CN100504444C - 使用交叉磁偶极子的地下电磁测量 - Google Patents

Abstract

包含发射器和接收器天线以分别发射或接收电磁能量的传感器组件。传感器组件放置在适于地下放置的井下工具中。接收器放置在传感器主体上距离发射器小于6英寸(15厘米)处。传感器发射器或接收器包含其轴相对于井下工具的轴倾斜的天线。一种传感器包含三轴天线系统。另一种传感器包含交叉偶极子天线系统。

Description

使用交叉磁偶极子的地下电磁测量

技术领域

本发明一般涉及地下勘探。更具体地，本发明涉及装配具有交叉磁偶极子的天线系统的仪器被用于改善地下电磁测量和成像的技术。

背景技术

电磁(EM)感应和传播测井记录技术在碳氢化合物勘探和生产领域是众所周知的。一般的EM钻井工具包括发射天线和沿着该工具轴向远离发射天线处放置的一个或多个(一般为一对)接收天线。该工具被放置在由钻孔穿透的地下地层中以测量该地层的电导率(或它的倒数，电阻率)。从发射器发射的EM能量与钻孔液体(“泥浆”)及周围地层相互作用而产生信号，随后该信号由接收器探测和测量。通过使用本领域公知的反演算法和模型来处理该探测到的信号数据，获得钻孔的概况或地层的性质。

地质学者和岩石学家在过去发现，有必要真实地分析从感兴趣的区域提取的完整的井芯，以评估复杂或稀疏层叠(也称为层状的)的油层和有助于发现碳氢化合物。经过数年，开发出高分辨率“微电阻率”测量技术来帮助识别低电阻率产油区的碳氢化合物。高分辨率测量有助于改善对这种油层储量的估算。

已经开发出用于测井电缆和随钻应用的微电阻率工具。测井电缆微电阻率工具的例子包含Schlumberger生产的Formation MicroScanner^TM工具和FullboreFormation Microimager工具(FMI^TM)。在美国专利No.5235285中说明了能够提供地下图像的随钻测井(LWD)EM工具。该第285号专利说明了能够测量钻头电阻率的LWD工具。基于这个和相关原理的工具的例子包括Schlumberger生产的RABTM(钻头电阻率)和GVRTM(地形图电阻率)工具。这些工具能够提供被钻孔的油层岩石的钻孔电阻率图像。

早期的微电阻率技术是使用导电泥浆来实现，通常是使用盐水和加重固体材料的混合物来控制泥浆密度。设计出来的这些EM工具是用于在使用水基泥浆钻井时，勘测当前侵入带以上的地层。越来越多的新井是使用包含化学添加剂的油基泥浆(OBM)来钻探的，该油基泥浆构成并维持一不渗透的薄泥饼，通常能够阻挡对钻孔周围可渗透带的明显入侵。工业上还引入了合成基泥浆。早期的微电阻率工具是基于低频电极装置的，该低频电极装置不非常适用于使用OBM钻探的井。

已经开发出的常规钻井工具用于提供使用OBM钻探的井中的地下图像。美国专利第3973181、6191588和6600321号说明了能在OBM中进行成像操作的工具。虽然在测井电缆OBM工具开发获得进展，但是对适于在OBM中随钻操作的EM工具的开发却相对比较缓慢。EM成像和测井记录技术仍然需要改进，特别是对于使用OBM的随钻应用。

发明内容

本发明提供了一种用于确定地下特性的工具。该工具包括具有纵轴并适于放置于地下钻孔中的伸长主体。在主体上放置有发射器，并适于发射电磁能量。在该主体上距离发射器不到6英寸(15厘米)远处还设有接收器，并适于接收电磁能量。发射器或接收器包括其轴关于主体纵轴倾斜的至少一个天线。

本发明提供一种用于确定地下特性的方法，使用适于放置在穿过地层的钻孔中的工具，该工具包括具有纵轴的伸长主体，并且包含放置在其上的发射器和接收器，接收器设置在距离发射器不到6英寸(15厘米)远处，发射器或接收器包括其轴关于主体纵轴倾斜的至少一个天线。本方法包括：将该工具放置在钻孔中；激发该发射器以发射电磁能量；使用接收器获取地下电磁测量；和使用该电磁测量确定地下特性。

