CN100365439C - 用侵入确定各向同性和各向异性岩层电阻率的设备 - Google Patents

Abstract

测井工具包括：工具体；包括单根天线的设置在工具体上的简单发送器；四个简单接收器，每一个包括，单根天线设置在工具体上且与简单发送器相间隔以形成四个阵列；和电子模块，用于控制四个阵列的工作，其中将简单发送器配置为生成具有横向分量的磁场，其中四个简单接收器中的每一个对由简单发送器所生成的磁场敏感，且四个简单接收器中的至少一个对由简单发送器所生成的磁场的横向分量敏感，且其中将四个阵列设置为在至少3个勘测深度提供测量值。

Description

用侵入确定各向同性和各向异性岩层电阻率的设备

交叉引用的相关申请

该申请要求2003年10月27日提交的美国临时专利申请序列号60/514720的优先权。该临时申请被作为参考整体引入。

技术领域

本发明通常涉及测井领域，更特别地，本发明涉及用于测量具有各向异性和/或侵入的岩层的电特性的工具和方法。

背景技术

多年来，在存在可能已侵入岩层的钻孔液体时，一直将感应工具用于测量钻孔周围的地质岩层电阻率。感应测井工具通过响应于AC发送器信号而在岩层中感生的涡流来测量岩层的电阻率(或相反，导电率)。涡流感生次级磁场，其反过来在接收器天线中感生电压。由于涡流的大小取决于岩层的导电率，从而接收信号的大小反映了岩层导电率。

典型的感应工具包括至少两个感应阵列，其在发送器和接收器之间具有用于不同勘测深度(DOI)的不同间隔。该工具的一个例子由Tanguy提出的美国专利3067383公开。该工具的最小配置包括用于在两个不同DOI处测量的两个线圈阵列：深阵列(ILD)和中间阵列(ILM)。将深阵列设计成在泥浆侵入区之外“观察”以提供岩层真电阻率(R_t)。然而，为了确定钻井液所侵入岩层的最小参数(被侵入区域电阻率R_XO，未被侵入区域电阻率R_t和侵入半径R_i)，至少需要在不同勘测深度处进行三次测量。历史上通过聚焦电极阵列提供第三测量(浅测量)。在Tanguy提出的美国专利3329889中公开了这样一种工具。浅电极测量连同感应阵列所提供的中间(ILM)和深(ILD)测量为解答具有简单侵入剖面的岩层中的岩层电阻率提供了充分的数据。在侵入剖面复杂、例如不止一个具有不同电阻率的区域环绕着钻孔时，该工具并不能为岩层性质的确定提供充分的数据。

因此，已将多阵列工具引入以确定具有更复杂侵入剖面的岩层中的岩层电阻率。多阵列工具的例子包括Hunka等人于1990年9月23-26日在NewOrleans，LA举办的第65届SPE年度技术大会和博览会上发表的论文SPE20559“A New Resistivity Measurement Syestem for Deep Formation Imaging and High-resolution Formation Evaluation”和Chandler等人提出的美国专利5157605中公开的那些工具。在发送器和接收器之间具有不同间隔的多阵列可在不同勘测深度(DOI)处提供测量。因此，当在不同的层发生不同程度(半径)的泥浆侵入时，该工具仍可提供用于解答岩层电特性的充分数据。

除了泥浆侵入，岩层各向异性也可使得电阻率记录及整理分析变得复杂。岩层各向异性由岩层的天然沉积的方式产生。包含碳氢化合物的岩层通常在岩层电阻率上呈现出各向异性。在这种岩层中，在与层面相平行方向上的水平导电率σ_h(或电阻率，R_h)不同于与层面相垂直方向上的垂直导电率σ_v(或电阻率，R_v)。在交错层的储层中，各向异性的电阻率可由不同于那些与岩层平行和垂直的两个方向来更好地定义。为了清楚地解释，本说明书使用了广义上的“水平”和“垂直”以描述各向异性电阻率的两个正交方向，而未考虑这些方向实际上是否与岩层面平行或垂直。可以通过在测井分析中所使用的反演法、例如将在附图9中描述的方法得出实际方向。

常规的感应测井工具，例如上述的那些工具，具有以如此方式设置的发送器和接收器，以使其磁偶极子与工具的纵向轴位于同一直线上。这些纵向感应阵列工具在与工具纵向轴垂直的回路中感生涡流。因此，这些工具仅仅对岩层的水平导电率敏感；它们无法提供垂直导电率(或电阻率)或各向异性的测量。

为了测量垂直导电率或各向异性，新的EM感应或传播仪器通常包括发送器和/或接收器天线，该发送器和/或接收器天线具有基本上垂直于仪器轴的磁偶极子。这些具有横向感应阵列的工具对于岩层电阻率各向异性具有良好的敏感度。例如，参见Moran和Gianzero，“Effects of Formation Anisotropy onResistivity Logging Measurements，”Geophysics，44，1266-1286(1979)。横向感应阵列工具包括三轴阵列工具，其包括三个正交的发送器线圈和三个相同正交方向上的接收器线圈。操作中，将三轴发送器沿三个正交方向充能，接着由排列在三个相同正交方向上的单个接收器线圈测量由周围岩层中流动的涡流所感生的电压。三轴工具的例子，例如可在Huston提出的美国专利3510757，Forgang等人的5781436，Desbrandes的3609521，Segesman的4360777，Kriegshaeuser等人的6553314中找到。只要岩层未被侵入或侵入深度较浅，这些三轴阵列感应工具就可以确定岩层的各向异性电阻率。

