прямые модели для анализа подземных формаций с помощью измерения гамма-излучения

Формула изобретения

1. Способ выполнения измерения гамма-излучения с использованием инструмента для измерения гамма-излучения, расположенного в скважине, окруженной формацией, для определения свойств формации, содержащий этапы, на которых:

генерируют гамма-излучение с использованием источника гамма-излучения, установленного на измерительном инструменте, расположенном в скважине;

обнаруживают гамма-излучение с использованием одного или более детекторов гамма-излучения, установленных на измерительном инструменте; и

рассчитывают отклик измерительного инструмента в соответствии с одним или более свойствами формации во множестве пространственных местоположений относительно измерительного инструмента с использованием прямой модели, которая допускает нелинейные отношения между одним или более свойствами во множестве пространственных местоположений и соответствующим откликом измерительного инструмента, причем одно или более свойств, по меньшей мере, для некоторых из множества пространственных местоположений формации оценивают в соответствии с обнаруженным гамма-излучением.

2. Способ по п.1, в котором множество пространственных местоположений включает в себя множество местоположений в формации, окружающей скважину.

3. Способ по п.1, в котором одно или более свойств включает в себя одно или более свойств, выбранных из группы, состоящей из: плотности формации, фотоэлектрического фактора формации, толщины зазора, плотности бурового раствора или фотоэлектрического фактора бурового раствора.

4. Способ по п.3, в котором одно или более свойств включает в себя плотность формации для множества слоев пластов формации, каждый из которых имеет отличную от других плотность.

5. Способ по п.4, в котором одно или более свойств включает в себя одно или более свойств, выбранных из группы, состоящей из: угла падения скважины по отношению ко множеству слоев пластов формации, количества слоев пластов формации или толщины для одного или более слоев пластов формации.

6. Способ по п.1, в котором прямая модель включает в себя одну или более зависимостей второго порядка для плотности.

7. Способ по п.6, в котором, по меньшей мере, одна зависимость второго порядка аппроксимирована зависимостями первого порядка прямой модели.

8. Способ по п.6, в котором, по меньшей мере, одна зависимость 2-го порядка является, по меньшей мере, частично, полученной с использованием признака искажения транспортным кодом метода Монте-Карло для N частиц.

9. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором:

итеративно выполняют этап вычисления так, чтобы одно или более свойств для, по меньшей мере, некоторых из множества пространственных местоположений, оценивалось в соответствии с обнаруженным гамма-излучением.

10. Способ по п.9, дополнительно содержащий этапы, на которых:

бурят формацию буровым долотом для прохождения скважины в соответствии с заранее определенной буровой траекторией; и

изменяют заранее определенную буровую траекторию на основании, по меньшей мере, частично, оцененных свойств.

11. Способ по п.1, в котором этап вычисления отклика измерительного инструмента выполняется менее чем за одну секунду.

12. Способ по п.1, в котором этап вычисления имеет точность около 0,05 г/см³ для плотности около 2,2 г/см ³ плотности формации, около 1,27 см зазор и небаритовый буровой раствор.

13. Способ по п.1, в котором измерительный инструмент является кабельным инструментом.

14. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором перемещают измерительный инструмент в новое положение в скважине, и в котором этап вычисления отклика измерительного инструмента повторяется для нового положения измерительного инструмента.

15. Система для оценки свойств формации, окружающей скважину, содержащая:

инструмент, размещаемый в скважине;

источник гамма-излучения, установленный на инструменте, размещенный и выполненный с возможностью передачи гамма-излучения в формацию;

один или более детекторов гамма-излучения, установленных на инструменте, каждый на заранее определенном расстоянии от источника гамма-излучения, один или более детекторов, размещенных и выполненных с возможностью обнаружения гамма-излучения; и

систему обработки, выполненную с возможностью принимать данные, представляющие излучение, обнаруженное одним или более детекторами, систему обработки, сконфигурированную и запрограммированную для вычисления отклика инструмента в соответствии с одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений относительно инструмента, с использованием прямой модели, которая допускает нелинейное отношение между одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений и соответствующего отклика инструмента.

16. Система по п.15, в которой одно или более свойств включает в себя одно или более свойств, выбранных из группы, состоящей из: плотности формации, фотоэлектрического фактора, толщины зазора, плотности бурового раствора или фотоэлектрического фактора бурового раствора.

17. Система по п.16, в которой одно или более свойств включает в себя плотность формации для множества слоев пластов формации, каждый из которых имеет отличную от других плотность.

18. Система по п.17, в которой одно или более свойств включает в себя одно или более свойств, выбранных из группы, состоящей из: угла падения скважины по отношению ко множеству слоев пластов формации, количества слоев пластов формации или толщины для одного или более слоев пластов формации.

19. Система по п.15, в которой прямая модель включает в себя одну или более зависимостей второго порядка для плотности.

20. Система по п.19, в которой, по меньшей мере, одна зависимость второго порядка аппроксимирована зависимостями первого порядка прямой модели.

21. Система по п.15, в которой система обработки дополнительно запрограммирована и сконфигурирована для итеративного выполнения вычисления отклика инструмента так, чтобы одно или более свойств, по меньшей мере, для некоторых из множества пространственных местоположений, оценивалось в соответствии с обнаруженным гамма-излучением.

22. Система по п.21, дополнительно содержащая систему направленного бурения, выполненную с возможностью прохождения скважины с использованием бурового долота в соответствии с заранее определенной буровой траекторией; и в которой заранее определенная буровая траектория изменяется на основании, по меньшей мере, частично, оцененных свойств.

23. Система по п.15, в которой система обработки запрограммирована так, что вычисление отклика инструмента выполняется менее чем примерно за одну секунду.

24. Система по п.15, в которой система обработки запрограммирована так, что вычисление отклика инструмента имеет точность около 0,05 г/см³ для плотности около 2,2 г/см³ плотности формации, около 1,27 см зазора и небаритового бурового раствора.

25. Способ оценки свойств подземной формации, окружающей скважину, содержащий этапы, на которых:

генерируют гамма-излучение с использованием источника гамма-излучения, установленного на инструменте, расположенном в скважине;

обнаруживают гамма-излучение с использованием одного или более детекторов гамма-излучения, установленных на измерительном инструменте каждый на заранее определенном расстоянии от источника гамма-излучения; и

вычисляют отклик инструмента в соответствии с одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений относительно измерительного инструмента с использованием прямой модели, где вычисление одного отклика выполняется менее чем примерно за одну секунду, и где вычисление отклика имеет точность около 0,05 г/см ³ для плотности около 2,2 г/см³ плотности формации, около 1,27 см зазор и небаритовый буровой раствор.

26. Способ по п.25, в котором вычисление одного отклика выполняется менее чем примерно за 3 мс.

27. Способ по п.25, в котором вычисление отклика для детектора, удаленного на 38,1 см или более от источника гамма-излучения, имеет точность 0,02 г/см³ для диапазона плотности 1-3 г/см³, диапазона зазора от примерно 0 см до примерно 2,54 см, и бурового раствора, имеющего фотоэлектрический фактор в диапазоне между примерно 0 и примерно 150.

28. Способ по п.25, в котором вычисление отклика для детектора, удаленного на 17,78 см или менее от источника гамма-излучения, имеет точность примерно 0,06 г/см³ для диапазона плотности примерно 1-3 г/см³, диапазона зазора от примерно 0 см до примерно 2,54 см, и бурового раствора, имеющего фотоэлектрический фактор в диапазоне между примерно 0 и примерно 150.

29. Способ по п.25, дополнительно содержащий этапы, на которых итеративно выполняют этап вычисления так, чтобы одно или более свойств, по меньшей мере, для некоторых из множества пространственных местоположений оценивать в соответствии с обнаруженным гамма-излучением.

30. Способ по п.29, дополнительно содержащий этапы, на которых: бурят формацию буровым долотом для прохождения скважины в соответствии с заранее определенной буровой траекторией; и

изменяют заранее определенную буровую траекторию на основании, по меньшей мере, частично, оцененных свойств.

31. Способ по п.25, в котором прямая модель допускает нелинейное отношение между одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений и соответствующего отклика инструмента.

32. Система для оценки свойств формации, окружающей скважину, содержащая:

инструмент, размещаемый в скважине;

источник гамма-излучения, установленный на инструменте, выполненный с возможностью и размещенный для передачи гамма-излучения в формацию;

один или более детекторов гамма-излучения, установленных на инструменте, каждый на заранее определенном расстоянии от источника гамма-излучения, один или более детекторов, размещенных и выполненных с возможностью обнаружения гамма-излучения; и

систему обработки, выполненную с возможностью принимать данные, представляющие излучение, обнаруженное одним или более детекторами, причем система обработки сконфигурирована и запрограммирована для вычисления отклика инструмента в соответствии с одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений относительно инструмента с использованием прямой модели так, что вычисление одного отклика выполняется менее чем примерно за одну секунду, и где вычисление отклика имеет точность около 0,05 г/см³ для плотности около 2,2 г/см³ плотности формации, около 1,27 см зазор и небаритовый буровой раствор.

33. Система по п.32, в которой вычисление одного отклика выполняется менее чем примерно за 3 мс.

34. Система по п.32, в которой вычисление отклика для детектора из одного или более детекторов, удаленного на 38,1 см или более от источника гамма-излучения, имеет точность 0,02 г/см³ для диапазона плотности 1-3 г/см³, диапазона зазора от примерно 0 см до примерно 2,54 см, и бурового раствора, имеющего фотоэлектрический фактор в диапазоне между примерно 0 и примерно 150.

35. Система по п.32, в которой вычисление отклика для детектора, удаленного на 17,78 см или менее от источника гамма-излучения, имеет точность примерно 0,06 г/см³ для диапазона плотности примерно 1-3 г/см³, диапазона зазора от примерно 0 см до примерно 2,54 см, и бурового раствора, имеющего фотоэлектрический фактор в диапазоне между примерно 0 и примерно 150.

36. Система по п.32, в которой система обработки дополнительно запрограммирована и сконфигурирована для итеративного выполнения вычисления отклика инструмента так, чтобы одно или более свойств для, по меньшей мере, некоторых из множества пространственных местоположений оценивались в соответствии с обнаруженным гамма-излучением.

37. Система по п.36, дополнительно содержащая систему направленного бурения, выполненную с возможностью прохождения скважины с использованием бурового долота в соответствии с заранее определенной буровой траекторией; и в которой заранее определенная буровая траектория изменяется на основании, по меньшей мере, частично, оцененных свойств.

38. Система по п.32, в которой инструмент является кабельным инструментом.

