专利名称：一种近钻头电阻率随钻测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及钻井和测井领域，特别是涉及到随钻电阻率测井技术，具体地讲是一种近钻头电阻率随钻测量方法及装置。
背景技术：
所谓电阻率测井就是测量井眼周围地层的电阻率，它通常应用于对地层的评价。比如，多孔地层一般具有较高的电阻率，它可指示碳氢化合物的存在；当多孔地层显示较低的电阻率时，一般表示有饱和水的存在。在有缆测井中，测量是在起钻后进行的，它将电缆连接的测井仪器下入井底并在上提的过程中进行测量。现在有多种形式(比如采用电极或线圈)的电阻率测井技术，在地面即可组合电极实现对电流和/或电位的测量，并由此推导出地层电阻率。举例来说，在一个极板上可配置多个纽扣电极，测量时将该极板推靠到井壁上。通过这些电极可获得方位电阻率测量值，同时通过聚焦技术使测量能够充分地侧向扩展进入地层，从而提供具有较高垂直分辨率的电阻率信息。
但有缆测井最大的缺陷就在于它的非实时性。如上所述，有缆测井是在起钻后进行的，此时，井眼周围的地层已钻开了几小时甚至更长的时间。由于钻井液的侵入，使井眼周围的地层电阻率发生了改变。比如，当使用低电阻率钻井液(比如盐水钻井液)钻开高电阻率的多孔地层，由于钻井液的侵入，使井眼周围的地层电阻率降低，它有可能使根据有缆测井结果进行的解释会漏掉此段储层。这在钻遇薄储层的情况下更容易发生。
在定向井、水平井钻井中，如能使所钻井眼最大限度的暴露在储层中，则将大大提高采收率。尽管有缆测井可在钻遇厚储层中使用，但费时非工；而一旦钻遇薄储层，则有缆测井无能为力。因为这需要实时检测钻头附近的地层电阻率(当然还需要其它地质和工程参数)。
因此有必要开发应用于随钻电阻率测量的技术和方法，但在有缆测井中采用的技术并不一定能应用在随钻测井中。井眼中的环境是非常恶劣的，即使在有缆测井中也是如此，但在钻进过程中井底附近的环境对测量装置来说则更为恶劣。在随钻测井中，测量装置只有在不破坏整个系统机械完整性的前提下才允许装配在钻铤之上。同时，测量方法还需要在钻铤表面上设置一段完全由绝缘材料构成的区域，这实现起来难度非常大。从测量结构上看，当钻具连续旋转或滑动钻进时，钻铤与新钻井眼紧密接触，因而伴随着剧烈的磨损和强大的应力变化。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种近钻头电阻率随钻测量方法及装置。用来对侧向电阻率、钻头电阻率以及方位电阻率进行测量，通过测量来获得井下地层更多的信息；如提高了垂直分辨率的侧向电阻率信息、能探测到钻头周围(包括钻头前方)地层电阻率的钻头电阻率信息以及多探测深度的方位电阻率信息等，从而提供更多的地层电阻率测量信息。
本发明的技术方案为一种近钻头电阻率随钻测量方法，其特征在于，在最下部携带有钻头、能够在井眼中旋转和/或上下滑动的、柱状导电金属体的近钻头位置上安装带磁芯发射线圈，该带磁芯发射线圈的初级被一交流电压所激励从而在其次级感应出电流；利用所述的导电金属体及其临近的地层构成的导电回路，对所述的电流进行传输；在所述的导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈，采用该电极和带磁芯接收线圈分别测量各自的由所述电流所产生的电信号，从而指示出相应的地层电阻率。
在所述的导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈是指在所述的导电金属体上安装有多个电极和多个带磁芯接收线圈，分别测量各自的由所述电流所产生的电信号，从而指示出相应的地层电阻率。
在所述的导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈是指将一个电极和一个环型带磁芯接收线圈安装在所述的导电金属体上并置于所述带磁芯发射线圈的下部，它们分别测量各自由所述电流所产生的电信号以指示相应的地层电阻率。
在所述的导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈是指在所述的导电金属体上安装有三个电极和两个带磁芯接收线圈，分别测量各自的由所述电流所产生的电信号，从而指示出相应的地层电阻率。
本发明所述的方法包括以下步骤采用一个环型带磁芯发射线圈，将其置入绝缘材料中并安装在靠近钻头的钻铤上，使其感应出电流，电流回路包括钻铤及钻铤周围的地层；采用两个环型带磁芯接收线圈，将它们置入绝缘材料中并安装在发射线圈下部的钻铤上，实现侧向电阻率和钻头电阻率测量；采用三个纽扣状电极，将它们置入绝缘材料中并安装在发射线圈下部的钻铤上，用来检测从地层侧向返回电极的电流(几乎是垂直于钻铤的轴向)，而该电流是由环型发射线圈所激发的。
使所述的三个纽扣状电极的垂直高度相对小一些对测量更为有利，它使得这些电极的地层电阻率测量值具有较高的垂直分辨率以及相对于该分辨率而言较高的探测深度。通过检测三个电极的电流可获得三个不同探测深度的同方位电阻率信息，因为三个电极安排成一条直线并距发射线圈的距离由近至远。
所述的三个电极既可安装在钻铤上，也可以先安装在扶正器的翼肋上后与钻铤集成。
本发明还提供了一种近钻头电阻率随钻测量装置，包括微处理器电路，其特征在于还包括柱状导电金属体、带磁芯发射线圈、电极和带磁芯接收线圈；
所述的带磁芯发射线圈、电极和带磁芯接收线圈安装在所述的柱状导电金属体上，且分别与所述的微处理器电路相联；所述的带磁芯发射线圈的初级被一交流电压所激励从而在其次级感应出电流；利用所述的导电金属体及其临近的地层构成的导电回路，对所述的电流进行传输；所述的电极和带磁芯接收线圈分别测量各自的由所述电流所产生的电信号，将该电信号送入所述的微处理器电路进行处理，从而测量出相应的地层电阻率。
