CN109138991A - 一种随钻视电阻率测量工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻视电阻率测量工具及方法，属于地理探测技术领域，具体涉及一种随钻视电阻率测量工具及方法。本发明涉及一种随钻视电阻率测量工具及方法，属于地理探测技术领域，具体涉及一种随钻视电阻率测量工具及方法。因此，本发明具有如下优点：能够迫使金属电极A0产生的电流IA0垂直于工具v钻铤表面深入被测地层的目的；可以实现深浅两种测量范围的电阻率成像。在深浅两种范围的电阻率成像的基础上，调节加载在屏蔽电极A1上高压电压值，可以对地层电阻率测量深浅进行进一步的微调。

Description

一种随钻视电阻率测量工具及方法

技术领域

本发明涉及一种随钻视电阻率测量工具及方法，属于地理探测技术领域，具体涉及一种随钻视电阻率测量工具及方法。

背景技术

随钻电阻率测量是指钻机在钻进的同事连续不断地测量井下井壁地层的电阻率信息。

在钻井过程中为掌握钻具钻遇地层的岩性、确定确定渗透层及侵入带电阻率、确定岩层厚度，确定岩层的真电阻率及定性的判断油气水层信息，都需要对地层的电阻率进行测量。而不同的岩石的电阻率各不相同，其主要由岩石矿物成分、岩石空隙内地层水中电解质的化学成分、浓度和温度、岩石的孔隙度和岩石含油的饱和度决定。这些因素综合起来影响井下地层岩石的电阻率，而结合电阻率与孔隙度的测量参数，可以为划分及评价油气层提供重要的依据。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的视电阻率测量难度大，精底低的技术问题现在的视电阻率测量方法多用于将钻具起出井口后的测井方式，很少用于随钻方式的视电阻率测量。而测井视电阻率测量时，为了提高测量效果，将测量电极推靠到井壁进行滑动测量，这是由于将钻具起出井口，并把测井视电阻率测量工具放入井下，需要耗费大量时间和人力物力。并再找个过程中，井眼内的泥浆逐步侵入被钻具打开的地层，使得视电阻率测量的误差加大。而本文提供的随钻视电阻率测量方式，在随钻的过程中进行，在地层被打开恶第一时间就可以测出地层的视电阻率。并由于有不同位置的电流发射线圈提供激励，可以测量出不同深度不同方位视电阻率，提供了一种随钻视电阻率测量工具及方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种随钻视电阻率测量工具，包括：

位于钻铤上的多个电极结构；其中，每个电极结构包括：金属电极A0，以及从内至外依次环线所述金属电极A0的金属电极环M1、金属电极环M2、金属电极环A；

其中，当电极工作时，施加于所述金属电极A0和所述金属电极环A的电压相同；并且，通过调整电极环A所产生的电流IA以使金属电极环M2 和金属电极环M1的电位相同。

在本发明的至少一个实施例中，包括：

所述多个电极结构组成位于钻铤表面凸起环形结构上的阵列电极。

在本发明的至少一个实施例中，包括：

所述多个电极结构分为至少两列而排列于钻铤表面，相邻两列之间的电极结构错位设置。

在本发明的至少一个实施例中，还包括：

金属电极环B，设置于金属电极环A外侧。

在本发明的至少一个实施例中，通过测量金属电极环M1的电位变化获得被测地层的视电阻率信息。

一种随钻视电阻率测量方法，包括：

在钻铤上设置多个电极结构；其中，每个电极结构包括：金属电极A0，以及从内至外依次环线所述金属电极A0的金属电极环M1、金属电极环M2、金属电极环A；

当电极工作时，在所述金属电极A0和所述金属电极环A上施加相同电压；并且，通过调整电极环A所产生的电流IA以使金属电极环M2和金属电极环M1的电位相同。

在本发明的至少一个实施例中，上述方法包括：

所述多个电极结构组成位于钻铤表面凸起环形结构上的阵列电极。

在本发明的至少一个实施例中，上述方法包括：

所述多个电极结构分为至少两列而排列于钻铤表面，相邻两列之间的电极结构错位设置。

因此，本发明具有如下优点：能够迫使金属电极A0产生的电流IA0垂直于工具v钻铤表面深入被测地层的目的；可以实现深浅两种测量范围的电阻率成像。在深浅两种范围的电阻率成像的基础上，调节加载在屏蔽电极A1上高压电压值，可以对地层电阻率测量深浅进行进一步的微调。

