CN1721878A - 用于井配置和储集层特性的设备以及系统 - Google Patents

Abstract

一种具有模块化结构的电阻率阵列包括：具有至少一天线的发射器模块，其中该发射器模块具有位于两端并适于与其它井下工具连接的连接器；以及具有至少一天线的接收器模块，其中该接收器模块具有位于两端并适于与其它井下工具连接的连接器；并且在其中该发射器模块和该接收器模块在钻杆柱上隔开并被至少一井下工具分离。每个发射器和接收器模块可包括至少一磁矩取向不局限于该工具纵向的天线线圈。在该发射器和接收器模块之间的间距可根据预期的储集层厚度进行选择。

Description

用于井配置和储集层特性的设备以及系统

技术领域

本发明涉及地下勘探领域，更具体地说是涉及用来限定地下参数和井方位的技术。本发明一般应用于测井技术，但是本发明在随钻录井(LWD)、随钻测量(MWD)和定向钻井(大地操纵法)应用场合中特别有用。

背景技术

多种电磁(EM)测井工具已在地下勘探领域中使用多年。这些测井工具或者仪器各自具有一个装备着多根天线的细长支承物，所述天线可起到源(发射器)或传感器(接收器)作用。在这些工具上的多根天线通常被形成为导线的环或者线圈。在工作中，发射器天线由交流电供能以便通过钻探孔液体(“泥浆”)并进入周围岩层地发射EM能量。发射出的能量与钻探孔和岩层相互作用而产生信号，所述信号由或更多接收器天线探测出和测量。探测出的信号反映出与该泥浆和岩层的相互作用。测量结果还受泥浆渗漏侵入影响，该渗漏侵入改变井眼附近岩石的性能。通过处理探测出的信号数据，就能限定一个记录或者岩层轮廓和/或钻探孔性能。

测量所得地下参数的处理通过一种通常称之为倒置技术的方法来进行。倒置处理通常包括：对在测井仪器周围的地上岩层的几何形状以及岩层性能做出一个最初评定或者模型。该最初模型参数可出自此项技术中已知的多种方法。根据该最初模型计算出一个预期的测井仪器响应。然后将算出的响应与该测井仪器量出的响应进行比较。使用该算出响应和量出响应之间的差别来调整该原始模型的参数。调整后的模型被用来再次计算该测井仪器的预期响应。将用于该调整后模型的预期响应与量出的仪器响应进行比较，并使用它们之间的任何差别来再次调整该模型。这个过程通常被重复到该预期响应和量出响应之间的差别降落到一个预先选定阀值之下为止。美国专利No.6,594,584描述多种现代倒置技术，因此将其整个收复编于此作为参考。

由于LWD和MWD工具的有效性，使用电阻率测量结果的实时井布置已被该产业使用。这种应用通常被称之为大地操纵法。在大地操纵法中，实时钻探孔位置相对于已知地质标记的评定通过多项电阻率记录性能的相互关系来执行。由于通常沿着钻环紧靠安置一个LMD工具的电阻率传感器，只能获得受限制的径向电阻率，从而限制了岩层地质模型知识和评定的程度。只有在引入具有几十米发射器接收器距离的传感器情况下，才能获得一个较深的径向电阻率。

具有几十米发射器接收器大间距的Schlumberger超深电阻率(UDR)感应工具已成功地进行试验。该工具的一个应用场合是限定一个远离井道7-11米的油-水接触(OWC)位置。标题为“Method andApparatus for Measuring Resistivity of a Earth Formation”并授予Seydoux等人的美国专利No.6,188,222以及Seydoux等人的标题为“Systems for Deep Resistivity While Drilling forProactive Geosteering”的美国专利申请系列号10/707,985提供这些工具及其使用的进一步描述。该‘222专利和‘985申请被指派给本发明代理人并整个收编于此作为参考。

该LWD超深电阻率基本工具结构包括两个独立的钻探替代物(一个发射器和一个接收器)，它们布置在其它钻探工具中间的一个BHA中，从而提供大的发射器-接收器间距。用这个工具获得的基本测量结果由不同频率处的感应振幅组成，以便允许用具有宽广范围电阻率的电阻率对照物来限定不同岩层边界。该测量结果被用于对于一个最佳参数化岩层模型的倒置，从而在实际工具测量结果和该工具在这种岩层模型内预期测量结果之间给出最好的吻合。

