CN105545297A - 用非旋转工具检测地层边界的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用非旋转工具检测地层边界的设备，涉及油井的电测井领域。本发明提供的用非旋转工具检测地层边界的设备，通过在钻具主件上部署的面向不同方向的第一台发射器和第二台发射器，再通过调节两台发射器的电磁信号磁矩，并且启用这两发射器，在测量两台发射器的调制电磁信号时，调节两个接收器接收到的信号辅导，再根据接收和测量到的相位计算出地层边界的方向和位置，使得通过电器消除发射器的调制矢量来停止钻具主件，进而模拟了钻具主件机械旋转产生的影响，并计算出了底层边界的方向和位置，解决了现有技术中的不足。

Description

用非旋转工具检测地层边界的设备

技术领域

本发明涉及油井的电测井领域，具体而言，涉及用非旋转工具检测地层边界的设备。

背景技术

在石油行业，运用随钻测井(LWD)、随钻测量(MWD)和电缆测井系统等电气测量技术来收集井下信息这样的技术在业内人人皆知。这一类技术一直都被用来获取井内信息，比如地层电阻率(或导电性；虽然这两个专业术语“电阻率”和“导电性”是相反的两个概念，但是在这一技术中经常相互替换。)、介电常数等，从而用来测定地层及其相应流体的岩石物理性质。收集到的井内信息能够帮助我们划定碳氢化合物(如原油或天然气)以及多孔地层内的其他成分，确定不同地层之间的边界。最好尽可能将钻井井眼定位在产油层(含碳氢化合物的地层)，以便最大程度确保其恢复程度。

随钻测井(LWD)、随钻测量(MWD)和电缆测井系统会用到各式各样的测量工具，其中一种工具就是电阻率测井仪。图1就是传统电阻率测井仪的示意图。传统电阻率测井仪由钻柱100、用于向周围地层发射电磁信号的两台发射器T1和T2、用于接收T1和T2电磁信号的两台接收器R1和R2以及钻柱100末端的钻头112组成。与T2相比，T1更接近R1和R2。

图1中，钻柱100在第一地层102内旋转并移动，直至接近第一地层102和第二地层104之间的地层边界106。当钻柱100接近地层边界106时，发射器T2(108)的电磁信号就开始穿透地层边界106以及第二地层104，然后由接收器R1和R2接收。然而，与此同时，发射器T1(110)的电磁信号主要只传播到第一地层102，然后便由接收器R1和R2接收。因此，发射器T1测得的电阻率数据与发射器T2测得的电阻率数据是不相同的，这样的差异就表明存在地层边界106。

为使电阻率测井仪一直位于产油区，钻井井眼不但要求要有地层边界信息，还要求其位置和方向信息。图1所示的电阻率测井仪不能确定地层边界106的方向与钻柱100的关系，因而才有了“定向”电阻率测井仪的发明。定向电阻率测井仪在旋转时通过收集不同方位角的测井信息可使其具有方位敏感性。如图2所示，钻井井眼可以分成许多个(200～230)分区。按照惯例，分区的数量可能是8、16或32。根据每个分区测得的电阻率结果的相关性，就可以计算得出地层边界的位置和方向。然而，定向电阻率测井仪的机械旋转也有一定的缺点。比如说，定向电阻率测井仪的振动和晃动对数据测量值的精确性有很大的影响。另外，机械旋转速度也有一定的物理限制。

迄今为止，一直都在采取一些措施来避免出现振动问题，如每当在其中一个分区测量时就关掉测井仪。虽然这样可能解决了振动问题，但是极大地延长了数据测量的过程。

为了避免传统定向电阻率测井仪存在的这些弊端，以前提交过的一份申请#13/786,302提出了一种使用电动旋转的技术，而不是传统的机械旋转。图3是运用了电动旋转技术的定向电阻率测井仪的前视图。定向电阻率测井仪包括一个钻具主件300、两台x-轴和y-轴发射器(一台x-发射器304和一台y-发射器302)、一台z-轴接收器(一台z-接收器306)以及钻具主件300末端的钻头112。为了进行定向测量，不用机械旋转钻具主件300，只需通过电气消除x-发射器304和y-发射器302调制矢量就可以停止钻具主件300，从而模拟钻具主件300机械旋转产生的影响。

