Результат интеллектуальной деятельности: МАКСИМАЛЬНАЯ ГЛУБИНА ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАМЕРОВ В ПОДЗЕМНОЙ ФОРМАЦИИ

Предпосылки

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится, в основном, к каротажным исследованиям подземных формаций, окружающих ствол скважины, с использованием глубинного каротажного прибора, и, в частности, к определению максимальной глубины исследования замеров в подземных формациях.

Уровень техники

[0002] Каротажные приборы уже долгое время используются в скважинах, например, при оценочном измерении подземной формации для определения свойств подземных формаций, окружающих скважину, и пластовых флюидов. Распространенными видами каротажных приборов являются электромагнитные приборы, радиоактивные приборы и приборы ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), однако используются также и многие другие виды каротажных приборов.

[0003] Более ранние каротажные приборы опускались в скважину по каротажному тросу после бурения самой скважины. До сих пор широко используются современные версии таких тросовых приборов. Однако потребность в получении данных во время бурения скважины послужила поводом для разработки приборов измерения в процессе бурения (ИПБ) и приборов каротажа во время бурения (КВБ). Приборы ИПБ в основном предоставляют такие данные о параметрах режима бурения, как нагрузка на долото, вращающий момент, температура, давление, направление и угол наклона. Приборы КВБ в основном предоставляют такие данные об оценочных измерениях подземной формации, как сопротивление, пористость и распределение ЯМР. Приборы ИПБ и КВБ часто содержат детали, характерные для тросовых инструментов (например, источники и приемники электромагнитных волн), но приборы ИПБ и КВБ должны быть спроектированы не только для выдержки, но и для работы в тяжелых условиях бурения.

[0004] Приборы из уровня техники были направлены на определение и отображение (картирование) расстояния между измерительным датчиком, установленным на приборе, и границей подземных формаций. Определение границы подземных формаций обычно характеризуется изменением в одном или более петрофизическом свойстве подземной формации. Существует множество технологий и процессов для определения расстояния до границы, но все они не способны определить объем подземной формации, исследованный глубинными и азимутальными измерениями при отсутствии различимой границы подземной формации, или в случае измерений, показатели которых находятся за пределами относительно близкой границы подземной формации внутри смежного слоя породы.

Сущность изобретения

[0005] Настоящее изобретение относится к методу определения объема интервала вокруг ствола скважины. Обеспечивается каротажный прибор. Каротажный прибор может размещаться на каротажном кабеле, бурильной колонне или на сигналопроводящей бурильной трубе. При использовании каротажного прибора определяется свойство подземной формации. Свойство подземной формации может включать в себя напряжение (которое, строго говоря, не является свойством подземной формации, но указывается тут такое, что может использоваться в том же значении, что и свойство подземной формации), объемное удельное сопротивление, горизонтальное удельное сопротивление, вертикальное удельное сопротивление, пористость, проницаемость, насыщенность флюидом, время релаксации ЯМР, магнитное поле, индуцированное током, звуковой сигнал, размер скважины, форма скважины, состав скважинного флюида, параметры ИПБ или параметры КВБ. Максимальная глубина исследования в подземных формациях определяется используя характеристики модели и уровня шума, а объем интервала определяется используя установленную максимальную глубину исследования. Максимальная глубина исследования и объем интервала могут определяться и без установления граничных слоев.

[0006] Другие особенности и преимущества станут очевидными на основе последующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

[0007] Фигура 1 иллюстрирует типовую систему участка скважины.

[0008] Фигура 2 иллюстрирует электромагнитный каротажный прибор (уровень техники).

[0009] Фигура 3 - это график мощности сигнала по отношению к глубине исследования в соответствии с настоящей заявкой.

[0010] Фигура 4 - это схема этапов примера осуществления изобретения в соответствии с настоящим изобретением.

[0011] Фигура 5 схематически иллюстрирует трехслойную модель, в которой каротажный прибор расположен на два фута ниже верхнего слоя породы.

