CN108240213A - 一种多探测深度的地质导向装置和地质导向方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及随钻测井技术领域，尤其涉及一种通过实时测量地层参数进行综合分析来调整钻头方向的导向装置和方法，该地质导向装置中设置的不同探测深度的测量单元可以使地层描述更加详细和完备，从而提高地质导向结果。一种多探测深度的地质导向装置，包括过钻头电阻率测量单元、方位伽马测量单元、姿态测量单元、方位电磁波电阻率测量单元、超深方位电磁波探变测量单元、电磁脉冲传输电气单元、工具总线电气单元等结构单元。
Description
技术领域
本发明涉及随钻测井技术领域，尤其涉及一种通过实时测量地层参数进行综合分析来调整钻头方向的导向装置和方法。
背景技术
在油田勘探和开发过程中，需要测量地层地质信息和工程参数。储层一般都会有多尺度上的非均质性和连续性，因此需要多尺度的地层参数或工程参数测量信息。
随着勘探开发技术的不断进步，对测量参数的准确性和多样性要求越来越高。所需要的参数往往包含地层环境参数、井下钻具位置、方位以及钻井环境参数等。目前已经有多种常规电缆测井仪器以及随钻测井仪器可以提供以上参数。如电磁波电阻率或方位电磁波电阻率在地质导向中应用比较广泛。但随钻电磁波仪器距离钻头往往还有一段距离(>15m)，因此当仪器响应显示离开或进入储层而需要调整钻头方向时，钻头往往已经穿过地层界面，造成钻头调整不及时。此时需要超大探测深度的仪器，才能尽早发现地质构造变化情况，给钻头调整留下充足时间。此外，由于目前随钻电磁波或随钻感应类仪器往往具备较大的探测深度，受地层环境影响较大，响应复杂，而且仪器响应基本受钻铤径向上地层因素影响，基本反映不了钻头前方地层环境因素的变化，因此仪器对层状地层介质界面有较好反应，而对仪器轴向地层介质变化响应不明显。而过钻头电阻率虽然能反映钻头附近电阻率信息，但探测深度浅，界面预测能力差，因此有必要使用较为综合的地质导向方法，将不同探测深度的过钻头电阻率仪器以及(方位)电磁波电阻率仪器组合起来，结合方位伽马成像来预测地层模型，从而进行地质导向。
美国专利US00533906A公开了一种侧翼安装电极用于确定井眼周围结构的电阻率钻井测量装置，该专利申请的电极用来测量电流产生的信号，以获得电阻率信号。
国内专利CN100410489C公开了一种近钻头电阻率随钻测量方法和装置。利用钻头、以及近钻头位置安装带磁芯的发射线圈；利用导电金属体及邻近地层构成导电回路，传输电流；在导电金属体安装电极和带磁芯的接收线圈，采用该电极和带磁芯的接收线圈分别测量各自由电流产生的电信号，从而指使出相应的地层电阻率。
国内专利CN101289935B提供了一种近钻头地质导向系统，系统包含近钻头地层电阻率、伽马探测单元、定向传感单元以及绝缘偶极子发射单元。这样当钻头钻进时传感器就会对钻头前部及周边地层信息做出及早预测，使其在钻井过程中达到地质导向的目的。该系统传感器探测深度较浅，不具备地层方位识别的能力，该专利中没有提供地质导向的方法。
发明内容
本发明提供了一种多探测深度的地质导向装置和地质导向方法，该地质导向装置中设置的不同探测深度的测量单元可以使地层描述更加详细和完备，从而提高地质导向结果。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种多探测深度的地质导向装置，包括：
用于测量钻头近前方电阻率信息的过钻头电阻率测量单元；
用于测量钻头近前方自然伽马射线信息的方位伽马测量单元；
用于测量井斜以及工具面数据的姿态测量单元；
用于测量地层电阻率以及方位电动势信号的方位电磁波电阻率测量单元；
用于探测地质超深界面信息的超深方位电磁波探变测量单元；