然而，申请#13/786,302中介绍的电动旋转技术仅仅运用于x-发射器304和y-发射器302，这样才能使磁场轻易地向各个方位上发射。接收器包括一个z-分量环形天线。它适用于XY平面或方位的任意一个方向。因此，测得的磁场分量只有x-z分量或y-z分量。这里的x-z分量表示x-轴方向上极化的天线发射的磁场以及z-轴方向上天线接收的磁场。同样，y-z分量表示y-轴方向上的极化天线发射的磁场以及z-轴方向上的极化天线接收的磁场。

从物理层面来说，不但x-z分量或y-z分量能够表明地层边界方向和位置，而且x-x分量或x-y分量也能够检测出地层边界的方向和位置。。

发明内容

本发明的目的在于提供用非旋转工具检测地层边界的设备，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了用于执行地层边界检测的方法包括以下内容：部署一个钻具主件，至少配有两台携带有天线的垂直发射器和两台携带有天线的垂直接收器；调节发射器组(包括携带有天线的第一台发射器和第二台发射器)的磁矩以便向预定方向发射电磁能；调节接收器组(包括携带有天线的第一台接收器和第二台接收器)的磁矩以便接收从预定方向传来的电磁能；同时启用发射器组；利用接收器组接收并测量发射器组调节过的电磁信号；最后依据接收器组接收和测量到的电磁信号的振幅和相位来计算出地层边界的方向和位置。

在一种实施方式中，钻具主件配备有第一台发射器和第二台发射器以及第一台接收器和第二台接收器，其中这两台发射器的天线都是朝向非平行方向，而这两台接收器的天线也是如此。

在一种实施方式中，调制发射器天线的调制矢量在启用期间在方位角方向上电动旋转；

在一种实施方式中，调制接收器天线的调制矢量在方位角方向上电动旋转，与发射器天线电动转向同步；

在一种实施方式中，当调制发射器天线的调制矢量沿方位角方向电动旋转时，调制接收器天线的调制矢量会保持在固定的方位角方向；

在一种实施方式中，第一台发射器和第二台发射器天线的方向大体上相互垂直。

在一种实施方式中，第一台接收器和第二台接收器天线的方向大体上相互垂直。

在一种实施方式中，用于执行地层边界检测的这种方法还包括：提供方程以便调节发射器天线的磁矩，其中m₁和m₂分别是施加到第一台发射器和第二台发射器上的磁矩；m₀是磁矩的幅度大小；Ω是调制发射器天线磁矩电动旋转的角频率；t是电动旋转开始的一段时间。

在一种实施方式中，用来调节发射器天线磁矩的方程也可以用来调节接收器天线的磁矩，从而实现发射器组和接收器组之间的同步电动旋转。

在一种实施方式中，用于执行地层边界检测的这种方法还包括提供方程用来调节接收器天线的磁矩，这样的话调节接收器天线的调制矢量就会指向固定方位。方程中θ是代表接收器接收信号时所选择的方位角。

在一种实施方式中，角频率是可以调节的。

在其他方案中，用于执行地层边界检测的这种方法还包括测量来自第一台发射器和第二台发射器不同电动旋转角度时的调制电磁信号。

在其他方案中，用于执行地层边界检测的这种方法还包括：根据第一台接收器，和/或第二台接收器接收和测量到的电磁信号的振幅和相位，提供一个转换表，以便计算出地层边界的方向和位置。

在一种实施方式中，用于执行地层边界距离检测的这种方法还包括检索配有钻具主件的测井工具的地层电阻率的信息。

在其他方案中，用于执行地层边界检测的这种方法还包括：根据第一台接收器，和/或第二台接收器接收和测量到的电磁信号的振幅和相位以及从测井工具检索到的地层电阻率信息，提供一个转换表，以便计算出地层边界的方向和位置。

在一份优选方案中，用非旋转工具检测地层边界的设备包括：带有一根纵轴的钻具主件、部署在钻具主件上且面朝第一方向的第一台发射器、部署在钻具主件上且面朝第二方向的第二台发射器、部署在钻具主件上且面朝第三方向的第一台接收器以及部署在钻具主件上且面朝第四方向的第二台接收器。

在一种实施方式中，调节第一台发射器和第二台发射器的电磁信号是为了在它们同时启用时使整个磁场的矢量实现电动旋转。

在一种实施方式中，调节根据第一台接收器，和/或第二台接收器是为了接收和测量来自特定方位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出地层边界的方向和位置。

