专利名称：具有屏蔽三轴天线的测井仪的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及测井仪，并且具体地涉及电磁测井仪。
背景技术：
测井仪已经长时间在井眼内使用以例如得到地层评价测量值，从而推断包围井 眼的地层和地层内的流体的特性。虽然还可使用各种其它类型的测井仪，但是通常的测 井仪包括电磁测井仪、核测井仪、和核磁共振(NMR)测井仪。电磁测井仪通常测量地层的 电阻率(或所述电阻率的倒数电导率)。现有技术的电磁电阻率测井仪包括流电测井仪 (galvanic tool)、感应测井仪、和传播测井仪。通常，已经通过地层的电磁信号的衰减和相 移的测量值用于确定电阻率。电阻率可以是原始地层的电阻率、被已知为侵入层的电阻率、 或者所述电阻率可以是井内流体的电阻率。在各向异性地层中，电阻率可以进一步被分解 成通常被称为垂直电阻率和水平电阻率的分量。在已经钻好井眼之后，包括电磁测井仪的早期测井仪在钢丝电缆上被下入井眼 内。仍然广泛使用这种新型的电缆测井仪。然而，对钻井眼时的信息的需要产生随钻测量 (MWD)仪和随钻测井(LWD)仪。MWD仪通常提供诸如钻压、扭矩、温度、压力、方向、和倾角的 钻井参数信息。LWD仪通常提供诸如电阻率、孔隙度、和NMR分布(例如，Tl和T2)的地层 评价测量值。MWD和LWD仪通常具有与电缆测井仪(例如，发射和接收天线)共有的特征， 但是MWD和LWD仪必须被构造成不仅要经受得住钻井的恶劣环境，而且要在所述钻井的恶 劣环境中工作。
发明内容
本发明涉及一种井下测井仪，所述井下测井仪的测井仪主体上具有一组共同定位 的天线、与所述一组共同定位的天线沿纵向间隔开的一个或多个另外的天线、沿圆周方向 包围所述一组共同定位的天线的电磁透射护罩、和沿圆周方向包围一个或多个另外的天线 中的每一个的电磁透射护罩。井下测井仪可以是电缆钻井仪或随钻仪，并且所述井下测井 仪可以是感应测井仪或传播测井仪。护罩可以具有局部地垂直于在下面的线圈天线的绕组 的槽。本发明的其它方面和优点将从以下说明和所述权利要求变得清楚。
图1示出可以使用本发明的井位系统；图2显示现有技术的电磁测井测井仪；图3A是根据本发明构造而成的电磁感应测井仪的示意图；图3B是图3A的测井仪的一部分的放大图；图4是根据本发明的护罩和在下面的天线线圈的示意图，其中所述护罩和天线线 圈被示出为向上开口并平坦展开以便进行图示和说明；
图5是根据本发明的护罩和在下面的天线线圈的可选实施例的示意图，其中所述 护罩和天线线圈被示出为向上开口并平坦展开以便进行图示和说明；图6A示意性地显示具有根据本发明的屏蔽天线的三轴电阻率测井仪的可选实施 例；和图6B是图6A的测井仪的一部分的放大图。要理解的是附图仅仅出于说明的目的，而不是对本发明进行限定，本发明的保护 范围仅由所附权利要求的保护范围来确定。
具体实施例方式以下参照
本发明的具体实施例。为了一致性，各个附图中相同的元件由 相同的附图标记表示。图1示出了本发明可以使用的井位系统。井位可以在陆上或海上。在此示例性系 统中，井眼11通过旋转钻井以公知的方式形成在地下地层内。如以下所述，本发明的实施 例还可以使用定向钻井。钻柱12悬挂在井眼11内并且具有底部钻具组合100，所述底部钻具组合包括在 其下端的钻头105。地面系统包括位于井眼11上方的平台和井架组件10，组件10包括转 盘16、方钻杆17、大钩18和旋转座架19。钻柱12由转盘16旋转，所述转盘由未示出的装 置提供能量，所述转盘16接合在钻柱上端处的方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转座 架19从大钩18悬挂，所述大钩连接到游动滑车(未示出)，所述旋转座架允许钻柱相对于 大钩旋转。如所公知的，可选地，可以使用顶部驱动系统。在此实施例的示例中，地面系统还包括钻井液或泥浆26，所述钻井液或泥浆储存 在形成在井位处的槽27内。泵29通过旋转座架19的端口将钻井液26输送到钻柱12的 内部，从而使钻井液由方向箭头8所示向下流动通过钻柱12。钻井液通过钻头105内的端 口离开钻柱12，然后如方向箭头9所示向上循环通过钻柱外部与井壁之间的环空区域。以 此公知的方式，当钻井液返回到槽27用于再循环时，所述钻井液润滑钻头105并且将岩屑 带到地面。图示的实施例的底部钻具组合100包括随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD) 模块130、旋转导向系统和马达、以及钻头105。如本领域所公知的，LWD模块120容纳在专用钻铤中，并且可以包括一个或多个已 知类型的测井仪。还要理解的是可以使用多于一个的LWD和/或MWD模块，例如，如120A 表示(在附图中，对在位置120处的模块的附图标记可选地也可以表示同样在位置120A处 的模块)。