CN103477247A - 多分量钻井雷达系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种多分量钻井雷达工具和方法。至少一些工具实施例采用了接收从所述工具发射的电磁脉冲的反射的至少两个天线。处理器处理接收信号以识别反射信号并且确定距所述反射信号的源的方向和/或距离。可能的源包括岩层边界、流体边界、套管井、以及引起电磁特性差异的其他特征。除了反射信号以外，测量到的响应还可以包括对确定岩层电阻率和介电常数有用的直达信号测量值。每个天线可以发射并接收，并且可以并置天线以减小工具尺寸和降低处理复杂性。所公开的测井工具示例同时采用电偶极和磁偶极天线。

Description

多分量钻井雷达系统和方法

背景技术

在石油钻井和测井领域，电磁测井工具常用于提供地下钻井周围的岩石层环境的电阻率的指示。在确定碳氢化合物的存在与否时，这样的有关电阻率的信息是有用的。通常的电磁测井工具包括发射天线和沿工具的轴位于距发射天线不同距离的一对接收天线。发射天线用于在周围岩层中建立电磁场。进而，岩层中的电磁场在每个接收天线中感生出电压。由于周围地下岩层的几何分布和吸收，在两个接收天线中感生的电压具有不同的相位和幅值。实验表明接收天线中感生电压的相位差(Φ)和幅值比(衰减A)指示岩层的电阻率。

当将这样的工具适用于需要较大检测范围和准确图形的地质导向(geosteering)时，这些工具的基于频域的操作具有一定的限制。在有限程度上，这些特征能够设置有较宽的天线间距、多个测量频率和复杂的变换算法。

已经提出了多个利用基于时域操作的工具，包括Fowler的美国专利4,297,699，“Radar drill guidance system(雷达钻井引导系统)”；Gianzero的美国专利5,115,198“Pulsed electromagnetic dipmeter method andapparatus employing coils with finite spacing(采用有限间距线圈的脉冲电磁地层倾角测量方法和装置)”；Van Oers的美国专利6,712,140“Boreholeradar antenna and algorithm，method and apparatus for subsurface surveys(用于地下勘探的钻井雷达天线和算法、方法和装置)”；Stolarczyk的美国专利6,778,127“Drillstring radar(钻柱雷达)”；Larsen的美国专利7,123,016“Systems and methods useful for detecting presence and/or location ofmaterials(有助于检测物质的存在和/或位置的系统和方法)”；以及Itskovich的美国专利7,046,009，“Method for measuring transientelectromagnetic components to perform deep geosteering while drilling(测量瞬变电磁分量以实施随钻深地质导向的方法)”。并未发现已经提出的这些工具中的任何工具被证明具有商业可行性。笔者认为，这个结果至少部分是由于在钻井环境中的极端条件下昂贵的电子器件被证实易于损坏，部分则是由于使用天线构造使得变换和解读过程复杂化。

附图说明

当结合附图思考下列详细描述时，能够取得对各种公开的实施例的更好的理解，附图中：

图1示出说明性的包括倾角岩层边界的随钻测井环境；

图2示出说明性的电磁测井工具天线构造；

图3示出限定倾斜天线的取向的角度；

图4示出将钻井外周划分成方位角区块。

图5是说明性的电磁测井工具的电子模块的方框图；

图6是说明性的电磁测井方法的流程图；

图7是说明性的变换操作的数据流程图；

图8至图13是在不同的测井条件下相对于时间的接收到的信号脉冲幅值的图表；

图14至图16是取决于各种参数的检测范围的图表；

图17至图18示出说明性的取决于工具位置的信号响应；

图19示出从图18的信号响应中提取的方向信息；

图20至图21示出从图18的信号响应推导出的距离和方向值；

图22至图23示出说明性的取决于工具位置的信号响应；以及

图24至图25示出从图23的信号响应推导出的距离和方向值。

通过示例的方法，在附图中示出特定的系统和方法实施例并且详细描述如下。然而应理解的是，附图和详细说明无意限制本公开，相反，其意图覆盖落在所附权利要求范围内的所有改进、等同和替代方案。

具体实施方式

于是，本文公开了一种使用多分量雷达以检测岩层异常处(诸如地床边界或者其他井眼)的钻井工具及其系统、方法和这种工具的应用。一些工具实施例包括接收从工具发射的电磁脉冲的反射的至少两个天线。处理器处理接收信号以识别反射信号并且确定到反射信号源的方向和/或距离。可能的源包括岩层边界、流体边界、套管井、以及引起电磁特性差异的其他特征。每个天线可以发射和接收，并且这些天线可以并置(collocated)以减小工具尺寸以及降低处理复杂性。所公开的测井工具示例同时使用电偶极天线和磁偶极天线。