图1表示在使用中的MWD工具实例。在图1结构中，钻杆柱10通常包括如图所示悬挂在钻过地上岩层9的钻探孔13内的传动钻杆8、多种长度的钻管11以及钻环12。在该钻杆柱下端的钻头14通过驱动轴15转动，所述驱动轴连接在钻探马达组件16上。这台马达由钻探泥浆提供动力，该泥浆循环流动，向下通过钻杆柱10的孔并经过钻探孔环状空间13a向上回到地面。马达组件16包括驱动钻头14和折曲外壳17的动力部分(定子/转子或者涡轮)，所述外壳在其弯曲位置形成小的折曲角度，从而使钻探孔13在该折曲角度平面内折曲并逐渐形成新的钻探孔斜度。该折曲外壳可以是具固定角度装置，或者可以是地面可调节组件。该折曲外壳还可以是如同美国专利No.5,117,927中披露的向下钻探可调组件，该专利被收编于此作为参考。作为替代，马达组件16可包括笔直的外壳并能与折曲替代物结合使用，所述折曲替代物是在本领域中众所周知的并布置在马达组件16上方的钻杆柱内以便提供该折曲角度。

在这个钻杆柱马达组件16上方是传统的MWD工具18，它具有测量种种向下钻探参数的传感器。钻探、钻头和地上岩层参数是由该MWD系统测量的参数类型。钻探参数包括该BHA的方向和斜度。钻头参数包括多种测量结果例如钻头上重量(WOB)、钻头上扭矩和驱动轴速度。而岩层参数包括多种测量结果例如天然伽马射线发射物、该岩层的电阻率以及表征该岩层的其它参数。由该MWD系统取得并表示这些向下钻井参数和特征的测量信号由发射器以实时方式遥控传送到地面，或者记录在存储器中以便在该BHA回到地面时使用。

尽管多种现有技术的深度读出电阻率工具(例如UDR)在大地操纵应用中被证明是非常宝贵的，其中仍留下一种需要：进一步改进能用于大地操纵和/或其它应用场合的深度读出电阻率工具。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种具有模块化结构的电阻率阵列。根据本发明实施例的电阻率阵列包括：具有至少一天线的发射器模块，其中该发射器模块具有位于两端并适于与其它井下工具连接的连接器；以及具有至少一天线的接收器模块，其中该接收器模块具有位于两端并适于与其它井下工具连接的连接器；并且在其中该发射器模块和该接收器模块在钻杆柱上隔开并被至少一井下工具分离。每个发射器和接收器模块可包括至少一具有磁矩取向不局限于该工具纵向的天线线圈。在多于天线的情况下，所有天线取向向量可以是线性独立的。如果和只有当水平连结该向量的组分构成的矩阵具有等于该向量数量的秩时，一组向量才是线性独立的。

本发明的另一个方面涉及电阻率工具。根据一个本发明实施例的电阻率工具包括：适于在钻探孔内运动的工具本体；以及安置在该工具本体上的至少三个模块(替代物)，其中该至少三个模块不是沿着该工具本体的纵向轴线相等地隔开，使得该至少三个模块的组合体包括不同间距的电阻率阵列。

本发明的又一个方面涉及电阻率工具。根据本发明实施例的电阻率工具包括：适于在钻探孔内运动的工具本体；电阻率传感器，它安置在该工具本体上并包括形成至少一阵列的多个模块；以及附加天线，它安置在该工具本体上并与该电阻率传感器沿着该工具本体的纵向轴线隔开，其中该附加模块和该电阻率传感器内的该多个模块之一形成具有大于大约90英尺间距的阵列。

本发明的另一个方面涉及多种记录同时钻井的工具。根据本发明实施例的记录同时钻井的工具包括：安置在钻杆柱一端的钻头；第一模块，它安置在该钻杆柱上并贴近该钻头或在该钻头内；以及至少一安置在该钻杆柱上并且与该第一模块隔开的附加模块；其中该第一模块具有至少一磁矩取向不局限于该纵向的天线，而且该至少一附加模块包括磁矩取向线性独立的三个天线。

本发明的又一个方面涉及用于岩层电阻率测量的方法。根据本发明实施例的一种用于岩层电阻率测量的方法包括：使用在电阻率阵列内的发射器天线将电磁能量发射到一个岩层内部，其中该发射用根据选定脉冲图表的多个频率来执行；以及用该多个频率中的每个频率探测出信号，该信号在与该电阻率阵列内的该发射器天线隔开的接收器天线内感应产生。

