CN1011723B

CN1011723B - 隙缝天线式电磁测井装置

Info

Publication number: CN1011723B
Application number: CN85108416A
Authority: CN
Inventors: 布赖恩·克拉克
Original assignee: Schlumberger Overseas SA
Current assignee: Schlumberger Overseas SA
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1985-11-23
Publication date: 1991-02-20
Also published as: OA08153A; CN85108416A; EP0186570A3; MX158468A; EP0186570B1; ES550461A0; ATE66304T1; EP0186570A2; DE3583797D1; NO854831L; US4689572A; ES8705128A1

Abstract

本发明是揭示了利用充满绝缘体的并与调谐设备连接的隙缝天线来获得改进操作的电磁测井设备。这设备能被用来测量钻孔周围结构层的绝缘常数。

Description

本发明涉及测井装置，更具体地说是一个带有电磁能的测井装置。

钻孔周围地层的绝缘常数（或介电常数）的测量被认为提供了非常有用的关于地层的资料。地球地层的不同材料的绝缘常数变化范围较大（例如，油为2.2，石灰石为7.5，水为80），所以测量绝缘性质是评价构造的一种有用的方法。作为一个说明，如果一种特殊地层的岩石和水饱和由惯用的测井技术或其它已知方法来确定的话，如果，能得到地层的绝缘数，则认为可以确定孔隙率。同样如果岩性与孔隙率被给定为已知量，靠测量地层的绝缘常数可得到水饱和度的资料。

改善地层绝缘常数测量技术的测井装置是个电磁传播工具，如第3944910号美国专利所公开的。参照该专利中的描述，测井装置包括一个发射器和数个固定在紧贴着钻孔壁的基座中彼止有间隔的接收器。微波电磁能被发射到地层中，而在接收天线上收到通过地层传播的能量。在结构层中传播能量的相移和衰减根据接收器输出的信号决定。如果需要的话，地层的绝缘常数与电导率则能够由相位与衰减的测量来获得。测量一般是（虽然并非必须是）在地层的侵入的地带进行的。天线的形状是所述的这类测井装置成功运行的重要方面。在相对高频运行（例如1100MHz）条件下，信号衰减相当迅速，因此，有个有效地产生能量并使它进入地层的发射天线，并有个有效地接收通过地层传播的能量的接收天线是重要的。由于绝缘常数和电导率的测量精度取决于接收信号的衰减与相位的测量精度，所以天线必须在任何时间内稳定运行和天线处在（并保持在）真正平衡的状态下。此外，边缘场乱真信号分量和有害的影响应被减低到最小。

在上面参照的第3944910号美国专利中，所述的电磁传播测井装置的天线是以绝缘材料充满的谐振腔反射式隙缝天线，而且包括一个探针，该探针是馈送到发射天线（或当情况允许时从接收天线）的同轴电缆中心导体的延伸，并穿过谐振腔反射式隙缝，以及有一个在谐振腔反射缝的一侧充填绝缘材料的凹处终止的自由端的探针。每个天线将四分之一波长的谐振腔深度伸入到其金属罩内。谐振腔反射式隙缝天线的长度是半波长。