至少一些方法实施例包括：从钻井中的工具发射电磁脉冲；测量该电磁脉冲的自分量和交叉分量响应；以及确定一个或多个反射信号源的距离和/或方向。除了反射信号以外，所测量到的响应还可以包括有助于确定岩层电阻率、介电常数和渗透率的直达信号(direct signal)的测量值。

在操作所公开的工具的更大规模的系统环境中，可以最佳地理解所公开的工具的操作和使用。因此，图1示出说明性的随钻测井(logging whiledrilling，LWD)环境。钻探平台2支撑具有活动块6并用于升高和降低钻柱8的井架4。在钻柱8通过井口12降低时顶驱10支撑并且旋转钻柱8。钻柱(和/或井下马达)转动钻头14以沿钻井16延伸。泥浆再循环设备18将钻液从滞留坑20通过进料管22抽取到顶驱10，向下通过钻柱8的内部，通过钻头14中的节流孔，经由钻柱8周围的环形体返回地面，通过防喷器并返回坑20中。钻液将钻屑从钻井输送到坑20中并帮助保持钻井完整性。

井底组件(即，钻柱8的远端部分)包括被称为钻铤(drill collar)的厚壁管，从而增加重量和刚度以有助于钻探过程。这些钻铤的厚壁使其有助于容纳仪器和随钻测井(LWD)传感器。于是，例如，图1的井底组件包括具有电磁测井工具的工具组件24以及控制和遥感模块26。井底组件中还可以包括其他工具和传感器以收集诸如位置、取向、钻头重量、钻井直径等钻探参数的测量值。井底组件中还可以包括井下电机和导向机构。

随着钻头穿过岩层在钻井中延伸，LWD工具组件24旋转并收集多组分雷达测量值，使得井下控制器与工具的位置和取向测量值相关联而形成钻井周围的岩层三维地图。控制/遥感模块26从各种井底组件仪器收集数据并且将数据存储在内部存储器中。选取的部分数据可以通过例如泥浆脉冲遥感传达到地面接收器28。还存在其他随钻测井遥感方法并且可以使用这些方法。例如，可以采用具有可选的中继器30的穿墙声学遥感以延长遥感范围。作为另一个示例，钻柱8可以由线缆钻管形成，该线缆钻管使波形或图形能够实时发射到地面，以使得能够实时进行质量控制和处理，以便优化测井分辨率。大多数遥感系统还可以将指令从地面传达到控制和遥感模块以配置工具的操作。

地面接收器28将遥感信号传达到计算机系统50或者一些其他形式的数据处理设备。计算机50根据软件(软件可以存储在信息存储媒介52上)运行，并且经由输入设备54接收用户输入以对接收信号进行处理和解码。可以由计算机50进一步分析和处理得到的遥感数据以生成在计算机显示器56或者一些其他形式的显示设备上显示的有用信息。例如，钻探者可以采用此系统以获得岩层边界或者在井底组件附近现有井眼的地图。然后钻探者可以采用可旋转的导向系统或者导向叶片(steering vane)以导向钻探组件并且相对于岩层边界或者现有井眼来视需要定位钻井。

可以用工具面角(旋转取向)、倾斜角(斜率)和水平角(罗盘方向)来指定井底组件的取向。如现有技术通常定义的，倾斜角是竖直向下的偏向，水平角是水平面偏离正北的角度，并且工具面角是偏离钻井的上侧的取向角(围绕工具轴旋转)。(因为在竖直井中没有“上侧”，所以在这样的井中的旋转角从正北测量。由于这个原因，即使在偏向的钻井中，旋转角也常被称为“方位角”。)每个取向角可以由磁强计(magnetometer)、测斜计(inclinometer)和/或加速度计测量，但是也可以替代地使用诸如陀螺仪等其他传感器类型。在一个具体的实施例中，该工具包括3轴磁通门磁力计和3轴加速度计。如现有技术所已知的，这两种传感器系统的结合能够得到工具面角、倾斜角和罗盘方向(compass direction)的测量值。LWD工具组件可以包括位置和取向模块，位置和取向模块需要这样的取向测量值并且将其与陀螺仪或惯性测量值结合以准确跟踪工具的位置和取向。

电磁测井工具的电子器件容纳在钻铤内，其中天线位于钻铤外，通常在钻铤表面的凹槽中，如图2所示。该凹槽可以填充有非导电性树脂以支撑和保护天线。可替代地，或者叠加地，可以在天线上放置保护盖。该盖可以由导电性材料制成，只要设置开口以允许发射和/或接收电磁能。

如图3所示，环形天线取向可以用倾斜角ξ和方位角α来指定。倾斜角ξ在工具的纵轴和天线的法向向量N之间测得。方位角α处于垂直于工具的纵轴的平面中并且在工具面划线(tool face scribe line)与天线的法向向量N的投射之间测得。

