離的碎裂傳播時(shí)會(huì)是有用的。如果在鉆頭前方檢測(cè)到油藏，則可在穿透之前安裝套管。
當(dāng)使用姿態(tài)傳感器用于確定鉆頭50的姿態(tài)時(shí)，此姿態(tài)信息可以與從電流和電壓測(cè)量獲得的電阻率信息組合，以取得地層的電阻率方位角差異的估計(jì)。方位角電阻率差異的一般原因是在地層中存在不同電阻率的精細(xì)層。當(dāng)它們向鉆井26傾斜時(shí)，將得到本發(fā)明的諸如測(cè)井工具300之類的裝置所測(cè)量的電阻率的方位角差異(典型為正弦差異)。可以使用已知的處理方法從帶噪聲的"信號(hào)"中檢測(cè)此正弦差異。如果使用姿態(tài)傳感器，則合適的姿態(tài)傳感器可以位于鉆柱20上鉆頭50附近，或者鉆井馬達(dá)55的傳動(dòng)桿上。這種姿態(tài)傳感器應(yīng)被設(shè)置為足夠接近鉆頭50，使得姿態(tài)測(cè)量指示鉆頭50的姿態(tài)，而不受鉆柱20或馬達(dá)55傳動(dòng)桿的扭曲的影響。電阻率圖j象還可以通過(guò)將從測(cè)量獲得的圖像與從地下模型推導(dǎo)出的建模的圖像進(jìn)行比較而用于地質(zhì)導(dǎo)向。
井下進(jìn)行的測(cè)量可以被記錄在合適的介質(zhì)上。還可以壓縮數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到地表位置。在圖3中所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，可以使用在Hassan等人的、與本發(fā)明具有相同受讓人的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)10/892,011 (現(xiàn)今為美國(guó)專利XXXXXXX)中公開(kāi)的數(shù)據(jù)壓縮的方法，其內(nèi)容作為參考而并入到本文中。Hassan的上述美國(guó)專利申請(qǐng)中公開(kāi)的方法僅用于示例目的，還可以使用其他方法。Hassan的上述美國(guó)專
15利申請(qǐng)公開(kāi)了 一種用于對(duì)地層進(jìn)行測(cè)井并且獲取地下信息的方法和設(shè)備，其中測(cè)井工具在鉆井中被傳送以獲得所關(guān)心的參數(shù)。所獲得的所關(guān)心的參數(shù)可以是密度、聲學(xué)、磁或電學(xué)值，如本領(lǐng)域所知的。所關(guān)心的參數(shù)可以使用多分辨率圖像壓縮方法按照多種分辨率被發(fā)送到地表。所關(guān)心的參數(shù)被形成為多個(gè)代價(jià)函數(shù)，從所述代價(jià)函數(shù)，所關(guān)心的區(qū)域被確定為該區(qū)域內(nèi)的所關(guān)心的特征的分解特性。特征特性可以被確定以獲得地層界面的時(shí)間或深度位置和與地下結(jié)構(gòu)相關(guān)的鉆井傾
角(Dip Angle)，以及鉆井和地下結(jié)構(gòu)姿態(tài)。特征特性包括時(shí)間、深度、以及地下幾何特征，諸如構(gòu)造傾斜、厚度、巖石特性。在地表處，可以構(gòu)建地層的圖像。通過(guò)以上討論的任一實(shí)施例或兩個(gè)實(shí)施例，可以產(chǎn)生電阻率記錄日志。此外，電阻率測(cè)量還有若干公知的用途其包括確定地層碳?xì)浠衔镲柡投取４孙柡投鹊闹R(shí)在油藏開(kāi)發(fā)中極其有用。
數(shù)據(jù)的處理可以通過(guò)井下處理器進(jìn)行，以基本上實(shí)時(shí)地給出修正的測(cè)量。作為替換方案，測(cè)量可被井下記錄，當(dāng)鉆柱20被拔出時(shí)被取回，并且使用地表處理器40被處理。在數(shù)據(jù)的控制和處理中隱含的是使用合適的機(jī)器可讀介質(zhì)上的使處理器能夠執(zhí)行控制和處理的計(jì)算機(jī)程序。機(jī)器可讀介質(zhì)可以包括ROM、 EPROM、 EEPROM、閃存和光盤。
雖然前述公開(kāi)針對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是各種修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的。意圖所附權(quán)利要求的范圍和本質(zhì)內(nèi)的所有變化都被包括在前述的公開(kāi)中。
權(quán)利要求
1. 一種用于在地層中鉆井期間測(cè)量地層的所關(guān)心的參數(shù)的設(shè)備，該設(shè)備包括(a)被配置為在井底鉆具(BHA)上被傳送的鉆頭，所述鉆頭被配置為進(jìn)行鉆井；(b)鉆頭上的電極，其被配置為將測(cè)量電流傳送到地層中，所述電極與所述鉆頭電絕緣；(c)功率源，其被配置為生成測(cè)量電流，并且將鉆頭保持在一個(gè)電位，所述電位的值基本上等于所述電極的電位；以及(d)處理器，被配置為(A)使用所述電位的值和所述電流的值以估計(jì)所關(guān)心的參數(shù)的值，以及(B)將所關(guān)心的參數(shù)的所估計(jì)的值記錄在合適的介質(zhì)上。
2. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所關(guān)心的參數(shù)是以下的至少之 一(i)地層的電阻率、(ii)地層的導(dǎo)電率、(iii)到地層中的界 面的距離、和(iv)地層的電阻率圖像。
3. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，還包括BHA上的姿態(tài)傳感器，其 中所述電極處于鉆頭的一側(cè)，其中所述處理器還被配置為壓縮地層的 電阻率圖像并將其以遙測(cè)方式傳送到地表位置。
4. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中該處理器還被配置為通過(guò)使用 從對(duì)已知電阻率的介質(zhì)的測(cè)量確定的校準(zhǔn)因子來(lái)估計(jì)所關(guān)心的參數(shù)的 值。
5. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述姿態(tài)傳感器是從由以下構(gòu) 成的組中選擇出的(i)加速度計(jì)、(ii)磁強(qiáng)計(jì)、和(iii)陀螺儀。
6. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述功率源還包括環(huán)狀線圏。
7. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，還包括電流測(cè)量裝置，其被配置為 提供測(cè)量電流的值。
8. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述處理器還被配置為基于以下中的至少一個(gè)控制BHA的鉆井方向(i)所確定的到地層中的界 面的距離、以及(ii)地層的電阻率圖像。
9. 一種在地層中鉆井期間測(cè)量地層的所關(guān)心的參數(shù)的方法，該 方法包括(a)在井底鉆具(BHA)上將鉆頭傳送到鉆井中； (b )利用鉆頭上的且與所述鉆頭電絕緣的電極將測(cè)量電流傳送 到地層中；(c)聚焦測(cè)量電流；(d )使用電極的電位的值和電流的值對(duì)所關(guān)心的參數(shù)的值進(jìn)行 估計(jì)，以及(c)將所關(guān)心的參數(shù)的所估計(jì)的值記錄在合適的介質(zhì)上。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中聚焦測(cè)量電流的步驟還包括 將鉆頭維持在一個(gè)電位，所述電位的值基本上等于所述電極的電位。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所關(guān)心的參數(shù)是以下中的至 少之一(i)地層的電阻率、(ii)地層的導(dǎo)電率、(iii)到地層中 的界面的距離、(iv)地層的電阻率圖像。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括(i) 測(cè)量BHA的姿態(tài)，(ii) 從鉆頭一側(cè)傳送測(cè)量電流，以及(iii) 壓縮地層的電阻率圖像并將其以遙測(cè)方式傳送到地表位置。
13，如權(quán)利要求9所述的方法，其中對(duì)所關(guān)心的參數(shù)的值進(jìn)行估 計(jì)的步驟還包括使用從對(duì)已知電阻率的介質(zhì)的測(cè)量確定的校準(zhǔn)因子。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中測(cè)量所述BHA的姿態(tài)的步 驟還包括利用姿態(tài)傳感器，所述姿態(tài)傳感器是從由以下構(gòu)成的組中選 擇出的(i)加速度計(jì)、(ii)磁強(qiáng)計(jì)、和(iii)陀螺儀。
15. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括利用環(huán)狀線圏生成所述測(cè) 量電流。
16. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括使用電流測(cè)量裝置提供測(cè)量電流的值。
17. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括基于所確定的到地層中的 界面的距離，在鉆井中設(shè)置套管。
18. —種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其與用于在地層中鉆井期間測(cè)量地層 的所關(guān)心的參數(shù)的設(shè)備一起使用，所述設(shè)備包括U)在井底鉆具(BHA)上被傳送的鉆頭，所述鉆頭被配置為 進(jìn)行鉆井；(b) 鉆頭上的電極，其被配置為將測(cè)量電流傳送到地層中，所 述電極與所述鉆頭電絕緣；以及(c) 功率源，其被配置為生成測(cè)量電流，并且將鉆頭保持在一個(gè)電位，所述電位的值基本上等于所述電極的電位； 該介質(zhì)還包括指令，所述指令使處理器能夠(d) 使用所述電位的值和所述電流的值以估計(jì)所關(guān)心的參數(shù)的 值，以及(e) 將所關(guān)心的參數(shù)的所估計(jì)的值記錄在合適的介質(zhì)上。
19. 如權(quán)利要求18所述的介質(zhì)，還包括以下中的至少之一(i) ROM、 (ii) EPROM、 (iii) EEPROM、 ( iv )閃存、和(v)光盤。
全文摘要
公開(kāi)一種在MWD裝置中獲得包圍鉆井的地層的電阻率測(cè)量的方法和設(shè)備，其使用鉆頭和鉆梃的相鄰部分作為聚焦電極，用于將測(cè)量電流從鉆頭的端面或側(cè)面上的測(cè)量電極聚焦。本發(fā)明提供了觀察鉆頭前方以及圍繞鉆頭按照方位角觀察的能力。
文檔編號(hào)G01V3/00GK101460868SQ200780020921
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者克里斯汀·佛達(dá), 馬修斯·格萊克 申請(qǐng)人:貝克休斯公司