根据以下的说明和所附的权利要求，本发明的其他方面和优点将清楚。

附图说明

图1显示了现有技术的随钻测井系统。

图2显示了根据本发明的传感器实施例。

图3A-3C说明出了图2中传感器的各种天线阵列。

图4显示了根据本发明的构建在绝缘板上的传感器天线。

图5显示了本发明的交叉偶极子传感器实施例。

图6显示了本发明的另一个交叉偶极子传感器实施例。

图7显示了结合多个本发明的传感器实施例的井下管。

图8显示了本发明的传感器实施例的矢量组件和有效磁矩的侧视图。

图9是结合本发明的传感器实施例的井下管的示意图。

图10是根据本发明的包括屏蔽机制的图9的传感器结构的前视示意图。

图11显示了本发明的楔形传感器实施例。

图12显示了放置在管腔中并且包含用于井下防护屏蔽的本发明的楔形传感器的横截面。

图13是放置在管上覆盖本发明的传感器的屏蔽机制的示意图。

图14是根据本发明的适用于三轴测量的一对传感器的示意图。

图15显示了具有包含根据本发明的一个实施例的传感器的可伸长柱塞的随钻测井工具。

图16A显示了钻孔的PowerDrive^TM工具的横断面视图。

图16B显示了放置在PowerDrive^TM工具的可展开垫板上的本发明的传感器实施例。

图17显示了包含容纳本发明的传感器的突起部分的井下管。

图18说明了利用根据本发明的传感器来寻找倾斜面的倾斜角的技术。

图19是根据本发明的用于地下成像的方法的流程图。

具体实施方式

EM测井记录传感器可以基于电偶极子(使用金属电极)或磁偶极子(使用天线或VHF的共振腔)。本发明的实施例涉及用于地下成像、探测边界、断层、断面、倾斜面以及确定钻孔壁距离的磁偶极子传感器。如这里所使用的，“传感器”可以理解成包括EM发射器-接收器系统。Tabanou等人在2003年9月29日提交了题目为“Apparatus and Methods for Imaging Wells Drilled withOil-Based Muds”的待审查申请序列号10/674179，并且该申请已经转让给本申请人，其中披露了在使用OBM的钻井中基于电偶极子传感器用于测量电阻率的工具和方法。

常规EM发射器和接收器由安装在支架上的线圈或环形天线组成。传输电流的线圈可以表示成具有与电流成比例的磁矩和由线圈环绕的区域的磁偶极子。磁偶极矩的方向和强度可由与线圈所环绕区域垂直的向量来表示。典型的井下工具装配有由一匝或多匝绝缘导线组成的圆柱形螺线管类型的线圈。本领域普通技术人员可以理解，同一个天线可以在某一时用作发射器而在另一时作为接收器。还可以理解，这里公开的发射器-接收器结构根据互逆原理是可以互换的，即“发射器”可以用作“接收器”，反之亦然。本发明的实施例适于在高频下(例如1-500MHz，优选为2-100MHz，最优选为约50MHz)操作，并且包括短间距天线阵列(例如在1英寸[2.54厘米]级的发射-接收间距)。

高频操作与短阵列间距一起使本发明的传感器能够提供钻孔区域附近的高分辨率图像。本发明的实施例利用泥浆侵入来提供用于检测地质变化的灵敏装置。泥浆侵入在侵入带提供相对均匀的背景(关于电阻率)；该相对均匀的背景使对于微小变化的检测变得更容易。从而，相对于泥浆侵入在试图获得“绝对的”地层电阻率的常规钻井记录操作中遇到的问题，根据本发明的实施例而使用“相对”电阻率，能够有助于灵敏的高分辨率井下成像。

图1显示了包含位于钻孔11上方的塔架10的典型的LWD系统。包括钻杆柱12和钻头15的钻探工具组件放置在钻孔11中。钻杆柱12和钻头15通过与钻杆柱12上端相耦合的传动钻杆17的旋转而转动。传动钻杆17通过啮合到轮盘16或钻机10的类似组成部份而旋转。通过旋转接头19耦合到传动钻杆17的吊钩18悬吊传动钻杆17和钻杆柱12。钻探泥浆6贮存在坑7中，并由抽泥泵9抽出而通过钻杆柱12的中心向下流。钻探泥浆在环流通过钻头15以后，再通过钻孔11和钻杆柱12外部之间的环形空间向上环流。钻探泥浆6的流动润滑并冷却钻头15，以及将钻头15产生的钻屑运送到地面上以收集和处理。如图所示，钻井工具14与钻杆柱12相连接。钻井工具14测量的信号可以传送到地面计算机系统13或者存储在工具14上的存储器(未示出)中。钻井工具14可以包含一个或多个这里所述的本发明的传感器。

