СИСТЕМА И СПОСОБ БЫСТРОЙ ОЦЕНКИ УГЛА ПАДЕНИЯ ФОРМАЦИИ Российский патент 2017 года по МПК G01V3/28 E21B47/26 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современные операции бурения и добычи нефти требуют большого количества информации, относящейся к параметрам и условиям в скважине. Такая информация, как правило, включает в себя расположение и ориентацию скважины и бурового снаряда, свойства земной формации и параметры внутрискважинной среды при бурении. Сбор информации, относящейся к свойствам формации и условиям в скважине, обычно называют «каротаж», он может проводиться в ходе самого процесса бурения (отсюда термин «каротаж в процессе бурения» или «LWD», часто используемый взаимозаменяемо с термином «измерения в процессе бурения» или «MWD»).

Для применения в каротаже в процессе бурения (LWD) существуют разнообразные измерительные устройства. Одним из таких устройств является устройство каротажа сопротивлений, которое содержит одну или более антенн для передачи электромагнитного сигнала в формацию и одну или более антенн для приема отклика формации. При работе на низких частотах устройство каротажа сопротивлений можно назвать «индукционным» устройством, а на высоких частотах его можно назвать устройством распространения электромагнитных волн. Несмотря на то, что физические явления, доминирующие во время измерений, могут изменяться в зависимости от частоты, принципы работы устройства являются одинаковыми. В некоторых случаях для измерения удельного сопротивления формаций амплитуду и/или фазу принятых сигналов сравнивают с амплитудой и/или фазой переданных сигналов. В других случаях для измерения удельного сопротивления формаций амплитуду и/или фазу множества принятых сигналов сравнивают друг с другом.

При построении графика в зависимости от глубины или положения устройства в скважине результаты измерений каротажным устройством называют термином «каротаж». Такой каротаж может обеспечить показания концентрации углеводородов и другую информацию, полезную для инженеров по бурению и заканчиванию скважин. В частности, азимутально чувствительный каротаж может предоставить данные, полезные для управления буровым снарядом, поскольку они могут информировать бурильщика о направлении долота относительно ориентации текущего слоя и ближних границ слоя, таким образом, давая возможность изменений программы бурения, что обеспечит гораздо больший успех, чем в случае использования одних только данных сейсморазведки. Однако такая информация имеет ограниченную полезность, если не может быть доступной бурильщику в оперативном режиме.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Лучшее понимание различных раскрываемых вариантов осуществления можно получить при рассмотрении следующего подробного описания вместе с приложенными чертежами, на которых:

Фиг. 1 отображает иллюстративную среду для каротажа в процессе бурения (LWD).

Фиг. 2 отображает иллюстративное устройство для каротажа в процессе бурения (LWD), установленное вдоль бурильной колонны.

Фиг. 3 отображает структурную схему двух модулей каротажного устройства и наземной системы.

Фиг. 4 отображает иллюстративный способ быстрой оценки угла падения формации.

Должно быть понятно, что чертежи и соответствующее подробное описание не ограничивают объем изобретения, напротив, они создают основу для понимания всех изменений, эквивалентов и альтернативных вариантов, подпадающих под действие прилагаемых пунктов формулы изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В следующих пунктах описаны иллюстративные устройства, системы и способы быстрой оценки угла падения формации. В первую очередь, описана среда при бурении, подходящая для использования таких устройств, систем и способов, с последующим описанием иллюстративной бурильной колонны с устройством для каротажа в процессе бурения (LWD). Кроме того, описаны и выражены математически взаимосвязи положений между антеннами, содержащимися в модулях устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), как и влияния данных взаимосвязей на принятые сигналы, распространяющиеся через окружающую формацию. Затем описаны несколько иллюстративных быстрых вычислений угла падения формации, а также формулы, которые выводят параметры, показывающие применимость быстрых вычислений угла падения формации. Представлены расчеты и формулы в контексте иллюстративной системы и программного метода, реализованного системой, которая выполняет описанные вычисления, вместе с деревом решений, которое работает, чтобы решать, какие вычисления использовать для оценки угла падения формации.

