油基泥漿中的感應式電阻率成像原理和設備的製作方法
2023-10-04 17:29:14 1
專利名稱：油基泥漿中的感應式電阻率成像原理和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及測井。具體地說，本發明是使用電學方法來成像地下地層的裝置和方法。
背景技術：
Birdwell(美國專利3,365,658)講述了使用聚焦電極來確定地下地層的電阻率。將調查電流從中心調查電極發送到相鄰地層。通過使用從與調查電極相鄰並位於其側面的附近聚焦電極發出的聚焦電流，將所述調查電流聚焦成從井眼向外的相對窄電流束。Ajam等人(美國專利4,122,387)公開了一種裝置，其中，可以通過位於探測儀上的保護電極系統，在穿過地層距離井眼的不同橫向距離上進行同時測井記錄，所述探測儀通過測井電纜下降到井眼中。單個振蕩器控制在距離井眼的所需不同橫向深度流過地層的兩個地層電流的頻率。測井電纜的保護外殼用作保護電極系統之一的電流迴路，以及電纜電極組中正好在測井探測儀之上的電纜電極用作第二保護電極系統的電流迴路。還公開了測量電纜電極組中的電極與保護電極系統之間的參考電壓的兩個實施例。
人們提出了使用測量電極陣列來研究地層的技術。例如，參見授權給Baker的美國專利第2,930,969號、授權給Mann等人的加拿大專利第685,727號、授權給Gianzero的美國專利第4,468,623號和授權給Dory等人的美國專利第5,502,686號。Baker的專利提出了多個電極，每個電極由通過軟線與按鈕電連接的按鈕和嵌入軟管表面的電線構成。Mann的專利提出了安裝在工具或貼片上並且每一個依次引入用於地層的電研究的分立可測量調查電流的小電極按鈕陣列。電極按鈕處在水平面中，電極之間存在環形間隔，並且描述了依次激發和測量來自電極的調查電流的設備。
Gianzero的專利公開了工具安裝的貼片，每個貼片帶有多個小的測量電極，各自可測量調查電流從所述多個小的測量電極向井壁注入。測量電極排列成這樣的陣列，其中測量電極至少沿著圓周方向(圍繞井眼軸)間隔放置，以便隨著工具沿著井眼移動，將調查電流注入以預定程度相互重疊的井壁分段中。使測量電極小到可以在井眼的圓周鄰接分段上進行詳細電研究，以便獲得井壁附近的地層的地層學跡象以及斷層和它們的取向。在一種技術中，圍繞中心電極配備了測量電極的空間閉環陣列，該陣列用於檢測中心電極所注入的電能的空間圖案。在另一個實施例中，配備了測量電極的線性陣列，以便在井眼的圓周有效鄰接分段上將電流注入地層中。電流的分立部分可分開測量，以便隨著工具沿著井眼移動，獲取代表來自陣列的電流密度的多個調查信號，並從中可以導出井眼的圓周連續分段的詳細電圖。在測量電極陣列的另一種形式中，將它們排列成諸如圓形的閉環，以便能夠直接測量異常的電阻率取向。
Dory的專利公開了將聲傳感器與貼片安裝的電極結合在一起使用。由於在大直徑井眼中貼片未必完全覆蓋井眼的事實，使用聲傳感器可以填補通過使用貼片安裝電極獲得的圖像中的空隙。
其全文在這裡通過引用而併入的授權給Evans等人的美國專利6,714,014公開了適用於水基泥漿(WBM，water based mud)和油基泥漿(OBM，oil based mud)的電阻率成像的設備。公開在Evans』014專利中的設備基本上是纜繩測井設備。授權給Evans的美國專利6600321是Evans』374申請的一種修正，適用於邊鑽邊測(MWD，measurement while drilling)應用。這兩個Evans專利都使用了與地層接觸的貼片安裝的電極。
上面描述的設備是將電流注入地層中的電流設備。除了Evan的專利之外，它們只在井眼中充滿導電液體時才工作。授權給Ritter等人的2003年9月9日提出並全文在這裡通過引用而併入的美國專利申請第10/657,870號講述了將電流、感應和傳播電阻率設備用於MWD應用中的井眼成像。電阻率傳感器可以安裝在貼片、肋條或穩定器上。這裡具體公開的是屏蔽單極天線和四極電線。另外，還公開了工作頻率為500MHz到1GHz的穿地雷達的使用。Ritter設備的一個實施例涉及使用，例如表面硬化使天線與井壁保持特定偏移的布置。
