CN100538401C

CN100538401C - 井筒效应减小的感应测量和设计感应仪器的方法

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Publication number: CN100538401C
Application number: CNB2004100959698A
Authority: CN
Inventors: G·米纳博; S·达维迪切瓦; H·王; D·M·霍曼
Original assignee: Schlumberger Overseas SA
Current assignee: Schlumberger Technology BV; Schlumberger Overseas SA
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: GB2407386A; CA2485254C; CN1619099A; DE102004050151A1; GB0422597D0; US20050083161A1; RU2004129914A; CA2485254A1; US7138897B2; FR2862698B1; RU2344446C2; GB2407386B; FR2862698A1

Abstract

一种感应仪器，其包括一导电心轴；至少一个阵列，其包括在绝缘仪器主体中围绕导电心轴配置的一发射器、一反作用线圈和一接收器；和一电极，其设置在绝缘仪器主体中的反作用线圈和接收器之间所选择的位置上，其中所选择的位置与发射器间隔开一个间距，该间距近似相应于在发射器和反作用线圈的间距与在发射器和接收器之间的间距的调和平均值，并且其中电极包括形成到导电心轴的导电路径的接点。附加的电极可以设置在每个发射器和接收器线圈上面和下面以减少对井筒中的仪器的偏心的敏感度。

Description

井筒效应减小的感应测量和设计感应仪器的方法

相关申请的参考

本申请要求享受35.U.S.C.§119的于2003年10月15日申请的序列号为60/511467的临时申请的优先权利。这个临时申请通过全文引用的方式结合到这里。

技术领域

本发明总体上涉及利用感应仪器实现地质层电阻率测井的技术。本发明尤其涉及用于减少电阻率测量中的井筒效应的感应仪器和方法。

背景技术

电磁(EM)感应仪器用在石油工业和气体工业中测定井筒周围的地球地质层的电阻率。感应仪器通过利用发射线圈(发射器)在地球地质层中产生交变磁场来工作。这个交变磁场感应在地质层中的涡电流。设置在距发射器一定距离处的一个或者多个接收线圈(接收器)用于检测地球地质层中的电流流动。所接收的信号的幅度大约与地质层电导率成比例。因此地质层电导率可以从所接收的信号中导出。

常规的有线线路和LWD(随钻测井)EM感应仪器是应用可以作为信号源和/或传感器的线圈(天线)来实现的。在有线线路EM感应仪器上，天线典型地通过由坚硬的塑料(绝缘)材料，例如浸渍了环氧树脂的层叠玻璃纤维材料，构成的外壳(或者仪器主体)封闭的。在LWD EM感应仪器中，天线通常装配在金属支架(凸缘)上来抵抗在钻井期间遭受到的噪声干扰环境。

在有线线路和LWD两种感应仪器中，典型地天线沿着仪器的轴彼此间隔的放置。这些天线通常为螺线管类型的线圈，这种类型的线圈包括围绕支架缠绕的一圈或者多圈绝缘缆芯线。例如专利号为4873488和5235285(授让于本受让人)的美国专利揭露了装备有沿着中心金属支架(传导铁心)设置的天线的装置。

带电流的线圈(或者天线)可以描述成与电流和面积成比例的磁矩。磁矩的方向和幅度可以通过与线圈的平面垂直的矢量表示。在常规的感应和传播测井仪器中，发射器和接收器天线装配成使他们的磁矩与装置的纵轴排排成一行。也就是说，这些装置具有纵向磁偶极子(LMD)。当LMD仪器放置在井筒中并且激励其发射EM能量的时候，感应涡电流围绕在井筒和在周围地质层中的天线的回路中流动。这些涡电流在与仪器轴(这里为井筒轴)成比例的平面中流动。因此当仪器成为井筒的中心的时候，没有涡电流在井筒中上下流动。

在EM感应测井领域中形成的技术为结合有具有倾斜的或者横向的(也就是天线的磁偶极子相对于仪器轴来说是倾斜的或者垂直的)天线的装置的使用。也就是说，这些装置具有横向的或者倾斜的磁偶极子(TMD)。这些TMD装置能够感应在井筒中上下流动的涡电流，因此，能提供对倾斜面、油层断裂或者地质层的各向异性敏感的测量。现在使用的感应仪器典型地包括三轴阵列，其中发射器和接收器中的每个可以都包括以不同方位(典型地为正交方向)安排的三个线圈。在三轴发射器或者接收器中的线圈中的两个可以为TMD天线。例如在专利号码为4319191、5508616、5757191、5781436、6044325和6147496的美国专利中描述了由TMDs控制的测井装置。

当TMD(多门热中子衰减时间测井)仪器(包括三轴仪器)能够提供关于地质层电阻率的附加信息的时候，这些仪器受到特别是在高反差地况中的井筒的特别强烈的影响，也就是，当在井筒中的泥浆比地质层具有更高的传导性的时候。当TMD仪器在井筒中心(如图1a中的20所显示)被激发的时候，它能够感应出在井筒中上下流动的涡电流。然而，由于对称现象，取消了上下电流并且没有净电流在井筒中上下流动。当TMD仪器是偏心的时候，就不存在对称性。如果TMD仪器为向平行于其天线的磁偶极子的方向的方向上偏心(如在图1a中的22所显示的)，那么当激发天线的时候，维持关于天线的对称并且仍然不存在沿着井筒轴流动的净电流。然而，如果TMD为在垂直于其天线的磁偶极子的方向上偏心(如图1a中的21所示的)，那么当激发天线的时候，就不再存在对称性并且就会存在在井筒中上下流动的净电流。在高反差地势中(也就是导电泥浆和电阻层)，井筒电流能够沿着井筒流动一个长的距离。在地质层中的电流在这种情况下也是不对称的。这些不对称电流感应TMD接收器中的非理想信号，其中该非理想信号常常比所希望的在地质层中的信号要大。

