欠平衡鑽探時測地巖層所產水的存在和深度的方法和設備的製作方法

2023-06-05 03:51:21 2

專利名稱：欠平衡鑽探時測地巖層所產水的存在和深度的方法和設備的製作方法
背景技術：
在鑽井時或在新鑽的孔中測量地巖層特性，以預測在地巖層中石油、氣體和水的存在。這些地巖層特性可以用有線工具、隨鑽測井(LWD)工具或隨鑽測量(MWD)工具來記錄。測量通常開孔進行，由於井筒裝有超過井底壓力的靜壓力的流體，從而地巖層不產生任何流體到井筒中。因此，在這種情況下，井筒流體測量通常不含有關地巖層流體的信息。
地巖層特性的開孔測量可以認為是靜態的，因為沒有地巖層流體運動，可以用於推斷在開採井時的地巖層的動態特性。當開採井時，井筒中的壓力小於井底壓力。當通過稱為欠平衡鑽探(Under Balanced Drilling)或UBD新技術時可以達到這種條件。在這種情況下，井被同時鑽探和開採，因而在這種井筒流體測量時，可以包含有關從地巖層產生的流體的信息。
如果是欠平衡鑽探，當鑽探井筒時，大量鑽井液通過鑽杆柱(drill string)泵送到井筒內。鑽井液有助於冷卻鑽頭的切削表面，並且當它們經環形空間(annulus)向上流動到地面時，有助於帶出從井筒底部切削的泥土。為了保證在這種欠平衡鑽探過程中地巖層流體流入井筒，在稍微低於期望的地巖層壓力的壓力情況下泵送鑽井液。當遇到土壤地巖層的滲透和高壓帶時，鑽井液的較低靜壓可以導致從地巖層井筒的流體大幅度增加。這種流體形成的檢測可以用於估計井的流入勢能、和利用相應於井的整體變化改變這種流入。從地巖層累積的流體流形成可以在地面檢測。但是，為了確定每個單獨有助於這種流體形成的準確深度，期望有在鑽井時檢測靠近鑽頭的井筒環形空間中的體積流量的裝置。
所激活的流體段(a slug of fluid)的飛行時間(Time-of-flight)測量用於關於水流測井(Water Flow Log)(WFL)的現有技術中。在WFL作業中，細長工具降到生產井中，井筒流體段被激活，然後，持續相對長的時段，以確定流量。在這個過程中，激勵源諸如脈衝中子發生器(Pulse NeutronGenerator)(PNG)通常關閉，僅非常短暫地激活，以用中子猝發來周期性地標記流體段。
期望提供有關欠平衡鑽探的方法和設備，用於確定在井筒給定深度的各種參數。特別期望從電阻率記錄確定不可辨別的導水裂隙的深度。通過確定這些深度，可以設計適當的完井，以便阻擋不期望的水流，例如，通過改變井中後來安裝的生產管。

發明內容
根據本發明的實施例，在欠平衡鑽探環境中確定打孔參數的方法包括在欠平衡鑽探時選擇性地激活從地巖層流過井筒的第一流體；檢測所激活的第一流體，並檢測所述流體進入井筒的深度。
在鑽探環境中用於確定井下參數的工具是適於放置在鑽杆柱中的工具，其中該工具具有沿其鑽杆柱軸分開一距離d的激活裝置(6)和伽瑪射線檢測器(7)。所述工具還包括控制電路，可操作為開啟激活裝置(6)以選擇性地激活從地巖層通過所述工具的第一流體；和處理裝置(17)，響應伽瑪射線檢測器(7)，用於確定第一流體的激活流體段流過伽瑪射線檢測器(7)的時間，並且用於確定所述第一流體被檢測的深度。本發明的其它方面和優點從下面的說明書和附加的權利要求顯而易見。


圖1表示根據本發明一個實施例的LWD工具。
圖2表示根據本發明實施例的LWD工具的電路示意圖。
圖3表示本發明用於確定飛行時間的方法的實施例的流程圖。和圖4表示本發明用於確定在欠平衡鑽探的地巖層中發現水的深度的方法的實施例的流程圖。
具體實施例方式
本發明的實施例依靠在井中向上流到井筒和鑽探工具之間環形空間的表面的氧的激活。在激活過程中，在形成的流體中的氧原子受到高能中子轟擊而從穩定的原子轉換成放射性原子。當氧16原子被中子擊中時，質子能釋放出核子，同時吸收中子和產生放射性氮16原子。由於半衰期大約為7.1秒，氮16通過發射β粒子衰減成氧16。由氮16β衰減產生的氧16是在激發狀態，並且它通過伽瑪射線發射釋放激發能。伽瑪射線發射用伽瑪射線檢測器檢測。
