CN1696473A - 非导电液中钻探时的地层成像 - Google Patents

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Abstract

一种用于探测采用非导电泥浆钻探的钻孔壁的电阻率测并仪，其中包括：一个适于装在一边钻探一测井的测井仪组件内的测井仪本体；一个设置在测井仪本体上的电阻率传感器，其中，电阻率传感器包括用来固定电流注入电极、电流返回电极以及测量电极阵列的传感器基座；以及一个用来控制电流注入电极的电流注入和测量该组测量电极中各电极之间电压差的电路。在该测井仪中，电流注入电极和电流返回电极设置在靠近传感器基座上相对的端头位置，而测量电极阵列设置在电流注入电极和电流返回电极之间，其中，传感器基座由绝缘材料构成并包括一个导电构件，或者传感器基座由导电材料构成并包括电极周围的绝缘部分。

Description

非导电液中钻探时的地层成像
            有关申请的相互参照
本专利申请是序号为10/240,639的Cheng等人的美国专利的部分继续申请，其主题为“用于电气探测钻孔穿过的地质地层的测井具”，申请日期为2003年3月4日，该申请要求PTC申请PCT/EP01/03718(申请日期：2001年3月29日)和法国专利申请FR20000004527(申请日期：2000年4月7日)的优先权。
技术领域
本发明一般地涉及采用电阻率测井具精确地测井，更具体地说，本发明涉及在用非导电泥浆钻探的井中钻探时的电阻率测井。
背景技术
一般地说，为了探查碳氢化合物的储量，最好是精确地了解钻孔在不同深度的地质地层的特征。在结构上，这些特征之中，许多是非常精细的，例如：层理、不均匀元素、孔隙特征和断裂等。举例来说，断裂的取向、密度及长度在储存岩层(reservoir rock)的动态特征中起到主要的作用。
多年来，只能通过分析钻孔时所取得的钻探岩芯来确定这一类精细的特征。但是获取这样的岩芯是一种极其昂贵的技术。这种技术的采用依然是较为非同寻常的。
授予Ekstrom等人的专利(专利序号：EP-0110750)或相应的美国专利(专利申请序号：4,567,759)描述了一种产生钻孔壁图像的技术。该技术的要点在于：在固定的时间间隔里产生特征信号，该特征信号代表钻孔壁的某一特征的一个具有高空间分辨率的测量值；测量钻孔的深度，特征信号以与特征信号的空间分辨率为同一数量级的精度与该深度相关联；以及将代表特征的信号转换成钻孔深度的线性函数，同时将色标与被转换的信号的数值相联系以便形成可视图像。
更具体地说，该成像技术可用例如授予Gianzero等人的专利(专利申请号：EP-0071540)或其相应的美国专利(专利申请序号：4,468,623)中所述的用于调查地层电阻率的测井具来实施。这种测井具能探测特征，具有毫米级分辨率。该类型的测井具有一系列控制电极(也称为“电钮”)位于压着钻孔壁的导电基座(conductivepad)上。一个恒流源向每个电钮和基座的导电表面施加电压，如此，测量电流垂直于钻孔壁地注入到地层里。通过紧靠该表面的电极，或在该测井具的其它部件上的电极，为电流提供回程。该基座沿着钻孔移动，而与每个电钮相关的离散电流(discrete current)与面对这些电钮的材料的导电率成正比。
在EKstrom等人的美国专利(专利申请序号：4,567,759)的应用中，通过排除诸如测井具速度变化和由于测井具的环境变化而造成的干扰这一类影响，信号被改进并加以放大和显示，使之接近于产生钻孔内部的可见图像。
在过去几年里，该成像技术应用在采用导电钻探泥浆(如水基泥浆(water-base mud)或水中含油的乳化泥浆(oil-in-wateremulsion type))钻孔方面时，取得了极大的成功。但是，在诸如油基泥浆(oil-base mud)或油中含水的乳化(water-in-oil emulsiontype)这一类泥浆具有连续的非导电相的情况下，所得到的图像质量非常差。这些较差的结果一般归因于，非导电泥浆层的存在或者电钮与被测地层之间夹有泥浆层和泥浆饼所造成的干扰。由于泥浆层的厚度特别与钻孔壁的粗糙度成函数关系地变化，结果产生的电流变化能够完全遮盖因被测地层带来的任何电流变化。
其它技术描述了在非导电泥浆中的测量，其中，美国专利(专利申请序号：6,191,588)公开的一种探测地层导电率的测井具采用了一个非导电基座和多个电钮。该电钮形成电压电极以代替美国专利(专利申请号：4,468,623)中所述的电流电极。电流注入电极设置在基座之外，或者在一种优选变形例中直接设在基座的端头。不管怎样，两个注入电极设置成使电流与基座基本平行地流过地层，从而最好相互基本垂直地流向岩层边界。在这样的条件下，两个电钮间的电位差与面对电钮的材料的电阻率成正比。
