CN105715255B - 地层边界检测和地层电阻率测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了地层边界检测和地层电阻率测量的装置，涉及石油领域。该装置通过设置了旋转式圆柱形金属钻具主件，所述钻具主件上面至少部署了五个开槽天线，包括三台发射器开槽天线和两台接收器开槽天线。其中，第一台接收器开槽天线和第二台接收器开槽天线以及第一台发射器开槽天线同位部署在钻具主件表面上，而第二台发射器开槽天线和第三台发射器开槽天线部署在接收器开槽天线相对的钻具主件的对面，使在获取了地层电阻率的同时，也能够确定了地层边界的距离和方向的信息，从而解决了现有技术的不足。

Description

地层边界检测和地层电阻率测量的装置

技术领域

本发明涉及石油领域，具体而言，涉及地层边界检测和地层电阻率测量的装置。

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测定地层电阻率(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。)，并且不同岩石的物理模型(例如阿尔奇定律)可以用来测定地层及其相应流体的岩石物理性质。根据现有技术，电阻率是一个用于划定碳氢化合物(例如原油或天然气)以及多孔地层含水量的重要参数。

随着现代钻井与测井技术的发展，“水平钻井”以其能够增加产油层(含碳氢化合物的地层)浮露深度的优势而备受人们的青睐。“水平钻井”是指在地质构造角度较小的地方钻井。最好尽可能将钻井井眼定位在产油层，以便最大程度确保其恢复程度。因此，钻井井眼的后续钻井工作就需要用到带方向性灵敏度功能的定向电阻率测井仪来确定其钻井决策。在得到地层界面识别、地层角度探测以及断裂特征等测量结果后，就可以制定出相应的钻井决策。

定向电阻率测量值一般包括发射和/或接收横向模式(x-模式或y-模式)或混合模式(x-模式和z-模式)电磁波。这类测量适用于不同的天线配置，比如，图1A中的横向天线配置(x-模式)、图1B中的双-刨床天线配置、图1C中的鞍型天线配置(x-模式、z-模式和混合模式)以及图1D中的倾斜天线配置等。图1A中的横向天线的磁矩指向与(横向天线使用的)定向电阻率测井仪的纵轴垂直。图1B、1C和1D中的各种天线配置能够发送或接收磁场的横向分量，从而得到定向电阻率测量值。

定向电阻率测井仪的其中一项最重要的运用就是地质导向——通过精确定位产油层边界和调节钻井井眼方向引导钻头在产油层范围内作业，防止越界。标准的地层边界检测如图2A所示，图中用一个x-模式天线TX_X或一个y-模式天线TX_Y来向地层发射电磁能，并利用z-模式接收器RX_Z来接收电磁信号。如果激活y-模式发射器TX_Y并且测井仪周围有地层界面或边界，那么当测井仪围绕其纵轴旋转一圈时，z-模式接收器RX_Z就会收到图2B中所示的正弦波。根据测量出的正弦信号，就可以确定边界的走向。然而，这一方案并不能够测量出地层电阻率。它只能检测出地层边界或异常等地层不均匀性。

地层边界检测的另一项现有技术，具体地，可以通过一个x-模式发射器天线TX_X或一个y-模式天线TX_Y来向地层发射电磁能并利用另一个x-模式接收器RX_X或y-模式接收器RX_Y来接收电磁信号。如果激活x-模式发射器TX_X并且测井仪周围有地层界面或边界，那么当测井仪围绕其纵轴旋转一圈时，x-模式接收器RX_X就会收到图3中所示的正弦波。通过对比图2B和图3中的正弦波，我们会发现图3中的正弦波有两次完整的循环，这就表明地层边界有可能位于其中一个相反的方向。虽然一个由x-模式发射器和x-模式接收器组成的系统能够测量地层电阻率，但是要以此专业测定出地层边界方向的话还存在一定难度。

