背景
在用于提取烃类的钻井操作期间，使用多种测量和传输技术来提供或记录钻井操作之后来自钻头附近或井筒内的实时数据。在整个钻井操作中可使用井下测量和测井工具(诸如随钻测量(mwd)和/或随钻测井(lwd)工具)进行周围地下地层的测量，这会帮助表征地层并有助于做出操作决定。更具体地，此类井筒测井工具进行测量，所述测量用于确定所穿透的周围地下地层的电阻率(或其倒数电导率)，其中电阻率指示地层的各种地质特征。
可使用联接到井筒测井工具或以其他方式与井筒测井工具相关联的一个或多个天线来进行井下电阻率测量。经常通过围绕井筒测井工具(诸如钻环)的轴向截面定位线圈绕组来形成测井工具天线。软磁材料有时定位在线圈绕组下方以提高测井工具天线的效率和/或灵敏度。软磁材料有利于线圈绕组生成的磁场的较高磁导率路径(即，磁通管道)，并有助于保护线圈绕组，使其免受相邻钻环和相关联的损耗(例如，在钻环上生成的涡电流)的影响。
附图简述
以下附图被包括以用于说明本公开的某些方面，并且不应被视作排他性实施方案。所公开的主题能够在不脱离本公开的范围的情况下在形式和功能上进行相当多的修改、改变、组合以及等效化。
图1是可采用本公开的原理的示例性钻井系统的示意图。
图2是可采用本公开的原理的示例性测井电缆系统的示意图。
图3a和图3b是示例性天线组件的视图。
图4是另一个示例性电阻率测井工具的侧视图。
图5a和图5b是示例性并置天线组件的侧视图。
图6a-6c是采用本公开的原理的示例性并置天线组件的侧视图。
图7a示出将用作本文所述的实例的参考模型的天线组件。
图7b是示出当图7a的天线组件被激发时来自图7a的天线组件的线圈的磁偶极矩的方向性的模拟响应的曲线图。
图7c是示出当图7a的天线组件被激发时来自图7a的天线组件的线圈的近场增益的模拟响应的曲线图。
图8a-8c是分别示出当图6a-6c的天线组件被激发时来自图6a-6c的天线组件的线圈的磁偶极矩的方向性的模拟响应的曲线图。
图9a-9c是分别示出当图6a-6c的每个天线组件被激发时来自图6a-6c的每个天线组件的线圈的近场增益的模拟响应的曲线图。
图10a和图10b是图6a的天线组件的附加示例性实施方案的侧视图。
图11a和图11b是分别示出当图10a和图10b的天线组件被激发时来自图10a和图10b的天线组件的线圈的磁偶极矩的方向性的模拟响应的曲线图。
图12a和图12b是分别示出当图10a和图10b的每个天线组件被激发时来自图10a和图10b的每个天线组件的线圈的近场增益的模拟响应的曲线图。
图13示出将用作参考模型的另一个天线组件。
图14a是根据一个或多个实施方案的采用本公开的原理的另一个示例性天线组件1400的侧视图。
图14b和图14c是示出来自图14a的天线组件的线圈的磁偶极矩的方向性和近场增益的模拟响应的曲线图。
详细描述
本公开总体涉及在石油和天然气产业中使用的井筒测井工具，并且更具体地涉及具有插入并置线圈天线的对称软磁带的电阻率测井工具的设计。
本公开的实施方案描述在电阻率测井工具中使用的天线组件的设计的改进，所述电阻率测井工具用于监测与钻出的井筒相邻的周围地下地层。本文所述的天线组件包括并置的倾斜和同轴线圈天线，所述线圈天线包括对称软磁带以增加线圈天线的电感。软磁带利用易于制造且成本低廉的几何形状简单的插入件改进并置的倾斜线圈方向性和增益。插入件在轴向方向和方位角方向上对称地间隔开，并且软磁带可因此被表征为方位自由的或方位不变的，并且因此在方位上等同于线圈天线。结合对称软磁带的天线组件可保持以任何方位角并置的线圈发射器的物理倾斜角，而不需要损害线圈绕组或插入件的物理取向。此外，结合对称软磁带的天线组件可保持倾斜线圈和同轴线圈的有效倾斜角。
图1是根据一个或多个实施方案的可采用本公开的原理的示例性钻井系统100的示意图。如图所示，钻井系统100可包括定位在地表处的钻井平台102和从钻井平台102延伸到一个或多个地下地层106的井筒104。在其他实施方案中，诸如在海上钻井操作中，一定体积的水可将钻井平台102与井筒104分开。
钻井系统100可包括井架108，所述井架108由钻井平台102支撑并具有用于升高和降低钻柱112的游动滑车110。主动钻杆114可在钻柱112降低通过旋转台116时支撑所述钻柱112。钻头118可联接到钻柱112，并且由井下电机和/或凭借钻柱112通过旋转台116进行旋转来进行驱动。当钻头118旋转时，它形成穿透地下地层106的井筒104。泵120可将钻井液循环通过进料管122和主动钻杆114，向井下通过钻柱112的内部，通过钻头118中的孔，通过限定在钻柱112周围的环回到地表，并进入保持坑124中。钻井液在操作期间冷却钻头118，并将来自井筒104的钻屑输送到保持坑124中。
