CN101255792A - 使用旋转和不旋转的钻井设备产生定向测量值 - Google Patents

Abstract

一种确定用于有时旋转而在其它时候不旋转的钻具的定向测量值的系统和方法。所述方法包括：在所述设备旋转时产生第一组测量值；在所述设备不旋转时产生第二组测量值；和将第一和第二组测量值组合以获得所述定向测量值。所述系统包含：发射器－接收器对，其中所述发射器具有平行于所述设备的纵轴的磁偶极矩，并且所述接收器具有相对于所述设备的纵轴是倾斜的磁偶极矩；电子模块，其激发所述发射器，并且检测接收器信号以在所述设备旋转时产生第一组测量值，并且在所述设备不旋转时产生第二组测量值；和处理器，其将第一和第二组测量值组合以获得所述定向测量值。

Description

使用旋转和不旋转的钻井设备产生定向测量值

技术领域

本发明涉及油井开发。更具体而言，本发明涉及一种用于在设备不旋转时，确定用于钻井设备的定向测量值的系统和方法。

背景技术

在油井开发领域中，产生定向测量值以确定例如地层边界和钻井设备之间的距离，地层边界相对于钻井设备的方向，并且便于主动的井定位和地层评估。通常由通过被设置在钻井设备中的电磁LWD(随钻测井)工具收集的信息产生定向测量值，所述电磁LWD工具可以使用天线。这些设备随着时间的过去并且在不同的频率下运行而提供多间隔和多频率的测量值。接收的信号取决于多个变量，包括发射器与接收器的间隔、频率、一个或多个接收器的方位角以及地层相对于接收器的定向角。

当钻井设备旋转，因此被设置在钻柱中的工具旋转时，所测量的轴向发射器和倾斜的接收器的信号表示为：

其中V是接收的电压，a₀是零阶谐波系数，a₁是一阶谐波系数，φ是所述接收器的方位角，并且

是地层相对于接收器的定向角。对于接收器的给定位置，定向角

是在地层的法线和在垂直工具轴的平面中的参考线之间的角度。可以使用一阶和零阶谐波系数的比率估算测井仪和地层边界之间的距离。这是定向测量值的基础。在本领域中已知，在拟合算法中使用在不同的接收器方位角测量的信号确定零阶和一阶谐波系数以及地层的定向角。这是可以的，因为在旋转过程中产生的多个测量值提供使用拟合算法的足够数据。然而，当钻柱不旋转时，测量值对于使用拟合算法是不足的。根据已知的技术，在这种情况下，不能确定系数和地层的定向角，因此不能确定定向测量值。结果，只能在钻井设备旋转时产生定向测量值。

根据已知的技术，使用由定向测量值获得的信息操纵钻井设备。例如，因为系统连续旋转，使用定向测量值引导旋转的可操纵系统。如此，可以在整个钻井过程中连续产生定向测量值。然而，当使用泥浆马达或类似的机械装置钻井时，通过将设备在不同的方向上推动或滑动改变钻井设备的方向。在这种情况下，与钻头不同，当在新方向上将钻柱推动时，钻柱不旋转。因此，在此期间中不能获得定向测量值。理想的是，即使在钻井设备不旋转时，也能够确定用于构建定向测量值的系数。

存在用于在钻井设备不旋转时获得定向测量值的已知方法。这种方法包括产生通常称作三轴向测量值的测量值。然而，使用三轴向测量值是繁重的，特别是考虑到本发明。例如，产生三轴向测量值需要在钻井设备上安置另外的传感器；而且，传感器必须相互同步以获得足够精确的测量值。如此，使用三轴向测量值增加机械的复杂性，并且需要用于获得定向测量值的另外步骤。