在一种实施方式中，钻具主件是指钻柱或钻铤。

在一种实施方式中，第一台发射器与第二台发射器并列或在轴向上有一定的距离。

在一种实施方式中，第一台与第二台发射器以及第一台与第二台接收器都至少包含一根天线。

在一种实施方式中，第一台发射器的第一方向与第二台发射器的第二方向大体垂直。

在一种实施方式中，第一台接收器天线的第一方向与第二台接收器天线的第二方向大体垂直。

在一种实施方式中，发射的电磁信号要根据方程进行调节；其中，m₁和m₂分别是施加到第一台发射器和第二台发射器上的磁矩；m₀是磁矩的幅度大小；Ω是调制电磁信号磁矩电动旋转的角频率；t是电动旋转开始的一段时间。

在一种实施方式中，第一台发射器和第二台发射器包括一个发射器回路，以便调节待发射的电磁信号。

在一种实施方式中，第一台接收器和第二台接收器包括一个接收器回路，以便处理接收到的电磁信号并分析其振幅和相位。

在一种实施方式中，接收器回路配备有一台组态好的处理器，这样就有助于计算出地层边界的方向和位置。

在一种实施方式中，这一处理器带有存储器，存储有转换表。根据接收器接收和测量到的电磁信号的振幅和相位，即可计算出地层边界的方向和位置。

本发明实施例还提供了用非旋转工具检测地层边界的设备包括：带有一根纵轴的钻具主件、部署在钻具主件上的第一台发射器、部署在钻具主件上且同第一台发射器垂直的第二台发射器、部署在钻具主件上的第一台接收器以及部署在钻具主件上且同第一台接收器垂直的第二台接收器。

在一种实施方式中，第一台发射器和第二台发射器发射电磁信号，当它们大致同时启用时，经过调解这些电磁信号就可以让整个发射磁场的矢量根据时间实现电动旋转。

在其他方案中，调节第一台接收器和第二台接收器是为了接收和测量来自特定方位的电磁信号并根据测得的电磁信号振幅和相位计算出地层边界的方向和位置。

在其他方案中，用非旋转工具检测地层边界的设备还包括一个地层电阻率测量工具。

在另一个方案中，接收器利用换算表把接收器测得的电磁信号振幅的相关信息以及用测井仪测量到的地层电阻率转换为地层边界的方向和位置。

本发明实施例提供的用非旋转工具检测地层边界的设备，与现有技术中的通过将钻孔分成了多个分区，再在测量的时候，根据每个分区测得的电阻率结果的相关性，就可以计算得出地层边界的位置和方向，并在一个分区测量时就关掉测井仪，以减小电阻率测井仪的振动和晃动对数据测量值的精确性所产生的影响，极大的延长了数据测量的过程相比，其通过在钻具主件上部署的面向不同方向的第一台发射器和第二台发射器，再通过调节两台发射器的电磁信号磁矩，并且启用这两发射器，在测量两台发射器的调制电磁信号时，调节两个接收器接收到的信号辅导，再根据接收和测量到的相位计算出地层边界的方向和位置，使得通过电器消除发射器的调制矢量来停止钻具主件，进而模拟了钻具主件机械旋转产生的影响，并计算出了底层边界的方向和位置，解决了现有技术中的不足。

附图说明

图1示出了传统电阻率测井仪这一相关技术；

图2示出了本发明实施例的测井时钻井井眼被分为了许多个分区的示意图；

图3示出了地层边界检测这一相关技术；

图4A示出了本发明实施例的定向电阻率测井仪的前视图；

图4B示出了本发明实施例的x-y平面所示的x-发射器和y-发射器的调制矢量示意图；

图4C示出了本发明实施例的图4A所示的定向电阻率测井仪的结构示意图；

图5A示出了本发明实施例的通过运用本发明方案中的电动旋转技术实现定向测量的示意图；

图5B示出了图5A在一个边界条件下的一份三维透视图；

图5C示出了图5A在另一个边界条件下的一份三维透视图；

图6示出了本发明实施例的信号振幅与电动旋转角度之间用数据图表示的模拟结果；

图7A示出了本发明实施例的信号振幅与边界距离之间用数据图表示的模拟结果；

图7B示出了本发明实施例的信号振幅与边界距离之间模拟结果示意图；

图8是本发明实施例的地层边界检测的流程图。

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。

本发明实施例提供了用非旋转工具检测地层边界的设备，如图4A所示的根据本发明中的一些方案得出的定向电阻率测井仪的前视图。定向电阻率测井仪由一个钻具主件300、带x-轴和y-轴的两台发射器(一台x-发射器304和一台y-发射器302，也可以分别称为第一台发射器和第二台发射器)、带x-轴和y-轴的两台接收器(一台x-接收器404和一台y-接收器402，也可以分别称为第一台接收器和第二台接收器)以及安装在钻具主件300末端的钻头406组成。与钻具主件300相关的坐标系(x,y,z)如图所示。钻具主件300的纵轴方向被定义为当前坐标系中的z方向。x-发射器304、y-发射器302、x-接收器404以及y-接收器402可能包括一根或几根用于发射或接收电磁信号的天线。x-发射器304与y-发射器302并列或是相互在轴向上相距一定的距离。x-接收器404以及y-接收器402并列或是相互在轴向上相距一定的距离。需要说明的是，接收器组可以是有第一台接收器和第二台接收器组成，发射器组可以是由第一台发射器和第二台发射器组成的。本申请中的“大致垂直”可以理解为其优选方案为“垂直”。

