CN1117112A - 组合式测井装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可在钻孔中移动、从而测量钻孔所穿过的地层的特性的组合式测井装置。该装置包括一串首尾相接的细长测井段，包括：装有与钻井壁接靠的母体的第一段；由主体和可在径向上与主体相间距而紧贴到钻孔壁上的测量衬垫组成的第二段；可与钻孔壁相间距的第三段；把第二段分别与第一段和第三段相连接以便在第二段与第一和第三段之间形成倾斜角的第一和第二铰链。

Description

组合式测井装置

本发明涉及组合式测井装置，它可在钻孔中移动而测量钻孔所穿过地层的特性。

通常在石油钻孔中进行测井测量，以便确定钻孔所穿过层中碳氢化事物储层的位置并估计其储藏量。为此，需要多种不同类型的测井，然后把其结果结合起来。通常所用的一种组件用石油技术人员的行话来说，称为“三节(triple combo)”。它包括：传感地层氢含量的中子发射探头(例如Schlumberger的CNT仪)和传感地层密度的γ—γ探头(例如Schlumberger的LDT仪)，结合此二者的结果即可获得地层孔隙率指标，电感探头之类的电阻率探头(Schlumberger的DLT仪)或Laterolog型电极探头(Schlumberg-er的DLT仪)，它们用来确定水饱和度S_w。此外该组件还可加上测量天然γ放射线的探头，用来表示有粘土存在。最后该仪器串在其顶端还有遥测筒(例如Schlumerger的CTS或DTS筒)，用作测量探头和电缆之间的连接装置。若该组件包括Laterolog型探头，则通常还包括所谓的微电阻率探头(Schlumberger的MSFL仪)，它比上述电阻率探头具有更好的垂直分辨能力，并且勘测深度小。

通常，把由首尾相接的各种不同类型的探头组成的仪器串(例如由仪器CNT/SGT/DIT/LDT组成的仪器串)一下子放入钻孔中，就能获得上述范围内的测量结果，以上方式组成的组件的长度达20米左右，并需要很多接头，因此装配时须十分小心，在钻孔现场的装入也十分棘手。还应注意，仪器串的长度越长，由于该仪器串的下端会碰到钻孔底部，因此位于仪器串高处的探头无法测量到的钻孔顶部的长度也越长。

还应注意，视探头类型的不同，探头与钻孔壁的间距(或接触)要求也完全不同。中子发射探头要求它们的作用元件，尤其是中子源，与钻孔壁接触，为此，它们在与中子源相对的一边有一弹簧。在衬垫式探头中，衬垫须紧贴钻孔壁。相反，纺锤型电极探头(Laterolog)须在探头与钻孔壁间留出间距。在现有组合式装置中，为了同时满足这些要求，各探头之间插有球窝接合。作为用于套管钻孔的仪器的例子，美国专利4595055给出了这种设计的一个例子。但是首先，这使得该仪器串又长又重，其次，在中子发射探头信号仪器串上部的通常情况下，装有中子源的部分与钻孔壁之间有时会发生接触不良。

本发明的目的是提供一种组合式测井装置，它对于给定的测量组合，比现有装置更为紧凑。

本发明还有一个目的是提供一种由探头组成的组合式测井装置，这些探头对于离开钻孔壁的间距有不同要求，但在这一组合式测井装置中，这些不同要求同时被满足。

本发明的另一个目的是使之可能提供一种组合式测井装置，它对于给定的测量组合，比现有装置更经济。

本发明提供一种组合式测井装置，它可在钻孔中移动而测量该钻孔所穿过地层的特性，其特征在于，该装置包括一串首尾相接的细长测井段，包括：装有与钻孔壁接靠的母体的第一段；由主体和可在径向上与主体相间距而紧贴钻孔壁的测量衬垫组成的第二段；可与钻孔壁相间距的第三段；把第二段分别与第一段和第三段相连接以便在第二段与第一和第三段之间分别形成倾斜角的第一和第二铰链。