考虑到上述，存在即使在钻井设备不旋转时，也以有效和直接计算的方式确定构建定向测量值所必需的系数的需要。

发明内容

根据具体实施方案，一种确定用于有时旋转而在其它时候不旋转的钻具的定向测量值的系统和方法。所述方法包括在设备旋转时产生第一组测量值；在设备不旋转时产生第二组测量值；以及将第一和第二组测量值组合以获得定向测量值。所述系统包含发射器-接收器对，其中所述发射器具有与设备的纵轴平行的磁偶极矩，并且所述接收器具有相对于设备的纵轴是倾斜的磁偶极矩；电子模块，其激发发射器并且检测接收器信号以在设备旋转时产生第一组测量值，并且在设备不旋转时产生第二组测量值；以及处理器，其将第一和第二组测量值组合以获得定向测量值。

附图说明

为了更完全理解本发明，现在结合附图参考下列描述。

图1是根据本发明的一个实施方案的操作的流程图。

图2是根据本发明构建的定向钻井测量设备的一个实施方案的示意图。

图3A是显示图2的实施方案的发射器-接收器对的磁偶极矩的示意图。

图3B是显示两个发射器-接收器对的磁偶极矩的示意图。

图3C是显示两个协同定位(co-located)的发射器-接收器对的磁偶极矩的示意图。

具体实施方式

根据本发明的实施方案，提供一种用于产生定向测量值的系统和方法。这是通过将在工具旋转时获得的一些参数与在工具不旋转时获得的测量值一起使用而进行的。参考图1，显示了根据一个优选实施方案的步骤。在步骤101，根据本领域中已知的方法对于旋转的钻井设备产生定向测量值。在步骤103，使用该数据获得零阶谐波系数，一阶谐波系数和定位参数。在步骤105，在工具不旋转时产生测量值。在具体实施方案中，将在步骤103中获得的一些值与在步骤105中获得的数据一起使用以在工具不旋转时估算定向测量值。

如所述的，一个优选实施方案使用在工具旋转时获得的参数补充在工具不旋转时产生的测量值。然而，可以在任何时间，即在钻井设备的旋转前、后或期间获得这些参数。此外，具体实施方案产生用于非旋转钻井设备的定向测量值，而不考虑旋转期是在非旋转期之前还是之后。例如，可以使用稍后从旋转设备及时获得的参数获得在滑动时的设备的定向测量值。

参考图2，在其中使用钻井设备10钻井的系统中实施上述方法。根据图2，显示了至少部分在地面下的钻井设备10。设备10可以是几乎任何如本领域中已知的钻井设备。

如在图2中所示，处理站30具有处理器20、存储装置24、用户界面26和电流源34。处理站30用作可以接收、记录、处理和给用户显示通过井下仪器获得的信息的中央单元。处理站30的具体内含物或构造对于本发明不是关键的。然而，实施方案优选包含可操作以进行如在此所述的操作的处理器。使用不同构造的实施方案是可预想的，并且处理站30的各种配置对于本领域技术人员是显而易见的。例如，可预想特别有用的实施方案，其中处理器20、存储器24和电流源34沿着设备10位于井下，接近接收器12和发射器14。

如所示的，将接收器12和发射器14各自沿着设备10的长度设置。如将进一步论述，具体实施方案要求用接收器12的方位角和地层相对于接收器12的角度表示来自发射器14的在接收器12接收的信号。在优选实施方案中，接收器12和发射器14是环形天线。例如，发射器天线携带产生与环平面正交的磁偶极矩的电流。可以通过在本领域中已知的任何方法将电流供给到发射器14上。接收器12和发射器14各自是沿着设备10设置的转换器。在操作过程中，发射器14将电流转换为发射到周围地层中的电磁能，所述电磁能的某些部分返回到接收器12。

接收器12将入射的电磁能转换为以电压信号表示的电能。通过经过一段时间测量在接收器12的信号，可以收集关于岩层和地层本身的大量信息。可以通过本领域中已知的方法将在接收器12的信号传送给处理器20。如在图2中所示，处理器20可以位于地表使得通过通讯装置22在接收器12和处理器20之间传送信号。在图2中，通讯装置22被显示为沿着设备10在井下发射器-接收器组合和在地表的处理器20之间延伸的导线。然而，可预想到其它实施方案，其中通讯装置22是无线的。例如，可以通过遥测技术方法如泥浆脉冲遥测技术将信号从井下仪器传送到处理站30。而且，可预想其它实施方案，其中处理器20还沿着设备10位于井下。

