用于表征地下地层的系统和方法

相关申请的交叉引用

本文档是基于2020年1月28日提交的美国临时申请序列号：62/966,646并要求其优先权，所述申请以引用方式整体并入本文。

技术领域

本发明涉及用于执行井筒操作的技术。更具体地，本发明涉及用于确定地下地层特性的技术。

背景技术

石油钻机定位在井场处以用于执行多种油田操作，诸如钻探井筒、执行井下测试和开采所定位烃类。井下钻探工具从地面钻机向土壤中推进以形成井筒。通常在钻探工具向土壤中推进时向井筒中泵送钻探泥浆。钻探泥浆可用于例如移除岩屑、冷却钻探工具端部处的钻头和/或沿着井筒壁提供保护内衬。在钻探期间或之后，通常用水泥将套管固定到位以内衬于井筒的至少一部分。一旦形成井筒，就可围绕井筒定位生产工具以将流体抽吸到地面。

在钻探期间，通常进行测量以确定井下条件。在一些情况下，可移除钻探工具，使得可将电缆测试工具下入到井筒中以进行另外的测量和/或对井下流体进行采样。一旦钻探操作完成，就可将生产设备下入井筒中以帮助将烃类从地下储层抽吸到地面。

由钻探、测试、生产和/或其他井场工具进行的井下测量可用于确定井下条件和/或帮助定位包含有价值烃类的地面下储层。此类井场工具可用于测量井下参数，诸如温度、压力、粘度、电阻率等。此类测量可用于指导油田操作和/或用于分析井下条件。

已经尝试基于电磁测量结果来标识地质特征。然而，即使现有电阻率图像使得能够标识和描绘地下地层中的裂缝，也将期望从电磁测量结果获得关于地层的另外的信息，诸如关于裂缝类型的信息(即，裂缝是开放的还是闭合的)。

发明内容

下文陈述本文所公开的一些实施方案的某些方面。应理解，呈现这些方面仅仅是为了向读者提供本发明可能采取的某些形式的简要概述，并且这些方面并非意图限制本发明的范围。实际上，本发明可涵盖下文可能未陈述的多种方面。

本公开涉及一种用于确定井场处的井筒中的至少一个地下地层的性质的方法，并且所述方法包括：将井下工具部署到具有壁的所述井筒中，所述井下工具具有位于其上的地层传感器；

收集从所述地层传感器发送通过所述至少一个地下地层的至少两个电流；以及在地层成像单元处基于从所述至少两个电流确定的地层数据来执行反演。执行所述反演包括：生成与所述地层的电阻率相关的至少第一参数和与所述地层的介电常数相关的至少第二参数的图像。所述方法还包括：使用所述第一参数和所述第二参数的所述图像标识所述井筒的所述壁的裂缝并且确定所述裂缝的类型。

本公开还涉及一种用于确定井场处的井筒中的至少一个地下地层的性质的方法。所述方法包括：将井下工具部署到具有壁的所述井筒中，所述井下工具具有位于其上的地层传感器；以及收集从所述地层传感器发送通过所述至少一个地下地层的至少两个电流。所述方法还包括：在所述地层成像单元处基于从所述至少两个电流确定的地层数据来执行反演。执行所述反演包括：生成与所述地层的电阻率相关的至少第一参数和与所述地层的介电常数相关的至少第二参数的图像。所述方法还包括：至少基于至少预定位置上的所述第二参数来标识所述井筒的所述壁的材料。

本公开还涉及一种用于确定井场处的井筒中的至少一个地下地层的性质的系统，所述系统包括：井下工具，所述井下工具具有位于其上的地层传感器，其中所述地层传感器被配置来收集发送通过所述至少一个地下地层的两个电流并且从所述至少两个电流确定地层数据；以及地层成像单元，所述地层成像单元被配置来基于从所述至少两个电流确定的地层数据来执行反演。执行所述反演包括：生成与所述地层的电阻率相关的至少第一参数和与所述地层的介电常数相关的至少第二参数的图像。所述地层成像单元还被配置来使用所述第一参数和所述第二参数的所述图像来标识所述井筒的所述壁的裂缝并且确定所述裂缝的类型。

对于本发明实施方案的各个方面，可存在上述特征的各种改进。其他特征也可并入这些不同方面。这些改进和另外的特征可单独地或以任何组合存在。例如，下文关于所示实施方案讨论的各种特征可单独地或以任何组合并入本公开的上述方面中的任何方面。再者，上文呈现的简要概述意图使读者熟悉一些实施方案的某些方面和背景，而不限制所要求保护的主题。

附图说明

通过参考附图，本领域技术人员可更好地理解本发明实施方案，并且众多目标、特征和优点可变得显而易见。这些附图用于示出本发明的仅典型实施方案，并且不应视为对其范围进行限制，因为本发明可承认其他同等有效的实施方案。附图不一定按比例绘制，并且为了清楚和简洁起见，附图的某些特征和某些视图可按比例放大或以示意图示出。