圖1表示地巖層評價工具的一個實施例，諸如在井筒2中的LWD工具3。LWD工具是部分鑽杆柱14。在其它裝置中，LWD工具3包括激活裝置，其在一個實施例中是PNG 6；和激活檢測器，其在一個實施例中是間隔已知距離d的伽瑪射線檢測器7。PNG 6具有激活區11，其中原子通過從PNG6發射的中子激活。當從地巖層產生的含水鑽井液向上(箭頭所指的方向)流到在LWD工具3和井筒壁5之間的環形空間，在流體中的氧被激活，並通過激活區11。當所激活的流體通過伽瑪射線檢測器7附近時，檢測由所激活的氧發射的伽瑪射線。當所激活的流體到達伽瑪射線檢測器7時，檢測到伽瑪射線計數率的增加。在PNG 6脈衝開始和伽瑪射線計數率增加的檢測之間的時間，是反應激活流體從PNG 6傳輸到伽瑪射線檢測器7的時間。該時間在下面稱為「飛行時間(time-of-fight)」可以選擇在PNG 6和伽瑪射線檢測器7之間的距離d，以優化所激活流體段的檢測。如果距離d太短，檢測器接收非常大量所激活的地巖層中的氧，因為土壤地巖層中存在的多數礦物包含充足的氧量。儘管這可測量和可重複，但在計數中的統計變化可能使測量更不準確。另一方面，如果距離d太長，那麼在當PNG脈衝停止時和當檢測激活的流體時之間消耗太多時間，從而使檢測不可靠。通常，可以選擇距離d使得對於正常流速，d小於流體在環形空間中行進大約30秒的距離。
伽瑪射線檢測器7可以是用於中子/伽瑪射線工具的任何常規檢測器。在這種情況下，伽瑪射線檢測器7的能量窗口設定成檢測所激活的氧發射的伽瑪射線。另外，伽瑪射線檢測器7可以是用於所激活的氧發射的伽瑪射線的專用檢測器。在環形空間中的流體速度可以利用飛行時間和PNG 6與伽瑪射線檢測器7之間的已知距離d來計算。等式1表示計算流體速度的一個公式Vm=dt---(1)]]>其中d是PNG 6和伽瑪射線檢測器7之間的距離，t是飛行時間，Vm是流體速度。流體速度可以用於計算其它井下參數，諸如流體體積流量(fluidvolumetric flow rate)。
圖2表示部分地巖層評價工具的示意圖，諸如圖1的LWD工具3。如上所述，LWD工具包括PNG 6和分開一已知距離「d」的伽瑪射線檢測器7。在給定的LWD工具的商業器具中，除了各種其它發射器和傳感器之外，根據工具的設計，工具包括各種電路。例如，LWD工具的控制和處理電路的精確設計與本發明沒有密切關係，因此，在此不詳細描述。但是，在最小限度，應該理解LWD工具3包括設置成在期望時間激活和鈍化PNG 6的控制電路15。此外，如該實施例所示，控制電路15還可控制伽瑪射線檢測器7。
伽瑪射線檢測器7的輸出施加到處理電路，其對本實例來說簡單地表示為處理器17。處理器17例如可以進行上述等式(1)所述的流體速度計算。此外，處理器17可以進行下面實施例的其它計算。本領域技術人員認可處理器17致力於本發明的功能性，或者很可能是對於所述工具的普通功能的處理器。
一旦處理器17完成期望的計算，處理器輸出結果到存儲介質(用於後面恢復)或輸出裝置(用於經過信道傳輸到表面)。存在用於這種裝置的各種結構並且對本領域技術人員來說是公知的。為了說明起見，這些裝置一般表示為輸出設備/存儲器19。
圖3是表示本發明的流程圖，如上所述，用於在鑽探環境中確定流體的飛行時間。首先，在步驟301中所示，PNG不操作，即，是處於通常「關閉」狀態。接下來，在步驟302中，當PNG開啟時，PNG脈衝足夠的時間周期，讓流體段流過激活區(圖1中的11)。選擇脈衝的持續時間，使得所激活的流體段尺寸足以導致在伽瑪射線檢測器中伽瑪射線計數率的可檢測增加。在步驟303中，在距PNG一已知的距離檢測伽瑪射線計數率的增加。如上所述，這可以利用本領域公知的任何伽瑪射線檢測器或專用於由激活的氧發射的伽瑪射線的檢測器來進行。然後，在步驟304中，計算所激活的流體段從PNG傳輸到伽瑪檢測器的飛行時間。
根據本發明的各種實施例可以確定不同的參數。首先，如上面詳細的解釋，PNG用於標記流體段，並且測量直到標記的流體段被伽瑪射線傳感器檢測的時間(飛行時間)。然後，飛行時間可以用於確定其它有關參數。在一個實施例中，給定在PNG和伽瑪射線檢測器之間已知距離「d」，上述等式(1)可以用於確定流體段速度。