上面介紹的現有技術都未解決井眼凹凸不平及其對感應測量的影響問題。首先，作為高解析度成像應用，一般說來，未解決「看清」地層的問題。另外，通常，還未解決泥漿電阻率對測量結果的影響。因此，人們希望擁有估計遠離井眼的地層的電阻率的方法和裝置。這樣的方法應該考慮到井壁上的不規則性，以及泥漿電阻率的影響。本發明可以滿足這種需要。
發明內容
本發明的一個實施例是用於確定地層的電導率的方法和裝置。使用至少一個發送器天線和基本上與發送器天線同心的至少一個接收器天線來進行電導率的第一測量。至少一個發送器天線和至少一個接收器天線處在地層中的井眼中的工具上。獲取指示工具到井壁的距離的附加測量結果。使用至少部分通過第二測量結果定義的模型來反演第一測量結果。在本發明的一個實施例中，第一測量結果是感應測量結果。第二測量結果可以是使用聲學測徑器或機械測徑器獲得的測徑器測量結果。
所述模型包括井眼中的泥漿的電阻率。用在反演中的泥漿電阻率可基於實際井底測量結果，或者，它們可以是表面測量結果的溫度校正值。在本發明的一個實施例中，在反演期間不更新模型的空間幾何結構。初始模型和背景模型之間的e.m.f.差δe可以用代數方程的線性系統的形式來近似描述。使用線性化模型，可以計算擾動並加入背景模型中，以給出更新的背景模型。這可以迭代進行直到收斂。
通過結合附圖對本發明的優選實施例進行如下詳細描述，與本發明的結構和操作方法有關、認為是本發明特性的新特徵，以及本發明的目的和優點將得到更好理解，其中，通過例子例示本發明只是為了例示和描述，而不是打算作為本發明的限制性定義，以及其中 圖1(現有技術)是鑽探系統的示意性例示； 圖2例示了本發明有關鑽鋌的一個實施例； 圖3是井眼中包括發送器和接收器的測井工具的橫截面圖； 圖4示出了用在本發明一個實施例中的平面層近似； 圖5示出了井眼尺寸變化的截面圖； 圖6例示了環形天線的布置； 圖7示出了用於評估本發明的方法的示範性模型； 圖8示出了與圖7的模型相對應的背景模型； 圖9a和9b示出了圖6的天線對圖7的模型的響應； 圖10示出了使用本發明的方法對圖9a和9b所示的響應進行了一次和四次迭代之後的結果； 圖11示出了用於評估本發明的方法的示範性3-D模型； 圖12示出了與圖11的模型相對應的背景模型； 圖13a和13b示出了圖6的天線對圖11的模型的響應； 圖14a和14b示出了使用本發明的方法對圖13a和13b所示的響應進行了一次和四次迭代之後的結果；以及 圖15是例示本發明一個實施例的方法的流程圖。
具體實施例方式 在討論油基泥漿中的感應式電阻率成像的特定方法和硬體之前，先討論這樣的方法和硬體所基於的原理。這裡的分析包括到目前為止有些還沒有解決的井眼凹凸不平的影響。
圖1示出了帶有鑽繩20的鑽探系統10的示意圖，鑽繩20攜帶在「井筒」或「井眼」26中傳送的鑽探組件90(也稱為井底組件或「BHA」)，用於鑽探井筒。鑽探系統10包括立在支承轉臺14的地板12上的傳統井架11，諸如電動機的原動機使轉臺14以所需轉速旋轉。鑽繩20包括從地面向下延伸到井眼26的諸如鑽杆22的管材或盤旋管材。當將鑽杆22用作管材時，將鑽繩20壓入井筒26中。但是，對於盤旋管材應用，將諸如注射器(未示出)的管材注入器用於將管材從諸如捲軸(未示出)的源移入井筒26中。當旋轉以鑽探井眼26時，附在鑽繩末端的鑽頭50打碎地質層。如果使用鑽杆22，鑽繩20通過凱氏(Kelly)聯杆21、轉座28和穿過滑輪23的線29與絞車30耦合。在鑽探操作期間，通過操作絞車30來控制鑽頭上重量，鑽頭上重量是影響穿透速率的重要參數。絞車30的操作在現有技術中是眾所周知的，因此，這裡不作詳細描述。