Раскрытые устройства, системы и способы лучше понятны в контексте больших систем, в которых они работают. Соответственно, фиг. 1 отображает иллюстративную среду для каротажа в процессе бурения (LWD). Буровая платформа 2 поддерживает вышку 4, имеющую талевый блок 6 для подъема и опускания бурильной колонны 8. Верхний привод 10 поддерживает и вращает бурильную колонну 8, когда она опускается через устье 12 скважины. Буровое долото 14 приводится в действие внутрискважинным двигателем и/или вращением бурильной колонны 8. Когда долото 14 вращается, оно создает скважину 16, которая проходит через различные формации. Насос 18 прокачивает буровой раствор 20 через подводящий трубопровод 22, через внутреннее пространство бурильной колонны 8 к буровому долоту 14. Текучая среда выходит через отверстия в буровом долоте 14 и проходит вверх через кольцевое пространство вокруг бурильной колонны 8, чтобы переносить буровой шлам на поверхность, где текучая среда фильтруется и поступает обратно в скважину.

Буровое долото 14 является лишь одной деталью забойного блока 24, который включает в себя гидравлический забойный двигатель и один или более «воротников бура» (толстостенная стальная труба), которые обеспечивают вес и жесткость, чтобы способствовать процессу бурения. Некоторые из воротников бура содержат встроенные каротажные приборы для сбора данных измерений различных параметров бурения, таких как положение, ориентация, нагрузка на долото, диаметр скважины и др. Ориентация устройства может быть определена в терминах плоского угла устройства (угловая ориентация), угла наклона (уклон) и азимутального угла, каждый из которых может быть выведен из измерений с помощью магнитометров, инклинометров и/или акселерометров, хотя, как вариант, могут использоваться другие типы датчиков, такие как гироскопы. В одном из конкретных вариантов осуществления устройство включает трехосный феррозондовый магнитометр и трехосный акселерометр. Как известно в технике, сочетание этих двух систем датчиков дает возможность измерять плоский угол устройства, угол наклона и азимутальный угол. Такие измерения ориентации могут быть объединены с гироскопическими или инерционными измерениями для точного отслеживания положения устройства.

В забойный блок 24 также включен телеметрический блок, который поддерживает линию связи с поверхностью. Телеметрия пульсации бурового раствора является одним из общепринятых методов телеметрии для передачи данных измерений скважинным устройством к наземным приемникам и приема команд с поверхности, но также могут использоваться другие методы телеметрии. Для некоторых методов (например, сквозной акустической сигнализации) бурильная колонна 8 содержит один или более ретрансляторов 30 для обнаружения, усиления и ретрансляции сигнала. На поверхности преобразователи 28 преобразуют сигналы из механической формы в электрическую, обеспечивая прием модулем 36 сетевого интерфейса восходящего сигнала от телеметрического блока и (по меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления) передачу нисходящего сигнала к телеметрическому блоку. Система 50 обработки данных принимает цифровой телеметрический сигнал, демодулирует сигнал и отображает данные об устройстве или каротажные диаграммы для пользователя. Программное обеспечение (представленное на фиг. 1 как постоянный носитель 52 для хранения информации) управляет работой системы 50. Пользователь взаимодействует с системой 50 и ее программным обеспечением 52 через одно или более устройств 54 и 55 ввода данных и одно или более устройств 56 вывода данных. В некоторых вариантах осуществления системы бурильщик использует систему для выполнения решений по направленному бурению и передачи соответствующих команд к забойному блоку 24.

Забойный блок 24 может еще дополнительно включать в себя механизм управления направлением перемещения, который бурильщик может использовать для изменения траектории скважины в результате анализа каротажных измерений. Иллюстративные механизмы управления направлением перемещения включают управляемые ребра, бурильные плуги или кривые переводники. Роторная управляемая система (RSS) может быть соединена с такими механизмами управления направлением перемещения для обеспечения направленного бурения даже тогда, когда бурильная колонна продолжает вращение.

Одним из параметров формации, представляющих интерес для бурильщика, принимающего решения по направленному бурению, является истинный угол падения формации. В современной технике хорошо известно, что угол падения - это наиболее крутой угол понижения наклонного пласта или другого образования формации относительно горизонтальной плоскости. Истинный угол падения - это угол падения, измеренный перпендикулярно к линии простирания формации (т.е. линии, отмечающей пересечение пласта или образования с горизонтальной плоскостью). (Он может также быть выражен, как угол между вертикальной осью и вектором, перпендикулярным к плоскости напластования формации.) Связанным параметром является относительный угол падения, который является углом, измеряемым между осью скважины и вектором, нормальным к плоскости напластования формации. Например, бурильщик может измерять относительный угол падения формации и применять эти данные для сохранения траектории скважины в пределах пласта формации, насколько это возможно (относительный угол падения около 90°) или для выхода из пласта как можно скорее (относительный угол падения около 0° или 180°).