有些LWD工具可以包括設計成在鑽探過程中直接測量井筒直徑的傳感器。這種傳感器的一個實例是超聲波傳感器，其通過測量超聲波脈衝從LWD工具穿透泥漿、在井筒壁反射並且返回LWD工具花費的時間確定井筒直徑，如在EPA02293279.2公開的用於鑽井液的超聲速度測量的方法和設備(Roger Griffiths等)。如果這種傳感器包括在LWD工具中，在距離「d」上的井筒體積可以從直徑計算出來。考慮到在環形空間中有一種流體，本發明的實施例可以用於在環形空間中流體的體積流量的井下測量。如果產生水的速度比鑽井液的速度高得多，那麼這個單相流動的近似值是合理的。特別是，假定在距離「d」上井筒體積是已知的，工具體積是已知的，ROP是已知的或者相對於距離「d」來說可以忽略不計，從等式(2)可以確定流體的體積流量，如在等式中所示Qdh=Vbh-Vtoolt---(2)]]>其中t是飛行時間，Vbh是在距離「d」上的井筒體積，Vtool是在距離「d」上的LWD工具的體積，Qdh是在PNG與伽瑪射線檢測器之間區域流體的體積流量。儘管已知在表面的流體累積體積流量，子表面測量是有用的，因為它提供進入井筒的水深度的精確測量。上述等式假定鑽頭的鑽進速度(ROP)相對於距離「d」可以忽略不計。在多數情況下，這種假定提供好的結果。然而，如上所述，本發明的方法適於考慮鑽頭的鑽進速度，在這些情況下，它不能忽略。
在飛行時間測量的過程中，ROP被認為是用於通過鑽杆柱行進的距離來減小PNG和伽瑪射線檢測器之間的距離。鑽杆柱行進的距離等於ROP乘以飛行時間。因此，考慮ROP等式1可以重寫為Vm=d-(ROPt)t---(3)]]>其中ROP是鑽進速度，d是PNG和伽瑪射線檢測器之間的距離，t飛行時間，和Vm是流體流速。另外，等式1-2適於用距離d-(ROP·t)代替ROP。
在鑽探時，關於圖1和2圖示的LWD工具可以用於確定存在於鄰近所鑽井的地巖層中的產水帶(water producing zone)的深度。因為眾所周知，當鑽井液導入井下區域時，鑽井液的重量產生的靜壓與其密度成比例。井的深度越深，由鑽井液柱產生的靜壓頭壓力越大。蓄水池的地巖層壓力(即，由天然氣和/或石油施加的壓力)改變整個井下區域。當地巖層壓力等於鑽井液的靜壓時，所述流體系統達到平衡。如果地巖層壓力小於鑽井液的靜壓，該系統失去平衡。相反，地巖層壓力大於鑽井液的靜壓造成欠平衡系統。經常減小鑽探泥漿的密度，以利用在鑽井液中的惰性氣體(一般是富氮氣)產生欠平衡的鑽探條件。在欠平衡系統中，地巖層壓力造成氣體和/或石油和/或水進入井筒中的淨流動。
在本發明在此描述的實施例中，選擇鑽井液使得它含有很少氧或，如果可能，不含氧。而且，可以應用使鑽井液到欠平衡地巖層壓力的條件。例如，鑽井液可以包括油、碳氫化合物氣體、或氮，並且大致在欠平衡地巖層壓力的條件下。當井筒在欠平衡的條件下，在鑽探時從地巖層產生流體，就象一生產井一樣。所產生的流體和向下注入鑽杆柱的鑽井液經過鑽探工具向上流到所鑽井筒的環形空間。
當在正常測井操作時，LWD工具3中的PNG 6大多數時間是「開啟」，以產生用於中子記錄測量的中子，在這裡描述的本發明實施例中，PNG多數時間停在「關閉」。根據本發明的實施例，PNG脈衝開啟足夠長時間周期，使向上流過環形空間的特定流體作上標記(激活)。本發明的實施例直接選擇性地標記(激活)從地巖層到井筒而沿環形空間向上流的特定流體。因此，當特定流體被激活時，伴隨的流體(鑽井液和碳氫化合物，最後存在於地巖層中)不會被激活，如果它們被激活，那也只達到相對於伴隨的流體待檢測的特定流體會得到識別的程度。如在此使用的，「激活的流體」意謂著這樣的一段流體(a slug offluid)，即該段流體當PNG脈衝時通過PNG附近的激活區，並且具有大致高於未激活流體(鑽井液)的輻射性，使得伽瑪射線檢測器可以容易地檢測到由於流體的激活產生的伽瑪射線的增加。
在一個實施例中，特定流體是水。如果水存在於井筒環形空間中，那麼在水中的氧被來自PNG的脈衝激活。當激活的流體(水)通過檢測器時，伽瑪射線檢測器7隨著計數率的增加檢測水的激活。由於選擇鑽井液含很少氧或不含氧，因而響應於開啟的PNG，檢測器7進行的伽瑪射線檢測與井筒環形空間中水的存在非常相關。雖然利用不包括氧或很少氧的鑽井液進行選擇性激活，但本發明不限於這個實施例。本領域技術人員應該理解，可以設計可能使用不同於上述那些鑽井液的鑽井液的鑽探系統。這樣的鑽井液可以不同於被檢測的特定流體(在一個實施例中是水)，因為選擇性地產生待檢測的特定流體的標記(激活)，使得所述標記使所述特定流體與所用的鑽井液區分開來。而且，通過查看使特定流體可辨別的標記的其它特性，本領域技術人員可以將待檢測的特定流體的存在與可得到激活的其它流體或元素的存在區別開來。例如，對於來自地巖層的水中的氧，它的存在可以與存在於鑽井液中的也可以被激活的諸如Si和/或Ba的其它元素區別開來，或者與自然伽瑪射線區別開來，因為氧伽瑪射線能量高於來自於Si和/或Ba激活的伽瑪射線能量，或高於自然伽瑪射線能量。而且，當油基鑽井液甚至還含有一些氧時，通過查看所檢測信號的急劇增加，仍可檢測到井筒中來自於地巖層的特定流體的存在與鑽井液的存在不同，檢測信號急劇增加表示除了鑽井液之外的某物突然存在於井筒中。
