CN106837201B - 一种分体式钻铤及测井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分体式钻铤及测井方法。包括：上主体测量单元，其两端分别设置有激励线圈T1、激励线圈T2，用于将交变电流转化为其两侧的感应电压差；下主体测量单元，其两端分别设置有用于感应钻铤内电流的监测线圈M0,监测线圈M2，并且未与中间单元相连的一端还设置发射线圈T3；中间连通单元，用于机械连接和电连通上主体测量单元和下主体测量单元。因此，本发明具有如下优点：1.适用于钻柱连续旋转钻进方式，如旋转导向钻井，应用范围广能够实现裂缝、薄层等储层的随钻成像测井；2.采用分体式设计，装配和拆检简单；3.测量传感器与电路系统布局合理，便于部件的更换；4.具有良好的密封性和保护，延长了设备的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻铤及方法，属于井下探测技术领域，具体涉及一种分体式钻铤及测井方法。
背景技术
电阻率测井是测井方法中使用最早也是最常用的方法，到目前为止，在划分钻井地质剖面和判断岩性的工作中仍起着难以替代的作用。随钻方位电阻率井壁成像技术是在传统电缆测量技术的基础上发展起来的，是一种可以在钻井过程中实时测量井眼周围不同方位地层电阻率成像测量方法。随着水平井、大位移井及三维多目标井钻井技术的不断提高和大量应用，旋转导向闭环钻井技术是今后井眼轨迹控制技术钻井工具的发展方向，将方位电阻率成像技术应用于旋转导向工具，可满足裂缝、薄层等复杂储层的地质导向与地层评价需要。
根据地层电阻率的测量方法，在现有技术中有两种测量方式，即传导电阻率测量方式(也称电流测量方式)和传播电阻率测量方式(也称电磁波测量方式)，仅传导电阻率测量方式能够实现井壁成像。在电缆测井仪器中，通过沿仪器圆周方向安装多个极板布置多个电扣电极来测量地层电阻率实现井壁成像，如专利(授权公告号101012748B)中有6个极板150个电扣电极，因钻井与电缆测井的工况有显著差别，电缆测井仪器的结构不适用于随钻仪器及旋转导向工具。在随钻仪器中，为适用井下恶劣工况环境(高温、高压、强振动和大冲击等)和保证井下安全(如传递钻头破岩旋转动力的仪器钻铤必须满足强度要求、仪器钻铤上的测量传感器不能脱落以免造成井下事故等)，一般布置尽量少的电阻率测量电极，在旋转状态下(相当于圆周扫描)通过高分辨率的传导电阻率测量实现井壁成像。专利(授权公告号100410489C)公开了一种采用传导电阻率测量方式的近钻头电阻率和近钻头方位电阻率测量装置，但该装置方位电阻率分辨率特性偏低，尚不具备电阻率井壁成像能力。
另外，为满足钻井要求，随钻测量仪器或装置的钻铤
一般采用一体化结构，随钻方位电阻率井壁成像装置的测量传感器和测量电路数量多且复杂，对仪器钻铤的结构设计带来相当大难度。
发明内容
本发明主要目的是解决现有技术所存在的传导电阻率测量分辨率低无法实现电阻率成像，以及成像装置仪器钻铤结构设计难题，，提出了一种分体式仪器钻铤及测井方法。该测量方法具有良好的垂直分辨率及多探测深度特性，能实现裂缝、薄层等储层的随钻成像测井。该仪器钻铤采用分体式设计，满足钻井作业井下工况要求，地面组装和拆卸简单，测量传感器布局与电气系统布线合理便于部件和电路的更换，并且具有良好的密封性和保护，延长了成像装置的使用寿命。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种分体式钻铤，包括：
上主体测量单元，其两端分别设置有激励线圈T1、激励线圈T2，用于将交变电流转化为其两侧的感应电压差；
下主体测量单元，其两端分别设置有用于感应钻铤内电流的监测线圈M0,监测线圈M2，并且未与中间单元相连的一端还设置发射线圈T3；
中间连通单元，用于机械连接和电连通上主体测量单元和下主体测量单元。
优化的，上述的一种分体式钻铤，所述上主体测量单元中部设置有：