专利号为5041975的美国专利(已经转让给本受让人)揭露了用于处理井下测量的数据来校正井筒效应的技术。专利号为5058077的美国专利揭露了用于处理井下传感器数据来补偿当钻井的时候在传感器上的偏心旋转的效应的技术。专利号为6541979的美国专利(已经转让给本受让人)揭露了利用对井筒电流效应的数学校正来减少井筒偏心率的影响的技术。

专利号为6573722的美国专利(已经转让给本受让人)揭露了利用最小化通过TMD天线的井筒电流来减少井筒中仪器偏心率的效应的方法。这个专利合并这里作为参考。在一个实施例中，位于TMD天线下面的电极是硬连线到位于TMD天线上面的另一个电极上以提供在TMD天线后面的导电路径。这个附加的导电路径减少通过TMD天线前面的井筒电流的量，并且因此最小化了不理想的效应。在另外一个实施例中，揭露的仪器在井筒中(在位于TMD天线的两侧的两个电极之间)产生局部电流，该电流能够抵消或者消除不合需要的井筒电流。授权给Rosthal等人并且已经转让给本发明的受让人的专利号为6573722B2、6624634B2、6693430B2、6693430B2、6680613B2、6710601B2的美国专利和由Rosthal等人申请的并且已经转让给本发明的受让人的公开序列号为2003/0146753A1和2003/0155924A1的已经公开的美国专利都披露了用于减小井筒电流效应的方法和装置的更多的例子。

尽管这些先有技术的方法在使用感应仪器的基础上能够有效的减小井筒效应的时候，但是还存在一种进一步改善感应仪器的设计以减少在井筒中的仪器偏心率的影响的需要。实验性研究显示消除在井筒中上下流动的电流的策略没有给出令人满意的性能。大的电极能够产生随温度变化的错误信号，因此使用小电极是优选的。

发明内容

本发明的一个方面涉及感应仪器。根据本发明一个实施例的感应仪器包括导电心轴；包括设置在围绕导电心轴的绝缘仪器主体中的发射器、反作用线圈和接收器的至少一个阵列；以及在绝缘仪器主体中位于反作用线圈和接收器之间选择的位置上的电极，其中所选择的位置以基本与在发射器和反作用线圈之间的距离与发射器和接收器之间的距离的调和平均值一致的距离与发射器间隔，并且其中电极包括将其连接到导电心轴上的接点。

本发明的另一个方面涉及用于设计感应仪器的方法。根据本发明的一个实施例的方法包括：配置一包括设置在围绕导电心轴的绝缘仪器主体中的发射器、反作用线圈和接收器的至少一个阵列；确定零敏感度的位置，其中该零敏感度的位置位于发射器与作用反作用线圈之间的距离与发射器与接收器之间的距离的调和平均值的位置处；并且在绝缘仪器主体最接近零敏感度的位置上设置小电极，其中导电路径形成在电极和导电心轴之间。

本发明的其他方面和优点将从下面的描述和附属的权利要求中显示出来。

附图说明

图1a和1b分别说明了横向阵列偏心仪器和引起不想要的井筒效应的非对称电流分布。

图2显示了三轴阵列的示意图。

图3显示了在绝缘主体感应仪器上的各种横向XX阵列上的偏心效应。

图4显示了在导电主体感应仪器上的各种横向XX阵列上的偏心效应。

图5显示了根据本发明的一个实施例的感应仪器。

图6显示了如在图5中所示的仪器在仪器主体上设置了不同数量电极的仿真结果。

图7显示了根据本发明的一个实施例的具有小电极的感应仪器。

图8A显示了根据本发明的一个实施例的电极的放大视图。

图8B显示了可用于本发明的实施例的指状电极的截面图。

图8C和8D显示了可用于本发明的实施例的指状电极的其他实施例。

图9显示了利用根据本发明的一个实施例在图7中显示的仪器的模拟测量。

图10显示了与具有绝缘主体的仪器和具有金属主体仪器相比较在图7中显示的仪器上的偏心效应。

图11显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较在图7中显示的仪器测定地质层各向异性的能力。

图12显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较在图7中显示的仪器测定在存在仪器偏心时的地质层各向异性的能力。

图13显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较在图7中显示的仪器上的围岩效应。

图14显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较，如在图7中显示的仪器上的偏心和围岩效应。

图15显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较在图7中显示的仪器的围岩效应被除去之后图14的结果。

图16显示了根据本发明的一个实施例的一个样机仪器。

图17显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较，利用在图16中显示的仪器在存在仪器偏心时的27”三轴传导率测量。

图18显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较，利用在图16中显示的仪器在存在仪器偏心时的39”三轴电导率测量。

图19显示了根据本发明的另一个实施例的样机仪器的计算机模型。

图20显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较，利用在图19中显示的仪器在现存仪器偏心中的27”三轴电导率测量。

