CN113756791A - 随钻测量电阻率的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种随钻测量电阻率的装置和方法，该装置包括套设在筒状金属体外壁上的发射天线和接收器，其中，当发射天线在筒状金属体上激发感应电流后，能与地层形成电流回路，接受器获取电流信号用于获得电阻率信息，并且筒状金属体靠近钻头，该装置尤其用于反映钻头前方地层环境因素，并能提高对井眼和泥浆的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及石油、天然气钻井作业随钻测量或随钻测井领域，具体涉及一种随钻测量电阻率的装置和方法。
背景技术
在油气田勘探和开发过程中，需要测量地层地质信息和工程参数。随着勘探开发技术的不断进步，对测量参数的准确性和多样性要求也越来越高。所需要的参数往往包含地层环境参数、井下钻具位置、方位以及钻井环境参数等。
目前已经有多种常规电缆测井仪器以及随钻测井仪器可以提供以上参数。在随钻仪器中随钻电磁波电阻率仪器作为评价地层性质的重要仪器，可以提供地层电阻率信息，来对地层含油性进行评价。
但是，目前随钻电磁波仪器距离钻头往往还有一段距离(>15ft)，因此当仪器响应显示离开或进入储层而需要调整钻头方向时，钻头往往已经穿过地层界面，造成钻头调整不及时。此外，由于目前随钻电磁波或随钻感应类仪器往往具备较大的探测深度，受地层环境影响较大，响应复杂，而且仪器响应受钻铤径向上地层因素影响，基本反映不了钻头前方地层环境因素的变化，因此仪器对层状地层介质界面有较好反应，而对仪器轴向地层介质变化响应不明显。
由此，需要设计一种随钻测量电阻率的装置和方法以用于提高轴向地层介质变化响应。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种随钻测量电阻率的装置和方法。该装置为了测量到钻头前方地层电阻率信息，可将近钻头的钻铤上的发射线圈作为发射电极，将电流发射到地层当中，然后再回流到装置当中。利用欧姆定律，通过测量回流到装置中的电流来计算流经地层的电阻率信息，尤其用于反映钻头前方地层环境因素。
根据本发明的第一方面，提出了一种随钻测量电阻率的装置，包括：
套设在筒状金属体外壁上的发射天线，
接收器，
其中，当发射天线在筒状金属体上激发感应电流后，能与地层形成电流回路，接受器获取电流信号用于获得电阻率信息，并且筒状金属体靠近钻头。
在一个实施例中，接收器包括套设在筒状金属体的外壁上的接受天线，接受天线至少为两个，且至少一个位于发射天线的上端而其余位于发射天线的下端。
在一个实施例中，接收器包括设置在筒状金属体的下端的钻头箱或者钻头的外壁上的纽扣电极，并且，纽扣电极位于发射天线的下端，当发射天线在筒状金属体上激发感应电流后，能与地层形成电流回路，纽扣电极获取电流信号用于获得电阻率信息。
在一个实施例中，在发射天线的下端设置至少两个上下方向间隔的纽扣电极，各纽扣电极表面绝缘式嵌设在钻头箱或者钻头的外壁上，且内部通过导线与相应的钻头箱或者钻头连接以在表面形成等势面。
在一个实施例中，发射天线构造为多个以同时或者分时进行发射操作，其中，位于发射天线下端的接受天线中的一个可以转用于发射天线。
在一个实施例中，还包括测控系统，且该测控系统具有：
控制中心，其用于实现时序控制、数据处理以及与外部的设备进行通信，
信号采集单元，其具有阻抗匹配电路、滤波器、信号放大器和AD转换电路，用于实现信号采集，
信号发生单元，其可以采用DDS模式生成正弦信号，并具有DDS信号发生器、滤波器、功率放大器和阻抗匹配电路，
电源管理单元，其包括电源还能实现电源的分配、监测与控制，
存储单元，其用于实现接收信号原始数据和系统运行状态数据的存储，
通信单元，其用于实现与外部设备的数据通信。
根据本发明的另一方面，提供一种利用上述装置进行随钻测量电阻率的方法，在钻井过程中，通过发射天线在筒状金属体上激发感应电流以与地层形成电流回路，以使得接收器测得电路而获取地层电阻率。
在一个实施例中，通过位于发射天线上端的接收天线测量电导性泥浆环境下过钻头电阻率，而位于发射天线下端的接收天线测量电阻性泥浆环境下过钻头电阻率；
通过在钻头箱和钻头上的纽扣电极测量流经的电流信号，在钻井过程中，流经钮扣电极的电流信号结合设置在钻铤上的钻具姿态传感器测量得到的信号经刻度转化后形成地层方位电阻率。
在一个实施例中，发射天线下端的接收天线可以转作为发射天线，
则多个发射天线分时进行发射工作，分别测量设置在钻头箱和钻头上的两个纽扣电极的电流信号，
或多个发射天线同时进行发射工作，分别测量设置在钻头箱和钻头上的两个纽扣电极的电流信号，
用于得到不同探测深度的地层电阻率信息。
在一个实施例中，利用多深度探测电阻率，结合钻遇地层电阻率和钻头附近地层电阻率作为约束，反演钻头前方地层电阻率用于提高钻头前方地层电阻率探测灵敏度。