主控及方位伽马测量电路板D1，用于控制装置启动及关闭、控制时序、井周不同方位扇区伽马测量信号处理、与上位机通讯等功能；
大容量存储器电路板D2，用于存储电扣及方位电极测量数据、工作时间及井下工程参数数据、监测天线数据、通讯数据等；
系统电源板D3，用于激励天线供电、电气系统供电等；
激励及电扣电极测量电路板D4，用于控制激励电流及测量地层反馈电信号，包含前置放大、滤波、检波等单元。
优化的，上述的一种分体式钻铤，所述下主体测量单元包括：
激励及方位电极测量电路板D5，用于控制激励天线电流及方位电极测量信号处理与存储；
方位及工具面测量电路板D6，用于处理方位信号及计算井下工具面角；
方位伽马探管D7，用于进行方位扇区的计数操作。
优化的，上述的一种分体式钻铤，所述下主体测量单元包括：
所述下主体测量单元中部沿轴向依次设置通过线孔串联的发射及方位电极测量电路板槽C5，方位及工具面测量电路板槽C6，方位伽马探管槽C7，所述方位伽马探管槽C7通过其两端设置的线孔与其下方设置的两节双C电池槽C8相连。
优化的，上述的一种分体式钻铤，所述下主体测量单元与中间连通单元相连的一端设置有与下主体测量单元内部测量电路安装位置相连的轴向长孔H3相通的接线窗W2，所述接线窗W2通过中间单元的接线孔与上主体测量单元相连。
优化的，上述的一种分体式钻铤，所述中间连通单元两侧分别设置用于上下主体测量单元之间连线的贯通孔，其两端各有若干道密封结构，各端两两密封圈之间与上下主体测量单元钻铤的内孔形成用于作为接线窗口的密封腔体。
优化的，上述的一种分体式钻铤，所述中间连通单元中部沿轴向位置设置有耐磨带。
一种利用上述的分体式钻铤进行测井的方法，通过调整激励线圈T1、激励线圈T2、激励线圈T3的电流幅值及相位差以得到不同的电阻率曲线。
因此，本发明具有如下优点：1.适用于钻柱连续旋转钻进方式，如旋转导向钻井，应用范围广能够实现裂缝、薄层等储层的随钻成像测井；2.采用分体式设计，装配和拆检简单；3.测量传感器与电路系统布局合理，便于部件的更换；4.具有良好的密封性和保护，延长了设备的使用寿命。
附图说明
图1-1为随钻方位电阻率井壁成像装置总体结构；图1-2为图1-1的局部视图1；图1-3为图1-1的局部视图2；
图2-1为上主体单元II结构外观图；图2-2为测量电路部分周向展开位置图；
图3-1为电扣电极结构；图3-2为图3-1的俯视图；
图4-1为电扣电极集成安装及保护盖板结构；图4-2为图4-1的底面视图；
图5-1为下主体测量单元VI结构外观图；图5-2为图5-1的测量电路部分周向展开位置图；
图6-1是方位电极及其保护环结构在图5-1中的K-K向视图；图6-2是方位电极及其保护环结构在图5-1中的L-L向视图；图6-3是方位电极及其保护环结构在图5-1中的M-M向视图；图6-4是方位电极及其安装基体俯视图；图6-5是方位电极及其保护环安装后的俯视图。
图7-1为中间连通单元III结构；图7-2为图7-1的右视图；
图8-1为上保护接头I；图8-2为下保护接头V。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本发明提供的一种用于旋转导向的随钻方位电阻率井壁成像装置主要由无磁钻铤、泥浆通道、激励线圈系、电扣电极系、方位电极系、监测线圈、测量电路、控制及存储电子电路单元构成，可在井下通过预先设定的程序根据不同的工作模式按照反演计算方法将探测数据转化为视电阻率，并通过装置在旋转作业中对井周的扫描测量，指示裂缝和地层结构倾角，实现井壁成像测量。
一、装置总体结构
本实施例中，装置总体结构如图1所示，为描述方便，将装置结构自上而下分为五个部分：上保护接头I、上主体测量单元II、中间连通单元III、下主体测量单元IV和下保护接头V。
1、上主体测量单元II