本发明的另一个方面涉及用来设计电阻率阵列的方法。根据本发明实施例的用来设计电阻率阵列的方法包括：估计储集层的厚度；以及在钻杆柱上安置发射器和接收器，使得在该发射器和该接收器之间的间距不小于估定的该储集层厚度。

阅读下面的说明书和所附权利要求会使本发明的其它方面更加明白。

附图说明

图1表示能与本发明实施例一起使用的现有技术钻探设备和钻杆柱。

图2表示根据本发明实施例的电阻率阵列。

图3表示根据另一本发明实施例的电阻率阵列。

图4表示用于10kHz振幅测量结果的勘测深度实例，该测量结果是用根据本发明实施例的不同发射器-接收器距离获得的。

图5表示根据本发明实施例的电阻率阵列。

图6也表示根据本发明实施例的电阻率阵列。

图7A和7B表示传统的现有技术振幅响应。

图7C和7D表示根据本发明实施例的振幅响应。

图8表示根据本发明实施例的定序方法。

图9表示根据本发明实施例的电阻率阵列。

图10表示根据本发明实施例的天线模块。

而图11A-11F表示带有本发明实施例电阻率对照物的平边界用不同测量结果。

具体实施方式

本发明的实施例涉及具有改进性能的电阻率阵列。某些本发明实施例涉及在岩层测定中使用这些工具的方法。本发明实施例可允许用于更复杂岩层模型(即具有参数的岩层模型)的倒置和/或可能改进电阻率测量结果倒置的强度(不限定性减少)。某些本发明实施例可增加岩层电阻率评定的适应性，其方法为，提供更多测量结果，而且每个测量结果对于不同岩层模型可具有不同的响应。

某些本发明实施例提供具有模块化结构的电阻率阵列。该模块化结构促进形成用于不同测量需要的不同工具结构形式。例如，用增大发射器、接收器组合体数目的方法(例如具有四个发射器和一个接收器从而形成四发射器-接收器阵列的实例)，能达到更大的勘测深度。

某些本发明实施例可包括天线，它们能起到收发机(即如同发射器加上接收器)的作用。这进一步提供工具结构形式的适应性。在这个器械中，对于同样数量的模块来说能获得更大数量的发射器、接收器组合体。还能以类似于由Minerbo等人发布的美国专利申请No.2003/0085707 A1的方式在不增大工具长度的情况下获得定向测量结果的对称性。

某些本发明实施例涉及在离开接收器较大距离(例如大于90英尺)处具有发射器替代物的多种工具，从而提供对于储集层复杂性的有选择灵敏度。这样一种实施例可具有放置在(远离)传统底孔组件外侧的单独提供动力的发射器替代物。

为了提供预测能力，某些本发明实施例涉及在钻头处或者其内侧，或者紧靠钻头布置发射器。这种实施例可能具有单独提供动力的系统以及数据传递能力。

某些本发明实施例涉及具有至少一放置在分离井或者钻探孔内的模块。

某些本发明实施例涉及使用对于预期岩层来说特定的测量频率的岩层电阻率评定方法。该频率范围例如可高达200kHz。

某些本发明实施例涉及具有现有LWD电阻率阵列的本发明组合模块。

某些本发明实施例涉及多种线圈结构，它们具有多个绕组以便允许同一天线用于宽广的频率范围。所述多个绕组可呈串联或并联连接。

某些本发明实施例涉及增强对于相位、相对相位和振幅以及相位改变和衰减(传播)的振幅测量结果，它需要一个替代物以便包括两根具有在十英尺范围相对较大间距的接收器天线。

某些本发明实施例涉及具有或不具有金属屏蔽件的定向天线(共同安置或十分接近)的器械。

工具模块性

某些本发明实施例涉及具有模块化结构的电阻率阵列。其中使用的“电阻率阵列”是一种结构形式，它包括至少一接收器模块以及至少一安装在钻杆柱不同位置处的发射器模块。该模块化结构允许发射器和接收器天线被布置在BHA内的不同位置，或者在BHA上方钻杆柱内的位置。例如，图2表示电阻率阵列，它包括布置在BHA内的其它LWD或MWD工具27、28、29、30之间的四个发射器模块21、22、23、24以及一个接收器模决25。借助于将发射器和/或接收器模块插在标准BHA上的不同位置，如图2所示，或者插在钻杆柱上，就能施行专门深度的勘测，从而最佳化使用这种深电阻率测量结果的岩层模型倒置过程。例如，在一个实施例中，发射器模块21可离开接收器模块25大约90至100英尺。此外，可将一个或多个模块放置在近处的钻探孔中以便提供大间距阵列。

