CN107849914A - 用于介电测井的天线结构和设备 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种用于使用至少一个发射器天线来评估土地地层的介电测井工具，所述至少一个发射器天线安置在与井孔壁啮合的衬垫上的空腔中。所述测井工具可以包括至少一个电力驱动器，所述至少一个电力驱动器与所述至少一个发射器天线电通信并且被配置用来调制所述至少一个电力驱动器的输出电流的相位。所述测井工具可以在所述至少一个发射器天线的两个馈源上强加对称电流，从而使得所述电流的对称点与所述至少一个发射器天线的几何对称轴对准。可以通过使用所接收信号与所发射信号之间或来自间隔开的接收器的所接收信号之间的衰减和相位差来估计所述地层的感兴趣参数。

Description

用于介电测井的天线结构和设备

本公开的领域

本公开一般来说涉及碳氢化合物的勘探，所述勘探涉及对穿透土地地层的井孔的电调查。更具体地说，本公开涉及用于估计土地地层的感兴趣参数的新颖天线和电路。

本公开的背景

电力土地井孔测井是众所周知的并且已经描述了用于这个目的的各种装置和各种技术。可以通过将电磁(EM)波发射至地层中并在接收器天线处接收电磁波来估计地层的介电常数。接着，确定所接收信号与所发射信号之间的衰减和相移，所述衰减和相移用以估计地层的介电常数。或者，可以使用间隔开的接收器之间的衰减和相移来估计地层的介电常数。

本公开的概要

在各方面，本公开涉及用于使用至少一个发射器天线以及至少一个电力驱动器来评估至少一个感兴趣参数的方法和设备，所述至少一个电力驱动器与所述至少一个发射器天线电通信并且被配置用来调制所述至少一个驱动器的输出电流的相位。

根据本公开的一个实施方案包括一种用于评估土地地层的设备，所述设备包括：载体，所述载体被配置用于在与所述土地地层相交的井孔中进行运输；测井工具，所述测井工具安置在所述载体上，所述测井工具包括：衬垫，所述衬垫具有被配置成啮合井孔壁的至少一个面，所述面包括限定空腔的表面，至少一个发射器天线，所述至少一个发射器天线安置在所述面的所述空腔中，所述至少一个发射器天线从激发源接收电信号，以及至少一个电力驱动器，所述至少一个电力驱动器与所述至少一个发射器天线电通信并且被配置用来调制所述至少一个驱动器的输出电流的相位。

施加至所述至少一个发射器天线的所述电信号经由所述至少一个电力驱动器在所述发射器天线的两个馈源上强加对称电流，从而使得所述电流的对称点与所述至少一个发射器天线的几何对称轴对准。所述至少一个发射器天线包括至少一个馈源。所述至少一个电力驱动器可以经由至少一个馈源与所述至少一个发射器天线电通信。

所述至少一个发射器天线可以包括三轴天线。所述至少一个发射器天线可以包括每一轴的馈源；每一馈源与所述至少一个电力驱动器电通信；并且所述激发源与所述至少一个电力驱动器电通信。所述至少一个发射器天线可以包括具有覆盖从约2MHz至约1GHz的频率范围的带宽的对数周期天线。当所述面与所述井孔壁啮合时，所述至少一个发射器天线可以安置在所述空腔与所述土地地层之间的所述衬垫上。所述空腔可以包括被配置成将电磁波聚焦至所述土地地层中的凹腔。限定所述空腔的所述表面在金属材料顶部可以包括至少一个功能梯度材料层。所述功能梯度材料可以包括以下至少一项：(i)介电材料，以及(ii)铁磁材料。所述至少一个电力驱动器可以具有与所述至少一个发射器天线电通信的均衡差分输出。所述至少一个电力驱动器可以相对于所述衬垫电浮置。所述测井工具在所述衬垫上可以包括第二空腔，其中接收器天线安置在所述第二空腔中；所述设备可以包括被配置用来使用由所述至少一个接收器天线接收的信号来估计所述土地地层的感兴趣参数的至少一个处理器。所述感兴趣参数可以包括以下各项中的至少一者：(i)所述地层的水饱和度，(ii)所述地层的水电导率，(iii)所述地层的复电容率，(iv)岩石基质的电容率，(v)泥饼的复电容率，(vi)所述泥饼的厚度，(vii)岩石的质地，(viii)胶结指数，(ix)饱和指数，以及(x)阳离子交换能力。

本公开的另一实施方案包括一种用于评估土地地层的方法，所述方法包括：使用至少一个电力驱动器有效地改变安置在测井工具上的至少一个发射器天线的阻抗，所述至少一个电力驱动器与所述至少一个发射器天线电通信并且被配置用来调制施加至所述至少一个发射器天线的输出电流的相位。所述方法还可以包括：在与所述土地地层相交的井孔中运输所述至少一个发射器，其中所述至少一个发射器天线包括三轴天线；使用所述至少一个电力驱动器将输出电流施加至所述至少一个发射器天线；在所述至少一个发射器的两端上强加对称电流，从而使得所述电流的对称点与所述至少一个发射器的几何对称轴对准；使用至少一个接收器天线接收信号；以及使用所述所接收信号估计所述土地地层的感兴趣参数。

