專利名稱：用于定向測(cè)井的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)井領(lǐng)域，更特別地講，涉及一種用于對(duì)地層特性進(jìn)行井底測(cè)量的改進(jìn)方法和裝置。特別地，所述方法和裝置用于確定從第一種地層區(qū)中的裝置到不同電阻率的相鄰地層區(qū)的距離。本發(fā)明的主題通常用于測(cè)井技術(shù)中，特別是用于隨鉆測(cè)井中。
背景技術(shù)：
電阻率測(cè)井是電磁(‘ Μ”)傳播測(cè)井的一種眾所周知的方式。電阻率測(cè)井用于測(cè)量和評(píng)價(jià)地下地層中的可能含油氣區(qū)的特性。具有高電阻率(低導(dǎo)電性)的多孔地層通常表明存在油氣，而具有低電阻率(高導(dǎo)電性)的多孔地層通常是飽含水的。不可透過(guò)的頁(yè)巖地層通常也比含油氣層具有更低的電阻率。能夠區(qū)別開含油氣地層、含水地層或頁(yè)巖地層的能力在鉆探水平井時(shí)特別重要，在鉆探水平井中，目標(biāo)是將鉆頭保持在相對(duì)較薄的含油氣區(qū)內(nèi)。在傳統(tǒng)的電纜測(cè)井技術(shù)中，多個(gè)天線或線圈安裝在測(cè)井工具上。測(cè)井工具在纜線或電纜的末端上被下降到井眼中。交變電流對(duì)一個(gè)或多個(gè)發(fā)射線圈供電，以向地層中發(fā)射 EM能量。發(fā)射的能量傳播通過(guò)井眼周圍的地層。EM能量通過(guò)測(cè)井工具上的一個(gè)或多個(gè)接收線圈測(cè)量。連接到地面上的可移動(dòng)的處理中心的纜線是將測(cè)量數(shù)據(jù)向上送到地面的裝置。在這種類型的電纜測(cè)井系統(tǒng)中，可根據(jù)深度、即在工具正向井上拉動(dòng)時(shí)測(cè)量井眼和地層參數(shù)。胃明名禾爾々“Method of Ultra Long Spaced Electric Logging of a Well Bore to Detect Horizontally Disposed Geologically Anomalous Bodies in the Vicinity of Massive Vertically Disposed Geologically Anomalous Bodies Lateral to and Not Intercepted by the Well Bore”(用于探測(cè)井眼側(cè)旁的未被井眼穿入的塊狀垂直設(shè)置的地質(zhì)異常體附近的水平設(shè)置的地質(zhì)異常體的井眼的極長(zhǎng)間距的電測(cè)井方法)的美國(guó)專利 No. 3，778，701描述了一種電纜測(cè)井技術(shù)，其中，電阻性地層的存在可在它們未被井眼穿入時(shí)被探測(cè)到。延長(zhǎng)的電極陣列將電流注入到地層中，且測(cè)量沿著電極陣列的電勢(shì)分布。產(chǎn)生的電勢(shì)分布可被解釋，以探測(cè)附近高電阻率區(qū)、例如鹽丘的存在(或不存在)。所述方法未指出到高電阻率區(qū)的方向。電纜測(cè)井技術(shù)的一種替代方式是，在鉆井過(guò)程中收集關(guān)于井底狀況的數(shù)據(jù)。通過(guò)在鉆井過(guò)程中收集和處理這種信息，鉆機(jī)可修改或修正關(guān)鍵操作步驟，以優(yōu)化性能。尤其重要的考慮是，鉆頭是否穿入正確的地質(zhì)構(gòu)造中。用于在鉆井操作過(guò)程中收集井底狀況和鉆井組件的運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)的技術(shù)方案被稱作隨鉆測(cè)量(“MWD”)技術(shù)。更多地關(guān)注地層特性的測(cè)量而不是鉆井組件的運(yùn)動(dòng)的測(cè)量的類似技術(shù)稱作隨鉆測(cè)井(“LWD”)。然而，術(shù)語(yǔ)MWD和LWD通?？苫Q地使用，且在本公開中任一術(shù)語(yǔ)的使用均應(yīng)理解為包括信息和井底信息以及鉆井組件的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的收集。