一端分别与过钻头电阻率测量单元、方位伽马测量单元、姿态测量单元、方位电磁波电阻率测量单元、超深方位电磁波探变测量单元相连接，另一端与中控电气单元相连接，用于接收实时测井数据的电磁脉冲传输电气单元；
以及一端分别与过钻头电阻率测量单元、方位伽马测量单元、姿态测量单元、方位电磁波电阻率测量单元、超深方位电磁波探变测量单元相连接，另一端与中控电气单元相连接，用于发送控制信号的工具总线电气单元。
较为优选的，所述过钻头电阻率测量单元中设置有至少两个带有磁芯的环形天线以及至少一个纽扣电极，所述环形天线的通频频率范围为1000Hz-10000Hz。
较为优选的，所述方位伽马测量单元中至少设置有一个晶体探测器。
可选的，所述方位伽马测量单元中设置的晶体探测器为镶嵌在钻铤上的NaI晶体探测器。
较为优选的，所述方位电磁波电阻率测量单元中设置有至少一个发射天线以及至少两个接收天线，所述发射天线以及所述接收天线的通频频率范围为200kHz-4MHz。
优选的，所述方位电磁波电阻率测量单元中设置的发射天线、接收天线中至少有一个天线的指向与所述方位电磁波电阻率测量单元的仪器轴之间的夹角大于30°且小于60°。
优选的，所述方位电磁波电阻率测量单元中设置的接收天线中至少有一个为横向接收天线。
较为优选的，所述超深方位电磁波探边测量单元中设置有至少一个发射天线以及至少一个接收天线。
优选的，所述超深方位电磁波探边测量单元中设置的发射天线、接收天线中至少有一个天线的磁矩指向与所述超深方位电磁波探边测量单元的仪器轴不重合；
所述发射天线与所述接收天线之间的线圈距大于10m，所述发射天线以及所述接收天线的通频频率范围为10kHz-100kHz。
较为优选的，所述姿态测量单元为指加速度计、磁通门、陀螺仪中的任意一种或任意几种的组合。
另一方面，本发明还提供了一种多探测深度的地质导向方法，包括如下步骤：
根据邻井或直井导眼井的地质、地震信息建立初始地质模型；
在实时钻进过程中，根据过钻头电阻率测量单元测得的钻头近前方电阻率信息、方位伽马测量单元测得的钻头近前方自然伽马射线信息、姿态测量单元测得的井斜以及工具面数据、方位电磁波电阻率测量单元测得的地层电阻率以及方位电动势信息、超深方位电磁波探变测量单元测得的地质超深界面信息，反演得到实时地质模型；
根据实时地质模型与初始地质模型之间的差异以及钻头的相对位置，调整钻头钻进方向。
较为优选的，所述根据过钻头电阻率测量单元测得的钻头近前方电阻率信息具体为：利用设置在钻头侧的过钻头电阻率测量单元中的至少一个带有磁芯的环形天线作为发射天线，在钻铤上感应出感应电流，并利用钻头以及钻铤将感应电流导入地层中，而后利用钻铤接收经地层回流的回流电流，形成测试回路；
利用设置在钻头侧的过钻头电阻率测量单元中的剩余带有磁芯的环形天线作为接收天线，测量钻铤接收的经地层回流的回流电流；利用设置在钻头侧的过钻头电阻率测量单元中的至少一个纽扣电极测量经钻铤流出的感应电流；
根据欧姆定律，将测量得到的钻铤接收的经地层回流的回流电流、测量得到的经钻铤流出的感应电流转换计算得到钻头近前方电阻率信息。
较为优选的，所述根据方位电磁波电阻率测量单元测得的地层电阻率具体为：方位电磁波电阻率测量单元中设置的至少一个发射天线采用分时分频的方式发射电磁波，方位电磁波电阻率测量单元中设置的至少两个接收天线分别接收地层界面反射回的电磁波，计算得到地层界面反射电磁波幅度比以及地层界面反射电磁波相位差并进行电阻率转换，得到地层界面反射电磁波幅度比电阻率以及地层界面反射电磁波相位差电阻率。
较为优选的，所述根据方位电磁波电阻率测量单元测得的方位电动势信息具体为：方位电磁波电阻率测量单元中设置的至少一个发射天线采用分时分频的方式发射电磁波，方位电磁波电阻率测量单元中设置的至少一个接收天线分别接收井眼上层地层界面反射回的电磁波以及井眼下层地层界面反射回的电磁波，并根据井眼上层地层界面反射回的电磁波以及井眼下层地层界面反射回的电磁波的实部之差以及虚部之差计算得到方位电动势信息。