图1是根据本公开的实施方案的具有可部署到井筒中的井下工具的用于对一个或多个地下地层的性质进行成像的系统的示意图。

图2是根据本公开的实施方案的图1的井下工具的示意图，其描绘具有传感器垫的井下工具，所述传感器垫在其上具有地层传感器。

图3是根据本公开的实施方案的图2的传感器垫沿着线A-A截取的纵向剖视图，其描绘传感器垫的面上的地层传感器。

图4是根据本公开的实施方案的图3的替代传感器垫的纵向剖视图。

图5是由图1的系统的地层成像单元部分形成的各种输出的图形描绘

图6是描绘根据本公开的实施方案的表征至少一个地下地层的性质的方法的流程图。

具体实施方式

以下描述包括体现本发明的发明性主题的技术的示例性设备、方法、技术和指令序列。然而，应理解，所描述实施方案可在没有这些具体细节的情况下实践。本发明的当前优选实施方案在上述附图中示出并且在下文详细描述。

图1是具有石油钻机102的井场100的示意图，其中井下工具104悬挂于井筒106中。井筒106已由钻探工具(未示出)钻出。钻探泥浆和/或井筒流体108可已泵入井筒106中并且可内衬于其壁。如图所示，套管110也已定位在井筒106中并且在其中用水泥固定到位。井下工具104可具有用于确定一个或多个井下参数诸如井筒流体参数和/或地层参数的一个或多个传感器。井下工具104可与控制器112、通信网络114和/或一个或多个场外计算机116通信。井下工具104、控制器112、通信网络114和/或场外计算机116可具有地层成像单元118。由井下工具104感测的流体参数和/或地层参数可发送到地层成像单元118以确定地层性质和/或优化井场100处的井规划。如本文所用，术语“成像”是地质物理学和油田领域中用于指代以二维或多维描绘井筒的一系列局部性质的表示的常用术语。

井下工具104被示出为下入井筒106中以进行各种测量的电缆测井工具。井下工具104可包括常规测井装置119、一个或多个传感器120、一个或多个遥测装置122和电子器件封装124。常规测井装置119可设置有各种传感器、测量装置、通信装置、采样装置和/或用于执行井筒操作的其他装置。例如，在井下工具104被下入时，它可使用诸如电阻率或其他测井装置的装置来测量地层参数和/或井下流体参数。地层参数和/或井下流体参数可以是关于地层和/或井下流体的所收集数据。地层成像单元118可操纵地层参数以及任选地井下流体参数以确定地层性质和/或井下流体性质，例如电阻率。

如图所示，井下工具104可依靠电缆126输送到井筒106中。尽管井下工具104被示出为依靠电缆126输送到井筒106中，但应理解，可使用任何合适的输送工具，诸如滑线、连续油管、钻柱、套管柱等。井下工具104能够可操作地连接控制器112以用于在工具104与控制器112之间进行通信。井下工具104可通过电缆126有线连接，如图所示，和/或通过一个或多个遥测装置122无线链接。一个或多个遥测装置122可包括用于如通信链路128所示将信号传递到控制器112的任何遥测装置，诸如电磁装置。此外，应理解，任何通信装置或系统都可用于在井下工具104与控制器112之间进行通信。信号可在井下工具104、控制器112、通信网络114和/或一个或多个场外计算机116和/或用于这些装置之间的通信的其他位置之间传递。

虽然井下工具104被描绘为其上具有一个或多个传感器120的电缆工具，但应理解，一个或多个传感器120可在井下定位在多种布置中和/或多种一个或多个工具上。例如，一个或多个传感器120可布置在适合在井筒106中定位在地层对面的垫中。一个或多个传感器120(或传感器120布置在其上的垫)也可放置在任何井下系统和/或工具上，例如，放置在电缆测井工具、钻柱、随钻测井工具(LWD)、随钻测量工具(MWD)、连续油管、钻杆测试仪、生产油管、套管、管道或任何其他合适的井下工具上。尽管示出一个或多个传感器120中的仅一个，但应理解，一个或多个传感器120和/或一个或多个传感器120的部分可位于井筒106中的若干位置处。在一些实施方案中，一个或多个传感器120可围绕井下工具104的外表面定位，使得井筒流体108可经过传感器120或沿着其通过。在一些实施方案中，一个或多个传感器120也可定位在井场100周围的不同位置处以执行流体和/或地层测量。

电子器件封装124可包括适合对井下工具104的部件进行操作、监控、供电、计算、校准和分析的任何部件和/或装置。因此，电子器件封装124可包括电源、处理器、存储装置、信号转换装置(数字化器、混频器、放大器等)、信号切换装置(交换器、多路复用器等)、接收器装置和/或发射装置等。电子器件封装124能够可操作地耦接到一个或多个传感器120和/或地层成像单元118。电源可由电缆126供应。此外，电源可位于电子器件封装124中。电源可向一个或多个传感器120供应多个电流。电源可由电池电力供应器或其他常规供电装置提供。在一些情况下，电源可以是井下工具104中所用的现有电源。电源可例如定位在井下工具104中并且有线连接到一个或多个传感器120以用于向其供电，如图所示。任选地，可提供电源以用于与一个或多个传感器120和/或其他井下装置一起使用。虽然电子器件封装124被示出为与一个或多个传感器120和/或地层成像单元118分开的一个单元，但应理解，电子器件封装124的任何部分都可包括在一个或多个传感器120和/或地层成像单元118中。此外，电子器件封装124的部件可位于井下工具104、控制器112和/或井场100周围的各种位置处。一个或多个传感器120也可有线或无线连接到井下工具104、地层成像单元118、通信网络114和/或控制器112的特征(诸如通信链路、处理器、电源或它们的其他特征)中的任何特征。