在鑽探操作期間，泥漿泵34使來自泥漿坑(源)32的適當鑽探流體31在壓力下在鑽繩20中的通道內循環。鑽探流體通過消湧器、流線38和凱氏聯杆21從泥漿泵34流入鑽繩20中。鑽探流體31通過鑽頭50中的開口排放在井眼底部51。鑽探流體31通過鑽繩20和井眼26之間的環形空間27向井上循環，並通過返回線35返回到泥漿坑32。鑽探流體31起潤滑鑽頭50以及從鑽頭50帶走井眼切片或碎片的作用。最好放置在流線38中的傳感器S1提供有關流體流速的信息。與鑽繩20相關聯的表面轉矩傳感器S2和傳感器S3分別提供有關鑽繩的轉矩和轉速的信息。另外，與線29相關聯的傳感器(未示出)用於提供鑽繩20的掛鈎負載。
在本發明的一個實施例中，只通過轉動鑽杆22來旋轉鑽頭50。在本發明的另一個實施例中，將井下電機55(泥漿電機)放置在鑽探組件90中以轉動鑽頭50，並且，如有需要，通常轉動鑽杆22來補充轉動力並影響鑽探方向的變化。
在圖1的實施例中，泥漿電機55通過放置在軸承組件57中的驅動軸(未示出)與鑽頭50耦合。當鑽探流體31在壓力下流過泥漿電機55時，泥漿電機55轉動鑽頭50。軸承組件57支持鑽頭的徑向和軸向力。與軸承組件57耦合的穩定器58用作泥漿電機組件的最低部分的定中器。
通信分段72、電源單元78和MWD工具79都與鑽繩20串聯。將例如彎曲分段用於連接鑽探組件90中的MWD工具79。這種分段和工具形成鑽繩20和鑽頭50之間的井底鑽探組件90。鑽探組件90一邊鑽探井眼26，一邊進行包括脈衝核磁共振測量的各種測量。通信分段72獲取信號和測量結果，並且使用例如雙向遙測技術傳送信號，以便在地面上加以處理。可替代地，也可以使用鑽探組件90中的井下處理器來處理信號。
地面控制單元或處理器40也接收來自其它井下傳感器和設備的信號、以及來自用在系統10中的傳感器S1-S3傳感器和其它傳感器的信號，並且根據提供給地面控制單元40的編程指令來處理這樣的信號。地面控制單元40將所需鑽探參數和其它信息顯示在操作人員使用的顯示器/監視器42上，以控制鑽探操作。地面控制單元40通常包括基於計算機或微處理器的處理系統、存儲程序或模型和數據的存儲器、記錄數據的記錄器和其它外設。控制單元40通常適用於當出現某些不安全或不期望的工作狀況時啟動警報器44。
現在轉到圖2，圖2示出了用於MWD應用的電阻率傳感器的一種配置。所示的是帶有凹進部分103的鑽鋌101的截面。鑽鋌形成上面討論過的用於鑽探井筒的井底組件(BHA)的一部分。就本文來言，BHA也可以指井下組件。在凹進部分內，存在發送器天線109和基本上與發送器天線同心的兩個接收器天線105、107(遠的接收器或接收器R2和近的接收器或接收器R1)。請注意，術語「同心」具有兩種詞典定義。一種是「具有公共中心」，另一種是「具有公共軸」。這裡使用的術語「同心」旨在涵蓋該術語的兩種含義。可以看出，發送器天線和接收器天線的軸基本上與工具(和傳送它的井眼)的縱軸正交。根據模擬結果(未示出)可以發現，發送器天線的軸與井眼(和工具)軸平行給不出足夠的解析度。
接著，在充滿油基泥漿的示範性井眼的上下文中討論諸如公開在圖2中的感應式測井工具的操作。井壁是不規則的。需要作為方位角和深度兩者的函數來確定井壁後面的電阻率。確定電阻率的陣列應該安裝在側壁貼片上。在圖3中示出了介質和貼片的一般示意性表示。
如圖3所示的是其中含有泥漿的井眼157和井壁151。可以看出，由於凹凸不平，井壁是不規則的。電阻率測量工具上的天線的金屬部分用155表示，絕緣部分用153表示。
在圖3中用極坐標系{r，，z}表示。垂直軸z與井眼軸一致並指向下方(即，紙內)。井眼半徑被認為是方位角和深度兩者的函數。
rw＝f(，z)(1) 將井眼標稱半徑指定為rd。並且，假設在深度範圍(z1，z2)內到井壁的實際距離值與標稱半徑的平均偏差相對微不足道。
側壁貼片的絕緣區的表面用如下方程描述 rp＝f(1，2，z1，z2，，z)＝c1，z1 ≤z≤z2.(3) 貼片的金屬部分的表面用如下方程描述 rm＝f(1，2，z1，z2，，z)＝c2，z1≤z≤z2.(4) 這裡，Δ＝(2-1)和(z2-z1)是貼片的角尺寸和垂直尺寸，dp＝rp-rm是絕緣體厚度，dm是金屬厚度。
