CN101680964A - 用于勘测地质构造的电磁探头的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于勘测包围裸眼井(WBH)的地质构造(GF)的电磁探头的天线(3)，所述天线包括导电基部(31)和天线元件(32)。导电基部(31)包括开端式非谐振腔(33)。天线元件(32)嵌入在腔(33)内并且直接通过腔。天线元件(32)与导电基部(31)隔离。天线元件(32)分别通过第一端口(34A)和第二端口(34B)连接到至少一个电子模块。电子模块操作天线以限定同时叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子。

Description

用于勘测地质构造的电磁探头的天线

技术领域

本发明涉及一种用于测量在包围裸眼井的限制层内的地下地层的电磁特性的电磁探头的天线。本发明的另一个方面涉及一种用于对地下地层裸眼井执行测井的测井仪。本发明的另一个方面涉及一种勘测包围裸眼井的限制层的方法。根据本发明的探头和测井仪的具体应用涉及油田服务行业。

背景技术

测量地质构造电磁特性(例如，介电常数)的测井装置例如从US 3,849,721，US 3,944,910和US 5,434,507是已知的。通常，测井装置包括安装在极板内的发射器和间隔开的接收器，所述极板抵靠在填充有钻井泥浆的井眼的井壁上。微波电磁能量发射到地层，并且在接收天线处接收已经传播通过地层的能量。在地层中传播的能量的相位和振幅由接收器输出信号确定。然后可以从相位和振幅测量值得到地层的介电常数和电导率。

发射器和接收器包括被同化为磁偶极子的天线。这些偶极子正切于极板面，并在不同的方向上被定向。垂射模式(broadside mode：或侧向模式)对应于与极板轴线正交定向的偶极子。端射模式对应于与极板轴线对齐定向的偶极子。用于垂射模式的勘测深度非常小。用于端射模式的勘测深度大于用于垂射模式的勘测深度，但是例如在1GHz处信号通常较弱。在两个接收器之间测量衰减和相移。简单的反演允许在均质地层的情况下获得介电常数和电导率。通常，这种测井装置由于其对极板相对于地层的间隙(standoff)的高灵敏度或井壁上的泥饼层的存在而不能提供对地层特性的准确测量。例如，在存在泥饼层的情况下，未知量的数量从两个未知量(即，地层的介电常数ε和电导率σ)增加到五个未知量(即，地层(ε，σ)的介电常数ε和电导率σ和泥饼(ε，σ)_mc的介电常数ε和电导率σ，以及泥饼厚度t_mc)。因此，不能够根据衰减和相移测量值精确地确定地层电磁特性。

文献US 5,345,179提出了一种在存在泥饼的情况下提高测井装置响应和精度的方案。测井装置包括多个交叉偶极子天线，且每一个都位于腔内。交叉偶极子天线将端射和垂射极化都容纳在同一个腔内。

通常，这种交叉偶极子天线包括嵌入在非谐振腔内的两根线，所述非谐振腔填充有介电材料并在一端处与导电腔壁短路。

电流分布J与短路的传输线模拟近似。在腔内的辐射线上的电流分布可以近似于：

J(y)＝J₀cos(k₀[y-a])

其中：

-J₀是电流振幅；

-a是孔径尺寸，

-k₀是腔内的波数，并且等于：

-ε_腔是填充腔的材料的相对介电常数，

-ω是角频率，以及

-c是光在真空中的速度。

电流在短路位置处最大。此余弦曲线和非对称电流分布激发强的寄生电偶极子。

在线上流动的电流激发腔内模式。振荡模式是横电模式TE₁₀。此模式有助于辐射图案，所述辐射图案靠近正交于线的磁电偶极子m。在线上的电流分布还将激发寄生模式，且振荡模式是横磁模式TM₁₁。此模式与正交于孔径的电偶极子P相对应。这些寄生模式导致yz平面内的电磁场Ey和Ez的强对称。

现有技术的天线决不是纯磁偶极子。具体地，正交于孔径的寄生电偶极子影响测量精度。此外，由于没有确定泥饼电磁特性，因此用于确定地质构造电磁特性的反演计算可能是不稳健的。

2007年2月6日提出申请的专利申请EP07290149.9说明了一种与电子电路相关联的改进的天线，所述电子电路能够选择天线或者作为纯电偶极子或作为磁偶极子的操作模式。然而，电子电路需要使用变压器和开关、或移相器，这都比较昂贵并且导致一定的复杂性。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种天线和包括至少一个这种天线的、能够测量包围裸眼井的限制层内的地下地层的电磁特性的电磁探头，从而避免或至少减少现有技术天线和探头的缺陷。

根据第一方面，本发明涉及一种结合天线元件的天线，所述天线元件具有带有适当的电子电路的简单机械设计，所述电子电路确定天线的作为大致纯电偶极子和大致纯磁偶极子的叠加的特性。

更确切地，本发明的第一方面涉及一种用于勘测包围裸眼井的地质构造的电磁探头的天线，所述天线包括导电基部和天线元件，导电基部包括开端式非谐振腔，天线元件嵌入在腔内并且直接通过腔，天线元件与导电基部隔离，天线元件分别通过第一和第二端口连接到至少一个电子模块，电子模块操作天线以限定同时叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子。

有利地，天线元件可以是钢丝带。

腔可以具有平行六面体、或椭圆、或圆柱形形状。腔可以填充有介电材料。

电子模块包括发射模块，所述发射模块包括连接到天线元件的第一端口的第一功率放大器和连接到天线元件的第二端口的第二功率放大器。

此外，电子模块包括接收模块，所述接收模块包括连接到天线元件的第一端口的第一低噪声放大器和连接到天线元件的第二端口的第二低噪声放大器。

本发明的又一个方面涉及一种包括根据本发明的电磁探头的天线的天线模块。导电基部还可以包括通过端口连接到天线的印刷电路板，所述印刷电路板包括至少一个电子模块以及控制和处理模块。

