CN109952519A - 将e场天线应用于电阻率测井工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电阻率工具设计的方法和系统。通过使用至少一个E场天线代替磁天线，可以通过较小的系统捕获较强的信号。本发明的更有效的天线设计在包括地质导向、前探和三轴感应的各种工具中具有广泛的应用。

Description

将E场天线应用于电阻率测井工具
技术领域
本发明总地涉及电阻率测井工具设计领域。在一个实施例中，本发明提供用于随钻测井(LWD)电阻率(诸如地质导向、三轴电阻率和前探等)工具的电磁(EM)天线系统设计。
背景技术
用于电流电阻率工具的天线通常由一个或多个闭合线环组成。在计算天线系统的响应时，这些天线可以被简化为一个磁偶极子或几个具有不同法线方向的磁偶极子的组合。因此，可以被视为磁偶极子的那些天线被称为磁天线。由于将天线视为磁偶极子显著地简化了其信号处理，因此磁天线广泛应用于电流电阻率工具中。然而，磁天线具有缺点。例如，当磁天线充当接收机，并且有效信号仅来自一个方向时，对于天线的任何给定部分，总是存在相应的部分，称为对应部分，使得由天线的这个给定部分生成的大部分信号被其对应部分抵消。原因是LWD工具最常用的频率在兆赫范围内，这使得有效信号的波长比天线尺寸长得多。结果，天线的每个部分在任何时刻都接收到类似的信号。因为天线是闭环，所以天线的每个部分将具有长度相同但在相反方向中接线的对应部分，并且由这两个部分接收的大部分信号将彼此抵消。因此，由天线接收的所得信号的强度将显著降低。在传统的电阻率测井工具(诸如四发射机-双接收机的LWD电阻率工具)中，所有发射机和接收机沿长轴方向设置，并且有效信号来自所有方向。在这种情况下，磁天线接收的信号不会减少。然而，当检测边界距离时，地质导向系统仅从一个方向接收有效信号。结果，由传统磁天线接收的有效信号显著降低，并且不能满足钻井行业对检测范围和精度二者的要求。同时，随着油田勘探的发展，越来越多的高度偏斜或水平的井正被钻探，其中地质导向工具被广泛应用。除了地质导向之外，前探工具和电阻率测量在复杂地层中也有类似的广泛应用。因此，石油工业需要更有效的天线设计。
发明内容
本发明描述了一种用于在钻井期间测量地层电阻率参数的电阻率测井工具的有效系统设计。与仅包含闭合线圈天线的传统电阻率系统不同，本发明采用至少一个E场天线。E场天线不仅有助于新系统捕获更强的信号，还有助于减少工具的尺寸。
在一个实施例中，本发明提供了一种电阻率测井工具，其包括一个或多个发射天线和一个或多个接收天线，其中至少一个发射天线或一个接收天线是电场天线。
在一个实施例中，本发明还提供了一种使用本文公开的电阻率测井工具的方法。
附图说明
图1示出了圆形磁天线，其接收来自一个方向的信号。
图2示出了具有两个地层的模型中的单发射机-单接收机系统。
图3示出了具有两个地层的模型中的接收机周围的电场分布。
图4示出了安装在凹槽底部的E场天线。
图5示出了安装在凹槽的侧壁上的E场天线。
图6示出了电偶极子E场天线，其两个探针沿着与心轴同心的圆弯曲。
图7示出了电偶极子E场天线，其两个探针安装在两个凹槽中。
图8示出了E场天线，其探针沿着与心轴同心的圆弯曲。
图9示出了具有两个串联连接的E场天线的接收机系统。
图10示出了具有两个地层的模型中的新地质导向系统的一个实施例。
图11示出了工具TR(发射机接收机)间隔与由传统地质导向系统接收的有效信号的幅度之间的关系。
图12示出了工具TR间隔与由本发明的新地质导向系统接收的有效信号的幅度之间的关系。
图13示出了简单的地层模型，其中本发明的新地质导向系统工作。
图14(A)示出了信号的实部与图13中所示的地层模型中的设备的旋转角之间的关系。
图14(B)示出了信号的虚部与图13中所示的地层模型中的设备的旋转角之间的关系。
图15示出了接收信号的幅度相对于从设备到地层边界的距离的变化。