貼片與井壁接觸意味著在區域[1，2，z1，z2]中存在rp＝rw的點。對於其餘的點，服從如下不等式rp＜rw。舉例來說，將側壁貼片的角尺寸取為45°。參照圖4，在井眼標稱直徑rb，貼片尺度是l和lz。對於下面給出的例子，rb是0.108m，以及l和lz被取為0.085m。
在該模型中，油基泥漿電阻率等於103Ω-m，貼片表面上的絕緣區的電阻率是103Ω-m，以及貼片的金屬殼電阻率處於10-6Ω-m的數量級。巖石電阻率在0.1-200Ω-m的範圍內變化。我們考慮貼片絕緣區的徑向厚度是dp＝0.02m，以及貼片金屬區的徑向厚度等於dm＝0.03m的情況。
為了簡化分析，取代如圖3所示的同心邊界模型，我們採用圖4的平面分層模型。貼片表面與平面的相對偏差是 平面中的線性貼片尺寸等於
線性尺寸的相對變化
小於2.5％。
貼片金屬區中的趨膚深度(f是以MHz為單位的頻率)。在頻率f＝1MHz，趨膚深度是5mm。基本上小於徑向厚度dm。因此，可以認為計算結果稍微受這個值影響。
平面近似中的三層模型用直角坐標系(x，y，z)表徵。x軸與貼片表面垂直，並指向圖5的右側。因而，用方程x＝0來描述貼片表面。這個表面劃分成高導電性半空間(貼片金屬部分)和非導電區。後者包括非導電貼片部分和泥漿層。由於井壁不規則，層厚是可變的。「泥漿-介質」邊界方程可以寫成如下形式 在xw≥0， xw＝f(y，z).(5) 邊界凹凸的幅度可以按如下確定 Δxw＝xw-xmin，(6) 其中，xmin＝所有(y，z)的min{xw}。不規則邊界的幅度Δxw平均是0.01m。不均勻導電介質位於這個邊界之外。整個模型顯示在圖5中，其中，151是井壁。該模型的三層包括(i)金屬；(ii)絕緣體和井眼流體；以及(iii)井壁外的地層。
作為場源，選擇與壁接觸設備表面平行並包覆有厚度小於0.01m的絕緣體的電流環。接收環也安裝在這裡。就本發明目的而言，術語「環」和「線圈」可以交換使用。兩個陣列放置在側壁貼片上面。第一陣列由尺寸相對較大(半徑是05l)的兩個同軸電流環組成。兩個環在與貼片表面垂直的方向上相隔0.01m的距離。與發送器環同軸的小環位於中間。環電流之間的比率匹配成在缺乏受研究介質的情況下信號小於噪聲電平。電源電流的頻率選擇成使趨膚深度是不均勻性的特徵尺寸的較大者。
為了研究介質結構，模擬由一組電流環組成的陣列。這些環201、203、205、207、209的定位以及電流方向如圖6所示。以抑制直接環場的方式來選擇測量點和電流方向。測量點在圖6中用五星符號表示。電流環中心之間的距離被指定成d。如果環中心沿z軸隔開d＝dz，以及如果環中心沿y軸隔開d＝dy，測量點總是位於距離環中心相同的距離。實際電流環和接收環位於不同平面上。但是，為了簡化計算，這些環位於相同平面上。
正向建模程序的數學表述如下。中心在點(x0，y0，z0)的半徑r0的水平電流圈用外部感應源來表示。在下文中，x0＝0。單頻電流流入線圈中，電流密度是 這裡，ω＝2πf是角頻率，δ是狄拉克(Dirac)δ函數，以及I0是電流幅度。
電場是
導電非磁性介質(μ＝μ0＝4π·10-7H/m)中的麥克斯韋(Maxwell)方程具有如下形式 其中，和是復電導率，σ是電導率，以及ε是電容率。從方程(8)的系統中，可以給出含源區域中的電場
的亥姆霍茲(Helmholtz)方程 這裡，ξ(x，y，z)是觀察點，是波數。在所有邊界上，切向電場分量是連續的 滿足在無窮大下降的條件 方程(9)與條件(10)-(11)結合定義電場的邊界問題。
下面通過擾動技術得出邊界問題的近似解。假設三維電導率分布可以表示成下列和 σ(ξ)＝σb(z)+δσ(ξ)， (12) 其中，σb(z)是只依賴於Z坐標的一維電導率分布，以及δσ(ξ)是它的相對次要三維分布。擾動值通過如下不等式確定 下文將具有一維電導率分布σb(z)的模型稱為背景模型，以及將相應場稱為正常場。從方程(12)出發，可以將電場描述成背景分量和擾動分量之和 其中，
是背景電場，以及
是它的擾動。