根据本发明实施例的传感器被设计成在宽范围条件内提供EM测量。图2显示了放置在井下工具22中的本发明实施例的传感器20。传感器20包括交叉磁偶极子发射器T和接收器R。发射器T包括在正交方向布置的两个天线，从而可以将它们的磁矩在纵向(M_z)和横向方向(M_x)对准。接收器R也包括在相同正交方向布置的两个天线，从而将它们的磁矩在相同的纵向和横向方向(M_z和M_x)对准。利用该传感器，两个发射器天线的每一个可以与两个接收器天线的每一个相组合以提供四个阵列来测量多个EM耦合。这些测量提供了确定地层倾斜、断层、层理边界、钻孔壁距离的功能，即使该井是使用电阻泥浆(例如OBM)来钻探的。图2的实施例显示了嵌入在适当的绝缘材料24(例如高温玻璃纤维合成热装置或热塑料)中的传感器20，该绝缘材料24放置在形成于工具主体22中的空隙或空腔26中。

最好对每个发射器-接收器阵列单独说明图2中的传感器20的操作。图3A-3C显示了包括传感器20组件的三个简单阵列。如果需要，这些阵列的每一个可以被用于提供特定的测量，或者被组合以用于提供对全部泥浆成像的测量。

图3A显示了一个简单阵列，其中发射器天线T具有基本上与该工具纵轴方向(由点划线表示)对准的磁矩(M_z)，而接收器天线R具有基本上与该工具的纵轴方向垂直的磁矩(M_x)。相反的阵列结构在图11中显示。利用该传感器阵列得到的交叉偶极子测量(即V_xz±V_zx)提供了适于OBM成像的有用信息。因为一般的地层具有不同电阻率的沉积层，所以该传感器阵列将探测到层理边界处的信号。

常规的V_xz或V_zx测量装置通常对垂直孔中的层理边界不敏感，然而对偏离和侵入敏感。V_xz-V_zx会变得对垂直孔中的边界敏感，但是该响应仍然会受到偏离和侵入的控制。另一方面，V_xz+V_zx对偏离不太敏感，并且如果发射器和接收器之间没有边界就会读出零。

对V_zx+V_xz的测量允许对水平层理边界进行探测。对V_zx—V_xz的测量允许用于确定传感器阵列和钻孔壁之间的距离。传感器信号的振幅在相对倾斜和断层的地层中会更显著。从而，该阵列特别适于在倾斜面的地层中用于层理边界的成像。此外，该阵列的空读数可以用来判定在使用其他阵列获得的测量中层理边界或倾斜面的缺失。

图3B显示了一种具有排列在相同方向的发射器天线T和接收器天线R的简单阵列，以使得它们的磁矩(M_x和M_x)基本上垂直于该工具的纵轴。该阵列提供适于水平层理边界和倾斜探测的V_xx测量。通过该阵列，可以在平行于该工具纵轴的平面中感应涡电流。也就是，该涡电流在垂直井中的地层中(即穿过沉积层)上下流动。当穿过层理边界时，使用该阵列所作的测量将会产生可分辨的响应。这是由于层理之间的边界处的电流密度的不连续性。在移动穿过边界时，传感器将会对沉积层中的电阻率差异敏感，即敏感区是由发射器-接收器间距确定的。本发明的实施例可具有在2英寸(5厘米)或者更小级别上的阵列间距，优选为约1英寸(2.54厘米)或更小。假定相邻层理存在不同的电阻率，那么不论倾斜面存在还是缺失，该阵列结构均都对层理边界敏感。由传感器20探测的信号的振幅相应于相邻层理的电导率。

图3C显示了一个阵列，其具有排列在相同纵向的发射器天线T和接收器天线R，以使它们都具有纵向磁矩(M_zzM_z)。该阵列提供类似于常规EM钻井工具的V_zz测量，并且会感应在垂直于该工具纵轴的线圈中流动的涡电流。该结构提供在钻孔周围的地层电阻率。由于该阵列的短勘测带，从这些读数获得的电阻率测量主要是受到入侵的影响。

如上所述，每个阵列提供不同位置的有用信息。这些阵列的测量的组合能使传感器20提供井筒状况、泥浆类型和定向的宽范围的有用信息。传感器20的这四个简单的磁偶极子提供四个测量，这可以表示成电压矩阵V的形式：

$V=\left(\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{xx}}& v_{\mathrm{xz}}\\ v_{\mathrm{zx}}& v_{\mathrm{zz}}\end{array}\right).$

