专利名称：采用核磁共振测量来采集地层性质信息的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种用于在地层中进行钻井操作或者采集关于井筒周围的地层性质或特征的信息的方法和装置。更具体地说，本发明涉及这样一种装置和方法，其采用核磁共振(NMR)测量来测定、评估、预测或采集地层的某些性质。
背景技术：
在这里所介绍的本发明的一个优选应用中，可以从NMR测量中得出关于井筒周围的地层中的孔隙压力的信息。这种孔隙压力信息可在钻井操作的过程中起重要的作用。例如，关于地层内的孔隙压力特性的知识有助于优化所用钻井液(通常称为“泥浆”或“泥浆系统”)的类型和组成，尤其是液体密度(“泥浆重量”)。具体地说，在钻井操作期间避免泥浆柱和地层流体之间存在较大的压力差是很重要的。泥浆柱中的过大压力会导致地层发生不希望有的破裂，并导致钻井液大量地损失。另一方面，泥浆柱中的较低压力使得地层流体进入到泥浆系统中对并其产生干扰。如果地层流体以不受控制的方式到达地面处，通常称为“井喷”，那么这两种情况都会引起更不希望发生的后果。
已经采用了几种技术来估计地层中的孔隙压力，但其成功的程度各有不同。例如，可采用声音测量和地震测量来传递关于孔隙压力的信息，这是基于下述原理，即声音在流体中的速度随压力的增大而增加。另一种估计孔隙压力的方法是测量地面泵压和不同压力处的泥浆体积。无论如何，尚未尝试或建议采用NMR测量技术来采集关于井筒周围的地层内的孔隙压力的信息。
然而已经知道，在井筒中进行的核磁共振(NMR)测量可提供关于地质构造的不同类型的信息。在过去，这种测量通常在已经钻出了井筒之后进行。现在，已经可以在钻井时进行NMR测量(即随钻测井或LWD)，因而节约了时间并在进行钻井时提供了关于地层的有价值的实时信息。例如，这种信息可指示出孔隙的相对体积、可动流体的相对体积、地层的总孔隙度和地层的渗透率，等等。
可采用几种类型的可买到的测井工具来进行NMR测量。这些工具通常包括一个或多个用于产生静磁场B0的较大永久磁体或电磁体、置于待分析的地层附近的天线，以及能够经天线传导RF功率脉冲序列以在地层中引发RF磁场B1的电路。该电路还包括可检测因RF脉冲序列而在天线中引发的信号的接收器。然后可测量所引发的信号并对其进行处理，以提供关于地层性质的所需信息。
通常来说，NMR测井工具被调谐到可检测氢共振信号(例如来自水或烃的氢共振信号)，这是因为氢核是最大量的和容易检测到的。一般来说，通过为静磁场B0提供一段时间来对处于基本上与B0对齐的方向上的水和烃的自旋氢核进行极化，就可对地层中的与氢核有关的现象进行NMR测量。通过施加RF脉冲序列以引发RF场B1，就可改变氢核磁化和静磁场B0之间的角度。通常来说，所采用的脉冲序列包括第一RF脉冲(即激励脉冲)，其强度和持续时间选择成可重新定向核磁化，使之与因B0而得到的方位(即初始横向磁化)形成约90度。在一段选择的时间之后施加一系列的连续RF脉冲(即反转或重新聚焦脉冲)，各脉冲的强度和持续时间选择成可重新定向核的自旋轴，使之与它们之前的方位形成约180度。重新定向核磁化所需的RF场的频率(即拉莫尔频率)与静磁场B0的强度通过回转磁比γ而相关联，回转磁比γ对各种同位素来说是独有的。
由于在磁场B0中存在不均匀，垂直平面内(x，y平面)内的自旋通常会丢失它们的相位相干性，这很快会导致快速信号衰减。在各180度的RF脉冲之后，自旋重新定位，使得它们重新获得其相位相干性，这使得信号即自旋回声重新出现。自旋回声衰减的速度(即自旋核丧失其在横向平面内的对准的速度)的测量称为弛豫，或T2测量。如本领域所知的那样，T2测量与地层的化学和物理性质相关。例如，粘性油中的氢核具有相对较短的弛豫时间，而轻油中的氢核具有相对较长的弛豫时间。类似地，自由水中的氢核通常比束缚水(例如粘土束缚水)中的氢核具有更长的弛豫时间。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种用于采集关于井筒周围的地层中的孔隙压力的信息的方法。该方法包括初始步骤选择钻探环境(由井筒和周围地层构成)的至少一个适当性质(例如孔隙度、渗透率、含氢指数、钻井液成分等)和NMR测量响应中的至少一个NMR参数(例如T2分布)。该适当性质选择成其在多个井筒深度上的值可与地层中的孔隙压力的特征或特性相关联。该方法还包括在多个井筒深度处进行NMR测量，从而产生来自钻探环境的NMR响应。然后将NMR响应中的NMR参数的测量值与适当性质的值相关联。接着比较多个深度上的该适当性质的值，然后将这些性质值之间的一致性与该多个深度上的孔隙压力的特性相关联。这样就可以确定地层内的多个井筒深度上的孔隙压力的特征。在本发明方法的一个变型中，将多个深度上的选出NMR参数的值也与适当性质的值相关联(以首先测定该适当性质的特性)，然后将该适当性质的特性与孔隙压力的特性相关联。
在本发明的另一方面，本发明的方法包括初始步骤选择钻探环境的至少一个适当性质，使得在井筒深度间隔上的适当性质的变动可与地层中的孔隙压力的变动相关联，并且预测井筒深度间隔上的该适当性质的曲线图(例如通过历史信息或预备测量)。另外，选择至少一个NMR参数，使得该井深间隔上的NMR参数的值可与该井深间隔上的适当性质的值相关联。在提供了NMR测量装置之后，就可以开始钻井操作以便开始成形井筒。
在钻井过程中，NMR测量装置在井筒中的某一深度处工作，产生来自钻探环境的NMR响应，并对NMR响应中的NMR参数进行计量。通过在多个井筒深度处重复这一过程并提供在这些深度处的NMR参数的值，就可建立该适当性质的实际曲线图。然后将实际曲线和预测曲线之间的偏差与地层中的孔隙压力变动相关联。