钻井系统100还可包括在钻头118附近联接到钻柱112的井底总成(bha)。bha可包括各种井下测量工具，诸如但不限于随钻测量(mwd)和随钻测井(lwd)工具，其可被配置来对钻井条件进行井下测量。mwd和lwd工具可包括至少一个电阻率测井工具126，其可包括一个或多个线圈天线，所述线圈天线沿着电阻率测井工具126的长度并置间隔开或轴向间隔开，并且能够接收和/或发射电磁(em)信号。如将在下面详细描述的，电阻率测井工具126可还包括用于增强和/或保护em信号并由此增加电阻率测井工具126的方位灵敏度的软磁带。
当钻头118使井筒104延伸通过地层106时，电阻率测井工具126可连续地或间歇地收集与地层106的电阻率(即，地层106如何强烈地阻挡电流流动)相关的方位灵敏的测量结果。mwd和lwd工具的电阻率测井工具126和其他传感器可以可通信地联接到遥测模块128，所述遥测模块128用于将测量结果和信号从bha传递到地表接收器(未示出)和/或从地表接收器接收命令。遥测模块128可包括任何已知的井下通信装置，其包括但不限于泥浆脉冲遥测系统、声学遥测系统、有线通信系统、无线通信系统或其任何组合。在某些实施方案中，在电阻率测井工具126处取得的一些或全部测量结果也可存储在电阻率测井工具126或遥测模块128内，以供稍后在回缩钻柱112时在地表处进行检索。
在钻井过程期间的不同时间处，如图2所示，可从井筒104移除钻柱112以进行测量/测井操作。更具体地，图2示出根据一个或多个实施方案的可采用本公开的原理的示例性测井电缆系统200的示意图。图1和图2中使用的相同的数字是指相同的部件或元件，并且可因此不再描述。如图所示，测井电缆系统200可包括测井电缆仪器探测器202，所述测井电缆仪器探测器202可通过电缆204悬挂到井筒104中。测井电缆仪表探测器202可包括上述电阻率测井工具126，所述电阻率测井工具126可以可通信地联接到电缆204。电缆204包括用于将功率输送到测井电缆仪表探测器202的导体，并且还有利于地表与测井电缆仪表探测器202之间的通信。在图2中示为卡车的测井设施206可从电阻率测井工具126收集测量结果，并且可包括用于控制、处理、存储和/或可视化由电阻率测井工具126收集的测量结果的计算和数据采集系统208。计算设施208可通过电缆204可通信地联接到电阻率测井工具126。
图3a是示例性电阻率测井工具300的局部等距视图。电阻率测井工具300可以与图1和图2的电阻率测井工具126相同或相似，并因此可以在其中示出的钻井或测井电缆系统100、200中使用。电阻率测井工具300被示出为包括天线组件302，所述天线组件302可围绕诸如钻环等的工具心轴304定位。天线组件302包括线轴306和围绕线轴306进行卷绕并凭借沿着线轴306的外表面的至少一部分缠绕来进行轴向延伸的线圈308。
线轴306可在结构上包括高温塑料、热塑性塑料、聚合物(例如，聚酰亚胺)、陶瓷或环氧树脂材料，但能够可替代地由多种其他非磁性的、电绝缘的/不导电的材料制成。线轴306可例如通过增材制造(即，3d打印)、模制、注塑、机加工或其他已知的制造工艺来制造。
线圈308可包括围绕线轴306的任何数量的连续“线匝”(即，线的绕组)，但是将典型地包括至少两个或更多个连续的完整线匝，其中每个完整线匝围绕线轴306延伸360°。在一些实施方案中，用于接收线圈308的通路或引导件可沿着线轴306的外表面形成。例如，可在线轴306的外表面中限定一个或多个通道，以接收和安放线圈308的多个绕组。然而，在其他实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，可从电阻率测井工具300中完全省略线轴306。
线圈308可以相对于工具心轴304的工具轴线310同心或偏心。如图所示，线圈308的线匝或绕组以与工具轴线310角度偏移的缠绕角312围绕线轴306进行延伸。因此，天线组件302可被表征为并以其他方式称为“倾斜线圈天线”或“定向天线”。在所示出的实施方案中，并且以举例的方式，在不脱离本公开的范围的情况下，缠绕角312与工具轴线310角度偏移45°，但是能够可替代地是与工具轴线310偏移的任何角度。