尽管某些现有技术中的工具能够测量具有复杂侵入剖面的岩层的电阻率且其他的适用于具备各向异性的岩层，但是需要在先了解岩层的类型以选择合适的工具。因此人们希望可利用EM感应或传播测井工具在不预先了解岩层的各向异性和/或侵入的情况下提供岩层电阻率的可靠测量。

发明内容

一方面，本发明的实施例涉及测井工具。根据本发明的一个实施例的测井工具包括：工具体；包含单根天线的设置在工具体上的简单发送器；四个简单接收器，每一个包括单根天线设置在工具体上，且与简单发送器相隔开以形成四个阵列；和用于控制四个阵列工作的电子模块，其中将简单发送器配置为生成包含横向分量的磁场，其中四个简单接收器的每一个对简单发送器所生成的磁场敏感，且四个简单接收器中的至少一个对简单发送器所生成的磁场的横向分量敏感，且其中配置四个阵列以在至少三个勘测深度处提供测量。

根据本发明的另一实施例的测井工具包括：工具体；设置在工具体上的包含两根天线的发送器，其中将两根天线设置为不同的朝向；两个简单接收器，每一个包含单根天线，设置在工具体上且与发送器相隔开；第三接收器，包含两根天线，设置在工具体上且与发送器和两个简单接收器相隔开；和用于控制由发送器和两个简单接收器和第三接收器所形成的四个阵列工作的电子模块，其中配置发送器中两根天线的至少一个以生成具有横向分量的磁场，其中第三接收器的两根天线中的至少一个响应于由发送器所生成的磁场的横向分量，且其中配置四个阵列以在至少三个勘测深度处提供测量。

根据本发明的另一实施例的测井工具包括工具体；设置在工具体上的包含三根天线的发送器，其中三根天线沿三个不同的方向设置；设置在工具体上的两个简单接收器，每一个包含单根天线，其中两个简单接收器中的每一个与发送器相间隔；设置在工具体上且与发送器和两个简单接收器相间隔的第三接收器，其中第三接收器包含被设置为与发送器的三根天线的三个不同方向基本上相同的三个方向上的三根天线；和用于控制发送器、两个简单接收器和第三接收器工作的电子模块，其中将发送器和两个简单接收器及第三接收器形成的阵列配置为在至少三个勘测深度处提供测量。

根据本发明另一实施例的测井工具包括：工具体；设置在工具体上的发送器，其中配置发送器以生成具有横向分量的磁场；设置在工具体上且与发送器相间隔的四个接收器；和用于控制发送器和四个接收器工作的电子模块，其中四个接收器中的每一个响应于发送器生成的磁场，其中四个接收器中的至少一个响应于发送器所生成的磁场的横向分量，且其中发送器和四个接收器所形成的阵列提供至少3个勘测深度。

另一方面，本发明的实施例涉及用于测井的方法。根据本发明的一个实施例的用于测井的方法包括：将测井工具布置在穿透岩层的钻孔中；获得多个岩层电阻率的测量值，其中多个测量值覆盖至少3个不同的勘测深度且多个测量值中的至少一个对岩层各向异性敏感；且基于多个测量值确定岩层的电特性。

附图说明

附图1示出了现有技术的测井系统。

附图2示出了根据本发明的一个实施例的测井工具。

附图3示出了包含三轴向发送器、三轴向屏蔽接收器和三轴向接收器的三轴向天线阵列。

附图4示出了根据本发明的一个实施例如附图2所示的工具的半径响应。

附图5示出了泥浆侵入及各向异性对于由72英寸三轴向阵列所获得的真实(R)和积分(X)信号的影响。

附图6示出了根据本发明的一个实施例的测井工具。

附图7示出了根据本发明的一个实施例如附图6所示的工具的半径响应。

附图8中示出了根据本发明的一个实施例的测井工具。

附图9中示出了从利用根据本发明的一个实施例的工具而获得的测井数据中得出岩层电阻率的方法。

附图10中示出了可与根据本发明的一个实施例的方法一起使用的1D岩层模型。

附图11示出了可与根据本发明的一个实施例的方法一起使用的2D岩层模型。

附图12示出了可与根据本发明的一个实施例的方法一起使用的3D岩层模型。

附图13示出了倾斜天线磁矩的轴向及横向分量的简图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及用于确定具有泥浆侵入和/或各向异性的岩层的电特性的设备及方法。为了解答具有侵入的岩层的电特性(R_xo，r_i，和R_t)，需要不同DOI处的三个测量值。如果岩层同时具有各向异性，则需要另外一个对各向异性敏感的测量值(例如，横向测量值)。因此最少需要四次测量以解答具有侵入和各向异性的岩层。这4次测量应该在至少3个不同的DOI处获得且四次测量中的至少一个应对岩层的各向异性敏感。四次测量可以为以下的组合中任一：(1)三次轴向测量和一次横向测量；(2)两次轴向测量和两次横向测量；(3)一次轴向测量和三次横向测量；和(4)四次横向测量。