工具110(图2)具有三个一组的并置天线112、114、116，具有54.7°的倾斜角和120°的方位角间隔以提供正交性。这样的工具能够提供完整的一组自分量和交叉分量测量值，其可以用于合成任意取向天线的响应。然而，三个一组天线构造具有一定的制造困难，这可以通过使用诸如工具100那样的双重天线系统来避免。工具100具有两个天线102、104以45°倾斜并且方位角相反以提供正交性。根据共同审理中的美国专利申请12/294,557“Antenna coupling component measurement tool having arotating antenna configuration(具有旋转天线构造的天线耦合分量测量工具)”，在一定假设下，随着这两个天线旋转所取得的测量值将提供所有的自分量和交叉分量测量值。如果天线的共同位置被视为是不理想的，则制造者能够采用工具120的构造，其中天线122、124间隔开，但是这可能使信号处理和变换复杂化。

随着工具旋转并沿钻井前进，工具需要测量值并将这些测量值与钻井位置和方位角相关联。相近的位置和角度可以被分组成“区块(bin)”，并且对每个区块中的所有测量值求平均或者组合每个区块中的所有测量值，以提高测量值质量。图4示出说明性地将钻井外周划分成N个角区块。N通常大于8并且一般可以为数百个。

图5是电磁测井工具的说明性实施例的电子器件的方框图。当提供触发信号或者在一些实现中提供数字波形时，数模转换器502产生模拟发射信号。每个发射器504提供频率上移、放大以及阻抗匹配，以有效地驱动对应的天线506。天线506运行以将电磁能辐射到岩层中和/或从岩层接收电磁能。为了保护敏感的接收器电子器件，当相应的发射器驱动天线时时间门(time gate)508将天线506从接收器510去耦合。否则，接收器510提供放大、滤波、频率下移、以及增益控制以适当地调整接收信号用于模数转换器512的数字化。数据缓冲器514使得多个接收器和发射器能够同时运行而不对工具的处理器516施加过于严格的性能要求。处理器516将所需的测量参数写到合适的缓冲器514(例如，选择特定的天线作为发射天线，以指定所需的信号幅值、频率以及脉冲定时，并且指定所需的记录窗口)，并且在适当的延迟之后，从所需的接收天线收集数字化的波形。处理器能够在存储器518中存储测量数据，如果需要则处理测量数据，并且经由通信界面通过遥感通道将测量数据传达给该界面处的数据获取系统。

在至少一些实施例中，天线506为并置的多分量天线。图2所示的天线为环形(“磁偶极”)天线，但是也可以使用正交取向的电偶极天线。通过适当地定向电极、线缆、环形线或喇叭形天线，可以实现或近似这种天线。一般而言，处理器516管理具有线性独立取向的N个并置偶极天线的发射、接收以及处理操作以提供一个以上极化(polarization)的测量数据。可以使用倾斜线圈、非倾斜线圈、电磁线圈和/或磁力计实现磁偶极天线。天线偶极的取向可以选为相互正交以优化工具的方向或各向异性灵敏度。当然，可以组合来自不同取向的天线的测量值以确定本来由其他取向的天线所测的测量值。并且，可以利用钻柱的旋转来从不同取向获得数据。一些工具的实施例具有定位在沿钻柱的不同位置的天线以改善图形范围及分辨率。

图6示出说明性的测井方法，其可以由井下处理器516实施、可以由地面计算设备522实施、或者由两者协作实施。在方框602中，选择初始的发射器。在方框604中，激发所选择的发射器，并且从每个接收器响应性地取得数字波形。考虑使用数个信号波形，包括隔离的方形、三角形或者高斯脉冲。也可以采用线性调频脉冲(chirps)和其他载波调制的脉冲。可以使用重复脉冲以提高信噪比，以便能够调制连续波雷达信号。可考虑的脉冲宽度包括从100ps到1μs的范围，优选低于100ns的宽度，但其他脉冲宽度也可以是合适的。当接收器在接收模式并且启用相关联的时间门时，从天线接收到的信号被递送到数据缓冲器。随着第i个发射器的激励，除了i以外的所有接收器开始接收数据。此阶段原则上也可以开始从接收器i接收，但是至少一些实施例延迟接收器i上的测井数据直到天线的发射后振铃(ringing)已停止或可忽略不计。处于接收模式足够长的时间后，可以关闭所有的接收器。

在方框604中，还可以捕捉工具的位置和取向并且用于将接收器响应测量值与方位角区块相关联。(方位角区块同时具有角度范围和轴向范围。)在方框606中，当前的测量值用于为所给定区块更新每个接收器的平均响应。

