专利名称：用于增强利用井下电工具获得的地层电阻率图像的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及碳氢化合物的勘探，其中包括可以由钻孔贯穿的 地层的区域的研究。更具体地说，本发明涉及由地层中的传感器测得 的模拟信号的精确数字表示用于后续处理的问题。较为详细地讨论的 例子是高度局部化的钻孔研究，其中使用由沿着钻孔移动的工具向钻 孔壁注入的各个集中勘测电流的引入和测量。
背景技术：
电动地层钻孔测井是熟知的，已经描述了用于此目的的多种装置 和多种技术。在钻孔的电研究中，来自电极的电流被从钻孔内部的工具引入地层中。具有两种操作方式在一种操作方式中，使测量电极 处的电流保持恒定，并测量电压，而在第二种方式中，电极的电压被 固定，并测量从电极流出的电流。在理想情况下，所需的是，如果改 变电流以维持在监视电极测量的电压恒定，则电流与被研究的地层的 电阻率成反比。与此相反，所需的是，如果使所述电流维持恒定，则 在监视电极测量的电压与被研究的地层的电阻率成正比。已经讨论过利用测量电极的阵列来研究地层的技术。例如见 Baker的美国专利No. 2930969、Mann等人的加拿大专利No. 685727、 Gianzero的美国专利No. 4468623、以及Dory等人的美国专利No. 5502686。 Baker的专利教导了多个电极，每个电极由通过柔性导线电 连接的一些按钮构成，所迷按钮和导线嵌入在可折叠管的表面内。 Mann的专利教导了安装在工具上或者安装在垫上的小电极按钮的阵 列，其中的每一个依次引入可被单独测量的勘测电流用于对地层进行 电研究。这些电极按钮被置于水平面内，在电极之间具有圆周间隔，并描述了用于按顺序激励和测量来自电极的勘测电流的设备。Gianzero的专利披露了 一种衬垫安装的装置，每个衬垫具有多个小的 测量电极，从这些测量电极朝向钻孔的壁注入可被单独测量的勘测电 流。测量电极被设置在一个阵列中，在阵列中测量电极至少沿着圆周 方向(围绕钻孔轴)被这样间隔地布置，使得向钻孔壁段注入勘测电 流，当工具沿着钻孔移动时，所述壁段彼此重叠到预定的程度。Evans 等人的美国专利6348796披露了 一种衬垫安装的电阻率装置，其中电 极是不重叠的，该专利具有和本发明相同的受让人，该专利的全部内 容通过引用被包括在本说明书中。Evans等人的美国专利6714014披 露了一种衬垫安装的电阻率装置，披露了一种电阻率成像装置，其使 用电容耦合，并可用于油基的泥浆，该专利具有和本发明相同的受让 人，该专利的全部内容通过引用被包括在本说明书中。在Evans和Gianzero的专利中描述的装置可被称为"两电极"系 统，其包括测量电极和衬垫。两电极成像工具的问题之一是，对衬垫 按钮的前方的电阻率不均一性的分辨率不足。这种现象的原因由图3 可容易地看出，图3表示进入按钮的电流In的简化通路。工具的心 轴由34表示，在衬垫55上示出了两个示范性的电阻率电极41a和 41b。每个电极中的电流由总阻抗Ri确定，该阻抗受电极和回路之间 的漏阻抗RL、电极Rn和地层之间的流体的阻抗、背景地层阻抗RF 以及地层电阻率的局部变化ARF-所需信号的影响。在存在导致十分严重的漏电流ILi的大支座的情况下，阻抗i ,可以十分小。这种测量情况可以导致图4a说明的衬垫响应。图4a中示 出了测量的信号101，其被示为电极数n的函数。测量的信号101包 括大的背景信号和小的成像信号分量。如果在系统中使用的模数转换 器具有不足的动态范围，则所需信号可被不良地数字化，或者甚至可 能被限幅为整个刻度值103。应当注意，在已知的工具中，上述问题 不能借助于自动增益控制或者通过后处理来解决。