CN107725041B - 随钻电阻率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种随钻电阻率测量装置，其包括：发射模块，其设置在钻铤的外表面，用以通过感应耦合在所述钻铤和周围地层之间产生感生电流；由至少两个电极构成的接收电极组，用以接收感生电流中通过对应地层到达电极的测量电流，其中接收电极组中的两个电极为复用电极；电阻率计算模块，其构造成在测量装置的测量模式下与接收电极组中的各电极或者部分电极连接，对相应电极接收的测量电流进行计算，以得到对应于相应电极的地层的电阻率；以及数据传输模块，其构造成在测量装置的传输模式下与复用电极连接，用以将所计算的电阻率通过复用电极传输给地面设备。相较于现有技术，本公开不必使用专门的数据下载接口，从而优化了钻具的测量短节的机械结构。

Description

随钻电阻率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种随钻电阻率测量装置及测量方法。

背景技术

随着石油和天然气开发的不断进行，早期的常规油气藏已经开发接近尾声，目前已经向开发非常规油气藏、复杂油气藏发展，由浅层向深层发展。地质导向施工在这些非常规油气藏和复杂油气藏中应用得越来越普遍。随着现代电子测量技术的不断发展，随钻成像测量仪器可在钻进过程中实时测量钻头处的井斜、方位等工程参数，电阻率、伽马、声波、核磁等地质参数，并实现电阻率、伽马、声波、核磁等的成像。

一趟钻进过程中所得到的成像测量数据非常庞大，以随钻声波为例，至少需要250Mbyte的数据才能有效信息完整的保护下来。如果还包含其他参数的测量，这个数据非常庞大。然而，在随钻时进行实时传输的泥浆脉冲器的传输速度都在10bit/s以下，这传输速度在钻进过程当中是不可能完成这些数据的传输的。因此这些数据一般是暂时存储在随钻仪器内部，待本次钻进完成且随钻仪器被提回地面后，再通过有线传输的方式将数据从随钻仪器下载到地面计算机。

为了完成以上任务，需要在随钻仪器表面专门设计一个数据下载接口，在井下时通过保护盖板进行高压高温密封设计。进行数据传输时，打开保护盖板，然后再连接电缆和计算机。这种专门设计出一个数据下载接口的方式并不便利，并且还提高了成本。

另一方面，在定向钻井过程中经常会出现两种钻进方式。其中一种是地面的动力装置不带动钻杆转动，只有泥浆循环通过螺杆带动钻头钻进，这种钻进方式也叫滑动钻进，此时螺杆以上的随钻测量仪器不转动。另外一种是复合钻进，在这种工作方式下，地面的动力装置带动钻杆转动，也带动全部井下钻具组合转动，同时泥浆循环通过螺杆带动钻头钻。在此情况下，螺杆以上的随钻测量仪器转动。然而，现有技术不能满足在这两种状况下同时成像。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种随钻电阻率测量装置，其包括：

至少一个发射模块，其设置在钻铤的外表面，用以通过感应耦合在所述钻铤和周围地层之间产生感生电流；

由至少两个电极构成的接收电极组，用以接收所述感生电流中通过对应地层到达所述电极的测量电流，其中指定所述接收电极组中的两个电极为复用电极；

电阻率计算模块，其构造成在所述测量装置的测量模式下与所述接收电极组中的各个电极或者一部分电极连接，对相应电极接收的测量电流进行计算，以得到对应于相应电极的地层的电阻率；以及

数据传输模块，其构造成在所述测量装置的传输模式下与所述复用电极连接，用以将所计算的电阻率通过所述复用电极传输给地面设备。

优选的是，根据本发明的一个实施例，所述随钻电阻率测量装置还包括状态指示模块和切换开关，其中：

所述状态指示模块能够发出用以指示所述测量装置处于测量模式或者传输模式的状态指示信号；

所述切换开关与所述电阻率计算模块、所述数据传输模块以及所述接收电极组中的指定电极相连，用以根据所述状态指示信号将所述指定电极连接到所述电阻率计算模块上，或者将所述指定电极连接到所述数据传输模块上。

优选的是，根据本发明的一个实施例，所述状态指示模块包括压力检测单元，其用以检测所述钻铤上受到的压力，以使得所述状态指示模块：

在所述压力大于预设阈值时，发出所述测量装置处于测量模式的状态指示信号；

在所述压力小于或等于预设阈值时，发出所述测量装置处于传输模式的状态指示信号。

优选的是，根据本发明的一个实施例，所述接收电极组包括安装在所述钻铤的外表面并沿所述钻铤的轴向间隔开的至少两个子组，其中，每个子组中的多个电极以周向均匀间隔开的方式布置在同一平面中。