上述美国专利(专利申请号：6,191,588)建议采用直流电(DC)或很低频率的交流电(AC)，以使基座的电阻率比钻探的泥浆的电阻率要大得更多。但是，在实践中，存在因使用直流电(DC)而引起(特别是由于地层中所形成的自发电压)噪音的问题。另外，泥浆的电阻率限制了注入电流量。因而，在两对电钮间测得的电位差是非常小的，所以很难测量。
最好能以较高的频率(例如几千赫兹数量级)的交流电(AC)工作。遗憾的是，在这样的频率下，基座的性能象电介质，其有效导电率与泥浆的导电率相似。这就造成基座两端的阻抗与泥浆层两端的阻抗为同一数量级。在这样的条件下，电钮对之间的电位差与其说表征了面对电钮的地层的电阻率，还不如说表征了电流电极间所加的电压差。因此，测井具不能使用。
PCT专利申请(专利申请序号：WO 01/77710)描述了对美国专利(专利申请序号：6,191,588)所公开的测井具的改进，以使其能够在高于1000Hz的频率的交流电(AC)下使用。因此，本专利申请提供一种探测地质地层中钻孔壁的测井具。该测井具有一个非导电基座，在靠近该基座的端头装有一个交流(AC)源电极和一个电流返回电极，而在该基座的中部有一个电压差测量电极对(dV)的阵列。与每对dV电极相对的地层的电阻率可用以下公式计算：
ρ＝k·dV/I
式中：ρ为电阻率；k为几何因数；dV为一对电极间的电压差；I为地层中电流。
为了保护dV电极不受绝缘基座中和非导电液体中形成的电场的影响，绝缘基座后面设有一块导电的后挡板。该挡板与正面(frontface)平行并覆盖电流电极之间的大部分区域。在本发明的一个特别优选的变形例中，该基座的导电部分接地，或更确切地说，该基座的导电部分放置在与地质地层相同的电位上。在这样的条件下，测量电极确实在测量面对它们的地层的电位，即使在基座倾斜时，也就是说，在地层与源电极之间的“挡开”距离和地层与返回电极之间的挡开距离不同时。
该测量的主要的限制在于，基座必须靠近钻孔壁，特别是在低电阻率地层中。否则，电压差(dV)测量值对钻孔液体中和基座中所产生的电场敏感而不是对地层中所产生的电场敏感。例如：在电阻率为0.1Ω·m地层中，最大挡开距离约为5mm，而在电阻率为100Ω·m地层中，最大挡开距离约为15mm。结果，当钻孔粗糙时，图像会因读出值不正确而受到破坏，变得不可解释。
为了克服这个问题，提出了一种屏蔽电压测量电极使之不受基座中由电流注入电极所产生的电场影响的改进方法。屏蔽层与基座的外表面同平面或几乎同平面。
由于这些具体的特点，依据上述方法的装置使得在非导电泥浆钻井中精确电阻率测量成为可能，甚至在因厚泥饼或地层壁粗糙不平而使基座不能紧紧地压住地层壁时。由于屏蔽层的作用，基座中的电场被消除或几乎被消除。在基座与钻孔壁之间的泥浆中，同样在靠近测量电极处电场急剧减小。这样，泥浆中等电位曲线几乎仍然垂直于地层壁。因此，这些测量电极的电压仍然接近地层中的电压。
在一实施例中，基座本身就是屏蔽层，所述基座由导电材料制成。这种情况下，基座中的电绝缘嵌入物在各源电极、返回电极和测量电极周围排列。
在第两个实施例中，基座由非导电材料制成，而屏蔽层包含一些排列在该基座的内侧面的导电薄层。这样，所述导电薄层与所述基座的外侧面几乎齐平。
虽然上述测井具能够提供用非导电泥浆钻探的钻孔图像，但是，它们是钢绳测井具，不适于一边钻探一边测井的应用。因此，存在对用非导电泥浆钻孔时钻孔成像测井具及其方法的需求。
发明内容
本发明的一个方面涉及探测采用非导电泥浆钻探的钻孔壁的电阻率测井具。该电阻率测井具包括：一个适于装在边钻边测的测井具总成内的测井具本体；一个设置在测井具本体上的电阻率传感器，其中包括一个传感器基座，用来支撑一个电流注入电极、一个电流返回电极以及一组测量电极；以及一个用来控制电流注入电极的电流注入和测量该组测量电极中各电极之间的电压差的电路，其中，测量电极的阵列设置在电流注入电极和电流返回电极之间，传感器基座由一种绝缘材料构成并包含一个导电构件。
本发明的一个方面涉及探测采用非导电泥浆钻探的钻孔壁的电阻率测井具。该电阻率测井具包括：一个适于装在边钻边测的测井具总成内的测井具本体；一个设置在测井具本体上的电阻率传感器，其中包括一个传感器基座，用来支撑一个电流注入电极、一个电流返回电极以及一组测量电极；以及一个用来控制电流注入电极的电流注入和测量该组测量电极中各电极之间的电压差的电路，其中，测量电极的阵列设置在电流注入电极和电流返回电极之间，传感器基座由一种绝缘材料构成并包含一个导电构件。
本发明的其它方面和优点将由以下的说明和所附的权利要求书明显给出。
附图说明
图1是表示地层微电子测量被偏置的原理的示意图。
图2表示用于模拟地质地层中电场的地质模型。
图3包括两个曲线图(图3A和图3B)，其中绘出了基座测量电极间电压差作为图2模型的函数的计算值的曲线，图3A是基座平行于钻孔壁时的曲线，图3B是基座略微倾斜于钻孔壁时的曲线。