图3b是图3a的电阻率测井工具300的示意性侧视图。当电流穿过天线组件302的线圈308(图3a)时，可生成从天线组件302径向向外延伸的偶极磁场314，其中偶极磁矩316以磁场角318大体与线圈308的缠绕方向正交地进行延伸。因此，由于缠绕角312(图3a)是45°，因此所得的磁场角318也将与工具轴线310偏移45°，但是与缠绕角312相反。然而，应了解，磁场角318(即，偶极磁矩316的方向性)可通过调整或操纵缠绕角312而改变。
图4是另一个示例性电阻率测井工具400的侧视图。类似于图3a-3b的电阻率测井工具300，电阻率测井工具400可以与图1和图2的电阻率测井工具126相同或相似，并因此可以在其中示出的钻井或测井电缆系统100、200中使用。图4中使用的来自图3a-3b的类似数字是指可不再描述的类似部件或元件。电阻率测井工具400包括天线组件402，所述天线组件402包括多匝同轴线圈404和多个多匝倾斜线圈406(示出为第一倾斜线圈406a、第二倾斜线圈406b和第三倾斜线圈406c)。同轴线圈404和倾斜线圈406a-c可各自围绕诸如钻环等的工具心轴408定位，并且还可各自围绕与图3a-3b的线轴306类似的单独线轴410进行卷绕。
每个倾斜线圈406a-c可围绕工具心轴408的外周边在方位上(周向地)彼此偏移120°，并且与图3a-3b的线圈308类似，每个倾斜线圈406a-c可围绕相应线轴410以与工具轴线310角度偏移的缠绕角312进行延伸。因此，每个倾斜线圈406a-c可被取向成生成与缠绕角312正交的对应磁偶极矩316(示出一个)。在缠绕角为45°的情况下，每个磁偶极矩316可表现出与工具轴线310偏移45°但与缠绕角312相反的磁场角318。同轴线圈404和倾斜线圈406a-c中的每一个可以是可互换的并且以其他方式用作发射器、接收器或收发器。
同轴线圈404和倾斜线圈406a-c可沿着工具心轴408以例如25英尺、50英尺、100英尺的标称间距或任何其他期望的间距彼此轴向间隔开。因此，根据设计和应用，电阻率测井工具400的总长度可以是相当长的。为了节省与材料、重量和空间相关的成本，缩短电阻率测井工具400的长度可能是有利的。在一些实施方案中，这可以通过以下方式来实现：并置同轴线圈404和倾斜线圈406a-c，即，将同轴线圈404和倾斜线圈406a-c定位在沿着工具心轴408的相同轴向位置处，其中倾斜线圈406a-c保持彼此方位偏移120°。在此类实施方案中，天线组件402将定位在沿着工具心轴408的轴向长度的单个点或位置处。
为了增加天线组件402的探测深度，根据本公开的实施方案，软磁带(未明确示出)可定位在并置线圈404、406a-c与工具心轴408之间，并由此有助于增加并置线圈404、406a-c的电感，同时保持每个线圈404、406a-c的方向性(即，磁偶极矩316的角度318)。此外，在一些实施方案中，并且由于严酷的钻井或井下条件，保护罩(未明确示出)也可以紧固在工具心轴408之上以保护线圈404、406a-c，而同时也保持方向性。
参见图5a和图5b，示出根据一个或多个实施方案的示例性并置天线组件500a和500b的侧视图。如图所示，每个天线组件500a、b包括围绕工具心轴504卷绕并且更具体地在限定在工具心轴504上的鞍形支架506内卷绕的至少两个并置线圈502。鞍形支架506可包括工具心轴504的一部分，所述部分与工具心轴504的其余部分相比表现出减小的直径。每个天线组件500a、b的一些或全部部件可布置在鞍形支架506内。尽管未示出，但是线轴306(图3a)可以任选地被包括成插入线圈502和工具心轴504(即，鞍形支架506)，如以上总体所述。
在图5a中，第一倾斜线圈502a和第二倾斜线圈502b被示出为围绕工具心轴504并置并且彼此方位偏移180°。在图5b中，第一倾斜线圈502a和第二倾斜线圈502b被示出为与第三倾斜线圈502c一起围绕工具心轴504并置，其中每个倾斜线圈502a-c彼此方位偏移120°。
每个天线组件500a、b可包括插入并置倾斜线圈502和工具心轴504的软磁带508。软磁带508可用于保护倾斜线圈502，使其免受工具心轴504生成的涡电流的影响，并由此增加天线组件500a、b的方位灵敏度和/或增加每个倾斜线圈502的偶极磁场316(图3b和图4)的效率或强度。
为了帮助促进这种效果，软磁带508可包括软磁材料或表现出相对高电阻率、高磁导率和低磁损耗(例如，磁滞、磁致伸缩等)的任何材料。可使用的一种合适的软磁材料包括铁氧体，其通常包括粉末铁/铁氧体材料和粘合剂(诸如硅酮基橡胶、弹性体、rtv、聚合物(例如，聚酰亚胺)、陶瓷或环氧树脂)的复合混合物。将所得的混合物模制、压制或机加工成适形于软磁带508的形状的期望的几何形状和配置。可在软磁带508中使用的其他合适的软磁材料包括但不限于：高导磁合金、坡莫合金、金属玻璃(metglass)或前述项的任何组合。