[0012] Фигуры 6A-6D - это схемы разностей сигнала с и без нижней границы в виде функции расстояния между нижней границей и каротажным прибором Фигуры 5.

Подробное описание

[0013] Некоторые варианты осуществления изобретения будут описываться здесь со ссылкой на фигуры. Сходные элементы в разных фигурах будут соотноситься с соответствующими сходными номерами. Для понимания различных вариантов осуществления и/или свойств изобретения в нижеуказанном описании изложено множество деталей. Однако специалистам в данной области техники будет ясно, что некоторые варианты осуществления изобретения могут применяться и без многих таких деталей и что может быть множество вариаций и модификаций, исходящих из описанных вариантов осуществления. В данном контексте термины «выше» и «ниже», «вверх» и «вниз», «верхний» и «нижний», «кверху» и «книзу» и другие подобные термины, обозначающие относительное положение над или под заданной точкой или элементом, используются в данном описании для более ясного понимания определенных вариантов осуществления. Однако примененные к техническому оборудованию и методам использования в наклонных или горизонтальных скважинах такие термины могут относиться к направлению слева направо, справа налево или по диагонали в зависимости от конкретного случая.

[0014] Фигура 1 иллюстрирует систему участка скважины, в которой может применяться ряд вариантов осуществления изобретения. Участок скважины может быть на суше или на море. В данной типовой системе скважина 11 сформирована в подземной формации с помощью роторного бурения, произведенного общеизвестным методом. При некоторых вариантах осуществления изобретения может также использоваться наклонно-направленное бурение, которое будет описано ниже.

[0015] Бурильная колонна 12 подвешена внутри скважины 11 и имеет компоновку низа бурильной колонны 100, которая включает в себя буровое долото 105, находящееся на ее нижнем конце. Поверхностная система состоит из платформы и буровой установки 10, расположенной над скважиной 11, и включает в себя ротор 16, ведущую трубу 17, крюк 18 и вертлюг 19. Бурильная колонна 12 вращается по ротору 16, который подсоединен к источнику питания (не показан), захватывая ведущую трубу 17 на верхнем конце бурильной колонны. Бурильная колонна 12 подвешивается на крюке 18, который прикреплен к подвижному блоку (не показан), через ведущую трубу 17 и вертюк 19, обеспечивая вращение бурильной колонны относительно крюку. Как известно, в других случаях возможно использование системы верхнего привода.

[0016] В примере данного варианта осуществления изобретения, поверхностная система, кроме прочего, включает в себя буровую жидкость или раствор 26, хранящиеся в пласте-коллекторе 27, который установлен на участке скважины. Насос 29 направляет буровую жидкость 26 внутрь бурильной колонны 12 по каналу в вертлюге 19, посредством чего буровая жидкость течет вниз через бурильную колонну 12, как указано направляющей стрелкой 8. Буровая жидкость выводится из бурильной колонны 12 по каналам в буровом долоте 105, а затем циркулирует вверх по кольцевому участку между наружной частью бурильной колонны и стенкой ствола скважины, как указано направляющими стрелками 9. Таким общеизвестным способом буровая жидкость смазывает буровое долото 105 и поднимает обломки выбуренной породы на поверхность, возвращаясь в пласт-коллектор 27 для рециркуляции.

[0017] Компоновка низа бурильной колонны 100 проиллюстрированного варианта осуществления изобретения включает в себя модуль каротажа во время бурения (КВБ) 120 и модуль измерения в процессе бурения (ИПБ) 130, систему направленного вращения, двигатель и буровое долото 105.

[0018] Как известно в данной области техники, модуль КВБ 120 установлен в утяжеленную бурильную трубу (УБТ) специального типа и может содержать один или несколько известных видов каротажных приборов. Разумеется, что можно также задействовать более чем один модуль КВБ и/или ИПБ, как представлено на 120А. (Все ссылки на модуль в положении 120 в других случаях могут также означать модуль в положении 120А.) Модуль КВБ включает в себя возможности для измерения, обработки и хранения данных, а также для связи с наземным оборудованием. В настоящем варианте осуществления изобретения модуль КВБ включает в себя зонд для измерения сопротивления.

