CN103670379A - 一种利用高频磁力仪随钻边界探测装置及方法 - Google Patents

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刘策
李敬
吴素明
王华平
梁任岳
任威
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Abstract

本发明提供一种利用高频磁力仪随钻边界探测装置及方法，装置包括：圆筒状的工具主体，所述工具主体上部署发射机和接收机，所述发射机为线圈天线，所述接收机为磁力仪，磁力仪灵敏度高，能够独立地测量磁场的每个分量，测量数据精度高且便于后期的信号处理，此外，磁力仪的尺寸比传统线圈天线的尺寸更小，这样就有利于钻井工具上的安装使用。

Description

一种利用高频磁力仪随钻边界探测装置及方法
技术领域
本发明涉及随钻测井技术领域，更具体地，本发明涉及随钻边界探测装置及方法。
背景技术
钻井应用(例如随钻测井(LWD)、随钻测量(MWD)、电缆测井应用等)使用电学测量来确定钻孔周围地层的电学特性是公知的，这些钻井装置测得的电阻率(或者电导率)可以理解为利用各种岩石物理模型(例如Archie’s Law)来确定其中地层和液体的岩石物理特性。例如，高空隙度地层的高电阻率常常预示着烃的存在，如原油和天然气，而高空隙度地层的低电阻率通常是水饱和区。术语电阻率和电导率虽然在意思上相反但是在本领域中经常交替使用，这里提及其中的一个或者另外一个是为了描述方便，而不是有意进行限制。
随钻边界探测装置的探测深度随着测量频率的增加而减小，通常随钻边界探测装置采用的无线电波频率从100千赫兹到几兆赫兹，传统的磁力仪只能用于恒定磁场（如地磁场）或低频磁场的测量，随着科学技术的快速发展，高频磁力仪逐渐成为现实（例如US2008/0106201,US2010/0289491）。
目前，水平井已逐渐成为油田开发的主流井型，它需要钻井工具保持在油层中行进，尽可能实现最大限度的采收率。所以需要一种有效的探测装置和方法进行地层边界测量，现有技术中随钻边界探测装置采用的接收机和发射机均为线圈天线，其灵敏度不高，不能独立地测量磁场的多个分量，测量数据精度低且不便于后期的信号处理，尺寸大不利于钻井工具上的安装使用。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提高随钻边界探测装置中接收机的灵敏度，减小接收机的尺寸，从而提出一种利用高频磁力仪随钻边界探测装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明的提供如下技术方案：
一种利用高频磁力仪随钻边界探测装置，包括：圆筒状的工具主体，所述工具主体上部署发射机和接收机，所述发射机为线圈天线，所述接收机为磁力仪。
上述利用高频磁力仪随钻边界探测装置，所述线圈天线的发射电磁信号极化方向可以与工具主体轴线方向平行。
上述利用高频磁力仪随钻边界探测装置，所述磁力仪接收并测量来自所述发射机的磁场分量。
上述利用高频磁力仪随钻边界探测装置，所述接收机可以为单个磁力仪或者多个磁力仪形成接收机阵列。
上述利用高频磁力仪随钻边界探测装置，所述磁力仪可以工作在静场到频率高达10兆赫兹的频带。
一种利用高频磁力仪随钻边界探测方法，在井眼中布置所述工具主体，所述工具主体上部署发射机和接收机，所述发射机为线圈天线，所述接收机为磁力仪，所述发射机发射电磁信号，所述磁力仪相应地接收并测量磁场分量，通过处理接收的信号获得地层边界信息。
上述利用高频磁力仪随钻边界探测方法，所述发射机发射电磁信号，所述工具主体绕自身轴线旋转一个完整的周期(0-360度)，获取所述磁力仪上感应的x分量电磁信号。
上述利用高频磁力仪随钻边界探测方法，所述x分量电磁信号在所述工具主体绕自身轴线旋转一个完整的周期内成正弦波分布，判定钻井工具附近存在地层边界；所述x分量电磁信号在所述工具主体绕自身轴线旋转一个完整的周期内是一条近似直线，判定钻井工具附近不存在地层边界。
上述利用高频磁力仪随钻边界探测方法，利用所述接收机接收的信号振幅根据接收机接收的信号振幅与边界距离的关系曲线图仿真结果推导出钻井工具与地层边界的距离信息。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，
（1）本发明所述的利用高频磁力仪随钻边界探测装置及方法，采用磁力仪作为随钻边界探测装置的接收机，与传统的线圈天线相比，磁力仪能够独立地测量磁场的每个分量，能简化后续的信号处理程序，并且能够提高数据精度，此外，磁力仪的尺寸比传统线圈天线的尺寸更小，这样就有利于钻井工具上的安装使用。
（2）本发明所述的利用高频磁力仪随钻边界探测装置及方法，随钻探测工具主体上可以部署单个磁力仪作为接收机，也可以部署多个磁力仪形成接收机阵列，部署多个磁力仪形成接收机阵列时能接收到更多可信的地层信息，进一步提高边界的测量精度。
（3）本发明所述的利用高频磁力仪随钻边界探测装置及方法，磁力仪可以工作在静场到频率高达10兆赫兹的频带，一般随钻边界探测装置都采用无线电波(从100千赫兹到几兆赫兹)，所以磁力仪能够满足这一工作频率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明一个实施例的利用高频磁力仪随钻边界探测装置模型500的整体示意图；
图2是本发明一个实施例的利用高频磁力仪随钻边界探测装置模型500中接收机接收的信号振幅与边界探测装置旋转角度的关系曲线图仿真结果；
图3是本发明一个实施例的利用高频磁力仪随钻边界探测装置模型500中接收机接收的信号振幅与边界距离的关系曲线图仿真结果。