附图说明

附图1-4是本发明实施例1的原理图；

附图5-6是本发明实施例2的原理图。

附图7是本实施例2的电流流向示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明所述的随钻电阻率测量工具的电阻率测量电极阵列结构设计，可以在井下随钻进行地层电阻率的测量。其电阻率测量电极阵列结构设计支持工具在井下进行旋转钻进时电阻率成像测量和滑动钻进时电阻率成像测量两种模式。其主要通过不同的发射测量电极系的设计，使得电极系将交流电流信号推入地层，并同时测量流经地层并返回的交流电流，来反映电极系周边被测量地层的电阻率信息，电极系随钻具旋转和滑动可将钻井过程中被钻地层的真实电阻率信息记录下来，并最终形成被测井眼地层的电阻率图像。

地层电阻率测量基本原理：

电阻率测井根据地层中不同岩石电阻率不同的特点，来区别钻井泡面上岩石属性，岩石电阻率可以反映岩石在外加电场条件下导电能力强弱的物理量。对于材料均质的物体来说其电阻与物体的横截面成反比，与物体的长度成正比，可得公式

其中R为该物体电阻率系数，其只与物体的材料属性有关与物体的几何形状没有关系。因此，物体的电阻率为

从上面的公式可得，岩石的电阻率单位为欧姆米，在数值上为截面一个平方米长度一米的岩石的电阻值。该值越高说明导电性能越差，反之说明导电性能好。

当钻具在井眼中旋转钻进和滑动钻进时，由于钻井液的导电性能好，特别是高阻地层与钻具间，有导电性能好的钻井液时，由钻具上的电极流出的电流几乎在井眼的钻井液和井壁上低阻围岩中流动，很少能够流入被测的目的地层，这样测量的电阻率也几乎不变化。因此采用了增强电流穿透能力的办法，使得交流电流能够穿透低阻围岩进入被测的目的地层中进行测量。

因此随钻电阻率测量工具在工具所采用的钻铤表面加工了一个突出的环绕钻铤的圆周面，并在圆周面上制作阵列电极，其可以在随钻电阻率测量工具在井下滑动时测量井眼360度岩石的电阻率，从而实现滑动钻进时地层的电阻率成像方法。如图1所示，突出的圆周面是为了使得电阻率测量电极阵列在井眼中更加靠近被测地层。

电极测量阵列分为两排并且相互交错如图1所示，其能够覆盖井眼内的被测地层。每排电极中的每个电极结构相同，如图2所示，其外形为狭长的长方体，长方体由4个狭长的层层嵌套矩形导电环和一个矩形导电电极构成。其中矩形导电电极位于4层矩形导电环中心，矩形导电电极与矩形导电环之间填充进钢陶瓷绝缘材料进行绝缘。

其中金属电极A0是电极系统中的主电极，金属电极环M1和金属电极环M2是电极系统中的监测电极环，金属电极环A为电极系统中的聚焦电极，金属电极环B为电极系统的回流电极。由于电极环M1、M2、A和B为环状导电金属，因此在环形金属的各个部分电位都相等。当电极工作时，主电极A0和电极环A被施加上极性相同的高压电压，施加高电压是为了在被测地层中产生深入地层电电势梯度。在极性相同的两个高电压的作用下，主电极A0和电极环A将产生对应的极性相同的电流IA0和IA，在电路系统通过调节IA的大小，来实现金属电极环M2和金属电极环M1的电位相同。由于金属电极环M2和金属电极环M1之间不会产生电压差，也就保证了金属电极环M2和金属电极环M1之间没有电流流过，因此在金属电极环M1和金属电极环M2之间将形成一个屏蔽电流的环形区域，而处于该环形区域内部的金属电极A0产生的电流IA0只能沿着这个通道区域流入被测地层，而不会向这个环形区域的外围扩张。即达到了迫使金属电极A0产生的电流IA0 垂直于工具v钻铤表面深入被测地层的目的。其电流分布如图3所示。

主电流IA0产生的区域如上图3所示，其产生的电流厚度为金属电极环M2与金属电极环M1之间中点位置，在这个位置将产生一环形闭合的主电流IA0区域。这是被测地层的视电阻率Ra如以下公式所示。