井场100处所用的井下流体108或井筒流体或井眼泥浆流体可以是油基泥浆。井下流体108可在钻探和/或其他井下操作期间泵入井筒106中。井下流体108可在其遇到井筒壁130时涂覆井筒壁130。涂覆在井筒壁130上的井下流体108可形成泥浆柱132或泥浆间隙(standoff)。泥浆柱132可以是指一个或多个传感器120与井眼壁之间的泥浆和/或井眼流体，并且可占据一个或多个传感器120与地下地层136之间的空隙134或间隙或泥浆间隙或传感器间隙。井筒壁130的进一步粗糙度可导致一个或多个传感器120与地下地层136之间的空隙134或间隙或传感器间隙。油基泥浆可具有高电阻率。例如，水基泥浆的电阻率可介于0.01-20欧姆之间，并且油基泥浆的电阻率可以是水基泥浆的1,000至10,000,000倍高。由于油基泥浆的高电阻率，在确定地层性质时必须考虑油基泥浆的性质，如下文将更详细地讨论。因为在井场操作期间通常使用同一井筒流体108或泥浆，所以井下流体108的性质沿着井筒106的长度可保持相对恒定。

一个或多个传感器120可能够确定一个或多个井下流体参数和/或一个或多个地层参数。当井下工具104穿过井筒106时，一个或多个传感器120可确定井下流体108和/或地下地层136的井下参数。如图所示，一个或多个传感器120可定位在井下工具104的外表面138上。一个或多个传感器120的一部分可凹陷到外表面138下方一定距离以提供对其的额外保护，或从外表面突出一定距离以进入流体和/或地下地层136。一个或多个传感器120也可根据需要以各种角度和位置定位。

图2示出位于井筒106中和地下地层136内的井下工具104的示意图。如图所描绘，井下工具104是包含具有地层传感器200和任选地泥浆传感器202的一个或多个传感器120的电缆微电阻率工具。一个或多个传感器120可位于外表面138上，或位于从井下工具104延伸的一个或多个臂204上。一个或多个臂204可被配置来将一个或多个传感器120放置成尽可能靠近井筒壁130，或抵靠泥浆柱132放置在井筒壁130上。一个或多个臂204可以是可致动的或弹簧加载的，以便抵靠井筒壁130定位一个或多个传感器120。

地层传感器200可以是被配置来确定一个或多个地层参数的任何传感器。地层传感器200可将多个电流发送或注入通过地层136位于两个电极之间的部分。多个电流可具有两个或更多个频率，如下文将更详细地讨论。多个电流可穿过井下流体108和地下地层136。所注入电流可包括关于地层和/或流体参数的信息。由地层传感器200检测到的电流可发送到地层成像单元118。地层和/或流体参数可由地层成像单元118处理以确定一种或多种地层性质，如下文将更详细地讨论。当井下流体108是油基钻探泥浆时，来自泥浆柱132的阻抗贡献可显著大于来自地层136的阻抗贡献。

泥浆传感器202可以是被配置来确定一个或多个井下流体参数的任选的传感器。泥浆传感器202可被配置来将电流发送或注入通过井下流体108和/或泥浆柱132。由泥浆传感器202注入和检测的电流可具有与由地层传感器200注入的多个电流相同的频率。由泥浆传感器202检测的电流可发送到地层成像单元118。

图3描绘具有地层传感器200和泥浆传感器202的图2的传感器垫120的剖视图。如图所示，地层传感器200可具有连接到电子器件封装124的一个或多个源电极300和一个或多个返回电极302。电子器件封装124可将多个电流304A发送到源电极300。多个电流304A可行进通过泥浆柱132、通过地下地层136并且进入返回电极302。返回电极302可将所收集的多个电流304A发送到电子器件封装124和/或地层成像单元118。

传感器垫120可任选地具有泥浆传感器202。泥浆传感器202可被配置来将多个电流304B发送通过泥浆柱132和/或井下流体108(如图1所示)。通过将多个电流304B发送通过仅泥浆柱132和/或井下流体108，可确定井下流体参数。泥浆传感器202可具有一个或多个源电极300和一个泥浆返回电极306。电子器件封装124可将多个电流304B发送到泥浆传感器202和源电极300。如图所示，泥浆传感器202具有凹陷构型。凹陷构型可被配置来使多个电流304B穿过流体区308。泥浆返回电极306可将所收集的多个电流304B发送到电子器件封装124和/或地层成像单元118。

图4描绘具有地层传感器200和泥浆传感器202的图2的替代传感器垫120的剖视图。如图所示，地层传感器200可以与图3所示类似的方式接近垫的面400定位。在一些实施方案中，泥浆传感器202可位于传感器垫120的侧表面402上。将泥浆传感器202定位在侧表面402上可允许从源电极300发送到泥浆返回电极306的多个电流304B仅穿过井下流体108。以类似方式，如本文所述，返回电极302和泥浆返回电极306可将所收集的多个电流304A和/或304B发送到电子器件封装124和/或地层成像单元118。监管泥浆传感器202被示出为凹陷传感器，或位于传感器垫120的侧表面402上的传感器，但应理解，泥浆传感器202可以是用于确定井下流体参数的任何合适的传感器。泥浆传感器202还可使多个电流304B穿过地层136。此外，地层传感器200可以是用于确定地层和/或井下流体参数的任何合适的传感器。