在上述方法中，所选择的适当性质中的一些可以是孔隙度、渗透率、含氢指数、钻井液的性质如成分、地层流体的性质如成分，或者是它们的组合。在一个特定应用中，所选择的适当性质是流体入侵的深度，而NMR测量针对钻探环境的近井筒区域来进行。
在本发明的另一方面，本发明为一种在地层中钻出井筒的方法。该方法包括步骤采用具有流体成分的钻井液来开始在地层中钻出井筒，在钻井时监测井筒周围的地层中的孔隙压力。监测步骤还包括选择钻探环境的至少一个适当性质，使得在井筒深度上的该适当性质的偏差可与地层中的孔隙压力的变动相关联。然后在多个井筒深度处得到NMR测量，从而在多个井筒深度上产生来自井筒周围的NMR响应。从该NMR响应中确定井筒深度上的该适当性质的特性，然后将井筒深度上的该适当性质的特性与地层中的孔隙压力的特性相关联。
在下面的“具体实施方式
”部分中介绍了本发明的其它方面，在所附权利要求中也阐述了本发明的其它方面。例如，本发明还针对一种适用于或至少与上述方法相关的系统和有形媒介。
为了更完整地理解本发明，下面将结合附图并参考下述介绍，在附图中图1是井筒和用于在井筒中进行NMR测量的系统的简化示意图；图2是用于图1所示系统的简化电路图；
图3是显示了根据本发明的用于采集孔隙压力信息的方法的流程图；图3A是适于与根据本发明的各种方法一起使用的代表性测井图；图4是显示了根据本发明的用于进行钻井操作的方法的流程图；图5是显示了根据本发明的另一方法的流程图；和图6是显示了根据本发明的另外一种方法的流程图。
具体实施例方式
在本发明的一个方面，提供了一种利用核磁共振测量(NMR)来评估、确定、预测，或表征井筒周围的地层中的孔隙压力曲线图(孔隙压力相对于深度的曲线图)的方法。这种孔隙压力信息可在钻井操作(例如随钻测量/测井)的期间或与之同时地采集，或者在钻井操作完成之后采集。在本发明的另一方面中，该方法在实际钻井操作的过程中利用了这样采集到的孔隙压力信息。在LWD应用中，在钻井操作期间采集到孔隙压力信息可提供重要的优点，包括提高钻井操作的安全性和效率。如下所述，发现存在过压或负压情况可确保能以多种方式来改变钻井操作，包括要求立即停止钻井操作以应付井喷危险和/或对泥浆系统进行调节。
为了便于描述本发明的各个方面，附图及其介绍将集中于采集井筒周围的地层性质的信息、尤其是孔隙压力的代表性方法。然而应当理解，本发明的范围延伸超过了这些代表性的方法，并且本发明方法的各个方面或方法本身适用于与采集钻探环境和/或钻井操作的信息有关的其它应用。无论如何，图1和2显示了一种能够采用这些方法来进行NMR测量的代表性的NMR测量装置。图3-6用于帮助说明采集孔隙压力信息或利用这种NMR测量和孔隙压力信息来进行钻井操作的方法，它们体现了本发明的各个方面。
图1的简化示意图描述了NMR测量装置，其形式为绳索传送的测井工具10。测井工具10设计用于勘探所穿过的或位于井筒14附近的地层12内的一个或多个地层或地带。在一种典型应用中，将测井工具10系在铠装电缆16上悬挂于井筒14中，其长度基本上确定了测井工具10的相对深度。电缆长度通过任何适当的装置如地面处的滚筒和绞盘装置18来控制。
NMR测量装置或测井工具10可以是适用于电缆测井应用或随钻测井(LWD)应用的任何适当的井下NMR测井设备。显然，本发明的方法可以同等地适用于其中的任一种应用。测井工具10包括用于在地层中的所关注的体积19内产生静磁场B0的永久磁体、电磁体或磁体阵列，一个或多个RF天线(例如螺线管天线、环形天线、鞍形天线等)，以及配置成可产生RF功率脉冲以在地层中引发RF磁场B1并接收从地层中检测到的自旋回声的电路。
地面记录系统20为测井工具10提供电能，并且工具10所检测到的信号经铠装电缆16返回到系统20中以便记录下来并进行解释。通常来说，地面记录系统20保存了所检测到的自旋回声相对于测井工具10的深度的记录。在所示实施例中，表示了深度的输出信号由电缆长度测量编码器22来提供。或者，地面记录系统20可保存所检测到的自旋回声相对于时间的记录。之后，可将此基于时间的测量与深度测量记录相关联，使得可得到基于深度的测量。
图2以简化的框图形式显示了与测井工具10相关并配置成可产生RF脉冲和检测自旋回声的井下电路的一个代表性实施例。通常来说，电路产生RF信号，该信号可经天线发射出去以在地层中引发RF磁场。通过天线来检测由RF磁场所产生的自旋回声信号，它们或被存储或被发送回地面以被地面记录系统20记录下来。本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以使用电路的其它实施例。
如图2所示，井下电路包括处理器子系统210，其具有相关的存储器、定时电路、接口和一些选出的外围设置(未单独地示出)。处理器子系统210与可与地面记录系统20进行通信的遥测电路212相连。处理器子系统210可包括或可操作地关联有可编程装置，用于执行将NMR数据转化成关于钻探环境性质的有用信息的处理。
脉冲形成电路包括变频振荡器214，其可在处理器子系统210的控制下产生所需频率的交变RF信号。振荡器214的输出端与可提供脉冲相位控制的移相器216和调制器218相连，它们均处于处理器子系统210的控制下以产生RF场的所需脉冲相位。调制器218的输出端经功率放大器220与RF天线222相连。还可选择性地设置Q开关224，其用于将RF天线系统减弱到较低的天线振荡。