图21显示了根据本发明的另外一个实施例的样机仪器的计算机模型。

图22显示了与绝缘主体仪器和金属主体仪器相比较，利用在图21中显示的仪器在存在仪器偏心时的27”三轴电导率测量。

图23显示了用于设计具有较少的仪器偏心影响的仪器的方法。

具体实施方式

本发明的实施例涉及具有较小井筒效应的感应测井仪器。由于在感应仪器和传播仪器之间的差别与本发明没有密切关系，因此用在这个说明中的术语“感应仪器”包括感应和传播仪器。类似地，由于井筒效应和仪器偏心效应之间的差别与本发明没有密切的关系，因此在这个说明中可以将他们互换的使用。一个普通技术人员可以理解电导率是电阻率的倒数，因此在这个说明中涉及的任何“电导率”都包括其倒数“电阻率”，反之亦然。

如上所述，具有垂直(也就是横向的)于井筒的轴的磁矩的感应阵列对井筒效应是非常敏感的。此外，横向线圈对偏心的敏感度根据偏心是在磁矩方向上或者在垂直于磁矩的方向上而非常不同。在本说明书中，横向阵列有广泛的意义，它包括任何在其磁矩中具有横向分量的阵列。例如，具有倾斜线圈(也就是，并不平行或者垂直于仪器的轴的线圈)的阵列将在其磁矩中具有横向分量，并且因此可以在本说明书中称作横向阵列。注意三轴阵列包括两个横向阵列，因此，下面关于横向阵列的说明也适用于在三轴阵列中的“横向分量”。

图1a说明了测井仪器可以具有位于井筒13的中心(如20所显示的)或者平行方向(如22所显示的)或垂直方向(如21所显示的)偏心的倾斜磁偶极子(TMD)天线。平行或者垂直方向对应于天线的磁偶极子的方向。平行偏心22产生在井筒上下产生涡电流。然而，由于对称性，根本没有电流在井筒中上下流动。这样，具有在平行方向22偏心的TMD天线的仪器不会产生大于具有准确的位于井筒20中心的TMD天线的仪器产生的不希望得到的效果。与此相反，具有在垂直方向21上偏心的TMD天线的仪器感应涡流以在井筒上下流动，但是由于没有对称不会消除上下流动的电流。结果，垂直偏心21导致如在图1b中显示的有效的井筒电流23。在地质层中的电流在这种情况下也是不对称的。该不对称的电流分布在位于电阻率装置10上的接收器24中产生强信号。

在图1a中显示的垂直偏心21和平行偏心22示出了距离井筒20的中心的仪器位移的极限值。在特定情况下，偏心很可能位于这两个极限值之间，也就是在x和y这两个方向的组合的方向中偏心。

典型的感应仪器，例如来自Schlumberger Technology Corp.(Houston，TX)的AIT^TM仪器，包括几个感应阵列，该感应阵列包括公用的发射器和与发射器间隔开的几个接收器。除了线圈之外感应仪器也可以包括电极，如在授予Rosthal etal的专利号为6573722、6680613和6710601的美国专利中描述的一样。这种感应仪器的例子在授予Barber等人的专利号为4873488的美国专利和授予Minerbo等人的专利号为5041975的美国专利中揭露了。在典型的感应仪器中，在阵列中的每个主要接收器可以与反作用线圈串联连接。反作用线圈的作用是用来消除在发射器和接收器之间的直接耦合。

当最优化反作用线圈的时候，接收器应该在具有零电导率的媒质(例如，空气)中不产生信号；这个条件称为相互平衡。本领域中的一个普通技术人员可以理解反作用线圈的线圈匝数以及在发射器和反作用线圈之间的间距可以适当的选择以提供在发射器和主接收器之间的直接耦合的最优化消除。

参考图2，相互平衡条件可以近似表述为

M_{z}^{B} = - {(\frac{z_{B}}{z_{R}})}^{3} M_{z}^{R} . - - - (1)

其中分别为反作用线圈和主接收器线圈在z方向上的磁矩，并且z_B、z_R分别为对于反作用线圈和接收器线圈离发射器的距离(间距)。对于三轴阵列来说，相同的条件适用于x和y耦合中。

新型的感应仪器通常包括一个或者多个三轴阵列，其中发射器、主接收器和反作用线圈中的每个都可以包括在不同的方向(典型地为在正交方向上)上的三个线圈(天线)。图2说明了典型的三轴阵列的示意图，三轴阵列包括发射器(T)、主接收器(R)和反作用线圈(B)。如图所示，发射器、主接收器和反作用线圈中的每一个都具有三个分开的线圈，每个线圈在正交方向中都具有磁矩。发射器(T)的三个磁矩表示为

主接收器的三个磁矩表示为

反作用线圈的三个磁矩表示为

由于在三轴阵列中的发射器和接收器的每一个都包括三个天线(参见图2)，利用三轴阵列记录九个复合电压，给出表观电导率的矩阵如下：

[\begin{matrix} σ_{XX} & σ_{XY} & σ_{XZ} \\ σ_{YX} & σ_{YY} & σ_{YZ} \\ σ_{ZX} & σ_{ZY} & σ_{ZZ} \end{matrix}]

因为在不同的方向上利用天线获取这九个耦合，所以仪器偏心或者井筒效应不同程度的影响他们。图3示出了用于在具有绝缘主体(没有示出)的仪器中的三轴阵列的各种耦合的仿真电压测量。在发射器和主接收器线圈之间的间隔为27、39、54和72英寸。在本说明书中用于所有的计算和测量的工作频率为26.8kHz。