图4表示本发明的一变形例，其中有一块导电板将基座再细分成隔间。
图5表示一种现有技术的钻孔系统。
图6表示电阻率传感器，该传感器有一个设在本发明一实施例的一个测井具本体上的绝缘基座中的导电构件。
图7表示电阻率传感器，该传感器有一个设在本发明另一实施例的一个测井具本体上的导电基座。
图8表示电阻率传感器，该传感器有一个设在本发明另一实施例的一个测井具的本体上的导电基座。
图9表示用本发明的一个电阻率传感器注入电流到地层的两个电流通路。
图10A和图10B表示使用本发明一实施例的测井具时防止测量电流通路短路的方法。
图11a-11e表示本发明一些实施例的测量电极的配置。
图12A和图12B表示设有可与本发明传感器一起使用的可展开(deployable)基座的Power DriveTM测井具。
图13表示一例与本发明一实施例的一传感器一起使用的一个非转动套筒。
具体实施方式
本发明的一些实施例涉及在采用非导电液体钻探的钻孔中应用电阻率测井的地层成像的装置和方法。本发明的一些实施例的测井具可以包括在随钻杆柱(drill string)一起旋转的底孔(bottom-hole)总成上的传感器。另外，本发明一些实施例的测井具也可以包括钻探时保持与钻孔壁接触的在非旋转套筒上或在基座上的传感器。在本说明书中，油基泥浆(OBM)一般用来指非导电泥浆，包括油基泥浆(oil-base muds)或油中含水乳化泥浆(water-in-oil emulsiontype)。
电阻率测井具能够以电偶极子(通常采用金属电极)或磁偶极子(通常使用感应线圈或甚高频谐振腔)为基础。本发明的一些实施例涉及采用金属电极的传感器或测井具。Tabanou等人的并已转让给本发明受让人的同时待审的美国专利申请(专利申请序号：60/511467，题目：“采用油基泥浆钻井的成像测井具与方法”)公开了基于用油基泥浆钻探的钻井中钻孔成像用的电偶极子的测井具和方法。Homan等人的并已转让给本发明受让人的另一同时待审的美国专利申请(专利申请序号：10/812369，题目：“油基泥浆电阻率成像器(imager)、磁倾角测量仪(dip meter)和断层成像”)公开了基于用油基泥浆钻探钻井中钻孔成像的电磁感应用的测井具和方法。
图5所示的是一个边钻边测系统(LWD)。该系统可以和本发明各实施例一起使用。如图所示，一个典型的LWD系统包括井架10，放置在井身11的上方。一个钻具总成包括一个钻杆柱12和钻头15，设置在井身11的上方。钻杆17与钻杆柱12的上端相接，钻杆17的转动带动钻杆柱12和钻头15的转动。钻杆17通过与转台16或钻架10的类似结构部件啮合而转动。吊钩18通过旋转接头19与钻杆17相连。
钻探液体存储在液槽27里。泥浆泵29泵压钻探液体经钻杆柱12的中心向下流动。在环流过钻头15之后，钻探液体向上环流过井身11和钻杆柱12外侧之间的环形间隙。钻探液体的流动，不仅能润滑并冷却钻头15，还将钻头15所切割下来的岩屑提到表面以便收集和处理。
如图所示，一个测井具14接到钻杆柱12上，该测井具14测得的信号可以被传送到表面计算机系统13或存储在测井具14机内的存储器里(图中没有显示出)。测井具14可以包括一个或多个用于测井成像的本发明的电阻率传感器。
另外，本发明的传感器也可以包括在一个或多个基座、叶片或稳定器(或定心器)28上面，它们与为减少作业时测井具的摆动而使用的那些装置类似。基座或稳定器可以随着或不随着测井具转动。如果基座或定心器随着测井具转动，一套传感器就能足够地产生整个钻井图像。如果基座或定心器不随着测井具转动，那么，定心器(或其上的肋条)上就需要多套传感器才能对钻孔有更大的覆盖。
不论是装在BHA的旋转子部件上，还是装在非旋转套筒上，本发明的传感器基于与授予Chen的国际专利申请(专利申请序号：PCT/US99/14420)或美国专利(专利申请序号：6,191,588B1)中公开的传感器相同的原理。图1所示即为这样的一个实施例。
图1是表示国际专利申请(专利申请序号：PCT/US99/14420)中所述的成像技术方面的电气测量所依据原理的示意图。那种测井具特别适合于探测采用非导电钻探泥浆(例如：一种钻探液体，其液相在本质上是由油(柴油或合成油)或由油中含水乳化液构成)钻探的钻孔壁。以下所用的名称“油基泥浆”是指上述类型中的一种钻探液体。钻探泥浆沿着钻孔壁2形成泥饼1。
探测钻孔壁的测井具有一个由绝缘材料构成的基座3，该绝缘材料例如是一种强度高、热稳定性和化学稳定性高的陶瓷或聚合物，特别是聚亚芳香乙醚甲酮型(聚醚乙醚甲酮，即PEEK)。