在所示电路中，天线222可发送RF脉冲以在地层中引发RF�。⒓觳庖蚴┘覴F场而产生的回声信号。因此，如图2所示，天线222还通过双工器或开关226与接收部分相连，双工器或开关226的输出端与接收放大器228相连。在发送和减振模式中，开关226可保护接收放大器228不受传送到RF天线222上的高功率脉冲的影响。在接收模式中，双工器226用作从天线222到接收放大器228的低阻抗连接。接收放大器228的输出端与双相敏检测器230相连，该检测器230还接收来自振荡器信号的信号作为基准。检测器230的输出端与模数转换器232相连；模数转换器232的输出是表示了所检测到的NMR信号的数字信号。
应当理解，虽然测井工具10在图1中显示为整体的或单个的装置，但它也可包括单独的部件并可与其它测井工具相结合。另外，虽然在图1中显示了绳索工具，然而例如在LWD应用中也可使用其它形式的物理支撑以及与地面之间的通信链路。还有，表示了所检测到的自旋回声的数字信号可在工具10处于井下时发送到地面记录系统20中。或者，数字信号可由处理器子系统210存储在存储器中，并之后在工具10返回到地面时供检索。
使用测井工具、例如如图1所示的工具，就可测量若干NMR参数，从中可以得到钻井环境的性质。例如，大多数NMR测井仪可设置成能够测量氢核的自旋-点阵(纵向)弛豫时间(T1)和/或自旋-自旋(横向)弛豫时间(T2)。这种测量这样来得到，即首先将氢核暴露在静磁场B0中来使其极化，然后施加调谐在所关注的氢核的拉莫尔频率下且长度被校准的RF脉冲(初始脉冲)，以得到自旋磁化的90度旋转。
在美国专利No.6246236中介绍了一种适用于本发明的LWD工具(该专利通过引用结合于本文中并构成本公开的一部分)。
现在参考图3，图中显示了流程图300，其大体上描述了在井筒周围的地层或者至少在井筒所处的地层中采集关于孔隙压力的信息的方法。该方法涉及在井深间隔上测量来自由井筒和周围地层所形成的区域或地段(“钻探环境”)中的NMR响应。钻探环境可包含于一个均质地层或地带中，或穿过多个地层或地带。如通过本发明方法的各个示例所进行进一步的说明那样，井筒附近的地层中的孔隙压力会影响钻探环境的性质。在此前提下，根据本发明的方法采用NMR测量技术来评估在井筒深度间隔上的钻探环境的一定性质，并从此评估中得到与同一井筒深度间隔上的孔隙压力有关的信息。
本发明方法中的一个优选的初始步骤是选择钻探环境的一个或多个适当的性质(化学性质或物理性质)(302)。该适当性质必须是可将给定井筒深度间隔上的测量值或特性直接或间接一与同一井筒深度间隔上的孔隙压力的值或特性相关联的性质。特别是，已经确定，对于一些性质来说，该井深间隔上的这些值的变动可归因于孔隙压力的变动。例如，一定的井筒深度间隔上的孔隙度特性可与同一井深间隔上的地层中的孔隙压力特性相关联。通常来说，孔隙度将随深度的增加而下降，这是因为更高的压力趋向于压实地层。与此常规趋势或曲线图相反的情况是在一个均质地带中孔隙度急剧地增加，这可能意味着存在压力增大的地带。
此外，如上所述的地层孔隙度(或总孔隙度)可分成两个分量约束流体体积(BFV)和自由流体体积(FFV)。对于本发明的方法来说，可单独地选择这两个分量中的一种来作为钻探环境的该适当性质。BFV表示被约束的总孔隙度的相对份额，而FFV是未约束的份额。更具体地说，BFV表示了与固体颗粒尤其是粘土颗粒紧密相互作用的孔隙度(即总孔隙度)的百分率。在许多应用中，可以与总孔隙度一起方便且更有利地监测BFV和/或FFV。无论如何，如这里所使用的那样，用语“孔隙度”可意味着总孔隙度、BFV、FFV或它们的任何或全部的组合。
与总孔隙度值类似，BFV值趋向于随深度的增加而减�。绕涫窃谝逞业夭阒校诠沟卮腥丛黾�。因此，与此趋势相反的情况、即在其它均质地带中BFV的增加可能意味着孔隙压力突然增加。
孔隙度是被确定适用于图3所示方法的钻探环境的若干性质之一。可用于与根据本发明的方法一起使用的其它性质包括渗透率；孔隙大小(由约束扩散来决定)；钻井液的性质，包括成分；地层流体的性质，包括成分；钻井液/地层流体的侵入特征；以及这些性质的组合。
作为另一初始步骤，该方法最好包括选择适当的NMR参数(304)。如上所述，NMR测量产生对NMR信号所针对的环境或物体而言为独有的响应。该NMR响应可由一组独有的参数来表征，然而可能需要控制该响应以便观察和更好地评估某些参数。已知有多种适当的技术可实现这一目的。在本发明方法的应用中，一个或多个这些参数(或NMR数据)被标识为具有一定的值，这些值与给定井筒深度间隔上的所选适当性质的值或特性存在某种关联。更具体地说，所选的NMR参数是由给定井筒深度间隔上的一些值来表征的参数，这些值与该相同井深间隔上的钻井环境的所选性质的值或特性存在某种关联，因此可从中得出孔隙压力的特性或值。
相对于孔隙度来说，所用的优选MR参数为NMR响应中的T2分布。盐水的NMR的T2分布与孔隙大小分布相关。具体地说，较短的弛豫时间与更加密实或更小的孔隙大小有关。作为T2分布的附加，还可以选择T1分布(不受扩散系数的影响)。
再参考图3，该优选方法要求在多个井筒深度处(例如在一定的井筒深度间隔上)进行NMR测量，从而产生来自钻探环境的NMR响应(306)。测量可在该井深间隔上连续地进行，或在一定时间或深度上周期性地进行。通常来说，可以得到关于钻出井筒所处的各地带或地层的特征的大量地质信息。其中令人关注的是在地带或地层之间的过渡区域所处的深度。在步骤306中这些过渡区域的频率和位置会影响井深间隔的范围，而在周期性测量的情况下，它会影响测量的数量和频率。与过压或负压无关的性质上的显著变动在这种变动处是很普遍的；因此，必须注意不要对这种变动进行误判断或提前响应。在任何情况下，在步骤306中所提到的井深间隔可以是例如在均质地带中的井筒整个深度内的或者是延伸到穿过若干地带和地层的整个井筒深度内的精心挑选的间隔。