在測(cè)井領(lǐng)域中涌現(xiàn)的技術(shù)是使用包括傾斜天線的工具，S卩，其中，線圈相對(duì)于工具軸線傾斜。這些裝置被如此構(gòu)造，目的是改變井底測(cè)量的方向。發(fā)明名稱為“Apparatus and method for determining parameters of formations surrounding a borehole in a preselected direction”(用于確定預(yù)選方向上的井眼周圍的地層參數(shù)的裝置和方法)的美國(guó)專利No. 5，508，616描述了一種包括傾斜發(fā)射線圈和接收線圈的測(cè)井工具。 發(fā)明名禾爾為 “Method and apparatus for directional well logging with a shield having sloped slots”(利用帶有傾斜縫的屏蔽件的用于定向測(cè)井的方法和裝置)的美國(guó)專利No. 6，297，639 Bl描述了一種尤其適合于鉆探水平井的LWD測(cè)井技術(shù)。美國(guó)專利 No. 6，297，639 Bl被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人。美國(guó)專利No. 6，297，639 Bl中描述的裝置包含用于發(fā)射和接收EM能量的天線。接收器確定在地層中傳播的EM能量的相對(duì)衰減和/或相移。當(dāng)所述裝置與具有不同電阻率的兩種地層之間的邊界近似平行時(shí)，到邊界的距離和方向可被確定。該技術(shù)也被證明是極其有用的，這是因?yàn)樗墒广@機(jī)將水平井保持在油氣中。 也請(qǐng)參看2005年10月9-12日在德克薩斯州達(dá)拉斯市舉辦的石油工程科學(xué)技術(shù)年會(huì)和展
Directional Electromagnetic Measurements for Optimal Well Placemen”(深定向電磁測(cè)量以用于優(yōu)化井布置)的SPE論文97045-MS。發(fā)明名禾爾為"Plural sensor magnetometer arrangement for extended lateral range electrical conductivity logging”(用于延展的側(cè)向范圍電傳導(dǎo)率測(cè)井的多傳感器磁力計(jì)配置)的美國(guó)專利No. 4，323，848A描述了一種技術(shù)，其中，磁力計(jì)設(shè)置在井眼中， 以探測(cè)流入所關(guān)心的鄰近地層中的電流的分布和畸變。電流通過(guò)位于地面處或其他井眼處的遠(yuǎn)程交變電源激勵(lì)，且電流中的擾動(dòng)和由鄰近地層的電特性引起的伴生磁場(chǎng)通過(guò)磁力計(jì)記錄。胃明名禾爾為“Method and Apparatus for Locating Well Casings from an Adjacent Wellbore”(用于從相鄰井眼定位井的套管的方法和裝置)的美國(guó)專利申請(qǐng) No. 20070126426 Al被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人。它描述了一種用于從第二個(gè)井眼中定位套管的技術(shù)。所述裝置包括具有隔離間隙(insulated gap)的電流驅(qū)動(dòng)器和定位于非磁性殼體內(nèi)的磁力計(jì)，所述非磁性殼體設(shè)置在非磁性管件內(nèi)。電流進(jìn)入地層中，且一部分電流集中于附近導(dǎo)電套管上，這會(huì)產(chǎn)生次生磁場(chǎng)。磁力計(jì)設(shè)置成使它選擇性地感測(cè)次生磁場(chǎng)。從所述裝置到套管的距離和方向由磁力計(jì)的測(cè)量結(jié)果確定。該發(fā)明重要地應(yīng)用于鉆探重油地層中的SAGD (SteamAssisted Gravity Drainage，蒸汽輔助重力泄油)井對(duì)。所述成對(duì)的水平 SAGD井必須彼此平行地以預(yù)定間隔、通常以5米的間隔鉆探，其中，一個(gè)井準(zhǔn)確地位于另一個(gè)井的上方。希望獲得一種可探測(cè)不同電阻率的地層的存在的裝置和方法，所述地層未被井眼穿入，且希望用于確定到所述地層的方向和的距離。