已经相当广泛地概述了本公开的较重要的特征的实例，以便可以较好地理解下文对所述特征的详细描述并且以便可以了解所述特征对本领域的贡献。

附图简述

为了详细理解本公开，应参照结合附图进行的对实施方案的以下详细描述，其中相同元件被给予相同数字，其中：

图1示出了根据本公开的实施方案的包括用于估计土地地层的感兴趣参数的井下工具的井孔的示意图；

图2示出了用以获得图6和图7中的相对量值和相位的单端天线的横截面视图；

图3A示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的横截面视图；

图3B示出了根据本公开的实施方案的三轴天线组合件；

图4A示出了根据本公开的实施方案的具有安置在空腔中的天线的井下工具的示意图；

图4B示出了根据本公开的实施方案的具有安置在空腔中的天线的井下工具上的衬垫的示意图；

图5示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的横截面视图；

图6示出了针对本公开的实施方案的相对量值-频率的图表；

图7示出了针对本公开的实施方案的相对相位-频率的图表；

图8示出了用以获得图10和11中的相对量值和相位的水的电容率-频率的图表；

图9示出了用以获得图10和11中的相对量值和相位的水的电导率-频率的图表；

图10示出了针对本公开的实施方案的在水槽中的相对量值-频率的图表；

图11示出了针对本公开的实施方案的在水槽中的相对相位-频率的图表；

图12示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的横截面视图；

图13示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的横截面视图；

图14示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的横截面视图；

图15示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的横截面视图；

图16A示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的横截面视图；

图16B示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的辐射图案的横截面视图；

图16C示出了根据本公开的实施方案的天线组合件的辐射图案的横截面视图；

图17示出了根据本公开的实施方案的井下工具的示意图；

图18示出了根据本公开的实施方案的井下工具的示意图；以及

图19示出了根据本公开的实施方案的用于估计至少一个感兴趣参数的方法的流程图。

详细描述

本公开一般来说涉及碳氢化合物的勘探，所述勘探涉及对穿透土地地层的井孔的电磁调查。这些调查可以包括估计土地地层的至少一个感兴趣参数。

本公开容许不同形式的实施方案。图式中示出了并且本文中将详细描述本公开的特定实施方案，其中理解为本公开将看作本公开的原理的例证，并且无意将本公开限于本文中所示和所描述。实际上，如将变得显而易见，本公开的教示可以用于多种井工具以及井构造和生产的所有阶段。因此，下文所讨论的实施方案仅仅说明本公开的应用。

可以使用测井系统来估计土地地层的复电容率。使用安置在井孔中的发射器天线在地层中激励电磁波。由安置在井孔中的间隔开的接收器天线接收的信号之间的衰减和相位差可以用来估计复电容率，所述电容率可以用来估计地层的水饱和度。为了增大这些估计的准确度，发射器和接收器天线可以被配置用来跨越宽频带(例如从2MHz到1GHz)操作，并且接近理想的磁性偶极子(即无穷小偶极子)的性能。

作为实例，发射器天线可以被配置为在井孔中运输的主体的空腔内的单端天线。可以将主体推抵在井孔上，使得主体啮合井孔壁以使用单端发射器天线测量井孔或地层的性质。单端天线可以包括具有至激发源的单一馈源的环形线。从这个馈源开始，线通过本身接地至空腔表面而完成环形。激发源通过跨越宽频率带宽施加交流电流而激励环形线。

理想地，电流沿着空腔行进以匹配磁性偶极子的电流路径，例如从馈源开始，沿着环形线伸展，并且沿着空腔的导电表面返回至馈源的完美环形。实际上，单端天线因为其电流路径的非对称性而在宽频带内并不表示完美磁性偶极子。为了使非对称电流关于天线尺寸的对称轴对准，电源可以被配置用来在天线发射器的第二馈源上施加相移电流。这个第二馈源可以在单端天线将接地至空腔的点处。施加在第二馈源处的这个相移电流跨越天线的辐射范围强加均匀的电流。

在载体上运输的主体上使用对数周期(log-periodic)天线可以在估计地层的复电容率方面在宽频带内提供优越性能。天线可以由天线驱动器驱动，天线驱动器被配置用来在这个宽频带内有效地改变天线的阻抗。

天线可以通过沿着三个轴具有辐射元件(例如，三轴天线)而用于测量地层的各向异性行为(例如，各向异性复电容率)。三轴天线的每一轴向辐射元件可以提供地层的各向异性性质。三轴天线可以安置在凹腔中以增强天线的性能(例如，增益)，从而通过电磁波提供对地层的改进的调查深度。在其它实施方案中，凹腔可以包括不同的功能梯度材料和金属材料层。这允许凹腔的表面阻抗被配置为EM反射器以改进天线在不同频率下的性能(例如，对电流分布进行配置以引导辐射图案)。激励三轴天线的电源可以耦合至隔离的接地端以减少来自共同电源或载体上的接地端的噪声的效应。

图1示出了从合适的电缆14悬挂在穿透土地地层13的井孔12中的井下工具(测井工具、电磁工具、介电工具或工具)10，所述电缆经过安装在钻机18上的滑轮16。井下工具10通过绞车20上升和下降。地面23上的电子模块22向井下传输所需操作命令，并且回过来接收返回数据，所述数据可以记录在任何期望类型的归档存储介质上以用于同时或稍后进行处理。数据可以用模拟或数字形式传输。可以在现场使用一个或多个处理器(诸如合适的计算机24)实时地执行信息分析，可以将所记录信息发送至处理中心，或两者。处理中的一些或全部也可以通过使用在工具10上合适位置处的井下处理器来完成。尽管已示出缆线运输系统，但应理解，本公开的实施方案可以结合经由载体运输的工具使用，所述载体可以是刚性载体(例如，接合管状或连续油管)或非刚性载体(例如，缆线、钢丝、e线等)。本公开的一些实施方案可以连同随钻测井(LWD)工具或随钻测量(MWD)工具一起使用。井下工具10可以包括在井底钻具组合件(BHA)、钻柱组件或其它合适的载体中或实施为井底钻具组合件(BHA)、钻柱组件或其它合适的载体。如本文中所描述的“载体”意指可以用来运输、容纳、支撑或以其它方式便于使用另一装置、装置组件、装置组合、介质和/或部件的任何装置、装置组件、装置组合、介质和/或部件。示例性非限制性载体包括连续油管类型的钻柱、接合管类型的钻柱以及其任何组合或部分。其它载体包括但不限于套管、缆线、缆线探测器、钢丝探测器、落杆、井下短节、井底钻具组合件，和钻柱。

如本文中所描述，“井孔”或“井筒”是指构成钻探的井的全部或一部分的单一孔。如本文中所描述，“地层”是指可能在地下环境中遇到的并且围绕井孔的各种特征和材料。术语“信息”包括但不限于原始数据、处理过的数据，以及信号。

