CN1125483A - 电测井系统 - Google Patents

Abstract

用于从装了套管的钻井中测定地下岩层的电阻率的电测井系统包括电压和电流供给装置、电压和电流控制装置、电极支承装置以及电压和电流处理装置。尤其该系统包括第一电流电极对(A，B)和第二电压电极对(M，N)，第一电流电极对适用于靠近钻井的一端在钻井内的套管的不同高度上电气连接以便向所述套管供给电流而且在所述电极之间提供经过其定义的中间套管部分的套管电流，第二电压电极对用于检测由从套管泄漏到岩层里的漏电流所提供的电压。

Description

电测井系统

本发明涉及电测井系统，本发明尤其涉及用于通过装有套管的钻井确定地下岩层的电阻率的电测井系统。按照惯例这种系统包括电压和电流供给装置、电压和电流控制装置、电极支承装置以及用来处理电流和电压以确定所述电阻率的电压和电流处理装置。

众所周知在测井过程中利用上述系统进行测量以便通过装有套管的钻井确定的岩层的电阻率。通常使用金属的尤其是钢制的套管。钻井深度可能高达几千米。例如带有含油层结构的岩层具有和周围的各岩层很不相同的电阻率。尤其当相继出现含水层和含油层的情况更为如此。取决于烃饱和度，这些层通常具有范围1Ωm至1000Ωm的电阻率。

特别对于已经具有套管的现存的钻井，例如为了更新地下岩层特性或者为了监视生产运行过程，拥有可靠的数据是有很重要的意义的。

如在US2,729,784里所示，过去曾试图测量从加套管的钻孔中向地下岩层泄漏的电流。在同一钻孔设备上所安装的两对具有轴向间距的电极和套管相连接，当通电时会产生各对电极之间的套管电流。选取电路使得所述两对电极的两个相邻电极具有相等的电势，从而使得这两个相邻电极之间的套管部分起准独立电极的作用，从准独立电极上电流泄漏到岩层中。通过在所述两对电极间的套管部分里安装三个辅助的电极，既可建立一种对称的电势分布又能实现电压测量，从而允许确定地下岩层的电阻率。

但是，众所周知，由于例如因为套管厚度的不同以及腐蚀点造成套管粗糙，对套管的电测量离理想结果相差甚远，这样实质上影响了套管的电阻率。在上述测井方法中，把对起源于上述电极对之间短的套管部分的小泄漏电流的电测量及控制和这样的不利影响混合起来。鉴于上述情况这意味着只可以测量非常小的电压，而其测量可靠性不得不被认为是非常低的。因此可以预计在地下岩层的电阻率上存在很大的偏差。

从最近的文献中可以知道用不同的方法来处理上述的情况。例如，US5,043,668公开一种方法和设备，用于通过钻井的套管确定上面所述的电阻率。具体地，使用了三个电流电极和三个电压电极，在钻井轴向被测的不同高度上把五个电极在电气上和套管连接起来，并且把一个电流电极安装在地表面里的相当远的距离处。

借助于这种布置既进行校准测量又进行电阻率测定。

在校准测量方式下，两个和套管连接的电流电极之间的套管电流在三个电压电极之间感应出二个电压指示，这三个电压电极和套管连接而且安装在所述两个电流电极之间。所述指示反映所述电压电极之间的套管电阻。而且如上面说明的那样套管电阻是受到同样影响的。因此把所述两个电压馈送到子电路上，以便控制和平衡各个成比例的电压指示。

在电阻率测定方式下，采用相同的电压电极。但是，现在从上面的电流电极向套管并且向岩层引起电流，该上面的电流电极和安装在地面里的电流电极构成一个电路。明显地在该模式下出现泄漏到岩层里的漏电流。因此在该模式下由上述三个电压电极检测的电压指示或多或少地被改变了。由于套管电阻率和岩层电阻率所对应的差异套管电流要比漏电流大几个数量级，一般在该模式下主要由套管电流引起所述的成比例的电压。虽然从上面所解释的两种运行模式中得到的电压之间的差很小，但该差反映所述的漏电流。因此可由此确定岩层电阻率。

同样，熟练的技术人员将很清楚，对于这种总体布置，例如由腐蚀点、电扰动、机械损伤或者电路调整所造成非常细致的偏差会当成所述的电压差，从而造成明显的套管电流误差。因此，要获得可靠的漏电流测定是非常困难的。

从而本发明的主要目的是要精确地检测漏电流。

本发明的另一个目的是尽可能消除套管电流在漏电流检测中的影响。

因此根据本发明上述系统进而包括：

—第一电流电极对A、B，它们和所述供电装置以及所述控制装置相连接，适用于在所述钻井的轴向的不同高度上和所述钻井内的套管进行电连接；并且当被连接时定义一个中间套管部分，用于向所述套管提供电流并且用于提供通过所述电极之间的所述套管部分套管的电流；而且定位于靠近钻井两端中的一端。

