CN1900483B - 测量流体电阻率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量流体电阻率的装置包括：流管，该流管适于与岩层流体进行流体连通，其中，该流管包括：包括第一导电区域的第一部分、包括第二导电区域的第二部分、以及布置在第一部分和第二部分之间的绝缘部分，以防止在第一部分和第二部分之间直接电连通；第一环形线圈和第二环形线圈，该第一环形线圈和第二环形线圈分别在第一部分和第二部分周围围绕该流管，其中，第一环形线圈设置成在流管中的流体内感应生成电流，而第二环形线圈设置成测量流管中的流体内的感应电流；以及电子组件，用于控制第一环形线圈和第二环形线圈的功能。

Description

测量流体电阻率的装置和方法

背景技术

通常将井孔钻入地球岩层中以便采出捕集于岩层下面的碳氢化合物和其它所希望材料的沉积物。通常，通过使钻头与一系列连接段所组成的管(称为钻杆柱)的下端部连接而进行钻井。钻井液或泥浆通过钻杆柱的中心孔而向下泵送，并通过位于钻头上的口而离开。钻井液用于润滑和冷却钻头，用于将切屑送回地面，并用于形成足够的静液压“头”，以便防止岩层流体在它们到达时“涌出”该井孔。当井孔钻至深度足以到达目标点时，将进行地下岩层的穿孔和断裂操作，以便使得碳氢化合物(如果存在)能够从岩层流入新钻的井孔中。因为钻井泥浆柱的静液压高于碳氢化合物的储存压力，因此碳氢化合物不能靠其自身而从岩层流入井孔内。在开始全面开采操作之前，钻探和生产人员最好检测该岩层流体，以便在完成该井之前保证在岩层中有合适类型和数量的碳氢化合物。一旦合适确认了岩层流体，将进行获取岩层中的碳氢化合物的各种操作。

为了检测流体，岩层检测器通常布置在井下。本领域已知用于测井电缆和钻井记录用途的岩层流体检测器，包括由SchlumbergerTechnology Corp.(Houston，TX)提供的、商标名为MDT^TM的模块式动态检测器。这些工具的详细说明可以参见授予Zimmerman等的美国专利No.4860581和4936139以及Betancourt等的美国专利申请No.2004/0104341。这些专利和申请转让给本申请的受让人，并整体引入作为参考。

图1表示了从普通的多芯电缆15的下端部悬垂至井孔12中的岩层检测器10的示意图，该多芯电缆15以普通方式卷绕在地面的合适绞车(未示出)上。电缆15与地面上的电气控制系统18电连接。工具10包括细长体19，该细长体19包围工具控制系统16的井下部分。细长体19还承载可选的可延伸的流体导入组件20以及可选的可延伸的工具锚固部件21，它们分别布置在工具体的相对两侧。流体导入组件20用于选择性地密封和隔离井孔12壁的选定部分，从而形成与相邻地下岩层14的压力连通或流体连通。工具10还包括用于确定井下压力和温度(未示出)的装置以及流体分析模块25，流体流过该流体分析模块25。然后，流体可以通过一端口(未示出)排出，或者它可以送向一个或多个流体收集腔室22和23，该流体接收腔室22和23可以接收和保持从岩层获得的流体。电气控制系统16和18维持对流体导入组件、流体分析部分和通向收集腔室的流路的控制。如本领域技术人员已知，该电气控制系统还可以包括一个或多个微处理器、相关存储器和用于实施本发明的其它硬件和/或软件。

在岩层试样收集于收集腔室22和23中之前，希望确认流体来自原始岩层，即没有受到来自侵入区域的钻井液的污染。为了保证收集原始岩层流体，流体分析器25用于在抽吸流体时监测流体的特性。流体分析模块25可以是光学模块、压力传感器模块或电阻率模块等。其中，电阻率模块由于它的较宽动态范围而特别有用。普通的电阻率模块可以包括与流体接触的多个电极。这些电极用于使电流通入流体，并测量跨过一定距离的电压降。该模块的示例在授予Zimmerman的美国专利No.4860581的图1(标号56)中介绍。图2表示了这样的模块(传感器)的一个示例。

