發(fā)明背景

在石油鉆井和測(cè)井領(lǐng)域，電阻率測(cè)井工具經(jīng)常用于提供圍繞地球鉆孔的巖層的電阻率的指示。(這種有關(guān)電阻率的信息可用于確定烴類的存在或不存在)。典型的電磁電阻率測(cè)井工具包括發(fā)射機(jī)天線和沿工具軸線位于離發(fā)射機(jī)天線不同距離處的多個(gè)接收機(jī)天線。發(fā)射機(jī)天線在周圍地層中形成電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)繼而在每個(gè)接收機(jī)天線中感應(yīng)出電壓。由于周圍地球地層的幾何擴(kuò)展和吸收，接收天線中感應(yīng)出的電壓具有不同的相位和幅值。

實(shí)驗(yàn)表明，從任意兩個(gè)接收機(jī)天線中感應(yīng)出的電壓的相位差(φ)和幅值比(衰減，a)指出地層的電阻率。這種電阻率測(cè)量涉及的探測(cè)深度(如與工作軸線的平均徑向距離所限定)是發(fā)射機(jī)的頻率和從發(fā)射機(jī)到兩個(gè)接收機(jī)之間的中點(diǎn)的距離的函數(shù)。因此，可通過在離接收機(jī)對(duì)的不同距離處提供多個(gè)發(fā)射機(jī)或通過在多個(gè)頻率下操作單個(gè)發(fā)射機(jī)或通過這兩個(gè)操作而實(shí)現(xiàn)電阻率探測(cè)的多個(gè)徑向深度。

許多地層是電各向異性的，這種性質(zhì)通常歸因于地層沉積物積聚過程中的細(xì)的分層。因此，在取向成使x-y平面平行于地層而z軸垂直于地層的地層坐標(biāo)系中，分別沿x和y方向的電阻率rx和ry是相同的，但沿z方向的電阻率rz可能不同于rx和ry。因此，沿平行于地層平面(即，x-y平面)的方向的電阻率被稱為水平電阻率rh，而沿垂直于地層平面的方向(即，z方向)的電阻率被稱為垂直電阻率rv。地層各向異性的一個(gè)度量是各向異性指數(shù)η，該各向異性指數(shù)被定義為η＝[rv/rh]^1/2。

相對(duì)傾角θ是工具軸線與地層平面發(fā)現(xiàn)之間的角。電阻率各向異性和相對(duì)傾角各自對(duì)電阻率測(cè)井儀測(cè)量值具有顯著影響。因此，如果要獲得準(zhǔn)確的電阻率記錄，電阻率測(cè)井系統(tǒng)應(yīng)該考慮地層各向異性和相對(duì)傾角。為了便于確定各向異性電阻率參數(shù)(rh、rv和θ)，發(fā)射天線或接收天線中的至少一者傾斜或相對(duì)于工具軸線橫向地取向以引入方位角靈敏度，并且實(shí)際上將發(fā)射機(jī)天線和接收機(jī)天線中的多個(gè)天線配置為多分量天線變得常見。此外，至少一些多分量電阻率測(cè)井系統(tǒng)還使用多個(gè)信號(hào)頻率來獲取測(cè)量值。

通常，使用反演過程來從電阻率工具測(cè)量值中導(dǎo)出地層參數(shù)。在反演過程中，將工具測(cè)量值與從參數(shù)化地層模型中導(dǎo)出的合成測(cè)量值進(jìn)行比較，并且調(diào)整模型操作直到合成測(cè)量值與工具測(cè)量值匹配。盡管由多間距、多頻率和多分量測(cè)井工具提供的數(shù)量增加的測(cè)量值產(chǎn)生了模型復(fù)雜性提高且表征精度改進(jìn)的可能性，但與過度復(fù)雜模型相關(guān)的大參數(shù)空間使得它們?cè)谟?jì)算上不可行并且不必要的參數(shù)易于產(chǎn)生數(shù)值誤差。

因此，當(dāng)現(xiàn)有的反演過程未能精確地表征某些地層時(shí)，追求僅增加模型參數(shù)的數(shù)量和/或增加通過反演過程來操作的測(cè)量值的數(shù)量的常規(guī)方法通常是不明智的。相反，需要一種更有選擇性的方法。

附圖簡述

因此，本文公開了使用包括各向異性電容率參數(shù)的地層模型來反演單頻或多頻多分量信號(hào)測(cè)量值的特定的地層測(cè)井系統(tǒng)和方法。在附圖中：

圖1為隨鉆測(cè)井(lwd)環(huán)境的示意性圖示。

圖2為電纜測(cè)井環(huán)境的示意性圖示。

圖3a為電磁電纜工具的例示性天線配置的示意性描述。

圖3b為多分量收發(fā)天線布置的簡化示意性表示。

圖3c為例示性三軸天線的透視圖。

圖3d為電磁lwd工具的例示性傾斜天線配置的示意性描述。

圖3e為例示性電磁測(cè)井系統(tǒng)的功能框圖。

圖4a為沉淀性地球地層的坐標(biāo)軸的示意性表示。

圖4b為晶粒形狀對(duì)離子遷移率的影響的示意性表示。

圖5為具有各向異性電容率的地層模型的示意性表示。

圖6為例示性地層測(cè)井方法的流程圖。

然而，應(yīng)了解，附圖和其詳細(xì)描述中給出的特定實(shí)施方案不限制本公開。相反，特定實(shí)施方案為所屬領(lǐng)域一般技術(shù)人員辨別與所述給出實(shí)施方案中的一個(gè)或多個(gè)一起涵蓋在所附權(quán)利要求書的范圍中的替代形式、等效物和修改提供基礎(chǔ)。

