CN1869400B - 随钻双感应电阻率测量仪 - Google Patents

Abstract

一种随钻双感应电阻率测量仪，包括：钻铤、V形槽、发射单元、耦合单元、接收单元、发射电路模块、接收控制电路模块、高压密封盖板、上滑环连接器、下滑环连接器、导线孔。该仪器采用双线圈系，能够同时探测两个径向深度的地层电阻率，而且发射线圈与接收线圈相互独立，每一个线圈系能够独立调整，不产生相互影响，还能够延伸组合成随钻阵列感应电阻率或多线圈系高分辨率随钻感应电阻率。该仪器的测量结果不但可以用来在钻井过程中实时测量地层真电阻率，还可用来解释地层侵入状况和计算地层含水饱和度，分辨仪器所在层位的岩性和流体变化特征，有利于根据地质信息及时调整井眼轨迹，控制钻具穿行在油藏最佳位置，适合于在石油工程中进行地质导向。

Description

随钻双感应电阻率测量仪

技术领域：

本发明涉及一种在石油钻井工程中用于地质导向的无线随钻测量仪器。

背景技术：

目前，在钻井行业的随钻测量领域，地层电阻率用来划分地层剖面和确定储层的含油饱和度，是测井解释评价油气储藏的主要依据。公知的随钻电阻率测量技术包括随钻侧向电阻率、电磁波传播电阻率和随钻感应电阻率。

随钻浅侧向电阻率测井由供电电极供以电流，在井眼周围地层中形成电场，测量地层中电场的分布，得出地层电阻率。随钻浅侧向电阻率测井仪器将钻头本身作为电极，也可以应用环状电极和靠近钻头的3个纽扣电极进行电阻率测量。用钻头作为电极，在泥浆侵入或井眼可能损坏之前，就可以测量5～10厘米薄层的电阻率；用环状电极可进行高分辨率的侧向电阻率测量，可减少围岩的影响，甚至在盐水泥浆或高电阻率地层中也可以提供地层真电阻率响应，应用3组电极阵列，可获得井眼周围360°范围的电阻率信息。

这种仪器存在如下缺点：侧向电阻率测井属于直流电法测井，都有一个供电电极将直流电流导入地层，然后用一个测量电极测出井内某点的电位，只有当井内有导电泥浆提供电流通道时才能使用这种方法。而有时为了获取地层原始含油饱和度信息，需用油基泥浆钻井，甚至采用空气钻井，在这种条件下，不能使用直流电法测井。

随钻电磁波电阻率测井仪器采用多线圈系设计，传播频率为1～8MHz，在线圈系基于钻铤结构，将线圈系缠绕在钻铤上，通过测量不同源距接收线圈间幅度比或相位差，然后再换算为地层视电阻率，测得相移浅电阻率和衰减深电阻率。在理想情况下，电磁波传播电阻率测井仪的纵向分辨率由两接收线圈的间距决定，多探测深度的测量数据可以用来解释侵入状况，通常认为相位电阻率的探测深度较浅，衰减电阻率具有较大的探测深度。

尽管能够测得不同探测深度的电阻率，但这种仪器存在如下缺点：

首先，电磁波电阻率仪器采用的信号频率太高，由于电磁波的传播效应，探测深度有限，测量结果会受到地质因素的影响，尤其是围岩的影响，仪器的测量结果不仅响应接收线圈之间的地层区域，而且与发射线圈到接收线圈之间的整个地层参数有关，甚至于发射线圈周围一个较小区域内的地层也会对测量结果产生影响，所以仪器的纵向分辨率在很大程度上依赖于整个仪器所处地层的电阻率。其次，仪器的线圈是缠绕在钻铤表面，其制作工艺非常复杂，在使用过程中线圈系极容易受到磨损而损坏，或者当井眼尺寸变化时，需要重新绕制线圈，维修检测较为复杂，维护成本高。另外，与侧向电阻率一样，电磁波电阻率仪器也不能工作在油基泥浆中。

随钻感应电阻率利用电磁感应原理，当发射线圈中通以幅度和频率恒定的交流电时，在该线圈的周围地层中感应出涡流，涡流本身又会形成二次交变电磁场，在二次交变电磁场作应下，接收线圈中产生感应电动势，该电动势大小与地层电导率有关，通过测量感应电动势即可得到地层电阻率。