而且，這種裝置不局限于使用傾斜線圈，這會(huì)產(chǎn)生成本更低的可靠系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種方法和裝置來(lái)定向測(cè)量井眼周圍的地層的電阻率。更具體地講，本發(fā)明提供了一種用于探測(cè)接近井眼的不同電阻率的地層的存在性的裝置，但所述地層未被井眼穿入。它對(duì)于井布置和鉆探水平井具有特殊的應(yīng)用，其中，目標(biāo)是與將兩個(gè)不同電阻率的地層分開的邊界平行地引導(dǎo)鉆頭。所公開的方法和裝置包括使用至少一個(gè)隔離間隙和至少一個(gè)位于非磁性殼體內(nèi)的磁力計(jì)，所述非磁性殼體設(shè)置在非磁性管件內(nèi)。電流被施加經(jīng)過(guò)隔離間隙，這會(huì)產(chǎn)生泄露到周圍地層中的電流。磁力計(jì)被構(gòu)造成當(dāng)附近沒有電阻率不同的地層時(shí)，不具有可覺察的磁信號(hào)。磁力計(jì)還被相對(duì)于一次磁場(chǎng)屏蔽，所述一次磁場(chǎng)由裝置本身上的電流產(chǎn)生。當(dāng)電阻率不同的地層接近測(cè)井裝置時(shí)，磁力計(jì)探測(cè)到由不同地層引起的次生磁場(chǎng)。次生磁場(chǎng)的方向可用于確定到不同地層的方向。次生磁場(chǎng)的幅度可用于確定到不同地層的距離位置。通過(guò)以下描述、附圖和權(quán)利要求書將顯見其他特征或可選特征。


通過(guò)閱讀下面所作的詳細(xì)描述并參看附圖，將顯見本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖包括圖1是包含隔離間隙和磁力計(jì)的井底組件(BHA)的示意圖，所述井底組件位于油區(qū)中的水平井眼中，所述油區(qū)位于頁(yè)巖地層下方和含水地層上方。圖2示出了位于含水地層上方的含油氣地層中的水平井眼內(nèi)的BHA。圖3是包含壓力殼體和磁力計(jì)的鉆鋌的剖視圖。圖4是在BHA下方具有和不具有低電阻率地層的總磁場(chǎng)的分布圖。圖5是位于含油氣地層中的水平井眼內(nèi)的BHA和位于含水地層中的像BHA的側(cè)視圖。圖6是位于含油氣地層中的水平井眼內(nèi)的BHA和位于含水地層中的像BHA的端視圖。圖7是包含壓力殼體和磁力計(jì)的鉆鋌的剖視圖，且示出了次生磁場(chǎng)。圖8是對(duì)于各種電阻率比值來(lái)說(shuō)每安培電流的次生磁場(chǎng)與從BHA到低電阻率地層的距離之間的關(guān)系圖。圖9是靈敏度與距離之間的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式在下面的描述中，眾多細(xì)節(jié)被提供用于理解本公開。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明也可在沒有這些細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施，且可對(duì)所述的實(shí)施例進(jìn)行多種變化或修改。在本公開中，下面的術(shù)語(yǔ)具有特定的含義。盡管許多術(shù)語(yǔ)與本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所知曉的含義一致，但該含義在此還是被指出。為了清楚起見，并不是所有實(shí)際的實(shí)施方式的特征均在該說(shuō)明書中被描述?？梢岳斫?，盡管任何這種實(shí)際實(shí)施方式的開發(fā)可能是復(fù)雜的和耗時(shí)的，但對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，借助于該公開內(nèi)容，這只是一項(xiàng)常規(guī)任務(wù)。參看圖1，示出了一種典型的情況，其中，水平井在具有高的電阻率的含油氣地層 (10)中被鉆探。油氣區(qū)(10)在底部由具有低的電阻率的含水地層(20)限界。目標(biāo)是將井完全鉆在油氣區(qū)中，而不會(huì)鉆到水區(qū)(20)中。然而，目標(biāo)也可以是使水平井處于水區(qū)(20) 上方的預(yù)定距離處，例如上方2米處。