所述的微处理器电路是指能够进行测量、控制、处理、储存信息、将所存信息进行地面回放和/或传送到井底/地面通讯装置的微处理器电路；所述的柱状导电金属体为钻铤。
在所述的柱状导电金属体上能够安装多个所述的电极和多个所述的带磁芯接收线圈。
对于本发明所述的装置所述的微处理器电路为单片机；所述的柱状导电金属体为短钻铤101；所述的带磁芯发射线圈为发射线圈121；所述的电极是指近接收电极141、中接收电极142、远接收电极143；所述的带磁芯接收线圈是指近接收线圈131、远接收线圈133；其中短钻铤101上安装有发射线圈121、近接收线圈131和远接收线圈133以及近接收电极141、中接收电极142和远接收电极143。
所述的发射线圈121由环型带磁芯线圈组成，它在环型磁芯上绕有线圈，其轴与短钻铤101的轴一致；所述的近接收线圈131和远接收线圈133与发射线圈121的结构相似。
所述的近接收电极141、中接收电极142和远接收电极143为纽扣状，且安装在扶正器105上。
所述的发射线圈121用绝缘材料122封装后套装在短钻铤101之上，其上下两端有密封圈109加以密封以防止液体进入环型空间106，发射线圈的导线通过防水引线槽引入环型空间106；近接收线圈131用绝缘材料132封装后套装在短钻铤101之上，其上下两端有密封圈加以密封以防止液体进入环型空间，近接收线圈的导线通过防水引线槽引入环型空间；远接收线圈133用绝缘材料134封装后套装在短钻铤101之上，其上下两端有密封圈加以密封以防止液体进入环型空间，近接收线圈的导线通过防水引线槽引入环型空间。
所述的远接收线圈133的功能与一个电流互感器相同，钻铤和钻铤周围的导电地层构成互感器的初级穿越环型磁芯，而在环型磁芯上所绕的线圈(匝数为NF)构成互感器的次级；远接收线圈133次级的两根导线通过防水引线槽引入检测电路；远接收线圈133次级的一根导线接至运算放大器466的反向输入端，而远接收线圈133次级的另一根导线接入运算放大器466的非反向输入端，作为测量地参考电位，在运算放大器466的输出端和反向输入端间接入反馈电阻RF。
所述的近接收线圈131的功能与一个电流互感器相同，钻铤和钻铤周围的导电地层构成互感器的初级穿越环型磁芯，而在环型磁芯上所绕的线圈(匝数为NN)构成互感器的次级；近接收线圈131次级的两根导线通过防水引线槽引入检测电路；近接收线圈次级131的一根导线接至运算放大器463的反向输入端，而近接收线圈131次级的另一根导线接入运算放大器463的非反向输入端，作为测量地参考电位，在运算放大器463的输出端和反向输入端间接入反馈电阻RN。
所述的近接收电极141、中接收电极142和远接收电极143安装在扶正器的翼肋105上并对齐为一条直线，翼肋可以是直线或曲线结构并拥有极硬的表面如碳化钨；
所述的扶正器翼肋105由钢制成并集成在一个钢制圆柱套筒上，该套筒可滑动套接在短钻铤101上；接收电极为纽扣状，且拥有圆形(此处就是圆形)的周边并靠近井壁；接收电极的表面具有一定圆柱弧度以配合扶正器的表面形状，或者具有一个平面而该平面稍微低于扶正器表面。
所述的接收电极(比如141)上配置一导线并通过防水引线槽引入检测电路，该导线穿越一个小型的环型带磁芯线圈562后与短钻铤101相连。
所述的微处理器电路包括多微处理器及本地串行通讯总线构成的主从式测控单元，所述的单元包括一个主测控子单元300和多个从测控子单元i(如400、500、------)；所述的主测控子单元执行测控任务，并通过本地串行通讯总线319向各从测控子单元i发送控制命令及数据和/或接收来自各从测控子单元i的信息；所述的从测控子单元i执行测控任务，并通过本地串行通讯总线319接收主测控子单元的控制命令及数据并执行相应的操作和/或将相应的信息发送到主测控子单元。
所述的串行通讯总线包括RS-232、SPI、I2C等。
所述的主测控子单元包括井下电源监测器320和井下电源控制器325、存储器302、本地串行总线接口315和本地串行通讯总线319以及地面串行总线接口310和地面串行通讯总线314，微处理器301；微处理器301包括内部存储器、时钟、定时器和输入/输出接口等；井下电源监测器320检测各电源的输出值、各电池组的输出电流、工作安时等，并将这些检测值输出至微处理器301；微处理器301通过本地串行通讯接口315及本地串行通讯总线319向各从测控子单元i发送控制命令和数据，并将所接收到的各从测控子单元i的测量数据及状态保存在扩展的存储器302中；当整个测量装置100起出地面，保存在存储器302中的所有信息可通过地面串行通讯接口310及地面串行通讯总线314转存至地面计算机，同时，测量装置100也可通过该总线接收地面计算机发送的控制命令和数据。
所述的从测控子单元400包括正弦波发生器420和功率放大器425、近接收线圈131和远接收线圈133、本地串行通讯总线接口415和本地串行通讯总线319，微处理器401；微处理器401包括内部存储器、时钟、定时器和输入/输出接口等；在微处理器的控制下，正弦波发生器420可产生不同频率、不同幅值的正弦波，该正弦波经功率放大器425进行电流放大后接入发射线圈121以激励出相应的感应电流；远接收线圈133检测的电流通过运算放大器466转换成相应的电压(参见图3，其中VF＝-RF×IF/NF)后接入多路转换器460，而近接收线圈131检测的电流通过运算放大器463转换成相应的电压(参见图3)后接入多路转换开关460；在微处理器401的控制下，这两路信号分时通过多路转换开关460接入带通滤波器450，经带通滤波后的信号接入可变增益放大器445，随后该信号接入检波器440进行检波并经低通滤波器435滤成直流信号，AD转换器430将模拟信号转换为数字信号，并输出到微处理器401中，微处理器401根据预先确定的计算方法对这些数字信号进行处理以获得上面提到的侧向电阻率和钻头电阻率测量值，并保存在微处理器401内部的存储器中；当从本地串行通讯总线319接收到来自主测控子单元300的请求发送数据命令，则将相应的测量值通过本地串行通讯接口415及本地串行通讯总线319发送至主测控子单元300。