如上所述，尽管定向电阻率测井仪一直用于商业用途，但是仍有必要对天线配置进行改良，以便让定向电阻率测井仪不但能够测量地层电阻率，而且能够专业测定出地层边界的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供地层边界检测和地层电阻率测量的装置，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了地层边界检测和地层电阻率测量的装置的一个方案，旋转钻井井眼内的电阻率测井仪；第一，部署在电阻率测井仪上的第一台发射器开槽天线发射电磁信号；接收接收器开槽天线的电磁信号，且第二台接收器开槽天线与第一台发射器开槽天线部署在同一直线上；电阻率测井仪旋转一圈的期间，从第一条开槽天线(第一台接收器开槽天线)和第二条开槽天线(第二台接收器开槽天线)的感应电压中提取正弦波；导出地层边界方向信息；电阻率测井仪旋转期间且存在旋转角度时，从第二条(第二台接收器开槽天线)和第三条开槽天线(第三台接收器开槽天线)的感应电压中提取最高-最低幅值，然后导出地层电阻率以及地层边界的距离和方向的信息。第二，部署在测井仪上的第一台接收器开槽天线以及部署在测井仪上的第二台接收器开槽天线对面的第二台发射器开槽天线发射出电磁信号；接收第一台接收器和第二台接收器开槽天线的电磁信号；提取第一台接收器和第二台接收器开槽天线上感应电压之间的第一个微分相位。第三，部署在第一台接收器开槽天线以及部署在测井仪上的第二台接收器开槽天线对面的第三台发射器开槽天线发射出电磁信号；接收第一台接收器和第二台接收器开槽天线的电磁信号；提取第一台接收器和第二台接收器开槽天线上感应电压之间的第二个微分相位。第四，通过之前导出的第一微分相位和第二微分相位的平均值来导出补偿微分相位；通过将导出的补偿微分相位运用到预先计算好的转换表内，从而得到地层电阻率。

在一种实施方式中，第一、第二和第三开槽天线都沿同一直线安装在测井仪本体轴心上，其中第一开槽天线用作发射器的天线，而第二开槽天线和第三开槽天线则用作一对接收器天线。用接收器组之间的微分相位和衰减量来表明地层电阻率。测井仪旋转期间，其中一台接收器的信号变化将提供附近地层边界信息。

在一种实施方式中，第一、第二和第三台发射器开槽天线以及第一台接收器开槽天线和第二台接收器开槽天线都将嵌入到电阻率测井仪(内部接线)外表面区域，形成一个“凹区”。

在一种实施方式中，通过一根电缆将“凹区”的一侧端壁与位于该区另一端的同轴电缆连接器的中心导线连接起来，形成一个磁偶极子，从而产生磁场。

在一种实施方式中，同轴电缆连接器会把“凹区”的电缆连接到电路上，以便信号传输。

本发明实施例还提供了地层边界检测和地层电阻率测量的方法的另一个方案，部署在电阻率测井仪(带纵轴和外表面)内的磁偶极天线包括在测井仪上形成的一个缺口、一个部署在测井仪外表面下方的同轴电缆连接器以及一根将缺口的一侧端壁与位于该区另一端的轴电缆连接器的中心导线连接起来的电缆。这一缺口和这根电缆就形成了一个磁偶极子，因而能够发射或接收电磁信号。

在一种实施方式中，磁偶极天线还包括填充在缺口中的导磁物质。

在一种实施方式中，渗透性材料就是用于提升磁偶极子发射和接收性能的磁性材料。

在一种实施方式中，磁性材料都是从铁氧体材料、非导电磁性合金、铁粉以及镍铁合金组成的物质中提炼出来的。

在其他方案中，磁偶极天线还包括填充在缺口内的防护材料。

在其他方案中，防护材料包括环氧树脂。

在其他方案中，该缺口呈圆形。

在其他方案中，该缺口成矩形。

在其他方案中，磁偶极天线还包括外表面的多个凹槽。越过测井仪的这个缺口可以提升电磁信号的发射和接收能力。

在其他方案中，凹槽呈椭圆形。

本发明实施例中还提供了用于测量地层定向电阻率的装置，该装置包括一个带纵轴和外表面的电阻率测井仪、测井仪外表面形成的且同测井仪纵轴平行的多个插槽和插槽内的多条电线以及连接插槽端壁的多条电缆，最终形成磁偶极天线。磁偶极天线至少组成了一个发射器-接收器天线组，用于执行电磁信号的发射和接收功能。

