CN111197484A - 一种随钻地层电阻率成像电极装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种随钻地层电阻率成像电极装置，包括：嵌套式安装在钻铤上的绝缘环模块，在所述绝缘环模块的内部设有发射电极磁环；分别设置在所述绝缘环的轴向两端的第一金属环模块和第二金属环模块，所述第一金属环模块和所述第二金属环模块固定安装在所述钻铤上；其中，所述发射电极磁环能够产生电流，所述电流经过所述钻铤、井筒环空之间的钻井液和地层而形成用于计算地层电阻率的测量回路。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探钻井工程技术中的随钻测量技术领域，具体地涉及一种随钻地层电阻率成像电极装置。
背景技术
在石油勘探开发过程中，测量地层的电阻率是区分地层界面、评价油水层的经典方法。这种方法主要基于两类电磁原理，一类是利用电磁波辐射传输模型，一类是利用电流模型。通常电磁波型电阻率仪器适合低阻地层，而电流型仪器更适合高阻地层，其分辨率更高。针对电流型仪器的电流回路建立，要求必须在金属钻铤上精巧地设计随钻电流发射电极，以实现电流从仪器向地层的耦合，从而建立回路，并测量流过地层的电流，最终分析计算得到地层的电阻率。同时，施加电流时还要考虑绝缘回路的建立，以及密封、抗压和机械安装等问题。这些机械结构是成功测量的保障措施，同时也涉及到电流回路的构建，对地层电阻率的测量结果的精确度具有很大的影响。
传统的地层电阻率的测量方法主要通过电缆测井进行测量。电缆测井方法存在一些问题，例如，受钻井液影响较大，钻井液压进地层造成的冲洗带，会导致地层流体被钻井液所替换，从而无法测得真实的地层信息。此外，电缆测井靠自身重力下入井筒，当井眼角度较大时无法顺利下入，测量困难。而且电缆测井只能在井筒钻好后下入，用于后期地层评价，无法实时帮助钻井人员对比地下真实情况与钻前设计模拟地层组合，因此，无法实时调整钻井轨迹。电缆测井方法测量地层电阻率实时性低，测量效率低，测量结果精确度低。
发明内容
针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种随钻地层电阻率成像电极装置。该电极装置能够通过变压器原理将测量电流加载到钻铤和地层之间，并在钻铤、地层之间形成电流回路，从而更有效地进行地层电阻率的测量。此外，该电极装置结构简单，其安装在钻铤外部，并能够安装多个发射电极，扩展了电机装置的仪器性能，减少了地层和电极装置之间的距离，降低了导电泥浆对电流回路的影响，使测量结构更精确。
为此，根据本发明，提出了一种随钻地层电阻率成像电极装置，包括：嵌套式安装在钻铤上的绝缘环模块，在所述绝缘环模块的内部设有发射电极磁环；分别设置在所述绝缘环的轴向两端的第一金属环模块和第二金属环模块，所述第一金属环模块和所述第二金属环模块固定安装在所述钻铤上；其中，所述发射电极磁环能够产生电流，所述电流经过所述钻铤、井筒环空之间的钻井液和地层而形成用于计算地层电阻率的测量回路。
在一个优选的实施例中，在所述绝缘环模块的一个轴向端面上设有轴向延伸的环形凹槽，所述发射电极磁环安装在所述环形凹槽内，并通过填充复合材料对所述发射电极磁环进行固定。
在一个优选的实施例中，所述发射电极磁环采用坡莫合金或硅钢片材料绕制成型，且厚度设置为0.2-10mm，宽度设置为10-50mm。
在一个优选的实施例中，在所述绝缘环模块的另一个轴向端面设有沿径向延伸的定位槽，且在所述第二金属环模块的与所述绝缘环模块连接的端面上设有轴向凸起，所述轴向凸起能够适配安装在所述定位槽中以连接所述第二金属环模块与所述绝缘环模块。
在一个优选的实施例中，所述第一金属环模块和第二金属环模块的外径相等，且设置成大于所述绝缘环模块的外径。
在一个优选的实施例中，所述绝缘环模块的外壁中部设有径向向外凸出的环形凸起，所述环形凸起的外径与所述第一金属环模块的外径相等。
在一个优选的实施例中，在所述绝缘环模块的处于所述环形凸起的两侧的外壁上设有若干用于安装密封件的环形密封槽，所述第一金属环模块和所述第二金属环模块均设有轴向延伸的环形连接部，所述环形连接部与所述绝缘环模块的外壁适配安装而覆盖所述环形密封槽，且端部与所述环形凸起的侧面接触。
