随钻电阻率测量方法及其方位电阻率工具与流程

本发明属于随钻电阻率探测领域，特别涉及一种随钻电阻率测量方法及其方位电阻率工具。

背景技术：

现有的井下测量方法，主要集中于随钻录井、随钻测井和电缆测井等三种方法。这些技术通过对孔洞性地层测量来确定井下地层的电阻率，电阻率通常可以用来识别地层中烃类物质的存在状况。例如，众所周知，已知高电阻率多孔地层一般含有烃类，比如原油；而含有饱和水的多孔地层的电阻率一般较低。现有技术中电阻率和电导率经常互换使用，这两个参量互为倒数关系，通过简单的数学计算就能够实现转换，依实际使用方便而定。

定向电阻率测量一般可以提供远程地质信息而不会被拦截(例如：远程地层、地质界面和液态物质)。这些信息还包括：距地面深度和远程方位等。在地质导向方面，定向电阻率测量可以为接下来的钻井操作提供依据。例如，对于薄油层，主要的搜寻方向就是水平部分。

随钻录井(LWD)方位电阻率的测量方法大家都比较熟悉。当工具在井中旋转(比如钻井过程)时，随钻录井(LWD)方位电阻率工具通常可以测量或者评估磁场的交叉分量(例如H_zx组件)。文献中现有各种工具配置用来测量这种交叉项。例如，Hagiwara在专利U.S.Pat.No.6181138中阐述的方法，利用了轴向发射天线和三个圆周共地补偿接收天线。Minerbo等人的专利U.S.Pat.Nos.6969994、Omeragic的专利U.S.Pat.Nos.7202670和Li等人的专利U.S.Pat.Nos.7382135所采用的方法为使用一个轴向发射天线和轴向空间倾斜接收天线，接收天线与另外一个角度成180度的天线形成补偿(抵消)。Bittar的多项专利U.S.Pat.Nos.6476609，6911824，7019528，7138803和7265552所采用的方法，使用了一个轴向发射天线和两个轴向空间倾斜接收天线，补偿天线与之倾斜方向相同。倾斜天线已经商用，但是它的一个缺点就是发射和接收到的混合电磁波难以将弱信号(比如横向电波)从测量噪声中区分出来。

Wang等人的专利US.Pat.Nos.7057392和7414407所涉及到的方法为使用一个轴向发射天线和两个纵向的横向接收天线。一旦发射信号，每一个接收器都会测量交叉分量，这些交叉分量可以通过求平均值来减弱工具的弯曲效应影响。为了得到更可靠的测量结果，发射线圈和接收线圈增量保持不变，而这有可能在井中温度和压力波动的时候容易出现问题。并且，发射和接收电子噪声对于定向电阻率测量的准确性和一致性也会造成影响。

即是说，虽然以上所叙述的方法(和相关的录井随钻电阻率工具)已经广泛商用，但是依然需要开发随钻录井(LWD)定向电阻测量的工具及方法来提高这种定向电阻率测量的准确性。

技术实现要素：

本发明提供一种随钻电阻率测量方法及其方位电阻率工具，来提高井下定向电阻率测量的准确性。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种随钻电阻率测量方法，所使用的方位电阻率工具设有第一发射天线、第二发射天线、第一接收天线、第二接收天线；且第一发射天线及第二发射天线的位置，与第一接收天线及第二接收天线的位置，不在工具的同一平面；

所述随钻电阻率测量方法，包含：

对钻井中的方位电阻率工具进行旋转；

激发第一发射天线持续发射z模式电磁波，及激发第二发射天线持续发射x模式电磁波；

激发第一接收天线持续接收z模式电磁波或持续接收z模式电磁波和x模式电磁波，及激发第二接收天线持续接收x模式电磁波或持续接收z模式电磁波和x模式电磁波；

通过采样电路对第一接收天线及第二接收天线接收到的信号进行提取和记录，分析获得z模式电磁波分量和x模式电磁波分量；

计算z模式电磁波分量与x模式电磁波分量的复合比率。

优选地，第一发射天线发射单z模式电磁波，或持续发射z模式电磁波及x模式电磁波；以及，第二发射天线发射单x模式电磁波，或持续发射z模式电磁波及x模式电磁波。

优选地，激发第一发射天线持续发射频率f₁的z模式电磁波及x模式电磁波，及激发第二发射天线持续发射频率f₂的z模式电磁波及x模式电磁波；

其中，f₁/f₂＝L₂²/L_l²，第一接收天线及第二接收天线的位置与第一发射天线的轴向距离L₁，第一接收天线及第二接收天线的位置与第二发射天线的轴向距离L₂，且L₁≠L₂；