优选的是，根据本发明的一个实施例，所述接收电极组包括安装在所述钻铤的外表面的多个电极，所述多个电极以周向均匀间隔开的方式布置在同一平面中。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，不同子组中的电极彼此错开。

优选的是，根据本发明的一个实施例，随钻电阻率测量装置还包括安装在所述钻铤外表面上的至少一个接收磁环，将通过所述接收磁环测得的电阻率与通过所述电极测得的电阻率组合得到针对地层的径向探测深度维剖面。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，在钻铤以滑动钻进方式工作时，所述电阻率计算模块被控制成与所述电极组中的各个电极分别进行连接。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，在钻铤以复合钻进方式工作时，所述电阻率计算模块被控制成与分别处于不同子组中的一个电极连接。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，所述随钻电阻率测量装置还包括工具面检测模块，其用以在钻具以复合钻进模式工作时提供当前工具面角度，以确定所述电极所处的测量扇区。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，所述数据传输模块包括串口传输电路，所述接收电极组中的其中两个电极被指定为串行数据差分端子。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，所述电极安装在所述钻铤的各个扶正器上。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，所述随钻电阻率测量装置还包括磁性连接器，所述磁性连接器的吸附面附着于所述指定电极上，并通过引线接入地面设备，以在所述测量装置工作于传输模式时通过所述指定电极将测量所得的电阻率传输到所述地面设备。通过磁性连接器配合接口箱可方便地将接收电极与外部设备连接，以进行测量数据的传输。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，在所述电阻率计算模块和所述接收电极组之间还连接有模拟信号多路选择器，所述模拟信号多路选择器的输出端与所述电阻率计算模块连接，输入端与所述接收电极组中的各个电极连接，控制端接收所述状态指示信号以将所述输出端与所述输入端逐个连接，或者仅与其中一个输入端连接。

优选的是，在根据本发明的一个实施例中，所述电阻率计算模块还包括：

前置放大器，其连接在所述模拟信号多路选择器的各个输入端和对应的接收电极之间；

低通滤波器，其连接在所述模拟信号多路选择器的输出端上，用以对所述接收电极传送的测量电流信号进行低通滤波处理以消除噪声。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种随钻电阻率测量方法，该方法包括以下步骤：

通过发射磁环接收交变激励电流，以通过感应耦合使得在所述钻铤和周围地层之间产生感生电流；

通过接收电极接收所述感生电流中通过对应地层的测量电流；

通过切换开关接收状态指示信号；

当所述状态指示信号指示测量装置工作于测量模式下时，通过所述切换开关将电阻率计算模块与所述接收电极组中的各个电极或者一部分电极连接，以对所述电极接收的测量电流进行计算，得到对应于所述接收电极的地层的电阻率；

当所述状态指示信号指示测量装置工作于传输模式下时，通过切换开关将数据传输模块与所述接收电极组中的指定电极连接，用以将所计算的电阻率通过所述指定电极传输给地面设备。

本发明的随钻电阻率测量方法还包括以下步骤：

检测所述钻铤上受到的压力，

将所述压力的值与预设阈值进行比较，在所述压力的值大于预设阈值时，向切换开关发出测量装置处于测量模式的状态指示信号；在所述压力的值小于或等于预设阈值时，向所述切换开关发出测量装置处于传输模式的状态指示信号。

根据本发明的随钻电阻率测量方法还包括以下步骤：

在钻铤以滑动钻进方式工作时，控制所述电阻率计算模块与处于所述钻铤的上部和下部的各个电极分别进行连接，

在钻铤以复合钻进方式工作时，控制所述电阻率计算模块与分别处于不同子组中的一个电极连接。

根据本发明的随钻电阻率测量装置及方法不仅可以将接收电极用于成像测量数据的测量，还可以将其用于数据的下载。相较于现有技术，本发明不必使用专门的数据下载接口，从而优化了钻具的测量短节的机械结构。也因此避免了在数据下载前需要拆卸保护盖的操作，提高了钻井平台的工作效率。

此外，本发明的随钻电阻率测量装置及方法还能适应不同钻井模式的电阻率测量，一台仪器实现了原来多台仪器的功能，降低了随钻电阻率数据采集的成本。通过锁相放大和滤波可以将电极尺寸缩小到原来的1/2-1/3，从而使得等效的分辨率提高一倍以上。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的随钻电阻率测量装置的原理图；

