CN100422768C - 不导电液体中微观电测量的相位鉴别 - Google Patents

Abstract

一种电调查地质形成层中的钻井壁的方法，包括将电流注入沿着井壁的第1位置上的形成层中和使电流在沿着井壁的第2位置返回，形成层电流具有低于大约100kHz的频率，测量沿着井壁的第3位置和第4位置之间的形成层中的电压，第3和第4位置位于第1和第2位置之间，和确定与电流同相的电压分量的幅度。

Description

不导电液体中微观电测量的相位鉴别

技术领域

本发明一般涉及利用电调查勘探碳氢化合物。更具体地说，本发明涉及鉴别与所需信号存在相位差的无用信号的方法和设备。

背景技术

当勘探经过地球形成层钻探的钻井时，希望知道在钻井各个深度的地质形成层(formation)的特性。这些特性包括分层、非均匀成分、和形成层中孔隙和裂缝的大小和形状。

检测这些特性的一种技术是使用使一系列电流电极位于压在钻井的壁上的导电贴片(pad)的表面上的工具。恒流源通过源电极将测量电流注入形成层中，并且，通过位于贴片的另一个部分上的返回电极使电流返回。贴片沿着钻井壁移动，和与每个电极相联系的离散电流信号与形成层的电阻率有关。但是，如果使用不导电钻井液(“泥浆”)，譬如，油基泥浆或油包水乳浊液型泥浆，那么，由此造成的贴片(pad)和钻井壁间不导电泥浆层将产生不良和不可用信号。

另一种技术可以显像借助于不导电泥浆钻探的钻井。用于这种技术的工具使用带有两个电流注入器和一电压电极阵列的不导电贴片。两个电流注入器，即，源电极和返回电极，将电流注入形成层中，和电流沿着与贴片平行的路径经过形成层。电压电极测量电流经过的形成层中的电压差。由于形成层的电阻率与电压有关，这种电压测量是重要的。

形成层的电阻率可以利用如下方程来计算：

$\mathrm{\ρ}=\frac{E}{J}---\left(1\right)$

其中，ρ是形成层的电阻率，E是形成层中的电场强度，和J是电流密度。电场强度E是通过将差分电压δV除以电压电极间隔给出的，和电流密度J是通过将电流I除以几何因子(factor)g给出的。代入方程1中的E和J中给出：

$\mathrm{\ρ}=k\frac{\mathrm{\δV}}{I}---\left(2\right)$

其中，k是以长度为单位的几何因子。因此，通过将电流注入形成层中，测量电压，和利用方程2计算形成层的电阻率，可以确定形成层的电阻率。

用在这种方法中的现有技术贴片显示在图1A和1B中。贴片在图1中被一般显示成单元1。它包含源电极2、返回电极3、和一成对电压电极阵列4。贴片1本身由诸如陶瓷和聚合物之类，具有高强度、和高化学和热学稳定性的不导电、绝缘材料5构成。

贴片1贴在可能存在泥芯(mud cake)层6的钻井7的壁上。电流通过源电极2注入到形成层8，在返回电极3上返回。电压电极4测量形成层8中的电压，并且，利用上面的方程2计算形成层的电阻率。

当贴片1不与钻井壁7接触时，贴片1和钻井壁7之间的距离被称为“隔开距离(standoff)”。存在三种主要隔开效应：(1)泥浆和贴片信号；(2)电流泄漏；和(3)电压不精确性。存在各种各样减小这些效应的方式，以便即使贴片1不直接与钻井壁7接触，也可以作出精确测量。

电流电极2和3在泥浆中和在绝缘贴片5中生成由电压电极4检测的电场。如图9B所示，一种降低(reduce)贴片信号的工具含有在绝缘贴片5的背面和与工具1的正面平行的后板92。后板92保持在与在电压电极4正面的形成层的电压相等的电位上。这种技术描述在专利WO 0177711中。这样就使该电压电极阵列不受泥浆和贴片信号影响。