上文提及的‘985申请披露一种可包括发射器和接收器模块的超深电阻率阵列。该‘985申请讨论勘测深度(“DCT”)以及一个发射器和相应接收器天线的间距之间的关系，其结果是该关系为较大间距导致DCT的相应增加。本发明已经发现该关系保持正确，然而增大该间距使一个接收器探出和耦合来自一个发射器的信号的能力复杂化。本发明实施例可在一个发射器或接收器模块内使用一种三轴向天线，其中该三轴向天线模块具有三个天线，它们具有沿着三个不同方向的磁矩。该三轴向天线模块会确保该三轴向天线的至少某些横向元件能与一个相应发射器或接收器的横向元件基本上耦合。使用一个三轴向天线收发机(或接收器)是有利的，这是因为在组成钻杆柱时，确保一个单独的天线发射器将与一个单独的天线接收器对准是困难的，而且该困难随着间距加大而增加。相反，该三轴向天线收发机(或接收器)会总是具有一个元件基本上与该电阻率阵列中一个相应接收器(或发射器)的磁矩对准。此外，该三轴向天线允许限定岩层特征例如倾斜角、各向异性和肩床效应。

图4表示用于10kHz振幅测量的勘测深度实例，所述测量是在存在带有1至10欧姆电阻率对照物的边界情况下用10，30，60和90英尺的发射器-接收器距离获得的。假定钻杆柱(因而电阻率阵列)平行于该边界并位于离开该边界不同距离处。如图4所示，10英尺阵列对于该边界不很敏感，它只在该边界附近表示一个轻微大小的改变。30英尺阵列比较敏感，它在该边界边表示一个明显转变。60英尺阵列更加敏感，它在该边界周围表示非常显著的电阻率转变。在这个发射器-接收器间距处，信号大小在离开该边界大约20-40英尺处开始改变。而在90英尺情况下，该信号大小改变甚至更为极度。显而易见，不同勘测深度的结合提供不同辐射距离处的地质岩层区别。该模块化结构易于成形用于不同阵列间距的工具。还有，使用或更多三轴向天线作为发射器和/或接收器加大可达到的间距，于是提供DOI的相应增加。

作为收发机的模块化替代物

某些本发明实施例涉及具有收发机天线的电阻率阵列结构。在这些工具中天线不是设计成分离的发射器或接收器。而是同一天线起到发射器或者接收器的作用。除了具有经济优势之外，这种增强用相同数量的替代物提供更大的勘测深度，如图3所述。

图3表示具有三个替代物41、42、43的工具组件40，这些替代物形成带有D和D×2间距的两个阵列。由于天线41和43能起到一个发射器或接收器作用，具有间距D×3的第三阵列也可由这个工具结构形式提供。然而，由于该收发机天线，在不必具有属于一个共用向下钻探工具的发射器和接收器两者的情况下也能执行定向测量。例如，一组对称测量结果可首先用作为发射器的天线41和作为接收器的天线43来获得，然后用作为发射器的天线43和作为接收器的天线41来获得。

作为发射器/收发机的遥控替代物

某些本发明实施例涉及具有天线替代物的多种工具，所述替代物远离其它BHA工具(例如接收器或发射器)布置。井通常具有限制BHA实际长度的弯处和折曲。因此，传统的电阻率工具不能具有比该BHA实际长度限制(大约150英尺)隔开更远的发射器和接收器。当在储集层内布置井通道而且该储集层具有超过标准钻探工具组件最大实际长度的厚度时这类工具不能提供可能需要的勘测深度。

图5表示结合本发明遥控替代物的电阻率阵列。如图所示，该电阻率阵列包括在该BHA内的传统UDR51。该UDR包括三个天线(发射器、接收器或收发机)52、53、54。还有，在该钻杆柱上，该电阻率阵列还包括遥控模块55，它包括发射器、接收器或者收发机。在遥控模块55内的该天线可与任一天线52、53、54一起使用从而形成具有大间距的阵列。借助于与该BHA内的其它传统电阻率工具一起使用遥控模块55，发射器-接收器距离(即阵列间距)能被设定为任何符合需要的距离。遥控模块55可独立地被提供动力。此外，遥控模块55可用例如无线遥测装置进行操纵。在一个实施例中，一个或多个钻环63可布置在遥控模块55和一个或多个天线52、53、54之间。