多个电流304A和/或304B可以是高频电流，以便穿透高电阻油基泥浆。由于多个电流304A和/或304B的高频率，源电极300和返回电极302和/或泥浆返回电极306可彼此紧密接近定位，如图3和图4所示。地层传感器200和/或泥浆传感器202的频率范围可在数百kHz至大约100MHz的频率范围内优化。由于频率的原因，地层传感器200和/或泥浆传感器202可适于全范围的油基泥浆微电阻率成像工具，诸如OBMI，如以引用方式整体并入本文的美国专利号6,191,588中所示。因此，井下工具104(如图1所示)可以与地下地层136相同或类似的一个或多个频率测量井下流体108。

源电极300、返回电极302和泥浆返回电极306可以是能够跨油基泥浆或井下流体108生成多个电流304A和/或304B的任何常规电极。电源(例如，包括在图1的电子器件封装124中)可操作性地连接到源电极300和返回电极302以用于跨其施加电压(V+、V-)。在施加电压时，可从电极300/302中的一者(例如，源电极300)流出的多个电流304A/304B可由返回电极302和/或泥浆返回电极306测量。源电极300和传感器电极可在几何和材料上优化以基本上匹配固定特性阻抗传输线。

来自电极的电流可用于确定各种参数。在涉及流体在一对电极之间穿过的示例中，在两个电极之间施加AC电压V以生成所得电流I，所述电流可在传感器电极(例如，返回电极302或泥浆返回电极306)处测量。复阻抗Z可基于以下从测量电流I确定：

z＝|z|exp(iφ

其中其基于欧姆定律的量值|z|和相位φ

|z|＝|V/I| 方程(2)

φ

并且其中基于欧拉公式的exp(iφ

exp(iφ

岩石的阻抗率(有时称为复阻抗率)ζ的量值和相位定义如下：

ζ＝|ζ|exp(iφ

当岩石由传感器202测量时，方程(5)可通过如下关系从z导出：

|ζ|＝k|z| 方程(6)

方程(6)也可书写如下：

|ζ|＝k|V|/|I| 方程(7)

岩石ζ的相位(或介电角)导出如下：

φ

其中：

|ζ|是阻抗率的量值，

φ

k是装置的常数。

常数k可凭经验测量，例如，通过测量作为已知阻抗率的流体的电极之间的阻抗V/I。常数k也可使用常规方法从电极的几何形状计算。

关于所测量电流的数据可用于确定地层参数，诸如阻抗率、电阻率、阻抗、电导率、复电导率、复介电常数、损耗角正切(tangent delta)及它们的组合，以及井下流体108的其他参数。可分析数据以确定井筒流体108的特性或性质，诸如流体类型(例如，烃、泥浆、污染物等)。地层成像单元118可用于分析数据，如下文将更详细地讨论。这种分析可用其他输入来执行，所述其他输入诸如关于这个井场或其他井场的历史或所测量数据。报告和/或其他输出可从数据生成。数据可用于作出决策和/或调整井场处的操作。在一些情况下，数据可反馈回井场100以用于实时决策和/或操作。

地层成像单元118可并入井场100中或其周围(现场或场外)，以便与控制器112一起操作。地层成像单元118可对各种地层性质进行确定、生成和/或建模。例如，在一些实施方案中，地层成像单元118可使用反演以多频率方法进行井眼成像。地层成像单元118可反演与地层电阻率相关的参数(诸如，地层阻抗率或地层电阻率(其对应于阻抗率的实部))、与地层介电常数相关的参数以及任选地泥浆间隙(井下工具与地层之间的距离)，以确定地层性质。地层性质可用于产生地层模型。此外，在一些实施方案中，地层成像单元118可用于将反演电阻率/阻抗率图像与反演间隙图像、反演介电常数图像或两者进行比较，以指示井眼成像的准确性。例如，地层成像单元可输出表示井眼地层的合成图像。反演图像(例如，反演电阻率图像与反演间隙图像和/或反演介电常数图像)的比较可提供合成图像的质量和/或准确性的质量指标。

地层成像单元118可采取完全硬件实施方案、完全软件实施方案(包括固、件常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施方案的形式。实施方案可采取体现在任何介质中的计算机程序的形式，所述介质具有体现在介质中的计算机可用程序代码。实施方案可提供为计算机程序产品或软件，所述计算机程序产品或软件可包括其上存储有指令的机器可读介质，所述指令可用于对计算机系统(或一个或多个其他电子装置)进行编程以执行过程。机器可读介质包括用于以机器(诸如，计算机)可读的形式(诸如，软件、处理应用程序)存储或传输信息的任何机制。机器可读介质可包括但不限于：磁性存储介质；光学存储介质(例如，CD-ROM)；磁性-光学存储介质；只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)；闪存存储器；或适用于存储电子指令的其他类型的介质。实施方案可进一步体现在电气、光学、声学或其他形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)，或者有线、无线或其他通信介质中。此外，应理解，实施方案可采取手工计算和/或操作者比较的形式。为此，操作者和/或一个或多个工程师可对来自井下工具104的数据进行接收、操纵、编目和存储，以便执行地层成像单元118中描绘的任务。