具體實(shí)施方式

以下公開內(nèi)容提供了使用地層模型進(jìn)行的電磁測(cè)井系統(tǒng)和方法，該地層模型因?yàn)榭紤]到各向異性地層電容率而有效地提供了增強(qiáng)的反演精度。通過這種考慮，可在單一頻率下使用測(cè)量值來執(zhí)行反演，盡管一些實(shí)施方案在多個(gè)測(cè)量頻率中的每一個(gè)測(cè)量頻率下采用單頻反演以獲得地層的頻散曲線，并且其他實(shí)施方案在考慮到各向異性地層電容率時(shí)采用同時(shí)多頻多分量反演。反演參數(shù)包括地層傾角、各向異性電阻率(rh，rv)和各向異性電容率(εh，εv)，使得即使存在異?，F(xiàn)象諸如黃鐵礦沉積物和其他極化源也能夠確定流體飽和度和巖石類型。

圖1示出了用于描述公開的系統(tǒng)和方法的操作的合適的上下文。在所示的隨鉆測(cè)井(lwd)環(huán)境中，鉆探平臺(tái)102裝備有井架104，該井架支撐升降機(jī)106，該升降機(jī)用于通過井口112提升和降低鉆柱108。頂部驅(qū)動(dòng)器110旋轉(zhuǎn)鉆柱108以鉆出鉆孔直到鉆柱允許的長度。通過將鉆柱108暫時(shí)錨固在井口112處并且使用升降機(jī)106來定位并將新的鉆桿部分與螺紋連接件107附接而周期性地延長鉆柱108。

鉆頭114連接到鉆柱108的下端。隨著鉆頭114的旋轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生通過各個(gè)地層121的鉆孔120。泵116使鉆探流體循環(huán)穿過供給管118到達(dá)頂部驅(qū)動(dòng)器110、穿過鉆柱108的內(nèi)部、穿過鉆頭114中的孔口、經(jīng)由鉆柱108周圍的環(huán)形空間回到地面并且進(jìn)入駐留池124中。鉆探流體將鉆屑從鉆孔輸送到池124中并且有助于保持鉆孔120的完整性。

鉆探流體，通常在工業(yè)中稱為“泥漿”，通常根據(jù)溶劑而分類為水基或油基。油基泥漿一般優(yōu)選用于鉆通頁巖地層，因?yàn)橐阎酀{會(huì)損壞這種地層。

電磁測(cè)井工具126被整合到鉆頭114附近的井底鉆具組合件129中。電磁測(cè)井工具126可采取鉆環(huán)的形式，即提供重量或硬度來輔助鉆探過程的厚壁管狀物。隨著鉆頭114使鉆孔120穿透地層延伸，電磁測(cè)井工具126(可能與井底鉆具組合件129中的其他傳感器合作)收集多分量信號(hào)測(cè)量值以及工具取向和位置、鉆孔尺寸、鉆探流體電阻率和各種其他鉆探條件的測(cè)量值。

取向測(cè)量可時(shí)候用可包括磁力計(jì)、傾斜計(jì)和/或加速度計(jì)的取向指示器執(zhí)行，盡管可使用其他傳感器類型如陀螺儀。優(yōu)選地，取向指示器包括三軸磁通門磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)。如本領(lǐng)域已知的，那兩種傳感器系統(tǒng)的組合能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)(“工具面”)角、鉆孔傾角(也稱為“斜率”)和羅盤方向(“方位角”)的測(cè)量。在一些實(shí)施方案中，根據(jù)加速度計(jì)傳感器輸出計(jì)算工具面角和鉆孔傾角。磁力計(jì)傳感器輸出用于計(jì)算鉆孔方位角。利用工具面角、鉆孔傾角和鉆孔方位角信息，可以使用電磁測(cè)井工具測(cè)量值來將鉆頭轉(zhuǎn)向到所需地層并沿所需地層轉(zhuǎn)向。

在針對(duì)lwd使用聲學(xué)遙測(cè)技術(shù)的井中，電磁測(cè)井工具126和其他井下傳感器聯(lián)接到遙測(cè)模塊128，該遙測(cè)模塊具有聲學(xué)遙測(cè)發(fā)射機(jī)，該聲學(xué)遙測(cè)發(fā)射機(jī)發(fā)射呈鉆柱108的管壁中的聲學(xué)振動(dòng)的形式的遙測(cè)信號(hào)。聲學(xué)遙測(cè)接收機(jī)陣列130可以聯(lián)接到頂部驅(qū)動(dòng)器110下方的管道，以接收發(fā)射的遙測(cè)信號(hào)。一個(gè)或多個(gè)中繼器模塊132可以沿管柱任選地設(shè)置以接收和重發(fā)射遙測(cè)信號(hào)。存在并且可以使用另選的lwd遙測(cè)技術(shù)，包括泥漿脈沖遙測(cè)、電磁遙測(cè)和有線鉆桿遙測(cè)。許多遙測(cè)技術(shù)還提供從地面向井底鉆具組合件129傳送命令的能力，從而能夠調(diào)整工具的配置和操作參數(shù)。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)井底鉆具組合件129回到地面時(shí)，遙測(cè)模塊128還或另選地存儲(chǔ)用于之后檢索的測(cè)量值。