Как более подробно показано ниже, истинный и/или относительный угол падения можно оценить на основании измерений многокомпонентного/объемного сопротивления. По меньшей мере в некоторых иллюстративных вариантах осуществления такие измерения получают, используя устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), которые содержат трехосные передающие и приемные катушки и/или азимутально-чувствительные приемные и передающие антенны, которые передают и принимают сигналы, которые могу быть разложены и моделированы как ортогональные компоненты. В общем, связь между передающими и приемными антеннами такого устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) может быть выражена тензором вида:

где каждый компонент T_iR_j представляет теоретический сигнал на приемной антенне с j-осевой ориентацией (x, y или z) в ответ на сигнал от передающей антенны с i-осевой ориентацией (также x, y или z).

По меньшей мере в некоторых иллюстративных вариантах осуществления вышеуказанные ориентации x, y и z определяются с помощью осей системы координат, которые совпадают с осью бурильной колонны и с другими характеристиками формации (например, простирание и падение формации). Фиг. 2 отображает бурильную колонну с иллюстративным устройством для каротажа в процессе бурения (LWD) вместе с системами координат, соответствующими каждой из передающих и приемных антенн. Устройство для каротажа в процессе бурения (LWD) содержит два модуля 202 и 206, разделенных роторной управляющий системой 204 и связанных с буровым долотом 208. Модуль 202 для каротажа в процессе бурения (LWD) содержит приемную антенну 212, а модуль 206 для каротажа в процессе бурения (LWD) содержит передающую антенну 216, хотя любой модуль может содержать либо передающую, либо приемную антенну, а также любое количество дополнительных передающих и/или приемных антенн. Как показано, ось z правосторонней системы координат по фиг. 2 совпадает с осью бурильной колонны с x и y осями. Следует отметить, что существует возможность для приемной антенны 212 и передающей антенны 216 стать смещенными друг относительно друга из-за кручения бурильной колонны или изменений положения и ориентации, преднамеренно введенных с помощью роторной управляющей системы 204, такие смещения могут быть откорректированы с использованием известных матриц вращения, которые математически повторно выравнивают две системы координат антенны и регулируют компоненты тензора соответствующим образом. Таким образом, описанные в настоящем документе системы и способы также могут использоваться с многомодульными устройствами для каротажа в процессе бурения (LWD), даже при наличии такого смещения.

Когда бурильная колонна и модули устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) вращаются, угол поворота или азимутальный угол φ описывает ориентацию антенн в области, образованной осями x и у, как показано с помощью схемы азимутального угла на фиг. 2. Для способствования сбору и обработке данных измерений приемной антенны по меньшей мере в некоторых иллюстративных вариантах осуществления скважина разделена на азимутальные ячейки (т.е. диапазоны угла поворота). На схеме азимутального угла на фиг. 2, окружность разделена на восемь ячеек с номерами от 242 до 256, хотя может использоваться большее или меньшее количество ячеек. Когда вращающееся устройство собирает азимутально-чувствительные данные измерений, измерения могут быть связаны с одной из этих ячеек и со значением глубины. Как правило, устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) вращаются намного быстрее, чем они продвигаются вдоль скважины, так что каждая ячейка при данной глубине может быть связана с большим количеством измерений. В пределах каждой ячейки с данной глубиной такие измерения могут быть объединены (например, усреднены) для улучшения их надежности.

Для наклонных неоднородных формаций (например, наклонных формаций вблизи границы пласта), в которых ось z представляет ось устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) вдоль бурильной колонны, известно, что, если ось y системы координат устройства параллельна линии простирания формации, перекрестное взаимодействие между парами передатчика/приемника x-y и y-z ничтожно малое. Данная ситуация представлена тензором уравнения (2),

которое представляет основание для определения угла падения, как более подробно описано ниже.

Следует заметить, что, поскольку компонент T_yR_y для устройства при азимутальном угле 0° равен компоненту T_xR_x для устройства при 90° на данной глубине z скважины, уравнение (2) может быть альтернативно выражено как уравнение (3):

Тензор связи, следовательно, может быть выражен в единицах измерений антенн устройства, при условии измерений только x и z, понижая количество антенн, необходимое для определения компонентов тензора. Тем не менее, для простоты, уравнения, приведенные ниже, относятся к центральному компоненту тензора, как T_yR_y, со всеми значениями компонентов, соответствующими азимутальному углу φ, равному нулю.

