CN102460219A - 具有非对称天线间距的钻井补偿的电阻率测井工具 - Google Patents

Abstract

一种具有轴向非对称间隔的发射器（T1、T2、T3）的补偿的电阻率随钻测井工具（100、12）构造成提供经补偿的电阻率测量。在一个示例性实施例中，所述工具（100、120）包括第一和第二补偿发射器（CT1、CT2），其优选地部署成在第一和第二间隔的接收器（R1、R2）之间轴向对称。所述工具（100、120）还包括多个发射器（T1、T2、T3），其部署成关于所述接收器（R1、R2）轴向非对称，例如部署在所述接收器（R1、R2）的一个轴向侧上。所述补偿发射器（CT1、CT2）构造成获得钻井补偿，其可从常规相位和衰减测量值中被减去。

Description

具有非对称天线间距的钻井补偿的电阻率测井工具

技术领域

本发明一般地涉及用于测量地下钻井的电磁性质的在钻井时使用的测量工具。更具体地，本发明涉及钻井补偿的电阻率测井工具，其具有沿着工具纵向轴线的非对称发射器间距。

背景技术

在现有技术的钻井应用（例如随钻测井（LWD）、随钻测量（MWD）以及电缆测井应用）中使用电测量是公知的。这种技术可用于确定地下岩层的电阻率，电阻率与该岩层的孔隙率测量值一起通常用于指示该岩层中的碳氢化合物的存在。例如，本领域已知具有高电阻率的多孔岩层通常包含碳氢化合物（例如原油），而具有低电阻率的多孔岩层通常饱含水。将会意识到的是，术语电阻率和导电率在本领域中通常可互换地使用。本领域普通技术人员易于认识到这些量是互为倒数并且一个可经由简单的数学计算转换为另一个。本文中提及其中一个或另一个是为了便于进行描述，而非意图进行限制。

通常通过使用绕钻井工具缠绕的一段天线来发射电磁波通过一岩层，从而测量岩层电阻率（或导电率）。如本领域普通技术人员公知的，发射天线中的时变电流（交流电流）在岩层中产生对应的时变磁场。磁场进而在导电岩层中感生电流（涡流）。这些涡流进一步产生次级磁场，该次级磁场可在接收天线中产生电压响应。如本领域普通技术人员已知的，可对接收天线中的被测量电压进行处理以获得次级磁场的一个或多个测量值，可进而对该一个或多个测量值进行处理以估计岩层电阻率（导电率）和/或介电常数。这些电学的岩层性质可经由本领域技术人员已知的技术被进一步相关到岩层的含碳氢化合物性。

公知的是，所发射的电磁波通常被衰减和相移的量与岩层的电阻率和/或介电常数有关。通常在第一和第二间隔的接收天线处接收所发射的波。通常通过获取所接收波的比来得到第一和第二接收器之间的衰减和相移。然后可以使用衰减和/或相移来估计岩层电阻率。为了得到更多数据（例如在勘探到岩层中的多个深度处），公知的是使用多个间隔的发射器来进行上述测量，因为电磁波进入岩层的穿透深度趋向于随着发射器和接收器之间的间距增大而增大。多干扰频率的使用也是多深度勘探的已知勘探手段，因为穿透深度趋向于与传输电磁波的频率逆相关。

为了适应接收器电子器件所引入的误差（例如由于热漂移钻井），常规电阻率测量一般采用补偿方案。一个此类补偿技术是将电阻率工具构造成具有对称的发射器（即发射器轴向对称地部署在接收器周围）。图1示出了一种公知和可商购的、采用这种补偿的现有技术电阻率工具50。所示的该工具实施例包括第一和第二接收器R₁和R₂，第一和第二接收器R₁和R₂对称地部署在第一组和第二组发射器T₁、T₂、T₃和T₁’、T₂’、T₃’之间。发射器顺序地发射，并且来自每对发射器（T₁和T₁’、T₂和T₂’、T₃和T₃’）的结果可被平均以基本上抵消误差项。虽然该方案在商业上是切实可行的，但是一个缺点在于其导致工具长度显著增加。增加的工具长度导致其他传感器被置于更远离钻子的位置。增加的工具长度也可能在狗腿严重度高的井中成为问题。