较为优选的，所述超深方位电磁波探变测量单元测得的地质超深界面信息具体为：利用超深方位电磁波探边测量单元中设置有至少一个发射天线采用分时分频发射电磁波，利用超深方位电磁波探边测量单元中设置有至少一个接收天线接收含有地层界面信息的反射电磁波信号，处理并计算得到含有地层界面信息的反射电磁波信号的电动势幅度以及电动势相位；其中，含有地层界面信息的反射电磁波信号的电动势幅度以及电动势相位用来预测并指示地质界面信息。
本发明提供了一种多探测深度的地质导向装置和地质导向方法，该地质导向装置以及地质导向方法通过多种探测精度的地层信息的测量，并结合邻井或直井导眼井的地质、地震信息建立初始地质模型，在钻进过程中及时调整钻头的钻进方向，从而使得地质导向结果更加准确。
附图说明
图1为本发明多探测深度的地质导向装置包含的井底组件结构示意图；
图2为本发明多探测深度的地质导向装置包含的井下电气单元结构示意图；
图3为本发明多探测深度的地质导向装置包含的方位伽马测量单元结构示意图；
图4为本发明多探测深度的地质导向装置方位伽马成像示意图；
图5为本发明多探测深度的地质导向装置包含的方位电磁波电阻率测量单元的结构示意图；
图6为本发明多探测深度的地质导向装置方位电磁波响应示意图；
图7为本发明多探测深度的地质导向装置地层界面方位判断方法示意图；
图8为本发明多探测深度的地质导向装置不同探测深度的电磁波仪器响应模拟示意图；
图9为本发明多探测深度的地质导向装置方位电磁波测量流程示意图；
图10为本发明多探测深度的地质导向装置地质导向建模流程示意图；
图11为本发明多探测深度的地质导向装置随钻方位电磁波电阻率成像示意图；
图12为本发明多探测深度的地质导向装置井眼位置显示方法示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种多探测深度的地质导向装置和地质导向方法，该地质导向装置中设置的不同探测深度的测量单元可以使地层描述更加详细和完备，从而提高地质导向结果。
下面结合下述附图来详细描述对本发明提供的一种多探测深度的地质导向装置和地质导向方法。
如图1所示，一种多探测深度的地质导向装置，包括：用于测量钻头近前方电阻率信息的过钻头电阻率测量单元140；用于测量钻头近前方自然伽马射线信息的方位伽马测量单元130；用于测量井斜以及工具面数据的姿态测量单元150；用于测量地层电阻率以及方位电动势信号的方位电磁波电阻率测量单元170；用于探测地质超深界面信息的超深方位电磁波探变测量单元180。如图1所示，该多探测深度的地质导向装置还与动力单元160相连接，其中动力单元160由涡轮驱动器驱动发电机带动，为整体系统提供动力。而作为一种具体实施方式，动力单元160(例如：泥浆马达)与弯接头120相连接，延伸穿过弯接头120以转动钻头箱110的内部驱动轴。
进一步的，如图2所示，该多探测深度的地质导向装置还包括有：一端分别与过钻头电阻率测量单元140、方位伽马测量单元130、姿态测量单元150、方位电磁波电阻率测量单元170、超深方位电磁波探变测量单元180相连接，另一端与中控电气单元204相连接，用于接收实时测井数据的电磁脉冲传输电气单元202；以及一端分别与过钻头电阻率测量单元140、方位伽马测量单元130、姿态测量单元150、方位电磁波电阻率测量单元170、超深方位电磁波探变测量单元180相连接，另一端与中控电气单元204相连接，用于发送控制信号的工具总线电气单元206。此外，中控电气单元204还连接设置有存储单元模块210，存储单元模块210用于存储方位电阻率以及方位电磁波信号等，并根据实际需要将计算结果发送至地面处理设备，供地质导向人员决策导向和评价。