所述的从测控子单元500包括近接收电极141、中接收电极142和远接收电极143的电流检测电路、本地串行通讯总线接口515和本地串行通讯总线319、微处理器501；微处理器501包括内部存储器、时钟、定时器和输入/输出接口等；在微处理器的控制下，近接收电极141及小型环型带磁芯线圈562检测的电流通过运算放大器563转换成相应的电压(参见图4，其中VBn＝-RBn×IBn/NBn)后接入多路转换器560，而中接收电极142及小型环型带磁芯线圈565检测的电流通过运算放大器566转换成相应的电压(参见图4)后接入多路转换器560，同时远接收电极143及小型环型带磁芯线圈568检测的电流通过运算放大器569转换成相应的电压(参见图4)后接入多路转换器560；在微处理器501的控制下，这三路信号分时通过多路转换开关560接入带通滤波器550，经带通滤波后的信号接入可变增益放大器545，随后该信号接入检波器540进行检波并经低通滤波器535滤成直流信号，AD转换器530将模拟信号转换为数字信号，并输出到微处理器501中；微处理器501根据预先确定的计算方法对这些数字信号进行处理以获得上面提到的浅、中、深方位电阻率测量值，并保存在微处理器501内部的存储器中；当本地串行通讯总线319接收到来自主测控子单元300的请求发送数据命令，则将相应的测量值通过本地串行通讯接口515及本地串行通讯总线319发送至主测控子单元300。
如果钻铤25中包含泥浆脉冲发生器及配套的设备，则可将主测控子单元300的存储器302中保存的测量信息传送到该井下/地面通讯装置，并通过该装置传输到地面，经地面计算机系统接收处理后，即可在地面实时获取当前井下钻头附近地层的多个电阻率测量值。
本发明的意义为，通过提供一种近钻头电阻率随钻测量方法及装置，用来对侧向电阻率、钻头电阻率以及方位电阻率进行测量，通过测量来获得井下地层更多的信息；例如提高了垂直分辨率的侧向电阻率信息、能探测到钻头周围(包括钻头前方)地层电阻率的钻头电阻率信息以及多探测深度的方位电阻率信息等，从而提供更多的地层电阻率测量信息。
图1是根据本发明的一个实例提出的一种近钻头电阻率随钻测量装置以及悬挂于井眼中的示意图；图2是本发明的近钻头电阻率随钻测量装置的剖视图；图3是环型带磁芯远接收线圈的测量电路原理图；图4是接收电极的测量电路原理图；图5是环型带磁芯发射线圈被激励后所产生的电流分布图；图6是多微处理器及本地串行通讯总线构成的测量和控制框图；图7是主测控子单元的基本电路构成框图；图8是从测控子单元1的基本电路构成框图；图9是从测控子单元2的基本电路构成框图。
具体实施例方式
下面结合
本发明的
具体实施例方式图1举例说明了根据本发明的一个实例所提出的一种近钻头电阻率随钻测量装置以及在井底进行随钻测量的情形。[除了特别指明，此处提到的随钻测量(或称之为随钻测井)均指当井眼中悬挂有钻头及一些钻具，在钻进、暂停和/或起下钻时所进行的测量。]钻具20被地面10上的钻机(没有显示)悬挂于井眼11之中，其下部带有钻头23，并可通过钻机上的相应装置进行旋转和/或上下运动。钻井液在地面10进入钻具20的中心向下流动，经钻头23的喷嘴流出钻具20并从环空21(即钻具20外壁与井眼11的井壁之间所形成的区域)向上流动，钻井液润滑钻头23及钻具20并最终携带被切割的地层24的岩心碎片返回地面10。一种带有弯外壳或偏斜接头的泥浆马达可作为定向钻井工具(没有显示)加以选用。
靠近钻头23、用数字100表示的即是根据本发明的一个实例提出的近钻头电阻率随钻测量装置，其内部包括能够进行测量、控制、处理、储存信息、将所存信息进行地面回放和/或传送到井底/地面通讯装置(没有显示)的仪器。[此处，所谓靠近钻头即指离钻头的距离在几个钻铤长度之内。]在本实例中，一个或多个钻铤25(没有完整显示)串接在测量装置100之上，它们可能纯粹是钻铤，也可能是装有测量和/或通讯装置的钻铤以实现此处不再描述的其它测量和/或通讯功能。在测量装置100和钻头23之间串接有短钻铤22，它的长度是根据测量装置的结构参数和钻头长度预先确定的。测量装置100通常包含微处理器电路，而在本实例中，则采用单片机系统(包括相应的存储器、时钟和定时器电路以及接口电路等)，它能够实现上面所要求的测量、控制、处理、储存信息和将所存信息进行地面回放和/或传送到井底/地面通讯装置的功能。电池和/或井下发电机可为该装置提供电力。
图2详细的描绘了安装在短钻铤101上的近钻头电阻率随钻测量装置100的结构。短钻铤101上安装有发射线圈121、近接收线圈131和远接收线圈133以及接收电极141、142和143。在本实例中，发射线圈121由环型带磁芯线圈组成，它在环型磁芯上绕有线圈，其轴与钻铤101的轴一致。磁芯可以是圆形或矩形截面，当然也可采用其它截面。近接收线圈131和远接收线圈133与发射线圈121的结构相似。接收电极141、142和143为纽扣状，最好安装在扶正器105上。所有的套筒和扶正器最后通过锁紧螺母107固定在短钻铤101上，而所有的套筒和扶正器间均有密封圈109以防止钻井液进入环型空间106。钻井液通道在短钻铤101的中心102处。绝大多数的电子部件(如电池组和电路板等)安置在短钻铤101和多个套筒所形成的环型空间106内。