圖4是本實施例的流程圖，如在此所述，用於確定土壤地巖層中含特定流體(水)帶的深度。首先，在步驟401中，PNG不操作，即，是在通常「關閉」狀態。接下來，在步驟402，PNG脈衝足夠的時間周期，讓含有特定流體的流體段流過激活區(圖1中的11)，同時，PNG開啟並選擇性地激活特定流體，諸如在一個實施例中為水。通過下命令給所述工具，可以改變P NG的脈衝模式。脈衝的持續時間這樣選擇，激活的流體段尺寸足以在伽瑪射線檢測器上產生伽瑪射線計數率的可檢測增加。在步驟403，在距離PNG的已知距離檢測伽瑪射線計數率的增加。如上所述，這可以利用本領域公知伽瑪射線檢測器或專用於由激活的氧發射的伽瑪射線檢測器的任何伽瑪射線檢測器來進行。然後，在步驟404，通過查看在伽瑪射線檢測器中大致增加計數的時間t確定特定流體的相對速度。對於在測量過程中發生的鑽探管移動的實際速度可以進行校正。應該指出，儘管有關圖4說明的方法中，PNG關閉一個時間周期，然後回到開啟，但地巖層中流體的檢測也可以在這樣一個實施例中進行，在該實施例中，初始不關閉PNG，而只是如果水開始從地巖層流入井筒，用檢測器測量出現的伽瑪射線的急劇增加。
已知從PNG檢測器中點到鑽頭的距離、鑽頭鑽進速度和環形空間中流體速度，可以確定該流體進入井筒的地巖層深度。從地面到鑽頭的距離一般通過鑽探管深度的標準測量來確定。當使用靜態實時測井隨鑽測量(staticreal-time logging while drilling measurement)時，從測量傳感器到鑽探工具(鑽頭)的距離表示井筒的「盲」間隔，其在可獲得有關地巖層的任何信息之前穿透。減小這個盲區的長度是很重要的，以避免地巖層鑽探長度產生不需要流體。隨欠平衡鑽探所產生流體的動態測量實際上減小這個盲間隔，因為環形空間流體流動比鑽頭穿透速度快。當鑽頭穿透新的地巖層時，來自該地巖層的流體向上流到新井孔的環形空間，通過鑽探工具中的PNG檢測器測量點。該流體通常以快於鑽探速度幾倍的速度流動。因此，在PNG檢測器傳感器物理地通過該地巖層之前，從新鑽地巖層產生的流體到達PNG檢測器傳感器。因此，即使鑽頭到PNG檢測器的物理距離相對長，可以測量的在地巖層中的流體深度的點差不多在鑽頭上。越快的水檢測，越容易進行充分測量，例如響應終端鑽探(terminating drilling)。
在另一實施例中，本發明提供用於確定在地巖層中存在的特定流體(在一個實例中的水)流量的方法，當環形空間除存在地巖層水之外還存在大量鑽井液時，不可以使用單相流動的近似值。在這種情況下，進行附加測量，以解決用於水流動的環形通流面積的減小比例的問題。該方法依靠用檢測器測量的伽馬射線計數的增加量和飛行時間。計算流量的方法實施例依靠受讓給本申請的受讓人的美國專利5,219,518中公開的方法(′518專利)(MCKeon等)，並且在此併入作為參考。′518專利公開在第一實施例的13欄、15欄53行、13行，其中表示流量「Q」與檢測器檢測的計數數量成比例。Q由下列公式確定Q＝F(V，d，rd，Ld，Tact，Bhod)×Cflow/Stotal其中「Cflow」是表示流動特徵的計數數量，「Stotal」是在輻射期間發射的總中子數，V和d上面已經限定，「rd」是檢測器的半徑，「Ld」是檢測器的長度，「Tact」是輻射周期，「Bhod」包括井筒補償係數。函數「F」可以在實驗室確定，根據不同的環境條件測量測井工具的反應。「Cflow」可以確定為表示流動的特徵面積，諸如在′518專利的圖2A，2B，3A，3B所示的峰值，或在圖7A，7B，7C上的拉長區域700，701，702。「面積」意味著用指數衰減曲線劃界的特徵面積。