在方框608中，进行测试以确定是否需要额外的测量值或者是否在当前钻井位置将出现额外的测量值。例如，在具有多个发射器的工具中，希望具有来自每个发射器的测量值。需要额外测量值的其他原因包括在实施额外的处理之前在每个方位角区块内具有所需数量的测量值，或者在实施额外的处理之前具有至少给定数量的方位角不同的测量值。如果在当前位置处期望额外的测量值，则可以将额外的处理推迟到已经收集所有相关的测量值为止。该方法重复方框602-608，直到获得足够数量的测量值。

一旦在钻井的给定位置获得足够数量的测量值，则该方法继续方框610中可选的预处理。例如，在方框610中，处理器可以组合来自不同接收器的测量值以合成能够被导向以使任何给定方向的灵敏度最大化的虚拟天线的测量值，或者可以处理测量值以对工具电子器件的变化提供补偿。

在方框612中，系统处理工具测量值以确定岩层介电常数、电阻率和渗透率，以及岩层中任何异常处的距离和方向，这些异常处诸如为地床边界、流体边界、断裂或其他形式的岩层空隙、现有的井眼、或者在附近产生电磁差异的任何其他地下特征。还可以确定异常处的电磁特性(例如，介电常数、电阻率和渗透率)。下面进一步描述一定的变换策略以表明能够轻松地从接收信号中抽取参数，但是可以采用任何标准的岩层特性变换，包括库匹配以及迭代正演建模(forward modeling)。在方框614中，可以更新实时显示以反映最新的测量值。在方框616中，实施测试以确定测井过程是否继续，如果继续，则系统返回到方框602。否则，在方框618中，系统向用户显示测量测井数据。可考虑的测井数据包括反映出的自分量电磁信号图形、反映出的交叉分量电磁信号(角点)图形、异常处的介电常数/电阻率/渗透率、异常处的方位角/仰角图形、以及介电常数/电阻率/渗透率测井数据。测井数据还可以采取围绕钻井的空间的容积图形的形式，或者取决于工具在钻井中的位置和取向的一个或多个岩层特性的图表。已知并且可以使用其他测井显示数据。

在沿钻井不同位置处可以重复数据获取。在不同深度z处取得的波形数据可以表示为电压V_ij(t，z)，其中下标i和j表示关联的发射器和接收器标号，并且t表示从发射器激发起测量的时间。当然，还可以使用电流、功率或者其他一些波形测量变量。有时电压V_ij(t，z)可以被看作图形因为其依赖两个维度(时间t和深度z)。如图7所示，自分量电压数据(即i＝j)通常示出渗透率ε、介电常数μ或者电阻率ρ的任意差异的函数。交叉分量电压数据(即i≠j)，通常示出渗透率ε、介电常数μ或者电阻率ρ的倾角(dipped)特征或者角点(corner)特征的函数，只要偶极的取向大致正交并且岩层介质是各向同性的。

在此阶段可以显示图形，或者如图7所示，可以进一步处理图形或者变换图形以生成改进的电压图形或者渗透率/电阻率图形作为辐射距离d和深度z的函数。在合适的情况下，变换可以产生与异常处相关联的参数，诸如异常处距离d_a、以及方向(即方位角φ_a和仰角θ_a)。可以通过比较波形数据和预编的电压响应库，或者通过利用迭代方式的正演模型以找到产生最拟合实际测量值的预测响应的模型参数来实施变换。该库可以由时间数据、深度数据、背景渗透率/电阻率、异常处距离、异常处方位角和异常处仰角参数组成。取决于待解决的问题范围所需的灵活性，库可以包括更多或者更少的参数。在未被库中的参数范围覆盖的问题中，介电常数、渗透率、电阻率或者电压图形在视觉观察上仍可以提供关于异常处参数的足够信息。例如，即使准确的距离测量值不可用，反射信号的峰值也可以提供相对距离信息。

由于工具的多分量性质，不同的发射器可以激励出不同极的电磁波以在接收信号数据中建立方向依赖性。结果，可以由V_ij(t，z)波形获得异常处的方向。例如，假设从偶极的正交集合获得多分量数据V_ij(t，z)，i＝1，2，3，j＝1，2，3。在每个时间和深度的数据张量可表示为

$\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{V}}(t,z)=\left[\begin{array}{ccc}{V}_{11}(t,z)& V_{12}(t,z)& V_{13}(t,z)\\ V_{21}(t,z)& V_{22}(t,z)& V_{23}(t,z)\\ V_{31}(t,z)& V_{32}(t,z)& V_{33}(t,z)\end{array}\right]---\left(1\right)$

