CN104076405A - 一种地层电阻率成像方法和微电阻率成像扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种地层电阻率成像方法和微电阻率成像扫描仪，应用于地层电阻率成像领域，实现油基泥浆或者合成基泥浆中地层电阻率成像的目的。所述方法包括：电阻率扫描仪上的每个极板上均设置有一对用于产生交流电流的发射电路，每个发射电路通过电极发射或接收信号，在两个电极之间设置有多对钮扣电极，所述方法包括：对于任一极板，由该极板上的任一发射电路通过电极发射交流电流；在所述交流电流通过井内泥浆和地层构成的回路到达该极板上另一电极的过程中，获得每对钮扣电极之间的电压差；依据交流电流和每对钮扣电极之间的电压差确定每对钮扣电极之间的地层电阻率，以获得地层电阻率图像。

Description

一种地层电阻率成像方法和微电阻率成像扫描仪

技术领域

本发明涉及地层电阻率成像技术领域，尤其涉及一种地层电阻率成像方法和微电阻率成像扫描仪。

背景技术

目前，为了获取井下地层分布情况，主要采用地层电阻率成像的方法，在过去，为采集高质量的微电阻率成像数据资料，只能选择使用水基泥浆。

随着钻井技术的发展，越来越多的人们开始采用油基泥浆或合成基泥浆，油基泥浆具有抗高温、抗盐钙侵蚀，有利于井壁稳定、润滑性好、对油气层损害小的特点，合成基泥浆对环境的影响较小，并且钻井效率较高。但是油基泥浆和合成基泥浆的电阻率较大，直接采用现有水基泥浆微电阻率扫描仪无法在油基泥浆和合成基泥浆中成像。

发明内容

本发明实施例提供了一种地层电阻率成像方法和微电阻率成像扫描仪，可应用于油基泥浆和合成基泥浆中，通过测量地层电阻率获取电阻率图像，进而确定岩层的发育情况，比如岩层致密还是岩层疏松或裂缝、孔洞发育等。

有鉴于此，本发明第一方面提供一种地层电阻率成像方法，可包括：

电阻率扫描仪上的每个极板上均设置有一对用于产生交流电流的发射电路，每个发射电路通过电极发射或接收信号，在两个电极之间设置有多对钮扣电极，所述方法包括：

对于任一极板，由该极板上的任一发射电路通过电极发射交流电流；

在所述交流电流通过井内泥浆和地层构成的回路到达该极板上另一电极的过程中，获得每对钮扣电极之间的电压差；

依据交流电流和每对钮扣电极之间的电压差确定每对钮扣电极之间的地层电阻率，以获得地层电阻率图像。

在一种可能的实现方式中，优选的，不同极板上的发射电路通过电极发射的交流电流的频率不同。

在一种可能的实现方式中，优选的，所述交流电流通过电容耦合的方式从泥浆进入地层。

在一种可能的实现方式中，优选的，依据交流电流和每对钮扣电极之间的电压差确定每对钮扣电极之间的地层电阻率时，计算公式如下：R＝KV/I；

其中，R为地层电阻率，K为扫描仪的几何因子，V为一对钮扣电极之间的电压差，I为一对电流的平均值，所述一对电流包括所述交流电流和该极板上另一电极接收的电流。

本发明第二方面提供一种微电阻率成像扫描仪，所述扫描仪包括多个极板，每个极板上均设置有一对用于产生交流电流的发射电路，每个发射电路通过电极发射或接收信号，在两个电极之间设置有多对钮扣电极。

从以上本发明提供的实施例可以看出，本实施例具有以下优点：

基于水基泥浆做电阻率成像时，电流流经的回路较长，而水基泥浆的电阻率一般较小，即使回路较长，电流流经回路最终达到接收端时的强度仍然足够用于电阻率成像。而油基泥浆和合成基泥浆的电阻率较大，电流在回路中衰减较大，最终不能成像。而本发明实施例将用于产生电流的发射电路设置在极板上，产生的电流通过电极发射进入地层，然后由地层回到极板上的另一发射电路，发射回路小，信号衰减小，使得信号的穿透力更强，相应的，信号进入地层返回的信号也更强，可以用于获得地层电阻率，根据获得的地层电阻率即可得到地层电阻率图像。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种测量地层电阻率的原理图；

