用于测量钻井中泥浆慢度的装置和方法.pdf

一种用于确定钻井中的泥浆其泥浆慢度的方法，包括：从用钻井中的声波工具所获得的一组测量中为至少一种液体模式确定出作为频率函数的慢度；以及根据作为频率函数的该慢度为至少一种液体模式确定出所述泥浆慢度。一种用于确定钻井中的泥浆其泥浆慢度的系统，包括：一个处理器和一个存储器，其中，所述存储器存储着含有指令的程序用于：从用钻井中的声波工具所获得的一组测量中为至少一种液体模式确定出作为频率函数的慢度；以及根据作为频率函数的该慢度为至少一种液体模式确定出所述泥浆慢度。

1.  一种用于确定钻井中的泥浆的泥浆慢度的方法，包括：
从用钻井中的声波工具所获得的一组测量中为至少一种液体模式确定出作为频率函数的慢度；以及
根据作为频率函数的该慢度为至少一种液体模式确定出所述泥浆慢度。

2.  权利要求1的方法，其中，确定所述作为频率函数的慢度包括：
为所述至少一种液体模式估计出正常波数；
展开所述正常波数以计算出所述至少一种液体模式在所有频率下的慢度；以及
为所述至少一种液体模式生成慢度相对于频率的直方图。

3.  权利要求2的方法，其中，通过根据所述直方图标识最大慢度来确定所述泥浆慢度。

4.  权利要求2的方法，还包括从正常波数中去除零值波数。

5.  权利要求1的方法，其中，所述泥浆慢度的确定包括：在高频区域内渐近趋近作为频率函数的所述慢度从而确定出所述泥浆慢度。

6.  权利要求1的方法，还包括用钻井中的声波工具获得一组测量。

7.  一种用于确定测井中的泥浆的泥浆慢度的系统，包括：一个处理器和一个存储器，其中，所述存储器存储着含有指令的程序用于：
从用钻井中的声波工具所获得的一组测量中为至少一种液体模式确定出作为频率函数的慢度；以及
根据作为频率函数的该慢度为至少一种液体模式确定出所述泥浆慢度。

8.  权利要求7的系统，所述程序还包括指令用于：
为所述至少一种液体模式估计出正常波数；
展开所述正常波数以计算出所述至少一种液体模式在所有频率下的慢度；以及
为所述至少一种液体模式生成慢度相对于频率的直方图。