如图2所示，流体电阻率由四个电极传感器来确定，其中，四个电极为短金属管，它们通过短绝缘管而彼此分离以及与进口和出口流管分离。两个最外侧电极使得电流(I)通入流体试样，同时测量在两个最内侧电极之间的电压降(V)。通过已知的电流(I)和测量的电压(V)，可以获得流体的电阻率。

不过，这些电极装置暴露于流管中的流体内，该流管能够有相对高的压力(高达30000psi)。因此，需要良好的密封件(例如堵头、O形环或其它机械密封件)来保护处于流管外部且在大气压力下(大约14psi)的电子部分。因为钻至该深度的井孔通常处于最小基准直径，因此该测量设备和密封机构(堵头和O形环)必须为非常小的形状。在可用于电阻率传感器的有限容积中，很难在所有绝缘管和金属管之间实现压力密封。对于图2所示的传感器，将需要至少八个密封件，包括在最外侧绝缘管与进口和出口流管之间的密封件则需要十个。四个堵头式电馈通件用于四根电线，该四根电线将电极和电子元件相连接。在极端温度和压力下，甚至这四个堵头式馈通件也可能不可靠。因此，很难制造可靠的电阻率传感器。

因此，还需要用于电阻率测量的方法和装置，它们能够可靠用于岩层检测器或类似的井下设备。

发明内容

本发明的一个方面涉及用于测量流体电阻率的装置。根据本发明一个实施例的用于测量流体电阻率的装置包括：流管，该流管适于与岩层流体进行流体连通，其中，该流管包括：包括第一导电区域的第一部分、包括第二导电区域的第二部分、以及布置在第一部分和第二部分之间的绝缘部分，以防止在第一部分和第二部分之间直接电连通；其中，第一导电区域和第二导电区域设置成与装在流管中的流体相接触，从而与布置在流管外部的导电通路一起形成电流返回环路；围绕流管的第一环形线圈和第二环形线圈，其中，第一环形线圈设置成在流管中的流体内感应生成电流，而第二环形线圈设置成测量流管中的流体内的感应电流；以及电子组件，用于控制第一环形线圈和第二环形线圈的功能。

本发明的一个方面涉及用于测量流体电阻率的装置。根据本发明一个实施例的装置包括：流管，该流管适于与岩层流体进行流体连通，其中，流管由绝缘材料制成；第一环形线圈和第二环形线圈，该第一环形线圈和第二环形线圈围绕该流管并沿该流管间隔开，其中，第一环形线圈设置成在装于流管中的流体内感应生成电流，而第二环形线圈设置成测量流体内的该感应电流；金属壳体，该金属壳体包围第一环形线圈、第二环形线圈和流管的一部分，其中，该金属壳体设置成为流体中的感应电流提供返回电流通路；以及电子组件，用于控制第一环形线圈和第二环形线圈的功能。

本发明的另一方面涉及用于测量井孔中的岩层流体的电阻率的方法。根据本发明一个实施例的方法包括：使岩层流体流过电阻率测量装置的流管，该流管包括在第一导电部分和第二导电部分之间的绝缘部分；利用第一环形线圈在流管中的岩层流体内感应生成电流；以及利用第二环形线圈测量岩层流体中的该感应电流。