在一个实施方案中，井下工具10可以包括被配置用来测量地层和/或井孔的各种参数的传感器装置。例如，一个或多个参数传感器被配置用于地层评估测量和/或与地层、井孔、地球物理特性、井孔流体和边界条件相关的其它感兴趣参数(在本文中称作“评估参数”)。这些传感器可以包括地层评估传感器(例如，电阻率、介电常数、水饱和度、孔隙度、密度和渗透率)、用于测量井孔参数(例如，井孔大小、井孔倾度和方位角，以及井孔粗糙度)的传感器、用于测量地球物理参数(例如，声速、声传播时间、电阻率)的传感器、用于测量井孔流体参数(例如，粘度、密度、清晰度、流变能力、pH水平，以及气、油和水含量)的传感器、边界条件传感器，以及用于测量井孔流体的物理和化学性质的传感器。

图2示出了包括安置在空腔203中的线环(环形天线)201的单端天线200，空腔203可以由主体(例如，图4A的400)或衬垫(例如图4A和4B的403)限定。环形天线201接地至空腔203以提供基本上类似于磁性偶极子的电流路径。环形天线201具有至激发源(未示出)的单一馈源205。如上文所讨论，单端天线200因为其电流路径的非对称性而只能在宽频带内粗略地接近完美的磁性偶极子的性能。

图3A示出了根据本公开的实施方案的天线组合件300的横截面视图。这个横截面表示具有平行于y轴的磁矩的天线组合件，其中y轴与由参考轴示出的X-Z平面正交。当环形天线301经由馈源303A、303B与天线驱动器(例如图12的1207)电通信时，沿着环使用箭头示出了环形天线301的近似电流路径。天线驱动器使非对称电流关于天线的几何对称轴305对准以提供电流的对称点307。在没有天线驱动器的情况下，沿着天线环301的电流路径将变得关于天线的几何形状不对称。因此，与如图2所示天线是单端的情形类似，电流量值和相位在天线环301的范围内将不是均匀的。为了使非对称电流关于天线的几何形状(或尺寸)的对称轴305对准，天线驱动器(例如图12的1207)可以被配置用来在天线发射器(例如环形天线301的馈源303B)的至少一个馈源上施加相移电流。

图3B示出了被配置为三轴天线的天线组合件300。天线组合件300包括安置在空腔203中的正交的环形天线301、309和311。每一环形天线(301、309、311)被配置成与彼此的环形天线正交。环形天线301定位成使得其磁矩平行于y轴，即，环形天线301具有沿着y轴定向的磁矩。环形天线309具有沿着z轴定向的磁矩；并且环形天线311具有沿着x轴定向的磁矩。这些天线中的每一者具有与天线驱动器(例如图12的1207)电通信的两个馈源303A、303B。天线驱动器可以将相移电流施加在三轴天线发射器的至少一个馈源上以跨越天线的辐射范围强加对称电流。在其它实施方案中，表示沿着x轴、y轴和z轴的磁性偶极子的每一正交天线301、309、311可以安置在单独的空腔(例如图4B的天线组合件413、415、417的空腔)中。作为另一实例，两个正交天线(例如沿着y轴和z轴定向的天线)可以安置在一个空腔中，而第三正交天线(例如沿着x轴定向的天线)可以安置在单独的空腔中。在其它实施方案中，天线组合件300可以包括多轴天线，所述多轴天线包括沿着x轴、y轴和z轴定向的一个或多个天线或与这些轴成偏移角度(例如45度)定向的一个或多个天线。

如上文所描述的本公开的方面可以并入至各种不同的实施方案中。例如，三轴天线可以安置在介电工具10上的空腔中以估计土地地层的感兴趣参数。天线可以与天线驱动器电通信，天线驱动器被配置用来通过使来自天线驱动器中的一者的输出电流的相位偏移而在天线的两个馈源上强加对称电流。

图4A和4B示出了根据本公开的实施方案的用于评估土地地层的介电工具(井下工具、测井工具、介电测井工具、电磁工具，或工具)10。介电工具10可以安置在与土地地层13相交的载体(未示出)上。介电工具10可以包括主体(介电工具主体)400，主体400具有在延伸装置401上延伸的衬垫403。出于说明性目的示出了两个衬垫，并且在实际实践中，可以存在更多或更少衬垫，诸如周向地以约120度分隔的三个衬垫或以约60度分隔的六个衬垫。延伸装置401可以以电方式操作、以机电方式操作、以机械方式操作或以液压方式操作。在延伸装置401完全延伸的情况下，衬垫(介电工具衬垫)403可以啮合井孔12并进行指示土地地层的至少一个感兴趣参数的测量，感兴趣参数诸如(i)地层的水饱和度，(ii)地层的水电导率，(iii)地层的复电容率，(iv)岩石基质的电容率，(v)泥饼的复电容率，(vi)泥饼的厚度，(vii)岩石的质地，(viii)胶结指数，(ix)饱和指数，以及(x)阳离子交换能力。

衬垫403可以包括被配置用来啮合井孔12的面。如本文中所使用的术语“啮合”可以定义为与井孔12接触，推抵在井孔12上，牢牢地按压在井孔12上，或定位成靠近井孔12。如本文中所使用的术语“靠近”可以定义为衬垫在井孔12附近，使得可以从衬垫进行用于评估井孔、土地地层或两者的测量。术语“面”是指工具主体或衬垫的与井孔壁最接近的表面、边缘或侧面。

衬垫403可以包括天线组合件411、413和415。天线组合件411、413和415可以被配置用来发射电磁(EM)波、接收EM波，或发射和接收EM波。天线组合件411、413和415各自包括由表面限定的空腔(例如图2、3A和3B的203)以及安置在空腔中的天线(未示出)。衬垫403可以作为抵着天线组合件中所包括的天线的接地平面而操作。天线组合件411、413和415可以用来估计土地地层的感兴趣参数。