图2为图1所示原理图的等效图；

图3为本发明实施例提供的采用3对钮扣电极作地层电阻率成像时对应的泥浆、地层等效电路；

图4为本发明实施例提供的6对钮扣电极在极板上的分布示意图；

图5为发射电路中信号发射部分的示意图；

图6为图5所示发射电路中信号发射部分的一种具体结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对本发明提供的技术方案做详细公开的说明，本发明实施例提供的技术方案可以应用于油基泥浆和合成基泥浆中，为了便于说明，以油基泥浆为例进行描述。

在油基泥浆中，采用微电阻率扫描仪测量地层电阻率时，多个极板全部紧贴井壁，由地面装置控制极板上的发射电路通过电极发射交变电流脉冲。其中，在每个极板上均设置有一对用于产生交流电流的发射电路，发射电路通过电极发射或接收信号。电极发射的电流垂直于极板外表面(即井壁)进入地层，通过井内泥浆和地层构成的回路而再回到极板上，由另一电极接收。在极板的一对电极之间有多对用于测量电压的钮扣电极，由于极板紧贴井壁，所以位于极板上的钮扣电极对可以对应的测量地层中两点的电压差，电压差的大小反映出钮扣电极正对着的地层邻域由于岩石结构或化学上的非均质性引起的微电阻率的变化。钮扣电极的电流经适当处理可刻度为彩色或灰色等图像，反映地层微电阻率的变化，从而反映出井壁上地层岩石结构变化。一般电阻率值越大，色度越亮，其反映的岩层致密、坚硬；电阻率值越小，色度越暗，其反映的岩层疏松或裂缝、孔洞发育等。

本实施例中，将发射电路设置在极板上，可以减小发射回路，使得信号的穿透力更强，相应的，信号进入地层返回的信号也更强，从而可以测得地层电阻率，根据测得地层电阻率即可得到地层电阻率图像。

泥浆和地层相当于一个电容，电流发射频率越高越容易穿透，极板接收到的信号越强，优选的，交流电流的频率范围可以为：25kHz-39kHz。由于电极接收信号时采用滤波的方式，每个极板只能接收自己发射的频率的信号，因此，多个极板可以选用不同的发射频率，对于其中一个极板来说，可以过滤掉其他极板上发射电路通过电极发射的信号，减少极板之间信号的相互干扰。

优选的，极板可以选择两层六个极板的设计，这样，井眼覆盖率较大，随着技术的不断发展，层数及极板的数量可能会增加，这样会使井眼覆盖率增加，能得到更多的井下信息。

发射电路安装在极板上，可以减小发射回路，使信号穿透力更强，得到更强的地层中的电信号响应，从而得到更高清晰度的测井曲线。对应的，参考图1所示，为地层电阻率测量的原理图，本图仅示出电流从发射到接收的回路，在实际应用中，发射电路还需要连接其他的信号处理设备或者电路，其中所示的测量电极即为钮扣电极，图1中以两对钮扣电极为例示出，发射电路通过电极发射或接收信号。每个极板上的发射电路发出的信号是通过电容耦合方式从泥浆泥饼到地层。相应的，图2为图1所示原理图的等效图。

当有3对钮扣电极时，对应的泥浆、地层等效电路参考图3所示，有3个由电阻和电容构成的并联电路并联在一起，与钮扣电极的对数相等，一对钮扣电极对应连接3个并联电路中的一个(并没有固定的对应关系)。对于钮扣电极多于3对的情况，可以依此类推，比如，6对钮扣电极时，共有6个电路并联在一起，每个电路均由电阻和电容并联构成，一对钮扣电极对应连接6个并联电路中的一个。

以6对钮扣电极为例，其在极板上的分布参考图4所示，每列两个看作一对，图4仅用于示意性的说明，与实际形状并不一定相符，发射电流从极板垂直进入地层，从每对钮扣电极得到电压差，经过一系列的计算和处理，得到地层电阻率。

电阻率计算公式为R＝KV/I，其中，R为地层电阻率，K为扫描仪的几何因子，V为一对钮扣电极之间的电压差，I为一对电流的平均值，所述的一对电流为发射电路发射的交流电流和该交流电流通过回路达到另一电极时对应的电流(即另一电极接收到的电流信号)。

进一步，本发明实施例还提供一种微电阻率成像扫描仪，所述扫描仪包括多个极板，每个极板上均设置有一对用于产生交流电流的发射电路，每个发射电路通过电极发射或接收信号，在两个电极之间设置有多对钮扣电极。