由下面的说明和所附权利要求可知本发明的其它方面和优点。

附图说明

图1表示了布置于井孔中的现有技术岩层检测器的示意图。

图2表示了具有四个电极的现有技术电阻率传感器的示意图。

图3表示了根据本发明一个实施例的环形线圈电阻率传感器的示意图。

图4表示了根据本发明实施例的流体电阻率测量值的剖视示意图。

图5表示了根据本发明实施例的流体流管的剖视示意图。

图6表示了根据本发明实施例的另一流体流管的剖视示意图。

图7表示了根据本发明实施例的另一流体流管的剖视示意图。

图8表示了根据本发明实施例的另一流体流管的剖视示意图。

图9表示了根据本发明实施例的另一流体流管的剖视示意图。

图10表示了根据本发明实施例的另一流体流管的剖视示意图。

图11表示了当利用水基泥浆进行钻井和当检测含油区域时可以预期的电阻率曲线的示意图。

图12表示了根据本发明实施例的测量装置的机械示意图。

图13表示了根据本发明实施例的电路的电示意图。

图14表示了根据本发明一个实施例的电阻率测量装置，它包括在环形线圈上用于标定的标定环路或第二绕组。

具体实施方式

本发明实施例涉及适于用在岩层检测器或类似设备中的电阻率传感器。根据本发明实施例的电阻率传感器并不依靠与流体直接接触的电极来进行电阻率测量。相反，根据本发明实施例的电阻率传感器使用环形线圈来感应测量流管中流体的电阻率。根据本发明实施例的电阻率传感器可以用于岩层检测器的流体分析器(例如图1中的25)中。

图3表示了根据本发明一个实施例的基于环形线圈的电阻率传感器的示意图。如图3所示，该电阻率传感器30包括流管35，该流管35包括绝缘段33，该绝缘段33在两侧与两个导电段31、32连接。应当知道，绝缘段33表示为整个由电绝缘材料(例如陶瓷、玻璃、PEEK等)制成，而导电段31、32整个由导电材料(例如金属)制成。不过，本领域普通技术人员应当知道，绝缘段33也可以包括在内表面上有绝缘涂层的导电体，只要沿其长度没有连续导电通路允许电流在导电段31和32之间流动即可。同样，导电段31、32也可以由在内表面上带有导电涂层的非导电材料制成。根据本发明实施例的流管结构的各种变化形式将在下文用多个示例来说明，参考图5-图10。

再参考图3，两个环形线圈T1、T2环绕(或外接)导电段31、32布置。本领域普通技术人员应当知道，环形线圈包括环形芯以及缠绕在该芯上的导线绕组，该环形芯通常由铁氧体或其它铁磁材料制成。当电流通过该导线绕组时，感应生成磁场。该感应磁场(该磁场基本与芯的环路对齐)能够在被该芯围绕的导电材料中感应生成电流。该感应电流沿平行于芯轴线的方向流动。

因此，当环形线圈T1通电时，它在流管35中的流体内感应生成电流。绝缘段33的出现将防止感应电流从第一导电段31直接流向第二导电段32，并迫使感应电流流过装于绝缘段33内的流体柱(如虚线箭头39所示)，以便到达第二导电段32。然后，电流返回通路38允许电流返回至导电段31并完成该回路。在第二导电段32内以及在该第二导电段32中的流体内感应的电流又在第二环形线圈T2中感应生成电流(或电压)。在环形线圈T2中检测得到的电流或电压可以与施加到环形线圈T1上的电流(或电压)进行比较，以便计算穿过绝缘段33的流体的电阻(R_f)。该电阻(R_f)是流体电阻率(ρ_f)、流管35的横截面积(A)以及绝缘段33的长度(l)的函数。也就是，R_f＝K×ρ_f×l/A，其中，K是取决于几何形状的常数，且其值接近于1。K能够通过利用具有已知电阻率的流体来进行一次标定而确定。相应地，电阻(R_f)能够由所测电压来确定。因此，流体的电阻率(ρ_f)可以由绝缘段33的已知长度(l)、流管35的已知横截面积(A)和已知系数K来获得。该计算的详细情况将在后面参考图12和图13来介绍。

如图3所示的电阻率传感器(或装置)可以合并到各种井下工具中，以便测量流管中的流体电阻率。如下面所述，一个示例将该电阻率传感器合并到了岩层检测器(例如MDT^TM)的流体分析模块(图1中表示为25)中。