在′518專利的圖5A，5B和6的實例中，「Cflow」面積對應於稱為FLOWING的各個陰影區，而在′518專利的圖4A，4B的實例中，「Cflow」面積對應於各個陰影區。「Stotal」可以在實驗室設備中或者在井筒測量期間的狀況用已知的方法計算。例如，在受讓給斯倫貝謝技術公司(Schlumberger Technology Corporation)美國專利No.4,760,252中描述的方法可能是合適的。根據′518專利的第二實施例尤其合適，但是不排斥低速流動，流量「Q」可以通過′518專利的圖7A，7B，7C和圖8所述的步驟確定。′518專利的圖8表示代表流動計數對流量的坐標圖(每天測量的桶；100桶明顯等於15.9m3)。′518專利的圖8的坐標圖是在測量前的參考坐標，或者利用實驗室設備或者用模型計算。根據在′518專利公開的發明，發現至少對於低速，涉及低流量計數(表示流動)是線性的。一旦獲得計數率對時間(在測量時)的實際坐標圖，那麼，計算在所述實際坐標圖上代表流動的特徵面積，給出表示流動的計數數量。然後，參照′518專利的圖8的參考坐標確定實際流量，用於相應於所述實際計數的數量的流量值。
在環形空間中流動的流體通常包括鑽井液和產生的流體的組合。在一個實施例中，鑽井液包括油，並且所測流體是產生的水。當產生的水比率不大於油鑽井液時，在環形空間中油和水的混合物可以作為兩相流動來對待。除了飛行時間之外，確定水流量的一種方法是利用前面描述的所增加計數的量。確定水流量的另一種方法是形成平均水體積分數(「持率」)的分離測量，然後根據等式結合水速度和環形通流面積qw＝HwvwA (4)其中qw是水流量，Hw是持水率，vw是水的速度，和A是環形通流面積。
持水率是在環形通流面積中水的比例。持水率測量象水速度測量一樣，儘可能在時間和位置上靠近進行。下面描述基於不同的持水率測量確定水流量的兩種方法。
在一個實施例中，本發明提供一種通過從欠平衡井的井筒環形空間的電阻率確定水速度(如上所述)和持水率而測量產生的油和水流量的方法。井利用流體(諸如上述的一種)鑽探，其相對水中所含的氧來說不含氧或含很少氧。在大致相同的時間和大致相同的井筒深度進行水速度和井筒流體的電阻率的判斷。這通過包括「核子」部件(諸如PNG)的LWD工具和具有彼此靠近的測量點的「電阻率」部件進行。為了確定井筒的電阻率，一種方法可以是受讓給斯倫貝謝技術公司(Schlumberger Technology Corporation)並且在此併入作為參考的美國專利No.4,760,252中(「Best專利」)描述的方法。Best專利依靠井筒中流體已知的電阻率，以減小井筒的直徑。根據本發明一個實施例的方法，利用假定已知的井筒直徑，以獲得井筒的電阻率。
Best專利涉及在有線測井或隨鑽測井過程中，利用電磁工具測量井筒直徑的方法和設備。電磁波在位於測井裝置外周的發射天線處產生，並通過與發射器縱向隔開的兩個或更多類似的接收天線檢測。在操作這種工具的過程中，發射的電磁波發射狀地穿過井筒並進入地巖層。然後，該波在地巖層中平行於井筒壁傳播，然後，進入井筒放射狀地傳播到接收器。這種路徑的結果是，在接收器上的信號相(與在發射器上的信號相有關)包含有關井筒流體、井筒直徑、和地巖層的信息。在接收器中測量的相移(和/或衰減)主要取決於地巖層電阻率。與一個或多個接收器上的相相關的相移使井筒對接收器上的相影響與地巖層對接收器上的相影響能夠分開。井眼影響(wellboreeffect)直接與井筒直徑和井筒中的流體電阻率相關。
根據本發明的方法，井筒的直徑分別通過不同的測量來確定，諸如在上面引用的歐洲專利申請公開的超聲波測量。由於知道直徑，在Best專利第3-6欄中提出的一個公式可以用於確定井筒的電阻率。Best專利在3-6欄提出了確定作為井筒流體電阻率的函數的井筒直徑的幾種方法。例如，Best專利提出下列等式ФT≈(A-43/Rm+0.47/Rm2)+(4+5.5/Rm-0.05/-Rm2)Dh+(17.6+0.14Dh-0.029Dh2)ΔΦ(5)其中ΦT是總相(total phase)，A是涉及發射天線的信號相的常數，Rm是鑽探泥漿的電阻率，Dh是井筒的直徑，ΔΦ是安裝在工具上的兩個接收器之間的相移，和ΦT是「總相」，即，是在兩個接收器上接收到信號的相的總和的兩倍。Best專利第6欄(colume)說明如何獲得該公式，儘管在此描述的本發明實施例不局限於這個表達式和不局限於從這個表達式確定的電阻率。