图2a是如图1所示的随钻电阻率测量装置的结构框图；

图2b详细显示了图2a中的开关电路如何将接收电极与串行接口电路和测量电流处理电路之间进行连接的示意图；

图3a是根据本发明一个实施例的将随钻电阻率测量装置安装于钻具的钻铤上的结构示意图；

图3b是根据本发明另一个实施例的将随钻电阻率测量装置安装于钻具的钻铤上的结构示意图；

图4是详细显示了根据本发明一个实施例的随钻电阻率测量装置的电路原理图；

图5显示了将根据本发明的随钻电阻率测量装置与地面计算机进行互连以读取测量数据的示意图；

图6显示了采用随钻电阻率测量装置进行电阻率测量和数据传输的方法流程图；

图7详细显示了测量模式与数据传输模式切换的处理流程图，以及

图8详细显示了本发明的随钻电阻率测量装置在不同钻进工作方式下的处理流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

如图1所示，其中显示了根据本发明一个实施例的随钻电阻率测量装置的原理图。在图1中，可以看出本发明的随钻电阻率测量装置包括发射模块101、接收电极组102、电阻率计算模块103以及数据传输模块104。

发射模块101设置在钻铤的外表面，用以通过感应耦合而在钻铤和周围地层之间产生感生电流Ii。在一实施例中，发射模块101为一套在钻铤外部的绕线磁环。通过在绕线的两端施加一定频率的交变激励电流，便可在钻铤上产生感生电动势，从而在钻铤和附近地层之间产生感生电流Ii。其中，感生电流Ii中的一部分通过地层流入接收电极组102中的各个电极。

然而，与图1所示不同的是，本发明的发射模块101还可以为设在钻铤上、下不同部位的多个绕线磁环，比如三个。这时，便可以根据需要将其中的一个或者两个绕线磁环设置为接收模块，以接收地层的径向电阻率。如果将接收磁环接收的电阻率与接收电极接收的电阻率在成像设备中进行组合，便可以得到针对地层的径向探测深度维剖面图。

如图1所示的接收电极组102由至少两个电极构成。在图1中，接收电极接收感生电流中通过对应地层到达的测量电流Ir。为使接收电极组中的两个电极除了作为测量电阻率的用途之外，还将其作为传输数据的端子来使用，指定其中两个电极为复用电极。因此，本发明的随钻电阻率测量装置具有两种工作模式：测量模式和数据传输模式。

在随钻电阻率测量装置的测量模式下，电阻率计算模块103与接收电极组中的各个电极或者一部分电极连接。电阻率计算模块103接收了电流之后，对相应电极接收的测量电流进行计算，以得到对应于相应电极的地层的电阻率。

由于随钻电阻率测量系统在工作过程中会跟随钻头和钻杆下到井下，随钻电阻率测量系统所测量得到的电阻率数据的数据量较大导致无法实时地将所有电阻率数据传输至地面，因此，可将在钻具工作期间所计算的电阻率数据暂时保存在测量装置内部的存储模块106中。

而在随钻测量装置的传输模式下，数据传输模块104构造成与复用电极连接，用以将所计算的电阻率通过复用电极传输给地面设备。由于电阻率数据会在连续测量的过程中保存于存储模块106中，因此，数据存储模块104只需要访问存储模块106便可获取电阻率数据，然后通过复用电极作为数据传输端子而与地面设备105进行数据传输操作。

为了指示随钻测量装置的工作模式(如测量模式或者数据传输模式)，本发明的随钻电阻率测量装置还包括状态指示模块和切换开关(图1未显示)。

状态指示模块能够发出用以指示测量装置处于测量模式或者传输模式的状态指示信号。切换开关与电阻率计算模块103、数据传输模块104以及接收电极组102中的复用电极102a相连，以根据状态指示信号将复用电极102连接到电阻率计算模块103上，或者将复用电极连接到数据传输模块104上。

为简化起见，图1中采用虚线粗箭头和虚线细箭头来分别表示在切换开关的控制下接收电极与数据传输模块和电阻率计算模块之间的连接关系，而省略了切换开关的具体显示。切换开关可以是具体的硬件开关(如图2a所示)，也可以是通过程序软件实现的软开关。

本发明通过检测钻铤所处短节受到的压力来判断测量装置是在井下进行随钻测量工作，还是已经到达地面进行数据传输工作这两种工作模式。因此，测量装置还包括如图2a所示的压力检测单元205。压力检测单元205用以检测钻铤上受到的压力，以使得状态指示模块在压力大于预设阈值时，发出测量装置处于测量模式的状态指示信号；在压力小于或等于预设阈值时，发出测量装置处于传输模式的状态指示信号。一般地，可以将该预设阈值设为大气压力值，也可以将预设阈值设为大气压附近的一个范围值，以适应不同地区的气压变化。

本实施例中，压力检测单元205优选地包括压力传感器和压力数据处理电路。其中，压力传感器优选地设置于钻铤表面，以便更加准确地对自身所受到的压力进行测量，压力数据处理电路优选地设置于钻铤内部。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，压力传感器以及压力数据处理电路还可以设置在其他合理位置，本发明不限于此。