图2-1和图2-2为上主体测量单元II结构外观图及其测量电路部分周向展开位置图。上主体测量单元II主要包含：与上部其它仪器实现供电与通连通的电连接结构201，上发射线圈T1和中发射线圈T2，上电扣电极B1、中电扣电极B2和下电扣电极B3，主控及方位伽马测量电路板D1、大容量存储器电路板D2、系统电源板D3、发射及电扣电极测量电路板D4(注：图中没有给出实际电路板，用安装的位置来表示)，以及设置与读取数据端口T。
上发射线圈T1和下发射线圈T2均为环状结构，轴向安装在钻铤上，各有两条引线，分别通过线孔ht1和ht2进入电路舱。
线圈外部设有环状保护天线罩203和环状保护天线罩206，天线罩均由两部分组成，两部分之间设有绝缘环202、207。在钻井过程中，为减少井壁对天线罩和绝缘带的磨损，在天线罩附近的钻铤外壁上增加耐磨带204、耐磨带205予以防护。
当激励线圈中通入交变电流时，就会在钻铤线圈两侧感应出电压，电压差为驱动电压V除以线圈匝数N。
上电扣电极B1、中电扣电极B2和下电扣电极B3均有三部分组成：安装基体301、电极302和绝缘环303，如图3所示，电极直径7.5mm，绝缘环厚度2mm-5mm，安装基体上带有螺纹304。为安装和维护方便考虑，每个电扣电极单独制作，然后将三个电扣电极集成安装固定在一块盖板上，如图4所示，盖板上设有端面密封槽401和多个螺钉孔，通过螺钉实现盖板与钻铤本体的固定连接，安装在端面密封槽401的O型密封圈保证了盖板内部与钻铤外部井眼环空的隔离。每个电扣电极各有一条引线，通过盖板底面的轴向过线槽402汇聚，然后再由安装槽CB的过线孔h12进入电路安装槽C1。
主控及方位伽马测量电路板、大容量存储器电路板、系统电源板、发射及电扣电极测量电路板的布置见图2-2所示的电路部分周向展开位置图，在图中仅给出了电路安装槽的尺寸及位置关系，电路板可分别安装在槽C1、槽C2、槽C3和槽C4中，也可根据实际需要，互换安装位置，各电路板之间由过线孔h11、h21、h22、h31和h41等实现通讯和供电连通。各电路板的保护采用与电扣电极保护盖板类似结构，用端面密封实现与外部隔离，用多个螺钉实现与钻铤本体的固定连接。
上主体测量单元的电路系统，通过槽C1中的过线孔hM实现与上部电连接结构201的连通，通过槽C1中的过线孔h13实现与设置与读取数据端口T的电连通，通过槽C3中的接线窗口W1和中间连通单元III的过线孔H1(或H2)实现与下主体测量单元电路系统的电连通，有效利用空间并可降低布线难度。
22、下主体测量单元IV
图5-1和图5-2为下主体测量单元VI的结构外观图及其测量电路部分的周向展开位置图。主要包含：中监测线圈M0、下发射线圈T3和下监测线圈M2，方位电极Az1、方位电极Az12、方位电极Az3和方位电极Az4，发射及方位电极测量电路板D5、方位及工具面测量电路板D6、方位伽马探管D7和两节双C电池D8(注：图中没有给出实际电路板等实物图，用安装的位置来表示)，以及接线窗口W2。
中监测线圈M0、下发射线圈T3和下监测线圈M2均为环状结构，轴向安装在钻铤上，各有两根引线，其引线分别由过线孔hm0、ht3和hm2进入电路舱。在线圈外部设有环状天线罩502和环状天线罩506，以保护线圈M0、线圈T3和线圈M2，其中线圈T3和线圈M2共用天线罩506，天线罩由两部分组成，两部分之间设有绝缘环501、绝缘环507。在钻井过程中，为减少井壁对天线罩和绝缘带的磨损，在天线罩附近的钻铤外壁上增加耐磨带505予以防护。
当钻铤电流向上或向下流动时，监测线圈M0,监测线圈M2中感应的电流为钻铤轴向电流除以线圈的匝数。