基座的作用是支撑两个电流注入电极：源电极4和返回电极5。如基座的正视图中所清楚地看到的那样，这两个电极设置在基座的相对的两端，并占据基座的整个宽度，或至少这两个电极占据大部分基座宽度，以使得这些电流注入电极的表面区域最大。基座的中心部分有二行测量电极6。在图示的情况中，基座有5对测量电极。基座具有能使测量电极6稍微向后设置的形状。这样，在基座压着钻孔壁时测量电极不会直接与地层接触。应该看到，在岩石多孔时，这种优选形状是不必要的。因为在这样的情况下，采用油基泥浆钻孔会产生泥饼，而该泥饼的电阻率大于地质地层的电阻率，同时这种泥饼总是介于测量电极和地质地层之间，从而避免了测量电钮与岩石接触而发生短路。
如图1所示，地层中测量电极所测量的各个区域取决于二行测量电极之间的间隔(spacing)。因此，由这种测井具产生的钻孔图像的分辨率取决于电极间隔。本发明各实施例可以具有的测量电极间隔约为1英寸，电极间隔范围约为0.2英寸到2英寸。
在直流电(DC)或频率低于约100kHz的交流电(AC)条件下，地质地层的电阻率范围一般为0.1Ω·m到10,000Ω·m，而油基泥浆的电阻率范围约为0.1MΩ·m到10MΩ·m。在这样的条件下，如果通过电流注入电极4和5将电流注入到地层，同时测量电极被非导电基座绝缘，那么，应用欧姆定律可以看到，位于一对测量电极之下的地层的电阻率p等于这两个电极之间的电压差δV与电流密度J的比率。换句话说，地层的电阻率可以由以下等式求出：
p＝δV/J＝k·δV/I
式中：k为几何因数。
如果注入电流是频率足够高的交流电(频率大于约1KHz)，基座就不能被看作是最佳的绝缘体了，相反地必须看作是浸在介质媒体(即油基泥浆)中的电介质。例如：在电流的频率约为10KHz条件下，在基座的相对介电常数大于2时，基座能足够使其两端的阻抗与泥浆两端的阻抗为同一数量级。聚亚芳香乙醚甲酮型聚合物的相对介电常数约为3，与其它普通材料相比，这个数值是非常小的。因此，改变材料不是解决的办法。
为了更好地了解这种电介质性能的作用，与地层接触的基座已被模型化。图2示出了所用的模型。该模型包括一层淀积在长2m厚1m的岩石上的厚度为5mm的泥浆。基座放置在该模型的中心部分，其本身被模型化为长300mm厚12.5mm的矩形体，带有长40mm、厚5mm的电流注入电极和各自长5mm厚、2.5mm的一对测量电极。基座用金属臂连接到测井具的剩余部分(remainder)。该模型特别忽略了将基座与处理信号的电子装置相连接的那捆电线。
基座也可配有一块由金属制成的导电背板，具有“浮动”或者与岩石(接地)相同的电位。
在电流频率为10KHz时，上述材料的导电率表示如下：
  导电率(σ+jwεSm-1)
  实部   虚部   εI
  泥浆基座(PEEK)岩石(数量级)金属件   1×10-6010-0.00011×106   2.81×10-61.8×10-6～2×10-60   53.2～3-15-
研究中的油基泥浆是水油比率为10∶90的油中含水的乳化液，油是n-烯族烃型合成油。
图3中绘出了根据这一模型算出的两个测量电极之间电位差的一些值，两个测量电极之间电位差与岩石的电阻率Rt成函数关系。图3A的假设条件是，基座恰好与岩石平行并且离开岩石的均匀“挡开”距离为5mm；图3B的假设条件是，基座稍微倾斜并且基座与岩石之间的挡开距离在2mm-5mm范围内变化。
在没有背板的情况下(各数值用三角形表示)，只要地层的电阻率小于约100Ω·m，信号就几乎恒定不变，所以注入电极的交流频率为10KHz时测井具就不可用。
在背板的电位是左浮动(各数值用平方表示)的情况下，在基座与岩石平行时，测量电极之间电位差显示出与电阻率成正比。但是，当基座相对于岩石倾斜时，就如不带背板的基座的情况，对于电阻率小于100Ω·m的地层，信号几乎恒定不变。在背板接地(即背板的电位与岩石的电位相同)的情况下，对应于的用圆圈表示的各点，信号确实显示了地层的电阻率的特性，即使基座稍微倾斜，就如经常在钻孔中发生的那样。
因此，可用各种方法将背板接地。举例来说，最简单的方法是将背板接到测井具上，该测井具本身通过其所悬挂的那根电缆接地。该电缆可能穿过数千米的地层。
另一种解决办法是，使用一种电子电路求出全部的测量电极对所测得的电位值的平均值，根据该平均值估算地层的电位。
也可以直接测量该地层电位，例如通过另外增加的电极(大的电极更好)围住该组测量电极对，然后，通过一个合适的电子电路将背板维持在所述电位上。
如图4所示，在本发明的一个特别优选的变形例中，导电的背板上有附加件，将测量电极区域与包含注入电极的两端区域隔开。采用这样的设计，在保持与地质地层的电阻率成正比的信号同时，两个注入电极之间的最小距离可减小大约20％。