Тензор связи может быть оценен для всех азимутальных ориентаций устройства, для нахождения ориентации, при которой форма тензора наиболее близко аппроксимирует уравнение (2). (Далее этот тензор называют тензор «выравнивания простирания (strike-aligned)»). Как вариант, азимут падения может быть рассчитан по произвольно ориентированному тензору, как:

и тензор поворачивается на такой угол, чтобы достичь формы, которая аппроксимирует уравнение (2).

По меньшей мере в некоторых иллюстративных вариантах осуществления, после того как тензор выравнивания простирания определен, выполняется операция поворота в диапазоне искусственных углов падения α вокруг оси y для получения повернутого тензора T^R, выражаемого уравнением (5):

Поскольку повернутый тензор T^R вычислен для изменения искусственных углов падения α между 0° и 180° для всех глубин z по каротажу, каждый из компонентов повернутого тензора является функцией и α, и z, за исключением T_yR_y, который является функцией только z, поскольку поворот выполняется вокруг оси y. Повернутый тензор T^R может, следовательно, альтернативно выражаться следующим уравнением (6):

Как в случае с азимутальным углом, диапазон искусственных углов падения также может быть разделен на ячейки для упрощения обработки, описанной ниже, для определения фактического угла падения. На схеме угла падения на фиг. 2, диапазон искусственных углов падения разделен на пять ячеек с номерами от 222 до 230, хотя может использоваться большее или меньшее количество ячеек.

После вычисления повернутого тензора по уравнению (6), может быть быстро оценен фактический угол падения формации α^t (по сравнению с другими методами с большим объемом вычислений), основанный на любом количестве компонентов и/или комбинации компонентов повернутого тензора. Уравнения с (7) по (10) представляют список из четырех примеров таких быстрых расчетов для оценки угла падения:

Когда используется группирование измененных искусственных углов падения, min_α дает угол, связанный с ячейкой угла падения, соответствующей наименьшему абсолютному значению указанного вычисления. (Поскольку это угол падения, измеренный относительно оси прибора, это - относительный угол падения, определенный ранее. Истинный угол падения и истинный азимут падения могут быть легко выведены из ориентации прибора в сочетании с относительным углом падения и относительным азимутом падения). Для улучшения результатов этих уравнений, когда устройство для каротажа в процессе бурения (LWD) пересекает границу формации, перед применением указанных уравнений к компонентам тензора, к измеренным значениям может быть применен одномерный медианный фильтр.

Как ранее замечено, вышеупомянутая оценка угла падения подходит для использования в неоднородной формации, но необязательна для других формаций. Таким образом, по меньшей мере в некоторых иллюстративных вариантах осуществления для определения характера формации реализуется дерево решений и то, какие методы оценки, если они имеют место, могут быть использованы для оценки определенного угла падения формации. Такой иллюстративный вариант осуществления включает в себя первый тест для определения того, является ли формация изотропной и однородной, второй тест для определения того, является ли формация наклонной и неоднородной, и необязательно третий тест для решения того, является ли формация горизонтальной или анизотропной и однородной.

Фиг. 3 - блок-схема иллюстративной электронной схемы для системы 300 для каротажа в процессе бурения (LWD), подходящей для реализации вышеуказанного дерева решений, а также сбора предшествующих данных и результирующей оценки угла падения. Система содержит устройство 210 для каротажа в процессе бурения (LWD), которое содержит модули 202 и 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), а также наземную систему 50. Наземная система 50 подходит для сбора, обработки и отображения данных каротажа на дисплее 56, и по меньшей мере в некоторых вариантах осуществления создает сигналы направленного бурения по данным каротажных измерений и отображает их для пользователя. Пользователь может в дальнейшем взаимодействовать с системой с помощью клавиатуры 54 и манипулятора 55 (например, мыши) для отправки команд к устройству 210 для каротажа в процессе бурения (LWD) для управления бурильной колонной в соответствии с полученными данными. При необходимости наземная система 50 может быть запрограммирована, чтобы отправлять такие команды автоматически в соответствии с данными каротажных измерений, таким образом, обеспечивая работу наземной системы 50 в режиме автопилота для процесса бурения.

