CN107002488A - 使用各向异性电容率和电阻率的基于多分量信号的测量值而进行的地层测井 - Google Patents

Abstract

某些测井方法和***实施方案从通过地层沿钻孔传送的电磁测井工具获得多分量信号测量值，并使用具有至少倾角、水平电阻率和垂直电阻率以及水平电容率和垂直电容率作为参数的各向异性地层模型来反演单一频率的测量值。提供所得记录以表示所述参数中的至少一个或从所述参数中的至少一个导出的地层特性的位置依赖性。例示性地层特性包括水饱和度、岩石类型以及黄铁矿或其他此类具有各向异性极化的材料的存在。可对在其他频率下获取的测量值进行反演以确定用于地层的进一步表征的代表性频散曲线。

Description

使用各向异性电容率和电阻率的基于多分量信号的测量值而 进行的地层测井

发明背景

在石油钻井和测井领域，电阻率测井工具经常用于提供围绕地球钻孔的岩层的电阻率的指示。(这种有关电阻率的信息可用于确定烃类的存在或不存在)。典型的电磁电阻率测井工具包括发射机天线和沿工具轴线位于离发射机天线不同距离处的多个接收机天线。发射机天线在周围地层中形成电磁场，电磁场继而在每个接收机天线中感应出电压。由于周围地球地层的几何扩展和吸收，接收天线中感应出的电压具有不同的相位和幅值。

实验表明，从任意两个接收机天线中感应出的电压的相位差(Φ)和幅值比(衰减，A)指出地层的电阻率。这种电阻率测量涉及的探测深度(如与工作轴线的平均径向距离所限定)是发射机的频率和从发射机到两个接收机之间的中点的距离的函数。因此，可通过在离接收机对的不同距离处提供多个发射机或通过在多个频率下操作单个发射机或通过这两个操作而实现电阻率探测的多个径向深度。

许多地层是电各向异性的，这种性质通常归因于地层沉积物积聚过程中的细的分层。因此，在取向成使x-y平面平行于地层而z轴垂直于地层的地层坐标系中，分别沿x和y方向的电阻率R_x和R_y是相同的，但沿z方向的电阻率R_z可能不同于R_x和R_y。因此，沿平行于地层平面(即，x-y平面)的方向的电阻率被称为水平电阻率R_h，而沿垂直于地层平面的方向(即，z方向)的电阻率被称为垂直电阻率R_v。地层各向异性的一个度量是各向异性指数η，该各向异性指数被定义为η＝[R_v/R_h]^1/2。

相对倾角θ是工具轴线与地层平面发现之间的角。电阻率各向异性和相对倾角各自对电阻率测井仪测量值具有显着影响。因此，如果要获得准确的电阻率记录，电阻率测井***应该考虑地层各向异性和相对倾角。为了便于确定各向异性电阻率参数(R_h、R_v和θ)，发射天线或接收天线中的至少一者倾斜或相对于工具轴线横向地取向以引入方位角灵敏度，并且实际上将发射机天线和接收机天线中的多个天线配置为多分量天线变得常见。此外，至少一些多分量电阻率测井***还使用多个信号频率来获取测量值。

通常，使用反演过程来从电阻率工具测量值中导出地层参数。在反演过程中，将工具测量值与从参数化地层模型中导出的合成测量值进行比较，并且调整模型操作直到合成测量值与工具测量值匹配。尽管由多间距、多频率和多分量测井工具提供的数量增加的测量值产生了模型复杂性提高且表征精度改进的可能性，但与过度复杂模型相关的大参数空间使得它们在计算上不可行并且不必要的参数易于产生数值误差。

因此，当现有的反演过程未能精确地表征某些地层时，追求仅增加模型参数的数量和/或增加通过反演过程来操作的测量值的数量的常规方法通常是不明智的。相反，需要一种更有选择性的方法。