为了改进对测量电极的屏蔽使其不受电流电极的影响，一种方法需要在注入电极和测量电极之间区域中将屏蔽层设置在更靠近基座外侧面的位置。因此，该屏蔽层被设成与基座外侧面齐平或几乎齐平。这样做时，基座中产生的电场被消除(参见具有导电基座的实施例)或者几乎被消除(参见具有非导电基座的实施例)。而且，在基座外侧面和测量电极附近的地层壁之间，电场几乎被消除。所以，泥浆中的等电位曲线在测量电极附近几乎垂直于钻孔壁(进而垂直于基座外侧面)，这就确保所述电极处的电位依然保持接近于地层中的电位。
第一实施例包括一个导电金属基座结构，该结构在源电极、返回电极和测量电极周围有绝缘嵌入物。因此，在本发明装置的本实施例中，正是导电基座本身将测量电极屏蔽。
导电基座90被保持在接近测量电极前的地层的电位上。例如：在一个优选的做法中，基座被加到测量电极6前的地层的被测电位上。如国际专利申请(专利申请序号：PCT/EP01/03718 A1)中所述，由一电子电路(未图示)求出全部测量电极所测得的全部电位值的平均值。
第二实施例包括一个由绝缘材料制成的基座和由导电薄层(如金属片)构成的屏蔽层。为了不减弱，可将屏蔽薄层的外侧部分模塑在基座内。或者，导电薄层可同时设置在基座的内侧面和外侧面。
图6是传感器的一实施例的示意图。该传感器有一个绝缘面和一个导电背板。该导电背板设置在LWD测井具上。如图所示，本发明的一实施例的传感器300设置在一个转动的测井具总成310上。该传感器300包括一个电流注入电极301、一个电流返回电极302和一个测量电极阵列303。所有这些电极都设置在一个绝缘基座304上。此外，一导电屏蔽层(或导电背板)305设置在这些电极的后面，但是用一绝缘层或腔体307与该导电的测井具总成310隔离。传感器300可以任选地在电流注入电极301和测量电极303之间和/或在电流返回电极302和测量电极303之间包括屏蔽层306。如图3A和图3B所示，这些导电屏蔽层305和306能够减少绝缘基座304中感应的电位，使得测量电极的测量值与地层的电阻率更加有关。
此外，该导电屏蔽层(或导电背板)305可以通过导电连接件308“接地到”地层的电位。正如以上参照图3A所指出的，将导电屏蔽层(背板)保持在与地层相同的电位上，会减少由于传感器两端挡开距离不等而产生的不良影响。本领域普通技术人员应知道，可以用各种方法将该导电背板的电位保持为接近或等于地层的电位。如以上所指出，背板可以通过钻杆柱接地。在另一方法中，可以估计或者确定地层电位，主动地将背板的电位保持得与地层的电位基本相同。另外，也可以用一导电连接件让导电背板直接与地层“接触”，即被动地使导电背板接地。在这种情况下，最好该地层“接触”点靠近测量点，这样，导电背板的接地电位就与测量电极前的地层的电位基本相同。就钢绳测井具来说，该被动接地方法是不可行的，因为钻孔壁往往有将该地层绝缘的泥饼。但是，在LWD应用中钻孔是刚刚钻探的，在钻孔壁上很少或没有泥饼。所以，仅仅接触钻孔壁就能取得有效的接地，而这种接触的力在钻探时可比钢绳测井时用得大些。
就LWD环境中机械阻力来说，最好的做法是使用金属基座。图7是本发明另一实施例的传感器示意图，该传感器设置在金属基座上，但是与该金属基座绝缘。该金属基座除了提供机械强度之外，还起着上述导电背板的作用。这种配置消除了对单独导电背板的需求。如图所示，传感器400包括一个电流注入电极401、一个返回电极402和一个测量电极阵列403，所有这些电极都设置在一个导电基座405上。但是，所有这些电极通过其周围的绝缘嵌入物404与导电基座405绝缘。
传感器400及其导电基座405一起设置在测井具总成410的腔体中。导电基座405通过一绝缘薄层(或一层绝缘材料)407与测井具总成其剩余部分分绝缘。导电基座405可通过一导电连接件408“接地”或保持在与地层相同的电位上，该导电连接件408可被连接到一个电路上，该电路能在导电基座405上保持选定的电位或被动地将导电基座405接地到地层上。
图8表示图7所示的传感器的一个变形例。如图所示，传感器500包括一个电流注入电极501、一个返回电极502和一个测量电极阵列503，所有这些电极都设置在一个导电基座505上，但通过绝缘嵌入物504与导电基座505绝缘。传感器500设置在钻探部件501的一个腔体中，没有设绝缘薄层。所以，导电基座505与测井具总成510电连接，无需导电连接件将导电基座505接地。
以上各例用图说明了本发明各实施例的传感器。这些传感器与测井具本体或钻杆柱绝缘。但是，这些传感器的背面包括导电构件，它们可以是一个绝缘基座中的导电背板或者是该导电基座本身。导电构件最好保持在与测量电极前的地层基本相同的电位上，或者接地到测量电极附近的地层上。
影响测量电极效率的另一因数与电流通路有关。注入地层的电流在测量电极前流过，而不是流过导电钻杆柱或测井具本体。图9表示注入电流流回返回电极的两条传导通路。如图所示，测井具总成601有一个本发明传感器600，压向地层620。从电流注入电极601注入的电流能够通过通路A流回到电流返回电极602，或者通过通路B流回到返回电极602。应当指出，这两个通路A和B仅用于说明，无意用来限制本发明的范围。