在一个优选的实施例中，所述第一金属环模块设有引线槽，所述钻铤设有与所述引线槽对准安装的引线孔，所述发射电极磁环的引线通过所述引线槽和引线孔与所述钻铤内部电路连接。
在一个优选的实施例中，所述绝缘环模块采用聚醚醚酮材料和氧化铝陶瓷材料制成，所述第一、第二金属环模块采用无磁钢材料制成。
在一个优选的实施例中，所述第一金属环模块和所述第二金属环模块的外壁均设有耐磨层。
与现有技术相比，本发明提供的随钻地层电阻率成像电极装置的优点在于：
该电极装置能够通过变压器原理将测量电流加载到钻铤和地层之间，并在钻铤、地层之间形成电流回路，并且其机械强度和密封性能良好，能够满足随钻工况的使用条件，从而更有效地进行地层电阻率的测量。此外，该电极装置结构简单，便于安装和维护，能够有效地对电极装置进行绝缘、密封和保护。电极装置安装在钻铤外部，并且能够安装多个发射电极，扩展了电极装置的仪器性能，减少了地层和电极装置之间的距离，从而降低了导电泥浆对电流回路的影响，使测量结构更精确。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的随钻地层电阻率成像电极装置的安装结构。
图2显示了根据本发明的随钻地层电阻率成像电极装置的安装结构的剖视图。
图3显示了图1所示电极装置中的绝缘环模块的剖视图。
图4显示了图1所示电极装置的剖视图。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
需要说明的是，在本申请中，将根据本发明的随钻地层电阻率成像电极装置下放到井底时，靠近井口的一端定义为“上端”或相似用语，将远离井口的一端定义为“下端”或相似用语。
图1和图2显示了根据本发明的随钻地层电阻率成像电极装置100的安装结构。如图1和图2所示，电极装置100构造成环形结构，且嵌套式安装在钻井工具的钻铤101的外部。电极装置100包括绝缘环模块110，在绝缘环模块110的内部设有发射电极磁环116，从而作为发射电极。在绝缘环模块110的轴向两端分别设有第一金属环模块120和第二金属环模块130，且第一金属环模块120安装在绝缘环模块110的上端，第二金属环模块130安装在绝缘环模块110的下端。在一个实施例中，第一金属环模块120和第二金属环模块130通过螺钉与钻铤固定连接。第一金属环模块120和第二金属环模块130固定安装绝缘环模块110，并且能够有效保护绝缘环模块110内部的电气元件。
图3显示了电极装置100中的绝缘环模块110的结构。如图3所示，绝缘环模块110构造成圆环状。在绝缘环模块110的一个轴向端面上设有轴向延伸的环形凹槽111，发射电极磁环116安装在环形凹槽111内。在一个实施例中，发射电极磁环116为薄金属环，优选地，采用坡莫合金或硅钢片材料绕制成型，且发射电极磁环116的厚度设置为0.2-10mm，宽度设置为10-50mm。在绝缘环模块110的另一个轴向端面设有沿径向延伸的定位槽112，定位槽112用于安装连接第二金属环模块130。
在本实施例中，在发射电极磁环116上绕有高温导线而形成螺绕环结构，导线绕组整体作用相当于变压器的主级，且匝数为50-500匝。在这一过程中，钻铤101、钻井液、地层、钻井液、钻铤101形成的回路相当于变压器次级。将螺绕环绕组放入后，在环形凹槽111的开口端留有引线以与设置在钻铤内部的电路连接，并在环形凹槽111开放口处填充复合材料117以固定安装螺绕环绕组。在一个实施例中，复合材料117采用高温绝缘胶水，例如绝缘漆、硅橡胶、环氧橡胶、树脂等材料进行填充，以对螺绕环绕组进行固定，并起到防震的作用。
如图3所示，在绝缘环模块110的外壁中部设有径向向外凸出的环形凸起113。绝缘环模块110的处于环形凸起113的两侧的外壁与第一金属环模块120和第二金属环模块130安装连接，在绝缘环模块110的处于环形凸起113的两侧的外壁上设有若干环形密封槽114，若干环形密封槽114在轴向上均匀间隔开设置。环形密封槽114用于安装密封件。在图3所示实施例中，在绝缘环模块110的处于环形凸起113的两侧的外壁上分别设有两个环形密封槽114。
