CN104074513B - 测井仪用电阻率成像测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地质勘探技术领域，更具体地说，特别涉及一种测井仪用电阻率成像测量装置。该测井仪用电阻率成像测量装置，包括联合线圈结构和成像模块；联合线圈结构包括发射线圈、正交接收线圈以及平行接收线圈；成像模块，用于根据采集到的总电压响应计算平行接收线圈的第一分量电压响应和正交接收线圈的第二分量电压响应，组合第一分量电压响应和第二分量电压响应，将组合后的结果作为地层电阻率成像的输入；以探测方向为第一坐标，以该探测方向上的固定位置下的方位角为第二坐标，根据地层电阻率成像的输入进行被测地层电阻率的二维成像。该装置产生的地层电阻率成像可以直观地反映随钻仪器所在地层的电阻率以及远处地层边界的相对方位。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域，更具体地说，特别涉及一种测井仪用电阻率成像测量装置。
背景技术
测井是为了探知钻井中地层界面的特性，划分地质剖面的一种工程作业，通常有电法测井、放射性测井、声波测井、成像测井、工程测井(井径、井斜)。通俗的说，如果打了一口油井，油层的准确位置是未知的，这时候需要通过测井，对取得的各种资料进行综合解释判断出油层的位置。测井仪是用于凿井领域，可对井壁进行连续扫描，也可对任意水平进行横向扫描，给出井筒竖直剖面、水平断面、井筒有效断面、井筒偏斜距离等技术资料。测井结果可由计算机屏幕直接显示，也可由绘图仪打印机给出，使用灵活方便。测井仪器的使用可以防止井筒偏斜，减少施工周期，加快施工进度，确保工程质量，间接经济效益明显，社会效益非常显著。
在实际应用中，实时地质导向对油气勘探非常重要。地质导向的目的是尽可能的保持钻头在油层中行进。为了避免钻头进入低阻围岩，就要求随钻仪器提供远处地层界面的方向，以及随钻电阻率测井仪器相距远处地层界面距离的信息。
请参考图1和图2，其中，图1为现有技术中第一种随钻方位电阻率测井仪器用线圈组的结构示意图；图2为现有技术中第二种随钻方位电阻率测井仪器用线圈组的结构示意图。
在现有技术中，第一种随钻方位电阻率测井仪器包括线圈组，线圈组包括接收线圈1′和发射线圈2′。发射线圈采用与钻头轴线垂直的方式设置，以发射线圈设置的平面为基准，接收线圈采用倾斜结构设计。由于倾斜线圈具有与发射线圈正交的分量，因此具有方位探测能力。同时又由于倾斜线圈还具有与发射线圈平行的分量，因此测量信号中还包含了与方位无关的信息。在应用过程中，与方位无关的信息通过数据处理的方法剔除，仅保留方位探测信息。
在现有技术中，第二种随钻方位电阻率测井仪器包括线圈组，线圈组包括接收线圈1″和发射线圈2″。同样以发射线圈设置的平面为基准，接收线圈垂直设置，接收线圈与发射线圈正交，因此接收接收线圈与发射接收线圈的直接耦合为零，接收信号只包含与方位有关的地层信息。
上述两种随钻方位电阻率测井仪器仅能够对单一的井下技术参数进行测量，其测量参数单一，不能够并且直观地反应底层电阻率的变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测井仪用电阻率成像测量装置，用以解决上述的问题。
在本发明的实施例中提供了一种测井仪用电阻率成像测量装置，包括联合线圈结构和成像模块；
所述联合线圈结构包括发射线圈和与所述发射线圈正交的正交接收线圈以及与所述发射线圈平行的平行接收线圈；
所述成像模块，用于根据采集到的总电压响应计算平行接收线圈的第一分量电压响应和正交接收线圈的第二分量电压响应，组合所述第一分量电压响应和所述第二分量电压响应，将组合后的结果作为地层电阻率成像的输入；以探测方向为第一坐标，以该探测方向上的固定位置下的方位角为第二坐标，根据地层电阻率成像的输入进行被测地层电阻率的二维成像；
其中，所述成像模块包括组合模块，所述组合模块，用于预先进行正演模型训练，得出转换系数的查找表，根据R＝k1*(VRz-k2*VRx)对第一分量电压响应和第二分量电压响应进行组合得出地层电阻率R，其中k1，k2为转换系数，VRz为第一分量电压响应，VRx为第二分量电压响应。