图3中，来自不同阵列的XX耦合的计算出的R信号相对于沿着在井筒中的y轴的仪器位移(偏心)绘制。井筒具有8.5英寸的直径并且充满了具有5000mS/m电导率的泥浆。从图3可清楚看出，与地质层电导率(50mS/m)相比较，在XX信号中的误差非常大。在导电泥浆中，对于沿着y轴的位移(偏心)来说，在XX耦合中的误差比在YY耦合中的误差大很多。参见授予Rosthal等人的专利号为6573722的美国专利和授予Omeragic等人的专利号为6556015的美国专利。

如图3所示，如果使用导电仪器主体(如金属主体)，就能够最小化井筒效应。图4示出了在导电井筒中的金属主体仪器(没有示出)的偏心效应。四个发射器—接收器间距的XX耦合的R信号相对于沿着在井筒中的y方向的仪器位移(偏心)绘制。对于较长间距39”、54”和72”来说，XX耦合基本上不受仪器偏心的影响。然而，仪器偏心仍然对较短间距的阵列27XX有很大的影响。

当金属主体能够提供井筒效应中的有效归约的时候，金属主体在测量中引起随温度变化的误差。除了金属主体工具之外可选择的设计在由Barer等人于2003年8月5日提交的共同未决的申请序列号为10/604622的申请和由Homan等人发明的于2003年12月23日授权的专利号为6667620的专利中披露了。在这些申请中揭露的感应仪器具有用于接收器线圈的绝缘外壳(仪器主体)。该绝缘主体包括设置在发射器和接收器线圈之间的导电电极(环型电极或者指状电极)；导电电极使金属中心支承心轴导电地接地。这些电极阻止在井筒中的电流的不对称流动，减少仪器偏心于XX和YY耦合的误差。对于这些设计来说，与绝缘主体仪器相比偏心效应基本上得到了减少。然而，这些设计在较大的井筒中偏心效应的消除并不充分。此外，即使在仪器位于井筒的中心的时候，这种电极使短间距测量复杂化了。

本发明的实施例通过利用在发射器和接收器之间设置的许多电极改进了感应仪器的设计。为了理解绝缘仪器主体中的多个电极的分布，模型化了具有递增的电极数量的设想仪器(图5)。

图5所示的感应仪器包括导电心轴M、仪器主体B和几个阵列。该阵列包括公用的发射器T和许多以27”、39”、54”和72”间隔的分别标为R27、R39、R54和R72的主接收器。此外包括相应的反作用线圈B27、B39、B54和B72，用来减少发射器和主接收器之间的互耦合。设计用来减少井筒效应的几个电极(电极1—6)已显示在仪器上。下面的仿真通过包含的多个电极(电极1—6)来实现以研究这些电极对井筒效应减少的分布。在第一个计算中，仅仅呈现电极1。在第二个计算中，仅仅呈现电极1和2等等。

图6示出了具有递增数量的电极的四个接收间距的横向偏心效应(曲线1—6对应于在每个面板中的电极的数量)。如在图6中所示，27XX耦合需要具有第一个三个电极(在图5中电极1—3)以在不考虑仪器偏心的条件下具有稳定的测量。39XX耦合需要具有至少四个电极(在图5中的电极1—4)以具有稳定的测量。54XX耦合需要具有五个电极(图5中的电极1—4)以具有稳定的测量。对于72XX耦合来说，需要所有的六个电极以获得偏心效应的有效的消除。这些结果显示出要将电极设置在接收器线圈的上面和下面。在最后一个接收器(R72)以外的电极(也就是电极6)最好设置成使这个电极与最后一个接收器(R72)之前的一个电极(电极5)相对于接收器(R72)对称。也就是说，在最优实施例中，电极5和电极6对称的“跨在”或者“骑在”接收器R72.上。

此外，可以包括设置在发射器T上面和下面的附加的电极以改善井筒效应的消除。在优选实施例中，位于发射器上面和下面的电极对称的设置在发射器的周围以提供良好的井筒效应的消除。在某些实施例中，具有每个都设置在发射器上面和下面的两个电极来改善井筒效应的消除(参见图7中的T1-T4的例子)。在某些实施例中，位于发射器上面和下面的电极具有比其他的电极更长的轴(纵轴)跨距。在某些实施例中，设置在发射器上面和下面的电极放置的接近于发射器。

多电极仪器设计

上面的仿真显示出电极应该放置的位置，也就是每一个电极都位于每个接收器上面和下面。然而在感应阵列上的很多的电极会造成所测量的电压(在同相和正交分量上的)的不可接收的误差。由于这些误差依赖于温度，并且电极的机械运动相对于线圈，因此这些误差不容易得到校正。所以，要实施这种研究：即把小电极战略地放在感应探测器上看是否能消除井筒效应。

由于邻近于探测器的小的不均匀度引起的测量的敏感度可以通过多尔(Doll)几何因数得到近似的预测。参见J.H.Moran and K.S.Kunz，“Basic Theoryof Induction Logging and Application to the Study of Two-Coil Sondes，”Geophysics，Vol.6，pp.829-58，December 1962；and H.G.Doll，“Introduction toInduction Logging and Application to Logging of Wells Drilled with Oil Base Mud，”J.Petroleum Technology，Vol.1，No.6，pp.148-62，June 1949。在垂直位置z的很小的不均匀性在同轴的接收器中产生电压变化(ΔVzz)，电压Vzz成比例于