图4表示了根据本发明一个实施例的流体电阻率测量装置100。优选是，电阻率测量装置100构成为能够感应测量流过流管102的流体的电阻率。所示流体流管102包括由绝缘段108分开的进口段104和出口段106(对应于图3中的导电段)。绝缘段108防止电流从进口段104直接流至出口段106。优选是，进口段104和出口段106都由高强度材料(例如金属、PEEK、陶瓷等)构成。如上所述，当这些段由非导电材料(例如PEEK或陶瓷)制成时，该段的内表面可以涂覆有导电材料，以便提供与流体的电接触。这些电接触形成了提供返回电流的环路的一部分。应当知道，当流体输入和输出管线由金属制成时，则该流体输入和输出管线可提供与流体的电接触。

该电阻率测量装置100还包括围绕流管102的一对环形线圈110和112。环形线圈110和112沿轴线间隔开一间隙114。端帽116、118将环形线圈110、112保持在电阻率测量装置100中。第一环形线圈112可以在流过流管102的流体中感应生成电流，而第二环形线圈110可以检测该电流(或感应电压)，反之亦然。因为环形线圈110、112间接测量流体中的电流，而不必与流体接触，因此它们能够从高压流管的外部来执行它们的功能。电阻率测量装置100包括电子组件120，以便驱动环形线圈110或112并进行电阻率测量或计算。因为电子组件120、环形线圈110、112以及它们之间的所有电线和引线都并不暴露于流管102内的高压中，因此并不需要复杂的密封和液压隔离机构。因此，电阻率测量装置100的操作更可靠，在保护电子装置和传感器的液压密封件中发生致命故障的风险减至最小。

在该具体示例中，电阻率测量装置100的所有部件都装入壳体122中，该壳体122适合于装配在测量和检测装置(例如MDT^TM)中，以便传送至井下位置。对于该应用，电阻率测量装置100的尺寸优选是适合装配至现有工具中。根据本发明一个实施例，壳体122例如可以是2.0英寸直径的柱形壳体，以便装配至MDT^TM工具中。该尺寸的测量和检测装置必然意味着流管102的直径为小直径(例如小于0.25英寸(0.6cm))。当使用常规的电极装置时，环绕电极进行密封所需的液压密封件必须为非常小的直径，并可能很难承受超过30000PSI的压力以及高达200℃的温度。通过使用环形线圈，可以使所有电子装置与高压隔离，因此不需要液压密封件。

如上所述，这种具有布置在两个导电段之间的绝缘段的流管可以构成为各种结构。在一个实施例中，流管可以包括由玻璃(或其它绝缘材料，例如陶瓷或PEEK(聚醚醚酮))制成的绝缘段108，该绝缘段108在其两端与由金属制成的导电段(例如图4中的段104和106)连接。玻璃-金属的接头已经成功用于井下工具中。玻璃能够提供绝缘，同时能够承受相对较高的压力。其它材料包括但不局限于高温塑料(例如PEEK)，也可以使用陶瓷。

参考图5，图中示意表示了与图4类似的流管102组件。在段104和106之间形成玻璃-金属的密封件，使得该密封件的玻璃部分作为绝缘段108，因此，在段104和106之间存在绝缘间隙130。当通过环形线圈112感应出电流时，该电流(由线132示意表示)在通过流管102的流体中在段104和段106之间流动。在图5所示的示例中，电流132的长度近似与段104和106之间的轴向间隙的大小相同。不过，因为玻璃部分108的抗拉和抗剪强度明显小于金属段104和106，因此当高压流体经过流管102时，玻璃跨距区域相对更易于产生径向应力和破裂。对于塑料绝缘段也将是这样。因此，优选是减小玻璃(或塑料)段的轴向跨距。

现在参考图6，图中示意表示了另一流管402。流管402包括导电段404和406，与图4中相比它们沿轴向相互靠得更近。由于段404和406之间的轴向间隙更小，绝缘段408中的径向应力显著减小。不过，当轴向间隙减小时，电阻率测量值可能并不精确，因为所测量的电阻是绝缘段长度(l)的函数。因此，为了补偿轴向跨距的减小，绝缘段408可以在流管402的内表面上沿长度430延伸。在流管402的内孔内部的那部分绝缘段408可以相对较薄，例如为薄涂层。电流432的行进距离基本与图5的电流132相同，但是在绝缘段408中脆弱玻璃(或其它材料)的跨距明显减小。因此，与图5的绝缘段108相比，该绝缘段408更不容易在高压负载下发生故障。