本发明的另一个方面涉及一种用于勘测包围裸眼井的地质构造的电磁测井设备，包括：

测井仪，所述测井仪可移动通过裸眼井；

电磁探头，所述电磁探头包括极板，所述极板安装在测井仪上，并且适于通过极板的壁接合面与井壁接合；

至少一个天线，至少一个天线安装在壁接合面内并且用作发射天线；

多个间隔开的天线，多个间隔开的天线安装在壁接合面内并且用作接收天线，接收天线以与发射天线间隔开的关系被定位；

发射器模块，发射器模块适于激励发射天线，从而以确定频率将电磁能发射到地层内；和

接收器模块，接收器模块适于在接收天线中的每一个处接收并处理表征从地层接收的电磁能的输出信号，

其中，接收天线或发射天线中的至少一个是根据本发明的天线。

本发明的又一方面涉及一种使用电磁测井设备勘测包围裸眼井的地质构造的方法，电磁测井设备包括根据本发明的至少一个发射天线和至少一个接收天线，其中，所述方法包括以下步骤：

a)将测井设备下入通过裸眼井并且与井壁接合以限定将被勘测的由介质构成的选择层；

b)通过以下步骤执行第一组测量：

b1)通过触发发射天线的第一端口操作天线使得每一个天线限定叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子，以及在介质中辐射电磁信号；

b2)分别在接收天线的第一端口和第二端口处测量已经在发射天线与接收天线之间的介质中传播的电磁信号的衰减和相移的第一子集和第二子集；

c)通过以下步骤执行第二组测量：

c1)通过触发发射天线的第二端口操作天线使得每一个天线限定叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子，以及在介质中辐射电磁信号；

c2)分别在接收天线的第一端口和第二端口处测量已经在发射天线和接收天线之间的介质中传播的电磁信号的衰减和相移的第三子集和第四子集；

d)结合第一组测量和第二组测量，并且通过数学的方式提取由于纯磁偶极子的第一贡献(contribution)和由于纯电偶极子的第二贡献；以及

e)根据第一贡献和第二贡献执行反演计算，以及确定选择层内的介电常数ε和电导率σ。

可以顺序执行第一组测量和第二组测量，第一端口和第二端口由具有相同频率的电信号触发。

可以同时执行第一组测量值和第二组测量值，第一端口和第二端口由具有不同频率的电信号触发。

在其中电磁测井设备包括至少两个发射天线和至少两个接收天线的结构中，所述方法还包括以下步骤：执行在至少两个接收天线的第一端口和第二端口处测量的衰减和相移之间的差值测量，并且应用井眼补偿法以消除每一个天线增益。

与现有技术所述的电磁传播测井仪相比较，用于在地质勘探中使用的本发明的电磁探头的天线能够对地层电磁特性进行较好的精确测量。具体地，利用本发明，即使泥饼覆盖井壁，并且不管泥饼的性质(例如，油基泥浆或水基泥浆)，都可以执行精确测量。

此外，尽管在现有技术中，天线的操作模式，即电偶极子模式(EDM)或磁偶极子模式(MDM)通过电子电路选择，本发明能够同时激发上述两种模式和随后在数学上将它们分开。因此，本发明所要求的电子电路比现有技术中的电子电路简单。

附图说明

以示例的方式说明本发明，但是本发明不限于附图，其中相同的附图标记表示类似的元件：

图1示意性地示出了陆上油气井位置；

图2示意性地示出了位于裸眼井内并且接触形成到井壁上的泥饼的极板的剖面图；

图3示意性地示出了用于测量地下地层的电磁特性的、包括根据本发明的天线的极板的井壁接触侧视图；

图4和图5是分别显示根据本发明的第一实施例的天线的剖面图和局部剖视图；

图6和图7分别是示意性地显示根据本发明的第二和第三实施例的天线的剖面图；

图8和图9是分别示意性地显示根据本发明的在混合纯磁偶极子和电偶极子模式中操作的发射天线和接收天线的俯视图；

图10和图11分别示出了连接到根据本发明的能够在混合纯磁偶极子和电偶极子模式中操作的天线的发射电路和接收电路的一部分；

图12示意性地显示图3、4、6和7中所示的电子模块；

图13的上图和下图分别显示了表征在根据本发明的接收天线的端口处测量的不同信号的振幅和相位的曲线；

图14和图15是分别显示表征利用根据本发明的天线测量的衰减和相移与理论值进行比较的曲线图；和

图16是显示本发明的勘测方法的步骤图。

具体实施方式

图1示意性地示出在已经实施钻井操作之后典型的陆上油气井位置和在油气地质构造GF上方的地面设备SE。在此阶段，即，在下入套管柱之前和在实施固井操作之前，井眼是填充有流体混合物DM的裸眼井WB。流体混合物DM通常是钻井液和钻井泥浆的混合物。在本示例中，地面设备SE包括石油钻机和用于将测井仪TL部署在井眼内的地面装置SU。地面装置可以是通过线LN连接到测井仪的车辆。此外，地面装置包括用于确定测井仪相对于表层的深度位置的适当的装置DD。测井仪TL包括各种传感器，并提供与油气地质构造GF和/或流体混合物DM相关的各种测量数据。这些测量数据由测井仪TL采集，并发射到地面装置SU。地面装置SU包括用于处理、分析和存储由测井仪TL提供的测量数据的电子装置和软件装置PA。可选地，测量数据可以在井下在测井仪TL中被处理、分析和存储。