在一种实施方式中，该装置还包括一个用来连接电缆和线路的同轴电缆连接器，用来处理处理待发射或接收的电磁信号。

在一种实施方式中，这一装置还包括测井仪外表面形成的多个凹槽，通过测井仪的这些插槽可以提升电磁信号的发射和接收性能。

在一种实施方式中，测井仪上的凹槽与插槽是垂直的。

在其他方案中，这一装置还包括填充在插槽内的导磁材料。

在其他方案中，这一装置还包括填充在插槽内的防护材料。

本发明实施例提供的地层边界检测和地层电阻率测量的装置，与现有技术中的通过设置x-模式发射器和x-模式接收器，使得能够使地层边界检测仪只能够测量地层电阻率，却不能测定出地层边界方向相比，其通过在电阻率测井仪旋转一圈的期间，从第一条和第二条开槽天线的感应电压中提取正弦波，进而导出地层边界方向信息，从第二条(第二台接收器开槽天线)和第三条开槽天线(第三台接收器开槽天线)的感应电压中提取最高-最低幅值，然后导出地层电阻率以及地层边界的距离和方向的信息，并且还通过提取有第二台发射器天线发射出电磁信号后，由第一台接收器和第二台接收器开槽天线上感应电压之间的第一个微分相位，和通过由第三台发射器开槽天线发射出电磁信号后，提取由第一台接收器和第二台接收器开槽天线上感应电压之间的第二个微分相位，再通过第一微分相位和第二微分相位的平均值来导出补偿微分相位，并进一步通过将导出的补偿微分相位运用到预先计算好的转换表内，从而得到地层电阻率，使在获取了地层电阻率的同时，也能够确定了地层边界的距离和方向的信息，从而解决了现有技术的不足。

附图说明

图1A示出了相关技术中测井仪中使用的第一种横模天线结构图；

图1B示出了相关技术中测井仪中使用的第二种横模天线结构图；

图1C示出了相关技术中测井仪中使用的第三种横模天线结构图；

图1D示出了相关技术中测井仪中使用的第四种横模天线结构图；

图2A示出了相关技术中地层边界检测的示意图；

图2B示出了相关技术中，使用图2A的天线的反应波形图；

图3示出了相关技术中，边界检测和电阻率测量的反应波形图；

图4示出了本发明实施例的定向电阻率测井仪以随钻测井系统方式组装的前视图；

图5A示出了本发明实施例的开槽天线的透视图；

图5B示出了图5A中所示的开槽天线AA’沿线的剖面图；

图5C示出了图5A中所示的开槽天线BB’沿线的剖面图；

图6A示出了本发明实施例的具有多个横凹槽的开槽天线；

图6B示出了图6A中所示的开槽天线CC’沿线的剖面图；

图7A示出了本发明实施例的定向电阻率测试仪透视图；

图7B示出了使用图7A中定向电阻率测试仪的第一种模拟结果图；

图7C示出了使用图7A中定向电阻率测试仪的第二种模拟结果图；

图7D示出了使用图7A中定向电阻率测试仪的第三种模拟结果图；

图8A示出了本发明实施例的图7中模拟模式运行状态下的定向电阻率测井仪使用状态图；

图8B示出了本发明实施例的图8A中运行的一种模拟结果图；

图9示出了本发明实施例的图8A中运行的另一种模拟结果图；

图10示出了本发明实施例的进行地层边界检测和测量地层电阻率的流程图。

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带开槽天线的定向电阻率测井仪测量出地层的定向电阻率和地层边界的方法以及，实施该方法所使用的装置。图4是定向电阻率测井仪412以传统随钻测井系统400方式以及本发明所提供的一些方案组装的前视图。传统随钻测井系统400由一台钻机402、一根钻柱406、一个钻头410以及一个定向电阻率测井仪412组成。钻柱406以钻机402为支撑，能够从表面404往下延伸至钻井井眼408的位置。钻柱406、钻头410和定向电阻率测井仪412在钻井时测量出地层的地质特性。

在一种实施方式中优选的，钻柱406还可以包括一个泥浆脉冲遥测系统、一台钻井马达、测量传感器，比如，核测井仪、方位传感器、加速计、陀螺仪、磁力计等，从而便于测量周围地层。另外，钻柱406可以配套一台起重设备，方便钻柱406的吊装作业。

根据本发明所供的技术方案，定向电阻率测井仪412不仅可以运用在随钻测井(“LWD”)系统中，而且可以运用在随钻测量(“MWD”)系统以及测井电缆中。此外，定向电阻率测井仪412同样适用于任意钻井环境和钻井平台，无论是陆地还是海面上，包括但不局限于固定式、悬浮式以及半淹没式平台中。