在一种实施方式中，钻具主件300可以是钻铤或钻柱。

在一种实施方式中，发射器方位各不相同。

在一种实施方式中，接收器方位各不相同。

本发明绝不局限于发射器和接收器的任意特殊代码、方位或形状。

为了进行定向测量，不用机械旋转钻具主件300，只需通过使用电动旋转技术消除x-发射器304和y-发射器302调制矢量的极化就可以停止钻具主件300，从而模拟钻具主件300机械旋转产生的影响。电动旋转技术可以从调节x-发射器304和y-发射器302发射出的电磁信号开始算起。运用到x-发射器304和y-发射器302上的电子信号可以用下列方程(1-1)表示。

其中，和分别是运用到x-发射器304和y-发射器302上的信号分量；S_T是发射器回路产生的信号振幅；Ω是调制电磁信号磁矩电动旋转的角频率；t是电动旋转开始的一段时间。

同样，x-接收器404和y-接收器402接收到的电磁信号也可以用方程(1-2)进行调节。

其中，和分别是x-接收器404和y-接收器402接收到的电磁信号；s_x和s_y分别是促成x-接收器404和y-接收器402总接收信号的信号分量；Ω是调制电磁信号磁矩电动旋转的角频率；t是电动旋转开始的一段时间。

可以看出方程(1-1)和方程(1-2)中的x-分量都是按余弦函数cos(Ωt)计算的，而方程(1-1)和方程(1-2)中的y-分量是按正弦函数sin(Ωt)计算的。因此，发射器组304和302以及接收器组404和402共享一个调制矢量可以用下列方程(2)表示,

其中，和分别表示x-轴和y-轴的单位矢量。

图4B表示x-y平面的发射器组(x-发射器304和y-发射器302)或/与接收器组(x-接收器404和y-接收器402)的调制矢量。这一矢量可能包含一个电动旋转矢量408。φ表示从正x轴上逆时针测得的电气旋转矢量408的角度。可设定φ等于Ωt并使其根据时间来模仿传统电阻率测井仪的机械旋转动作。因此，整个测量的持续时间等于2π/Ω。调制电磁信号磁矩电动旋转的角频率Ω可以跟传统电阻率测井仪的机械旋转速度在相同的振幅范围内。另外，调制电磁信号磁矩电动旋转的角频率Ω可能更快一些，因为电动旋转没有物理限制。根据方程(2)，正x轴逆时针旋转方向上测得的调制矢量在t＝0至2π/Ω之间的不同时间可以用下列方程(3-11)表示。从正x轴开始，0-2π/Ω旋转角度的一整个周期可以分为四个象限：第一象限410、第二象限412、第三象限414和第四象限416。

当t＝0时, $\hat{M}=\hat{x}---\left(3\right)$

x-发射器304和y-发射器302或x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在正x轴方向上可能包含一个电动旋转矢量408。

当t＝π/(4Ω), $\hat{M}=(\hat{x}+\hat{y})/\sqrt{2}---\left(4\right)$

x-发射器304和y-发射器302或x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在正x轴逆时针方向上测得的45°角范围内可能包含一个电动旋转矢量408。

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

x-发射器304和y-发射器302或x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在正y轴方向上可能包含一个电动旋转矢量408。

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

x-发射器304和y-发射器302或x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在正x轴逆时针方向上测得的135°角范围内可能包含一个电动旋转矢量408。

当t＝π/(Ω)时， $\hat{M}=-\hat{x}---\left(7\right)$

x-发射器304和y-发射器302或者x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在负x轴方向上可能包含一个电动旋转矢量408。

当t＝5π/(4Ω)时， $\hat{M}=(-\hat{x}+\hat{y})/\sqrt{2}---\left(8\right)$

x-发射器304和y-发射器302或者x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在正x轴逆时针方向上测得的225°角范围内可能包含一个电动旋转矢量408。