在这种表示中，图3A中所示的阵列提供v_xx部分，这类似于由具有横向发射器和纵向接收器的类似阵列提供的v_xz部分。图3B和图3C中所示的阵列分别提供v_xx部分和v_zz部分。v_xx部分对层理边界敏感，不受倾斜面存在或缺失的影响，而v_zz主要对入侵电阻率(R_xo)敏感。使用这四个磁偶极子，传感器20能够提供井的高分辨率图像，以及关于断层、断面或倾斜面、和渗入带电阻率的信息。

要注意的是，在单一钻孔位置(垂直深度)的这四个测量可以通过选择地激发阵列中的发射器并记录被探测到的接收器信号(时间复用)来获取。一个可选方法是激发在不同频率的两个或更多发射器，以使该探测器信号可以基于频率(频率复用)来区分。要注意的是，也可以在单独操作中组合使用时间和频率复用。包含传感器20的工具(例如在LWD中)的旋转可以提供方位角成像测量。

现在给出本发明的交叉偶极子(例如图3A的发射器T和接收器R)测量依据的数学理论。对于传输电流I的发射器，在接收器测得的电压V可以表示成张量传输阻抗

$V={\mathrm{Iu}}_R\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·u_T---\left(1\right)$

发射器天线具有沿单位矢量u_T定向的磁偶极矩；沿u_R定向接收器天线。传输阻抗

具有如下对称性

${\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}={{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}^T}_{\mathrm{TR}}---\left(2\right)$

其中上标^T表示转置张量。

引入两组正交单位矢量，其中u_x，u_y，u_z用于地层，u_X，u_Y，u_Z用于工具坐标，并且u_Z是沿该工具对称轴方向。z轴垂直于层面，方向向上。工具轴位于x-z平面。倾斜角由α表示，从而

u_X＝u_xcosα+u_zsinα，

u_Y＝u_y，

u_z＝-u_xsinα+u_zcosα。(3)

该工具坐标系中对称的交叉偶极子测量可以转换为如下的地层坐标：

$V_{\mathrm{ZX}}-V_{\mathrm{XZ}}={\mathrm{Iu}}_Z\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·u_X-{\mathrm{Iu}}_X\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·u_Z$

$=I(-u_x\sin \mathrm{\α}+u_z\cos \mathrm{\α})\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·(u_x\cos \mathrm{\α}+u_z\sin \mathrm{\α})$

$=I(u_x\cos \mathrm{\α}+u_z\sin \mathrm{\α})\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·({-u}_x\sin \mathrm{\α}+u_z\cos \mathrm{\α})---\left(4\right)$

$=I({\cos }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\α})(u_z\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·u_x-u_x\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·u_z)---\left(5\right)$

$=I(u_z\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·u_x-u_x\·{\stackrel{\→}{\stackrel{\→}{Z}}}_{\mathrm{RT}}\·u_z)$

$=V_{\mathrm{zx}}-V_{\mathrm{xz}}---\left(6\right)$

我们在工具坐标系中得到了与地层坐标系中相同的结果。可以得出结论，该测量对于相对倾斜和各向异性不敏感，因为耦合V_zx-V_xz对它不敏感。

与常规传感器相比，本发明的发射器和接收器天线是小型化的。因此，这些传感器可以在印刷电路板(PCB)上实现。图4显示了本发明的传感器天线28实施例。在这个实施例中，线圈30按照理想模式放置在绝缘板32上以形成柔性电路。线圈30可以依据任何合适的包括导线或金属箔的导电体形成。可以使用粘合剂(例如聚酰亚胺、环氧树脂和丙烯酸树脂)来把导体固定到绝缘板上。可选地，如本领域所公知的，可以在绝缘板上由导电薄膜的沉积形成线圈。导体34提供相应的电连接用于给线圈30通电。

绝缘板可以是任何非导电体或介电薄膜基板，例如具有选择成能够按照预期弯曲或挠曲的厚度的聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜。用于制造该绝缘板的方法记载在美国专利第6208031号中，这里结合作为参考。可以用于实现本发明的传感器的其他天线结构记载在美国专利第6690170号中，这里结合作为参考。

图5显示了本发明的交叉偶极子传感器20的实施例。该传感器包含形成在绝缘板上且其磁矩(M_z，M_x)具有公共交点的两个天线36、38。如上所述，本发明的传感器可以按照预期作为发射器和/或接收器来工作。图6显示了本发明的另一个传感器20的实施例。该传感器20包括结构为与图5中类似的天线38和另一天线40，该另一天线40如美国专利第6690170号中所述被配置在芯或“线轴”42上。本实施例的磁矩(M_zM_x)具有公共交点并且相互正交。

