CN103670389A - 一种地层界面探测的电扫描方法和装置 - Google Patents

Abstract

现有的井下地层界面探测工具需要绕轴线转动工具壳体以测量和记录井眼周围的地层信号，通过对测到的地层信号的计算处理得出地层界面的方位和距离。但有时需要在工具壳体静止的情况下探测地层界面信息。本发明提出了一种地层界面探测的电扫描方法和装置实现了在静止工具壳体上探测出地层边界的方位和距离的目的。

Description

一种地层界面探测的电扫描方法和装置

技术领域

本发明涉及油井中的电测油井法。具体地说涉及一种地层界面探测的电扫描方法和装置。

背景技术

采集井下信息通常使用电气测量方法，如随钻测井（“LWD”）、随钻测量（“MWD”）和电缆测井系统。在石油业众所周知，这些技术早已用来获取井下信息，例如，采用地层电阻率（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）和介电常数等确定地层的岩石物理性质以及所含的液体。收集到的井下信息可以帮助描述多孔地层里烃（如原油或天然气）以及反映其它情况，用以识别不同地层之间的地层界面。因此，最好保持钻头在产油层（含烃层）里钻进，以尽可能实现最大限度的采收率。

随钻测井、随钻测量和电缆测井系统中可以采用各种测量工具。其中，一种工具为电阻率测量工具。如图1所示的相关技术中的电阻率测量工具示意图，它包括钻柱100、一对发射机T1和T2，用于向周围地层发射电磁信号；一对接收机R1和R2，用于接收来自发射机T1和T2的电磁信号和在钻柱100远端近钻头的信号。相对于发射机T2，T1更接近接收机R1和R2。

在图1中，钻柱100旋转并在第一地层102间移动，移向第一地层102和第二地层104之间的地层界面106。当钻柱100接近地层界面106时，来自发射机T2的电磁信号108开始穿透地层界面106，通过第二地层104，然后由接收机R1和R2接收。然而，与此同时，来自发射机T1的电磁信号110只能通过第一地层102，然后由远处的接收机R1和R2接收。因此，发射机T1测得的电阻率数据不同于发射机T2测量的电阻率数据，该测量的电阻率的差异即可表明存在地层界面106。

为将电阻率测量工具固定在产油层里，电阻率测量工具的操作不仅需要地层边界的位置信息，还需要其方向信息。图1所示的电阻率测量工具，无法确定地层界面106相对于钻柱100的方向。因此，“定向”电阻率测量工具应运而生。定向电阻率测量工具可以在旋转的同时，在不同的方位角收集信息。如图2所示的被分为多个面元（或区域）的井眼示意图，其中，将一个井眼分为多个面元（或领域）200～230。传统上，面元的数量为16或32。地层边界的位置和方向可以根据每个面元测量得出电阻率之间的关系结果来计算得出。然而，该定向电阻率测量工具在进行机械旋转时也会有一些缺点。例如，定向电阻率测量工具的振动会明显影响测量数据的精度。此外，机械旋转速度受物理环境限制。

针对上述问题，相关技术中已采取了一些避免振动的措施，比如将定向电阻率测量工具逐一固定在每个面元，进行该面元的测量。该方法虽然可以解决上述振动问题，但却会明显延长数据测量的处理过程。

如上所述，上述定向电阻率测量工具存在以下不足：机械旋转引起的振动或摇晃，降低了数据测量的精确度，固定位置的测量方式又降低了测量的效率；可见目前的定向电阻率测量工具无法满足实际工作的需求。

针对在上述定向电阻率测量工具无法满足实际工作需要的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于定向电阻率测量工具无法满足实际工作需要的问题。从而提出一种地层界面探测的电扫描方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种地层界面探测的电扫描方法，包括：

在井眼中部署一个柱状的工具壳体；在工具壳体上部署有第一发射机、第二发射机和接收机；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；

调制第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩；使得第一发射机与第二发射机同时发射信号时，电磁信号的总磁矩矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描；

利用接收机接收和测量来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号，并基于接收机接收到和测量到的电磁信号的振幅和相位计算地层界面的方向和位置。