传感器和/或地层成像单元可被配置来根据井筒106条件和/或所用传感器垫120的类型生成和收集适当数量和频率的多个电流304A和/或304B。所用频率的数量可取决于要使用反演单元510计算的地层参数和/或井下流体参数的数量。所用电流和频率的数量可取决于原位测量的或替代地使用反演计算的井下流体108(如图1所示)。在一些实施方案中，测井数据可被反演以提供反演井眼图像，包括例如反演电阻率图像、反演间隙图像和反演介电常数图像。

如果传感器120、井下工具104和/或单独的井下工具(未示出)具有泥浆传感器202(如图2至图4所示)，则可在两个测井频率下最小化发送到地层中的多个电流304A的数量。如果泥浆传感器202不存在，则泥浆性质将被反演并且将需要电流管理单元504在最少三个测井频率下生成多个电流304A。为了提高准确性和/或随着井下流体和/或地层中未知数的数量的增加，所用测井频率的数量可增加，如下文将更详细地描述。

所确定数量的多个测井频率可在沿着地层的多个位置处基本上同时地发送到地层中。用于测量井下流体性质的多个电流304B可具有与发送到地下地层136(如图1所示)中的那些相同的测井频率或测井频率中的一部分。可针对井筒106(如图1所示)中的每个测井位置保留当前数据的历史记录。

传感器和/或地层分析单元可用于对泥浆数据进行收集、编目、存储、操纵和/或供应。泥浆数据可以是来自泥浆传感器202(如图2所示)的所测量数据。在一些实施方案中，当不存在单独的泥浆传感器202时，泥浆数据可从来自地层传感器200的所测量数据获得。如果不存在单独的泥浆传感器202，则可将泥浆数据连同地层数据一起反演以确定井下流体性质，如下文将更详细地讨论。所测量泥浆数据可以是可由反演单元510操纵以确定泥浆和/或地层性质的所测量泥浆参数或泥浆电参数。泥浆数据或泥浆参数可以是泥浆阻抗、介电常数、电阻率、损耗角正切或其他导出参数和泥浆间隙。可操纵这些所测量泥浆数据以确定泥浆性质，诸如泥浆介电常数、电流振幅、电流相位、电阻率和电导率。井下流体性质在井筒106中通常并不显著改变。因此，可能只需要以比获得地层参数低得多的采样率周期性地测量或反演泥浆参数。井眼流体参数或性质可由一个或多个传感器确定，而与地层参数的确定无关。因此，所确定流体参数可用于更准确地确定地层参数，如下文将更详细地描述。

传感器和/或地层分析单元可用于对地层数据进行收集、编目、存储、操纵和/或供应。在一些实施方案中，地层数据可以是来自地层传感器200(如图2所示)的所测量数据。因为多个电流304A(如图3和图4所示)可具有关于泥浆和地层的数据，所以可能必须操纵地层数据以确定地层参数和/或地层性质。地层数据或地层参数可以是来自地层136的所测量参数，诸如地层阻抗、电流的振幅和相位等。可将地层数据或地层参数连同泥浆数据一起操纵以确定地层性质，诸如阻抗率、电阻率、电导率、介电常数等。地层数据可在多个频率下从多个电流304A(如图3和图4所示)获得。地层数据可具有来自沿着井筒106的多个位置的电流数据。

为了确定地层电阻率或阻抗率或电导率或者反演地层电阻率，地层成像单元可反演或用参数反演在若干频率下获取的多个电流测量结果，如下文将更详细地描述。所用频率的数量可取决于要反演的参数的数量，如上所解释。要反演的参数可与地层电阻率、地层介电常数和/或泥浆间隙相关(如果泥浆数据是独立于地层数据收集的)。

多个电流304A(如图3和图4所示)可首先穿过泥浆柱132或泥浆间隙，然后穿过地层。可测量来自组合的泥浆柱132和地层的阻抗。所测量阻抗可大致给出为：

其中Δ是泥浆间隙，K

在方程9中，地层传感器200(如图2至图4所示)电流I可具有分别与电压V同相和异相的独立分量。这些分量可以是其实部real(I)和虚部imag(I)。因此，方程9可表示两个独立方程：

real(V/I)＝ΔK

(方程10)

imag(V/I)＝-ωεo{ΔK

(方程11)

这两个方程中可存在五个未知数R

地层电阻率R

ε

其中A、B、C和D可以是可通过用反演单元510执行反演来求解的未知系数。系数的数量可以是固定的，因此不会随着所用测井频率的数量而改变。因此，如果通过反演确定系数，则由于地层介电常数ε

井下流体性质或泥浆性质(诸如，介电常数和电导率)也可以是频率相关的，或者是频率的函数。泥浆性质可在每个测井频率下直接反演。在一些实施方案中，泥浆性质也可表达为频率的多项式函数或呈具有最小数量的系数的任何其他函数形式。这些系数可通过使用反演单元510进行的反演来确定。