鉆井設(shè)備接口48促進(jìn)遙測(cè)系統(tǒng)的表面部件與處理系統(tǒng)50之間的通信，處理系統(tǒng)50示為以桌面計(jì)算機(jī)的形式通過電纜49連接到鉆井設(shè)備接口48。在其他實(shí)施方案中，處理系統(tǒng)50可以是平板電腦、膝上型計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程處理中心或甚至虛擬計(jì)算機(jī)，其中任何一個(gè)可以被耦合以經(jīng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和/或無線通信鏈路來檢索測(cè)井工具測(cè)量值。一旦加載到內(nèi)部存儲(chǔ)器中并由處理器執(zhí)行，軟件(圖1中示出為便攜式信息存儲(chǔ)介質(zhì)52)將處理系統(tǒng)50配置成從測(cè)井工具測(cè)量值中導(dǎo)出估計(jì)的地層參數(shù)并且響應(yīng)地在顯示器56、打印機(jī)或用于提供可感知輸出的其他裝置上提供估計(jì)的參數(shù)的視覺表示。鍵盤54或其他輸入裝置使得用戶能夠與處理系統(tǒng)相互作用，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)所顯示信息的至少某種控制，以便于更好地理解所呈現(xiàn)的信息。通常，地層參數(shù)估計(jì)表示為具有多個(gè)軌跡的地層日志，每個(gè)軌跡顯示地層參數(shù)對(duì)深度或鉆孔位置的依賴性。

在鉆探過程中的各個(gè)時(shí)間，將鉆柱108從鉆孔中取出，如圖2所示。一旦鉆柱被取出，即可使用電纜測(cè)井工具134即感測(cè)儀器探棒進(jìn)行測(cè)井操作，該感測(cè)儀器探棒由電纜142懸吊，具有用于向工具輸送電力并從工具到地面輸送遙測(cè)技術(shù)的導(dǎo)體。測(cè)井工具134的多分量感應(yīng)測(cè)井部分可具有定心臂136，當(dāng)向井上拉動(dòng)工具時(shí)，定心臂136使工具在鉆孔內(nèi)居中。測(cè)井設(shè)備144采集來自測(cè)井工具134的測(cè)量值并且包括用于處理和存儲(chǔ)由測(cè)井工具從地層收集的測(cè)量值的處理系統(tǒng)50。

圖3a示出了具有天線的例示性電磁電纜測(cè)井工具134，用于根據(jù)沿著鉆孔的位置而采集多分量信號(hào)測(cè)量值。多分量發(fā)射天線302包括三個(gè)正交天線，其可以依次操作以在周圍地層中產(chǎn)生電磁場(chǎng)，這些場(chǎng)的傳播和衰減根據(jù)地層的電氣特性而變化。軸向天線304、306和/或多分量發(fā)射天線308、310、312、314能夠?qū)λ玫降拿總€(gè)場(chǎng)進(jìn)行多次測(cè)量。收發(fā)天線間距是可以由制造商根據(jù)期望的測(cè)量分辨率和工具的調(diào)查深度來調(diào)整的設(shè)計(jì)參數(shù)。該工具可以獲取每個(gè)接收天線對(duì)發(fā)射天線302的響應(yīng)的衰減和相位測(cè)量值。在某些另選的實(shí)施方案中，該工具測(cè)量接收信號(hào)的同相和正交相分量，而不是測(cè)量幅值和相位。在任一種情況下，根據(jù)工具在鉆孔中的位置和旋轉(zhuǎn)取向，收集和存儲(chǔ)這些測(cè)量值。

所示工具具有與工具同軸的接收天線304和306，使得它們平行于發(fā)射天線302的z軸分量。每個(gè)多分量接收天線308-314根據(jù)圖3b所示的模型取向成保持其每個(gè)分量平行于發(fā)射天線302的對(duì)應(yīng)分量。多分量接收天線的每個(gè)分量包括主線圈和補(bǔ)償線圈，該主線圈和補(bǔ)償線圈各自平行于對(duì)應(yīng)發(fā)射機(jī)線圈取向并且沿工具軸線間隔開。在圖3b中，發(fā)射機(jī)線圈的正交三元組tx、ty、tz分別表示平行于工具的x軸、y軸和z軸取向的磁耦極天線。主接收機(jī)線圈的正交三元組類似地表示沿這些軸線取向的磁耦極天線，補(bǔ)償接收機(jī)線圈的三元組也一樣工具尺寸和天線間距根據(jù)所需工具特性而有很大變化。主接收線圈與補(bǔ)償線圈之間的距離可為大0.25m，而發(fā)射線圈到主接收線圈對(duì)和補(bǔ)償線圈對(duì)之間的中點(diǎn)的間距可從約0.4m變?yōu)槌^10m。

在所示的工具實(shí)施方案中，圍繞工具的每個(gè)天線被安裝在凹部中并由非導(dǎo)電填充材料和/或具有非導(dǎo)電材料孔的屏蔽物保護(hù)。工具主體可以主要由諸如鋼的高導(dǎo)電材料組成。如圖3c所示，天線線圈三元組可以各自圍繞內(nèi)部管狀物324纏繞在繞組形式322上。內(nèi)部管狀物裝有工具電子器件和接線。由兩個(gè)線圈326、328提供對(duì)沿x軸的磁場(chǎng)的敏感性，而由兩個(gè)線圈330、332提供沿y軸的敏感性。同軸線圈334提供沿z軸的敏感性。其他三軸天線配置也是合適的并且可以被采用。