39. Способ оценки свойств подземной формации, окружающей скважину, содержащий этапы, на которых:

бурят подземную формацию буровым долотом для прохождения скважины в соответствии с заранее определенной буровой траекторией;

генерируют гамма-излучение с использованием источника гамма-излучения, установленного на инструменте, расположенном в скважине;

обнаруживают гамма-излучение с использованием одного или более детекторов гамма-излучения, установленных на измерительном инструменте;

итеративно вычисляют отклик инструмента в соответствии с одним или более свойствами множества пространственных местоположений относительно инструмента с использованием прямой модели, так что одно или более свойств для, по меньшей мере, некоторых из множества пространственных местоположений оценивают в соответствии с обнаруженным гамма-излучением; и

изменяют заранее определенную буровую траекторию на основании, по меньшей мере, частично, оцененных свойств.

40. Способ по п.39, в котором прямая модель допускает нелинейное отношение между одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений и соответствующего отклика инструмента.

41. Способ по п.39, в котором одно или более свойств включают в себя одно или более свойств, выбранных из группы, состоящей из: плотности формации, фотоэлектрического фактора, толщины зазора, плотности бурового раствора или фотоэлектрического фактора бурового раствора.

42. Способ по п.41, в котором вычисление отклика имеет точность около 0,05 г/см³ для плотности около 2,2 г/см³ плотности формации, около 1,27 см зазор и небаритовый буровой раствор.

43. Способ по п.39, в котором вычисления откликов выполняют со скоростью, большей, чем примерно одна секунда на одно вычисление отклика.

44. Способ по п.39, в котором этап итеративного вычисления выполняют на поверхности, и траектория изменяется вручную буровым персоналом.

45. Способ по п.39, в котором этап итеративного вычисления выполняют в скважине, и траектория изменяется автоматически в скважине.

46. Система для оценки свойств формации, окружающей скважину, содержащая:

инструмент, размещаемый в скважине;

источник гамма-излучения, установленный на инструменте, размещенный и выполненный с возможностью передачи гамма-излучения в формацию;

источник гамма-излучения, установленный на инструменте, размещенный и выполненный с возможностью передачи гамма-излучения в формацию;

один или более детекторов, выполненных и размещенных с возможностью для обнаружения гамма-излучения; и

систему обработки, выполненную с возможностью принимать данные, представляющие излучение, обнаруженное одним или более детекторами, систему обработки, сконфигурированную и запрограммированную для итеративного вычисления отклика инструмента в соответствии с одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений относительно инструмента, с использованием прямой модели так, что одно или более свойств для, по меньшей мере, некоторых из множества пространственных местоположений оцениваются в соответствии с обнаруженным гамма-излучением; и

систему направленного бурения, выполненную с возможностью прохождения скважины с использованием бурового долота в соответствии с заранее определенной буровой траекторией; и в которой заранее определенная буровая траектория изменяется на основании, по меньшей мере, частично, оцененных свойств.

47. Система по п.46, в которой прямая модель допускает нелинейное отношение между одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений и соответствующего отклика инструмента.

48. Система по п.46, в которой одно или более свойств включает в себя одно или более свойств, выбранных из группы, состоящей из: плотности формации, фотоэлектрического фактора, толщины зазора, плотности бурового раствора или фотоэлектрического фактора бурового раствора.

49. Система по п.48, в которой система обработки запрограммирована так, что вычисление отклика инструмента имеет точность около 0,05 г/см³ для плотности около 2,2 г/см³ плотности формации, около 1,27 см зазора и небаритового бурового раствора.

50. Система по п.46, в котором система обработки запрограммирована так, чтобы вычисления откликов выполнялись со скоростью, большей, чем примерно 1 с на одно вычисление отклика.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Это описание патента относится к измерениям гамма-излучения в подземных формациях. Более конкретно, это описание патента относится к системам и способам для прямого моделирования для анализа подземных формаций с помощью измерения гамма-излучения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В нефтепромысловых приложениях ядерного каротажа, методы Монте-Карло являются предпочтительными вследствие их точности. Однако на практике многие методы Монте-Карло не подходят для анализа каротажных диаграмм в режиме реального времени вследствие ограниченной скорости вычислений современных компьютеров. Пример обычной линейной техники прямого моделирования описан в работах Charles С. Watson, "Monte Carlo Computation of Differential Sensitivity Functions", Trans. Am. Nucl. Soc., vol.46, page 655, 1984, и Charles C.Watson, "A Spatial Sensitivity Analysis Technique for Neutron and Gamma-Ray Measurements", Trans. Am. Nucl. Soc, vol.65 (Suppl.l), pp.3-4, 1992, каждая из которых включена сюда по ссылке и далее упоминается как "документы Ватсона". Путем моделирования доминантных взаимодействий гамма-излучения комптоновского рассеяния и фотоэлектрического поглощения, эта техника может быть использована для прогнозирования отклика детектора инструмента плотностного каротажа. Главным преимуществом метода чувствительности плотности является очень высокая скорость расчета, с которой можно обеспечить отклики в масштабе менее секунды. Его главная предпосылка допускает линейную зависимость между откликом детектора и изменениями в плотности и Pe свойств формации. Пространство вокруг инструмента разделено на сетку ячеек, каждая из которых связана с чувствительностью. Вклад каждой ячейки в оценку отклика получается из заранее рассчитанных пространственных карт чувствительности. Дальнейшие подробности техники функции чувствительности плотности раскрыты в патенте США № 5334833, включенном сюда по ссылке. Производительность этой линейной техники является ограниченной, с относительными точностями в несколько процентов в считаемом пространстве, которое потом должно быть конвертировано в пространство плотностей. Например, когда способ применяется к инструменту измерения плотности LWD Vision 475 компании Schlumberger, ошибка моделирования в сравнении с экспериментальными данными была вплоть до 0,1 г/см³ внутри водяного зазора в 2,54 см, при покрытии обычных пространственных вариаций плотности от 1 г/см³ до 3 г/см³ . Ограниченная природа метода первого порядка становится видна также в том, что функции чувствительности плотности не являются идентичными при расчете с использованием различных исходных формаций. Некоторые улучшения в точности могут быть реализованы путем модификации функций чувствительности в каждом конкретном случае, но такие корректировки не являются полностью общими. A.Mendoza, С Torres-Verdin, and W.Preeg, "Rapid Simulation of Borehole Nuclear Measurements With Approximate Spatial Flux-Scattering Functions", SPWLA 48th Annual Logging Symposium, June 3-6, 2007, предлагают техники функций пространственного рассеяния потока (FSF) для быстрого моделирования нейтронных каротажных диаграмм и (гамма-гамма) каротажных диаграмм плотности пористости. Эта техника является очень похожей на технику чувствительности Ватсона, описанную выше. В результате, скорость модели FSF является сравнимой с моделью Ватсона. Однако точность, достигаемая моделью FSF, составляет 10%, что не является значительным улучшением по сравнению со старыми моделями.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с вариантами осуществления, обеспечен способ для прогнозирования отклика инструмента для измерения гамма-излучения, расположенного в скважине, окруженной подземной формацией. Способ включает в себя этапы, на которых вычисляют отклик инструмента в соответствии с одним или более свойств множества пространственных местоположений относительно измерительного инструмента с использованием прямой модели, которая допускает нелинейную связь между одним или более параметрами во множестве пространственных местоположений и соответствующим откликом инструмента. В соответствии с дополнительными вариантами осуществления обеспечена система для оценки свойств подземной формации, окружающей скважину. Система включает в себя инструмент, размещаемый в скважине; источник гамма-излучения, смонтированный на инструменте, выполненный с возможностью и расположенный для передачи гамма-излучения в формацию; и один или более детекторов гамма-излучения на инструменте, каждый на заранее определенном расстоянии от источника, детекторы, выполненные с возможностью и расположенные для обнаружения гамма-излучения. Система обработки выполнена с возможностью принимать данные, представляющие излучение, обнаруженное детекторами. Система обработки выполнена с возможностью и запрограммирована рассчитывать отклик инструмента в соответствии с одним или более свойствами на множестве пространственных местоположений относительно инструмента с использованием прямой модели, которая допускает нелинейную связь между одним или более параметрами во множестве пространственных местоположений и соответствующим откликом инструмента. В соответствии с дополнительными вариантами осуществления, обеспечен способ, содержащий этапы, на которых оценивают свойства подземной формации, окружающей скважину. Способ включает в себя этапы, на которых бурят формацию с помощью бурового долота для продвижения скважины в соответствие с заранее определенной траекторией бурения; генерируют гамма-излучение с использованием источника гамма-излучения, смонтированного на инструменте, расположенном в скважине; и обнаруживают гамма-излучение с использованием одного или более детекторов гамма-излучения, смонтированных на инструменте. Отклик инструмента итеративно рассчитывается в соответствии с одним или более свойствами множества пространственных местоположений относительно инструмента с использованием прямой модели, так что одно или более свойств для, по меньшей мере, некоторых из множества пространственных местоположений оценивается в соответствии с обнаруженным гамма-излучением. Заранее определенная траектория бурения изменяется на основании, по меньшей мере, частично, оцененных свойств.

Дополнительные признаки и преимущества изобретения станут более понятными из следующего подробного описания, взятого в соединении с прилагающимися чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение подробно описано в следующем описании, со ссылкой на отмеченное множество чертежей в качестве не ограничивающих примеров примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, в которых одинаковые номера представляют подобные части на нескольких видах чертежей, и где:

Фиг.1 иллюстрирует систему буровой площадки, в которой настоящее изобретение может быть применено;

Фиг.2 иллюстрирует дополнительные подробности системы буровой площадки в соответствии с вариантами осуществления изобретения, наземная система 210, показанная на Фиг.2, имеет оборудование, идентичное или похожее на оборудование наземной системы на Фиг.1;

Фиг.3a и 3b иллюстрируют два различных определения пространственной сетки, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим азимутальное распределение чувствительностей, интегрированных по радиальному и осевому измерениям;

Фиг.5а и 5b являются графиками поверхностей, показывающими комптоновские карты чувствительности 1-го порядка для комптоновского рассеяния для детекторов LS и SS, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.6 изображает интегрированную чувствительность на единицу радиуса комптоновского отклика 1-го порядка детекторов LS и SS, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.7 и 8 являются графиками поверхностей, показывающими комптоновские карты чувствительности 2-го порядка для детекторов LS и SS, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.9 изображает интегрированную чувствительность на единицу радиуса комптоновского отклика 2-го порядка детекторов LS и SS, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.10 и 11 показывают фотоэлектрические карты 1-го порядка, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.12 является графиком интегрированной чувствительности на единицу радиуса фотоэлектрического отклика 1-го порядка детекторов LS и SS, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.13a и 13b являются графиками, показывающими попадание детектора потока в плотность для беззазорных конфигураций, и компенсаций при наличии зазора, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.14a-b и 15a-b являются графиками, показывающими результаты модификации карт LS и SS, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.16a-b являются веерными диаграммами, сравнивающими калиброванные прогнозы модели быстрого предсказания (FF) для MCNP-рассчитанных плотностей для двух детекторов, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.17a-c являются графиками, суммирующими точность FF модели, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, взятых просто в качестве их разности относительно MCNP плотностей в веерных диаграммах, показанных на Фиг.16a-b;