LWD模块包括用于测量、处理、和存储信息的能力、以及用于与地面设备进行通信 的能力。在本实施例中，LffD模块包括电阻率测量装置。如本领域所公知的，MWD模块130也容纳在专用钻铤中，并且可以包括用于测量 钻柱和钻头的特征的一个或多个装置。MWD测井仪还包括用于为井下系统生成电力的设备 (未示出)。这通常可以包括由钻井液的流动提供动力的泥浆涡轮发电机，且要理解的是可 以使用其它电源和/或电池系统。在本实施例中，MWD模块包括以下类型测量装置中的一 个或多个钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方 向测量装置、和倾角测量装置。
可以是LWD仪120或可以是本系统及其方法的随钻测井仪组120A的一部分的测 井仪的示例是美国专利4，899，112并且题目为“Well LoggingApparatus And Method For Determining Formation Resistivity At A Shallowand A Deep Depth” 巾白勺双EfePi 率LWD仪，所述专利通过引用在此并入。如图2中所示，上发射天线T1和下发射天线T2具 有在其之间的上接收天线R1和下接收天线R2。天线形成在被改型的钻铤的凹部内并安装 在绝缘材料内。作为接收器之间的电磁能的相移提供相对较浅的探测深度处的地层电阻率 的指示，而作为接收器之间的电磁能的衰减提供相对较深的探测深度处的地层电阻率的指 示。可以参考以上参考的美国专利No4，899，112以进一步了解详情。在操作中，衰减代表 信号和相位代表信号耦合到处理器，所述处理器的输出可连接到遥测电路。图3A示意性地显示具有屏蔽天线的三轴电阻率测井仪。图3A的实施例是在随钻 测井钻铤上的感应电阻率测井仪200的实施例。在所示的实施例中，具有发射器天线202、 与发射器天线202不同地间隔开的多个接收器天线204、和也与发射器天线202不同地间隔 开的多个补偿线圈天线206。图3B是感应测井仪200的一部分的放大图，其中示出了发射 器天线202、一个接收器天线204和一个补偿线圈天线206。如本领域传统的和所公知的， 补偿线圈天线206位于发射器天线202与接收器天线204之间。图3B还显示了护罩208。护罩208优选地由高强度、抗蚀材料、非磁性材料制成。 例如，非磁性金属是优选的实施例，但是本发明不局限于金属护罩。如果使用非磁性(但是 导电的)金属护罩，则可将槽210切入到护罩208内。槽210允许电磁波的一部分(例如， 从发射器天线202发射的或从地层到达接收器天线204的电磁波的一部分)通过护罩208。 槽210可以填充有用于在抑制流体通过所述槽的同时允许电磁波通过的诸如环氧树脂、玻 璃纤维、或塑料的非导电电磁透射材料。在所示的实施例中，槽210被布置成垂直于位于护 罩208下面天线的线圈绕组。护罩208遮盖并保护那些在下面的天线线圈绕组。这在图4中更好地进行了说明。图4显示护罩208，所述护罩通常为圆柱形，向上 开口并平坦展开。虽然可以使用更多段或更少段，但是在此实施例中，具有包括护罩208的 四段212。图4显示在每一段212之间的三个长垂直槽210A。如果连接展开段的端部以再 次形成圆筒，则将会形成第四垂直槽210A。除四个垂直槽210A之外，具有大致位于每一段 212的中心的垂直槽210B。如以下进一步详细所述，所有八个所述垂直槽210A、210B允许 到轴向⑵线圈或来自所述轴向(Z)线圈的电磁波的至少一部分通过。另外，槽210B还允 许到横向(X，Y)天线线圈的或来自所述横向(Χ，Υ)天线线圈的电磁波的多个部分通过。图4还显示了槽210C和210D。槽210C相对于垂直槽210Β以大致45度角度倾 斜，而槽210D是大致水平的。图4显示在每一段212内的十个水平槽210D和四个45度倾 斜槽210C。然而，这是设计选择，并且如果期望可以使用更多或更少的槽，并且可以选择不 同的角度。此实施例中的用于横向(Χ，Υ)天线的线圈绕组被大致布置成类似于卵形轨迹的 卵形图案。水平槽210D大致垂直于卵形部分的“直线段”部分，而倾斜槽210C垂直于弯曲 部分。图5显示其中横向线圈被大致布置成椭圆形的可选实施例。这里，水平槽210D与 椭圆的短轴对齐，而槽210C以各种角度倾斜，且每一个都局部地垂直于在下面的线圈绕组 的最接近部分。垂直槽210Α、210Β如图4的实施例在上面所述。类似地，图6Α示意性地显示具有屏蔽天线的三轴电阻率测井仪的可选实施例。图