Внутри наземной системы 50 расположен интерфейс 352 с дисплеем, телеметрический приемопередатчик 354, процессор 356, периферийный интерфейс 358, устройство 360 для хранения информации, сетевой интерфейс 362 и запоминающее устройство 370. Шина 364 соединяет каждый из этих элементов друг с другом и передает их сообщения. Телеметрический приемопередатчик 354 обеспечивает возможность связи наземной системы 50 с устройством для каротажа в процессе бурения (LWD) и его модулями (либо напрямую, либо опосредованно), а сетевой интерфейс 362 обеспечивает возможность связи с другими системами (например, центральным устройством обработки данных через Интернет). В соответствии с вводом данных пользователем через периферийный интерфейс 358 и программными инструкциями из запоминающего устройства 370 и/или устройства 360 для хранения информации, процессор 356 обрабатывает телеметрическую информацию, принятую через телеметрический приемопередатчик 354 для оценки угла падения формации в соответствии с раскрытыми способами и/или сигналами направленного бурения, и отображает их для пользователя.

Наземная система 50 связана с модулем 202 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), которое получает управляющие сообщения от наземной системы 50 и отправляет на нее данные измерений через телеметрический приемопередатчик 302. Управляющее и запоминающее устройство 304 связано с телеметрическим приемопередатчиком 302, источником 306 энергии, устройством 308 для хранения информации, телеметрическим приемопередатчиком 312 ближнего действия и одной или более приемными и/или передающими антеннами 314, координируя работу различных компонентов. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления передающие/приемные антенны 314 принимают электромагнитные сигналы 322, передаваемые модулем 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), которое используется для измерения электрических характеристик окружающей формации. В других вариантах осуществления управляющее и запоминающее устройство 304 заставляет передающие/приемные антенны 314 передавать электромагнитные сигналы 324, которые принимаются и измеряются модулем 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD). Данные измерений передаются посредством беспроводного сигнала 326 от модуля 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) на модуль 302 устройства LWD посредством телеметрического приемопередатчика 312 ближнего действия. Данные измерений пересылаются к управляющему и запоминающему устройству 304 для хранения в устройстве 308 для хранения информации, по меньшей мере с частью этой информации, передаваемой в наземную систему 50.

Модуль 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) содержит источник 330 энергии, управляющее и запоминающее устройство 332, телеметрический приемопередатчик 336 ближнего действия и передающие/приемные антенны 338, каждый из этих элементов связан друг с другом и работает аналогично соответствующим компонентам модуля 202 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD). В некоторых вариантах осуществления модуль 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) передает электромагнитные сигналы 322 для измерений с помощью модуля 202 каротажного устройства, при этом другой модуль 206 устройства LWD принимает электромагнитные сигналы 324, переданные модулем 202 каротажного устройства. Модули 202 и 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) через телеметрические приемопередатчики 312 и 336 ближнего действия обмениваются информацией, которая может включать в себя измерения электромагнитного сигнала, сигналы синхронизации передачи/приема и команды конфигурации и управления. Данная информация может исходить от любого компонента в системе, включая, помимо прочего, управляющие и запоминающие устройства 304 и 332, и наземную систему 50. Источники 306 и 330 энергии, используемые для питания внутрискважинных компонентов модулей 202 и 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), могут включать в себя батареи, источники вибрационной энергии, турбины, электрогенераторы или любые другие подходящие механизмы. Передающие/приемные антенны 314 и 338 могут содержать любое количество антенн, включая, помимо прочего, азимутально-чувствительные антенны, такие как качающиеся рамочные антенны. Телеметрические приемопередатчики 312 и 336 ближнего действия могут использовать любой подходящий способ внутрискважинной связи ближнего действия. Кроме того, в каждый модуль устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) могут быть встроены дополнительные датчики (не показано) и могут быть включены датчики температуры, давления, смазки, вибрации, напряжений и плотности для отслеживания условий бурения.

Процессор 356 наземной системы и управляющие и запоминающие устройства 304 и 332 модуля устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), каждое, как правило, работает в соответствии с одной или более программ, сохраняемых на носителе для хранения информации (например, устройство 360 для хранения информации). Эти программы принуждают управляющее устройство и/или обрабатывающую систему выполнять по меньшей мере часть описанных здесь способов. Для простоты следующее описание способа предполагает, что каждый из модулей, выполняющих описанные функции, все постоянно находятся в запоминающем устройстве 370 и выполняются процессором 356 наземной системы 50 (как показано на фиг. 3). Тем не менее, предполагается, что одна или более из данных функций может быть выполнена модулями, постоянно находящимися в памяти в одном из модулей 202 или 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), и выполняется соответствующим скважинным процессором и/или управляющим устройством.