回到圖3b，主接收機(jī)三元組與發(fā)射機(jī)三元組以距離lm間隔開，并且補(bǔ)償接收機(jī)三元組與發(fā)射機(jī)三元組以距離lb間隔開。可以從主接收機(jī)三元組中的對(duì)應(yīng)線圈中減去補(bǔ)償接收機(jī)三元組中的每個(gè)線圈的信號(hào)測(cè)量值，以消除來自發(fā)射機(jī)的直接場(chǎng)信號(hào)，從而增加對(duì)地層特性的敏感性。如moran和gianzero所解釋，在《地球物理學(xué)》第44卷第7期第1266頁(1979年)的“effectsofformationanisotropyonresistivityloggingmeasurements”中，具有給定信號(hào)頻率的接收機(jī)線圈中的磁場(chǎng)h可以用發(fā)射機(jī)上的磁矩m和耦合矩陣c來表示：

h＝cm(1)

在表達(dá)式中，方程式(1)為：

其中mx、my和mz為分別由發(fā)射機(jī)tx、ty和tz形成的磁矩(與發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度成比例)。hx、hy、hz分別為接收機(jī)天線rx、ry、和rz上的磁場(chǎng)(與接收信號(hào)強(qiáng)度成比例)。

在圖3b的天線配置中，如果每個(gè)發(fā)射機(jī)依次發(fā)射，并響應(yīng)每次發(fā)射在每個(gè)接收機(jī)處作出信號(hào)測(cè)量，則獲得九個(gè)差分測(cè)量值(tjr^mi-tjr^bi，i,j∈{x,y,z})。這九個(gè)頻率相關(guān)的收發(fā)天線耦合測(cè)量能夠確定完整的耦合矩陣c。(cij＝aijvij，其中i為接收機(jī)軸線x、y、z的指數(shù)，并且j為發(fā)射機(jī)軸線x、y、z的指數(shù)，aij為工具設(shè)計(jì)所確定的常數(shù)，并且vij為表示由接收機(jī)i響應(yīng)于發(fā)射機(jī)j的發(fā)射而測(cè)量的信號(hào)幅值和相移的復(fù)值)。因此，對(duì)于所使用的每個(gè)信號(hào)頻率和天線間距來說，所測(cè)量的電壓張量可表示為：

如在常規(guī)感應(yīng)測(cè)井中一樣，測(cè)量的電壓張量的元素通?？梢员恍?zhǔn)為表觀電導(dǎo)率以獲得以下表觀電導(dǎo)率張量表達(dá)式：

如耦合矩陣元素一樣，表觀電導(dǎo)率通過校準(zhǔn)因子kij與相應(yīng)測(cè)量的電壓張量元素相關(guān)：

σij＝kijvij，(5)

其中kij為通過校準(zhǔn)試驗(yàn)所確定的校準(zhǔn)因子。通過采用并置發(fā)射天線和并置接收天線的工具設(shè)計(jì)，給定收發(fā)天線子陣列的校準(zhǔn)因子通常滿足以下關(guān)系：

kxx＝kyy＝kxy＝kyx(6a)

kxz＝kyz＝kzx＝kzy(6b)

每個(gè)頻率產(chǎn)生僅僅三個(gè)獨(dú)立的校準(zhǔn)因子：kxx，kzz，以及kxz。校準(zhǔn)可以這樣的方式進(jìn)行，使得在沒有鉆孔的均質(zhì)地層中的工具的電導(dǎo)率讀數(shù)與地層的真實(shí)電導(dǎo)率匹配。

如同電壓測(cè)量值一樣，耦合矩陣元素可能是復(fù)值。耦合矩陣元素可以表示為：

σ＝σr+jωε0εr(7)

其中σr為表觀電導(dǎo)率的真實(shí)值分量，ω為角頻率，ε0為真空電容率，并且εr為地層的相對(duì)電容率(也稱為介電常數(shù))。在水平層壓地層中，有效的水平電導(dǎo)率為層電導(dǎo)率的體積均值，而有效的垂直電導(dǎo)率為層的反相電導(dǎo)率的反相體積均值。反演導(dǎo)致電容率影響工具對(duì)垂直電導(dǎo)率的實(shí)值分量的測(cè)量，特別是在高于約100khz的頻率下。

雖然電導(dǎo)率和電阻率不可互換(它們的值彼此反相)，但它們?cè)诒疚闹斜灰暈楣δ艿韧?，因?yàn)槿魏我粋€(gè)的知識(shí)決定了另一個(gè)的價(jià)值。無論工具測(cè)量值是用耦合矩陣、測(cè)量電壓張量、表觀電導(dǎo)率張量還是等效電阻率值表示，它們?cè)诒疚闹蟹Q為多分量信號(hào)測(cè)量值，并且它們預(yù)期具有頻率依賴性，其在本文可稱為頻散曲線。(術(shù)語“頻散曲線”包括電導(dǎo)率值和電容率值之一或兩者的頻率依賴性)。