附图简述

因此，本文公开了使用包括各向异性电容率参数的地层模型来反演单频或多频多分量信号测量值的特定的地层测井***和方法。在附图中：

图1为随钻测井(LWD)环境的示意性图示。

图2为电缆测井环境的示意性图示。

图3A为电磁电缆工具的例示性天线配置的示意性描述。

图3B为多分量收发天线布置的简化示意性表示。

图3C为例示性三轴天线的透视图。

图3D为电磁LWD工具的例示性倾斜天线配置的示意性描述。

图3E为例示性电磁测井***的功能框图。

图4A为沉淀性地球地层的坐标轴的示意性表示。

图4B为晶粒形状对离子迁移率的影响的示意性表示。

图5为具有各向异性电容率的地层模型的示意性表示。

图6为例示性地层测井方法的流程图。

然而，应了解，附图和其详细描述中给出的特定实施方案不限制本公开。相反，特定实施方案为所属领域一般技术人员辨别与所述给出实施方案中的一个或多个一起涵盖在所附权利要求书的范围中的替代形式、等效物和修改提供基础。

具体实施方式

以下公开内容提供了使用地层模型进行的电磁测井***和方法，该地层模型因为考虑到各向异性地层电容率而有效地提供了增强的反演精度。通过这种考虑，可在单一频率下使用测量值来执行反演，尽管一些实施方案在多个测量频率中的每一个测量频率下采用单频反演以获得地层的频散曲线，并且其他实施方案在考虑到各向异性地层电容率时采用同时多频多分量反演。反演参数包括地层倾角、各向异性电阻率(R_h，R_v)和各向异性电容率(ε_h，ε_v)，使得即使存在异常现象诸如黄铁矿沉积物和其他极化源也能够确定流体饱和度和岩石类型。

图1示出了用于描述公开的***和方法的操作的合适的上下文。在所示的随钻测井(LWD)环境中，钻探平台102装备有井架104，该井架支撑升降机106，该升降机用于通过井口112提升和降低钻柱108。顶部驱动器110旋转钻柱108以钻出钻孔直到钻柱允许的长度。通过将钻柱108暂时锚固在井口112处并且使用升降机106来定位并将新的钻杆部分与螺纹连接件107附接而周期性地延长钻柱108。

钻头114连接到钻柱108的下端。随着钻头114的旋转，其产生通过各个地层121的钻孔120。泵116使钻探流体循环穿过供给管118到达顶部驱动器110、穿过钻柱108的内部、穿过钻头114中的孔口、经由钻柱108周围的环形空间回到地面并且进入驻留池124中。钻探流体将钻屑从钻孔输送到池124中并且有助于保持钻孔120的完整性。

钻探流体，通常在工业中称为“泥浆”，通常根据溶剂而分类为水基或油基。油基泥浆一般优选用于钻通页岩地层，因为已知水基泥浆会损坏这种地层。

电磁测井工具126被整合到钻头114附近的井底钻具组合件129中。电磁测井工具126可采取钻环的形式，即提供重量或硬度来辅助钻探过程的厚壁管状物。随着钻头114使钻孔120穿透地层延伸，电磁测井工具126(可能与井底钻具组合件129中的其他传感器合作)收集多分量信号测量值以及工具取向和位置、钻孔尺寸、钻探流体电阻率和各种其他钻探条件的测量值。

取向测量可时候用可包括磁力计、倾斜计和/或加速度计的取向指示器执行，尽管可使用其他传感器类型如陀螺仪。优选地，取向指示器包括三轴磁通门磁力计和三轴加速度计。如本领域已知的，那两种传感器***的组合能实现旋转(“工具面”)角、钻孔倾角(也称为“斜率”)和罗盘方向(“方位角”)的测量。在一些实施方案中，根据加速度计传感器输出计算工具面角和钻孔倾角。磁力计传感器输出用于计算钻孔方位角。利用工具面角、钻孔倾角和钻孔方位角信息，可以使用电磁测井工具测量值来将钻头转向到所需地层并沿所需地层转向。

在针对LWD使用声学遥测技术的井中，电磁测井工具126和其他井下传感器联接到遥测模块128，该遥测模块具有声学遥测发射机，该声学遥测发射机发射呈钻柱108的管壁中的声学振动的形式的遥测信号。声学遥测接收机阵列130可以联接到顶部驱动器110下方的管道，以接收发射的遥测信号。一个或多个中继器模块132可以沿管柱任选地设置以接收和重发射遥测信号。存在并且可以使用另选的LWD遥测技术，包括泥浆脉冲遥测、电磁遥测和有线钻杆遥测。许多遥测技术还提供从地面向井底钻具组合件129传送命令的能力，从而能够调整工具的配置和操作参数。在一些实施方案中，当井底钻具组合件129回到地面时，遥测模块128还或另选地存储用于之后检索的测量值。