Δ V_{zz} &Proportional; \frac{M_{z}^{T}}{z^{3}} (\frac{M_{z}^{R}}{{| z - z_{R} |}^{3}} + \frac{M_{z}^{B}}{{| z - z_{B} |}^{3}}) . - - - (2)

在公式(2)中的所有项具有与在上面参考图2描述的那些具有类似的意思。这个函数在位置Z0位置上为零，通过解下面的函数获得

\frac{M_{z}^{R}}{{| z_{0} - z_{R} |}^{3}} = - \frac{M_{z}^{R}}{{| z_{0} - z_{B} |}^{3}} . - - - (3)

由于在公式(1)中的相互平衡条件，我们可以写为

\frac{z_{R}^{3}}{{| z_{0} - z_{R} |}^{3}} = - \frac{z_{B}^{3}}{{| z_{0} - z_{B} |}^{3}}, - - - (4)

或者等价的，

1-z₀/z_R＝z₀/z_B-1， (5)

其给出

z_{0} = \frac{2}{\frac{1}{z_{B}} + \frac{1}{z_{R}}} . - - - (6)

公式(6)显示了零敏感度的位置Z₀为Z_B和Z_R的调和平均值。换句话说，零敏感度的位置到发射器之间的距离是从发射器到反作用线圈和到主接收器之间的距离的调和平均值。XX和YY耦合在这个位置附近也具有零敏感度。注意公式(6)给出了在空气中点偶极子天线的精确零敏感度位置。然而它仅仅给出真实仪器的近似位置。

图7显示了根据本发明一个实施例的感应仪器。感应仪器70包括位于每个接收器的零敏感度的位置附近的小电极。术语“小电极”意思是电极具有小(例如，1”)的轴向(纵轴)跨度(比较图5和图7)。这些小电极构成仪器主体(纵向上)的较小的部分，因此，就会将较小的随温度变化的误差引入到感应测量中。在本说明书中，具有包括设置在零敏感度位置上的多个小电极的感应仪器称为“多电极”感应仪器。这个术语用于将其与先有技术的金属主体感应仪器或者绝缘主体感应仪器区分开。

如图7所示的，小电极E7也设置在最远的接收器R72的下面，并且四个电极T1-T4围绕发射器T设置。在优选实施例中，最远的接收器R72上面的电极E6和下面的电极E7与接收器R72之间的间距基本上是相等的。同样，发射器T的上面的电极(T2，T2)和下面的电极(T3，T4)与发射器之间的距离基本上是相等的。注意，虽然显示了四个电极(T1-T4)，但是其他一些电极也可以包括在发射器T的周围。进一步的，电极的每一个可以是连续的环型电极、分段的环型电极、连续的指状电极、分段的指状电极或者装配在仪器主体周围并且配置有绝缘材料的多个按钮电极。

图8A显示了根据本发明的一个实施例使用在感应仪器中的两个小(短轴跨度)电极80。如图所示，电极80包括配置有8个绝缘材料部分82的多个(八个)分段电极(或者按钮电极)81，这样形成一个环，这个环设置在图7中显示的零敏感度位置上。注意，虽然这个例子显示了八个按钮电极，但是本领域的一个普通技术人员可以理解也可以使用其他数量的按钮电极/绝缘材料部分。因此所示出的按钮电极的特定数量和形状以及按钮电极的尺寸并不对本发明进行限制。

在图8A中显示的电极80通过接点81将电流从井筒引导到导电心轴(没有示出)，但是将不会在方位角方向引导电流。这种电极的多种变化是可能的，该多种变化包括电极的不同数量、形状和尺寸。如上所述，电极可以由环型电极或者分段环型电极(也就是，在方位角方向上具有分段并且其间隙中充满了绝缘材料)制成。分段环型电极不允许电流在方位角方向上流动。这样就进一步最小化了对感应测量的干扰。此外，如果希望得到具有较大纵轴跨度(沿着仪器的轴向)的电极，那么电极可以优选的由金属指状元件制成。

图8B显示了可以用在本发明的实施例中的指状电极的例子。如图所示，指状电极80B的横截面包括配置有多个绝缘部分82B的排列成手指形状的导线81B。该导电指状元件81B与导电心轴(没有示出)通过多个接点(连接器)83B连接。

图8C显示了设计用来允许电流从井筒流到心轴中，同时最小化在电极本身中的涡电流的指状电极的变体。这个特定的实施例可以方便地在导电片81C上通过自顶部到底部的交替模式出现的多个间隙82C来制成。这个“指状”电极的变体可以在不用形成完整的圆周(也就是，具有至少一个间隙)的条件下环绕仪器主体，因此电流不能在方位角(圆周的)方向流动。在这种情况下，仅仅需要一个接点(例如在图8B中的83B)来产生到达内部导电心轴的导电路径。