在评估地层时遇到许多典型的两电极系统的问题。 一般地说，多个传感器进行地层的感兴趣参数的测量。与每个传感器相关的信号可 被表征为背景信号和差分信号之和。差分信号随传感器而改变，并且 是感兴趣参数的局部改变的特性。传感器处的这些信号是模拟测量结 果。在背景信号比差分信号大得多的情况下，当传感器的输出是数字 数据处理系统的一部分时，期望改善差分信号的动态范围。本发明便 解决这个问题。发明内容本发明的一个实施例是一种用于检测地下区域的特性的装置。该 装置包括多个传感器和用于提供来自至少一个传感器的信号和从一 个或多个传感器获得的组合信号之间的差值的电路，每个传感器具有 表示区域的特性的相关信号。所述电路可以包括模拟电路。也可以使 用组合来自一个以上传感器的信号以便给出组合信号的电路。该装置 可以包括处理器，其由所述差值产生钻孔壁的图像。所述地下区域包括下述中的至少一个(i)地层基体，(ii)地层流体，以及(iii)钻孔流体。 所述传感器可以是声学传感器、电阻率传感器、核传感器、NMR传 感器、光学传感器和/或压力传感器。数模转换器可以对差值进行数字 化。传感器可以包括测量电极，以及相关信号可以是测量信号。如果 这样，可以提供具有与测量电极的电位基本上相同的电位的附加电 极。可以利用运送装置把该装置运送到地下区域内的钻孔内。运送装 置可以是测井电缆、滑线和/或钻管。装置中可以包括方位传感器。所 述电路可以位于孔底组件上，并且多个传感器中的一个或多个可以是 由孔底组件的旋转限定的虚拟传感器。传感器可被安装在第一钻孔 内，以及能量源可位于与笫一钻孔分开的第二钻孔内。所述能量源可 以是声源和/或电磁源。本发明的另 一个实施例是一种用于评价地下区域的方法。获得表 示地下区域的特性的多个信号，以及提供至少一个信号和由多个信号 导出的组合信号之间的差值。可以使用模拟电路来提供所述差值。可 以产生在地下区域中的钻孔的图像。该方法还涉及数字化所述差值信号。所述信号可以由声学传感器、电阻率传感器、NMR传感器、光 学传感器、压力传感器和/或核传感器来获得。这些传感器可以利用滑 线、测井电缆或钻管被运送到钻孔内。至少一个传感器可以是由传感 器的旋转限定的虚拟传感器。信号可以在第一钻孔内获取，并且可以 是在与第一钻孔隔开的第二钻孔内启动能量源的结果。所述能量源可 以是声源和/或电磁源。
通过参看附图可以更好地理解本发明，附图中相同的标号表示相 同的元件，其中图1 (现有技术)表示悬挂在钻孔内的本发明的成像工具；图2a (现有技术)是使用本发明的成像工具的机械示意图；图2b (现有技术)是示例的电极衬垫的详细示意图；图3是表示漏电流和背景电阻率的示意电路图；图4a表示各个电极的输出上的漏电流和背景电阻率的结果；图4b表示使用本发明的方法在各个电极的输出上的结果；以及图5是用于实施本发明的实例反馈电路的电路图。
具体实施方式
图1表示悬桂在钻孔12中的成像工具10，所述钻孔贯穿地层例 如13，所述工具由安装在钻机18上的滑轮上通过的适当缆14悬桂着。 按照工业标准，缆14包括应力部件和用于把指令传送给工具并接收 来自工具的数据和用于工具的电力的7个导线。工具10由牵引机件 20升降。表面23上的电子模块22向井下传送所需操作指令，并接收 返回的数据，该数据可被记录在任何所需类型的档案存储介质上，供 当时或者以后进行处理。数据可以用模拟或数字形式传送。可以提供 数据处理器，例如合适的计算机24，用于在现场实时地进行数据分析， 或者把记录的数据发送给处理中心或两者，以便数据的后处理.也可 以利用井下计算机来进行一些数据处理。图2A是钻孔侧壁成像器系统的外部图。包括该成像器系统的工 具10包括电阻率阵列26,可选地还可以包括泥浆筛孔30和圆周声学 井下电视32。