所述第一发射机、第二发射机和接收机在方向上相互垂直。

所述接收机的方向平行于所述工具壳体的纵向轴线。

所述由第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩根据方程 $\left\{\begin{array}{c}m1=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\\ m2=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\end{array}\right.,$

进行调制，其中，m1和m2分别为作用在第一发射机和第二发射机的磁矩，m0为磁矩的量级，Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率，t为电扫描开始后的持续时间。

所述角频率可调整。

进一步包括：测量在不同电扫描角度下来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号。

进一步包括：建立换算表，通过该换算表方便根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向。

进一步包括：检索与工具壳体耦合的测井工具的地层电阻率信号。

一步包括：建立换算表，通过该换算表方便根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向以及从测井工具中检索到的地层电阻率来计算地层界面的位置和方向。

一种地层界面探测的电扫描装置，包括：

柱状的工具壳体；

第一发射机，部署在所述工具壳体，沿着第一方向；

第二发射机，部署在所述工具壳体，沿着第二方向；

其中，所述第一发射机和所述第二发射机发射电磁信号，其磁矩具有可调制性，使得电磁信号总磁矩的矢量在所述第一发射机和所述第二发射机同时发射时能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；

接收机，部署在所述工具壳体，平行于所述工具壳体的纵向轴线；

其中，所述接收机接收和测量所述第一发射机和所述第二发射机发出的调制电磁信号，得出所述调制电磁信号的振幅和相位，并根据所述电磁信号的振幅和相位计算地层界面方向和位置。

工具壳体是一个钻杆或钻柱。

所述第一发射机与所述第二发射机并置排列或在所述第二发射机轴向距离处。

所述第一发射机、第二发射机和接收机都至少有一天线。

述第一发射机的第一方向垂直于所述第二发射机的第二方向。

所述接收机的方向垂直于所述第一发射机的第一方向和所述第二发射机的第二方向。

所述由第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩根据方程 $\left\{\begin{array}{c}m1=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\\ m2=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\end{array}\right.,$

进行调制，其中，m1和m2分别为作用在第一发射机和第二发射机的磁矩，m0为磁矩的量级，Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率，t为电扫描开始后的持续时间。

所述第一发射机和所述第二发射机包括：发射机电路，用于调制待发出的电磁信号。

所述接收机包括：接收机电路，用于处理接收到的电磁信号和分析所述电磁信号的振幅和相位。

所述接收机电路与一个处理器耦合，所述处理器用于协助计算地层界面的位置和方向。

所述处理器与一个储存设备耦合，所述储存设备用于储存换算表，以使所述接收机根据所述换算表、测量得出的所述振幅和相位计算地层界面方向和位置。

一种地层界面探测的电扫描装置，包括：

柱状的工具壳体；

第一发射机，部署在所述工具壳体；

第二发射机，部署在所述工具壳体，并垂直于所述第一发射机；

所述第一发射机和所述第二发射机发射电磁信号，其磁矩具有可调制性，使得第一发射机和所述第二发射机同时发射电磁信号时，电磁信号总磁矩的矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描,第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；

接收机，部署在所述工具壳体，并平行于所述工具壳体的纵向轴线；

其中，所述接收机接收和测量所述第一发射机和所述第二发射机发出的调制电磁信号，得出所述调制电磁信号的振幅和相位，并根据所述电磁信号的振幅和相位计算地层界面方向和位置。

所述装置还包括测井工具，用于测量地层电阻率。

所述接收机还包括一个换算表，用于将所述接收机测量得到的所述电磁信号的振幅和相位，以及所述测井工具测得的地层电阻率转换为地层界面的位置和方向。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

根据本发明实施例，通过部署有第一发射机、第二发射机和接收机的工具壳体检测地层界面的方向和位置，避免了机械旋转引起的振动或摇晃，提升了数据测量的精确度，并保证了测量的效率，因此解决了定向电阻率测量工具无法满足实际工作需求的问题，提升了设备的实用性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的常用电阻率的测量工具的示意图；