发射线圈121由环型带磁芯线圈组成，它在环型磁芯上绕有线圈，其轴与短钻铤101的轴一致。磁芯可以是圆形或矩形截面，当然也可采用其它截面。发射线圈121用绝缘材料(比如氟橡胶)122封装后套装在短钻铤101之上，其上下两端有密封圈109加以密封以防止液体进入环型空间106，发射线圈的导线通过防水引线槽(没有显示)引入环型空间106。近接收线圈131和远接收线圈133的结构与上述相同，其绝缘材料为分别为132和134。
对远接收线圈133而言，它相当于一个电流互感器，钻铤和钻铤周围的导电地层构成互感器的初级穿越环型磁芯，而在环型磁芯上所绕的线圈(匝数为NF)构成互感器的次级。如上所述，远接收线圈133次级的两根导线通过防水引线槽引入检测电路。如图3所示，远接收线圈133次级的一根导线接至运算放大器466的反向输入端，而远接收线圈133次级的另一根导线接入运算放大器466的非反向输入端，作为测量地参考电位，在运算放大器466的输出端和反向输入端间接入反馈电阻RF。运算放大器466的增益非常高，反向和非反向输入端间的电压差Vi非常小，几乎为零，而运算放大器466的输入阻抗非常高，因而基本上没有电流流入任意一个输入端。因此，如果穿越环型磁芯的电流为IF，则在远接收线圈次级中感生的电流为IF/NF，电流IF/NF流经反馈电阻RF，从而使运算放大器466的输出电压为-RF×IF/NF。由于被测电流IF为穿越远接收线圈133后离开钻铤101和钻头23进入地层的电流(参见图5)，因而是对远接收线圈133和钻头23间周围地层电阻率的一种度量。
近接收线圈131的结构和测量方法均与远接收线圈133的结构和测量方法相同，故可同样参见图3。所不同的是，在本实例中测量的是近接收线圈131测量电流IN和远接收线圈133测量电流IF之差ΔI，并以此作为对近接收线圈131和远接收线圈133间周围地层电阻率的一种度量。从图5可以看出，近接收线圈131和远接收线圈133间的电流线基本上是垂直于短钻铤101进入地层的，因而具有非常好的侧向电阻率测量效果。同时，由于近接收线圈131和远接收线圈133间的距离较短，因而能提供较高垂直分辨率的侧向电阻率测量。
三个接收电极141、142和143安装在扶正器的翼肋105上并对齐为一条直线，翼肋可以是直线或曲线结构并拥有极硬的表面如碳化钨。扶正器翼肋105由钢制成并集成在一个钢制圆柱套筒上，该套筒可滑动套接在短钻铤101上。接收电极141、142和143为纽扣状，通常拥有圆形(此处就是圆形)的周边并靠近井壁。接收电极的表面通常具有一定圆柱弧度以配合扶正器的表面形状，或者具有一个平面而该平面稍微低于扶正器表面。这些电极仅占整个井眼圆周面的一小部分，因而可提供方位电阻率测量。同样，这些电极也只占其所安装的扶正器垂直高度的一小部分，因而能提供具有相对高的垂直分辨率的电阻率测量。在本实例中，每个电极的周边均用如氟橡胶或玻璃纤维一环氧树脂化合物这样的绝缘材料所环绕，这将电极表面与扶正器翼肋105也即短钻铤101的表面隔离开来。接收电极141、142和143提供了感应电流从地层返回短钻铤101的通道(一旦激励电压反向，电流也反向)，所测量的电流值可分别确定该电极所面对的地层区域的方位电阻率值。接收电极142和143分别比电极141离发射线圈121更远一些，因而能提供比接收电极141探测深度更深一些的电阻率测量值。
参见图4，在金属型的纽扣电极(比如141)上配置一导线并通过防水引线槽引入电路。该导线穿越一个小型的环型带磁芯线圈562后与信号地参考电位(即短钻铤101本体)相连。[注意此处提到的“信号地”与前面提到的“测量地”是相互隔离的两个参考电位。“信号地”指的是以短钻铤本体的电位作为参考电位，而“测量地”指的是以整个测量装置的电源地作为参考电位。]小型环型线圈562用来检测流经接收电极141的电流，其次级的一根导线接入运算放大器563的反向输入端，而次级的另一根导线接入运算放大器563的非反向输入端，作为测量地参考电位，在运算放大器563的输出端和反向输入端间接入反馈电阻RBn。接收电极141作为小型环型线圈562初级的一匝穿越磁芯，而小型环型线圈562次级的匝数为NBn。运算放大器563的增益非常高，反向和非反向输入端间的电压差Vi非常小，几乎为零。运算放大器563的输入阻抗非常高，因而基本上没有电流流入任意一个输入端。因此，如果流经接收电极141的电流为IBn，则流经小型环型线圈“次级”的电流为IBn/NBn，电流IBn/NBn流经反馈电阻RBn，从而使放大器的输出电压为-RBn×IBn/NBn。由于被测电流IBn为从接收电极141离开短钻铤101进入该电极所面对的地层区域的电流(参见图5)，因而是对接收电极141所面对的地层区域电阻率的一种度量，同时具有方位性。
接收电极142和143的结构和测量方法均与接收电极141的结构和测量方法相同，故可同样参见图4。所不同的是，由于接收电极142和143分别比电极141离发射线圈121更远一些，因而能提供比接收电极141探测深度更深一些的方位电阻率测量值。
由上所述，实际进行随钻测量时，可同时检测到近、中、远三个接收电极的电流值，因而可同时获得三个相同方位、但不同探测深度(浅、中、深)的地层电阻率测量值，这对评价钻井液对地层的侵入效果是十分有用的。当短钻铤101旋转时，实际上是使三个接收电极对井眼的并壁实施扫描，因而可获得三条方位电阻率扫描曲线，可生成沿井轴和井周二维的地层电阻率剖面，以描述地层电性上的非均质特性。
地层视电阻率与接收线圈和/或接收电极所测量的电流I成反比。如果接收线圈和/或接收电极所在位置相对环型发射线圈121上部短钻铤表面的电压为V，那么地层视电阻率Ra＝kV/I，此处k为仪器常数，可通过经验或模型加以确定。当然也可通过校正来补偿趋肤效应的影响。
图5表示在具有导电钻井液的井眼中通过激励环型带磁芯发射线圈所形成的感应电流分布图。当然该图取决于地层间的分布和电导率，图5表示的是一个单一电导率地层的简化情况。