为了有助于将磁偶极矩316相对于工具轴线310的方向性保持在例如45°，软磁带508可包括多个条带或插入件510，其形成围绕工具心轴504的圆周延伸的一个或多个不连续的环形圈。至少一些插入件510表现出倾斜的切割形状，并且因此可称为“倾斜”插入件510。每个“倾斜”插入件510可由防止横向相邻的插入件510之间的物理接触的小间隙分开，并且由此防止相邻的插入件510之间的连续磁路。在一些实施方案中，间隙可填充有表现出大约1的相对磁导率(μr)(其等同于自由空间或空气的磁导率(μo))的材料。在其他实施方案中，间隙可不填充任何具体材料，但作为替代，空气可将相邻的插入件510分开。在任何情况下，间隙基本上用作相邻的插入件510之间的非磁性绝缘体。
在仅包括倾斜线圈502中的一个的天线组件中，软磁带508通常可定制设计成处于单个倾斜线圈502的轨迹(安装方向)上(或者垂直于线圈502的轨迹)，以保持倾斜线圈502的原始方向性(例如，45°)。然而，在所示出的结合多个并置倾斜线圈502a-c的天线组件500a、b中，用于一个倾斜线圈502的定制设计的软磁带508可能危及剩余的并置倾斜线圈502的方向性，因为剩余的倾斜线圈502沿着不同的方位方向进行取向。因此，软磁带508的设计应促进并置线圈502a-c的电感而不改变对应的磁偶极矩316(图3b和图4)的有效磁场角318(图3b)。
在图5a中，软磁带508的设计被配置来包括180°方位等同磁层，其用于保护180°方位偏移的第一倾斜线圈和第二倾斜线圈502a、b。在图5b中，软磁带508的设计被配置来包括120°方位等同磁层，其用于保护120°方位偏移的第一倾斜线圈、第二倾斜线圈和第三倾斜线圈502a-c。
图5a和图5b中的软磁带508的设计可被证明有利于表现出良好增益，同时保持对应磁偶极矩316(图3b和图4)的原始磁场角318(图3b)。然而，这些设计可能在若干方面受限。例如，这些设计专门用于某些方位角，并且因此不是方位自由的。更具体地，图5a的软磁带508不能用于图5b的120°方位等同并置线圈502a-c，并且图5b的软磁带508不能用于图5a的180°方位等同并置线圈502a、b。此外，图5a-5b的设计的受限之处在于，两种设计都不能有效地用于将同轴线圈(例如，图4的同轴线圈404)与倾斜线圈502a-c并置，因为插入件510不是方位对称的，并且因此将不利地影响同轴线圈的磁偶极矩方向性。最后，图5a和图5b中的软磁带508的设计的受限之处还在于，至少一些倾斜插入件510需要表现出具有独特横截面的复杂几何形状，所述复杂几何形状必须被扭曲并弯成弓形以适形于工具心轴504和/或鞍形支架506的曲率。因此，精确地制造此类插入件510可能相当困难且昂贵。
根据本公开的实施方案，对称设计的软磁带可以被结合到具有多个并置线圈的天线组件中。对称软磁带的独特设计可被配置来同时保持方位任意取向的倾斜线圈和同轴线圈的方向性。除了对称软磁带之外，此类天线组件可还包括保护罩，所述保护罩也被设计成对称的，并且由此有助于保持每个线圈的方向性。因此，天线组件可以比常规的天线组件更短，并因此更加空间高效，但还保持并置倾斜线圈和同轴线圈的偶极取向。
参见图6a-6c，分别示出根据一个或多个实施方案的采用本公开的原理的示例性并置天线组件600a、600b和600c的侧视图。天线组件600a-c可在某些方面类似于图5a和图5b的天线组件500a、b，并且因此可通过对其进行参考而得到最好的理解，其中相同的数字表示可能未被描述的相同部件或元件。如图所示，每个天线组件600a-c包括围绕工具心轴504卷绕并且更具体地在限定在工具心轴504上的鞍形支架506内卷绕的至少一个线圈502。为了简单起见，在图6a-6c中仅示出一个线圈502，但是应了解，每个天线组件600a-c可包括多个并置线圈502，诸如包括多个并置倾斜线圈或者可替代地包括一个或多个并置倾斜线圈和同轴线圈。此外，为了简单起见，在图6a-6c中仅示出线圈502的一个绕组，但是应了解，线圈502可包括沿着工具心轴504的一部分轴向延伸的多个绕组。此外，尽管未示出，但是线轴306(图3a)可在一些实施方案中被包括成插入并置线圈502和工具心轴504(即，鞍形支架506)，如以上总体所述。