下面结合附图说明本发明一实施例，附图中：

图1为本发明实施例的整个组合式测井装置的示意图，该装置由三段组成；

图2表示出图1装置中第二段的结构，特别表示出它与其它两段的接合；

图3A和3B为上述接合的一个实施例的详图；

图4A与4B为表示带有衬垫的第二段的连接机构的一实施例的草图；此两图分别表示出衬垫处于闭合位置和张开位置；

图5A和5B表示出图4A和4B连接机构在不同操作条件下的状态；

图6为在一个包括有两类交错放置的传感器的实施例中的测量衬垫的接触面图；

图7为图6衬垫在图6的纵向平面VII—VII上的剖面图；

图8A和8B分别为图7衬垫的A向和B向剖面图。

图1所示组合式测井装置(或“仪器串”)可用传输电缆11沉入钻孔10中。该电缆以通常方式连接到地面上未画出的装置上，该装置尤其包括卷扬机和记录、处理由测井装置所产生、由电缆传输的测量数据的装置。

该测井装置包括首尾相接的三段：构成该装置上部并由接头16连接到电缆11上的第一段15、悬挂在第一段15上、构成中部的第二段17以及悬挂在第二段17上，构成该装置下部的第三段18。

第一段设有弓形弹性件19，它的中间部分紧抵住钻孔壁，从而在第一段15上施加弹力，沿着弹性件19直径上另一边的母体把第一段压到钻孔壁上。在使用中子测井探头时这种结构是常见的，中子测井探头要想获得正确测量，必须紧靠钻孔壁，尤其是中子源部位必须紧靠钻孔壁。

除了诸如Schlumberger的CNT仪之类的中子测井探头，第一段可适当包括测量天然γ射线放射性的探头和作为该装置各元件与电缆之间的连接装置的遥测筒。第一段还可适当包括诸如Schlum-berger的GPIT仪之类的测斜仪，包括用于所有三根轴的加速仪和地磁仪。

第二段17包括作为支架20的主体和副斜杆22，支架20带有可紧靠在钻孔壁上的测量衬垫21，副斜杆22位于衬垫21的相对一侧。测量衬垫一般包括γ—γ装置，用来测量地层密度。如上所述，它还可包括“微电阻率”装置，用来测量称之为侵入区的钻也壁后区的电阻率。

第二段用铰链23与第一段15连接，使第二段17可相对于第一段15发生倾斜。更具体地说，在图1所示并在图2中可看得更清楚的实施例中，第二段可在含有上述接触母体的纵向平面4围绕一与第一段轴线垂直的轴线相对于第一段作枢轴转动。这一枢轴转动只准偏离上述母体。还应强调，铰链23不允许第一段和第二段之间发生任何扭曲。主体20的角度方向最好使得衬垫21的中轴面与上述接触母体对齐，如图1所示。

应该注意，装有衬壁21各传感器的处理电路的电子筒可位于第一段15上，而不是装在第二段17的主体20上。这种设计具有减小第二段的长度和重量的优点。

第三段18包括一个或多个撑挡(称为“托架”)，使它与钻孔壁隔开。第三段包括测量电阻率的探头，可以是Laterolog型电极探头(Schlumberger的DLT仪或ART仪)，也可以是具有电感线圈的探头(Schlumberger的DIT仪或AIT仪)。

第三段用铰链25连接到第二段17上，使两者可相对倾斜。在所述实施例中，铰链25与铰链23相同，在第二和第三段之间提供一个自由度。铰链25如此放置，使得枢轴转动发生在上述为铰链23所确定的同一纵向平面中。不过，如图1所示，枢轴转动只准朝着上述母体方向转动，即只准朝向衬垫21转动，虽然对于铰链23来说，枢轴转动为偏离所述母体。而且，与第一和第二段之间的连接一样，第三段不能相对于第二段发生扭曲。

图2表示出分别由枢轴23a和25a具体体现的铰链23和25，枢轴转角与实际比较有所夸张。

可以看到，第一和第二段间的铰链23的轴线偏离第一段的轴线I—I有一距离b，该轴线位于第一段的接触母体26的相对一侧。铰链23所允许的最大枢轴转角为a，a的合适值在2°左右。

铰链25的轴线偏离第三段的轴线III—III的距离为C，该轴线位于接触母体26的同一侧，因此位于铰链23的枢轴轴线的相对一侧，铰链25所允许的最大枢轴转角也在2°左右。

距离b和c的选择务使第一段在由第二和第三段所构成的组件的重力作用下与钻孔壁不发生接触的风险降至最低。为此，由第二和第三段所构成的组件的重心安排成不比枢轴23a离开钻孔壁更远，而是比枢轴23a更靠近钻孔壁。因此，在所示实施例中，距离b选择成与距离C同样大小。例如b和c的典型值都为22mm。