为了理解如何在钻井设备10不旋转时可以获得定向测量值，可使用具有单个接收器-发射器对的第一检验实施方案，如在图2中公开的实施方案。在这种情况下，定向测量值(衰减和相移)可以表示为：

$\mathrm{ATT}=-20{\log }_{10}\left(\mathrm{abs}\left(\frac{1+a_1^{\left(1\right)}/a_0^{\left(1\right)}}{1-a_1^{\left(1\right)}/a_0^{\left(1\right)}}\right)\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{PS}=\mathrm{angle}(1+a_1^{\left(1\right)}/a_0^{\left(1\right)})-\mathrm{angle}(1-a_1^{\left(1\right)}/a_0^{\left(1\right)});---\left(2\right)$

其中a₀是零阶谐波系数，a₁是测量的电压的一阶谐波系数，并且函数“angle”被定义为angle(z)＝arctan(虚部(z)/实部(z))，其中实部(z)和虚部(z)表示复变量z的实部和虚部。此外，可以看出必须知道a₁/a₀以确定定向测量值。

参考图2和3A，显示了一个示例性实施方案，其中在钻井设备10中只有单个接收器-发射器对。发射器和接收器的磁偶极矩由它们各自的箭头表示。注意接收器12的磁偶极矩应该与钻井设备10的纵轴40既不平行也不垂直，即，接收器12应该是“倾斜的”。而且，将发射器的磁偶极矩限制为与纵轴40平行。注意，依据互易性，发射器和接收器天线的作用可以相反。如在美国专利申请出版物2005/0140373A1中所述，在接收器12的电压信号可以表示为：

如所看见的，在接收器12的电压信号具有两个分量：零阶谐波系数和一阶谐波项。当钻井设备10旋转时，零阶谐波系数保持恒定；即，零阶谐波系数不依赖于接收器12的方位角。而且，零阶谐波系数对设备10和地层边界之间的距离不敏感。一阶谐波项

取决于接收器12的方位角；如此，它在钻井设备10旋转时变化。而且，一阶谐波系数a₁对接收器12和地层边界之间的距离敏感。

当钻井设备10旋转时，优选在各个接收器方位产生测量值。在这种情况下，由在多个方位角的测量值提供足够的信息以使用拟合算法获得系数a₀和a₁。然而，一旦钻井设备10停止旋转，就只能在一个方位角(即，对于每一个接收器，只可以获得一个值)获得测量值，因此不能使用拟合算法。在这种情况下，不能独立获得确定定向测量值的a₀和a₁。

如所提及的，a₀对地层边界和设备10之间的距离不敏感。如此，可以稳妥地认为不论钻井设备10处于旋转模式还是处于滑动模式，a₀均具有相同的值。而且，在大多数情况下，当钻井设备10只是从旋转模式变化至滑动模式时，地层方位相对于设备10没有变化。如此，不论钻井设备10处于旋转模式还是处于滑动模式，

均具有相同的值。

根据方程式(3)，在旋转过程中测量a₀和

的值并且在设备10不旋转时使用那些相同的值提供足够的信息以确定a₁/a₀。然后在方程式(1)和(2)中使用这些值确定在滑动模式中的定向测量值。

根据该实施方案，对于单个接收器-发射器对，确定定向测量值使用下列值：

2)a₀＝a₀ ^旋转

其中a₀ ^旋转和

表示当钻井设备10旋转时的各个值。

参考图3B，显示了一个优选实施方案，其中将第一接收器12、第一发射器14、第二接收器16和第二发射器18设置在设备10中。在该实施方案中，在第一接收器12和第一发射器14之间的距离等于在第二接收器16和第二发射器18之间的距离。如将进一步论述，具有在接收器和发射器之间的距离相同的两个接收器-发射器对并且使用相同的频率操作，允许将信号组合以降低对地层的各向异性和倾角的灵敏度。图3B显示了相互偏移的各个接收器和发射器对。然而，所述对可以协同定位于设备10中。即，如图3C中所示，将第一发射器14和第二接收器16设置在设备10上的相同位置，将第二发射器18和第一接收器12设置在另一个位置。