如图9所示，电流经由通过测量电极603前的通路A流回来，使测量电极603能取得有关其前面的地层电阻率的信号。可是，通过通路B流回来的电流没有在测量电极603前面流过。所以，通过通路B流回来的电流不在测量电极603上产生地层信号。因而，必须设法减少或消除由通路B造成的短路。
图10A表示本发明的一个可防止导电测井具本体或导电基座将正常的电流通路A短路的实施例。同时，测井具本体和导电基座被允许在靠近测量电极的部位接地到地层电位。如图所示，导电测井具本体(或钻杆柱)710和导电基座704(如果使用的话)，不接触地层。代之以挡开箍(stand-off bands)711和712接触钻孔壁。挡开箍711和712中至少有一个最好由导电材料制成以提供导电连接，从而使导电基座704(或背板)能够保持基本与地层相同的电位。如果两个挡开箍711和712都是导电的，触点将使电流能流过通路B。本例中，最好挡开箍711和712之间的距离至少为导电基座长度的二倍，如此，流过通路B的电流可能会显著小于流过通路A的电流。
图10B表示图10A所示的实施例的另一个可供选择的实施例。如图10B所示，测井具本体710中设有凹座750。这样，基座704与各电极均不直接与钻孔接触。当该测井具压上钻孔壁时，基座704和钻孔壁之间仍然有一层非导电泥浆。所以，只有凹座以上和以下的部分才与钻孔壁接触而形成接地。值得注意的是，相对于基座704的长度，凹座750的顶缘751和底缘752应该很大，以使所需电流(如图10A中通路A所示)的短路减少到最低的程度。本领域普通技术人员应知，可能存在图10A和图10B所示实施例的变形。例如：图10B所示实施例的另一可供选择的实施例，可以是在图10B所示凹座中包括一种绝缘材料。
Cheung等人的与此有关的美国专利申请(专利申请序号：2003/0173968A1)公开了在传感器和钻孔壁之间设置一层非导电泥浆时精确地获得地层电阻率的各种方法。该申请已转让给本发明的受让人，本通过全面参照而包含其内容。
本发明的一些实施例中，在测井具总成的旋转部件上设传感器。如果传感器随着测井具旋转，那么钻孔图像用单个传感器就可以取得。该传感器包括一对(或多对)测量电极(如图1中6所示)。本发明的一些实施例中，在测井具总成的非旋转基座上设传感器。如果传感器设置在非旋转基座(或肋条)上，那么几个传感器应设置在测井具本体四周所排列的基座上。为了作出钻孔图像，可以用已知的常规方法确定传感器的取向(方位角方向)和测量深度。
不论是设置在测井具可旋转部件上还是不可旋转部件上，本发明的传感器上可以按不同方式来配置测量电极。图11a-11e表示可以与本发明的传感器一起使用的测量电极的五种不同配置方式。图11a所示是简单的双电钮配置，其中包括电钮a1和a2。这种配置只能测量“明显”垂直的电场，不能提供足够的可从中得到电场的实际方向和大小的信息。
为了探测电场的大小和方向，需要两个以上的电钮电极。最好经排列，这些电极提供如授予Chen的美国专利(专利申请序号：6,191,588 B1)所公开的基本相互垂直方向上的测量值。图11b是包括四个电极的配置图。一对电极b1和b2用来测量垂直方向上的电场(δVV)，而另一对电极b3和b4用来测量水平方向上的电场(δVH)。应注意，这里所用的垂直和水平方向仅用于图示说明。本领域普通技术人员应知道，这些方向可与实际的垂直方向和水平方向不一致。相对值δVV和δVH是实际电场方向和大小的函数。因此，电场的方向和大小可从δVV和δVH的测量值导出。
图11c表示三个电极c1、c2和c3布置成用来提供δVV和δVH的测量值的配置方式。应注意，由图11c所示的传感器所取得的δVV和δVH测量值的平均值位置是不同的。垂直测量值δVV在水平方向上移过一半电钮间距的位置上取得，而水平测量值δVH在垂直方向上移过一半电钮间距的位置上取得。因而，在各优选实施例中，需要将用来重构钻孔图像的各δV/I值在测量深度和方位角上偏移。因此，与图11b所示的传感器相比，图11c的传感器较少被选用。但是，因为电极间距小于或等于一英寸时，测量值还是可以使用而无需纠正位置偏移，所以，在某些应用中位置偏移可加以忽略。
图11d表示其中四个电极d1、d2、d3和d4提供垂直方向上的两个测量值δVV1和δVV2和水平方向上两个测量值δVH1和δVH2的配置方式。测量值δVV1和δVV2可用来计算垂直方向的平均测量值：δVV＝1/2(δVV1+δVV2)。同样，测量值δVH1和δVH2可以用来计算水平方向的平均测量值：δVH＝1/2(δVH1+δVH2)。如图11d所示，计算得到的δVV和δVH的平均值位置位于四个电极所组成的矩形的中心。因此，这种传感器配置提供与图11b的传感器配置相同的结果。
