CN107524438A - 具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪，包括一方位阵列侧向电极系结构及测量电路，所述电极系结构包括主电极A0，以及对称于主电极A0设置的5对屏蔽回流电极和7对监督测量电极，其中，所述主电极A0包括8个周向间隔45度设置的方位电极A01‑A08，所述监督测量电极设于主电极A0及靠近主电极A0的3对屏蔽回流电极两端，每对屏蔽回流电极用导线连接保持等电位，每对监督测量电极用导线连接保持等电位，各异名电极之间通过绝缘体隔离；所述测量电路用于通过各个电极发射及接受电流信号。本发明的测井仪，通过不同的电流聚焦模式，可实现四种不同探测深度的测量曲线和方位成像信息，且在水平井环境下最大地层界面探测距离可达到1米。
Description
技术领域
本发明涉及一种过钻铤方位阵列侧向测井仪，以及水平井环境下仪器探边能力测量方法。
背景技术
目前在国内外广泛使用的方位侧向测井仪HALS(SLB)是在双侧向测井仪结构基础上，中心增加方位电极阵列，由软件合成输出具有不同探测深度的标准深、浅侧向测井曲线，同时仪器中心的无源方位阵列可提供深浅模式的地层电阻率成像。但该仪器只能提供两条探测深度的测量曲线，不足以清晰反映地层的侵入剖面。阵列侧向仪器的出现，可以测量多条不同探测深度的电阻率曲线，且仪器纵向分辨率更高，故该仪器推出后被大规模推广应用。然而对于环周向介质不均匀的地层，阵列侧向测井仪无法区别，必须与其他仪器如电成像仪器联合测井，才能精确的反映地层的综合信息。
在水平井和大斜度井环境下，如果没有专门的传送装备，用电缆测井仪通常无法进行有效测井，不但增加成本，还会延迟作业时间，在某些情况下还会导致作业公司不得不放弃采集岩石物理数据。另外在水平井和大斜度井环境下常面临上部为油气层下部为底水层的油气储层，在进行仪器射孔作业时，如果无法确定底水层处于仪器的哪个方位以及仪器距离地层界面的距离，会导致射穿底水层的风险，导致底水淹没储集层。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供提出一种具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪，可通过一次测量可同时获得四种不同探测深度的测量曲线和电阻率成像图，实现电阻率测量和成像测量两种功能，且特殊的电极结构设计使得仪器能够穿过钻铤，减少了仪器下井的次数，并在水平井环境下具备探测地层边界的功能。
为了解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
一种具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪，包括一方位阵列侧向电极系结构及测量电路，所述电极系结构包括主电极A0，以及对称于主电极A0设置的5对屏蔽回流电极和7对监督测量电极，其中，所述主电极A0包括8个周向间隔45度设置的方位电极A01-A08，所述监督测量电极设于主电极A0及靠近主电极A0的3对屏蔽回流电极两端，每对屏蔽回流电极用导线连接保持等电位，每对监督测量电极用导线连接保持等电位，各异名电极之间通过绝缘体隔离；所述测量电路用于通过各个电极发射及接受电流信号。
进一步的，靠近主电极A0的前4对屏蔽回流电极从内向外长度逐渐增加，第5对屏蔽回流电极位于电极系结构两端。
进一步的，还包括一钻铤，所述钻铤的内径大于所述电极系结构的外径，所述电极系结构设有用于安装至钻铤的连接部。
本发明还提供了上述的具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪的测量方法，包括如下步骤：
S1、将方位阵列侧向电极系置于测井位置；
S2、从主电极A0和屏蔽回流电极分别有规律地发射和接受主电流及屏蔽电流，通过不同的电流聚焦模式，获得视电阻率曲线。
进一步的，步骤S1具体包括：
S11、通过钻铤的钻头钻遇到井底，为测量做好准备；
S12、将钻头提离井底，并通过钻杆将方位阵列侧向电极系送至井底；
S13、将方位阵列侧向电极系固定在钻头下端，然后断开电缆，将电缆回收至地面；
S14、钻铤上起过程中，方位阵列侧向电极系在预定测井位置进行测量。
进一步的，步骤S2具体包括：
S21、主电流I0从主电极A0流出，第1对屏蔽回流电极发射屏蔽电流I1，电流返回至第2、3、4、5对屏蔽回流电极，主电极A0和第1对屏蔽回流电极分别供以同相位电流，测量时保持第1、2对监督测量电极电压相等，测量第1对监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式一的视电阻率曲线；
S22、主电流I0从主电极A0流出，第1、2对屏蔽回流电极发射屏蔽电流I1和I2，电流返回至第3、4、5对屏蔽回流电极，主电极A0和第1、2对屏蔽回流电极分别供以同相位电流，测量时保持第1、2、3、4对监督测量电极电压相等，测量第1对监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式二的视电阻率曲线；