图2是根据相关技术的分为多个面元（或扇形区）用于测井的井眼示意图；

图3A是根据本发明实施例的采用定向电阻率测量工具的正面视图；

图3B是根据本发明实施例的为x-y平面上一对x-发射机和一对y-发射机的总磁矩

的示意图；

图3C是根据本发明实施例的图3A中的定向电阻率测量工具的示意图（部分用方框图表示）；

图4A是根据本发明实施例的应用电扫描技术实现定向测量的示意图；

图4B是根据本发明实施例的边界条件下，图4A的三维图的透视图；

图4C是根据本发明实施例的其它边界条件下，图4A的三维图的透视图；

图5A是根据本发明实施例的信号振幅对比电扫描角度的数据图的建模结果示意图；

图5B是根据本发明实施例的单一相位对比电扫描角度的数据图的建模结果示意图；

图6A是根据本发明实施例的信号振幅对比电扫描角度的数据图的建模结果示意图；

图6B是根据本发明实施例的单一相位对比电扫描角度的数据图的建模结果示意图；

图7是根据本发明实施例的相对信号振幅对比边界距离的数据图的建模结果；

图8是根据本发明实施例的地层界面探测的电扫描方法的流程图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图3A为本发明实施例中定向电阻率测量工具的前视图。定向电阻率测量工具可以包括工具壳体300，两个带x向和y向轴的发射机：一个x-发射机304和y-发射机302，带Z向轴的接收机：一个z-接收机306，和在远端的工具壳体300的钻头112。一个与工具壳体300相关的坐标系统（x、y、z）。工具壳体300的纵向轴线的方向被定义为当前坐标系（x、y、z）的Z轴。x-发射机304、y-发射机302和z-接收机306可以包括一个或多个天线，用于发射或接收电磁信号。x-发射机304可以与y-发射机302并置排列，或位于y-发射机302的轴向距离处。两个发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向。

在其中一个实施例中，工具壳体300为钻杆或钻柱。

在其中一个实施例中，上述发射机方向可变即可调整。

在本发明实施例中，不需要以任何方法限制任何发射机和接收机的具体数量、方向或形状。

为进行定向测量，工具壳体300可不进行机械旋转，而利用电扫描技术保持当前状态，在电的驱动下扫描x-发射机304和y-发射机302的总磁矩的极化，模仿工具壳体300的机械旋转效果。电扫描技术可以从x-发射机304和y-发射机302同时发射出来的调制电磁信号开始。电磁信号的总磁矩矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描。调制电磁信号的磁矩可以通过以下方程（1）表示。

$\left\{\begin{array}{c}m1=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\\ m2=m0\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，mx和my分别为作用于x-发射机304和y-发射机302的磁矩；m0为磁矩的量级；Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率；t为电扫描开始后的时间。

根据方程（1）中的调制，x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

可以用下方方程（2）表示。

$\stackrel{\→}{M}=\hat{x}m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)+\hat{y}m0\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)---\left(2\right)$

其中和

表示x-向和y-向的单位矢量。

图3B为x-y平面上基于图3A所示图的x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

的示意图。x-发射机304和y-发射机302的总磁矩形成电扫描矢量308。为逆时针方向时测得的电扫描矢量308与正向x-轴之间的角度。

可以与时间函数Ωt相同，从而模仿常规电阻率测量工具的机械旋转过程。因此，整个测量的周期为2πΩ。调制电磁信号磁矩的电扫描的角频率Ω可以与常规电阻率测量工具的机械旋转速度振幅相同。此外，调制电磁信号磁矩的电扫描的角频率也可以更快，因为电扫描不受机械旋转的物理限制。根据上述方程(2)，逆时针方向时测得的与正向x-轴之间的角度的总磁矩

可用以下方程（3）至方程（11）表示。时间为t=0至2π。从正向x-轴开始，0至2π之间的完整旋转周期可以划分为4个扇形区：第一扇形区310、第二扇形区312、第三扇形区314和第四扇形区316。

在t＝0时， $\stackrel{\→}{M}=\hat{x}m0---\left(3\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