Теперь, рассматривая и иллюстративные системы 300 по фиг. 3, и иллюстративный способ 400 по фиг. 4, определяется количество азимутальных ячеек (блок 402, фиг. 4, группирующий модуль 372, фиг.3), после которого инициируется передача электромагнитного сигнала (например, сигналы 322 от передающей антенны 338 в модуле 206 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD), инициируемые передающим модулем 374, блок 404). Передаваемые сигналы распространяются через окружающую формацию к приемной антенне (например, приемная антенна 314 в модуле 202 устройства для каротажа в процессе бурения (LWD)), где сигнал оцифровывается и измеряется для каждой азимутальной ячейки (блок 404, приемный модуль 376). Оцифрованные данные впоследствии используются для получения тензоров связи, как ранее описано, соответствующих каждой азимутальной ячейке (блок 406, приемный модуль 376).

Для определения того, является ли формация изотропной и однородной, производная одного из компонентов повернутого тензора (например, компонент T_xR_x) по азимутальному углу может вычисляться для каждой азимутальной ячейки и комбинироваться (блок 408, дифференцирующий модуль 378 и комбинационный модуль 382). Уравнение (11) отображает пример такого вычисления и комбинирования величин:

где окружность вокруг устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) разделена на N ячеек азимутального угла, и суммирование вычисляется по N абсолютным значениям производных азимутального угла, каждое абсолютное значение, соответствующее i^той ячейке азимутального угла. Если комбинирование производных дает значение, которое по существу равно нулю (т.е. отсутствуют значимые изменения компонента связи как функции азимутального угла, блок 410, решающий модуль 386), пользователь информируется, что окружающая формация является изотропной и однородной без измеримого угла падения, который мог бы быть оценен в данном местоположении (блок 412, модуль 380 пользовательского интерфейса), заканчивая способ (блок 422). Если комбинирование значений дает по существу ненулевое значение (например, значение, которое отличается от нуля по меньшей мере на 1% от , блок 410, решающий модуль 386), формация является анизотропной, и выполняется дополнительное тестирование.

По меньшей мере, в некоторых иллюстративных вариантах осуществления второй тест определяет, имеется ли неоднородная наклонная формация, путем выполнения комбинирования производных, аналогичного первому, но в этот раз, используя производные по глубине скважины (блок 408, дифференцирующий модуль 378 и комбинационный модуль 382). Уравнение (12) отображает пример такого второго вычисления:

где окружность вокруг устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) разделена на N ячеек азимутального угла, и суммирование вычисляется по N абсолютным значениям производных азимутального угла, каждое абсолютное значение, соответствующее i^той ячейке азимутального угла. Если второе комбинирование производных дает по существу ненулевое значение (т.е. свидетельствующее о значительных изменениях компонента связи как функции глубины скважины, блок 414, решающий модуль 386), то формация является наклонной неоднородной формацией, и угол падения может быть оценен с использованием вышеупомянутой оценки угла падения формации (блок 416, оценочный модуль 384), используя, например, любое из уравнений от (7) до (10). Результирующий угол падения впоследствии представляется пользователю (блок 420, модуль 380 пользовательского интерфейса), заканчивая способ (блок 422).

Если второе комбинирование вместо того дает значение, которое по существу равно нулю (в пределах меньше чем значение допуска нуля, блок 414, решающий модуль 386), может быть выполнен дополнительный тест для нахождения различий между горизонтальной скважиной и наклонной скважиной в однородной формации. Уравнение (13) отображает пример такого дополнительного третьего уравнения:

где окружность вокруг устройства для каротажа в процессе бурения (LWD) разделена на N ячеек азимутального угла, и суммирование вычисляется по N сложениям компонентов тензора x-z с перекрестными обратными связями, каждый набор компонентов, соответствующий i^той ячейке азимутального угла. Если третье комбинирование дает значение, по существу, нулевое, то горизонтальная формация имеется, и относительный угол падения составляет 90° (блок 418, оценочный модуль 384). Если третье комбинирование дает по существу ненулевое значение, наклонная анизотропная однородная формация окружает устройство, и угол падения может быть определен с использованием инверсии ноль-D (блок 418, оценочный модуль 384). Такие инверсии хорошо известны в технике и дополнительно не обсуждаются. Относительный угол падения (90° или угол, оцениваемый инверсией ноль-D) представляется пользователю (блок 420, модуль 380 пользовательского интерфейса), заканчивая способ (блок 422).