钻井设备接口48促进遥测***的表面部件与处理***50之间的通信，处理***50示为以桌面计算机的形式通过电缆49连接到钻井设备接口48。在其他实施方案中，处理***50可以是平板电脑、膝上型计算机、远程处理中心或甚至虚拟计算机，其中任何一个可以被耦合以经由计算机网络和/或无线通信链路来检索测井工具测量值。一旦加载到内部存储器中并由处理器执行，软件(图1中示出为便携式信息存储介质52)将处理***50配置成从测井工具测量值中导出估计的地层参数并且响应地在显示器56、打印机或用于提供可感知输出的其他装置上提供估计的参数的视觉表示。键盘54或其他输入装置使得用户能够与处理***相互作用，由此实现对所显示信息的至少某种控制，以便于更好地理解所呈现的信息。通常，地层参数估计表示为具有多个轨迹的地层日志，每个轨迹显示地层参数对深度或钻孔位置的依赖性。

在钻探过程中的各个时间，将钻柱108从钻孔中取出，如图2所示。一旦钻柱被取出，即可使用电缆测井工具134即感测仪器探棒进行测井操作，该感测仪器探棒由电缆142悬吊，具有用于向工具输送电力并从工具到地面输送遥测技术的导体。测井工具134的多分量感应测井部分可具有定心臂136，当向井上拉动工具时，定心臂136使工具在钻孔内居中。测井设备144采集来自测井工具134的测量值并且包括用于处理和存储由测井工具从地层收集的测量值的处理***50。

图3A示出了具有天线的例示性电磁电缆测井工具134，用于根据沿着钻孔的位置而采集多分量信号测量值。多分量发射天线302包括三个正交天线，其可以依次操作以在周围地层中产生电磁场，这些场的传播和衰减根据地层的电气特性而变化。轴向天线304、306和/或多分量发射天线308、310、312、314能够对所得到的每个场进行多次测量。收发天线间距是可以由制造商根据期望的测量分辨率和工具的调查深度来调整的设计参数。该工具可以获取每个接收天线对发射天线302的响应的衰减和相位测量值。在某些另选的实施方案中，该工具测量接收信号的同相和正交相分量，而不是测量幅值和相位。在任一种情况下，根据工具在钻孔中的位置和旋转取向，收集和存储这些测量值。

所示工具具有与工具同轴的接收天线304和306，使得它们平行于发射天线302的Z轴分量。每个多分量接收天线308-314根据图3B所示的模型取向成保持其每个分量平行于发射天线302的对应分量。多分量接收天线的每个分量包括主线圈和补偿线圈，该主线圈和补偿线圈各自平行于对应发射机线圈取向并且沿工具轴线间隔开。在图3B中，发射机线圈的正交三元组T_x、T_y、T_z分别表示平行于工具的X轴、Y轴和Z轴取向的磁耦极天线。主接收机线圈的正交三元组类似地表示沿这些轴线取向的磁耦极天线，补偿接收机线圈的三元组也一样工具尺寸和天线间距根据所需工具特性而有很大变化。主接收线圈与补偿线圈之间的距离可为大0.25m，而发射线圈到主接收线圈对和补偿线圈对之间的中点的间距可从约0.4m变为超过10m。

在所示的工具实施方案中，围绕工具的每个天线被安装在凹部中并由非导电填充材料和/或具有非导电材料孔的屏蔽物保护。工具主体可以主要由诸如钢的高导电材料组成。如图3C所示，天线线圈三元组可以各自围绕内部管状物324缠绕在绕组形式322上。内部管状物装有工具电子器件和接线。由两个线圈326、328提供对沿X轴的磁场的敏感性，而由两个线圈330、332提供沿Y轴的敏感性。同轴线圈334提供沿Z轴的敏感性。其他三轴天线配置也是合适的并且可以被采用。

回到图3B，主接收机三元组与发射机三元组以距离L_m间隔开，并且补偿接收机三元组与发射机三元组以距离L_b间隔开。可以从主接收机三元组中的对应线圈中减去补偿接收机三元组中的每个线圈的信号测量值，以消除来自发射机的直接场信号，从而增加对地层特性的敏感性。如Moran和Gianzero所解释，在《地球物理学》第44卷第7期第1266页(1979年)的“Effects of Formation Anisotropy on Resistivity Logging Measurements”中，具有给定信号频率的接收机线圈中的磁场h可以用发射机上的磁矩m和耦合矩阵C来表示：

h＝Cm (1)