沿正向x-轴形成电扫描矢量308。

在t＝π/(4Ω)时， $\stackrel{\→}{M}=(\hat{x}+\hat{y})m0/\sqrt{2}---\left(4\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

形成电扫描矢量308，与正向x-轴之间的逆时针角度为45度。

在t＝π/(2Ω)时， $\stackrel{\→}{M}=\hat{y}m0---\left(5\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

沿正向y-轴形成电扫描矢量308。

在t＝3π/(4Ω)时， $\stackrel{\→}{M}=(-\hat{x}+\hat{y})m0/\sqrt{2}---\left(6\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

形成电扫描矢量308，与正向x-轴之间的逆时针角度为135度。

在t＝π/(Ω)时， $\stackrel{\→}{M}=-\hat{y}m0---\left(7\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

沿负x-轴形成电扫描矢量308。

在t＝5π/(4Ω)时， $\stackrel{\→}{M}=\hat{x}m0\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)+\hat{y}m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)---\left(8\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

形成电扫描矢量308，与负x-轴之间的逆时针角度为225度。

在t＝3π/(2Ω)时， $\stackrel{\→}{M}=-\hat{y}m0---\left(9\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

沿负y-轴形成电扫描矢量308。

在t＝7π/(4Ω)时， $\stackrel{\→}{M}=(\hat{x}-\hat{y})m0/\sqrt{2}---\left(10\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

形成电扫描矢量308，与负x-轴之间的逆时针角度为315度。

在t＝2π/(Ω)时， $\stackrel{\→}{M}=\hat{x}m0---\left(11\right)$

x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

电扫描矢量为308，背对负x-轴方向，与开始旋转时的电扫描矢量308相同。因此方程(3)等同于方程(11)。

在其中一个实施例中，使用电扫描技术的同时工具壳体300仍能进行机械旋转。

图3C为图3A的定向电阻率测量工具的示意图，部分为方块图。x-发射机304和y-发射机302可包括一个发射机电路318，用于调制通过x-发射机304和y-发射机302发射出来的电磁信号。z-接收机306可以包括一个接收机电路320，用以处理z-接收机306通过天线，从x-发射机304和y-发射机302处收到的电磁信号和分析这些电磁信号的振幅和相位。

在其中一个实施例中，接收机电路320可以与处理器322耦合起来，用于协助处理和分析接收到的电磁信号振幅和相位，并计算工具壳体300附近地层界面的方向和位置。

在其中一个实施例中，发射机电路318可与处理器322耦合。

在其中一个实施例中，工具壳体300可以与一个或多个测井工具耦合(图3A或3C中未显示)，用于测量周围地层的电阻率、介电常数以及渗透率。工具壳体300附近的地层界面的位置也可通过z-接收机306接收到的电磁信号的振幅和相位关系以及通过测井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，地层界面(工具壳体300与地层界面直接的距离)的位置可推导出来，作为测得的电磁信号的振幅（信号电压），以及一个地层界面的两个地层之间的电阻率、介电常数和渗透率的函数，如下方方程(12)。

d＝f(Vmax,R1,R2,ε1,ε2,μ1,μ2)  (12)

其中，d为工具壳体300与地层界面之间的距离；Vmax为测得电磁信号的最大电压；R1和R2分别为地层界面两侧地层的电阻率；ε1和ε2分别为地层界面两侧地层的介电常数；μ1和μ2分别为地层界面两侧地层的渗透率。

若某一地层界面附近有三个或三个以上地层，由方程（12）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主要用于决定工具壳体300与地层界面之间的距离。相应地，在低频率下操作时，方程（12）应变为下面的方程（13）。

d＝f(Vmax,R1,R2)  (13)

在其中一个实施例中，周围地层的电阻率、介电常数和渗透率的相关信息可通过安置在工具壳体300上的其它多层电阻率测量工具获取。

在其中一个实施例中，处理器322可与储存设备324耦合，用以储存一个或多个预制的换算表。换算表可为多维查看表，表中的数据是使用相关电磁正演模拟软件预先计算得出。预制换算表的方式可节省根据测得的电磁信号振幅和相位的原始数据来实际“计算”地层界面的位置和方向的时间，该换算过程可使用插补和/或外推算法。