Некоторые альтернативные варианты осуществления имеют устройство, автоматически регулирующее управление направлением перемещения, чтобы поддерживать относительный угол падения на необходимом уровне (например, 90°).

После раскрытия в полной мере вышеуказанного описания специалистам в данной области станут очевидными многочисленные изменения, эквиваленты и альтернативы. Например, измерения антенной развязки могут быть переданы в наземную обрабатывающую систему для хранения и обработки в реальном времени или позже. Измерения, полученные с помощью проводных средств или других каротажных приборов, не связанных с бурением или направленным бурением, также могут быть подвергнуты вышеупомянутым способам. Предполагается, что нижеследующая формула изобретения будет интерпретироваться для охвата всех таких изменений, эквивалентов и альтернатив в случае целесообразности.

Изобретения относятся к геофизике и предназначены для быстрой оценки угла падения формации. Сущность: каротажное устройство содержит по меньшей мере одну передающую антенну, по меньшей мере одну приемную антенну и управляющее устройство. Управляющее устройство измеряет параметры связи между передающими и приемными антеннами, причем, по меньшей мере один из этих параметров связи измеряется как функция от глубины и азимутального угла. Управляющее устройство дополнительно определяет, является ли окружающая формация анизотропной и неоднородной, по меньшей мере, частично на основании по меньшей мере одного из параметров связи, и если является, то извлекает угол падения из частной производной по глубине и искусственному углу падения параметра или параметров связи. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Каротажное устройство, содержащее:

по меньшей мере одну передающую антенну,

по меньшей мере одну приемную антенну,

управляющее устройство, которое связано с указанной по меньшей мере одной передающей антенной и указанной по меньшей мере одной приемной антенной и которое:

измеряет множество параметров связи между указанной по меньшей мере одной передающей антенной и указанной по меньшей мере одной приемной антенной, причем, по меньшей мере один из указанных параметров связи измеряется как функция от глубины и азимутального угла, и

определяет, является ли окружающая формация анизотропной и неоднородной, по меньшей мере, частично на основании указанного по меньшей мере одного параметра связи, и если является, то извлекает угол падения из частной производной по глубине и искусственному углу падения по меньшей мере одного из указанных параметров связи.

2. Каротажное устройство по п. 1, в котором указанный по меньшей мере один параметр связи представляет собой T_xR_x, имеющий производную по азимутальному углу φ, причем окружность вокруг каротажного устройства разделена на N ячеек азимутального угла (пронумерованы от i=0 до N-1), при этом анизотропия определяется как имеющаяся, если по существу не равна нулю.

3. Каротажное устройство по п. 2, в котором указанный по меньшей мере один параметр связи представляет собой T_xR_x, имеющий производную по глубине z, при этом неоднородность определяется как имеющаяся, если по существу не равна нулю.

4. Каротажное устройство по п. 1, в котором, как часть операции извлечения угла падения, управляющее устройство:

выражает указанное множество параметров связи как упорядоченный по простиранию тензор, который представляет собой функцию от глубины,

поворачивает упорядоченный по простиранию тензор через множество искусственных углов падения для получения повернутого тензора связи, который представляет собой функцию от глубины z скважины и искусственного угла падения α,

вычисляет частную производную по глубине и искусственному углу падения одного или более параметров связи в повернутом тензоре связи и

находит угол падения, который минимизирует абсолютное значение частной производной.

5. Каротажное устройство по п. 4, в котором указанный один или более параметров связи содержит T_xR_x(α,z) и T_zR_z(α,z).

6. Каротажное устройство по п. 4, в котором указанный один или более параметров связи содержит T_xR_z(α,z) и T_zR_x(α,z).

7. Каротажное устройство по п. 1, в котором управляющее устройство дополнительно автоматически регулирует направление бурения бурильной колонны, содержащей каротажное устройство, по меньшей мере частично на основании вычисленного угла падения.

8. Система для каротажа в процессе бурения (LWD), содержащая:

наземную систему,

бурильную колонну и

устройство для каротажа в процессе бурения (LWD), которое расположено вдоль бурильной колонны и связано с наземной системой и которое содержит:

по меньшей мере одну передающую антенну,

по меньшей мере одну приемную антенну и

управляющее устройство, которое связано с указанными передающими и приемными антеннами и которое измеряет множество параметров связи между указанной по меньшей мерой одной передающей антенной и указанной по меньшей мерой одной приемной антенной, причем по меньшей мере один из указанных параметров связи измеряется как функция от глубины и азимутального угла,

при этом указанная система LWD определяет, является ли окружающая формация анизотропной и неоднородной, по меньшей мере, частично на основании указанного по меньшей мере одного параметра связи, и если является, то извлекает угол падения из частной производной по глубине и искусственному углу падения по меньшей мере одного из указанных параметров связи.