方位电极Az1、方位电极Az2、方位电极Az3和方位电极Az4均有三部分组成：安装基体601、绝缘层602和电极603，如图6所示(图中K-K、L-L和M-M视图表示在图5-1中所示位置的剖视图)，电极603裸露周向长度占圆周周长的1/6，绝缘层厚度2mm-5mm，安装基体601上有两道径向密封604以保证与外部高压环空隔离。安装基体沿钻铤轴向在两侧各设有一凸缘605，可嵌入钻铤本体上的凹槽cAy内，同时每侧凸缘内设有一个螺钉孔606，通过钻铤本体上轴向布置的相对应的两个螺纹孔LhA实现固定。每个方位电极各有一条引线，通过钻铤壁内的切向过线孔hA2、hA3和hA4汇聚，然后在由钻铤壁内的两轴向长孔H3进入电路舱。为安装和维护方便考虑，每个方位电极单独制作，在安装时首先将四个方位电极独立安装固定在槽CA1、槽CA2、槽CA3和槽CA4内，然后在方位电极两侧安装保护环503、保护环504，共有8个四分之一圆的方位电极保护环，每个方位电极保护环通过在钻铤本体上的两个螺纹孔LhP安装紧固螺钉实现固定。其中，方位电极保护环504的环状部分607安装在钻铤本体的凹槽CAP内，可承受轴向作用力；在保护环的中部位置两侧各有一凸缘，其中一凸缘608可覆盖方位电极的凸缘，以保护方位电极的凸缘及其紧固螺钉，另一凸缘609嵌入钻铤本体上的槽cPy内，承受圆周切向作用力；同时在其中部增加了轴向耐磨带610，以保护方位电极。
方位测量是为获得探测器的相对方位，如果以地磁北为参考，旋转导向工具每旋转90°，方位测量电路产生一方位脉冲信号，该信号用于方位区计数的读取和累加。方位传感器和探测器的位置固定，相对地磁北，仪器转动到0°、90°、180°、270°的位置时，对应的两轴方位传感器输出的值是不同的，可以在软件里判断两轴的数据，不必计算角度值，当到达四个角度位置时产生一中断脉冲信号，控制计数器的启停。
发射及方位电极测量电路板、方位及工具面测量电路板、方位伽马探管和两节双C电池的布置见图5-2的测量电路部分周向展开位置图，在图中仅给出了电路安装槽的尺寸及位置关系，分别安装在槽C5、槽C6、槽C7和槽C8中，通过钻铤壁内的过线孔hc5、hc6、hc7和hc8实现供电和通讯连通。电路板、传感器和电池组的保护采用与电扣电极的保护盖板类似结构。
下主体测量单元电路系统，通过钻铤壁内的轴向长孔H3、接线窗口W2和中间连通单元III的过线孔H1(或H2)实现与上主体测量单元电路系统的电连通。
3、中间连通单元III
中间连通单元III结构如图7所示，其作用是实现上主体测量单元II与下主体测量单元IV之间的机械连接和电连通。贯通孔H1和H2为上下主体测量单元之间的过线孔；两端各有四道密封槽，及密封槽701、密封槽702、密封槽703和密封槽704，以及密封槽705、密封槽706、密封槽707和密封槽708；各端两两密封圈之间与上下主体测量单元钻铤的内孔形成密封腔体，分别对应上主体测量单元的接线窗口W1和下主体测量单元的接线窗口W2位置，在此位置处完成接线；在中间位置的钻铤外壁上设有轴向耐磨带709，以保护位于中间连通单元III两侧的中发射线圈T2的天线罩206和绝缘带207，以及中监测线圈M0的天线罩502和绝缘带501。
4、上保护接头I和下保护接头V
如图8所示，上保护接头I为母公扣结构，下保护接头V为双公扣结构，在靠近主体测量单元的一端设有耐磨带。在钻井过程中，频繁的起下钻和使用测量仪器，若没有保护接头，会损伤到上主体测量单元II的上端扣或下主体测量单元IV的下端扣，需要修扣，甚至更换测量仪器钻铤，存在损伤仪器的隐患，若更换仪器钻铤将显著增加成本。若安装有保护接头，在正常使用过程中，上主体测量单元II的上端扣或下主体测量单元IV的下端扣无需拆卸，仅拆卸上保护接头I的上端母扣和下保护接头V的下端扣，若此两保护接头的扣有损伤，直接更换接头即可，维护方便，成本低。
二、旋转状态方位电阻率井壁成像测量方法
本实施例中，利用3个激励线圈T1、T2和T3可以组合成9种工作模式(见表1)，每种模式都可以得到3个电扣电阻率(B1、B2和B3)，4个方位电阻率(Az1、Az2、Az3和Az4)，1个等效环电极电阻率和1个钻头电阻率共计9个测量值，即在工作状态共可获得81条视电阻率曲线。该81条视电阻率曲线探测深度多数重叠，曲线形态各异，不是每条曲线均能直观反映地层电阻率，可以根据设计要求及井眼影响，选择符合要求的曲线作为钻井决策或后期地层评价的依据，表2中给出一种可参考的输出量选择模式。