在分层的各向同性介质中，这个矩阵的特征向量扩展(至少近似)具有以下形式

其中s和s_⊥分别是与平行或者垂直于层边界的偶极相关联的反射系数成比例的常数。

在此定义为与特征值s_⊥相关联的特征向量，并且其等于层边界的法向向量。当与工具天线的取向有关的信息组合时，向量

表示层边界相对于工具的方位角和仰角。通过收集每个点(t，z)处的方位角和仰角的值，可以构建方位角图形和仰角图形。此图形表示作为对每个电压值V_ij(t，z)的最大贡献的源的大致方向。在问题为单层的情况下，可能唯一地解出在每个单独深度点处的层边界的位置。类似地，在存在线性(一维)散射体(诸如附近井的套管)时，上述(1)的特征向量扩展取形式为

其中s_⊥是与线性异常处相关联的反射系数成比例的常数。

在此定义为与特征值s_⊥相关联的特征向量，并且其包含在同时与线性异常处和收发器相交的平面内。与等式(2)的分层情况不同，这里

不能自身表示线性异常处的方向。然而，当组合来自多个测量值的信息时，通过相交所得到的各个平面可以找到方向。

上述讨论说明了这样的示例，可以无需首先变换时域波形即确定异常处方向。当需要具备到异常处的准确距离测量值时，最好将图形的时间轴变换为距离轴。因为介电常数、电阻率和渗透率值可以具有可能使距离计算复杂的频率依赖关系，所以可对数据事先应用校正以去除此频率依赖关系。可以做到这一点的一个方法是对波形数据进行傅立叶变换到频域，基于已知的、测量到的或者推测的频率依赖关系应用依赖频率的乘法因子，然后将乘积变换回到时域。虽然预期这样的修正是有帮助的，但是在许多情况下可能是不必要的。

在利用或不用频散校正的情况下，通过在库中找到最接近的匹配，或者通过采用迭代正演模型技术以找到其预测响应与测量值匹配的模型，来对时域图形数据进行变换。初始模型参数包括背景的介电常数、电阻率和渗透率值。经变换的电阻率和渗透率值可以是各向同性或各向异性的。如果需要，频散校正可以合并到变换步骤中并且经变换的参数还可以是频率的函数。为了确定紧邻工具的岩层特性，波形数据可能被窗口化为只包含从脉冲发射的结束开始并且在接收到任何强烈的反射之前结束的时间范围。在取得岩层介电常数、电阻率和渗透率值之后，对特定脉冲计算有效的波速v(t)。因为时域波形反映双向的行进时间，所以计算出的速度在用于将时间轴转换成距离轴前被减半。波形中代表反射的峰值使这些异常处变得明显，可以确定这些异常处的距离为其中t_p为在接收器处观察到的峰值的时间。这将每个电压值V_ij(t，z)与对其贡献最大的源的大致距离关联在一起。在分层介质中，来自异常处的反射通常显现为信号电平的局部波动，并且在等于从收发器到层边界的最短距离的距离处观察到这些波动的峰值。在反射场被直达场遮蔽的情况下，可以使用滤波来减少直达场效应。

在所考虑的此工具的操作原理中，来自发射器的直达(自耦合)信号在发射阶段后衰变非常快并且期望其及时与异常处的反射几乎完全分离。在随后的示例中，只有当其大于直达信号的一定百分比时，才认为检测到接收信号中的峰值。此处百分比保守地选为10％。这些示例的第二个检测标准是反射信号的绝对信号电平。此处，如果在直达信号电平的峰值的5×10^-9倍以上则认为检测到了接收信号中的峰值。通过降低直达信号可以获得更好的工具性能，这可以通过滤波出直达信号的衰减部分来做到。一个方法是基于早期的时间间隔找到衰减函数的函数形式并且从随后所有的时间中减去该衰减函数。最终，从(1)-(3)获得的直达信息可以与距离信息组合以定位异常处。

图8示出用两层岩层中具有z偶极接收器的工具测量到的电压V_zz(t)，该岩层具有在插图中示出的几何结构。示出直达信号的幅值，以及在如下距离的其中之一处的边界的反射信号的幅值：9英尺、18英尺和27英尺。紧邻工具的岩层具有相对介电常数ε_f＝10和电阻率R_b＝100Ωm，而岩层的边界具有相对介电常数ε_f＝10和电阻率R_b＝1Ωm。在此示例中，脉冲宽度选为70704ns并且在此示例中期望其提供大约05英尺的距离分辨率。(此处分辨率指两层之间可以被所发射的脉冲区分的最小分隔)。接收到的电压的最大值被标准化为1。在该图中，线802表示直达信号，其他线804、806、808分别表示来自9英尺、18英尺和27英尺处的层边界的反射信号。从附图中可以看到，在这些深度的每个深度处的反射均与直达信号清楚地分隔开，并且彼此清楚地分隔开。对于5×10^-9的相对阈值电平而言，检测的期望深度为大约30英尺。图9和图10分别示出不同岩层电阻率值R_f＝20,2000Ωm的类似的图表。这些情况下检测的期望深度分别计算为6英尺和450英尺。通过比较这些附图，我们看到，随着岩层导电性变高，在脉冲发射停止后观察到振铃效应(ringing effect)。在每个这些情况中，振铃效应低于反射电平并且不期望其对检测的深度有重要的影响。