而且，NMR测量的类型可根据所寻找的钻探环境性质而变化。例如，当目标是孔隙度或渗透率的值时，应进行NMR测量以产生来自周围地层深处的响应。适用于这种测量的NMR测量技术和设备在美国专利No.6246236和No.6232778中有介绍，它们均通过引用结合于本文中，并且构成本公开的一部分。
如下面所进一步介绍的那样，NMR测量还可在其中通�？煞⑾值夭懔魈搴妥昃褐涞慕缑娴淖晏交肪车那蚰诨蛑芪Ы�。这一区域的中心可处于离井筒外表面为约1″到2″之间的任何地方，并通常称为近井筒区域。近井筒区域容易受到钻井液的侵入，由于在井筒中存在相对于地层中的大得多的压力，因此钻井液使地层流体发生位移或与之混合在一起。因此，井筒内的侵入前沿(invasion front)随深度和差压而变化。针对于这一区域的NMR测量技术和设备在美国专利No.6246236中有介绍，其通过引用结合于本文中，并且构成本公开的一部分。可利用这些类型的NMR测量来采集与钻井液有关的性质的信息，包括钻井液的成分以及钻井液侵入到通常被地层流体所占据的区域中的程度和速度。还可从针对于地层流体(即地层流体性质)的测量中得出钻井液的性质。具体地说，近井筒区域内的地层流体的成分和位置可揭示钻井液的性质。下面将针对在图5和6中所示的其它方法来介绍在本发明中这些类型的NMR测量的使用。
最好，NMR参数的值和钻探环境的性质输出到如图3A所示的钻井记录或井数据显示屏中。当处理器子系统(见图1和2)接收到NMR参数的值时，这些值就输入到驻留在其中的计算机软件/程序中。计算机程序可体现为用于将NMR参数值与所选钻探环境性质的值相关联的若干已知处理中的任一个(312)。最好，软件或程序的执行产生了在井深间隔上的钻探环境性质的值。然后这些值和NMR参数一起输出到钻井记录350中，如图3A所示。适用于将T2分布的值与孔隙度或渗透率的值相关联的处理的例子在美国专利(或SPE文件)SPE30560和SPE49010中有介绍，它们均通过引用结合于本文中，并且构成本公开的一部分。
如图3所示，可能必须进行多次NMR测量以建立用于该适当性质的足够数量的值，或者作为另�。⑵鹪诰哂凶愎凰得餍缘木罴涓羯系囊恍┣咄蓟蚯魇�(步骤308)。这允许钻井人员或一些其它使用者或自动处理器来比较在此井深间隔上的该适当性质的测量值或实际值，从而评估该适当性质的特性。特别令人关注的是，测量值是否相对稳定，或者逐步地增大或减�。蛟谏疃壬霞本绲乇浠�。然后将这些值之间的比较或关联的方式与孔隙压力的特性进行关联。例如，如果孔隙度的实际值在已知的均质地带上随深度而逐渐增大，那么可以确定孔隙压力也以正常方式随深度而增大，并且不会受到突然的压力变化的影响。另一方面，如果其它逐步增大(曲线)受到一部分突然减小或增大的干扰，那么可以确定该井深间隔上的孔隙压力分别受到过压或负压地带的干扰。在图3所示的流程图中，对井深间隔上的该性质的值进行比较相当于确定或预测地层中的孔隙压力特征的步骤(312)。
NMR的性质和钻探环境的性质的值最好输出到例如图3A所示的钻井记录中。在一个LWD应用中，这些值最好在钻井期间记录下来，使得可在整个钻井操作中监测该性质，因而可监测孔隙压力。在钻井期间，可以打印出的连续纸张或数字显示屏上显示出钻井记录，因此允许进行实时的或几乎同时的监测。在另一实施例中，测井软件还可装有报警或指示装置，以监测该适当性质和孔隙压力的某些不符需要的特性，或者监测超过了该适当性质或孔隙压力的预定水平的值。在“具体实施方式
”部分中，用语“钻井记录”指反映了NMR参数、钻探环境的性质和其它井信息的值的任何显示或可观察的表示。
图3A的钻井记录是适用于本发明的方法、装置和系统的适当钻井记录350的简化图示。钻井记录350在记录道1和2中分别提供了γ射线测井和井深的值。在记录道3中显示了所选的NMR参数即T2分布。所选的适当钻探环境性质为孔隙度，其值显示于记录道4中。在一个方面，钻井记录350为简化的图示，这是因为在更普遍的应用中，各种NMR参数可与三个常用的孔隙度性质以及渗透率一起记录下来。这种一组NMR数据和源于NMR的性质的值还可通过传统方法采用其它物理测量来得到。这样就可以得到对钻井环境处的状态和孔隙压力的状态的更精确或更加无故障的监测。在阅读了“具体实施方式
”部分和/或查阅了各个附图之后，地质、岩石物理或其它相关技术领域中的技术人员可以清楚方法、装置或系统利用这些不同资源的方式。
在该代表性的钻井记录350中，记录了该地层的若干已知地带上的T2和孔隙度的值。BFV值或曲线354在记录道6中单独地记录。该值在前三个地带上符合预期的曲线(如虚线356所示)，并且在接近地带过渡区域358之前BFV值随深度而逐渐减小。这些地带过渡区域358的特征和突出点在于，其T2分布和FFV值存在突变(见360)。然而，随着在后续地带中继续进行钻井，BFV值的逐步减小中断。具体地说，BFV值在约14000英尺深度处开始急剧地增加，因而表明孔隙压力突然增大。在钻井记录350中，该突然增大通过标识364和标识366而突出显示出来。特别是，标识366是一个警告标示(例如红色声音报警)，警告使用者可能存在过压状况。