UM1为M1金属电极环的电位，K为电极系的系数，当工具v的电路系统开始工作时，当主电流IA0恒定时，M1金属电极环的电位上的电位根据上面公式可知与被测地层的视电阻率存在比例关系。即当工具在井眼里沿着井壁滑动钻进时，被测地层的视电阻率的变化反映在金属电极环M1的电位变化上，工具通过测量金属电极环M上的电位变化可以得到被测地层的视电阻率信息。

而当工具在井眼里面滑动钻进时，工具上的电极阵列上的各个电极可以同时进行被测地层的视电阻率测量，将所有的电极测量到的视电阻率汇总制成图标，就能够反映出工具沿井壁滑动钻进时，井眼中360度被测地层的视电阻率成像图。

金属电极环B可以作为屏蔽电极A1的回流电极，其可以调整主电极A0 所加载的电流IA0侵入地层的深度。

当测量主电流IA0的测量电路通过开关断开与金属电极环B的连接时，金属电极环B不是回流电极时，屏蔽电极A1的回流电极在整支测量工具的远端，屏蔽电极A1与整支测量工具的远端形成的电势面范围大，因此屏蔽电极A1发出的屏蔽电流可以迫使主电流IA0侵入地层比较深的位置，即主电流IA0在距离工具较远的地方才会发散。如图3所示。

当测量主电流IA0的测量电路通过开关导通金属电极环B的连接时，金属电极环B作为回流电极,屏蔽电极A1的回流电极电流，如图4所示，将进入被测地层较浅深度后便发散开，并通过金属环电极B流入主电流IA0 的测量电路,即屏蔽电极A1与金属电极环B之间形成屏蔽电势面范围小，因此强迫主电流IA0深入地层的深度浅，因此主电流IA0在距离工具较近的地方发散了。通过这种回流电极的切换设置，可以实现深浅两种测量范围的电阻率成像。在深浅两种范围的电阻率成像的基础上，调节加载在屏蔽电极A1上高压电压值，可以对地层电阻率测量深浅进行进一步的微调。

实施例2

当工具在井下进行旋转钻进时，实施例2可以完成钻具旋转时对井眼中被测地层的电阻率成像测量。

在此需要强调的是，实施例1和实施例2的结构可以单独使用，也可合并使用，即在同一个钻铤上安装两套结构。

由地层视电阻率成像公式

可以看出地层视电阻率除了和金属电极环M1上的电压、金属电极A0 流过的电流IA0有关外(公式4中的IA0就是图6中测量电极流出的电流 IC)。还和K系数相关。这个K系数是和电极设计相关的电极系数。

电极系数K可由以下公式求得

公式中的A0M1L、A1M1L、A2M1L、A1A2L、B1B2L、B1M1L、B2M1L为如图5 所示的各个点之间的直线距离,例如A0M1L是图3或图4所示中从金属电极 A0到金属电极环M1的等效距离。图2、3、4是图5中所示的测量电极阵列中的一个测量金属电极的结构，公式中的η1为金属电极环A1流出的电流 IS和主电极A0流出的电流I0的比值,被称为屏流比，即以下公式

以上结构可以实现钻具在井下滑动测量时对被测地层360度的电阻率成像测量。

钻铤上加工多个安装线圈的凹槽，并在结构中部加工安装平衡监测线圈凹槽，在该凹槽两侧加工电极阵列，电极阵列如图5所示，为环绕在钻铤360度方向上。加工的较宽的凹槽为放置发射监测线圈M0—M10。加工的较窄的凹槽为放置发射线圈T1—T10。

该结构的工作原理为如图6所示中T1、M1、T2、M2为例，I1和I2分别代表在T1和T2单位强度激励下环电极所检测的电流；相似地，Mij表示在Tj单位强度激励下环型监视线圈Mi所检测的电流。上、下环型发射线圈的激励在相位上相差180°，因此，当上环型发射线圈驱动电流沿钻具向下流动时，下环型发射线圈驱动电流沿钻具向上流动，在环电极处的轴向电流极性相反、相互抵消，即在发射平衡监测线圈上测量到的电压为零。上、下环型发射线圈均同时迫使电流流出测量电极阵列，因而增强了电极测量电极阵列的电流。各电流的符号按如下约定：当电流径向流出时I1和 I2为正，当电流朝下流动时M01和M21为正，当电流朝上流动时M02和M12 为正。