在一个实施例中，绝缘环模块110采用PEEK(聚醚醚酮)材料和氧化铝陶瓷材料制成，从而保证了绝缘环模块110耐高温、耐磨、绝缘等特性，并且使绝缘环模块110易于加工。
图4显示了电极装置100的结构。如图4所示，第一金属环模块120和第二金属环模块130均构造为圆环状，且分别安装在绝缘环模块110的轴向两端。第一金属环模块120和第二金属环模块130的外径相等，且与绝缘环模块110上的环形凸起113的外径相等。在第一金属环模块120和第二金属环模块130中部设有若干径向贯穿的安装孔150，若干安装孔150在径向上均匀间隔开设置。在钻铤上设有与第一金属环模块120和第二金属环模块130的安装孔150对应的螺纹孔。将第一金属环模块120和第二金属环模块130上的安装孔150与钻铤上的螺纹孔对准后，安装固定螺钉151，从而将电极装置100固定到钻铤上。优选地，第一金属环模块120和第二金属环模块130的外径设置成大于绝缘环模块110的外径，从而能够有效保护绝缘环模块110内的电气元件。在一个实施例中，第一金属环模块120和第二金属环模块130优选采用无磁钢材料制成，其能够导电。
如图4所示，在第一金属环模块120和第二金属环模块130的与绝缘环模块110连接的轴向端面设有轴向向外延伸的环形连接部140，环形连接部140的外径设置成与第一金属环模块120的外径相等，内径设置成与绝缘环模块110的外径相等。环形连接部140与绝缘环模块110的环形凸起113两侧的外壁连接，且环形连接部140的端面与环形凸起113的轴向端面接触，从而将第一金属环模块120和第二金属环模块130分别安装到绝缘环模块110的两端。此外，在第一金属环模块120和第二金属环模块130外侧设有耐磨层，耐磨层可以镶嵌耐磨合金或通过激光涂覆处理，从而能够提高电极装置100的耐磨性，有效延长其使用寿命。同时，在绝缘环模块110外壁上的环形密封槽114中安装密封件，从而有效保证第一金属环模块120和第二金属环模块130与绝缘环模块110之间的密封性能。在第一金属环模块120和第二金属环模块130和钻铤之间也设有密封件，以防止钻井液通过引线孔进入钻铤101。
在本实施例中，在第一金属环模块120的与绝缘环模块110连接的轴向端面设有环状凸起121，环状凸起121处于环形连接部140的径向内侧，且环状凸起121能与绝缘环模块110的下端面的定位槽112适配安装，以将第一金属环模块120安装在绝缘环模块110的下端面。此外，在第二金属环模块130的与绝缘环模块110连接的轴向端面设有引线槽131。同时，在钻铤101上设有能够与引线槽131对应的引线孔102。发射电极磁环116的引线通过引线槽131和引线孔102与设置在钻铤101内部的控制、发射、接收等电路连接。
此外，为了减小电极装置100下入和提出井筒过程中的阻力，将第一金属环模块120和第二金属环模块130的自由端均设置成斜坡状。这样便于电极装置100下入井筒或提出井筒，能够有效减少施工中的阻力。
下面简述根据本发明的随钻地层电阻率成像电极装置100安装过程。
首先，将第二金属环模块130固定安装到钻铤上相应的位置，并通过螺钉固定。之后，安装绝缘环模块110，此时，将绝缘环模块110上的定位槽112与第一金属环模块120上的环状凸起121对应安装。之后，安装第二金属环模块130，此时，对准绝缘环模块110上的引线槽131与钻铤101上的引线孔102，并将绝缘环模块110上一侧留有的引线穿进钻铤101上的引线孔102，用于与钻铤101内的电路连接，且通过螺栓将其与钻铤101固定。由此，固定安装连接绝缘环模块110与第一金属环模块120和第二金属环模块130，从而形成随钻地层电阻率成像电极装置100，并能够有效保证其与钻铤101的固定连接，以及与钻铤内部电路的有效连接。
在实际施工过程中，随钻地层电阻率成像电极装置100与钻铤101联合工作。在钻铤101与井筒的环空空间内充满钻井液，钻铤101作为整个发射回路的一部分，钻铤101两端通过钻井液与地层相连，且能够导通电流。电极装置100工作时相当于在钻铤的上下端分别施加正负电压，从而产生电流并从电极装置100上部钻铤发出，经过钻井液进入地层，进而从地层经钻井液进入电极装置100下部钻铤，从而形成测量回路。在这一过程中，地层相当于接入电流回路的“电阻”。由此，根据发射电压以及测量到的电流，便能够计算出地层“电阻”的阻值。同时，在地面预先通过标准物理刻度装置，能够得到不同电阻率模拟物的阻值，并建立刻度曲线关系，从而能够通地层过“电阻”阻值实现地层电阻率的求取。在一个实施例中，在井下测量时，可先把刻度关系表下载、存储到电极装置100的电路芯片中，由处理电路在井下直接处理得出电阻率值，并通过专用仪器或模块实时传输到地面。
