CN103675925B - 一种利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置及方法，装置包括：圆筒状的工具主体，所述工具主体上部署第一发射机和第二发射机、第一接收机和第二接收机，所述第一接收机和所述第二接收机分别为磁力仪，所述第一发射机和所述第二发射机分别为线圈天线，所述磁力仪相应地接收并测量来自所述发射机的磁场分量，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电阻率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及随钻电阻率测量技术领域，更具体地，本发明涉及随钻电阻率测量装置及方法。

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。

传统地，一个传播电阻率测量装置需要至少一对接收机和一对发射机，发射机发出电磁能到钻孔周围地层，从地层返回到井孔的能量被两个接收机记录下来，通过处理接收的信号可以获得信号从第一接收机传播到第二接收机时的相位差和信号衰减，再通过逆运算可以得出钻孔周围的地层电阻率。两个接收机之间的相位差和信号衰减与波的频率成正比。另一方面，测量装置的探测深度随着测量频率的增加而减小，所以传播电阻率测量装置所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,US 2010/0289491)。

现有专利申请CN102460219公开了一种具有非对称天线间距的钻井补偿的电阻率测井工具，该工具包括第一和第二补偿发射机，其优选地部署成在第一和第二间隔的接收机之间轴向对称，还包括多个发射机，其部署成关于所述接收机轴向非对称，所述补偿发射机构成可获得钻井补偿，其可以从常规相位和衰减测量值中被减去，最后能得到补偿后的相位和衰减值，再通过逆运算就能得到测得的地层电阻率。但是现有技术中无论接收机还是发射机均采用线圈天线，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，尺寸大不利于在钻井工具上安装使用。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提高电阻率测量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电阻率测量装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置，包括：圆筒状的工具主体，所述工具主体上部署第一发射机和第二发射机、第一接收机和第二接收机，所述第一接收机和所述第二接收机分别为磁力仪，所述第一发射机和所述第二发射机分别为线圈天线，所述磁力仪相应地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电阻率测量装置，所述第一发射机和所述第二发射机相对于所述第一接收机和所述第二接收机的中点对称部署。

上述利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置，所述第一接收机和所述第二接收机分别含有单个磁力仪或者分别含有多个磁力仪。

上述利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置，所述磁力仪可以工作在静场到频率高达10兆赫兹的频带。

上述利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置，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。

一种利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，在井眼中布置所述工具主体，所述工具主体上部署第一发射机和第二发射机、第一接收机和第二接收机，所述第一发射机和所述第二发射机为线圈天线，所述第一接收机和所述第二接收机分别为磁力仪，所述磁力仪相应地接收并测量来自所述发射机的磁场分量，通过处理接收的信号，可以获得所述第一接收机和第二接收机之间的相位差和信号衰减，再通过逆运算就可以得到钻孔周围地层的电阻率。

上述利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，包括步骤：

S1所述第一发射机向地层发射电磁信号；

S2所述第一接收机和所述第二接收机相应地接收并测量信号相位和信号量级；

S3通过S2中测得的信号相位和信号量级计算第一发射机发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机之间的相位差Δφ_T1和信号衰减Att_T1；

S4所述第二发射机向地层发射电磁信号；

S5所述第一接收机和所述第二接收机相应地接收并测量信号相位和信号量级；

S6通过S5中测得的信号相位和信号量级计算第二发射机发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机之间的相位差和信号衰减Att_T2；

S7通过S3和S6中的相位差和信号衰减推导出补偿了误差的相位差和补偿了误差的信号衰减Att_c；

S8利用所述补偿了误差的相位差根据相位差和电阻率关系曲线图求出地层电阻率或者利用所述补偿了误差的信号衰减Att_c根据信号衰减和电阻率关系曲线图求出地层电阻率。

上述利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，S3中所述的相位差Δφ_T1和信号衰减Att_T1根据以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{T1}=({\mathrm{\φ}}_{R2}^{T1}-{\mathrm{\φ}}_{R1}^{T1})$

${\mathrm{Att}}_{T1}=20\log (A_{R2}^{T1}/A_{R1}^{T1})$

其中，Δφ_T1表示所述第一发射机发射时所述第一接收机和所述第二接收机之间的相位差和是所述第一发射机向地层发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机各自测得的信号相位，Att_T1表示所述第一发射机发射时所述第一接收机和所述第二接收机之间的信号衰减，和是所述第一发射机向地层发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机各自测得的信号量级。

上述利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，S6中所述的相位差和信号衰减Att_T2根据以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{T2}=({\mathrm{\φ}}_{R1}^{T2}-{\mathrm{\φ}}_{R2}^{T2})$

