确定钻井模式以优化地层评诂测量的设备和方法

摘要

一种用于修改数据获得程序的方法，包括以下步骤：利用钻柱在地层中钻井孔；在钻井孔时，检测一个当前井下条件；确定一种当前钻井模式；根据该当前钻模方式来选择一个数据获得程序；以及根据该选定的数据获得程序来修改一个当前数据获得程序。

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于测定井孔经过的地层性质的设备和方法，更具体地涉及用于确定钻井模式以优化地层评估测量的设备和方法。

背景技术

为了在钻井时进行井下测量，钻井时测量(MWD)和/或钻井时记录(LWD)两种系统是普遍知道的，它们测量各种有用的参数和特性如地层电阻率和从地层来的天然伽马射线发射。代表这些井下测量的信号用控制泥浆流量的泥浆脉冲遥测装置转发到地面，对钻柱中的压力脉冲信息进行编码。这些脉冲向上通过泥浆进至地面，在那里被检测和解码，使得这些井下测量可用于基本上实时地在地面上观测和解释。作为一种替代方法，也可以提供一台具有足够存储量的井下计算机，以便暂时地存储这些测量数据，直到从井孔中移去钻柱。

以下美国专利：Orban等人的No.5,130,950；Martin Luling的No.5,241,273；Peter D.Wraight的No.5,017,778；Haldorsen等人的No.5,148,407；Petersen等人的No.5,585,556；以及Sezginer等人的No.5,705,927；它们描述了MWD工具，这些工具利用核磁共振、声学、地震、核或电磁测量。在先有技术中公开的工具存在缺点，这些缺点限制它们在MWD和/或LWD用途中的应用。声学、电阻率、核、电磁和地震测量直接受钻井噪声影响。例如，虽然地面上产生的声能通常极大，但由于地面下地层中声波的几何扩展和衰减，钻头上必须检测的能量可能非常小。在许多情况下，钻孔噪声比从地面传播到地面下MWD检测器的声波能量大几个数量级。同时，MWD和LWD核磁共振测量受工具的垂直和侧向运动的直接影响。例如，由于获得T1和T2测量所需的时间量，在测量周期期间地层性质可以变化。上述这些因素使MWD和/或LWD测量受到不利的影响。

当存在钻孔噪声环境时，先有技术工具得到受垂直和侧向工具运动与钻井噪声直接影响的核磁共振、声学、电磁、核和地震测量。没有一种MWD和/或LWD工具能确定钻井模式并因此修改数据采集程序，以便优化地层评估测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于修改数据获得程序的方法，它能克服现有技术的上述缺点。

根据本发明的一种用于修改数据获得程序的方法，包括以下步骤：利用钻柱在地层中钻井孔；在钻井孔时，检测一个当前井下条件；确定一种当前钻井模式；根据该当前钻井模式来选择一个数据获得程序；以及根据该选定的数据获得程序来修改一个当前数据获得程序。

利用本发明的设备和方法来确定钻井方式以优化地层评估测量，可以克服先有技术的上述缺点。一个包括一个MWD工具、一个LWD工具或多个工具的钻柱在地层中钻出井孔。标准的转动钻井操作包括许多其时工具保持静止的自然停顿：当一段新的钻管加到钻柱上时的连接时间，当泥浆循环而钻管可能转动时的循环时间，以及处理故障或震击时间，此时钻柱被卡住而必须松开，才能恢复钻井。这些出现时不会中断正常钻井操作的自然停顿被用于进行费时长的地面下地层评估测量，如核磁共振、地震、声学、核或电磁测量，或从安静的环境中得益。可以产生一种精细的停顿，使一部分钻柱保持静止。

为了利用停顿间歇来优化地层评估测量，本发明检测井下条件、确定钻井过程操作方式，并修改数据采集程序。这些检测的井下条件包括泥浆流量、钻柱的加速度、钻柱的弯曲、钻头上重量，以及钻柱的转动。这些钻井过程方式包括钻孔、滑动、起下钻具、循环、处理故障、短距离起下钻具(向上或向下)，以及钻杆连接。