为了实现近钻头电阻率随钻测量装置100所有的功能，井下测量和控制系统是必不可少的一个重要环节。由于有大量的检测、处理、存储、通讯和控制需求，这些系统中一般均包含微处理器子系统及相应的子测控系统。至少有两种系统构成方式可实现上述要求。一种是采用单微处理器构成的测控系统，另一种则是采用多微处理器构成的测控系统，两种系统各具特点。对于采用单微处理器构成的测控系统来说，所有的测量和控制工作均由一个微处理器进行处理，相对而言，避免了多微处理器系统中子系统间的通讯问题，结构更加简便。但是，当系统要求较多的测控引脚时，则因扩展系统的输入/输出端口而增加了系统的复杂性。同时，当被控部件在电路上离微处理器较远时，既加大了电路板布线的难度，也会引发干扰等问题。对于采用多微处理器构成的测控系统来说，特点则正好相反。由于整体的测控问题分散到由多个微处理器构成的测控子系统去完成，相对而言，单个子系统的测控功能单一，电路板布线方便，干扰问题容易解决。但是，各子系统间的信息交换却成了一个大问题，一旦由于某种因素造成通讯不畅，则整个系统的功能有可能无法实现。
本发明的一个实例中采用了多微处理器及本地串行通讯总线构成的主从式测控系统，如图6所示。整个系统包括一个主测控子系统300和多个从测控子系统i(如400、500、------)。主测控子系统除完成自身的测控任务外，还需根据要求通过本地串行通讯总线319向各从测控子系统i发送控制命令及数据和/或接收来自各从测控子系统i的信息。而从测控子系统i除完成自身的测控任务外，还需根据通过本地串行通讯总线319接收到的主测控子系统的控制命令及数据执行相应的操作和/或将相应的信息发送到主测控子系统。
现今已有多种串行通讯总线可加以利用，如RS-232、SPI、I2C等，本实例采用了I2C串行通讯总线。
图7是本实例中主测控子系统300的一个电路原理图，该电路包括实现井下电源监控功能的部件320和325、实现井下信息存储功能的存储器302、实现与井下其它从测控子系统进行信息交换的部件315和本地串行通讯总线319以及实现将井下所存信息在井上回放至地面计算机的串行通讯接口310和地面串行通讯总线314，而电路的核心是微处理器系统301。微处理器系统301包括内部存储器以及基本的时钟、定时和输入/输出功能(没有单独表示)。井下电源监测器320检测各电源的输出值、各电池组的输出电流、工作安时等，并将这些检测值输出至微处理器系统301，因而系统能够了解各电源是否异常、各电池组的输出电流是否超限、各电池组的剩余安时等，并通过井下电源控制器325接通或关断相应的电源以确保系统的用电安全。微处理器系统301通过本地串行通讯接口315及本地串行通讯总线319向各从测控子系统i发送控制命令和数据，并将所接收到的各从测控子系统i的测量数据及状态保存在扩展的存储器302中。一旦整个测量装置100起出地面，保存在存储器302中的所有信息可通过地面串行通讯接口310及地面串行通讯总线314转存至地面计算机，同时，测量装置100也可通过该总线接收地面计算机发送的控制命令和数据。在本实例中，实现主、从子系统之间的相互通讯称之为“本地串行通讯”，而实现测量装置100与地面计算机之间的相互通讯称之为“地面串行通讯”，它们采用了不同的串行通讯总线，前者为I2C串行通讯总线，后者为RS-422串行通讯总线。当然，也可采用单一的总线。
图8是本实例中从测控子系统400的一个电路原理图，该电路包括正弦波发生电路420和425、近接收线圈131和远接收线圈133的电流检测电路以及与井下主测控子系统300进行信息交换的部件415和本地串行通讯总线319，电路的核心是微处理器系统401。微处理器系统401包括内部存储器以及基本的时钟、定时和输入/输出功能(没有单独表示)。在本实例中，在微处理器的控制下，正弦波发生器420可产生不同频率、不同幅值的正弦波(当然也可以只产生固定频率、固定幅值的正弦波)，频率范围从100Hz到10000Hz，通常选用的频率在几千赫兹范围内，在本实例中，频率为1500Hz。该正弦波经功率放大器425进行电流放大后接入发射线圈121以激励出相应的感应电流。近接收线圈131检测的电流通过运算放大器463转换成相应的电压(参见图3)后接入多路转换器460，而远接收线圈133检测的电流通过运算放大器466转换成相应的电压(参见图3)后接入多路转换开关460。在微处理器401的控制下，这两路信号分时通过多路转换开关460接入带通滤波器450，带通滤波器450的功能是滤除除激励频率分量以外的所有其它频率分量以提高信号的信噪比。经带通滤波后的信号接入可变增益放大器445，目的是提高系统的信号分辨能力，而增益既可按预先确定的要求由微处理器401进行选择，也可根据实时输入的信号的幅度由微处理器401进行控制。随后该信号接入检波器440进行检波并经低通滤波器435滤成直流信号，AD转换器430将模拟信号转换为数字信号，并输出到微处理器401中。微处理器401根据预先确定的计算方法对这些数字信号进行处理以获得上面提到的侧向电阻率和钻头电阻率测量值，并保存在微处理器401内部的存储器中。一旦从本地串行通讯总线319接收到来自主测控子系统300的“请求发送数据”命令，则将相应的测量值通过本地串行通讯接口415及本地串行通讯总线319发送至主测控子系统300。