图3A和3B表示出铰链23、25的一种可能的实施例。以铰链23为例，它包括具有轴线IV—IV的管状部分30，管状部分的端部31可安装到邻近段上，这里为第一段15。部分30在其与部分31相对的端部有一环状横向面32，从该横向面32上伸出两块平行的纵向挂板33、33′。该两块挂板上分别有孔34、34′，两孔在同一横向轴线B上，该轴线如上所述，与轴线IV—IV相距为距离b。与第二段17连接的铰链部分包括分别与挂板33、33′相联的两块挂板35、35′并分别装有啮合在孔34、34′中的枢轴36、36′。图3B所示挂板35、35′位于挂板33、33′的外边，但它们也可位于挂板33、33′之间。每块挂板35、35′的端面分为两个小面，它们与管状部分30的端面32配合，以便只准第二段17相对于第一段15发生有限的枢轴转动。因此该端面包括与端面32平行的横向小面37和在与轴线IV—IV相交的边缘处与该横向小面相接的倾斜小面38。如图3A所示，该倾斜小面38位于枢轴36的一侧。倾斜小面与横向小面间的角度就是上述枢轴转角α。而且，虽然为清楚表示起见，图中的横向小面37与端面32隔开，但应注意，横向小面实际上紧靠端面32，从而防止挂板35、35′发生逆时针转动(见图3A)。挂板35、35′只能顺时针转动一直到倾斜小面38靠上端面32。

下面参照图4A和4B的示意图说明包括有测量衬垫21的第二段17的连接机构的一实施例。

衬垫21与钻孔壁发生接触的一面标为40。衬垫21由臂41支撑，该臂的一端用铰链43连接到衬垫的反面42，使衬垫与臂41间可发生枢轴转动。臂41远离铰链43的一端伸出一弯曲部分或曲柄44，其端部用固定枢轴45连接到主体20上。其外端46可与衬垫21相对一侧的钻孔壁接触的副斜壁同样伸出一弯曲产分或曲柄47，其端部由枢轴48连接到连接杆48′的端部，而该连接杆用枢轴连接到活塞50的杆49的端部。该活塞装在固定在主体20上的圆柱51中，用液压克服弹簧52的弹力即可发生位移，该弹簧则以使副斜臂22张开的弹力作用在枢轴48上。臂41和副斜臂22由位于它们与各自曲柄44和47的交接处的移动枢轴连接在一起，但不与主体20连接。这一结构可获得如下效果，当副斜臂22，如图4B所示在弹簧52的作用下与钻孔壁接触时，臂41围绕枢轴转动，直到衬垫21与钻孔壁接触。驱动活塞50即可使该机构恢复到图4A所示闭合位置。

图4A和4B所示实施例还包括上部连杆55，其上端由枢轴56连接到主体20上，其下端有枢轴销钉57啮合在衬垫21上部的槽58中。连杆55的作用在于限制衬垫21所能发生的相对于主体20轴线的倾斜，但由于枢轴销钉57能在槽58中移动，因此在主体移动时其不对衬垫21施加太大的拉力。衬垫下部可对称地设有同样结构的下部连杆。

可以看出，在此实施例中，衬垫只由臂41支撑，因此，作用在衬垫21上使它沿钻孔壁称动的全部力量都由枢轴43传导。这就特别造成所施加的该力不会造成使衬垫发生倾斜的连接。如图4A和4B所示，枢轴43最好位于衬垫21的(纵向)中间部位靠近衬垫与主体轴线横交的中间平面M—M′处。枢轴43的这一最有利位置位于衬垫下半部，在中间平面M—M′的稍下方，如图4A和4B所示。更具体地说，枢轴43与中间平面M—M′之间的距离P最好在可与钻孔壁发生接触的衬垫部分40的长度的0％到15％的范围内。使用这一设计，钻孔壁对衬垫的反作用力作用在衬垫的中间部位上，而这正是把衬垫最佳地紧靠在钻孔壁上所需要的。

上述实施例确保衬垫21在图5A和5B所示不同工作条件下获得与钻孔壁的满意接触。

图5A表示衬垫21一边的钻孔壁上有凹穴60，而对边钻孔壁上同时有突块61的情况。图5A表示出上述连接机构能吸收掉钻孔直径的这类突变：副斜臂22和臂41相对于主体轴线的角度可张得很大而又不影响臂41施加在衬垫21上的力，另一方面，连接到衬垫21上各臂、即所示实施例中的臂41和连杆55的结构使得衬垫21即使在存在有凹穴的情况下也能沿衬垫长度方向最佳地紧靠在钻孔壁上。