${\mathrm{Att}}_{T2}=20\log (A_{R1}^{T2}/A_{R2}^{T2})$

其中，表示所述第二发射机发射时所述第一接收机和所述第二接收机之间的相位差和是所述第二发射机向地层发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机各自测得的信号相位，Att_T2表示所述第二发射机发射时所述第一接收机和所述第二接收机之间的信号衰减，和是所述第二发射机向地层发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机各自测得的信号量级。

上述利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，S8所述的补偿了误差的相位差和补偿了误差的信号衰减Att_c根据以下公式计算：

${\mathrm{Att}}_c=\frac{{\mathrm{Att}}_{T1}+{\mathrm{Att}}_{T2}}{2}.$

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电阻率测量装置及方法，采用磁力仪作为电阻率测量装置的接收机，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，这样就有利于在钻井工具上安装使用。

（2）本发明所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置及方法，两个发射机相对于两个接收机的中点对称部署，这样的结构能利用井眼补偿方法，得到补偿了误差的相位差和信号衰减，进而提高电阻率测量的精度。

（3）本发明所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置及方法，电阻率测量工具主体上可以部署两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，进一步提高电阻率的测量精度。

（4）本发明所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量装置及方法，磁力仪可以工作在静场到频率高达10兆赫兹的频带，一般传播电阻率测量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1一种电阻率测量装置的现有技术；

图2是本发明一个实施例的高频磁力仪随钻电阻率测量装置模型200的整体外观图；

图3是本发明一个实施例的电阻率测量装置模型200中的接收机之间的相位差与地层电阻率的关系曲线图；

图4是本发明一个实施例的电阻率测量装置模型200中的接收机之间的信号衰减与地层电阻率关系曲线图；

图5是本发明一个实施例的高频磁力仪随钻电阻率测量装置模型201的整体外观图；

图6是本发明一个实施例的电阻率测量装置模型201沿AA’的装置剖视图。

图中附图标记表示为：200-电阻率测量装置模型、201-电阻率测量装置模型、202-发射机、204-发射机、206-接收机、208-接收机、302-相位差、304-信号衰减、210-磁力仪、212-磁力仪。

具体实施方式

图1描述了现有技术的一种电阻率测量装置模型。

图2描述了根据本发明示例性实施例中的一种电阻率测量装置模型200，包括圆筒状的工具主体，所述工具主体上部署发射机202和发射机204、接收机206和接收机208，发射机202和发射机204相对于接收机206和接收机208的中点对称部署，两个z方向的线圈被用作为发射机202和发射机204的发射天线，发射机202和发射机204绝不局限于z方向，接收机206和接收机208分别为磁力仪，现有专利20080106261公开了一种新开发的磁力仪，该磁力仪的可以工作在静场到频率高达10兆赫兹的频带，能够同时并独立地测量两个或三个磁场垂直分量，本实施例中磁力仪接收磁场的z分量。

根据图2中的装置，发射机202和发射机204按次序向地层发射电磁信号，接收机206和接收机208相应地接收并且测量来自发射机202和204的电磁信号。当发射机202向地层发射电磁信号时，所测得的两个接收机之间的相位差和信号衰减可以表示为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{T1}=({\mathrm{\φ}}_{R2}^{T1}-{\mathrm{\φ}}_{R1}^{T1})$

${\mathrm{Att}}_{T1}=20\log (A_{R2}^{T1}/A_{R1}^{T1})$

其中，Δφ_T1表示发射机202发射信号时接收机206和接收机208之间的相位差，和是发射机202向地层发射电磁信号时接收机206和接收机208各自测得的信号相位，Att_T1表示发射机202发射信号时接收机206和接收机208之间的信号衰减，和是发射机202向地层发射电磁信号时接收机206和接收机208各自测得的信号量级。

当发射机204向地层发射电磁信号时，进行类似测量，两个接收机所测信号之间的相位差和信号衰减可以表示为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{T2}=({\mathrm{\φ}}_{R1}^{T2}-{\mathrm{\φ}}_{R2}^{T2})$

${\mathrm{Att}}_{T2}=20\log (A_{R1}^{T2}/A_{R2}^{T2})$

其中，表示发射机204发射信号时接收机206和接收机208之间的相位差，和是发射机204向地层发射电磁信号时接收机206和接收机208各自测得的信号相位，Att_T2表示发射机204发射信号时接收机206和接收机208之间的信号衰减和是发射机204向地层发射电磁信号时接收机206和接收机208各自测得的信号量级。