电子模块28和38可以位于系统中的合适位置，而不一 定在所示位置上。这些元件可以用常规的熟知方式安装在心轴34上。 包括磁力计和加速度计或惯性引导系统的方位模块36可被安装在成 像部件26和32的上方。工具10的上部分38包括遥感勘测模块，用 于釆样、数字化并以常规方式沿井孔向上向表面电子电路22传输来 自各个元件的数据采样。如果获得声学数据，它们最好被数字化，虽 然在另一个方案中，这些数据可以以模拟形式被保留，以便传送到表 面，然后由表面电子电路22数字化。图2a还示出了 3个电阻率阵列26(第四个阵列在该图中被遮住 了 )。参见图2a和图2b，每个阵列包括用于向地层注入电流的测量 电极41a、 41b、 ...、 41n，用于水平集中来自测量电极的电流的集中 电极43a、 43b，以及用于垂直集中来自测量电极的电流的集中电极 45a、 45b。按照惯例，"垂直，，指的是沿着钻孔轴的方向，"水平"指的 是垂直于垂直方向的平面。本发明的方法还可以用于没有集中电极的 工具。本发明的其它实施例可以用于钻孔同时测量(MWD ，measurement-while-drilling)、钻孑L 同 时观'J 井 (LWD ，logging-while-drilHng)或升降同时测井操作中。传感器组件可用在基本上不旋转的衬垫上，如具有和本申请相同的受让人的US 6173793中教导的那样，该专利的全部内容通过引用被包括在本说明书中。这种传感器组件还可以用在不旋转的套筒上，例如US6247542中披露的，该专利的全部内容通过引用被包括在本说明书中。本发明的滑线实施也是可能的，其中传感器组件在滑线上输送到井下，数据被记录在合适的存储装置上，并在后续处理中被检索。如上所述，测量的信号受背景地层阻抗/ ,的影响、流体阻抗&以及漏电流仏,的影响的支配。本发明基于认识到这个事实/ ,和漏电流是相对于空间电极位置而緩慢地改变的量。在衬垫的前端部分内，即在数字化之前，实现自适应反馈。这参照图5进行说明。电极 41a、 41b、 41c…41n的緩冲的电流输出V!、 V2、 V3…Vn被平均放大 器151平均，平均放大器的输出VB被用作负反馈送到差分放大器 141a、 141b、 141c…141n，差分放大器的另 一个输入是来自按钮电极 的相应测量电流/,、 /2、 /3.../ 。平均放大器151的输出还可用于进一步处理、保留用于后续检索、或者作为背景地层电阻率的指示而遥测到井上。按钮电极的滤波后输出Vp V2、 V3…Vn提供地层电阻率的高分辨率图像，其对于原始测量结果具有改进的动态范围，并利用标 准的方法被数字化。该图像是钻孔壁的局部不均匀性的指示。平均值 可被加回到数字化滤波输出，以提供绝对地层电阻率的指示。现在返回图4b，信号101，表示利用电极的输出101的前端反馈 处理的结果。电极之间的差值被增强了这些差值是钻孔壁的电阻率 的不均匀性的指示。动态范围大于图4a。一般地说，测量电极构成传感器，测量电流是与测量电极相关联 的测量结果。模拟电路通过对测量电流进行平均来组合测量电流。平 均电流和各个测量电流之间的差值形成了系统的有用输出。应当注 意，上面说明的方法也可以用于其它的传感器装置，包括没有集中电 极或衬垫的那些装置。Fabris等人的US6801039教导了使用散开的电 极系统，用于确定钻孔流体的电阻率，该专利具有和本发明相同的受 让人，其全部内容通过引用被包括在本说明书中。上面说明的装置和方法可以用于水基泥浆(WBM， water-based mud)和油基泥浆(OBM， oil-based mud),对于OBM，例如使用Evans 等人的US6714014的教导，利用电信号的电容耦合，该专利具有和本 发明相同的受让人，其全部内容通过引用被包括在本说明书中。