在表达式中，方程式(1)为：

其中M_X、M_Y和M_Z为分别由发射机T_X、T_Y和T_Z形成的磁矩(与发射信号强度成比例)。H_X、H_Y、H_Z分别为接收机天线R_X、R_Y、和R_Z上的磁场(与接收信号强度成比例)。

在图3B的天线配置中，如果每个发射机依次发射，并响应每次发射在每个接收机处作出信号测量，则获得九个差分测量值(T_jR^m _i-T_jR^b _i，i,j∈{x,y,z})。这九个频率相关的收发天线耦合测量能够确定完整的耦合矩阵C。(C_ij＝a_ij V_ij，其中i为接收机轴线x、y、z的指数，并且j为发射机轴线x、y、z的指数，a_ij为工具设计所确定的常数，并且V_ij为表示由接收机i响应于发射机j的发射而测量的信号幅值和相移的复值)。因此，对于所使用的每个信号频率和天线间距来说，所测量的电压张量可表示为：

如在常规感应测井中一样，测量的电压张量的元素通常可以被校准为表观电导率以获得以下表观电导率张量表达式：

如耦合矩阵元素一样，表观电导率通过校准因子K_ij与相应测量的电压张量元素相关：

σ_ij＝K_ijV_ij， (5)

其中K_ij为通过校准试验所确定的校准因子。通过采用并置发射天线和并置接收天线的工具设计，给定收发天线子阵列的校准因子通常满足以下关系：

K_xx＝K_yy＝K_xy＝K_yx (6a)

K_xz＝K_yz＝K_zx＝K_zy (6b)

每个频率产生仅仅三个独立的校准因子：K_xx，K_zz，以及K_xz。校准可以这样的方式进行，使得在没有钻孔的均质地层中的工具的电导率读数与地层的真实电导率匹配。

如同电压测量值一样，耦合矩阵元素可能是复值。耦合矩阵元素可以表示为：

σ＝σ_r+jωε₀ε_r (7)

其中σ_r为表观电导率的真实值分量，ω为角频率，ε₀为真空电容率，并且ε_r为地层的相对电容率(也称为介电常数)。在水平层压地层中，有效的水平电导率为层电导率的体积均值，而有效的垂直电导率为层的反相电导率的反相体积均值。反演导致电容率影响工具对垂直电导率的实值分量的测量，特别是在高于约100kHz的频率下。

虽然电导率和电阻率不可互换(它们的值彼此反相)，但它们在本文中被视为功能等同物，因为任何一个的知识决定了另一个的价值。无论工具测量值是用耦合矩阵、测量电压张量、表观电导率张量还是等效电阻率值表示，它们在本文中称为多分量信号测量值，并且它们预期具有频率依赖性，其在本文可称为频散曲线。(术语“频散曲线”包括电导率值和电容率值之一或两者的频率依赖性)。

图3A至图3C所示的三轴天线是处于说明目的而示出的；并不需要这些三轴天线来获得所描述的多分量信号测量值。例如，图3D示出了例示性倾斜天线LWD工具126，该倾斜天线LWD工具在旋转时，获取可从中确定正交多分量信号测量值的测量值。倾斜的接收机天线335和336是协同定位的并且沿相反的方位角方向倾斜约45°。第一对发射机线圈337和339从接收机天线沿相反方向相等间隔开约32英寸，并且第二对发射机线圈338和340从接收机天线沿相反方向相等间隔开约48英寸。每对中的发射机线圈沿相反的方位角方向倾斜。在发明人Michael Bittar、Hsu-Hsiang Wu和Shanjun Li的国际申请WO 2011/129828A1“Processing and geosteering with a rotating tool”中可以找到关于由例示性工具执行的操作和处理的更多细节。可使用其他合适的测井工具天线以获得多分量信号测量值。所获得的多分量信号测量值不需要包括完全的3x3表观电导率张量，因为某些子集足够用于响应于发射机线圈之一而使用来自两个倾斜的接收机天线335和336的工具方位角测量的解耦电压张力来进行反演过程(WO2011/129828中的详细处理方法)。确切地，三个直接耦合信号测量值(XX，YY，ZZ)连同至少两个交叉耦合信号测量值(例如，XZ和YZ)被认为足以反演倾角、各向异性电阻率和各向异性电容率。可从两个倾斜的接收机的方位角测量值中导出这些信号测量值。