由于谐振腔反射式隙缝天线的结构，它被固有地以运行频率调谐。在涉及到较低的电平信号，这种调谐帮助提供选择以所选频率的有效操作来获得合理的信噪比的频率。但上述型式的测井装置的结构与操作方面存在一些缺陷。谐振腔反射式隙缝的尺寸是大小相当于波长的几分之一的尺寸。由于相对大的尺寸的结果，隙缝的相位中心将不被很好地限定，而且隙缝的开口能趋向于实际上与在开口附近传播的电磁波相互作用。谐振腔反射式隙缝处于固有的窄波段，而且这限制运行频率变化的可能性。钻孔是非常困难的操作环境，而且测井装置受到各种压力、温度和机械应力。申请人已经指出，液体侵入绝缘材料可能是上述测井装置中的操作问题的主要原因。暴露在钻孔环境中的绝缘材料会受到水的侵蚀。水能通过裂缝进入绝缘材料（由于恶劣环境增加这裂缝的可能性），而且，甚至没有裂缝的绝缘材料也在一定程度上有可能受到液体的侵蚀。当液体（特别是水）进入谐振腔反射式天线的绝缘材料时，“湿”介质的绝缘常数能实际增加到超过原始的“干”的值（由于水有比所用的绝缘材料更高的绝缘常数）。由于在谐振腔反射式隙缝中运行信号的波长取决于载波的介质的绝缘常数，能量的波长将改变（在这种情况下，由于水的绝缘常数高，将被缩短），谐振腔反射式隙缝天线的运行当谐振腔脱离谐振时而劣化。

进入天线绝缘材料的液体的侵蚀，因为它对在上述结构的自由端探针周围材料的影响，也能引起一个问题。详细说，在天线凹口中的探针端有一定的固有电容，其数值会受到绝缘材料的绝缘常数的影响。再者，如果绝缘材料变“湿”，天线的性能将改变。

本发明的目的在于提供这样一种用来研究钻孔周围地层的设备以使其电磁测井装置的操作得以改进，尤其是，对决定测量结构层的绝缘常数方面的改进，从而在钻孔环境中进一步提供改进的和更稳定的操作。

根据本发明的一个实施例，提供一个可通过钻孔移动的测井装置。在测井装置上固定着基座部件并适合于与钻孔壁相接合。在这部件的啮合壁表面装有发射天线，而且在该部件啮合壁表面还装有一对有间距的接收天线，相对于发射天线也有一定的间距。每个发送与接收天线包括一个带有向着钻孔壁开口的隙缝的导电金属板（可以是一个或多个普通的天线，也可以不是普通的天线），隙缝基本上充满绝缘材料。每个天线还有安置在隙缝中的导电探针和离开隙缝的调谐元件，而这调谐元件被连接到探针上。最好是，这探针沿平行于钻孔轴线方向穿过隙缝而且在一端被缩短到隙缝壁。要提供一种装置，通过将信号加到相对于底板的调谐元件上，用来激励发射天线向地层内发射电磁能。还要提供一种装置，用获得跨过相对于底板的的调谐元件的信号来产生每个接收天线上的表示从地层接收的电磁能的输出。

在此，每个隙缝天线的隙缝的长度与宽度都小于隙缝的绝缘材料的工作频率的半波长（而最好是，小于四分之一波长），而深度小于隙缝的绝缘材料的工作频率的四分之一波长（而最好是，小于八分之一波长）。因此，隙缝不是在运行频率下的谐振腔，而且，相对于例如由于水的侵蚀引起的充填的绝缘材料变化的因素可使天线性能的灵敏度降低。例如，与在背景部分描述的谐振腔反射式隙缝天线相比较，隙缝的尺寸是比较小的。就此，隙缝天线散布较小的能量并很少与任何在隙缝附近传播的杂散电磁分量发生相互作用。更小的充填绝缘材料的开口趋向于更稳定，而较少受液体的侵蚀或恶劣的钻孔环境的其它不利影响。此外由于天线有宽的频带特性，可以在不同的频率下有效地运行。

在优选的实施例中，探针的一端被缩短到隙缝的壁上，因此，由于绝缘材料性能的变化所引起的电容的可能的变化就减小了。

在这优选的实施例中，提供离开隙缝的调谐元件，并相对于隙绽是密封的，使得调谐元件与隙缝的绝缘材料的环境扰动（例如，水的侵蚀或机械扰动）隔离开。据此，作为磁偶极子隙缝的功能将不会由于在隙缝中充填的绝缘材料的性质的变化而被大大地改变，而且，分离的调谐元件将增加天线的工作效率，基本上不会受恶劣环境的影响而劣化。