预制的换算表可以包括：（1）第一个表格，用于将测得的电磁信号振幅和相位转换为相应的附近地层界面的方向和位置信息；（2）第二个表格，用于将测得的电磁信号振幅和地层电阻率、地层介电常数和地层渗透率转换为附近地层界面的位置信息；以及（3）第三个表格，用于将测得的电磁信号的振幅和地层电阻率信息转换为附近地层界面的位置信息。

本发明实施例并不局限于上述换算表的一种形式，根据实际需要，该换算表可以是其它形式，例如，可以上述三个表格中的一个或多个的组合。

下面以图4A所示的示范性模型400为例，说明定向测量可以通过电扫描技术实现。该模型400包括第一地层404、第二地层406和位于第一地层404和第二地层406之间的边界402。边界402的表面可以大体上与z-y平面平行。在本发明的其中一个实施例中，z-向的带纵向轴向的定向电阻率测量工具可放入第二地层406，进行首次测量。x-发射机304和y-发射机302发射出来的电磁信号可以通过方程（1）进行调制。

图4B和图4C为两种边界条件下图4A的三维图的透视图。在图4B中，x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

的电扫描矢量308大体上平行于边界402的表面，与负y-轴的方向相同。根据电磁理论，x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

可诱使（引起）电流分量408在边界402上沿着工具壳体300的纵向（z-向）流动。然后，诱发产生沿着工具壳体300的纵向（z-向）流动的电流分量可产生二级磁场410，其轴线平行于z-接收机306的轴线。因此，z-接收机306上诱导产生的电磁信号强度将实现最小化。

在图4C中，x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

的电扫描矢量308大体上垂直于边界402的表面，并与正x-轴的方向相同。根据电磁理论，x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

可诱导电流分量408在边界402上沿垂直于工具壳体300的纵向（z-向）流动。然后，诱发产生沿着垂直于工具壳体300的纵向（z-向）方向流动的电流分量产生二级磁场410，垂直于z-接收机306的表面。因此，z-接收机306上诱导产生的电磁信号强度将实现最小化。

图5A为本发明的其中一个实施例中，基于图4A所示的示范性模型400的信号振幅对比电扫描角度的数据图的建模结果。带正弦波绝对值的波形500表示当第一地层404和第二地层406不同时，且二者之间存在有边界402时，在整个电扫描的完整周期内（0-360度），沿着正x-轴的逆时针方向，在各个不同角度测得的z-接收机306上诱导产生的电磁信号的振幅。几近直线502表示当第一地层404和第二地层406大体上相同时，且二者之间不存在有边界402时（均质地形），在整个电扫描的完整周期内（0-360度），沿着正x-轴的逆时针方向，在各个不同角度测得的z-接收机306上诱导产生的电磁信号的振幅。因此，存在带正弦波绝对值的波形500表示存在边界402。

此外，图5A为基于图3A所示图的x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

的电扫描矢量308处于0度、180度或者360度时的最大信号振幅。根据图4C中的边界条件，当x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

的电扫描矢量308大体上垂直于边界402边界时，可诱发产生最大电磁信号振幅。图5A表示当x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

的电扫描矢量308位于90度和270度时，可诱发产生最小信号振幅。根据图4B中的其它边界条件，当x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

的电扫描矢量308大体上平行于边界402边界时，可诱发产生最小电磁信号振幅。

根据图5A中的数据以及图4B和4C中的两个边界条件，可以得出以下结论：边界402的方向可通过已知的x-发射机304和y-发射机总磁矩

电扫描矢量308以及该矢量与边界402之间的关系信息推导得出。比如，边界402表面大体上位于z-y平面可以通过当总磁矩

电扫描矢量308平行于边界402时，沿正x-轴逆时针方向，在90度或270度时z-接收机306上产生的最大电磁信号振幅来判断。当然，这一结果也可通过已知的x-发射机304和y-发射机总磁矩