图3E是例示性测井***的功能框图，包括例示性电磁测井工具126、134或可提供所需多分量信号测量值的合适替换。处理***(例如，图1中的处理***50)包括经由桥346耦合到***总线340的处理器342和具有记录和反演软件的存储器344。总线340使得处理器342能够访问和控制各种其他***部件，使得当处理器342执行软件时，处理器342能够响应地能够经由键盘或其他输入装置350和监视器或其他输出装置352而与用户交互。非瞬时信息存储介质348(诸如磁盘或固态驱动器)补充存储器344以提供软件和数据的长期存储，其中处理器342可以容易地访问它。

软件将处理器342配置成从电磁测井工具获得数据用于反演，以估计地层参数并以地层日志的形式将其显示给用户。处理器342使用经由任何先前提到的遥测***356耦合到井下工具接口358的接口354(诸如网络接口卡)来访问数据。

在电磁测井工具中，工具控制器364通过桥368耦合到工具存储器366和工具总线362。工具总线362使得控制器364能够访问和控制各种其他***部件，使得当控制器在存储器366中执行软件时，软件将控制器配置成对经由接口358接收的命令作出响应、获得测量值并将这些测量值经由接口358传送到***的井上部分。为了获得测量值，控制器364配置并启用发射单元370，发射单元370继而以合适的方式驱动发射天线372，以将电磁信号传输到周围地层。控制器364进一步配置并启用数据采集单元376以数字化并存储经由接收天线374检测的信号的测量值。控制器364可执行测量值的现场处理以减少对存储和遥测带宽的需求。这种处理可以包括如上面的方程式4和5中给出的表观电导率的确定。

暂时返回参考图1和图2，请注意，地层121不垂直于钻孔，这是可能自然发生或可能由于定向钻井操作而发生的情况。当测量地层电阻率和取向时，方便使用图4A中所示的地层坐标系。图4A示出了沉积层床的一部分，其中z轴垂直于地层平面即沿沉积物堆积的方向取向。沿该轴线测量时的地层电阻率通常不同于沿x-y平面测量的地层电阻率。在倾斜床层中，x轴可被选择成沿最深上升方向(“上坡”)或沿最深下降方向(“下坡”)取向。在水平床层中，x轴可被选择成向北取向。

沉积物通常导致细层的形成。在晶粒具有与单元显着偏离的纵横比的情况下，重力使它们以具有最低重心的优先取向方式沉积。这种层状晶粒取向材料的电特性可以确定地是各向异性的。

图4B显示了Maxwell-Wagner极化效应，这在具有粘土、二氧化硅、长石、碳酸盐、氧化铁、黄铁矿等有机材料的有机页岩地层中是常见的。这种效应由在相对不可渗透的晶粒存在下流体离子的流动性受损引起。在没有电场的情况下，地下水(盐水)中的正离子和负离子相对均匀地分布。在存在电场的情况下，正离子和负离子以相反方向移动，直到它们到达晶粒或与另一种流体的界面。离子之间的分离会影响电场的强度，从而影响材料的电容率。由于取向晶粒的尺寸在不同方向上不同，所以离子之间的分离也是不同的，导致电容率是施加电场的方向的函数。此外，离子的惯性限制了它们能够移动多快，导致电容率也是电磁场频率的函数。

除了上述的工具坐标系和地层坐标系之外，本文采用第三坐标系。如图5所示，钻孔坐标系具有遵循钻孔的中心轴线的z轴。钻孔的x轴从中心轴线垂直地延伸穿过钻孔的低侧。(在垂直钻孔中，x轴延伸穿过钻孔的北侧)。y轴根据右手定则垂直于其他两个轴线延伸。钻孔坐标系与工具坐标系相关，因为它们的z轴对准(尽管可能偏移)。取向传感器测量工具的x轴和y轴相对于钻孔的旋转，使得工具的联接测量值能够容易地转换到钻孔坐标系中。