本发明的其它特征与优点，从下面结合附图所作的详细描述中会显得更清楚。

图1是一个能包括本发明的改进的那类装置（部分为框图形式）的简图。

图2是图1的测井装置的基座部件的俯视图。

图3是经过图2箭头3-3指定的截面剖开的，图2的基座部件的剖视图。

图4是按照本发明实施例的天线的剖视图。

图5是图4天线的俯视图。

图6是通过图4和5上的箭头6-6限定的截面剖开的图4和图5天线的剖视图。

图7说明进入图4表示的隙缝的电力线。

图8是类似图4的剖视图，但在天线探针周围的配有屏蔽。

图9是通过由图8上的箭头9-9限定的截面剖开的图8实施例的剖视图。

参照图1，示出的是包括本发明改进的装置10的那种类型的一个实施例，用于研究钻孔32的横切的地下地层31。钻孔32特别以钻削液台含有最终分离的悬浮颗粒的泥浆充满。一般情况下，由于钻孔横断的结构层中的液体压力小于在孔中的泥浆柱的静压力，以致于泥浆和泥浆滤出液多少会流进地层。众所周知，地层趋向于筛分泥浆中的小的悬浮颗粒以致于在钻孔壁上形成泥块40。

勘测装置或测井装置30悬挂在钻孔32中的铠装电缆33上，电缆33的长度基本上决定了装置30的相对高度。电缆长度由在地面上象一个鼓和绞盘机构（没示出）的适当装置来控制。测井装置30包括一个细长的圆柱型探测器34，其内部有一个包含大部分井下电子仪器的不漏液的壳。尤其是，一个包含有垂直的相间隔的发射天线T1和T2以及在发射天线之间的垂直的相间隔的接收天线R1和R2的基座37，固定在探测器34的一侧。一个可用液压方法控制的，保持基座37与钻孔壁接触的辅助臂38，固定在探测器34的另一侧。辅助臂38也能用来提供测径读数。由测井装置得到的代表地层信息的电子信号通过电缆33被发送到一般装在地面上的计算组件85和记录仪95上。为保持天线与钻孔壁的结合，在图1示出的特定装置是示例性的，要理解的是，为了实现这个目的，也可采用其他适当的公知装置。

为便于说明，在钻孔一侧示出了包含在部件34中的孔下电子仪器。在本发明中振荡器45提供的输出频率最好大于100MHz，而在本例中是1100MHz。振荡器45的输出通过隔离器46和开关电路71分别耦合到发射天线T1和T2。正如本技术所众所周知，发射天线T1和T2能够交替地执行“钻孔补偿”工作。例如，这方面系参看第3849721号美国专利。如那项专利记述的，接收器的作用也是被转换为钻孔补偿方法的一部分而补偿放大器的漂移和其它的操作不稳定性。这类转换也能用在本发明的范围。但是，本发明的改进本质上不是针对着钻孔的补偿或参照的转换或操作，因此容易解释起见，接收器R1和R2将分别被认为在是从发射器T1发射期间的近接收器和远接收器，而从发送器T2发送的情况将不详细描述。

电磁能被从发射器T1发射到周围的地层。在接收天线R1和R2接收到的能量分别被耦合到混频器47和48的输入端。例如在第3944910号美国专利中所描述的，从R1和R2收到的信号具有取决于周围地层的性质的量值的彼此不同相，并且有一个也是取决于周围地层性质的振幅比。混频器的第二输入端由与发射器频率隔开某一较低的频率（一般在千赫芝范围内）的一个频率供给能量。在所示的实施例中，例如，振荡器49以高于发射器频率10KHz的一个频率供应电磁能给混频器47和48。因此，混频器47和48的输出信号47A和48A含有10KHz的差频。根据众所周知的原理，信号47A和48A保持从R1和R2来的信号的相位与振幅关系，但是检相的任务在混频信号的较低频率下是大大地容易了。要确保振荡器45和49输出间的差频保持在10KHz，振荡器（45，49）的输出被采样并馈送到混频器50。混频器50的输出由频率稳定电路51来接收，电路51检测离开10KHz标准的偏移，并产生一个校正信号51A，信号51A以常规“锁相环”的形式控制振荡器49。