参照图1A，“电流泄漏”描述并非从源电极2注入的电流全部经过形成层8的状况。理论上，当贴片1与钻井壁7接触良好时，注入的电流几乎全部经过形成层8。但是，当泥浆或泥芯层6处在一个或两个电流电极2和3的下面时，即，当存在明显隔开距离时，称为泄漏电流的电流部分将通过电容耦合从源电极2泄漏到返回电极3，没有经过形成层8。这种状况显示在图2中的模型电路中。

图2示出了被模型化成带有泄漏阻抗Z_L和可变泥浆阻抗Z_M的并联电路的电流源21。形成层电流I_F经过泥浆或泥芯层的阻抗和经过形成层。泄漏电流I_L经过泄漏阻抗Z_L，但不经过形成层。当计算形成层的电阻率时，在方程2中必须使用形成层电流。

泄漏电流I_L和形成层电流I_F相加成为总电流I。因此，形成层电流由下式给出：

I_F＝I-I_L    (3)

利用Z＝(V/I)，可以将上面的方程转换成更有用的形式：

$I_F=I[1-\frac{Z_{\mathrm{INJ}}}{Z_L}]---\left(4\right)$

其中，Z_INJ是通过该工具测量的、注入电路看到的总阻抗，和Z_L是可以用实验确定的、该工具的泄漏阻抗。因此，无需知道形成层阻抗Z_F、隔开距离、或泥浆特性，可以从注入电压和电流中计算形成电流I_F。正如在专利WO0177710中所述的那样，确定形成层中的真电流的替代方法是使用用导电盒屏蔽的注入电极2和3，其中，屏蔽体维持在与每个电极相同的电位上。

由于电压电极4不仅与形成层耦合，而且与导电后板耦合，所以在电压测量过程中会出现误差。从电极输出的电压由下式给出：

$\mathrm{\δV}=\mathrm{\δ}{V}_{\mathrm{TRUE}}\frac{Z_S}{Z_S+Z_C}---\left(5\right)$

其中，δV_TRUE是形成层中的真实电压，Z_S是与后板的耦合阻抗，和Z_C是电压电极和形成层之间的接触阻抗。标量校正通过求解δV_TRUE获得：

${\mathrm{\δV}}_{\mathrm{TRUE}}=\mathrm{\δV}(1+\frac{Z_C}{Z_S})---\left(6\right)$

图4是示出利用现有技术工具的电流流动的等效电路的示意图。它与图2相似，但示出了沿着形成层电流I_F这种路径的更多细节。图4将图2的泥浆阻抗Z_M显示成包含在上面的泥浆阻抗或源电极Z_MU、形成层电阻R_F、和在下面的泥浆阻抗或返回电极Z_ML的串联。因此，形成层电流通过两个泥浆阻抗Z_MU和Z_ML流过形成层电阻R_F。

对于一级近似，电压电极Z_C的接触阻抗与电流注入电极的平均接触阻抗成正比：

$Z_C=\left(\frac{Z_{\mathrm{MU}}+Z_{\mathrm{ML}}}{2}\right)\·\left(\frac{A_{\mathrm{INJ}}}{A_{\mathrm{BUT}}}\right)---\left(7\right)$

其中，A_INJ是电流注入器2和3面积，和A_BUT是电压电极4(按钮)面积。

由于在注入器Z_MU和Z_ML下的泥浆阻抗通常比形成层的阻抗R_F大得多，可以将V＝IR重写成：

$Z_{\mathrm{MU}}+Z_{\mathrm{ML}}\≈\frac{V}{I_F}---\left(8\right)$

其中，I_F是由方程4给出的，和V是电流电极2和3两端的电压差。因此，无需知道隔开距离或泥浆特性，可以从V和I中计算δV_TRUE。

图3A和3B示出了实际电阻率数据。图3A示出了在两种不同泥浆类型，即，90/10油水比泥浆和50/50油水比泥浆，以及已知电阻率为20Ω-m(欧姆-米)和200Ω-m的两种不同形成层下，原始未校正数据。导电钢外壳的数据也是已知的。外壳数据线代表泥浆中的信号和示出随着隔开距离增加，泥浆信号如何影响测量的电阻率。在大隔开距离时，测量信号几乎全部由泥浆信号组成，没有形成层信号。图3B示出了应用了方程4和6中的标量校正之后的电阻率数据。在两种形成层下的标量校正电阻率在从没有隔开距离到每条曲线上泥浆信号占优势的点的范围内更精确，但是，在大隔开距离时，泥浆信号淹没了形成层信号，数据是不可用的。