示出的典型的井底組件(BHA 100)包括鉆鋌(101)、 MWD工具(102)、導(dǎo)向系統(tǒng)(103)和鉆頭(104)。MWD工具(102)測(cè)量BHA的方向和傾度，且將信息傳遞到地面。MWD數(shù)據(jù)可通過(guò)泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)、通過(guò)電磁遙測(cè)技術(shù)或通過(guò)其他任何眾所周知的方法發(fā)送?；阢@機(jī)的地質(zhì)構(gòu)造知識(shí)(即，油氣區(qū)多厚、多深，地層是水平的還是傾斜的，等等)、以及基于MWD測(cè)量結(jié)果，鉆機(jī)將確定沿何種方向?qū)︺@頭進(jìn)行導(dǎo)向。導(dǎo)向命令向下傳遞到導(dǎo)向系統(tǒng)(103)，如現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣，所述導(dǎo)向系統(tǒng)可由電機(jī)和彎接頭或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)成。實(shí)際上，油氣區(qū)厚度、深度和傾斜度以及地層邊界僅通過(guò)使用MWD方向和傾度測(cè)量結(jié)果通常不能足夠準(zhǔn)確地被獲知來(lái)使鉆機(jī)將鉆頭保持在油氣區(qū)(10)中。即使鉆機(jī)具有良好的地層地質(zhì)知識(shí)，MWD方向和傾度測(cè)量結(jié)果也是不足夠準(zhǔn)確地精確鉆探長(zhǎng)的水平井。即使MWD方向和傾度測(cè)量結(jié)果中的小的誤差也會(huì)隨著鉆探的距離的增加而累加，且可導(dǎo)致大的位置誤差。例如，MWD傾度測(cè)量結(jié)果的1°誤差可在鉆探1000米的水平井之后產(chǎn)生17米的豎直誤差。而且，MWD方向和傾度測(cè)量結(jié)果通常僅每隔30米被獲得，且由于井眼方向和傾度可在該距離上明顯偏斜，因此也可由于欠采樣而產(chǎn)生較大的誤差。由于上述原因，實(shí)際中的標(biāo)準(zhǔn)做法是，利用地層特性的測(cè)量結(jié)果來(lái)在鉆探水平井時(shí)幫助對(duì)鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，該技術(shù)稱作“地質(zhì)導(dǎo)向”。例如，BHA(IOO)可包含LWD工具(105)， 以測(cè)量地層特性，例如電阻率、天然放射性或多孔性。例如，頁(yè)巖地層和含水地層通常比含油氣地層具有更低的電阻率。對(duì)于圖1所示的情形，油氣區(qū)電阻率可能為Rh = 100ohm-m, 水區(qū)電阻率Rw = 2ohm-m。油氣區(qū)與水區(qū)的電阻率比值為C = Rh/Rw = 100/2 = 50。因此， 地層電阻率的測(cè)量結(jié)果可用于確定鉆頭是否處于正確的地層中。許多LWD裝置已被開發(fā)出來(lái)用于測(cè)量地層電阻率，但僅在地層已被鉆頭穿入之后。例如，美國(guó)專利No. 5，235，285描述了一種在鉆頭處進(jìn)行的電阻率測(cè)量方法。即使該測(cè)量在BHA的末端處進(jìn)行，但還是太晚而無(wú)法避免進(jìn)入錯(cuò)誤的地層中。優(yōu)選地，所述測(cè)量可在鉆頭進(jìn)入錯(cuò)誤的地層中之前進(jìn)行，使得鉆機(jī)有時(shí)間對(duì)鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向以使其回到正確的地層中。因此，希望從幾米的距離處就能探測(cè)到地層邊界。在圖1的示例中，希望從幾米遠(yuǎn)處探測(cè)到接近含水地層(20)，從而，使得鉆機(jī)有時(shí)間向上和遠(yuǎn)離地層邊界進(jìn)行導(dǎo)向。而且，絕大部分的LWD電阻率工具對(duì)方位角變化不敏感，即它們測(cè)量井眼周圍的平均電阻率。在沒有能力進(jìn)行方位角測(cè)量的情況下，不能確定井眼通過(guò)頂部、通過(guò)底部還是通過(guò)左側(cè)或右側(cè)的斷層引出(或?qū)⒁?含油氣地層。因此，還高度希望具有確定到接近的地層邊界的方向的能力。