9.  权利要求8的系统，其中，通过根据所述直方图标识最大慢度来确定所述泥浆慢度。

10.  权利要求8的系统，还包括从正常波数中去除零值波数。

11.  权利要求7的系统，其中，所述泥浆慢度的确定包括：在高频区域内渐近趋近作为频率函数的所述慢度从而确定出所述泥浆慢度。

12.  权利要求7的系统，其中，所述声波工具包括一个发射器，该发射器从一个单极发射器，一个偶极发射器，和一个四极发射器组成的一组中选出。

用于测量钻井中泥浆慢度的装置和方法
技术领域
本发明通常涉及使用声波工具的地层测井。更特殊的是，本发明涉及用于能准确确定泥浆慢度(slowness)的声波测井的方法和装置。
背景技术
通常，通过用电缆将工具悬浮于充满泥浆的钻井中进行测量得出声波测井记录。这些工具通常包括一个声波源(发射器)和一个接收器阵列中的多个接收器。该接收器阵列中的这些接收器通常间隔几英寸或几英尺。工作时，声波信号从所述工具的纵向端发送，在另一端接收，并在该工具慢慢提上钻井时每隔几英寸便进行测量。来自发射器或源的声波信号进入与钻井相接的地层，随即用波至时间和接收器的其他响应特征来找出地层参数。
现有技术的声波记录通常包括慢度时间相干(STC)记录。用于生成STC记录的详细技术描述见Kimball等人的美国专利No.4,594,691(’691专利)，以及Kimball等人的“钻井声阵列数据的外形处理”，地球物理Vol.49，No.3(1984.3月)页274-281。’691专利在此被全文引用参考。在’691专利揭示的方法中，将一套时间窗应用于接收器阵列选择的压缩、剪切和Stoneley波形。所述时间窗由两个参数确定：假定第一接收器的波至时间，和假定慢度。按照波至时间和慢度的范围，通过后向传播和重叠波形以及比较重叠能量与未重叠能量，计算出窗口波形片段的标量外形。该外形可以被绘制成以慢度和波至时间为坐标轴的轮廓图，其最大外形值代表确定的地层慢度值。
’691专利揭示的STC记录能很好地用于非散射波，但对于散射波来说不是最佳的。Kimball等人地美国专利No.5,278,805(’805专利)揭示了一种改进方法，该方法特别适合散射波分析。该方法被称为散射慢度时间相干(DSTC)法，可用于处理来自LWD声波工具的地层剪切慢度的四极信号。参见Kimball，地球物理Vol.63，No.2(1998.3-4月)。所述DSTC法是一种基于模型的手段，其中将一套模型散射曲线用于确定哪个模型散射曲线最大化所述后向传播信号的外形。典型地，DSTC分析使用了同心圆柱层面模型来代表处于均匀地层的充满液体的钻井中心的LWD或有线声波工具。但该方法不必非使用简单的同心圆柱层面模型。如果需要，也可使用更复杂的模型。
所述地层剪切慢度是用于生成这套散射曲线的模型参数之一。根据DSTC法，一旦找出最适合的散射曲线，便能从该最适合的散射曲线确定出所述地层剪切慢度。但是，所述模型散射曲线不仅与地层剪切慢度(DTs)有关，还与其他九个模型参数有关：地层压缩慢度(DTc)，地层密度(ρb)，泥浆慢度(DTm)，泥浆密度(ρm)，钻井直径(HD)，工具的等效外径(OD)-假定该工具的ID固定，钻头环密度(ρst)，钻头环压缩慢度(DTc_st)，和钻头环剪切慢度(DTs_st)。正如’805专利所揭示的，所述DSTC法假定所有这九个参数均已知，并用它们来生成一套散射曲线作为地层剪切慢度DTs的函数。这九个参数的前五个与所述地层和钻井的特性有关，而后四个参数与钻头环特性有关。对于给出钻头环尺寸，这些钻头环参数便是常量，能测得或预先计算出。另一方面，地层/钻井参数是可变的，会从深度到深度和从井到井而发生变化。这些可变的地层/钻井参数能影响用所述DSTC法得出的地层剪切慢度(DTs)的精度。