信号47A和48A被加到鉴相器53和振幅比较器54。鉴相器53的输出是一个与在R2和R1接收的信号间的相位差成正比的信号电平。振幅比较器54的输出是一个与R2接收信号相对于R1接收信号的相对振幅成正比的信号电平。适当类型的相位与振幅比较电路的在本技术中是公知的（也参看上面提到的第3944910号美国专利）。

鉴相器53和振幅比较器54的输出实际穿过铠装电缆33的导线对53A和54A被传递到地面。例如，这些信号可能是在传递到地面前经放大而升高的直流电平或可能是在传递到地面前在井下转换成数字形式。

在地面上，线53A和54A的信号由记录仪95来记录，记录仪95通常按钻孔探度的函数而驱动，靠机械连接到转轮96。轮96被连接到电缆33上，互相同步旋转，用以按钻孔深度的函数而运动。除在记录仪95上记录衰减和相位的代表信号以外，这些信号一般也可以被耦合到计数组件85。计数组件可以包含用于确定周围地层侵入区域的绝缘常数和/或导电率处理装置。正如在这项技术中所公知的，另一方面记录装置可以包含确定周围地层的其它一些参数的处理装置。要理解的是，本发明的目的是要改进测井装置的结构，而并不受处理检测信号的方法的限制。在同样的情况下，尽管在上述实施例中陈述了相位和衰减的差动测量，如果需要的话，相对于发射器的相位/或振幅的绝对测量可被采用。这些测量也可以用于确定泥块的电阻率与厚度。

图2和3说明一种根据本发明实施例的基座37。这个基座被固定在探测器34中的一个开口中，探测器34包括形成天线T1，R1，R2和T2的金属底板210。在本实施例中，底板210包括四块固定到底板下面的框架220上的金属零件。框架220包括若干开口，同轴导线穿过开口来回地通到探测器34，与例如在图1表示的电路相连接。金属端部开沟器231和232被利用来沿着孔壁切开泥块并方便地移动基座。

用作发射和接收天线的隙缝天线在图4-6中被更详细地示出。就此每个隙缝天线由在金属底板210中的隙缝形成，而且以例如绝缘常数大约是5的绝缘材料215来充满。在充满隙缝的绝缘材料的工作频率下，隙缝有一个小于半波长的长度和宽度以及小于四分之一波长的深度，因此在隙缝中将没有驻波。最好是，以绝缘材料的工作频率，长度和宽度都小于四分之一波长，而且深度小于八分之一波长。

在图4-6的实施例中，一个导电的探针杆或导线250沿平行于钻孔轴线方向穿过隙缝，并在一端被缩短到底板210中的隙缝壁。探针250的另一端穿过一个绝缘陶瓷压力密封260，并被连接到本实施例中由一个电容器表示的调谐元件300的一端。密封260用于把调谐元件与隙缝周围隔离开，来防止任何水或其它物质的侵入，或隔离可能改变或降低调谐元件的性能的机械扰动。由此，隙缝天线作为一个磁偶极子，其方向平行于基座的平面。由于隙缝基本上表现为电感性的，调谐元件实质上是电容性的，虽然可理解为一些电感调谐能用于调谐寄生电容。调谐元件300可以是一个集总电容器、并联短线或其它适用的元件。在本实施例中，电容器300的另一端被连接到同轴电缆的中心导体、同轴电缆的外导体重合或连接到金属底板210。每个同轴电缆被连接到由图3表示的连接器上，用来连接到适当的发射器或接收器的导线上。

