CN109488291B - 一种随钻电阻率测井方法和测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随钻电阻率测井方法和测量装置，该随钻电阻率测量装置包括：金属钻铤、多深度测量电极和至少两个发射线圈；所述多深度测量电极设置在所述金属钻铤上，至少两个发射线圈套设在所述金属钻铤上，且分别位于所述多深度测量电极两侧的不同距离处。本发明公开的随钻电阻率测井方法和测量装置，能够实现井壁附近不同深度范围地层信息的测量和高分辨率井眼成像地质评价，以及具备一定的地层边界识别能力。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，尤指一种随钻电阻率测井方法和测量装置。
背景技术
随着油气资源勘探开发的进一步深入，大斜度井和水平井得到大量应用，运用常规电缆测井仪器进行测量的方式受到限制。随钻测井技术实现了钻井过程中地层信息的实时测量，很好的解决了这一技术难题。随钻测井己经成为大斜度井、水平井和小井眼侧钻多分支井油藏评价的重要手段，也是完成大斜度井、水平井钻井设计，实时井场数据采集、解释和现场决策以及指导地质导向钻井的关键技术。同时，由于测量在钻开地层的第一时间进行，泥浆侵入地层的程度低，测量得到的信息更接近于原始地层，能够获取更为准确可靠的测井资料，为储层的实时评价提供了可能。
目前，随钻电阻率测井技术是随钻测井技术之一，随钻电阻率测井能够测量得到反映井壁附近地层电性参数数据，进而用该地层电性参数数据进行地层评价的基本需求。然而，目前采用随钻电阻率测井技术的测量装置只能反映井壁附近一个固定探测深度的地层电性参数数据，无法实现反映不同探测深度的地层电性参数数据。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种随钻电阻率测井方法和测量装置，能够实现井壁附近不同深度范围地层信息的测量。
为了达到本发明目的，第一方面，本发明提供了一种随钻电阻率测量装置，包括：金属钻铤、多深度测量电极和至少两个发射线圈；所述多深度测量电极设置在所述金属钻铤上，至少两个发射线圈套设在所述金属钻铤上，且分别位于所述多深度测量电极两侧的不同距离处；其中：
所述至少两个发射线圈用于作为激励源，在接收到恒定的低频交流电源时，在相应发射线圈两侧的金属钻铤上产生恒定的驱动电压，以形成不同源距的第一电流回路；所述多深度测量电极用于分别测量不同源距的第一电流回路中的第一电流；所述第一电流用于确定相应的第一地层电阻率，所述第一地层电阻率用于反映地层的电性信息。
第二方面，本发明提供了一种随钻电阻率测井方法，包括：
在接收到恒定的低频交流电源时，在不同探测距离处产生恒定的驱动电压，以分别形成不同源距的第一电流回路；
分别测量不同源距的第一电流回路中的第一电流；所述第一电流用于确定相应的第一地层电阻率，所述第一地层电阻率用于反映地层的电性信息。
第三方面，本发明提供了一种随钻电阻率测井方法，包括：
获取不同源距的第一电流回路中的第一电流；
其中，所述不同源距的第一电流回路根据在恒定的低频交流电源时，在不同探测距离处产生恒定的驱动电压分别形成；
根据所述第一电流确定相应的第一地层电阻率，所述第一地层电阻率用于反映地层的电性信息。
第四方面，本发明提供了一种主控设备，包括存储器和处理器，存储器用于存储执行指令；处理器调用所述执行指令，用于执行如第三方面实施例所述的随钻电阻率测井方法。
第五方面，本发明提供了一种随钻电阻率测量仪器，包括如第一方面实施例所述的随钻电阻率测量装置和如第四方面实施例所述的主控设备，所述随钻电阻率测量装置和所述主控设备连接。
本发明实施例提供的随钻电阻率测井方法和测量装置，在多深度测量电极两侧布置不同距离的发射线圈，所有发射线圈作为激励源，多深度测量电极在测量过程中测得不同源距的第一电流回路中的第一电流，基于该第一电流可以获得井壁附近不同距离的多条第一地层电阻率响应曲线，从而实现井壁附近不同深度范围地层信息的测量，以实现地层评价。
本发明实施例的一些实施方式中，还可以达到以下效果：1.在多深度测量电极两侧依次布置五个不同源距的发射线圈，作为测量的激励源，实现井壁附近不同深度范围地层电性信息的测量，以实现高分辨率井眼成像地质评价。2.以最大源距发射线圈作为激励时，通过测量电极正对地层边界和背对地层边界时的响应差异，以实现地层边界识别能力。
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技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例一提供的随钻电阻率测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的发射线圈的激励示意图；
图3为本发明实施例二提供的随钻电阻率测量装置的结构示意图；
图4为本发明实施例三提供的随钻电阻率测量装置的结构示意图；
图5为本发明实施例四提供的随钻电阻率测量装置的结构示意图；
图6为本发明实施例二提供的发射线圈的激励示意图；
图7为本发明实施例提供的主控设备的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的第一电流响应与地层电阻率的转换链表的关系图；