在LWD应用中，在发生这种情况时应当停止钻井操作。在一些应用中，可进行额外的测量或进一步的调查来确认是否存在过压状况。然后可通过调整钻井技术(例如通过增加钻井液成分的密度或降低泵送流量)来处理这一过压状况。
钻井记录350(以及图3所示的流程图)的使用提供了如何确定某一井深间隔上的孔隙压力的特征以及如何在进行钻井操作时利用这种信息的例子。为了突出显示孔隙压力的变化，钻井记录350还能够对预测或正常压力值进行外推法计算，从而建立预测曲线或正常曲线。预测曲线表示为测量或实际BFV值(实际曲线354)的实际曲线的虚线(356)延伸。当实际曲线354与预测曲线356存在偏差时，两条曲线均呈现出并保留在测井记录上，并且两者之间的偏差突出显示出来(例如用红色)。这允许使用者评估并甚至可量化实际值与正常值的偏离程度，从而评估过压的程度。
图4提供了一种相对于图3所示流程图的通用方法的一种变型。特别是，图4中的流程400所体现的方法使用了一定井深间隔上的钻探环境性质的预测曲线与从NMR测量中得出的实际曲线的比较。而且，图4中的流程400显示了一种采用NMR测量来钻井的方法。
在该方法的初始步骤402中，选择钻探环境的适当性质。根据本发明，所选的该适当性质使得在井筒深度间隔上的该性质值的变动可与地层中的孔隙压力相关联。如上所述，甚至在钻井和进行NMR测量之前就可得到关于该地层的大量信息。从历史信息的记录中可以得到给定井筒深度间隔上的物理性质的预期或预测曲线(414)。该预测曲线表示了该性质在井深间隔上的所预期的或正常的特性，并用作监测孔隙压力的基线。因此，在许多应用中，预测曲线了表示孔隙压力的状况，通过它可对钻井操作进行设计。如果实际曲线与预测曲线直接相对应，那么钻井操作可以如所计划地进行。
预测曲线最好在如图3A所示的钻井记录450中显示出来。可提供井筒中的不同深度处以及在不同地带上的预测曲线。通常来说，各地带的曲线对该地带来说是唯一的，并且可能与其它地带无关。因此，在一个方面，预测曲线可被视为多个地带上的预测曲线的集合。
在该方法的另一初始步骤中，选择至少一个适当的NMR参数(406)。适当的NMR参数的特征在于，井深间隔上的值可与所选适当性质的值相关联。特别是，NMR参数选择成使得在井筒深度间隔上的NMR参数值的变动可与同一井深间隔上的该性质的变动相关联。这样，可从NMR测量中得出该适当性质的特性。如果选择孔隙度作为该物理性质，那么最好选择NMR响应中的T2分布作为该NMR参数。
在上述初始步骤完成之后，开始进行钻井(408)。然后，采用NMR测量装置(在这种情况下最好采用LWD工具)来在一定的井筒深度间隔上进行测量(410)。如上所述，NMR测量可在连续的井深间隔处周期性地进行或在递增的时间周期处进行，或者在井筒深度间隔上连续地进行。对于图4所示的方法来说，所提及的井筒深度间隔意味着一个地带内或穿过多个地带的井深间隔，或者在整个井筒深度上延伸的井深间隔。
NMR响应最好经传统的遥测装置发送到井上，并由地面记录系统的处理器子系统接收。如上述针于图3的流程图所述，可采用已知的相关和处理技术来从测得的NMR参数值中得到该物理性质的值。然后将NMR参数和物理性质的值输出到钻井记录450上。通过在初始井深间隔上记录多个该物理性质的值，就可建立该物理性质的实际曲线(416)。
如图3A所示，实际曲线354可与预测曲线356记录在同一记录道中，因此它叠加在预测曲线356上。在许多应用中，这将极大地促进将两个曲线进行比较(418)和确定实际曲线是否与预期曲线存在偏差或变化(420)的后续步骤。如果实际曲线确实与预期曲线存在偏差或变化，那么根据本发明，可将该偏差或变动与孔隙压力的变动相关联(426)。通常来说，在发生这种情况时，可对钻井记录(可能包括其它NMR数据和测量)进行进一步的分析，并进行额外的测量和测试(例如从地面上)。这样，操作人员可确定或证实是否已经检测到过压地带(428)。
参考图3A所示的钻井记录350，通过预测曲线的明显偏差可表示出存在过压或负压地带。如果确认存在这种过压/负压状态，就应调整钻井操作以补偿或以其它方式来处理该过压或负压地带的问题(430)。在一些情况下可暂停钻井操作。在许多情况下，可通过调节钻井液中的流体成分来处理该过压或负压地带的问题。例如，可加入增重剂以增加重量和流体密度。另外，可以改变泵送流量，降低钻井速度或控制所进行的钻井。在一些情况下可停止钻井并安放框架(比所计划的早一些)。在任一种这些情况下，调整后的钻井将与原始计划存在偏差。另外，可以进行其它的测量如地震勘测，以便进一步评估钻井状况。之后可以重新开始钻井操作(408)，之后在后续深度处进行另外的NMR测量(410)。
在本发明的另一方面，本发明的方法考虑到了预期曲线将在钻井操作期间进行调整(424)，因而提供了更准确的钻井操作的监测。具体地说，通过与先前深度处的NMR参数和适当性质的实际测量相结合，就可以调节期望曲线。最好应与测井的实际曲线实时地且同时地调节预测曲线。例如，由于地质模型中存在意料之外的变化，因此在不同深度上的孔隙度的增大可能比初始预测的更急剧或更快速。鉴于此，可调节预测曲线以反映出真实的曲线。
对于一定的物理性质如孔隙度和渗透率来说，可以从历史信息中得出预测曲线。例如，可以采用地面技术例如地震或声音测量来初步记录目标地层或地带的孔隙度。或者，可从关于类似地带或地层、尤其是补充井周围的地层的历史信息中得出预测曲线。另外，可以通过在均质地带内进行初始测量并推断该地带其余部分上的初始曲线，从而建立起预测曲线。