如上所提到的各种功能模块可以集成在一个芯片中来实现，也可以采用分立的逻辑元件来实现。然而，不论哪一种实现方式，其均可以达到本发明的目的。

以下以集成芯片如微处理器为例来进一步详细说明本发明的原理。

图2a和图2b分别显示了根据本发明的原理进行设计的系统结构框图。如图2a所示，本发明所提供的随钻测量装置主要通过微处理器201来实现控制和计算处理操作。具体地，微处理器201用来实现前面提到的电阻率计算、数据传输控制、状态信号指示等功能。微处理器201不限于市面上可购得的任何型号的微控制单元、数字信号处理器、微型计算机等产品。

在图2a中，数据传输模块104主要由串行接口电路202来实现。在微处理器201与接收电极之间还连接有测量电流处理电路203，用以对接收的测量电流进行放大去噪声的处理，并进行模数转换以便于微处理器201能够进行数字处理。在串行接口电路202和测量电流处理电路与接收电极102之间连接有切换开关206。切换开关206具有控制端，其能够在微处理器发出的状态指示信号的控制下调节自身的导通状态，以在测量装置的不同模式(测量模式和数据传输模式)下，将接收电极102与测量电流处理电路203之间的电连接导通，或将接收电极102与串行接口电路202之间的电连接导通。详细的切换开关206的示意图请参见图2b。

在图2a中，存储模块106连接在微处理器201上，用于暂时保存微处理器201根据接收电极上检测的电流计算获得的电阻率测量数据。当需要下载测量装置中的数据时，通过控制复用电极与串行接口202连接，使得微处理器从数据存储模块106读取电阻率测量数据，并通过串口电路202电路将读取到的数据通过复用电极102传输至地面设备。

本发明的随钻电阻率测量装置还包括与微处理器201连接的工具面处理电路208。在工具面处理电路208上连接有工具面检测传感器207，用以获得钻头的当前工具面角，从而确定钻具处于滑动钻进工作方式还是复合钻进工作方式，以便为后续电阻率测量提供参考。

如图2b所示，其中详细显示了以含有三个接收电极(102a,102b,102c)的接收电极组102为例的、切换开关206在本发明中的应用。

在图2b中，接收电极102包括三个电极，即第一接收电极102a、第二接收电极102b以及第三接收电极102c。其中，第一接收电极102a与切换开关206的第五端口D5连接，第二接收电极102b与切换开关206的第六端口D6连接。串行接口电路202的两个输出端口分别与切换开关206的第一端口D1以及第三端口D3连接，测量电流处理电路203的两个输入端口分别与切换开关206的第二端口D2和第四端口D4连接。通过控制切换开关206的第五端口D5和第六端口D6的动作，可以实现将第一接收电极102a和第二接收电极102b分别与串行接口电路202接通，或者与测量电流处理电路203接通，进而实现了这两个电极的功能复用。因此，在本发明中其他地方也将它们称为复用电极。

在一个实施例中，随钻电阻率测量装置在进行数据下载时采用半双工模式。因此，在进行数据下载过程中仅需要使用两个接收电极来分别作为DATA+线和DATA-线。换句话说，本实施例中的第一接收电极107a和第二接收电极107b充当了半双工串口传输中所使用的两套数据线。

而为了测量得到当前扇区的深、中、浅三个地层的电阻率，本实施例中所提供的装置还包括第三接收电极102c，其设置在钻铤表面并与第一接收电极和第二接收电极不同深度的位置处。如图2b所示，第三接收电极102c可直接与测量电流处理电路连接。

如图3a和3b显示了本发明的电极在钻铤上的布置的示意图。

在图3a显示的例子中，接收电极组102包括钻铤竖直方向设置的浅、中深三个深度的接收电极102a，102b，102c。

随钻成像短节的强度要求极高，一般不允许在钻铤上开太多的安装槽，这样接收电极以及压力传感器的安装空间也就十分有限。如图3所示，本实施例中，可将第一接收电极102a、第二接收电极102b、第三接收电极102c通过各自的电极绝缘层(即第一电极绝缘层301a、第二电极绝缘层301b以及第三电极绝缘层301c)安装在钻铤300表面的圆形槽内。本实施例中，上述三个接收电极优选地均由厚度1cm-3cm的金属圆柱构成，这三个接收电极均通过高压插针与设置在钻铤300内部的电路板连接。

本实施例中，发射模块101(这里显示的是发射磁环)优选安装在钻铤300表面所开的环形槽内，环形槽内采用绝缘材料与钻铤300绝缘并保护。发射磁环101由环形磁芯上缠绕多匝包漆线构成，包漆线的两端分别通过高压插针与钻铤300内部的电路板连接。本实施例中，发射磁环101的环形磁芯上所缠绕的包漆线的匝数为100匝。然而，需要指出的是，在其他实施例中发射磁环的包漆线匝数还可以为其他合理值，本发明不限于此。