例如，天线组合件411可以被配置用来使用天线驱动器(例如1207)将EM波辐射至地层中，天线驱动器将根据图12更详细地进行描述。天线组合件413和415则可以被配置用来接收在地层中辐射的EM波并且生成指示感兴趣参数(例如地层的水饱和度、水电导率，或复电容率)的信号。在这个实例中，发射器-接收器样式从衬垫403的顶部到底部可以指示为T-R-R，其中R指示接收器并且T指示发射器。处理器可以被配置用来估计所发射信号与所接收信号之间的振幅衰减和相位差，所述振幅衰减和相位差用以估计感兴趣参数。作为实例，可以估计来自间隔开的天线组合件(例如，413和415)的所接收信号之间的衰减和相位差。这个处理可以通过使用一个或多个处理器在井下或在地面完成。

在另一实施方案中，天线组合件413和415可以被配置用来将EM波发射至地层13中，而天线组合件411可以被配置用来接收EM波(例如R-T-T)。作为非限制性实例，天线组合件413可以被配置为发射器，而天线组合件411和415可以被配置为接收器(例如R-T-R)。作为另一实例，天线组合件411和415可以被配置为发射器，而天线组合件413可以被配置为接收器(例如T-R-T)。

为了补偿发射器与接收器之间的内部电失配的效应，四个或四个以上天线组合件可以安置在衬垫403上。其它实施方案可以包括四个以下天线组合件，包括单个天线组合件。

图4B示出了根据本公开的实施方案的具有四个天线组合件的衬垫403’。天线组合件411、413、415和417安置在衬垫403’上。这些天线组合件可以对称地位于衬垫403’上。在一个实施方案中，天线组合件411、413、415和417彼此等距地间隔开(例如S1、S2和S3可以是相同长度)。在另一实施方案中，天线间隔S1和S3可以具有与间隔S2不同的长度，但间隔S1可以具有与间隔S3相同的长度。发射器-接收器配置可以交替，使得天线组合件411和415被配置用来发射EM波并且天线组合件413和417被配置用来接收EM波(例如T-R-T-R)。在另一实施方案中，天线组合件411和415可以被配置用来接收EM波；并且天线组合件413和417可以被配置用来发射EM波(例如R-T-R-T)。作为另一实例，内部天线组合件可以被配置为接收器，而外部天线组合件可以被配置为发射器。例如，天线组合件413和415可以被配置用来接收EM波，并且天线组合件411和417可以被配置用来发射EM波(例如T-R-R-T)。或者，外部天线组合件可以被配置为接收器，而内部天线组合件可以被配置为发射器(例如R-T-T-R)。

在其它实施方案中，衬垫403可以包括仅被配置用来发射EM波的天线组合件411、413和415(例如T-T-T)。接收器天线组合件可以安置在(a)地面，(b)在同一井孔中运输的另一介电工具10，(c)在另一井孔中运输的另一介电工具10，或(d)井孔本身上。在其它实施方案中，衬垫403可以包括被配置用来发射EM波的多个天线组合件和被配置用来接收EM波的多个天线组合件。作为另一实施方案，衬垫403可以包括被配置用来发射EM波的多个天线组合件和被配置用来接收EM波的至少一个天线组合件。或者，衬垫403可以包括被配置用来发射EM波的至少一个天线组合件和被配置用来接收EM波的多个天线组合件。

介电工具10可以包括其它传感器。例如，定向传感器(未示出)可以提供对介电工具10的定向的指示。例如，加速度计可以在井下使用以提供指示介电工具10的深度的其它测量。定向传感器可以包括加速度计、磁力计或陀螺仪。深度也可以从介电工具10上的陀螺仪输出进行估计。温度传感器和压力传感器可以安置在介电工具10上。

图5示出了根据本公开的实施方案的天线组合件500的横截面视图。这个横截面表示具有平行于y轴的磁矩的天线组合件，其中y轴与由参考轴示出的X-Z平面正交。在其它实施方案中，天线组合件500可以包括平行于x轴、y轴和z轴的磁矩定向以提供三轴天线组合件(未示出x轴和z轴元件)。例如，天线组合件500可以包括与图5所示的导电臂(501A、501B)正交的至少两对其它的导电臂以提供平行于x轴和z轴的磁矩。这个三轴天线配置允许天线组合件估计土地地层13的各向异性性质。天线驱动器(未示出)可以沿着每一轴向定向按顺序驱动天线组合件，但其也可以被配置为同时驱动每一轴向定向。

天线组合件500包括至少两个天线馈源503A、503B。这些馈源503A、503B提供与导电臂501A、501B和介电工具的电源(未示出)的电通信。导电臂501A、501B安置在内部空腔203中，空腔203由衬垫403的主体(未示出)限定。这个空腔203可以包括导电材料、功能梯度材料，或包括功能梯度材料层和导电材料层的层状材料。功能梯度材料可以至少部分包括介电材料、铁磁材料或这两种材料。作为非限制性实例，空腔203可以由立方体、长方体或圆柱体限定并且用非导电材料填充以阻碍天线的辐射元件的移动。

图6和7示出了根据本公开的实施方案的天线组合件500的天线性能参数(例如相对量值和相对相位)。图6示出了天线组合件500的相对量值-频率的图表。这个图将图4B中所示的两个间隔开的接收器之间的相对量值605与理想的磁性偶极子的相对量值601以及覆盖约1MHz至约1GHz的频率范围的单端天线的相对量值603进行比较。图7示出了天线组合件500的相对相位-频率的图表。这个图将图4B中所示的两个间隔开的接收器之间的相对相位705与理想的磁性偶极子的相对相位701以及覆盖约1MHz至约1GHz的频率范围的单端天线的相对相位703进行比较。

图6和7表明天线组合件500从约1MHz至约1GHz的相位和量值响应接近理想的磁性偶极子的响应。这些图证实了天线组合件500具有基本上类似于理想的磁性偶极子的性能特性。