电扫描矢量308以及该矢量与边界402之间的关系信息推导得出。比如，边界402表面大体上位于z-y平面可以通过当总磁矩

电扫描矢量308垂直于边界402时，沿正x-轴逆时针方向，在0度、180度或360度时z-接收机306上产生的最小电磁信号振幅来判断。如果边界402大体上并未在z-y平面上，则在整个电扫描（0-360度）周期期间，在各个不同角度下，沿正-x轴的逆时针方向测得的z-接收机306的电磁信号振幅将不同于图5A中带正弦波绝对值的波形500。

图5B为本发明的其中一个实施例中，基于图4A所示的示范性模型400的信号相位对比电扫描角度的数据图的建模结果。曲线504，类似于正弦波，表示当第一地层404和第二地层406不同时，且二者之间存在有边界402时，在整个电扫描的完整周期内（0-360度），沿着正x-轴的逆时针方向，在各个不同角度测得的z-接收机306上诱导产生的电磁信号的相位。当x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

的电扫描矢量308落在图2B中的区域310(0～90度)和区域316(270～360度)时，信号相位值为正值。当x-发射机304和y-发射机302的总磁矩的电扫描矢量308落在图2B中的区域312(90～180度)和区域314(180～270度)时，信号相位值为负值。如果边界402大体上并未在z-y平面上，则在整个电扫描（0-360度）周期期间，在各个不同角度下，沿正-x轴的逆时针方向测得的z-接收机306的电磁信号振幅将不同于图5B中曲线504。

总之，边界402的方向可通过信号振幅和信号相位与电扫描的角度之比值确定。

在其中一个实施例中，x-发射机304和y-发射机302发射出来的电磁信号可以通过其它方式调制。调制电磁信号相应的磁矩可用下方的方程(14)来表达。

$\left\{\begin{array}{c}m1=m0\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)\\ m2=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中，mx和my为作用于x-发射机304和y-发射机302的磁矩；m0为磁矩的量级；Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率；t为电扫描开始后的时间。

根据方程（14）中的调制，x-发射机304和y-发射机302的总磁矩

可以用如下方程（15）表示。

$\stackrel{\→}{M}=\hat{x}m0\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)+\hat{y}m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)---\left(15\right)$

其中，和

表示x-向和y-向的单位矢量。

相应地，基于图4A所示的示范性模型400，图6A中的信号振幅对比电扫描角度的数据图的建模结果以及图6B中的信号相位对比电扫描角度的数据图的建模结果将不同于图5A和图5B的数据，即在相同模型400（该模型中z-y平面上有相同的边界402）中对电阻率测量工具的方向进行了测试。

在任何时候，本发明都不仅限于任何个别功能或者任何调制电磁信号的方程。

图7为本发明的其中一个实施例中，基于图4A所示的示范性模型400的相对信号振幅对比电扫描角度的数据图的建模结果。图7为z-接收机306诱导产生，与边界402的位置相关电磁信号振幅。工具壳体300越靠近边界402，信号振幅越强。

总之，边界402的位置可根据z-接收机306上诱导产生的电磁信号振幅与电扫描角度的比值进行判断。

在其中一个实施例中，边界402的位置也可通过信号振幅和已知地层电阻率、介电常数和渗透率之间的关系进行计算。

图8为一种地层界面探测的电扫描方法的流程图。开展地层界面探测的电扫描方法包括：

步骤S800，将工具壳体置入井眼中；工具壳体配上一台第一发射机、一台第二发射机和一台接收机，所有机器方向各不相同；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向。

步骤S802，调制第一发射机和第二发射机的电磁信号的磁矩。

步骤S804，使得第一发射机和第二发射机同时发射信号时，电磁信号的总磁矩矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描。