目前的随钻感应测井仪器的线圈系采用一个发射线圈和两个接收线圈，其中一个为主接收线圈，另一个为补偿线圈，线圈系置于钻铤侧面带有反射层的V形槽内，测井响应对V形槽正面区域地层的电阻率变化敏感，因此具有定向测量的特点。仪器由电池供电，在电池顶部装有一个公扣连接头，可与仪器底部的母扣连接头相接，用于向随钻测量仪器传送实时数据，同一个传感器短节可适用于不同尺寸井眼的要求。这种随钻感应测井仪器的信号频率为20kHz，大大低于高频仪器的频率，因此不易被地层吸收，探测深度深，测量范围较大，可达到0.1-1000欧姆米，结构设计简单，一个传感器短节可适用于不同尺寸井眼的需要，维修检测简单，且适于不同类型的钻井液。但这种仪器存在如下缺点：

该仪器采用由一个发射线圈和两个接收线圈组成的、具有单一固定探测深度的线圈系，只能提供一个径向探测深度的地层电阻率，不能用于解释复杂侵入剖面和划分渗透层。对于渗透层，泥浆侵入使其电阻率在径向上发生变化，由于在同一深度点只能得到一个径向探测深度的电阻率值，因此不能用来解释地层侵入状况，无法确定地层受泥浆侵入的情况和储层渗透性，不利于油气层解释，从而无法用来准确测量地层真电阻率。另外，不同类型的泥浆侵入以及不同径向探测深度的电阻率，其油气水层特征是不同的，根据多条不同探测深度电阻率曲线受泥浆侵入影响程度的不同，以及在油气水层中所表现出来的差异特征可以识别油气，所以多深度电阻率测量对于随钻测井仪器来说时非常重要的，但该仪器无法达到这个要求，由于它的线圈系设计结构固定，每一种线圈系只能提供一种深度的电阻率，要得到不同探测深度的电阻率，就得用不同的线圈系进行多次测量，这种方式在工程实际应用中是很难实现的。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种随钻双感应电阻率测量仪，与现有技术相比，该仪器采用两个阵列线圈系单元，能够同时测量两个径向深度的地层电阻率，不同探测深度的测量数据可以用来解释地层侵入状况，确定地层受泥浆侵入的情况和储层渗透性，准确测量地层真电阻率和计算地层含水饱和度，能够使储层综合解释及油气水分析技术得到改进和完善。

本发明所述的仪器包括钻铤、V形槽、发射单元、耦合单元、接收单元、发射电路模块、接收控制电路模块、高压密封盖板、上滑环连接器、下滑环连接器、导线孔。

本发明的特征是：耦合单元将发射单元和接收单元连接在一起安装在V形槽内组成电极系，高压密封盖板压在V形槽的外边缘，发射单元内部安装有发射线圈和液压平衡活塞，接收单元内部安装有深探测接收线圈、深探测平衡调整螺套、深探测平衡调整螺杆、浅探测接收线圈、浅探测平衡调整螺套、浅探测平衡调整螺杆、液压平衡活塞。在V形槽轴向两侧分别安装发射电路模块和接收控制电路模块，发射电路模块由激励信号发生电路、功率放大器、刻度信号发生电路组成，接收控制电路模块由存储器、微处理器、时钟发生器、相位控制电路、模数转换器、滤波器、相敏检波器、放大器和多路开关组成，发射电路模块和接收控制电路模块通过导线孔分别与发射单元和接收单元相连。每一个接收线圈是由主线圈和补偿线圈组成的阵列子单元，与发射线圈一起组成阵列线圈系。在钻铤的丝扣根部分别镶嵌上滑环连接器和下滑环连接器，由导线孔分别与发射电路模块和接收控制电路模块相连。