如图所示，线圈502的绕组以缠绕角312围绕工具心轴504的圆周延伸，所述缠绕角312可与工具轴线310偏移例如45°。因此，由线圈502生成的磁偶极矩316可以磁场角318从工具心轴504延伸，所述磁场角318大体与线圈502的缠绕角312正交。磁偶极矩316的方向性通常可对应于线圈502在电流从中穿过时发射偶极磁场314(图3b)的方向。在一些应用中，可能期望使倾斜线圈的磁偶极矩316与工具轴线310偏移45°，但是如下所述由于由工具心轴504引起的效应或作为使用软磁带的结果，磁场角318可以可替代地是平行于工具轴线310与垂直于工具轴线310之间的任何角度。
为了克服图5a-5b的实施方案的上述限制，软磁带602的各种设计和/或实施方案可插入线圈502和工具心轴504。软磁带602在一些方面可类似于图5a-5b的软磁带508，诸如由类似的软磁材料制成。然而，与图5a-5b的软磁带508不同，图6a-6c中的每一个中的软磁带602可包括多个插入件604，所述插入件604形成围绕工具心轴504延伸的对称的、圆柱形且二维的阵列。
在一些实施方案中，如图6a和图6b所示，至少一些插入件604可包括弯曲的或弓形的正方形或长方形。弓形插入件604可被配置来适形于工具心轴504和/或鞍形支架506的曲率。然而，在其他实施方案中，如图6c所示，至少一些插入件604可包括圆柱形或短管状构件。圆柱形插入件604可围绕工具心轴504和/或鞍形支架506的曲率对称地定位。应了解，与图5a-5b的插入件510相比，插入件604的弓形或圆柱形设计是制造软磁带602的更为简单且便宜的方式。]
插入件604可围绕工具心轴504布置以形成一个或多个环形阵列606，所述一个或多个环形阵列606以与工具轴线310正交的角度围绕工具心轴504延伸。在图6a中，例如，软磁带602包括沿着工具轴线310以轴向间隙608彼此轴向间隔开的九个环形阵列606。图6b的软磁带602包括沿着工具轴线310以轴向间隙608彼此轴向间隔开的三个环形阵列606，并且图6c的软磁带602包括沿着工具轴线310以轴向间隙608彼此轴向间隔开的五个环形阵列606。在至少一个实施方案中，如图6c所示，线圈502的至少一部分轴向延伸穿过环形阵列606，其中软磁带602未能径向插入线圈502和工具心轴504。限定在轴向相邻的环形阵列606之间的轴向间隙608可基本垂直于工具轴线310来进行延伸。
此外，每个环形阵列606包括多个插入件604，所述插入件604以角度间隙610彼此周向间隔开，其中角度相邻的插入件604之间的角度间隙610基本平行于工具轴线310来进行延伸。轴向间隙608和角度间隙610防止轴向和角度相邻的插入件604之间的物理接触，并由此防止相邻的插入件604之间的连续磁路。在一些实施方案中，间隙608、610可填充有表现出大约1的相对磁导率(μr)(其等同于自由空间或空气的磁导率(μo))的材料。在其他实施方案中，间隙608、610可不填充任何具体材料，但作为替代，空气可将轴向和角度相邻的插入件604分开。在任何情况下，间隙608、610基本上用作相邻的插入件604之间的非磁性绝缘体。
因此，软磁带602对称地间隔开，并且以其他方式在轴向和方位方向上围绕工具心轴504定位，其中环形阵列606是圆柱对称的。因此，软磁带602可被表征为方位自由的或方位不变的，并且因此在方位上等同于线圈502。换句话说，如果软磁带602能够以某一方位角保持45°倾斜线圈502的方向性，则其同样能够以任何偏移方位角保持倾斜线圈502的方向性。因此，无论线圈502的缠绕角312是什么，插入件604的环形阵列606都不会不利地影响线圈502的方向性。为了保持方向性，可调整插入件604的数量和插入件604之间的间隙608、610的大小。然而，只要插入件604围绕工具心轴504对称地排列，那么任何具有方位偏移的并置倾斜线圈在方位上都是等同的。更具体地，因为软磁带602是方位自由的，所以它可用于并置多个倾斜线圈502和任选的同轴线圈(例如，图4的同轴线圈404)，而不会不利地影响天线组件600a-c的测量能力。只要保持一个倾斜线圈502的方向性，那么剩余的方位偏移的倾斜线圈502的方向性也将得到保持。此外，因为磁带是圆柱对称的，所以它同样可保持同轴线圈的方向性。
为了有利于更好地理解本公开，提供天线组件600a-c的以下实例和模拟。这些实例决不应被理解为限制或限定本公开的范围。天线组件600a-c可以能够以顺序发射和接收模式工作(即，一次只有一个线圈502工作)，并且因此在本公开中未论述任何并置线圈502之间的串扰。因此，在下面的实例中仅对一个线圈502进行建模以表示其他方位等同线圈502的性能。