图8D显示了指状电极的另外一个实施例。在这个实施例中，将两组导线(指状)81D印刷在绝缘材料82D上。指状元件81D中的一组连接在顶部，同时另外一组指状元件81D连接在底部。第一组和第二组指状元件可以在不发生彼此接触的条件下进行交叉。再有，这个实施例可以环绕仪器主体，最优地要具有至少一个间隙来避免电流在方位角方向流动。这个“指状”电极的特定结构类似于在授权给Homan等人并且已经转让给本受让人的US6667620的图4中所揭露的法拉第屏蔽。这个专利还披露了一种用于利用印刷电路技术制造这种电极的方法。本发明由此通过参考整体的方式插入本发明。本领域的一个普通技术人员将可以理解，在图8B—8D中所示的指状电极仅仅是用来说明的，并且在不脱离本发明的范围的条件下其他的变化是可能的。此外，本领域的一个普通技术人员可以理解形成导电“指状元件”的导电片/线的厚度和“指状元件”的密度可以根据仪器的特定结构予以改变，以最优化井筒效应的减少并且最小化对EM测量的干扰。此外，虽然这些例子显示了“指状元件”定向在纵轴方向，但是将指状元件定向在其他的方向(例如，在横向的方向上)也是可能的。

利用有限元分析和与先有技术的仪器相比较来研究根据本发明的实施例的仪器(例如图7中显示的“多电极”仪器)的特性。图9显示了在同性(各向同性)介质中布置在三个不同类型的仪器上的四个测量27XX、39XX、54XX和72XX响应的有限元计算结果，其中这三种不同类型的仪器为：多电极仪器、金属主体仪器以及绝缘主体仪器。从图9中显示出根据本发明实施例的多电极仪器能够产生与金属主体或者绝缘主体感应仪器的那些本质上一致的测量。

图10显示了在8.5英寸直径井筒内由同样的三个不同类型的感应仪器产生的27XX、39XX、54XX和72XX测量的偏心响应。地质层电导率为50mS/m，并且泥浆电导率为5000mS/m。从图10中很清楚的显示出多电极感应仪器的特性与金属主体仪器的特性在大多数情况下都是类似的。多电极仪器和金属主体仪器都比绝缘主体仪器更不容易受到仪器偏心的影响。

由于横向阵列对在垂直方向的地质层电阻率是敏感的，因此开发横向阵列。横向阵列的一个主要的使用就是将其用在各向异性地质层的电阻率的测量中。因此，包含多电极而不会降低他们测量在各向异性地质层中的垂直电阻率的能力，这一点是很重要的。图11显示了利用集中在导电的16英寸直径井筒中的仪器在各向异性地质层中的27XX、39XX、54XX和72XX测量的响应。仪器集中在具有5000mS/m泥浆电导率的16英寸直径井筒中。地质层的水平电导率为500mS/m。垂直电阻率(R_v)相对于水平电阻率(R_h)的比率R_v/R_h在这个研究项目中在1至10之间变化。多电极仪器的各向异性响应得到保存并且其接近于金属主体仪器的那些响应。

图11显示了当仪器集中在井筒中的时候，在各向异性地质层中测量电阻率该多电极仪器是有益的。所谓的有益就是用来测量各向异性电阻率的这些仪器的能力不会因为仪器的偏心而降低。图12显示了利用在具有5000mS/m泥浆电导率的导电16英寸直径井筒中沿着y方向以4英寸的间隔散布的三种类型的仪器在各向异性地质层中的27XX、39XX、54XX和72XX测量的响应。地质层的水平电导率为500mS/m。在这个研究项目中比率R_v/R_h在1至10之间变化。多电极仪器的各向异性响应类似于金属主体仪器中的那些响应。多电极仪器和金属主体仪器与绝缘主体仪器相比较容易感应到各向异性的较广泛的范围。通过比较图11和12可以看出，偏心的绝缘主体仪器不能给出R_v/R_h的可靠的指示。

在垂直响应上的井筒的效应

在典型的阵列感应测井(例如，AIT测井)中，假定井筒校正被应用在井筒外的各向同性介质中。参考，例如授予给Minerbo等人的专利号为5041975的美国专利。一个重要的问题就是井筒效应是否能够与仪器的垂直响应(例如围岩效应)分离开。围岩效应出现在薄层的地质层中，特别出现在相邻的地质层具有比正在勘测的地质层具有更大的电导率的时候。围岩效应导致错误的数据，以致在正确的地质层电阻率能够从测量中导出之前，要对其进行校正。

图13显示了在各向同性介质(50mS/m)和没有井筒的三层地质层中三种不同类型仪器的39XX测量的响应。三层地质层包括具有50mS/m的电导率的12英尺层，该层夹在具有1000mS/m电导率的两层之间。显示的结果通过有限元运算计算得出。如在图13中所示，当所有三种类型的仪器在各向同性地质层中产生准确的电导率(大约50mS/m)的时候，位于重要的层(该12英尺层)的上面和下面的更多的导电层对仪器指示(大约130mS/m)有重大的影响。

如在图13中所示的围岩效应能够很严重的使测量变复杂，特别是出现偏心的仪器中。图14显示了排列在具有和没有围岩的井筒中的三种不同类型的感应仪器中的39XX的偏心响应。各向同性地质层具有50mS/m的电导率。三层地质层模型(围岩模型)具有12英尺的薄层(50mS/m)，该薄层夹在更大电导率的地质层(1000mS/m)之间。具有5000mS/m电导率的泥浆充满了16英寸的井筒。

如在图14中所示，绝缘仪器(曲线1、2)在不考虑地质层类型的条件下会受到偏心效应的很大的影响。注意，围岩效应根据仪器偏心将指示的差量加到测量中，即在曲线1和曲线2之间的差由于仪器偏心的增加会变得更明显。与此相反，围岩效应对金属主体仪器(曲线5、6)和多电极仪器(曲线3、4)有很小的影响，并且围岩效应看起来是恒定的，不用考虑仪器偏心。因此根据本发明的实施例的多电极仪器将产生比绝缘主体仪器更可靠的测量，并且围岩效应很容易得到校正。