Фиг.18 компилирует точность FF модели для всех случаев без зазора;

Фиг.19 иллюстрирует геометрию, использованную при моделировании;

Фиг.20a и 20b являются изображениями плотности из метода Монте-Карло и FF модели, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, пластов песчаника с углом падения в приблизительно 80° и без зазора у верха скважины;

Фиг.21a-c, 22a-c, 23a-c показывают сравнение каротажных диаграмм для LS, SS и скомпенсированных плотностей для угла падения в 80° и с водным зазором в 20 мм, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг.24a является графиками температуры, показывающими разности, которые относятся к изображениям скомпенсированной плотности на Фиг.20a-b;

Фиг.24b является гистограммой, показывающей общее распределение разностей, показанных на изображении Фиг.24a;

Фиг.25a-b являются графиками, показывающими эффект от этих модификаций на радиальной чувствительности SS комптоновской карты 1-го порядка;

Фиг.26a и 26b являются веерными диаграммами, сравнивающими прогнозы экспериментальной FF модели, которая откалибрована экспериментально, для экспериментальных плотностей для LS и SS детекторов;

Фиг.27a-c являются графиками, суммирующими точность FF модели, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, взятых просто в качестве их разности относительно плотностей в веерных диаграммах, показанных на Фиг.26a-b; и

Фиг.28 является графиком, суммирующим точность без зазора для наблюдаемых и скомпенсированных плотностей, в соответствии с вариантами осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В следующем подробном описании предпочтительных вариантов осуществления сделаны ссылки на прилагающиеся чертежи, которые формируют его часть и в которых показаны в целях иллюстрации конкретные варианты осуществления, с помощью которых изобретение может быть реализовано. Следует понимать, что другие варианты осуществления могут быть использованы и структурные изменения могут быть сделаны без выхода за объем изобретения. Конкретика, показанная здесь, приводится только в качестве примера и в целях иллюстративного обсуждения вариантов осуществления настоящего изобретения, и представлена в виде, который ожидается быть самым полезным и простым для понимания описанием принципов и концептуальных аспектов настоящего изобретения. Ввиду этого не делается попыток показать структурные подробности настоящего изобретения более подробно, чем это необходимо для фундаментального понимания настоящего изобретения, описания, взятого с чертежами и дающего понять специалистам в данной области техники, как несколько форм настоящего изобретения могут быть реализованы на практике. Далее, одинаковые ссылочные номера и обозначения в различных чертежах показывают одинаковые элементы. Фиг.1 иллюстрирует систему буровой площадки, в которой настоящее изобретение может быть использовано. Буровая площадка может быть на суше и в море. В этой примерной системе, скважина 11 сформирована в подземных формациях с помощью ротационного бурения хорошо известным способом. Варианты осуществления изобретения могут также использовать направленное бурение, как это будет описано далее.

Буровая колонна 12 опускается в скважину 11 и имеет компоновку 100 низа буровой колонны, которая включает в себя буровое долото 105 на своем нижнем конце. Наземная система включает в себя платформу и буровую вышку 10, расположенные над скважиной 11, вышку 10, включающую в себя ротационный стол 16, ведущую трубу 17, крюк 18 и вертлюг 19. Буровая колонна 12 вращается ротационным столом 16, приводимым в движение не показанным средством, которое зацепляет ведущую трубу 17 в верхнем конце буровой колонны. Буровая колонна 12 свешивается с крюка 18, присоединенного к подвижному блоку (также не показан), через ведущую трубу 17 и вертлюг 19, который позволяет вращение буровой колонны относительно крюка. В качестве альтернативы, может быть использована система верхнего привода.

В примере этого варианта осуществления, наземная система дополнительно включает в себя буровой флюид или буровой раствор 26, хранящийся в бассейне 27, сформированном на буровой площадке. Насос 29 доставляет буровой флюид 26 во внутреннюю часть буровой колонны 12 через отверстие в вертлюге, заставляя буровой флюид течь вниз через буровую колонну 12, как это показано направленной стрелкой 8. Буровой флюид выходит из буровой колонны 12 через отверстия в буровом долоте 105 и затем циркулирует вверх через кольцеобразный зазор между внешней стенкой буровой колонны и стенкой скважины, как это показано направленной стрелкой 9. Этим хорошо известным способом буровой флюид смазывает буровое долото 105 и выносит буровой шлам на поверхность, где он возвращается в бассейн 107 для рециркуляции.

Компоновка 100 низа бурильной колонны проиллюстрированного варианта осуществления содержит модуль 120 для каротажа во время бурения (LWD), модуль 130 для измерения во время бурения, вращательно-управляемую систему и мотор, и буровое долото 105.

Модуль 120 LWD заключен в буровую трубу специального типа, как это является известным в данной области техники, и может содержать один или множество каротажных инструментов известного типа. Следует также понимать, что может быть использовано более одного LWD и/или MWD модулей, например, представленный 120A. (Ссылки на модуль в позиции 120 могут в качестве альтернативы означать также модуль в позиции 120A). Модуль LWD включает в себя возможности для измерения, обработки и хранения информации, а также для соединения с наземным оборудованием. В настоящем варианте осуществления, модуль LWD включает в себя устройства для измерения давления, звука и гамма-излучения.

Модуль 130 MWD также заключен в буровую трубу специального типа, известного в данной области техники, и может содержать один или более устройств для измерения характеристик буровой колонны и бурового долота. Инструмент MWD дополнительно включает в себя устройство (не показано) для генерации электрической энергии для скважинной системы. Оно может обычно включать в себя турбинный генератор на буровом флюиде, приводимый в движение потоком бурового флюида, и следует понимать, что могут быть задействованы другие системы выработки энергии и/или батареи. В настоящем изобретении модуль MWD включает в себя один или более измерительных устройств следующих типов: устройство измерения нагрузки на долото, устройство измерения вращательного момента, устройство измерения вибрации, устройство измерения ударов, устройство измерения прерывистого скольжения, устройство измерения направления и устройство измерения наклона.

Конкретные преимущества использования такой системы связаны с контролируемым направлением или "направленным бурением". В этом варианте осуществления обеспечена вращательно-направляемая подсистема 150 (Фиг.1). Направленное бурение является преднамеренным отклонением скважины от пути, по которому она проходит естественным образом. Другими словами, направленное бурение является направлением буровой колонны так, чтобы она шла в требуемом направлении. Направленное бурение, например, является выгодным в морском бурении, потому что позволяет бурить множество скважин из одной платформы. Направленное бурение также позволяет осуществлять горизонтальное бурение через пласт-коллектор. Горизонтальное бурение позволяет делать скважины большей длины для прохождения пласт-коллектора, что увеличивает продуктивность скважины. Система направленного бурения может быть также использована в операциях вертикального бурения. Часто буровое долото отклоняется от запланированной буровой траектории вследствие непредсказуемой природы проходимой формации или изменяющихся сил, влияние которых испытывает буровое долото, или геология может быть не такой, как это ожидалось. Когда такие отклонения возникают, система направленного бурения может быть использована для возврата бурового долота в нужное направление. Известный способ направленного бурения включает в себя использование роторной системы направленного бурения (RSS). В RSS буровая колонна вращается с поверхности, и скважинные устройства заставляют буровое долото бурить в требуемом направлении. Вращение буровой колонны в значительной степени уменьшает застревание или заклинивание буровой колонны во время бурения. Роторные системы направленного бурения для бурения отклоняющихся скважин в земле могут быть в целом классифицированы как системы "направления долота" или "отклонения долота". В системах направления долота, ось вращения бурового долота отклоняется от локальной оси компоновки низа буровой колонны в главном направлении новой скважины. Скважина распространяется в соответствии с обычной трехточечной геометрией, определяемой точками касания верхнего и нижнего стабилизаторов и буровым долотом. Угол отклонения оси бурового долота вместе с конечным расстоянием между буровым долотом и нижним стабилизатором дает неколлинеарные условия, требующиеся для получения кривой. Существует множество путей, которыми это может быть достигнуто, включающих в себя фиксированный изгиб в точке компоновки низа буровой колонны рядом с нижним стабилизатором, или изгиб приводного вала бурового долота, распределенный между верхним и нижним стабилизаторами. В идеальном виде, буровому долоту не требуется срезать боковые стороны, поскольку ось долота непрерывно вращается в направлении искривленной скважины. Примеры роторных систем направленного бурения с направлением долота и то, как они работают, описаны в заявках на патент США № № 2002/0011359; 2001/0052428 и патентах США № № 6394193; 6364034; 6244361; 6158529; 6092610; 5113953, которые все включены сюда по ссылке. В роторной системе направленного бурения с отклонением долота обычно нет специально выделенного механизма для отклонения оси долота от локальной оси компоновки низа буровой колонны; напротив, требуемое неколлинеарное условие достигается путем приложения одним или обоими верхним или нижним стабилизаторами эксцентричной силы или смещения в направлении, которое предпочтительно ориентировано в направлении распространения скважины. Опять же, существует множество способов, которыми это может быть достигнуто, включающих в себя не вращающиеся (по отношению к скважине) эксцентричные стабилизаторы (подходы на основе смещения) и эксцентрические приводы, которые прилагают силу к буровому долоту в требуемом управляемом направлении. Опять же, управление достигается путем создания неколлинеарности между буровым долотом и, по меньшей мере, двумя другими точками касания. В идеальном виде, буровое долото требует срезания боковых поверхностей для получения искривленной скважины. Примеры роторной системы направленного бурения с отклонением долота и то, как они работают, описаны в патентах США № № 5265682; 5553678; 5803185; 6089332; 5695015; 5685379; 5706905; 5553679; 5673763; 5520255; 5603385; 5582259; 5778992; 5971085, которые все включены сюда по ссылке. В качестве альтернативы, направленное бурение может быть выполнено с использованием скважинного бурового мотора, такого как мотор бурового раствора, который приводится в действие гидравлической силой бурового раствора. Часть искривленной трубы, известной как "кривой переходник", установлена около верхней части мотора бурового раствора для корректировок траектории.