采用微电阻率扫描仪测量地层电阻率时，多个极板全部紧贴井壁，由地面装置控制极板上的发射电路通过电极发射交变电流脉冲，在每个极板上均设置有一对发射电路，该发射电路可以产生交流电流，通过电极发射或接收交流电流。发射电路通过电极发射的电流垂直于极板外表面(即井壁)进入地层，通过井内泥浆和地层构成的回路而再回到极板上，由另一电极接收。在极板的一对电极之间有多对用于测量电压的钮扣电极，由于极板紧贴井壁，所以位于极板上的钮扣电极对可以对应的测量地层中两点的电压差，电压差的大小反映出钮扣电极正对着的地层邻域由于岩石结构或化学上的非均质性引起的微电阻率的变化。钮扣电极的电流经处理可刻度为彩色或灰色等图像，反映地层微电阻率的变化，从而反映出井壁上地层岩石结构变化。一般电阻率值越大，色度越亮，其反映的岩层致密、坚硬；电阻率值越小，色度越暗，其反映的岩层疏松或裂缝、孔洞发育等。

优选的，每个极板上的发射电路发出的信号是通过电容耦合方式从泥浆泥饼到地层。交流电流发射频率范围可以为：25kHz-39kHz。极板和地层之间相当于一个电容，电流发射频率越高越容易穿透，极板接收到的信号越强，多个极板的发射频率不同，还可以减少极板之间信号的相互干扰。

本领域技术人员可以理解，所述扫描仪还包括其他组成部分，由于其他组成部分可以参考现有技术实现，且不是本发明实施例的发明点，这里不再进行赘述。

为了对本发明实施例有更为深刻的理解，基于上述各实施例，下面举例给出发射电路中信号发射部分的电路图。参考图5所示，为发射电路中信号发射部分的一种示意图，可以包括：滤波器模块100、功率放大器模块103、升压模块104、电流测量模块105和电压测量模块106，所述滤波器模块100、功率放大器模块103、升压模块104和电流测量模块105依次串联连接，所述电压测量模块106与所述电流测量模块105并联连接，所述滤波器模块100用于接收交流电信号源发出的交流电信号并对交流电信号进行滤波，所述功率放大器模块103用于对滤波后的交流电信号进行放大，所述升压模块104用于对放大后的交流电信号进行升压以生成和输出发射信号，所述电流测量模块105用于对所述发射信号的电流大小进行测量并输出测量的电流数据，所述电压测量模块106用于对所述发射信号的电压大小进行测量并输出测量的电压数据。

其中，所述滤波器模块100从接收的交流电信号作为该发射电路的激励信号，所述滤波器模块100对该激励信号进行滤波，并将滤波后的激励信号输入功率放大器模块103。

所述功率放大器模块103对滤波后的交流电信号进行放大，并将放大后的交流电信号输入到升压模块104。

所述升压模块104对交流电信号进行升压，并将升压后的交流电信号作为发射电流信号发射，从而发射信号可以例如通过与升压模块104连接的电极发射出去并进入油井内的泥浆柱和地层中。

通过依次设置滤波器模块100、功率放大器模块103和升压模块104，该发射电路能够根据接收的交流激励信号来输出较大的发射信号，可以使发射信号穿过电极和井壁之间形成的泥浆绝缘层或泥饼而进入地层中，从而可以在使用油基泥浆或合成基泥浆的情况下进行微电阻率扫描成像。

另外，电流测量模块105测量发射信号的电流大小并输出测量的电流数据以便将检测到的电流数据和电压数据传送给地面上的处理系统，来显示和分析发射电路的发射信号。以便于后续通过地面上的处理系统来显示和分析发射电路的发射信号的电流大小。所述电压测量模块106测量发射信号的电压大小并输出测量的电压数据，以便于后续通过地面上的处理系统来显示和分析发射电路的发射信号的电压大小。因此，该微电阻率扫描成像测井装置的发射电路还可以检测发射信号的电流和电压大小，

图6为在图5的基础上，给出发射电路中信号发射部分的一种具体结构。所述滤波器模块100可以包括第一滤波电路和第二滤波电路，所述第一滤波电路与所述第二滤波电路串联。通过采用两级滤波电路，可以更好地滤除激励信号中的干扰，输出平滑的交流电信号。