表1旋转状态下9种工作模式
表2测量模式与输出量
在本实施例中，对应不同的工作模式及测量参数，根据具体的算法可得到相应的视电阻率值。
表示电极在该模式下测量的电流，如表示在模式m下测得的电极电流，其中m可为1，2，3，4，5，6，7，8，9；ed电极可B1、B2、B3、Az1、Az2、Az3、Az4、M0、M2、M0B和M2B(分别为数值计算用电扣电极和线圈T2下方的模拟监测变压器)、r(环电极)。
表示电极ed在模式m下测量的视电阻率
其中，为电极ed在模式m下的K值，VT为电压值，各工作模式下的视电阻率可根据式(2)至式(11)计算。
式(2)至式(11)其中的和为直接测量量，为导出量。
本实施例中，电扣电极电阻率成像分辨率与电扣直径及周向分瓣(电扣电极每周采样点)密切相关，以表示钻井转速/分钟，n为周向分瓣数，为周向分辨角，则表示采样一个分瓣的最大时间间距。在电阻率成像测量工作中，为减小趋肤效应影响，要求激发频率低一些，但对于电扣成像测量用分频方式实现不同测量模式，必须占用一定的频带宽度，可根据实际测量需要，选择合适的激发频率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种分体式钻铤，其特征在于，包括：
上主体测量单元，其两端分别设置有激励线圈T1、激励线圈T2，用于将交变电流转化为其两侧的感应电压差；
下主体测量单元，其两端分别设置有用于感应钻铤内电流的监测线圈M0,监测线圈M2，并且未与中间单元相连的一端还设置发射线圈T3；
中间连通单元，用于机械连接和电连通上主体测量单元和下主体测量单元；其中，所述下主体测量单元包括：
激励及方位电极测量电路板D5，用于控制激励天线电流及方位电极测量信号处理与存储；
方位及工具面测量电路板D6，用于处理方位信号及计算井下工具面角；
方位伽马探管D7，用于进行方位扇区的计数操作。
2.根据权利要求1所述的一种分体式钻铤，其特征在于，所述上主体测量单元中部设置有：
主控及方位伽马测量电路板D1，用于控制装置启动及关闭、控制时序、井周不同方位扇区伽马测量信号处理、与上位机通讯功能；
大容量存储器电路板D2，用于存储电扣及环电极测量数据、工作时间及井下工程参数数据、监测天线数据、通讯数据；
系统电源板D3，用于激励天线供电、电气系统供电；
激励及电扣电极测量电路板D4，用于控制激励电流及测量地层反馈电信号，并包含前置放大、滤波、检波单元。
3.根据权利要求1所述的一种分体式钻铤，其特征在于，所述下主体测量单元包括：
所述下主体测量单元中部沿轴向依次设置通过线孔串联的发射及方位电极测量电路板槽C5，方位及工具面测量电路板槽C6，方位伽马探管槽C7，所述方位伽马探管槽C7通过其两端设置的线孔与其下方设置的两节双C电池槽C8相连。
4.根据权利要求1所述的一种分体式钻铤，其特征在于，
所述下主体测量单元与中间连通单元相连的一端设置有与下主体测量单元内部测量电路安装位置相连的轴向长孔H3相通的接线窗W2，所述接线窗W2通过中间单元的接线孔与上主体测量单元相连。
5.根据权利要求1所述的一种分体式钻铤，其特征在于，
所述中间连通单元两侧分别设置用于上下主体测量单元之间连线的贯通孔，其两端各有若干道密封结构，各端两两密封圈之间与上下主体测量单元钻铤的内孔形成用于作为接线窗口的密封腔体。
6.根据权利要求1所述的一种分体式钻铤，其特征在于，所述中间连通单元中部沿轴向位置设置有耐磨带。
7.一种权利要求1所述的分体式钻铤进行测井的方法，其特征在于，通过调整激励线圈T1、激励线圈T2、激励线圈T3的电流幅值及相位差以得到不同的电阻率曲线。
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