图11将图8的信号与相同情形下更长的脉冲宽度(29375ns)导致的信号相比较。曲线1102表示直达信号，曲线1104表示来自9英尺外的边界的反射，并且曲线1106表示来自18英尺外的边界的反射。较长的脉冲宽度对应大约2英尺的期望距离分辨率(对比短脉冲宽度的05英尺)。在较长的脉冲宽度下，相对于直达信号的反射的幅值降低大约10％，并且在直达信号中有增大的振铃效应(即更长的衰减)。此比较表明采用短脉冲宽度可能更有利。

图12示出岩层电阻率对z-偶极接收器直达信号的影响。曲线1202-1212对应于岩层电阻率为1Ωm、10Ωm、25Ωm、50Ωm、75Ωm和100Ωm的信号。该图示出在脉冲结束(t＝70704ns)之后接收到的电压高度依赖于电阻率值。插图还示出在脉冲发射期间更有限的灵敏度。该图表明通过在脉冲的发射结束之后处理测量到的信号可以最有效地获得紧邻工具的岩层的电阻率值，但是如果工具能够同时发射和接收，则也可以通过发射期间的电压获得紧邻工具的岩层的电阻率值。

图13示出对在具有相对介电常数ε_f＝10和电阻率R_f＝1Ωm的岩层中现有的(高导电性)井套管的期望工具响应。井套管为直径8英寸并且假设沿着与工具的z-轴平行的轴在两个方向上延伸大于500英寸，并且沿y轴定向磁偶极天线。工具发射具有高斯形状的70703ns脉冲。曲线1302表示直达信号，曲线1304表示9英尺距离处的套管的反射，曲线1306对应于18英尺的套管距离，并且曲线1308对应于27英尺的套管距离。该图示出反射信号的表现和电平与来自类似距离的平面边界的类似。我们期望用于检测和跟踪平面边界的所有原理稍加改动即可移用以提供套管井的检测和跟踪。一个显著的区别是，井套管的最佳激励发生在当偶极垂直于包含偶极和井套管的平面时(如从等式(3)显而易见的)。在所有考虑的距离上，反射信号既大于直达信号又大于5×10^-9的相对噪音电平。在这种情况下，估计检测的深度大于40英尺。因此，工具能够用于交叉、避开现有的井或者平行于现有的井进行钻探。

图14图示出平面边界的预期检测深度如何随岩层电阻率改变。在插图中示出假设的模型，包含工具的岩层具有介电常数ε_f＝10和电阻率R_f，并且边界岩层具有介电常数ε_f＝10和电阻率R_b＝1Ωm。脉冲宽度选为70704ns。和其他实验相同，只有边界产生的反射大于最大的直达信号的5×10^-9倍并且该反射在被接收到时大于10％的直达信号，才假定检测到反射。该图示出检测的深度随电阻率几乎线性增加。

图15示出与X和Z方向的电偶极接收器和磁偶极接收器相关联的检测深度。工具在具有相对介电常数ε_f＝10和电阻率R_f＝100Ωm的层中，倾角边界层具有相对介电常数ε_f＝10和电阻率R_f＝1Ωm。脉冲宽度选为70704ns。此图图示出检测距离对倾角θ的依赖关系。测量从收发器到该层边界上最近的点的距离。该图示出电偶极和磁偶极导致几乎相同的检测深度，这主要是由于电和磁传播现象的二元性(duality)。对于与该平面平行定向的天线偶极而言，观察到30英尺的检测深度，并且随着天线变得与平面边界垂直而降至17英尺。这一观察结果表明，X收发器更适合检测钻头前的边界，而Z收发器更适合跟踪钻柱侧方的边界。

图16示出检测深度对倾角的依赖关系如何随不同的岩层电阻率而变化。曲线示出三个不同的电阻率值R_f＝20、100、2000Ωm，并且在每种情况下，边界层具有相对介电常数ε_f＝10和电阻率R_b＝1Ωm。脉冲宽度选为70704ns，并且使用X偶极收发器。岩层电阻率越高检测深度越大，但在高倾角处发生更大百分比的损失。