测井仪TL包括根据本发明的用于测量地下地层的电磁特性的探头1。一旦测井仪位于期望的深度，可以通过适当的部署装置，例如臂状物从测井仪TL将探头1部署抵靠在井壁上。

图2和图3示意性地显示探头1的剖面图和井壁接触面图。探头1包括极板2。极板是例如是由金属材料类的不锈钢制成的导电金属壳体，所述导电金属壳体被布置以被定位成与井壁WBW接触。极板2通过臂状物(图2仅显示了所述臂状物的一部分)连接到测井仪TL。臂状物能够使极板2抵靠在井壁WBW上而被部署到裸眼井WB内。通常，裸眼井填充有钻井泥浆DM。

探头1还包括发射天线和接收天线，例如，两个发射天线Tu和Td(u表示上，而d表示下)，和两个接收天线Ru和Rd。发射天线Tu和Td以及接收天线Ru和Rd沿着极板面中的线AA′位于极板内，所述极板面被布置以被定位成与井壁WBW接触。如图3中所示的发射天线和接收天线的数量及其相对于彼此的位置仅仅是示例。发射天线和接收天线的数量和位置可以不同。此外，在本说明书中，每一个天线或者总是用作发射天线或者总是用作接收天线。然而，天线不局限于特殊功能；每一个天线可以通过用于将天线连接到适当的电子模块(发射器模块或接收器模块)用作接收天线而随后可以用作发射天线，或者反之亦然。

探头1还包括连接到发射天线和接收天线的电子装置4。通常，电子装置4被设计成使得天线可以在从大约10MHz到大约2GHz的频率范围内操作。电子装置4包括至少一个发射器模块和至少一个接收器模块。每一个发射器模块被布置成通过施加激发信号而激发发射天线Tu和/或Td。将微波电磁能(图2中的虚线所示)发射到地层内，并且在接收天线处接收传播通过地层的能量。每一个接收器模块被布置成确定由接收天线Ru和Rd提供的接收信号相对于激发信号的衰减和相移。然后，可以由相位和振幅测量值获得地层的介电常数和电导率。

另外，电磁探头1可以包括用于测量流体混合物、泥饼、和/或地层的特征参数的诸如温度传感器的其它类型的传感器(未示出)。

可以通过臂状物下入一个或多个同轴电缆(未示出)，用于连接电子装置4与测井仪TL。测井仪TL包括大量井下电子仪器(未示出)并且提供能量和控制指令，以及从电磁探头1收集测量值。可选地，电子装置4可以包括用于将测量值直接发射到地面设备SE并且从所述地面设备接收控制指令的数据通信模块(未示出)。

图4、5、6和7示意性地显示根据本发明的不同实施例的天线3。以下根据不同实施例说明的天线3可以用作发射天线(例如，图2和图3的发射天线Tu、Td)或用作接收天线(例如，图2和图3的接收天线Ru、Rd)。

在图4、6和7中，天线被示出为安装在极板2内，同时极板接触井壁WBW。通常，当在本示例中，所研究的介质包括在被泥饼MC覆盖的地层GF内。泥饼MC通过当流体混合物侵入地层GF时过滤悬浮在流体混合物中的颗粒而形成在井壁WBW上。

天线3包括导电基部31和第一天线元件32。导电基部31包括开端式非谐振腔33。

腔33具有椭圆或圆柱形形状。然而，腔33可以具有诸如平行六面体形状(未示出)的其它形状。作为示例，由这种腔定义的孔径尺寸α可以大约为10mm。有利地，腔填充有介电材料。当填充腔的所述材料的介电常数对辐射纯度没有影响时，可以使用任何介电材料。可选地，铁氧体材料(未示出)中的元件可以插入到腔内。铁氧体材料增加磁偶极矩，但不会改变电偶极矩。

天线元件32直接通过(go right through)腔，同时没有接触腔壁。天线元件32通过第一端口34A和第二端口34B连接到电子装置4。端口包括连接线。有利地，天线元件32在第一端口34A和第二端口34B的每一个端部处在所述第一端口和所述第二端口处连接。有利地，两个端口中的每一个与电子装置之间的连接具有相同的长度。

有利地，因为极板在测井操作期间可以抵靠井壁移动，因此天线元件32被定位成靠近腔33开口，而不是在腔外部突出。有利地，当抵靠井壁部署极板2时，天线元件32与地质构造接触。然而，在某些应用中，有利的是腔可以由盖子或窗体(未示出)闭合，以保持和保护介电材料。有利地，盖子由耐磨损的诸如PEEK(热塑性聚醚醚酮)的防护材料制成。然而，不干扰高频率波传播并且显示对磨损适当的机械阻力的任何其它材料是可接受的。

天线元件32可以具有带状形状。作为示例，带的宽度大约为5mm。可以通过增加带的宽度来提高对磨损的抵抗、电偶极矩、和灵敏度(具体地，在大致纯偶极天线模式EDM中的反射期间的灵敏度)。

在图3的示例中，将天线定向成使得每一个天线元件32垂直于极板轴线，从而垂直于裸眼井轴线。这对应于磁偶极子平行于极板轴线AA′的优选结构。这种结构能够在地质构造中进行更深的测量。然而，在某些应用中，目的是将天线定向成使得天线元件与极板轴线对齐，从而平行于裸眼井轴线(这种结构在附图中没有示出)。