图8和9示出了用以获得图10和11所示的天线性能参数的水样本的电性质。当将天线组合件500浸没在水样本中时，在约1MHz至约1GHz的频率范围内计算其性能以提供图10和11所示的性能参数。图8示出了用于这个性能测试的水样本的相对电容率-频率的图表。图9示出了用于这个性能测试的水样本的电导率-频率的图表。对于在1MHz与约1GHz之间的频率，水的电导率在约1.4S/m与1.2S/m之间。

图10和11示出了当天线组合件500浸没在水样本中时在图4B所示的两个间隔开的接收器之间确定的天线组合件500的天线性能参数。图10示出了天线组合件500的在图4B所示的两个接收器之间的相对量值-频率的图表。这个图将浸没在水样本中时的图4B所示的两个间隔开的接收器之间的相对量值1003与理想的磁性偶极子的相对量值1001进行比较。图11示出了天线组合件500的相对相位-频率的图表。这个图将浸没在水样本中时的图4B所示的两个间隔开的接收器之间的相对相位1103与理想的磁性偶极子的相对相位1101进行比较。在图10和11中，考虑了衬垫403’的实际大小，而不是假设其表示具有无限大小的完美的接地平面。在获得图6和7所示的性能参数时做出了衬垫表示完美的接地平面的这个假设。图10和11表明天线组合件500从约1MHz至约1GHz的相位和量值响应接近理想的磁性偶极子的响应。

图12-15示出了根据本公开的实施方案的各种对数周期(log-periodic)天线形状。图12示出了根据本公开的实施方案的天线组合件1200的横截面视图。这个横截面表示具有沿着y轴定向的磁矩的天线组合件1200。在其它实施方案中，天线组合件1200可以包括提供三轴天线组合件的其它辐射元件(未示出)。作为非限制性实例，天线组合件1200的辐射元件可以包括导电臂1201A、1201B；导电元件1205A、1205B；作为接地平面操作的衬垫面；以及空腔203。天线组合件1200包括至天线组合件的辐射元件(例如1201A、1201B、203)的至少两个馈源1203A、1203B。这些馈源1203A、1203B提供与导电臂1201A、1201B和介电测井工具的天线驱动器1207的电通信。天线组合件1200包括空腔203并且导电臂1201A、1201B电连接至空腔203，空腔203可以由衬垫403或工具主体400限定。

天线组合件1200可以被配置为对数周期天线(log-periodic天线)。对数周期天线是具有一定结构几何形状，使得其阻抗和辐射特性随频率的对数周期性地重复的天线。因此，对数周期天线跨越宽频率带宽而操作。作为非限制性实例，天线组合件1200可以被配置为在从约2MHz至约1GHz的频率范围中操作，其中比带宽为约500:1。将比带宽定义为较高频率与较低频率的比：

宽带宽可以包括约5:1或大于5:1的带宽比。本公开的其它实施方案可以具有宽带宽或约500:1或小于500:1的带宽比。

每一导电臂1201A、1201B在其导电臂上可以具有彼此纵向地间隔开的导电元件1205A、1205B。导电元件1205A、1205B可以电连接至空腔203以增大天线组合件1200的辐射表面或电流分布。

天线驱动器1207可以包括电力驱动器，电力驱动器被配置用来在发射器天线的两个馈源上强加对称电流，从而使得电流的对称点与发射器天线的对称轴对准。这些天线驱动器可以包括与激发源(未示出)电通信的第一电力驱动器和第二电力驱动器。天线驱动器1207可以经由传输线、同轴电缆、扭绞线对或其它电传输电缆与天线组合件1200电通信。每一电力驱动器可以经由馈源1203A、1203B将输出电流施加至天线组合件1200。电力驱动器可以具有与天线组合件1200电通信的均衡差分输出。如本文中所描述，均衡差分输出是指具有均衡相移以便跨越天线的辐射元件的范围强加对称电流的输出电流。

第一电力驱动器可以被配置用来经由馈源1203A跨越天线的相同带宽将电信号施加至天线组合件。例如，天线组合件1000的辐射元件可以被配置为在从约2MHz至约1GHz的频率范围中操作。因此，电力驱动器可以被配置为跨越这个相同的频率范围操作。

第二电力驱动器可以被配置用来经由馈源1203B施加第一电力驱动器的输出电流的已调制相位。也就是说，第二电力驱动器可以将电流施加至天线组合件1200，使得第二电力驱动器的输出电流具有与第一电力驱动器的输出电流偏移的相位。在一个实施方案中，第二电力驱动器可以将与第一电力驱动器的输出电流具有基本上180度相移的电流施加至天线组合件。第一电力驱动器的输出电流和施加至天线组合件的已调制电流可以在发射器天线的两个馈源上强加对称电流，从而使得电流的对称点与发射器天线的几何形状(或尺寸)的对称轴对准。在其它实施方案中，第二电力驱动器可以调制这个相移电流的振幅。第一电力驱动器可以与馈源1203A电通信；并且第二电力驱动器可以与馈源1203B电通信。

图13示出了根据本公开的实施方案的天线组合件1300的横截面视图。这个横截面表示具有沿着y轴定向的磁矩的天线组合件1300。在其它实施方案中，天线组合件1300可以包括三轴天线组合件(未示出)。天线组合件1300包括至天线组合件的辐射元件的至少两个馈源1303A、1303B。这些馈源1303A、1303B提供与导电臂1301A、1301B和天线驱动器1207的电通信。天线组合件1300包括空腔203但是导电臂1301A、1301B并不电连接至空腔203，空腔203可以由衬垫403或工具主体限定。导电臂1301A、1301B可以限定领结形状的内部空腔203。

天线组合件1300可以被配置为对数周期天线。每一导电臂1301A、1301B在其各自的导电臂上可以具有与其它导电元件纵向地间隔开的导电元件1305A、1305B。这允许天线组合件1300跨越宽带宽(例如约500:1的带宽比)操作。