在下面的实例中，工具心轴504被假定为具有7x106s/m的电导率的非磁性钢合金(例如，
如本文所用，倾斜线圈的方向性可限定为在固定半径处的近电场对线圈中心的最小灵敏度。此外，倾斜线圈的有效增益(geff)可限定如下：
其中bref是参考模型(即，没有软磁带602且没有保护罩的线圈502，如下所述)的磁场；bobj是目标模型(即，具有软磁带602和/或保护罩的线圈502)的磁场；而nobj是目标模型与参考模型的绕组线匝的比率(例如，如果目标模型和参考模型都只具有一个线圈502绕组线匝，则nobj＝1)。
图7a示出将用作以下实例的参考模型的参考天线组件700。参考天线组件700是示例性的定向随钻测井(lwd)线圈天线，并且将用作参考，根据所述参考对以下图6a-6c的天线组件600a-c的模拟进行基准测试。如图所示，参考天线组件700包括工具心轴504，并且线圈502以缠绕角312围绕工具心轴504的圆周延伸。因此，由线圈502生成的磁偶极矩316以磁场角318从工具心轴504延伸，所述磁场角318大体与缠绕角312正交。然而，与图6a-6c的天线组件600a-c不同，从参考天线组件700省略软磁带602。
图7b和图7c是分别示出当参考天线组件700被激发时来自参考天线组件700的线圈502的磁偶极矩的方向性和线圈502的近场增益的模拟响应的曲线图。图7b和图7c的曲线图被用作参考，根据所述参考对以下天线组件600a-c的模拟进行基准测试。与图7b相比，图8a-8c是分别示出当图6a-6c的每个天线组件600a-c被激发时来自图6a-6c的每个天线组件600a-c的线圈502的磁偶极矩的方向性的模拟响应的曲线图。与图7c相比，图9a-9c是分别示出当图6a-6c的每个天线组件600a-c被激发时来自图6a-6c的每个天线组件600a-c的线圈502的近场增益的模拟响应的曲线图。
如上所述，天线组件600a-c各自包括对称软磁带602。鉴于图7b和图7c，图8a-8c和图9a-9c所示的建模结果示出，对称软磁带602的当前描述的实施方案可被证明有利于保持偶极方向性(在±5°内)，并且由当前描述的实施方案带来的有效增益使其优于图7a的传统参考天线组件700。因此，与源于参考天线组件700的模拟响应相比，图8a-8c和图9a-9c示出，方位不变的软磁带602构成对围绕工具心轴504缠绕的单匝倾斜线圈502的传统定向lwd天线的改进。
图10a和图10b是图6a的天线组件600a的附加示例性实施方案的侧视图。与图6a的实施方案不同，图10a和图10b所示的实施方案包括联接到工具心轴504并跨鞍形支架506大体轴向延伸的保护罩1002。保护罩1002可覆盖线圈502和软磁带602，并由此在井下操作期间保护线圈502，使其免受机械损坏的影响。应了解，在不脱离本公开的范围的情况下，软磁带602可被图6b或6c的软磁带602中的任何一个替换。
保护罩1002可由非磁性金属制成，所述金属诸如但不限于钢、不锈钢、
保护罩1002可包括允许向和从线圈502传递电磁(em)信号的多个孔1004。因此，保护罩1002可被表征为透射式罩。类似于软磁带602，在一些实施方案中，一系列孔1004可以是二维对称的。更具体地，孔1004可被对齐并且以其他方式限定在一个或多个环形孔阵列1006中，所述环形孔阵列1006以与工具轴线310正交的角度围绕工具心轴504延伸。在图10a中，例如，保护罩1002包括沿着工具轴线310以轴向间隙1008彼此轴向间隔开的三个环形孔阵列1006，并且图10b的保护罩1002包括沿着工具轴线310以轴向间隙1008彼此轴向间隔开的六个环形孔阵列1006。限定在轴向相邻的环形孔阵列1006之间的轴向间隙1008可基本垂直于工具轴线310来进行延伸，并且其大小可根据孔1004的设计和数量而有所不同。
此外，每个环形孔阵列1006中的孔1004可以角度间隙1010彼此周向间隔开，其中角度相邻的孔1004之间的角度间隙1010基本平行于工具轴线310来进行延伸。因此，限定在保护罩1002中的孔1004可被设计成在轴向和方位方向上围绕工具心轴504对称地间隔开。操作时，保护罩1002可与软磁带602一起工作以保持线圈502和任何并置线圈(未示出)的方向性。
在一些实施方案中，诸如聚合物(例如，peek)、聚合物陶瓷混合物或陶瓷的电磁透射材料(未示出)可设置在保护罩1002与鞍形支架506之间，由此包封线圈502和软磁带602。在此类实施方案中，电磁透射材料可通过孔1004暴露，并且可被证明有利于在具有电传输性的同时向天线组件600a提供高机械强度。因此，此类材料可被配置来保护天线组件600a，同时不显著地衰减从线圈502发射或由线圈502接收的em场。