附图说明

从下述附图可以清楚本发明的优点。可以理解，这些附图仅用于例示，而并不限定本发明。附图中：

图1表示一种MWD工具组合的优选实施例，该实施例利用钻井停顿来进行地层评估测量；以及

图2用图形例示将本发明用于确定一种钻井方式。

具体实施方式

参照图1，井孔16中安置一个包括钻杆12和钻套14的钻柱10，钻柱10的下端部处的钻头18通过电动机装置20的输出轴转动，电动机装置20用向下通过钻柱10的通道循环的钻井流体或泥浆带动。钻井流体通过钻头18中的喷口流出钻杆组10，然后在钻柱10的外侧和井孔16的周面之间的区域中向上循环。电动机装置20包括一个动力区段22(转子/定子或涡轮)和一个弯曲的分组件24，后者确定一个小的弯曲角，通常为0.5-2度。如该技术中已知，当钻头18仅受泥浆电动机20驱动(钻柱不转动)，钻头18将沿由工具表面方向确定的方向偏移，钻柱10沿工具表面方向取向(后面称为“滑动”)。当要求基本上直线钻孔时，钻柱10和泥浆电动机20两者以适当速率转动。

工具32连接在钻柱10上，该工具设计用于钻探时地层评估(LWD)、钻探时钻柱特性评估(MWD)或两者的组合(LWD/MWD)。本发明可以考虑具有多个与钻柱10连接的工具32。一个LWD工具或组合了LWD和MWD两者特性的工具用于测量地下地层的核磁共振、地震、声学、电磁或核性能。具有此种能力的典型工具公开在(例如)美国专利No.5,055,787、No.5,017,778、No.5,448,227、No.5,280,243和No.5,148,407中。上述钻探时地层评估(LWD)技术对该技术的专业人员是通常已知的。

一个典型的MWD工具32可以测量此种井下条件如钻头上重量、作用在钻头上的扭矩、钻孔的倾斜和方位角方向、泥浆电阻率、钻孔压力和温度，以及被钻头穿透的地面下地层的各种其它特性。MWD工具32基本上实时地对地面作用以获得遥测信息。通过钻柱10向下泵抽的钻井泥浆通过一个装置，该装置调制泥浆流以产生一串压力脉冲，后者由地面上的换能器检测。阀的操作由一控制器根据从一小盒来的电信号调制，该小盒接收由工具32内的传感器来的测量数据。这样，在一定时间内在地面上检测到的压力脉冲与井下进行的特定测量直接有关。上述泥浆脉冲遥测技术对该技术的专业人员通常是已知的。本发明也可以使用其它类型的泥浆脉冲遥测系统，如产生正脉冲、负脉冲或正负脉冲组合的系统。

钻柱10中包括一个传感器分组件26，其中装有传感器、电路板、电池和各种其它类似物品。传感器分组件26包括磁强计和/或加速度计，以检测钻柱10的转动、侧向和轴向运动。传感器分组件26可以连接在工具32上或构成其一个整体部分。安置一个上稳定器28，以便将工具组基本上定心在钻孔中的该点上。安置一个下稳定器30，以便稳定电动机输出轴和钻头18的转动。

标准的转动钻井操作包括许多其中工具32保持静止的自然停顿时间：当一段新的钻杆12加到钻柱10上时的连接时间，当泥浆循环而钻杆12可转可不转时的循环时间，以及当钻柱10卡住而在可以恢复钻孔前必须解脱的处理事故时间或震击时间。根据本发明，可以利用这些出现时不中断正常钻孔操作的自然停顿时间来使用一个或多个工具32进行费时长的地层评估测量，如核磁共振、地震、声学、核或电磁测量，它们或者从安静的环境得益。另外，不是在钻井操作期间等待一个自然停顿时间，而可以采用故意的停顿，使一部分钻柱保持静止。

在停顿间歇期间可以改善地层评估测量，因为钻孔操作引起的噪声和振动被消除了，而工具32相对于地层保持静止，从而在测量周期期间地层性质不变化。钻杆接头之间的规则间隔能够控制质量，并在规则深度间隔内完成校准操作。为了利用停顿间歇来优化地层评估测量，必须检记录下条件，确定操作方式，包括(但不限于)钻孔、滑动、起下钻具、循环、连接接头、短距离起下钻具和处理故障，并修改数据获得程序，以便在停顿间歇期间进行稳定的测量。在钻杆组10内包括的物品如传感器、电路板、电池和磁强计和/或加速度计，被用于确定钻孔模式。这些物品可以位于工具32或传感器分组件26内。但是，这些物品可以位于钻柱10内的任何部位。