美国专利6,218,842公开了替代的补偿方案，其中，单个补偿发射器被轴向地部署在接收器之间。在钻井操作期间，校准发射器产生的电磁波被每个接收器探测到。所探测信号之间的衰减和相移的差异被用于针对热漂移来校准接收器。虽然该方案可克服上述问题，但是其需要校准发射器精确地位于接收器之间。位置的任何误差（或者由于极端钻井温度和压力引起的工具主体变形）可导致显著的校准误差。

因此，本领域仍然需要进一步改进的电阻率测井工具，并且尤其是用于这种电阻率测井工具的改进的补偿方案。

发明内容

根据本发明，从而如所附权利要求描述的，提供了一种随钻测井电阻率工具。如所附权利要求进一步描述的，还提供了一种补偿电阻率测量方法。

本发明的各个方面意图解决上述对于改进的电阻率测井工具的需求。在一个方面中，本发明包括一种随钻测井电阻率工具，其具有部署在第一和第二接收器的一个轴向侧上的多个间隔的发射器。该工具进一步包括第一和第二补偿发射器，优选地，其对称地部署在接收器之间。补偿发射器可用于获得钻井补偿（相位和衰减误差），其可从常规相位和衰减测量中被减去。

本发明的示例性实施例有利地提供了若干技术优点。例如，本发明的示例性实施例有利地提供了准确的钻井补偿，同时还提供了总工具长度的显著降低。根据本发明的工具从而趋向于更好地适合狗腿严重度高的井并且还提供更紧凑的BHA。

在一个方面中，本发明的实施例包括一种随钻测井电阻率工具。该工具包括随钻测井工具主体，第一和第二纵向间隔的接收器部署在该工具主体上。第一和第二纵向间隔的补偿发射器优选地部署在该工具主体上，并且优选地轴向地部署在第一和第二接收器之间。补偿发射器关于第一和第二接收器之间的中点轴向对称。多个纵向间隔的发射器也部署在工具主体上，该多个发射器关于中点不对称。在优选实施例中，电阻率工具进一步包括控制器，其构造成：（i）采用第一和第二补偿发射器来获得接收器处的衰减误差和相位误差中的至少一个；以及（ii）从利用多个发射器中的至少一个以及第一和第二接收器获得的后续衰减和相位测量值中减去所述衰减误差和/或相位误差。

在另一个方面，本发明包括一种用于补偿地下钻井中进行的电阻率测量的方法。所述方法包括在所述钻井中部署电阻率工具。所述工具包括第一和第二纵向间隔的接收器、第一和第二纵向间隔的补偿发射器（补偿发射器关于第一和第二接收器之间的中点轴向对称）和多个纵向间隔的发射器。所述方法还包括：导致所述第一和第二补偿发射器发射对应的第一和第二补偿电磁波；为所述第一和第二补偿电磁波中的每一个测量所述第一和第二接收器之间的相移和衰减；以及从所测量的相移和衰减计算相移误差和衰减误差。所述方法还包括：导致所述发射器中的至少一个发射电磁波；测量所述第一和第二接收器之间的相移和衰减；以及从所测量的相移和衰减减去所计算的相移误差和衰减误差，以获得经补偿的相移和衰减。

前面相当大体地概述了本发明的特征和技术优点，以便使得本发明的后续详细描述可被更好地理解。本发明另外的特征和优点将在后面进行描述，其形成了本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应当意识到，所公开的概念和特定实施例可易于被用作修改或设计其他实施本发明相同目的的结构的基础。本领域技术人员也应当意识到，这种等同构造不会偏离本发明在所附权利要求中阐述的精神和范围。

附图说明

为了更完整的理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：

图1示出了现有技术中采用多组对称的发射器的补偿LWD电阻率工具。

图2示出了根据本发明的非对称LWD电阻率工具的一个示例性实施例。

图3示出了根据本发明的非对称LWD电阻率工具的另一个示例性实施例。

图4以流程图的形式示出了根据本发明的一个示例性方法实施例。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的LWD电阻率工具100的一个示例性实施例。电阻率工具100包括绕工具主体110部署的多个间隔的发射器T₁、T₂和T₃以及一对间隔的接收器R₁和R₂。发射器T₁、T₂和T₃可被认为是非对称的，因为它们部署在接收器对R₁和R₂的一个轴向侧上并且因为没有对应的对称发射器部署在接收器的相对轴向侧上。与图1所示的现有技术电阻率工具50形成对比的是，本发明不包括第二组对称发射器。电阻率工具100还包括一对对称的补偿发射器CT₁和CT₂。在图2所示的示例性实施例中，这些补偿发射器CT₁和CT₂轴向地部署在接收器对R₁和R₂之间。虽然本发明不限于这一点（补偿发射器也可轴向地部署在接收器周围），但是将补偿发射器CT₁和CT₂部署在接收器对R₁和R₂之间是优选的，因为这有利地使得工具长度最小化。