在一些实施方案中，为了确定未知参数或地层和/或井下流体性质R

在本公开中，描述了使得能够表征阻抗值的特定测量电气模型，但可根据工具环境的配置使用其他电气模型。可使用和求解以获得与电阻率和介电常数以及间隙相关的参数(特别是针对随钻测井工具)的另一示例性模型是以引用方式并入本文的美国专利公布号10,502,859中描述的电气模型。任何其他电气模型也是本公开的一部分。如上所提及，电流可在适当数量的频率下发送通过地层，以便能够求解模型的未知参数。

地层成像单元118可从由反演单元510获得的地层性质构造地层模型。地层模型可以是适用于确定地层性质和/或有价值井下流体诸如烃类的位置的任何模型。地层模型可基于地层电阻率R

地层模型可使用来自在井筒106(如图1所示)中的多个测井点取得的测量结果的反演地层性质来构造为具有一个或多个层边界。因此，为了限制模型参数的数量，地层模型可以是每个测井点处的均质地层模型。均质方法可导致介质不均质的地层边界处或附近的不确定性。因此，可由地层模型单元512构造多层地层模型来表示地层。对于多层地层模型，可由反演单元510反演更多参数。例如，每个地层可具有其反演的电阻率、介电常数、边界位置、层倾角和/或层方位角。要由反演单元510反演的增加数量的参数可能需要在反演中使用多个测井点的测量结果。

此外，在一些实施方案中，反演单元510可在多个测井点处反演。这种多点反演策略可假设泥浆性质改变相对缓慢并且在钻孔中局部相对恒定，而每个单独测井点具有独特的地层性质和间隙。泥浆性质以及其他不太敏感的模型参数可在多个测井点内进行近似和/或估计和应用。

一些实施方案还可考虑沿着井眼深度的泥浆性质的变化。多步反演技术可涉及在初始分割之后周期性地反演泥浆性质。在一个实施方案中，泥浆性质可在相对短的间隔(例如，近似小于10英尺长)内反演。然后，可使用泥浆性质来反演更长测井区段(例如，近似200英尺或更长)的传感器间隙和地层性质。可多遍运行反演，从而迭代地细化泥浆性质。在一些实施方案中，可针对相同的反演输出运行多次反演，并且可基于来自多次反演的输出的比较来确定反演输出的准确性。

泥浆性质也可补偿不完美测量校准。在一些实施方案中，可针对每个按钮假定不同的泥浆性质。可使用一个或一组垫的共同泥浆性质同时进行多个按钮的反演。可求解校准振幅和相位。在校准泥浆性质之后，可在合适的处理方案中使用更准确的泥浆角度。在一些实施方案中，还可基于在常规泥浆角度测井中观察到的变化来考虑泥浆角度变化。

在一些实施方案中，可单独地或组合地使用反演电阻率图像、反演间隙图像和反演介电常数图像来指示井筒106或地层136的各种特征。例如，间隙图像可以是井不规则度和裂缝的指标，并且还可用于评估井筒106的地质力学、稳定性、岩石强度(例如，断裂能力)，以及其他井眼表面事件，诸如钻探激活的断层滑动或侧壁取心位置。也可组合地使用反演图像来提供另外的信息。例如，可将反演间隙图像与反演电阻率图像进行比较，以指示合成图像的质量、诊断成像问题、评估裂缝以及它们是开放的还是闭合的、和/或指示崩落。在一些实施方案中，可将反演介电常数图像与反演电阻率图像或其他合适的测量结果进行比较，以评估储层岩石的流体类型。

在本公开的实施方案中，使用与地层的阻抗和介电常数相关的一个或多个参数的组合来评估裂缝。在反演之后，当已揭示不同的未知参数时，生成与电阻率相关的至少第一参数(即，电气阻抗率和/或电阻率)的图像和与介电常数相关的至少第二参数的图像。在一个实施方案中，第二参数是在一个频率下取得的地层的介电常数。在另一实施方案中，第二参数是基于在两个不同频率下取得的介电常数，包括在两个不同频率下取得的介电常数之间的差或在两个不同频率下取得的介电常数的比。

然后，方法包括：基于第一参数的图像来标识裂缝。此类裂缝确实看起来具有高电阻率或阻抗率，特别是与相邻区的电阻率或阻抗率对比。然而，电阻率或阻抗率图像不允许区分开放裂缝和闭合裂缝，因为两种类型的裂缝在电阻率(或阻抗率)图像上具有类似特征。这种裂缝标识可通过任何适当的方式来提供，包括定位图像的高于特定阈值的像素和/或定位图像的与至少相邻像素具有高差异的像素。然后可记录构成裂缝的像素的位置。

然后，方法包括：基于介电常数相关图像来确定裂缝的类型(即，裂缝是开放的、闭合的还是部分闭合的)。实际上，开放裂缝填充有绝缘油基泥浆，而闭合裂缝则填充有矿物。油基泥浆具有低相对介电常数