Фиг.2 иллюстрирует дополнительные подробности системы буровой площадки в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Наземная система 210 показана на Фиг.2 и имеет оборудование, идентичное или подобное наземной системе на Фиг.1. В этом случает, компоновка 100 низа буровой колонны показана размещенной в сильно наклоненной/горизонтальной скважине 206, проходящей через подземную формацию 200 породы. Формация 200 породы содержит два различных слоя, а именно верхний слой 204 и нижний слой 208. Компоновка 100 включает в себя блок 220 плотностного гамма-гамма каротажа во время бурения. Блок 220 плотностного гамма-гамма каротажа во время бурения включает в себя источник 222 гамма-излучения, детектор 224 гамма-излучения ближнего действия и детектор 226 гамма-излучения дальнего действия. Компоновка 100 также включает в себя систему направленного бурения в виде роторной направляемой подсистемы 150 рядом с буровым долотом 105. Компоновка 100 также включает в себя модули и оборудование, описанное по Фиг.1. В соответствии с вариантами осуществления изобретения, измерения из блока 220 плотностного гамма-гамма каротажа во время бурения могут быть обработаны в режиме реального времени, так что информация может быть использована для направления бурового долота 105 с использованием роторной направляемой подсистемы 150. Как будет описано более полно ниже, относительно быстрая и точная модель позволяет такое геонаправление в режиме реального времени. Например, компоновка 100 проходит через границу между верхним слоем 204 и нижним слоем 208, измерения от блока 220 LWD плотности гамма-распределения интерпретируются в режиме реального времени с использованием быстрой прямой модели, как здесь описано, для обнаружения границы. Обнаружение границы и характерный отклик блока плотности гамма-распределения может затем быть использован для навигации, для изменения заранее определенной траектории бурового долота 105 с использованием роторной направляемой подсистемы 150. Измерения могут быть интерпретированы вручную, буровым мастером на поверхности, например, путем визуального сравнения спрогнозированного отклика инструмента из прямой модели с изображениями из прямого измерения плотности гамма-гамма. В качестве альтернативы, измерения из блока 220 плотностного гамма-гамма каротажа во время бурения могут быть интерпретированы автоматически с использованием алгоритма инверсии, как здесь описано, для получения набора условий, которые не противоречат прямым измерениям. Эта автоматическая техника инверсии может быть выполнена на поверхности, но может быть также выполнена обрабатывающим блоком в скважине, в качестве части блока 220 или где-либо в компоновке 100.

В соответствии с другим вариантом осуществления, блок 220 плотностного гамма-гамма каротажа во время бурения выполнен с возможностью и смонтирован на проводной колонне инструментов, размещенной в скважине 206 в формации 200. В соответствии с этим вариантом осуществления, данные, отражающие измерения из блока 220, передаются на поверхность по проводному кабелю и интерпретируются с использованием быстрой прямой модели и техник инверсии, как здесь описано.

Сейчас будут представлены дополнительные подробности для разработки быстрой и точной прямой модели для инструментов плотностного гамма-гамма каротажа, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Фундаментальным ограничением известных техник функции чувствительности плотности гамма-излучения, описанных выше, является допущение линейных (1-го порядка) зависимостей. Обеспечивается расширение техники до приближений 2-го порядка. Преимущества метода 2-го порядка могут включать в себя, среди прочего: (1) точность, дающая значительное улучшение прогнозов плотности; (2) простота, потому что он не требует корректировки по отношению к функциям чувствительности от случая к случаю; (3) универсальность, поскольку он может быть применен к полному реальному диапазону плотностей формации, Pe факторам и условиям зазоров с буровым раствором; и (4) скорость, поскольку разница во времени вычисления по отношению к линейному методу является незначительной.

На основании этого расширенного нелинейного подхода обеспечивается быстрая прямая (FF) модель для плотностных гамма-гамма измерений. Как здесь используется, термин "модель" означает представление, математическое или какое-либо другое, использованное для описания физической системы. В соответствии с вариантом осуществления, обеспечивается быстрая прямая модель для плотностных гамма-гамма измерений для использования 21 см стабилизатора EcoScope компании Schlumberger. LWD инструменты, такие как EcoScope, выводят плотностные гамма-гамма измерения в виде каротажных диаграмм и азимутальных изображений. Будучи встроенной в инверсный фреймворк, прямая модель плотностей достаточной скорости и точности обеспечивает возможность делать заключение о реальной геометрии формации и ее составе, которые дают полученные данные. Надежный доступ к этой информации может обеспечивать необходимый компонент для НА/HZ оценки формации.

Сейчас будут представлены дополнительные подробности расширения техники функции чувствительности. В двумерной цилиндрической системе координат разделим пространство вне инструмента плотностного каротажа на множество ячеек с радиальными и осевыми границами r=r₀, r₁, r_Nr и z=z₀, z₁, z_Nz, где r₀ является радиусом инструмента. Отклик детектора инструмента является функцией от плотности формации и U каждой ячейки,

где p_r,z и U _r,z=(p_r,z·Pe_r,z ) являются электронной плотностью и U ячейки в положении (r, z).

Как это обсуждается более детально ниже, азимутальными вариациями формации можно в значительной степени пренебречь.

Если предположить, что исходная точка является однородной формацией ячеек с параметрами ₀ и U₀, для которой отклик инструмента равен R₀=R(p ₀, U₀), разложение отклика в ряд Тейлора первого порядка является:

Поскольку , то соответствующее разложение плотности равно

Если определить карты чувствительности первого порядка для комптоновских и фотоэлектрических взаимодействий как, соответственно

и

,

то разложение плотностного отклика в Уравнении (3) может быть записано более просто, как

Коэффициенты a₁ и a ₂ могут быть определены подходящими для экспериментальных данных. В режиме в несколько сотен кэВ инструментов плотностного гамма-гамма каротажа, комптоновский член a₁ доминирует в отклике детектора, и фотоэлектрический коэффициент a₂ находится на уровне процентов или менее. Это приближение первого порядка является сущностью метода линейной функции чувствительности, обсужденной в документах Ватсона.

В соответствии с вариантами осуществления изобретения, сейчас будут изложены дополнительные подробности приближения второго порядка. Расширение метода чувствительности до приближения второго порядка является простым в математическом смысле, но, несмотря на это, его применение на практическом уровне требует некоторой интуиции и опыта. Как отмечено выше, фотоэлектрический вклад первого порядка в отклик детектора находится обычно на уровне небольшой поправки. При адаптации разложения Тейлора в качестве используемой модели, мы пренебрегаем членами Pe второго порядка, а также скрещивающимися членами между Pe и плотностными взаимодействиями. При добавлении только комптоновских членов второго порядка, ряд Тейлора для отклика детектора является

На основании плотности , приближение второго порядка является

Опять, применяя определения карт чувствительности Уравнений (4) и (5) и консолидируя постоянные факторы, можем переопределить плотностной отклик как

,

которое имеет вклады от производных первого и второго порядков. Финальный (b₄) член является просто двойной суммой всех пространственных элементов в комптоновском члене первого порядка:

Член b₃ в уравнении (9) может быть решен, если мы предположим, что для различных ячеек i и j (i не равно j), отклик детектора является разделимым и может быть записан как

По определению, поведение производной является

и член b₃ может быть записан как

,

где диагональные "i=j" члены двойной суммы явно отделены во вторую линию. Используя полную двойную сумму, то же уравнение может быть преобразовано как

,

где возведенные в квадрат первые производные соответственно вычитаются. Подставляя комптоновскую карту чувствительности Уравнения (4), применяя условие разделимости Уравнения (10) и переопределяя коэффициенты, получаем общую сумму, эквивалентную

Подставляя измененные суммы уравнений (10) и (15), общий плотностной отклик Уравнения (9) является

Комбинируя подобные члены и переопределяя коэффициенты, отклик упрощается в

По аналогии с картами чувствительности первого порядка, комптоновская карта второго порядка определяется как

И, наконец, применяя это определение к плотностному отклику Уравнения (17), выводим

Это уравнение представляет разложение второго порядка техники функции чувствительности, и оно основывается только на допущении разделимости отклика детектора по отношению к различным плотностям ячеек. Член a₅, который вычитает диагональные элементы из двойной суммы разделимых производных, составляет небольшую коррекцию; исследование прямой модели этой структуры показывает, что это присутствие члена вызывает незначительную разность во всей точности модели. Мы, вследствие этого, пренебрегаем членом a₅ в целях упрощения модели. Быстрая прямая модель второго порядка может быть записана более компактно как

Для каждого отклика детектора, эта модель требует трех функций чувствительности, которые описывают его пространственную зависимость от свойств формации: комптоновская карта первого порядка, Pe карта первого порядка и комптоновская карта второго порядка. Все эти карты могут быть рассчитаны с использованием признака искажения в коде MCNP5. См. X-5 Monte Carlo Team, "MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5," LA-CP-03-0245, Los Alamos National Laboratory (2003), herein after referred to as the "MCNP Manual". Дополнительный член a₃ заключает в себе корреляцию комптоновского отклика каждой ячейки с плотностями других ячеек. В этом смысле, мы иногда называем компонент a₃ как "перекрестные члены плотности", в то время как ответ второго порядка для плотности отдельной ячейки является "диагональными" чувствительностями. Коэффициенты a₁, a₂ , a₃, a₄ и ₀ могут быть определены путем подгонки модели для соответствия расчетам Монте-Карло или экспериментальным данным. Другая перспектива может быть получена для быстрой прямой модели второго порядка путем перегруппировки Уравнения (20) к виду, подобному оригинальной модели первого порядка:

В такой интерпретации модель второго порядка структурирована подобно линейному приближению, за исключением того, что комптоновская карта чувствительности первого порядка модифицирована в соответствии со средневзвешенной плотностью.

Сейчас будут даны дополнительные подробности для генерации карт чувствительности, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. MCNP5 обеспечивает признак искажения, который мы используем непосредственным образом для генерации карт чувствительности первого и второго порядков. См. руководство по MCNP. Все карты могут быть рассчитаны с использованием средней длины трека на объем детектора ("MCNP Tally 4"), как пропорциональную оценку для отклика детектора. Для производной каждой карты, соответствующей взаимодействиям доминантного комптоновского рассеяния или фотоэлектрической абсорбции, подходящее макроскопическое поперечное сечение гамма-излучения искажается последовательно в каждой из пространственных ячеек, описанных выше. Изменение в отклике детектора для каждого такого пространственно зависимого искажения считывается из выхода кода MCNP и собирается в карты, показанные ниже. В каждом случае, карта нормализуется так, что сумма всех ее пространственных элементов равна единице.

Точная прямая модель предпочтительно имеет карты с адекватным пространственным разрешением. Ожидается, что очень тонкая пространственная сетка обеспечивает лучшую точность, но требует более продолжительных вычислений, как для начальной генерации карт, так и для повторных прогнозов быстрой прямой модели. В результате, определение ячеек в трехмерном пространстве вокруг инструмента является важным. Внутренние радиусы являются более важными для плотностного отклика, чем признаки формации глубокого залегания. Сетка, таким образом, разделена на 3,175 мм тонкие радиальные ячейки в первых 25,4 мм вокруг инструмента, окруженные ячейками с увеличивающимися размерами с ростом радиальной глубины. Мы разделили осевые ячейки с постоянным приращением в 25,4 мм. Основной вопрос для пространственной сетки состоит в том, является ли азимутальная зависимость одинаково важной. Прямая модель будет более простой и, соответственно, быстрой, если ее расчеты будут уменьшены только до радиального и осевого измерений. Для изучения важности третьего измерения, комптоновские карты чувствительности первого порядка были сгенерированы с пятью угловыми ячейками. Фиг.3a и Фиг.3b иллюстрируют два различных определения пространственной сетки, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Фиг.3a показывает пространственную сетку 310, имеющую 5 угловых ячеек. Пространственная сетка, имеющая несколько азимутальных ячеек, была использована для карт маршрутной съемки. Фиг.3b показывает пространственную сетку 320, имеющую только одну угловую ячейку. Пространственная сетка, имеющая одну угловую ячейку, является подходящей для всех карт чувствительности. При применении к линейной прямой модели, мы обнаружили, что деление на несколько угловых ячеек обеспечивает снижающийся вклад в точность, с одновременным увеличением ее сложности.