图5A是磁性开槽天线的透视图，其详细结构如图5B所示。

图5B为如图5A中开槽天线502沿线AA’的剖面图。开槽天线502可以是测井仪本体(内有电缆506)外表面500形成的缺口504的一种配置。电缆506将缺口504的端壁508与该缺口另一端的同轴电缆连接器510的中心导线连接起来。同轴电缆连接器510可以把缺口504中的电缆506与电路室512连接，可以部署在缺口504的外部和测井仪本体外表面500的下方。电路室512可以配备有发射器和接收器线路，用于处理待发射或接收的电磁信号。

在一种实施方式中较好的，开槽天线502的方向不但能够与测井仪轴线平行，而且能够朝向其他方向，比如说，与轴线垂直或与轴线呈一定角度。

在一种实施方式中具体的，具有导磁性的材料514会用来填充缺口504，以提供开槽天线502的发射和接收性能。材料514可以是一种导磁材料，可以位于中心导电丝和缺口底部之间的任意位置。这种导磁材料可以是，但不局限于铁氧体材料、非导电磁性合金、铁粉和镍铁合金。

在一种实施方式中，防护材料516也可能会用来填充缺口504。防护材料516可以用来防止开槽天线502在钻井期间出现损坏。这种防护材料可以是，但不局限于环氧树脂，并且位于导磁材料的上方。

图5C为图5A所示的开槽天线502沿线BB’的剖面图。缺口504的形状各异，可以是圆形、矩形或任意其他形状。

图6A表示的是定向天线502与多个横凹槽602部署的示意图。多个横凹槽602在外表面500上形成，增加了定向电阻率测井仪上的内凹/渗透区域，这样就可以提高开槽天线502的发射和接收效率。

图6B表示的是开槽天线502沿线CC’的剖面图。凹槽602的形状各异，可以是圆形、矩形、椭圆形或任意其他形状。

在运转中，图6A所示的开槽天线502可以作为一个φ-向磁偶极子，用来发射/接收电磁信号。这里所说的φ-向磁偶极子是指开槽天线502能够发射/接收方位中分极的磁场。因此，开槽天线502也可以称为φ-磁偶极天线。钻井过程中，每当电阻率测井仪接近电阻率边界时，天线502上的感应电压就会发生反映，表示存在界面(通过幅值衰减变化和相移)，正如相关技术中所显示的。

图7A为本发明中定向电阻率测井仪412其中一种优选方案的透视图(定向电阻率测井仪至少包括两个接收器天线和三个发射器天线，其中第一个发射器天线和这两个接收器天线要部署在测井仪的同一条直线上，而第二和第三个发射器天线要根据本发明的一些具体情况，部署在接收器天线的对面)。本发明包括一对接收器天线(第一台接收器天线702和第二台接收器天线704，由于接收器必然需要通过天线才能够收发信号，所以本申请中，所提及的第一台接收器即是指第一台接收器天线，或者是第一台接收器开槽天线，同理，所提及的第二台接收器即是指第二台接收器天线，或者是第二台接收器开槽天线；接收器组可以理解为由两台接收器所组成的一组天线)、一个边界检测发射器天线706以及一对电阻率测量值发射器天线(第一台发射器天线708和第二天发射器天线710，由于发射器必然需要通过天线才能够获取信号，所以本申请中，所提及的第一台发射器即是指第一台发射器天线，或者是第一台发射器开槽天线，同理，所提及的第二台发射器即是指第二台发射器天线，或者是第二台发射器开槽天线；发射器组可以理解为由两台发射器所组成的一组天线)。其中，边界检测发射器天线706和接收器天线702和704都同位部署在测井仪表面500上。电阻率测量值发射器天线708和710部署在测井仪表面500的对面，而测井仪表面500位于接收器组702和704对面。此外，电阻率测量值发射器天线708和710可以对称部署在接收器组702和704的中间线上，从而可以得出钻井井眼补偿地层电阻率测量值。发射器天线706、708和710以及接收器天线702和704可配置为开槽天线502，如图5A、5B和5C所示，同时还可以同定向电阻率测井仪412平行，轴向距离上彼此隔开。根据对等原则，只要同相应的发射器或接收器电路连接，每个天线都可以用作一个发射器天线或接收器天线。

假设将磁矩运用到图7A坐标系P(x₀,y₀,z₀)的偶极天线上，那么均匀地层上就会产生公式(1)、(2)和(3)所表示的下列磁场，

其中，r表示从源点P(x₀,y₀,z₀)至观察点O(x,y,z)的空间距离；此处的源点P(x₀,y₀,z₀)与观察点O(x,y,z)可以分别同发射器天线706和接收器天线704并列；x_a＝x-x₀,y_a＝y-y₀,且z_a＝z-z₀.