图5B表示出带有斜坡62的倾斜钻孔。由于衬垫能相对于探头体发生倾斜，因此它仍能沿着斜坡紧贴钻孔壁。同样，把主体20如上所述安装在两铰链之间有利于避免衬垫被主体20“胶结”在钻孔壁上而无法动弹。

应该指出，臂41与衬垫21之间的枢轴连接可以与上述方式不同的方式实施。因此，可以使用位于衬垫两边的两个横向枢轴与伸出在臂41上的叉相啮合的连接方式。

下面参照图6、图7和图8A—8B说明衬垫41的优选实施例。如上所述，本装置的结构是用一个衬垫把用来测量地层密度的γ—γ传感器和以很高垂直分辨力测量钻孔壁邻近区域中的另一量、最好是电阻率的不同类型传感器装到一起。如图8所示，这种结合是使用交错放置的不同类型部件实现的：γ—γ传感器包括γ射线源和至少一个近传感器和一个远传感器，它们在图6中分别由与之相联的窗口70、71和72表示；构成电阻率测量装置的电极A0、A1、M等等交替放置在近传感器71的窗口和远传感器72窗口之间的间隔中。这种设计减小了衬垫接触部分40的长度，从而有利于衬垫与钻孔壁的良好接触，同时从把密度测量与由这些传感器分别提供的微电阻率测量相结合的观点来看也是有利的，因为在很大程度上避免了深度误差，而该深度误差起因于尤其是由衬垫瞬时速度变动造成的测量结果。

在附图所示实施例中，γ—γ装置除了近传感器和远传感器之外，按照美国专利4958073的教导，还包括位于γ射线源近旁的背反射传感器。与作为衰减传感器并对地层密度增加显示负响应的近传感器与远传感器相比较，该传感器的特征在于对地层密度增加显示非负响应。背反射传感器的窗口在图6中用73表示。

微电阻率传感器电极的设计一般遵守美国专利5036283、特别是该专利的图5，或美国专利5198770的教导，欲知详情，可参考此两专利文件。所示电极设计首先包括提供无源聚焦的一般为工形的保护电极A0、由位于电极A0的沿衬垫纵向两边的聚焦电极A1构成的有源聚焦系统和位于保护电极A0与聚焦电极A1之间的控制电极M。上述设计还包括装在中心电极A0中、与中心电极A0绝缘、位于A0中间平面中心、传感侵入区电阻率Rxo的按钮形测量电极B0以及与B0在一直线上的、更小直径的、用来测量更小勘测深度的电阻率、型号为Microlog的两个按钮B1、B。此外在该纵向直线上还有与按钮B0相同的按钮B3。处在纵向(即衬垫的移动方向)一直线上的按钮B0和B3提供地层同一区域中在两偏离时刻的测量结果，从而使之可能用相关法确定衬垫的移动速度。所获得的信息用来校准深度。它最好与从上述第一段的测斜仪探头提供的加速测量值中的待出的速度指示值相结合，从而按照在1993年5月9日申请的法国专利9304229详述的一种方法提高校准的精度。

下面特别参看图8A、8B，首先注意可与钻孔壁接触的面40，这一边为扇形圆柱体。其对面为与图4B所示臂41之类的支撑臂连接的枢轴43。在其顶端，该衬垫伸出两块挂板75，每块挂板上都有与图4B中一样标号为58的槽，用来与图4B所示的连杆55那样的连杆连接。

衬垫的主要结构部件包括由比方说不锈钢制成的、一般为圆筒形的抗压外壳78。外壳78内放置着γ射线传感器81、82、83，传感器81和82分别为“近”衰减传感器和“远”衰减传感器，传感器83为背反射传感器。为了使γ射线到达这些传感器，外壳78上有开口，开口处设有颈圈91、92、93，由γ射线吸收率低的抗压材料，例如铍或钛制成的圆顶形部件91′、92′、93′分别靠在颈圈91、92、93上。由例如PEEK型合成材料制成的保护部件101、102、103分别固定在圆顶91′、92′、93′，这些部件构成图6所示的窗口71、72、73。

传感器可以是GSO型(原硅酸钆)或碘化钠光闪烁器。部件111、112、113分别与传感器81、82、83相联，它们都由一光电倍增器、一高压电源及其控制电路和一前置放大电路构成。

