CN107871922B - 方向发射天线及随钻地层电阻率的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方向发射天线及随钻地层电阻率的测量装置。其中，方向发射天线设置在无磁钻铤具有的第一天线槽内，第一天线槽为沿着无磁钻铤的周向设置的环形天线槽。该方向发射天线包括沿着无磁钻铤的轴向依次设置的第一发射天线段、轴向天线段和第二发射天线段。其中，第一发射天线段通过所述轴向天线段连接所述第二发射天线段。并且，所述第一发射天线段与所述第二发射天线段分别位于所述无磁钻铤的中心轴的两侧。本发明的测量结果具备方向信息。因此在进行地质导向钻进时，应用本发明来决定后续钻进的转向操作，能够更高效率地将钻孔保持在产油层中，从而达到最大产油面接触。

Description

方向发射天线及随钻地层电阻率的测量装置
技术领域
本发明涉及油气开发与勘探技术领域，尤其涉及一种方向发射天线，还涉及一种具有该方向发射天线的随钻地层电阻率的测量装置。
背景技术
地层电阻率是反映地层特性的主要参数。随钻地层电阻率的测量是随钻测井的关键组成部分。通过随钻测量地层的电阻率判断地层特性变化，再结合其它地层资料，经过综合分析，可以及时地判断钻头是否钻出储层，从而及时调整井眼轨迹，确保井眼最大程度穿行于储层中有利于油气开采的最佳位置。
目前使用的随钻电阻率测量工具以随钻电磁波电阻率测量应用最为广泛。由于电磁波在穿越地层时产生幅度衰减和相位偏移，并且产生幅度衰减和相位偏移由地层的电阻率和介电常数的特性所决定，因此电磁波在穿越不同的地层介质时产生的幅度衰减和相位偏移不同，并且不同的频率的电磁波对地层介质的响应特征也不同。10MHz以上频率的电磁波产生的幅度衰减和相位偏移主要与地层的介电常数相关。而10MHz以下的电磁波产生的电磁波幅度衰减和相位偏移主要与地层的电阻率相关。地层电阻率对于地质导向和地层评价是重要地质参数。
传统的针对无方向性的电磁波电阻率的测量已经较为成熟，先进的针对方向电磁波电阻率的测量正在兴起。因为在水平井钻井时，为了尽可能的将钻孔保持在产油层当中，需要具有方向敏感的电阻率测量系统，来指导钻进的导向操作。这样可以根据地层分层、地层倾角以及裂缝等的识别来更加有效地导向钻井，从而达到最大产量。
因此，亟需一种随钻方向性电阻率的测量装置。
发明内容
本发明提供了一种方向发射天线以及具有该方向发射天线的随钻地层电阻率的测量装置，其目的是解决现有技术已经提出方向电阻率测量仪器的不足。本发明主要涉及方向电阻率的天线配置以及方向电阻率的计算与处理。本发明通过不同设计探测深度的分段发射天线的组合天线系，可以实现不同地层边界距离的探测，为更加有效的进行导向钻井，达到最大产量。
根据本发明的一个方面，提供了一种方向发射天线。该方向发射天线设置在无磁钻铤具有的第一天线槽内，所述第一天线槽为沿着所述无磁钻铤的周向设置的环形天线槽；
所述方向发射天线包括沿着所述无磁钻铤的轴向依次设置的第一发射天线段、轴向天线段和第二发射天线段，所述第一发射天线段通过所述轴向天线段连接所述第二发射天线段；
其中，所述第一发射天线段与所述第二发射天线段分别位于所述无磁钻铤的中心轴的两侧。
优选的是，所述第一发射天线段和所述第二发射天线段均为套设在所述第一天线槽的内壁上的半圆环结构。
优选的是，所述第一发射天线段所在的平面和所述第二发射天线段所在的平面均垂直于所述无磁钻铤的中心轴设置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种随钻地层电阻率的测量装置，其包括：
具有第一天线槽和第二天线槽的无磁钻铤；
如上面所述的方向发射天线，其设置在所述第一天线槽内，并设置为发射电磁波信号；
设置在所述第二天线槽内的无方向接收天线，其设置为接收经地层传输后的所述电磁波信号；以及
与所述方向发射天线和所述无方向接收天线电连接的测量电路，其设置为控制所述方向发射天线发射所述电磁波信号，并根据所述经地层传输后的电磁波信号来得到所述电磁波信号经过的地层的电阻率。
优选的是，上述测量装置具体包括彼此间隔设置的两个所述方向发射天线，所述无方向接收天线设置在该两个方向发射天线之间。
优选的是，上述测量装置包括至少两个所述无方向接收天线，所有的无方向接收天线均设置在该两个方向发射天线之间。
优选的是，所述无方向接收天线为套设在所述第二天线槽的内壁上的圆环结构。
优选的是，上述测量装置还包括用于保护所述方向发射天线的保护罩。
优选的是，所述保护罩上开设有：正对于所述方向发射天线的第一发射天线段设置的第一辐射窄缝、正对于所述方向发射天线的轴向天线段设置的轴向辐射窄缝、以及正对于所述方向发射天线的第二发射天线设置的第二辐射窄缝。
优选的是，所述第一辐射窄缝、所述轴向辐射窄缝和所述第二辐射窄缝中均填充有保护胶。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明的测量结果具备方向信息。因此在进行地质导向钻进时，应用本发明来决定后续钻进的转向操作，能够更高效率地将钻孔保持在产油层中，从而达到最大产油面接触。