对频率f₁下接收获得的z模式电磁波分量和x模式电磁波分量的复合比率进行计算，以及对频率f₂下接收获得的z模式电磁波分量和x模式电磁波分量的复合比率进行计算。

优选地，所述第一发射天线与第二发射天线纵向隔开或并排设置；

所述第一接收天线与第二接收天线纵向隔开或并排设置。

优选地，所述第一发射天线包含一个或多个轴向发射天线，所述第二发射天线包含一个或多个横向发射天线；

所述第一接收天线包含一个或多个轴向接收天线，所述第二接收天线包含一个或多个横向接收天线。

优选地，所述第二发射天线进一步包含一个或多个y模式电磁波的发射天线；所述第二接收天线进一步包含一个或多个y模式电磁波分量的接收天线。

优选地，复合比率r的算式如下

$r=\frac{V_{zx}{V}_{xz}}{V_{zz}{V}_{xx}}=\frac{H_{zx}{H}_{xz}}{H_{zz}{H}_{xx}}$

V_xx、V_xz、V_zx、V_zz表示电压反应；

H_xx、H_xz、H_zx、H_zz表示感应磁场分量；

V_zx、H_zx对应发射为z模式电磁波接收获得x模式电磁波分量的情况；

V_zz、H_zz对应发射为z模式电磁波接收获得z模式电磁波分量的情况；

V_xz、H_xz对应发射为x模式电磁波接收获得z模式电磁波分量的情况；

V_xx、H_xx对应发射为x模式电磁波接收获得x模式电磁波分量的情况。

优选地，所述第一接收天线及第二接收天线接收到的为高频信号；所述采样电路对高频信号进行欠采样。

本发明的另一个技术方案是提供一种方位电阻率工具，其中包含：第一发射天线、第二发射天线、第一接收天线、第二接收天线；

所述第一发射天线及第二发射天线的位置，与所述第一接收天线及第二接收天线的位置，不在工具的同一平面；

并且，所述第一发射天线与第二发射天线纵向隔开或并排设置，所述第一接收天线与第二接收天线纵向隔开或并排设置；

所述方位电阻率工具在井下旋转时，第一发射天线持续发射单z模式电磁波，或持续发射z模式电磁波及x模式电磁波；

第二发射天线持续发射单x模式电磁波，或持续发射z模式电磁波及x模式电磁波；第一发射天线和第二发射天线的发射频率相同或不相同；

第一接收天线单独接收z模式电磁波，或持续接收z模式电磁波及x模式电磁波；

第二接收天线单独接收x模式电磁波，或持续接收z模式电磁波及x模式电磁波。

优选地，第一接收天线及第二接收天线接收到的为高频信号；

通过采样电路对第一接收天线及第二接收天线接收到的高频信号进行欠采样，分析获得z模式电磁波分量和x模式电磁波分量，用来计算z模式电磁波分量与x模式电磁波分量的复合比率r：

$r=\frac{V_{zx}{V}_{xz}}{V_{zz}{V}_{xx}}=\frac{H_{zx}{H}_{xz}}{H_{zz}{H}_{xx}}$

V_xx、V_xz、V_zx、V_zz表示电压反应；

H_xx、H_xz、H_zx、H_zz表示感应磁场分量；

V_zx、H_zx对应发射为z模式电磁波接收获得x模式电磁波分量的情况；

V_zz、H_zz对应发射为z模式电磁波接收获得z模式电磁波分量的情况；

V_xz、H_xz对应发射为x模式电磁波接收获得z模式电磁波分量的情况；

V_xx、H_xx对应发射为x模式电磁波接收获得x模式电磁波分量的情况。

传统地下钻井中方位电阻率测量时，在采集电路中加入LO振动器、混频器和滤波电路将采集到的高频进行混频、降中频，再滤波，导致准确性受影响。与之相比，本发明的案例具有多项技术优势。例如，本发明采用高频欠采样技术，避免了一般采样电路中由LO振动器和混频器所造成的噪声。通过计算复合比率，本发明可以将发射矩影响、接收矩影响以及电子误差(振幅和相位)由数学方法从电压测量信息中剔除出去。通过消除误差源，本发明有效提高了方位电阻率测量的精确度。