在替代实施方案中，如上所提及，参数是在不同频率下取得的两个介电常数值之间的差。这也实现了稳健确定。实际上，油基泥浆的介电常数在宽频率范围(特别是MHz频率范围，这是工具的工作范围)内可以是恒定的，而干燥基质则表现出强分散性，因为它是多孔岩石材料：随着频率的增大，介电常数减小。这种方法可由用户和/或处理系统执行，所述处理系统基于用户在电阻率图像上指示的区自动地确定裂缝类型，或者使用任何适当的自动化技术自动地提供对裂缝的标识，然后自动地表征每个裂缝的类型。

这种方法可由用户和/或由处理系统执行，所述处理系统基于用户在电阻率图像上指示的区自动地确定裂缝类型，或者使用任何适当的自动化技术自动地提供对裂缝的标识，然后自动地表征每个裂缝的类型。

在另一实施方案中，方法包括：从第一参数和第二参数导出第三参数。特别地，第一参数可以是电阻率，并且第二个参数可以是介电常数，并且第三个参数是海曼因子(Hayman factor)，其定义如下：

其中ε

在此实施方案中，也可使用第一参数(即，电阻率)的图像来标识裂缝，如上所解释。此外，可使用海曼因子图像和先前已执行的材料区分来确定裂缝的类型。实际上，如先前所提及，在所标识裂缝的每个位置(或像素)处，当材料被标识为油基泥浆时，裂缝被视为是开放的，并且当材料是多孔岩石时，裂缝被视为是闭合的。当独特裂缝具有一些开放位置和一些闭合位置时，它将被视为部分闭合的。

图5示出从工具获得的图像500的示例，所述图像示出地质地层的信息的标识。在图上，第一道502示出地层的静态电阻率，第二道504示出基于道501中存在的地层信息标识的一些地质特征，第三道506示出动态电阻率，第四道508示出间隙，第五道510示出介电常数，并且道512示出海曼因子。

如从静态和动态电阻率可看出，裂缝514可被标识为具有最高电阻率(静态或动态电阻率绘图上的较浅颜色)的区。介电常数道表明：在裂缝的位置处，一些区516较暗，表明对应于油基泥浆的较低介电常数并且指示裂缝的开放区，并且一些区518较浅，表明对应于岩石的较高介电常数并且指示裂缝的闭合区。这在海曼因子道上也可见，其中一些区520为紫色，表明较低海曼因子，对应于油基泥浆，指示裂缝的开放区，而其他区522为蓝色，指示较高海曼因子和对应于干燥岩石的填充材料，标记裂缝的闭合区。因此，两条道都有助于标识裂缝的类型，此类既有闭合区又有开放区的裂缝是部分闭合的裂缝。

此外，海曼道和介电常数道两者都突出显示在井筒壁的不同区524、526、528中构成井眼壁的材料之间的差异，使得能够对存在于井眼壁中的材料的类型进行第一指示。

图6描绘流程图1200，其示出用于确定井筒106(如图1所示)中的至少一个地下地层136的性质的方法。所述流程通过将井下工具部署1202到井筒中开始。井下工具可以是本文所述的井下工具中的任一种并且可包括一个或多个传感器120。所述流程通过从发送通过至少一个地下地层的多个电流收集1204地层数据继续，所述多个电流具有至少两个变化的或不同的高频率。所述流程通过用地层成像单元反演1206地层数据的至少一部分并且用地层成像单元确定1208至少一个地层性质继续。反演1206地层数据包括：生成至少与电阻率相关的第一参数和与介电常数相关的第二参数(任选地其他参数，诸如从第一参数和第二参数导出的第三参数，以及第四参数诸如间隙)的图像。如上文详细提及，确定1208至少地层的性质包括：确定地层的材料和/或标识裂缝和表征裂缝类型。

虽然参考各种实现方式和开发来描述实施方案，但应理解，这些实施方案是说明性的并且本发明主题的范围不限于它们。许多变化、修改、添加和改进是可能的。例如，另外的源和/或接收器可位于井筒周围以执行地震操作。

可针对本文作为单个实例描述的部件、操作或结构提供多个实例。总体上，在示例性配置中呈现为单独的部件的结构和功能可实现为组合的结构或部件。类似地，呈现为单个部件的结构和功能可实现为单独的部件。这些和其他变化、修改、添加和改进可落入本发明主题的范围内。

本公开涉及一种用于确定井场处的井筒中的至少一个地下地层的性质的方法，并且所述方法包括：将井下工具部署到具有壁的所述井筒中，所述井下工具具有位于其上的地层传感器；

收集从所述地层传感器发送通过所述至少一个地下地层的至少两个电流；以及在地层成像单元处基于从所述至少两个电流确定的地层数据来执行反演。执行所述反演包括：生成与所述地层的电阻率相关的至少第一参数和与所述地层的介电常数相关的至少第二参数的图像。所述方法还包括：使用所述第一参数和所述第二参数的所述图像标识所述井筒的所述壁的裂缝并且确定所述裂缝的类型。

所述方法可包括：基于所述第一参数的所述图像来标识所述裂缝，并且基于所述第二参数的所述图像来确定所述裂缝的所述类型。

在一个实施方案中，所述方法包括：从基于所述第一参数和所述第二参数的所述图像的第三参数导出图像，并且基于所述第三参数的所述图像来确定所述裂缝的所述类型。特别地，所述第一参数可以是电阻率，所述第二参数可以是介电常数，并且所述第三参数可以是海曼因子，其中：