步骤S806，利用接收机接收和测量来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号。

其中，第一发射机和第二发射机发出的调制电磁信号的总磁矩在发射过程中会进行电扫描，可使用接收机接收和测量第一发射机和第二发射机发出的调制电磁信号；

步骤S808，根据接收机收到和测得的振幅和相位来计算地层界面的方向和位置。

在其中一个实施例中，第一发射机、第二发射机和接收机的方向上相互垂直。

在其中一个实施例中，接收机的方向上平行于工具壳体的纵向轴线。

在其中一个实施例中，上述地层界面探测的方法还包括：根据方程 $\left\{\begin{array}{c}m1=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\\ m2=m0\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)\end{array}\right.$ 来调制第一和第二发射机发出的电磁信号的磁矩；其中，m1和m2分别为作用于第一发射机和第二发射机的磁矩；m0为磁矩的量级；Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率；t为电扫描开始后的时间。

在其中一个实施例中，上述角频率可调整。

在其中一个实施例中，上述地层界面探测的方法还可以包括：测量在不同电扫描角度（不同的面元或扇形区）下，来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号。

在其中一个实施例中，上述地层界面探测的方法还可以包括：建立换算表，依据该换算表加速根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向这一过程。

在其中一个实施例中，进行地层界面探测的方法还包括：检索与工具壳体耦合的测井工具的地层电阻率信号。基于此，在其它实施例中，进行地层界面探测的方法还可以包括：建立换算表；依据该换算表，并根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位以及从测井工具中检索到的地层电阻率来计算地层界面的位置和方向这一过程。

在其中一个实施例中，发射过程中，调制电磁信号总磁矩的矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描。在其它实施例中，进行地层界面探测的方法还包括：测量不同电扫描角度下，来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号。

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8中的任何特殊步骤。

上述方法的实现地层界面探测的电扫描方法装置可以采用以下结构之一：

柱状的工具壳体，安置在工具壳体的第一发射机（沿第一方向）、安置在工具壳体的第二发射机（沿第二方向）以及安置在该工具壳体的接收机（方向与工具壳体的纵向轴线大致平行）。该第一发射机的第一方向与第二发射机的第二方向不同，例如：二者为垂直关系。第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向。

柱状的工具壳体，安置在工具壳体的第一发射机、安置在工具壳体的第二发射机（大致上垂直于第一发射机）以及安置在工具壳体的接收机（方向与工具壳体的纵向轴线大致平行）。

上述工具壳体可以为钻柱或钻杆。

其中，上述第一发射机和第二发射机可发射电磁信号，其磁矩可进行调制，使得电磁信号总磁矩的矢量都会在电的驱动下旋转，使得第一发射机和第二发射机同时发射信号时，电磁信号的总磁矩矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描。

其中，上述接收机接收和测量第一发射机和第二发射机发出的调制电磁信号，并根据测得的电磁信号的振幅和相位计算地层界面的方向和位置。

上述第一发射机可以与第二发射机并置排列，或位于第二发射机轴向距离处。

上述第一发射机、第二发射机和接收机可以包括至少一条天线。

在其中一个实施例中，接收机的方向与第一发射机的第一方向和第二发射机的第二方向垂直。

上述第一和第二发射机可以包括一个发射机电路，用于调制待发出的电磁信号。

上述接收机可以包括一个接收机电路，通过部署后可处理接收到的电磁信号并分析其振幅和相位。

上述接收机可以与一个处理器耦合在一起，用于协助计算地层界面的方向和位置。该处理器可以与一个储存设备耦合在一起，用于储存换算表，加速根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位计算地层界面的位置和方向的过程。

在上述装置还包括测井工具，用于测量地层电阻率。

上述接收机可以包括：一个转换表，用于转换接收机测得的电磁信号振幅信息，以及测井工具在地层界面的方向和位置上测得的地层电阻率。

本发明已通过具体实施例予以说明，包括细节，方便了解本发明的施工和操作原理。这样针对具体实施例的参考文本和详细信息并不限制所附要求的范围。当然，仅能聘请本领域内的技术人员在本实施例中进行其他各种修改，用以说明，同时不得背离要求中定义的本发明的精神和范围。

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，并且在其中一个情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，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。

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 (23)

1.一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，包括：

在井眼中部署一个柱状的工具壳体；在工具壳体上部署有第一发射机、第二发射机和接收机；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；