发明内容

本发明的一个方面是电调查地质形成层中的钻井壁的方法，该方法包括将电流注入壁上的第1位置上的形成层中，使电流在壁上的第2位置返回，和测量位于第1位置和第2位置之间的第3位置和第4位置之间的电压。该包括确定与电流同相的电压分量。在一个实施例中，本发明还包括根据电流和与电流同相的电压分量，计算形成层电阻率。在一些其它实施例中，本发明还包括对电流泄漏和电压不精确性应用标量校正。

根据本发明的测井(well-logging)工具包括适合于与钻井壁接触的贴片、位于贴片上和适合于将电流注入形成层中的源电极、也位于贴片上和适合于接收源电极注入的电流的返回电极、可操作地与电极电路耦合的安培计、位于源电极和返回电极之间的贴片的正面上的至少一对电压电极、和可操作地与电压电极耦合和适合于测量与电流同相的电压分量的幅度的灵敏相位检测器。在一个实施例中，贴片由不导电材料组成，并且含有处在贴片的背面上的导电后板。本发明的其它方面和优点可从如下的描述和所附的权利要求书中明显看出。

附图说明

图1A示出了与形成层接触的现有技术工具的横截面；

图1B是如图1A所示的工具的表面图；

图2是在现有技术中使用的模型的电路图；

图3A示出了原始电阻率数据的曲线图；

图3B是现有技术标量校正之后的电阻率数据的曲线图；

图4是示出利用现有技术工具的电流的路径的模型电路图；

图5是示出电压相对于形成层电流的相移随隔开距离而变化的曲线图；

图6是利用与总电流同相的电压分量和利用标量校正的电阻率数据的曲线图；

图7是示出根据本发明的方法的一个实施例的流程图；

图8是示出根据本发明的方法的另一个实施例的流程图；

图9A示出了带有相位灵敏测量器的根据本发明的工具；和

图9B示出了带有导电后板的工具。

详细描述

本发明包括当对钻井壁进行微观电调查时，鉴别无用信号的新方法和设备。本发明基于当交流电源的频率低于大约100kHz(千赫兹)时，电压电极附近的材料呈现的电特性。首先，在大约100kHz之下，大多数地质形成层可以当作纯电阻性材料来对待。也就是说，形成层的介电常数可忽略不计：

σ＞＞2πfε₀ε_r    (9)

其中，σ是形成层的电导率，f是注入交流电的频率，ε₀是真空(freespace)介电常数(permittivity)，和ε_r是形成层的相对介电常数。

其次，在大约100kHz之下，电流电极周围的绝缘材料可以当作纯电介质来对待。也就是说，绝缘材料的电导率可忽略不计：

2πfε₀ε_r＜＜σ(10)

最后，钻井泥浆可以当作满足如下条件的漏电介质来对待：

2πfε₀ε_r＞σ(11)

或

2πfε₀ε_r≈σ(12)

由于钻井泥浆和绝缘体介电性质，如图4所示的所有阻抗都是等效于电阻和电容的并联组合的复阻抗，其中，电容部分占优势。结果，虽然在形成层中生成的电位差与形成层电流I_F同相，但是，由于泄漏阻抗的电容性质，在泄漏路径中生成的电位差相对于形成层电流相移了0°到-90°之间的角度。

利用这种现象，可以从液体信号和绝缘体信号中局部鉴别形成层信号。这可以利用如下方程获得：

δV_phase＝δV·cos(φ_F)  (13)