图9为本发明实施例提供的测量电极电阻率响应实现方法的流程示意图；
图10为本发明实施例提供的第二电流响应与地层电阻率的转换链表的关系图；
图11A为本发明实施例提供的三层地层模型的结构示意图；
图11B为本发明实施例提供的多深度测量电极在三层地层模型中的连续测量响应图；
图12A为本发明实施例提供的多深度测量电极Lat探测深度考察示意；
图12B为高分辨率钮扣测量电极B1探测深度考察示意图；
图13A为本发明实施例提供的地层边界识别模型示意图；
图13B为本发明实施例一提供的地层边界识别方法示意图；
图13C为本发明实施例二提供的地层边界识别方法示意图；
图14A为本发明实施例提供的伪对称聚焦补偿前电阻率响应示意图；
图14B为本发明实施例提供的伪对称聚焦补偿后电阻率响应示意图；
图15为本发明实施例一提供的随钻电阻率测井方法的流程示意图；
图16为本发明实施例二提供的随钻电阻率测井方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1为本发明实施例一提供的随钻电阻率测量装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的随钻电阻率测量装置，包括：金属钻铤、多深度测量电极和至少两个发射线圈；多深度测量电极设置在金属钻铤上，至少两个发射线圈套设在金属钻铤上，且分别位于多深度测量电极两侧的不同距离处。
具体的，如图1所示，本实施例提供的随钻电阻率测量装置主体由金属钻铤构成，在金属钻铤上安装1个多深度测量电极Lat，在多深度测量电极两侧不同距离依次交错布置至少两个发射线圈，构成多个不同测量源距。其中，本实施例中源距是指发射线圈与多深度测量电极之间的距离。多深度测量电极是可以在不同源距的发射线圈的激励下，发射对应测量电流的测量电极，其也可以称为第一测量电极。
可选的，金属钻铤的大小可以6.75英寸。发射线圈为环形(Toroid)螺线管。需要说明的是，本实施例中的金属钻铤可以为金属钻铤基体。
至少两个发射线圈用于作为激励源，在接收到恒定的低频交流电源时，在相应发射线圈两侧的金属钻铤上产生恒定的驱动电压，以形成不同源距的第一电流回路；多深度测量电极用于分别测量不同源距的第一电流回路中的第一电流；第一电流用于确定相应的第一地层电阻率，第一地层电阻率用于反映地层的电性信息。
本实施例中，采用所有发射线圈作为激励实现多深度测量电极测量，其激励方式本质上是基于电磁感应原理。具体的，图2为本发明实施例一提供的发射线圈的激励示意图，如图2所示，其激励方式是在发射线圈中施加恒定的低频交流电源，在线圈缠绕的磁芯中产生高密度磁流激励源，该磁流激励在发射线圈两侧的钻铤上产生恒定的驱动电压(图2中+V和-V之间的电压差)，在该驱动电压的驱动下，电流将从金属钻铤的一侧流出，经过井眼和地层返回到金属钻铤的另一侧，从而在金属钻铤、井眼和地层中形成不同源距的第一电流回路，最后通过多深度测量电极获取不同源距的第一电流。
本实施例中，基于不同源距的第一电流可以确定对应井壁附近不同距离的第一地层电阻率，其基于第一电流确定对应的第一地层电阻率具体可以为：由于在发射线圈缠绕的磁芯中可以产生高密度磁流激励源，该磁流激励在空间介质中传播满足磁场波动特征方程，本实施例可以通过磁场波动方程求得空间磁场响应，由磁场的安培环路定理，求得多深度测量电极的第一电流响应，经过电阻率转换，得到与第一电流响应匹配的第一地层电阻率，该第一地层电阻率能够反映井壁附近不同探测深度地层的电性信息，从而得到井壁附近不同距离的多条第一地层电阻率响应曲线。根据地层的电性信息可以实现对井壁附近不同探测深度的地层评价。需要说明的是，基于第一电流确定对应用于反映地层的电性信息的第一地层电阻率可以详见下述实施例的描述，根据地层的电性信息可以实现对井壁附近不同探测深度的地层评价与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。
本发明实施例提供的随钻电阻率测量装置，在多深度测量电极两侧布置不同距离的发射线圈，所有发射线圈作为激励源，多深度测量电极在测量过程中测得不同源距的第一电流回路中的第一电流，基于该第一电流可以获得井壁附近不同距离的多条第一地层电阻率响应曲线，从而实现井壁附近不同深度范围地层信息的测量，以实现地层评价。
进一步地，在上述实施例中，至少两个发射线圈按预设排列顺序依次交错位于多深度测量电极两侧的不同距离处，且与多深度测量电极的距离逐渐变大。
具体的，在多深度测量电极两侧不同距离依次交错布置至少两个发射线圈，构成多个不同测量源距。其中，预设排列顺序可以是发射线圈的编号大小，可以按照是发射线圈的编号有小到大的顺序依次交错布置在多深度测量电极两侧。
可选的，发射线圈的数量可以为5个，5个发射线圈按照序号依次交错位于多深度测量电极两侧的不同距离处。具体的，图3为本发明实施例二提供的随钻电阻率测量装置的结构示意图，如图3所示，在多深度测量电极两侧依次交错布置5个发射线圈T1、T2、T3、T4和T5，构成五种不同测量源距L1-L5，且测量源距L1-L5逐渐变大，即L5>L4>L3>L2>L1。
本发明实施例提供的随钻电阻率测量装置，在多深度测量电极两侧依次布置五个不同源距的发射线圈，作为测量的激励源，实现井壁附近不同深度范围地层电性信息的测量。多深度测量电极在测量过程中，随着金属钻铤的旋转可以测得距离井壁附近不同距离的4条第一地层电阻率响应曲线，用于地层评价。