[0019] Как известно в данной области техники, модуль ИПБ 130 также установлен в УБТ специального типа и может содержать один или несколько измерительных приборов бурильной колонны и бурового долота. Прибор ИПБ также включает в себя аппарат (не показан) для выработки электроэнергии в систему скважины. Как правило, он состоит из турбогенератора раствора, который приводится в движение потоком буровой жидкости, но, разумеется, может использоваться и другая энергетическая и/или батарейная система. В настоящем варианте осуществления модуль ИПБ включает в себя один или более следующих видов измерительных приборов: прибор измерения нагрузки на долото, прибор измерения неравномерного вращения, прибор измерения направления и прибор измерения угла наклона.

[0020] Пример прибора, который может быть прибором КВБ 120 или может быть частью комплекса приборов КВБ 120А, проиллюстрирован на Фигуре 2. Как видно на Фиг. 2, верхняя и нижняя передающие антенны, Т₁ и Т₂, имеют верхнюю и нижнюю приемные антенны, R₁ и R₂, между ними. Антенны установлены в глубине модифицированной УБТ и закреплены в изолирующем материале. Фазовый сдвиг электромагнитной энергии между приемниками создает индикацию сопротивления подземной формации на относительно большой глубине исследования. Для дополнительных подробностей можно сослаться на патент США №4899112. В процессе работы сигналы показателей затухания и сигналы показателей фазы присоединяются к процессору, выходная мощность которого совмещается с телеметрической цепью.

[0021] Новейшие электромагнитные (ЭМ) каротажные приборы задействуют одну и больше наклонных или поперечных антенн с или без применения осевых антенн. Эти антенны могут быть как трансмиттерами, так и приемниками. Дипольный момент наклонной антенны не является ни параллельным, ни перпендикулярным по отношению к продольной оси прибора. Дипольный момент поперечной антенны является перпендикулярным по отношению к продольной оси прибора, а дипольный момент осевой антенны является параллельным по отношению к продольной оси прибора. В трехкоординатной антенне три антенны (например, антенные катушки) соединены взаимно ортогонально. Обычно, одна антенна (катушка) осевая, а другие две поперечные. Считается, что две антенны имеют одинаковые углы в случае, когда векторы их дипольного момента пересекают долевую ось прибора под одним и тем же углом. Например, две наклонные антенны имеют одинаковый угол наклона в случае, когда векторы их дипольного момента с концами, концептуально прикрепленными к точке на долевой оси прибора, лежат на поверхности правого кругового конуса, который находится в центре долевой оси прибора, и вершиной доходят до этой контрольной точки. Очевидно, что поперечные антенны имеют одинаковые углы в 90 градусов в независимости от их азимутальной ориентации по отношению к прибору.

[0022] Технические приборы/методы уровня техники не обеспечивают оператора обратной связью или данными для определения максимальной глубины исследования прибора, в случае когда не обозначена граница. Глубина обследований большинства глубоких и азимутально-чувствительных измерений зависит как от конфигурации прибора, так и от свойств подземной формации. Соответственно, глубина исследования (ГИ), или объем исследования (ОИ) азимутально-чувствительных измерений не должны считаться постоянными. В данном документе следует использовать взаимозаменяемые акронимы «ГИ» и «ОИ», а также их производные.