钻孔坐标系可以与具有两个参数(倾角θ和走向φ)的地层坐标系相关。除了这两个参数之外，各向异性地层模型可包括水平电阻率R_h、垂直电阻率R_v、水平电容率ε_h和垂直电容率ε_v。这些参数可以等效地表示为电阻率比(电阻率各向异性)；电容率比(电容率各向异性)；R_h或R_v；以及ε_h或ε_v。一些模型还可以包括偏心距离d_ecc和偏心方位角φ_ecc以考虑工具从钻孔轴线偏移的距离和方向。这些模型可以附加地或可选地包括钻孔直径D_钻孔的参数以及可选的入侵区域直径D_inv。(入侵区域是钻孔周围的区域，其中钻孔流体已经改变了天然地层的电阻率。)其他潜在参数包括床层边界位置，其余参数允许为每个床层呈现不同的值。

图6为例示性地层测井方法的流程图。所示的方法可以由图1、图2和图3E所示的***来实现。另选地，诸如图1、图2和图3E所示的***可以获取数据并将其传送到执行例示性方法的剩余部分的远程工作站。

测井方法开始于框602，其中沿着钻孔输送多分量感应测井工具，例如作为电缆工具或LWD工具。在框604中，当沿着钻孔传送工具时，工具根据其在钻孔中的位置而针对天线阵列和信号频率中的每一个获得多分量信号测量值。通常在获取测量值期间或不久之后应用工具校准和温度校正。在至少一些情况下，测井工具组件还包括用于测量钻孔直径(d_钻孔)和钻孔流体电阻率R_钻孔的仪器。

在框606中，该***预处理多分量信号测量值和钻孔尺寸记录。这种预处理可以包括自适应低通滤波以去除高频测量噪声和/或校正地层边界处的尖角效应。在某些情况下，可使用如发明人Gianzero和Gao的标题为“Method of combining vertical andhorizontal magnetic dipole induction logs for reduced shoulder and boreholeeffects”的美国专利6,819,112中所描述的一些结合记录来去除或减少边界尖角。

在可选框608中，该***暂时定位床层边界。(对于使用框614中的均质“0D”模型反演的***和方法来说，可以省去框608和610)。床层边界检测可以多种方式执行，包括用于识别尖角效应的峰值检测、用于生成边界交叉信号的信号处理或所谓的“快速”反演。快速反演使用具有较小参数空间的地层模型来权衡速度的准确度。一个例示性模型为“径向1D”模型，其假设工具测量值是从穿过其他均质无限地层的钻孔导出的。模型的一些实施方案可以考虑到工具的偏心和/或钻孔周围的反演区的存在。另一个例示性模型为“垂直1D”模型，其假设工具测量值是从穿过一系列水平地层床层的垂直钻孔导出的，这些水平地层床层各自具有对应的(各向同性的)电阻率。这些模型产生对床层内的相对恒定电阻率的预测，这些相对恒定电阻率的区域之间的转变随后表示床层边界的位置。

考虑到将在高精度反演中确定的参数的数量，一次性反演所有测量值通常是不切实际的。因此，在可选框610中可以采用移动窗口，以限制将这些测量值反演为在那时正确定模型参数的地层区域周围的区域的测量值。对于地层的后续区域，移动窗口相应地移位。窗口的大小可以根据从该区域在每个方向上延伸的距离或者从当前床层在每个方向上延伸的床层的数量来确定。框608的试验性床层边界可用于这种基于床层的窗口尺寸确定以及用于设置高精度反演的初始起始点。

在框614中，该***使用具有包括至少倾角、水平电阻率和垂直电阻率以及水平电容率和垂直电容率的参数的各向异性地层模型来执行高精度反演。高精度反演可以采用均质的模型(“0D”)、考虑到径向变化的模型(“径向1D”)、考虑到轴向变化的模型(“垂直1D”)、考虑到径向和轴向变化的模型(“2D”)或考虑到径向、轴向和方位角变化的模型(“3D”)。因此，通过反演确定的其他合适的参数值可以包括钻孔流体电阻率、钻孔直径、入侵区域电阻率、入侵区域直径、工具偏心率(距离和方向)、床层边界位置和倾角方位角。电阻率和电容率可以各种等效形式表示，包括例如复水平电导率和单独的各向异性比，其将复水平电导率的实部和虚部与复垂直电导率的对应部分相关联。这些参数随着位置而变化，但是基于床层的模型可以假设在每个床层内的参数值是恒定的。