图16示出了单发射机-双接收机地质导向系统的一个实施例。
图17示出了双发射机-双接收机地质导向系统的一个实施例。
附图和以下详细描述是帮助理解本发明的示例，本发明易于进行各种修改和替换形式。本文的附图和详细描述不旨在限制权利要求的范围。
具体实施方式
如本文所使用的，“磁天线”是指当前电阻率工具中使用的传统天线。通常，磁天线被配置成闭合的形状，诸如圆形、矩形或椭圆形，并且可以被视为磁偶极子。线圈天线是磁天线的示例。
如本文所使用的，“E场天线”指的是直接检测电场(E场)而不是磁场的天线。通常它们没有被配置成闭合的形状，并且在实践中不能简化为磁偶极子。偶极子天线是E场天线的示例。
如本文所使用的，“有效信号”是指天线被设计为接收的目标信号，这种信号直接有助于最终测量结果。
图1示出了当目标信号仅来自一个方向时在磁天线的不同部分上接收信号彼此抵消的示例。在图1中，磁天线是圆形有线天线1，并且信号3从右向左(如箭头4所示)。2表示圆心。5和6表示天线的两个对应部分。5和6关于圆心2对称。因为信号波长比天线的尺寸长得多，所以5和6在任何时刻都接收相似的信号。由于它们以相反方向布线，因此由这两个部分捕获的大多数信号彼此抵消。抵消发生在整个磁天线上，并且不限于部分5和6。因此，由整个接收机天线生成的最终信号显著减少。
图2示出了具有两个地层的模型中的简化地质导向工具。工具心轴7通常由金属制成，并且工具沿Z轴放置。8是发射机，其也沿Z轴放置。9是接收机，其为心轴上的倾斜线圈。10是层边界，并且11是从工具到边界的距离(DTB)。两个地层具有不同的电阻率R上和R下。用于检测边界位置的有效信号10是从层边界反射的信号。可以通过接收机9捕获的反射信号来计算DTB 11。因此，在地质导向的情况下，有效信号确实来自一个方向。由于图1中所示的原因，传统的磁天线接收非常弱的有效信号。
图3示出了XY平面中的E场，而接收机沿Z轴放置。如图2中所示，发射机沿Z轴放置，并且模型具有电阻率分别为R上和R下的两层。图7表示由金属制成的心轴。10表示两层之间的边界，并且4表示反射信号方向。由12表示的虚线箭头线是E场线。E场线12的长度表示E场的强度。由于心轴由金属制成，因此心轴表面上没有切向电场。A、B、C和D是心轴7表面上或其附近的四个点。EA接近EB，其中E是电场，电场方向指向心轴的中心。位置C和D处的电场强度几乎等于0，而电场的强度在位置A和B处处于其最大值。如果在心轴的表面上设置电天线，则当工具心轴旋转时，接收的E场的强度将是正弦曲线。该信号可用于检测从工具到地层边界的距离。该过程类似于传统地质导向工具中使用的信号处理，但信号的强度要强得多，特别是当地层边界远离工具时。
图4示出了安装在凹槽底部的E场天线的一个实施例。与闭合的并且可以被视为磁偶极子的传统磁天线不同，E场天线直接检测电场。13是心轴7的腔体或内腔，14是通常嵌入心轴内的E场天线的电路部分，并且15是E场天线系统的探针/天线。E场天线系统不限于图中所示的类型；它可以是本领域公知的任何类型的E场天线。有效信号与图3中所示的反射信号相同。当心轴旋转时，由E场天线捕获的信号将是正弦曲线。因为曲线的幅度和相位将相对于(i)从工具到地层边界的距离以及(ii)边界两侧的材料之间的电阻率比而改变，所以本领域普通技术人员将容易使用该正弦曲线确定边界位置。
图5示出了安装在凹槽侧壁上的E场天线的一个实施例。检测结果应与图4中所示的E场天线的检测结果相似。通常，E场天线可以直接安装在凹槽的任何位置或心轴的表面上。
图6示出了安装在心轴表面上或其附近的电偶极子E场天线的一个实施例。如在图4中，7是心轴，13是心轴的腔体或内腔，14是天线系统的主要部分，并且15是天线的两个探针，它们以与心轴同心的圆弯曲。在该实施例中，两个探针之间的张开角是180度。然而，本领域普通技术人员容易将该张开角配置为除180°之外的任何其它值。