—第二电压电极对M、N，用于检测由从套管向岩层泄漏的漏电流提供的电压，所述第二电极对适用于沿钻井的轴向安装在位于所述中间套管部分和钻井的另一端之间的所述第一电流电极对的上方或下方。

在本发明的另一种实施方式里，至少第二电极对中一个电极适于和所述钻井内的套管进行电连接。进而，如果所述第二电极对的两个电极都和所述套管电连接，所述第二对电极中的一个电极M沿钻井的轴向安装在所述第一对电极的附近而另一个电极离开所述一个电极相当大的距离。

尤其，把所述另一个电极N安装在钻井的下部靠近套管靴，或者把所述另一个电极N安装在钻井的顶部靠近地表面。

在本发明的再一种实施方式里所述第二电极对适用于安装在地表面。

在本发明的最佳实施方式里，至少一个适用于和所述钻井内的套管连接的用作为校准电极的第三电压电极R安装为靠近所述第一对电极，并且相对于所述第二电极对位于所述第一电极对的另一侧。

本发明的另一最佳实施方式里安装了至少一个辅助的电压电极，实际上位于所述第二电压电极对之间。

通过利用本发明的电测井系统，每一个穿过所述中间套管部分之外流动的电流都是来自于漏电流，这些漏电流主要是从所述中间套管部分之外的套管中出发的，从所述中间套管部分的一侧之外的套管部分泄漏到岩层中并返回到所述中间套管部分另一侧的套管中。这样，取决于所述第二对电压电极的位置，第二对电压电极仅检测岩层里的或者经过套管的漏电流。有利的是当检测这些漏电流时，全部消除了套管电流，从而允许准确地测定岩层电阻率。

下面通过参照附图详细地说明本发明。

其中图1a示意地表示本发明的电测井系统的电极的最佳设置。

其中图1b表示图1a的测井系统提供的电压曲线。

其中图2示意地表示被测电压和套管长度之间的关系，沿着套管长度产生漏电流并进入到同质的岩层里。

其中图3示意地表示图2中所示的关系，这里是用于分层的岩层中。

其中图4a、4b、4c表示根据本发明的电极的设置形式。

为说明本发明的原理参照图1a和图1b。

图1a示意地表示钻入到地下岩层2里的钻井1。通过把套管3例如从地表面4延伸到钻井1的底部5，给钻井装上套管。借助套管靴6把套管的下部固定到岩层上。为了标志套管内的位置，采用了二种值，从地表面处测量的深度值和从钻井底部处测量的高度值，这两个值都是沿钻井的轴向测量的。这样，如果钻井不是严格垂直地钻探的，深度值和高度值应该理解为沿钻井轴向的长度值。

通常套管是用金属例如钢做成的。只要套管是导电的可以应用任何别的材料，导电性是本发明的系统和方法所要求的。

为了测定岩层的电阻率多半从未套管的钻井完成井的岩心记录，而在钻探过程及记录岩心过程之后并且在开始生产操作之前才对钻井装上套管。如上面所解释的那样只有钻井在装上套管之后才需要或者甚至必须确定电阻率，例如为了监视在其中回收烃化物的岩层的电特性。这意味着电测量必须通过金属套管来实现，高导电的套管放入在高电阻的岩层中从而给出的电流实质上只经过所述套管。

根据本发明通过采用第一电流电极对A、B，套管电流I_C只在A和B之间流过。通常借助电流源9提供低频电流。采用频率直到20Hz和电流振幅直到40A的电流是有利的。

为了简化进一步的解释，把电流电极B选择为具有高电位的电极。从而套管电流I_C从B流向A，而漏电流I_l主要从B侧的套管部分发出然后流经地下岩层并返回到A侧套管部分的套管上。很清楚在颠倒A和B的电位的情况下情况完全是对称的。此外，请注意，尽管装设的是交流体制，对于上述频率也可允许直流数据处理。

如从图1a中可以看出所述第一电极对安装在底部5的附近，从而在B的一侧得到相对短的套管3的底部7。通常选取所述底部7的长度使得该部分上的电位差基本上等于相邻电流电极的电位。常规地在所述第一电极对的另一侧A侧处上另一个套管部分8的电位基本上等于无限远处的电位，如图1b中所示无限远处的电位一般总是定义为零电位。这样，在套管7和8之间显然建立了电压。

从而漏电流I_l的绝大部分将在所述的两个套管部分7和8之间流动，由此而通过地下岩层2。如上面所述底部7具有较高的电位，从而如电流流线10上的箭头所指示I_l从部分7流向部分8。并且通过具有相对短的底部7既很好地定义了所述I_l的起始位置并且又得到由于在所述底部位置可能出现的分层岩层而产生的电阻率变化的灵敏度。这意味着如果改变所述底部7的长度可以监视电阻率的变化。熟练的技术人员会很清楚对于把所述第一电极对置于钻井靠近地表面的上端的对称布局可以给出相同的说明。