如文中所使用的，“轴向”意味着与工具的纵向轴相平行的方向，且“横向”意味着与工具的纵向轴垂直的方向。由此，“轴向”天线(发送器或接收器)是指具有与工具纵向轴相平行的磁矩的线圈，同时“横向”天线(发送器或接收器)是指具有与工具纵向轴相垂直的磁矩的线圈。倾斜天线具有既不垂直也不平行于工具的纵向轴的磁矩。然而，倾斜天线的磁矩可以被分解为轴向分量和横向分量(参见附图13)。换句话说，倾斜天线所生成的磁场包括横向分量和轴向分量。本发明的实施例可能需要使用轴向接收器或横向接收器。在这些情况下，倾斜天线可以替代地用于提供轴向分量或横向分量。因此，在本说明书中使用常用术语“轴向-分量”接收器以表示具有包含轴向分量的磁矩的接收器，且使用“横向-分量”接收器以表示具有包含横向分量的磁矩的接收器。从而，“轴向分量”接收器可包括轴向天线或倾斜天线，且“横向-分量”接收器可包括横向天线、倾斜天线、或三轴天线。一个发送器和一个接收器形成一个阵列。在一些实施例中，阵列进一步包括屏蔽接收器以减少或消除发送器和接收器之间的相互耦合。因此“轴向-分量”阵列表示包含发送器和接收器的阵列，每一发送器和接收器具有包含轴向分量的磁矩，和“横向-分量”阵列表示包含发送器和接收器的阵列，每一发送器和接收器具有包含横向分量的磁矩。

相应地，可以利用轴向阵列或轴向-分量阵列获得轴向测量值，和可以利用横向阵列或横向分量阵列获得横向测量值。例如，可将使用倾斜阵列所获得的测量值分解为轴向分量测量值和横向分量测量值。

如以下将要描述的，可以将本发明的工具中的任一轴向阵列(或轴向-分量阵列)替换为电极设备。因此，可以将上述任一或全部轴向测量值替换为电极(电流)测量值。本发明的实施例可以使用本技术领域中所知的任何电极设备，包括按钮电极，环电极，和超环面电极。本领域普通技术人员将可理解电极设备包括电流注入器和用于探测回流至工具的电流的传感器。在本说明书中，“电极”被广义地使用以表示电极设备而并不限定于任一特定类型的电极设备。应注意，四个测量值表示用于解答具有简单侵入剖面(例如具有固定电阻率的单个被侵入区域)和简单各向异性(例如已知各向异性的方向)的岩层的电特性的最小需求。在具有更复杂的侵入和/或各向异性的岩层中，将需要更多的测量值。

从而，根据本发明实施例的电阻率测井工具可以提供至少四个测量值，其包括至少3个位于不同DOI的测量值和至少一个对各向异性敏感的测量值。一些工具配置能够提供这些测量值。简单的工具配置，例如可以包括一个共用发送器、三个轴向-分量接收器和一个横向-分量接收器。每一接收器和共用发送器构成一个阵列。因此该简单工具配置包括三个轴向-分量阵列和一个横向-分量阵列。由于共用发送器需要在轴向-分量阵列和横向-分量阵列中工作，因此其包含两个线圈-一轴向线圈(天线)和横向线圈。可替代地，发送器可以为倾斜天线，其在磁矩中包含轴向分量和横向分量。应注意共用发送器也可以为三轴天线。优选地在发送器中的横向分量的磁矩优选地与横向接收器中的磁矩方向相同；然而当将它们投射在横向平面上时，可形成一角度(除了90°之外，非正交的)。横向平面是垂直于工具纵向轴的平面。

本说明书中广义地使用了“三轴”天线(发送器或接收器)以表示三个沿三个非共面方向设置的天线，其可以为或不为相互正交。如果这些天线不互相正交，那么它们的磁矩可以被分解为三个正交分量。在优选实施例中，三轴向发送器或接收器内的三根天线沿正交方向设置。在更优选的实施例中，三轴向发送器或接收器中三根正交天线中的一根在与工具的纵向轴基本上成一条直线的方向上。在这种情况下，三轴向发送器或接收器包括一根纵向天线和两根横向天线。

虽然本发明的优选实施例包括三轴向发送器和接收器的使用，在一些情况下，仅仅需要横向或倾斜发送器和接收器。例如，如果各向异性的方向未知，则可能需要全部的三轴测量。另一方面，在简单的情况下，其中各向异性的方向是已知的，则仅需要做横向测量。在本说明中，“发送器”和“接收器”被用于描述天线/线圈的不同功能，看起来有不同类型的线圈。这仅仅为了阐释的清晰。发送器线圈和接收器线圈具有相同的物理特征，且本领域普通技术人员可以理解应用互易原理且一个天线/线圈可以一时被用作发送器，而另一时被用作接收器。从而工具中发送器和接收器的任何详细说明应当被解释为包含补充配置，其中可以将“发送器”和“接收器”进行转换。进一步地，在本说明书中“发送器”或“接收器”被广义地使用且可以包括一个单线圈，两个线圈，或三个线圈。如果需要单线圈“发送器”或“接收器”，那么其将被称为“简单发送器”或“简单接收器”。

图1示出了典型测井系统的简图。为了清晰地阐述，某些常规细节在附图1中被省略。测井系统100包括适宜于可移动地通过钻孔的测井工具105。将测井工具105通过电缆115(或钻柱)连接至表面仪器110。尽管已示出电缆工具，但本领域技术人员可以理解本发明的实施例可以通过电缆或同时-钻孔(LWD或MWD)操作实现。该表面仪器110可以包括计算机。根据本发明的实施例，测井工具105装备有至少3个天线阵列以用于在存在侵入和/或各向异性时确定岩层电阻率。