參看圖2，示出了一種BHA(100)，所述BHA能夠探測(cè)到具有不同的電阻率的相鄰地層的存在，以及能夠確定到相鄰地層的距離和方向。BHA包括MWD工具(102)、導(dǎo)向系統(tǒng) (103)、鉆頭(104)、具有隔離間隙(201)的電流驅(qū)動(dòng)工具以及位于鉆鋌內(nèi)的磁力計(jì)(200)。 磁力計(jì)(200)優(yōu)選具有至少兩個(gè)敏感軸線(例如χ'和y')，所述兩個(gè)軸線橫過(guò)于或垂直于BHA軸線(ζ)。注意，BHA(IOO)可轉(zhuǎn)動(dòng)或不可轉(zhuǎn)動(dòng)，使得磁力計(jì)軸線(χ'，y')可相對(duì)于 (x，y)軸線處于任意角度，所述(x，y)軸線被分別限定為垂直的和水平的。該角度也可稱為 “工具面”。也可使用在χ' ,1'和ζ方向上具有敏感性的三軸線式磁力計(jì)。如果BHA(IOO) 被轉(zhuǎn)過(guò)不同的角度，則也可使用沿橫向方向安裝的單軸線式磁力計(jì)，且可以以不同的角度進(jìn)行測(cè)量。可以理解，BHA還可包括LWD工具(105)、MWD工具(102)、遙測(cè)工具以及用于鉆探環(huán)境中的其他井底工具。還可理解，包含磁力計(jì)(200)的鉆鋌可包括其他傳感器、例如加速計(jì)。電流驅(qū)動(dòng)工具例如可以是斯倫貝謝的E-Pulse或E-Pulse Express (增加引用)。 為了簡(jiǎn)單起見，電流驅(qū)動(dòng)工具在此可以稱為E-Pulse工具，但在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下也可使用其他電流驅(qū)動(dòng)工具。在示出的實(shí)施例中，電流驅(qū)動(dòng)工具可包括隨鉆測(cè)量 (MWD)和遙測(cè)(泥漿脈沖或者電磁)構(gòu)件。在圖2中，E-Pulse工具既充當(dāng)MWD工具(102)，也充當(dāng)使用隔離間隙(201)鉆鋌的電流源。該隔離間隙使得電流(210)可被注入到BHA(IOO) 上，以用于EM遙測(cè)目的和用于探測(cè)不同的電阻率的附近地層的目的。因此，它可以節(jié)省成本的方式實(shí)現(xiàn)雙重目的。然而，可以指出，在一些操作中，可使用不同的結(jié)構(gòu)配置。例如，在一個(gè)實(shí)例中，電流驅(qū)動(dòng)工具可以是電磁遙測(cè)工具。在另一實(shí)例中，BHA可包括泥漿脈沖遙測(cè)工具和電流驅(qū)動(dòng)工具。圖3是包含磁力計(jì)(200)的鉆鋌(202)的一個(gè)實(shí)例的剖視圖。鉆鋌可由非磁性金屬例如不銹鋼或鈹銅構(gòu)成；它們均通常作用鉆鋌材料。鉆鋌的壁厚度通常為1英寸或更大。 鉆鋌方位角向?qū)ΨQ，且具有內(nèi)半徑r = a和外半徑r = b。磁力計(jì)(200)可被承載在非磁性壓力殼體(203)中，所述壓力殼體居中地位于鉆鋌內(nèi)。用于鉆井泥漿的通道(204)設(shè)置在壓力殼體與鉆鋌(202)的內(nèi)壁之間。參看圖2和3，電流驅(qū)動(dòng)工具產(chǎn)生經(jīng)過(guò)隔離間隙的交變電流I (0)。例如，電流可具有優(yōu)選在大約IHz至大約IOOHz之間的頻率和具有高達(dá)大約20安培的幅度。也可采用較低的頻率和較高的頻率，但ΙΗζ-ΙΟΟΗζ的范圍是最有益的。交變電流隨時(shí)間的變化通過(guò)公式eiut控制，其中，ω是角頻率，t是時(shí)間。隨時(shí)間的變化未明確地包括在隨后的等式中， 且被采用。類似地，由電流產(chǎn)生的任何磁場(chǎng)均與電流具有相同的時(shí)間變化。與直流(dc)相比，使用交變電流的益處是，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)可與靜態(tài)的地球磁場(chǎng)區(qū)別開，所述靜態(tài)的地球磁場(chǎng)通常遠(yuǎn)大于由交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因此，用于測(cè)量磁場(chǎng)的裝置的輸出可具有被設(shè)定為交變電流的頻率的帶通濾波器。然而，DC電流也可被用于測(cè)量，但不太便利。交變電流(210)沿著BHA(IOO)流動(dòng)；它進(jìn)入和流入周圍的油氣地層(211)中。 