圖3a至圖3c所示的三軸天線是處于說明目的而示出的；并不需要這些三軸天線來獲得所描述的多分量信號(hào)測(cè)量值。例如，圖3d示出了例示性傾斜天線lwd工具126，該傾斜天線lwd工具在旋轉(zhuǎn)時(shí)，獲取可從中確定正交多分量信號(hào)測(cè)量值的測(cè)量值。傾斜的接收機(jī)天線335和336是協(xié)同定位的并且沿相反的方位角方向傾斜約45°。第一對(duì)發(fā)射機(jī)線圈337和339從接收機(jī)天線沿相反方向相等間隔開約32英寸，并且第二對(duì)發(fā)射機(jī)線圈338和340從接收機(jī)天線沿相反方向相等間隔開約48英寸。每對(duì)中的發(fā)射機(jī)線圈沿相反的方位角方向傾斜。在發(fā)明人michaelbittar、hsu-hsiangwu和shanjunli的國際申請(qǐng)wo2011/129828a1“processingandgeosteeringwitharotatingtool”中可以找到關(guān)于由例示性工具執(zhí)行的操作和處理的更多細(xì)節(jié)?？墒褂闷渌线m的測(cè)井工具天線以獲得多分量信號(hào)測(cè)量值。所獲得的多分量信號(hào)測(cè)量值不需要包括完全的3x3表觀電導(dǎo)率張量，因?yàn)槟承┳蛹銐蛴糜陧憫?yīng)于發(fā)射機(jī)線圈之一而使用來自兩個(gè)傾斜的接收機(jī)天線335和336的工具方位角測(cè)量的解耦電壓張力來進(jìn)行反演過程(wo2011/129828中的詳細(xì)處理方法)。確切地，三個(gè)直接耦合信號(hào)測(cè)量值(xx，yy，zz)連同至少兩個(gè)交叉耦合信號(hào)測(cè)量值(例如，xz和yz)被認(rèn)為足以反演傾角、各向異性電阻率和各向異性電容率?？蓮膬蓚€(gè)傾斜的接收機(jī)的方位角測(cè)量值中導(dǎo)出這些信號(hào)測(cè)量值。

圖3e是例示性測(cè)井系統(tǒng)的功能框圖，包括例示性電磁測(cè)井工具126、134或可提供所需多分量信號(hào)測(cè)量值的合適替換。處理系統(tǒng)(例如，圖1中的處理系統(tǒng)50)包括經(jīng)由橋346耦合到系統(tǒng)總線340的處理器342和具有記錄和反演軟件的存儲(chǔ)器344?？偩€340使得處理器342能夠訪問和控制各種其他系統(tǒng)部件，使得當(dāng)處理器342執(zhí)行軟件時(shí)，處理器342能夠響應(yīng)地能夠經(jīng)由鍵盤或其他輸入裝置350和監(jiān)視器或其他輸出裝置352而與用戶交互。非瞬時(shí)信息存儲(chǔ)介質(zhì)348(諸如磁盤或固態(tài)驅(qū)動(dòng)器)補(bǔ)充存儲(chǔ)器344以提供軟件和數(shù)據(jù)的長期存儲(chǔ)，其中處理器342可以容易地訪問它。

軟件將處理器342配置成從電磁測(cè)井工具獲得數(shù)據(jù)用于反演，以估計(jì)地層參數(shù)并以地層日志的形式將其顯示給用戶。處理器342使用經(jīng)由任何先前提到的遙測(cè)系統(tǒng)356耦合到井下工具接口358的接口354(諸如網(wǎng)絡(luò)接口卡)來訪問數(shù)據(jù)。

在電磁測(cè)井工具中，工具控制器364通過橋368耦合到工具存儲(chǔ)器366和工具總線362。工具總線362使得控制器364能夠訪問和控制各種其他系統(tǒng)部件，使得當(dāng)控制器在存儲(chǔ)器366中執(zhí)行軟件時(shí)，軟件將控制器配置成對(duì)經(jīng)由接口358接收的命令作出響應(yīng)、獲得測(cè)量值并將這些測(cè)量值經(jīng)由接口358傳送到系統(tǒng)的井上部分。為了獲得測(cè)量值，控制器364配置并啟用發(fā)射單元370，發(fā)射單元370繼而以合適的方式驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線372，以將電磁信號(hào)傳輸?shù)街車貙??？刂破?64進(jìn)一步配置并啟用數(shù)據(jù)采集單元376以數(shù)字化并存儲(chǔ)經(jīng)由接收天線374檢測(cè)的信號(hào)的測(cè)量值?？刂破?64可執(zhí)行測(cè)量值的現(xiàn)場(chǎng)處理以減少對(duì)存儲(chǔ)和遙測(cè)帶寬的需求。這種處理可以包括如上面的方程式4和5中給出的表觀電導(dǎo)率的確定。

暫時(shí)返回參考圖1和圖2，請(qǐng)注意，地層121不垂直于鉆孔，這是可能自然發(fā)生或可能由于定向鉆井操作而發(fā)生的情況。當(dāng)測(cè)量地層電阻率和取向時(shí)，方便使用圖4a中所示的地層坐標(biāo)系。圖4a示出了沉積層床的一部分，其中z軸垂直于地層平面即沿沉積物堆積的方向取向。沿該軸線測(cè)量時(shí)的地層電阻率通常不同于沿x-y平面測(cè)量的地層電阻率。在傾斜床層中，x軸可被選擇成沿最深上升方向(“上坡”)或沿最深下降方向(“下坡”)取向。在水平床層中，x軸可被選擇成向北取向。