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим азимутальное распределение чувствительностей, интегрированных в радиальном и осевом измерениях. Кривая 410 является графиком интегрированных чувствительностей, как функции азимутального угла, использующим пространственную сетку, имеющую множество угловых ячеек, такой как сетка 310, показанная на Фиг.3a. Кривая 420 является графиком интегрированных чувствительностей, использующим пространственную сетку, имеющую одну азимутальную ячейку с диапазоном приблизительно ±30° по отношению к направлению фокуса детектора, такую как пространственная сетка 320, показанная на Фиг.3b. Как можно видеть на Фиг.4, сетка с одной угловой ячейкой обеспечивает хорошее приближение распределения с острым максимумом, захватывая более 95% интегрированной чувствительности. В целях поддержки простой модели с хорошей точностью, мы, таким образом, уменьшаем пространственную зависимость карт только до радиального и осевого измерений, с расчетами чувствительностей, выполненными в диапазоне приблизительно ±30°, как показано на Фиг.3b. Для обеспечения дополнительной угловой чувствительности, например, при моделировании отклика инструмента с изменяющимися ориентациями в НА/HZ границе пласта, мы выполняем вычисление прямой модели с плотностями, усредненными по трем точкам в этом угловом окне. Мы используем код MCNP5 для генерации шести карт для 21см EcoScope гамма-гамма инструмента компании Schlumberger для модели, разработанной, как описано выше. Эти карты состоят из, для каждого из детекторов дальнего действия (LS) и ближнего действия (SS): комптоновской карты первого порядка, фотоэлектрической карты первого порядка, комптоновской карты второго порядка.

Фиг.5a и Фиг.5b являются графиками поверхности, показывающими комптоновские карты первого порядка для детекторов дальнего и ближнего действия, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Карта 508 на Фиг.5a является картой для пространства LS детектора, и карта 510 на Фиг.5b является картой для пространства SS детектора. Карта 510 имеет два доминантных пика, которые подчеркивают плотностную чувствительность регионов непосредственно перед источником и детектором. Имеются регионы, в которых фотоны, которые регистрируются в детекторе, будут рассеяны с наибольшей вероятностью. Пики расположены соответственно ближе друг к другу для SS карты 510. Радиальная чувствительность SS детектора также является небольшой, по сравнению с LS картой, как и следовало ожидать. Более четкая картина радиальной зависимости делается доступной путем интегрирования чувствительностей на всем осевом диапазоне инструмента. Мы определили радиальную чувствительность как:

которая является наложенной для LS и SS карт на Фиг.6.

Фиг.6 изображает интегрированную чувствительность на единицу радиуса комптоновского отклика первого порядка LS и SS детекторов, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Кривая 610 соответствует SS детектору, и кривая 620 соответствует LS детектору. Отличительным признаком SS комптоновской карты является ее "отрицательный выступ", который моделирует регион, в котором плотностной отклик является обратно зависимым от плотности формации. Такой отклик имеет местоположение вследствие однократно рассеянных фотонов, отражаемых непосредственно в детектор: при увеличении плотности формации обнаруживается все больше гамма-излучения из этого региона, вызывающего уменьшение общей наблюдаемой плотности. Напротив, LS отклик полностью состоит из многократных рассеяний и затухания, при этом увеличение реальной плотности вызывает немного регистрируемых импульсов и более простой положительный отклик. Отрицательный выступ SS детектора является одним из наиболее трудных признаков отклика инструмента для модели.

Фиг.7-8 являются графиками поверхностей, показывающими комптоновские карты чувствительности второго порядка для LS и SS детекторов, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Карта 710 чувствительности является комптоновской картой чувствительности второго порядка LS детектора, и карта 810 на Фиг.8 является комптоновской картой чувствительности второго порядка SS детектора. Эти карты труднее интерпретировать на чисто физической основе, чем зависимости первого порядка. В наиболее прямом смысле, карты 710 и 810 представляют вторую производную отклика инструмента относительно производных от эталонной плотности.

Фиг.9 изображает интегрированную чувствительность на единицу радиуса для комптоновского отклика второго порядка LS и SS детекторов, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Кривая 910 изображает интегрированную чувствительность для SS детектора, и кривая 920 изображает интегрированную чувствительность для LS детектора. Из кривой 910 можно видеть, что чувствительность первого порядка SS отклика уменьшается с увеличением плотности в регионе с малым радиусом, и она демонстрирует противоположное поведение в регионе с большим радиусом. Как упоминалось ранее, LS кривая 920 является более простой с полностью положительными производными.

Фиг.10 и Фиг.11 показывают фотоэлектрические карты первого порядка, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Карта 1010 на Фиг.10 является фотоэлектрической картой чувствительности первого порядка LS детектора. Карта 1110 на Фиг.11 является фотоэлектрической картой чувствительности первого порядка SS детектора. Как можно видеть из подробного обсуждения ниже, члены, соответствующие этим картам, обслуживают только малые корректировки плотностного отклика. В обоих случаях, чувствительности имеют более сильные пики перед детекторами, где гамма-излучение низкой энергии может быть поглощено, а не рассеяно.

Фиг.12 является графиком, показывающим чувствительность на единицу радиуса фотоэлектрического отклика первого порядка LS и SS детекторов, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Кривая 1210 показывает интегрированную чувствительность для LS детектора, и кривая 1220 показывает интегрированную чувствительность для SS детектора. Радиальные зависимости, показанные на кривых 1210 и 1220, показывают, что отклик для обоих детекторов является всегда положительным, с увеличением вероятности абсорбции в формации с высоким Pe, вызывая большую наблюдаемую плотность. Как ожидалось, SS детектор имеет небольшую глубину исследования.

А сейчас будут представлены, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, дополнительные подробности калибровки прямой модели в базе данных полного Монте-Карло, и сравнительный анализ прогнозов в различных НА/HZ геометриях скважины. Производительность быстрой прямой модели сначала исследуется в полных симуляциях Монте-Карло из MCNP5. В отличие от доступных экспериментальных баз данных, этот подход обеспечивает преимущество в том, что произвольные условия геометрии и материалов формации могут быть исследованы по желанию. Дополнительно, вследствие того, что карты чувствительности должны быть рассчитаны с использованием длины пробега потока (MCNP "Tally 4") как приближение отклика детектора, изучение производительности быстрой прямой модели в том же количестве позволяет отделить возможные эффекты детектора от присущих быстрой прямой модели ценных свойств. Согласованность MCNP симуляции с экспериментальными данными будет ниже обсуждена еще раз в этом подробном раскрытии.

Во-первых, свободные параметры модели выведены подбором методом наименьших квадратов из стандартного набора однородных формаций и глинистых корок с различными значениями зазоров. Качество подбора оценивается с точки зрения точности модели в плотностном пространстве. Затем мы сравнили производительность прямой модели с моделированиями Монте-Карло плотностных каротажных диаграмм из круто наклоненных/горизонтальных (НА/HZ) пластовых границ.

Коэффициенты (a ₁, a₂, a₃, a₄, ₀) прямой модели выведены из базы данных Монте-Карло однородных формаций и глинистых корок, выбранных для покрытия полного и Pe фазового пространства реальных каротажных сред. Таблица 1 показывает список материалов, которые могут быть использованы для бесконечной формации и для скважинного флюида. Подмножество возможных комбинаций смоделировано с различными значениями зазоров, в то время как другие формации использованы как отдельные точки без зазоров. Использование известняков в качестве "бурового раствора" предназначено для испытания производительности быстрой прямой модели в НА/HZ сценариях, в которых пласты выступают в качестве тонких клиньев один впереди другого. Полный набор комбинаций формация/буровой раствор ясно показана на чертежах, которые будут описаны ниже.

Таблица 1
Материалы формации	Плотность, г/см3	Электронная плотность, г/см3	Pef
Вода	1	1,1101	0,36
Дельрин	1,41	1,5026	0,28
Магний	1,78	1,7529	2,5
Песчаник 30 pu	2,1578	2,1881	1,59
Известняк 30 pu	2,197	2,2283	4,38
Песчаник	2,654	2,65	1,81
Известняк	2,71	2,7075	5,08
Доломит	2,87	2,8634	3,14
Ангидрит	2,96	2,9568	5,05
Диабаз	3,0536	3,0263	4,4
Легкий буровой раствор	1,1588	1,258	0,65
Баритовый буровой раствор (12 фунтов на галлон)	1,438	1,4726	91,45
Баритовый буровой раствор (16 фунтов на галлон)	1,9173	1,8693	150,65
Скважинный флюид	Плотность, г/см 3	Электронная плотность, г/см3	Pef
Пресная вода	1	1,1101	0,36
Легкий буровой раствор	1,1588	1,258	0,65
Баритовый буровой раствор (12 фунтов на галлон)	1,438	1,4726	91,45
Баритовый буровой раствор (16 фунтов на галлон)	1,9173	1,8693	150,65
0 pu известняк	2,71	2,7075	5,08
40 pu известняк	2,026	2,0686	4,07

Анализ выполняется в пространстве электронной плотности, и мы используем простой алгоритм "хребет-ребра" для конвертации MCNP длины трека потока в наблюдаемую плотность в детекторах дальнего действия (LS) и ближнего действия (SS). Алгоритм использует поток, находящийся в энергетическом окне с диапазоном [150, 300] кэВ для детектора ближнего действия, и [200, 300] кэВ для детектора ближнего действия. Относительная статистическая неопределенность расчетов MCNP меньше чем 0,3% для LS потока и меньше 1,0% для SS потока.

Фиг.13a-b являются графиками, показывающими подбор потока под плотность для конфигураций без зазора, и компенсаций при наличии зазора, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Фиг.13a показывает беззазорный гребень для двух детекторов, где подбор исключает нелинейные точки ниже _e ^true = 1,6 г/см³ и твердых формаций с баритовым буровым раствором с высоким _e, лежащих далеко от этих кривых. Кривые 1310, 1320 на Фиг.13a являются гребнями. На Фиг.13b график 1340 показывает кубический многочлен для компенсации, подобранных для зазоров в 12,7 мм. Пределы ошибок представляют статистические неопределенности MCNP.

