CN103367866A - 磁偶极子天线和用于地层定向电阻率测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地质勘探技术领域，特别涉及一种磁偶极子天线和用于地层定向电阻率测量的装置。磁偶极子天线，配置在带纵向轴和外表面的电阻率测量工具，包括：在电阻率测量工具外表面上形成的凹口；同轴线接插件，配置在电阻率测量工具外表面下方；电线，可以与凹口的端墙连接，同轴线接插件的中心导线位于凹口的另一端；凹口和电线形成磁偶极子，发射或接收电磁信号。本发明提供的磁偶极子天线和用于地层定向电阻率测量的装置，提供了一种结构简单易于操作的磁偶极子天线和基于该天线的装置，相比现有技术，更为经济节约和容易生产，提高了技术水准。

Description

磁偶极子天线和用于地层定向电阻率测量的装置

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，具体而言，涉及一种磁偶极子天线和用于地层定向电阻率测量的装置。

背景技术

在石油工业领域，使用电气测量方法采集井下信息，众所周知的方法有多种，如随钻测井（“LWD”），随钻测量（“MWD”）。此类技术早已用来获取地层电阻率（或电导率；术语“电阻率”和“电导率”，虽在意思上相反，但在工艺中可交替使用）和各种岩石物理模型（如Archie定律），以助于确定地层以及相应流体的岩石物理性质。在现有技术中，电阻率是圈定多孔地层中油气（如原油或天然气）和水含量的重要参数。最好保持产油层（含烃层）里的井眼，尽可能实现最大限度的采收率。

随着现代钻井技术和测井技术的发展，“水平井钻井”，即在某地质地形中以较小的角度进行钻井，越来越受欢迎，因为它可以提高产油层（含烃层）的暴露长度，以最好程度地保持产油层（含烃层）里的井眼，尽可能实现最大限度的采收率。因此，具备方位敏感性的定向电阻率测量工具需用于后续钻井转向。转向决定可以根据地层边界识别测量结果，地层角检测和断裂特性做出。

定向电阻率测量通常包括发射和/或接收横向(x-型或y-型)或混合型（比如混合x-和z-型)电磁波。在进行此类测量中可采用各种类型的天线配置，比如如图1A所示的横线天线配置(x-型)，如图1B所示的双平面天线配置，如图1C所示的鞍形天线配置(x-型和z-型，混合型)，以及如图1D所示的倾斜天线。图1A中的横向天线的磁矩所指示的方向垂直于定向电阻率测量工具的纵向轴，其上配有纵向天线。双平面天线、鞍形天线和倾斜天线配置如图1B、1C和1D所示，能发射或接收磁场的横向分量，进行方位电阻率测量。

如上所述，尽管定向电阻率测量工具已广泛用于商业活动，仍需要配置在定向电阻率测量工具中的改良版天线。也需要带简单配置，可轻松安置在定向电阻率测量工具内的改良版天线。也需要经济节约和容易生产的改良版天线。

发明内容

本发明的目的在于提供磁偶极子天线和用于地层定向电阻率测量的装置，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了磁偶极子天线，配置在带纵向轴和外表面的电阻率测量工具，包括：

在电阻率测量工具外表面形成的凹口，配置在电阻率测量工具外表面下方的同轴线接插件，以及安放在凹口里的电线，通电后与凹口的端墙连接，凹口另一端的同轴线接插件中心导线，凹口和电线形成磁偶极子，发射或接收电磁信号。

在某些实施例中，磁偶极子天线还包括填充在凹口里的导磁材料。

在某些实施例中，导磁材料为磁性材料，用于加强磁偶极子的发射和接收。

在某些实施例中，磁性材料选自含铁氧体材料、不导电的磁性合金、铁粉和镍铁合金的材料群。

在某些实施例中，磁偶极子天线还包括填充在凹口的防护材料。

在其它实施例中，防护材料为环氧树脂。

在其它实施例中，凹口为圆形。

在其它实施例中，凹口为矩形。

在其它实施例中，磁偶极子天线还包括在电阻率测量工具表面形成，并且横跨凹口的多条沟槽，用于加强电磁信号的发射和接收。

在其它实施例中，沟槽为椭圆形。

本发明实施例还提供一种用于地层定县电阻率测量的装置，包括：

带纵向轴和外表面的电阻率测量工具，在电阻率测量工具外表面形成，并且大体上平行于电阻率测量工具纵向轴线的多条槽口，以及放置在槽口中的多条电线，通电后与槽口的端壁连接，形成磁偶极子天线，磁偶极子天线形成至少一个发射机-接收机天线组，用于执行电磁信号的发射和接收。