本发明所述的随钻双感应电阻率测量仪具有的有益效果是，该仪器采用双线圈系，能够同时探测两个径向深度的地层电阻率，而且发射线圈与接收线圈相互独立，每一个线圈系能够独立调整，不产生相互影响，还能够延伸组合成随钻阵列感应电阻率或多线圈系高分辨率随钻感应电阻率。该仪器的测量结果不但可以用来在钻井过程中实时测量地层真电阻率，还可用来解释地层侵入状况和计算地层含水饱和度，分辨仪器所在层位的岩性和流体变化特征，有利于根据地质信息及时调整井眼轨迹，控制钻具穿行在油藏最佳位置，适合于在石油钻井工程中进行地质导向。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明：

图1表示“随钻双感应电阻率测量仪”的轴向剖面图；

图2表示“随钻双感应电阻率测量仪”的径向剖面图；

图3表示“随钻双感应电阻率测量仪”的电路框图。

1、钻铤                   2、上滑环连接器         3、导线孔

4、发射电路模块           5、V形槽                6、发射单元液压平衡活塞

7、发射线圈               8、耦合单元             9、深探测平衡调整螺杆

10、深探测平衡调整螺套    11、深探测接收线圈      12、发射单元

13、浅探测接收线圈        14、接收单元            15、高压密封盖板

16、浅探测平衡调整螺套    17、接收单元液压平衡活塞

18、浅探测平衡调整螺杆    19、接收控制电路模块    20、下滑环连接器

21、存储器                22、微处理器            23、时钟发生器

24、相位控制电路          25、激励信号发生电路    26、功率放大器

27、刻度信号发生电路      28、模数转换器          29、滤波器

30、相敏检波器            31、放大器              32、多路开关

具体实施方式：

现结合说明书附图1、2和3，对本发明作进一步描述。

图1和图2表示仪器的轴向和径向剖面图。钻铤1作为仪器的安装骨架以及井下钻具的一部分，位于钻头或造斜工具之后。在钻铤的任意一个侧面开有一个V形槽5，耦合单元8将发射单元12和接收单元14连接在一起安装在V形槽5内组成电极系，高压密封盖板15压在V形槽5的外边缘，发射单元12内部安装有发射线圈7和液压平衡活塞6，接收单元14内部安装有深探测接收线圈11、深探测平衡调整螺套10、深探测平衡调整螺杆9、浅探测接收线圈13、浅探测平衡调整螺套16、浅探测平衡调整螺杆18、液压平衡活塞17。

每一个接收线圈是由主线圈和补偿线圈组成的阵列子单元，与发射线圈7一起组成阵列线圈系，能够提供两个不同径向探测深度的电阻率，耦合单元8安装在发射单元和接收单元之间，用于防止发射单元12和接收单元14之间产生滑动，并保证这两个单元处于同一轴向位置上。深探测平衡调整螺杆9和浅探测平衡调整螺杆18分别安装在深探测平衡调整螺套10和浅探测平衡调整螺套16内，并延伸到深探测接收线圈11和浅探测接收线圈13内部，用来调整每个接收线圈的磁平衡，两个线圈的平衡调整可以独立进行，互相没有影响。发射单元液压平衡活塞6和接收单元液压平衡活塞17用来平衡电极系内部和外部的压力，以防止电极系受到外部泥浆压力而损坏，高压密封盖板15保护电极系免受泥浆压力破坏和冲蚀。

在V形槽5的轴向两侧分别安装发射电路模块4和接收控制电路模块19，发射电路模块4用于产生发射线圈7的激励信号，激励信号发生电路25与接收控制电路模块19内的微处理器22相连，由微处理器22根据测量时序要求控制激励信号发生电路25的工作状态，控制整个仪器是否工作。接收控制电路模块19用于产生仪器工作所需要的时钟信号、处理接收信号、数据采集控制、测量数据存储和通讯控制。这两个电路模块通过导线孔3分别与发射单元12、上滑环连接器2和接收单元14、下滑环连接器20相连，从而能够使外接电池向仪器提供工作所用的电源，并能使测量信号传输到其它随钻测量仪器，将发射单元12和接收单元14及其电路分开便于调试，并减小它们相互之间的信号干扰。