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

x-发射器304和y-发射器302或者x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在负y轴方向上可能包含一个电动旋转矢量408。

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

x-发射器304和y-发射器302或者x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在正x轴逆时针方向上测得的315°角范围内可能包含一个电动旋转矢量408。

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

x-发射器304和y-发射器302或者x-接收器404和y-接收器402的调制矢量在正x轴反方向上可能包含一个电动旋转矢量308，这与旋转周期刚刚开始时的电动旋转矢量408的方向相同。因此，方程(3)等于方程(11)。

方程(3)至(11)表明，x-发射器304和y-发射器302以及x-接收器404和y-接收器402同步旋转，因为它们都共用一个调制矢量

在一种实施方式中，x-接收器404和y-接收器402可以通过方程(12)进行调节，这样接收器组404和402的电动旋转就可以同发射器组304和302的电阻旋转保持相位延迟

在一种实施方式中，方程(12)中的相位延迟可以设为90°，以便使从发射器组(x-发射器304和y-发射器302)到接收器(x-接收器404和y-接收器402)的直接耦合信号降到最低。

在一种实施方式中，使用电动旋转技术时，钻具主件300依然可以机械旋转。

图4C是一份图4A所示的定向电阻率测井仪的示意图，其中一部分用的是方块图。x-发射器304和y-发射器302还可包括一个发射器回路418(可以是x-发射器304和y-发射器302分别包括一个发射器回路418，也可以x-发射器304和y-发射器302共同包括一个发射器回路418)，用来调节其天线发射出的电磁信号。x-接收器404和y-接收器402可能还包括一个接收器回路420(可以是x-接收器304和y-接收器302分别包括一个接收器回路420，也可以x-接收器304和y-接收器302共同包括一个接收器回路420)，用来处理其天线接收到的从x-发射器304和y-发射器302发射出的电磁信号并分析它们的振幅和相位。

在一种实施方式中，接收器回路420可以同处理器422连接，这样有助于处理和分析已收到的电磁信号的振幅和相位并计算出钻具主件300附近的地层边界的方向和位置。

在一种实施方式中，发射器回路418也可以同处理器422连接。

在一种实施方式中，钻具主件300还可以同一个或多个测井工具(图4A或4C中未显示，测井工具也可以成为测井仪)连接，用于测量周围地层的电阻率、介电常数和渗透性。钻具主件300附近的地层边界的位置也可以根据x-接收器404和y-接收器402接收到的电磁信号的振幅和相位的相关结果以及由测井工具计算出来的周围地层的电阻率、介电常数和渗透性进行计算。因此，根据测得的电磁信号(信号电压)的振幅、两个地层及其边界的电阻率、介电常数以及渗透率，利用方程(13)即可导出地层边界的位置(从钻具主件到地层边界的距离)。

d＝f(V_max,R₁,R₂,ε₁,ε₂,μ₁,μ₂)(13)

其中，d可以是钻具主件300与地层边界两者之间的距离；V_max可以是测得的电磁信号的最大电压；R₁和R₂可以是地层边界两侧地层的电阻率；ε₁和ε₂可以是地层边界两侧地层的介电常数；μ₁和μ₂可以是地层边界两侧地层的渗透率。

当地层边界附近有三个及以上地层时，方程(12)可能会需要更多的变量，因为涉及到电阻率、介电常数和渗透率这些信息。

然而，如果电磁信号频率较低时，两个地层的电阻率在确定钻具主件300和地层边界之间的距离时就会发挥主导作用。因此，当运行频率低时，方程(12)可以变成方程(14)。

d＝f(V_max,R₁,R₂)(14)

在一种实施方式中，可以由部署在钻具主件300上的其他多重电阻率测井仪提供电阻率的相关信息。

在一种实施方式中，处理器422可以同存储器424连接。存储器中存有一个或几个预建的转换表。转换表可以是一个使用电磁正演模拟软件提前计算好的多维度速查表。这样一来，预建的转换表就能够节省根据测得的电磁信号的原始数据来实际“计算”地层边界的位置和方向所用的时间。转换过程中可以使用内插法和/或外推算法。

预建的转换表包括：(1)用于将电磁信号的振幅和相位转换为附近地层边界的方向和位置相应信息的转换表；(2)用于将测得的电磁信号的振幅与地层电阻率、介电常数和渗透率转换为附近地层边界的位置信息的转换表；(3)用于将测得的电磁信号的振幅与地层电阻率信息转换为附近地层边界的位置信息的转换表。