测量电极阵列电流Ic由下式定义：

等式(7)在形式上是对称的，当下标互换1和2时，等式保持不变。由于互易性，M12＝M21。

等式(7)表示环电极电流I1(T1激励)和I2(T2激励)的加权和。每单个激励的环电极电流都可分别刻度为视地层电阻率，但都存在前面提到的严重的响应畸变问题。然而，通过像等式(7)这样对I1和I2进行缩放并相加，可对环电极电流进行补偿，从而获得优异的响应特性。因为由T1和 T2产生的环电极电流极性相同、相互叠加，使得测量电极阵列电流的误差不会比单个激励环电极电流的误差高。如图6所示，当调节T1和T2所产生的电流在发射平衡监测线圈M0位置所产生电压为零时，可以保证从测量电极阵列发出的电流可以深入被测地层，测得电阻率值。当工具开始旋转时测量电极阵列的每个扇区的电极扫过井眼中的地层，可以测出井眼地层的电阻率值。当钻具旋转钻进时，该结构的电极扫过井壁地层可以对被测井眼地层电阻率进行成像。选择T1\T2,T3\T4,T5\T6,T7\T8,T9\T10,中不同的线圈对可以产生深入地层程度不同的测量电流，以测量井眼中不同深度岩层的电阻率信息。其中T1\T2线圈对产生的深入地层的测量电流深度最深，而T9\T10产生的深入地层的测量电流深度最浅，由于T1\T2线圈上所施加的交流电流激励为幅值相等相位角相差180度，所以T1\T2线圈在钻铤轴向上感应出的电流I1和I2在钻铤中间部分测量电极阵列相遇，这时两个幅值相等但方向相反的电流在钻铤轴向方向上会相互抵消，而从测量电极阵列垂直于钻铤流入地层，形成如图6所示的电流IC,带电流又是由T1\T2线圈在钻铤上的项圈两侧如图7所示的1\2的电位差造成的(1是正电位，2是负电位)，所以电流IC将会通过地层回流到T1\T2线圈的负电位2。因此可以在电路控制上分时选择不同的线圈对(如第一时刻T1\T2线圈同时被施加幅值相等方向相差180度的电流，并测量IC的大小，这时IC 如图7中所示，其通过地层回流到T1\T2线圈负电位的路径最长，测量的地层深度也最深。T1\T2线圈对到T9\T10线圈对时分时工作的，当T9\T10 线圈对工作时IC如图7中所示，回流路径最短，测量的地层也最浅。)来产生不同深度的测量电流，来测量井眼中岩石的电阻率信息。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种随钻视电阻率测量工具，其特征在于，包括：

位于钻铤上的多个电极结构；其中，每个电极结构包括：金属电极A0，以及从内至外依次环线所述金属电极A0的金属电极环M1、金属电极环M2、金属电极环A；

其中，当电极工作时，施加于所述金属电极A0和所述金属电极环A的电压相同；并且，通过调整电极环A所产生的电流IA以使金属电极环M2和金属电极环M1的电位相同。

2.根据权利要求1所述的一种随钻视电阻率测量工具，其特征在于，包括：

所述多个电极结构组成位于钻铤表面凸起环形结构上的阵列电极。

3.根据权利要求1所述的一种随钻视电阻率测量工具，其特征在于，包括：

所述多个电极结构分为至少两列而排列于钻铤表面，相邻两列之间的电极结构错位设置。

4.根据权利要求1所述的一种随钻视电阻率测量工具，其特征在于，还包括：

金属电极环B，设置于金属电极环A外侧。

5.根据权利要求1所述的一种随钻视电阻率测量工具，其特征在于，通过测量金属电极环M1的电位变化获得被测地层的视电阻率信息。

6.一种随钻视电阻率测量方法，其特征在于，包括：

在钻铤上设置多个电极结构；其中，每个电极结构包括：金属电极A0，以及从内至外依次环线所述金属电极A0的金属电极环M1、金属电极环M2、金属电极环A；

当电极工作时，在所述金属电极A0和所述金属电极环A上施加相同电压；并且，通过调整电极环A所产生的电流IA以使金属电极环M2和金属电极环M1的电位相同。

7.根据权利要求6所述的一种随钻视电阻率测量方法，其特征在于，包括：

所述多个电极结构组成位于钻铤表面凸起环形结构上的阵列电极。

8.根据权利要求6所述的一种随钻视电阻率测量方法，其特征在于，包括：

所述多个电极结构分为至少两列而排列于钻铤表面，相邻两列之间的电极结构错位设置。