图14示出了根据本公开的实施方案的天线组合件1400的横截面视图。这个横截面表示具有沿着y轴定向的磁矩的天线组合件1400。在其它实施方案中，天线组合件1400可以包括三轴天线组合件(未示出)。天线组合件1400包括至天线组合件的辐射元件的至少两个馈源1403A、1403B。这些馈源1403A、1403B提供与导电臂1401A、1401B和天线驱动器1207的电通信。天线组合件1400包括空腔203并且导电臂1401A、1401B电连接至空腔203，空腔203可以由衬垫403或工具主体限定。导电臂1401A、1401B可以在空腔203上方限定半圆形形状。

天线组合件1400可以被配置为对数周期天线。每一导电臂1401A、1401B在其各自的导电臂1401A或1401B上可以具有与其它导电元件纵向地间隔开的导电元件1405A、1405B。这允许天线组合件1400跨越宽带宽进行调谐。导电元件1405A、1405B可以电连接至空腔203以增大天线组合件1400的辐射表面。

图15示出了根据本公开的实施方案的天线组合件1500的横截面视图。这个横截面表示具有沿着y轴定向的磁矩的天线组合件1500。在其它实施方案中，天线组合件1500可以包括三轴天线组合件(未示出)。天线组合件1500包括至天线组合件的辐射元件的至少两个馈源1503A、1503B。这些馈源1503A、1503B提供与导电臂1501A、1501B和天线驱动器1207的电通信。天线组合件1500包括空腔203但是导电臂1501A、1501B并不电连接至空腔203，空腔203可以由衬垫403或工具主体限定。作为非限制性实例，导电臂1501A、1501B可以限定在空腔203内具有至少一个对称轴的圆形形状或闭合曲线(例如椭圆)。

天线组合件1500可以被配置为对数周期天线。每一导电臂1501A、1501B在其各自的导电臂上可以具有与其它导电元件纵向地间隔开的导电元件1505A、1505B。这允许天线组合件1500跨越宽带宽操作。

天线组合件1200、1300、1400和1500示出了对数周期天线。对数周期天线的每一导电臂可以包括由周边限定的多个导电元件，所述周边是以下各项中的一者：(a)三角形，(b)圆形，(c)半圆形，(d)椭圆形，(e)半椭圆形，(f)梯形，(g)以及四边形的。这些是根据本公开的天线组合件的辐射元件的非限制性形状。天线组合件可以并入有辐射元件的其它形状以在宽频带内提供优越性能，例如接近理想的磁性偶极子的性能。作为非限制性实例，天线组合件500、1200、1300、1400或1500可以对辐射元件(例如导电臂1201A、1201B和导电元件1205A、1205B)的厚度进行配置以改变天线的频率响应。也就是说，当辐射元件(例如导电臂1201A、1201B和导电元件1205A、1205B)的直径或厚度增大时，天线的电感减小，但是天线的电容增大，从而导致修改的频率响应。这些天线组合件的辐射元件可以用作发射器天线或接收器天线。导电臂和导电元件的形状在发射器与接收器天线组合件之间可以相同。在其它实施方案中，导电臂和导电元件的形状在发射器与接收器天线组合件之间可以不同。例如，天线组合件1200可以被配置为发射器，而天线组合件1300可以被配置为接收器，两者都安置在衬垫403上。作为另一实例，导电元件之间的对数间隔在发射器与接收器组合件之间可以不同以增强每一天线跨越其带宽在不同频率下的频率响应。作为另一实例，发射器可以被配置为具有与接收器不同的频带。在其它实施方案中，三轴天线可以包括沿着每一轴定向的一个或多个对数周期天线。如本文中所使用，三轴天线可以是对数周期的，其中一个或多个正交的对数周期天线安置在空腔中。例如，根据图3B的参考轴，对数周期天线可以沿着y轴定向，而两个环形天线可以沿着z轴和x轴定向。作为另一实例，根据图3B的参考轴，两个对数周期天线可以沿着y轴和z轴定向，而环形天线可以沿着x轴定向。

图16A示出了根据本公开的实施方案的天线组合件1600的横截面视图。天线组合件1600可以包括空腔203’，空腔203’是凹腔或由回转抛物面限定。天线组合件1600可以包括一对导电臂1601。天线馈源1603在导电臂1601与天线驱动器(天线馈源驱动器)1207之间提供电通信。将天线驱动器1207连接至天线馈源1603的电传输线或同轴电缆可以由天线馈源屏蔽物1605围绕。这个天线馈源屏蔽物1605可以被配置为与隔离的接地端电通信的接地参考物。

天线组合件1600可以近似为沿着天线辐射元件(单轴或三轴)具有变化的阻抗水平的有限和局部阻抗元件(1609和1607)。天线空腔203’可以被配置为EM波反射器并且被设计成在天线反射器中获得特定的期望的有效辐射电流分布。有限阻抗元件可以包括天线反射器的有限阻抗元件(1607)或天线辐射元件的有限阻抗元件(1609)。例如，限定空腔203’的表面可以在金属材料顶部包括至少一个功能梯度材料层以改变空腔203’的阻抗特性。跨越天线反射器的电流分布可以被配置成增强特定天线性能(例如增益)以达成设计折衷，诸如垂直分辨率、调查的地层深度的信号穿透，以及信号接收器所测量水平。这使得能够在介电工具操作频率范围、目标地层电阻率范围和井孔条件内进行最佳的期望的地层测量和评估。可以使用这些方法中的至少一项来对辐射元件和/或反射器(空腔)表面中的有限元件层级处的分布的不均匀的阻抗水平进行配置：材料变化；材料混合；纳米颗粒混合物(例如混合物分布中的相同材料或不同几何形状或大小)；激光图案微加工(例如材料或表面上的直通开口)；表面中的雕刻出的凹陷图案(例如材料或表面上的直通开口)；经由3D打印方法构造的结构；以及用以对分布的不均匀的阻抗水平进行配置的这些技术的组合。