場服從如下方程 這裡，是背景模型的波數。將方程(12)-(13)代入方程(14)中，可以獲得 其中，δk2(ξ)是與某個區域V中電導率的相對次要空間變化相關聯的波數平方的擾動。
從方程(14)和(15)中可以獲得擾動分量
的方程 矢量方程(16)可以使用格林(Green)函數求解。這些函數是相同方程的解，但具有不同右部。
這裡，
和
是普通直角坐標的單位矢量。
然後，從方程(16)和(17)中可以獲得 現在，我們考慮擾動是電導率變化的模型。
如果源環和測量點位於電導率擾動域的外部，那麼，電場
是弗雷德霍爾姆(Fredholm)積分方程的解。
這裡，ξ0(x0，y0，z0)和ξ(x，y，z)是定義源和接收器的位置的點，以及ξ′(x′，y′，z′)是積分點。根據初始方程，磁場和相應格林矢量通過給定電場確定。
正如已知的那樣，磁場
可以從與(19)相似的積分方程中確定。
當確定這些場時，線性近似在於用背景介質中的場代替被積函數(20)和(21)中的整個場。
因此，方位電場分量和水平磁場分量通過如下積分描述。
線性近似的精度依賴於背景模型的選擇、不均勻性的大小和相對對比電導率。作為背景模型，我們使用參照圖5描述的三層平面分層模型。我們引入柱面坐標系(r，，x)，其中，
因此，當源和接收器兩者都位於層中時，水平磁場分量通過如下表達式描述 這裡， h＝x2-x1， (j＝1-貼片金屬部分，j＝2-貼片絕緣體部分，j＝3-被研究介質)， 這裡，具有地層參數的均勻介質中半徑r0的電流環所生成的場的水平磁場分量是 讓我們根據作為次級源場的重疊的(24)和(25)來考慮電導率擾動域上的積分。我們確定與表達式(24)和(25)類似的被積函數。被積函數用相乘形式來描述。電流環的水平磁場分量的異常部分可以表示成來自相應水平和垂直電偶極子的響應的重疊。在這種情況下，這些響應是格林函數，並且這些定義次級源的矩δk2(ξ′)Exz和δk2(ξ′)Exy。餘因子(Exz，Exy)可以定義如下 或 Exz＝sinx1E，Exy＝-cosx1E，
其中， 相應地，來自次級源的垂直磁場分量(Hzx，Hxy)表達成如下形式 或 Hzx＝sinx2Hx，Hxy＝-cosx2Hx， 其中， 具有中心點ξ0、位於層中的觀察點ξ以及次級源和電流積分點ξ′的電流環位於下半空間中。
被積函數的所得表達式採取如下形式 ExzHxy+ExyHyz＝EHxcos(x2-x1). 因此，水平磁場分量通過如下積分表達式來描述
我們接著討論確定與測量信號相對應的電阻率分布的反演問題。根據方程25(a)，初始模型和背景模型之間的e.m.f.差δe可以用代數方程的線性系統的形式來近似描述。
這裡，
是一組測量值的增量，
是一組電導率擾動。A是與擾動域上的積分相對應的線性係數的長方矩陣。矩陣A是測量值相對於背景模型的擾動的偏導數的雅可比(Jacobian)矩陣。
這是使用已知方法從方程(25a)的右側確定的。矩陣的尺度是NF×NP(NF是測量次數，NP是擾動域中的分區數)。
然後，將反演問題的解答減少為目標函數(現場與綜合測井記錄之間的差值)的最小值。
其中，eiE和eiT分別是不同e.m.f.的觀察值和綜合值。
代數方程的線性系統的矢量元
和
被定義為 δσj＝σb-σj， 這裡，下標i＝1，...，NF以及j＝1，...，NP分別是測量次數和j域中電導率的值。
讓我們在模型參數附近將反演問題線性化。如果 函數F達到最小值。
這裡，A-1是靈敏度矩陣，是矩陣元。
我們考慮重構介質中的電阻率分布的幾個例子。如圖7所示的是井壁的二維凹凸。假設凹凸在長度0.2m範圍內變化(從-0.1m到0.1m)。它的最大幅度是0.025m。工作頻率等於20MHz。
考慮兩種模型。第一種模型是二維的(電阻率沿著y軸不變)。沿著井壁的電阻率分布如圖7所示。電阻率像所指的那樣，以及井壁由151′給出。第二種模型是三維的。在平面y＝±0.025中的電阻率分布如圖11所示。在y＝0，電阻率分布與二維模型(圖7)的相同。背景模型電阻率等於10Ω·m。子域的電阻率從5到35Ω·m。所有子域的寬度相同，並且是0.025或0.05m。