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
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了本发明实施例随钻地层电阻率的测量装置的结构示意图，图中未示出测量电路；
图2示出了本发明实施例中方向发射天线的结构示意图；以及
图3示出了本发明实施例中保护罩的结构示意图。
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。
在现有技术中，传统的针对无方向性的电磁波电阻率的测量已经较为成熟，先进的针对方向电磁波电阻率的测量正在兴起。为此，本发明实施例提供了一种方向发射天线以及具有该方向发射天线的随钻地层电阻率的测量装置，实现具有方向电阻率测量，通过设计新型的分段天线和天线系统配置，获得良好的方向电阻率测量效果。
图1示出了本发明实施例随钻地层电阻率的测量装置的结构示意图。参照图1，本发明实施例随钻地层电阻率的测量装置，主要包括上方向发射天线10、无磁钻铤20、第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50、第四无方向接收天线60、下方向发射天线70和测量电路(图中未示出)。第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60设置在上方向发射天线10和下方向发射天线70之间。在无磁钻铤20的圆周面上设置有用于容置上方向发射天线10的第一天线槽21、用于容置下方向发射天线70的第一天线槽26，以及分别用于容置第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60的第二天线槽22,23,24,25。第一天线槽21,26和第二天线槽22,23,24,25均为沿着无磁钻铤的周向设置的环形天线槽。
上方向发射天线10用于通过第一天线槽21发射电磁波信号。下方向发射天线70通过第一天线槽26发射电磁波信号。电磁波信号经过地层的传输后被第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60接收。测量电路安装在无磁钻铤内部，根据各个无方向接收天线接收的信号来得到电磁波所经过的地层的地层电阻率。
下面详细介绍上述测量装置的工作过程以及工作原理。
在钻井过程中，整个钻杆连着无磁钻铤20转动。测量电路控制上方向发射天线10发射电磁波信号。电磁波信号经过地层传输，分别被第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60接收。测量电路对接收到的信号进行计算处理，可以得出电磁波所经过地层的电阻率。由于四个无方向接收天线30,40,50,60距离上方向发射天线10的距离不同，因此测量结果可以相互印证和对比。
上述过程完成以后，测量电路控制下方向发射天线70发射电磁波信号。电磁波信号经过地层传输，分别被第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60接收。测量电路对接收到的信号进行计算处理，可以得出电磁波所经过地层的电阻率。由于四个无方向接收天线30,40,50,60距离下方向发射天线70的距离不同，因此测量结果可以相互印证和对照。
上述两次电阻率的测量具有互补的作用，从而使得测量装置能够更加有效地测量出地层电阻率信息。
图2示出了本发明实施例中方向发射天线的结构示意图。参照图1，上方向发射天线10和下方向发射天线70的结构是一样，都属于分段天线的天线结构。下面以上方向发射天线10为例说明方向发射天线的结构。对照图2，上方向发射天线设置在无磁钻铤20的第一天线槽21内。该上方向发射天线10主要包括深发射天线段11、轴向天线段13和浅发射天线段12。其中，深发射天线段11由一个半圆环形的天线构成。浅发射天线段12也是有一个半圆环形的天线构成。深发射天线段11和浅发射天线段12的两端通过轴向天线段13连接。深发射天线段11和浅发射天线段12分别位于无磁钻铤20的中心轴的两侧。
参照图1，第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60的结构都是一样的。它们依次设置在无磁钻铤的第二天线槽22,23,24,25内，都是由无方向线圈构成的。无方向线圈是套设在第二天线槽22,23,24,25的内壁上的圆环形天线结构。