一部分電流流入水區(qū)(212)。在油基泥漿(OBM)中，大部分的電流將通過(guò)鉆頭(104)離開 BHA(IOO)，且通過(guò)與井壁接觸的穩(wěn)定器(未示出)和鉆鋌在隔離間隙上方返回到BHA(IOO)。 在水基泥漿(WBM)中，電流沿著BHA的長(zhǎng)度流出BHA(IOO)。在WBM中，電流在隔離間隙(201) 與鉆頭(104)之間以近似線性的方式減小。用I(z)表示沿著BHA(IOO)的軸向電流，其中，I (0)是隔離間隙(201)處的電流， ζ是距離隔離間隙的軸向距離。如圖3所示，對(duì)于徑向距離r > b，軸向電流I(Z)產(chǎn)生由
Bo(z，r) =B0(z,r)θ外給出的一次磁場(chǎng)，其中，r是徑向距離，&是方位角方向上的單位矢量。在
鉆鋌(202)的表面上，磁場(chǎng)由云0(ζ，6) = ^^ 給出，其中，Ptl = 10_7亨利/米，1(2)
Inb
用安培表示，b用米表示。如果鉆鋌(202)和圍繞著磁力計(jì)(200)的壓力殼體(203)是方位角向?qū)ΨQ的，則軸向電流I(Z)也將是方位角向?qū)ΨQ的。該軸向電流(210)將進(jìn)入鉆鋌的橫截面區(qū)域，且方位角向?qū)ΨQ的電流密度= 可以安培/平方米的單位確定，其中J是沿著ζ-方向的單位矢量。由于方位角向?qū)ΨQ，意味著，J(r)不是方位角θ的函數(shù)。如果對(duì)于1~< J(r) = 0，則對(duì)于r < a的鉆鋌內(nèi)的任何位置，磁場(chǎng)也將為零。這遵循電磁學(xué)的Maxwell公
式，且通過(guò)估計(jì)積分P·湯=μ0 Jp(^) ·&辦計(jì)算，其中，左手線積分在半徑r < a的圓上計(jì)算，右手面積積分在該圓的橫截面面積上計(jì)算。如果在鉆鋌內(nèi)的任何位置、即對(duì)于！· < a, :7(r)*0，則上述結(jié)果不適用。因此，重要的是，不允許電流經(jīng)由電線、饋電元件或其他路徑在鉆鋌內(nèi)存在。實(shí)際中，不可能具有完全對(duì)稱的鉆鋌，而可容許具有小的非對(duì)稱度。因此，位于鉆鋌內(nèi)的磁力計(jì)將不會(huì)探測(cè)到一次磁場(chǎng)，這是因?yàn)閷?duì)于r < a, 5o(z,r) = 0。在非常大的同質(zhì)地層中，地層中的電流將也是方位角向?qū)ΨQ的；因此，也不可在鉆鋌內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)。該結(jié)論源于對(duì)地層中的電流應(yīng)用相同的對(duì)稱理由。因此，當(dāng)BHA(IOO) 處于大的同質(zhì)地層中時(shí)，磁力計(jì)將記錄零信號(hào)。鉆鋌內(nèi)不具有磁場(chǎng)(零信號(hào))表明，不具有電阻率不同的相鄰地層。圖2示出了處于具有Rh = lOOohm-m的高電阻率油區(qū)(10)中的BHA (100)，該油區(qū)位于具有Rw = 2ohm-m的低電阻率水區(qū)(20)上方。在這種情況下，油氣區(qū)中的電流(211) 將趨向于流向水區(qū)(20)，這是因?yàn)樗畢^(qū)提供了返回BHA(IOO)的較低的電阻率路徑。因此， 在BHA下方的水區(qū)(20)中比在BHA上方的油氣區(qū)(10)具有更大的電流。地層電流中的這種不平衡將產(chǎn)生不對(duì)稱的磁場(chǎng)萬(wàn)1?；疚锢矸矫娴闹R(shí)可通過(guò)參看圖4和5理解。在高電阻率比值的情況下，兩個(gè)區(qū)之間的分界面(30)處的總磁場(chǎng)孟(z,r)與分界面基本平行(圖5a)。這種情況可以通過(guò)將導(dǎo)電地層替換為與分界面上方的實(shí)際BHA(IOO)成鏡像關(guān)系的位于分界面(30)下方的相同距離(d)處的像BHA (220)、以及通過(guò)向像BHA (220)施加與實(shí)際BHA(IOO)上的電流幅度相等但方向相反的電流被近似地建模。一個(gè)來(lái)自BHA (100)、一個(gè)來(lái)自像BHA (220)的兩個(gè)磁場(chǎng)的矢量和在分界面(30)處使磁場(chǎng)的y分量抵消。