值得注意的是，本发明提供的多探测深度的地质导向装置中所包含的多种地层参数测量单元的探测深度或探测半径并不相同，因此对界面反应时间和精确程度也不相同。具体的，方位伽马测量单元探测深度最小，其探测深度约为0.5ft，属于井眼成像；过钻头电阻率测量单元探测深度能达到2ft左右，方位电磁波电阻率测量单元在电阻性地层中仪器探测半径能达到4ft，而超深方位电磁波探变测量单元的探测深度在地层电阻率对比度良好的情况下能探测到8ft以外的界面。
具体的，过钻头电阻率测量单元中设置有至少两个带有磁芯的环形天线以及至少一个纽扣电极。作为一种较为优选的实施方式，如图1所示，过钻头电阻率测量单元含有两个带有磁芯的环形天线，其中，环形天线142作为发射天线，在通频率范围为1000Hz-10000Hz的交流电后，在钻铤上感应出感应电流，并利用钻头以及钻铤将感应电流导入地层中，而后利用钻铤接收经地层回流的回流电流，形成测试回路；环形天线141作为接收天线用于测量钻铤接收的经地层回流的回流电流；纽扣电极143用于测量经钻铤流出的感应电流。而后根据欧姆定律，将测量得到的钻铤接收的经地层回流的回流电流、测量得到的经钻铤流出的感应电流转换计算得到钻头近前方电阻率信息。其中，电阻率满足如下公式：
式中：k为刻度系数，Vi(i＝1,….N，N为扇区个数)为回路电压，Ii为第i个扇区测量电流。
此外，方位伽马测量单元中至少设置有一个晶体探测器，如图3所示，该晶体探测器优选设置为镶嵌在钻铤上的NaI晶体探测器310，探测器密封物质用天然橡胶管360，开槽填充物质用环氧树脂350，开槽密封物质用铍青铜340。330为钻井液导流槽，320为钻铤。本装置中随钻方位伽马测量单元采用12个扇区采集和处理信号，钻井时，钻头传动角速度为ω，钻进速度为v，则钻头转动的周期为设探测器初始时刻t0角度为θ0，如果转动过程中遇卡时间即钻铤停止转动时间为ts，则在时间t时刻所处角度θ为：
若θ大于2π，则将θ对2π取余，得到探测器t时刻所处角度。得到t时刻探测器所处角度即可以得到在该时刻探测器处于那个记录扇区内。
设随钻方位伽马测量单元的采样间隔为L，则在一个采样间隔内仪器转动的转数R为：
以三探测器随钻方位伽马测量单元为例，该装置在数据采集和处理过程中分为采集扇区和计数扇区，采集扇区与仪器工具面相关，是固定不变的。每个方位伽马测量单元对应自己的计数扇区，测量开始时探测器都从计数扇区1开始计数，则在数据采集扇区1内的计数为：
N＝(D11+D25+D39)·R (4)
其中：Dij(i＝1,2,3；j＝1,2......12)为第i个探测器在第j个计数扇区内的计数。
同理可以得到不同方位伽马测量单元在不同数据采集扇区内的计数。
利用方位伽马成像图可以得出放射性斜地层的倾斜角度和厚度。图4中所示A点为探测器进入放射性地层时在成像图上的第一个颜色突变点，B点为探测器穿出放射性地层时在成像图上的第一个颜色突变点，则AB之间的距离即为放射性斜地层在井壁上交点距离。则放射性斜地层倾斜角度为：
α＝arctan(AB/D+2DOI) (5)
式中，D为井眼直径，DOI为伽马探测深度。
放射性斜地层的厚度为：
H＝AB·sin(90°-α) (6)
而方位电磁波电阻率测量单元中设置有至少一个发射天线以及至少两个接收天线，所述发射天线以及所述接收天线的通频频率范围为200kHz-4MHz。作为一种较为优选的实施方式，如图5所示，该方位电磁波电阻率测量单元含有5个轴向发射天线171、172、176、177和178以及两个轴向接收天线173和174，其中较为优选的，其线圈磁矩方向与仪器轴平行，且含有一个横向接收天线175。在本发明的该实施例中，仪器工作频率采用2MHz和400kHz。当第一个发射天线发射电磁波时，两个接收天线173和174接收反映地层信息的电磁场信号，将得到的幅度比和相位差进行电阻率转换，得到幅度比电阻率和相位差电阻率。
Phase＝arg(VR1)-arg(VR2) (8)