当电场是垂直于良导体的表面时，磁场平行于表面。在导线表面中的一个小孔允许一些磁场和电场透入孔内。如果孔的尺寸与波长相比是小的，已经证明孔能被模仿为平行于导体平面的磁偶极子和垂直于导体平面的电偶极子的总和（例如，参看，H.A.Bethe“小孔的绕射理论”Phys.Rev.vol.66，pp.163-182，1944）。由此天线利用孔的磁偶极子分量，而不是电偶极子分量。当存在磁场时，如在图6中场线所示，一些磁力线漏进孔中（即隙缝），并绕探针与隙缝背壁和侧壁形成的回路产生电动势（参看图4）。这一电动势与内部磁场的强度和探针下面的面积成正比。天线的有效磁偶极矩平行于截切隙缝的平面，而垂直于探针的方向。

当如图7所示，电场存在时，它能穿过隙缝并在探针中产生一个信号。这是一个在磁偶极子天线上的寄生效应，但探针的布置和相对小的隙缝尺寸使得天线的磁偶极子超过电偶极子。只有在平行于探针的电场分量能在探针中感应电流。这样隙缝侧壁边缘场对寄生分量的影响最强。由于这些场在两侧壁边缘沿着相反方向，它们的影响趋于抵消。如果隙缝比波长窄得多，在这里由于跨过隙缝的电场的振幅与相位将是相当恒定，抵消的程度是高的。可以修正如图8和9中所示的天线来减小电偶极矩。在这个实施例中，通过将探针除了其中心以外所有地方包上屏蔽，而使探针对电场的灵敏度变得较低。这屏蔽由两个被缩减到隙缝壁的外圆柱面导体构成。圆柱面之间的间隙被准确地置于隙缝的中间，而使得这设计的高度对称。穿过隙缝的大部分电力线终止于屏蔽并且不激发探针本身。由于这屏蔽在中间是断开的，由磁场感生的电动势仍然激发探针。

由此，天线能够模拟为地平面上的电流环，探针和隙缝构成该回路环。在电源的外部，一个强度m的水平磁偶极子能代替这个电流回路。如探针上的电流为I，那么m＝2AI，式中A是天线的有效面积。因为地平面加一个与源偶极子同相的偶极子影象，所以出现因数2。在这种情况中，在接收天线的衰减器表面由于发射天线引起的磁场能由下式表示：

Hy= (-mk^*2)/(4πr) e^jk＊r[1+ (j)/(k^＊r) - 1/(k^＊2r²) ］（1）

式中k＊是公式的复传播常数，而r是两个天线间的距离。在同心导线电缆上接收的信号V，将与Hy成正比。近点接收的信号与远点接收机的信号的比是：

这里比值 (V_近)/(V_远)

成为的形式。

这里G是用分贝表示的信号比率的大小，而θ是用弧度表示的信号比的相位。在得到G和θ以后（例如，利用图1中所示的电路形式），k＊能够利用关系式（3）来确定，在特殊情况下，由于一般地说｜k＊r｜或｜k＊r｜是＞＞1，关系式（3）最后括号中的自然对数是接近于零，k＊也能由第一级近似的不带这一项的关系式来求出。然而以这个方法得到的k＊能被用在完整表达式（3）的等号右边来得到更好的k＊值，而且这一程序将迅速地集中k＊值的解。绝缘常数ε′和电导率σ能利用下式来获得：

ε′＝（k′＝k″²）/k² _o（4）

σ＝2k′k″〔ωε_o〕/k² _o（5）

这里k′和k″分别是k＊的实部和虚部，k_o是自由空间传播，而ω是运行的角频率。变换所述的迭代数字解将是一种查表技术或曲线匹配技术，二者在现有技术中都有是众所周知的。另一种的可能途径是提供一个专用的模拟处理机或数字处理机，用于提供表示上述关系的输出函数。也可以认为在一个适用的大试验钻孔井中利用介绍的测井装置，贮存的值能被以实验为依据来获得。