可以推导出补偿了误差的相位差和补偿了误差的信号衰减Att_c：

${\mathrm{Att}}_c=\frac{{\mathrm{Att}}_{T1}+{\mathrm{Att}}_{T2}}{2}.$

图3表示图2中的模型200关于接收机206和208之间的相位差与地层电阻率关系曲线图的仿真结果，图4表示图2中的模型200关于接收机206和208之间的信号衰减与地层电阻率关系曲线图的仿真结果，图3和图4表示接收机之间的相位差302和信号衰减304都是关于地层电阻率的单调函数，所以利用所述补偿了误差的相位差根据相位差和电阻率关系曲线图求出地层电阻率或者利用所述补偿了误差的信号衰减Att_c根据信号衰减和电阻率关系曲线图求出地层电阻率。

电阻率测量工具主体上可以部署两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。如图5所示根据本发明示例性实施例中的一种电阻率测量装置模型201，采用多个多分量磁力仪形成接收机阵列部署在电阻率测量工具主体上，其他装置和图2一致。

图6表示图5中的电阻率测量装置模型201沿着线AA’的装置剖视图，在一个剖面上部署有三个磁力仪208、210、212。这样接收机能接收到更多可信的地层信息，进一步提高电阻率的测量精度。

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 (8)

1.一种利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，其特征在于，包括：在井眼中布置工具主体，所述工具主体上部署第一发射机和第二发射机、第一接收机和第二接收机，所述第一接收机和所述第二接收机分别为磁力仪，所述第一发射机和所述第二发射机分别为线圈天线，所述磁力仪相应地接收并测量来自发射机的磁场分量，通过处理接收的信号，可以获得所述第一接收机和第二接收机之间的相位差和信号衰减，再通过逆运算就可以得到钻孔周围地层的电阻率；

所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，包括步骤：

S1所述第一发射机向地层发射电磁信号；

S2所述第一接收机和所述第二接收机相应地接收并测量信号相位和信号量级；

S3通过S2中测得的信号相位和信号量级计算第一发射机发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机之间的相位差和信号衰减Att_T1；

S4所述第二发射机向地层发射电磁信号；

S5所述第一接收机和所述第二接收机相应地接收并测量信号相位和信号量级；

S6通过S5中测得的信号相位和信号量级计算第二发射机发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机之间的相位差和信号衰减Att_T2；

S7通过S3和S6中的相位差和信号衰减推导出补偿了误差的相位差和补偿了误差的信号衰减Att_c；

S8利用所述补偿了误差的相位差根据相位差和电阻率关系曲线图求出地层电阻率或者利用所述补偿了误差的信号衰减Att_c根据信号衰减和电阻率关系曲线图求出地层电阻率。

2.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，其特征在于，所述第一发射机和所述第二发射机相对于所述第一接收机和所述第二接收机的中点对称部署。

3.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，其特征在于，所述第一接收机和所述第二接收机分别含有单个磁力仪或者分别含有多个磁力仪。

4.根据权利要求3所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，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。

5.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，其特征在于，所述线圈天线的发射电磁信号极化方向与工具主体轴线方向平行。

6.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，其特征在于，S3中所述的相位差和信号衰减Att_T1根据以下公式计算：

${\mathrm{Att}}_{T1}=20log(A_{R2}^{T1}/A_{R1}^{T1})$

其中，表示所述第一发射机发射时所述第一接收机和所述第二接收机之间的相位差，和是所述第一发射机向地层发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机各自测得的信号相位，Att_T1表示所述第一发射机发射时所述第一接收机和所述第二接收机之间的信号衰减，和是所述第一发射机向地层发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机各自测得的信号量级。

7.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，其特征在于，S6中所述的相位差和信号衰减Att_T2根据以下公式计算：

${\mathrm{Att}}_{T2}=20log(A_{R1}^{T2}/A_{R2}^{T2})$

其中，表示所述第二发射机发射时所述第一接收机和所述第二接收机之间的相位差，和是所述第二发射机向地层发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机各自测得的信号相位，Att_T2表示所述第二发射机发射时所述第一接收机和所述第二接收机之间的信号衰减，和是所述第二发射机向地层发射电磁信号时所述第一接收机和所述第二接收机各自测得的信号量级。

8.根据权利要求1所述的利用高频磁力仪随钻电阻率测量方法，其特征在于，S8所述的补偿了误差的相位差和补偿了误差的信号衰减Att_c根据以下公式计算：

${\mathrm{Att}}_c=\frac{{\mathrm{Att}}_{T1}+{\mathrm{Att}}_{T2}}{2}$ 。