沉積物通常導(dǎo)致細(xì)層的形成。在晶粒具有與單元顯著偏離的縱橫比的情況下，重力使它們以具有最低重心的優(yōu)先取向方式沉積。這種層狀晶粒取向材料的電特性可以確定地是各向異性的。

圖4b顯示了maxwell-wagner極化效應(yīng)，這在具有粘土、二氧化硅、長石、碳酸鹽、氧化鐵、黃鐵礦等有機(jī)材料的有機(jī)頁巖地層中是常見的。這種效應(yīng)由在相對(duì)不可滲透的晶粒存在下流體離子的流動(dòng)性受損引起。在沒有電場(chǎng)的情況下，地下水(鹽水)中的正離子和負(fù)離子相對(duì)均勻地分布。在存在電場(chǎng)的情況下，正離子和負(fù)離子以相反方向移動(dòng)，直到它們到達(dá)晶?；蚺c另一種流體的界面。離子之間的分離會(huì)影響電場(chǎng)的強(qiáng)度，從而影響材料的電容率。由于取向晶粒的尺寸在不同方向上不同，所以離子之間的分離也是不同的，導(dǎo)致電容率是施加電場(chǎng)的方向的函數(shù)。此外，離子的慣性限制了它們能夠移動(dòng)多快，導(dǎo)致電容率也是電磁場(chǎng)頻率的函數(shù)。

除了上述的工具坐標(biāo)系和地層坐標(biāo)系之外，本文采用第三坐標(biāo)系。如圖5所示，鉆孔坐標(biāo)系具有遵循鉆孔的中心軸線的z軸。鉆孔的x軸從中心軸線垂直地延伸穿過鉆孔的低側(cè)。(在垂直鉆孔中，x軸延伸穿過鉆孔的北側(cè))。y軸根據(jù)右手定則垂直于其他兩個(gè)軸線延伸。鉆孔坐標(biāo)系與工具坐標(biāo)系相關(guān)，因?yàn)樗鼈兊膠軸對(duì)準(zhǔn)(盡管可能偏移)。取向傳感器測(cè)量工具的x軸和y軸相對(duì)于鉆孔的旋轉(zhuǎn)，使得工具的聯(lián)接測(cè)量值能夠容易地轉(zhuǎn)換到鉆孔坐標(biāo)系中。

鉆孔坐標(biāo)系可以與具有兩個(gè)參數(shù)(傾角θ和走向φ)的地層坐標(biāo)系相關(guān)。除了這兩個(gè)參數(shù)之外，各向異性地層模型可包括水平電阻率rh、垂直電阻率rv、水平電容率εh和垂直電容率εv。這些參數(shù)可以等效地表示為電阻率比(電阻率各向異性)；電容率比(電容率各向異性)；rh或rv；以及εh或εv。一些模型還可以包括偏心距離decc和偏心方位角φecc以考慮工具從鉆孔軸線偏移的距離和方向。這些模型可以附加地或可選地包括鉆孔直徑d鉆孔的參數(shù)以及可選的入侵區(qū)域直徑dinv。(入侵區(qū)域是鉆孔周圍的區(qū)域，其中鉆孔流體已經(jīng)改變了天然地層的電阻率。)其他潛在參數(shù)包括床層邊界位置，其余參數(shù)允許為每個(gè)床層呈現(xiàn)不同的值。

圖6為例示性地層測(cè)井方法的流程圖。所示的方法可以由圖1、圖2和圖3e所示的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。另選地，諸如圖1、圖2和圖3e所示的系統(tǒng)可以獲取數(shù)據(jù)并將其傳送到執(zhí)行例示性方法的剩余部分的遠(yuǎn)程工作站。

測(cè)井方法開始于框602，其中沿著鉆孔輸送多分量感應(yīng)測(cè)井工具，例如作為電纜工具或lwd工具。在框604中，當(dāng)沿著鉆孔傳送工具時(shí)，工具根據(jù)其在鉆孔中的位置而針對(duì)天線陣列和信號(hào)頻率中的每一個(gè)獲得多分量信號(hào)測(cè)量值。通常在獲取測(cè)量值期間或不久之后應(yīng)用工具校準(zhǔn)和溫度校正。在至少一些情況下，測(cè)井工具組件還包括用于測(cè)量鉆孔直徑(d鉆孔)和鉆孔流體電阻率r鉆孔的儀器。

在框606中，該系統(tǒng)預(yù)處理多分量信號(hào)測(cè)量值和鉆孔尺寸記錄。這種預(yù)處理可以包括自適應(yīng)低通濾波以去除高頻測(cè)量噪聲和/或校正地層邊界處的尖角效應(yīng)。在某些情況下，可使用如發(fā)明人gianzero和gao的標(biāo)題為“methodofcombiningverticalandhorizontalmagneticdipoleinductionlogsforreducedshoulderandboreholeeffects”的美國專利6,819,112中所描述的一些結(jié)合記錄來去除或減少邊界尖角。