图7表示了根据本发明另一实施例的流管502。在图7中，流管502主要包括通过螺纹啮合而连接在一起的第一段504和第二段506，其中，在螺纹534上有绝缘涂层。第一段504和第二段506可以由金属制成。螺纹534上的绝缘涂层有效防止了段504和506之间的电连通，并使电流532需要流过流管502中的流体。为了延长电流532必须行进的轴向长度，一定长度530的绝缘段508涂覆在流管502的内表面上。绝缘段508可以是任何绝缘材料，例如玻璃、陶瓷、橡胶、PEEK等。因为绝缘段508背靠着金属段504和506，因此它应当能够承受来自流管502中高压流体的较大径向应力。发生故障的可能性被减小了。

本领域普通技术人员应当知道，图7所示的实施例可以有多种变化。例如，图8表示了具有螺纹连接的实施例，其中，绝缘材料834(例如陶瓷)涂覆在任意一个或者两个螺纹端部上，以便防止在流体进口804和出口806管线之间的电连通。陶瓷涂层通常为0.010至0.020英寸(0.25-0.49cm)厚。陶瓷涂层可以从厂家(例如Praxair公司)购得。来自内部压力的机械负载由金属管承受，因此该设计非常坚固。两个金属管之间的绝缘区域通过添加绝缘层831而获得，该绝缘层831可以是陶瓷涂层、模制在金属管上的橡胶层、或者用塑料、玻璃或PEEK制成的插入件。具有长度830的绝缘层831迫使电流通过该段中的流体柱行进。

图9表示了一类似的实施例，但是没有螺纹连接。如图9所示，流体进口904和出口906管线通过收缩配合(shrink-fit)机构而连接。在组装这两个管时，加热外部金属管以便使它膨胀，这使它能够在内部管上滑动。当外部管冷却至与内部管相同的温度时，两个管被压紧并形成压力密封。(内部管、外部管、或者两个管上的)连接区域涂覆有绝缘材料934，例如陶瓷(通常厚度为0.010-0.020英寸，即0.25-0.49cm)，以便防止进口904和出口906管线之间的直接电连通。绝缘层931涂覆在管的内侧，以便提供绝缘段。另外还可以在连接区域中使用O形环密封件(而不是收缩配合)，以便提供压力屏障(未示出)。

图10表示了本发明另一实施例的流管702。如图10所示，流管702主要包括绝缘管703，该绝缘管703包括两段导电涂层704、706。导电涂层段704和706通过未涂覆段730而分开。导电涂层704、706通过电线或通过包围传感器的金属壳体而与外部连接。电流732在这两个导电涂层之间流动。

图5-图10表示了根据本发明实施例的多个流管。这些示例只是示例性的。本领域普通技术人员应当知道，在不脱离本发明范围的情况下可以有其它变化形式。例如，图12表示了根据本发明另一实施例的电阻率传感器，它包括由非导电材料(例如PEEK或陶瓷)制成的流管602以及装有两个环形线圈610、612的金属壳体640。在该实施例中，金属壳体在流管602离开金属壳体640的位置处提供了电流返回通路。在这些位置处，流体与金属制成的流体输入和输出流管相接触。

根据本发明实施例的电阻率测量装置可以用于监测电阻率变化，例如在岩层流体被吸入岩层检测器中时监测电阻率的变化。当电阻率达到稳定状态时，可以认为吸入岩层检测器中的流体代表原始岩层流体，即基本没有所侵入的钻井液。图11表示了当用水基泥浆进行钻井时和当检测含油区域时可以预期的电阻率曲线。如图所示，流体的初始电阻率受到侵入岩层内的导电钻井液的很大影响。当更多流体被吸入到岩层检测器内时，所侵入的钻井液的比例减小，而有电阻的原始岩层流体的比例增加。最终，在流管中所检测的电阻率将趋近原始岩层流体的电阻率，即达到稳定状态。因此，本发明的电阻率传感器可以用来监测吸入岩层检测器的流体何时可代表原始岩层流体并因此适于进行收集以便以后分析。