图11a和图11b是分别示出当图10a和图10b的天线组件600a被激发时来自图10a和图10b的天线组件600a的线圈502的磁偶极矩的方向性的模拟响应的曲线图。鉴于图7b的曲线图，分析图11a和图11b中的曲线图，所述图7b的曲线图示出当图7a的参考天线组件700被激发时来自图7a的参考天线组件700的线圈502的磁偶极矩的方向性的模拟响应。图12a和图12b是分别示出当图10a和图10b的每个天线组件600a被激发时来自图10a和图10b的每个天线组件600a的线圈502的近场增益的模拟响应的曲线图。鉴于图7c的曲线图，分析图12a和图12b中的曲线图，所述图7c的曲线图示出当图7a的参考天线组件700被激发时来自图7a的参考天线组件700的线圈502的近场增益的模拟响应。
如上所述，图10a和图10b的天线组件600a各自包括对称软磁带602和保护罩1002以协作地保持线圈502的方向性。图11a-11b所示的建模结果示出，具有保护罩1002的对称软磁带602的当前描述的实施方案可被证明有利于保持偶极方向性(在±5°内)。此外，图12a-12b所示的建模结果示出，由当前描述的实施方案带来的有效增益使其优于图7a的没有软磁带602和保护罩1002的参考天线组件700。
图13示出将用作随后描述的实例的参考模型的另一个参考天线组件1300。天线组件1300是示例性的定向随钻测井(lwd)线圈天线，并且将用作参考，根据所述参考对以下模拟进行基准测试。如图所示，天线组件1300包括工具心轴504，并且线圈502围绕工具心轴504的圆周延伸并与工具轴线310同轴。类似于图7a的参考模型天线组件700，从天线组件1300省略软磁带602。因为参考天线组件1300仅包括单个同轴线圈502，所以作为参考，天线组件1300的方向性为0°并且增益为1。
图14a是根据一个或多个实施方案的采用本公开的原理的另一个示例性天线组件1400的侧视图。天线组件1400可在一些方面类似于图6a的天线组件600a，其中相同的数字表示未再描述的相同元件或部件。下面将天线组件1400的设计与图13的参考天线组件1300进行对比。如图所示，天线组件1400包括围绕工具心轴504卷绕并且更具体地在限定在工具心轴504上的鞍形支架506内卷绕的至少一个线圈502。此外，线圈502围绕工具心轴504的圆周延伸并且与工具轴线310同轴。
软磁带602可插入线圈502和工具心轴504以有助于保持线圈502的方向性。尽管如上参考图6a所述，在图14a中示出软磁带602，但是应了解，在不脱离本公开的范围的情况下，软磁带602可被图6b或图6c的软磁带602中的任何一个替换。
图14b是示出在图14a的天线组件1400被激发时来自图14a的天线组件1400的线圈502的磁偶极矩的方向性的模拟响应的曲线图，并且它示出，同轴线圈502的方向性得到很好的保持。图14c是示出在图14a的天线组件1400被激发时来自图14a的天线组件1400的线圈502的近场增益的模拟响应的曲线图，并且它示出，图14a中的设计就增益而言优于图13中的参考设计。
再次参见图6a-6c，并且根据本公开，本文所述的天线组件600a-c中的任何一个的软磁带602可被调整并且以其他方式优化以改变有效磁场角318，并且因此改变磁偶极矩316的方向性。可能期望例如对天线组件600a-c进行调整，使得有效磁场角318与工具轴线310偏移45°或接近45°。在一些实施方案中，这可通过改变插入件604的数量和/或大小来实现。在其他实施方案中，可改变将横向和周向相邻的插入件604分开的轴向间隙608和角度间隙610中的一者或两者的大小，以调整有效磁场角318，并因此调整磁偶极矩316的方向性。类似于改变插入件604的数量或大小，改变轴向间隙608和角度间隙610中的一者或两者还可使磁偶极矩316更接近期望的45°磁场角。
在其他实施方案中，工具心轴504的几何形状可在线圈502附近改变。在此类实施方案中，例如，鞍形支架506的肩部(即，鞍形支架506的轴向端部)可被扩大。此外，可加深在线轴(例如，图3a的线轴306)中限定以用于接收和安放线圈502的凹槽或通道。由于工具心轴504生成的涡电流，缠绕角312可以略微大于没有工具心轴504的实施方案中的缠绕角312。修改工具心轴504等同于修改涡电流效应，从而使得可实现期望的缠绕角312。