其中，φ_F是电压δV相对于形成层电流I_F的相位。正如在背景技术和专利WO 0177710中所述的那样，可以利用屏蔽电流注入器测量形成层电流和它的相位，或者，通过独立地测量泄漏阻抗Z_L、和假设它是一个常数，可以根据图4中的等效电路计算它们。

并且，实验数据表明，在实际应用中，测量总电流I的相位和利用电压δV与总电流同相的分量就足够了。这样，上面的方程简化为：

δV_phase＝δV·cos(φ)  (14)

其中，φ是δV相对于总电流I的相位。

图5示出了电压δV相对于形成层电流I的测量相位随隔开距离的变化。与图3A和3B一样，图5中的曲线图示出了对于两种不同泥浆类型和两种不同形成层电阻率的数据，以及对于导电钢外壳的数据。在零隔开距离时，相位接近零，表示没有泄漏(在外壳上，由于噪声，在小隔开距离时的相位不是零)。在大隔开距离时，相位是-90°，表示严重泄漏。图3A和5的比较表明，-45°的相位角对应于由于与形成层信号相比，泥浆和贴片信号变得重要，计算电阻率开始增加的临界点。

另外，相位校正可以在背景技术中所述的标量校正一起使用。利用上面的方程2，可以借助于标量校正计算电阻率ρ_cor：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cor}}=\mathrm{ak}\frac{\mathrm{\δV}}{I}---\left(15\right)$

其中，(V/I)的函数是如在专利WO 1077710中所概述的那样，从理论模型或实验中导出的校正因子。

作为一个例子，可以按如下计算ρ_cor：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cor}}=k\frac{{\mathrm{\δV}}_{\mathrm{TRUE}}}{I_F}---\left(16\right)$

其中，I_F由方程4给出，和δV_TRUE由方程6给出。然后，可以将相位校正应用于校正电阻率，以获得校正相位电阻率ρ_cph：

ρ_cph＝ρ_cor·cos(φ)(17)

其中，φ是δV相对于总电流I的相位。

图6示出了根据本发明的校正相位电阻率随隔开距离的变化。有利的是，由贴片和泥浆信号引起的测量电阻率的迅速上升减弱了，工具的工作区扩展到更大的隔开距离。

图7示出了根据本发明的方法。在本发明的几个实施例中应用上面讨论的各种原理。

首先，如图7中的步骤71所示，将频率在大约100kHz以下的交流电流注入形成层中。电流被沿着钻井壁注入第1位置，并且在沿着钻井壁的第2位置返回。在一些实施例中，第1和第2位置对应于贴片上源电极和返回电极的位置。

接着，在步骤72中，在沿着钻井壁的第3位置和第4位置之间测量电压，第3位置和第4位置位于第1和第2位置之间。在一些实施例中，第3和第4位置对应于贴片上不同电极的位置。

然后，该方法包括在步骤73中确定与电流同相的电压分量的幅度。在确定了同相电压分量的幅度之后，该方法包括在步骤74中，计算如方程2所示的形成层的电阻率。在一些实施例中，该方法包括确定与形成层电流同相的电压分量的幅度。形成层电流是通过减去利用实验确定泄漏阻抗计算的泄漏电流确定的。

在一些实施例中，在步骤75中，对泄漏和电压不精确性应用标量校正。如方程4和6所示的这些校正使电阻率计算在零隔开距离和泥浆信号占优势的点之间的范围内更精确。

图8示出了本发明的另一个实施例，其中，对以前记录的数据进行同相分量确定。该实施例包括在步骤81中，确定与记录电流同相的记录电压分量的幅度。然后，在步骤82中，可以利用上面的方程计算形成层的电阻率。在步骤83中，可以再一次应用标量校正，使电阻率计算在零隔开距离和泥浆信号占优势的点之间的范围内更精确。在一些实施例中，该方法包括确定与形成层电流同相的电压分量的幅度。