在传感器分组件26或工具32内，一个包含数字逻辑的电路板单独地或以各种组合方式使用井下条件测量，来自动确定钻井模式：

表1

钻井模式        流量  加速度         钻头上重    转动    弯曲

                                     量

                      轴向     横向

钻孔            是    是       是    是          是     是

滑动            是    是       是    是          否     是

起下钻具        否    是       否    否          否     否

循环(管子静止)  是    否       否    否          N/A    否

连接            否    否       否    否          否     否

短距离起下钻具  否    是       否    否          否     否

处理故障        否    N/A      否    N/A         否     N/A

在表1中，“是”表示被文字说明的井下条件检测到的钻井模式，“否”表示没有被文字说明的井下条件检测到的钻井模式，而“N/A”表示并非由文字说明的井下条件最后确定的钻井模式。后上角标有符号的钻井模式要求进一步测量和/或流量、加速度、钻头上重量、转动或弯曲测量的记载，以便在这些模式之间区别。

图2用图形表示确定一种钻井方式用的代表性流程图。工具32检记录下条件，如泥浆流量、加速度(轴向和横向)、运动(转动和侧向)、钻头上重量及弯曲。该技术的专业人员可以理解，本发明的方法确定给出一个或多个井下条件测量的钻井模式。该流程图将以井下条件测量的数目和类型为基础而变化，这些测量成为确定钻井模式的因素。

作为例子，图2的流程图反映一种方法，该法用于确定给出下列井下条件测量的钻井模式：泥浆流量、转动和加速度。在步骤110，一个检测项目感知泥浆流量。可以使用一个连接在工具间动力和通讯车上的电路板来检测车上的向下动力或数据交流量，由此发射由操作方式引起的停顿信号。其中钻杆组的一部分保持静止，也即钻管连接、短距离起下钻具(上或下)、起下钻具或处理故障操作。可以使用检测泥浆流量或泥浆电动机轴转动用的压力传感器来检测一种连续操作方式，也即钻孔、滑动或泥浆流循环。

如果检测，泥浆流，一个检测器件感知钻柱10的转动运动(步骤120)。工具面方向受到传感器分组件26或MWD工具32中的磁强计和/或加速度计的测量。当存在泥浆流时，转动运动的存在表示一种连续操作的方式，即钻孔或泥浆流循环。另一方面，当存在泥浆流时，不存在转动运动归因于滑动或泥浆流循环。检测钻柱的转动运动并不明确地确定某些操作方式，如泥浆流循环，此场合下钻管保持静止。

如果检测转动运动，一个加速度计感知钻柱10的钻杆组运动的横向加速度(步骤130)。当存在横向加速度时，操作方式被确定为待钻孔(步骤140)。当不存在横向加速度时，操作方式被确定为待泥浆流循环(步骤150)。

如果在步骤120时没有检测到转动运动，那么一个加速度计感知钻柱10的钻柱运动的横向加速度(步骤160)。当存在横向加速度时，操作模式被确定为待滑动(步骤170)。当不存在横向加速度时，操作方式被确定为待泥浆流循环(步骤180)。

如果在步骤110没有检测到泥浆流，那么一个检测器件如加速度计就感知钻柱10的轴向加速度(步骤190)。即使当泥浆流停止时，在某些条件下，钻杆会遇到轴向运动；例如在钻柱的上端部处拉出方钻杆。当不存在泥浆流时，在步骤200存在轴向加速度表示一种连续操作方式，即起下钻具或短距离起下钻具(向上或向下)。另一方面，当不存在泥浆流时，在步骤210不存在轴向加速度被认为属于钻杆连接或处理故障的操作方式。需要进一步测量和/或流动、加速度与转动测量的记载来进一步区别在步骤200和210时确定的操作模式。

在本发明中，一个检测器件如钻套中的应变仪感知钻头上重量、弯曲或扭曲。该仪表可以对一个连续操作(如钻孔或滑动)或者由钻管连接、泥浆流循环、短距离起下钻具(向下或向下)或起下钻具所产生的停顿间歇发出信号(步骤210或240)。检测钻头上重量、扭矩或弯曲不会明确地确定某些操作模式，如钻杆保持静止的处理故障操作。