图9是本实例中从测控子系统500的一个电路原理图，该电路包括接收电极141、142和143的电流检测电路以及与井下主测控子系统300进行信息交换的部件515和本地串行通讯总线319，电路的核心是微处理器系统501。微处理器系统501包括内部存储器以及基本的时钟、定时和输入/输出功能(没有单独表示)。在本实例中，在微处理器的控制下，近接收电极141及小型环型带磁芯线圈562检测的电流通过运算放大器563转换成相应的电压(参见图4)后接入多路转换器560，而中接收电极142及小型环型带磁芯线圈565检测的电流通过运算放大器566转换成相应的电压(参见图4)后接入多路转换器560，同时远接收电极143及小型环型带磁芯线圈568检测的电流通过运算放大器569转换成相应的电压(参见图4)后接入多路转换器560。在微处理器501的控制下，这三路信号分时通过多路转换开关560接入带通滤波器550，带通滤波器550的功能是滤除除激励频率分量以外的所有其它频率分量以提高信号的信噪比。经带通滤波后的信号接入可变增益放大器545，目的是提高系统的信号分辨能力，而增益既可按预先确定的要求由微处理器501进行选择，也可根据实时输入的信号幅度由微处理器501进行控制。随后该信号接入检波器540进行检波并经低通滤波器535滤成直流信号，AD转换器530将模拟信号转换为数字信号，并输出到微处理器501中。微处理器501根据预先确定的计算方法对这些数字信号进行处理以获得上面提到的浅、中、深方位电阻率测量值，并保存在微处理器501内部的存储器中。一旦从本地串行通讯总线319接收到来自主测控子系统300的“请求发送数据”命令，则将相应的测量值通过本地串行通讯接口515及本地串行通讯总线319发送至主测控子系统300。
当然，也可将接收电极141、142和143安置在钻铤上而不是扶正器上。此时，接收电极和小型环型带磁芯线圈的结构及与它们的相关的电路与前面所描述的相同。在需要光滑钻铤的场合，这是非常有用的。
由接收电极获得的方位电阻率值与钻铤外壳(或相对于其它参考点)所处的方位有关。比如，假定在钻铤25(图1)中包含常规的测量方位和井斜的装置，它能提供井眼的方位和井斜值，并且还能提供钻铤25相对于磁北(即所谓“磁工具面”)和相对于井眼高边(即所谓“重力工具面”)的旋转方位角。该装置所测量的信号可输入到主测控子系统300，实现本地存储。如果需要，旋转时的方位也可获得。
如果在钻铤25(图1)中包含常规的井下/地面通讯装置，比如泥浆脉冲发生器及配套的设备，则可根据需要，将主测控子系统300的存储器302中保存的测量信息传送到该井下/地面通讯装置，并通过该装置传输到地面，经地面计算机系统接收处理后，即可在地面实时获取当前并下钻头附近地层的多个电阻率测量值，这对于实现地质导向钻井是极为有益的。
到此，已详细的描述了本发明中首选的实例，但按照本发明的精神可派生出各种各样的技巧。比如，可采用其它结构的电极和环型带磁芯线圈、可采用不同的接线方法或不同的计算方法或甚至不同结构的电极来获取侧向电阻率值、可采用其它结构的测控系统等。因此，本具体实施方式
仅用于说明本发明而非用于限定本发明。
权利要求
1.一种近钻头电阻率随钻测量方法，其特征在于，在最下部携带有钻头、能够在井眼中旋转和/或上下滑动的、柱状导电金属体的近钻头位置上安装带磁芯发射线圈，该带磁芯发射线圈的初级被一交流电压所激励从而在其次级感应出电流；利用所述的导电金属体及其临近的地层构成的导电回路，对所述的电流进行传输；在所述的导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈，采用该电极和带磁芯接收线圈分别测量各自的由所述电流所产生的电信号，从而指示出相应的地层电阻率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述的导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈是指在所述的导电金属体上安装有多个电极和多个带磁芯接收线圈，分别测量各自的由所述电流所产生的电信号，从而指示出相应的地层电阻率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述的导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈是指将一个电极和一个环型带磁芯接收线圈安装在所述的导电金属体上并置于所述带磁芯发射线圈的下部，它们分别测量各自的由所述电流所产生的电信号以指示相应的地层电阻率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述的导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈是指在所述的导电金属体上安装有三个电极和两个带磁芯接收线圈，分别测量各自的由所述电流所产生的电信号，从而指示出相应的地层电阻率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于包括以下步骤采用一个环型带磁芯发射线圈，将其置入绝缘材料中并安装在靠近钻头的钻铤上，使其感应出电流，电流回路包括钻铤及钻铤周围的地层；采用两个环型带磁芯接收线圈，将它们置入绝缘材料中并安装在发射线圈下部的钻铤上，实现侧向电阻率和钻头电阻率测量；采用三个纽扣状电极，将它们置入绝缘材料中并安装在发射线圈下部的钻铤上，用来检测从地层侧向返回电极的电流，而该电流是由环型发射线圈所激发的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使所述的三个纽扣状电极的垂直高度相对小一些，且使三个电极安排成一条直线并距发射线圈的距离由近至远；通过检测三个电极的电流获得三个不同探测深度的同方位电阻率信息。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的三个电极既可安装在钻铤上，也可以先安装在扶正器的翼肋上后与钻铤集成。