在可選框608中，該系統(tǒng)暫時(shí)定位床層邊界。(對(duì)于使用框614中的均質(zhì)“0d”模型反演的系統(tǒng)和方法來說，可以省去框608和610)。床層邊界檢測(cè)可以多種方式執(zhí)行，包括用于識(shí)別尖角效應(yīng)的峰值檢測(cè)、用于生成邊界交叉信號(hào)的信號(hào)處理或所謂的“快速”反演?？焖俜囱菔褂镁哂休^小參數(shù)空間的地層模型來權(quán)衡速度的準(zhǔn)確度。一個(gè)例示性模型為“徑向1d”模型，其假設(shè)工具測(cè)量值是從穿過其他均質(zhì)無限地層的鉆孔導(dǎo)出的。模型的一些實(shí)施方案可以考慮到工具的偏心和/或鉆孔周圍的反演區(qū)的存在。另一個(gè)例示性模型為“垂直1d”模型，其假設(shè)工具測(cè)量值是從穿過一系列水平地層床層的垂直鉆孔導(dǎo)出的，這些水平地層床層各自具有對(duì)應(yīng)的(各向同性的)電阻率。這些模型產(chǎn)生對(duì)床層內(nèi)的相對(duì)恒定電阻率的預(yù)測(cè)，這些相對(duì)恒定電阻率的區(qū)域之間的轉(zhuǎn)變隨后表示床層邊界的位置。

考慮到將在高精度反演中確定的參數(shù)的數(shù)量，一次性反演所有測(cè)量值通常是不切實(shí)際的。因此，在可選框610中可以采用移動(dòng)窗口，以限制將這些測(cè)量值反演為在那時(shí)正確定模型參數(shù)的地層區(qū)域周圍的區(qū)域的測(cè)量值。對(duì)于地層的后續(xù)區(qū)域，移動(dòng)窗口相應(yīng)地移位。窗口的大小可以根據(jù)從該區(qū)域在每個(gè)方向上延伸的距離或者從當(dāng)前床層在每個(gè)方向上延伸的床層的數(shù)量來確定。框608的試驗(yàn)性床層邊界可用于這種基于床層的窗口尺寸確定以及用于設(shè)置高精度反演的初始起始點(diǎn)。

在框614中，該系統(tǒng)使用具有包括至少傾角、水平電阻率和垂直電阻率以及水平電容率和垂直電容率的參數(shù)的各向異性地層模型來執(zhí)行高精度反演。高精度反演可以采用均質(zhì)的模型(“0d”)、考慮到徑向變化的模型(“徑向1d”)、考慮到軸向變化的模型(“垂直1d”)、考慮到徑向和軸向變化的模型(“2d”)或考慮到徑向、軸向和方位角變化的模型(“3d”)。因此，通過反演確定的其他合適的參數(shù)值可以包括鉆孔流體電阻率、鉆孔直徑、入侵區(qū)域電阻率、入侵區(qū)域直徑、工具偏心率(距離和方向)、床層邊界位置和傾角方位角。電阻率和電容率可以各種等效形式表示，包括例如復(fù)水平電導(dǎo)率和單獨(dú)的各向異性比，其將復(fù)水平電導(dǎo)率的實(shí)部和虛部與復(fù)垂直電導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)部分相關(guān)聯(lián)。這些參數(shù)隨著位置而變化，但是基于床層的模型可以假設(shè)在每個(gè)床層內(nèi)的參數(shù)值是恒定的。

反演過程自適應(yīng)地調(diào)整這些模型參數(shù)(以及基于床層的模型中的試驗(yàn)性床層邊界位置)以找到使成本函數(shù)最小化的參數(shù)值。將給定位置p處的測(cè)量值集合σij^l表示為mk(p)，其中k是范圍為1至k的指數(shù)以表示接收天線取向i、發(fā)射天線取向j、間距指數(shù)值l以及任選地每個(gè)頻率f的每個(gè)組合，成本函數(shù)可表示為：

其中sk(p)為由模型基于當(dāng)前模型參數(shù)而預(yù)測(cè)的測(cè)量值，并且權(quán)重wq圍繞當(dāng)前位置p提供寬度2q+1的對(duì)稱窗口?？赏ㄟ^權(quán)重實(shí)現(xiàn)的合適的窗口形狀包括矩形窗口、三角形窗口、hamming窗口、hanning和blackman窗口。應(yīng)當(dāng)注意到，成本函數(shù)(8)僅僅是一個(gè)實(shí)例?？梢允褂帽容^預(yù)測(cè)測(cè)量值和實(shí)際測(cè)量值的任何其他分析函數(shù)。通?；跍y(cè)量空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和測(cè)量誤差特征而進(jìn)行成本函數(shù)選擇。

通常，反演過程是使成本函數(shù)最小化的這些模型參數(shù)的確定。參數(shù)值的這種初始估計(jì)可以基于框608的可選快速反演結(jié)果。

在至少一些優(yōu)選實(shí)施方案中，在框614中反演的測(cè)量值σij^l對(duì)應(yīng)于單個(gè)信號(hào)頻率f，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，這樣的測(cè)量值集合對(duì)于估計(jì)地層的各向異性電容率和電阻率參數(shù)是足夠的。然而，至少一些設(shè)想的實(shí)施方案在由工具采用的多個(gè)信號(hào)頻率的每一個(gè)下執(zhí)行測(cè)量的同時(shí)反演以確定至少各向異性電阻率和各向異性電容率參數(shù)的頻散曲線。在框614中執(zhí)行單頻反演的情況下，可以包括可選框616以對(duì)每個(gè)測(cè)量頻率重復(fù)高精度反演，從而依次確定各向異性電容率和電阻率參數(shù)的頻率依賴性。在任一情況下，該系統(tǒng)可以將模型頻散曲線擬合到頻率依賴性或可以確定多個(gè)候選頻散曲線中的哪一個(gè)最佳地?cái)M合各向異性電容率和電阻率參數(shù)的頻率依賴性。模型或候選曲線可以基于諸如cole-cole或cole-davidson的一般頻散模型，或者可以基于對(duì)介電弛豫損耗特有的模型。