66A的实施例是在LWD钻铤上的传播电阻率测井仪214的实施例。在所示的实施例中，各个 发射器天线202沿着测井仪主体纵向间隔开，而两个接收器天线204相对彼此靠近地间隔 开，并位于发射器天线202之间。多种不同的天线结构是可以的，并且在本发明的保护范围 内。如本领域传统的和公知的，在传播型实施例中不使用补偿线圈天线206。图6B是传播测井仪214的一部分的放大图，其中示出了遮盖发射器天线202的护 罩208。这种护罩208优选地遮盖并保护所有天线202、204。如上所述，护罩208优选地由 高强度、抗蚀材料、非磁性材料支撑。槽210可以切入到护罩208内以允许电磁波的一部分 通过护罩208，并且可以填充有用于抑制流体通过所述槽的同时允许电磁波通过的电磁透 射材料。如前所述，槽210优选地被布置成垂直于位于护罩208在下面的天线的线圈绕组。槽210的数量是设计选择，但是优选地具有足够的槽210以使护罩208对电磁辐 射充分透射以控制操作。用于设计槽的数量的一个可能的准则是使绕槽的通路长度超过两 个邻接槽之间的沿绕组的弧的通路长度的两倍。根据欧姆定律，沿护罩的内表面在圆周方 向上、沿护罩的厚度径向向外、沿护罩的外表面沿圆周方向、和沿护罩的厚度径向向内的电 阻闭合通路的电阻率小于绕槽和护罩的圆周的电阻通路。电流往往会沿最小的电阻通路流 动。天线202、204、206优选地具有偶极矩，所述偶极矩大致轴向对齐、横向对齐、或者 相对于测井仪的纵向轴线倾斜。因为井下工具总体是圆柱形的，因此在这种工具上使用的 天线线圈通常与圆柱形形状相一致。例如，虽然其它闭合回路形状也是可以的，但是线圈可 以是螺线管、鞍形线圈、卵形、或椭圆形。线圈可以是单个线圈或组合线圈以得到例如一组 共同定位的三轴线圈。一种可能的结构是图4的结构，在所述结构中，具有一个轴向线圈(Z 线圈)，共同协作工作以形成一个横向天线(X线圈)的两个卵形鞍形线圈、和共同协作工 作以形成另一个横向天线(Y线圈)的两个卵形鞍形线圈。线圈可以嵌入非导电材料(例 如，塑料)，并且放置在钻铤的凹部、固定在可以在钻铤上滑动的非导电圆筒内、或者连接到 钻铤上的预先形成的两个半圆筒。可选地，天线线圈可以印刷在柔性印刷电路板上，或者以 其它方式柔性电路可以在非导电材料(例如，热凝固玻璃纤维)内凝固，并且放置在工具主 体(例如，芯轴或钻铤)上。另外，例如，铁氧体材料可以放置在钻铤的凹部内，或者以其它方式装入到天线结 构内。即，凹槽可以切入到钻铤内并且填充有铁氧体材料。天线线圈形成有跨越铁氧体填 充槽的绕组。凹槽优选地被布置成局部地垂直于天线绕组并且沿线圈绕组的通路均勻间隔 开。如本领域所公知的，天线可以通过绝缘并且静流体密封电线或连接器经由引线电连接 到相关联的电子设备。虽然根据随钻测井仪说明了上述实施例，但是本发明不限于随钻测 井仪，并且也可以使用例如电缆测井仪。天线可以被设计成在各种频率下操作。例如，传播测井仪可以使用较低的频率，而 感应测井仪可以使用多个频率。不同频率可以用于获得多个探测深度。这里所述的测井仪可以用于研究地层特性及其它井下参数。电缆测井仪或随钻测 井仪如果是感应测井仪则可以被构造成得到平衡的感应测量值，而所述电缆测井仪或随钻 测井仪如果是传播测井仪则可以得到通过护罩的传播测量值。例如，技术人员可以由测量 值推断地层的电阻各向异性(即，垂直电阻率和水平电阻率)、相对倾角、方位角、与地层界 面的距离、侵入层带的半径、和侵入层带的各向异性。可以获得此信息，并且实时使用或记录所述信息，以便进行后续处理。即使当钻柱不旋转时，也可以得到测量值及其相关联的推 断。另外，虽然上述实施例已经集中在电磁测井仪上，但是本发明也包括使用电磁信号以得 到所述电磁信号的测量值的其它测井仪。例如，这里所述的护罩可以用在NMR测井仪上以 激励定向Bl场。 虽然已经相对于有限实施例说明了本发明，但是得益于此公开的本领域的技术人 员的将认识到可以预想没有背离如这里所公开的本发明的保护范围的其它实施例。因此， 本发明的保护范围应该仅仅由所附权利要求来限定。
权利要求
一种井下测井仪，包括测井仪主体，所述测井仪主体具有纵向轴线；一组共同定位的天线，所述一组共同定位的天线携载在所述测井仪主体上；一个或多个另外的天线，所述一个或多个另外的天线携载在所述测井仪主体上，且所述一个或多个另外的天线与所述一组共同定位的天线在纵向间隔开；沿圆周方向包围所述一组共同定位的天线的电磁透射护罩；和沿圆周方向包围所述一个或多个另外的天线中的每一个的电磁透射护罩。
2.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述测井仪是电缆测井仪或随钻测井仪。
3.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述测井仪是感应测井仪或传播测井仪。
4.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述测井仪主体由非磁性金属制成。