图4和5说明了根据第一实施例的天线3。

第一端口34A和第二端口34B通过第一开口35A和第二开口35B穿过导电基部31。开口35A、35B被定位到腔的直接在天线元件端部下面的底部33C内。第一端口34A和第二端口34B延伸到腔33内。有利地，至少当端口34A、34B穿过开口时，所述端口相对于导电基部绝缘。可选地，开口35A、35B填充有绝缘材料，以使端口的连接线相对于导电基部绝缘并且保持天线元件32在腔33内的定位。

图6示出了根据第二实施例的天线3。第一端口34A和第二端口34B通过第一倒L形通道36A和第二倒L形通道36B穿过导电基部31。通道从导电基部31的底部延伸并且靠近腔的顶部通过侧壁33A、33B进入到腔33内。天线元件32总是沿着腔孔径延伸。如图6中所示，天线元件32还可以延伸到第一通道36A和第二通道36B的一部分内。第一端口34A和第二端口34B延伸到第一通道36A和第二通道36B内。有利地，端口34A、34B总是沿着通道36A、36B相对于导电基部31绝缘。此外，天线元件32的端部当延伸到第一通道36A和第二通道36B的一部分中时也相对于导电基部31绝缘。

图7示出根据第三实施例的天线3。第三实施例与第一实施例的不同在于：位于腔33的底部内的第一开口35A和第二开口35B被单个开口37代替。单个开口37大致位于腔33的底部33C的中心处。有利地，端口34A、34B相对于导电基部绝缘，并且至少当穿过开口相对彼此绝缘。

在各种实施例中，天线的金属部分可以是板状黄金，以最小化欧姆损耗。天线3可以被设计成插入到极板2的槽内的天线模块的形式。在这种情况下，导电基部31可以有利地包括通过端口34A、34B连接到天线元件32的印刷电路板(未示出)。印刷电路板可以包括阻抗匹配网络。阻抗匹配网络能够当天线是发射器最大化传输到地层内的功率，或者相反地，能够当天线是接收器时最大化接收的功率。有利地，印刷电路板和阻抗匹配网络被定位成靠近天线元件以提高所述天线元件的效率。例如，印刷电路板可以位于距离天线元件小于腔的尺寸的距离处。最后，匹配网络可以被设计成用于具有无源分量(电感或电容)或有源分量(可变电容)的多个离散频率。有源分量能够最大化效率地在具有从0.1GHz-2.0GHz的频率范围内工作。

在图8、9、10、11和12中，接收天线R和发射天线T与在上文相对于图4-7说明的天线3相同。在图8和图9中，圆表示电偶极子，而箭头表示磁偶极子。电偶极子垂直于由天线的腔开口限定的平面定向。磁偶极子平行于由天线的腔开口限定的平面。

图8和图10是分别示意性地显示发射天线T的俯视图和剖面图。图10还示意性地示出电子模块4的一部分。用作发射器T的天线元件的端口TA、TB连接到发射器模块44T。作为示例，发射器模块44T包括两个功率放大器45A和45B。第一放大器45A的输出连接到用作发射器T的天线的第一端口TA，而第二放大器45B的输出连接到用作发射器T的天线的第二端口TB。因此，可以将端口相关电压施加到天线的每一个端部。利用这种发射器模块44T，可以操作天线以限定叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子。

图9和图11是分别示意性地显示接收天线R的俯视图和剖视图。图11还示意性地示出电子模块4的一部分。用作接收器R的天线元件的端口RA、RB连接到接收器模块44R。作为示例，接收器模块44R包括两个低噪声放大器46A和46B。第一放大器46A的输入连接到用作接收器R的天线的第一端口RA，而第二放大器46B的输入连接到用作接收器R的天线的第二端口RB。因此，可以对天线的每一个端部测量端口相关电压。利用这种接收器模块44R，操作天线以限定叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子。

图12示意性地显示电子模块4。发射器模块44T和接收器模块44R连接到控制和处理模块43。控制和处理模块43控制发射天线T和接收天线R的操作。以下说明根据由接收器提供的测量值通过控制和处理模块43执行的计算。

利用本发明的天线和上述发射器、接收器、以及控制和处理模块，同时激发电偶极子模式(EDM)和磁偶极子模式(MDM)，并且以数学的方式分离所述电偶极子模式和磁偶极子模式。优选地，对于每一个天线来说，两个端口上的阻抗应该非常接近。在本发明的发射器模块的情况下并且对于适当的负载阻抗来说，天线相当于纯磁偶极子和纯电偶极子的叠加，且电流分布由以下公式给出：

其中：

-J₀是电流振幅，

-a是孔径尺寸i，

-k₀是腔内的波数并且等于： $k_0=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cavity}}},$

-ε_cavity是填充腔的材料的相对介电常数，

-ω是角频率，

-c是光在真空中的速度；以及

是基于负载阻抗的相位。

根据第一可选例，控制和处理模块43触发发射模块，使得发射天线的第一端口TA和第二端口TB被顺序触发，即，先触发端口TA，然后触发端口TB，或者反之亦然。在此可选例中，通过第一和第二端口激发发射天线的信号的频率可以相同，例如为1GHz。接收天线和接收模块同时接收两个端口RA、RB上的信号。

根据第二可选例，控制和处理模块43触发发射模块，使得发射天线的第一端口TA和第二TB被同时触发。在此可选例中，通过第一和第二端口激发发射天线的信号的频率必须是不同的，例如第一端口TA被具有1GHz频率的信号激发，而第二端口TB被具有1GHz+10kHz频率的信号激发。接收天线和接收模块同时接收两个端口RA、RB上的信号。频率的不同能够使控制和处理模块43区分由第一端口TA激发所产生的接收信号和由第二端口TB激发所产生的接收信号之间进行。