在框618中，該系統(tǒng)將頻散曲線和/或單獨(dú)的各向異性電容率和電阻率參數(shù)值轉(zhuǎn)化成對(duì)地層流體和基質(zhì)的特征的預(yù)測(cè)。此類特征可包括流體飽和度(例如，地層中的水的體積或百分比)、巖石(“基質(zhì)”)類型(例如，砂巖、頁巖)以及具有顯著的maxwell-wagner極化的材料(例如，黃鐵礦、粘土)的存在。流體飽和度和孔隙度是可以從水平地層電阻率導(dǎo)出的特征。巖石類型可以基于電阻率與電阻各向異性結(jié)合而導(dǎo)出。各向異性比或電容率指數(shù)表明存在黃鐵礦和具有各向異性極化的其他材料。

在框620中，該系統(tǒng)通常以參數(shù)記錄的形式存儲(chǔ)反演的參數(shù)值和相關(guān)的預(yù)測(cè)。在框622中，該系統(tǒng)確定是否已經(jīng)處理了所有的工具測(cè)量值，如果不是，則該過程返回到框610以調(diào)整窗口的位置并重復(fù)框614-622。一旦處理完成，系統(tǒng)在框624中向用戶顯示記錄的可視表示。用戶可以解釋記錄以確定完井和開采策略，并且優(yōu)化在相同或其他附近鉆孔中的進(jìn)一步鉆探。

本文所公開的實(shí)施方案包括：

a：一種測(cè)井方法，包括：從通過地層沿鉆孔傳送的電磁測(cè)井工具獲得多分量信號(hào)測(cè)量值；以及使用具有至少傾角、水平和垂直電阻率以及水平和垂直電容率作為反演參數(shù)的各向異性地層模型來針對(duì)至少一個(gè)頻率反演所述多分量信號(hào)測(cè)量值；以及提供所述地層的記錄，所述記錄表示所述參數(shù)中的至少一個(gè)或由所述參數(shù)中的至少一個(gè)導(dǎo)出的地層特性的位置依賴性。

b：一種測(cè)井系統(tǒng)，包括：電磁測(cè)井工具，所述電磁測(cè)井工具在通過地層沿著鉆孔傳送所述工具時(shí)，獲取多分量信號(hào)測(cè)量值；以及處理系統(tǒng)，所述處理系統(tǒng)通過使用具有至少傾角、水平和垂直電阻率以及水平和垂直電容率作為反演參數(shù)的各向異性地層模型來針對(duì)至少一個(gè)頻率反演所述多分量信號(hào)測(cè)量值而提供所述地層的記錄。

c：一種非瞬態(tài)信息存儲(chǔ)介質(zhì)，具有指令，所述指令當(dāng)由處理系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，致使所述處理系統(tǒng)執(zhí)行實(shí)施方案a的方法。

實(shí)施方案a、b和c可各自具有以下附加元素中的一個(gè)或多個(gè)的任何組合：元素1：提供所述記錄包括以視覺形式顯示所述記錄。元素2：提供所述記錄包括將所述記錄存儲(chǔ)在非瞬態(tài)信息存儲(chǔ)介質(zhì)中以供之后分析。元素3：所述記錄表示至少部分基于所述水平和垂直電阻率以及水平和垂直電容率中的一個(gè)或多個(gè)而估計(jì)的水飽和度。元素4：所述記錄表示至少部分基于所述水平和垂直電阻率以及水平和垂直電容率的巖石類型。元素5：所述記錄表示至少部分基于所述水平和垂直電容率的比的巖石類型。元素5：單一頻率的所述多分量信號(hào)測(cè)量值包括利用發(fā)射天線與接收天線之間的至少兩個(gè)不同相對(duì)取向而獲取的測(cè)量值。元素6：所述方法還包括：使用所述各向異性地層模型來在每個(gè)附加頻率下執(zhí)行多分量信號(hào)測(cè)量的單獨(dú)反演；以及識(shí)別表示所述參數(shù)的頻率依賴性的頻散模型。元素7：所述記錄表示至少部分基于所述代表性頻散模型的巖石類型。元素8：所述電磁測(cè)井工具為隨鉆測(cè)井工具。元素9：所述電磁測(cè)井工具為電纜工具。元素10：所述電磁測(cè)井工具包括用于獲取所述多分量信號(hào)測(cè)量值的一個(gè)或多個(gè)傾斜天線。元素11：通過至少一個(gè)傾斜接收機(jī)天線對(duì)至少一個(gè)傾斜發(fā)射機(jī)天線的響應(yīng)來獲取測(cè)量值。

一旦完全理解了上述所公開的內(nèi)容，許多其他修改、等效物和替代方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。隨附權(quán)利要求意圖被解釋為涵蓋所有這樣的修改、等效物和替代方案。