[0023] Может быть установлена и отображена максимальная ГИ глубокого, азимутального ЭМ исследования, при котором не определены границы подземной формации. Такие данные могут использоваться для оптимизации применения такого вида измерений, а также для других видов измерений большого радиуса. Приложения включают в себя, например, размещение скважин, оценку свойств подземной формации и оценку структуры пласта-коллектора. Эти приложения могут быть представлены как в реальном времени, так и в режиме записи. Для удобства и ясности описание изобретения, представленное тут, рассматривает ЭМ измерения, но также могут применяться и другие виды измерений. Параметры могут также быть результатом вычислений, проведенных с использованием одного или больше сенсорных измерений, таких как сопротивление подземной формации, расстояние до скачка удельного сопротивления, насыщенность флюидом (водой, маслом и газом), давление подземной формации, давление разрыва и проницаемость.

[0024] Данные, полученные на разных глубинах вдоль траектории скважины, могут обрабатываться как в реальном времени, так и быть записаны и использованы при дальнейшей обработке. Специфический формат данных преимущественно используется для обеспечения передачи данных на различные 3-D проекционные платформы. Сами по себе измерения обычно зависят от времени, но также могут использоваться и другие области. Измерения получают посредством, например, приборов КВБ и ИПБ с применением поверхностных и скважинных датчиков давления, температуры, потока флюида и т.д. Вследствие того, что некоторые параметры азимутально колеблются по окружности скважины, спроектированы определенные каротажные датчики для измерения таких азимутально колеблющихся параметров. Такие измерения позволяют определить и визуализировать осевые и азимутальные изменения в подземной формации и условия скважины. Возможно исследование свойств и содержимого скелета подземной формации, жидкости подземной формации, жидкости скважины, выбуренной породы и других компонентов пласта, размера и формы скважины, параметров подземной формации и параметров жидкости.

[0025] Возможен анализ данных для определения объема интервала. Например, объем интервала может быть цилиндрическим и может располагать по центру оси прибора. В одном варианте осуществления изобретения цилиндрический объем интервала имеет форму «коробочки» с радиусом, пропорциональным расстоянию передатчика-приемника, и с относительно короткой «длиной» по сравнению с этим радиусом. Также могут быть и другие размеры и формы объемов. Возможен анализ измерений для исследования влияния подземной формации на измерения и для оценки общей чувствительности (например, максимальный коэффициент сигнала/шума), при которой сигнал все еще подает данные о различимом свойстве подземной формации. Такой анализ позволяет определить и визуализировать осевые, азимутальные и радиальные изменения в геометрии свойства подземной формации. После его определения, в 3-D, пространственно ориентированный объем интервала, который расположен в трехмерной среде вдоль траектории скважины, как фактической, так и предполагаемой, может быть отображен. В таком изображении возможна цветовая маркировка одной или более границ свойства подземной формации. Множественные круги или эллипсоиды разного размера и формы, расположенные рядом, могут образовываться, чтобы отобразить изменение (или же его отсутствие) в объеме интервала. Также, возможно выведение трехмерного изображения расстояния между прибором и максимальным расстоянием исследования.

[0026] Используя полученные ЭМ измерения, возможно определение вертикального и горизонтального сопротивления анизотропной подземной формации. Для осуществления измерений, которые приводят к различным глубинам исследования, используется множество частот и интервалов передатчика-приемника (соединения измерений). Возможно установление определенной комбинации частот и интервалов, которая обеспечивает самую глубокую ГИ и является функцией установленных сопротивлений. Установленные соединения измерений, которые обеспечивают самую глубокую ГИ, могут использоваться для определения шумового порога. Шумовой порог - это тот уровень шума, при котором сложно установить и опознать сигнал. Сам шум обычно зависит от частоты и интервала передатчика-приемника и характеризуется электронным шумом прибора.