次生磁場(chǎng)云1(^7")關(guān)于像8撤(220)方位角向?qū)ΨQ，但在BHA的位置處橫過(guò)于實(shí)際BHA (100)(圖4、5b和6)。由于工作頻率低(< 100Hz)， 因此，次生磁場(chǎng)il(z,r)可容易地進(jìn)入非磁性的鉆鋌(202)內(nèi)和通過(guò)磁力計(jì)(200)測(cè)量。如果磁力計(jì)(200)具有至少兩個(gè)敏感軸線(χ'和y')，則到水區(qū)的方向可被確定，這是因?yàn)樗仨毰c次生磁場(chǎng)云l(z，r)垂直。如果磁力計(jì)(200)僅具有一個(gè)橫向軸線，則BHA(IOO)必須轉(zhuǎn)動(dòng)，且在兩個(gè)或多個(gè)角度或工具面處進(jìn)行測(cè)量。注意，磁力計(jì)(200)僅對(duì)次生磁場(chǎng)云1(2，/0 敏感，而不會(huì)探測(cè)到一次磁場(chǎng)3o(z，r)。因此，磁力計(jì)中的非零信號(hào)表明存在不同電阻率的相鄰地層。BHA(IOO)上的電流的相位也必須被確定，以確定低電阻率水區(qū)(20)是在BHA上方還是下方。由于像BHA(220)上的電流與實(shí)際BHA上的電流反相，因此足以測(cè)量出隔離間隙 (201)處的電流的相位?？蛇x地，BHA(IOO)上的電流的相位可借助于安裝在BHA(100)的外表面上的小的磁力計(jì)測(cè)量。一旦像BHA(220)上的電流已被確定，通過(guò)將“右手定律”應(yīng)用于像BHA(220)上的電流和磁場(chǎng)云i(z,r)得到朝向低電阻率水區(qū)(20)的絕對(duì)方向(向上與向下)。例如，在圖5b中，BHA(100)上的電流進(jìn)入紙面中，從而，像BHA(220)上的電流從紙面出來(lái)。次生磁場(chǎng)根據(jù)右手定律在圖5b中為逆時(shí)針方向。由于像BHA(220)上的電流的方向是已知的且磁力計(jì)處的次生磁場(chǎng)的方向?yàn)?χ方向，因此，低電阻率水區(qū)必然在 BHA(IOO)下方。當(dāng)BHA(IOO)接近地層分界面(30)時(shí)，磁力計(jì)信號(hào)將隨著距離d的減小而增大。因此，如果BHA(IOO)上的電流的幅度是已知的，則磁力計(jì)(200)可用于估計(jì)至地層邊界的距離。BHA(IOO)上的電流可通過(guò)測(cè)量施加給隔離間隙(201)的電流確定。可選地，BHA(IOO) 上的電流也可通過(guò)使用安裝在BHA(IOO)的表面上的小的磁力計(jì)(300)測(cè)量，如圖7所示。 BHA 電流(210)通過(guò) I (z) = (2 3ib/y0)B0(z,r)給出，其中，r = b。參看圖8，向著分界面(30)的實(shí)際方向可以由兩個(gè)橫向磁力計(jì)讀數(shù)確定。例如， 如果地層分界面(30)與y-ζ平面平行，則從磁力計(jì)(200)向著分界面(30)的方向可由
權(quán)利要求
1.一種用于確定到地層內(nèi)的邊界的距離和方向的電磁式電阻率測(cè)量的方法，包括在具有第一種電阻率的第一種地層中的井眼內(nèi)部署導(dǎo)電管件，導(dǎo)電管件包括軸向延展井眼的鉆頭、具有隔離間隙的電流驅(qū)動(dòng)工具和磁力計(jì)；在第一種地層中軸向延展井眼的過(guò)程中，產(chǎn)生沿著導(dǎo)電管件的電流；在導(dǎo)電管件內(nèi)，測(cè)量由產(chǎn)生的電流感生的磁場(chǎng)的方向和幅度；以及基于導(dǎo)電管件內(nèi)的被測(cè)量的磁場(chǎng)的非零幅度探測(cè)未被井眼穿入的相鄰地層的存在，所述相鄰地層具有第二種電阻率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括基于由產(chǎn)生的電流感生的被測(cè)量的磁場(chǎng)的幅度確定到相鄰地層的距離。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括基于由產(chǎn)生的電流感生的被測(cè)量的磁場(chǎng)的方向相對(duì)于井眼確定到相鄰地層的方向。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括基于到相鄰地層的距離利用鉆頭對(duì)井眼的進(jìn)一步的軸向延展進(jìn)行導(dǎo)向。