根据本发明的随钻地层电阻率成像电极装置100通过变压器原理将测量电流加载到钻铤和地层之间，并在钻铤、地层之间形成电流回路，并且其机械强度和密封性能良好，能够满足随钻工况的使用条件，从而更有效地进行地层电阻率的测量。此外，该电极装置结构简单，便于安装和维护，能够有效地对电极装置进行绝缘、密封和保护。电极装置安装在钻铤外部，并且能够安装多个发射电极，扩展了电极装置的仪器性能，减少了地层和电极装置之间的距离，从而降低了导电泥浆对电流回路的影响，使测量结构更精确。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种随钻地层电阻率成像电极装置，包括：
嵌套式安装在钻铤上的绝缘环模块(110)，在所述绝缘环模块的内部设有发射电极磁环(116)；
分别设置在所述绝缘环模块的轴向两端的第一金属环模块(120)和第二金属环模块(130)，所述第一金属环模块和所述第二金属环模块固定安装在所述钻铤上；
其中，所述发射电极磁环能够产生电流，所述电流经过所述钻铤、井筒环空之间的钻井液和地层而形成用于计算地层电阻率的测量回路(160)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述绝缘环模块的一个轴向端面上设有轴向延伸的环形凹槽(111)，所述发射电极磁环安装在所述环形凹槽内，并通过填充复合材料(117)对所述发射电极磁环进行固定。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述发射电极磁环采用坡莫合金或硅钢片材料绕制成型，且厚度设置为0.2-10mm，宽度设置为10-50mm。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，在所述绝缘环模块的另一个轴向端面设有沿径向延伸的定位槽(112)，且在所述第二金属环模块的与所述绝缘环模块连接的端面上设有轴向凸起(121)，所述轴向凸起能够适配安装在所述定位槽中以连接所述第二金属环模块与所述绝缘环模块。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一金属环模块和第二金属环模块的外径相等，且设置成大于所述绝缘环模块的外径。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述绝缘环模块的外壁设有径向向外凸出的环形凸起(113)，所述环形凸起的外径与所述第一金属环模块的外径相等。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述绝缘环模块的处于所述环形凸起的两侧的外壁上设有若干用于安装密封件的环形密封槽(114)，所述第一金属环模块和所述第二金属环模块均设有轴向延伸的环形连接部，所述环形连接部与所述绝缘环模块的外壁适配安装而覆盖所述环形密封槽，且端部与所述环形凸起的侧面接触。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一金属环模块设有引线槽(131)，所述钻铤设有与所述引线槽对准安装的引线孔(102)，所述发射电极磁环的引线通过所述引线槽和引线孔与所述钻铤内部电路连接。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述绝缘环模块采用聚醚醚酮材料和氧化铝陶瓷材料制成，所述第一、第二金属环模块采用无磁钢材料制成。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一金属环模块和所述第二金属环模块的外壁均设有耐磨层。
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