本领域普通技术人员将会理解，本发明的传感器阵列也可以包含抵消天线以减少或消除发射器和接收器之间的相互耦合。抵消天线的使用是本领域众所周知的。在一种技术中，通过变换发射器或接收器和抵消天线之间的轴间距来将接收器的输出置零。该校准方法通常被称为互平衡。美国专利第6690170号记载了可以在本发明中实现的互平衡结构。

图7显示了本发明的另一实施例。由金属管22(例如钻环)组成的井下工具包括几个被放置在管上形成的各个空腔26中的本发明的传感器20。传感器20可以以各种排列并且具有不同定向的磁偶极子被放置在管22上，以提供在多种钻孔条件下的测量。例如，本实施例适于在垂直以及水平钻孔中使用。虽然为了清楚起见，没有标出该传感器磁偶极子，但是可以理解横向定位偶极子由延伸至页内或页外的虚线表示。

注意到图2说明了本发明的一个实施例。该实施例中的发射器和接收器天线基本上被布置成正交方向。本领域技术人员将会理解，其他实施例也可以实施。例如，传感器20天线不必被布置成正交方向。代替之，可以用具有不平行或者垂直于该工具纵轴的磁矩的倾斜天线代替一个或多个纵向或横向天线。图8说明了本发明的另一传感器20实施例的向量部分，该实施例包括倾斜的发射器天线T和倾斜的接收器天线R。倾斜的天线提供包含纵向M_z和横向M_x部分的测量，可以单独对它们进行分析。

图9显示了本发明的另一传感器20实施例的侧视图。传感器20被放置在管22中，并包含两个倾斜接收器天线R₁、R₂(磁矩显示为M_R1和M_R2)和发射器天线T(磁矩显示为M_x)。该传感器的发射器T和接收器R₁、R₂被布置成产生与钻孔壁的电导率(或电阻率)成比例的复电压测量结果。要注意的是发射器天线T和该两个接收器天线R₁、R₂位于在该视图中构成三角形的三个平面上。

根据本发明的传感器实施例，发射器T可以在相对较高的频率工作，在1-500MHz范围内，优选为2和100MHz之间，最优选为大约50MHz。优选的是小尺寸的传感器20以提供高分辨率图像。例如，在一个实施例中，发射器天线T的中心和接收器天线R₁、R₂的中心之间的距离是2英寸(5厘米)级或更小，更优选为1英寸(2.54厘米)级或更小。在一些实施例中，该两个接收器天线R₁和R₂串联连接以便在数据采集期间对其信号求和。在其他实施例中，该两个接收器天线R₁和R₂是独立的，如果需要，则在分析时可以组合由这些接收器采集的信号。

如图9所示，以相对于发射器T的磁矩形成角度布置接收器R₁、R₂的磁矩。如果两接收器相对于发射器以相同的角度倾斜(即在图9的侧视图中构成等腰三角形)，那么就从对接收器磁矩(M_R1和M_R2)的求和导出与发射器磁矩(M_x)相同方向的矩。在这种结构中，传感器操作与横向发射器-横向接收器阵列(例如图3B)类似，从而使该传感器对层理边界敏感。通过该倾斜的接收器天线，该传感器能够对倾斜面、断层或断面敏感，尤其是如果是分别处理来自两个接收器的信号时。

尽管图9所示的传感器20具有相对于发射器天线T被以相同角度布置的两个接收器天线R₁、R₂，但是本领域普通技术人员将会理解，其他布置也是可能的。例如，如果相对于发射器，两接收器被以不同的角度布置(即中图9的侧视图中构成不等腰三角形)，那么两接收器磁矩的和就等于倾斜天线的磁矩。在这种情况下，来自该“倾斜”天线的信号可以被分解成纵向和横向部分。

图10显示了在法拉第屏蔽44后面被投影的图9的传感器20布置。屏蔽44包含用多个绝缘条(指状物)48间隔点缀的多个导电金属条(指状物)46以最小化导电工具主体22中的电流回路。导体50(例如金属条)在一端与金属条46相耦合。美国专利第6667620号和6557794号(这里均结合作为参考)记载了可用于实现本发明的电流定向屏蔽。

本发明的传感器不限于用于任何特定类型的地下测量或勘探操作。它们可以放置在任何类型的支撑元件(例如挠性管、钻环、外壳、测井电缆工具)的钻孔中。图11显示了本发明的另一传感器20实施例。该传感器20由放置在绝缘材料(例如高温玻璃纤维合成热装置或热塑料)24中的横向发射器T_x天线和纵向接收器R_z天线组成，该绝缘材料24被配置成楔形。