當確定平均電阻率時，使用如圖2所示那種類型的陣列。發生器環中的電流被給出與正常e.m.f.的比值成正比。
在這樣的系統中測量的信號主要依賴於被研究介質的平均電阻率。
在圖8中，示出了通過如圖2所示那種類型的陣列進行測量所獲得的背景介質中的電阻率分布251。在圖9a中，示出了三個陣列dz＝2r0＝0.05m和dz＝±r0＝±0.025m的綜合測井記錄301、303、305。參見圖6，陣列中心位於沿著z軸。陣列可以沿著z軸移動。分立環的正常信號(在「金屬-絕緣體」介質中)是e0≈6V。在補償係數10-3，貼片金屬部分的影響將小於6mV。在這種情況下，有用信號達到400mV的值。
在圖9b中，示出了用於相同陣列的綜合測井記錄307、309、311，但陣列中心沿著y軸設置。陣列可以沿著z軸移動。在這種情況下，有用信號大約小於前一種情況2-3倍，並不會超過150mV。
圖10示出了一次迭代321之後和四次迭代323之後圖9a和9b的測井記錄的反演結果。在四次迭代時，結果收斂成非常接近真正的電阻率(與圖7中的電阻率值相比)。下面討論迭代過程。
接著，考慮基於二維模型的三維模型。在3-D模型中，在y＝0，2D和3D分布兩者是相同的。3D電阻率分布顯示在圖11中。如圖12所示的是通過圖2所示的第一種類型的差分陣列進行測量所獲得的平均1D電阻率分布。在圖13a中，示出了三個陣列-中心陣列(203和207)(dz＝2r0＝0.05m)和兩個對稱陣列(203和209；207和209)(dz＝±r0＝±0.025m)的綜合測井記錄。測量信號範圍從-350到250mV。此時，我們可以在測井記錄上看到出現在系統穿過層邊界的點的大量極值。在圖13b中，示出了當陣列沿著z軸移動時環中心沿著y軸設置的陣列的測井記錄。在這種情況下，信號基本上變成小於圖13a中的信號，並且它的範圍從-50到40mV。極值的數量也減少(尤其對於通過中心陣列獲得的測井記錄)。對反演問題的解答導致幾乎沒有失真地重構3D分布。這顯示在圖14a和14b中。
圖14a所示的是一次迭代401和四次迭代403之後，y≤0.05m的反演結果。圖14b示出了一次迭代405和四次迭代407之後，y≥0.05m的反演結果。這些結構與圖11中的模型非常一致。
迭代過程的簡要說明如下。參照圖15，如上所述，初始模型451是反演的起點。使用上面討論的雅可比矩陣A(453)，使用方程(26)獲取對於電導率模型的擾動(455)。具體地說，使用雅可比矩陣來反演測量結果和模型輸出之間的差值。將這個擾動加入初始模型中(457)，並且，在可選平滑之後，獲取新模型。檢驗新模型的輸出與測量結果之間的收斂(459)，如果滿足收斂條件，則停止反演(461)。如果未滿足收斂條件，則接著使用新的雅可比矩陣重複線性化(453)。收斂條件可以是指定迭代次數，或者可以是擾動的範數變得小於閾值。
反演過程的一個重要方面是定義初始模型。初始模型包含兩個部分井壁的空間配置和包括井眼和地層的背景電導率模型。在本發明的一個實施例中，使用聲學測徑器或機械測徑器來進行測徑器測量。在授權給Priest、具有與本發明相同的受讓人以及在這裡通過引用而併入全文的美國專利5737277中討論了聲學測徑器。機械測徑器在現有技術中是眾所周知的。授權給Lechen和具有與本申請相同的受讓人的美國專利6560889講述和闡明了使用磁阻傳感器來確定測徑器臂的位置。
測徑器測量結果定義模型的空間幾何結構。在反演期間不更新模型的空間幾何結構。井眼泥漿電阻率用作模型中的輸入參數。可以通過在表面獲取泥漿樣品來確定泥漿電阻率。可替代地，泥漿的電阻率可以使用適當井下設備作出。授權給Fabris等人、具有與本發明相同的受讓人並在這裡通過引用而併入的美國專利6801039講述了將散焦測量用於確定泥漿電阻率。如果進行泥漿電阻率的表面測量，那麼，可以通過使用現有技術中已知的公式對測量的泥漿電阻率作出諸如溫度的井下因素的校正。