图16B和16C示出了根据本公开的实施方案的天线组合件1600的辐射图案1611、1613。图16B示出了从介电工具衬垫403的俯视图看的辐射图案1611、1613的轮廓。图16C示出了从介电工具衬垫403的侧视图看的辐射图案1611、1613的轮廓。辐射图案1613示出了当在频率F2下激励天线组合件1600时的近似辐射图案，而辐射图案1611是针对频率F1的，其中F2是高于F1的频率。在辐射元件、天线空腔或两者的每一操作频率下的有限元件复阻抗分布可以被配置用来成形这些能量空间辐射图案(例如前波瓣或后波瓣天线增益分布)和与靠近天线的目标介质(例如土地地层或井孔壁)的体积耦合。图16A-C的参考轴独立于图2、3A、3B、5和12-15所示的参考轴并且与图2、3A、3B、5和12-15所示的参考轴无关；而是，这些参考轴是根据本公开的实施方案的天线的定向的实例。

图17示出了根据本公开的实施方案的介电测井工具1700的示意图。测井工具1700包括天线组合件1300，不同之处在于空腔203’是凹腔或由回转抛物面限定。空腔203’可以被配置为抛物线EM波反射器以增强天线组合件1300的性能(例如增益)。天线驱动器1207包括第一电力驱动器1701和第二电力驱动器1703。天线驱动器1207与隔离的接地端1705和激发源1709电通信。隔离的接地端1705可以源自变压器1607的中心分接头。隔离的接地端1705被配置用来独立于在安置在载体(未示出)上的电源的共同接地端上发现的电噪声提供无噪声返回接地端。天线驱动器1207可以相对于衬垫403’电浮置。

图18示出了根据本公开的实施方案的介电测井工具1800的示意图。测井工具1800包括天线组合件1300，不同之处在于空腔203’是凹腔或由回转抛物面限定。在一个实施方案中，空腔203’可以由包括多个层1801、1803和1805的表面限定。限定空腔203’的表面可以在金属材料顶部包括至少一个功能梯度材料层。这些层1801、1803、1805可以包括金属材料或功能梯度材料以增强空腔203’的EM波聚焦性能。例如，层1801、1803、1805可以被配置成接近一阻抗，所述阻抗足以增强从天线组合件1300辐射的EM波的增益以改进垂直分辨率、调查的地层深度的信号穿透，或信号接收器所测量水平。这些层1801、1803、1805表示本公开的实施方案的非限制性实例。天线反射器(例如203’)的表面可以包括一个或多个层，所述层可以被配置成接近足以增强从天线辐射的EM波的增益的阻抗。

介电测井工具1700和1800可以包括由天线组合件500、1200、1300、1400和1500组成的组中的至少一个天线组合件，不同之处在于空腔203可以包括凹腔或由回转抛物面限定的空腔。作为非限制性实例，测井工具1700和1800可以并入有辐射元件、天线空腔或两者的其它形状，以便在宽频带内提供优越性能，例如接近理想的磁性偶极子的性能。在另一实施方案中，测井工具1700和1800可以包括具有如根据图5所示或所描述而限定的空腔203的这些天线组合件中的至少一者。作为另一实例，辐射元件的几何形状(例如环、多个环、领结、具有线或带的环、半圆形、圆形等)以及天线空腔的几何形状(例如立方体、长方体、圆柱体、凹入的、回转抛物面、任意弯曲的等)可以被配置成在宽频带内提供优越性能，以便成形能量空间辐射图案和与目标介质的体积耦合，或以便改进垂直分辨率、调查的地层深度的信号穿透，或信号接收器所测量水平。

图19示出了根据本公开的实施方案的用于估计至少一个感兴趣参数的方法1900的流程图。在步骤1901中，可以将测井工具10运输至与土地地层相交的井孔中。在步骤1903中，可以使用第一电力驱动器1703经由馈源1303A将输出电流施加至天线组合件1300。第一电力驱动器1703可以与天线组合件1300上的至少一个馈源(例如1303A)电通信并且跨越天线组合件1300的带宽在不同频率下生成输出电流。在步骤1905中，天线驱动器1207可以在天线组合件1300的两个馈源上强加对称电流，从而使得电流的对称点与发射器天线的对称轴对准。第二电力驱动器1701可以将相移电流施加至天线组合件的至少一个馈源(例如1303B)。在步骤1903和1905中，天线驱动器1207可以被配置用来按顺序激励每一轴向辐射元件(例如x轴、y轴和z轴辐射元件)；或者，可以同时激励每一轴向辐射元件。在步骤1907中，可以通过至少一个接收器天线接收EM波，从而生成指示至少一个感兴趣参数的信号。可以分析所接收信号以从沿着井孔的各种距离处的不同频率估计振幅衰减和相位差。如本文中所描述，感兴趣参数可以包括以下各项中的至少一者：(i)地层的水饱和度，(ii)地层的水电导率，(iii)地层的复电容率，(iv)岩石基质的电容率，(v)泥饼的复电容率，(vi)泥饼的厚度，(vii)岩石的质地，(viii)胶结指数，(ix)饱和指数，以及(x)阳离子交换能力。在步骤1909中，处理器可以被配置用来使用所接收信号基于所接收信号与所发射信号之间或至少两个间隔开的接收器的所接收信号之间的衰减和相位差来估计感兴趣参数。

数据处理中隐含了使用在合适的非暂时性机器可读介质(非暂时性计算机可读介质)上实施的计算机程序，所述计算机程序使得处理器能够执行控制和处理。如本申请中所使用的术语处理器旨在包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)的装置。非暂时性机器可读介质可以包括ROM、EPROM、EAROM、快闪存储器和光盘。如上文所指出，处理可以通过使用一个或多个处理器在井下或在地面完成。另外，可以将处理结果(诸如电阻率性质或电容率的图像)存储在合适的介质上。