图4为本发明实施例三提供的随钻电阻率测量装置的结构示意图，如图4所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的随钻电阻率测量装置，还可以包括：偶数双排列的高分辨率钮扣测量电极，高分辨率钮扣测量电极与多深度测量电极呈180度对称设置在金属钻铤上。
具体的，本实施例中，随钻电阻率测量装置可以包括金属钻铤、1个多深度测量电极Lat和对称于多深度测量电极180度布置的多个高分辨率钮扣测量电极，多深度测量电极Lat的中心和多个高分辨率钮扣测量电极的中心在金属钻铤的同一深度正对着。其中，高分辨率钮扣测量电极是可以在预设分辨率对应的预设距离内的发射线圈的激励下，发射对应测量电流的纽扣电极，其也可以称为第二测量电极。
可选的，高分辨率钮扣测量电极的数量至少为四个，至少四个高分辨率钮扣测量电极以双排形式安装在金属钻铤上。具体的，图5为本发明实施例四提供的随钻电阻率测量装置的结构示意图，如图5所示，高分辨率钮扣测量电极的数量可以为8个，在金属钻铤上安装1个多深度测量电极Lat的同时，并对称180度安装8个高分辨率钮扣测量电极。
至少两个发射线圈中，与高分辨率纽扣测量电极小于预设距离的发射线圈用于作为激励源，在接收到恒定的低频交流电源时，在相应发射线圈两侧的金属钻铤上产生恒定的驱动电压，以形成不同分辨率的第二电流回路；高分辨率钮扣测量电极用于分别测量不同分辨率的第二电流回路中的第二电流；第二电流用于确定相应的第二地层电阻率，第二地层电阻率用于反映地层的成像信息。
本实施例中，采用与高分辨率纽扣测量电极小于预设距离的发射线圈作为激励实现高分辨率纽扣测量电极测量，其激励方式本质上是基于电磁感应原理。具体的，图6为本发明实施例二提供的发射线圈的激励示意图，如图6所示，其激励方式是在发射线圈中施加恒定的低频交流电源，在线圈缠绕的磁芯中产生高密度磁流激励源，该磁流激励在发射线圈两侧的钻铤上产生恒定的驱动电压(图6中+V和-V之间的电压差)，在该驱动电压的驱动下，电流将从金属钻铤的一侧流出，经过井眼和地层返回到金属钻铤的另一侧，从而在金属钻铤、井眼和地层中形成第二电流回路，最后通过高分辨率纽扣测量电极获取第二电流。
需要说明的是，不同距离的发射线圈作为激励时，高分辨率纽扣测量电极对应获取的第二电流的分辨率不同。本实施例中的预设距离可根据实际情况或技术人员的经验而定，只要实现高分辨率纽扣测量电极对应获取的第二电流的分辨率满足预设分辨率，以获取高分辨率的第二地层电阻率，用于成像地质评价，实现高分辨率成像地质评价即可。
可选的，可以将发射线圈T1和T2用于高分辨率钮扣测量电极的测量，即发射线圈T1和T2作为激励实现高分辨率纽扣测量电极测量。
本实施例中，基于不同分辨率的第二电流可以确定对应井壁或井眼附近不同分辨率的第二地层电阻率，其基于第二电流确定对应的第二地层电阻率具体可以为：由于在发射线圈缠绕的磁芯中可以产生高密度磁流激励源，该磁流激励在空间介质中传播满足磁场波动特征方程，本实施例可以通过磁场波动方程求得空间磁场响应，由磁场的安培环路定理，求得高分辨率纽扣测量电极的第二电流响应，经过电阻率转换，得到与第二电流响应匹配的第二地层电阻率，该第二地层电阻率能够反映井壁或井眼附近不同分辨率地层的成像信息，从而得到井壁或井眼附近不同分辨率的多条第二地层电阻率响应曲线。根据地层的成像信息可以实现高分辨率井壁或井眼成像信息。需要说明的是，基于第二电流确定对应用于反映地层的成像信息的第二地层电阻率可以详见下述实施例的描述，根据地层的成像信息可以实现高分辨率井壁或井眼成像信息与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。
需要说明的是，高分辨率的随钻实时成像数据(如第二地层电阻率)不仅可用于地层构造分析、沉积相分析，还可用于随钻地质导向，如确定最佳井眼位置、控制钻头方位、指导钻头穿过目的层位，同时可实时识别断层、井眼垮塌等状况，有效降低钻井风险。
本发明实施例提供的随钻电阻率测量装置，至少两个发射线圈中，与高分辨率纽扣测量电极小于预设距离的发射线圈作为激励源，高分辨率钮扣测量电极在测量过程中测得不同分辨率的第二电流回路中的第二电流，基于该第二电流可以获得多条井壁附近高分辨率的第二电阻率响应曲线，从而实现附近不同分辨率成像信息的测量，以实现成像地质评价。也即，高分辨率钮扣测量电极在测量过程中，随着金属钻铤的旋转可以测得多条井壁附近高分辨率的第二电阻率响应曲线，用于成像地质评价。比如，以发射线圈TI和T2作为激励源，金属钻铤上安装有8个高分辨率钮扣测量电极为例，随着金属钻铤的旋转，可以测得16条井壁附近高分辨率的第二电阻率响应曲线。
进一步地，在上述实施例中，发射线圈、多深度测量电极和高分辨率钮扣测量电极外侧均可以设置有用于与金属钻铤隔开的绝缘环。具体的，多深度测量电极和高分辨率钮扣测量电极外侧用环形绝缘环与金属钻铤隔开，每一个发射线圈均用一个绝缘环与金属钻铤隔开。其中，每一个高分辨率钮扣测量电极外侧设置一个环形绝缘环。
图7为本发明实施例提供的主控设备的结构示意图，如图7所示，本发明实施例提供的主控设备，包括：存储器71和处理器72。