在某些实施例中，该装置还包括一条同轴线接插件，将电线与电路连接起来，用于处理待发射或接收的电磁信号。

在某些实施例中，该装置还包括在电阻率测量工具表面形成，并且横跨凹口的多条沟槽，用于加强电磁信号的发射和接收。

在某些实施例中，所述沟槽大体上横切电阻率测量工具的槽口。

在其它实施例中，该装置还包括填充在槽口里的导磁材料。

在其它实施例中，该装置还包括填充在槽口里的防护材料。

本发明上述实施例的磁偶极子天线和用于地层定向电阻率测量的装置，提供一种结构简单易于操作的磁偶极子天线和基于该天线的装置，相比现有技术，更为经济节约和容易生产，提高了技术水准。

附图说明

图1A所示为常规电阻率测量工具中横向环形天线的已有技术；

图1B、1C、1D所示为可以放射或接收磁场横向分量，进行方位电阻率测量的天线实施例的已有技术；

图2所示为配有一个常规随钻测井系统的定向电阻率测量工具正面图；

图3A所示为在本发明的某些实施例中，如图2所示的带槽缝天线的定向电阻率测量工具的透视图；

图3B所示为沿AA’的如图3A所示的槽缝天线的剖面图；

图3C所示为沿BB’的如图3A所示的槽缝天线的剖面图；

图4A所示为在本发明的其它实施例中，配有槽缝天线和多条横向槽缝的定向电阻率测量工具；

图4B所示为沿CC’的槽缝天线剖面图；

图5A所示为在本发明的某些实施例中带一对发射机天线和接收机天线的定向电阻率测量工具的透视图；

图5B所示为在本发明的其它实施例中，带一对发射机天线和接收机天线，配有多条横向槽缝的定向电阻率测量工具的透视图；

图6A所示为如图5B所示的发射机天线生成的发射矢量磁场；

图6B所示为如图5B所示的发射机天线在方位平面上形成的放射磁场强度；

图7所示为在本发明的某些实施例中，在仿真模型中运作图5B中的定向电阻率测量工具的示意图，用于展示定向电阻率测量工具的方位敏感性；

图8A所示为接收机天线感生电压虚部数据图对比定向电阻率测量工具旋转角度在图7中的模型的仿真结果；

图8B所示为接收机天线上感生电压的实部对比定向电阻率测量工具旋转角度模型的仿真结果；

图9所示为接收机天线感生电压振幅数据图对比电阻率界面距离在图7中的模型的仿真结果；

图10所示为在本发明的某些实施例中进行定向电阻率测量的流程图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

图2所示为在本发明的某些实施例中配有一个常规随钻测井系统200定向电阻率测量工具212的正面图。常规随钻测井系统200包括钻机202、钻柱206、钻头210和定向电阻率测量工具212。钻柱206，在钻机202的支持下，可从表面204伸入到井眼208中。钻柱206可带上钻头210和定向电阻率测量工具212，在钻井过程中进行地层的地质特性测量。

在某些实施例中，钻柱206也包括泥浆脉冲遥测系统、钻井电机、测量传感器，比如核测井仪和方位角传感器，比如加速计、回旋仪或磁力计，加快周围地层的测量。当然，钻柱206可以与起重设备组合在一起，用于举起或放下钻柱206。

在本发明中，定向电阻率测量工具212不仅仅可以运用在随钻测井系统(“LWD”，Logging While Drilling)中，也可以应用到随钻测量系统（“MWD”，Measure While Drilling）和试井应用中。当然，定向电阻率测量工具212也可在任何钻井环境下使用，岸上或近海，也可与各种钻井平台一起使用，包括但不限于固定、浮式和半潜平台。

图3A所示为在本发明的某些实施例中如图2所示的定向电阻率测量工具212的透视图。定向电阻率测量工具212可包括配置在其上的槽缝天线302。

图3B所示为沿AA’的如图3A所示的槽缝天线302的剖面图。槽缝天线302可以包括定向电阻率测量工具212外表面上形成的凹口304，带一条电线306安放在里面。电线306通电后可以将凹口304的端墙308，凹口304另一端的同轴线接插件310的中心导线。同轴线接插件310可以将凹口304里的电线306与电路室312连接起来，可安放在凹口304外面和定向电阻率测量工具212外表面300下面。电路室312可以配上发射机和接收机电路，用于处理待发射或接收的电磁信号。

在某些实施例中，槽缝天线302不仅仅可以平行于工具轴线，也可以沿着其它方向，比如垂直于工具轴线或位于工具轴线的任何角度。

在某些实施例中，导磁材料314可以填充在凹口304里，加强槽缝天线302发射和接收能力。导磁材料314可以为磁性材料，可以放在中线和凹口底部之间。磁性材料可以但不限于铁氧体材料、不导电的磁性合金、铁粉和镍铁合金。

在某些实施例中，防护材料316可以填充在凹口304里。防护材料316可以用于保护槽缝天线302，防止在钻井过程中被损坏。防护材料可以但不限于环氧树脂，可放在导磁材料上面。