假如源点P(x₀,y₀,z₀)与观察点O(x,y,z)同位部署在与z-轴平行的位置，如图7A所示，即x_a＝0,y_a＝0,r＝z_a,那么公式(1)、(2)和(3)可以简化为：

通过对比公式(4)、(5)和(6)可以看出，每个横向分量H_x或H_y都由三项组成，其中第一项、第二项和第三项分别与第一因素1/r³、第二因素1/r²和第三因素1/r对应；而纵向分量H_z只包含两项，分别与第一因素1/r³和第二因素1/r²对应。从数学层面上来说，当发射器-接收器距离r大于1时，第一因素1/r³和第二因素1/r²就会随着r值的增加而成为快速递减函数，这就表明同第一因素1/r³和第二因素1/r²相关的磁场分量无法传播到离发射器较远的位置。因此，由第一因素1/r³和第二因素1/r²确定的磁场分量被称为“感应磁场”。相反，由第三因素1/r确定的磁场分量能够传播至离发射器较远的位置，这是由于随距离r变递减较慢的缘故。因此，由第三因素1/r确定的磁场分量被称为“传播磁场”。另一方面，当发射器-接收器距离r小于1时，第一因素1/r³和第二因素1/r²就会随着r值的减少而成为快速递增函数，这就表明“感应磁场”占据了发射器附近区域的全部范围。

现有技术已经证实，源自发射器天线706的“感应磁场”在由第一因素1/r³和第二因素1/r²确定的磁场分量能够在接收器704和702上产生微分相位，而这两个接收器会产生地层电阻率的单调函数。根据公式(6)，如果为发射器706、接收器704和702部署了z-环形天线，那么它们就只会发射和接收这个“感应磁场”，从而产生响应地层电阻率的一个单调微分相位。

图7B表示的是图7A中方案的模拟结果(具体来讲，就是第一台接收器天线和第二台接收器天线感应信号之间的微分相位与部署z-向偶极天线且同接收器同位部署的第一台发射器点火时的地层电阻率两者之间用数据图表示的模拟结果)。具体来讲，就是接收器704和702感应信号之间的微分相位与为发射器706、接收器704和702部署的z-向偶极天线的地层电阻率两者之间的模拟结果,用数据图表示。图7B中的曲线712表示的是接收器704、702同地层电阻率之间的一一对应关系。

根据公式(4)和(5)，如果为发射器706、接收器704和702部署横向极化天线，如x-环形或y-环形天线，那么发射器706发射的磁场不仅包括由第一因素1/r³和第二因素1/r²确定的“感应磁场”，而且包括由第三因素1/r确定的“传播磁场”。上述“传播磁场”可能会破坏接收器704和702测得的微分相位同地层电阻率两者之间的单调相关性。

图7C表示的是图7A中方案的模拟结果(具体来讲，就是第一台接收器天线和第二台接收器天线感应信号之间的微分相位与部署x-向偶极天线且同接收器同位部署的第一台发射器点火时的地层电阻率两者之间用数据图表示的模拟结果)。具体来讲，接收器704和702感应信号之间的微分相位与分别为发射器706、接收器704和702部署的z-向偶极天线的地层电阻率两者之间的模拟结果,用数据图表示。图7C中的曲线714表示的是，当部署x-向天线时，接收器704、702测量得到的微分相位就变成了地层电阻率的一个多值函数。因此，由横向极化发射器706(边界检测发射器天线706)以及横向极化接收器704和702(也就是接收器组704和702)形成的系统不适用于地层测量，因为x-向天线会产生“传播磁场”。

在有些各向异性测量运用中会用到横向极化天线。为了成功利用横向极化天线获取地层电阻率测量结果，本发明中建议使用下面两种方法：1)使发射器偏移接收器的轴线，用测井仪本体遮盖住一部分上述提到的“传播磁场”，2)降低波频，以减小“传播磁场”。测井仪500上的接收器704和702对面部署的发射器708和710是为了测量电阻率专门部署的。