存储器71用于存储执行指令，处理器72可以是一个中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)，或者完成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。当主控设备运行时，处理器72与存储器71之间通信，处理器72调用执行指令，用于执行以下操作：
获取不同源距的第一电流回路中的第一电流；其中，不同源距的第一电流回路根据在恒定的低频交流电源时，在不同探测距离处产生恒定的驱动电压分别形成。
需要说明的是，不同源距的第一电流回路的形成详见上述实施例中关于第一电流回路形成的描述，本实施例在此不进行赘述。
根据第一电流确定相应的第一地层电阻率，第一地层电阻率用于反映地层的电性信息。
需要说明的是，本发明实施例提供的主控设备可以设置在随钻电阻率测量装置上，比如可以设置在随钻电阻率测量装置上的金属钻铤上；也可以设置在随钻电阻率测量装置外部，比如设置在地面上。主控设备可以与随钻电阻率测量装置连接，具体可以与随钻电阻率测量装置上的多深度测量电极和/或高分辨率钮扣测量电极连接，以获取多深度测量电极和/或高分辨率钮扣测量电极上的电流。本发明实施例主要以发射线圈数量为5个，高分辨率钮扣测量电极为8个为例进行阐述，发射线圈其他数量与5个的实现原理相同，以及高分辨率钮扣测量电极其他数量与8个的实现原理相同，本实施例在此不进行赘述。
本发明实施例提供的主控设备，基于不同源距的第一电流回路中的第一电流，可以获得距离井壁附近不同距离的多条第一地层电阻率响应曲线，从而实现井壁附近不同深度范围地层信息的测量，以实现地层评价。
进一步地，在上述实施例中，处理器72根据第一电流确定相应的第一地层电阻率，包括：根据第一电流确定第一电流响应，根据第一电流响应查找第一电流响应与地层电阻率的转换链表(也可以称为关系链表)，得到相应的第一地层电阻率。具体的，图8为本发明实施例提供的第一电流响应与地层电阻率的转换链表的关系图，如图8所示，本实施例可以采用三维矢量边有限元数值计算方法，模拟发射线圈激励下第一电流响应与地层电阻率的转换链表，其中，本发明实施例采用三维矢量边有限元数值计算方法，模拟发射线圈激励下第一电流响应与地层电阻率的转换链表与现有技术的实现原理相同，本实施例在此不进行赘述。使用该转换链表时，由多深度测量电极测量(可称为Lat电极)得到的第一电流响应，查询该转换链表即可得到对应的第一地层电阻率值，从而将多深度测量电极测量的第一电流响应转换为井壁附近不同深度范围的第一地层电阻率响应曲线。需要说明的是，图8中电流模值信号响应表示第一电流响应，其对应的地层电阻率表示第一地层电阻率。
进一步地，在上述实施例中，处理器72根据第一电流确定第一电流响应包括：构建相应的磁场波动方程，求解磁场波动方程得到空间磁场的磁场强度；根据安培环路定理，获取流出多深度测量电极上的电流和，将电流和作为第一电流响应。
如图2和图6所示，采用多个发射线圈实现随钻电阻率电极测量，该激励方式本质上是基于电磁感应原理。在发射线圈中施加恒定的低频交流电，缠绕线圈的磁芯中会形成高密度磁流源，该磁流源两侧的金属钻铤上会产生恒定的驱动电压，在该电压的驱动下，电流会从钻铤一侧流出，经过井眼及地层(井眼及地层等效电阻为R)流回到钻铤另一侧，并从钻铤内部返回，构成电流回路，该方法取代了传统的电极系，适用性更强。
上述线圈型激励方式可以等效为变压器原理，主要由匝数为n1的初级线圈(发射线圈)、匝数为n2的次级线圈(金属钻铤和地层)以及磁芯构成。利用互感原理将初级线圈的电压信号耦合到次级线圈，其计算公式如下：
由变压器原理可知，金属钻铤、泥浆和地层可等效为匝数为1的副边，副边电压u(发射线圈两侧金属钻铤的电压差)构成回路中的激励源，测得电极电流i，经过电阻率转换，得到地层电阻率。其中，E1表示初级线圈电压，E2表示次级线圈电压，副边电压u等同于次级线圈电压E2。本发明实施例可以将测得多深度测量电极的电流称为第一电流，将测得高分辨率纽扣测量电极的电流称为第二电流。
根据上述激励原理和测量装置结构，基于电磁理论，构建相应的磁场波动方程：
▽×ε-1·▽×H(r)-ω2μ·H(r)＝-iωM(r) 公式2
利用三维矢量边有限元素法对磁场波动方程进行求解，将求解空间离散为M个四面体单元，其中，M取值根据所求解问题的空间区域以及测量装置和地层模型的复杂度而定。结合边界条件，其中，边界条件指的是有限元数法求解过程中电磁场需要满足的第一类狄利克莱边界条件和第二类诺依曼边界条件，其实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。将公式2归结为磁场的能量泛函，公式2转化为：
公式3中：
在进行求和并使用全局标记后，可以获得：
应用里兹方法，即取F对每个未知棱边场的偏导数，并令其等于零，可以得到线性方程组：
[A]{H}-ω2εμ[B]{H}＝-jωμ[C] 公式8
解上述关于磁场的线性方程组，即可求得每个棱边的磁场强度值H。
上述公式中，▽为微分算符，ε为介电常数(电容率)，μ为磁导率，ω为角频率，r为空间位置，e为各离散四面体单元的标记，M(r)为磁流密度，A、B、C均为方程组系数符号，N为插值基函数，
为矢量插值基函数，Ve表示的是单元体积。
由矢量边有限元方法求解得到求解区域各元素棱边上的磁场强度H，运用安培环路定理求解流出测量电极表面的电流和I，该电流和I能够反映井壁附近地层电性参数信息，电流I的计算公式如下：
