用于定向电磁测井的方法和工具的制作方法
【专利说明】用于定向电磁测井的方法和工具
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求了提交于2013年4月1日的美国临时申请第61/807,236号、提交于 2013年10月23日的美国非临时申请第14/061，566号和提交于2013年10月23日的美国 非临时申请第14/061，572号的优先权。
【背景技术】
[0003] 本发明总体涉及测井工具的领域，并且特别地涉及电磁测井工具。更具体地，本发 明涉及多种定向天线和工具设计，以及在钻井时用于定向电磁测井的方法。
[0004] 在油气勘探和生产领域中已知多种测井技术。这些技术使用配备有适用于将能量 释放到被井孔穿透的地下地层中的发射器的仪器或工具。在该描述中，"仪器"和"工具"可 互换地被使用于表示例如电磁仪器（或工具）、有线工具（或仪器）或随钻测井工具（或仪 器）。释放的能量与周围的地层互相作用，以产生随后被一个或多个传感器检测或测量的信 号。通过处理检测到的信号数据，能生成地层特性的概况。
[0005] 更具体地，包括电磁感应和波传播测井工具的电磁测井工具被使用于确定包围井 孔的地层的电特性。该测井工具获得关于地层的电阻率（或它的倒数，电导率）的测量结 果，当解读时，该测量结果表示地层和其中的流体的岩多种石物理特性。电磁感应电阻率测 井的物理原理是众所周知的。
[0006] 电磁测井工具使用由天线线圈或由一圈或多圈导线形成的、用于短缠绕支撑物的 线圈形成的发射和接收天线。在某些实施方式中，该天线可操作地作为发射器和/接收器。 本领域的技术人员应该了解的是，天线可被使用为一时作为发射器而另一时作为接收器。 还应该了解的是，这里公开的发射-接收器由于对等原则可互换，即是，"发射器"可被使用 为"接收器"，反之亦然。
[0007] 传统的电磁测井采用不具有方位感知性的非定向发射和接收天线。在高角度或横 向井中，获得的测量结果不带方向，天线不包含关于地层的方向的信息，该信息例如允许分 辨井孔是否从上面或下面接近导电层。该信息被使用于井位应用中。测井工具包含诸如美 国专利第5508616、美国专利第6163155、美国专利第6476609中所述的定向天线（具有方 位感知性的天线）。该测井工具能提供包含关于地层方向的信息的方向测量结果。该测井 工具还进一步地提供了使用于不同地层评估应用的多种信息。
[0008] 随钻测井电磁测井工具的一个难题是保护天线线圈，以经受住严苛的恶劣井下环 境。在现有技术中已知的一种保护天线的设计是通过径向地减少铤部的尺寸将铤部的一部 分设置为"颈缩"，以提供深而宽的槽。天线线圈缠绕领部的减少的径向尺寸区域，天线线圈 被隔离层从减少区域的表面分隔开，并且开缝的套筒或护罩被提供，且被固定于天线线圈 上方的位置。在美国专利第4536714号、美国专利第4949045号、美国专利第6297639号和 美国专利第6566881号中描述了该类型的多种天线设计。
[0009] 在现有技术中已知的另一种设计是，直接在具有穿过钻铤的厚度的槽的钻铤中的 路径提供天线线圈，而没有在所述的第一方法中设立的被设置围绕天线线圈的开缝的护 罩。在路径中的暴露在槽中的天线线圈通过设置在槽中的非金属材料来保护，而路径中的 在槽之间的天线线圈通过路径所穿过的钻铤的材料来保护。在美国专利第5138263号、美 国专利第5530358号、美国专利第6577129号、美国专利第7057392号、美国专利第7414407 号和美国专利第7839149号中描述了该类型的多种天线设计。
[0010] 在美国专利第7382135号、美国专利第8195400号中描述了多种处理方法，其用于 从由包括定向天线的随钻测井电磁测井工具采集的数据生成测量结果。
【发明内容】
[0011] 在至少一个方面，本发明涉及一种天线装置。该天线装置包括带有纵轴线的工具 体部，工具体部具有外表面。在外表面中，减少的径向尺寸的多个槽间隔围绕工具体部。多 个槽的至少一个以相对于工具体部的纵轴线的非轴向方向定向。在外表面中，提供径向尺 寸近似地或大致地与工具体部的外表面齐平的多个棱，多个棱中的每个棱都将多个槽的至 少两个相邻的槽隔开。天线装置还包括横穿围绕工具体部的多个槽和多个棱的天线路径。 天线装置还包括设置在天线路径中的线圈。
[0012] 在至少一个方面，本发明涉及一种在被形成在地层中的井孔中获得测量结果的方 法。该方法包括将包含发射器和接收器的工具设置在井孔中，发射器和接收器中的至少一 个包含天线装置。天线装置包括带有纵轴线的工具体部，该工具体部具有外表面。在外表 面中，减少的径向尺寸的多个槽间隔围绕工具体部。多个槽的至少一个以相对于工具体部 的纵轴线的非轴向方向定向。在外表面中，提供径向尺寸近似地或大致地与工具体部的外 表面齐平的多个棱，多个棱中的每个棱都将多个槽的至少两个相邻的槽隔开。天线装置还 包括横穿围绕工具体部的多个槽和多个棱的天线路径。天线装置还包括设置在天线路径中 的线圈。该方法还包括从发生器选择性地发射电磁能量。该方法还包括在接收器获得与发 射的能量相关的多个数据对。