所选的钻探环境性质可以是与钻井液有关的性质，例如钻井液的成分。在一些应用中，所选的钻井液性质涉及到近井筒区域内的钻井液和地层液体的之间相互作用(例如钻井液侵入的深度或速度)。在这些情况下，预测曲线或基准曲线可反映在较短井深间隔上为几乎恒定的值。然后采用本发明的方法来从该恒定曲线中监测急剧的偏差。在众多的这些情况中，可通过用传统装置在井眼表面处进行测量来建立预测曲线。或者，可采用钻井液或地层流体的NMR测量来在地面或地面附近进行测量。然后借助于垂直线(例如见钻井记录350中的线370)在井筒深度间隔上对通过这种方式得到的曲线进行外推法计算。图5和6的流程图集中在本发明方法的一种变型上，其中采用了所选的适当性质与钻井液或地层流体相关的方法。在这些情况下，与井筒区域内的地层流体含量相关的性质本质上是钻井液的性质，这是因为它通常揭示了与侵入前沿有关的情况。
现在参考图5所示的流程图，图中显示了用于进行钻井操作的方法。具体地说，该方法的初始步骤是选择钻探环境的近井筒区域内所提供的钻探环境的至少一个适当性质(502)。具体地说，所选的性质为地层流体侵入的深度。在钻井过程中，地层内的流体的平衡被扰乱。通常来说，井筒内的泥浆压力高于原始地层流体的压力(过平衡钻井)。该压力差导致钻井液或泥浆侵入到地层中，并且在井筒周围的区域(称为侵入地带)原始地层流体被泥浆滤液所取代。该侵入地带处于作为NMR测量的对象的近井筒区域内。侵入泥浆通�：邢肝⒌目帕Ｎ镏剩浜芸炀捅宦顺龅骄膊嗝嫔隙纬闪顺莆澳啾钡牟�。所得的泥饼积聚是所需要的效果，这是因为它减少了地层和泥浆柱之间的连通，从而防止或阻碍了泥浆进一步流到地层中。在过压地带中，泥浆不会侵入到地层中，而是地层流体趋向于进入到泥浆柱中。这当然是不合需要的结果，这是因为泥浆系统会被稀释，从而改变了泥浆的重量和密度。
现代NMR测量工具通常采用了从工具朝向地层衰减(称为梯度设计)的磁场。这种工具允许操作人员测量工具周围的外壳中的NMR信号。通过选择能够在距工具为所需距离(或深度)处完成拉莫尔共振驻留的适当频率，就可选定外壳的位置。因此，可以在勘探的不同深度处进行NMR测量。由于泥浆和地层流体之间的压力差会影响侵入曲线和速度，相对于深度的泥浆滤液含量的测量可给出关于侵入过程的有价值的信息，因而给出关于孔隙压力的有价值的信息。在一种变型中，侵入曲线随时间的变化的测量还可产生有价值的信息。较慢的侵入表示出较高的地层压力，反之亦然。可采用类似的方法，即利用来自不同技术(电阻率)的侵入曲线并其与源于NMR的岩石性质测量相结合，以便估计孔隙压力。无论如何，可将对流体侵入的深度、或更具体地说是对井筒深度上的流体侵入深度的变动的测量与周围地层中的孔隙压力的变动相关联。
在图5所示的本发明方法的另一初始步骤中，选择至少一个NMR参数(504)，因此井深间隔上的NMR参数的变动可与流体侵入的深度的变动相关联。最好可选择一组NMR参数。NMR参数通常包括梯度场上的T2分布，以便在原始地层流体和侵入钻井液如泥浆滤液的存在或体积之间进行区分。这样，可以评估特定深度处的侵入深度。
在一定的井筒深度间隔上，希望侵入深度保持相对稳定。因此，在该井筒深度间隔上的地层流体侵入深度的预测或基准曲线为几乎稳定的垂直线(例如见图3A中的线370)(见步骤506)。然而应当理解，在地层流体侵入深度中存在一些(非突然的)变动是很常见的，这是因为存在着与过压或负压无关的微小效应，例如增加的深度和压力积聚。
通常来说，预测或基准曲线可从地面或其附近处的初始NMR测量中得到，然后在井筒深度间隔上进行外推法计算。在建立预测或基准曲线后开始进行钻井(508)。在后续步骤510中，接着在多个井筒深度或井深间隔处连续地或周期性地进行NMR测量。如上所述，最好采用梯度型工具来进行NMR测量，以产生来自近井筒区域的NMR响应。特别是，NMR响应将来自包括侵入前沿处或其周围的近井筒区域。在收集到足够数量的NMR参数值和侵入深度值之后，在该井筒深度上比较NMR参数和侵入深度的值。通常来说，这一信息将在钻井记录上提供，其形式为深度上的径向曲线。更具体地说，在整个钻井过程中连续地比较这些值，以便监测相对于基准曲线的急剧偏差(512)。
如流程图500中的步骤514所示，询问在当前井筒深度处NMR参数(或适当性质)的值是否比先前井筒深度处的值增大了很多(514)。这些的值下降、特别是突然的下降通常表示可能存在过压地带。因此，该方法中的下一步骤是进一步评估或确认存在过压地带的可能性(516)。如果进一步的评估确认存在过压情况，就可如上所述地暂停钻井操作和/或调整钻井变量(520)。另外，如果未检测到这些值的显著下降或增大，那么就如常地继续进行钻井操作，并进一步进行其它的NMR测量。
如果地层流体的压力比泥浆柱的压力高得多(过压)，那么地层流体就将流入到泥浆柱中。这会影响NMR测量，类似于工具运动或扩散。具体地说，可以检测到较短的T2分布以及回声形状的变化。因此，通常选择T2分布和回声形状作为适当的NMR参数。相对于回声形状来说，侧向工具运动在本发明方法中的影响很�。馐且蛭狶WD的NMR工具是对称的，使得工具两侧的相反效果相互间很高程度地抵消。然而，流体向内(地层流体进入到井筒中)或向外(快速侵入或循环损失)的流动不会产生这种抵消，因此对回声形状的影响更显著。
在图3A所示的钻井记录350中，记录道6提供了在深度上的侵入深度记录(DOI)。从约14000英尺开始，DOI急剧地增加，因而表明可能存在过压地带。这种状况由过压警告374和376标示出。