在自动确定一种钻井模式(如钻井操作期间的停顿)后，工具32利用适合于检测到的钻井模式的获得方式提供核磁共振、地震、声学、核或电磁测量。有多种有用的地层测量可以在停顿间歇期间进行。如果工具32提供NMR(核磁共振)测量，停顿间歇可以用于使工具的NMR测量优化。最好是，停顿间歇用于调整工具32。B。场可以由于工具32上聚集磁性碎屑而以不可预见的方式变化，或者可以由于温度的变化而较为可以预见地变化。当工具静止时，调整工具32较为容易，并以不同方式完成，取决于是否使用一个鞍点或一个梯度几何形状。

对于鞍点几何形状，NMR信号在鞍点处对ω₀＝rB₀具有最大值。通过频率扫描以搜索Larmor频率，对于敏感区保证同样的几何形状和体积。对于梯度工具，不需要也不可能进行Larmor频率搜索。测量始终在谐振频率处进行，避免了Larmor频率的长度搜索。梯度测量的缺点是，如果当B₀变化时灵敏区的体积变化，那么校正可能是必需的。解决梯度工具中该问题的一种可能性在于下列步骤：

1.通过分别改变90°和/或180°脉冲持续时间t₉₀和t₁₈₀对一给定频率ω₀优化脉冲持续时间，以获得最大信号。例如，对于180°脉冲，

$>>\pi >=>>\int >0>180>>>\gamma B>1>>f>>(>t>)>>dt>=>>\gamma B>1>sup>>\int >0>180sup>>f>>(>t>)>>dt>\approx >>t>180>>\gamma >>B>1>>F>$>

式中函数f(t)和因素F是已知的。这在敏感体积中提供B₁。

2.测定天线的品质因数Q，方法或者是利用一个小喷射环，该小喷射环在天线中产生一信号并确定接收路径的总增益，校正接收器电子线路的已知增益，或者是通过在一小拾波环中测量天线的信号强度。

3.因为B₁∝QIφ(r)，其中φ(r)描述B₁场的已知径向关系，人们能够找到φ(r)并将其倒转以获得有益直径并由此获得灵敏区体积。

作为另一例子，可以利用停顿间歇以便用NMR工具32提供T2测量。嘈杂的钻井环境，特别是钻管的侧向运动，使NMR测量变得困难。NMR测量固有地缓慢，可以由较长的脉冲和回声序列组成。使用本发明，在钻井操作期间的停顿间歇提供一个获得地层数据的绝好机会。

在停顿间歇期间的一种合适的测量是碳氢化合物分类，其中进行的测量对应于主体碳氢化合物的性质。这可以经常涉及数秒量级的T₁和T₂，而测量时间很长，近似几十秒或更长。利用NMR装置测量T₁和T₂的下述例子给出于R，Akkurt，H.J.Vinegar，P.N.Tutunjian，A.J.Guillory，NMR Logging of Natural Gas Reservoirs，The Log Analyst(1996年11月-12月号)。

    表2

           T₁(msec)   T₂(msec)  HI     Dox10^-3(cm²/s)

油         5000        460        1       7.9

气         4400        40         .38     100

    表3

等待时间(秒)  回波间隔(msec)    回波    获得时间(秒)

1.5           1.2               1200    5.88

8             1.2               1200    18.88

在表2中，T₂性能是以高梯度(17高斯/cm)的钢丝绳装置为基础的，回波间时间Tε近似地等于1.2毫秒。参考数据不包括总获得时间或回波数目。在表3中，采用1200回波的总数目，这对应于1.44秒并代表大约3*T₂(油)数据价值。

表4

            T₁(msec)   T₂(msec)  III     Dox10^-5(cm²/s)

油          5000        1450       1        7.9

气          4400        156        .38      100

表5

等待时间(秒)  回波间隔(msec)    回波    获得时间(秒)

1.5           6                 750     12

8             6                 750     25

在表4中，T₂性能是以低梯度(1.7高斯/cm)的记录工具为基础的，回波间时间Tε大约等于6毫秒。回波间时间增大，以便在油和气之间提供良好的分离。对于1.7高斯/cm的梯度，得到约10的分离。由于扩散减小，T₂性能对梯度低的工具是不同的。参考表5，750回波的总数目对应于约4.5秒，并代表约3*T₂(油)的数据价值。因为信号-噪声比作为测量总数在一起平均的平方根的函数而变化，所以可以希望数次重复这些测量并叠加这些结果。对于一个高梯度或低梯度的NMR装置，钻井环境可能太噪杂而不能进行长的T2测量。一个引发停顿间歇的事件如钻杆连接、处理故障操作或泥浆循环提供获得一种改进的T2测量的机会，因为在停顿间歇期间由钻孔操作产生的噪声和振动是不存在的。