可以由不同组合：发射器端口TA或TB和接收器端口RA和RB获得四个信号。

这些信号取决于组合的天线和电子元件增益α、发射器的电偶极子长度l_T和接收器的电偶极子长度l_R、发射器的磁偶极子面积S_T和接收器的磁偶极子面积S_R、和介质。

假设发射器天线和接收器天线可以不同，并且在一个天线中，端口A和B机械对称并且具有相同的负载阻抗：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_T=l_{\mathrm{TA}}=l_{\mathrm{TB}}\\ l_R=l_{\mathrm{RA}}=R_B\\ S_T=S_{\mathrm{TA}}=S_{\mathrm{TB}}\\ S_R=S_{\mathrm{RA}}=S_{\mathrm{RB}}\end{array}\right.$

可以利用与在纯电偶极子模式中操作的天线相对应的第一函数f_EDM和在纯磁偶极子模式中操作的天线相对应的f_MDM表示介质的影响。两种函数都取决于波数k和天线之间的距离r。

这些信号可以写作为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{TA}-\mathrm{RA}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{TA}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RA}}{l}_T{l}_R{f}_{\mathrm{EDM}}(k,r)+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{TA}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RA}}{S}_T{S}_R{f}_{\mathrm{MDM}}(k,r)\\ V_{\mathrm{TA}-\mathrm{RB}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{TA}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RB}}{l}_T{l}_R{f}_{\mathrm{EDM}}(k,r)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{TA}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RB}}{S}_T{S}_R{f}_{\mathrm{MDM}}(k,r)\\ V_{\mathrm{TB}-\mathrm{RA}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{TB}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RA}}{l}_T{l}_R{f}_{\mathrm{EDM}}(k,r)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{TB}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RA}}{S}_T{S}_R{f}_{\mathrm{MDM}}(k,r)\\ V_{\mathrm{TB}-\mathrm{RB}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{TB}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RB}}{l}_T{l}_R{f}_{\mathrm{EDM}}(k,r)+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{TB}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RB}}{S}_T{S}_R{f}_{\mathrm{MDM}}(k,r)\end{array}\right.$

其中：

成比例，而

成比例

通过组合这些数据，可以提取与纯电偶极子V_EDM和纯磁偶极子V_MDM有关的信号，并且使所述信号仅取决于发射天线和接收天线的函数f和增益G。

$V_{\mathrm{EDM}}=\sqrt{V_{\mathrm{TA}-\mathrm{RA}}\×V_{\mathrm{TB}-\mathrm{RB}}}+\sqrt{V_{\mathrm{TA}-\mathrm{RB}}\×V_{\mathrm{TB}-\mathrm{RA}}}$

$=2\sqrt{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{TA}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RA}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{TB}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RB}}}\×l_T{l}_R\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r)$

$=G_{\mathrm{EDM}}^T\×G_{\mathrm{EDM}}^R\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r),$ 和

$V_{\mathrm{MDM}}=\sqrt{V_{\mathrm{TA}-\mathrm{RA}}\×V_{\mathrm{TB}-\mathrm{RB}}}-\sqrt{V_{\mathrm{TA}-\mathrm{RB}}\×V_{\mathrm{TB}-\mathrm{RA}}}$

$=2\sqrt{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{TA}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RA}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{TB}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RB}}}\×S_T{S}_R\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r)$

$=G_{\mathrm{MDM}}^T\×G_{\mathrm{MDM}}^R\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r)$

然后，则可以应用公知的井眼补偿法。井眼补偿法能够消除接收天线的可能稍微不同的增益。例如，可考虑包括一组四个天线的电磁测井设备，即，如图2和图3中所示的具有两个发射天线Tu、Td和两个接收天线Ru、Rd的结构。在每一个天线具有两个端口A和B的情况下，这种结构能够获得16组信号。然后，上述公式变成：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{EDM}}(T_u,R_u)=G_{\mathrm{EDM}}^{T_u}\×G_{\mathrm{EDM}}^{R_u}\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r_1)\\ V_{\mathrm{EDM}}(T_u,R_d)=G_{\mathrm{EDM}}^{T_u}\×G_{\mathrm{EDM}}^{R_d}\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r_2)\\ V_{\mathrm{EDM}}(T_d,R_u)=G_{\mathrm{EDM}}^{T_d}\×G_{\mathrm{EDM}}^{R_u}\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r_2)\\ V_{\mathrm{EDM}}(T_d,R_d)=G_{\mathrm{EDM}}^{T_d}\×G_{\mathrm{EDM}}^{R_d}\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r_1)\end{array}\right.,$ 和

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{MDM}}(T_u,R_u)=G_{\mathrm{MDM}}^{T_u}\×G_{\mathrm{MDM}}^{R_u}\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r_1)\\ V_{\mathrm{MDM}}(T_u,R_d)=G_{\mathrm{MDM}}^{T_u}\×G_{\mathrm{MDM}}^{R_d}\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r_2)\\ V_{\mathrm{MDM}}(T_d,R_u)=G_{\mathrm{MDM}}^{T_d}\×G_{\mathrm{MDM}}^{R_u}\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r_2)\\ V_{\mathrm{MDM}}(T_d,R_d)=G_{\mathrm{MDM}}^{T_d}\×G_{\mathrm{MDM}}^{R_d}\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r_1)\end{array}\right.$

这些信号可以组合并且与测量的衰减AT和相移PS有关：

${\mathrm{AT}}_{\mathrm{EDM}}-{\mathrm{iPS}}_{\mathrm{EDM}}=\ln \left(\sqrt{\frac{V_{\mathrm{EDM}}(T_u,R_d)}{V_{\mathrm{EDM}}(T_u,R_u)}\×\frac{V_{\mathrm{EDM}}(T_d,R_u)}{V_{\mathrm{EDM}}(T_d,R_d)}}\right)$