图11e是另一种传感器配置。在该配置中，三个电极排列成一个三角形(最好是一个等边三角形)。就这种配置来说，通过对角电极对e1和e2和对角电极对e3和e2分别求得测量值δVV1和δVV2，再求这两个测量值δVV1和δVV2的平均值，从而求得垂直测量值δVV，即：δVV＝1/2(δVV1+δVV2)。水平测量值δVH可以由电极e1和e3求得，或根据由对角电极对所求得的两个测量值(δVV1和δVV2)的差值求得，即：δVH＝δVV2-δVV1。值得注意的是，δVV和δVH的平均值位置不相重叠，水平测量值δVH在垂直方向上移过一半电钮间距的位置上求得。因此，需要将重构钻孔图像所用的各δV/I值在测量深度上偏移。但是，在某些应用中，位置偏移可被忽略。
如上指出，本发明的传感器可以设在测井具总成的旋转部件上，最好设置在孔底总成的活节基座(articulated pads)上。这些活节基座能将传感器压向钻孔壁，以使测量更为方便并使测井具的挡开影响降到最低程度或被消除。可展开基座(deployable pads)已广泛地用在钢绳测井具中，以使测井具的挡开程度最低，并最大程度地保持传感器与钻孔壁接触。由于在钻孔中遇到了苛刻的条件，在LWD或MWD测井具中很少使用可展开基座。最近，在LWD测井具中所应用的可展开基座方面已取得某些进展。本领域普通技术人员应知，本发明的传感器可与任何可展开基座(不论是目前已知道的，还是还没有开发的)一起使用。
位于得克萨斯州休斯敦的Schlumberge技术公司(SchlumbergerTechnology Corporation(Houston TX))最近推出的PowerDriveTM测井具上可以发现一个可展开基座的例子。PowerDriveTM测井具包括一些液压控制基座。通过推进钻头的机构，该基座可用来控制钻头。图12A是装有三个PowerDriveTM基座91的套管(collar)的剖面图。这三个PowerDriveTM基座91设置在正在对钻孔95进行钻探的PowerDriveTM测井具上。该PowerDriveTM测井具上的可展开基座用来包容测量地层性质的传感器。例如：图12B表示设在一个PowerDriveTM基座上的本发明一实施例的传感器。
Homan等人的与此有关的美国专利申请(专利申请序号：10/605200)公开了可展开基座的另一个例子。该专利申请公开了LWD或MWD的测井具中所使用的压力补偿基座(类似活塞的机构)。这些可扩展的基座还可以与本发明各实施例一起使用。应指出，本发明各实施例不受可展开基座之类型的限制。
如上指出，本发明的一些实施例包括上述的设在测井具总成上的一个非旋转套筒(基座)上的传感器。例如：授予Ciglence等人的美国专利(专利申请序号：6,230,557 B1)公开了把压力测量传感器包括在非旋转套筒上的装置和方法。该专利转让给了本发明的受让人，本申请通过全面参照而包含该专利。
图13表示一例包括本发明传感器的非旋转套筒。如图所示，非旋转套筒1000包括许多稳定器叶片1016和一片或多片肋条1014。本发明的传感器可设在肋条1014上。如该例所示，绝缘基座1004设置在该肋条1014上。电流注入电极1001、电流返回电极1002和一部分测量电极1003设置在该绝缘基座上。肋条1014可以包括活节机构(图中没有示出)以使肋条压着钻孔壁。该活节机构可基于液压力、弹簧力等起作用。其它非旋转套筒/基座的例子可以在授予Fredericks等人的美国专利(专利申请序号：6,564,883)、授予Evans等人的美国专利(专利申请序号：6,600,321 B2)和授予Thompson等人的美国专利(专利申请序号：6,173,793)中找到。
本专利技术方面任何已知的机构可以使非旋转基座或套筒基本不旋转。例如：以机械力(如弹簧力)或液压力为作用力的一个活节机构可以使基座顶向钻孔壁。基座与钻孔壁之间的摩擦力使基座不旋转(或能基本上减少旋转)。另一种方法是，给予基座一个速率与测井具旋转速率大体上相同而方向与测井具旋转方向相反的旋转，就能使该基座基本上不旋转。例如：可用泥浆电动机实现这种“反向旋转”。
本发明的优点可包括以下的一项或多项。本发明各实施例可用来在采用非导电泥浆钻探时进行测井成像。本发明的电阻率传感器包括导电背板或屏蔽层或导电基座，以减少使用较高频率时来自注入电极的干扰。而且，导电背板或屏蔽层或导电基座最好保持在一个基本与测量电极前的地层相同的电位上，以使因挡开距离不均匀而造成的不良影响降低到最小程度。本发明的传感器可用在测井具总成的旋转件上或非旋转件上。
虽然用数量有限的实施例对本发明作了描述，但是，本领域技术人员应该明白，得益于本公开能够设想出其它实施例而不超出本说明书所公开的本发明范围。因此，本发明的范围只受后附的权利要求书的限制。