在这些地层/钻井参数中，已发现泥浆慢度(DTm)对DSTC处理计算出的剪切慢度(DTs)的精度最具影响。如果不能精确地确定出所述泥浆慢度(DTm)，那么即使获得了具有良好信噪比的高质量测量数据也很难用DSTC处理来获得精确的剪切慢度(DTs)。因此，精确确定泥浆慢度(DTm)是首要的，且应包括在任何声波工具的设计中。否则，声波工具就不可能提供精确的地层剪切慢度(DTs)测量。
泥浆慢度(DTm)有许多其他应用，包括用于四极测井中慢剪切的计算。对于使用偶极源的慢剪切测井，在类似于上述四极测井的方法中也需要所述泥浆慢度(DTm)。对于单极源(压缩(P)和快速剪切(S)测井)，泥浆慢度(DTm)被用于设定P和S波的慢度范围。这些慢度范围被用来在声波测井分析中指导标记算法(labelingalgorithm)。在测井机械学和可行性应用中计算钻井液体压缩率也需要泥浆慢度。
对于泥浆慢度的测量可能有几种实现方法。一种显而易见的方法是设计一种专用传感器来直接测量下井泥浆慢度。这种传感器(子系统)通常包括一个暴露在泥浆中—例如在钻头环外侧的超声波脉冲回波测量系统。但这种传感器不能经常承受下井环境中的恶劣条件。而且，这种高粘度泥浆可能含有大块岩石切片，这可能导致声波能量的散射以及很难确定以超声波频率测得的慢度与声波频率测得的是否相同。
因此，需要一种更好的方法和装置来确定泥浆慢度。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于确定钻井中泥浆的泥浆慢度的方法。根据本发明一实施例的方法包括：从用钻井中声波工具所获得的一组测量中为至少一种液体模式确定出作为频率函数的慢度；以及，根据作为频率函数的该慢度为至少一种液体模式确定出所述泥浆慢度。
本发明的一个方面涉及用于确定钻井中泥浆的泥浆慢度的系统。根据本发明一个实施例的系统包括一个处理器和一个存储器，其中，存储器存储着含有指令的程序，用于从用钻井中的声波工具所获得的一组测量中为至少一种液体模式确定出作为频率函数的慢度；以及，根据作为频率函数的该慢度为至少一种液体模式确定出所述泥浆慢度。
本发明的其他方面和优点在下述描述和所附权利要求中将是明显的。
附图说明
图1所示为现有技术的声波测井系统。
图1a示例性示出在钻井中使用常规声波工具的声波测井。
图2所示为根据本发明一实施例的下井声波工具。
图3所示为根据本发明一实施例的一种用于确定泥浆慢度的方法。
图4所示为根据本发明一实施例的一种用于确定泥浆慢度的方法。
图5所示为使用根据本发明实施例的方法确定泥浆慢度的实例。
图6所示为使用根据本发明实施例的方法确定泥浆慢度的另一实例。
图7所示为仿真结果，图解示出用根据本发明一实施例的方法确定的在各种地层钻井条件下的泥浆慢度精度。
图8所示为仿真结果，图解地示出用根据本发明一实施例的方法确定的在各种地层钻井条件下的泥浆慢度精度。
图9所示为能用于本发明实施例的现有技术的计算机系统。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于测量钻井中泥浆慢度的装置和方法。根据本发明实施例的方法包括根据液体模式(特别是最低阶的液体模式)在较高频下的的慢度得出泥浆慢度。而通常声波波形中得到的这些液体模式，往往被认为是不希望的因素且通常被从数据处理中去掉。相反，本发明的实施例使用的正是这些液体模式，尤其在高频时。本发明的方法可以用装有宽带高频源的声波工具实现。
图1所示为常规声波测井系统。如图所示，声波工具10安装在钻井中。测井卡车12经电缆14与所述声波工具10相连。该卡车12可包括一台计算机12a用于分析从声波工具10发送给该计算机的数据。例如，工具10可以包括发射器10a，隔离器部分10b，多接收器10c，和电子卡盘10d。所述声波工具10的发射器10a可以包括一个单极，偶极，四极源，或一个更高阶的极源。图1a示出偶极发射器的功能。在图1a中，所述偶极发射器在活塞10a1的一侧产生一个正压波A，并在该活塞的另一侧产生一个负压波B。所述正波A和负波B向地层上部传播至接收器10c。该接收器10c发送偶极波形经电缆14到达测井卡车的计算机12a。偶极发射器产生的正波和负波A和B每个均包含一个剪切波(S-波)，一个压缩波(P-波)，和一个弯曲波。图1的声波工具10在Hoyle等人并转让给本受让人的美国专利No.5,036,945中有更详细的描述，题为“包括衰减和延迟装置的声波测井工具发射器和接收器阵列”。