[0027] Возвращаясь к определенным сопротивлениям, может создаваться коэффициент сопротивления, который определяет желаемый или гипотетичный скачок удельного сопротивления. При одном из вариантов осуществления изобретения числитель коэффициента - это определенное горизонтальное сопротивление, а его знаменатель - это произвольное или указанное сопротивление. Коэффициент сопротивления и установленное соединение измерения могут использоваться для моделирования ответного сигнала, как функции расстояния прибора от гипотетичной или предполагаемой границы подземной формации. Как показано на Фигуре 3, мощность сигнала может определяться против глубины расстояния исследования. По желанию пользователя, шумовой порог можно установить на разных положениях или величинах. Например, его можно установить дважды или трижды от стандартного отклонения шума. В зависимости от других критериев можно выбрать другие величины. Шумовой порог можно установить на смоделированной мощности сигнала в виде горизонтальной линии. Линии шумового порога пересекают кривую графика мощности сигнала в точке, которая называется здесь точкой «среза». Предполагается, что мощность сигнала ниже шумового порога слишком низка, чтобы быть достоверной, таким образом, максимальная ГИ, при которой появляется приемлемый уровень уверенности в сигнале, это та, что соответствует точке среза. Так, вертикальная линия, опущенная с точки среза, пересекает горизонтальную ось в максимальной ГИ прибора для данного условия измерения.

[0028] Фигура 4 иллюстрирует схему 400 с пронумерованными вышеуказанными этапами. При этапе 402 получены данные и, если данные являются ЭМ, определяются сопротивления (этап 404). Для других видов измерений устанавливаются другие физические свойства, которые используются подобным образом. Устанавливается определенное соединение измерений, которое вырабатывает самую глубокую ГИ, в виде функции определенных сопротивлений (этап 406). Установленное соединение измерений используется для определения шумового порога (этап 408). Коэффициент сопротивления формируется с использованием определенных и установленных величин сопротивления (этап 410). Модель ответного сигнала определяется как функция ГИ с применением установленного соединения измерений и коэффициента сопротивления, после чего наносится на график (этап 412). Определенный шумовой порог наносится на график ответного сигнала, и устанавливается точка среза (этап 414). Затем максимальная ГИ определяется на основании установленной точки среза (этап 416).

[0029] Одно из назначений отображения ГИ - это графически показать пользователю, что даже если границы не установлены инверсией, основанной на отсутствии сигнала, все еще возможно заключить, что в пределах расстояния, определенного максимальной ГИ, границ нет. Таким образом, можно установить объем интервала. Пользователь может оценить максимальную глубину исследования на каждом этапе, основанном на определенных инверсионных входах. Например, оценка может базироваться на профиле удельных сопротивлений или на результатах других типов инверсии. Профиль удельных сопротивлений можно предопределить в процессе предварительных работ, или же пользователь может ввести, например, сопротивление проводящей соседней подземной формации, если оно известно или установлено.

[0030] Дальность обнаружения можно установить на основе инвертированных моделей. ГИ сгенерирует зону, которая может быть отчетливо обозначена и будет отличаться от фактического скачка удельного сопротивления таким образом, что ее невозможно будет спутать с физической границей. При одном осуществлении используется тройное стандартное отклонение шума каждого измерения (например, 0,025 децибел затухания азимутального измерения, 0,15 градусов сдвига фазы в азимутальном измерении) в качестве величины среза при оценке максимальной ГИ. ГИ зависит не только от расстояния до подземной формации, но также и от скачка, и от профиля удельного сопротивления. Максимальная ГИ может быть получена посредством глубоких направленных измерений, проведенных из входного ряда направленных измерений. Например, если входной ряд направленных измерений включает в себя промежуточные измерения в 96 дюймов и промежуточные измерения в 34 дюйма, промежуточные измерения в 96 дюймов преимущественно используются для определения максимальной ГИ. В случае, когда входной ряд направленных измерений включает в себя промежуточные измерения в 34 дюйма и промежуточные измерения в 22 дюйма, промежуточные измерения в 34 дюйма преимущественно используются для определения максимальной ГИ.