如上所述，为了确定径向不均匀的岩层的电特性(例如，被钻井液侵入或固有的不均匀)，需要在多个(例如三个)勘测深度处(DOI)的测量值。根据本发明实施例的工具可包括多个天线阵列以提供至少3个在不同的DOI处的测量值和至少一个对各向异性敏感的测量值。多个天线阵列中的大部分可以为轴向阵列。然而，它们中的至少一个应该为具有横向分量的阵列，即三轴向的，倾斜的，或横向阵列。清楚起见，下面的说明将使用三轴向阵列(发送器或接收器)以阐释本发明的实施例。本领域普通技术人员将可以理解可以使用其他具有横向分量的发送器或接收器(例如，倾斜的或横向发送器或接收器)以替代三轴向发送器或接收器。

根据本发明的一个实施例，测井工具包括至少三个天线阵列且该至少3个天线阵列中的至少一个响应于发送器(例如，三轴向的、倾斜的、或横向阵列)所生成的磁场的横向分量。该至少一个三轴向的、倾斜的、或横向阵列提供可被用于得出岩层各向异性特性即R_h，R_v和各向异性系数(λ)的测量值。该工具的一个例子如附图2中所示。

附图2示出了感应或传播工具200。应注意可以将本发明的实施例用作感应工具或传播工具。由于这两种类型工具之间的不同与本发明关系不大，因此下面的说明将使用广义上的“感应”工具以同时称呼“感应”和“传播”工具。如所示，感应工具200包括电子模块201和心轴202，在心轴上设置有一系列天线。电子模块201包括用于控制信号以给发送器充能和通过接收器控制信号(电压)获取的元件。此外，电子模块可包括处理器和/或存储器。存储器可以存储用于进行测井操作和数据处理的程序。工具200还包括设置在多根天线上的保护性壳体(未示出)。感应工具200包括一个三轴向发送器210T，二个轴向接收器221m和222m，和一个三轴向接收器231m。将每一接收器与相应的屏蔽接收器221b，222b和231b分别耦合。在符号中，后缀“b”表示天线(线圈)作为屏蔽接收器起作用，和后缀“m”表示天线(线圈)作为主接收器天线起作用。屏蔽接收器的作用是减少或消除发送器和接收器之间的相互耦合。

共用三轴向发送器210T，二个轴向接收器221m和222m，和两个屏蔽接收器221b和222b共同形成了两个轴向阵列，同时共用三轴向发送器210T，三轴向接收器231m和三轴向屏蔽接收器231b共同形成了三轴向阵列。如上所述，“三轴向”发送器或接收器包括三个线圈，该三个线圈的磁矩朝向非共面的方向，包括正交方向。此外，可以将该例中的“三轴向”发送器或接收器替换为倾斜发送器或接收器。一个阵列，无论是轴向还是三轴向的，包括一个发送器和一个接收器。在优选实施例中，阵列进一步包括屏蔽线圈/接收器。在本说明书中，“屏蔽接收器”用于指广义上的屏蔽线圈、例如单线圈(轴向)或三线圈(三轴向)屏蔽接收器。对于轴向接收器，屏蔽接收器包括沿与接收器线圈的缠绕方向相反的方向缠绕的轴向线圈。对于三轴向接收器，屏蔽接收器(即，三轴向屏蔽接收器)由三个沿与相应接收器线圈相同定向、但是相反方向缠绕的线圈构成。

附图3示出了例示性三轴向阵列300，包括三轴向发送器301，三轴向屏蔽接收器302，和三轴向接收器303。尽管已示出协同定位的线圈，但是本领域普通技术人员将理解本发明的实施例并不需要将三轴向天线协同定位。协同定位意味着三个线圈的中心基本上位于相同位置。三轴向发送器301包括三个具有朝向正交方向(x，y，z)的磁偶极子(M_x ^T，M_y ^T，M_z ^T)的线圈。三轴向接收器303包括三个具有朝向相同正交方向(x，y，z)的磁偶极子(M_x ^R，M_y ^R，M_z ^R)的线圈。三轴向屏蔽接收器302包括三个具有朝向与发送器301和接收器303的正交方向相反的正交方向(-x，-y，-z)的磁偶极子(M_x ^B，M_y ^B，M_z ^B)的线圈。本领域普通技术人员将理解屏蔽接收器应当放在发送器和接收器之间。如所示，将屏蔽接收器302设置在距离发送器301为L_B的地方。距离L_B小于发送器301和接收器303之间的距离(L_R)。本领域普通技术人员将认识到用于本发明实施例的三轴向阵列不必为“正交”三轴向阵列。而且，使用多个发送器和/或多个接收器线圈的更复杂的设置也都可以用于轴向和三轴向感应阵列。

应该选择屏蔽线圈的精确位置和匝数以最大化地消除发送器和接收器之间的相互耦合。美国专利5157605中所公开的例子包括设置在发送器和接收器中点的屏蔽接收器。在该配置中，屏蔽线圈中导线的匝数为接收器线圈的导线匝数的1/8。

附图2所示的感应工具200包括两个轴向阵列和一个三轴向阵列。这表示了一个能为具有侵入和各向异性的岩层提供电阻率估计的感应工具的例子。在操作中，通过在其中通过交流电信号将三轴向发送器210T充电且记录每一阵列中接收器所接收的电压。可以将三轴向发送器中的三根天线在不同的时间(时间复用)或在不同的频率(频率复用)下进行充能从而可以区分接收器所记录的响应。