如图3a所示，接收电极102以及压力传感器303优选设置在沿钻铤轴线方向的同一直线上。这样，在钻井过程中，钻铤300旋转，电路系统通过工具面检测传感器207以及工具面处理电路208可以检测到随钻成像测量短节当前的工具面角度，通过发射磁环101与第一接收电极102a、第二接收电极102b、第三接收电极102c进行配合，检测到当前扇区中深、中、浅三个地层的电流，并由微处理器201进一步完成针对该电流值的电阻率计算。微处理器201在得到电阻率测量数据后，会将该数据存储在存储模块106中。钻铤300能够通过下连接扣304和上连接扣305分别与钻头、钻杆、泥浆脉冲连接。

发射模块101为设置在钻铤上游的绕线磁环。然而，绕线磁环也可以为如图3b中的三个。其中一个为用作产生感生电流的发射磁环101a，其它两个101b和101c用作接收磁环。将接收磁环接收的电阻率与接收电极接收的电阻率在成像设备中进行组合，便可以得到针对地层的径向探测深度维剖面图，从而能够给钻井工作提供更精确地指导。

图3a这样的电极布置结合图2a和2b的电路设置，可以完成钻具复合钻进工作模式下的电阻率测量。在测量结束以后，通过其中两个电极进行数据传输，从而避免了设计专门数据传输口所带来的缺点。然而，这样设置的电极在钻铤部位相对不转动的时候，不能检测出钻铤一周的地层的电阻率，因而不能满足钻具滑动钻进工作模式的电阻率测量。为此，在图3b中，将接收电极设置成上下两个子组的形式，并且每个子组的多个电极以周向均匀间隔开的方式布置在同一平面中。

与图3a不同的是，图3b还显示出扶正器。扶正器沿钻铤300的轴向方向安装在钻铤300的外壁。将各个接收电极102a-102h对应安装在扶正器的端面上。接收电极还可以设计为“纽扣”状，安装在钻铤300外壁突出的鳍状扶正器上。这样，接收电极也就可以更加靠近地层，从而更加有利于形成电流回路，提高了测量的信噪比。

如图3b所示，第一接收电极子组所包含的四个接收电极102a-102d优选均匀分布在钻铤表面。即，相邻接收电极的周向夹角为90度。第二接收电极子组与第一接收电极子组结构相同，但不同子组中的电极彼此错开设置。换句话说，上下两个电极之间存在预设周向夹角。比如，周向夹角的取值优选地配置为45度。

例如，对于第二接收电极子组中的第五接收电极102e来说，其沿钻铤300轴向的延长线将会位于第一接收电极子组中的第二接收电极102a与第三接收电极102c的中间位置，也就是该轴向延长线与第二接收电极102a和第三接收电极102c之间的周向夹角均为45度。这样，钻铤300在一周范围内实现了双倍均匀分布的八个接收电极分布，也就等效实现了八扇区成像。因此，这种布置使得在滑动钻进过程中随钻电阻率测量装置所能够探测的扇区的数量得到增加，从而提高了系统的探测精度。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，上述预设周向夹角还可以配置为其他合理值，本发明不限于此。

本实施例中，在整个钻进系统滑动钻进时，该随钻电阻率测量系统也就可以直接通过两个深度的八个接收电极来进行八个扇区的电阻率测量。在整个钻进系统旋转钻进时，该随钻电阻率测量系统则可以利用两个接收电极组件中的各一个接收电极共计两个接收电极来实现两个深度、多扇区的测量。其中，测量扇区的数量可以根据工具面传感器的检测速度和精度来确定，例如可以实现32扇区以上的高精度电阻率检测。这样，本实施例所提供的随钻电阻率测量装置也就实现了多模式的地层电阻率测量。

此外，根据实际需要，该随钻电阻率测量装置还可以将每个接收电极组件中四个接收电极所生成的测量信号叠加组合，从而得到两个无方位的侧向电阻率信号。

本实施例中，该随钻电阻率测量系统还包括第二发射磁环101b和第三发射磁环101c。其中，第一发射磁环101a、第二发射磁环101b以及第三发射磁环101c分别相隔一定间距分布在钻铤300上，这三个磁环均可以作为发射器来将能量耦合到钻铤上并从钻铤和磁环表面流入地层。它们也可以作为接收器接收和检测其他发射器在钻铤与地层回路中产生的电流，从而采用“侧向”法测量地层电阻率。