除了上面参考图11所述的“定性”用途，根据本发明实施例的电阻率测量装置也可以用于确定流体的电阻率(定量用途)。

下面参考图12和13介绍用两个环形线圈间接测量流体电阻率的物理原理。图12表示了流体电阻率单元600，该流体电阻率单元600有两个环形线圈610、612，以便通过感应耦合来测量流管602中流体的电阻率。如上面参考图4所述，第一环形线圈612在流管602中感应生成电流，第二环形线圈610测量该感应电流。图12中所示的流管602由内径为a以及长度为l的非导电管构成。图12中的流体电阻率单元600被包在圆柱形金属壳体640中，并包括充有非导电材料的内腔642，该非导电材料的标称磁导率为μ₀，它包括但不局限于：大气空气、真空或绝缘聚合物材料(例如环氧树脂、橡胶、玻璃纤维、塑料、PTFE或PEEK)。

在流管602中感应出的电流大小取决于流过非导电管线602的流体的电阻率(ρ_f)以及环形线圈610、612的各种参数。各环形线圈610、612具有内径b、外径c、厚度h、缠绕在其上的电线圈数N以及磁导率μ′。优选是，环形线圈610、612具有很高的磁导率μ′，并能够由铁氧体、铁粉、镍铁高导磁合金(mu-metal)、超级合金(superalloy)或任意其它适于该工作频率的材料。该工作频率可以是能够在流管中的流体内感应生成电流的任意频率，例如在5KHz至200MHz的范围内，优选是20KHz至10MHz，更优选是20KHz至2MHz。而且，各环形线圈610、612可以包括静电屏蔽，以便消除/减小在环形线圈610、612之间的电容耦合或直接互感耦合。

如图12所示，环形线圈610、612的自感能够表示为：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}^{\′}{N}^{2}h\ln (c/b)}{2\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

其中，μ₀＝4π·10^-7亨/米。各环形线圈610、612与流管602中的流体之间的互感能够表示为：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{Nh}\ln (c/b)}{2\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

半个充满流体的流管602的自感为：

$L_f=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}^{\′}h\ln (c/b)}{2\mathrm{\π}}+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}h}{2\mathrm{\π}}[\ln \left(\frac{\mathrm{bd}}{\mathrm{ac}}\right)+\frac{1}{4}]+\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}(l/2-h)[\ln \left(\frac{d}{a}\right)+\frac{1}{4}]---\left(3\right)$

其中，因为μ′＞＞1，因此第一项起支配作用。注意到，d是金属壳体640的内径。如上所述，流管602中的流体电阻是流体的电阻率(ρ_f)、流路长度(l)和管的横截面积(A＝πa²)的函数：

$R_f=K\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f}l}{\mathrm{\π}{a}^2}---\left(4\right)$

参考图13，已知电流I₁(来自具有电压V₁的电源)激励第一环形线圈612，因此在流体管线602中感应生成电流I′，该电流I′通过金属端面和金属壳体返回(见图12)。该感应电流I′在第二环形线圈610中产生电流I₂(或电压V₂)。第二环形线圈610的输出端连接至一运算放大器(未示出)，该运算放大器优选具有高输入阻抗。

图13中所示的电路模型能够用于表示在求解R_f和因此求解ρ_f中的处理。对于第一环形线圈612，

V₁＝jωLI₁-jωMI′                                  (5)

V″＝-jωL_fI′+jωMI₁                               (6)

对于第二环形线圈610，

V′＝jωL_fI′+jMI₂                                  (7)

V₂＝jωLI₂+jωMI′                                  (8)