一般为铯137的γ射线源为位于衬垫下端、外壳78外边的部件80，它有自己的抗压外套100。

构成微电阻率传感器的电极A0、M、A1为位于各自凹槽内的金属部件，这些凹槽做在用比方说PEEK绝缘材料制成的扇形颈圈上。传感器81—83用比方说钨或废弃铀之类材料制成的具有高γ射线吸收力的护罩与无用的γ射线(即未与地层作用的那些γ射线)屏蔽开来，特别是不受它们的直接照射。

因此，如图8A、8B所示，一扇形颈圈形的护罩件19在衬垫下部盖在外壳78上，该部件119上有形成(放射源)窗口70、(近传感器)窗口71和(远传感器)窗口72和(背反射传感器)窗口73的开口。这一部件的端部120越过放射源80而形成衬垫的底端，从而使朝向钻孔流体的γ射线流量减至最小。部件119的另一端与大大越过近传感器81的窗口71的部件121相接，部件121位于外壳78和扇形绝缘材料110内部之是。该护罩件的这一结构使γ射线通过具有低γ射线吸收率的绝缘材料而使逸出的危险性减至最小，同样，护罩件12在远传感器8处位于外壳78外部，其上有形成窗口72的开口。

在外壳78的内部也设有一般为圆柱形的护罩。第一内护罩件125围绕着背反射传感器83。部件125中有一斜孔126，以确保γ射线瞄准传感器83。第二内护罩件127固定在部件125上并围绕住近传感器81。如图7所示，部件127的上半部为半圆柱形，其下半部在外壳78之内留出空间，用来放置电路板或电子元件128。同样，内护罩件129围绕住该传感器82。

还可看到，外壳78上有开口，用来穿过密封引线130、131，从而为导体提供通道，例如把电极(A0等)连接到位于外壳78内部的电路板或电路元件上的导体132和把电路板或有关元件连接到γ传感器上或连接到探头体电极上的导体133。

Claims (18)

1.一种可在钻孔内移动、从而测量钻孔通过的地层的特性的组合式测井装置，其特征在于，该装置包括一串首尾相接的细长测井段，包括：装有与钻井壁接靠的母体的第一段；由主体和可在径向上与主体相间距而紧贴到钻孔壁上的测量衬垫组成的第二段；可与钻孔壁相间距的第三段；把第二段分别与第一段和第三段相连接以便在第二段与第一和第三段之间形成倾斜角的第一和第二铰链。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，第一和第二段所成的倾斜角限于在包含有所述母体的纵向平面内。

3.按权利要求2所述的装置，其特征在于，第二段的衬垫限于位于所述母体的一直线上。

4.按权利要求2或3所述的装置，其特征在于，第二段与第三段所成的倾斜角限于在包含有上述母体的上述纵向平面内。

5.按权利要求1到4中任一权利要求所述的装置，其特征在于，第一铰链设计成使得第二段相对于第一段只能朝偏离衬垫的一边倾斜。

6.按权利要求5所述的装置，其特征在于，第二铰链设计成使得第三段相对于第二段只能向着衬垫一边倾斜。

7.按权利要求1到6中任一权利要求所述的装置，其特征在于，每一铰链允许形成的角度为2°左右。

8.按权利要求1到7中任一权利要求所述的装置，其特征在于，铰链包括各自的枢轴，枢轴相对于第二段轴线的转角方向完全相反。

9.按权利要求8所述的装置，其特征在于，第二铰链的枢轴比第一铰链的枢轴离第二段的轴线更远。

10.按权利要求1到9中任一权利要求所述的装置，其特征在于，第一段包括可提供有关地层孔隙率的测量值的探头。

11.按权利要求10所述的装置，其特征在于，第一段包括中子发射探头。

12.按权利要求1到11中任一权利所述的装置，其特征在于，第三段包括可提供有关地层碳氢化合物含量的测量值的探头。

13.按权利要求10所述的装置，其特征在于，第三段包括可提供有关地层“非侵入”区的电阻率测量值的探头。

14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，第三段包括Laterolog型电极探头。

15.按权利要求14所述的装置，其特征在于，所述电极探头设计成能提供多个围绕该段轴线规则分布的方位测量值。

16.按权利要求13所述的装置，其特征在于，第三段包括电感探头。

17.按权利要求1到16中任一权利要求所述的装置，其特征在于，第二段设计成能提供有关地层密度的测量值。

18.按权利要求1到17中任一权利要求所述的装置，其特征在于，第二段设计成能提供有关邻近钻孔壁区域内地层电阻率Rxo的测量值。

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