图3C所示为沿BB’的如图3A所示的槽缝天线302的剖面图。凹口304的形状可以多种多样，比如圆形、矩形或任何其他形状。

图4A所示为在本发明的其它实施例中配有一条槽缝天线302和多条横向槽缝402的定向电阻率测量工具。多条横向槽缝402可以在定向电阻率测量工具212的外表面300上，横跨凹口304，增加定向电阻率测量工具212的凹陷/透磁区。那样，可增强槽缝天线302的发射和接收效率。

图4B所示为沿CC’的槽缝天线302的剖面图。凹口402的形状可以多种多样，比如圆形、矩形、椭圆形或任何其他形状。

图5A所示为在本发明的某些实施例中，带一对发射机天线500和接收机天线502的定向电阻率测量工具212的透视图。发射机天线500和接收机天线502可以安放在定向电阻率测量工具212上，配置成槽缝天线302，如图3A、3B和3C所示。发射机天线500和接收机天线502的方向可大体上平行于定向电阻率测量工具212的纵向轴，彼此之间间隔一个轴向距离。根据互换原理，每条天线只要与适当的发射机或接收机电路连接起来，即可作为发射机天线或接收机天线。

图5B所示为在本发明的某些实施例中，带一对发射机天线500和接收机天线502的定向电阻率测量工具212的透视图，可配上多条横向槽缝402。横向槽缝402增强发射机天线500和接收机天线502的发射和接收能力，如图4A和4B所示。

在任何时候，都不得将本发明限制在任何特殊几何图形里，此类槽缝天线和槽缝的数量也不得有所限制。

在某些实施例中，发射机天线500或接收机天线502可以用其它任何类型/形状的天线替换。

图6A所示为如图5B所示的发射机天线500产生的发射矢量磁场。多箭头600可指示磁场的极性。区域602，即虚线圈出来的面积，指示发射机天线500前面的磁场极性，其轴沿x方向。区域602里的多箭头600可以指示发射机天线500前面的磁场几乎已经沿着方位角方向极化，并且模拟y-向磁偶极子的磁场。根据互换原理，相应的接收机天线502对出现在区域602里的夹角604里面的地层界面更为敏感。

图6B所示为如图5B所示的发射机天线500在方位平面下生成的放射磁场强度。可以指示大部分电磁信号的能量沿着夹角604里的正前方从发射机天线500(正x向)发射出。鉴于图6A和6B中的磁场极化类型和辐射能类型，可得出以下结论：在本发明的某些实施例中的槽缝天线配置适用于定向电阻率测量。

操作过程中，配有槽缝天线的发射机天线500和接收机天线502可以作为磁偶极子，发射/接收电磁信号。因此，槽缝天线302也可称为槽缝磁偶极子天线。在钻井过程中，当定向电阻率测量工具接近电阻率界面时，接收机天线502上的感生电压可以反映出是否存在该界面(通过振幅衰减和移相的变化)，如已有技术。此外，接收机天线502感生电压在定向电阻率测量工具212旋转时的正弦变化可以指示电阻率界面的方向，因为带槽缝天线配置的天线前面的磁场几乎已经沿着方位角方向极化。

图7所示为在本发明的某些实施例中，在仿真模型700中操作的定向电阻率测量工具212，如图5B所示，用于展示定向电阻率测量工具212的方位敏感性，图8A、8B和9所示为图7中模型700的仿真结果。在图7中，模型700可包含一个3D立方体，被垂直电阻率界面706划分为两个部分。左边部分702的电阻率为10欧姆-米，右边704的电阻率为1欧姆-米。定向电阻率测量工具212可包括在左边部分702里面，并朝着电阻率界面706的正x方向旋转。

图8A所示为，接收机天线502感生电压虚部数据图对比定向电阻率测量工具212旋转角度在图7中的模型700的仿真结果。图8B所示为，接收机天线502上感生电压的实部对比定向电阻率测量工具212旋转角度在图7中模型700的仿真结果。图8A和8B所示为当定向电阻率测量工具212靠近电阻率界面(5英尺)706时，接收机天线502上的感生电压的虚部和实部开始沿着定向电阻率测量工具212的旋转角度发生正弦变化。那样，可以识别电阻率界面706是否沿前面的方向(正x方向)，出现在定向电阻率测量工具212的路径上。

图9所示为图7中，接收机天线502感生电压振幅数据图对比电阻率界面706距离的模型700的仿真结果。根据图9，定向电阻率测量工具212越靠近电阻率界面706，则反应在接收机天线502上的感生电压振幅越大。事实上，接收机天线502与电阻率界面706之间的距离可以推导出来，作为接收机天线502上测得的感生电压振幅的函数(“最高电压”,"V_max")，相邻地层电阻率("R₁,R₂")，介电常数("ε₁,ε₂"),和渗透率("μ₁,μ₂")如下。

d=f(V_max,R₁,R₂,ε₁,ε₂,μ₁,μ₂)(1)