其中：H为研究区域中各四面体单元棱边的磁场强度；∑Ii为流出测量电极表面的电流和；Ii表示电极边缘各棱边的电流值，所有棱边电流和等于I；dl为磁场沿电极表面的积分路径微元。
图9为本发明实施例提供的测量电极电阻率响应实现方法的流程示意图，如图9所示，该实现方法包括：S901：构建磁场响应特征方程；S902：矢量边有限元数值离散；S903：求解得到空间各离散边的磁场强度；S904：对测量电极进行磁场安培环路积分；S905：获得流出测量电极表面的电流和；S906：查询电阻率转换链表；S907：获得测量电极电阻率响应。需要说明的是，本发明实施例的测量电极可以为多深度测量电极，也可以为高分辨率纽扣测量电极；电阻率响应可以为第一地层电阻率，也可以为第二地层电阻率。
进一步地，在上述实施例中，处理器72还用于：
获取不同分辨率的第二电流回路中的第二电流；其中，不同分辨率的第二电流回路根据在接收到恒定的低频交流电源时，在预设分辨率对应的预设距离处产生恒定的驱动电压分别形成。
需要说明的是，不同分辨率的第二电流回路的形成详见上述实施例中关于第二电流回路形成的描述，本实施例在此不进行赘述。
根据第二电流确定相应的第二地层电阻率，第二地层电阻率用于反映地层的成像信息。
需要说明的是，本发明实施例提供的主控设备可以设置在随钻电阻率测量装置上，比如可以设置在随钻电阻率测量装置上的金属钻铤上；也可以设置在随钻电阻率测量装置外部，比如设置在地面上。主控设备可以与随钻电阻率测量装置连接，具体可以与随钻电阻率测量装置上的多深度测量电极和/或高分辨率钮扣测量电极连接，以获取多深度测量电极和/或高分辨率钮扣测量电极上的电流。本发明实施例主要以发射线圈数量为5个，高分辨率钮扣测量电极为8个为例进行阐述，发射线圈其他数量与5个的实现原理相同，以及高分辨率钮扣测量电极其他数量与8个的实现原理相同，本实施例在此不进行赘述。
本发明实施例提供的主控设备，基于不同分辨率的第二电流回路中的第二电流，可以获得多条井壁附近高分辨率的第二电阻率响应曲线，从而实现附近不同分辨率成像信息的测量，以实现成像地质评价。
进一步地，在上述实施例中，处理器72根据第二电流确定相应的第二地层电阻率，包括：根据第二电流确定第二电流响应，根据第二电流响应查找第二电流响应与地层电阻率的转换链表，得到与第二电流相应的第二地层电阻率。具体的，具体的，图10为本发明实施例提供的第二电流响应与地层电阻率的转换链表的关系图，如图10所示，本实施例可以采用三维矢量边有限元数值计算方法，模拟发射线圈激励下第二电流响应与地层电阻率的转换链表，其中，本发明实施例采用三维矢量边有限元数值计算方法，模拟发射线圈激励下第二电流响应与地层电阻率的转换链表与现有技术的实现原理相同，本实施例在此不进行赘述。使用该转换链表时，由高分辨率钮扣测量电极得到的第二电流响应，查询该转换链表即可得到对应的第二地层电阻率值，从而将高分辨率钮扣测量电极测量的第二电流响应转换为井壁附近不同分辨率成像信息的第二地层电阻率响应曲线。其中，图10是以多个高分辨率钮扣测量电极中的其中一个电极(可标记为B1)为例，其余高分辨率钮扣测量电极的转换链表与B1电极的转换链表的实现原理相同，本实施例在此不进行限定。需要说明的是，图10中电流模值信号响应表示第二电流响应，其对应的地层电阻率表示第二地层电阻率。
进一步地，在上述实施例中，处理器72根据第二电流确定第二电流响应包括：构建相应的磁场波动方程，求解磁场波动方程得到空间磁场的磁场强度；根据安培环路定理，获取流出高分辨率钮扣测量电极表面的电流和，将电流和作为第二电流响应。需要说明的是，本实施例中根据第二电流确定第二电流响应与上述实施例根据第一电流确定第一电流响应的实现原理相同，本实施例在此不进行赘述。
通过上述实施例所述方法，建立三层地层模型：井眼直径8.5英寸，泥浆电阻率(Rm)0.1Ω·m，目的层电阻率(Rt)10.0Ω·m，围岩电阻率(Rs)1.0Ω·m，目的层层厚为1m。由上述实施例所述方法计算，可获得具有不同探测深度的第一地层电阻率的测量响应图(测量曲线)，如图11A和图11B所示，图11A为本发明实施例提供的三层地层模型的结构示意图，图11B为本发明实施例提供的多深度测量电极在三层地层模型中的连续测量响应图。需要说明的是图11B中电阻率表示第一地层电阻率。
图12A为本发明实施例提供的多深度测量电极Lat探测深度考察示意图，12B为高分辨率钮扣测量电极B1探测深度考察示意图，如图12A和12B所示，采用有限元数值模拟技术，计算电极电流响应，结合激励电压值，求取电极阻抗模值响应。需要说明的是，本发明实施例中测得多深度测量电极(Lat电极)的第一电流响应，以及测得高分辨率钮扣测量电极的第二电流响应可以统称为电极电流响应；相应地，求取的多深度测量电极(Lat电极)的第一阻抗模值响应，以及求取的高分辨率钮扣测量电极的第二阻抗模值响应可以统称为电极阻抗模值响应。
建立地层模型：井眼直径8.5英寸，泥浆电阻率0.1Ω·m，侵入带电阻率1.0Ω·m，地层电阻率10.0Ω·m，地层无限厚。利用伪几何因子考察仪器(测量装置)探测深度，定义伪几何因子大小为0.5时的侵入深度为仪器探测深度。伪几何因子计算公式为：
式中：Jxo表示伪几何因子，Ra表示不同侵入深度时电极阻抗模值，Rxo表示侵入无限深时电极阻抗模值，Rt表示无侵时电极阻抗模值。