除了用于信号识别的时间复用或频率复用之外，三轴向发送器110T优选在不止一个频率下操作以提供不止一组的测量值用于数据处理。可以将来自两个或更多频率的测量值例如用于减少集肤效应和/或集中DOI，如Chandler等人提出的美国专利5157605中所公开的。该专利已转让给本发明的受让人并整体引入作为参考。感应工具的工作频率优选在5至200kHZ范围内。在一些实施例中，根据本发明的感应工具在两个频率、例如大约26kHZ和大约13kHZ下操作。需要较低的频率(相对于常规的、工作在高达几百kHZ的感应工具)是由于横向天线或阵列上更大的集肤效应。对于传播工具，工作频率优选在100kHZ至2MHZ的范围内。在一些优选实施例中，传播工具在两个频率、例如大约400KHZ和大约2MHZ下工作。

将这些阵列中的接收器设置在距共用三轴向发送器110T不同的距离上。发送器和接收器之间不同的间隔(L1，L2和L3)提供了不同的勘测深度(DOI)，即由井孔至岩层的不同距离。由于集肤效应在EM测井中是发送器频率的函数，因此能够通过改变发送器的工作频率而不是不同的发送器-接收器间隔来获得不同的DOI。在本发明的一些实施例中，通过在多个频率下操作轴向、横向或三轴向阵列实现不同的DOI。感应或传播阵列的勘测深度通常被限定为积分径向响应的中点。本领域普通技术人员将理解阵列的径向响应在其他因素中取决于发送器和接收器之间的间隔。

附图4示出了附图2中工具200内的多个阵列的径向几何因素。曲线421和422分别表示两个轴向接收器221m和222m的几何因素，同时曲线431a和431t分别表示三轴向接收器231m的轴向分量和横向分量。显而易见地是，短阵列(轴向阵列)在近井孔区域具有更大的响应。可以将来自短阵列的测量值用于矫正钻孔效应和/或得出被侵入区的电阻率。长阵列(三轴向阵列)更能响应于远离井孔的岩层区域(参见曲线431a和431t)。轴向分量(431a)能与两个轴向测量值相结合以得出各向同性岩层中的岩层电阻率特性(R_XO，r_i，和R_t)。在各向异性岩层中，可以包含横向分量(曲线431t)以提供水平电阻率(R_h)，垂直电阻率(R_v)，和各向异性系数(λ)。因此，工具200能够不管泥浆侵入和/或各向异性而提供可靠的岩层电阻率估计值。

附图2示出了根据本发明实施例的工具配置的一个例子。本领域普通技术人员将理解其他改变也是可能的。例如，工具可以包括第三轴向阵列从而为求解侵入剖面所需的三个不同的DOI测量值并不依靠三轴向阵列的轴向分量。另一工具配置可包括一个单横向或三轴向阵列和一个单轴向阵列，例如附图2中没有屏蔽接收器222b和主接收器222m的工具200。在这种情况下，可以使用不同的工作频率以获得在不同DOI处的测量值。在附图2中，第一轴向接收器221m和第二屏蔽接收器222b如图所示在心轴202上的相同位置处被共同缠绕。在一些实施例中，这些线圈不一定被共同缠绕且可以被设置在沿心轴202的不同的轴向位置上。此外，可以将轴向阵列中的一个(例如包括接收器221m的一个)替换为电极设备以提供近井孔电阻率测量值。已知在某些情况下(例如不规则的钻孔或导电钻孔流体和电阻层之间非常高的电阻率差别)，电极设备能够比感应阵列提供更可靠的测量值。

附图2中所示的工具可以提供足够的测量值以确定岩层的电特性，其中侵入区域为各向同性的。在各向异性岩层中泥浆渗透侵入可以使被侵入区域变为各向同性的。然而，如果侵入并未消除各向异性，则被侵入区域的水平(R_XO，h)和垂直(R_XO，v)电阻率将会不同。附图5中示出了甚至在侵入区域进入岩层100英寸或更多时，各向异性仍然可被检测到。附图5中的结果来自于对具有与Schlumberger技术公司(Houston，TX)所销售的商标为AIT^TM的阵列感应工具的72-英寸阵列相同的间隔的XX横向信号的模拟。岩层具有1,000mS/m的水平导电率(σ_h)且被侵入区域具有100mS/m的导电率(σ_x0)。模拟了R_v/R_h＝1，2，5，10和50时的五种情况，且将同步信号(σ-R)和积分信号(σ-X)都作为侵入半径的函数给出。

附图5清晰地示出了甚至在侵入达到100英寸以上时侵入也并未完全消除对岩层各向异性的敏感性。例如，曲线51R和51X，其表示R_v/R_h＝1时的同步(σ-R)和积分信号(σ-X)，与表示R_v/R_h＝2时的同步(σ-R)和积分信号(σ-X)的曲线52R和52X非常不同。这些结果清楚地表明各向异性可以保留在被侵入区，且被侵入区可用各向同性电阻率(R_xo)表征的通用假定不一定成立。

从而，为了完全地表征岩层特性，而不考虑侵入或各向异性，可能需要不止一个横向或三轴向阵列。附图6示出了根据本发明实施例的另一个感应或传播工具。感应工具600包括两个轴向阵列和6个三轴向阵列，即比附图2的感应工具200多5个三轴向阵列。感应或传播工具600包括电子模块601和心轴602，在心轴上设置有一系列天线。感应或传播工具600还包括设置在多根天线上的保护性壳体(未示出)。两个轴向阵列包括共用三轴向发送器610T，三个屏蔽接收器621b，622b，和三个轴向接收器621m，622m，同时6个三轴向阵列包括共用三轴向发送器610T，6个屏蔽接收器631b-636b，和6个三轴向接收器631m-636m。该实施例包括两个轴向阵列。从而一个三轴向阵列的轴向分量被用于提供第三轴向测量值，连同由两个轴向阵列获得的另两组轴向测量值，提供三个不同DOI处的测量值以确定侵入剖面。