反演过程自适应地调整这些模型参数(以及基于床层的模型中的试验性床层边界位置)以找到使成本函数最小化的参数值。将给定位置p处的测量值集合σ_ij ^l表示为m_k(p)，其中k是范围为1至K的指数以表示接收天线取向i、发射天线取向j、间距指数值l以及任选地每个频率f的每个组合，成本函数可表示为：

其中s_k(p)为由模型基于当前模型参数而预测的测量值，并且权重w_q围绕当前位置p提供宽度2Q+1的对称窗口。可通过权重实现的合适的窗口形状包括矩形窗口、三角形窗口、Hamming窗口、Hanning和Blackman窗口。应当注意到，成本函数(8)仅仅是一个实例。可以使用比较预测测量值和实际测量值的任何其他分析函数。通常基于测量空间的拓扑结构和测量误差特征而进行成本函数选择。

通常，反演过程是使成本函数最小化的这些模型参数的确定。参数值的这种初始估计可以基于框608的可选快速反演结果。

在至少一些优选实施方案中，在框614中反演的测量值σ_ij ^l对应于单个信号频率f，因为实验已经表明，这样的测量值集合对于估计地层的各向异性电容率和电阻率参数是足够的。然而，至少一些设想的实施方案在由工具采用的多个信号频率的每一个下执行测量的同时反演以确定至少各向异性电阻率和各向异性电容率参数的频散曲线。在框614中执行单频反演的情况下，可以包括可选框616以对每个测量频率重复高精度反演，从而依次确定各向异性电容率和电阻率参数的频率依赖性。在任一情况下，该***可以将模型频散曲线拟合到频率依赖性或可以确定多个候选频散曲线中的哪一个最佳地拟合各向异性电容率和电阻率参数的频率依赖性。模型或候选曲线可以基于诸如Cole-Cole或Cole-Davidson的一般频散模型，或者可以基于对介电弛豫损耗特有的模型。

在框618中，该***将频散曲线和/或单独的各向异性电容率和电阻率参数值转化成对地层流体和基质的特征的预测。此类特征可包括流体饱和度(例如，地层中的水的体积或百分比)、岩石(“基质”)类型(例如，砂岩、页岩)以及具有显着的Maxwell-Wagner极化的材料(例如，黄铁矿、粘土)的存在。流体饱和度和孔隙度是可以从水平地层电阻率导出的特征。岩石类型可以基于电阻率与电阻各向异性结合而导出。各向异性比或电容率指数表明存在黄铁矿和具有各向异性极化的其他材料。

在框620中，该***通常以参数记录的形式存储反演的参数值和相关的预测。在框622中，该***确定是否已经处理了所有的工具测量值，如果不是，则该过程返回到框610以调整窗口的位置并重复框614-622。一旦处理完成，***在框624中向用户显示记录的可视表示。用户可以解释记录以确定完井和开采策略，并且优化在相同或其他附近钻孔中的进一步钻探。

本文所公开的实施方案包括：

A：一种测井方法，包括：从通过地层沿钻孔传送的电磁测井工具获得多分量信号测量值；以及使用具有至少倾角、水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率作为反演参数的各向异性地层模型来针对至少一个频率反演所述多分量信号测量值；以及提供所述地层的记录，所述记录表示所述参数中的至少一个或由所述参数中的至少一个导出的地层特性的位置依赖性。

B：一种测井***，包括：电磁测井工具，所述电磁测井工具在通过地层沿着钻孔传送所述工具时，获取多分量信号测量值；以及处理***，所述处理***通过使用具有至少倾角、水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率作为反演参数的各向异性地层模型来针对至少一个频率反演所述多分量信号测量值而提供所述地层的记录。