如在 Evans的014专利中讨论的，电流是调制的高频电流，其把测井工具 上的电源电容耦合到地层。在其它情况下，诸如二次恢复操作中也遇到大背景信号的问题。 目的是监视注入井和生产井之间的储层中的碳氢化合物的流动。地震 源或电磁源设置在一个钻孔内，而多个检测器一般安装在笫二井内。来自所述源的能量的通路受储层中的流体的相对分布的影响。感兴趣 的是在不同接收器接收的信号之间的差。上面讨论的反馈电路可用于 在存在大的背景信号的情况下增强所需信号(在所述源和接收器之间 的地层的体积特性)。还有一个例子是钻孔井下电视，其中钻孔内部的声源用于获得钻孔壁的图像。在Priest的US5638337中披露了使用声学装置来确定钻 孔的几何形状和工具支座。Ram—bow的US4463378显示来自钻孔井下 电视的声学反射的幅值和时间。虽然时间(因而钻孔几何形状)对钻 孔内的流体相对不敏感，所述幅值可能受到钻孔流体内的声信号衰减 的大影响。这种衰减提供了强的背景信号，其必须被除去以便对信号 幅值进行有意义的解释。为此目的，可以使用上面说明的方法。虽然 Priest的装置需要使用上述虚拟传感器的构思，在Schmidt等人的 US5640371中披露了用于成像钻孔壁的声学阵列的使用，该专利的全 部内容通过引用被包括在本说明书中。本发明的方法是一种可以应用于指示地下区域的特性的阵列测 量的一般方法。其基本构思是，各个测量结果通过减去从阵列的其它 元件得到的复合信号而被标称化。这包括由NMR传感器进行的地层 的自旋回声特性的NMR测量、例如表示地层密度的伽马射线测量的 核测量、和表示地层的多孔性的中子测量。可以从本发明的方法受益 的其它类型的阵列传感器是压力传感器和光学传感器。地下区域这个 术语旨在包括地层、岩石基体、岩石基体中的流体以及地层中的钻孔。上面使用滑线实施为例说明了本发明的装置和方法。本发明还可 以被实施用于MWD应用，用于MWD的电阻率成4象的一个例子在 Evans的US6600321中讨论了 ，该专利具有和本发明相同的受让人， 其全部内容通过引用被包括在本说明书中。另外，关于MWD应用，例如可以^^用Chemali等人的美国专 利申请序列号10/616857中描迷的一种装置，该专利具有和本发明相 同的受让人，其全部内容通过引用被包括在本说明书中。Chemali不 需要电极阵列，而是可以使用一个电极，在本发明的上下文中，由一个电极在多个旋转角度和多个深度进行的测量限定了测量电极的虛 拟阵列，其测量结果可以使用与上述模拟反馈滤波相同的原理进行数 字处理。使用一个电极的实施方案需要使用方位传感器，例如磁力计， 并随着钻井的进展而精确地估计深度。深度估计例如可以使用在Dubinsky等人的US6769497中描述的方法进行，该专利具有和本发 明相同的受让人，其全部内容通过引用被包括在本说明书中。发送器和接收器的操作可以由井下处理器和/或表面处理器进 行。在数据的控制和处理中隐含的是使用适当机器可读介质上的计算 机程序，其使处理器能够进行所述控制和处理。所述处理例如可以包 括使用来自测量电极的滤波后信号来生成钻孔壁的电阻率图像。机器 可读介质可以包括ROM、 EPROM、 EAROM、闪存和光盘。这里使 用的术语"处理器"旨在包括现场可编程门阵列(FPGA)。虽然上面的内容针对本发明的优选实施例，显然，本领域技术人 员可以作出各种改变。意图是，上面所述的内容包括了在所附权利要 求的范围和构思内的所有改变。
权利要求
1.一种用于检测地下区域的特性的装置，该装置包括(a)多个传感器，每个传感器具有表示所述区域的特性的相关信号，以及(b)用于提供来自所述多个传感器的至少一个传感器的信号和从所述多个传感器获得的组合信号之间的差的电路。