$=\ln \left(\sqrt{\frac{G_{\mathrm{EDM}}^{T_u}\×G_{\mathrm{EDM}}^{R_d}\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r_2)}{G_{\mathrm{EDM}}^{T_u}\×G_{\mathrm{EDM}}^{R_u}\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r_1)}\×\frac{G_{\mathrm{EDM}}^{T_d}\×G_{\mathrm{EDM}}^{R_u}\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r_2)}{G_{\mathrm{EDM}}^{T_d}\×G_{\mathrm{EDM}}^{R_d}\×f_{\mathrm{EDM}}(k,r_1)}}\right),$

${\mathrm{AT}}_{\mathrm{MDM}}-{\mathrm{iPS}}_{\mathrm{MDM}}=\ln \left(\sqrt{\frac{V_{\mathrm{MDM}}(T_u,R_d)}{V_{\mathrm{MDM}}(T_u,R_u)}\×\frac{V_{\mathrm{MDM}}(T_d,R_u)}{V_{\mathrm{MDM}}(T_d,R_d)}}\right)$

$=\ln \left(\sqrt{\frac{G_{\mathrm{MDM}}^{T_u}\×G_{\mathrm{MDM}}^{R_d}\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r_2)}{G_{\mathrm{MDM}}^{T_u}\×G_{\mathrm{MDM}}^{R_u}\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r_1)}\×\frac{G_{\mathrm{MDM}}^{T_d}\×G_{\mathrm{MDM}}^{R_u}\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r_2)}{G_{\mathrm{MDM}}^{T_d}\×G_{\mathrm{MDM}}^{R_d}\×f_{\mathrm{MDM}}(k,r_1)}}\right)$

此公式可以被简化为仅取决于函数f而不再取决于增益G的公式，即： ${\mathrm{AT}}_{\mathrm{EDM}}-{\mathrm{iPS}}_{\mathrm{EDM}}=\ln \left(\frac{f_{\mathrm{EDM}}(k,r_2)}{f_{\mathrm{EDM}}(k,r_1)}\right),$ 和

${\mathrm{AT}}_{\mathrm{MDM}}-{\mathrm{iPS}}_{\mathrm{MDM}}=\ln \left(\frac{f_{\mathrm{MDM}}(k,r_2)}{f_{\mathrm{MDM}}(k,r_1)}\right)$

因此，通过相对于根据叠加的纯磁偶极子和电偶极子模式操作的发射天线在接收天线处测量信号的衰减AT和相移PS，可以通过简单的数学反演运算以数学的方式分离每一模式的贡献(contribution)并且确定介质的电磁特性。

图13的上图示出了表征在接收天线的端口处测量的不同信号的振幅的四条曲线。图13的下图也显示了表征在接收天线的端口处测量的不同信号的相位P。已经利用电磁测井设备获得这些测量值，所述电磁测井设备包括一组三个天线，第一发射天线Tu和第二发射天线Td以及与发射天线间隔开的一个接收天线R。每一个天线具有两个端口A和B。在这种具体结构中，只有发射天线的端口A已经被激发。所示的信号为：

T^d _AR_A表示在接收天线R的端口A上接收的由下侧发射天线Td的端口A的激发所生成的信号；

T^d _AR_B表示在接收天线R的端口B上接收的由下侧发射天线Td的端口A的激发所生成的信号；

T^u _AR_A表示在接收天线R的端口A上接收的由上侧发射天线Tu的端口A的激发所生成的信号；以及

T^u _AR_B表示在接收天线R的端口B上接收的由上侧发射天线Tu的端口A的激发所生成的信号；

可以利用基于图2和图3中所示的具有两个发射天线Tu、Td以及两个接收天线Ru、Rd的结构的理想结构获得相同的曲线，其中，所有天线相同，即：

T^d _AR_A＝T^d _AR^u _A＝T^d _BR^u _B＝T^u _AR^d _A＝T^u _BR^d _B；

T^d _AR_B＝T^d _AR^u _B＝T^d _BR^u _A＝T^u _AR^d _B＝T^u _BR^d _A；

T^u _AR_A＝T^u _AR^u _A＝T^u _BR^u _B＝T^d _AR^d _A＝T^d _BR^d _B；以及

T^u _AR_B＝T^u _AR^u _B＝T^u _BR^u _A＝T^d _AR^d _B＝T^d _BR^d _A。

外部介质由介电常数ε＝15和电导率σ＝0.2S/m来表征。两个发射天线之间的距离是25mm。第一发射天线Tu与接收天线R之间的距离R是37.5mm。

通过组合上述测量值，可以确定两个衰减值AT(EDM和MDM)和两个相移值PS。这些值可以与理论值进行比较。

衰减AT和相移PS的理论值可以利用以下公式计算，所述公式假设均匀介质并且在井壁上没有泥饼。

对于磁偶极子模式(MDM)来说，理论值由以下公式给出：

${\mathrm{AT}}_{\mathrm{MDM}}-{\mathrm{iPS}}_{\mathrm{MDM}}=3\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)+\mathrm{ik}(r_1-r_2)+\ln \left(\frac{1-{\mathrm{ikr}}_2}{1-{\mathrm{ikr}}_1}\right)$

对于电偶极子模式(EDM)来说，理论值由以下公式给出：

${\mathrm{AT}}_{\mathrm{EDM}}-{\mathrm{iPS}}_{\mathrm{EDM}}=3\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)+\mathrm{ik}(r_1-r_2)+\ln \left(\frac{1-{\mathrm{ikr}}_2-k^2{r_2}^2}{1-{\mathrm{ikr}}_1-k^2{r_1}^2}\right)$