图7示出了电偶极子E场天线的一个实施例。7是心轴，13是心轴的腔体或内腔，14是天线系统的主要部分，并且15是天线的两个探针。与图6中所示的天线不同，两个探针安装在两个凹槽中。在一个实施例中，两个凹槽之间的角是180度。
图8示出了仅具有一个探针的E场天线的另一实施例。探针以与心轴同心的圆弯曲。探针的张开角可以是任何角。本发明的E场天线不限于图6-8中所示的示例。
可以将几个E场天线一起应用以发送/接收更有效的信号。例如，图9示出了具有两个串联连接的E场天线的接收机系统。18和19是两个E场天线，并且线16和17是连接线。由于图3中所示的原因，E场在位置A和B处达到其最大强度。如果两个E场天线放置在点A和B处，并且它们串联连接，则总信号强度增加。
图10示出了具有两个地层的模型中的新地质导向系统的一个实施例。在一个实施例中，新系统具有一个发射机和一个接收机。与传统的地质导向系统不同，新系统中的接收机20是E场天线。21是发射机和接收机之间的间隔。如在图2中，7是心轴，8是发射机，10是地层边界，并且11是从工具到边界的距离(DTB)。发射机8沿着Z轴放置，Z轴沿着系统的长轴。两个地层中的电阻率分别为R上和R下。如果DTB是固定的，并且新系统旋转，则由接收机捕获的信号的幅度将是正弦曲线。正弦曲率的平均值是直接来自发射机的信号，并且最大值和最小值之间的差值表示从边界反射的信号强度。由新系统测量的反射信号强度将远强于图2的系统所获得的反射信号强度。
图11示出了传统地质导向工具中发射机和接收机之间的间隔(TR间隔)与由倾斜线圈天线接收的有效信号的幅度之间的关系。图2中示出了传统地质导向工具的一个实施例，其具有一个发射机和一个接收机。有效信号是Hzx，其中H是磁场的强度，z表示发射机沿Z轴放置，x表示接收的磁场强度在X方向上。因为闭合线圈可以被简化为磁偶极子，所以直接计算H场而不是E场。当DTB和两个地层中的电阻率固定时，有效信号Hzx将相对于TR间隔发生变化，如图11中的曲线所示。由系统接收的有效信号的最大幅度在A点达到其最大值，它限定了优化的TR间隔，由‘a’表示。优化的TR间隔表示仅使用磁天线的传统地质导向工具不能做得很短。相反，具有E场天线的本发明的新地质导向工具不具有这种间隔限制。实际上，如下所示，在本发明的新地质导向工具的情况下，TR间隔越短，接收的信号就越强。
图12示出了在E场天线作为接收机的本发明的新地质导向系统中接收的有效信号的幅度与TR间隔之间的关系。新地质导向系统的一个实施例如图10中所示。图12表示TR间隔越短，接收的信号就越强。这意味着新的地质导向系统工具可以非常短，并且甚至可以被安装在钻头附近。
以上示例表明，具有E场天线的新LWD工具可以比仅在各种应用中使用磁天线的传统电阻率(诸如地质导向)工具捕获更强的有效信号。此外，本发明的新电阻率工具能够比传统的电阻率工具短得多。E场天线还可以应用于其它LWD工具，诸如前探和三轴感应工具。
图13示出了本发明的地质导向系统在其中工作的简单地层模型。7是心轴，8是发射机，10是地层边界，并且11是从工具到边界的距离(DTB)。接收机20是E场天线，21是发射机和接收机之间的间隔。该模型中存在两个地层：1欧姆·米的低电阻率层和100欧姆·米的高电阻率层。该设备沿水平方向Z轴移动，同时绕Z轴旋转。在一个实施例中，E场天线是如图6中所示的电偶极子天线。旋转角θ是电偶极子天线的张开方向和X轴之间的角。当设备旋转时，测量信号是旋转角θ的函数，由S(θ)表示。输出信号是感应电动势(EMF)，其是检测到的电强度乘以工具长度。