本发明在特定案例的有利条件下，计算所得复合比率的方位角敏感度大致与接收到的交叉项V_zx(或者H_zx)成比例。现有技术的测量通常需要一定规模井下过程积累才能实现，而本发明更加适合在有限动力源条件下井下的微控测量。

本发明通过计算复合比率，还可以在不考虑天线间隔的情况下去除非对称发射器中近井的各向异性效应，从而减小误差。该误差来源于井下温度和压强导致的天线变形，及进而造成天线间距的改变。

针对电磁波在传输过程中以及采样过程造成信号失真的问题，本发明采用欠采样技术直接进行高保真高频采样，并着重研究了定向电阻率测量中的补偿性问题，基于所接收到的电磁波轴向分量和横向分量的比率关系来实现失真补偿，实现了信号准确探测。

附图说明

为了更加全面地理解本发明以及其优点，下述以及对应的图示可以帮助说明：

图1是本发明所述随钻电阻率测量方法的流程图；

图2A和图2B本发明所述方位电阻率工具的两种结构示意图；

图3是本发明中所采用的高频欠采样电路框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的随钻电阻率测量方法(Ⅰ)中，使方位电阻率工具在钻孔内旋转(Ⅱ)；正如以下将详细描述的一样，该方位电阻率工具包括至少第一和第二发射天线，其中一个用来发射z模式电磁波(Ⅲ)，另外一个用来发射x模式电磁波(Ⅵ)。该工具同时包括至少第一和第二接收天线，接收天线与发射天线在工具的纵向间隔布置，其中一个用来接收电磁波的z模式分量(Ⅳ)，另外一个用来接收电磁波的x模式分量(Ⅶ)。

第一和第二发射天线持续激活(Ⅲ和Ⅵ)，以便向地下地层中发射单模式电磁波。而电磁波的轴向和横向分量可以分别被对应的接收天线接收(Ⅳ和Ⅶ)。信号经过高频欠采样处理后，对接收到的分量的复合比率进行计算(Ⅸ)。所得比率在井下进行计算并存储于井下存储器或者由遥测计发射回地面。

电磁方位电阻率工具都装配有单模发射和接收天线。根据方位电阻率工具(或者钻洞)的参考系定义了单模天线，其中轴向(一般是z轴)与工具(或者钻洞)的纵轴一致。在这个参考系中，轴向天线中的天线磁矩与工具轴一致；轴向天线可以发射和/或接收单轴模式电磁波。横向天线中天线的磁矩与工具轴正交垂直；横向天线可以发射和/或接收单向横向模式(x模式或者y模式)的电磁波。本发明提供的天线发射和/或接收单模式电磁波。比如，轴向发射天线发射大量的单z轴模式电磁波；横向接收天线接收大量的纯x模式(或y模式)电磁波。

大幅度单模意味着发射和接收天线倾向于发射和接收单模电磁波。比如，传统轴向发射天线倾向于发射单z轴模式电磁波，从而被说成制造了单z模式的电磁波。同样的，传统横向接收天线倾向于接收单x模式电磁波，从而被说成接收单x模式电磁波。与此相反的天线倾向于发射和接收混合模式电磁波。例如，传统的倾斜天线倾向于发射和接收混合模式电磁波(比如混合x模式和z模式)，并且一般不认为他们能够发射和接收单模电磁波。本领域技术人员可能认为，传统的轴向和横向天线一般发射和接收的都是多模式电磁波，比如由于设计限制等。就这一点而言，本发明并没有受到限制。尽管这种多模式确实存在(当然所占比例较小)，传统的轴向天线仍然被认为发射和接收的还是单向的z模式电磁波。同样的，传统横向天线仍被认为发射和接收的是单x模(或者y模)电磁波。