检测流体从地层到井筒的侵入的另一方式是分析工具附近的泥浆或钻井液的成分。由于地层流体具有与泥浆不同的NMR性质，因此采用传统方法可以容易地确定泥浆被地层流体的稀释。此外，这种测量可以在非常接近于NMR工具处的地方进行，使得信噪比非常大，这是很有利的。采用这一技术对泥浆性质变化的早期检测在地层流体开始进入井眼时提供了关于可能的“井涌情况”的非常有价值的早期警告。体现于图6所示流程600中的方法显示了对这一信息的采集和使用。
参考流程600，该方法的初始步骤是选择钻探环境的性质，在这种情况下是钻井液的性质如钻井液的成分(602)。在一种类型的应用中，NMR测量集中在地层流体的构成上(例如评估侵入的程度和/或被钻井液的稀释)。在另一应用中，NMR测量集中在钻井液的构成上(例如评估侵入和/或被地层流体所稀释的程度)。在大多数应用中，目标是近井筒区域内的地层流体和钻井液区域。
接着，选择适当的NMR参数(604)，其为与钻井液的性质相关的参数。同样，可以选择许多NMR参数，包括T2分布和回声形状(其可被视为若干T2获取性质中的一个)。井筒深度间隔上的这种NMR参数的值或至少该值的特性或变动与钻井液成分的变动相关。在该方法的一个后续步骤中，得出流体性质的预测或基准曲线(606)。这一预测或基准曲线被视为由NMR参数的“基准”或“正常”值来构成。最好，“基准”值在地面或其附近处获得，然后在井筒深度间隔上进行外推法计算。当在不同深度处探求地层流体-钻井液的径向曲线时，该“基准或正常曲线”将是在给定井深间隔上相对无变化的曲线。
在完成了上述初始步骤之后，继续开始钻井操作(608)。如上述方法一样，接着在多个井筒深度处进行NMR测量(610)。这些NMR测量将在含有钻井液、泥浆滤液或地层流体的近井筒区域中进行。NMR测量的目的是提供对与钻井液(基本钻井液、泥浆滤液或地层流体)有关的NMR参数的监测。
在具有足够数量的NMR测量时，可将NMR参数(以及因此而来的钻井液性质)的实际值与“正常”或“基准”值进行比较(612)。这一步骤可视为与如上述相对图4和5所示方法所介绍的将NMR参数或钻井液性质的实际曲线与预测或基准曲线进行的比较等效。
该方法中的后续操作614依赖于实际值和正常值的比较。具体地说，询问实际值是否与正常值偏离了很多。如果实际上是这种情况，那么就存在过压的可能性(618)。如果未观测到显著的偏差，就可如上述方法所述地中止钻井操作和/或调整钻井变量(620)。通过适当的调整，可以继续进行钻井操作和监测孔隙压力。
虽然已经针对一定数量的实施例来介绍了本发明，然而地质、岩石物理或其它相关技术领域中的技术人员在了解了本发明的优点之后可以理解，在不脱离这里公开的本发明的范围的前提下，可以设计出其它的实施例。例如，可以设想，可将本发明方法的各个方面应用到涉及采集关于钻探环境或井筒周围的地层的信息的其它应用中。这些其它方法可针对于将一个或多个NMR参数与孔隙压力特性相关联，或针对于钻探环境的另一物理或化学性质。因此，本发明的范围应当只由所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于采集关于井筒周围的地层中的孔隙压力的信息的方法，所述井筒和所述周围地层形成了钻探环境，所述方法包括步骤(a)选择所述钻探环境的至少一个适当性质，使得在多个井筒深度上的所述适当性质的值可与所述地层中的孔隙压力的特征相关联；(b)选择核磁共振测量响应的至少一个核磁共振参数；(c)在多个井筒深度处进行核磁共振测量，从而产生来自所述钻探环境的核磁共振响应；(d)将所述核磁共振响应中的核磁共振参数的值与所述适当性质的值相关联；和(e)通过比较所述多个深度上的所述适当性质的值来确定所述地层内的所述多个井筒深度上的所述孔隙压力的特征，并将这些值之间的一致性与所述多个深度上的所述孔隙压力的特性相关联。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)包括将多个深度上的所选核磁共振参数的值与所述适当性质的值相关联，并且将所述多个深度上的所述适当性质的值与所述孔隙压力的特性相关联。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括从一组适当性质中选择所述适当性质，所述一组适当性质包括孔隙度；渗透率；含氢指数；钻井液侵入的深度；钻井液的性质；地层流体的性质；以及它们的组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括从一组核磁共振参数中选择所述核磁共振参数，所述一组核磁共振参数包括T2分布；T1分布；T2采集参数；以及它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括选择T2分布作为所述核磁共振参数，所述步骤(a)包括选择孔隙度作为所述适当性质，这样，所述步骤(e)包括将在所述多个深度上观测到的所述T2分布的变动与所述地层中的孔隙度的变动相关联，并且与所述多个深度上的所述孔隙压力的变动相关联。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述步骤(a)之前开始钻井操作以初始形成井筒的步骤，使得所述钻井操作可在钻井过程中利用所述钻探环境的近井筒区域中的钻井液；以及所述步骤(a)包括在钻井过程中选择所述钻井液的至少一个适当的性质，其中所述步骤(c)包括进行核磁共振测量以从所述近井筒区域中产生核磁共振响应，使得所述步骤(e)包括将钻井过程中的所述钻井液性质的变动与所述多个深度上的所述孔隙压力的变动相关联。