现在我们看信号随深度的变化。图17a和图17b分别示出从波形V_zz(d，z)和V_xz(d，z)获得的图形。在插图中图示出假设的岩层结构。该岩层具有相对介电常数ε_f＝10和电阻率R_b＝100Ωm，并且边界岩层具有介电常数ε_f＝10和电阻率R_b＝1Ωm。然而，该边界不是严格的平面，而具有距离工具的路径7英尺、10英尺和5英尺的三个矩形面。中心面沿工具的路径跨度25英尺。此结构例如可以被称之为洞穴。该结构为y恒定并且同时沿-y和+y方向延伸。在此示例中，V_zz(d，z)和V_xz(d，z)测量值是从由两个倾斜天线工具所得到的测量值中提取的，两个倾斜天线分别在0和180度方位角处倾斜45度。通过在不同通道上的加法和减法运算，将倾斜线圈结果转换为与(假想)X和Z偶极相关联的结果。使用具有高斯形的15ns脉冲。图中的每个曲线是与钻井路径上的特定位置相关联的信号数据并以钻井路径上的该特定位置为中心。用前面描述的方法将原始时间轴转换成距离。

图17a示出将来自洞穴边界的反射(在4英尺到11英尺的距离范围内可见)从直达信号(在0至1英尺范围内可见)去耦合。这些反射形成洞穴边界的图形并且能够从这个图形成功地恢复到每个边界面的距离。图17b示出对洞穴的角点特征敏感的交叉分量(XZ)图形。(在这种情况下，交叉分量测量值为响应从虚拟x天线发射的脉冲，本应由虚拟z天线接收的信号。)

图18a和图18b示出由插图中图示的结构获得的电压图形V_zz(d，z)和V_xz(d，z)。该岩层和边界层的电磁特性如前所述，但是在此示例中有两个边界面，第一边界面偏离z轴倾斜1403°，第二边界面靠近z轴倾斜3687°的角度。此结构例如可以被称为地质断层。如前所述，两个倾斜天线工具用于获得从高斯形15ns脉冲得到的V_zz(d，z)和V_xz(d，z)波形。图18a和图18b示出来自该断层的反射信号数据成功地形成自(ZZ)分量和交叉(XZ)分量的断层边界的图形。如所期望的，只在自分量而并非在交叉分量中观测到直达信号。这个因素可能对于去除不需要的直达分量效应是有用的。

图19示出将前面概括的方向寻找方法应用到由三个倾斜的天线线圈工具在图18的岩层结构中得到测量值的结果。如插图所示，三个天线中的每一个在0、120°和204°的方位角处偏离z轴3526°。这些特殊的角度使得线圈相互正交从而允许自然的多分量运算。通过在不同通道上的加法和减法运算，将倾斜线圈结果转换为与虚拟X、Y和Z偶极相关联的结果。图19a示出计算出的仰角θ(d，z)图形，而图19b示出计算出的方位角图形φ(d，z)。从图中可以看出，当接近反射信号的峰值(注意相同颜色带)时，尤其可以获得来自该断层的信号的方位角和仰角的稳定测量值。这证明得到了倾角法的特定距离的测量值。

为了确定每个深度处的异常处仰角、方位角和距离测量值，该系统首先识别反射信号的峰值，然后将与特定深度相关联的值应用到下面提供的等式中：

θ_测量到的(z)＝θ(d_测量到的(z)，z)(5)

φ_测量到的(z)＝φ(d_测量到的(z)，z)(6)

图20示出根据此过程提取的计算出的仰角和方位角，而图21示出所检测到的边界的计算出的距离。(应注意至该层边界的距离、仰角和方位角是相对于该边界上距离收发器最近的点测量的。)在附图中，上面边界表示为b1并且下面边界表示为b2。从图中可以看出，所有的仰角、方位角和距离值与实际值匹配，并且成功而准确地测量到这些值。

在接近图20-图21结束处的误差是由于异常处的邻近并且反射场的直达场干扰造成的。在此示例中，允许无干扰测量的最小距离是大约25英尺，但是可以通过降低脉冲的宽度来减小该距离。应注意的是，可以概括等式(4)-(6)以识别多个异常处。在这种情况下，将识别多个峰值和在这些峰值处的关联数据。

图22示出从由两个倾斜天线工具(在0和180度方位角处倾斜45度)穿过一系列岩层地床时所得的测量值推导出的电压图形V_yy(d，z)。如插图所示，每个岩层具有相对介电常数10，并且从上到下的电阻率依序为：100Ωm、20Ωm、100Ωm、20Ωm、100Ωm和1Ωm。最上的岩层为1000英尺厚并且随后的岩层为1英尺、8英尺、1英尺、5英尺和10英尺。信号脉冲为15ns脉冲宽度的高斯脉冲。该图示出即使工具从20英尺外接近也能观测到来自第一薄层的反射。反射的峰值表示至产生该反射的层的距离。例如，随着工具沿z轴从980英尺移动至1000英尺，反射信号的峰值相应地从大约20英尺移动至0英尺，表示接近该邻近层。这证实了工具的前导能力。