图2A和图2B描述了本发明提供的电磁波方位电阻率工具α和ζ，是随钻录井(LWD)工具，均可适用于上文所述的测量方法。电阻率工具α(图2A)包括一个轴向发射天线β和一个横向发射天线γ，两者在工具主体的纵向间隔分布(不在同一平面)。该电阻率工具α进一步包括一个轴向接收天线δ和一个横向接收天线ε，两者在工具主体的纵向间隔分布(不在同一平面)，且与前述发射天线β及γ亦相互隔开(也不在同一平面)。

或者，发射天线和接收天线也可以各自并排设置。例如在另一电阻率工具ζ(图2B)中，轴向发射天线β和横向发射天线γ并排设置，轴向接收天线δ和横向接收天线ε并排设置，而发射天线β、γ与接收天线δ、ε相互隔开，不在同一平面。在其他的示例中，还可以使两个发射天线并排设置，而接收天线纵向隔开；或者，可以使两个发射天线纵向隔开，而接收天线并排设置，本发明对此不作限制。

又或者，本发明的工具中，第一发射天线及其对应第一接收天线的天线对数量可以超过一个；第二发射天线及其对应第二接收天线的天线对数量可以超过一个。工具中还可以包含一对或多对y模式发射和接收的天线，其与其他x模式、z模式的发射和接收的天线对，纵向隔开或并排设置。此外，技术上来说，根据互易原则，每一个发射和接收天线在与合适的发射和接收电子设备耦合时，既可以作为发射装置也可以作为接收装置。

进一步理解本发明，通常使用电磁感应或者传播测量。一般，电磁传播工具要比电磁感应工具的使用频率高。本发明并不受限于电磁波的频率。本领域技术人员也将意识到电磁波可以拥有多个(2个或者更多)的频率分量可供使用(这是非常重要的)。本发明都不会受到这些方式的限制。

在一示例中，第一发射天线持续发射频率f₁的z模式和x模式电磁波，由第一接收天线持续接收z模式分量，第二接收天线持续接收x模式分量；第二发射天线持续发射频率f₂的z模式和x模式电磁波，由第一接收天线持续接收z模式分量，第二接收天线持续接收x模式分量；其中，f₁/f₂＝L₂²/L_l²，L₁和L₂分别表示这对接收天线与第一发射天线和第二发射天线的轴向距离，L₁≠L₂。进而对每一频率下接收到的z模式和x模式分量的复合比率分别计算。

就本领域一般技术来说，发射线圈(例如发射天线β和γ的线圈)中的时变电流(交流电)在所测地层中产生了一个对应的时变磁场。该磁场反过来在导电性地层中产生感应电流(涡旋电流)这些涡旋电流进一步产生二级磁场，而该二级磁场会在一个或者多个接收线圈(例如接收天线δ和ε的线圈)中产生电压反应。这些接收线圈中所测得的电压通过现有技术处理可以得到一个或者多个二级磁场的测量结果，反过来进一步估算地层的电阻率(电导率)和介电常数。通过现有技术可以从这些地层的电学特性关联到含烃类物质的电势。

参照图1和图2，发射天线可能分别发射z模式和x模式电磁波(Ⅲ和Ⅵ)。每个电磁波的单z模式和x模式分量将由一对轴向和横向的接收天线(例如图2中的δ和ε)接收到(Ⅳ和Ⅶ)。通过以下算式，对接收的电磁波轴向和横向波分量(Ⅴ和Ⅷ)进行复合比率的计算(Ⅶ)：

$r=\frac{V_{zx}{V}_{xz}}{V_{zz}{V}_{xx}}---\left(1\right)$

其中，r表示复合比率，V_xx，V_xz，V_zx和V_zz表示发射的电磁波在接收线圈处的电压反应。此电压反应(或者电磁场反应)的下标参数规定，第一个字母表示发射模式(x或z模式)，第二个字母表示接收模式(x或z模式)。

就目前技术来说，这些电压反应(V_xx，V_xz，V_zx和V_zz)通过演算可以得到对应的感应磁场分量(H_xx，H_xz，H_zx和H_zz)。因此，公式(1)中的复合比率可以从数学上推导为电磁场分量的表述如下：