S23、主电流I0从主电极A0流出，第1、2、3对屏蔽回流电极发射屏蔽电流I1、I2和I3，电流返回至第4、5对屏蔽回流电极，主电极A0和第1、2、3对屏蔽回流电极分别供以同相位电流，测量时保持第1、2、3、4、5、6对监督测量电极电压相等，测量第1对监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式三的视电阻率曲线；
S24、主电流I0从主电极A0流出，第1、2、3、4对屏蔽回流电极发射屏蔽电流I1、I2、I3和I4，电流返回至第5对屏蔽回流电极，主电极A0和第1、2、3、4对屏蔽回流电极分别供以同相位电流，测量时保持第1、2、3、4、5、6、7对监督测量电极和第四对屏蔽回流电极的电压相等，测量第1对监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式四的视电阻率曲线；
上述步骤中，公式(1)为如下公式：
其中Ra表示视电阻率值，UM1表示第一对监督测量电极M1的电位，K表示仪器常数，i＝1,2,3,4表示四种不同的测量模式。
进一步的，在不同测量模式中，测量时保持主电极A0各个方位电极的电流和为1个单位，测量各测量模式下第一对监督测量电极M1的电压UM1 i(i＝1,2,3,4)和各方位电极的电流之后再通过公式(2)转换获得四种不同测量模式的方位视电阻率；
进一步的，上述测量方法还包括：
S3、探测地层边界，具体包括：
定义如下特征信号函数，得到特征信号DE
其中，Ra(0)表示0度方位的视电阻率，Ra(180)表示180度方位的视电阻率；测井仪从无穷远靠近地层层界面，当特征信号DE等于8％时，测井仪距离层界面的距离H即为仪器的探边能力。
优选的，采用探测最深的测量模式四的计算结果作为仪器探边能力的考察指标。
本发明的有益效果：
本发明的过钻铤方位阵列侧向仪，其电极系能够通过钻铤，在起钻的过程中完成已钻地层的测量，减少了作业下井的次数，缩短了作业时间，降低了钻井成本。其方位电极系结构包括8个周向间隔45度的方位电极A01-A08，通过不同的电流聚焦模式，可实现四种不同探测深度的测量曲线和方位成像信息，为油气储层评价和判断地层方位奠定了基础。另外，其独特A0电极结构设计使得该仪器在水平井环境下具备一定的探测地层边界的功能，最大地层界面探测距离可达到1米，降低了射穿底水层的风险，具有重要实际应用价值。
附图说明
图1本发明的测井仪的方位阵列侧向电极系结构示意图。
图2为测井方法示意图，包括四个主要操作步骤。
图3为水平井三层地层模型示意图，其中Rs表示上下层围岩电阻率，Rt表示目的层电阻率，Rm表示井眼流体泥浆电阻率，DTB表示仪器距离上地层边界的距离，简称层边界距。
图4为水平井三层地层下仪器常规测量响应示意图，其中Ra1,Ra2,Ra3,Ra4表示四种不同电流聚焦模式测量响应曲线。
图5为水平井三层地层下仪器方位成像测量响应示意图，其中RA1,RA2,RA3,RA4表示四种不同电流聚焦模式测量响应地层成像图。
图6为水平井两层地层模型示意图，其中Rt1表示目的层1电阻率，Rt2表示目的层2电阻率，Rm表示井眼流体泥浆电阻率，DTB表示仪器距离上地层边界的距离。
图7为水平井方位阵列侧向仪器探边能力示意图，其中右侧表示探边能力色度条。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图1所示为本发明的具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪的电极系结构示意图，主要包括主电极A0，屏蔽回流电极A1-A5、监督测量电极M1-M7，其中主电极A0设置在方位阵列侧向电极系的中部，包括8个不同方位的测量电极A01-A08，各电极周向间隔45度，沿主电极A0上下对称分布5对屏蔽回流电极和7对监督测量电极，所述的屏蔽回流电极对A1与A1’等用导线相连保持等电位，所述的监督测量电极M1与M1’用导线相连保持等电位，各异名电极之间用绝缘体隔离。
如图2所示，本发明的具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪还包括钻铤本体。钻铤直径4.25英寸，方位阵列侧向电极系直径2.25英寸，保证其能能够顺利通过钻铤，测井顺序为：
(1)通过钻铤的钻头钻遇到井底，为仪器测量做好准备；
(2)司钻将钻头提离井底，为方位阵列侧向仪器预留足够空间，并通过钻杆将电极系送至井底；
(3)将电极系固定在钻头下端，然后断开电缆，将电缆回收至地面；
(4)随着司钻往上起钻铤，通过电极系测量并记录测量地层数据。
本发明的具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪，采用四种不同的电流聚焦工作模式，可探测四种不同径向深度的地层电阻率信息，为地层径向剖面描述和后续资料处理提供了丰富的测量数据。四种不同的电流聚焦模式具体工作原理如下：