继续参见图2，补偿发射器CT₁和CT₂构造成合成合适的钻井补偿。然后可从使用间隔的发射器T₁、T₂和T₃和接收器R₁和R₂获得的未补偿测量值中去掉该补偿。在钻井期间，补偿发射器CT₁和CT₂可以以任何合适的时间间隔顺序地发射，以在岩层中产生对应的电磁波。这些波被每个接收器R₁和R₂接收并且用于计算钻井补偿。可以用具有相同或相反信号的交流电流来激励补偿发射器CT₁和CT₂。本发明不限于这些方面。

图3示出了根据本发明的替代电阻率工具的实施例150，其中，补偿发射器CT₁和CT₂部署在与对应的接收器R₁和R₂相同的沟槽中。这种实施例有利地降低了工具主体中的沟槽数量，从而趋向于降低制造成本并保留工具强度。将会意识到的是，本发明不限于图2和图3所示的示例性工具实施例。例如，在其他替代的工具实施例中，补偿发射器CT₁和CT₂也可轴向地部署在接收器周围（与轴向地部署在接收器之间相反）。本发明不限于这些方面。

本领域普通技术人员将易于意识到，由于多种环境因素（例如包括温度漂移、天线变形、以及接收器中的其他电误差），从所接收的电磁波获得的磁场不同于岩层中的真实磁场。该失真例如可以用数学方式表示如下：

                                              公式1

其中，

表示所测量的磁场，

表示岩层中的真实磁场，

和表示真实岩层磁场的幅度和相位失真，并且

表示以弧度为单位的电磁波角频率。当补偿发射器CT₁和CT₂如上所述顺序地发射时，在每个接收器R₁和R₂处测量的磁场例如可以用数学方式以类似形式表示如下：

                       公式2

其中，

和

表示在第一和第二接收器R₁和R₂处测量的、由第一补偿发射器CT₁的发射所引起的磁场，

和

表示在第一和第二接收器R₁和R₂处测量的、由第二补偿发射器CT₂的发射所引起的磁场，

、

、和

表示岩层中的对应的真实磁场，

、

和

、表示在每个接收器处的真实岩层磁场的幅度和相位失真，并且

和

表示任何发射器矩变化。

通过遵循获取远接收器测量值和近接收器测量值的比的标准步骤，每个接收器的响应

和

例如可用数学方式表示如下：

公式3

然后，由补偿发射器测量的幅度和相位的系统噪声（误差）可表示为

和

的比的平方根。这例如可用数学方式表示如下：

                      公式4

其中，衰减误差为并且相位误差为

。

基于公式3和4，幅度和相位误差可易于从补偿发射器CT₁和CT₂发射中获得。例如，进一步参见图4，可在步骤202使补偿发射器CT₁和CT₂顺序地发射，并且在步骤204为每个补偿发射器的发射来测量接收器R₁和R₂之间的对应衰减和相移。这些例如可用数学方式表示如下：

和

                         公式5

和

公式6

其中，

和表示每个补偿发射器的发射的所测量的相移，

和

表示每个补偿发射器的发射的所测量的以分贝为单位的衰减，

和

表示在没有误差时的相移和衰减（以分贝为单位），并且

和

表示相移和衰减（以分贝为单位）误差。可以在步骤206从所测量的相移和衰减计算相移和衰减误差，例如如下：

                                                          公式7

                                         公式8

尽管补偿发射器CT₁和CT₂具有比发射器T₁、T₂和T₃短得多的间隔，但是衰减和相位误差趋向于基本相同，因为这些误差主要由接收天线和它们的对应电子器件引起。因此，在公式7和8中经由补偿发射器CT₁和CT₂的发射而获得的相位和衰减误差可以从未补偿的测量值中去掉（减去），以获得经补偿的测量值。例如，可通过在步骤208使电阻率工具100的发射器T₁、T₂和T₃顺序地发射并且在接收器R₁和R₂处接收对应的电磁波来获得未补偿的测量值。可在步骤210对这些所接收的波进行处理以对于每次发射器发射获得接收器R₁和R₂之间的所测量的相移和衰减。然后，可从步骤210获得的未补偿测量值中减去在步骤206获得的相位和衰减误差（例如通过公式7和8），以在步骤212获得经补偿的测量值，例如如下：