Номинальные карты чувствительности, описанные выше, рассчитаны в MCNP как искажения относительно базовой формации 40 pu известняка. Этот материал выбран в качестве исходного благодаря его приблизительно центральному положению ( _e=2,0686 г/см³, U= _e·Pe=8,4192 г/см³) в требуемом измеряемом пространстве. Однако опыт применения FF модели на таком относительно широком диапазоне показывает, что общая точность модели улучшается с помощью незначительной одноразовой корректировки радиальной зависимости комптоновских карт первого порядка.

Использование такой модификации остается согласованной с лежащей в основе теории FF модели. Разложение Тейлора первого порядка является правильным только для маленьких изменений относительно исходной точки в нелинейной системе, в то время разложение второго порядка увеличивает диапазон точности модели и учитывает некоторую нелинейность отклика детектора. Тем не менее, некоторые из наиболее важных исследуемых сред имеют большие различия плотности в пределах геометрии чувствительности (например, водный зазор перед известняковой формацией, который сдвигает ограничения расчета искажений). Корректировка карты служит для улучшения производительности FF модели в таких важных случаях, одновременно сохраняя приемлемую точность в менее трудных случаях. Поскольку комптоновская карта первого порядка доминирует в отклике обоих детекторов, фотоэлектрические карты первого порядка и комптоновские карты второго порядка не получают этой тонкой настройки.

Для обеих LS и SS карт веса первых нескольких радиальных элементов масштабированы вектором из постоянных коэффициентов, и полная карта повторно нормализована к единице. Радиальная модификация применена тем же образом ко всему осевому направлению, и аксиальная зависимость карт предполагается правильной и остается неизменной. Эта обработка качественно подобна процедуре, описанной в ранних работах по прямому моделированию. Модификация карт отличается при применении FF модели к другим инструментам плотностного гамма-гамма каротажа.

Фиг.14a-b и Фиг.15a-b являются графиками результатов изменения SS и LS комптоновских карт первого порядка, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. На Фиг.14a чувствительность на единицу радиуса (интегрированная по осевому направлению) показана кривой 1410, представляющей оригинальную LS комптоновскую карту, и кривой 1420, показывающей измененную LS комптоновскую карту. На Фиг.14b суммарная радиальная чувствительность показана кривой 1430, представляющей оригинальную LS комптоновскую карту, и кривой 1420, показывающей измененную LS комптоновскую карту. Для LS карты мы масштабируем первые 8 радиальных элементов вдоль всего осевого направления на 1,15 и повторно нормализуем всю карту. Корректировка увеличивает важность первых 2,54 радиальных сантиметров в предсказанной наблюдаемой LS плотности. На Фиг.15a показаны кривые 1510 чувствительности на единицу радиуса (интегрированные по осевому направлению) для оригинальной и модифицированной SS комптоновской карты первого порядка. На Фиг.15b суммарная радиальная чувствительность показана кривой 1520, представляющей оригинальную SS комптоновскую карту, и кривой 1530, представляющей модифицированную SS комптоновскую карту. Для SS карты, которая состоит из положительных и отрицательных значений, мы масштабируем положительные элементы на 0,9 и повторно нормализуем карту. Эта модификация на первых 3,81 радиальных сантиметрах служит для акцентирования присутствия отрицательного выступа, увеличивая, таким образом, важность одиночных фотонов обратного рассеяния для SS отклика. На практике, выполнение этих корректировок является итеративным и эмпирическим; FF модель с не модифицированными картами подгоняется к базе данных, с последующими последовательными модификациями, с последующей подгонкой параметров, до тех пор, пока не будет получена приемлемая точность.

Коэффициенты FF модели выводятся методом наименьших квадратов, подходящих под точки данных метода Монте-Карло зазором в 3,81 см. Оптимизация модели для этого диапазона данных позволяет достичь компромисса между точностью на большом зазоре и поддержанием отличной производительности на зазорах от малого до его отсутствия, что является доминантной конфигурацией в LWD среде.

Таблица 2 содержит подобранные коэффициенты FF модели. Следует отметить, что для обоих детекторов комптоновский член первого порядка является доминантным, в то время, как вклад фотоэлектрического члена первого порядка считается как малая корректировка. В SS модели, сложность ее затухания и вклады одиночного рассеяния делают чувствительность второго порядка отдельных элементов (a ₄) гораздо более важными, чем для LS детектора. В обеих моделях подбор предполагает относительно малые значения для коэффициента a₃ перекрестных членов; это может быть интерпретировано как свидетельство того, что корреляция плотностных чувствительностей является слабой, или возможно, что предположение о полностью раздельных откликах детекторов является неправильным. В обоих случаях, показанная ниже точность прямой модели хорошая, что поддерживает существующую структуру.

Таблица 2
FF коэффициент	LS	SS
a1	0,9510±0,0037	0,7932±0,0100
a2	0,0029±0,0001	0,0066±0,0001
a3	0,0877±0,0121	-0,0197±0,0142
a4	-0,0409±0,0122	0,2375±0,0213
r0	2,0746±0,0032	2,0792±0,0077

Фиг.16a-b являются веерными диаграммами, сравнивающими калиброванные прогнозы FF модели с рассчитанными с помощью MCNP плотностями для двух детекторов, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. На Фиг.16a графики 1610 отображают наблюдаемую плотность дальнего расстояния относительно зазора для различных материалов формации и буровых растворов. Вложенный график на Фиг.16a показывает различные состояния, представленные веерными диаграммами на Фиг.16a и 16b. Окружности и сплошные линии, в случае 1630, представляют известняк с буровыми растворами из Таблицы 1. Квадраты и прерывистые линии, в случае 1640, представляют 30 pu песчаник с водным зазором. Треугольники и пунктирные линии, в случае 1650, представляют 40 pu известняк с 0 pu известняковым буровым раствором. Крестики и штрихпунктирные линии, в случае 1660, представляют магний с различными буровыми растворами. На Фиг.16b графики 1620 изображают наблюдаемые плотности ближней дистанции относительно зазора для различных материалов формации и буровых растворов. На всех этих графиках, экстремальный диапазон зазора в 10,16 см используется для разведки дальней производительности прямой модели, но критичный интересующий режим находится в зазоре менее 2,54 см. Наиболее дальние кривые являются кривыми для бурового раствора из пресной воды, которые сходятся к общей наблюдаемой плотности, и для известнякового бурового раствора, которые используются для исследования того, как модель будет работать с клиньями НА/HZ границей пласта. Простое монотонное поведение LS отклика наблюдается вследствие доминирования затухания фотонов множественного рассеяния, в то время как эффект от одиночного рассеяния в SS отклика является особенно чистым в водных кривых вблизи зазора в 3,81 см.

Фиг.17a-c являются графиками, суммирующими точность FF модели, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, взятыми просто как их разности по отношению к плотностям MCNP, на веерных диаграммах, показанных на Фиг.16a-b. График 1710 на Фиг.17a является графиком точности FF модели для детектора дальнего действия. График 1720 на Фиг.17b является графиком точности FF модели для детектора ближнего действия. Графики на Фиг.17a-c обрезаны на зазоре в 2,54 см для выделения верхнего предела реалистичных значений, для которых предназначена FF модель. В таких случаях, производительность модели является впечатляющей, с точностью электронной плотности в пределах 0,02 г/см³ для LS детектора, и 0,05 г/см³ для SS детектора. Различные типы буровых растворов перечислены в таблице 1722 на Фиг.17b. В дополнение, данные, изображенные на Фиг.17a-17c, представляют четыре различных материала формации: магний, 30 pu песчаник, известняк и 40 pu известняк.

Сравнение компенсированных плотностей может быть выполнено путем применения такого же полинома к FF плотностям, как выведенный при калибровке Монте-Карло. График 1730 на Фиг.17c показывает результирующий график точности. Точность находится в пределах 0,04 г/см ³ для всех реалистичных сценариев с зазором менее 2,54 см.

Фиг.18 собирает точность FF модели для всех случаев отсутствия зазора. Из графика 1810 можно видеть, что, исключая выбросы из бесконечного скважинного флюида, прямая модель является точной в пределах 0,02 г/см³ для всех наблюдаемых и скомпенсированных плотностей для этой коммерчески наиболее важной конфигурации. Таблица 3 суммирует полную точность для FF модели в сравнении с полной моделью по методу Монте-Карло, которая достигается за время расчета, меньшее на несколько порядков.

Таблица 3
Плотность	Точность, г/см3
	Зазор 2,54 см	Без зазора
LS	0,02	0,02
SS	0,05	0,02
Компенсированная	0,04	0,02

А теперь будет представлен сравнительный анализ в моделируемых НА/HZ скважинах. Основополагающей демонстрацией потенциала этой работы для инверсии модели является выполнение сравнительного анализа ее прогнозов с моделями Монте-Карло НА/HZ скважин. Делая так, мы генерируем базу данных, состоящую из каротажных данных плотностей и изображений толстослойных границ с большими углами падения.

Фиг.19 иллюстрирует геометрию, используемую для моделирования. Скважина 1920 проходит через подземную формацию породы, имеющую три различных слоя 1900, 1902 и 1904. Верхний слой 1900 имеет плотность ^upper и имеет бесконечную толщину. Нижний слой 1902 имеет плотность ^lower и имеет толщину 76,2 см. Гамма-гамма каротажный инструмент 1910 размещен в скважине 1920 и имеет источник 1916 гамма-излучения, детектор 1914 ближнего действия и детектор 1912 дальнего действия. Параметры базы данных скомпилированы в Таблице 4.

Таблица 4
	«Низкий контраст»	«Высокий контраст»
re upper[г/см3]/Pe	2,4960/1,74	2,9568/5,05
re lower[г/см3]/Pe	2,1111/1,54	2,0730/4,93
Зазор (вода)[см]	0, 1,905	0
Угол падения [градус]	80, 85, 89	0, 80, 85, 89
Азимутальная ориентация	Полное изображение	Только верхняя и нижняя диаграммы

База данных разделена на "низкоконтрастные" слои 10 pu и 35 pu песчаниковых формаций, для которых сгенерированы полные плотностные изображения, и "высококонтрастные" слои ангидрита и 30 pu газонаполненного известняка, для которых сгенерированы только простые каротажные диаграммы без зазора. Песчаниковые изображения состоят из азимутальных инкрементов вращения инструмента на 22,5° (на половине симметричной окружности) и разделены дополнительно на случаи без зазора или с водным зазором в 1,905 см у устья скважины. Все моделирования выполнялись с инкрементом в 2,54 см по реальной вертикальной глубине вблизи границ слоев. Полная база данных состоит из 2313 проходов Монте-Карло, каждый из которых требует 12 часов на процессоре 2,4 ГГц под управлением операционной системы Red Hat Linux. В противоположность этому, изображения размера и разрешения, обсужденных ниже, сгенерированы при помощи кода прямой модели менее чем за одну секунду, на шесть порядков быстрее, чем соответствующий проход Монте-Карло.