如附图6所示，将屏蔽接收器622b与接收器621m一起缠绕。相似地，6个三轴向阵列包括一系列一起缠绕的屏蔽和接收器天线。这些一起缠绕的天线仅用于说明。本发明的实施例可使用一起缠绕的天线或不一起缠绕的天线。如果将一个阵列的屏蔽接收器和一个更短阵列的主接收器线圈一起缠绕，那么可以将其一起缠绕在由陶器或其他合适材料制成的线筒上。在一起缠绕的配置中，将阵列如此设置从而阵列n的主接收器线圈与阵列n+1的互平衡(屏蔽)线圈在近似相同的轴向位置上。例如，用于主接收器623m的屏蔽接收器623b与主接收器622m一起缠绕在附图6中的同一线筒上。Orban等人提出的美国专利5668475中包括一起缠绕的屏蔽-主接收器线圈的详细描述。该专利被转让给本发明的受让人且被整体引入以作为参考。

本领域普通技术人员将理解可以选择多个轴向阵列和三轴向阵列的间隔以提供所要求的勘测深度(DOI)。一个多个间隔的例子在附图6中示出，其中将两个轴向阵列中的接收器设置为离共用三轴向发送器310T6和9英寸，和将六个三轴向阵列中的接收器设置为离共用三轴向发送器310T15，21，27，39，54和72英寸。应注意这仅为一个例子。本领域普通技术人员将理解可以改变这些间隔以获得所要求的DOI。此外，可以将发送器和三轴向及轴向接收器的相对位置改变。即发送器不需要位于工具部分(工具体)的顶部，三轴向接收器不需要位于比轴向接收器离发送器更长的间隔上。

轴向阵列(短阵列)的较短间隔(6和9英寸)允许这些短阵列测量钻孔附近的电阻率，如附图7中其径向几何因素(曲线721，722)所显而易见的。可以将近井孔测量用于矫正由长阵列所造成的测量中的钻孔效应。此外，可将短阵列测量用于得出被侵入区域的电阻率R_xo。此外，发送器的横向线圈和较短阵列接收器的轴向线圈之间的耦合可以提供关于钻孔尺寸和钻孔中工具位置的信息，这对于矫正钻孔效应非常有用。

设计位于更长间隔的三轴向阵列以在进入岩层的不同距离处勘测，如附图7所示的径向几何因素(曲线731-736)所显而易见的。在一系列至钻孔的径向距离上进行三轴向测量使得在得出侵入和非侵入区中的各向异性电阻率成为可能。从而，附图6所示的感应或传播工具600在无须考虑侵入和/或各向异性的情况下能够提供可靠的岩层电阻率测量。

如上所述，根据本发明的一些实施例的工具配置包括三个阵列，其中至少一个响应于由发送器(例如，倾斜的或三轴向阵列)所生成的磁场的横向分量。附图2中示出了一个例子。附图6中示出了感应或传播工具600，与附图2中的工具200比较，包括另外的三轴向阵列。以相似的方式，可以将另外的轴向阵列添加至附图2中工具200的配置中。附图8中示出了这样一个例子。

附图8示出了感应或传播工具800，包括电子模块801和心轴802，在心轴上设置有天线阵列。还包括保护性壳体(未示出)以保护天线阵列。如所示，感应或传播工具800包括7个轴向阵列和一个三轴向阵列。即，感应或传播工具800与附图2中所示的工具200相比，包括5个另外的轴向阵列。即使侵入半径在每一层都不同时另外的轴向阵列也可以提供更全面的测量以限定侵入区域。从而可以将工具800用于测量具有复杂侵入剖面的岩层的电特性。

附图2，6，8中所示的EM感应或传播工具仅仅用于说明。本领域普通技术人员将理解在不脱离本发明范围的情况下，其他改变也是可能的。此外，本领域普通技术人员将理解可以将本发明的工具用于电缆、测井-同时-钻孔(LWD)或测量-同时-钻孔(MWD)操作。此外，可以将这些工具用于水基泥浆或油基泥浆所钻的孔中。

在操作中，将发送器中的每一根天线充能并记录下每一个接收器中的响应。因此来自三轴向阵列的测量值由发送器天线和接收器天线之间9个可能的耦合构成，从而所获得的电压测量值可以由方程式(1)中的3×3的矩阵表示：

$\left[\begin{array}{ccc}{V}_{\mathrm{xx}}& V_{\mathrm{xy}}& V_{\mathrm{xz}}\\ V_{\mathrm{yx}}& V_{\mathrm{yy}}& V_{\mathrm{yz}}\\ V_{\mathrm{zx}}& V_{\mathrm{zy}}& V_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

如钻孔中的工具所看出的，该矩阵中的原始电压测量值反应了岩层的特性。在偏离的钻孔(即具有相对倾斜的岩层)中，原始测量受到相对倾斜和/或冲击的影响，其将使得数据处理复杂化。在这种情况下，需要在数据分析之前将矩阵旋转至更加方便的坐标体系。例如，Omeragic提出的美国专利6584408公开了一种方法，将三轴向系统的发送器和接受器之间的整组耦合在岩层坐标体系和工具坐标体系之间变换。该变换简化了数据处理且便于水平和垂直导电率和倾斜和冲击(倾斜-方位角的)角度的测量值的直接转化。