调制第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩；使得第一发射机与第二发射机同时发射信号时，电磁信号的总磁矩矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描；

利用接收机接收和测量来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号，并基于接收机接收到和测量到的电磁信号的振幅和相位计算地层界面的方向和位置。

2.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，所述第一发射机、第二发射机和接收机在方向上相互垂直。

3.根据权利要求2所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，所述接收机的方向平行于所述工具壳体的纵向轴线。

4.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，所述由第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩根据方程 $\left\{\begin{array}{c}m1=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\\ m2=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\end{array}\right.,$

进行调制，其中，m1和m2分别为作用在第一发射机和第二发射机的磁矩，m0为磁矩的量级，Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率，t为电扫描开始后的持续时间。

5.根据权利要求4所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，所述角频率可调整。

6.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，进一步包括：测量在不同电扫描角度下来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号。

7.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，进一步包括：建立换算表，通过该换算表方便根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向。

8.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，进一步包括：检索与工具壳体耦合的测井工具的地层电阻率信号。

9.根据权利要求8所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，进一步包括：建立换算表，通过该换算表方便根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向以及从测井工具中检索到的地层电阻率来计算地层界面的位置和方向。

10.一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，包括：

柱状的工具壳体；

第一发射机，部署在所述工具壳体，沿着第一方向；

第二发射机，部署在所述工具壳体，沿着第二方向；

其中，所述第一发射机和所述第二发射机发射电磁信号，其磁矩具有可调制性，使得电磁信号总磁矩的矢量在所述第一发射机和所述第二发射机同时发射时能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；

接收机，部署在所述工具壳体，平行于所述工具壳体的纵向轴线；

其中，所述接收机接收和测量所述第一发射机和所述第二发射机发出的调制电磁信号，得出所述调制电磁信号的振幅和相位，并根据所述电磁信号的振幅和相位计算地层界面方向和位置。

11.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，工具壳体是一个钻杆或钻柱。

12.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述第一发射机与所述第二发射机并置排列或在所述第二发射机轴向距离处。

13.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述第一发射机、第二发射机和接收机都至少有一天线。

14.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述第一发射机的第一方向垂直于所述第二发射机的第二方向。

15.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述接收机的方向垂直于所述第一发射机的第一方向和所述第二发射机的第二方向。

16.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述由第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩根据方程 $\left\{\begin{array}{c}m1=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\\ m2=m0\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)\end{array}\right.,$

进行调制，其中，m1和m2分别为作用在第一发射机和第二发射机的磁矩，m0为磁矩的量级，Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率，t为电扫描开始后的持续时间。

17.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述第一发射机和所述第二发射机包括：发射机电路，用于调制待发出的电磁信号。

18.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述接收机包括：接收机电路，用于处理接收到的电磁信号和分析所述电磁信号的振幅和相位。

19.根据权利要求18所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述接收机电路与一个处理器耦合，所述处理器用于协助计算地层界面的位置和方向。

20.根据权利要求19所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述处理器与一个储存设备耦合，所述储存设备用于储存换算表，以使所述接收机根据所述换算表、测量得出的所述振幅和相位计算地层界面方向和位置。

21.一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，包括：

柱状的工具壳体；

第一发射机，部署在所述工具壳体；

第二发射机，部署在所述工具壳体，并垂直于所述第一发射机；

所述第一发射机和所述第二发射机发射电磁信号，其磁矩具有可调制性，使得第一发射机和所述第二发射机同时发射电磁信号时，电磁信号总磁矩的矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描,第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；

接收机，部署在所述工具壳体，并平行于所述工具壳体的纵向轴线；

其中，所述接收机接收和测量所述第一发射机和所述第二发射机发出的调制电磁信号，得出所述调制电磁信号的振幅和相位，并根据所述电磁信号的振幅和相位计算地层界面方向和位置。

22.根据权利要求21所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述装置还包括测井工具，用于测量地层电阻率。

23.根据权利要求22所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述接收机还包括一个换算表，用于将所述接收机测量得到的所述电磁信号的振幅和相位，以及所述测井工具测得的地层电阻率转换为地层界面的位置和方向。

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