其中：arg表示取相位角，VR1和VR2分别表示接收天线173和174测量得到的感应电动势。
发射天线按照分时分频的方式发射电磁波，两个正交的横向接收天线分别接收两个最远端的发射线圈发射电磁波时地层产生的磁场信号。在旋转模式下，该装置横向接收天线可将一周分24个扇区进行信号测量采集和记录。在均匀地层条件下，横向接收天线都检测不到磁场信号，而存在界面情况下，由于界面的反射，横向接收线圈接收到电磁信号，信号的随仪器工具面角变化呈现正余弦规律，磁场方向与层界面方位有关。在该发明实施例中所有天线、天线防护罩及通讯槽都安装在无磁钻铤上。
常规电磁波电阻率仪器不具备方位特性，因此仪器在接近地层界面时，很难通过响应曲线判断界面与仪器的相对方位。如图6(a)所示地层模型中，相对井眼上下方的地层电阻率分别是10Ω·m和1Ω·m。图6(b)所适示地层模型，相对井眼上下方地层电阻率分别是1Ω·m和10Ω·m。当仪器沿井眼轨迹601水平钻进，穿过地层界面时，两种地层模型中对应的相位电阻率和幅度电阻率的响应是完全相同的，如图6(c)、6(d)。而对方位电磁波仪器来说，横向接收天线173在两种地层模型中测量得到定向电动势信号(实部或虚部)符号相反，如图6(e)、6(f)，因此通过定向电动势信号很容易判断层界面的相对方位。
理论模拟结果表明，采用水平或倾斜的接收线圈时，对于确定的工作频率和线圈距，接收线圈的定向幅度信号随着仪器工具面呈现周期变化，当只有发射或接收线圈倾斜时，周期为2π。利用工具面角与信号幅度的关系可以确定地层界面的相对走向方位。图7模拟了地层界面与水平面的夹角分别为45°(701)和135°(703)时，仪器与层界面平行钻进情况下，仪器工具面角与仪器定向幅度信号的关系，可以看出当地层界面走向与接收线圈磁矩投影垂直时，定向幅度信号为极大值或极小值，地层界面走向与接收线圈磁矩平行时，定向幅度信号为零，因此随着地层界面走向的变化，出现定向信号幅度极值点对应的工具面角随之变化，利用这一性质可以计算地层界面的走向方位。
方位电磁波电阻率测量单元以及方位伽马测量单元都能判断地层界面走向，但两种仪器装置的探测深度不同，由于随钻方位伽马测量单元的探测深度很小，因此一般仪器钻过层界面后才有所反应，而随钻方位电磁波电阻率测量单元在地层电阻率对比度比较理想的情况下，能探测到离仪器8ft以外的地层界面，因此能提早调整钻头的方向。
与井壁伽马成像确定地层相对倾斜角不同，利用方位电磁波电阻率测量单元确定地层边界走向方位反映地层情况更为宏观，这是因为方位电磁波具备更大的探测深度，受井眼影响较小，而且可以在未穿过层界面的情况下，对界面走向方位进行预测和判断。结合井壁伽马成像和方位电磁波成像，可以连续描述井眼附近以及远离井眼地层界面走向，从而更加准确有效地进行地质导向。结合不同探测深度的探测到的地层界面可以更加充分准确地描述井眼附近到地层深处的界面走向情况。
图8为本发明提供的多探测深度地质导向装置在穿过三层地层介质时电磁波电阻率、方位电磁波以及超深电磁波响应模拟示意图。在该模拟算例中，地层模型为三层各向同性地层(图8(a))，电阻率分别为1Ω·m、20Ω·m和1Ω·m。中间砂岩目的层厚度为20m，井眼以相对88°夹角穿过目的层。其中，图8(b)为发射天线171、发射天线172、发射天线176、发射天线177对称发射，接收天线173、接收天线175接收时的幅度电阻率810和相位电阻率820响应模拟，仪器穿过界面时在界面附近出现明显的“极化角”，可指示界面位置，但不能判断界面相对位置。图8(c)为发射天线172、发射天线178对称发射，接收天线175接收时的方位电动势信号响应模拟，相对于常规电磁波电阻率，随钻方位电磁波能更早的预测到界面存在，而且能够判断界面的相对方位，定向电动势信号在界面附近达到最大。图8(d)为发射天线182发射、发射天线184接收时的超深方位电磁波响应模拟，线圈距为15m，接收天线840、接收天线850、接收天线860分别是工作频率为10kHz、20kHz和50kHz的响应模拟，可以看出超深方位电磁波可以在距离界面十几米甚至几十米时发现界面。由于超深方位电磁波探测深度大，受影响因素多，响应极值点并不在界面处，因此很难准确预测和判断界面位置，在发现界面存在后往往再利用随钻方位电磁波和常规电磁波电阻率准确预测和判断界面位置。因此多探测深度的地质导向装置能满足不同尺度或不同精细程度的地质导向应用需求。