如在方程式(3)中所示，分别用接收器方位角和地层定向角表示来自发射器14和18的在接收器12和16的信号。可以用相对于设备10的轴40的角度定义接收器12和16以及发射器14和18的方向。在一个实施方案中，第一接收器12的方位角与第二接收器16的方位角不同；即，在第一接收器12和第二接收器16之间的方位角不为零。在各个接收器之间的方位角偏移提供在各个接收器的截然不同的信号。

在此描述的实施方案，尽管本发明不限于此，便于确定在钻井设备10的对称定向测量值，其对地层的各向异性和相对倾角不敏感是已知的。这些对称的定向测量值，即对称的相移和对称的衰减测量值可以分别表示为：

$\mathrm{PS}=\mathrm{angle}(1+\frac{a_1^{\left(1\right)}}{a_0^{\left(1\right)}})-\mathrm{angle}(1-\frac{a_1^{\left(1\right)}}{a_0^{\left(1\right)}})+\mathrm{angle}(1+\frac{a_1^{\left(2\right)}}{a_0^{\left(2\right)}}\frac{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(1\right)}\right)}{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(2\right)}\right)})-\mathrm{angle}(1-\frac{a_1^{\left(2\right)}}{a_0^{\left(2\right)}}\frac{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(1\right)}\right)}{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(2\right)}\right)});---\left(4\right)$

$\mathrm{ATT}=-20{\log }_{10}\left(\mathrm{abs}\left(\frac{1+\frac{a_1^{\left(1\right)}}{a_0^{\left(1\right)}}}{1-\frac{a_1^{\left(1\right)}}{a_0^{\left(1\right)}}}\right)\right)-20{\log }_{10}\left(\mathrm{abs}\left(\frac{1+\frac{a_1^{\left(2\right)}}{a_0^{\left(2\right)}}\frac{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(1\right)}\right)}{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(2\right)}\right)}}{1-\frac{a_1^{\left(2\right)}}{a_0^{\left(2\right)}}\frac{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(1\right)}\right)}{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(2\right)}\right)}}\right)\right);---\left(5\right)$

其中a₀ ⁽¹⁾是在接收器12的“零阶谐波”，a₁ ⁽¹⁾是在接收器12的“一阶谐波”，θ_R ⁽¹⁾是接收器12相对于轴40的角度，a₀ ⁽²⁾是在接收器16的零阶谐波，a₁ ⁽²⁾是在接收器16的一阶谐波，并且θ_R ⁽²⁾是接收器16相对于轴40的角度。如从上式看出，必须知道a₁ ⁽¹⁾/a₀ ⁽¹⁾和a₁ ⁽²⁾/a₀ ⁽²⁾以分别确定在接收器12和16的对称定向测量值。方程式(4)和(5)是具有两个接收器-发射器对的实施方案特有的。

再次参考图3B和3C，并且将方程式(3)推广到具有两个接收器-发射器对的实施方案表明，来自发射器14的在接收器12的电压(表示为V⁽¹⁾)以及来自发射器18的在接收器16的电压(表示为V⁽²⁾)可以表示为：

其中φ⁽¹⁾和φ⁽²⁾分别是接收器12和接收器16的方位角；和

分别是如通过接收器12和接收器16所看见的地层的定向角。在这种情况下，a₁ ⁽¹⁾/a₀ ⁽¹⁾和a₁ ⁽²⁾/a₀ ⁽²⁾的值确定对称的定向测量值，即相移和衰减。

在具有两个接收器-发射器对的实施方案中，有至少两种用于在设备10处于滑动模式时确定对称的定向测量值的技术。第一种技术包括独立地处理每一个接收器-发射器对。如上所述，可以将所述值设定为：