图15显示了对图14中显示的结果进行了围岩效应校正所产生的结果。如图所示，显示了进行了围岩效应校正和不进行围岩效应校正的情况下的三种不同类型的感应仪器的39XX测量的偏心响应。曲线1显示了进行了围岩效应校正的绝缘主体仪器的响应，而曲线2显示了在各向同性地质层中的同一个仪器的测量。很显然，围岩效应不能正确的消除交叉不同的(cross different)仪器偏心，也就是曲线1不同于曲线2。换句话说，偏心效应和围岩效应很难用绝缘主体仪器分离开。与此相反，得到围岩校正后的曲线(曲线3、5)对多电极仪器和金属主体仪器的各向同性地质层测量(曲线4、6)的相应的曲线是能够具有超级影响的。这个结果指示出对于多电极仪器和金属主体仪器来说偏心效应和围岩效应基本上是可分离的，但是对于绝缘主体仪器来说是不可分离的。

上述仿真显示出根据本发明实施例的多电极感应仪器产生类似于金属主体仪器的测量。多电极仪器的测量与具有绝缘主体的仪器的测量相比受到较小的仪器偏心(井筒效应)或者围岩效应的影响。这些计算的结果已经得到了基于这个设计的在实验室中的基于真正的仪器测量的验证。

类似于多电极设计的试验样机(例如图7中显示的仪器)已经建立起来并且已经在充满自来水(79.2mS/m)的大容器中得到了测试。这个样机具有8个短电极。井筒由充满咸水(6.16S/m)的导电塑料管模拟，该导电塑料管例如来自Poly Hi Dolidur(Fort Wayne，IN)的TIVAR^TM1000。塑料管的内部直径为13英寸。

图16显示了根据本发明的一个实施例的试验样机的有限—差模型。样机设计成具有在Schlumberger开发的SLDMCYL、3D圆筒形有限差电磁模拟器。在15和21英寸的接收器线圈之间的电极被忽略，并且样机具有围绕发射器的两个电极，用该两个电极代替四个电极。在图8A中显示的类型中的指状电极被模型成在方位角方向上具有零电导率并且在轴向和径向方向上具有高电导率的各向异性柱形壳。他们通过在轴向和方位角方向上具有零电导率的各向异性盘(青色)与中心导体(橙色)连接。该电极的表示类似于但是并不等于在图8A中的分段电极模型。

模型指示出对于电阻的适当范围来说，指状元件和盘的阻力对响应没有任何影响。27”接收器(图17)和39”接收器(图18)都能获得测量和计算之间的很好的一致性。这些测试证明模型代码正确的预测了井筒效应的减少。

图19显示了具有九个短电极的类似样机的有限—差模型。这个样机包括在15和21英寸的接收器线圈之间的电极。在导电管(TIVAR^TM管)中测试了该样机，该导电管具有大约7.9英寸的直径并且其中充满了具有5.68S/m电导率的咸水。在这个壳体中的该容器的电导率为56.8mS/m。在图20中显示了对于27英寸间隔的所测量的和计算的响应。在7.9英寸直径管中，几何尺寸不能象13英寸管一样准确的得到控制，因此在图20中的一致性与在图17中的一致性并不接近。

图21显示了在发射器附近具有五个一英寸电极和四个三英寸电极的另一个变体的响应。对于27”接收器，可以获得在计算出来的和试验出的结果之间的充分接近的一致性(图22)。这个设计给出事实上独立于这个井筒直径的偏心的27XX和27YY响应。

从上面的描述可清晰地看出，能够将感应仪器设计成对井筒效应具有更大的“抵抗性”。图23概括了根据本发明的一个实施例用来设计感应仪器的方法。如图所示，方法230可以在常规的感应仪器的设计上开始(步骤231)。常规感应仪器可以为例如AIT^TM的多阵列仪器，该多阵列仪器典型的包括公用的发射器和多个接收器，以及与发射器间隔开的相应的反作用线圈。一些感应仪器可以包括一个以上的发射器和其他的可以包括适于测量浅地质层电阻率的电极。注意，仪器可以包括具有磁偶极子线圈、横向磁偶极子线圈、倾斜线圈或者三轴线圈的阵列。

基于感应仪器的设计，可以将零敏感度(Z₀)位置计算为发射器和反作用线圈(Z_B)之间的间距与发射器和接收器(Z_R)之间的间距的调和平均值(步骤232)。零敏感度的每个位置都位于主接收器线圈和依次与其连接的反作用线圈之间。

最后，包括在感应仪器中的一个或者多个电极位于一个或者多个位置上，该位置接近于零敏感度的位置(步骤233)。此外，附加电极(或者多电极)可以设置在最后一个接收器之外，最好位于相对于最后一个电极(或者多个电极)的对称位置上。此外，如上面所示，所包括的附加电极围绕在发射器的周围(步骤234)，并且位于最低的接收器的下面(步骤235)，以进一步减少井筒效应。

注意，最优实施例使用了多个电极(例如指状电极)；然而，一些实施例可以包括单个电极(例如按钮电极或者具有用于中断方位角电导率的间隙的环型电极)。进一步注意，上面的描述使用了横向阵列来说明关于井筒效应的问题。很显然本发明的实施例能够有效的抑制/减少在横向阵列中的井筒效应。然而，本领域的普通技术人员将理解本发明的实施例也可以用于纵向阵列、倾斜天线阵列或者三轴阵列中。本发明的实施例可应用于有线线路仪器、随钻测井(LWD)仪器或者随钻测量(MWD)仪器。