对于随钻地层电阻率的测量装置来讲，方向发射天线到无方向接收天线的距离决定了检测地层电阻率的深度。具体地，方向发射天线到无方向接收天线的距离越远，被测量装置检测的地层就越深。反之，方向发射天线到无方向接收天线的距离越近，被测量装置检测的地层就越浅。因此，由方向发射天线(方向发射天线由分段天线构成)与无方向接收天线构成的随钻地层电阻率的测量装置，在深发射天线段一侧能够检测到较深地层的电阻率，在浅发射天线段一侧能够检测到较浅地层的电阻率。这样对不同侧地层检测电阻率深度不一样，就会产生方向检测效果。例如当上方向发射天线10中深发射天线段11一侧存在地层边界时，即两个不同地层的电阻率差异明显，第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60能够接收到电阻率变化。当上方向发射天线10中浅发射天线段12存在地层边界时，第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60不能够接收到电阻率变化。这样就形成了针对方向电阻率的测量能力。
由于整个装置需要在充满钻井液的井筒中工作，装置本身需要高速旋转，并且存在钻井液的冲蚀，因此需要用于保护方向发射天线的保护罩。为了方向发射天线发射的电磁波能够辐射出来，还需要在保护罩上面留出窄缝，并在窄缝中填满保护胶。这样既可以使电磁波能够辐射出来，又保护方向发射天线不被冲蚀。同样地，也需要设置用于保护各个无方向接收天线的保护罩，第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60的保护罩以及窄缝的结构已经较为成熟，这里不再介绍。下面结合图3对用于保护方向发射天线的保护罩的结构进行详细说明。
图3示出了本发明实施例中保护罩的结构示意图。参照图3，
本实施例的上方向发射天线10和下方向发射天线70所采用保护罩的结构相同，均由第一方向天线保护罩80和第二方向天线保护罩90构成。两个保护罩都是180度的半扇区，组合起来形成360度的整个保护罩。通过在这两个保护罩上进行加工窄缝，来更加有利于电磁波的辐射。第一方向天线保护罩80和第二方向天线保护罩90上均开设有深发射天线段辐射窄缝81，轴向天线段辐射窄缝83和浅发射天线段辐射窄缝82。深发射天线段辐射窄缝81正对于深发射天线段11设置，浅发射天线段辐射窄缝82正对于浅发射天线段12设置，轴向天线段辐射窄缝83正对于轴向天线段13设置。
另外，第一无方向接收天线30、第二无方向接收天线40、第三无方向接收天线50和第四无方向接收天线60的保护罩结构都是一样的，保护罩上面也加工有窄缝，为了有利于电磁波辐射。
综上所述，本发明实施例的测量结果具备方向信息。因此，在进行地质导向钻进时，应用本发明实施例所述的测量装置来决定后续钻进的转向操作，能够更高效率地将钻孔保持在产油层中，从而达到最大产油面接触。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种随钻地层电阻率的测量装置，其特征在于，包括：
具有第一天线槽和第二天线槽的无磁钻铤；
方向发射天线，其设置在所述第一天线槽内，并设置为发射电磁波信号；
设置在所述第二天线槽内的无方向接收天线，其设置为接收经地层传输后的所述电磁波信号；
与所述方向发射天线和所述无方向接收天线电连接的测量电路，其设置为控制所述方向发射天线发射所述电磁波信号，并根据所述经地层传输后的电磁波信号来得到所述电磁波信号经过的地层的电阻率；以及
用于保护所述方向发射天线的保护罩，
其中，所述第一天线槽为沿着所述无磁钻铤的周向设置的环形天线槽，所述方向发射天线包括沿着所述无磁钻铤的轴向依次设置的第一发射天线段、轴向天线段和第二发射天线段，所述第一发射天线段通过所述轴向天线段连接所述第二发射天线段，其中所述第一发射天线段与所述第二发射天线段分别位于所述无磁钻铤的中心轴的两侧，所述第一发射天线段所在的平面和所述第二发射天线段所在的平面均垂直于所述无磁钻铤的中心轴设置；
所述保护罩上开设有：垂直于所述方向发射天线的第一发射天线段设置的第一辐射窄缝、垂直于所述方向发射天线的轴向天线段设置的轴向辐射窄缝、以及垂直于所述方向发射天线的第二发射天线设置的第二辐射窄缝。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一发射天线段和所述第二发射天线段均为套设在所述第一天线槽的内壁上的半圆环结构。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，包括彼此间隔设置的两个所述方向发射天线，所述无方向接收天线设置在该两个方向发射天线之间。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，包括至少两个所述无方向接收天线，所有的无方向接收天线均设置在该两个方向发射天线之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述无方向接收天线为套设在所述第二天线槽的内壁上的圆环结构。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一辐射窄缝、所述轴向辐射窄缝和所述第二辐射窄缝中均填充有保护胶。
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