例如，本实施例中，第一发射磁环101a作为发射器，那么第二发射磁环101b和第三发射磁环101c则作为接收器，这样第二发射磁环101b和第三发射磁环101c可以将所接收到的信号通过信号接收电路来传输至微处理器201，这样微处理器201也就可以得到两个无方位的侧向电阻率数据。

本实施例中，微处理器201还可以将利用接收电极组件得到的侧向电阻率数据与利用第二发射磁环101b和第三发射磁环101c得到的侧向电阻率数据结合，这样能够得到更加精细的径向探测深度剖面图。

要能够实现：当钻铤以滑动钻进方式工作时，电阻率计算模块被控制成与电极组中的各个电极分别进行连接；在钻铤以复合钻进方式工作时，电阻率计算模块被控制成与分别处于不同子组中的一个电极连接，则需要在电路中增加多路选择器。因此，如图4所示，其中显示了八个前置放大器，它们分别与各个接收电极101一一对应连接。这八个前置放大器能够将八个接收电极所传输来的电流进行放大后传输至两个模拟信号多路选择器203a的八个输入端口。

两个模拟信号多路选择器203a还包括输出端口和控制端口，其中，控制端口与微处理器201连接。模拟信号多路选择器203a能够在微处理器201的控制下将其输出端口与其中一个输入端口之间的连接导通。这样，通过微处理器201的控制，两个模信号多路选择器203的八个输入端口也就可以先后与其输出端口导通。这样，微处理器201也就可以得到各个接收电极所检测到的电流对应的电阻率数据。

由于八个接收电极以45度的偏移角在钻铤的周向分布一周，因此在钻铤不旋转的情况下，该随钻电阻率测量系统也就可以完成八个接收电极的电阻率数据的采集，进而实现八个扇区的电阻率测量。

本实施例中，随钻电阻率测量系统还包括工具面检测传感器207和工具面信号处理电路208。工具面信号处理电路208连接在工具面检测传感器207与微处理器201之间，微处理器201能够工具面信号处理电路208所传输来的信号确定出随钻成像测量短节的当前工具面角度。

当钻铤旋转时，模拟信号多路选择器203在微处理器201的控制下将自身输出端口与其中一个输入端口连接。例如，当钻铤旋转钻进时，微处理器201将控制其中一个模拟信号多路选择器203来把接收电极子组102中的某一个接收电极(例如第一接收电极102a)与微处理器201之间的连接导通，同时微处理器201也会控制另一个模拟信号多路选择器203来将接收电极子组中的某一个接收电极(例如第五接收电极102e)与微处理器201之间的连接导通。利用发射模块101以及这两个接收电极，微处理器201可以检测到当前扇区中深、浅两个地层的电阻率数据。由于钻铤是在旋转的，结合不同时刻所确定出的工具面角度，微处理器201也就可以得到不同扇区中深、浅两个地层的电阻率数据。

从上述描述中可以看出，相较于现有的随钻电阻率测量系统，本实施例所提供的系统能够实现多种组合模式的电阻率测量，该系统充分优化了随钻电阻率测量仪器的结构，提高了电阻率数据的分辨率。同时，利用混频器以及滤波器，该系统能够有效提高电阻率测量过程中的信噪比，这样接收电极所接收到的电流也就可以更小，接收电极的尺寸也就可以相应缩小(例如缩小到原来的1/2～1/3)，这样也就相应提高了系统的等效分辨率。

如图5所示，随钻成像测量装置还包括：磁性连接器(501a，501b)和接口箱502。其中，接口箱502用于与地面设备(例如地面计算机503)连接，磁性连接器(501a，501b)通过连接线缆与接口箱502连接。本实施例中，磁性连接器能够利用磁性吸附在对应接收电极表面，从而实现接收箱502与复用电极(102a，102e)之间的电连接，以便进行电阻率测量数据的传输。

需要指出的是，为了保证磁性连接器与接收电极之间电连接的可靠性，本实施例中，磁性连接器的吸附面积优选地小于接收电极的表面积，即在图5中表现为第一磁性连接器501a和第二磁性连接器501b的半径分别小于第一接收电极201a和第五接收电极301a的半径。

如图6所示，其中显示了根据本发明的随钻电阻率测量方法的流程图。该方法开始于步骤S601，通过发射磁环接收交变激励电流，以通过感应耦合使得在所述钻铤和周围地层之间产生感生电流Ia。具体地，该激励电流信号由微处理器201产生。接下来，在步骤S602中，通过接收电极接收感生电流中通过对应地层的测量电流Ir。

在步骤S603中，通过切换开关接收状态指示信号。如果状态指示信号指示测量装置工作于测量模式下时，通过切换开关将电阻率计算模块与接收电极组中的各个电极或者一部分电极连接，以对电极接收的测量电流进行计算，得到对应于接收电极的地层的电阻率，步骤S604。这里电阻率计算模块为微处理器201实现的功能模块。