Claims (23)

1.一种用于探测用非导电泥浆钻探的钻孔壁的电阻率测井具，其中包括：
一个适于装在边钻边测的测井具总成内的测井具本体；
一个设置在测井具本体上的电阻率传感器，其中，所述电阻率传感器包括一个用来固定电流注入电极、电流返回电极以及测量电极阵列的传感器基座；以及
一个用来控制来自所述电流注入电极的电流注入和测量所述测量电极阵列中各电极间电压差的电路，其中，所述测量电极阵列设置在所述电流注入电极和所述电流返回电极之间，所述传感器基座由绝缘材料构成并包括一个导电构件。
2.根据权利要求1所述的测井具，其中，所述传感器基座中的所述导电构件设置成具有与所述钻孔壁基本相同的电位。
3.根据权利要求1所述的测井具，其中，所述传感器基座中的所述导电构件被接地到所述钻孔壁的电位。
4.根据权利要求1所述的测井具，其中，所述电阻率传感器设置在所述测井具本体的一个凹座内，使得在所述测井具本体压着所述钻孔壁时所述电阻率传感器不与所述钻孔壁接触。
5.根据权利要求4所述的测井具，其中，所述凹座沿所述测井具本体纵轴的长度至少是所述传感器基座长度的两倍。
6.根据权利要求1所述的测井具，其中，所述测井具本体包括两个挡开箍，使得在所述测井具本体压着所述钻孔壁时所述电阻率传感器不与所述钻孔壁接触。
7.根据权利要求6所述的测井具，其中，所述两个挡开箍中至少一个由导电材料构成，为所述传感器基座中的所述导电构件接地到地层电位提供导电连接件。
8.根据权利要求1所述的测井具，其中，所述电阻率传感器设在测井具本体的可展开基座上。
9.根据权利要求1所述的测井具，其中，所述电阻率传感器设置在一个钻井作业时不随钻杆柱旋转的所述测井具本体的部件上。
10.根据权利要求1所述的测井具，其中，所述电阻率传感器设置在一个钻井作业时随钻杆柱旋转的所述测井具本体的部件上。
11.根据权利要求1所述的测井具，其中，所述测量电极阵列配置成在基本相互垂直的两个方向上产生地层电压测量值。
12.一种用于探测用非导电泥浆钻探的钻孔壁的电阻率测井具，其中包括：
一个适于装在边钻边测的测井具总成内的测井具本体；
一个设置在测井具本体上的电阻率传感器，其中，所述电阻率传感器包括一个用来固定电流注入电极、电流返回电极以及测量电极阵列的导电传感器基座，所述电流注入电极、所述电流返回电极和所述测量电极阵列与所述导电传感器基座绝缘；
一个用来控制来自所述电流注入电极的电流注入和测量所述测量电极阵列中各电极间电压差的电路，其中，所述测量电极阵列设置在所述电流注入电极和所述电流返回电极之间。
13.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述导电传感器基座设置成具有与所述钻孔壁基本相同的电位。
14.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述导电传感器基座被接地到所述钻孔壁的电位。
15.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述电阻率传感器设在所述测井具本体上的凹座内，使得在所述测井具本体压着所述钻孔壁时所述电阻率传感器不与所述钻孔壁接触。
16.根据权利要求15所述的测井具，其中，所述凹座沿所述测井具本体的纵轴的长度至少是所述传感器基座长度的两倍。
17.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述测井具本体包括两个挡开箍，使得所述测井具本体压着所述钻孔壁时所述电阻率传感器不与所述钻孔壁接触。
18.根据权利要求17所述的测井具，其中，所述两个挡开箍中至少一个由导电材料构成，为所述传感器中的所述导电构件接地到地层电位提供导电连接件。
19.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述电阻率传感器设置在测井具本体上的可展开基座上。
20.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述电阻率传感器设置在一个钻井作业时不随钻杆柱旋转的所述测井具本体的部件上。
21.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述电阻率传感器设置在一个钻井作业时随钻杆柱旋转的所述测井具本体的部件上。
22.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述测量电极阵列配置成在基本相互垂直的两个方向上产生地层电压测量值。
23.根据权利要求12所述的测井具，其中，所述导电传感器基座与所述测井具本体绝缘。
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