对于流管602，

V″＝V′+I′R_f                                       (9)

求解V₂得出：

$V_2=\mathrm{j\ω}[L-\frac{M^2}{2L_f-j(R_f/\mathrm{\ω})}]I_2+\mathrm{j\ω}\left[\frac{M^2}{2L_f-j(R_f/\mathrm{\ω})}\right]I_1---\left(10\right)$

其中，两项有损耗和电抗。当用足够高阻抗的运算放大器来测量V₂时，可以假定I₂为零，上述方程式简化为：

$V_2=-{\mathrm{\ω}}^2\left(\frac{M^2}{R_f+j2\mathrm{\ω}{L}_f}\right)I_1---\left(11\right)$

将自感代入上述方程式中，得出V₂和I₁的测量值与所需量R_f之间的关系：

$\frac{V_2}{I_1}=\frac{{-\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ}}_0^2{\left({\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}^2{N}^2{h}^2{\ln }^2(c/b)}{4{\mathrm{\π}}^2}\left(\frac{1}{R_f+j2\mathrm{\ω}{L}_f}\right)---\left(12\right)$

这时该方程式能够转化并与方程式4组合，以便得出R_f和ρ_f。应当注意，相对磁导率(μ′)在方程式12的分子中是平方项，且它也作为L_f的分量(见方程式3)而出现在分母中。

环形线圈610、612的相对磁导率μ′可能与温度相关，因此需要在整个工作温度范围中进行标定。当μ′的温度变化较小和可预测时，可以在需要时对读数进行与温度相关的校正。一个方法是在井下部署之前测量环形线圈在各个温度下的磁导率μ′。一旦就位，流体电阻率单元600中的传感器可以测量该温度，并在计算中加入来自查阅表中的校正因子。

当μ′的温度变化较大或不可预测时，可能需要在系统中加入标定功能。一种方法是在各环形线圈610、612上添加第二绕组(图14中的S1、S2)，这样，通过加上已知电流以及测量由其感应生成的电压而对这些环形线圈进行标定。第二绕组(例如S1)也可以用于监测所施加的电压(例如V₁)。另一方法是将一导体(例如导线或标定环路(图14中的CL))平行于流管602穿过两个环形线圈610、612。该标定环路(CL)串连有已知电阻R_c以及用于断开和闭合该环路的开关。在标定环路断开和闭合两种情况下来测量电压V₂。这时，开环测量结果为：

X＝-kμ^′2(G)                                (13)

而闭环测量结果为：

X＝kμ^′2(G+S)                               (14)

其中 $G=\frac{1}{R_f+j2\mathrm{\ω}{L}_f}---\left(15\right)$

且 $S=\frac{1}{R_c}---\left(16\right)$

X和Y是测量值，S为已知，且G和μ′为未知。求解上述方程式13-16得出：

$G=\frac{S}{(Y/X-1)}$

应当知道，整个系统(见图13)的电阻不仅取决于流管中的流体电阻(R_f)，而且取决于流体与环形线圈之间的感应耦合效果。感应耦合效果取决于频率(ω)和流体的电感(L_f)。为了得到流体电阻率(ρ_f)的可靠测量结果，优选是将系统设计和工作频率选择成R_f≥ωL_f。在设计系统时，重要的是记住ρ_f和R_f可能在多个数量级上变化。当测量低电阻率流体(例如水基泥浆或岩层水)时，这点特别重要。

实际上，环形线圈流体电阻率单元将通过理想单元驱动V1和理想电流测量值I2来工作，这时，我们能够写下表达式：

$\frac{V1}{I2}C=R_f$

其中， $C=\frac{V1}{V2}\frac{1}{R_{\mathrm{cal}}}.$

这里，C是通过测量具有已知电阻R_cal的电线环路穿过这两个环形线圈的响应而得出的标定因子。该标定电阻假定为具有5ppm/C的温度稳定性的精确电阻。

上述说明书利用岩层检测器来阐述本发明的实施例。本领域普通技术人员应当知道，本发明实施例也可以用于其它用途，例如未下套管井身钢丝绳工具、已下套管井身钢丝绳工具(例如已下套管井身动态检测器，CHDT^TM，Schlumberger Technology Corp.(Houston，TX)的商标)、钻井记录工具、永久性监测(在井下或地面设备中)以及其它流管(特别是受到高压的流管)中。