2)a₀ ⁽¹⁾＝(a₀ ⁽¹⁾)^旋转

5)a₀ ⁽²⁾＝(a₀ ⁽²⁾)^旋转

再次，其中具有上标旋转的变量表示在钻井设备10旋转时它们各自的值。可以在方程式(1)和(2)中使用对a₁ ⁽¹⁾/a₀ ⁽¹⁾和a₁ ⁽²⁾/a₀ ⁽²⁾所获得的值以分别确定在接收器12和接收器16的定向测量值。备选地，可以在方程式(4)和(5)中使用这些比率确定对称的定向测量值。

第二种技术将在每个接收器测量的零阶谐波系数的比率视为在很接近非旋转模式时的旋转之间是恒定的。因为预期两个发射器-接收器对的电子增益在从旋转模式至非旋转模式的短暂转换过程中不变化，所以可以进行这种假设。此外，在第一接收器的一阶和零阶谐波系数的比率和在第二接收器的一阶和零阶谐波系数的比率的总和乘以因子

保持恒定。这是因为上述总和主要依赖于各向异性和倾角，而不是与地层边界的距离。根据该实施方案，我们对下列值赋值：

3)d＝a₀ ⁽²⁾/a₀ ⁽¹⁾＝(a₀ ⁽²⁾/(a₀ ⁽¹⁾)^旋转

$\frac{a_1^{\left(2\right)}}{a_0^{\left(2\right)}}=(e-\frac{a_1^{\left(1\right)}}{a_0^{\left(1\right)}})\frac{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(2\right)}\right)}{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(1\right)}\right)}$

再次，具有上标旋转的变量表示在钻井设备10旋转时的各个值。无论钻井设备10是否旋转，都将

d＝a₀ ⁽²⁾/a₀ ⁽¹⁾和 $e=\frac{a_1^{\left(1\right)}}{a_0^{\left(1\right)}}+\frac{a_1^{\left(2\right)}}{a_0^{\left(2\right)}}\frac{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(1\right)}\right)}{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R^{\left(2\right)}\right)}$ 的值视为常数。

在操作过程中，地层相对于接收器12和16的定向角(分别为

和

)将保持恒定，只要沿着方位角方向的地层结构和井路线在设备10旋转或滑动的位置之间的间隔中不变化即可。在实践中，因为滑动的较短持续时间，这是一种良好的近似。可以在方程式(1)和(2)中使用对a₁ ⁽¹⁾/a₀ ⁽¹⁾和a₁ ⁽²⁾/a₀ ⁽²⁾所获得的值分别确定在接收器12和接收器16的定向测量值。可以在方程式(4)和(5)中使用这些比率确定对称的定向测量值。

除已经论述的实施方案以外，还可预想到备选的实施方案，其中调节一个或多个接收器和/或发射器的磁矩。在这种情况下，在此论述的方法仍然是可适用的，而不丧失一般性。

尽管详细描述了本发明及其优点，但是应该理解在不偏离如由后附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在此进行各种变化、替换和变更。而且，本申请的范围不意在限于在说明书中描述的处理、机械、制造、物体的组成、装置、方法和步骤的具体实施方案。如本领域普通技术人员将从本发明的公开内容中容易理解的，可以根据本发明使用执行与在此描述的相应实施方案基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的现有或以后开发的处理、机械、制造、物体的组成、装置、方法或步骤。因此，后附权利要求意在在它们的范围内包括这些处理、机械、制造、物体的组成、装置、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种获得用于旋转和不旋转的钻井设备的定向测量值的方法，所述方法包括：