根据本发明的实施例，声波工具包括一个能产生宽带高频信号的发射器和一个适合测量较高频波形的换能器(接收器)阵列。图2所示为根据本发明一实施例的声波工具(有线或LWD工具)。如图所示，声波工具20安排于穿透地层23的钻井24中。该声波工具20包括一个发射器21和一个含有8个接收器22a-22h的接收器阵列22。这些发射器和接收器可以是压电或其他类型的换能器。本领域中的普通技术人员均能理解所述阵列中的接收器数量仅为示例性的，且不为本发明范围的限制。
所述发射器21最好是宽带发射器以便能在覆盖较高频的较宽频的范围内工作。为了有效激活液体模式来确定泥浆慢度，本发明发射器提供的频段高端(如：30KHz或更高)通常高于常规声波工具所使用的那些频率(通常最高到20KHz)。例如，本发明的一些实施例能发射0KHz~30KHz的信号，而本发明的其他实施例能使用更宽和更高的频段，如：5KHz~500KHz。本发明的优选实施例能发射10KHz~100KHz的信号。
在本发明的一些实施例中，所使用的频率最适合于特殊类型的地层和勘测钻井，这样，更多能量以所述频段发射以便能有效激发特定地层钻井组合下的液体模式。所述发射器21可以是单极，偶极，四极，或更高阶极源。类似地，所述阵列中的接收器(换能器)22最好像发射器21一样对应于较高频和宽频段。所述接收器可以是单极，偶极，四极，或更高阶极接收器。最好接收器的类型与发射器的类型相符。
所述发射器21和第一接收器22a之间的间隔TR可在一个宽范围内变化，但最好在3~20英尺[0.9~6.1m]之间。TR短于3ft[0.9m]则不能为建立液体模式提供足够的空间。TR长于20ft[6.1m]则需要加大发射器功率，这会受下井条件的限制。
所述接收器之间的间隔RR应为小到能实际使用为止以减少混叠效应。由于所述声波工具20的发射器21设计成发射较高频信号，所以所述接收器之间的间隔RR可以小于常规声波工具中的相应间隔。在本发明的一些实施例中，RR间隔的范围可以是
0.05ft~1ft[0.015~0.3m]，最好为0.1ft~0.4ft[0.03~0.12m]。
所述阵列的长度(AL)，即：所述接收器阵列的长度，也可在一个宽范围内变化。所述SL的范围最好在2-5ft[0.61~1.5m]之间。根据本发明实施例的优选工具，理想的是具有大AL和小RR。然而，这种理想工具的接收器数量将会很大，这将是昂贵的并且可能造成设计问题。因此，接收器的数量以及所述间隔RR应选择为使所述工具具有优良性能，而又不过分昂贵。在本发明的一些实施例中，所述RR间隔的范围是0.05ft[.015m]~1ft[0.3m]，最好是
0.1ft[.03m]~0.4ft[.012m]，且所述阵列的接收器数量其范围是3~100，最好是4~30。例如，已发现一个RR间隔为0.4ft[.012m]的8-接收器阵列能提供非常好的效果。
上述发射器和接收器系统不必是专门用于泥浆慢度测量的系统。实际上，一个好的经济的设计是将用于泥浆慢度测量的宽带换能器和数据采集系统加到常规工具中，这样，同一硬件系统既能用于0~20KHz范围内的常规声波慢度测量(P&S慢度)，又能用于更高频范围(如：10-100KHz)内的泥浆慢度(通过液体模式)测量。安装有一种源和接收器阵列的本发明的一些实施例能进行常规慢度测量和泥浆慢度测量。所述泥浆慢度测量(用宽带更高频的脉冲)可以在相同于或不同于常规P&S波测量的激发周期下进行。