图14(A)-(B)示出在图13中所示的地层模型中信号如何随着设备的旋转角而变化。因为在每个时刻接收的信号是复数，所以它具有实部和虚部。图14(A)示出实部的变化，并且图14(B)示出虚部的变化。标记为“距离＝5英尺”和“距离＝10英尺”的曲线是当将设备水平放置在距地层界面5英尺或10英尺时的模拟结果。在实践中，通常仅使用比率(例如，下面描述的比率1和比率2)来计算DTB以抵消温度效应。为此，添加一些辅助信号，通常是恒定信号，以提升有效信号。作为示例，在14(A)中所示的有效信号的实部中添加值为0.00025的恒定信号。令S(θ)为应用恒定值后的信号值。这里θ是工具旋转角。比率1被限定如下：
比率
其中是当E天线面向地层界面时的值，并且是当E天线背离地层界面时的值。
当DTB为5英尺时，比率
当DTB为10英尺时，比率
显然，当恒定值对于目标DTB范围足够大(以避免分母中的零或负值)时，比率1相对于DTB单调递减。所以比率1可用于计算DTB。
比率2被限定如下：
比率
其中平均值(S)是在设备旋转的一个周期内测量的信号的平均值。与比率1类似，比率2可用于计算DTB。
辅助信号的类似想法已经应用于传统的地质导向中。当接收机是倾斜天线时，Hzx是有效信号，其相对于工具旋转角θ而变化。Hzz是辅助信号，其是恒定信号并且可以提升整个有效信号。因此，比率l和比率2也可以应用于传统的地质导向以计算DTB。
图15示出了接收的信号的幅度相对于从设备到地层界面的距离的变化。这里，幅度被限定为其中和如前面所限定的。该图示出幅度在边界(DTB＝0)的两侧都单调递减，并且可用于计算DTB。
图16和图17示出了地质导向工具的不同实施例。图16示出了单发射机-双接收机地质导向系统。图17示出了双发射机-双接收机地质导向系统，其中两个接收机被两个发射机夹在中间。图16和图17中所示的所有接收机都是E场天线。在另一个实施例中，一个或多个接收机可以是传统的H场天线。系统设计和数据处理类似于传统地质导向工具的系统设计和数据处理。
在本发明的一个实施例中，所有E个天线都用作接收机。在另一个实施例中，一些E天线，诸如偶极子天线，也可以是发射机。通过电磁互易原理，使用E天线作为发射机和传统天线作为接收机的结果将与上述示例相同。实际上，当发射机和接收机二者都是E天线时，测量结果可能更好。
在一个实施例中，本发明提供了一种电阻率测井工具，其包括一个或多个发射天线和一个或多个接收天线，其中至少一个发射天线或一个接收天线是电场天线。在一个实施例中，电场天线包括一个或两个探针。在一个实施例中，一个或两个探针各自被构造为与工具的心轴的圆周同心的弧。
在一个实施例中，上述电阻率测井工具包括一个发射天线和两个接收天线。在另一个实施例中，该工具包括两个发射天线和两个接收天线。
在一个实施例中，本发明的工具是包括心轴的随钻测井工具，该心轴包括发射天线和接收天线。在一个实施例中，该工具是地质导向工具。在另一个实施例中，该工具是前探工具。在另一个实施例中，该工具是三轴感应工具。
在一个实施例中，本发明提供了一种使用本文公开的电阻率测井工具的方法。该方法包括(i)在地层中旋转工具并测量在不同工具旋转角下在一个或多个接收天线处接收的信号；(ii)基于在接收天线处接收的信号计算地层边界信息。在一个实施例中，地层边界信息包括从工具到地层边界的距离。
在一个实施例中，步骤(ii)中的计算包括计算其中θ是工具旋转角，S(θ)是在工具旋转角θ下测量的信号，θ+π是工具从初始角θ旋转180度后的旋转角，并且S(θ+π)是在旋转角θ+π下测量的信号。
在一个实施例中，步骤(ii)中的计算包括计算S(θ)-S(θ+π)，其中，θ是工具旋转角，S(θ)是在工具旋转角θ下测量的信号，θ+π是工具从初始角θ旋转180度后的旋转角，并且S(θ+π)是在旋转角θ+π下测量的信号。
在一个实施例中，步骤(ii)中的计算包括计算其中，θ是工具旋转角，S(θ)是在工具旋转角θ下测量的信号，并且平均值(S(θ))是测量信号的算术平均值。
在一个实施例中，该工具包括两个接收天线，并且步骤(ii)中的计算包括计算其中θ是工具旋转角，并且S1(θ)和S2(θ)分别是在工具旋转角θ下由两个接收天线测量的信号。