所述第一滤波电路可以包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2和第一集成运放U1，所述第一电阻R1与第二电阻R2串联连接到所述第一集成运放U1的同相输入端，所述第一电容C1的一端连接在所述第一电阻R1与第二电阻R2之间，所述第一电容C1的另一端通过所述第三电阻R3连接到所述第一集成运放U1的反相输入端，所述第一集成运放U1的反向输入端通过所述第三电阻R3连接到所述第一集成运放U1的输出端，所述第一集成运放U1的反相输入端通过所述第四电阻R4接地，所述第一集成运放U1的同相输入端通过所述第二电容C2接地。

其中，交流电激励信号进入该第一滤波电路的第一电阻R1，经过该第一滤波电路进行滤波后，从第一集成运放U1的输出端输出第一次滤波后的交流电信号。

所述第二滤波电路可以包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第三电容C3、第四电容C4和第二集成运放U2，所述第五电阻R5与第六电阻R6串联连接到所述第二集成运放U2的同相输入端，所述第三电容C3的一端连接在所述第五电阻R5与第六电阻R6之间，所述第三电容C3的另一端通过所述第七电阻R7连接到所述第二集成运放U2的反相输入端，所述第二集成运放U2的反向输入端通过所述第七电阻R7连接到所述第二集成运放U2的输出端，所述第二集成运放U2的同相输入端通过所述第四电容C4接地。

其中，从第一滤波电路输出的交流电激励信号进入该第二滤波电路的第一电阻R5，经过该第二滤波电路进行滤波后，从第二集成运放U2的输出端输出第二次滤波后的交流电信号。

可以理解，上述滤波器模块100采用二级滤波电路的形式仅仅是示例性的，而不用于限定本发明，本领域的技术人员也可以根据实际需要采用一级滤波电路或多于二级的滤波电路。

所述功率放大器模块103可以包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第五电容C5、第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三集成运放U3，所述第五电容C5连接到所述第三集成运放U3的同相输入端，所述第三集成运放U3的反相输入端通过所述第八电阻R8接地，所述第三集成运放U3的反相输入端通过所述第九电阻R9连接到所述第三集成运放U3的输出端，所述第三集成运放U3的正电源端通过所述第十一电阻R11接电源正极，所述第三集成运放U3的负电源端通过所述第十电阻R10接电源负极，所述第一三极管Q1的基极连接所述第三集成运放U3的正电源端，所述第二三极管Q2的基极连接所述第三集成运放U3的负电源端，所述第一三极管Q1的集电极与所述第二三极管Q2的集电极连接，所述第一三极管Q1的发射极通过第十二电阻R12接电源正极，所述第二三极管Q2的发射极通过所述第十三电阻R13接电源负极，所述第三集成运放U3的输出端连接所述第十四电阻R14的一端，所述第十四电阻R14的另一端连接在所述第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的集电极之间。进一步优选地，如图6所示，所述电源负极可以通过一个电容接地，所述电源正极也可以通过一个电容接地，以用于滤去噪声。

其中，从滤波器模块100输出的滤波后的激励信号进入该功率放大器模块103的第五电容C5，经由该功率放大器模块103进行功率放大后，将交流电信号从第三集成运放U3的输出端通过第十四电阻R14输出。

所述升压模块104可以包括一组并联电容、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第八电容C8和第一变压器T1，所述一组并联电容与所述第十五电阻R15并联后连接到所述第一变压器T1的一组同名端的初级线圈的一端，所述第一变压器T1的另一组同名端的初级线圈的另一端接地，所述第一变压器T1的一组同名端的次级线圈的一端连接所述第十六电阻R16以用于输出所述发射信号，所述第一变压器T1的另一组同名端的次级线圈的另一端通过所述第八电容C8接地。

其中，从功率放大器模块103输出的交流电信号进入该升压模块104的一组并联电容和第十五电阻R15，通过该一组并联电容和第十五电阻R15进入第一变压器T1的初级线圈，通过第一变压器T1进行升压后，从第一变压器T1的次级线圈通过第十六电阻R16输出发射信号。优选的，还可以将该升压模块104的输出端接屏蔽线，屏蔽层接地，从而可以将外来的干扰信号通过屏蔽线导入大地。所述一组并联电容优选为采用六个电容并联，当然，也可以根据需要采用多于或少于六个电容的一组并联电容。