图3表示仪器的电路框图。该仪器电路以微处理器22作为控制中心，完成电子线路的时序控制、数据采集、处理、计算、存储和与其它随钻测量仪器的数据交换。

时钟发生器23采用同一个时钟源产生多路时钟，用于控制所有电路的内部工作时序和发射频率都源于同一个时钟源，从而保证这些功能模块之间的准确同步，提供系统工作的可靠性。时钟发生器23产生的时钟信号分别送到微处理器22、相位控制电路24。相位控制电路24根据时序要求，对时钟信号进一步处理，提供多路时钟控制信号，其输出信号送给激励信号发生电路25，使其触发工作，产生一个20KHz的正弦波激励信号，为了能够在发射线圈7中产生较大的发射电流，该激励信号经过功率放大器26放大后，供给发射线圈7。另外在发射线圈7回路中还能够由刻度信号发生电路27产生代表发射电流大小的刻度信号，该信号用来提供仪器的准确刻度。

当发射线圈7中通以幅度和频率恒定的交流信号时，在该线圈的周围空间中感应出涡流，涡流本身又会形成二次交变电磁场，在二次交变电磁场作应下，深、浅探测接收线圈11、13中会产生感应电动势，该电动势信号幅度很小，因此在进一步处理之前需要对其进行放大，另外为了能够对仪器进行准确的刻度，还需要对刻度信号做同样的处理。这样，输入到放大器的信号有三路：深探测接收线圈11和浅探测接收线圈13产生的两路感应信号以及表示发射线圈电流大小的刻度信号。微处理器根据测量时序要求，通过控制多路开关32的不同状态，分别为这些信号提供通道送入放大器31，由于放大器31具有足够的增益，并且在频率为20KHz时，相移很小，因此这些信号在被放大后不会产生失真。经过放大后的信号分别进入相敏检波器30，对于每一路输入信号，在相位控制电路24输出的相位时钟控制下，通过相敏检波准确分离出两个相位信号分量，经过滤波器29滤波后分别进入模数转换器28，并由微处理器22为模数转换器28提供数据采集控制和通讯信号，得到同相数字信号分量和正交数字信号分量，再送入微处理器22进行计算处理，处理之后的测量数据和电路工作状态信息按设计好的数据记录格式保存在存储器21，也可以直接通过导线孔3内的导线和上滑环连接器2，送给随钻测量的脉冲遥测系统，由它实时传送到地面。

Claims (3)

1.随钻双感应电阻率测量仪，该仪器包括：钻铤(1)、V形槽(5)、发射单元(12)、耦合单元(8)、接收单元(14)、发射电路模块(4)、接收控制电路模块(19)、高压密封盖板(15)、上滑环连接器(2)、下滑环连接器(20)、导线孔(3)，其特征是耦合单元(8)将发射单元(12)和接收单元(14)连接在一起安装在V形槽(5)内，高压密封盖板(15)压在V形槽(5)的外边缘，发射单元(12)内部安装有发射线圈(7)和液压平衡活塞(6)，接收单元(14)内部安装有深探测接收线圈(11)、深探测平衡调整螺套(10)、深探测平衡调整螺杆(9)、浅探测接收线圈(13)、浅探测平衡调整螺套(16)、浅探测平衡调整螺杆(18)、液压平衡活塞(17)；

在V形槽(5)的轴向两侧分别安装发射电路模块(4)和接收控制电路模块(19)，发射电路模块(4)和接收控制电路模块(19)通过导线孔(3)分别与发射单元(12)和接收单元(14)相连，每一个接收线圈是由主线圈和补偿线圈组成的阵列子单元，与发射线圈(7)一起组成阵列线圈系。

2.根据权利要求1所述的随钻双感应电阻率测量仪，其特征是发射电路模块(4)由激励信号发生电路(25)、功率放大器(26)、刻度信号发生电路(27)组成，接收控制电路模块(19)由存储器(21)、微处理器(22)、时钟发生器(23)、相位控制电路(24)、模数转换器(28)、滤波器(29)、相敏检波器(30)、放大器(31)和多路开关(32)组成。

3.根据权利要求1所述的随钻双感应电阻率测量仪，其特征是钻铤(1)的丝扣根部分别镶嵌上滑环连接器(2)和下滑环连接器(20)，由导线孔(3)分别与发射电路模块(4)和接收控制电路模块(19)相连。

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