本发明的一些实施例涉及在钻井中测量泥浆慢度的方法。本发明的一种方法可包括在钻井中用装有宽带高频换能器的声波工具进行声波测井。这种宽带高频测井被设计用来激发某一频段的各种液体模式，其中该液体模式的慢度接近泥浆的慢度。一旦得到测量数据，该测量数据中的液体模式便被确定。接着，根据所述高频区中各种液体模式的慢度确定出泥浆慢度。
本发明的方法是基于发明者如下的发现：在所述高频段中各种液体的慢度受泥浆慢度的限制。因此，各种液体模式的慢度散射曲线在高频区域中将渐近趋近于一个限值(泥浆慢度)。这样，代表所述各种液体模式慢度散射曲线上限的慢度限制可以被认为是所述泥浆慢度。本领域的技术人员知道可以用多种方法来找出这个限制。例如，泥浆慢度抽取算法可以基于找出波形分量(液体模式)的慢度，其在[f_min，f_max]定义的给定频段中和由[s_min，s_max]定义的给定泥浆慢度区域中具有最平的散射曲线。
图3为根据本发明一实施例中用于确定泥浆慢度的方法的示意图。如图所示，方法30包括用能进行宽带高频测量的工具获取测量的步骤，如上所述(步骤32)。所述测量包括在足够高的频率时的测量以便能从液体模式渐近线得出泥浆慢度。典型的，所述频段包括从大约5KHz到大约500KHz，最好是从大约10KHz到大约100KHz。接着，从所述测量数据中确定出各种液体模式和其作为频率函数的慢度(步骤34)。涉及该确定的这些步骤将参照图4进行更详细的描述。这些液体模式可以包括Stoneley波。这些结果可以被绘制成慢度与频率的关系曲线以显示作为激发频率函数的各种液体模式的慢度变化。一旦确定出这些参数，便能从各种液体模式所渐近趋近某一限值找出所述泥浆慢度，其中该值代表所述泥浆慢度(步骤36)。在一些实施例中，所述方法还可包括标记(或标识)液体模式的步骤，用于确定所述泥浆慢度(步骤35)。所述标记步骤防止液体模式Stoneley波形的错误，特别是在小钻井的快速地层中。下面参照图7将对此进行详细的阐述。
图4所示为用于根据所述测量数据确定各种液体模式(图3的步骤34)的方法40。如图所示，所述处理开始于估计出所有液体模式在所有频率分量的标准化波数(步骤41)。所述判断可以使用本领域已知的任何方法，包括Prony方法。见Parks等人的“数字滤波器设计”页.226-228，Wiley & Sons，New York，1987。为所有液体模式估计出其在所有频率分量和所述测量使用的频段中的所有频率下的标准化波数。由于所述阵列中的接收器被设计为提供至少两个最高频分量的波形测量，所以波数的最大值通常不超过所述接收器数量(所测波形)的一半。例如，估计出所有液体模式j＝1，...，n在中间频率为f_i的所有频率分量下的波数K_j(f_i)，其中n≤(阵列波形的数量)/2，以及f_min＜f_i＜(f_min和f_max可以是测量中使用的最小和最大频率)。
因此，检查估计出的标准化波数K_j(f_i)并去除任何零值点以简化所述分析(步骤42)。虽然零值点的去除将简化后来的处理，但该步骤是可选的。
要计数混叠效应，所述标准化波数需要被展开(unwrapped)多次以便得到与该波数有关的正确慢度。在步骤43中，根据所述测量使用的最大预期泥浆慢度S_max和最大频率f_max，计算出需要展开标准化波数K_j(f_i)的卷绕(wrap)数。所需最大卷绕数(m_max)通过如下等式给出：
m__max＝ceil(f_max×RR×S_max-1)                         (1)
其中，ceil表示向下一更高整数值舍入以及RR表示所述接收器之间的间隔(见图2)。然后展开所述标准化波数以计算出相应的慢度，S_jm(f_i)。
一旦所述标准化波数被“展开”，就能计算出各种波形分量的慢度(步骤44)。通过根据频率分量f_i下的标准化波数K_j(f_i)计算出每个波形分量在对应卷绕m的每个频率f_i时的慢度S_jm(f_i)来完成该步骤，根据：
S_jm(f_i)＝((K_j(f_i)+m)/RR)//f_i              (2)
其中，j＝1，...，n；以及m＝0，1，...，m_max。