本发明实施例的优点在于包括下面的一个或者多个方面。本发明的实施例提供用于消除影响横向或者三轴感应测量的很大的井筒效应。这种消除技术与有线线路感应探测器的机械结构是相容的，并且具有对常规的同轴感应测量的最小影响。

本发明的实施例提供用于零电导率的位置的近似公式，小电极(或者多电极的环状或者指状电极)可以放置在主接收器线圈和与其串连的反作用线圈之间的位置就是该零电导率的位置。

根据本发明实施例的仪器特性类似于金属主体仪器相对于(1)各向同性介质响应、(2)各向异性响应、(3)井筒偏心效应、以及(4)垂直响应和井筒效应的可分离性的那些特性。

虽然利用少数实施例对本发明进行了说明，但是对于那些已经受到这个公开的益处的那些本领域技术人员将理解，在不脱离这里揭露的本发明的范围的条件下能够导出其他的实施例。因此，本发明的范围仅仅通过附属的权利要求进行限定。

Claims

1.一种感应仪器，其包括：

一导电心轴；

至少一个阵列，其包括在绝缘仪器主体中围绕该导电心轴配置的一发射器、一反作用线圈和一接收器；和

一电极，其设置在该绝缘仪器主体中位于反作用线圈和接收器之间所选择的位置上，其中所选择的位置与发射器间隔开一个间距，该间距近似相当于发射器和反作用线圈之间的间距与发射器和接收器之间的间距的调和平均值，并且该电极包括形成通向导电心轴的导电路径的接点。

2.根据权利要求1的感应仪器，其特征在于，该至少一个阵列包括横向阵列或者三轴阵列。

3.根据权利要求1的感应仪器，其特征在于，设置在反作用线圈和接收器之间的电极包括从环型电极、分段环型电极、指状电极和环绕配置在绝缘仪器主体周围的多个按钮电极中选择的一个。

4.根据权利要求1的感应仪器，其特征在于，调和平均值是根据：

z_{0} = \frac{2}{\frac{1}{z_{B}} + \frac{1}{z_{R}}}

计算出的，其中Z₀为对应于调和平均值的距离，Z_B和Z_R分别为从发射器到反作用线圈和接收器的距离。

5.根据权利要求1的感应仪器，其特征在于，还包括设置在绝缘仪器主体中的位于距离发射器具有最长间距的接收器以外的距离处的附加电极，其中附加电极包括接触导电心轴的导体。

6.根据权利要求1的感应仪器，其特征在于，还包括设置在绝缘仪器主体中的基本上相对于发射器对称的一对电极，其中这对电极中的每个都包括与导电心轴接触的导体。

7.根据权利要求6的感应仪器，其特征在于，还包括设置在绝缘仪器主体中的距离发射器具有最长间隔的接收器之外的距离处的附加电极，其中该附加电极包括与导电心轴接触的导体。

8.根据权利要求6的感应仪器，其特征在于，还包括设置在绝缘仪器主体中的基本上相对于发射器对称的第二对电极，其中该第二对电极中的每个都包括与导电心轴接触的导体。

9.根据权利要求8的感应仪器，其特征在于，还包括设置在绝缘仪器主体中的距离发射器具有最长间隔的接收器之外的距离处的附加电极，其中该附加电极包括与导电心轴接触的导体。

10.一种用于设计感应仪器的方法，其包括：

设置至少一个阵列，该阵列包括在绝缘仪器主体中围绕导电仪器的导电心轴配置的一发射器、一反作用线圈和一接收器；

确定零敏感度的位置，其中该零敏感度的位置位于发射器和反作用线圈之间的间距与发射器和接收器之间的间距的调和平均值处；以及

将电极设置在绝缘仪器主体中接近零敏感度的位置上，其中导电路径形成在电极和导电心轴之间。

11.权利要求10的方法，其特征在于，该至少一个阵列包括横向阵列或者三轴阵列。

12.根据权利要求10的方法，其特征在于，电极包括从环型电极、分段环型电极、指状电极和环绕配置在绝缘仪器主体周围的多个按钮电极中选择的一个。

13.根据权利要求10的方法，其特征在于，调和平均值是根据：

z_{0} = \frac{2}{\frac{1}{z_{B}} + \frac{1}{z_{R}}}

14.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括在绝缘仪器主体中距离发射器最长间距处的接收器之外的距离上设置附加电极，其中附加电极包括与导电心轴接触的导体。

15.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括在绝缘仪器主体中基本上相对于发射器对称的位置上设置一对电极，其中该对电极中的每个都包括与导电心轴接触的导体。

16.根据权利要求15的方法，其特征在于，还包括在绝缘仪器主体中距离发射器最长间距处的接收器之外的距离上设置附加电极，其中附加电极包括与导电心轴接触的导体。

17.根据权利要求15的方法，其特征在于，还包括在绝缘仪器主体中基本上相对于发射器对称的位置上设置第二对电极，其中该第二对电极中的每个都包括与导电心轴接触的导体。

18.根据权利要求17的方法，其特征在于，还包括在绝缘仪器主体中距离发射器最长间距处的接收器之外的距离上设置附加电极，其中附加电极包括与导电心轴接触的导体。