При оценке производительности в низкоконтрастных изображениях и каротажных диаграммах, мы сначала проверяли предсказания FF модели в НА/HZ сценариях без зазора.

Фиг.20a и 20b являются изображениями из метода Монте-Карло и FF модели, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, песчаниковых слоев с 80° углом падения и без зазора. Изображения 2010 компенсированной плотности на Фиг.20a взяты из двух граница песчаниковых слоев с использованием FF модели. Смоделированная геометрия имеет угол падения в 80° в обоих случаях. Измерения в забое скважины записывают сначала проход слоя, и движение инструмента через наклонную границу наблюдается как синусоидальное изменение с азимутальной ориентацией. Поскольку наша база данных сравнительного анализа построена на инкрементах реальной вертикальной глубины, изображения для больших углов падения выглядят очень похоже, за исключением того, что длина оси перемещения инструмента является растянутой для совпадения с большей синусоидальной амплитудой. При сравнении изображений на Фиг.20a и 20b наиболее значительным наблюдением является то, что они являются неразличимыми на глаз. Другие графики показаны ниже для раскрытия малых различий. Раздельные видимые плотности LS и SS детекторов также проверены ниже.

Возможность предсказания каротажных диаграмм и изображений с небольшим зазором является важным признаком FF модели. Каротажные диаграммы плотности получены из изображений путем построения графика изменения плотности в фиксированной ориентации. Мы изучили производительность FF в HA/HZ геометриях с водным зазором в 1,905 см в устье скважины в целях испытания верхней границы реалистичных зазоров.

Фиг.21a-c, 22a-c и 23a-c показывают каротажные диаграммы для LS, SS и компенсированных плотностей для угла падения в 80° и упомянутого выше зазора, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Фиг.21a-c являются каротажными диаграммами видимой LS плотности в песчаниковых слоях с углом падения в 80° и водным зазором в 1,905 см в устье скважины. Каротажные диаграммы 2110, 2120 и 2130 представляют измерения из низа, верха и боковой стороны инструмента, соответственно.

Фиг.22a-c являются каротажными диаграммами видимой SS плотности в песчаниковых слоях с углом падения в 80° и водным зазором в 1,905 см в устье скважины. Каротажные диаграммы 2210, 2220 и 2230 представляют измерения из низа, верха и боковой стороны инструмента, соответственно.

Фиг.23a-c являются каротажными диаграммами компенсированной плотности в песчаниковых слоях с углом падения в 80° и водным зазором в 1,905 см в устье скважины. Каротажные диаграммы 2310, 2320 и 2330 представляют измерения из низа, верха и боковой стороны инструмента, соответственно. В каждом чертеже оси плотностей зафиксированы с одинаковыми ограничениями и установлены для вмещения полного диапазона ориентаций инструмента с зазором и без зазора. Точность FF модели в одинаковых регионах с зазором и без зазора является отличной и хорошей в пределах верхних границ, полученных при начальной калибровке (0,02 г/см³ для LS, 0,05 г/см³ для SS). Чертежи явно показывают разности между прогнозами модели и метода Монте-Карло, с метками "ВП" и "НП", показывающими разности, усредненные по пяти точкам в каждом постоянном верхнем и нижнем регионах плотности. Точность регионов перехода также является хорошей и согласуется с результатами FF калибровка с зазором. В этом случае, переходы появляются как переменный клин из материала зазора высокой плотности. Размещение в переходных регионах также поддерживает корректную осевую зависимость карт чувствительности. FF модель является достаточно хорошей даже в прогнозировании "выбросов" плотности ближней дистанции в начале или конце переходных регионов, которые появляются вследствие добавления материала с высокой или низкой плотностью в одном регионе обратного рассеяния SS детектора. Мы можем, таким образом, заключить, что отрицательный выступ в SS комптоновской карте первого порядка является необходимым признаком модели. "Верхние" каротажные диаграммы видимой плотности ясно показывают влияние водного зазора, в особенности для SS случая. Переходы моделируются с тем же качеством, что и в регионах без зазора, и что выбросы вследствие SS отклика будут также захватываться FF прогнозами. "Нижняя" каротажная диаграмма для каждого чертежа является эффективно идентичной тем, что наблюдались бы при беззазорной геометрии. Следует отметить, касательно скорости вычисления, пространственная сеть для этой версии FF модели пренебрегает эффектом размера скважины в нижних каротажных диаграммах для скважин с любым реалистичным диаметром, но этот эффект может быть легко включен в более тонкую пространственную решетку. поскольку малое влияние скважины наследовано от вычислений MCNP, эти нижние каротажные диаграммы показывают, что наш подход является полностью достаточным.

Тяжело проверить каждый лог отдельно для каждой комбинации базы данных, и изображения не могут быть сравнены на глаз. Более полное сравнение производительности FF модели доступно по разности между FF моделью и изображениями Монте-Карло.

Фиг.24a является температурным графиком, показывающим разности изображений, которые соответствуют каротажным диаграммам компенсированной плотности на Фиг.23a-c. Разностные графики 2410 и 2420 иллюстрируют то, что регион перехода для каждой ориентации инструмента является источником незначительного отклонения, в то время как согласованность в однообразных регионах является отличной.

Фиг.24b является гистограммой полного распределения разностей, показанных на Фиг.24a. Гистограмма 2430 имеет среднее -0,008 г/см³ и среднеквадратичное отклонение в 0,017 г/см³. Эти значения демонстрируют, что FF модель является беспристрастной и точной в этой геометрии HA/HZ. Центральный пик показывает отличную согласованность в однообразных регионах, и короткие хвосты показывают точность переходов. Переходные разности находятся в пределах 0,05 г/см ³ для компенсированной плотности. Производительность FF модели является практически идентичной для больших углов падения, как это показано в таблице 5.

Таблица 5
Среднее/Вес [г/см3]	80° угол	85° угол	89° угол
Без зазора	LS	+0,002	0,006	+0,002	0,008	+0,002	0,012
SS	-0,009	0,026	-0,010	0,026	-0,009	0,027
Комп	+0,005	0,012	+0,005	0,011	+0,005	0,013
1,905 см водный зазор	LS	-0,006	0,010	-0,005	0,011	-0,005	0,013
SS	-0,004	0,023	-0,004	0,026	-0,004	0,028
Комп	-0,008	0,017	-0,007	0,017	-0,007	0,018

Таблица 5 показывает среднее и среднеквадратичное отклонение FF разности электронной плотности [г/см³] для всех изображений песчаниковых слоев, показывая беспристрастные и точные прогнозы. Производительность модели в большей степени не зависит от угла падения и зазора в этом диапазоне.

Простые каротажные диаграммы через границы ангидрита и пористого известняка были использованы для тестирования производительности модели в высококонтрастных НА/HZ переходах. Как описано в Таблице 4, эти верхние и нижние каротажные диаграммы сравнены для одинаковых углов падения, как песчаниковые слои, только для случая отсутствия зазора. Как ожидалось, однородные регионы имеют отличную точность в пределах диапазона, исследованного при калибровке FF модели и в песчаниковых слоях выше. Переходы имеют такое же качество, как отмечено ниже, с хорошо описанными с помощью модели SS выбросами. Подобно происходящему в песчаниковых слоях, эта производительность отражается во всех исследованных углах падения.

А теперь будут представлены дополнительные подробности применимости FF модели, наряду с выводом следующей версии быстрой и точной прямой модели для использования на местоположение рождении. Для оценки того, получит ли модель сравнимую точность в менее идеализированной среде, как в методе Монте-Карло, ее предсказания сравниваются с экспериментальными измерениями, проведенными с помощью экспериментального испытательного оборудования. Модель Монте-Карло сама по себе была предварительно сравнена с экспериментальными данными, и полное согласование результатов моделирования является достаточно хорошим для оправдания использования метода Монте-Карло для вывода карт чувствительности, показанных выше. Тем не менее, мы исследовали малые несоответствия, которые показывают необходимость использования специальной калибровки быстрой прямой модели для применения к экспериментальным данным. Таблица 6 перечисляет материалы формации и глинистые корки, которые содержит экспериментальная база данных. Полный набор данных включает в себя формации с диаметрами в 25,0825 см и 31,115 см. Однако мы использовали только подмножество с диаметром 25,0825 см для этой калибровки, потому что оно имеет наиболее полные данные. Данные для диаметра в 31,115 см используются позже для финального сравнения прямой модели. Дублирующиеся точки включены, если доступны, за исключением одной точки выброса. Как можно видеть на веерных диаграммах, обсужденных ниже, магний, песчаниковые формации и формации алюминиевого сплава комбинируются с различными глинистыми корками. Вследствие практических ограничений, максимально доступный зазор для 25,0825 см конфигурации скважины составляет 1,5875 см.

Таблица 6
Материал формации	Электронная плотность, г/см3	Pef
Магний	1,752	2,40
Песчаник Верия	2,355	2,04
Известняк 15 pu	2,471	4,78
Алюминиевый сплав	2,696	5,70
Известняк	2,711	5,08
Доломит	2,843	3,24
Диабаз	3,030	4,30
Хайкар резина	1,259	1,61
33,6% кварц	1,511	1,67
20% барит, 6,5% кварц	1,480	48,0
53% барит	1,847	141,5
30,5% барит, 30,5% кварц	1,887	74,0

В соответствии с вариантами осуществления изобретения, коэффициенты FF модели дополнительно модифицируются для соответствия экспериментальным данным. Как и при калибровке с Монте-Карло, новые LS и SS коэффициенты подобраны с учетом данных для зазора. Вследствие доступного здесь ограниченного диапазона, использованы все данные. Дополнительно, что касается наблюдаемого различия в пространственной чувствительности экспериментального отклика SS датчика, мы выполняем другую модификацию его комптоновской карты первого порядка. Как и прежде, мы пренебрегаем любым изменением в фотоэлектрических картах и комптоновских картах второго порядка. Все карты чувствительности для LS отклика остаются такими же, как показано и описано выше.

За модификацией SS карты следует та же процедура, что и до этого: мы масштабируем все положительные элементы радиальной чувствительности с помощью коэффициента, эффективно изменяющего важность первых 3,81 см, и затем мы повторно нормализуем всю карту. Ввиду того что для калибровки Монте-Карло масштабирующий коэффициент был равен 0,9, подчеркивая, таким образом, эффект отрицательного выступа, для экспериментальных данных предпочтителен коэффициент, который подавит этот регион одиночного рассеяния. Вследствие того что модель не очень чувствительна к коэффициентам, большим чем 1, и вследствие того что было бы нецелесообразно полностью подавлять отрицательный выступ, когда не будут доступными данные глубина-зазор, которые бы проверили эффект от этого, мы используем масштабирующий фактор 4.0 для экспериментальной FF модели.