图中附图标记表示为：200-工具主体、202-发射机、208-接收机、500-边界探测装置模型、502-地层边界、504-第一地层、506-第二地层、602-存在边界曲线、604-不存在边界曲线。
具体实施方式
图1表示利用高频磁力仪随钻边界探测装置模型500的整体示意图，模型500包括第一地层504、第二地层506和位于第一地层504和第二地层506之间的地层边界502，工具主体200，放入第二地层506中，工具主体200上部署发射机202和接收机208，发射机202为线圈天线，接收机208为磁力仪，一个与工具主体200相关的坐标系(x、y、z)，工具主体200的纵向轴线方向被定义为当前坐标系(x、y、z)的z轴，边界502的表面与z-y平面大致平行，工具主体200放入第二地层506与z轴平行作为最初测量。
发射机202发射电磁信号，工具主体绕自身轴线旋转一个完整的周期(0-360度)，获取所述磁力仪上感应的x分量电磁信号。图2表示接收机接收的磁场x分量的信号振幅与工具主体旋转角度的关系曲线图，正弦波602表示：当第一地层504和第二地层506电阻率不一样并且它们之间有一个边界502的情况下，在随钻测井工具旋转的一个完整周期(0-360度)内，从正x轴的逆时针方向测得的磁力仪上感应的x分量电磁信号，一条近似直线604代表，当第一地层504和第二地层506电阻率大致一样并且它们之间没有地层边界502的情况下(即同类地层)，在随钻测井工具旋转的一个完整周期(0-360度)内，从正x轴的逆时针方向测得的磁力仪上感应的x分量电磁信号。所以，正弦波602的存在可以表明随钻工具附近存在地层边界502，近似直线604的存在表明随钻工具附近不存在地层边界502。
图3表示利用高频磁力仪随钻边界探测装置模型500中接收机208接收的信号振幅与地层边界502距离的关系曲线图仿真结果，钻井工具附近的地层边界位置信息可通过接收机208接收到的x分量或者y分量电磁信号的振幅和相位关系以及通过边界探测工具计算得出的周围地层的电阻率、介电常数以及渗透率来计算，相应地，地层边界502的位置(工具主体200与地层边界502直接距离)可以根据接收机测得的电磁信号的振幅(信号电压)、地层边界502两侧地层的电阻率、介电常数和渗透率的函数推导出来，如下：
d＝f(Vmax,R1,R2,ε1,ε2,μ1,μ2)
其中，d为工具主体200与地层边界502之间的距离；Vmax为接收机测得电磁信号的最大电压；R1和R2分别为地层边界502两侧地层的电阻率；ε1和ε2分别为地层边界502两侧地层的介电常数；μ1和μ2分别为地层边界502两侧地层的渗透率。
若某一地层边界502附近有三个或三个以上地层，上述方程可能要求多个变量，因为整个计算过程会涉及多个电阻率、介电常数和渗透率等信息。
但是，如果电磁信号的频率为低频率，则两个地层的电阻率可以用于决定工具主体200与地层边界502之间的距离，相应地，在低频率下操作时，上述方程可以简化为：
d＝f(Vmax,R1,R2)
可预先针对最高电压和相邻地层电阻率，通过工具主体200在模型500中仿真建立一个关系曲线图如图3所示，接收机208测得的最高电压可以作为输入数据，工具主体200到地层边界502之间的距离则可通过推导得出。
随钻边界探测装置工具主体上可以部署磁力仪作为接收机，也可以部署多个磁力仪形成接收机阵列，这样接收机能接收到更多可信的地层信息，进一步提高地层边界的测量精度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种利用高频磁力仪随钻边界探测装置，其特征在于，包括：圆筒状的工具主体，所述工具主体上部署发射机和接收机，所述发射机为线圈天线，所述接收机为磁力仪。
2.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻边界探测装置，其特征在于，所述线圈天线的发射电磁信号极化方向可以与工具主体轴线方向平行。
3.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻边界探测装置，其特征在于，所述磁力仪接收并测量来自所述发射机的磁场分量。
4.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻边界探测装置，其特征在于，所述接收机可以为单个磁力仪或者多个磁力仪形成接收机阵列。
5.根据权利要求1或4所述的利用高频磁力仪随钻边界探测装置，其特征在于，所述磁力仪可以工作在静场到频率高达10兆赫兹的频带。
6.一种利用高频磁力仪随钻边界探测方法，其特征在于，在井眼中布置所述工具主体，所述工具主体上部署发射机和接收机，所述发射机为线圈天线，所述接收机为磁力仪，所述发射机发射电磁信号，所述磁力仪相应地接收并测量磁场分量，通过处理接收的信号获得地层边界信息。
7.根据权利要求6所述的利用高频磁力仪随钻边界探测方法，其特征在于，所述发射机发射电磁信号，所述工具主体绕自身轴线旋转一个完整的周期(0-360度)，获取所述磁力仪上感应的x分量电磁信号。
8.根据权利要求6或7所述的利用高频磁力仪随钻边界探测方法，其特征在于，所述x分量电磁信号在所述工具主体绕自身轴线旋转一个完整的周期内成正弦波分布，判定钻井工具附近存在地层边界；所述x分量电磁信号在所述工具主体绕自身轴线旋转一个完整的周期内是一条近似直线，判定钻井工具附近不存在地层边界。
9.根据权利要求6所述的利用高频磁力仪随钻边界探测方法，其特征在于，利用所述接收机接收的信号振幅根据接收机接收的信号振幅与边界距离的关系曲线图仿真结果推导出钻井工具与地层边界的距离信息。
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