参照特定的优选实施例已经描述了发明，但在本发明的精神与目标范围内，熟悉本领域的技术人员可作各种变更。例如，尽管在实施例中示出两个接收器和两个发送器，将了解到可利用三个或更多的接收器和/或一个或更多的发射器。此外，如果需要的话会认识到可采用锥形隙缝。而且，运行频率能在测井前或测井工作期间，在孔上或孔下变化。

Claims

1、一种用来研究钻孔周围地层间的隙缝天线式电磁测井的设备，包括：

一个通过钻孔的可移动的测井装置；

一个固定在测井装置上并适合于与钻孔壁啮合的部件；

一个固定在所述部件的啮合孔壁的表面的发射天线；

一对固定在所述部件的啮合孔壁的表面上的相对于所述的发射天线有间距的相间的接收天线；

激励所述的发射天线而发射电磁能进入所述的地层用的装置，以及

用来在所述的每个接收天线产生表示从地层接收到的电磁能的输出信号的装置；

其特征在于：

所述的每一个天线包括一个有开向钻孔壁的隙缝的导电底板，所述的隙缝实质上是充满着绝缘材料，一个在所述隙缝中的导电探针和离开所述隙缝的调谐元件，所述的调谐元件被连接到所述的探针；所述的发射天线通过供给一个信号到相对于所述底板的所述调谐元件来激励；每个接收天线的输出通过得到跨过相对于所述底板的所述调谐元件的信号而产生。

2、根据权利要求1的设备，其特征在于：所述调谐设备是一个电容性的调谐元件。

3、根据权利要求1或2的设备，其特征在于：还包括将所述调谐元件与所述隙缝隔开的密封装置。

4、根据权利要求1的设备，其特征在于：所述的隙缝的长度和宽度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的半波长，所述隙缝的深度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的四分之一波长。

5、根据权利要求2的设备，其特征在于：所述的隙缝的长度和宽度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的半波长，所述隙缝的深度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的四分之一波长。

6、根据权利要求3的设备，其特征在于：所述的隙缝的长度和宽度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的半波长，所述隙缝的深度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的四分之一波长。

7、根据权利要求1的设备，其特征在于：所述的隙缝的长度和宽度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的四分之一波长，所述隙缝的深度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的八分之一波长。

8、根据权利要求2的设备，其特征在于：所述的隙缝的长度和宽度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的四分之一波长，所述隙缝的深度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的八分之一波长。

9、根据权利要求3的设备，其特征在于：所述的隙缝的长度和宽度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的四分之一波长，所述隙缝的深度小于所述隙缝的绝缘材料工作频率的八分之一波长。

10、根据权利要求1的设备，其特征在于：在每个所述天线中的导电探头沿平行于钻孔轴线方向穿过所述隙缝，而且在一端被缩短到所述隙缝的壁上。

11、根据权利要求3的设备，其特征在于：在每个所述天线中的导电探头沿平行于钻孔轴线方向穿过所述隙缝，而且在一端被缩短到所述隙缝的壁上。

12、根据权利要求4的设备，其特征在于：在每个所述天线中的导电探头沿平行于钻孔轴线方向穿过所述隙缝，而且在一端被缩短到所述隙缝的壁上。

13、根据权利要求10的设备，其特征在于：还包括有连接所述金属底板并且环绕跨过所述隙缝的探针一部分的导电屏蔽装置。

14、根据权利要求12的设备，其特征在于：还包括有连接所述金属底板并且环绕跨过所述隙缝的探针一部分的导电屏蔽装置。

15、根据权利要求13的设备，其特征在于：在所述隙缝的探针中间部分是不屏蔽的，而且所述的屏蔽装置包括有连接到所述金属底板并环绕在所述隙缝中的探针其余部分的留有间隔的若干管状导体。