Фиг.25a-b являются графиками, показывающими эффект от этих модификаций на радиальной чувствительности SS комптоновской карты первого порядка. На Фиг.25a кривая 2510 является чувствительностью на единицу радиуса (интегрированной в осевом направлении) для новой модифицированной SS комптоновской карты, наряду с кривыми для оригинальных и ранее модифицированных SS комптоновских карт. На Фиг.25b кривая 2520 является суммарной радиальной чувствительностью для новой модифицированной комптоновской карты, наряду с кривыми для оригинальных и ранее модифицированных SS комптоновских карт. Следует отметить, что экспериментально измененная модель подавляет отрицательный выступ, что учитывает одиночное обратное рассеяние.

Таблица 8 содержит подобранные FF коэффициенты для экспериментальной базы данных с включенной модифицированной SS картой. Также указаны относительные разности между этими параметрами и значениями из калибровки Монте-Карло. Изменение веса доминантной комптоновской компоненты составляет менее нескольких процентов, и что только значительные сдвиги имеются в малых коэффициентах корректирующих членов с большой неопределенностью. Фотоэлектрический член для LS отклика задан произвольно увеличенным весом.

Фиг.26a и 26b являются веерными диаграммами, сравнивающими предсказания экспериментальной FF модели с экспериментальными плотностями для LS (Фиг.26a) и SS (Фиг.26b) детекторов. На Фиг.26a кривые и связанные точки, произведенные из точки 2610, представляют алюминиево-медный сплав, кривые и связанные точки, произведенные из точки 2612, представляют песчаник Верии, и кривые и связанные точки, произведенные из точки 2614, представляют магний, все с различными глинистыми корками, описанными в Таблице 6. На Фиг.26b кривые и связанные точки, произведенные из точки 2620, представляют алюминиево-медный сплав, кривые и связанные точки, произведенные из точки 2622, представляют песчаник Верии, и кривые и связанные точки, произведенные из точки 2624, представляют магний, все с различными глинистыми корками, описанными в Таблице 6. Также наглядными являются связанные графики точности на Фиг.27a-c.

Фиг.27a-c являются графиками, суммирующими точность FF модели, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, взятыми в качестве из разностей относительно плотностей на веерных диаграммах, показанных на Фиг.26a-b.

Различные типы бурового раствора показаны символами в соответствии с графиком 2712. Более того, данные, выведенные на Фиг.27a-c, представляют различные материалы формации, а именно магний, песчаник Верии, и алюминиево-медный сплав. График 2710 на Фиг.27a показывает точность, которой точность LS достигает уровня 0,02 г/см ³, сравнимую с той, что достигается в начальной калибровке Монте-Карло. Каждый из LS и SS графиков содержит единственную точку выброса в 0,05 г/см³ и 0,15 г/см³ соответственно для зазора в 1,27 см с баритовым буровым раствором; эта экспериментальная точка также расходится с полным вычислением Монте-Карло, и мы считаем это нехарактерным выбросом. График 2720 на Фигю.27b показывает точность FF модели для детектора ближнего действия. SS результаты имеют зависящее от зазора небольшое отклонение, но точность находится в пределах 0,06 г/см³ , только чуть хуже, чем результаты Монте-Карло.

Таблица 8
FF коэффициент	LS	SS
Значение	[%]	Значение	[%]
a1	0,9411±0,0075	-1,0	0,7777±0,0166	-2,0
a 2	0,0040±0,0001	+39	0,0063±0,0003	-5,3
а 3	0,0732±0,0203	-17	-0,0696±0,0347	-253
a 4	-0,0522±0,0232	-28	0,2472±0,0386	+4,1
R 0	2,0879±0,0031	+0,6	2,1137±0,0086	+1,7

Производительность компенсированной плотности показана на графике 2730 на Фиг.27c, и она отражает поведение SS плотности, в котором компенсационный алгоритм откликается на малую неточность в SS прогнозе. Однако точность FF модели остается в пределах уровня в 0,03 г/м ³ для всех точек, немного лучше, чем начальная калибровка. Мы отмечаем, что для обеих версий FF модели наиболее затруднительной комбинацией является высококонтрастная граница между подобной известняку формацией и легким буровым раствором/водой; это согласуется с границами искажений нижележащим приближением прямой модели.

Фиг.28 является графиком, суммирующим беззазорную точность наблюдаемой и компенсированной плотностей, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. График 2810 показывает, что LS и компенсированная точности остаются отличными при 0,02 г/см³. SS точность немного ухудшается, так что мы можем заявлять точность только в 0,04 г/см³. Таблица 9 показывает полную точность финальной быстрой прямой модели в экспериментальной базе данных.

Таблица 9
Плотность	Точность, г/см3
	Зазор 1,5875 см	Без зазора
LS	0,02	0,02
SS	0,06	0,04
Компенсированная	0,03	0,02

А теперь будут представлены дополнительные подробности сравнительного анализа в независимых экспериментальных данных. В качестве финального теста FF модели, мы применили версию, калиброванную в экспериментальных данных скважины диаметром 25,0825 см, к независимому экспериментальному набору данных с формациями скважины диаметром 31,115 см. Набор данных для 31,115 см состоит из тех же трех главных формаций, что и первый набор данных, но он использует большие значения зазоров, которые начинаются с 1,905 см, который является максимумом для калибровочных данных. Это сравнение, таким образом, служит двум целям: упростить тестирование калиброванной модели на независимых данных и одновременно испытать производительность модели на более экстремальных зазорах, чем диапазон, для которого она оптимизирована.

Таблица 10
Плотность	Точность, г/см3
	Зазор 2,54 см	Без зазора
LS	0,02	0,02
SS	0,06	0,06
Компенсированная	0,04	0,02

Таблица 10 суммирует общую производительность экспериментальной FF модели на этом независимом наборе данных. Эти точности были извлечены из графика того же типа, что показаны в предыдущей подсекции. Несмотря на то, что доступны только ограниченные данные, для большей части точек измерения мы наблюдали, что точность модели сравнима с точностью, достигнутой в калибровочном образце, что само по себе только незначительно менее точно, чем идеальные расчеты Монте-Карло. В предлагаемых точностях для этой версии FF модели, мы комбинировали производительность в этих данных для большого зазора с производительностью в более реалистичном диапазоне зазора калибровочных данных.

В этом подробном описании, быстрая прямая (FF) модель была описана для плотностного гамма-гамма отклика таких инструментов, как инструмент EcoScope компании Schlumberger с 20,955 см стабилизатором. Модель основана на технике функций плотностной чувствительности, которые мы расширили до приближения второго порядка. Пространственно зависимые карты чувствительности принимают во внимание доминантные взаимодействия гамма-излучения комптоновского рассеяния и фотоэлектрической абсорбции, и структура второго порядка включает в себя корреляцию плотностных чувствительностей среди других пространственных элементов. В сравнении с простой линейной техникой, эта модель обеспечивает преимущества в точности, универсальности и простоте, с несущественными потерями в скорости вычислений. Большие плотностные изображения могут быть созданы за время порядка одной секунды, по меньшей мере, на четыре порядка быстрее, чем эквивалентный метод Монте-Карло.

Модель калибруется в полных моделях Монте-Карло для широкого диапазона формаций, скважинных флюидов и условий зазоров. Для значений зазора вплоть до 2,54 см, модель достигает точности в 0,02 г/см³ для наблюдаемой электронной плотности дальней дистанции (LS), 0,05 г/см³ для плотности ближней дистанции (SS), и 0,04 г/см³ для компенсированной плотности. Для условия без зазора, которое является наиболее частой LWD средой, точность FF модели находится в пределах 0,02 г/см³ для всех наблюдаемых и компенсированных плотностей. Модель сравнивалась с моделями Монте-Карло в различных скважинных геометриях с большим углом падения, включая возможность большого водяного зазора. Ожидаемая точность из калибровки подтверждена, и модель прогнозирует плотностной отклик в регионах границ пластов. Эти изображения ограниченного размера требуют менее одной секунды вычислительного времени.

Отдельная калибровка модели обеспечивается для использования с экспериментальными данными. Сравнение модели Монте-Карло с реальными данными из экспериментального оборудования показывает, что другая версия FF модели подтверждается. FF модель калибрована на экспериментальной базе данных и протестирована на независимых данных. Модель достигает общей точности в 0,02 и 0,04 г/см³ для LS и компенсированной плотности соответственно, близко к начальной производительности в Монте-Карло. Точность SS плотности немного ухудшается до 0,06 г/см³ для обоих случаев с зазором и без зазора глинистой корки. В комбинации с фреймворком инверсирования модели, который обеспечивает предположения геометрии и состава формации, модель является полезной для интерпретации каротажных диаграмм в среде с сильно отклоняющимися скважинами. Следуя обсужденной здесь процедуре, быстрая прямая модель второго порядка может быть адаптирована для любого плотностного гамма-гамма инструмента.

На основании начального предположения о геометрии и составе формации, фреймворк инверсирования может использовать модель, которая является и быстрой и точной для прогнозирования отклика инструмента и сравнения его с реальным измеренным откликом инструмента для набора данных, состоящих из того же диапазона позиций и/или ориентаций. Если прогнозы и измерения не совпадают, заданная геометрия и параметры состава могут быть изменены в заранее определенных реалистичных пределах. Для каждой такой итерации должны быть рассчитаны новые прогнозы для отклика инструмента. Если система сойдется после некоторого числа итераций, разность между спрогнозированным и измеренным наборами данных должна стать меньше, чем заранее установленный порог, и процесс инверсии может считаться завершенным. Геометрия и состав формации, предполагаемые для финального шага, являются решением для инверсии. Скорость и точность прямой модели являются основными в том, что эти факторы определяют, как быстро система сойдется и насколько точным будет финальный ответ.

Поскольку много изменений и модификаций настоящего изобретения без сомнения станут понятны специалисту в данной области техники после прочтения приведенного выше описания, следует понимать, что конкретные варианты осуществления изобретения, показанные и описанные в качестве иллюстрации, никоим образом не предназначены для его ограничения. Более того, изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, но вариации в пределах сущности и объема изобретения станут понятны специалистам в данной области техники. Следует отметить, что приведенные выше примеры были представлены исключительно в целях объяснения и никоим образом не подразумевают ограничение настоящего изобретения. Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что слова, которые были использованы здесь, являются словами описания и иллюстрации, а не словами ограничения. Изменения могут быть сделаны в пределах прилагаемой формулы изобретения, как было определено и со всеми исправлениями, без выхода за пределы объема и сущности настоящего изобретения в его аспектах. Несмотря на то что настоящее изобретение было описано здесь со ссылкой на конкретное средство, материалы и варианты осуществления, настоящее изобретение не предназначено быть ограниченным раскрытыми здесь подробностями; точнее, настоящее изобретение расширяется до всех функционально эквивалентных структур, способов и использований, находящихся в объеме прилагаемой формулы изобретения.