由轴向接收器接收的来自充能三轴向发送器的电压可以由3元向量表示

[V_xz V_xy V_xz]    (2)

可使用正确的岩层模型来分析(通过转化)用本发明的工具所获得的三轴向和轴向测量值以得出岩层电子参数。建模可以使用任何本领域所已知的合适方案。该方案的例子包括Anderson等人在SPWLA第36届年度测井探讨会的会报上(巴黎，法国，1995年6月26-29日)的论文D“The Response of InductionTools to Dipping Anisotropic Formations”，Anderson等人在SPWLA第39届年度测井研讨会(5月26-29日，1998，Keystone，Co)上提出的论文B“The effectof crossbedding anisotropy on induction tool response”和Davydycheva等人在Geophysics第68卷，第5期(2003年9月-10月)第1525-1536页时“An efficientfinite-difference scheme for electromagnetic logging in 3D anisotropic inhomogeneousmedia”中公开的方案。

附图9示出了描述由轴向和三轴向测量值得出岩层电阻率特性的方法900的流程图。首先定义岩层模型(如92所示)。这包括选择正确的岩层模型，在岩层模型中限定层的边界，和确定一些原始岩层特性估计值。该过程可依靠由感应法测井图所获得的数据，例如三轴向感应数据(如91所示)，和可从其他测井图得到的岩层信息或其他关于岩层的信息，例如但不限定于，地震数据，泥浆测井或钻孔数据(如93所示)。

通常用于确定岩层电阻率的岩层模型包括1D模型，1D+1D模型，2D模型，和3D模型。附图10示出了1D模型，其中电阻率随着离井孔的径向距离(r)而变化。可替换的1D模型(未示出)包括作为垂直距离(z)的函数的电阻率变化。如果岩层电阻率独立地同时在径向(r)和垂直(z)方向上变化，那么可以将其建模为1D+1D模型(未示出)。如果径向变化(例如泥浆侵入锋面)在不同的沉积层是不同的，则可以使用如附图11所示的2D岩层模型。如果井偏离了，则3D模型可能为必要的(附图12)。

在建模之前，使用任何本领域已知的方法，可将来自每一阵列的多个耦合进行钻孔效应、肩颈效应、集肤效应和垂直分辨率误配方面的矫正。例如，Minerbo提出的美国专利6216089B1和Minerbo等人提出的6304086B1中所公开的三轴Grimaldi处理方法可以被用于矫正测井数据中的侧角效应和垂直分辨率误配。该处理方法生成了由Grimaldi间隔所限定的具有勘测深度R_v和R_h的测井估计值。在1D径向岩层模型(附图10)或1D+1D模型中使用径向响应转化估计值将生成岩层各向异性真电阻率的估计值。对于1D+1D转化不充分的岩层，可以使用2D或3D转化。

一旦选择了基本岩层模型，可以通过转化测井数据来估计岩层参数。岩层模型典型地被定义为平行层序列。转化的第一步包括估计层边界位置。可以例如，通过在所选的测井组中辨认和定位边界的分段算法来从测井数据中检测层边界。可以使用基于使用者定义的侵入标记、由任一测井引发的简单逻辑来区别侵入和未侵入层。该任务的输出为由被限定的参数组所描述的岩层模型：层边界，被侵入区和原始区的水平和垂直电阻率，和侵入半径(参见附图10-12)。

转化过程包括最小化成本函数(或补偿函数)C(p)。可以将成本(补偿)函数的例子定义为所选择的测量值和相应的建模测井数据之间的加权平方差：

$C\left(p\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_i\frac{{\left|\right|M_i-f_i\left(p\right)\left|\right|}^2}{{{\mathrm{\μ}}_i}^2}---\left(3\right)$

其中p为未知的参数向量(电阻率或几何参数)，M_i为测量通路，f_i为由在前模型所计算的相应理论工具响应，μ_i是测量值M_i的置信估计值和a_i是使用者所选的加权。加权a_i，例如可以用于在较差钻孔环境或对于工具不利的泥浆电阻率差别中减少浅阵列测量值的影响。如果存在的话，可以将方程(3)的求和用于所有的工具测量，即由轴向阵列、三轴向阵列、和电极设备所获得的测量值。本转化为迭代过程，其当成本函数低于收敛性判别标准时结束。此外，可以将多个补偿函数添加至方程3的表达式中以稳定解。这些补偿函数可以具有宽范围的形式，但是其一般用于补偿具有大变化的参数的岩层或与地质优选模型差别较大的岩层。

再参考附图9，一旦确定了岩层模型，在前模型接着计算工具对该岩层模型的理论响应(步骤94)且将其与实际测量值比较(步骤96)。如果两者之间存在明显的误配(即高成本函数)，那么就提炼出岩层特性值(步骤97)以减少差别。重复这些过程直到匹配相对特定收敛性判断标准变得可接受。如果所计算的测井数据匹配现场数据，那么建模结束且将岩层特性作为岩层测井数据输出(步骤98)。输出特性可以包括侵入剖面(例如，侵入半径)，侵入区域电阻率(各向同性电阻率，R_xo，或各向异性电阻率，R_xo，v和R_xo，h)，和岩层电阻率(各向同性电阻率，R_t，或各向异性电阻率，R_v和R_h)。

上述的建模过程还可以提供参数估计值的质量指示器。质量控制指示器通常基于成本函数的值或单个测井数据的重建错误。例如可以将质量指示器定义为所测得的值和计算值之间的差与计算值的百分比：