进一步地，在上述实施例中，处理器72还用于：
获取最大源距处正对层边界的测量信号A，以及背对层边界的测量信号B；
采用公式
确定阈值δ，根据阈值δ确定地层边界信息。
测量信号指的是多深度测量电极上的第一电流响应。由于测量装置在测量过程中是不断旋转的，本发明实施例可以将测量装置旋转到第一预设角度(比如旋转到0°方位)时，多深度测量电极上的电流作为正对层边界的测量信号A；测量装置旋转到第二预设角度(比如旋转到180°方位)时，多深度测量电极上的电流作为背对层边界的测量信号B。其中，第一预设角度与第二预设角度之差可以为180°。
本实施例中，以最大源距发射线圈(如Tn或T5)作为激励时，通过测量电极正对地层边界和背对地层边界时的响应差异，主控设备还具备一定的地层边界识别能力。其中，本实施例中，多深度测量电极和高分辨率钮扣测量电极可以统称为测量电极。
具体的，图13A为本发明实施例提供的地层边界识别模型示意图，如图13A所示，本发明实施例使用该地层模型进行地层边界识别能力考察。
建立地层模型：井眼直径Dh为8.5英寸，泥浆电阻率Rm为0.1Ω·m，目的层电阻率Rt为10.0Ω·m，围岩电阻率Rs为2.0Ω·m，仪器距地层界面的距离为Db。
图13B为本发明实施例一提供的地层边界识别方法示意图，图13C为本发明实施例二提供的地层边界识别方法示意图，如图13B和图13C所示，建立如图13A所示的地层模型，对仪器探边能力进行考察，其方法如下所述：
探边能力定义：测得多深度测量电极正对层边界时的测量信号为A，背对层边界时的测量信号为B，如果两个信号差异和两个信号平均数值的比值(阈值)大于10％，可以认为能够测到地层的边界，否则，认为不能。
阈值δ可以表述为：
由图13B所示结果可知，随着仪器距层界面距离的增大，探头电流响应在减小，且正对层界面时的电流响应大于背对层界面时的电流响应；需要说明的是图13B中的电流模值信号表示电流响应。由图13C所示结果可知，随着仪器距离层界面的距离Db的增大，根据探边能力定义可知，若以10％为阈值，探边距为0.99m。本实施例中，通过地层边界识别能力计算方法，可以计算得到仪器具有1m左右的地层边界识别能力，可以提前预测钻头位置，为钻井的实时决策和优化提供指导。
进一步地，在上述实施例中，处理器72获取流出多深度测量电极表面的电流和之后，将电流和作为第一电流响应之前，还包括：
将多深度测量电极上不同源距的电流和进行差分组合，将差分组合后的电流和作为对应源距的第一电流响应，具体为：
将不同源距的电流和采用公式T1C＝A1*T1+B1*T2进行差分组合，将差分组合后的电流和T1C作为对应源距的第一电流响应，其中，T1表示多深度测量电极上第一源距处流出的电流和，T2表示多深度测量电极上与第一源距相邻的第二源距处流出的电流和，T1C表示差分组合后的电流和，A1和B1分别表示差分系数，且A1和B1之和为1。
本实施例中，可通过电阻率响应伪对称补偿方法，即采用多线圈测量响应的差分组合方式，通过将不同发射线圈激励时的地层电阻率进行差分组合，获得某一源距伪对称聚焦响应曲线，实现测量电极地层电阻率响应的伪对称聚焦补偿。
具体的，通过模式切换，多深度测量电极可以得到不同源距的测量响应(比如第一地层电阻率响应)。每种模式工作时，在线圈两侧钻铤会产生一个恒定的驱动电压，电流将从钻铤一侧流出回流到另一侧，形成单边发射，单边回流的工作方式。该工作方式，会对电极测量响应特性造成影响的同时会加大围岩的影响，在地层界面处会出现“犄角”现象，如图14A所示，图14A为本发明实施例提供的伪对称聚焦补偿前电阻率响应示意图。
在实际测量中理想的工作方式为聚焦测量，在聚焦模式下，测量电极两侧同时激励，两侧回流，属于绝对聚焦测量，该方式在电路设计的复杂度和难度上要求均较高；而本发明实施例可以采用非聚焦测量方式，测量电极一侧激励，另一侧回流。在单侧激励的情况下，采用伪对称补偿方法可以实现聚焦测量，能够简化电路设计，且可以获得良好的测量效果。在伪对称补偿处理中，利用测量电极两侧非对称分布的两个激励线圈的原始信号进行合成处理，从而得到伪对称补偿后的聚焦测量信号。
本发明实施例以五个发射线圈作为激励进行阐述，其余数量的发射线圈作为激励时与五个发射线圈作为激励的实现原理相同，本发明实施例在此不进行赘述。T1-T5表示五个发射线圈分别激励时的电极电流响应值，本发明采用差分补偿方式得到4种不同源距电极电流响应，具体计算方法如下：
T1C＝A1*T1+B1*T2 公式12
T2C＝A2*T2+B2*T3 公式13
T3C＝A3*T3+B3*T4 公式14
T4C＝A4*T4+B4*T5 公式15
由公式12、13、14以及15这四种不同的差分组合方式，可以计算得到多深度测量电极具有不同探测深度的差分组合后电流响应(如T1C-T4C)，因此，多深度测量电极在测量过程中，随着金属钻铤的旋转可以测得距离井壁附近不同距离的4条第一地层电阻率响应曲线。本实施例可以设计不同差分系数，如A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4和B4；每一组公式中的差分系数和为1，如A1和B1之和为1，A2和B2之和为1，A3和B3之和为1，A4和B4之和为1；最终根据补偿效果取最优的补偿方式。