接着，该方法可以包括计算出对所有f_i，j，和m的S_jm(f_i)的直方图(步骤45)。如上所述，所述各种液体模式慢度均渐近趋近于泥浆慢度所限定的值。因此，分布函数(根据所述直方图)的最大值的慢度可被作为泥浆慢度输出。为了品质控制的目的，所述分布函数本身也可被输出，类似于STC处理的S/T投影。
由于噪声、混叠或Stoneley波干扰，在所述分布最大值的慢度可能不是泥浆慢度。这特别符合快速地层和小钻井情况。用所述分布函数作为品质控制，便可断定何时可能遭遇这种情况。如果怀疑已遭遇这种情况，则有可能使用其它信息(来自于相邻的深度或已知的外部约束)来“重标记”(选择)其他液体模式(在所述分布函数的较小尖峰处)的慢度以得出所述泥浆慢度。
本发明实施例的应用在图5和6中示出，其示出了两种截然不同情况下的结果。图5所示为声波工具位于穿透快速地层(DTc＝70us/f，DTs＝150us/f)的小钻井(HD＝8.62英寸[21.9cm]，DTm＝200us/f)中的6.75英寸[17cm]钻头环上的结果。图6所示为声波工具位于穿透慢速地层(DTc＝100us/f，DTs＝300us/f)的大钻井(HD＝12.5英寸[31.7cm]，DTm＝200us/f)中的6.75英寸[17cm]钻头环上的结果。在这两幅图中，顶部图形(A)示出所述接收阵列记录的模型波形，中部图形(B)是慢度—时间平面，显示用外观处理(见Kimball等人的地球物理Vol.49，页264-281，1984)测得的多种波形分量的慢度和时间，以及，底部图形(C)是应用本发明一方法的Proney法(如图4中的方法40)而依据所述模型波形抽取的散射曲线。
图5C所示为Stoneley波(曲线51)以及两种液体模式(曲线52和53)被显著激发。而且，从该图中还能看出其他几种液体模式。从该图中能明显的看出大多数液体模式直到所述源频率相对高时才被激发。例如，最低阶的液体模式(曲线52)被10KHz或更高的频率激发，而另一液体模式(曲线53)不会被低于50KHz的频率激发。因此，这些液体模式中的一些用常规声波工具探测不到。
图5C还示出所述最低阶液体模式(曲线52)的慢度在10KHz，150us/f(他是这种情况的剪切慢度)附近开始并逐渐随着频率的增加而增加。该液体模式的慢度逐渐增加并在80-100KHz的范围内渐近趋近于限值—所述泥浆慢度。这个最大值能用各种方法来标识，如：曲线拟合散射曲线52或使用直方图(如图4中的步骤44)。
类似地，其他液体模式(如曲线53)也可被用来确定泥浆慢度。但是，在多数情况下，优选最低阶液体模式(曲线52)，因为它最显著地和在相对较低的频率被激发，且在相对较低的频率便接近所述泥浆慢度。
注意图5C所示，曲线52和曲线53液体模式的泥浆慢度在上部受到所述Stoneley波慢度(曲线51)的界定。所述Stoneley波在大多数声波测井操作中均能被显著激发。因此，即使没有其他液体模式可辨别，Stoneley波散射曲线总能被用来提供所述泥浆慢度的上界。
图5C所示的结果是对于快速地层和小钻井的情况，即：需要较高的激发频率来显示所述液体模式渐近趋近于泥浆慢度。相反，图6C所示的结果是对于慢速地层和较大钻井的情况，其中泥浆柱会发射更多的声能量。如图6C所示，所述最低阶液体模式散射曲线(曲线61)在10KHz的范围内便达到泥浆慢度，比图5C所示的情况需要的低得多。这是由于当是慢速地层和钻井相对大时，各种液体模式被所述声波源更有效地激发。图5C所示和图6C的结果代表在声波测井操作中很可能遇到的两种极端。大多数测井多半会落在这两种情况之间。
为了证明本发明实施的一般应用能力，用来自LWD声波工具的波形进行了仿真，该LWD声波工具位于穿透各种地层的充满泥浆的钻井中心。在该仿真中使用了三种地层、五个泥浆慢度和两种钻井直径。在这些仿真中使用的地层、泥浆、和钻井的参数值列于表1中。对于地层慢度、泥浆慢度和钻井尺寸的多种组合共有30种不同情况。