從井筒的電阻率可以獲得在多相流體中產生的水的持率Hw，假定鑽井液和油具有相似的介電特性，其是在此討論的鑽井液包括油、碳氫化合物氣體、或氮的實施例中的可行假定。而且假定在混合物中氣體的量足夠低，以認為混合物是兩相流動混合物。而且，假定水體積分數高於0.5，混合物可以認為是水連續相。在這種情況下，可以使用Ramu Rao公式，並且混合物的導電率表示為mw=water23----(6)]]>和σ＝1/Rm(考慮單元轉換係數)(7)其中β是持率Hw(沒有滑動的水切割)，和σwater是水的導電率。
因為Rm可以從上述的Best專利中確定，在Best專利中Hw可以從等式(6)確定。那麼Hw可以用於推導水流量qw和油流量qo。
眾所周知，在井中均勻流動放熱水和碳氫化合物的流量可以表示為qw＝AHwvw(8)用於水；和qo＝A(1-Hw)vo(9)用於碳氫化合物，其中A是井的截面，Hw是平均水體積分數，vW是平均水速度，vo是平均碳氫化合物速度。可以假定在鑽探環境中，在井筒和鑽鋌之間的環形空間中流動的油和水相之間沒有滑動速度。在環形空間的洶湧混流模式(turbulentmixed flow regime)中，相對大的鑽鋌高速旋轉，例如，63/4英寸鑽杆柱與近全尺寸的穩定器一起在8英寸的孔中以200rpm旋轉，在這樣的模式中上述假定是合理的。在這種情況下，水速度vw近似等於油速度vo，即，混合速度。因此，當面積A已知時，產生的流量qw和qo可以從等式(8)和(9)確定，Hw持率從上述的電阻率Rm確定。
然而在另一實施例中，持水率可以通過脈衝中子俘獲(PNC)測井確定。(根據本實施例，在欠平衡鑽探的地巖層通過高能中子(一般為14MeV)猝發而輻射)。中子通過與地巖層和井筒中的核子碰撞慢下來。然後，慢(熱)的中子經一段時間被地巖層和井筒的核子俘獲(中子俘獲)，或者它們擴散到檢測器的檢測範圍外(中子擴散)。中子俘獲伴隨伽瑪射線的發射，其在測井工具中檢測。伽瑪射線計數隨時間的下降主要是地巖層流體和井筒流體的礦化度(salinity)的量度。缺鹽的地巖層水經常是存在碳氫化合物的指示器，其不含NaCl。與衰減時間相反，就熱中子俘獲截面∑(sigma)而言，經常記錄伽瑪射線強度的下降。通常，在地巖層中碳氫化合物的存在增加中子俘獲時間，從而減小熱中子俘獲截面。
在一個實施例中，PNC工具可以是「雙猝發」工具，諸如在受讓給斯倫貝謝技術公司(Schlumberger Technology Corporation)的美國專利4,926,044、題為「熱衰減時間測井方法和設備(Peter Wraight)」中公開的工具。在雙猝發工具中，確定地巖層的熱中子俘獲截面的普通「長」中子猝發先於一個或更多的「短」猝發，其讓PNC系統根據伽瑪射線計數定性井筒的熱中子俘獲效應並最終對其大致補償。雙猝發時序從短中子猝發(例如10μs)開始，隨後幾個(例如，5個)「俘獲」計數門(count gate)，緊接著所述猝發，在此期間在幾個10□s「計數門」的時間周期內測量快熱中子衰減，幾個10□s「計數門」的時間周期是規定的時間周期，在該時間周期由伽瑪射線檢測器產生的信號傳送到信號計數電路(未示出)中。因為第一猝發相對短，花費較長時間形成的地巖層信號小，引起的伽瑪射線衰減時間主要涉及井筒的熱中子俘獲截面。然後，時序可以繼續有長中子猝發(例如，152μs)，接下來是在幾個100□s的時間期間的幾個(例如8)「俘獲」計數門，在此期間測量「慢」熱中子衰減。慢的衰減通常通過地巖層的熱中子俘獲截面□□□□□來控制。利用在短碰撞之後獲得的衰減時間，可以對鑽孔的熱中子俘獲截面的影響進行校正。伽瑪射線計數在預定計數周期累積。然後，在所述計數周期內的伽瑪射線計數可以用於確定井筒和地巖層的熱中子俘獲截面，如在Wraight專利提出的。當井筒俘獲截面∑wellbore是從地巖層進入井筒的水的俘獲截面∑water和各個碳氫化合物鑽井液的俘獲截面∑drillingfluid的線性組合時，持水率Hw可以從下面提供的公式獲得，其中地巖層水的礦化度是已知的。