5.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述一组共同定位的天线设置在所述测井仪 主体的凹部内。
6.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述一组共同定位的天线包括第一线圈天线、 第二线圈天线、和第三线圈天线，所述第一线圈天线具有大致平行于所述纵向轴线的偶极 矩，所述第二线圈天线具有大致垂直于所述纵向轴线的偶极矩，所述第三线圈天线具有大 致垂直于所述纵向轴线和所述第二线圈天线的偶极矩的偶极矩。
7.根据权利要求6所述的测井仪，其中，所述第一线圈天线是螺线管，而所述第二线圈 天线和所述第三线圈天线是鞍形线圈。
8.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述一个或多个另外的天线是发射器天线、接 收器天线、或补偿线圈天线。
9.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述一组共同定位的天线和/或所述一个或多 个另外的天线具有紧密靠近所述天线线圈的绕组的铁氧体。
10.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述护罩中的每一个都由非磁性金属制成。
11.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述护罩中的每一个都具有通过所述护罩的槽。
12.根据权利要求11所述的测井仪，其中，所述槽中的每一个都填充有非导电材料。
13.根据权利要求1所述的测井仪，其中，所述护罩中的每一个都具有通过所述护罩的 槽，所述槽中的每一个都大致垂直于在下面的天线的最近的绕组。
14.一种对井眼进行测井的方法，包括以下步骤 提供井下测井仪，所述井下测井仪包括测井仪主体，所述测井仪主体具有纵向轴线；一组共同定位的天线，所述一组共同定位的天线携载在所述测井仪主体上； 一个或多个另外的天线，所述一个或多个另外的天线携载在所述测井仪主体上，且所 述一个或多个另外的天线与所述一组共同定位的天线沿纵向间隔开； 沿圆周方向包围所述一组共同定位的天线的电磁透射护罩；和 沿圆周方向包围所述一个或多个另外的天线中的每一个的电磁透射护罩；以及 当所述测井仪位于所述井眼内时得到测量值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述得到测量值的步骤在钻所述井眼的同时 执行。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述得到测量值的步骤在钻所述井眼的同时 执行，但同时所述测井仪不旋转。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤 由所述测量值确定地层特性和/或其它井下参数。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述地层特性及其它井下参数包括电阻各向 异性、相对倾角、方位角、和与地层界面的距离。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤 根据确定的所述地层特性和/或其它井下参数进行钻进判定。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤 使用多个频率以得到在多个探测深度处的测量值。
21.一种井下NMR测井仪，包括测井仪主体，所述测井仪主体具有纵向轴线；一组共同定位的天线，所述一组共同定位的天线携载在所述测井仪主体上；和 电磁透射护罩，所述电磁透射护罩沿圆周方向包围所述一组共同定位的天线。
全文摘要
本发明涉及一种井下测井仪，所述井下测井仪的测井仪主体上具有一组共同定位的天线、与所述一组共同定位的天线沿纵向间隔开的一个或多个另外的天线、沿圆周方向包围所述一组共同定位的天线的电磁透射护罩、和沿圆周方向包围一个或多个另外的天线中的每一个的电磁透射护罩。井下测井仪可以是电缆钻井仪或随钻仪，并且所述井下测井仪可以是感应测井仪或传播测井仪。护罩可以具有局部地垂直于在下面的线圈天线的绕组的槽。
文档编号H01Q7/06GK101881152SQ20101017006
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月4日 优先权日2009年5月4日
发明者杰拉尔德·N·米勒鲍, 罗伯特·C·史密斯, 迪安·M·霍曼 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司