${\mathrm{Rec}}_i=100\×\frac{[M_i-f_i\left(p\right)]}{f_i\left(p\right)}---\left(4\right)$

可以将上述的转化和建模应用于任何使用根据本发明的工具所获得的测井数据。如附图9所示的方法900在不考虑岩层倾斜、各向异性或侵入时通常为可应用的。因此，可以在不考虑泥浆侵入或岩层各向异性时将该方法连同本发明的工具用于确定岩层电特性。可将该方法作为存储在感应工具的电子模块上(例如附图2中的201)或表面计算机(例如附图1中的110)内的程序实现。

本发明实施例所呈现的优点可包括以下内容。本发明实施例提供了感应工具，可将该感应工具用于在不考虑泥浆侵入程度和/或岩层各向异性时提供充分的测量值以得出岩层电阻率。由于其多变性，岩层电阻率的精确确定可以在任一地理区域和任一钻孔环境下完成。可将本发明实施例用于电缆或MWD/LWD工具。此外，可将本发明实施例用于水-基泥浆或油-基泥浆钻探的钻井。根据本发明的工具同时包括轴向和三轴向阵列，其具有共用三轴向发送器。这简化了工具配置并改善了制造和操作效率。

虽然已经针对有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于本公开内容的本领域普通技术人员将理解可以在不脱离文中所公开的发明范围的情况下设计其他实施例。例如，根据本发明实施例的感应或传播工具可以包括轴向和三轴向阵列的各种不同组合，而非仅仅所示的例子。此外，根据本发明实施例的工具可包括感应阵列或传播阵列，相应地，本发明的范围应当仅仅由所附的权利要求书限定。

Claims (17)

1.测井工具，包括

工具体；

简单发送器，包括单根天线，设置在工具体上；

四个简单接收器，每一个包括单根天线，设置在工具体上且与简单发送器相间隔以形成四个阵列；和

用于控制四个阵列工作的电子模块，

其中将简单发送器配置为生成具有横向分量的磁场，

其中四个简单接收器中的每一个对简单发送器所生成的磁场敏感，且四个简单接收器中的至少一个对简单发送器所生成的磁场的横向分量敏感，和

其中将四个阵列配置为在至少3个勘测深度提供测量值。

2.如权利要求1的测井工具，其中将简单发送器配置为在约5KHZ至约200KHZ的频率范围内工作。

3.如权利要求1的测井工具，其中电子模块包括具有用于确定至少一个岩层参数的指令的程序。

4.如权利要求1的测井工具，进一步包括四个被配置用于减少四个阵列内的相互耦合的屏蔽线圈。

5.如权利要求4的测井工具，其中四个屏蔽线圈中的至少一个与四个简单接收器中的至少一个共同缠绕。

6.如权利要求1的测井工具，其中简单发送器包括倾斜天线。

7.如权利要求6的测井工具，其中四个简单接收器中的一个包括沿与简单发送器的倾斜天线的方向非正交的方向定向的倾斜天线。

8.测井工具，包括

工具体；

发送器，包含两根天线，设置在工具体上，其中将两根天线设置为不同的朝向；

两个简单接收器，每一个包括单根天线，设置在工具体上且与发送器相间隔；

第三接收器，包括两根天线，设置在工具体上且与发送器和两个简单接收器相间隔；和

电子模块，用于控制由发送器和两个简单接收器和第三接收器所形成的四个阵列的工作，

其中将发送器内两根天线中的至少一根配置为生成具有横向分量的磁场，

其中第三接收器内的两根天线中的至少一根响应于发送器所生成的磁场的横向分量，和

其中将四个阵列配置为在至少3个勘测深度提供测量值。

9.如权利要求8的测井工具，其中将发送器配置为在约5KHZ至约200KHZ的频率范围内工作。

10.如权利要求8的测井工具，其中电子模块包括具有用于确定至少一个岩层参数的指令的程序。

11.如权利要求8的测井工具，进一步包括四个屏蔽线圈以减少四个阵列内的相互耦合。

12.如权利要求11的测井工具，其中四个屏蔽线圈中的至少一个与从两个简单接收器以及第三接收器中的两根天线中选出的至少一根天线共同缠绕。

13.测井工具，包括：

工具体；

发送器，包含3根天线，设置在工具体上，其中将三根天线设置在3个不同的方向；

两个简单接收器，每一个包含单根天线，设置在工具体上，其中两个简单接收器中的每一个与发送器相间隔。

第三接收器，设置在工具体上且与发送器和两个简单接收器相间隔，其中第三接收器包括沿与发送器的三根天线的三个不同方向基本上相同的三个方向设置的三根天线；和

电子模块，用于控制发送器、两个简单接收器和第三接收器的工作，

其中将由发送器和两个简单接收器和第三接收器所形成的阵列配置为在至少3个勘测深度提供测量值。

14.如权利要求13的测井工具，其中将发送器配置为在约5KHZ至约200KHZ的频率范围内工作。

15.如权利要求13的测井工具，其中电子模块包括具有用于确定至少一个岩层参数的指令的程序。

16.如权利要求13的测井工具，进一步包括5个屏蔽线圈，其用于减少两个简单接收器和第三接收器内的三根天线间的相互耦合。

17.如权利要求16的测井工具，其中至少一个屏蔽线圈与从两个简单接收器和第三接收器内的三根天线中选出的至少一根天线共同缠绕。

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