图12显示了传感器20的侧视图，与图11的实施例类似，放置在位于相应形状的空腔26中的钻环22中。该传感器20配置有包括四个磁偶极子的发射器和接收器，与图2的实施例类似。当用于LWD操作的实施时，可以将适当的屏蔽54放置在传感器上以在恶劣环境中保护它。本发明的实施例可以使用具有充满绝缘材料并且布置在本领域公知的适当模式的槽内以避免在屏蔽上感应涡电流的金属屏蔽实施。美国专利第6566881号和6297639号(这里均结合作为参考)描述了可用于实施本发明的屏蔽结构。一些实施例也可以使用非金属屏蔽(例如陶瓷的、Kevlar^TM、或PEEK^TM)实施。

图13显示了本发明的另一实施例，包含放置在本发明的传感器20上方的金属屏蔽，该传感器20放置在管22中。该传感器20的磁偶极子结构(显示为在屏蔽后的投影)与图3A中类似。屏蔽54被配置有一系列以覆盖纵向发射器磁偶极子(T_z)的纵向槽56和以覆盖横向接收器磁偶极子(R_x)的成角度的槽58，从而提供EM滤波。屏蔽54可以使用本领域公知的任何合适的方式固定在传感器上方。

图14显示了本发明的其他传感器20实施例。一系列导电绕组W₁、W2、W3被放置在立方体60的表面上以形成具有三个正交定向的磁偶极子的传感器，通常称为三轴天线系统。图14显示了三轴发射器T和接收器R。立方体60由合适的绝缘材料(例如陶瓷)形成，并且绕组可以放置在立方体表面上的凹槽(未显示)中。如本领域所公知的，可以使用三轴EM天线进行特定目的测量，并且可以使用各种分析技术以导出理想的参数(例见美国专利第6584408、6556015号)。立方体60被最小化(例如1/4＂×1/4＂×1/4＂[0.635^cm×0.635^cm×0.635^cm])并且相互紧密靠近地被放置于管(未示出)上以用于理想的成像测量。可以使用本领域公知技术(例如经过贯通线)放置传感器20的导线和电子元件在管上。

如这里所述的，本发明的传感器20对工具偏离效应相对敏感。如果需要，通过将该传感器展开在工具主体上的关节或可伸长装置上，该工具偏离效应可以被进一步最小化。可展开板已经被广泛使用于测井电缆工具以便最小化工具偏离，并且最大化和保持传感器与钻孔壁的接触。图15和16显示了本发明的两个实施例，其中将传感器20结合在配有关节或可伸长装置的测井工具上。

Homan等人在2003年9月15日提交的待审查美国专利申请序列号10/605200(这里结合作为参考)中公开了用于随钻工具的压力补偿柱塞。图15显示了具有4个如该待审查申请中所述的可伸长柱塞18a的工具100a。可伸长柱塞18a通过具有充满流体的容器13a来补偿压力，该容器13a保持在基本上与该工具外部压力(例如钻孔101a中的压力)一致的压力。例如使用来自柱塞后的弹簧的偏移力，可以展开可伸长柱塞18a。每个可伸长柱塞18a包括垫板19a，其能够容纳一个或多个本发明的传感器20。优选地，使用本领域公知的合适材料来硬化或“硬面化”垫板19a的外表面，以耐磨损。

可展开垫板在随钻工具中的使用已经在Schlumberger生产的PowerDrive^TM工具中实施。图16A显示了装配有3个PowerDrive^TM垫板62的钻环的横断面视图，该PowerDrive^TM垫板62被放置在钻探钻孔66过程中的PowerDrive^TM工具64上。

图16B显示了放置在PowerDrive^TM垫板62之一上的本发明的传感器20实施例。尽管这种结构以单个传感器20显示，但是其他实施例也可以使用多个传感器阵列来实施。可展开垫板62也可以包含本领域公知的用于地下探测的其他类型的传感器或源。通过使用该可展开垫板，传感器20保持与钻孔壁接触以消除或最小化偏离效应。

图17显示了本发明的另一实施例。井下管22(例如钻环)显示为具有以放置在传感器壳体或空腔26中的传感器20，该传感器壳体或空腔26形成于管的突起部分68上。管22可以制造为包括本领域公知的突起68和空腔26。可选地，可以通过将合适的材料固定到其外壁(例如通过焊接或沉积硬化插头)在管22上形成突起68。突起68的外表面优选地通过适当的材料(例如硬化金属插头70)来表面硬化以增加强度。该管22与其他包括本发明的传感器20的工具实施例一样，采用耦合到本领域公知的常规电子设备的适当导线(例如经过贯通线)来激活传感器(未示出)。装配有本发明的交叉偶极子传感器的井下管22提供隐藏式传感器用于随钻应用，而不需要直接与钻孔接触。可以使用如理想配置的多个装配有传感器的突起68来实施其他实施例(例如与图7类似地水平或轴向分布在管周围)。