遥控模块55的位置可被选定以便相当于(或大于)储集层厚度。具有相当于(或大于)储集层厚度的阵列间距能提供明显优点，换句话说这些优点是传统电阻率工具不可能得到的。

例如，图7C和7D表示，该长阵列(其间距相当于该层厚130英尺)的响应十分简单并明显地表明该层边界在何处。这个超长阵列的响应(特别是在低频率时)是对该储集层内部复杂性不敏感的。相反，如图7A和7B所示，传统的现有技术电阻率阵列(其间距小于该层厚130英尺)的振幅响应对该层内部的电阻率变化比较敏感，但对层边界却较较少敏感。来自图7A-7D的结果表示，传感器距离(阵列间距)和工作频率可根据正在钻探的层的性能，例如预期层厚或者最低储集层电阻率和储集层顶盖、底面电阻率之比，有利地选定。

钻头处具有替代物的预测实例

某些本发明实施例涉及具有预测能力的电阻率工具。根据本发明实施例，替代物能以一种方式安置在贴近钻头处，所述方式类似于授予Schaff等人并转让给本发明受让人的美国专利No.6,057,784内描述的方式。该专利被整体结合于此作为参考。此外，还能把天线放置在可控制旋转的工具上或者直接放置在钻头内侧。借助于在该钻头处放置收发机，在每个发射器/接收器对之间的中间距离处取得的电阻率测量点移动得更靠近该钻头，因而在钻探的同时提供较快的反应时间。这种能力可以更早地实时作用以便根据地质状态进行井配置。然而，钻头预测也可能借助于使用延伸超过电阻率传感器对的工具响应尾部来获得。

图6表示本发明电阻率阵列实例。如图所示，电阻率工具70包括位于钻杆柱一端的钻头14。天线73(它可能是发射器或接收器天线)被安置在该钻杆柱的贴近钻头14处。此外，该电阻率阵列包括具有三个收发机模块52、53、54的UDR 51，这些模块能起到接收器或发射器的作用。在这个实例中表示三个收发机模块的同时，本领域普通技术人员容易看出，这种工具可具有更多或更少收发机模块。此外，接收器或发射器模块可更替一个或多个收发机模块。在一个实施例中，天线73可以是钻头14的一个元件。

根据某些本发明实施例，靠近钻头的天线73具有非纵向磁矩，也就是说，天线73的磁矩不是沿着与钻杆柱轴线平行的方向。天线73的非纵向磁矩确保天线73具有沿着横切方向(即垂直于该钻杆柱轴线的方向)的磁矩元件。此外，至少一收发机模块(例如52，53，54)包括三轴向天线，而且其中这三个天线具有沿着三个不同取向的磁矩。在某些情况下，该三轴向天线可具有沿着三个直角取向的磁矩。该三轴向天线模块会确保该三轴向天线的至少某些横向元件能与靠近钻头的天线73的横向元件基本上形成耦合。该靠近钻头的天线73可以是发射器、接收器或者收发机。通常，靠近钻头的天线73最好是发射器，这是因为接收器天线可能发出较高的电噪声，该噪声来自增大的震动和冲击或者来自可能出现的高功率旋转可控工具。其结果是，可能包括有动力控制元件的马达组件16能毁坏接收器天线。

多频率测量

某些本发明实施例涉及使用多频率的多种工具和方法，所述多频率用于电阻率测量。根据本发明实施例，频率可以选择以便更加有效地覆盖该频谱，从而改善倒置精度和深电阻率测量的适应性。例如根据某些本发明实施例，测量结果可用每十位3个或更多频率的分布区域取得。这些频率可以在钻探之前或在钻探同时认定或者自动选择，以便提供最佳的岩层倒置。在限定带有复杂内层的储集层外边界情况下，发射器、接收器距离与频率的结合是不可缺少的。天线间距与频率的结合最好被选定为遵守下面的最大灵敏度用等式。

让我们将传播系数k限定为：k²＝εμω²+iσμω，其中ε为电磁介电常数；μ为电磁透磁率；σ为导电率；而ω为角频率。如果L表示发射器-接收器间距，那么我们需要|k|.L∈[0.1；10]。最好选择频率以便满足这个准则。