其中：

r1和r2是发射器与接收器之间的距离；

波数k由以下公式给出：

$k=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r}\sqrt{\mathrm{\ϵ}+\mathrm{i\σ}/\mathrm{\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0},$

-ε是相对介质介电常数

-σ是介质电导率，以及

-μ_r是相对磁导率(对于测井应用来说通常等于1)。

图14表示显示对于电偶极子模式(EDM)和磁偶极子模式(MDM)来说表征利用根据本发明的天线测量的衰减AT与作为频率的函数的理论值(平坦曲线)进行比较的曲线图。图15表示显示对于电偶极子模式(EDM)和磁偶极子模式(MDM)来说表征利用根据本发明测量的相移PS与作为频率的函数的理论值(平坦曲线)进行比较的曲线图。

所观察到的是利用与适当的电子元件和上述计算方法结合的本发明的天线，在测量值与理论值之间获得极好的一致。

具有简单设计的、连接到适当电子电路的天线元件的组合能够使天线根据纯磁偶极子和纯电偶极子模式的叠加而操作，并且进一步以数学的方式分离磁偶极子模式的贡献和电偶极子模式的贡献。与磁偶极子模式(MDM)有关的测量值贡献能够进行进入到地层内的深径向深度勘测。与电偶极子模式(EDM)有关的测量值贡献能够进行进入到地层内或者当在井壁上存在泥饼时进入到泥饼内的浅径向深度勘测。

根据衰减和相移测量值，可以通过公知的反演计算计算地层的介电常数ε和电导率σ。

本发明的天线包括在电磁测井设备(见图1)中。电磁测井设备可以实施确定包围裸眼井的介质的电磁特性的方法。在公开的No EP 1693685(2005年2月22日提出申请)的专利申请中详细地说明了这种电磁测井设备，该专利申请通过引用在此并入。本发明的电磁探头与EP1693685的电磁探头的不同在于本发明的电磁探头包括如上所述的本发明的天线。

当测井设备正在下入通过裸眼井并且极板与井壁接合时(图1)，通过发射天线Tu、Td将电磁信号发射到包围裸眼井的地层内。由接收天线Ru、Rd测量电磁信号的衰减和相移。

以下相对于图16说明使用本发明的天线的勘测方法。在第一步骤(S1)中，将测井设备下入通过裸眼井，并且极板与井壁接合以限定由将被勘测的介质组成的选择层SZ(见图1和图2)。

在第二步骤(S2)中，通过触发发射天线的第一端口(例如TA，见图8和图10)操作天线，使得每一个天线限定叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子。因此，电磁信号在介质中辐射。同时，执行第一组测量的步骤，所述第一组测量的步骤包括分别在接收天线(见图9和图11)的第一端口(RA)和第二端口(RB)处测量已经在发射天线与接收天线之间的介质中传播的电磁信号的衰减和相移的第一和第二子集。

在第三步骤(S3)中，通过触发发射天线(例如TB，见图8和图10)的第二端口操作天线，使得每一个天线限定叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子。因此，电磁信号在介质中辐射。同时，执行第二组测量的步骤，所述第二组测量的步骤包括分别在接收天线(见图9和图11)的第一端口和第二端口处测量已经在发射天线与接收天线之间的介质中传播的电磁信号的衰减和相移的第三和第四子集。

在第四步骤(S4)中，可以根据衰减和相移的第一、第二、第三和第四子集测量值执行计算。组合这些测量值，并且提取由于纯磁偶极子(MDM)的第一贡献和由于纯电偶极子(EDM)的第二贡献。利用这些测量值，现在可以在第五步骤(S5)中通过如上所述的反演计算确定选择层内的介质的介电常数ε和电导率σ。

可以顺序执行第一组测量(步骤S2)和第二组测量(步骤S3)。在这种情况下，优选地通过具有相同频率的电信号触发第一端口(TA)和第二端口(TB)。

也可以同时执行第一组测量(步骤S2)和第二组测量(步骤S3)。在这种情况下，优选地通过具有不同频率的电信号触发第一端口(TA)和第二端口(TB)。

有利地，在包括至少两个发射天线Tu、Td和至少两个接收天线Ru、Rd(图2和图3中所示的结构)的电磁测井设备中，可以执行在至少两个接收天线的端口处测量的衰减和相移之间的差值测量，并且可以应用井眼补偿法。如上文公式中所示，这能够从介质特性的计算消除每一个天线增益。

后注

已经相对于电缆测井仪说明了本发明的具体应用。然而，本领域的技术人员理解的是本发明也可应用于随钻测井仪。典型的随钻测井仪并入底部钻具组合，所述底部钻具组合连接到钻柱端部，且钻头连接在所述钻柱末端处。可以在钻柱静止或旋转时进行测量。在钻柱旋转时进行测量的情况下，进行另外的测量以允许测量值与钻柱在裸眼井壁中的旋转位置有关。这优选地通过罗盘同时进行地球磁场的方向测量而完成，这可以与当钻柱静止时进行的参考测量相关。

本领域的技术人员还将理解的是本发明可应用于陆上和海上油气井位置。

要理解的是前面使用的术语“极板”通常表示与井壁表面接触的接触元件。在附图中示出的用于保持元件与井壁接合的具体的接触元件是说明性的，并且本领域的技术人员将理解的是其它接触元件，例如具有推靠臂的探测器可以实现其它适当的接触元件。