上述说明只给出条件和发出漏电流的细节，为了得到允许测定岩层电阻率的数据，必须检测出所述电流。从而根据本发明在第一电极对A、B的另一侧检测漏电流。如从图1a中可以看出，在另一套管部分8上设置了第二电压电极对M、N并且连接到另一套管部分8上。从而当返回到和流经过所述套管部分8时I_l得到检测。

通常第二电压电极对必须这样设置以使得电压电极之间的间距建立起电位上的差别。在具有装上套管的钻井以及在第二电极对的轴向下方具有从其上发出大部分漏电流的第一电流电极对的本情况下，电压电极必须安排在所述电流的返回流动上。特别在所述电流最分散的位置上安装电极是最佳的。这样M和N之间的大间距，例如当安装在套管上时，是最佳的。后面还将解释和1a不同的布局4b和4c。

为了以精确的方式检测I_l选择M、N之间的大间距，从而检测绝大部分的I_l。并且，在这样大的间距下低套管电阻率和低I_l值的结合可造成具有非常好的可测性的电压。

从上面很清楚可获得几个优点。首先套管电流和漏电流是按清晰的通路分开的。从而所述漏电流是完全独立地检测的。并且，电压电极之间的大间距允许有利地检测所述漏电流。

下面简短地说明岩层电阻率的测定。

根据欧姆定律，只要具有电流值和电压值时就可确定电阻率。在本发明中假定套管电阻率具有已知值，例如通过规格说明书或者经过本发明的测井操作事先已得到确定。这样，借助第二电极对测量的电压转换为漏电流值。另一方面套管电流转换成等于套管部分7和8之间的电位差的电压值。然后把经转换而得到的上面所述的漏电流值和所述的电压值结合起来以确定岩层电阻率。

下面进一步说明套管电阻率的测定。考虑到上面所叙述的套管电阻率的变化，本发明的另一种实施方式包括连接一个辅助电极即校准电极R，用来监视所述变化的套管电阻率而且从而校准测井过程期间所进行的测量。如在图1a中可以看出的那样，所述电极R可以和电压电极M、N中的一个电极合作。在图中R和例如M定位在第一对电极A、B之间的套管部分的不同一侧上的预定位置上。例如为了简化校准过程R和M可以相对于A、B对对称地定位。

如前文中所述底部7的长度是可变的，以便按下述方式跟踪层状结构。

在单质的地下岩层2的情况下将出现的I—电流模式如图1a中所示。这意味着在所述底部流线的密度是最集中的。因此所述底部处的模式是由该位置的岩层电阻率清楚地确定的。这样通过应用本发明的方法和系统在漏电流I_l的发生位置处监视岩层电阻率。

当在相对短的距离内改变长度时，例如通过在开始测井时把第一电极对放在钻井底面的附近并且相继地提升所述电极对来改变长度时，尽管高度变得更大，但流线的密度将仅仅很轻微地改变。这意着在这个较大的底部的范围之内I_l基本上线性地增大并且从而从所述尾部上发出较大的漏电流I_l。从而对于该单质的岩层借助第二电极对M、N测量出较大的电压。在图2中示意地表示这样的测井过程中的上面所说明关系。在该图中Z示意地代表在相对于第一电极对的一个预定位置和钻井底面之间的底部7的高度。但是，熟练的技术人员很清楚，由于产生漏电流起始的不同状态对于因提升相应大距离而产生的相对大的底部必须推导出修改后的关系。

在下一个图图3中表示的情况是：在如上简述的测井期间第一电极对通过一层岩层，这层岩层所具有的电阻率大于开始测井过程时的岩层的电阻率。在提升期间一旦达到所述岩层漏电流即使有增加也将会非常轻微地增加。当通过该岩层之后在图3中表示出进一步的增加。

从以上可能会明白可以跟踪分层的结构，于是对测井期间所获数据的精确建模和处理将允许确定层的厚度和电阻率值。

现在参阅表示本发明的其它实施方式的图4a、4b和4c。在图4a中对几与图1a中所采用的相同的有关细节作了标号及指示。而对图4b和4c特别地表示电极以强调各图之间的差异。

在图4a的电极布局的细节中电极A、B、M和R安装在一个相同的工具20里。通过使用这样的工具可以以一种很明显简单和经济的方法进行测井。第二对电极中的另一个电压电极现在用Na表示。其它的电路，例如电压和电流控制装置和电压电流处理装置，标号为21。