进一步的，图9为本发明提供的方位电磁波以及电磁波电阻率测量方法的方法流程图，具体测量流程包括：
步骤910启动装置，开始工作。步骤890选择发射天线，在该发明的实施例中四个发射线圈采用分时分频发射电磁波，发射顺序为发射天线171、发射天线177、发射天线172、发射天线176，发射频率为2MHz和400kHz。步骤930中接收天线173、接收天线174分别接收含有地层信息的磁场信号，经过处理得到电动势信号的幅度和相位，一个横向接收线圈175按扇区记录和处理电动势的实部和虚部信息。步骤940中计算两个轴向接收天线173、174之间的幅度比和相位差。对于横向接收天线175，由于所测电动势的信号动态范围比轴向接收天线所测信号动态范围大，对小信号测量精度要求更高，因此各种电气噪声以及发射接收线圈没有完全正交或机械加工造成的测量误差会使测量信号严重失真，因此必须进行校正，消除误差，提取有用信号。考虑到天线ZX耦合或ZY耦合时接收线圈电动势的实部和虚部都呈现正弦或余弦规律，如图7，其电动势可以表示为：
Re(V)＝γRE+aRE1 cos(φ)+bRE1 sin(φ) (9)
Im(V)＝γIM+aIM1 cos(φ)+bIM1 sin(φ) (10)
利用这一性质对测量数据进行拟合。系数γRE、γIM、aRE1、bRE1、aIM1、bIM1可以通过快速傅里叶变换得到，经过拟合修正后的数据保留了ZX或ZY分量而大大减少了噪声。步骤950中对所得到的幅度比、相位差进行温度以及功率补偿校正后，根据不同的电阻率转换模板，转换成不同频率、不同线圈距的电阻率信息。分别将横向接收天线电动势的实部、虚部补偿，或处理得到电动势的幅度信息，用来预测界面距离和指示界面位置。步骤960询问是否选择下一发射天线进行测量，如果是则进行步骤970选择下一天线发射电磁波，重复以上步骤，如果不选择下一发射天线则步骤980询问测量是否完成，如果完成则进行步骤990，测量结束。
地质导向钻井是指在钻进过程中，根据各种地质资料，随钻测井资料以及测量数据，实时地调整井眼轨迹的测量控制技术。地质导向前首先要根据地质构造资料包括地震资料确定目标油藏，然后再设计合适的井眼轨迹，使井眼穿过目的层。实际由于资料分辨率的问题，地质或地震的资料对于井眼轨迹的设计往往不够准确，油藏准确深度和横向变化有一定的不确定性，这些不确定因素往往导致井眼偏离目标油层。因此具备多种探测深度的地质导向工具和方法能在钻井过程中准确预测和判断地层情况，保证井眼钻入目标油层。
图10为本发明实施例中精细地质导向方法的一个流程示意图。步骤1010在进行地质导向前，要尽可能多的收集邻井资料以及其他相关地质资料，对所要进行的目标层段建立地层模型。结合邻井中子密度或实时测得近钻头方位伽马等井眼成像资料，初步确定井眼周围地层结构的地层倾角和层界面方位。步骤1020输入仪器参数，建立仪器模型。步骤1030地层初始模型建立以后，利用电磁波电阻率以及方位电磁波正演响应算法进行模型响应模拟，步骤1040将模拟响应结果与实测资料进行对照，步骤1050利用反演结果对地层初始模型进行调整，直到模型响应结果与实时测量结果差别小于设定的系统误差，此时认为地层模型与实际地层情况一致，反演过程结束。步骤1060利用反演结果判断界面距离、界面方位以及相对井眼夹角等，并判断是否需要调整钻头方向。