电流聚焦模式一：主电流I0从主电极A0流出，屏蔽回流电极A1(A'1)发射屏蔽电流I1，电流返回至电极A2(A'2)、A3(A'3)、A4(A'4)、A5(A'5)。主电极A0和屏蔽回流电极A1(A'1)分别供以同相位电流，测量时保持监督测量电极(取样电极)M1(M'1)、M2(M'2)电压相等，即测量监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式一的视电阻率曲线。主电流I0在屏蔽电流I1的作用下，以垂直井壁的方向进入地层，因回流电极A2(A'2)、A3(A'3)、A4(A'4)、A5(A'5)距离主电极A0很近，主电流I0在进入地层不远后既散开，故探测深度比较浅。
电流聚焦模式二：主电流I0从主电极A0流出，屏蔽回流电极A1(A'1)、A2(A'2)发射屏蔽电流I1和I2，电流返回至电极A3(A'3)、A4(A'4)、A5(A'5)。主电极A0和屏蔽回流电极A1(A'1)、A2(A'2)分别供以同相位电流，测量时保持监督测量电极M1(M'1)、M2(M'2)、M3(M'3)、M4(M'4)电压相等，即 测量监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式二的视电阻率曲线。主电流I0在屏蔽电流I1和I2的作用下，以垂直井壁的方向进入地层，因屏蔽回流电极的增加，主电流流入地层深度较测量模式一有所加深，但因回流电极A3(A'3)、A4(A'4)、A5(A'5)距离主电极A0仍较近，故探测深度仍然比较浅。
电流聚焦模式三：主电流I0从主电极A0流出，屏蔽回流电极A1(A'1)、A2(A'2)、A3(A'3)发射屏蔽电流I1、I2和I3，电流返回至电极A4(A'4)、A5(A'5)。保持主电极A0和屏蔽回流电极A1(A'1)、A2(A'2)、A3(A'3)分别供以同相位电流，测量时保持监督测量电极M1(M'1)、M2(M'2)、M3(M'3)、M4(M'4)、M5(M'5)、M6(M'6)电压相等，即 测量监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式三的视电阻率曲线。因屏蔽回流电极的继续增加，主电流流入地层更深后才返回接收电极，故探测深度比较深。
电流聚焦模式四：主电流I0从主电极A0流出，屏蔽回流电极A1(A'1)、A2(A'2)、A3(A'3)、A4(A'4)发射屏蔽电流I1、I2、I3和I4，电流返回至接收电极A5(A'5)。保持主电极A0和屏蔽回流电极A1(A'1)、A2(A'2)、A3(A'3)、A4(A'4)分别供以同相位电流，测量时保持监督测量电极M1(M'1)、M2(M'2)、M3(M'3)、M4(M'4)、M5(M'5)、M6(M'6)、M7(M'7)、A4(A'4)电压相等，即 测量监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式四的视电阻率曲线。因屏蔽回流电极的继续增加，主电流流入地层更深后才返回接收电极，故探测深度很深。
其中Ra表示视电阻率值，UM1表示监督测量电极M1的电位，I0表示主电流(单位1)，K表示仪器常数，i＝1,2,3,4表示四种不同的电流聚焦模式。
进一步的，本发明的过钻铤方位阵列侧向测井仪，因主电极设有8个不同方位的测量电极，测量时保持各个方位电极的电流和为1个单位，测量各模式下监督测量电极M1的电压UM1 i(i＝1,2,3,4)和各方位电极的电流而后采用公式(2)转化为四种探测模式的方位视电阻率。电流聚焦模式和上述实施例二基本一致，下以电流聚焦模式一为例进行详述，该工作原理可得到四种不同探测深度8个方位的测量信息，即得到四种不同探测深度的地层成像图。
电流聚焦模式一：各方位电流I0 j从方位电极A0 j流出(j＝1,2,…8)，保证各方位电极的电流和为1个单位的电流，屏蔽回流电极A1(A'1)发射屏蔽电流I1，电流返回至电极A2(A'2)、A3(A'3)、A4(A'4)、A5(A'5)。主电极A0和屏蔽回流电极A1(A'1)分别供以同相位电流，测量时保持监督测量电极M1(M'1)、M2(M'2)电压相等，即测量监督测量电极M1的电位UM1 i(i＝1,2,3,4)和各方位电极的电流经公式(2)转换获得测量模式一的各方位电极的视电阻率曲线。
通过上述方法，如图3所示的三层水平井地层模型，经测量可获得四种不同探测深度的视电阻率测量曲线和地层成像图，见图4、图5。
本发明的测井仪及其测量方法，其独特性还体现在：因独特的仪器结构设计，可实现水平井环境下探测地层边界的功能，通过定义特征信号函数，最大探边能力可达到1米。特征信号DE的定义如下：
其中，Ra(0)表示0度方位的视电阻率，Ra(180)表示180度方位的视电阻率，通常采用探测最深的工作模式四的计算结果作为仪器探边能力的考察指标。