优选地，所述成像模块包括分量采集模块，所述分量采集模块，用于：采集一周内不同方位角对应的接收线圈的总电压响应，并对在旋转一周内的接收线圈的总电压响应求平均值，作为平行接收线圈的第一分量电压响应；将所述总电压响应减去所述第一分量电压响应后的值，作为所述正交接收线圈的第二分量电压响应。
优选地，所述正交接收线圈和平行接收线圈由同一根线绕制。
优选地，所述正交接收线圈包括有两个结构相同并对称设置的子正交接收线圈。
优选地，所述正交接收线圈的横截面为平滑弧形结构。
通过上述结构设计，本发明中联合线圈在安装于随钻方位电阻率测井仪器中，随测井仪进入到底层后可提取随钻仪器所在地层的电阻率在方位上的变化，进而对地层电阻率进行成像。利用随钻方位电阻率测井仪器进行地质导向过程中，本发明产生的地层电阻率成像可以直观地反映随钻仪器所在地层的电阻率以及远处地层边界的相对方位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中第一种随钻方位电阻率测井仪器用线圈组的结构示意图；
图2为现有技术中第二种随钻方位电阻率测井仪器用线圈组的结构示意图；
图3为本发明一种实施例中联合线圈的结构示意图；
图4为联合线圈在靠近地层边界时的典型响应曲线；
图5至图8均为本发明实施例的测井仪器沿不同电阻率地层行进时的电压响应示意图；
图9至图12均为采用本发明实施例所提供的成像装置在不同地层中进行探测时所呈现的电阻率成像结果示意图。
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。
请参考图3，图3为本发明一种实施例中联合线圈的结构示意图。
本发明提供了一种测井仪用电阻率成像测量装置，包括联合线圈结构和成像模块。
联合线圈结构包括发射线圈和与发射线圈正交的正交接收线圈Rx以及与发射线圈平行的平行接收线圈Rz。
成像模块，用于根据采集到的总电压响应计算平行接收线圈Rz的第一分量电压响应和正交接收线圈Rx的第二分量电压响应，组合第一分量电压响应和第二分量电压响应，将组合后的结果作为地层电阻率成像的输入；以探测方向为第一坐标，以该探测方向上的固定位置下的方位角为第二坐标，根据地层电阻率成像的输入进行被测地层电阻率的二维成像。
在本发明实施例中，作为一种可实施方式，成像模块包括分量采集模块、组合模块和显像模块。
其中，所述分量采集模块，用于：采集一周内不同方位角对应的接收线圈的总电压响应，并对在旋转一周内的接收线圈的总电压响应求平均值，作为平行接收线圈的第一分量电压响应；将所述总电压响应减去所述第一分量电压响应后的值，作为所述正交接收线圈的第二分量电压响应。
所述组合模块，用于：预先进行正演模型训练，得出转换系数的查找表，根据R＝k1*(VRz-k2*VRx)对第一分量电压响应和第二分量电压响应进行组合得出地层电阻率R，其中k1，k2为转换系数，VRz为第一分量电压响应，VRx为第二分量电压响应。
显像模块，则用于根据地层电阻率成像的输入进行被测地层电阻率的二维成像。
在本发明提供的测井仪用电阻率成像测量装置中，联合线圈具有平行接收线圈Rz和正交接收线圈Rx，并且，平行接收线圈Rz和正交接收线圈Rx由一根导线制成，由此才能够根据获取的总响应电压测量分量电压。
具体地，正交接收线圈Rx包括有两个结构相同并对称设置的子正交接收线圈Rx1、Rx2。
本领域技术人员可知，测井仪的钻头截面通常为圆形结构设计，因此，为了便于正交接收线圈Rx的安装，正交接收线圈Rx的横截面为平滑弧形结构。
采用上述结构设计的随钻方位电阻率测井仪器进行测量获得的测量数据中，既可以提取直接反映地层背景电阻率的信息，还可以提取出反映远处地层边界所在方位以及距离的信息。其具体信息提取为：
其中，三个线圈可用同一根线绕制，因此联合线圈的电压响应为三个线圈电压响应之和。
测量联合线圈的总响应电压后，可根据如下公式计算分量影响电压。
Vtotal＝VRz+VRxcos(φ)
VRx＝VRx1+VRx2
其中，Vtotal表示联合线圈总电压响应，VRz表示平行接收线圈的电压响应(即第一分量电压响应)，VRx表示正交接收线圈的电压响应之和(即第二分量电压响应)。φ为相对于联合线圈初始方位角的旋转方位角。