本发明绝不局限于任何用于转换表中的任何信息组合内容。

图5A是一个模型500，用于说明通过运用本发明方案中的电动旋转技术就可以实现定向测量。模型500由第一地层504、第二地层506和介于这两者之间的边界502组成。边界502的表面大体上与z-y平面平行(可以是边界502的表面与z-y平面平行)。根据本发明中的一些优选方案，带有纵轴的定向电阻率测井仪可用于第二地层506的初期测量。x-发射器304和y-发射器302发射出的电磁信号可以根据方程(1-1)进行调节，而x-接收器404和y-接收器402接收到的电磁信号可以根据方程(1-2)进行调节。

图5B和图5C是图5A分别在两种发射器调制条件下的三维透视图。在图5B中，x-发射器304和y-发射器302的调制矢量的电动旋转矢量408与边界502的表面大致平行且位于负y轴上(也可以，电动旋转矢量408与边界502的表面大致平行)。根据电磁学理论，x-发射器304和y-发射器302的调制矢量能够引起电流分量508流向位于边界502处的钻具主件300(z-向)的纵轴方向。接着，在z-向流动的感应电流分量508会产生一个二级磁场510，其轴线与钻具主件300的轴线平行。这样的话，x-接收器404和y-接收器402上感应到的电磁信号强度都会达到最大值。因此，如果x-接收器404和y-接收器402的调制矢量与x-发射器304和y-发射器302的调制矢量的调节方式相同，例如都在负y轴方向上调制的话，那么调制接收器组(x-接收器404和y-接收器402)感应到的电磁信号的强度就会达到最大值。另外，如果x-接收器404和y-接收器402的调制矢量与x-发射器304和y-发射器302的调制矢量调制成垂直状态时，例如在x轴方向上调制，那么接收器组(x-接收器404和y-接收器402)感应到的电磁信号的强度就会达到最小值。

在5C中，x-发射器304和y-发射器302的调制矢量408大致上与边界502的表面垂直且位于正x轴方向上。根据电磁学理论，x-发射器304和y-发射器302的调制矢量能够引起电流分量512围绕位于边界502处的x轴的附近流动。接着，在x轴附近流动的感应电流分量512就会产生二级磁场514，其位置与x-接收器404的表面垂直。这样的话，x-接收器404和y-接收器402上感应到的电磁信号强度分别达到最大值和最小值。因此，如果x-接收器404和y-接收器402的调制矢量都在x轴方向上并且与x-发射器304和y-发射器302的调制矢量的调节方式相同，那么调制接收器组404和402感应到的电磁信号的强度就会达到最大值。另外，如果x-接收器404和y-接收器402的调制矢量与x-发射器304和y-发射器302的调制矢量调制成垂直状态时，例如在y轴方向上调制，那么接收器组(x-接收器404和y-接收器402)感应到的电磁信号的强度就会达到最小值。

根据本发明的一些方案，图6表示信号强度与电动旋转角度之间的模拟结果，用数据图表示。当第一地层404和第二地层406各不相同且两者之间存在边界402时，在一个完整的电动旋转(0-360°)周期内，正弦波602和604代表在正x轴不同角度时由调制接收器组404和402逆时针方向上测量到的信号强度。当接收器组404和402的调制矢量平行且与发射器组304和302的调制矢量同步进行时，就可以测量到这里所说的正弦波602。当接收器组(x-接收器404和y-接收器402)的调制矢量垂直且与发射器组(x-发射器304和y-发射器302)的调制矢量同步进行时，就可以测量到正弦波604。当第一地层404和第二地层406两者大致相同且两者之间没有边界502(均质地层)时，在一个完整的电动旋转(0-360°)周期内，直线606代表的是在正x轴不同角度时逆时针方向上测量到的感应电磁信号的振幅。因此，正弦波602和604的存在确实表明存在边界402。然而，正弦波602的最大值表明：当方位角范围为0-360°时，地层边界在90°和270°的时候分别出现一次，这就说明地层边界肯定位于其中一个方向上。为了专门确定地层边界的方向，就需要用到图7A和图7B中所示的边界距离信息。

根据本发明的一些方案，图7A是相关信号振幅与边界距离之间的模拟结果，用数据图表示。图7A表明，接收器404和402上感应到的电磁信号的振幅值与边界502的位置有关系。钻具主件300越接近边界502，信号振幅就越大。