从图14A所示计算结果可以看出，未补偿的测量信号在层界面处有明显的“犄角”现象。图14B为本发明实施例提供的伪对称聚焦补偿后电阻率响应示意图，如图14B所示，经过伪对称聚焦补偿后，能够很好的消除测量电极经过层界面时的信号畸变现象。需要说明的是，图14A和图14B中的电阻率可以为第一地层电阻率。
图15为本发明实施例一提供的随钻电阻率测井方法的流程示意图，如图15所示，本发明实施例提供的随钻电阻率测井方法，其执行主体可以是上述实施例中的随钻电阻率测量装置，该方法包括：
S1501：在接收到恒定的低频交流电源时，在不同探测距离处产生恒定的驱动电压，以分别形成不同源距的第一电流回路。
S1502：分别测量不同源距的第一电流回路中的第一电流；所述第一电流用于确定相应的第一地层电阻率，所述第一地层电阻率用于反映地层的电性信息。
本发明实施例提供的随钻电阻率测井方法为图1所示装置实施例执行的具体技术方案，其实现原理和实现效果类似，此处不再赘述。
进一步地，在上述实施例中，所述方法还包括：
在接收到恒定的低频交流电源时，在预设分辨率对应的预设距离处产生恒定的驱动电压，以分别形成不同分辨率的第二电流回路；
分别测量不同分辨率的第二电流回路中的第二电流；所述第二电流用于确定相应的第二地层电阻率，所述第二地层电阻率用于反映地层的成像信息。
图16为本发明实施例二提供的随钻电阻率测井方法的流程示意图，如图16所示，本发明实施例提供的随钻电阻率测井方法，其执行主体可以是上述实施例中的主控设备，该方法包括：
S1601：获取不同源距的第一电流回路中的第一电流。
其中，所述不同源距的第一电流回路根据在恒定的低频交流电源时，在不同探测距离处产生恒定的驱动电压分别形成；
S1602：根据所述第一电流确定相应的第一地层电阻率，所述第一地层电阻率用于反映地层的电性信息。
本发明实施例提供的随钻电阻率测井方法为图7所示主控设备实施例执行的具体技术方案，其实现原理和实现效果类似，此处不再赘述。
进一步地，在上述实施例中，所述方法还包括：
获取不同分辨率的第二电流回路中的第二电流；
其中，所述不同分辨率的第二电流回路根据在接收到恒定的低频交流电源时，在预设分辨率对应的预设距离处产生恒定的驱动电压分别形成；
根据所述第二电流确定相应的第二地层电阻率，所述第二地层电阻率用于反映地层的成像信息。
进一步地，在上述实施例中，所述根据所述第一电流确定相应的第一地层电阻率，包括：根据所述第一电流确定第一电流响应，根据所述第一电流响应查找第一电流响应与地层电阻率的转换链表，得到相应的第一地层电阻率。
所述根据所述第二电流确定相应的第二地层电阻率，包括：根据所述第二电流确定第二电流响应，根据所述第二电流响应查找第二电流响应与地层电阻率的转换链表，得到与所述第二电流相应的第二地层电阻率。
进一步地，在上述实施例中，所述根据所述第一电流确定第一电流响应包括：
构建相应的磁场波动方程，求解所述磁场波动方程得到空间磁场的磁场强度；
根据安培环路定理，获取流出所述多深度测量电极上的电流和，将所述电流和作为第一电流响应；
所述根据所述第二电流确定第二电流响应包括：
构建相应的磁场波动方程，求解所述磁场波动方程得到空间磁场的磁场强度；
根据安培环路定理，获取流出所述高分辨率钮扣测量电极表面的电流和，将所述电流和作为第二电流响应。
进一步地，在上述实施例中，所述获取流出所述多深度测量电极表面的电流和之后，将所述电流和作为第一电流响应之前，还包括：
将所述多深度测量电极上不同源距的电流和进行差分组合，将差分组合后的电流和作为对应源距的第一电流响应，具体为：
将不同源距的电流和采用公式T1C＝A1*T1+B1*T2进行差分组合，将差分组合后的电流和T1C作为对应源距的第一电流响应，其中，T1表示所述多深度测量电极上第一源距处流出的电流和，T2表示所述多深度测量电极上与第一源距相邻的第二源距处流出的电流和，T1C表示差分组合后的电流和，A1和B1分别表示差分系数，且A1和B1之和为1。
进一步地，在上述实施例中，所述方法还包括：
获取最大源距处正对层边界的测量信号A，以及背对层边界的测量信号B；
采用公式
确定阈值δ，根据阈值δ确定地层边界信息。
本发明实施例还提供一种随钻电阻率测量仪器，包括如上述任一实施例所述的随钻电阻率测量装置和如上述任一实施例所述的主控设备，所述随钻电阻率测量装置和所述主控设备连接。
本发明实施例提供的随钻电阻率测井方法和测量装置，能够在钻铤实时钻进的过程中完成实时地层评价和井壁成像信息的采集，同时可以给出地层边界信息，信息的多样化采集和处理，减少了测量装置下井作业的次数，缩短了下井作业时间，降低了钻进的风险和成本。即本发明实施例提供的随钻电阻率测井方法和测量装置，能够实现地层评价、高分辨率井眼成像地质评价以及具备一定的地层边界识别能力，为测井资料解释和地质评价人员提供了更为丰富和准确的地层信息。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
Claims (11)
1.一种随钻电阻率测量仪器，其特征在于，包括：随钻电阻率测量装置和主控设备，所述随钻电阻率测量装置和所述主控设备连接；
所述随钻电阻率测量装置包括：金属钻铤、多深度测量电极和至少两个发射线圈；所述多深度测量电极设置在所述金属钻铤上，至少两个发射线圈套设在所述金属钻铤上，且分别位于所述多深度测量电极两侧的不同距离处；其中：