联合线圈在钻进过程中，为了获得地层电阻率随方位的变化，必须对联合线圈(当联合线圈安装到测井仪钻头后，对钻头进行旋转)旋转360度。在联合线圈旋转过程中，正交接收线圈Rx1和Rx2的响应，随着仪器旋转角度做余弦变化，平行天线Rz的响应不变。在旋转过程中等时间间隔提取总响应电压，并以旋转角度为X轴总电压相应为Y轴制取响应曲线，并对总响应电压求平均值，由于前述公式中的VRx分量做余弦变换，因此，旋转360°后其电压相应的总和为零，如此，总电压相应的平均值即为VRz分量。
参见图4所示，图4所示为联合线圈在靠近地层边界时的典型响应曲线。该曲线随仪器旋转按余弦变化的分量为前述公式中的VRx分量，曲线的平均值为前述公式中的VRz分量。曲线的极值对应的方位包含了地层边界的方位信息，曲线的变化幅度反映了随钻仪器相距地层边界的距离。曲线的平均值包含了仪器所在地层电阻率信息(类似常规传播电阻率测量)。在随钻仪器行进过程中，将反映背景地层电阻率的电压响应VRz分量和反映远处地层边界方位及距离的电压响应VRx分量分别提取出来，对数据进行处理，可以生成反映随钻仪器在行进过程中地层电阻率随方位的变化图像。
下面通过几个例子分析具有联合线圈天线结构的随钻方位电阻率测井仪器在不同电阻率地层中行进时VRx分量和VRz分量的特征。
首先，参见图5所示，随钻仪器以相对地层60度倾角的方向向下行进，穿过三层地层。地层的电阻率分别为1Ohm-m、10Ohm-m和1Ohm-m。获取Rz分量在随钻仪器行进过程中的电压响应。并根据前述公式计算求出Rx分量在随钻仪器不同旋转角度(0度，22.5度，45度，67.5度，90度，112.5度，135度，157.5度，180度)对应的电压响应。Rz分量的变化，直接反映了随钻仪器所在地层的电阻率变化。低电阻率对应低电压响应，高电阻率对应高电压响应。Rx分量反映了远处地层边界相对于随钻仪器的方位及距离。当随钻仪器距离边界较远时，Rx分量的电压响应几乎为零。随着随钻仪器接近边界，Rx分量的电压响应逐渐增大，到达边界时最大，然后又随着随钻仪器远离边界而变小。另外还要注意到的是，当随钻仪器从低阻层靠近高阻层边界，和从高阻层向下靠近低阻层边界时，Rx分量符号是相反，这说明Rx分量不但反映了随钻仪器相距地层边界的距离，还包含了地层边界的方位信息。
再参见图6所示，获取随钻仪器穿过电阻率分别为1ohm-m,10ohm-m和2ohm-m地层时，Rz分量和Rx分量的电压响应。Rz分量在随钻仪器进入2ohm-m地层时，电压响应比进入1ohm-m地层时大，进一步证明了Rz分量能够直接反映随钻所在地层的电阻率。此外，Rx分量在随钻仪器接近10ohm-m和2ohm-m地层边界的电压响应要比随钻仪器在接近1ohm-m和10ohm-m地层边界的电压响应小。因此Rx分量的电压响应还反映了地层边界的电阻率差异。
在参见图7所示随钻仪器穿过电阻率分别为0.7ohm-m、2ohm-m和50ohm-m地层时，Rz分量和Rx分量的电压响应。Rz分量的电压响应反映了地层电阻率随着随钻仪器的行进一直在增长。Rx分量在随钻仪器接近界面时的电压响应最大。在本实施例中，Rx分量电压响应在仪器的行进过程中对应仪器旋转角度为0时的电压响应一直为正值，这是因为地层电阻率在仪器行进过程中单调增加。
参见图8所示，随钻仪器穿过电阻率为1ohm-m的地层进入电阻率为10ohm-m的地层，然后再返回1ohm-m地层过程中，获取Rz分量和Rx分量的电压响应。Rx分量的电压响应在随钻仪器从高阻地层向上返回低阻地层时与图5所示示例相比，从高阻地层向下接近低阻地层的Rx分量的电压响应相反。这说明Rx分量的电压响应能够区分随钻仪器是向上还是向下接近地层边界。
根据图5至图8示例的分析，由于Rz分量能够提供随钻仪器在行进方向上的电阻率变化，Rx分量能够提供随钻仪器方位方向上的变化，融合Rz分量和Rx分量的数据，就可以对地层电阻率成像。成像的一个坐标轴为仪器行进方向，例如测试深度，另一个坐标轴为跨度0度到360度的方位角。如此，可以看出结合Rz分量和Rx分量，不但能够提供背景电阻率的变化，还能提供地层边界的方位以及随钻仪器接近地层边界的方向。
具体地，进行成像的具体步骤可以为：首先，仪器在井下操作时，为了获取地层电阻率在方位上的变化，必须对随钻方位电阻率仪器旋转360度。将联合线圈接收天线的电压响应在旋转一周内(从0度到360度)取平均值，作为Rz分量的电压响应。将减去平均值的接收天线的电压响应，作为Rx分量的电压响应。