通过本发明的传感器20获得的复电压测量(V)可与地层和钻孔中的电导率存在以下关系：

V＝kσ_apparent，             (7)

其中σ_apparent是视电导率，k是传感器常数。视电导率σ_apparent以及因此的测量依赖于地层电导率σ_f和该工具或传感器外壳(例如垫板)电导率。因而如果该工具或垫板电导率基本上保持不变，那么该“相对”电阻率测量依赖于地层电导率σ_f。即使该传感器阵列被呈现与温度有关的外壳/工具电导率的材料所包围，等式(7)中所示关系式仍然成立。在这种情况下，该关系式具有一稍有不同的形式：

V＝κ₁σ_f-C(T)            (8)

其中κ被κ₁代替，其是考虑了机械和材料特性以及天线结构的常数。常数κ₁可以凭经验来确定。第二项C(T)是与温度有关的项，在钻孔的短距离中不会显著变化。

除了确定层理边界、断层和断面，本发明实施例也可以提供有关倾斜面的倾斜角和传感器-钻孔壁距离的信息。本发明实施例也可以利用装配有多个传感器阵列的工具来实施，该多个传感器阵列结构使用方位角信息而提供测量(图18)。倾斜面的倾斜角可以使用方位角信息和层理边界的深度来导出，通过拟和正弦曲线或使用以下等式：

$\mathrm{\Φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{A}{d}\right),---\left(9\right)$

其中Φ是倾斜角，A是截断钻孔的层理边界的垂直程度的振幅，d是钻孔直径。在图18中，显示了相对于标为1至4的四个传感器阵列深度的钻孔壁上的倾斜层理边界。如钻孔模型中所述，倾斜面截断钻孔以产生椭圆形截断曲线。该椭圆曲线呈现为在2D垫板测量图中定义正弦曲线(S)的点。从而，通过将使用四个传感器测量的层理边界的垂直位置拟和为正弦曲线，或者通过使用等式(9)，可以定义倾斜角。除了探测倾斜面，也可以使用相同的技术来探测截断钻孔的断面或断层。

图19说明了根据本发明实施例确定地下特性的过程。包括本发明的传感器20的电阻率工具(例如微成像仪)被设置在钻孔中(步骤200)。钻孔可以包括来自钻探过程中的电阻泥浆(例如OBM)。传感器中的发射器天线受激励而发射EM能量(步骤205)。使用传感器中的接收器来进行EM测量(步骤210)。在本发明的一些实施例中，在不同的时间或以不同频率激励发射器天线以便能够进行多个耦合的测量。可以通过紧靠钻孔壁的传感器来完成该测量(例如该传感器设置在可展开垫板、可伸长柱塞或突起工具部分上)。

接下来，使用该EM测量来确定地下特性(步骤215)。例如，EM测量可以被用于获得钻孔图像，以确定层面边界、以确定传感器-钻孔距离和这里所述的其他地下参数。如上所述，使用本发明的传感器获得的测量提供在邻近井孔区域中地层的“相对”电阻率。该相对电阻率使用高频来得到，并且多半是在被钻探泥浆侵入的背景中(即相对均匀的背景电阻率)。因此，这些测量将对钻孔周围电阻率的微小变化敏感，并且适合于图像构建。根据本发明的实施例，发射器-接收器间距可以是2英寸(5厘米)级或更小，优选为1英寸(2.54厘米)级或更小。在具有相对倾斜的地层中，如上所述，本发明的测量也可以用于导出倾斜面的倾斜角。

本发明提供了多个优点。根据本发明实施例的传感器能够测量钻孔中地层的电阻率并且基本上对工具偏离或类似的钻孔效应不敏感，该钻孔是使用包含OBM的所有泥浆类型来钻探的。该传感器测量相对电阻率以提供使用各种泥浆钻探的井中钻孔的高分辨率图像。该测量也可以用于构建层倾斜记录。钻孔断口或断层分析也可以从这种测量中获得。使用本发明的传感器得到的测量也可以用于地质导向—例如保持井道在产油区内并且避免穿越边界。