该多频率测量可使用在本领域中为人知晓的任何施行图表来有效地执行。例如，图8表示一个用于多频率测量的电阻率测量顺序实例。在图8所示图表中，所有TX脉冲被假定具有一个可控振幅。此外，在该技术中的一般技能人员会看出，在该图8所示脉冲图表中，一个单独脉冲可被实现以便携带两个或多个频率。信号测量可用测量被该接收器感知的真实电压的方法执行。作为替代，该信号还可被测量为在一对不同频率的脉冲之间的有差别信号。

替代物与现存LWD工具的结合

某些本发明实施例涉及具有与其它传统电阻率工具在一起的如上所述遥控替代物的电阻率阵列。例如，图9表示一个工具，它包括两个遥控替代物发射器55A和55B，以及一个对于该遥控发射器模块可能起到接收器作用的传统LWD电阻率工具，以便提供阵列，所述阵列具有比传统阵列可能间距长得多的间距。本领域普通技术人员会懂得，具有用来接收电阻率信号的或更多天线的任何传统电阻率工具均可协同其中描述的遥控替代物发射器使用。运行协同现存“浅”LWD工具的发射器模块(使用它们的多根电阻率天线作为深电阻率接收器)的选择权提供贵重器材合理化和综合测量能力。

多绕组天线

某些本发明实施例涉及可有效地用于宽广频率范围的多种天线。当天线用来发射在某一频率处的电阻率信号时，该天线在该频率低于该天线自谐振频率时最为有效。因此，当特殊天线被用于宽广频率范围时，该天线在某些频率范围内可能不是有效的。例如，为了在最高频率处传送，该天线内的匝数应降低到足以低于该线圈自谐振。反之，为了在较低频率处的发射最佳化，该匝数必需增加。其结果是，传统天线通常具有绕组，它们呈现出一种对于预定工作频率范围的折衷办法。

根据某些本发明实施例，天线可能具有几层绕组，每层或者能以用于高频率的并联方式布线，或者能以用于低频率的串联方式布线，从而有效地平衡该天线在用恒定电压驱动时的阻抗载荷。在串联和并联结构形式之间的转换可用电子线路控制。

图10表示根据本发明实施例的示范性天线。在这个实例中，线圈层101A-101C或者串联连接从而在低频率(例如大约1kHz范围)发射情况下使圈数最大化，或者并联连接用于较高频率范围(例如100kHz)。线圈层101A-101C缠绕在一个铁心102周围。在本领域中的普通技术人员会懂得，几层线圈可用于天线中从而提供该天线性能更加精细的调谐。

推广到其它电阻率测量技术

传统的多种深电阻率测量例如美国专利No.6,188,222中披露的测量是建立在感应机构和测量信号振幅基础上的。某些本发明实施例涉及建立在传播机构以及测量相位移动和衰减(即：差异测量)基础上的深电阻率测量，其方法是引入超接收器天线，该天线具有相当于5至10英尺的接收器对之间间距，这是明显长于传统传播工具内的接收器对间距(通常被限定为小于一英尺)。由于深EM测量使用较低频率(1-200kHz)，在该接收器对之间的较长间距是符合需要的。在该接收器对之间的相当于5-10英尺的间距可保证能被测量的最小相位移动保持在～0.1°范围内。

除了使用接收器对之外，相位和振幅的差异测量(即相位移动和衰减)也可用例如为图8所示的脉冲图表来执行。图8所示测量图表可使用一个(或更多)在一个专门频率处的被发射脉冲作为时间基准。假定固定相位基准(或时间差)位于该脉冲系列的脉冲之间(这个时间差也能被测量和经过无线遥感设备传递到接收器上)，用于该被接收脉冲系列的相位基准(或时间差)能相对于该基准相位进行限定。

同样的技术(使用基准相位的振幅来比较)也能应用于在该脉冲系列内的每个脉冲和该基准脉冲之间的振幅比。在这种情况下，在该发射器处的振幅比可保持不变或者被测量。该脉冲到达时间和振幅比差异技术减少了对于振幅测量所需的精确空气校定的测量依赖。

作为一个实例，图11A-11F表示使用具有70英尺发射器-接收器间距的工具，对于带有1和100欧姆电阻率明显差别的平边界的不同测量结果。这个工具具有多根发射器和接收器天线，所述天线具有纵向磁矩(也就是说，沿着与该工具纵向轴线平行方向的磁矩)。