$r=\frac{H_{zx}{H}_{xz}}{H_{zz}{H}_{xx}}---\left(2\right)$

公式(1)和(2)计算所得复合比率通过将发射端磁矩、接收端磁矩以及电子误差(振幅和相位)从电压(或者电磁场)测量中剔除而实现了方位电阻率测量的补偿。就本领域技术来说，接收天线的电压测量与发射和接收端的电磁矩成比例。相位和振幅误差可能是由接收电器引起的。正如以上所述，发射端和接收端增益通常是随井洞(例如井洞温度和压强的改变)而变化，这也导致了变化的发射磁矩和接收磁矩。明显的工具变化也能够被发现。电子误差也会随着井洞温度而改变。根据本发明所计算的复合比率能够消除误差源，并提高方位电阻率测量的准确性。

就技术层面来说，由接收天线测量的电压所推导的电磁场最好能够与地层的真实磁场成比例，但由于已知的原因其并不相同。失真的测量磁场表示如下：

H(ω)＝A_T(ω)e^iΔΦTA_R(ω)e^iΔΦRH^*(ω) (3)

其中，H(ω)表示测量磁场，H^*(ω)表示地层的真实磁场，A_T(ω)和ΔΦ_T表示发射端引起的真实地层磁场振幅和相位的失真，而A_R(ω)和ΔΦ_R表示由接收端引起的真实地层磁场振幅和相位的失真，ω表示弧度表示的角频率。就目前技术来说，振幅和相位的误差可能包括天线的磁矩，电子偏移和失真，以及其它环境效应。

参考图1，当发射天线持续激活，每一个接收端的测量磁场可以简单表示如下：

Hzz(ω)＝A_Tz(ω)e^iΔΦTzA_Rz(ω)e^iΔΦRzH^*zz(ω)

Hzx(ω)＝A_Tz(ω)e^iΔΦTzA_Rx(ω)e^iΔΦRxH^*zx(ω)

Hxz(ω)＝A_Tx(ω)e^iΔΦTxA_Rz(ω)e^iΔΦRzH^*xz(ω)

Hxx(ω)＝A_Tx(ω)e^iΔΦTxA_Rx(ω)e^iΔΦRxH^*xx(ω) (4)

其中，H_xx、H_xz、H_zx和H_zz的定义参考公式2，A_Tz(ω)、ΔΦ_Tz、A_Tx(ω)和ΔΦ_Tx表示由z模式和x模式发射天线引起的振幅和相位的误差，而A_Rz(ω)、ΔΦ_Rz、A_Rx(ω)和ΔΦ_Rx表示由z模式和x模式接收天线引起的振幅和相位的误差。

将公式(4)带入公式(2)得到：

$r=\frac{A_{Tz}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Tz}}{A}_{Rx}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Rx}}{H}_{zx}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\·A_{Tx}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Tx}}{A}_{Rz}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Rz}}{H}_{xz}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{A_{Tz}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Tz}}{A}_{Rz}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Rz}}{H}_{zz}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\·A_{Tx}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Txz}}{A}_{Rx}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{i\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}RX}{H}_{xx}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(5\right)$

可以简化为：

$r=\frac{H_{zx}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\·H_{xz}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{H_{zz}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\·H_{xx}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(6\right)$

从技术上来说，所有的振幅和相位误差在从公式(5)到公式(6)的数学简化过程中被巧妙地剔除了。因而，比率r实现了方位电阻率测量的完全补偿。

传统的采样电路会通过LO振动器、混频器和滤波电路将高频信号进行降频处理，再对降频后的信号进行采集。这个过程中，由于振动器、混频器以及滤波器的不稳定造成了采样信号的不稳定和噪声信号的引入。对于接收端有可能造成的信号失真，本发明涉及的高频采样电路的工作原理如图3所示，在电路中不使用振动器和混频器，对所接收到的信号直接进行高频采样；采样方法使用了欠采样方法，并依据特定算法和信号处理方法进行信号还原。所得信号避免了振动器和混频器所引起的失真效应，有效避免了噪声信号的产生。

篇幅有限，本发明适用于以上案例，而不局限于这些案例，依据本发明的局部改动也属于其保护范围之内。