根据本发明的一些方案，图7A是对附近存在地层边界502时的一种模型化响应。钻铤706的轴线与z-轴平行。地层边界502离x轴上的钻铤706有一段距离。当发射器组(x-发射器304和y-发射器302)以及接收器组(x-接收器404和y-接收器402)以径向方式在x-y平面上电动旋转一圈时，就可以记录下模型化工具测量信号704。图上，704这一点距离钻铤706的中心越远，则那一点的信号幅度越大。图中704显示了幅度最大的两个点—708和710。点708位于x轴上，而点710位于负x轴上，这就说明地层边界可能位于x轴或负x轴上。

根据图7A所示的模型结果，测得的信号幅度同地层边界至钻具主件之间的距离成反比。为了测定边界502的确切方向，钻机要记录当前钻井井眼深度x1时的信号幅度V1，然后用钻铤706往x轴的方向上钻一小段距离并记录下第二深度x2时的信号幅度V2，最后计算出信号差值ΔV＝V2-V1。如果ΔV>0，那么地层边界就位于x轴上；如果ΔV<0,那么地层边界就位于负x轴上。钻机也可以利用钻铤往负x轴的方向下钻。如果ΔV>0，那么地层边界就位于负x轴上；如果ΔV<0,那么地层边界就位于x轴上。

综上所述，边界502的位置可以通过下面两个步骤进行确定：1)发射器组(x-发射器304和y-发射器302)以及接收器组(x-接收器404和y-接收器402)同时电动旋转，记录下不同方位角时的测量值；2)选出通过步骤1中测量数据反映出的两个可能的地层边界方向中的一个，在所选的方向上钻一会儿，然后记录下钻井方向变化前后的信号幅度。如果信号幅度在钻井方向改变后一直增加，则表明钻具正在接近边界；反之则表明钻具远离边界。因此，边界方向要特殊测定。

图8是地层边界检测的流程图。用于执行地层边界检测的方法包括：如下步骤：

801，在钻孔内部署好钻具主件；

802，调节第一台发射器和第二台发射器待发射的电磁信号的磁矩；

803，同时开启第一台发射器和第二台发射器；

804，调节第一台接收器和第二台接收器，以接收和测量第一台发射器和第二台发射器调节过的电磁信号；

805，根据第一台接收器和第二台接收器接收和侧脸到的电磁信号的振幅和相位计算出底层边界的方向和位置。

在钻井井眼内部署一个钻具主件；

钻具主件与第一台发射器和第二台发射器以及第一台接收器和第二台接收器一起部署，调节第一台发射器和第二台发射器的待发射电磁信号的磁矩，同时启用第一台发射器和第二台发射器；

其中由第一台发射器和第二台发射器发射出的调制电磁信号的调制矢量在启用期间电动旋转，利用接收器接收和测量第一台发射器和第二台发射器发出的调制电磁信号，根据接收器接收和测量到的振幅和相位计算出地层边界的方向和位置。

在一种实施方式中，第一台发射器和第二台发射器的方向大体上相互垂直(较好的，第一台发射器和第二台发射器的方向相互垂直)。

在一种实施方式中优选的，第一台接收器和第二台接收器的方向大体上相互垂直(第一台接收器和第二台接收器的方向相互垂直)。

在一种实施方式中，用于执行地层边界检测的方法包括提供一个方程用来调节第一台发射器和第二台发射器的待发射电磁信号的磁矩；

其中，m₁和m₂分别是指施加到第一台和第二台发射器上的磁矩；m₀是磁矩的大小；Ω是调制电磁信号的磁矩电动旋转的角频率；t是电动旋转开始的一段时间。

在一种实施方式中，角频率是可以调节的。

在一种实施方式中，用于执行地层边界检测的这种方法包括测量来自第一台发射器和第二台发射器不同电动旋转角度(不同的分区)时的调制电磁信号。

在一种实施方式中，用于执行地层边界检测的这种方法包括：根据接收器(第一台接收器，和/或第二台接收器)接收和测量到的电磁信号的幅度，提供一个转换表，以便计算出地层边界的方向和位置。在一种实施方式中，用于执行地层边界距离检测的这种方法包括检索配有钻具主件的测井工具(测井仪)的地层电阻率的信息。

在一种实施方式中，用于执行地层边界检测的这种方法包括：根据接收器接收和测量到的电磁信号的振幅和相位以及从测井工具检索到的地层电阻率信息，提供一个转换表，以便计算出地层边界的方向和位置。

本发明绝不局限于特定顺序步骤或要求按照图8所示的特殊步骤执行。

依据具体方案，本发明在描述时融入了很多详细说明，以增强对本发明构建和运作原理的理解。这些具体方案提到的参考以及详细说明并不是为了限制下文所附的声明范围。对于专业技术人员而言，一眼就能看出所选方案中做了不同程度的改动，但是并没有偏离声明中对本发明的宗旨和范围的定义。