[0013] 在至少一个方面，本发明涉及一种用于在井孔中获得数据的井下测量工具。井下 测量工具包括被围绕第一工具体部部署的至少一个发射器和被围绕第二工具体部部署的 至少一个接收器，接收器与发射器轴向地间隔开。发射器和接收器中的至少一个是上述的 天线装置。天线装置包括带有纵轴线的工具体部，该工具体部具有外表面。在外表面中，减 少的径向尺寸的多个槽间隔围绕工具体部。多个槽的至少一个以相对于工具体部的纵轴线 的非轴向方向定向。在外表面中，提供径向尺寸近似地或大致地与工具体部的外表面齐平 的多个棱，多个棱中的每个棱都将多个槽的至少两个相邻的槽隔开。天线装置还包括横穿 围绕工具体部的多个槽和多个棱的天线路径。天线装置还包括设置在天线路径中的线圈。
[0014] 在至少一个方面，本发明涉及一种方法。该方法包括将工具设置在设置在地层中 的井孔中，工具包括至少一个发射器和至少一个接收器。发射器和接收器中的至少一个是 定向天线。发射器和接收器相对于彼此径向地间隔。该方法包括在井孔中获取多个数据对， 每个数据对都包含在至少一个接收器的信号和总工具面范围中的对应的工具面角。该方法 包括计算由多个数据对概略估算的感生信号函数的至少一个区域，以生成表示地层的特征 的测量结果的步骤。
[0015] 在至少一个方面，本发明涉及一种井下测量工具。该井下测量工具包括具有纵轴 线的工具体部。该井下测量工具包括围绕工具体部部署的至少一个发射天线。该井下测量 工具包括围绕工具体部部署的至少一个接收天线，接收天线与发射天线轴向地间隔开。发 射天线和接收天线的中的至少一个包含定向天线。井下测量工具包括控制器，其被配置为： (i)使得工具在地下井孔中旋转时获取多个数据对，每个数据对包含感生信号测量结果和 对应的工具面角；并且（ii)计算井下的由多个数据对概略估算的感生信号函数的至少一 个区域，以生成表示地层特征的测量结果。
[0016] 提供该概述以引入下面进一步描述的一系列概念。该概述不旨在确定权利要求的 主题的关键或重要的特征，也不旨在被使用为帮助限制权利要求的主题的范围。
【附图说明】
[0017] 将参考下列附图描述用于定向电磁测井的天线、工具和方法的实施方式。相同的 附图标记在所有附图中被使用于表示相似的特征和构件。
[0018] 图1是被使用于与本发明的多种实施方案相关联的钻井环境的示意图。
[0019] 图2是根据本发明的实施例的电磁测井工具的示意图。
[0020] 图3A至3E提供了根据本发明的实施方式的多种天线装置的侧视图，并且图3F至 3G分别示出了沿槽的方向且穿过棱的多种天线装置的剖视图。
[0021] 图4示出了用于使用根据本发明的天线装置获取数据的方法的流程图。
[0022] 图5示出了根据本发明的实施方式通过连接离散信号数据点概略估算的感生信 号函数的示图，以及感生信号函数的四个子集区域的示图。
[0023] 图6示出了根据本发明的实施方式的原始模拟数据点、重计算数据点的视图，并 且示出了正弦形式的确切信号。
[0024] 图7示出了用于处理根据本发明的实施方式获得的数据以生成测量结果的方法 的流程图。
[0025] 定义
[0026] 如这里所使用的，表示给出的点或构件的上面或下面的相对位置的术语"上"和 "下"；"上部"和"下部"；"朝上"和"朝下"；"下面"和"上面"以及其他相似的术语可与这 里描述的多种技术的某些实施方案一同被使用。然而，当被应用到偏斜或横向的井中使用 的装备或方法时，或当被应用到在井中沿偏斜或横向的方向布置的装备或方法时，这些术 语可指从左到右，从右到左，或其他适当的关系，其中"上"是在工具串中相对更靠近表面装 备的位置，而"下"是在工具串中相对更靠近井底装置的位置。
[0027] "轴向"指大致与井下工具或壳体的纵轴线平行的延伸的方向。
[0028] "非轴向"指以特定角度与井下工具或壳体的纵轴线不平行地延伸的方向，该角度 包括垂直的角度以及某些小于九十度的角度。
[0029] "感生信号函数"指作为工具面角的函数的、通过在工具的发射器释放的电磁波在 工具的接收器产生的信号。在本发明的实施方式中，在离散时间测量感生信号，并且因此， 感生信号函数大致由多个数据对限定，每个数据对都包含感生信号和对应的工具面角。
[0030] "工具面角"指围绕工具的圆周从给出的方向到井下工具上的参考点的径向方向 的间隔的角度。
[0031] "总工具面范围"指覆盖全方位旋转的或完整方位旋转的360度的范围。
[0032] "工具体部"指适于可移动地穿过井孔的任何管状机械支撑件的一部分，该部分大 致地位于被设置于其上的天线线圈的位置，例如，诸如钻铤的任意部分、钻管段、工具壳体 或其他井孔管部，该部分具有被壁厚分开的外表面和内表面，并且内表面限定穿过其中的 中心孔。工具的整体长度可超过位于线圈处的工具体部。
[0033] "天线路径"指，在一个或多个槽中，至少被天线线圈占据的空间；以及在一个或多 个棱中，天线路径指至少天线线圈可穿过的空间。
【具体实施方式】
[0034] 在下面的描述中，列出许多细节，以提供对本发明的理解。然而，本领域的技术人 员可理解的是，不使用这些细节来实施本发明的技术以及来自所述实施方式的多种变形和 改进是可能的。
[0035] 本发明描述了用于天线装置的多种实施方式，每个天线