图7D表示的是图7A中发射器708、接收器704和702形成子系统的模拟结果(具体来讲，就是第一台接收器天线和第二台接收器天线感应信号之间的微分相位与部署开槽天线，且同接收器反向部署的第二台发射器点火时的地层电阻率两者之间用数据图表示)的模拟结果。具体来讲，就是接收器704和702感应信号之间的微分相位与地层电阻率两者之间的模拟结果,用数据图表示。图7B中的曲线712表示的是现有技术的模拟结果，这一结果是在分别为发射器706、接收器704和702部署z-向磁偶极天线时得到的。当分别为发射器708、接收器704和702部署图5所示的开槽天线时，图7D中的曲线716表示的就是模拟结果。图7D中的曲线716不仅体现了与地层电阻率的单调相关性，而且为图7D中的曲线712以上的测量提供了更大的动态范围。观察图7D可以发现，图7D中的曲线712的现有技术在高阻层的分辨率非常低，而且50欧姆-米至500欧姆-米之间的地层电阻率只会致使测量到的相位度数变化小于1°。另一方面，本发明中的图7D中的曲线716在从50欧姆-米到500欧姆-米之间的地层电阻率之间一共10°的相位变化。发射器710和708同接收器704和702的中间点对称部署，便于钻井井眼补偿。从理论上讲，发射器710点火时的测量结果应该与发射器708点火时的测量结果大致相同。

本发明绝不局限于任何特定几何结构、开槽天线和凹槽的数量。

在一种实施方式中，发射器706、708、710或接收器702和704都可以用其他类型/形状的天线替换。

图8A表示的是图7A中模拟模式800运行状态时的定向电阻率测井仪412。依据本发明的一些技术方案，这是用于说明定向电阻率测井仪412的方位灵敏度。此外，图8B和图9表示图8A中提及的模式800的模拟结果。在图8A中，模式800可能包括由垂直电阻率界面806分割成两部分的一个3D立方体。左半部分802的电阻率为10欧姆-米，右半部分804的电阻率为1欧姆-米。固定定向电阻率测井仪412，在左半部分802中旋转，使其靠近x-正向上的电阻率界面806。

图8B表示的是图8A中模式800的模拟结果。具体来说，就是接收器天线702和704电压幅值与定向电阻率测井仪412的旋转角度两者之间的关系，用数据图表示。其中，当发射器706点火时，分别通过接收器704和702测量得到图8B中的808和810两条曲线。图8A和图8B表明，当定向电阻率测井仪412接近电阻率界面706(5英尺)时，接收器704和702上的感应电压幅值开始与定向电阻率测井仪412的旋转角度正弦值出现变化。这样一来，前方(x正向)的定向电阻率测井仪412路径中出现电阻率界面706就得以确定。

图9表示的是图8A中模式800的模拟结果。具体来说，就是接收器天线702上感应电压幅值与电阻率界面806的距离两者之间的关系，用数据图表示。根据图9，定向电阻率测井仪412离电阻率界面806越近，则反映在接收器天线702上的感应电压幅值越大。实际上，接收器天线702至电阻率界面806的距离的结果可以作为下列所示的接收器天线702测得的感应电压幅值(“最大电压”,"V_max")、临近地层电阻率("R₁,R₂")、介电常数("ε₁,ε₂"),以及渗透率("μ₁,μ₂")等函数被导出。

d＝f(V_max,R₁,R₂,ε₁,ε₂,μ₁,μ₂) (1)

在低频率和无磁场地层的情况下，周围地层的电阻率在确定边界距离方面起着主导作用。这样的话，公式(1)就可以简化为公式(2)。

d＝f(V_max,R₁,R₂) (2)

通过定向电阻率测井仪412中的正演模型可以提前制定一张最大电压和临近地层电阻率之间的三维速查表，从而提高定向测量的效率。这个正演模型提供了在不同电气环境下使用的传感器反应值得出的一套数学关系。接收器天线702测得的最大电压可以作为三维速查表的输入数据，而通过已知或导出的临近地层的电阻率就可以得出从定向电阻率测井仪412至电阻率界面706的距离，这些都可以提前填入表中或者通过使用其它装置与定向电阻率测井仪412结合测量得出。

如上所述，从接收器天线702上呈正弦式变化的感应电压可以看出临近地层的电气性质，包括但不局限于至电阻率界面806的距离及其方向。因此，带开槽天线配置的定向电阻率测井仪412具有方位灵敏度，决定了后续钻井作业的方向。