和

和

和

                公式9

其中，

、

、

、

、

和

表示根据本发明的示例性实施例获得的经补偿的相位和衰减测量值，并且

、

、、

、

和

表示从发射非对称发射器T₁、T₂和T₃获得的未补偿的相位和衰减测量值。

上述设备和方法有利地趋向于提供准确的误差补偿。具体地，该方法趋向于对于补偿发射器CT₁和CT₂的定位相对不敏感。虽然对称构造是优选的，但定位误差或者由于钻井时遇到的极端钻井温度和压力而引起的工具主体变形有利地不趋向于显著影响所测量的相位和衰减误差。这是因为由这种位置不确定性导致的误差趋向于被抵消。本领域技术人员将会意识到，通过公式7和8的相减来获得相位误差。因此，第一补偿发射器中的位置变化引起的其他误差趋向于抵消第二补偿发射器中的位置变化引起的其他误差。这代表了对于上述美国专利6,218,842的显著改进。

再次参见图2和3，测量工具100和120可进一步包括具有例如可编程处理器（未示出）的控制器（未示出），例如微处理器或微控制器，并且还可包括体现逻辑的处理器可读的或计算机可读的程序代码，包括用于控制测量工具100、120的功能的指令。合适的控制器可用于例如执行方法200（图4）。这样，控制器可构造成导致：（i）补偿发射器进行发射；以及（ii）接收器为每个发射器的发射测量对应的衰减和相移。控制器还可包括用于从这些测量值计算衰减和相位误差的指令。合适的控制器还可构造成导致：（iii）非对称发射器进行发射；以及（iv）接收器为每次发射测量对应的衰减和相移。控制器可进一步包括用于从所测量的衰减和相移去掉衰减和相位误差的指令。

合适的控制器还可任选地包括其他可控制部件，例如传感器、数据存储装置、电源、计时器等等。控制器还可布置成与各种用于监测钻井的物理参数的其他传感器和/或探头电通信，例如伽玛射线传感器、深度探测传感器，或者加速度计、陀螺仪或磁力计以探测方位角和倾斜度。控制器还可任选地与钻具组中的其他仪器通信，例如与表面通信的遥测系统。控制器还可任选地包括易失或非易失存储器或数据存储装置。

合适的控制器通常还包括用于发射和/或接收电磁波形的常规电子器件。例如，控制器可包括的常规电子器件例如是用于放大相对弱的返回信号（与发射信号相比）的可变增益放大器和/或各种滤波器（例如低通、高通和/或带通滤波器）、整流器、多路复用器以及其他用于处理返回信号的电路元件。合适的控制器通常还包括用于确定所接收电磁波的幅度和相位以及第一和第二接收器之间的衰减和相位变化的常规电子器件。这种电子系统是本领域公知的且常规的。

尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但应当理解的是，在不偏离如所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，可在本文中作出各种改变、替换和更替。

Claims (15)