C：一种非瞬态信息存储介质，具有指令，所述指令当由处理***执行时，致使所述处理***执行实施方案A的方法。

实施方案A、B和C可各自具有以下附加元素中的一个或多个的任何组合：元素1：提供所述记录包括以视觉形式显示所述记录。元素2：提供所述记录包括将所述记录存储在非瞬态信息存储介质中以供之后分析。元素3：所述记录表示至少部分基于所述水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率中的一个或多个而估计的水饱和度。元素4：所述记录表示至少部分基于所述水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率的岩石类型。元素5：所述记录表示至少部分基于所述水平和垂直电容率的比的岩石类型。元素5：单一频率的所述多分量信号测量值包括利用发射天线与接收天线之间的至少两个不同相对取向而获取的测量值。元素6：所述方法还包括：使用所述各向异性地层模型来在每个附加频率下执行多分量信号测量的单独反演；以及识别表示所述参数的频率依赖性的频散模型。元素7：所述记录表示至少部分基于所述代表性频散模型的岩石类型。元素8：所述电磁测井工具为随钻测井工具。元素9：所述电磁测井工具为电缆工具。元素10：所述电磁测井工具包括用于获取所述多分量信号测量值的一个或多个倾斜天线。元素11：通过至少一个倾斜接收机天线对至少一个倾斜发射机天线的响应来获取测量值。

一旦完全理解了上述所公开的内容，许多其他修改、等效物和替代方案对于本领域技术人员将是显而易见的。随附权利要求意图被解释为涵盖所有这样的修改、等效物和替代方案。

Claims (23)

1.一种测井方法，其包括：

从通过地层沿钻孔传送的电磁测井工具获得多分量信号测量值；以及

使用具有至少倾角、水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率作为反演参数的各向异性地层模型来针对至少一个频率反演所述多分量信号测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中从单间距、单频率、多取向测量中计算水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率反演参数。

3.根据权利要求d1所述的方法，还包括提供所述地层的记录，所述记录表示所述参数中的至少一个或由所述反演参数中的至少一个导出的地层特性的位置依赖性。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述提供包括以视觉形式显示所述记录。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述提供包括将所述记录存储在非瞬态信息存储介质中以供之后分析。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述记录表示至少部分基于所述水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率中的一个或多个而估计的水饱和度。

7.根据权利要求3所述的方法，其中所述记录表示至少部分基于所述水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率的岩石类型。

8.根据权利要求1所述的方法，其中一个频率的所述多分量信号测量值包括利用发射天线与接收天线之间的至少两个不同相对取向而获取的测量值。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

使用所述各向异性地层模型来在多个频率中的每个频率下执行多分量信号测量的单独反演；以及

识别表示所述参数的频率依赖性的频散模型。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述频散模型包括电阻率和电容率常变量两者作为频率的函数。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述记录表示至少部分基于所述代表性频散模型的岩石类型。

12.一种测井***，其包括：

电磁测井工具，所述电磁测井工具在通过地层沿着钻孔传送所述工具时获取多分量信号测量值；以及

处理***，所述处理***通过使用具有至少倾角、水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率作为反演参数的各向异性地层模型来针对至少一个频率反演所述多分量信号测量值而提供所述地层的记录。

13.根据权利要求12所述的***，其中所述电磁测井工具为随钻测井工具。

14.根据权利要求13所述的***，其中所述电磁测井工具包括用于获取所述多分量信号测量值的至少一个倾斜线圈天线。

15.根据权利要求12所述的***，其中所述电磁测井工具包括至少一个倾斜线圈天线发射机和一个倾斜线圈天线接收机，其中至少部分地基于由于所述倾斜线圈天线发射机而在所述倾斜线圈天线接收机处的响应而产生记录。

16.根据权利要求12所述的***，其中所述电磁测井工具为电缆测井工具。

17.根据权利要求12所述的***，其中作为所述提供的一部分，所述***以视觉形式显示所述记录。

18.根据权利要求12所述的***，其中作为所述提供的一部分，所述***将所述记录存储在非瞬态信息存储介质中以供之后分析。

19.根据权利要求12所述的***，其中所述记录表示至少部分基于所述水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率中的一个或多个而估计的水饱和度。

20.根据权利要求12所述的***，其中所述记录表示至少部分基于所述水平和垂直电阻率以及水平和垂直电容率中的一个或多个的岩石类型。

21.根据权利要求12所述的***，其中一个频率的所述多分量信号测量值包括利用发射天线与接收天线之间的至少两个不同相对取向而获取的测量值。

22.根据权利要求12所述的***，还包括：

使用所述各向异性地层模型来在每个附加频率下执行多分量信号测量的单独反演；以及

识别表示所述参数的频率依赖性的频散模型。

23.根据权利要求22所述的***，其中所述记录表示至少部分基于所述代表性频散模型的岩石类型。