∑wellbore＝∑waterHw+∑drillingfluid(1-Hw)這種方法類似於電阻率法，因為通過鑽井液的地巖層的侵入的實際缺乏涉及三個變量。在UBD井中三個變量是井筒流體測量、井筒尺寸和未受損害的地巖層測量。在一般的過平衡井中有五個變量井筒流體測量、井筒尺寸、侵入帶測量、侵入帶深度、和未受損害的地巖層測量。而且，兩種測量法利用水的礦化度量度，其可以來自於產生的水樣品的表面測量。這種水的礦化度確定在「井筒中子俘獲截面」等式中的「地巖層水中子俘獲橫截面」項、和在「井筒電阻率」等式中的「地巖層水的電阻率」項。
在此描述的實施例有幾種應用。一種應用是在這些情況，當產水源不能由其它方法確定時，因為沒有流體流動的靜態測量缺乏深度或分辨力來揭示產水源。作為在導水裂隙情況下的實例，不能只從靜態測量確定這些裂隙將產生的流體的類型。但是，當在欠平衡的條件下鑽探井時，本發明的實施例提供在井流動的動態條件下進行測量的可能性。由於產水帶被貫穿，因而可以有幾種選擇。可以放棄產水帶並鑽探更好位置的孔。另外，具有產水帶的孔可以通過安裝合適的完井來隔離，所述完井包括定位在適當深度的堵水裝置。一個提供堵水選項的簡單完井位於套管被粘牢的位置，只是在碳氫化合物產生帶具有穿孔。在此描述的本發明的實施例還可以用於對鑽探時的鑽頭估定發生了多少流體損失。這也可以用作實時監控器，以估定鑽井液損失處理的效果，或可能沿路更持久的處理。在鑽探後，在生產條件下具有整個新鑽的井筒，當離開井筒時，測井工具可以用於形成整個井的水流測井。這個記錄可以用作基礎記錄，以檢驗完井效果，其可以在初始測井後安裝在井中以使水的流入最小。完井後進行第二水流測井，生產測井下井儀器利用所述相同的測量原理。比較兩個記錄來檢驗堵水的效力。
儘管在此描述的本發明實施例討論了欠平衡鑽探，本發明不限於這種鑽探。它可以應用於過平衡鑽探，其中在通過裂隙的鑽探時，為了估定它的生產能力，暫時降低井中的壓力，接下來是如上面的說明書所述的欠平衡鑽探。在欠平衡鑽探期間，當在短時間周期生產井時，可以進行上述測量。然後，恢復過平衡操作。
雖然本發明描述了有限數量的實施例，但在沒有脫離在此公開的本發明的範圍的情況下，受益於本公開的本領域技術人員將理解可以想出其它實施例。例如，儘管為了說明起見利用描述的PNG激活，在本發明的範圍內可利用任何激活裝置。因此，本發明的範圍僅通過附加的權利要求來限定。
權利要求
1.一種用於在鑽探環境中確定井下參數的方法，包括在欠平衡鑽探期間，在從地巖層流過井筒的第一流體中選擇性地產生標記；檢測所述標記；和確定所述標記被檢測的深度。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述標記通過在所述第一流體中主要或單獨包含的同位素的激活而產生。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述第一流體的激活包括相對至少一第二流體大致激活所述第一流體。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述第二流體包括鑽井液。
5.如權利要求3所述的方法，其中所述第二流體包括大致低於在所述第一流體中激活的同位素的濃度。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述第一流體包括水。
7.如權利要求6所述的方法，其中激活的同位素是16O。
8.如權利要求1-7任一項所述的方法，其中該方法利用一隨鑽(WD)工具實施。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述激活通過在所述WD工具中包括的激活裝置進行。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述WD工具還包括位於離所述激活一距離d的一伽瑪射線檢測器，所述伽馬射線檢測器用於檢測所激活的同位素的伽瑪射線。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述伽馬射線檢測器具有一域值，以選擇性地檢測所激活的同位素。
12.如權利要求11所述的方法，其中用所述檢測器檢測的伽瑪射線光譜分解成來自於不同的所激活的同位素的成分，以選擇性地檢測有關的所激活的同位素。
13.如權利要求9所述的方法，其中所述激活裝置包括一脈衝中子發生器。