当状态指示信号指示测量装置工作于传输模式下时，通过切换开关将数据传输模块与接收电极组中的指定电极连接，用以将所计算的电阻率通过所述指定电极传输给地面设备，步骤S605。这里数据传输模块也包含一部分在微处理器201中实现的功能。

图7显示了测量模式与数据传输模式切换的处理流程图。

如图7所示，在步骤S701中，微处理器检测所述钻铤上受到的压力。然后，判断钻铤上的压力大于预设阈值，步骤S702。

在压力的值大于预设阈值时，微处理器向切换开关发出测量装置处于测量模式的状态指示信号，步骤S703。在压力的值小于或等于预设阈值时，微处理器向切换开关发出测量装置处于传输模式的状态指示信号，步骤S704。最后根据微处理器发出的状态指示信号来控制切换开关操作以实现接收电极的功能复用。

图8详细显示了本发明一个实施例的随钻电阻率测量装置在不同钻进工作方式下的处理流程图。本发明可以在钻铤以滑动钻进方式工作时，控制电阻率计算模块与处于所述钻铤的上部和下部的各个电极分别进行连接，而在钻铤以复合钻进方式工作时，将电阻率计算模块控制成与分别处于不同子组中的一个电极连接。

具体地，在步骤S801中，获取工具面检测单元所检测的工具面角度。然后，在步骤S802中，判断工具面角度是否有变化。如果有变化，则判断目前钻具处于复合钻井工作方式，因此微处理器发出钻具处于复合钻进工作方式，步骤S803。如果没有变化，则判断目前钻具处于滑动钻井工作方式，因此微处理器发出钻具处于滑动钻进工作方式，步骤S804。

接下来，到步骤S805，多路模拟信号选择器根据接收的工作方式指示信号将接收电极中的一部分电极的测量信号接收进来，或者将所有的接收电极的测量信号接收进来。

具体地，在工作过程中，本发明的随钻电阻率测量装置会跟随钻头和钻杆下到井下。在此过程中，微处理器201会利用压力检测电路108来检测到整个短节所受到的压力。当短节处于地面以上时，整个短节所受到的压力也就会小于或等于预设压力阈值；而当短节处于地面以下时，整个短节所受到的压力也就会大于预设压力阈值。

当整个短节所受到的压力大于预设压力阈值时，微处理器201会控制切换开关电路206来将测量电流处理电路203与上述第一接收电极102a和第五接收电极102e之间的电连接导通，此时该系统也就可以进行电阻率测量。本实施例中，根据实际需要，微处理器201所得到的一小部分数据可以通过相应的泥浆脉冲器上传到地面，而大部分测量数据则存储在数据存储电路106中。

当一次钻井过程完成后，随着随钻成像测量短节跟随钻头和钻杆返回钻井平台，此时整个短节所受到的压力将接近于零，该压力值将小于或等于预设压力阈值，此时微处理器201则通过切换开关电路206来将串行接口电路202与第一接收电极102a和第五接收电极102e之间的连接导通。此时，工程师也就可以将两个磁性连接器分别吸附到第一接收电极102a和第五接收电极102e上。这样地面计算机也就可以通过接口箱、磁性连接器、接收电极、串口传输电路来读取到数据存储电路中所存储的成像测量数据，从而实现成像测量数据的下载。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的随钻电阻率测量装置不仅将接收电极用于成像测量数据的测量，还用于数据的下载，实现了对接收电极的重复利用。相较于现有的随钻成像测量装置，本装置能够有效避免使用专门的数据下载接口，优化了测量短节的机械结构。同时，由于接口箱可以通过磁性连接器方便地与接收电极连接，因此也就避免了现有装置在数据下载前需要拆卸保护盖的操作，提高了钻井平台的工作效率。

此外，本发明提供的随钻电阻率测量装置还能够实现滑动钻进时和复合钻进时都可以进行电阻率成像，并通过内置的工具面传感器自适应地判断当前的工作状态。该系统能够有效降低随钻成像测量系统的结构复杂度。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (17)

1.一种随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述装置包括：

发射模块，其设置在钻铤的外表面，用以通过感应耦合在所述钻铤和周围地层之间产生感生电流；

由至少两个电极构成的接收电极组，用以接收所述感生电流中通过对应地层到达所述电极的测量电流，其中所述接收电极组中的两个电极为复用电极；

电阻率计算模块，其构造成在所述测量装置的测量模式下与所述接收电极组中的各个电极或者一部分电极连接，对相应电极接收的测量电流进行计算，以得到对应于相应电极的地层的电阻率；以及