[0031] На каждом этапе можно определить модель подземной формации и положение прибора, а также максимальную ГИ для прибора. Когда модель подземной формации является двухслойной моделью, максимальную ГИ можно установить посредством отодвигания расположения границы до тех пор, пока одно из глубинных промежуточных измерений (подобно измерению в 96 дюймов) не опустится ниже отметки тройного отклонения от стандарта измерения. Когда модель подземной формации является трехслойной моделью и прибор находится в центральном слое, максимальную ГИ нижней границы можно определить посредством установления верхнего положения границы, положения прибора, сопротивления верхнего слоя (Ru), горизонтального сопротивления центрального слоя (Rh), вертикального сопротивления центрального слоя (Rv) и сопротивления нижнего слоя (Rl), а также посредством отодвигания расположения нижней границы до тех пор, пока разница абсолютного сигнала между глубинными промежуточными измерениями с или без учета нижней границы не будет меньше тройного отклонения от стандарта измерений.

[0032] Процесс демонстрируется на синтетическом трехслойном образце. В этом образце, входная модель подземной формации имеет следующие значения: Ru=1 ohm-m, Rh=Rv=30 ohm-m, и Rl=2 ohm-m. Как показано на Фигуре 5, толщина центральной подземной формации составляет восемь футов, а прибор расположен на два фута ниже верхней границы. Различия сигнала с и без учета нижней границы проиллюстрированы на Фигурах 6A-6D в виде функции расстояния нижней границы до расположения прибора. Исходя из Фигуры 6А (SAD1), максимальная ГИ составляет 7,9 футов. В данном случае, тройная спецификация измерения (0,25 децибел) образует два показателя: 7,9 футов и 17,6 футов. Мы выбрали тот, что короче. Исходя из Фигуры 6В (SAD4), максимальная ГИ составляет 12,5 футов, исходя из Фигуры 6С (SPD1) 7,6 футов, и исходя из Фигуры 6D (SPD4) 12,8 футов. Нынешние технические методы инверсии могут обеспечить лишь одно решение границы так, что при теперешнем процессе вырабатывается от 7,6 до 12,8 футов для максимальной ГИ относительно нижней границы. Это означает, что промежуточные измерения имеют чувствительность, при которой нижняя граница составляет 12,8 футов, однако при нынешних методах инверсии нижняя граница вырабатывается лишь в 7,6 футов от прибора.

[0033] Подобная логика может применяться для определения максимальной ГИ по отношению к верхнему слою границы. Когда модель подземной формации составляет более 3 слоев, она вначале преимущественно упрощается до трехслойной модели, а способ, описанный выше, используется для получения максимального масштаба ГИ. Для упрощения модели подземной формации до трехслойной может применяться средневзвешенный показатель, основанный на удельной проводимости подземной формации и на расстоянии до прибора, которое измеряется от центра подземной формации, при этом используется следующее уравнение:

В данном уравнении d_iu - это расстояние от верхнего слоя границы до центра i^th верхнего слоя, C_iu - это показатель проводимости i^th верхнего слоя, d_iu - это расстояние от нижнего слоя границы до центра i^th нижнего слоя, а C_iu - это показатель проводимости i^th нижнего слоя.

[0034] ГИ, указанная в данном случае, имеет некоторые сходства с соотношением сигнал/шум, упомянутым выше. Они оба определяют, являются ли сигналы измерений хорошими индикаторами наличия границы. Однако их показатели различаются. Отношение сигнал/шум позволяет простым путем определить, находится ли сигнал, измеренный при определенном положении прибора, ниже параметров шума. Тем не менее, любая дополнительная интерпретация касательно наличия границы на большом расстоянии является необоснованной. С другой стороны, ГИ определяет, насколько далеко должна находиться граница, чтобы измерение стало нечувствительным к ней, тем самым делая интерпретацию более достоверной в случае, когда инвертированная граница находится в пределах досягаемости просчитанной дальности обнаружения.

[0035] Следует учесть, что, несмотря на то, что изобретение описывается с учетом ограниченного количества вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, определив преимущества данного описания, учтут, что возможна разработка и других вариантов осуществления, которые не отклоняются от объема изобретения, как указано здесь. Соответственно, объем изобретения должен ограничиваться лишь прилагаемой здесь формулой.