当将本发明的传感器放置在导电外壳(例如金属钻环)中时，会把不希望的EM场引入外壳中。这就需要一种最小化该引入的技术。本发明的实施例可以利用屏蔽机制来实现，如本领域所公知的，包括设置在传感器空腔内的适当的衬垫(例如陶瓷或橡胶合成物、金属衬板)以减弱传感器附近的不希望的EM场(未显示)。要注意的是，即使采用了屏蔽机制，传感器和该导电外壳之间的某些干扰也是不可避免的。

虽然本发明是根据有限数量个实施例来说明的，但是本领域普通技术人员在这些公开的启示下，将会理解可以得到并不脱离本发明的范围的其他实施例。例如，传感器天线可以配置有相互重叠的多个电介质基板以根据需要获得修改的耦合或改变磁矩。其他实施例可以利用设置在不导电或非金属管(例如美国专利第6300762、6084052号中记载的复合管)上的传感器来实施。

Claims (22)

1、一种用于确定地下特性的工具，包括：

具有纵轴并且适于设置在地下钻孔中的伸长主体；

被放置在主体上并且适于发射电磁能量的发射器；和

被放置在主体上距离发射器小于15厘米处并且适于接收电磁能量的接收器；

其中，发射器或接收器包括其轴相对于主体纵轴倾斜的至少一个天线，其中每个发射器和接收器包括其轴互相正交的两个天线，发射器天线和接收器天线沿相同的正交方向布置。

2、权利要求1的工具，其中发射器和接收器被放置在伸长主体内的空腔中。

3、权利要求2的工具，其中发射器和接收器被放置在空腔中的绝缘材料中。

4、权利要求1的工具，其中发射器适于在1MHz与500MHz之间的频率处工作。

5、权利要求1的工具，其中发射器包括其轴与伸长主体的纵轴对准的天线。

6、权利要求1的工具，其中接收器包括其轴与伸长主体的纵轴对准的天线。

7、权利要求1的工具，其中发射器包括其轴与伸长主体的纵轴垂直的天线。

8、权利要求1的工具，其中接收器包括其轴与伸长主体的纵轴垂直的天线。

9、权利要求1的工具，其中接收器或发射器包括适于发射或接收电磁能量的三轴天线系统。

10、一种使用适于放置在横穿地层的钻孔中的工具来确定地下特性的方法，该工具具有带有纵轴的伸长主体并且包含放置在其上的发射器和接收器，该接收器位于距离发射器小于15厘米处，该发射器或接收器包括其轴相对于工具轴倾斜的至少一个天线，其中每个发射器和接收器包括其轴相互正交的两个天线，发射器天线和接收器天线沿相同的正交方向布置，所述方法包括：

a)将工具放置在钻孔中；

b)激励发射器以发射电磁能量；

c)使用接收器获取地下电磁测量；和

d)使用电磁测量来确定地下特性。

11、权利要求10的方法，其中步骤a)包含向钻孔壁延伸工具的一部分，在该部分上放置有发射器和接收器。

12、权利要求10的方法，其中步骤a)包含在钻孔中转动工具。

13、权利要求10的方法，其中发射器包括其轴相互正交的两个天线。

14、权利要求13的方法，其中接收器包括其轴相互正交的两个天线。

15、权利要求14的方法，进一步包括确定x轴接收器天线和z轴发射器天线之间的电磁耦合。

16、权利要求14的方法，进一步包括确定x轴接收器天线和x轴发射器天线之间的电磁耦合。

17、权利要求10的方法，进一步包括确定发射器和接收器之间的电磁耦合以确定地下层边界、到钻孔壁的距离或地下地层中倾斜面的倾斜角中之一。

18、权利要求17的方法，进一步包括使用该耦合的和或差以确定地下层边界、到钻孔壁的距离或地下地层中倾斜面的倾斜角中之一。

19、权利要求10的方法，进一步包括根据

V_zx-V_xz

来确定发射器与接收器之间的电磁耦合，

其中V_zx是在与z轴发射器天线的激活相关的x轴接收器天线上测量的电压，和

V_xz是在与x轴发射器天线的激活相关的z轴接收器天线上测量的电压。

20、权利要求10的方法，进一步包括根据

V_zx+V_xz

来确定发射器与接收器之间的电磁耦合，

其中V_zx是在与z轴发射器天线的激活相关的x轴接收器天线上测量的电压，和

V_xz是在与x轴发射器天线的激活相关的z轴接收器天线上测量的电压。

21、权利要求10的方法，进一步包括确定z轴发射器天线与z轴接收器天线之间的电磁耦合。

22、权利要求10的方法，其中接收器或发射器包括适于发射或接收电磁能量的三轴天线系统。

Images