图11A和图11B分别表示在不同频率处的振幅测量结果和相对振幅测量结果。在图11B中，该相对振幅测量结果是相对于2kHz处的振幅测量结果。图11C和图11D分别表示在不同频率处的相位测量结果和相对相位测量结果。在图11D中，相对相位测量结果是相对于2kHz处的相位测量结果。

图11E和图11F分别表示在用一对具有8英尺间距的接收器进行测量时，在不同频率处的相位移动测量结果和衰减。由于这样一种间距，相位移动和衰减的明显变化能被容易地观察出来。两种测量结果提供具有不同灵敏度的另一组测量结果，从而提供要在倒置过程期间使用的更加独立的测量结果。

某些本发明实施例涉及大地控制法。根据本发明实施例的大地控制方法可使用上文描述的任何电阻率阵列和/或使用一种上文描述的测量方法(例如使用一个脉冲图表的多频率测量等等)。

使用上文所述本发明实施例的所有测量能被推广到定向测量。定向测量提供对于边界的进一步灵敏度因而会改进倒置过程。在某些实施例中，或更多天线会具有与正常“轴向”天线结合的横向磁偶极，从而从同一天线提供两个测量结果。在三轴向天线中，如同上文所述，一个部分可能与该BHA轴线对准，在此同时另外两个部分处于与该处相关的角度。在需要时，多种传统保护物也能与本发明实施例一起实现。应该懂得，本发明实施例的多根天线(以及相关电子线路)可以利用多个众所周知的天线结构和打包图表之一来实现。例如，在美国专利No.6,188,222中描述的测井设备可用来实现本发明。

在上述说明书使用记录同时钻井的工具来描述各种本发明实施例的同时，一个本发明工具不受任何特殊传播模式的限制。所以，本发明工具可被用于例如记录同时钻井的、随装卸钻井管测井、旋管钻探，通过刀片测井、衬套钻探和套管钻探作业。

在本发明已经相对于有限数量实施例进行描述的同时，具有这一披露利益的熟悉本领域的人员会懂得，在不超越其中所描述本发明范围的情况下可产生其它实施例。因此，本发明的范围仅应受所附权利要求限制。

Claims (37)