图10是按照本发明的一些方案制作出的定向电阻率测量值1000的实例流程图，具体包括如下步骤：

1002，钻孔内旋转电阻率测井仪；

1004，发射电阻率测井仪上第一、第二、第三台发射器的开槽天线的电磁信号；

1006，接收电阻率测井仪上第一、第二台接收器的开槽天线的电磁信号，执行步骤1006后，分别执行步骤1008和步骤1016；

1008，电阻率测井仪旋转一周时，可从接收器开槽天线的感应电压中提取正弦波；

1010，导出地层边界的方向信息；

1012，电阻率测井仪旋转且形成旋转角时，可提取第二开槽天线上感应电压的最高-最低振幅；

1014，导出地层边界距离和方向的信息；

1016，第二台和第三台发射器点火期间，可提取第一台和第二台接收器天线感应信号间的微分相位；

1018，导出第二、第三台发射器点火时测量到的微分相位的补偿相位；

1020，从补偿微分相位中导出补偿地层电阻率。

具体的，步骤可以按照如下方式执行：旋转钻井井眼内的电阻率测井仪、从部署在接收器同一侧的第一台发射器天线有序发射电磁信号以及从部署在电阻率测井仪上的接收器对面的第二台和第三台发射器开槽天线发射信号；利用部署在电阻率测井仪上的第一台和第二台接收器天线来接收从第一、第二和第三台发射器天线发射出来的电磁信号；另一方面，在电阻率测井仪旋转一圈期间且第一台发射器点火时，提取第一和第二台接收器开槽天线感应电压的正弦波，导出地层边界的方位信息；在电阻率测井仪旋转且存在旋转角度时，提取第二条开槽天线感应电压的最高-最低幅值，导出地层边界的距离和方向信息；另一方面，在第二和第三台发射器点火期间，提取第一和第二台接收器天线感应信号之间的微分相位；导出第二台发射器点火时测得的微分相位的补偿相位以及第三台发射器点火时测得的微分相位；最终从导出的补偿微分相位中导出补偿地层电阻率。

具体的，发射器天线和接收器天线可以在带有内部接线的电阻率测井仪外表面形成“凹区”。

具体的在一种实施方式中，这根电缆可以把凹区的一侧端壁与另一端的同轴电缆连接器的中心导线连接起来，从而形成一个磁偶极子，产生磁场。

具体的在一种实施方式中，同轴电缆连接器可以把凹区的这根电缆连接到信号发射线路上。它可以位于凹区的外部和电阻率测井仪外表面的下方。

本发明绝不局限于任何特定的步骤或者要求按照图10中所示的任意特定步骤。

依据具体方案，本发明在描述时融入了很多详细说明，以增强对本发明构成和运作原理的理解。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 (5)

1.地层边界检测和地层电阻率测量的装置，其特征在于，包括：

旋转式圆柱形金属钻具主件，所述钻具主件上面至少部署了五个开槽天线，包括三台发射器开槽天线和两台接收器开槽天线；其中，第一台接收器开槽天线和第二台接收器开槽天线以及第一台发射器开槽天线同位部署在钻具主件表面上，而第二台发射器开槽天线和第三台发射器开槽天线部署在接收器开槽天线相对的钻具主件的对面；

所述第二台发射器开槽天线和第三台发射器开槽天线的中间点与第一台接收器开槽天线和第二台接收器开槽天线的中间点沿钻具呈对称部署，以便导出补偿测量值。

2.根据权利要求1所述的地层边界检测和地层电阻率测量的装置，其特征在于，第一台接收器开槽天线和第二台接收器开槽天线、第一台发射器开槽天线、第二台发射器开槽天线和第三台发射器开槽天线都与钻具主件的轴线平行。

3.根据权利要求1所述的地层边界检测和地层电阻率测量的装置，其特征在于，该装置是利用第一台发射器开槽天线、第二台发射器开槽天线和第三台发射器开槽天线来发射与钻具轴线垂直方向上分级的磁场；而利用第一台接收器开槽天线和第二台接收器开槽天线来接收和测量与钻具轴线垂直方向上分级的磁场。

4.根据权利要求1所述的地层边界检测和地层电阻率测量的装置，其特征在于，所述第一台发射器开槽天线与第一台接收器开槽天线同位部署，而第二台接收器开槽天线则用于地层边界检测。

5.根据权利要求1所述的地层边界检测和地层电阻率测量的装置，其特征在于，所述第二台发射器开槽天线和第三台发射器开槽天线均部署在第一台接收器开槽天线和第二台接收器开槽天线的对面，而第二台接收器开槽天线则用于测量地层电阻率。