作为另一例子，可以利用停顿间歇来提供使用NMR工具32的T1测量。T1通常通过表面松驰机构来控制，它不受扩散的影响。因此，希望知道地层的T1分布，并可以比相应的T2谱更易于译解。参照表2和表4的讨论的具有变化的等待时间的两个T2测量可以转换，以给出地层的T1指示。这些测量可以或者是利用单个的NMR实验(即多等待站记录)顺序进行，或者可以在地层的两个不同体积上同时进行。在任一种情况下，长的测量时间和对高的信号-噪声比的要求暗示需要一种稳定的测量。

另一种T1测量技术是反相收取。反向收取要求一系列费时的实验。在每个实验中，平衡磁化强度通过一个180°脉冲反向。在一个变化的收取时间后，磁化强度通过一个90°脉冲读出，这将部分收取的磁化强度转动到横向平面中并产生一可测信号。因为在这些实验之间该磁化强度需要被松驰，同时需要引入比T1长的等待时间，这些测量非常费时，通常仅在实验室实验中完成。例如，两个实验之间等待时间为5秒的一系列30个实验至少要求150秒。一个引发停顿间歇的事件如钻管连接、处理故障操作或泥浆循环提供获得改进的T1测量的机会，因为在停顿间歇期间工具保持静止。

如果工具32提供声学测量，可以利用停顿间歇来获得钻井时垂直地震剖面测量(VSPWD)。当钻头破坏岩石以获得钻孔时，该钻井过程产生一个广泛的声学噪声波谱。地震频率处的噪声水平很高，足以在地面上几千英尺之外用地震检波器或水中检波器检测。噪声水平在高频处迅速降低，但在声频带中仍然存在显著的水平。钻孔时声学测量直接受钻孔噪声的影响。对于要求记录小的波至或回波的测量，情况尤其是如此。VSPWD是这样一种技术，其中一个强大的声源(如空气枪)在地面上激发，而从地面到钻头的地震波到达时间是通过用井下声波接收器如水中检波器或地震检波器来记录地震波而测量的。虽然在地面上产生的声能通常很大，但是由于声波在地面下的几何扩展和衰减，在钻头上必须检测到的能量可能非常小。在许多情况下，预期钻孔噪声比该从地面发送的信号大几个数量级。因此，在这些情况下，只有当钻孔过程停止时，才可能进行VSPWD类型的测量。

另一种要求记录尽可能小的能量水平的声学测量是钻孔声纳。在这种测量中，在井下底部孔装置上安置的声源将声波送入地层。这些从层边界反射回的波和回波被一个也安置在底部孔装置上的声波接收器记录。回波强度取决于反射器距钻孔的距离、反射器的反射能力、声源强度和介质的衰减性能。因为井下声源功率有限，所以反射强度在许多情况下可能低于钻孔噪声水平，因此只有当钻孔停止时才能检测到声纳回波。

如果工具35提供电磁测量，那么就能利用停顿间歇来获得深处阅读电磁测量。潜在应用范围从传统的2兆赫电阻测量到较低频率电阻测量到大地穿透雷达。这些技术需要高功率，并产生相当低的信号。本发明提供三个显著的优点。第一，在钻孔期间，从井下涡轮机和/或电池来的一部分动力用于对电储存装置如电容器组充电。在停顿间歇期间，该储存的能量用于驱动深处阅读EM装置或其它装置，如声波发送器。以这种方式，可以提供高功率而不需要部署一个高功率涡轮机或高功率电池系统。第二，当进行电磁测量时，使用在相当长的间隔处安置的接收器以进行深处测量。在这些接收器中记录的低的信号水平要求在钻井停顿期间具有低的噪声环境。第三，靠近钻孔的电磁处理技术要求对接收器位置的固定源。在停顿期间进行测量保证对接收器位置的源是固定的和熟知的。

为了例示和描述的目的，已经对本发明的优先实施例进行了上述描述。不打算详尽地描述或将本发明限制在所公开的具体形式。显然，该技术的专业人员可以进行许多修改和变化。选定和描述的实施例用于最清楚地说明本发明的原理及其实际应用，由此使该技术的其它专业人员理解本发明的各种实施例和使用适合于特定用途的各种修改。预定本发明的范围由附属的权利要求及其等效叙述限定。