探边能力定义为：参考图6的两层地层模型，仪器从无穷远靠近地层层界面，当距离层界面H米时，仪器的特征信号DE等于8％时，此时认为在该模型下仪器的探边能力为H米。参考图7可知当两层地层电阻率对比度大于10时，仪器的探边能力可达到1米。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪，其特征在于：包括一方位阵列侧向电极系结构及测量电路，所述电极系结构包括主电极A0，以及对称于主电极A0设置的5对屏蔽回流电极和7对监督测量电极，其中，所述主电极A0包括8个周向间隔45度设置的方位电极A01-A08，所述监督测量电极设于主电极A0及靠近主电极A0的3对屏蔽回流电极两端，每对屏蔽回流电极用导线连接保持等电位，每对监督测量电极用导线连接保持等电位，各异名电极之间通过绝缘体隔离；所述测量电路用于通过各个电极发射及接受电流信号。
2.如权利要求1所述的具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪，其特征在于：靠近主电极A0的前4对屏蔽回流电极从内向外长度逐渐增加，第5对屏蔽回流电极位于电极系结构两端。
3.如权利要求1或2所述的具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪，其特征在于：还包括一钻铤，所述钻铤的内径大于所述电极系结构的外径，所述电极系结构设有用于安装至钻铤的连接部。
4.一种使用如权利要求1-3任一项所述的具备探边能力的过钻铤方位阵列侧向测井仪的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将方位阵列侧向电极系置于测井位置；
S2、从主电极A0和屏蔽回流电极分别有规律地发射和接受主电流及屏蔽电流，通过不同的电流聚焦模式，获得视电阻率曲线。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11、通过钻铤的钻头钻遇到井底，为测量做好准备；
S12、将钻头提离井底，并通过钻杆将方位阵列侧向电极系送至井底；
S13、将方位阵列侧向电极系固定在钻头下端，然后断开电缆，将电缆回收至地面；
S14、钻铤上起过程中，方位阵列侧向电极系在预定测井位置进行测量。
6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21、主电流I0从主电极A0流出，第1对屏蔽回流电极发射屏蔽电流I1，电流返回至第2、3、4、5对屏蔽回流电极，主电极A0和第1对屏蔽回流电极分别供以同相位电流，测量时保持第1、2对监督测量电极电压相等，测量第1对监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式一的视电阻率曲线；
S22、主电流I0从主电极A0流出，第1、2对屏蔽回流电极发射屏蔽电流I1和I2，电流返回至第3、4、5对屏蔽回流电极，主电极A0和第1、2对屏蔽回流电极分别供以同相位电流，测量时保持第1、2、3、4对监督测量电极电压相等，测量第1对监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式二的视电阻率曲线；
S23、主电流I0从主电极A0流出，第1、2、3对屏蔽回流电极发射屏蔽电流I1、I2和I3，电流返回至第4、5对屏蔽回流电极，主电极A0和第1、2、3对屏蔽回流电极分别供以同相位电流，测量时保持第1、2、3、4、5、6对监督测量电极电压相等，测量第1对监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式三的视电阻率曲线；
S24、主电流I0从主电极A0流出，第1、2、3、4对屏蔽回流电极发射屏蔽电流I1、I2、I3和I4，电流返回至第5对屏蔽回流电极，主电极A0和第1、2、3、4对屏蔽回流电极分别供以同相位电流，测量时保持第1、2、3、4、5、6、7对监督测量电极和第四对屏蔽回流电极的电压相等，测量第1对监督测量电极M1的电位，经公式(1)转换获得测量模式四的视电阻率曲线；
上述步骤中，公式(1)为如下公式：
其中Ra表示视电阻率值，UM1表示第一对监督测量电极M1的电位，K表示仪器常数，i＝1,2,3,4表示四种不同的测量模式。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：在不同测量模式中，测量时保持主电极A0各个方位电极的电流和为1个单位，测量各测量模式下第一对监督测量电极的电压UM1 i,i＝1,2,3,4和各方位电极的电流之后再通过公式(2)转换获得四种不同测量模式的方位视电阻率；
。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，还包括：
S3、探测地层边界，具体包括：
定义如下特征信号函数，得到特征信号DE
其中，Ra(0)表示0度方位的视电阻率，Ra(180)表示180度方位的视电阻率；测井仪从无穷远靠近地层层界面，当特征信号DE等于8％时，测井仪距离层界面的距离H即为仪器的探边能力。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，采用探测最深的测量模式四的计算结果作为仪器探边能力的考察指标。
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