尽管已经参考有限数目的实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员由该说明书可知，还可以设计不脱离这里所述的本发明范围的其它实施例。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种用于测量流体电阻率的装置，包括： 

流管，该流管适于与岩层流体进行流体连通，其中，该流管包括：包括第一导电区域的第一部分、包括第二导电区域的第二部分、以及布置在第一部分和第二部分之间的绝缘部分，以防止在第一部分和第二部分之间直接电连通；其中，第一导电区域和第二导电区域设置成与装在流管中的流体相接触，从而与布置在流管外部的导电通路一起形成电流返回环路； 

围绕流管的第一环形线圈和第二环形线圈，其中，第一环形线圈设置成在流管中的流体内感应生成电流，而第二环形线圈设置成测量流管中的流体内的感应电流；以及 

电子组件，用于控制第一环形线圈和第二环形线圈的功能。 

2.根据权利要求1所述的装置，其中：流管的第一部分和第二部分各自包括金属管。 

3.根据权利要求1所述的装置，其中：绝缘部分由从玻璃、陶瓷和PEEK中选择的材料来制造。 

4.根据权利要求1所述的装置，其中：流管的第一部分和第二部分通过螺纹啮合而连接，绝缘涂层布置在第一部分的螺纹区域上、第二部分的螺纹区域上、或者第一部分和第二部分这两者的螺纹区域上。 

5.根据权利要求1所述的装置，其中：流管的第一部分和第二部分通过热缩配合或压配合而连接，绝缘涂层布置在第一部分的连接区域上、第二部分的连接区域上、或者第一部分和第二部分这两者的连接区域上。 

6.根据权利要求1所述的装置，其中：流管的第一部分、第二部分和绝缘部分包括由绝缘材料制成的连续管，且第一部分的第一导电区域和第二部分的第二导电区域各自包括在流管内表面上的导电材料涂层。 

7.根据权利要求1所述的装置，还包括沿流管布置的标定环路，用于标定第一环形线圈和第二环形线圈，其中，该标定环路能够接通和断开。 

8.根据权利要求1所述的装置，其中：第一环形线圈和第二环形 线圈包括标定绕组。 

9.根据权利要求1所述的装置，其中：该装置布置在岩层检测器中。 

10.一种用于测量流体电阻率的装置，包括： 

流管，该流管适于与岩层流体进行流体连通，其中，流管由绝缘材料制成； 

第一环形线圈和第二环形线圈，该第一环形线圈和第二环形线圈围绕该流管并沿该流管间隔开，其中，第一环形线圈设置成在装于流管中的流体内感应生成电流，而第二环形线圈设置成测量流体内的该感应电流； 

金属壳体，该金属壳体包围第一环形线圈、第二环形线圈和流管的一部分，其中，该金属壳体设置成为流体中的感应电流提供返回电流通路；以及 

电子组件，用于控制第一环形线圈和第二环形线圈的功能。 

11.根据权利要求10所述的装置，还包括标定环路，该标定环路沿流管布置。 

12.根据权利要求10所述的装置，其中：第一环形线圈和第二环形线圈包括标定绕组。 

13.一种用于测量井孔中的岩层流体的电阻率的方法，包括：

使岩层流体流过电阻率测量装置的流管，该流管包括在第一部分和第二部分之间的绝缘部分；

利用第一环形线圈在流管中的岩层流体内感应生成电流；以及

利用第二环形线圈测量岩层流体中的该感应电流来获得岩层流体的电阻率。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：用沿流管布置的标定环路来标定第一环形线圈和第二环形线圈。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括：用包含于第一环形线圈和第二环形线圈中的标定绕组来标定第一环形线圈和第二环形线圈。 

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