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括提供梯度型核磁共振测量装置，并操作所述核磁共振测量装置来将梯度信号引向所述周围的近井筒区域。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括选择地层流体的侵入深度作为所述适当性质。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)包括建立可说明所述多个深度上的侵入深度的地层流体侵入曲线，并将所述流体侵入曲线的变动与所述多个深度上的孔隙压力的变动相关联。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)包括将所述流体侵入曲线的偏差与过压地带的存在相关联。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括比较在所述多个深度上的核磁共振参数的测量值，并从该比较中建立所述适当性质的实际曲线。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤预测多个深度上的所述适当性质的曲线；和所述步骤(d)包括将所述实际曲线与所述预测曲线相比较；和所述步骤(e)包括将所述实际曲线和所述预测曲线的偏差与所述周围地层中的孔隙压力的变动相关联。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括在多个深度处进行了核磁共振测量之后修改所述预测曲线，以便使其至少部分地基于所述实际曲线。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在修改所述预测曲线的步骤之后继续进行所述步骤(c)、(d)和(e)。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤在所述步骤(a)之前，在所述地层中开始进行钻井操作以便初始形成井筒；在所述钻井操作期间进行所述步骤(c)，所述步骤(c)包括在所述多个井筒深度的每一个深度处将所述核磁共振测量装置定位于所述井筒中；和在所述钻井期间记录每一条所述实际曲线和所述预测曲线。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤在所述步骤(a)之前，在所述地层中开始进行钻井操作以便初始形成井筒；在所述钻井操作期间进行所述步骤(c)，所述步骤(c)包括在所述多个井筒深度的每一个深度处将所述核磁共振测量装置定位于所述井筒中；和响应于通过所述步骤(e)所确定的所述孔隙压力的变动来调整所述钻井操作。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括提供包括有所述核磁共振测量装置的随钻测井工具，并且在所述多个井筒深度的每一个深度处将所述核磁共振测量装置定位于所述井筒中。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述步骤(c)之前进行钻井操作以初始形成井筒的步骤，所述步骤(c)包括提供绳索传输的核磁共振测量装置，并且在所述多个井筒深度的每一个深度处定位所述核磁共振测量装置。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括在井筒深度间隔上连续地操作所述核磁共振测量装置，使得所述步骤(d)包括在所述井筒深度间隔上观测连续的核磁共振响应。
20.一种用于采集关于井筒周围的地层中的孔隙压力的信息的系统，所述井筒和所述周围地层形成了钻探环境，所述系统包括核磁共振测量装置，其用于在多个井筒深度处进行核磁共振测量并接收来自所述钻探环境的核磁共振响应；设置成可与所述核磁共振测量装置进行通信以便从中接收核磁共振响应数据的微处理器，所述微处理器包括可执行的程序，所述程序配置成可以选择所述钻探环境的适当性质，使得所述多个井筒深度上的所述适当性质的值可与所述地层中的孔隙压力的特征相关联；计量所述核磁共振响应中的至少一个核磁共振参数；和将所述多个深度上的所述核磁共振参数的值与所述多个深度上的所述适当性质的特性相关联，从而将所述核磁共振参数的值与所述多个深度上的所述孔隙压力的特性相关联；以及有形媒介，其可显示所述多个井筒深度上的所述适当性质的特性。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述有形媒介是钻井记录，所述钻井记录可显示所述多个井筒深度上的所述适当性质的曲线；和提供了所述多个井筒深度上的所述适当性质的预测值的基准曲线。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述有形媒介包括用于所述多个深度上的孔隙压力状况的指示。
全文摘要
提供了一种用于采集关于井筒周围的地层中的孔隙压力的信息的方法。该方法包括初始步骤选择钻探环境(其由井筒和周围地层形成)的至少一个适当性质(如孔隙度、钻井液成分等)和NMR测量响应中的至少一个NMR参数(例如T
文档编号G01V3/38GK1510435SQ20031012074
公开日2004年7月7日 申请日期2003年12月3日 优先权日2002年12月3日
发明者C·沃德博恩, R·海德勒, C 沃德博恩, 吕 申请人:施卢默格海外有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