藉助於井壁的幾何結構，可以確定固定數量的、確定方程26的雅可比矩陣所需的方程25(a)中的積分。在圖5的三層模型中，只有改變的電阻率才是地層-具有已知特性的井眼流體中的那些電阻率。如上所述，使用圖6所示那種類型的多個電流環，可以在測量貼片上的不同位置獲取測井記錄。來自多個環的一組組合測量結果可以是相應於諸如圖11所示的3-D電阻率模型的反演數據。如上所述，可以反演2-D或數據。
上面參照在鑽管上傳入井眼中，並在鑽探期間作出測量的設備對本發明作了描述。數據處理可以使用適當位置上的井下處理器在井下完成。如有必要，也可以以壓縮形式將至少一部分井下數據存儲在適當存儲設備中。當以後在鑽繩裝卸期間檢索存儲設備時，可以從存儲設備中檢索數據，並且在井上處理它。由於該方法和裝置的感應性，本發明可以與油基泥漿(OBM)和水基泥漿(WBM)一起使用。本發明也可以具體化成使用適當記錄工具進行的測量的纜繩實現。
數據處理可以由井下處理器完成，以基本上實時地給出校正的測量結果。可替代地，可以在井下記錄測量結果，當裝卸鑽繩時檢索，並使用地面處理器處理。隱含在數據控制和處理中的是使用適當機器可讀介質上的使處理器能夠進行控制和處理的電腦程式。機器可讀介質可以包括ROM、EPROM、EEPROM、閃速存儲器和光碟。
雖然前面的公開針對本發明的優選實施例，但各種各樣的修改對於本領域的普通技術人員來說是顯而易見的。前面的公開試圖包含所附權利要求書的精神和範圍內的所有變化。
參照如下定義可以更好地理解本發明的範圍 測徑器用於測量套管、管材或敞開井眼的內徑的設備； 線圈能夠產生磁場的一匝或幾匝可能圓形或柱形的載流導體； EAROM電可改寫ROM； EEPROMEEPROM是可以通過暴露於電荷可擦除的特殊類型PROM； EPROM可擦除可編程ROM； 閃速存儲器可重寫的非易失性存儲器； 感應通過改變與電路連結的磁通量而在電路中感應電動勢； 初始模型由兩個部分組成的地層的一個區域的特性的初始數學表徵井壁的空間配置和包括井眼和地層的平滑背景電導率模型； 反演從場數據中導出描述與數據一致的地下的模型； 機器可讀介質可以以計算機或處理器可理解的形式存儲信息的物品； 光碟使用光學方法來存儲和檢索信息的盤狀介質； 電阻率單位橫截面積和單位長度的導體電阻；確定電阻率等效於確定它的倒數，即，電導率； ROM只讀存儲器； 光滑線用於井眼硬體的選擇性放置和取出的細的非電纜線； 垂直電阻率與各向異性軸平行的方向上、通常與地層的層面垂直的方向上的電阻率； 纜繩用於在井眼中進行測量的多股線纜。
權利要求
1.一種確定地層的電導率的方法，該方法包含
(a)使用位於地層中的井眼中的工具上的至少一個發送器線圈(環)和至少一個接收器線圈，來進行電導率的第一測量；
(b)獲取指示從工具到井壁的距離的第二測量結果；以及
(c)使用至少部分由第二測量結果定義的初始模型來反演第一測量結果。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，獲取第二測量結果進一步包含使用下面的至少一個(i)聲學測徑器，和(ii)機械測徑器。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述初始模型包含在多個空間位置從工具到井壁的距離。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，定義初始模型進一步包含(i)獲取地層的背景電阻率，和(ii)獲取井眼中的流體的電阻率。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，反演第一測量結果進一步包含
(i)確定第一測量結果和初始模型的輸出之間的差值；和
(ii)通過將從差值中確定的擾動加入初始模型中來獲取更新的模型。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，確定擾動進一步包含使用從初始模型中確定的雅可比矩陣。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，更新的模型是如下之一(i)1-D模型，(ii)2-D模型，和(iii)3-D模型。