图11为两层地层模型，其中上部为油层，电阻率为20Ω·m，下部水层电阻率为1Ω·m。在钻进过程中，地质导向要求井眼尽量停留在上部油层一定范围当中，因此在井眼接近地层界面时，必须精确调整钻头方向。在图11(a)所示的井眼轨迹当中，井眼相对入射角分别为75°、85°、100°和95°。图11(b)为实时上传的400kHz的长线圈距幅度电阻率响应曲线；图11(c)为不同工具面角的方位电磁波电动势响应，通过响应模拟曲线可以实时反演得出井眼相对入射角以及距离边界的距离，随着方位电动势幅度越来越大，井眼距离界面也越来越近，当井眼离界面距离小于设计标准时，需调整钻头方向，使井眼远离界面，此时方位电动势幅度又逐渐变小。图11(d)为方位电磁波电动势与电磁波电阻率组合形成的方位电磁波电阻率图像，由电阻率成像可以直观确定油水层界面的走向方位。
图12为井眼横切面示意图。该示意图可以将反演结果实时显示，其中1210为井眼位置、1220为地层模型界面走向方位，根据地层模型可显示一个或两个地层界面，1230为井眼距离界面距离坐标，1240为方位坐标，1250为井眼与界面距离。
Claims (15)
1.一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，包括：
用于测量钻头近前方电阻率信息的过钻头电阻率测量单元；
用于测量钻头近前方自然伽马射线信息的方位伽马测量单元；
用于测量井斜以及工具面数据的姿态测量单元；
用于测量地层电阻率以及方位电动势信号的方位电磁波电阻率测量单元；
用于探测地质超深界面信息的超深方位电磁波探变测量单元；
一端分别与过钻头电阻率测量单元、方位伽马测量单元、姿态测量单元、方位电磁波电阻率测量单元、超深方位电磁波探变测量单元相连接，另一端与中控电气单元相连接，用于接收实时测井数据的电磁脉冲传输电气单元；
以及一端分别与过钻头电阻率测量单元、方位伽马测量单元、姿态测量单元、方位电磁波电阻率测量单元、超深方位电磁波探变测量单元相连接，另一端与中控电气单元相连接，用于发送控制信号的工具总线电气单元。
2.根据权利要求1所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述过钻头电阻率测量单元中设置有至少两个带有磁芯的环形天线以及至少一个纽扣电极，所述环形天线的通频频率范围为1000Hz-10000Hz。
3.根据权利要求1所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述方位伽马测量单元中至少设置有一个晶体探测器。
4.根据权利要求3所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述方位伽马测量单元中设置的晶体探测器为镶嵌在钻铤上的NaI晶体探测器。
5.根据权利要求1所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述方位电磁波电阻率测量单元中设置有至少一个发射天线以及至少两个接收天线，所述发射天线以及所述接收天线的通频频率范围为200kHz-4MHz。
6.根据权利要求5所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述方位电磁波电阻率测量单元中设置的发射天线、接收天线中至少有一个天线的指向与所述方位电磁波电阻率测量单元的仪器轴之间的夹角大于30°且小于60°。
7.根据权利要求5所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述方位电磁波电阻率测量单元中设置的接收天线中至少有一个为横向接收天线。
8.根据权利要求1所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述超深方位电磁波探边测量单元中设置有至少一个发射天线以及至少一个接收天线。