所述电流测量模块105包括第二变压器T2、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第九电容C9和第四集成运放U4，所述第二变压器T2的一组同名端的初级线圈的一端用于接屏蔽线(一般连接到屏蔽线的屏蔽层)，所述第二变压器T2的另一组同名端的初级线圈的另一端用于(例如通过屏蔽芯)接电极，所述第二变压器T2的另一组同名端的初级线圈的另一端还连接第九电容C9以用于通过第九电容C9接屏蔽线(一般连接到屏蔽线的屏蔽层)，所述第二变压器T2的一组同名端的次级线圈的一端通过所述第十九电阻R19接所述第四集成运放U4的同相输入端，所述第二变压器T2的另一组同名端的次级线圈的另一端通过所述第十七电阻R17接所述第四集成运放U4的反相输入端，所述第四集成运放U4的反相输入端通过所述第十八电阻R18连接所述第四集成运放U4的输出端，所述第四集成运放U4的输出端用于输出测量的电流数据。进一步优选地，所述第四集成运放U4的正电源端接电源正极，电源正极可以通过一个电容接地，所述第四集成运放U4的负电源端接电源负极，所述电源正极也可以通过一个电容接地，通过电容可以滤去噪声。所述第二变压器T2的另一组同名端的初级线圈的另一端还可以通过一个电阻接地。

其中，从升压模块104输出的发射信号可以通过第二变压器T2的初级线圈后到达电极，然后从电极发射出去并进入油井内泥浆柱和地层中，可以采用两个发射频率相同、极性相反的发射信号的发射电路配合使用，通过同时向地层发射频率相同、极性相反的交流发射信号，使得交流发射信号在两个发射电路与地层之间构成回路，可以通过测量地层中的电流信号并对电流信号进行分析处理来得到测井图像。第二变压器T2的初级线圈的一端还可以通过第九电容C9接屏蔽线的屏蔽层，以用于将输出的发射信号中的干扰信号通过屏蔽线的屏蔽层导入大地。

同时，第二变压器T2的次级线圈输出的交流电通过第四集成运放U4后输出测量的电流数据，该电流数据用于表示发射信号的电流大小。可以将该测量的电流数据传输给地面上的处理系统，从而处理系统可以显示和分析发射电路的发射信号的电流大小。

所述电压测量模块106可以包括第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22和第五集成运放U5，所述第五集成运放U5的反向输入端连接所述第二十电阻R20，所述第五集成运放U5的反向输入端通过所述第二十二电阻R22连接到所述第五集成运放U5的输出端，所述第五集成运放U5的同相输入端通过所述第二十一电阻R21接地，所述第五集成运放U5的输出端用于输出测量的电压数据。进一步优选地，如图6所示，所述第五集成运放U5的同相输入端还可以通过一个电容来接地，以用于滤去噪声。

其中，从升压模块104输出的发射信号可以进入该电压测量模块106的第二十电阻R20，并从第五集成运放U5的输出端输出测量的电压数据，该电压数据用于表示发射信号的电压大小。可以将该测量的电压数据传输给地面上的处理系统，从而处理系统可以显示和分析发射电路的发射信号的电流大小。

发射电路通过滤波器、在接地端设置电容、以及在发射电路输出端外接屏蔽线的方式，可以有效地去除干扰信号，从而便于准确地得到测井图像，更好地实现在油基泥浆和合成基泥浆中成像。另一方面，该发射电路的具体实现方式体积较小，便于集成在微电阻率扫描成像测井装置的极板上，加工方便，成本低。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种地层电阻率成像方法，其特征在于，电阻率扫描仪上的每个极板上均设置有一对用于产生交流电流的发射电路，每个发射电路通过电极发射或接收信号，在两个电极之间设置有多对钮扣电极，所述方法包括：

对于任一极板，由该极板上的任一发射电路通过电极发射交流电流；

在所述交流电流通过井内泥浆和地层构成的回路到达该极板上另一电极的过程中，获得每对钮扣电极之间的电压差；

依据交流电流和每对钮扣电极之间的电压差确定每对钮扣电极之间的地层电阻率，以获得地层电阻率图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，不同极板上的发射电路通过电极发射的交流电流的频率不同。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交流电流通过电容耦合的方式从泥浆进入地层。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，依据交流电流和每对钮扣电极之间的电压差确定每对钮扣电极之间的地层电阻率时，计算公式如下：R＝KV/I；

其中，R为地层电阻率，K为扫描仪的几何因子，V为一对钮扣电极之间的电压差，I为一对电流的平均值，所述一对电流包括所述交流电流和该极板上另一电极接收的电流。

5.一种微电阻率成像扫描仪，其特征在于，所述扫描仪包括多个极板，每个极板上均设置有一对用于产生交流电流的发射电路，每个发射电路通过电极发射或接收信号，在两个电极之间设置有多对钮扣电极。