2. 如权利要求l所述的装置，其中，所述电路包括模拟电路。
3. 如权利要求1所述的装置，还包括用于组合来自多个传感器 的信号以给出所述组合信号的电路。
4. 如权利要求1所述的装置，还包括处理器，其根据所述差来 产生钻孔的图像。
5. 如权利要求1所述的装置，其中，所述地下区域包括下述中 的至少一个(i)地层基体，(ii)地层流体，以及(iii)钻孔流体。
6. 如权利要求1所述的装置，其中，所述多个传感器是从包括 下列的组中选择的(i)声学传感器、(ii)电阻率传感器、(iii)核传感器、 (iv)NMR传感器、(v)压力传感器、以及(vi)光学传感器。
7. 如权利要求1所述的装置，还包括用于数字化所述差的数模 转换器。
8. 如权利要求1所述的装置，其中，所述多个传感器包括测量 电极，以及所述相关信号包括测量电流。
9. 如权利要求8所述的装置，还包括具有与测量电极的电位基 本相同的电位的附加电极。
10. 如权利要求l所述的装置，还包括运送设备，其把所述装置 运送到地下区域内的钻孔内，所述运送设备是从包括(i)测井电缆、(ii) 滑线、以及(iii)钻管的组中选择的。
11. 如权利要求10所述的装置，还包括用于进行方位测量的方 位传感器。
12. 如权利要求10所述的装置，其中，所述电路位于孔底組件(BHA)上，并且其中，所述多个传感器的至少一个是通过所迷BHA 的旋转限定的虛拟传感器。
13. 如权利要求l所述的装置，其中，所述多个传感器被安装在 第一钻孔内。
14. 如权利要求13所述的装置，还包括位于与第一钻孔分开的 第二钻孔内的能量源。
15. 如权利要求13所述的装置，其中，所述能量源是从包括(i) 声源，和(ii)电磁源的組中选择的。
16. —种用于评价地下区域的方法，所述方法包括(a) 获取表示地下区域的特性的多个信号；以及(b) 使用井下电路来提供所述信号的至少 一个和从所述多个信号 获得的组合信号之间的差。
17. 如权利要求16所述的方法，其中，提供所述差包括使用模 拟电路。
18. 如权利要求16所述的方法，还包括产生地下区域中的钻孔 的壁的图像。
19. 如权利要求16所述的方法，还包括数字化所述差。
20. 如权利要求16所述的方法，还包括使用从包括下列的组中 选择的传感器来获得所述多个信号(i)声学传感器、(ii)电阻率传感器、 (iii)核传感器、(iv)NMR传感器、(v)压力传感器以及(vi)光学传感器。
21. 如权利要求14所述的方法，其中，所述多个信号包括指示 地下区域的电阻率的测量电流。
22. 如权利要求14所述的方法，其中，获取所述多个信号还包 括使用在从(i)测井电缆、(ii)滑线、以及(iii)钻管中选择的运送设备 上运送的传感器。
23. 如权利要求22所述的方法，还包括限定所述多个传感器的 至少一个作为由传感器的旋转限定的虚拟传感器。
24. 如权利要求16所述的方法，其中，所述多个信号在第一钻 孔内获取，所述信号源自位于与笫一钻孔隔开的第二钻孔内的能量源的启动。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述能量源是从包括(i) 声源，以及(ii)电磁源的组中选择的。
全文摘要
确定电阻率成像工具的多个测量电极处的平均电流，并从各个测量电流中减去该平均电流以给出具有改善的动态范围的电阻率图像。
文档编号E21B47/01GK101273286SQ200680035209
公开日2008年9月24日 申请日期2006年8月4日 优先权日2005年8月10日
发明者兰迪·高德, 斯坦尼斯拉夫·W·福根尼 申请人:贝克休斯公司