9. Система LWD по п. 8, в которой указанный по меньшей мере один параметр связи представляет собой T_xR_x, имеющий производную по азимутальному углу φ, причем окружность вокруг каротажного устройства разделена на N ячеек азимутального угла (пронумерованы от i=0 до N-1), а анизотропия определяется как имеющаяся, если по существу не равна нулю.

10. Система по п. 9, в которой указанный по меньшей мере один параметр связи представляет собой T_xR_x, имеющий производную по глубине z, и в которой неоднородность определяется как имеющаяся, если по существу не равна нулю.

11. Система по п. 8, в которой как часть операции извлечения угла падения, система для каротажа во время процесса бурения (LWD):

выражает множество параметров связи как упорядоченный по простиранию тензор, который представляет собой функцию от глубины,

поворачивает упорядоченный по простиранию тензор через множество искусственных углов падения для получения повернутого тензора связи, который представляет собой функцию от глубины z скважины и искусственного угла падения α,

вычисляет частную производную по глубине и искусственному углу падения одного или более параметров связи в повернутом тензоре связи и

находит угол падения, который минимизирует абсолютное значение частной производной.

12. Система по п. 11, в которой указанный один или более параметров связи содержит T_xR_x(α,z) и T_zR_z(α,z).

13. Система по п. 11, в которой указанный один или более параметров связи содержит T_xR_z(α,z) и T_zR_x(α,z).

14. Система LWD по п. 8, в которой обеспечена возможность регулирования направления бурения бурильной колонны, по меньшей мере, частично на основании вычисленного угла падения, причем регулировка выполняется автоматически системой для каротажа в процессе бурения (LWD) или в ответ на одну или более команд оператора, принятых системой для каротажа в процессе бурения (LWD) от пользователя.

15. Система LWD по п. 8, в которой наземная система или управляющее устройство в устройстве для каротажа в процессе бурения (LWD), по меньшей мере, частично определяет, является ли окружающая формация анизотропной и неоднородной.

16. Способ оценки угла падения, согласно которому:

измеряют множество параметров связи между по меньшей мерой одной передающей антенной и по меньшей мерой одной приемной антенной каротажного устройства, расположенного вдоль бурильной колонны в скважине, причем, по меньшей мере один из указанных параметров связи измеряется как функция от глубины и азимутального угла,

определяют то, является ли окружающая формация анизотропной и неоднородной, по меньшей мере частично, на основании указанного по меньшей мере одного параметра связи, и если является, то извлекают угол падения из частной производной по глубине и искусственному углу падения по меньшей мере одного из указанных параметров связи, и

представляют вычисленный угол падения пользователю.

17. Способ по п. 16, согласно которому указанный по меньшей мере один параметр связи представляет собой T_xR_x, имеющий производную по азимутальному углу φ, причем окружность вокруг каротажного устройства разделена на N ячеек азимутального угла (пронумерованы от i=0 до N-1), а указанный способ дополнительно включает определение того, что анизотропия имеется, если по существу не равна нулю.

18. Способ по п. 17, согласно которому указанный по меньшей мере один параметр связи представляет собой T_xR_x, имеющий производную по глубине z, а указанный способ дополнительно включает определение того, что неоднородность имеется, если по существу не равна нулю.

19. Способ по п. 16, согласно которому операция извлечения угла падения дополнительно включает:

выражение множества параметров связи как упорядоченного по простиранию тензора, который представляет собой функцию от глубины,

поворот упорядоченного по простиранию тензора через множество искусственных углов падения для получения повернутого тензора связи, который представляет собой функцию от глубины z скважины и искусственного угла падения α,

вычисление частной производной по глубине и искусственному углу падения одного или более параметров связи в повернутом тензоре связи и

нахождение угла падения, который минимизирует абсолютное значение частной производной.

20. Способ по п. 19, в котором указанный один или более параметров связи содержит T_xR_x(α,z) и T_zR_z(α,z).

21. Способ по п. 19, в котором указанный один или более параметров связи содержит T_xR_z(α,z) и T_zR_x(α,z).

22. Способ по п. 16, согласно которому дополнительно регулируют направление бурения бурильной колонны, по меньшей мере, частично на основании вычисленного истинного угла падения.