如本文中所使用，通过“天线的两端上的对称电流”意指在一端(例如天线馈源)处的电流相对于另一端(例如另一天线馈源)具有180度的相移。通过“理想的磁性偶极子”意指天线的长度与电磁波的波长相比是小的并且因此天线的行为可以近似为点源。通过“单端天线”，本公开是指从其辐射范围的一侧馈送并且在其辐射范围的另一侧接地至空腔的环形天线，如图2所示。如本文中所使用的术语“衬垫”是指测井工具的牢牢地按压在井孔壁上并且固持用以测量土地地层的感兴趣参数的传感器(例如根据本公开的实施方案的天线组合件)的一部分。衬垫可以在壁上从工具主体延伸(例如图4的衬垫403)或可以并入至工具主体(例如图4的主体400)中。术语“功能梯度材料”是指包括(a)介电材料、(b)铁磁材料、(c)以及介电材料和铁磁材料的组合中的至少一者的材料。术语“金属材料”是指至少部分包括金属导体的材料。如本文中所描述，“复电容率”是指具有实部(其通常称作介电常数)和虚部(其通常称作介质损耗因子或损耗正切)的电容率。如本文中所描述，术语“胶结指数”和“饱和指数”是指Archie’s定律的分别包括指数m和指数n的参数。如本文中所描述，根据本公开的实施方案的天线(或天线组合件)的接近理想的磁性偶极子的性能的性能参数(例如相位或量值)是当天线的性能参数(例如相位)在理想的磁性偶极子的相应的性能参数(例如相位)的约±20％内时。如本文中所使用，天线的性能参数可以包括相位、量值、指向性、增益、辐射效率、阻抗，和辐射图案。如本文中所使用，空腔意指主体的固持根据本公开的实施方案的天线(例如单轴、多轴天线，或对数周期天线)的中间挖空的空间。空腔可以用非导电材料填充以阻碍天线的移动或电气干扰。空腔可以限定为延伸至至少工具主体(例如主体400)的厚度的10％，或衬垫(例如衬垫403)的厚度的25％等的深度处的凹陷。

如本文中所描述，已使用假设来估计图6、7、10和11所示的性能参数。图6和7所示的性能参数假设天线组合件500在完美的接地平面上方沿着z轴无限地延伸。完美的接地平面在其为平面的，在范围上是无限的，并且完美地导电的意义上是理想的接地平面。图10和11所示的性能参数考虑了限定天线组合件300的衬垫403的大小(或尺寸)。换句话说，图10和11所示的图表不假设衬垫403表示完美的接地平面，而是基于衬垫的大小(或尺寸)确定两个间隔开的接收器之间的相对相位和量值。

尽管以上公开内容涉及本公开的特定实施方案，但是各种修改对于本领域技术人员来说将显而易见。上述公开内容旨在包含所有变化。

Claims (16)

1.一种用于评估土地地层的设备，所述设备包括：

载体(12)，所述载体被配置用于在与所述土地地层相交的井孔中进行运输；

测井工具(10)，所述测井工具安置在所述载体上，所述测井工具包括：

衬垫(300、403)，所述衬垫具有被配置成啮合井孔壁(12)的至少一个面，所述面包括限定空腔(203)的表面，

至少一个发射器天线(301)，所述至少一个发射器天线安置在所述面的所述空腔中，所述至少一个发射器天线从激发源(1709)接收电信号，以及

至少一个电力驱动器(1207)，所述至少一个电力驱动器与所述至少一个发射器天线电通信并且被配置用来调制所述至少一个驱动器的输出电流的相位。

2.如权利要求1所述的设备，其中施加至所述至少一个发射器天线的所述电信号在所述至少一个发射器天线的两端上强加对称电流，从而使得所述电流的对称点(307)与所述至少一个发射器天线的几何对称轴(305)对准。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个发射器天线包括至少一个馈源(303A、303B)，并且所述电力驱动器经由至少一个馈源与所述至少一个发射器天线电通信。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述至少一个发射器天线包括以下各项中的至少一者：i)三轴天线；以及ii)对数周期天线。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述至少一个发射器天线包括每一轴的馈源；每一馈源与所述至少一个电力驱动器电通信；并且所述激发源与所述至少一个电力驱动器电通信。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个发射器天线包括具有覆盖从约2MHz至约1GHz的频率范围的带宽的对数周期天线。

7.如权利要求1所述的设备，其中当所述面与所述井孔壁啮合时，所述至少一个发射器天线安置在所述空腔与所述土地地层之间的所述衬垫上。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述空腔包括被配置成将电磁波聚焦至所述土地地层中的凹腔。

9.如权利要求1所述的设备，其中限定所述空腔的所述表面在金属材料顶部包括至少一个功能梯度材料层。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述功能梯度材料包括以下至少一项：(i)介电材料，以及(ii)铁磁材料。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个电力驱动器包括以下各项中的至少一者：i)具有与所述至少一个发射器天线电通信的均衡差分输出；以及ii)相对于所述衬垫电浮置。

12.如权利要求1所述的设备，其中所述测井工具在所述衬垫上还包括第二空腔，其中接收器天线安置在所述第二空腔中；所述设备还包括被配置用来使用由所述至少一个接收器天线接收的信号来估计所述土地地层的感兴趣参数的至少一个处理器。

13.如权利要求12所述的设备，其中所述感兴趣参数包括以下各项中的至少一者：(i)所述地层的水含量，(ii)所述地层的水饱和度，(iii)所述地层的水电导率，以及(iv)所述地层的复电容率。

14.一种用于评估土地地层的方法，所述方法包括：

使用至少一个电力驱动器有效地改变安置在测井工具上的至少一个发射器天线的阻抗，所述至少一个电力驱动器与所述至少一个发射器天线电通信并且被配置用来调制施加至所述至少一个发射器天线的输出电流的相位。

15.如权利要求14所述的方法，所述方法还包括：

在与所述土地地层相交的井孔中运输所述至少一个发射器，其中所述至少一个发射器天线包括三轴天线；

使用所述至少一个电力驱动器将输出电流施加至所述至少一个发射器天线；

在所述至少一个发射器的两端上强加对称电流，从而使得所述电流的对称点与所述至少一个发射器的几何对称轴对准；

使用至少一个接收器天线接收信号；以及

使用所述所接收信号估计所述土地地层的感兴趣参数。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述感兴趣参数包括以下各项中的至少一者：(i)所述地层的水含量，(ii)所述地层的水饱和度，(iii)所述地层的水电导率，以及(iv)所述地层的复电容率。