8.一种近钻头电阻率随钻测量装置，包括微处理器电路，其特征在于还包括柱状导电金属体、带磁芯发射线圈、电极和带磁芯接收线圈；所述的带磁芯发射线圈、电极和带磁芯接收线圈安装在所述的柱状导电金属体上，且分别与所述的微处理器电路相联；所述的带磁芯发射线圈的初级被一交流电压所激励从而在其次级感应出电流；利用所述的导电金属体及其临近的地层构成的导电回路，对所述的电流进行传输；所述的电极和带磁芯接收线圈分别测量各自的由所述电流所产生的电信号，将该电信号送入所述的微处理器电路进行处理，从而测量出相应的地层电阻率。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的微处理器电路是指能够进行测量、控制、处理、储存信息、将所存信息进行地面回放和/或传送到井底/地面通讯装置的微处理器电路；所述的柱状导电金属体为钻铤。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，在所述的柱状导电金属体上能够安装多个所述的电极和多个所述的带磁芯接收线圈。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的微处理器电路为单片机；所述的柱状导电金属体为短钻铤(101)；所述的带磁芯发射线圈为发射线圈(121)；所述的电极是指近接收电极(141)、中接收电极(142)、远接收电极(143)；所述的带磁芯接收线圈是指近接收线圈(131)、远接收线圈(133)；其中短钻铤(101)上安装有发射线圈(121)、近接收线圈(131)和远接收线圈(133)以及近接收电极(141)、中接收电极(142)和远接收电极(143)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的发射线圈(121)由环型带磁芯线圈组成，它在环型磁芯上绕有线圈，其轴与短钻铤(101)的轴一致；所述的近接收线圈(131)和远接收线圈(133)与发射线圈(121)的结构相似。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的近接收电极141、、中接收电极(142)和远接收电极(143)为纽扣状，且安装在扶正器(105)上。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的发射线圈(121)用绝缘材料(122)封装后套装在短钻铤(101)之上，其上下两端有密封圈(109)加以密封以防止液体进入环型空间(106)，发射线圈的导线通过防水引线槽引入环型空间(106)；近接收线圈(131)用绝缘材料(132)封装后套装在短钻铤(101)之上，其上下两端有密封圈加以密封以防止液体进入环型空间，近接收线圈的导线通过防水引线槽引入环型空间；远接收线圈(133)用绝缘材料(134)封装后套装在短钻铤(101)之上，其上下两端有密封圈加以密封以防止液体进入环型空间，远接收线圈的导线通过防水引线槽引入环型空间。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述的远接收线圈(133)的功能与一个电流互感器相同，钻铤和钻铤周围的导电地层构成互感器的初级穿越环型磁芯，而在环型磁芯上所绕的线圈构成互感器的次级；远接收线圈(133)次级的两根导线通过防水引线槽引入检测电路；远接收线圈(133)次级的一根导线接至运算放大器(466)的反向输入端，而远接收线圈(133)次级的另一根导线接入运算放大器(466)的非反向输入端，作为测量地参考电位，在运算放大器(466)的输出端和反向输入端间接入反馈电阻RF。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述的近接收线圈(131)的功能与一个电流互感器相同，钻铤和钻铤周围的导电地层构成互感器的初级穿越环型磁芯，而在环型磁芯上所绕的线圈构成互感器的次级；近接收线圈次级的两根导线通过防水引线槽引入检测电路；近接收线圈次级的一根导线接至运算放大器(463)的反向输入端，而近接收线圈(133)次级的另一根导线接入运算放大器的非反向输入端，作为测量地参考电位，在运算放大器的输出端和反向输入端间接入反馈电阻RN。
17.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述的近接收电极(141)、中接收电极(142)和远接收电极(143)安装在扶正器的翼肋(105)上并对齐为一条直线，翼肋可以是直线或曲线结构并拥有极硬的表面；所述的扶正器翼肋(105)由钢制成并集成在一个钢制圆柱套筒上，该套筒可滑动套接在短钻铤(101)上；接收电极为纽扣状，且拥有圆形的周边并靠近井壁；接收电极的表面具有一定圆柱弧度以配合扶正器的表面形状，或者具有一个平面而该平面稍微低于扶正器表面。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述的接收电极上配置一导线并通过防水引线槽引入监测电路，该导线穿越一个小型的环型带磁芯线圈(562)后与短钻铤(101)相连。
19.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的微处理器电路包括多微处理器及本地串行通讯总线构成的主从式测控单元，所述的单元包括一个主测控子单元(300)和多个从测控子单元；所述的主测控子单元执行测控任务，并通过本地串行通讯总线(319)向各从测控子单元发送控制命令及数据和/或接收来自各从测控子单元的信息；所述的从测控子单元执行测控任务，并通过本地串行通讯总线(319)接收主测控子单元的控制命令及数据并执行相应的操作和/或将相应的信息发送到主测控子单元。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述的串行通讯总线包括RS-232、SPI、I2C等。