其中ε

在一个实施方案中，确定所述裂缝的所述类型包括：确定存在于所标识裂缝的位置处的材料。

在一个实施方案中，确定所述裂缝的所述类型包括：将所述第二参数的所述图像上的所述裂缝的每个位置与至少一个预定阈值进行比较。

在另一实施方案中，确定所述裂缝的所述类型包括：将所述第三参数的所述图像上的所述裂缝的每个位置与至少一个预定阈值进行比较。

所述裂缝的所述类型可以是以下中的一者：开放的、闭合的或部分闭合的。

在一个实施方案中，所述两个电流至少在两个不同频率下发送通过所述地层。所述两个频率可在100kHz至100Mhz的频率范围内，例如，第一频率在100kHZ至1MHz的范围内，而第二频率在5MHz至100MHz的范围内。

所述方法还可包括：在所述地层成像单元处基于所述地层数据来执行反演以生成与所述井下工具与所述地层之间的间隙相关的至少第四参数的图像。

在一个实施方案中，所述第一参数包括所述地层的阻抗率或电阻率中的一者或多者。

在一个实施方案中，所述第二参数是地层在一个预定频率下的介电常数，或者是基于在第一预定频率和第二预定频率下的介电常数，特别是在所述第一预定频率和所述第二预定频率下的所述介电常数的差或比。

所述方法可包括：从至少两个所收集电流确定地层数据。所述至少第一参数和所述至少第二参数的所述图像可基于所述地层数据生成。

权利要求1的方法还可包括：从所述至少两个所收集电流确定泥浆数据并且将所确定泥浆数据发送到所述地层成像单元。

所述方法还涉及一种用于确定井场处的井筒中的至少一个地下地层的性质的方法。所述方法包括：将井下工具部署到具有壁的所述井筒中，所述井下工具具有位于其上的地层传感器；以及收集从所述地层传感器发送通过所述至少一个地下地层的至少两个电流。所述方法还包括：在所述地层成像单元处基于从所述至少两个电流确定的地层数据来执行反演。执行所述反演包括：生成与所述地层的电阻率相关的至少第一参数和与所述地层的介电常数相关的至少第二参数的图像。所述方法还包括：至少基于至少预定位置上的所述第二参数来标识所述井筒的所述壁的材料。

所述方法还可包括：从基于所述第一参数和所述第二参数的第三参数导出图像，并且至少基于至少预定位置上的所述第三参数来标识所述井筒的所述壁的材料。所述第一参数可以是电阻率，所述第二参数可以是介电常数，并且所述第三参数可以是海曼因子，其中：

其中ε

在一个实施方案中，标识所述材料包括：将所述第二参数的所述图像的至少一个预定位置与至少一个阈值进行比较。所述材料可标识为以下材料中的一者：油基泥浆、多孔岩石基质和粘土。

在一个实施方案中，所述方法包括：基于所述第一参数的所述图像来标识所述井筒的所述壁的至少裂缝，并且基于所述裂缝的每个位置处的所标识材料来确定所述裂缝的类型。所述裂缝的类型可确定为以下中的一者：开放的、闭合的或部分闭合的。

特别地，所述裂缝的所述类型根据以下规则中的至少一个来确定：

-当所述裂缝的每个位置中的所标识材料是油基泥浆时，所述裂缝被确定为是开放裂缝，

-当所述裂缝的每个位置中的所标识材料是多孔岩石基质时，所述裂缝被确定为是闭合裂缝，

-当所标识材料因所述裂缝的位置而变化时，所述裂缝被确定为是部分闭合的裂缝。

本公开还涉及一种用于确定井场处的井筒中的至少一个地下地层的性质的系统，所述系统包括：井下工具，所述井下工具具有位于其上的地层传感器，其中所述地层传感器被配置来收集发送通过所述至少一个地下地层的两个电流并且从所述至少两个电流确定地层数据；以及地层成像单元，所述地层成像单元被配置来基于从所述至少两个电流确定的地层数据来执行反演。执行所述反演包括：生成与所述地层的电阻率相关的至少第一参数和与所述地层的介电常数相关的至少第二参数的图像。所述地层成像单元还被配置来使用所述第一参数和所述第二参数的所述图像来标识所述井筒的所述壁的裂缝并且确定所述裂缝的类型。

在一个实施方案中，所述地层成像被配置来确定存在于所标识裂缝的位置处的材料并且使用存在于所标识裂缝的所述位置处的类型材料来确定所述裂缝的类型。

本公开还涉及一种用于确定井场处的井筒中的至少一个地下地层的性质的系统，所述系统包括：井下工具，所述井下工具具有位于其上的地层传感器，其中所述地层传感器被配置来收集发送通过所述至少一个地下地层的两个电流并且从所述至少两个电流确定地层数据；以及地层成像单元。所述地层成像单元被配置来基于从所述至少两个电流确定的地层数据来执行反演。执行所述反演包括：生成与所述地层的电阻率相关的至少第一参数和与所述地层的介电常数相关的至少第二参数的图像。所述地层成像单元还被配置来至少基于至少预定位置上的所述第二参数来标识所述井筒的所述壁的材料。