图23示出从由三个倾斜天线工具接近在2657°的交叉角处的井套管(如插图所示)所得的测量值推导出的电压图形V_yy(d，z)。该岩层具有相对介电常数10和电阻率100Ωm。该井套管距离工具的方位角方向为0°。使用高斯形15ns脉冲。图24和图25示出从图23的电压图形提取的井套管仰角、方位角和距离测量值。可以从图中看出，即使在20英尺距离处也能成功地测量所有的参数。

上述示例表明，具有时域脉冲信号和处理的多分量收发天线可以提供多个异常处的准确的岩层特性测量以及方向和距离测量。通过适时检查所接收信号的极值能够实施所述距离测量。通过利用由多分量天线测量的电磁极化效应能够实施所述方向测量。由于天线可以并置，所以不需要是方向性的，避免了对工具的电气和机械设计的各种限制。重要的是，此处概括的方法使得能够使用倾斜线圈天线并且容易适用于随钻测井应用。天线的并置性质使得收发器能够靠近钻头布置，由此增加前导距离。

因为从时域直达信号中自然地将反射去耦合，所有方向的深度不依赖于发射器和接收器之间的间隔。这使得探测距离在电阻性岩层中能够达到或甚至超过400英尺。类似的，来自位于不同距离的异常处的反射也自然地与彼此去耦合。结果是，预期能够不求助于复杂的变换运算而检测和跟踪多个异常处，从而使得能够实时分析。并且，因为能够在发射模块和接收模块之间共享至少一些电子器件(例如天线)，所以相对于其他电磁测井工具能够减小工具的尺寸。

对本领域技术人员而言，一旦完全理解上述公开，则各种变型和改进将变得显而易见。例如，上述公开在随钻测井工具的环境中描述了多个天线构造，这样的天线构造可以轻易应用到电缆测井工具中。意图将所附权利要求解释为包含所有这样的变型和改进。

Claims (21)

1.一种测井工具，包括：

至少两个天线，接收从所述工具发射的一个或多个电磁脉冲的反射；以及

处理器，处理来自所述至少两个天线的接收信号，以确定一个或多个异常处的方向。

2.如权利要求1所述的工具，其中所述一个或多个异常处包括具有不同电阻率的岩层区域之间的边界。

3.如权利要求1所述的工具，其中所述一个或多个异常处包括套管井。

4.如权利要求1所述的工具，其中所述处理器进一步确定所述一个或多个异常处的估计距离。

5.如权利要求4所述的工具，其中所述处理器根据工具位置来处理所述接收信号，以便提供来自由如下构成的集合中的至少一个测井数据：反射的自分量电磁信号图形；反射的交叉分量电磁信号图形；介电常数图形；电阻率图形；渗透率图形；异常处方位角图形；以及异常处仰角图形。

6.如权利要求1所述的工具，其中所述两个天线是三天线组的一部分，并且其中所述三天线组中的每个天线从所述工具发射从所述电磁脉冲中选取的多个脉冲。

7.如权利要求6所述的工具，其中所述三天线组中的所述天线是实质并置的。

8.如权利要求1所述的工具，其中所述天线属于由以下构成的集合中的类型：分离电极天线、电缆天线、环形天线、以及喇叭形天线。

9.如权利要求1所述的工具，其中所述天线属于由以下构成的集合中的类型：线圈、倾斜线圈、磁强计、以及螺线管。

10.如权利要求1所述的工具，其中所述电磁脉冲具有低于100ns的宽度。

11.一种测井方法，包括：

从钻井中的工具发射电磁脉冲；

测量对所述电磁脉冲的自分量和交叉分量响应，所述响应包括一个或多个反射信号；

确定所述反射信号的一个或多个源的方向；以及

将所述方向的表征传达给用户。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述确定进一步包括估计到所述一个或多个源的距离。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个源是由以下构成的集合：套管井、岩层地床边界、以及流体边界。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述工具包括：三个一组不同取向的天线，每个天线进行发射以及接收。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述天线至少近似于电偶极。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述天线至少近似于磁偶极。

17.如权利要求11所述的方法，其中所述电磁脉冲具有低于100ns的宽度。

18.如权利要求11所述的方法，其中所述响应进一步包括直达信号。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括从所述直达信号确定岩层的电阻率。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括从所述直达信号确定所述岩层的相对介电常数。

21.如权利要求11所述的方法，其中所述确定包括寻找正交偶极信号数据张量的特征向量扩展。

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