14.如權利要求1所述的方法，其中還包括安裝至少包括一堵水裝置的完井，該堵水裝置位於確定為防止所述第一流體流入所述井筒的深度。
15.如權利要求9所述的方法，其中所述脈衝中子發生器適於以不同頻率發生脈衝。
16.如權利要求1所述的方法，其中還包括確定所標記的第一流體行進在產生標記的標記裝置和檢測標記的檢測裝置之間的一距離(d)的一飛行時間。
17.如權利要求16所述的方法，其中還包括由所述飛行時間(t)和所述已知距離(d)計算所述第一流體的速度。
18.如權利要求17所述的方法，其中還包括從以下公式獲得水流量「Q」的步驟Q＝F×Cflow/Stotal其中F是環境參數的函數，Cflow是表示流動的計數數量，和Stotal是在激活過程中的中子總數。
19.如權利要求18所述的方法，其中還包括以下步驟通過在大致相同的深度和大致相同的時間、測量所述井筒流體的電阻率和所述第一流體的所述速度來確定的流體1和流體2的體積分數，獲得流量。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述電阻率根據所述井筒的直徑來確定。
21.如權利要求20所述的方法，其中確定所述電阻率包括發射傳播函數電磁信號；檢測在所述井孔中一對位置之間的傳播信號的相移；和確定表示與所述發射信號的相有關的接收信號的相的相信號；相應於所述井筒的直徑、所述相信號和所述相移信號，確定所述電阻率。
22.如權利要求21所述的方法，其中所述直徑通過使超聲脈衝穿過所述井筒的環形空間、在井筒壁反射並返回一檢測器來確定。
23.如權利要求22所述的方法，其中所述傳播函數電磁信號通過位於所述鑽杆柱工具的給定位置的發射天線來發射，所述傳播信號的相移通過位於所述鑽杆柱的所述一對位置的一對接收器來檢測。
24.如權利要求20所述的方法，其中通過利用PNC裝置來測量所述井孔流體的熱中子俘獲截面而確定在所述井筒中的所述第一和第二流體的體積分數。
25.如權利要求1所述的方法，其中所述第一流體流向地面位置。
26.一種用於在鑽探環境中確定井下參數的工具，其中該工具適於放置在一鑽杆柱中，其中該工具包括沿鑽杆柱軸分開一距離d的標記裝置(6)和標記檢測器(7)，該工具還包括開啟所述標記裝置(6)的控制電路，以選擇性地標記從地巖層流過該工具的一第一流體；和連接所述標記檢測器(7)的處理裝置(17)，用於確定所標記的第一流體流過所述標記檢測器(7)的時間。
27.如權利要求26所述的工具，其中所述標記通過選擇性激活而產生。
28.如權利要求27所述的工具，其中所述第一流體的選擇性激活包括至少相對於第二流體大致激活所述第一流體。
29.如權利要求28所述的工具，其中所述工具包括一隨鑽(WD)工具。
30.如權利要求28所述的工具，其中所述標記裝置是在所述WD工具中包括的一激活裝置。
31.如權利要求26所述的工具，其中所述標記裝置適於通過來自地面的命令而開啟。
32.如權利要求26所述的工具，其中所述標記檢測器是位於所述工具中距所述激活裝置一距離d的一激活檢測器。
33.如權利要求32所述的工具，其中所述激活檢測器包括具有一域值的一伽瑪射線檢測器，以選擇性地檢測所激活的同位素。
34.如權利要求32-23所述的設備，其中所述激活裝置包括一脈衝中子發生器。
35.如權利要求28所述的設備，其中所述至少第二流體包括鑽井液。
36.如權利要求28所述的設備，其中所述至少第二流體包括在所述地巖層中存在的碳氫化合物。
37.一種用於在鑽探環境中確定井下參數的方法，包括鑽探過平衡的井筒；檢測穿過地巖層的裂隙；鑽探所述欠平衡的井筒；在欠平衡鑽探期間，在從地巖層流過所述井筒的一第一流體上選擇性地產生標記；檢測在所述第一流體中的標記；確定在所述第一流體中所述標記被檢測的深度；並恢復過平衡鑽探。
全文摘要
本發明涉及用於在欠平衡鑽探環境中確定井下參數的方法和設備，其包括當在欠平衡鑽探時，選擇性地激活從地巖層流過井筒的第一流體；檢測所激活的第一流體；和確定所述流體進入井筒的深度。
文檔編號E21B47/10GK1777737SQ200480010429
公開日2006年5月24日 申請日期2004年3月3日 優先權日2003年3月7日
發明者約翰·愛德華茲, 克裡斯琴·斯託勒, 彼得·賴特, 羅傑·格裡菲思, 尼古拉斯·雷努克斯 申請人:普拉德研究及發展公司