与现有技术相比，本发明的优点在于，该装置为了测量到钻头前方地层电阻率信息，可将近钻头的钻铤上的发射天线作为发射电极，将电流发射到地层当中，然后再回流到装置当中。利用欧姆定律，通过测量回流到装置中的电流来计算流经地层的电阻率信息，尤其用于反映钻头前方地层环境因素。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的随钻测量电阻率的装置示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的过钻头电阻率测量原理示意图；
图3显示了根据本发明一个实施例的钮扣电极测量原理示意图；
图4显示了根据本发明一个实施例的纽扣电极测量所得方位电阻率成像模拟图；
图5显示了根据本发明一个实施例测控系统原理图；
图6显示了根据本发明一个实施例的水基钻井液条件下电流分布示意图；
图7显示了根据本发明一个实施例的油基钻井液条件下电流分布示意图；
图8显示了根据本发明一个实施例的钻头前方电阻率反演示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是取全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护范围。
图1显示了根据本发明的一个实施例的随钻测量电阻率的装置。如图1所示，装置包括具有磁芯的天线分别为110、120、130。其中，在天线110为接收天线，天线120为发射天线，天线130既可以作为发射天线，也可以作为接收天线。也就是说，接收器可以构造为天线状。具体地，在结构上，天线110、120、130的线圈缠在磁芯上。而线圈匝数、磁芯材料、线圈距等根据装置的结构，性能指标以及所需信号情况模拟或试验优选。天线110、120、130用绝缘材料封装。筒状金属体300，在本申请中作为钻铤使用，并位于钻头箱200的上方。
接收器还包括钮扣电极140、150。钮扣电极140、150的表面通过绝缘材料与钻头箱200和钻头100绝缘隔离，内部通过导线与相应的钻头箱200和钻头100相连，用于保证钮扣电极140、150与相应的钻头箱200和钻头100表面等势。其中，靠近钻头1的钻铤300与钻头箱200可以作为发射电极，与井眼钻井液1000和周围地层2000以及钻头100等形成电流回路。
在图2中，显示了测量钻头100前方地层电阻率的方法原理。当环形发射天线120，接通频率范围为1kHz-5kHz的交流电，电压为V0，则会在钻铤300上形成电动势V1。电动势V1与电压V0两者之间的关系为：V0/V1＝N，其中，N为发射天线120线圈缠绕的匝数。钻铤300与周围地层2000以及井眼钻井液1000等介质组成电流回路。钻铤300上的电流一部分通过钻头100流经地层然后又流回钻铤300。从钻头100流入地层后又回流到钻铤300的电流一部分(如图2所示的I2)被接收线圈110测到，所测到的电流信号Im与I2的关系为：
Im＝I2/N1，其中，N1为接收天线110线圈缠绕的匝数。
根据安培定律，回路中地层电阻率可以表示为：
该公式(1)中，k为该测量模式下装置刻度系数，可以通过精确数值模拟或实验室水槽试验得到。
例如，利用有限元方法可对该装置以及地层模型进行精确剖分，模拟电流分布规律，从而计算出刻度系数k。也可以利用水槽确定刻度系数，其中，水槽直径大于2m，深度大于2m，水槽内充满电阻率可调的盐水溶液，对比测量得到的电流和溶液已知电阻率，可以计算得到该测量模式下装置刻度系数，这两种方法可以互相验证。
在图3中，显示了本发明的利用纽扣电极150测量地层电阻率的方法原理示意图。当环形发射天线120通频率1kHz-5kHz范围内的交流电，电压为V0，则会在钻铤300上形成电动势V1。电动势V1与电压V0两者之间的关系为：V0/V1＝N，N为发射天线120的线圈缠绕的匝数。为了测量从钻铤300某一点流出的电流，在该点位置安装纽扣电极150。纽扣电极150在与钻铤300的表面或者与钻铤300连接的表面绝缘(也就是说，纽扣电极150可以安装在钻铤300上也可以安装在钻头箱200上，还可以安装在钻头100上，而本申请中，以纽扣电极150安装在钻头100上进行阐述)。由于纽扣电极150表面与所安装载体(钻铤300、钻头箱200或者钻头100)表面保持等势，从而不改变电流在钻铤周围的分布。当纽扣电极150测得的电流信号为Ib时，回路中地层电阻率可以表示为：
公式(2)中，k1为装置该测量模式下刻度系数。
天线130作为发射天线时，施加频率范围为1kHz-5kHz的交流电时，电压为V’，测量原理类似，则会在钻铤300上形成电动势V1。电压V’与电动势V1两者之间的关系为：V'/V'1＝N'，其中N’为发射天线130线圈缠绕的匝数。当纽扣电极150测得的电流信号为I'b时，回路中地层电阻率可以表示为：