在图4b的布局中现在把另一个电压电极Nb设置在地表面。这样的总体布置将进一步简化测井过程的准备工作和操作。尽管在这种总体布置下在M和Nb之间将检拾绝大部分的I_l，但可能需要一些附加的修正。

在图4c中进一步修改了电极的布局。现在两个电压电极Mc、Nc都安装在地表面，Mc和套管连接。为了实现上面所说明的校准测量。现在工具20安装着两个标准电极R₁、R₂，对于电压电极M和R它们(R₁、R₂)按图1、图4a和4b所示的相同方式起着电压电极的作用。对应于修改后的电极布局修改了电路22。为了处理借助图4c的测井系统在测井时得到的数据目前的Mc、Nc电极布局需要进一步模型化。

在本发明的另一种最佳实施方式中为了检拾扰动电流基本上在第二电极对之间的一个位置上设置一个辅助电压电极。

熟练的技术人员都知道因自然环境或人为因素而产生的电流不断地通过地下岩层。例如雷雨和有关的放电以及铁路运输等现象造成的明显数量的杂散电流。这些电流尽管很小但相对于从本发明的上述第一电极对产生的漏电流经常构成大的扰动。特别在上面所示的图4a和4b的情况里，设置至少一个适用于和套管电相连的辅助电压电极允许准确地测定出通过电压电极之间的套管长度上的扰动电流。因此，当测量漏电流时，可用所述扰动电流修正漏电流测量。

对于上面的说明下面进一步叙述应用到本发明的系统中的关于几何、间距和距离等技术条件的一些细节。

为了得到套管电流和漏电流之间电流振幅之间的平衡，电流电极A和B之间的间距d_AB与套管直径d_C的比率选择在3至15之间是有益的。但是，在非常薄的岩层的情况下应该采用大大低于3的比率值，而从装了套管的钻井的大距离上测量电阻率的情况下适当超出15的比率值可能是有利的。

参照图2和图3，底部7的高度Z不应该超过300m。在更大高度的情况下电流流线密度下降，从而只会出现漏电流I_l的小量增大。对于电压电极M和N之间的间距相对大的距离是更佳的。大于100m的距离显示出是有益的。但是，熟练的技术人员会清楚所述距离是紧密地和套管导电率、岩层电阻率以及漏电流振幅的组合相关的。从而超出上述范围的距离可能是更佳的。

从上面的说明中熟练的技术人员会明显地看出对本发明的各种修改。这些修改应属于所附权利要求书的范围之内。

Claims (12)

1.一种电测井系统，用于通过装有套管的钻井测定地下岩层的电阻率，该系统包括：—电压和电流供给装置，—电压和电流控制装置，以及—电极支承装置，

该系统进而包括：一第一电流电极对A、B，它们和所述供电装置和所述控制装置相连接；适用于在所述钻井的不同轴向高度上和所述钻井内的套管电连接；并且当连接时定义一个中间套管部分，用于向所述套管供给电流并且提供经过所述电极对之间的所述套管部分的套管电流；并且定位于钻井一端的附近，—第二电压电极对M、N，用于检测由从套管泄漏到岩层的漏电流所提供的电压，所述第二电极对适用于沿钻井的轴向设置在位于所述中间套管部分和钻井的另一端之间的所述第一电流电极对的上方或下方，并且—电压和电流处理装置，用于处理所述电流和所述电压，从而测定所述电阻率。

2.如权利要求1所述的系统，其中至少一个第二电极对中的电极适用于和所述钻井内的套管电连接。

3.如权利要求2所述的系统，其中如果所述第二电极对的两个电极都和所述套管电气连接，所述第二电极对中的一个电极M沿钻井的轴向设置在所述第一电极对的附近而另一个电极离开所述一个电极相当大距离。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述另一个电极N设置在钻井的下方靠近套管靴。

5.如权利要求3所述的系统，其中所述另一个电极N设置在钻井的上方靠近地表面。

6.如权利要求1至5中任一要求所述的系统，其中所述第二电极对适用于设置在地表面。

7.如权利要求1至6中任一要求所述的系统，其中至少一个用作为校准电极的适用于和钻井内的套管电连接的第三电压电极R设置在所述第一电极对附近并且和所述第二电极对相比位于所述第一电极对的另一侧。

8.如权利要求7所述的系统，其中相对第一电流电极对A、B对称地设置电压电极M和R。

9.如权利要求1至6中任一要求所述的系统，其中至少设置一个辅助电压电极，实质上位于所述第二电极对之间。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述辅助电压电极适用于和所述钻井内的套管电连接。

11.如上面各权利要求中任一要求所述的系统，其中沿钻井方向测量的电流电极之间的距离d与套管直径d_c的比率范围为3至15。

12.如上面各权利要求中任一要求所述的系统，其中所提供的套管电流是一个交流电流，其频率可高达20Hz并且振幅可高达40A。

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