其中，Rx分量的电压响应随仪器旋转角度做余弦变化。将获得的Rz分量和Rx分量重新组合，按照下述公式计算地层视电阻率并对其成像。成像的一个坐标轴为测量深度，另一个坐标轴为跨度0到360度的方位角。
R＝k1(VRz-k2VRx)
其中，k1和k2为转换系数，可以由正演模型事先求出做成查找表。VRz为Rz分量的电压响应，VRx为Rx分量的电压响应。
为了验证本发明实施例中的地层电阻率成像装置的有效性，通过仿真分析随钻仪器分别从不同电阻率地层，沿不同方向接近地层边界时的电阻率成像结果。
图9中上图表示测井仪器从电阻率为10ohm-m的地层，向上进入电阻率为1ohm-m的地层。图9中下图表示利用该装置产生的地层电阻率成像。图像的横坐标为测量深度，纵坐标为仪器的旋转角度，用工具面角度来表示。图像中的黑色代表低电阻率，浅色代表高电阻率。由图像可见，随着随着仪器的行进，对应测量深度逐渐增大，地层电阻率从高阻变到低阻。在仪器接近地层边界的位置，地层电阻率在方位方向上有了变化，对应工具面为0度(或者360度)的地层电阻率偏小，说明低阻地层在上方。对应工具面为180度的地层电阻率偏大，说明高阻地层在下方。图像中所反映的信息，与模型完全一致。
图10表示测井仪器从电阻率为10ohm-m的地层，向下进入电阻率为1ohm-m的地层。相比图9中的地层电阻率成像，可以看出图10中，随钻仪器在接近地层边界时，地层电阻率在方位上的分布与图9中的地层电阻率分布相反。也即，对应工具面为0度(或者360度)的地层电阻率偏大，说明高阻地层在上方。对应工具面为180度的地层电阻率偏小，说明低阻地层在下方。图像中所反映的信息，也与模型完全一致。
图11和图12分别表示了随钻仪器从低阻地层向上和向下进入高阻地层时对应的地层电阻率成像。和图9、图10一样，在测量深度方向上，电阻率的变化反映了地层电阻率随着随钻仪器行进过程中的变化。在随钻仪器接近地层边界时，地层电阻率在方位角上的变化，反映了地层之间的相对关系。
图11中随钻仪器接近边界时，地层电阻率在工具面角度为180时偏小，说明低阻地层在下方，高阻地层在上方。图12中随钻仪器接近边界时，地层电阻率在工具面角度为180大，说明低阻地层在上方，高阻地层在下方。
综上分析，该成像装置，通过二维图像能够非常准确直观地反应出地层电阻率的变化，得出不同电阻性状地层之间的方位关系，更为便利。
以上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 (5)
1.一种测井仪用电阻率成像测量装置，其特征在于，包括联合线圈结构和成像模块；
所述联合线圈结构包括发射线圈和与所述发射线圈正交的正交接收线圈以及与所述发射线圈平行的平行接收线圈；
所述成像模块，用于根据采集到的总电压响应计算平行接收线圈的第一分量电压响应和正交接收线圈的第二分量电压响应，组合所述第一分量电压响应和所述第二分量电压响应，将组合后的结果作为地层电阻率成像的输入；以探测方向为第一坐标，以该探测方向上的固定位置下的方位角为第二坐标，根据地层电阻率成像的输入进行被测地层电阻率的二维成像；
其中，所述成像模块包括组合模块，所述组合模块，用于预先进行正演模型训练，得出转换系数的查找表，根据R＝k1*(VRz-k2*VRx)对第一分量电压响应和第二分量电压响应进行组合得出地层电阻率R，其中k1，k2为转换系数，VRz为第一分量电压响应，VRx为第二分量电压响应。
2.根据权利要求1所述的测井仪用电阻率成像测量装置，其特征在于，所述成像模块包括分量采集模块，所述分量采集模块，用于：
采集一周内不同方位角对应的接收线圈的总电压响应，并对在旋转一周内的接收线圈的总电压响应求平均值，作为平行接收线圈的第一分量电压响应；将所述总电压响应减去所述第一分量电压响应后的值，作为所述正交接收线圈的第二分量电压响应。
3.根据权利要求1所述的测井仪用电阻率成像测量装置，其特征在于，所述正交接收线圈和平行接收线圈由同一根线绕制。
4.根据权利要求3所述的测井仪用电阻率成像测量装置，其特征在于，所述正交接收线圈包括有两个结构相同并对称设置的子正交接收线圈。
5.根据权利要求4所述的测井仪用电阻率成像测量装置，其特征在于，所述正交接收线圈的横截面为平滑弧形结构。
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