1.一种随钻测井电阻率工具（100、120），包括：

随钻测井工具主体（110）；

部署在所述工具主体（110）上的第一和第二纵向间隔的接收器（R1、R2）；

第一和第二纵向间隔的补偿发射器（CT1、CT2），其部署成关于所述第一和第二接收器（R1、R2）之间的中点轴向对称；和

部署在所述工具主体（110）上的多个纵向间隔的发射器（T1、T2、T3），所述多个发射器（T1、T2、T3）关于所述中点不对称。

2.如权利要求1所述的工具（100、120），其中，所述第一和第二补偿发射器（CT1、CT2）轴向地部署在所述第一和第二接收器（R1、R2）之间。

3.如权利要求1或2所述的工具（100、120），其中，所述多个发射器（T1、T2、T3）的每一个部署在所述第一和第二接收器（R1、R2）的第一轴向侧上。

4.如权利要求3所述的工具（100、120），其中，没有发射器（T1、T2、T3）部署在所述第一和第二接收器（R1、R2）的相对的第二轴向侧上。

5.如前述任一权利要求所述的工具（100、120），其中，所述第一和第二纵向间隔的补偿发射器（CT1、CT2）部署在所述工具主体（110）上。

6.如前述任一权利要求所述的工具（120），其中：

所述第一接收器（R1）和所述第一补偿发射器（CT1）部署在所述工具主体（110）的第一周向沟槽中；并且

所述第二接收器（R2）和所述第二补偿发射器（CT2）部署在所述工具主体（110）的第二周向沟槽中。

7.如前述任一权利要求所述的工具（100、120），其中，所述接收器（R1、R2）的每一个、所述补偿发射器（CT1、CT2）的每一个以及所述多个发射器（T1、T2、T3）的每一个包括环形天线和电子电路，其构造成发射和/或接收电磁波。

8.如前述任一权利要求所述的工具（100、120），还包括控制器，所述控制器构造成：

采用所述补偿发射器（CT1、CT2）来确定衰减误差和相位误差中的至少一个；以及

从利用所述第一和第二接收器（R1、R2）以及所述多个发射器（T1、T2、T3）中的至少一个获得的后续衰减和相位测量值中去掉所述衰减误差和/或相位误差。

9.如权利要求8所述的工具（100、120），其中，通过从利用所述第一和第二接收器（R1、R2）以及所述多个发射器（T1、T2、T3）中的至少一个获得的后续衰减和相位测量值中减去所述衰减误差和/或相位误差来去掉所述衰减误差和/或相位误差。

10.如前述任一权利要求所述的工具（100、120），其中，所述控制器构造成：

（i）导致所述第一和第二补偿发射器（CT1、CT2）发射对应的第一和第二补偿电磁波；

（ii）为所述第一和第二补偿电磁波中的每一个测量所述第一和第二接收器（R1、R2）之间的衰减和相移；

（iii）从在（ii）中测量的衰减和相移计算衰减误差和相位误差；

（iv）导致所述多个发射器（T1、T2、T3）中的至少一个发射电磁波；

（v）为在（iv）中发射的电磁波测量所述第一和第二接收器之间的衰减和相移；以及

（vi）从在（v）中测量的衰减和相移减去在（iii）中计算的衰减误差和相位误差。

11.一种用于补偿地下钻井中进行的电阻率测量的方法（200），所述方法包括：

（a）在所述钻井中部署电阻率工具（100、120），所述工具（100、12）包括第一和第二纵向间隔的接收器（R1、R2）、第一和第二纵向间隔的补偿发射器（CT1、CT2）和多个纵向间隔的发射器（T1、T2、T3），所述补偿发射器（CT1、CT2）关于所述第一和第二接收器（R1、R2）之间的中点轴向对称；

（b）导致（202）所述第一和第二补偿发射器（CT1、CT2）发射对应的第一和第二补偿电磁波；

（c）为所述第一和第二补偿电磁波中的每一个测量（204）所述第一和第二接收器（R1、R2）之间的相移和衰减；

（d）从在（c）中测量的相移和衰减计算（206）相移误差和衰减误差；

（e）导致（208）所述多个发射器（T1、T2、T3）中的至少一个发射电磁波；

（f）为在（e）中发射的电磁波测量（210）所述第一和第二接收器之间的相移和衰减；以及

（g）从在（f）中测量的相移和衰减减去（212）在（d）中计算的相移误差和衰减误差，以获得经补偿的相移和衰减。

12.如权利要求11所述的方法（200），其中，所述相移误差和所述衰减误差在（d）中根据以下公式计算：

其中，

和表示相移误差和衰减误差，

和

表示在（c）中为对应的第一和第二电磁波测量的相移，并且

和

表示在（c）中为对应的第一和第二电磁波测量的衰减。

13.如权利要求11或12所述的方法（200），其中，所述相移误差和所述衰减误差在（g）中根据以下公式被减去：

其中，

和

表示经补偿的相移和衰减，

和

表示从在（f）中测量的相移和衰减，并且

和

表示在（d）中计算的相移误差和衰减误差。

14.如权利要求11-13中任一项所述的方法（200），其使用如权利要求1-10中任一项所述的电阻率工具（100、120）。

15.如权利要求1-10中任一项所述的工具（100、120），其构造成用于如权利要求11-13中任一项所述的方法。

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