相同的注释也可应用于附图中示出的具体的探头部署系统。

最后，本领域的技术人员还要理解的是本发明不限于油田行业的应用，而是还可以在其它的地质勘测中使用。

以上附图和说明是举例说明本发明，而不是限制本发明。

权利要求中的任何附图标记不应该被解释为限制权利要求。单词“包括”不排除存在权利要求中所列出的元件之外的其它元件。元件前的单词“一个”不排除存在多个这样的元件。

Claims (13)

1.一种用于勘测包围裸眼井(WBH)的地质构造(GF)的电磁探头的天线(3)，所述天线包括导电基部(31)和天线元件(32)，所述导电基部(31)包括开端式非谐振腔(33)，所述天线元件(32)嵌入在所述腔(33)内并且直接通过所述腔，所述天线元件(32)与所述导电基部(31)隔离，所述天线元件(32)分别通过第一端口(34A)和第二端口(34B)连接到至少一个电子模块，所述电子模块操作所述天线以限定同时叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子。

2.根据权利要求1所述的电磁探头，其中，所述天线元件是钢丝带。

3.根据权利要求1或2所述的电磁探头，其中，所述腔(33)具有平行六面体、或椭圆、或圆柱形形状。

4.根据权利要求1-3中任一个所述的电磁探头的天线，其中，所述腔填充有介电材料。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电磁探头的天线，其中，所述电子模块包括发射模块(44T)，所述发射模块包括连接到所述天线元件的所述第一端口(TA)的第一功率放大器(45A)和连接到所述天线元件的所述第二端口(TB)的第二功率放大器(45B)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电磁探头的天线，其中，所述电子模块包括接收模块(44R)，所述接收模块包括连接到所述天线元件的所述第一端口(RA)的第一低噪声放大器(46A)和连接到所述天线元件的第二端口(RB)的第二低噪声放大器(46B)。

7.一种包括根据权利要求1-6中任一项所述的电磁探头的天线的天线模块，其中，所述导电基部还包括通过所述第一端口和所述第二端口连接到所述天线的印刷电路板，所述印刷电路板包括所述至少一个电子模块以及控制和处理模块。

8.根据权利要求7所述的天线模块，其中，所述印刷电路板还包括阻抗匹配网络，并且所述印刷电路板被定位成靠近所述天线元件。

9.一种用于勘测包围裸眼井(WBH)的地质构造(GF)的电磁测井设备，包括：

测井仪(TL)，所述测井仪能够移动通过所述裸眼井；

电磁探头(1)，所述电磁探头包括极板(2)，所述极板安装在所述测井仪(TL)上，并且适于通过所述极板的壁接合面与井壁(WBW)接合；

至少一个天线(Tu，Td)，所述至少一个天线安装在所述壁接合面上并且用作发射天线；

多个间隔开的天线(Ru，Rd)，所述多个间隔开的天线安装在所述壁接合面上并且用作接收天线，所述接收天线以与所述发射天线(Tu，Td)间隔开的关系被定位；

发射器模块(44T)，所述发射器模块适于激励所述发射天线，从而以确定频率将电磁能发射到所述地层内；和

接收器模块(44R)，所述接收器模块适于在所述接收天线中的每一个处接收并处理表征从所述地层接收的电磁能的输出信号，

其中，所述接收天线或所述发射天线中的至少一个(Ru，Rd，Tu，Td)是根据权利要求1-6中任一项所述的天线。

10.一种使用电磁测井设备勘测包围裸眼井(WBH)的地质构造(GF)的方法，所述电磁测井设备包括根据权利要求1-7中任一项所述的至少一个发射天线(Tu，Td)和至少一个接收天线(Ru，Rd)，其中，所述方法包括以下步骤：

a)将所述测井设备下入(S1)通过所述裸眼井并且与井壁接合以限定将被勘测的由介质构成的选择层(SZ)；

b)通过以下步骤执行第一组测量(S2)：

b1)通过触发所述发射天线(TA)的第一端口操作所述天线使得每一个天线限定叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子，以及在所述介质中辐射电磁信号；

b2)分别在所述接收天线的第一端口(RA)和第二端口(RB)处测量已经在所述发射天线与所述接收天线之间的介质中传播的所述电磁信号的衰减和相移的第一子集和第二子集；

c)通过以下步骤执行第二组测量(S3)：

c1)通过触发所述发射天线(TB)的第二端口操作所述天线使得每一个天线限定叠加的纯磁偶极子和纯电偶极子，以及在所述介质中辐射电磁信号；

c2)分别在所述接收天线的第一端口(RA)和第二端口(RB)处测量已经在所述发射天线和所述接收天线之间的介质中传播的所述电磁信号的衰减和相移的第三子集和第四子集；

d)结合所述第一组测量和所述第二组测量，并且通过数学的方式提取由于所述纯磁偶极子的第一贡献和由于所述纯电偶极子的第二贡献(S4)；以及

e)根据所述第一贡献和所述第二贡献执行反演计算(S5)，以及确定所述选择层内的介电常数ε和电导率σ。

11.根据权利要求10所述的勘测方法，其中，顺序执行所述第一组测量(S2)和所述第二组测量(S3)，所述第一端口和所述第二端口(TA，TB)由具有相同频率的电信号触发。

12.根据权利要求10所述的勘测方法，其中，同时执行所述第一组测量(S2)和所述第二组测量(S3)，所述第一端口和所述第二端口(TA，TB)由具有不同频率的电信号触发。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的勘测方法，其中，所述电磁测井设备包括至少两个发射天线(Tu，Td)和至少两个接收天线(Ru，Rd)，并且其中，所述方法还包括以下步骤：

执行在所述至少两个接收天线的所述第一端口和所述第二端口处测量的所述衰减和相移之间的差值测量，并且应用井眼补偿法以消除每一个天线增益。

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