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括基于到相鄰地層的方向利用鉆頭對(duì)井眼的進(jìn)一步的軸向延展進(jìn)行導(dǎo)向。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述測(cè)量利用至少二軸線式磁力計(jì)執(zhí)行。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，磁力計(jì)的至少兩個(gè)軸線與導(dǎo)電管件的方向軸線垂直。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，導(dǎo)電管件包括鉆鋌、井底組件、電纜探測(cè)器和連續(xù)油管輸送裝置中的一個(gè)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括測(cè)量在導(dǎo)電管件上產(chǎn)生的電流的相位。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括基于導(dǎo)電管件上的電流的相位判斷地層邊界是在井眼上方還是井眼下方。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括測(cè)量導(dǎo)電管件上的產(chǎn)生的電流的幅度。
12.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法還包括測(cè)量由產(chǎn)生的電流感生的次生磁場(chǎng)的幅度。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括輸入電阻率比值C的估計(jì)值，并根據(jù)以下公式執(zhí)行反演運(yùn)算來(lái)求解所述距離
14. 一種鉆井系統(tǒng)，包括位于具有第一種電阻率的第一種地層中的井眼內(nèi)的導(dǎo)電管件，所述導(dǎo)電管件包括 軸向延展井眼的鉆頭，電流驅(qū)動(dòng)工具，所述電流驅(qū)動(dòng)工具具有隔離間隙，且產(chǎn)生沿著導(dǎo)電管件的電流，以及磁力計(jì)，所述磁力計(jì)在導(dǎo)電管件內(nèi)測(cè)量由產(chǎn)生的電流感生的磁場(chǎng)的方向和幅度； 所述鉆井系統(tǒng)還包括將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)降孛娴腗WD工具；地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基于導(dǎo)電管件內(nèi)的被測(cè)量的磁場(chǎng)的非零幅度確定未被井眼穿入的相鄰地層的存在；以及導(dǎo)向系統(tǒng)，所述導(dǎo)向系統(tǒng)基于確定出的未被井眼穿入的相鄰地層的存在接收鉆機(jī)命令，并基于鉆機(jī)命令在地層中沿給定軌跡對(duì)鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向。
全文摘要
提供了一種方法和裝置，所述方法和裝置用于定向測(cè)量與井眼接近但未被井眼穿入的不同電阻率地層。所公開的方法和裝置使用至少一個(gè)隔離間隙和至少一個(gè)磁力計(jì)，所述磁力計(jì)定位于非磁性殼體內(nèi)，所述非磁性殼體設(shè)置在非磁性管件內(nèi)。電流被施加經(jīng)過(guò)隔離間隙，這會(huì)使電流泄漏到周圍地層中。當(dāng)不同電阻率的地層與測(cè)井設(shè)備接近時(shí)，磁力計(jì)探測(cè)源于不同地層的次生磁場(chǎng)。次生磁場(chǎng)的方向可用于確定不同地層的方向。次生磁場(chǎng)的幅度可用于確定至不同地層的距離位置。
文檔編號(hào)E21B47/026GK102246063SQ200980149902
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者B·克拉克, B·龍, J·C·戈斯瓦米, J·C·莫利, M·帕邦 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司