1.一种具有模块化结构的电阻率阵列，它包括：

具有至少一天线的发射器模块，其中所述发射器模块具有位于两端并适于与其它井下工具连接的连接器；以及

具有至少一天线的接收器模块，其中所述接收器模块具有位于两端并适于与其它井下工具连接的连接器；以及

在其中所述发射器模块和所述接收器模块在钻杆柱上隔开并被至少一井下工具分离。

2.如权利要求1所述的电阻率阵列，其特征在于，所述发射器模块和所述接收器模块被大于大约90英尺的距离隔开。

3.如权利要求1所述的电阻率阵列，其特征在于，在所述发射器模块或所述接收器模块内的所述至少一天线包括收发机。

4.如权利要求1所述的电阻率阵列，其特征在于，所述发射器模块或所述接收器模块被安置在所述钻杆柱一端处并贴近钻头或布置在钻头内。

5.如权利要求1所述的电阻率阵列，其特征在于，在所述发射器模块或所述接收器模块内的所述至少一天线包括贴近磁性偶极的螺线管。

6.如权利要求1所述的电阻率阵列，其特征在于，所述发射器模块或所述接收模块包括具有按照线性独立取向的磁矩的三个天线。

7.一种具有模块化结构的电阻率阵列，它包括：

具有至少一天线的发射器模块，其中所述发射器模块具有位于两端并适于与其它井下工具连接的连接器；以及

具有至少一天线的接收器模块，其中所述接收器模块具有位于两端并适于与其它井下工具连接的连接器；以及

其中所述发射器模块和所述接收器模块安置在分离钻探孔内。

8.如权利要求7所述的电阻率阵列，其特征在于，在所述发射器模块或所述接收器模块内的所述至少一天线包括收发机。

9.如权利要求7所述的电阻率阵列，其特征在于，所述发射器模块或所述接收器模块被安置在所述钻杆柱一端处并贴近钻头或布置在钻头内。

10.如权利要求7所述的电阻率阵列，其特征在于，在所述发射器模块或所述接收器模块内的所述至少一天线包括贴近磁性偶极的螺线管。

11.如权利要求7所述的电阻率阵列，其特征在于，所述发射器模块或所述接收模块包括具有按照线性独立取向的磁矩的三个天线。

12.一种电阻率工具，包括：

适于在钻探孔内运动的工具本体；以及

安置在所述工具本体上的至少三个模块，其中所述至少三个模块不是沿着所述工具本体的纵向轴线相等地隔开，使得所述至少三个模块的组合体包括不同间距的电阻率阵列。

13.如权利要求12所述的电阻率工具，其特征在于，所述至少三个模块的至少一个模块包括收发机。

14.如权利要求12所述的电阻率工具，其特征在于，所述至少三个模块之一是传统的向下钻探电阻率传感器。

15.一种电阻率工具，它包括：

适于在钻探孔内运动的工具本体；

电阻率传感器，安置在所述工具本体上并包括形成至少一阵列的多个模块；以及

附加模块，安置在所述工具本体上并与所述电阻率传感器沿着所述工具本体的纵向轴线隔开，其中所述附加模块和所述电阻率传感器内的所述多个模块之一形成具有大于大约90英尺间距的阵列。

16.如权利要求15所述的电阻率工具，其特征在于，所述电阻率传感器是传统的向下钻井电阻率传感器。

17.一种井下工具，包括：

安置在钻杆柱一端的钻头；

第一模块，它置在所述钻杆柱上并贴近所述钻头或在所述钻头内；以及

至少一安置在所述钻杆柱上并且与所述第一模块隔开的附加模块；

其中所述第一模块具有磁矩取向不局限于所述纵向的至少一天线，而且所述至少一附加模块包括磁矩取向线性独立的三个天线。

18.如权利要求17所述的井下工具，其特征在于，在所述第一模块和所述至少一附加模块之一之间的间距大于大约90英尺。

19.如权利要求17所述的井下工具，其特征在于，在所述第一模块或所述至少一附加模块内的至少一天线包括收发机。

20.如权利要求17所述的井下工具，其特征在于，在所述至少一附加模块内的所述三个天线包括螺线管天线，而且其磁矩是线性独立的。

21.如权利要求17所述的井下工具，其特征在于，所述至少一附加模块的至少一天线是传统的向下钻井电阻率传感器的一部分。

22.一种用于岩层电阻率测量的方法，包括：

使用在电阻率阵列内的发射器天线将电磁能量发射到岩层内部，其中所述发射用根据选定脉冲图表的多个频率来执行；以及

用所述多个频率中的每个频率探测出信号，所述信号在与所述电阻率阵列内的所述发射器天线隔开的接收器天线内感应产生。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述多个频率包括每隔十位数的至少两个频率，并且横跨至少两个十位数。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述多个频率处于直到200kHz的范围。

25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述发射器天线或接收器天线包括具有绕组的线圈，所述绕组可在并联结构形式和串联结构形式之间进行选择。

26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述选定的脉冲图表包括发射器脉冲序列，所述脉冲各自具有可控量级。

27.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述选定的脉冲图表包括发射器脉冲序列，所述脉冲在每对邻近脉冲之间具有可控定时间隔。

28.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述选定的脉冲图表包括具有不同频率的脉冲序列。

29.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述探测通过其中具有不小于5英尺的间距的一对接收器执行。

30.如权利要求22所述的方法，其特征在于，为了获得最大灵敏度，所述多个频率根据在所述发射器和所述接收器之间的一个间距来选定。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述多个频率被选定使得|k|.L∈[0.1；10]，其中L是所述发射器和所述接收器之间的间距，而k是传播系数并被限定为k2＝εμω²+iσμω，其中ε是电磁介电常数，μ是电磁透磁率，σ是导电率，而ω是角频率。

32.一种用来设计电阻率阵列的方法，它包括：

估计储集层的厚度；以及

在钻杆柱上安置发射器和接收器模块，使得在所述发射器和所述接收器模块之间的间距不小于估定的所述储集层厚度。

33.一种使用权利要求32所述的方法设计的电阻率阵列。

34.一种用来在钻探井眼的同时控制钻探方向的方法，包括：

使用具有一个阵列的电阻率工具测量岩层电阻率，所述阵列具有大于大约90英尺的间距，其中所述电阻率工具包括发射器模块和接收器模块，所述模块在钻杆柱上隔开并被另一个井下工具分离；

确定岩层的边界；以及

在钻探的同时控制钻头方向，使得所述井眼处于被选定岩层内。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述测量用包括每隔十位数的至少两个频率并且横跨至少两个十位数的多个频率执行。

36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述发射器模块贴近所述钻头安置。

37.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述接收器模块是记录同时钻井的电阻率传感器的一部分。

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