所述至少两个发射线圈用于作为激励源，在接收到恒定的低频交流电源时，在相应发射线圈两侧的金属钻铤上产生恒定的驱动电压，以形成不同源距的第一电流回路；所述多深度测量电极用于分别测量不同源距的第一电流回路中的第一电流；所述第一电流用于确定相应的第一地层电阻率，所述第一地层电阻率用于反映地层的电性信息；
所述主控设备，用于获取不同源距的第一电流回路中的第一电流；
其中，所述不同源距的第一电流回路根据在恒定的低频交流电源时，在不同探测距离处产生恒定的驱动电压分别形成；
根据所述第一电流确定相应的第一地层电阻率，所述第一地层电阻率用于反映地层的电性信息；
获取最大源距处正对层边界的测量信号A，以及背对层边界的测量信号B；
采用公式
确定阈值δ，根据阈值δ确定地层边界信息；
在阈值δ大于10％时，确定能够测到地层的边界；在阈值δ小于或等于10％时，确定不能够测到地层的边界。
2.根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于，所述至少两个发射线圈按预设排列顺序依次交错位于所述多深度测量电极两侧的不同距离处，且与所述多深度测量电极的距离逐渐变大。
3.根据权利要求1或2所述的测量仪器，其特征在于，所述随钻电阻率测量装置还包括：偶数双排列的高分辨率钮扣测量电极，所述高分辨率钮扣测量电极与所述多深度测量电极呈180度对称设置在所述金属钻铤上；其中：
所述至少两个发射线圈中，与所述高分辨率纽扣测量电极小于预设距离的发射线圈用于作为激励源，在接收到恒定的低频交流电源时，在相应发射线圈两侧的金属钻铤上产生恒定的驱动电压，以形成不同分辨率的第二电流回路；所述高分辨率钮扣测量电极用于分别测量不同分辨率的第二电流回路中的第二电流；所述第二电流用于确定相应的第二地层电阻率，所述第二地层电阻率用于反映地层的成像信息。
4.根据权利要求3所述的测量仪器，其特征在于，所述发射线圈、所述多深度测量电极和所述高分辨率钮扣测量电极外侧均设置有用于与所述金属钻铤隔开的绝缘环。
5.根据权利要求1或2所述的测量仪器，其特征在于，所述发射线圈为环形螺线管。
6.一种随钻电阻率测井方法，包括：
获取不同源距的第一电流回路中的第一电流；
其中，所述不同源距的第一电流回路根据在恒定的低频交流电源时，在不同探测距离处产生恒定的驱动电压分别形成；
根据所述第一电流确定相应的第一地层电阻率，所述第一地层电阻率用于反映地层的电性信息；
获取最大源距处正对层边界的测量信号A，以及背对层边界的测量信号B；
采用公式
确定阈值δ，根据阈值δ确定地层边界信息；
在阈值δ大于10％时，确定能够测到地层的边界；在阈值δ小于或等于10％时，确定不能够测到地层的边界。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取不同分辨率的第二电流回路中的第二电流；
其中，所述不同分辨率的第二电流回路根据在接收到恒定的低频交流电源时，在预设分辨率对应的预设距离处产生恒定的驱动电压分别形成；
根据所述第二电流确定相应的第二地层电阻率，所述第二地层电阻率用于反映地层的成像信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电流确定相应的第一地层电阻率，包括：根据所述第一电流确定第一电流响应，根据所述第一电流响应查找第一电流响应与地层电阻率的转换链表，得到相应的第一地层电阻率；
所述根据所述第二电流确定相应的第二地层电阻率，包括：根据所述第二电流确定第二电流响应，根据所述第二电流响应查找第二电流响应与地层电阻率的转换链表，得到与所述第二电流相应的第二地层电阻率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电流确定第一电流响应包括：
构建相应的磁场波动方程，求解所述磁场波动方程得到空间磁场的磁场强度；
根据安培环路定理，获取流出多深度测量电极上的电流和，将所述电流和作为第一电流响应；
所述根据所述第二电流确定第二电流响应包括：
构建相应的磁场波动方程，求解所述磁场波动方程得到空间磁场的磁场强度；
根据安培环路定理，获取流出高分辨率钮扣测量电极表面的电流和，将所述电流和作为第二电流响应。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述获取流出所述多深度测量电极表面的电流和之后，将所述电流和作为第一电流响应之前，还包括：
将所述多深度测量电极上不同源距的电流和进行差分组合，将差分组合后的电流和作为对应源距的第一电流响应，具体为：
将不同源距的电流和采用公式T1C＝A1*T1+B1*T2进行差分组合，将差分组合后的电流和T1C作为对应源距的第一电流响应，其中，T1表示所述多深度测量电极上第一源距处流出的电流和，T2表示所述多深度测量电极上与第一源距相邻的第二源距处流出的电流和，T1C表示差分组合后的电流和，A1和B1分别表示差分系数，且A1和B1之和为1。
11.一种主控设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器用于存储执行指令；处理器调用所述执行指令，用于执行如权利要求6-10任一项所述的随钻电阻率测井方法。
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