在一个实施例中，该工具包括两个接收天线，并且步骤(ii)中的计算包括计算其中，θ是工具旋转角，并且平均值(S1(θ))和平均值(S2(θ))分别是由两个接收天线测量的信号的算术平均值。
在一个实施例中，该工具包括两个接收天线和两个发射天线，并且步骤(ii)中的计算包括计算其中，θ是工具旋转角，并且Sij(θ)是在发射天线i的作用下由接收天线j在工具旋转角θ下测量的信号，其中i，j＝1或2。
在一个实施例中，该工具包括两个接收天线和两个发射天线，并且步骤(ii)中的计算包括计算其中θ是工具旋转角，并且平均值(Sij(θ))是在发射天线i的作用下由接收天线j在工具旋转角θ下测量的信号的算术平均值，其中i，j＝1或2。

Claims (12)

1.一种电阻率测井工具，包括一个或多个发射天线和一个或多个接收天线，其中，至少一个所述发射天线或一个所述接收天线是电场天线。
2.根据权利要求1所述的工具，其中，所述工具是包括心轴的随钻测井工具，所述心轴包括所述发射天线和接收天线。
3.根据权利要求1所述的工具，其中，所述工具是地质导向工具、前探工具或三轴感应工具。
4.一种使用根据权利要求1所述的电阻率工具的方法，包括以下步骤：
(a)在地层中旋转所述工具并测量在不同工具旋转角下在所述一个或多个接收天线处接收的信号；以及
(b)基于在所述接收天线处接收的所述信号计算地层边界信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述地层边界信息包括从所述工具到地层边界的距离。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述步骤(b)中的计算包括计算其中，θ是工具旋转角，S(θ)是在工具旋转角θ下测量的信号，θ+π是所述工具从初始角θ旋转180度后的旋转角，并且S(θ+π)是在旋转角θ+π下测量的信号。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述步骤(b)中的计算包括计算S(θ)-S(θ+π)，其中，θ是工具旋转角，S(θ)是在工具旋转角θ下测量的信号，θ+π是所述工具从初始角θ旋转180度后的旋转角，并且S(θ+π)是在旋转角θ+π下测量的信号。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述步骤(b)中的计算包括计算其中，θ是工具旋转角，S(θ)是在工具旋转角θ下测量的信号，并且平均值(S(θ))是所测量的信号的算术平均值。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述工具包括两个接收天线，并且所述步骤(b)中的计算包括计算其中θ是工具旋转角，并且S1(θ)和S2(θ)分别是在工具旋转角θ下由所述两个接收天线测量的信号。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述工具包括两个接收天线，并且所述步骤(b)中的计算包括计算其中，θ是工具旋转角，并且平均值(S1(θ))和平均值(S2(θ))分别是由所述两个接收天线测量的信号的算术平均值。
11.根据权利要求4所述的方法，其中，所述工具包括两个接收天线和两个发射天线，并且所述步骤(b)中的计算包括计算其中，θ是工具旋转角，并且Sij(θ)是在发射天线i的作用下由接收天线j在工具旋转角θ下测量的信号，其中i，j＝1或2。
12.根据权利要求4所述的方法，其中，所述工具包括两个接收天线和两个发射天线，并且所述步骤(b)中的计算包括计算其中θ是工具旋转角，并且平均值(Sij(θ))是在发射天线i的作用下由接收天线j在工具旋转角θ下测量的信号的算术平均值，其中i，j＝1或2。
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