公式(3)中，k'1为装置该测量模式下刻度系数。
当天线120和天线130交替发射时，依据上述，纽扣电极150可以得到两种探测深度的地层电阻率。
当天线120和天线130同时发射时，回路中相当于存在两个电源，天线120和130的输入电压分别为V和V’时，则回路中的电压为V1+V'1。当纽扣电极150测得的电流信号为I”b时，则可以得到第三种探测深度的地层电阻率：
公式(4)中，k”1为装置该测量模式下刻度系数。
上述给出了设置纽扣电极150时得到三种探测深度的地层电阻率信息的实施例，而当设置有两个纽扣电极140、150时，理论上可以得到六种探测深度的地层电阻率信息。纽扣电极140、150测量的只是从该电极上流出的电流，因此具备方位特性，再结合姿态测量装置(该装置可以设置在钻铤300上)测量得到的钻头姿态信息，由此可以得到方位电阻率信息。
图4给出了一个纽扣电极150测量所得方位电阻率成像模拟图。其中，该地层模型中包含两层地层，上方地层3000电阻率为10Ω.m，下方地层4000电阻率为1Ω.m。井眼轨迹5000如图4的上方图所示，该地层模型井眼轨迹下，纽扣电极150电阻率响应成像模拟结果6000。利用成像模拟结果可精确确定层界面方位，利用其高分辨率成像也可以进行裂缝分析和地层沉积特征分析。
图5显示了本发明实施例的测控系统的原理图。该测控系统包括控制中心10、信号采集单元20、信号发生单元30、电源管理单元40、存储单元50和通信单元60。其中，控制中心10负责该测控系统的时序控制、数据处理以及与外部设备进行通信。信号采集单元20包括阻抗匹配电路、滤波器、信号放大器和AD转换电路等，实现接收天线110、130和接收电极140、150的小信号采集。信号发生单元30采用DDS模式生成正弦信号，由DDS信号发生器、滤波器、功率放大器和阻抗匹配电路等组成。电源管理单元40负责该测控系统的电源分配、监测与控制，提高电源的使用效率与可靠性。存储单元50实现接收信号原始数据和系统运行状态数据的存储，主要包括实时时钟电路与存储电路两个部分。通信单元60实现该测控系统与外部设备的数据通信，例如可以采用接口形式有RS232、485、CAN、单总线等井下仪器常用端口。
利用装置，可以进行不同的工作模式。例子如下。
工作模式一：控制中心10使天线130切换至接收端，也就是使得天线130作为接收天线使用，天线120发射频率1kHz-5kHz范围内的信号，而天线110、130和纽扣电极140、150同时进行接收。
工作模式二：控制中心10使天线130切换至发射端，也就是天线130作为发射天线使用，天线130发射频率1kHz-5kHz范围内的信号，纽扣电极140、150同时接收。
工作模式三：控制中心10使天线130切换至发射端，天线120、130同时发射频率1kHz-5kHz范围内的信号，纽扣电极140、150同时接收。
图6为盐水泥浆环境下，该装置一个实施例的电流分布示意图。发射天线120在钻铤300中激发出感应电流。钻铤300中的电流沿着钻头箱200和钻头100流入地层。在盐水泥浆条件下，部分电流经过泥浆回流到钻铤300中。此时接收天线130测得的电流信号里面包含大量直接通过钻井液回流到钻铤的电流，因此转换得到的电阻率受钻井液影响较大。根据本申请的接收天线110安装于发射天线120的上方一定距离处，可以使接收天线110测得的电流信号大部分为从钻头100流出，经过地层2000而流回钻铤300的电流。由此，接收天线110测得的电流信号具备较大的探测深度，更能反映该地质条件下的地层电阻率信息。
如图7所示，在油基钻井液情况下，电流不能通过泥浆回流到钻铤300，只能通过钻头100与地层的接触以及钻铤300与地层的接触形成电流回路。根据本申请的装置，可以使得接收天线130与发射天线120的线圈距很小。此时接收天线130测得的电流信号基本为经过钻头流出，进入地层，然后通过钻铤300与地层的接触点进入钻铤300形成的回路电流。如果钻铤300与地层接触点位于接收天线110的下方，此时该接收天线110有可能测不到电流信号。因此，在油基泥浆条件下，适合用接收天线130测得的信号转换得到地层电阻率。
图8为显示了本装置测量钻头100前方地层电阻率示意图。根据本专利实施例的描述，该装置可以至少测量3条不同探测深度的电阻率曲线，利用实时测量结果结合前面钻过地层电阻率信息进行联合反演，可以实时反演出已钻地层、正钻地层和待钻地层电阻率，从而对前方地层电阻率进行预测。
在本申请中，发射天线120两端的接收天线110、130(此时天线130作为接收天线使用)可以提供两种探测深度的过钻头电阻率。由此，提高了装置对井眼和泥浆的适应性。而在发送天线120、130(此时天线130作为发射天线使用)分时发射或同时发射，以提供不同的测量模式，进而对钮扣电极140、150测量得到的电流信号进行刻度，分别转换得到多种探测深度的地层方位电阻率和过钻头电阻率信息。利用多深度探测电阻率，结合钻遇地层电阻率和钻头附近地层电阻率作为约束，反演钻头前方地层电阻率，提高钻头前方地层电阻率探测灵敏度。