21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述的主测控子单元包括井下电源监测器(320)和井下电源控制器(325)、存储器(302)、本地串行总线接口(315)和本地串行通讯总线(319)、地面串行总线接口(310)和地面串行通讯总线(314)、微处理器(301)；微处理器(301)包括内部存储器、时钟、定时器和输入/输出接口等；井下电源监测器(320)检测各电源的输出值、各电池组的输出电流、工作安时等，并将这些检测值输出至微处理器(301)；微处理器(301)通过本地串行通讯接口(315)及本地串行通讯总线(319)向各从测控子单元发送控制命令和数据，并将所接收到的各从测控子单元的测量数据及状态保存在扩展的存储器(302)中；当整个测量装置(100)起出地面，保存在存储器(302)中的所有信息可通过地面串行通讯接口(310)及地面串行通讯总线(314)转存至地面计算机，同时，测量装置(100)也可通过该总线接收地面计算机发送的控制命令和数据。
22.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述的从测控子单元(400)包括正弦波发生器(420)和功率放大器(425)、近接收线圈(131)和远接收线圈(133)、本地串行通讯总线接口(415)和本地串行通讯总线(319)、微处理器(401)；微处理器(401)包括内部存储器、时钟、定时器和输入/输出接口等；在微处理器的控制下，正弦波发生器(420)可产生不同频率、不同幅值的正弦波，该正弦波经功率放大器(425)进行电流放大后接入发射线圈(121)以激励出相应的感应电流；近接收线圈(131)检测的电流通过运算放大器(463)转换成相应的电压后接入多路转换器(460)，而远接收线圈(133)检测的电流通过运算放大器(466)转换成相应的电压后接入多路转换开关(460)；在微处理器(401)的控制下，这两路信号分时通过多路转换开关(460)接入带通滤波器(450)，经带通滤波后的信号接入可变增益放大器(445)，随后该信号接入检波器(440)进行检波并经低通滤波器(435)滤成直流信号，AD转换器(430)将模拟信号转换为数字信号，并输出到微处理器(401)中，微处理器(401)根据预先确定的计算方法对这些数字信号进行处理以获得上面提到的侧向电阻率和钻头电阻率测量值，并保存在微处理器(401)内部的存储器中；当从本地串行通讯总线(319)接收到来自主测控子单元(300)的请求发送数据命令，则将相应的测量值通过本地串行通讯接口(415)及本地串行通讯总线(319)发送至主测控子单元(300)。
23.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述的从测控子单元(500)包括近接收电极(141)、中接收电极(142)和远接收电极(143)的电流检测电路、本地串行通讯总线接口(515)和本地串行通讯总线(319)、微处理器(501)；微处理器(501)包括内部存储器、时钟、定时器和输入/输出接口等；在微处理器的控制下，近接收电极(141)及小型环型带磁芯线圈(562)检测的电流通过运算放大器(563)转换成相应的电压后接入多路转换器(560)，其中接收电极(142)及小型环型带磁芯线圈(565)检测的电流通过运算放大器(566)转换成相应的电压后接入多路转换器(560)，同时远接收电极(143)及小型环型带磁芯线圈(568)检测的电流通过运算放大器(569)转换成相应的电压后接入多路转换器(560)；在微处理器(501)的控制下，这三路信号分时通过多路转换开关(560)接入带通滤波器(550)，经带通滤波后的信号接入可变增益放大器(545)，随后该信号接入检波器(540)进行检波并经低通滤波器(535)滤成直流信号，AD转换器(530)将模拟信号转换为数字信号，并输出到微处理器(501)中；微处理器(501)根据预先确定的计算方法对这些数字信号进行处理以获得上面提到的浅、中、深方位电阻率测量值，并保存在微处理器(501)内部的存储器中；当本地串行通讯总线(319)接收到来自主测控子单元(300)的请求发送数据命令，则将相应的测量值通过本地串行通讯接口(515)及本地串行通讯总线(319)发送至主测控子单元(300)。
24.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，如果钻铤(25)中包含泥浆脉冲发生器及配套的设备，则将主测控子单元(300)的存储器(302)中保存的测量信息传送到该井下/地面通讯装置，并通过该装置传输到地面，经地面计算机系统接收处理后，即在地面实时获取当前井下钻头附近地层的多个电阻率测量值。
全文摘要
本发明的目的在于，提供一种近钻头电阻率随钻测量方法及装置。利用在最下部携带有钻头、能够在井眼中旋转和/或上下滑动的、柱状导电金属体的近钻头位置上安装带磁芯发射线圈，该带磁芯发射线圈的初级被一交流电压所激励从而在其次级感应出电流；利用导电金属体及其临近的地层构成的导电回路，对电流进行传输；在导电金属体上还安装有电极和带磁芯接收线圈，采用该电极和带磁芯接收线圈分别测量各自的由电流所产生的电信号，从而指示出相应的地层电阻率。提高了垂直分辨率的侧向电阻率信息、能探测到钻头周围(包括钻头前方)地层电阻率的钻头电阻率信息以及多探测深度的方位电阻率信息等，从而提供更多的地层电阻率测量信息。
文档编号E21B47/18GK1657743SQ20041000552
公开日2005年8月24日 申请日期2004年2月16日 优先权日2004年2月16日
发明者苏义脑, 盛利民, 邓乐, 李林, 窦修荣, 彭英, 戴越, 王家进, 张晓丽, 张润香 申请人:中国石油勘探开发研究院钻井工艺研究所