9.根据权利要求8所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述超深方位电磁波探边测量单元中设置的发射天线、接收天线中至少有一个天线的磁矩指向与所述超深方位电磁波探边测量单元的仪器轴不重合；
所述发射天线与所述接收天线之间的线圈距大于10m，所述发射天线以及所述接收天线的通频频率范围为10kHz-100kHz。
10.根据权利要求1所述的一种多探测深度的地质导向装置，其特征在于，所述姿态测量单元为指加速度计、磁通门、陀螺仪中的任意一种或任意几种的组合。
11.一种多探测深度的地质导向方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据邻井或直井导眼井的地质、地震信息建立初始地质模型；
在实时钻进过程中，根据过钻头电阻率测量单元测得的钻头近前方电阻率信息、方位伽马测量单元测得的钻头近前方自然伽马射线信息、姿态测量单元测得的井斜以及工具面数据、方位电磁波电阻率测量单元测得的地层电阻率以及方位电动势信息、超深方位电磁波探变测量单元测得的地质超深界面信息，反演得到实时地质模型；
根据实时地质模型与初始地质模型之间的差异以及钻头的相对位置，调整钻头钻进方向。
12.根据权利要求11所述的一种多探测深度的地质导向方法，其特征在于，所述根据过钻头电阻率测量单元测得的钻头近前方电阻率信息具体为：利用设置在钻头侧的过钻头电阻率测量单元中的至少一个带有磁芯的环形天线作为发射天线，在钻铤上感应出感应电流，并利用钻头以及钻铤将感应电流导入地层中，而后利用钻铤接收经地层回流的回流电流，形成测试回路；
利用设置在钻头侧的过钻头电阻率测量单元中的剩余带有磁芯的环形天线作为接收天线，测量钻铤接收的经地层回流的回流电流；利用设置在钻头侧的过钻头电阻率测量单元中的至少一个纽扣电极测量经钻铤流出的感应电流；
根据欧姆定律，将测量得到的钻铤接收的经地层回流的回流电流、测量得到的经钻铤流出的感应电流转换计算得到钻头近前方电阻率信息。
13.根据权利要求11所述的一种多探测深度的地质导向方法，其特征在于，所述根据方位电磁波电阻率测量单元测得的地层电阻率具体为：方位电磁波电阻率测量单元中设置的至少一个发射天线采用分时分频的方式发射电磁波，方位电磁波电阻率测量单元中设置的至少两个接收天线分别接收地层界面反射回的电磁波，计算得到地层界面反射电磁波幅度比以及地层界面反射电磁波相位差并进行电阻率转换，得到地层界面反射电磁波幅度比电阻率以及地层界面反射电磁波相位差电阻率。
14.根据权利要求11所述的一种多探测深度的地质导向方法，其特征在于，所述根据方位电磁波电阻率测量单元测得的方位电动势信息具体为：方位电磁波电阻率测量单元中设置的至少一个发射天线采用分时分频的方式发射电磁波，方位电磁波电阻率测量单元中设置的至少一个接收天线分别接收井眼上层地层界面反射回的电磁波以及井眼下层地层界面反射回的电磁波，并根据井眼上层地层界面反射回的电磁波以及井眼下层地层界面反射回的电磁波的实部之差以及虚部之差计算得到方位电动势信息。
15.根据权利要求11所述的一种多探测深度的地质导向方法，其特征在于，所述超深方位电磁波探变测量单元测得的地质超深界面信息具体为：利用超深方位电磁波探边测量单元中设置有至少一个发射天线采用分时分频发射电磁波，利用超深方位电磁波探边测量单元中设置有至少一个接收天线接收含有地层界面信息的反射电磁波信号，处理并计算得到含有地层界面信息的反射电磁波信号的电动势幅度以及电动势相位；其中，含有地层界面信息的反射电磁波信号的电动势幅度以及电动势相位用来预测并指示地质界面信息。
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