在低频率和无磁性地层中，周围地层的电阻率在决定边界距离中扮演主导地位。方程（1）可以简化为方程（2）。

d=f(V_max,R₁,R₂)(2)

可预先针对最高电压和相邻地层电阻率，通过在定向电阻率测量工具212里进行模型正演建立一个三维查看表，提高定向测量的效率。正演模型可为传感器在不同环境和不同电性能下提供一整套数学关系。接收机天线502测得的最高电压可以作为三维查看表的输入数据，定向电阻率测量工具212到电阻率界面706之间的距离可通过已知或推导出来的周围底层电阻率生成，可预先建立在表格中或者从其它与定向电阻率测量工具212耦合的设备中测得。

如上所示，接收机天线502上的正弦变化感生电压可以作为周围地层电特性的指示数据，包括但不限于距离电阻率界面706的距离和电阻率界面706的方向。因此，带槽缝天线配置的定向电阻率测量工具212具有方位敏感性，可以为后续钻井做出方向指示。

图10表示在本发明的某些实施例中，进行定向电阻率测量1000的示范性流程图。步骤包括：

1002：在井眼中旋转电阻率测量工具；

1004：通过配置在电阻率测量工具上的第一槽缝天线发出电磁信号；

1006：接收通过配置在电阻率测量工具上的第二槽缝天线发出电磁信号；

1008：获得电阻率测量工具的一个旋转周期内第二槽缝天线上感生电压的正弦波；

1010：推导出某一地层边界的方向信息；

1012：获得电阻率测量工具的一个旋转周期内第二槽缝天线上感生电压的峰值振幅和谷值振幅和旋转角度；

1014：推导出地层边界的距离和方向信息。

在某些实施例中，将内部带电线的所述第一槽缝天线和内部带电线的所述第二槽缝天线放在电阻率测量工具外表面上的凹口。

在某些实施例中，将所述电线通电后与凹口的端墙连接，同轴线接插件的中心导线位于凹口的另一端，作为磁偶极子产生磁场。

在某些实施例中，同轴线接插件可以将凹口的电线与某一电路连接起来，用于发射信号，可安放在凹口外面和电阻率测量工具外表面下方。

在任何时候，都不得将本发明限制在任何特殊步骤顺序内或者要求图10中的任何特殊步骤。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。软件类发明可有这段话，否则删除。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.磁偶极子天线，其特征在于，配置在带纵向轴和外表面的电阻率测量工具上，包括：

在所述电阻率测量工具外表面上形成的凹口；

同轴线接插件，配置在所述电阻率测量工具外表面下方；

电线，可以与凹口的端墙连接，所述同轴线接插件的中心导线位于凹口的另一端；

所述凹口和所述电线形成磁偶极子，发射或接收电磁信号。

2.根据权利要求1所述的磁偶极子天线，其特征在于，还包括填充在所述凹口里的导磁材料；

所述导磁材料为磁性材料，加强磁偶极子的发射和接收能力。

3.根据权利要求2所述的磁偶极子天线，其特征在于，所述磁性材料可以为铁氧体材料、不导电的磁性合金、铁粉和镍铁合金。

4.根据权利要求1所述的磁偶极子天线，其特征在于，包括填充在所述凹口里的防护材料；

所述防护材料为环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的磁偶极子天线，其特征在于，所述凹口为圆形或者矩形。

6.根据权利要求1所述的磁偶极子天线，其特征在于，还包括在所述电阻率测量工具表面形成、并且横跨所述凹口的多条沟槽，用于加强电磁信号的发射和接收；

所述沟槽为椭圆形。

7.用于地层定向电阻率测量的装置，其特征在于，包括：

带纵向轴和外表面的电阻率测量工具；

在所述电阻率测量工具外表面形成，并且大体上平行于电阻率测量工具纵向轴线的多条槽口；

放在所述槽口里的多条电缆，通电后与所述槽口的端墙连接，形成磁偶极子天线；

所述磁偶极子天线形成至少一个发射机-接收机天线组，用于执行电磁信号的发射和接收。

8.根据权利要求7所述的用于地层定向电阻率测量的装置，其特征在于，还包括同轴线接插件，将电线与电路连接起来，用于处理待发射或接收的电磁信号。

9.根据权利要求7所述的用于地层定向电阻率测量的装置，其特征在于，还包括在所述电阻率测量工具表面形成、并且横跨凹口的多条沟槽，用于加强电磁信号的发射和接收；

所述沟槽横切电阻率测量工具的槽口。

10.根据权利要求7所述的用于地层定向电阻率测量的装置，其特征在于，还包括填充在所述槽口里的导磁材料或者防护材料。

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