在所述设备旋转时产生第一组测量值；

在所述设备不旋转时产生第二组测量值；和

将第一和第二组测量值组合以获得所述定向测量值。

2.权利要求1所述的方法，其中所述组合包括使用第一组测量值至少计算零阶谐波系数和定向角。

3.权利要求2所述的方法，其中所述组合还包括：

使用第二组测量值、零阶谐波系数和定向角计算一阶谐波系数和零阶谐波系数的比率。

4.权利要求3所述的方法，其中所述组合还包括使用一阶谐波系数和零阶谐波系数的比率计算相移和衰减。

5.权利要求1所述的方法，其中所述产生第一组测量值包括使用一个或多个发射器-接收器对。

6.权利要求1所述的方法，其中所述产生第二组测量值包括使用一个或多个发射器-接收器对。

7.权利要求1所述的方法，其中：

所述产生第一组测量值包括使用一个或多个发射器-接收器对；

所述产生第二组测量值包括使用一个或多个发射器-接收器对；和

对于每一个发射器-接收器对，所述组合使用来自所述发射器-接收器对的第一和第二组测量值产生独立的定向测量值。

8.权利要求7所述的方法，其中将所述独立的定向测量值比较或组合以使其精确。

9.权利要求7所述的方法，其中所述组合还包括：对于每个发射器-接收器对，

使用来自所述发射器-接收器对的第一组测量值至少计算零阶谐波系数和定向角，其中无论所述钻井设备旋转还是不旋转，对于所述发射器-接收器对的所述零阶谐波系数和所述定向角都是恒定的。

10.权利要求1所述的方法，其中：

所述产生第一组测量值包括使用两个或更多个发射器-接收器对；

所述产生第二组测量值包括使用两个或更多个发射器-接收器对；和

所述组合同时使用来自所述两个或更多个发射器-接收器对的第一和第二组测量值产生所述定向测量值。

11.权利要求10所述的方法，其中所述组合还包括：

对于每一个发射器-接收器对，使用第一组测量值至少计算零阶谐波系数和定向角，其中无论所述钻井设备旋转还是不旋转，所述零阶谐波系数和所述定向角对于每一个发射器-接收器对都是恒定的。

12.权利要求10所述的方法，其中所述组合还包括：

对于每一个发射器-接收器对，使用第一组测量值至少计算零阶谐波系数和定向角，其中无论所述钻井设备旋转还是不旋转，所述定向角对于每一个发射器-接收器对都是恒定的，来自不同的发射器-接收器对的零阶谐波系数的比率是恒定的，并且成比例的一阶和零阶谐波系数的比率之和对于每一个发射器-接收器对都是恒定的。

13.一种获得用于旋转和不旋转的钻井设备的定向测量值的系统，所述系统包含：

发射器-接收器对，其中所述发射器具有平行于所述设备的纵轴的磁偶极矩，并且所述接收器具有相对于所述设备的纵轴是倾斜的磁偶极矩；

电子模块，其激发所述发射器，并且检测接收器信号以在所述设备旋转时产生第一组测量值，并且在所述设备不旋转时产生第二组测量值；和

处理器，其将第一和第二组测量值组合以获得所述定向测量值。

14.权利要求13所述的系统，其中所述处理器还包含存储器模块。

15.权利要求14所述的系统，其中将所述处理器设置井眼中，所述的井眼在所述钻井设备上或附近。

16.权利要求15所述的系统，其中将所述定向测量值传送到地表。

17.权利要求13所述的系统，其中将第一和第二组测量值传送到位于地表的所述处理器中。

18.一种获得用于旋转和不旋转的钻井设备的定向测量值的系统，所述系统包含：

多个发射器-接收器对，其中每一个发射器具有平行于所述设备的纵轴的磁偶极矩，并且每一个接收器具有相对于所述设备的纵轴是倾斜的磁偶极矩；

电子模块，其激发所述发射器，并且检测接收器信号以对于每一个发射器-接收器对，在所述设备旋转时产生第一组测量值，并且在所述设备不旋转时产生第二组测量值；和

处理器，其将第一和第二组测量值组合以获得所述定向测量值。

19.权利要求18所述的系统，其中所述发射器和接收器中的至少一些的作用是相反的。

20.权利要求18所述的系统，其中所述发射器和接收器中的至少一些是协同定位的。

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