以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种随钻测量电阻率的装置，其特征在于，包括：
套设在筒状金属体外壁上的发射天线，
接收器，
其中，当所述发射天线在所述筒状金属体上激发感应电流后，能与地层形成电流回路，所述接受器获取电流信号用于获得电阻率信息，并且所述筒状金属体靠近钻头。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收器包括套设在筒状金属体的外壁上的接受天线，所述接受天线至少为两个，且至少一个位于所述发射天线的上端而其余位于所述发射天线的下端。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述接收器包括设置在所述筒状金属体的下端的钻头箱或者钻头的外壁上的纽扣电极，并且，所述纽扣电极位于所述发射天线的下端，当所述发射天线在所述筒状金属体上激发感应电流后，能与地层形成电流回路，所述纽扣电极获取电流信号用于获得电阻率信息。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在所述发射天线的下端设置至少两个上下方向间隔的所述纽扣电极，各所述纽扣电极表面绝缘式嵌设在钻头箱或者钻头的外壁上，且内部通过导线与相应的钻头箱或者钻头连接以在表面形成等势面。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述发射天线构造为多个以同时或者分时进行发射操作，其中，位于所述发射天线下端的所述接受天线中的一个可以转用于所述发射天线。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，还包括测控系统，且该测控系统具有：
控制中心，其用于实现时序控制、数据处理以及与外部的设备进行通信，
信号采集单元，其具有阻抗匹配电路、滤波器、信号放大器和AD转换电路，用于实现信号采集，
信号发生单元，其可以采用DDS模式生成正弦信号，并具有DDS信号发生器、滤波器、功率放大器和阻抗匹配电路，
电源管理单元，其包括电源还能实现电源的分配、监测与控制，
存储单元，其用于实现接收信号原始数据和系统运行状态数据的存储，
通信单元，其用于实现与外部设备的数据通信。
7.一种利用如权利要求1到6中任一项所述的装置进行随钻测量电阻率的方法，其特征在于，在钻井过程中，通过发射天线在筒状金属体上激发感应电流以与地层形成电流回路，以使得接收器测得电路而获取地层电阻率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过位于所述发射天线上端的接收天线测量电导性泥浆环境下过钻头电阻率，而位于所述发射天线下端的接收天线测量电阻性泥浆环境下过钻头电阻率；
通过在钻头箱和钻头上的纽扣电极测量流经的电流信号，在钻井过程中，流经钮扣电极的电流信号结合设置在钻铤上的钻具姿态传感器测量得到的信号经刻度转化后形成地层方位电阻率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，发射天线下端的接收天线可以转作为发射天线，
则多个发射天线分时进行发射工作，分别测量设置在钻头箱和钻头上的两个纽扣电极的电流信号，
或多个发射天线同时进行发射工作，分别测量设置在钻头箱和钻头上的两个纽扣电极的电流信号，
用于得到不同探测深度的地层电阻率信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，利用多深度探测电阻率，结合钻遇地层电阻率和钻头附近地层电阻率作为约束，反演钻头前方地层电阻率用于提高钻头前方地层电阻率探测灵敏度。
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| CN111122977A (zh) * | 2018-10-31 | 2020-05-08 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 一种过钻头电阻率随钻测量方法以及装置 |
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2020
- 2020-06-01 CN CN202010485772.4A patent/CN113756791A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
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