根据本发明的测井工具示意性地显示在图9A和9B中。在图9A中，工具1与图1中的现有技术工具的相似之处在于，它含有源电极2、返回电极3、和位于源电极2和返回电极3之间的电压电极4。根据本发明的工具还含有可操作地与源和返回电极电路耦合的安培计95，安培计适合于测量总电流。工具1还含有适合于通过相位参考输入端96，测量与电流同相的电压的幅度的灵敏相位检测器91。

图9B示出了根据本发明的工具的另一个实施例，其中，该工具含有带有导电后板92的不导电贴片5。该工具还包括适合于测量与电流同相的电压的幅度的灵敏相位检测器91。

虽然上面参照有限个实施例对本发明作了描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以设计出不偏离这里公开的本发明范围的其它实施例。于是，本发明的范围应该只由所附权利要求书来限定。

Claims (11)

1. 一种微观电调查地质形成层(8)中充满不导电液体的钻井壁(7)的方法，该方法包括：

a)将电流注入(71)沿着井壁(7)的第1位置(2)上的形成层(8)中，和使电流在沿着井壁(7)的第2位置(2)返回，形成层电流具有低于大约100kHz的频率；

b)测量(72)沿着井壁的第3位置和第4位置之间的形成层(8)中的电压，第3和第4位置(4)位于第1和第2位置(2，3)之间，

其特征在于该方法还包括：

c)通过从电流中减去泄漏电流计算形成层电流，和

d)确定(73)与电流同相的电压分量的幅度，以便当对钻井壁进行微观电调查时减少测量中的隔开效应。

2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

根据形成层电流和与形成层电流同相的电压分量计算(74)形成层电阻率。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中，计算形成层电阻率包括对电流泄漏和电压不精确性应用标量校正(75)。

4. 根据权利要求1所述的方法，其中，该电流是通过源电极(2)注入的和在返回电极(3)上返回的，源电极和返回电极(2，3)的每一个用维持在与每个电极(2，3)相同的电位上的导电盒(92)屏蔽。

5. 根据权利要求1所述的方法，其中，使用先前记录的电流数据来确定(73)与电流信号同相的电压信号分量的幅度，所述先前记录的电流数据是通过应用权利要求1中的步骤a)而得到的，而先前记录的电压信号是根据权利要求1的步骤b)而得到的。

6. 根据权利要求5所述的方法，进一步包括：

利用先前记录电流信号和与记录电流信号同相的记录电压信号分量计算(82)形成层电阻率。

7. 根据权利要求6所述的方法，其中，计算形成层电阻率包括对电流泄漏和电压不精确性应用(83)标量校正。

8. 根据权利要求5所述的方法，其中，记录电流信号是从总电流中减去泄漏电流计算的形成层电流，泄漏电流是利用实验确定泄漏阻抗计算的。

9. 一种在充满不导电液体的钻井中进行微观电测量的测井工具，包括：

适合于与钻井壁(2)接触的贴片(1)；

位于贴片(1)上源电极(2)，源电极适合于将电流注入形成层(8)中；

位于贴片(1)上的返回电极(3)，返回电极(3)适合于接收源电极(2)注入的电流；

可操作地与包括源电极和返回电极(2，3)的电路连接的安培计(95)；

位于源电极和返回电极(2，3)之间的贴片(1)上的至少一对电压电极(4)，

其特征在于该工具还包括：

可操作地与电压电极(4)耦合和适合于测量与电流同相的电压电极(4)两端的电压分量的幅度的灵敏相位检测器(91)。

10. 根据权利要求9所述的测井工具，其中，贴片(1)由不导电材料组成，并且，进一步包括：

处在贴片(1)的背面上和覆盖源电极和返回电极(2，3)之间的大多数区域的导电后板(92)。

11. 根据权利要求9所述的测井工具，其中，灵敏相位检测器(91)可操作地与电压电极(4)耦合和适合于测量与计算形成层电流同相的电压电极(4)两端的电压分量的幅度。

Images