8.根據權利要求1所述的方法，進一步使用從下面選擇的傳送設備將測井工具傳送到井眼中(i)纜繩，(ii)鑽管，和(iii)光滑線。
9.一種用於確定地層的電導率的裝置，該裝置包含
(a)位於地層中的井眼中的工具上的至少一個發送器線圈(環)和至少一個接收器線圈，所述至少一個接收器響應於所述至少一個發送器線圈的激活，產生指示電導率的第一測量結果；
(b)測徑器，產生指示從工具到井壁的距離的第二測量結果；以及
(c)處理器，用於
(A)至少部分基於第二測量結果來定義初始模型；和
(B)使用初始模型來反演第一測量結果。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述測徑器包含下面的至少一個(i)聲學測徑器，和(ii)機械測徑器。
11.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述處理器使用在多個空間位置從工具到井壁的距離來定義初始模型。
12.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述初始模型進一步包含(i)地層的背景電阻率，和(ii)井眼中的流體的電阻率。
13.根據權利要求12所述的裝置，進一步包含
(i)第一電阻率測量設備，用於產生指示背景電阻率的輸出，並對井壁中的變化基本上不敏感，和
(ii)第二未聚焦電阻率測量設備，用於產生指示流體的電阻率的輸出。
14.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述處理器通過進一步執行如下操作來反演第一測量結果
(i)確定第一測量結果和初始模型的輸出之間的差值；和
(ii)通過將從差值中確定的擾動加入初始模型中來獲取更新的模型。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述處理器通過進一步使用從初始模型中確定的雅可比矩陣來確定擾動。
16.根據權利要求15所述的裝置，其中，更新的模型是如下之一(i)1-D模型，(ii)2-D模型，和(iii)3-D模型。
17.根據權利要求9所述的裝置，進一步包含將測井工具傳送到井眼中的傳送設備，該傳送設備是從如下選擇的(i)纜繩，(ii)鑽管，和(iii)光滑線。
18.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述處理器處於從如下選擇的位置(i)井下位置，(i)地面位置，和(iii)遠程位置。
19.一種與確定地層的電導率的裝置一起使用的機器可讀介質，所述裝置包含
(a)位於地層中的井眼中的工具上的至少一個發送器線圈(環)和至少一個接收器線圈，所述至少一個接收器響應於所述至少一個發送器線圈的激活，產生指示電導率的第一測量結果；和
(b)測徑器，產生指示從工具到井壁的距離的第二測量結果；
所述介質包含使處理器能夠執行如下操作的指令
(c)至少部分基於第二測量結果來定義初始模型；和
(d)使用初始模型來反演第一測量結果。
20.根據權利要求19所述的介質，進一步包含如下的至少一個(i)ROM，(ii)EAROM，(iii)EPROM，(iv)EEPROM，(v)閃速存儲器，和(vi)光碟。
全文摘要
具有發送器天線和接收器天線的感應式測井工具用於進行地層的測量。天線可以安裝在用於MWD應用的井底組件的心軸上，或可以是貼片安裝的用於纜繩應用。使用線性化模型來反演感應測量結果。部分從測徑器測量結果中確定模型參數。
文檔編號G01V3/38GK101116011SQ200580047791
公開日2008年1月30日 申請日期2005年12月16日 優先權日2004年12月17日
發明者列昂季耶·A·塔巴羅夫斯基, 亞歷山大·N·貝斯帕羅夫, 米哈伊爾·艾普夫 申請人:貝克休斯公司