数据传输模块，其构造成在所述测量装置的传输模式下与所述复用电极连接，用以将所计算的电阻率通过所述复用电极传输给地面设备，其中，所述装置还包括状态指示模块和切换开关，其中：

所述状态指示模块能够发出用以指示所述测量装置处于测量模式或者传输模式的状态指示信号；

所述切换开关与所述电阻率计算模块、所述数据传输模块以及所述接收电极组中的复用电极相连，用以根据所述状态指示信号将所述复用电极连接到所述电阻率计算模块上，或者将所述复用电极连接到所述数据传输模块上。

2.如权利要求1所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述状态指示模块包括压力检测单元，其用以检测所述钻铤上受到的压力，以使得所述状态指示模块：

在所述压力大于预设阈值时，发出所述测量装置处于测量模式的状态指示信号；

在所述压力小于或等于预设阈值时，发出所述测量装置处于传输模式的状态指示信号。

3.如权利要求2所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述接收电极组包括安装在所述钻铤的外表面并沿所述钻铤的轴向间隔开的至少两个子组，其中，每个子组中的多个电极以周向均匀间隔开的方式布置在同一平面中。

4.如权利要求2所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述接收电极组包括安装在所述钻铤的外表面的多个电极，所述多个电极以周向均匀间隔开的方式布置在同一平面中。

5.如权利要求3所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，不同子组中的电极彼此错开。

6.如权利要求4所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括安装在所述钻铤外表面上的至少一个接收磁环，将通过所述接收磁环测得的电阻率与通过所述电极测得的电阻率组合得到针对地层的径向探测深度维剖面。

7.如权利要求5所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，在钻铤以滑动钻进方式工作时，所述电阻率计算模块被控制成与所述电极组中的各个电极分别进行连接。

8.如权利要求6所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，在钻铤以复合钻进方式工作时，所述电阻率计算模块被控制成与分别处于不同子组中的一个电极连接。

9.如权利要求8所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括工具面检测模块，其用以在钻具以复合钻进模式工作时提供当前工具面角度，以确定所述电极所处的测量扇区。

10.如权利要求1所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述数据传输模块包括串口传输电路，所述接收电极组中的其中两个电极被指定为串行数据差分端子。

11.如权利要求1所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述电极安装在所述钻铤的各个扶正器上。

12.如权利要求1-6中任一项所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述装置还包括磁性连接器，所述磁性连接器的吸附面附着于所述复用电极上，并通过引线接入地面设备，以在所述测量装置工作于传输模式时通过所述复用电极将测量所得的电阻率传输到所述地面设备。

13.如权利要求7或8所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，在所述电阻率计算模块和所述接收电极组之间还连接有模拟信号多路选择器，所述模拟信号多路选择器的输出端与所述电阻率计算模块连接，输入端与所述接收电极组中的各个电极连接，控制端接收指示钻具工作方式的信号以将所述输出端与所述输入端逐个依次连接，或者仅与其中一个输入端连接。

14.如权利要求13所述的随钻电阻率测量装置，其特征在于，所述电阻率计算模块还包括：

前置放大器，其连接在所述模拟信号多路选择器的各个输入端和对应的接收电极之间；和

低通滤波器，其连接在所述模拟信号多路选择器的输出端上，用以对所述接收电极传送的测量电流信号进行低通滤波处理以消除噪声。

15.一种随钻电阻率测量方法，其特征在于，

通过发射磁环接收交变激励电流，以通过感应耦合使得在钻铤和周围地层之间产生感生电流；

通过接收电极接收所述感生电流中通过对应地层的测量电流；

通过切换开关接收状态指示信号；

当所述状态指示信号指示测量装置工作于测量模式下时，通过所述切换开关将电阻率计算模块与接收电极组中的各个电极或者一部分电极连接，以对所述电极接收的测量电流进行计算，得到对应于所述接收电极的地层的电阻率；

当所述状态指示信号指示测量装置工作于传输模式下时，通过切换开关将数据传输模块与所述接收电极组中的复用电极连接，用以将所计算的电阻率通过所述复用电极传输给地面设备。

16.如权利要求15所述的随钻电阻率测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

检测所述钻铤上受到的压力，

将所述压力的值与预设阈值进行比较，在所述压力的值大于预设阈值时，向切换开关发出测量装置处于测量模式的状态指示信号；在所述压力的值小于或等于预设阈值时，向所述切换开关发出测量装置处于传输模式的状态指示信号。

17.如权利要求16所述的随钻电阻率测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

在钻铤以滑动钻进方式工作时，控制所述电阻率计算模块与处于所述钻铤的上部和下部的各个电极分别进行连接，

在钻铤以复合钻进方式工作时，控制所述电阻率计算模块与处于钻铤上部的电极中的一个电极以及与处于钻铤下部的电极中的一个电极连接。

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