以上所述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 (10)

1.用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，包括：

一个带纵轴的钻具主件；

部署在所述钻具主件上且面向第一方向的第一台发射器；

部署在所述钻具主件上且面向第二方向的第二台发射器；

其中，第一台发射器和第二台发射器用来发射电磁信号，而调节电磁信号的磁矩是为了在第一台发射器和第二台发射器同时启用时，使第一台发射器和第二台发射器的调制矢量实现电动旋转；

部署在钻具主件上且面向第一方向的第一台接收器；

部署在钻具主件上且面向第二方向的第二台接收器；

其中，所述第一台接收器和所述第二台接收器用来接收和测量电磁信号，而调节电磁信号的磁矩是为了在所述第一台接收器和所述第二台发射器接收信号时，使第一台接收器和所述第二台接收器的调制矢量实现电动旋转。

2.根据权利要求1所述的用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，钻具主件包括钻柱或钻铤。

3.根据权利要求1所述的用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，第一台发射器与第二台发射器并列部署或在轴向上，且相离有一预设距离；第一台接收器与第二台接收器并列部署或在轴向上，且相离有一段距离。

4.根据权利要求1所述的用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，第一台发射器和第二台发射器以及第一台接收器和第二台接收器中，至少每台都带有一根天线；第一台发射器的第一方向与第二台发射器的第二方向垂直；第一台接收器的第一方向与第二台接收器的第二方向垂直。

5.根据权利要求1所述的用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，发射的电磁信号通过方程 $\left\{\begin{array}{c}{m}_1=m_{0}cos\left(\mathrm{\&Omega;}t\right)\\ m_2=m_{0}sin\left(\mathrm{\&Omega;}t\right)\end{array}\right.$ 进行调节；其中，m₁和m₂分别是指施加到第一台发射器和第二台发射器上的磁矩；m₀是磁矩的大小；Ω是调制电磁信号磁矩电动旋转的角频率；t是电动旋转开始的一预设时间段；接收到的电磁信号通过方程 $\left\{\begin{array}{c}{s}_x=S_x^{R}cos\left(\mathrm{\&Omega;}t\right)\\ s_y=S_y^{R}sin\left(\mathrm{\&Omega;}t\right)\end{array}\right.$ 进行调节；其中，和分别是第一台接收器和第二台接收器接收到的电磁信号；s_x和s_y分别是第一台接收器和第二台接收器提供的接收到的信号分量；Ω是接收器组电动旋转的角频率；t是电动旋转开始的一预设时间段。

6.根据权利要求1所述的用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，第一台发射器和第二台发射器包括一个发射器回路，用于调节待发射的电磁信号；第一台接收器和第二台接收器包括一个配置好的接收器回路，用来处理接收到的电磁信号并分析其振幅和相位。

7.根据权利要求1-6任一项所述的用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，第一台接收器，和/或第二台接收器配备有一台已经组态好的处理器，用于计算出地层边界的方向和位置。

8.根据权利要求7所述的用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，处理器配备有一个存储器，存储器内设置有转换表，用于根据接收器接收和测量到的振幅和相位计算出地层边界的方向和位置。

9.用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，包括：

一个带纵轴的钻具主件；

部署在所述钻具主件上的第一台发射器；

部署在所述钻具主件上且与第一台发射器大致垂直的第二台发射器；

其中，第一台发射器和第二台发射器用来发射电磁信号，而调节电磁信号的磁矩是为了在第一台发射器和第二台发射器同时启用时，使第一台发射器和第二台发射器的调制矢量根据时间实现电动旋转；

部署在钻具主件上的第一台接收器；

部署在钻具主件上且与第一台接收器大致垂直的第二台接收器；

其中，第一第一台接收器和第二台接收器用来接收和测量电磁信号，而调节电磁信号的磁矩是为了使第一台接收器和所述第二台发射器接收信号时，使第一台发射器和第二台发射器的调制矢量根据时间实现电动旋转；其中，第一台接收器和第二台接收器用于接收和测量来自第一台发射器和第二台发射器的调制电磁信号，并根据电磁信号测量到的振幅和相位计算出地层边界的方向和位置。

10.根据权利要求9所述的用非旋转工具检测地层边界的设备，其特征在于，还包括一个用于测量地层电阻率的测井工具；所述第一台接收器，和/或所述第二天接收器利用换算表把接收器组测得的电磁信号振幅的相关信息以及用测井工具测量到的地层电阻率转换为地层边界的方向和位置。