因此，本文描述用于构造天线组件的软磁带以保持偶极方向性并且改进天线组件的增益、电感和灵敏度中的一个或多个的方法。本文所述的实施方案提供胜过常规天线组件的若干优点。例如，并置线圈可减小电阻率测井工具的长度，并且并置线圈可同时或顺序地在一个或多个频率下进行操作。本文所述的对称软磁带能够保持并置倾斜线圈和同轴线圈的偶极取向，并且同时改进相关联的天线组件的增益、电感和灵敏度。此外，制造当前描述的对称软磁带中使用的插入件是简单且相对便宜的。最后，尽管本文已相对于mwd和/或lwd应用描述了天线组件，但是应了解，本公开的原理同样适用于例如永久部署在壳体后面并形成油层监测系统的一部分的天线组件(即，发射器和/或接收器)。
本文所公开的实施方案包括：
a.一种天线组件，所述天线组件包括：工具心轴，其具有工具轴线；多个线圈，其围绕所述工具心轴并置并且各自包括围绕所述工具心轴卷绕的多个绕组；以及软磁带，其径向插入所述多个线圈和所述工具心轴，并且包括形成两个或更多个环形阵列的多个插入件，所述两个或更多个环形阵列彼此轴向间隔开并且以与所述工具轴线正交的角度围绕所述工具心轴延伸，其中每个环形阵列中的所述插入件彼此周向间隔开。
b.一种组装天线组件的方法，所述方法包括：将软磁带围绕具有工具轴线的工具心轴的圆周进行定位，其中所述软磁带包括形成两个或更多个环形阵列的多个插入件，所述两个或更多个环形阵列彼此轴向间隔开并以与所述工具轴线正交的角度围绕所述工具心轴延伸，并且其中每个环形阵列中的所述插入件彼此周向间隔开；以及围绕所述工具心轴并置多个线圈，以使得所述软磁带径向地插入所述多个线圈的至少一部分。
c.一种方法，其包括将电阻率测井工具引入井筒中，所述电阻率测井工具包括天线组件，所述天线组件包括：工具心轴，其具有工具轴线；多个线圈，其围绕所述工具心轴并置并且各自包括围绕所述工具心轴卷绕的多个绕组；以及软磁带，其径向插入所述多个线圈和所述工具心轴，并且包括形成两个或更多个环形阵列的多个插入件，所述两个或更多个环形阵列彼此轴向间隔开并且以与所述工具轴线正交的角度围绕所述工具心轴延伸，其中每个环形阵列中的所述插入件彼此周向间隔开。所述方法还包括利用所述电阻率测井工具获得周围地下地层的测量结果。
实施方案a、b和c中的每一个可具有任意组合的以下附加要素中的一个或多个：要素1：其中所述多个线圈包括两个倾斜线圈，所述两个倾斜线圈围绕所述工具心轴并置并且彼此方位偏移180°。要素2：其中所述多个线圈包括三个倾斜线圈，所述三个倾斜线圈围绕所述工具心轴并置并且彼此方位偏移120°。要素3：其中所述多个线圈包括与同轴线圈并置的至少一个倾斜线圈。要素4：其中所述软磁带包括选自由以下项组成的组的材料：铁氧体、高导磁合金、坡莫合金、金属玻璃及其任何组合。要素5：其中所述多个插入件包括弓形正方形、弓形长方形和圆柱形构件中的至少一个。要素6：其中所述两个或更多个环形阵列沿着所述工具轴线以垂直于所述工具轴线来进行延伸的轴向间隙彼此轴向间隔开。要素7：其中每个环形阵列中的每个插入件以平行于所述工具轴线来进行延伸的角度间隙与角度相邻的插入件周向间隔开。要素8：其还包括保护罩，所述保护罩联接到所述工具心轴并且覆盖所述多个线圈和所述软磁带。要素9：其中所述保护罩限定多个孔，所述多个孔在与所述工具轴线正交的围绕所述工具心轴延伸的一个或多个环形孔阵列中对齐。
要素10：其中将所述多个线圈围绕所述工具心轴并置包括将彼此方位偏移180°的两个倾斜线圈并置。要素11：其中将所述多个线圈围绕所述工具心轴并置包括将彼此方位偏移120°的三个倾斜线圈并置。要素12：其中将所述多个线圈围绕所述工具心轴并置包括将至少一个倾斜线圈与同轴线圈并置。要素13：其还包括将保护罩联接到所述工具心轴并且由此覆盖所述多个线圈和所述软磁带，其中所述保护罩限定多个孔，所述多个孔在与所述工具轴线正交的围绕所述工具心轴延伸的一个或多个环形孔阵列中对齐。要素14：其还包括调整所述软磁带以优化所述多个线圈中的至少一个的磁偶极矩。要素15：其中调整所述软磁带包括改变限定在轴向相邻的环形阵列之间的轴向间隙的大小和改变周向间隔开角度相邻的插入件的角度间隙中的至少一者。要素16：其中调整所述软磁带包括改变所述多个插入件的数量或大小。
要素17：其中所述工具心轴可操作地联接到钻柱并且将所述电阻率测井工具引入所述井筒中还包括使所述电阻率测井工具在所述钻柱上延伸到所述井筒中，以及利用紧固到所述钻柱的远端的钻头钻出所述井筒的一部分。要素18：其中将所述电阻率测井工具引入所述井筒中还包括使所述电阻率测井工具作为测井电缆仪表探测器的一部分在测井电缆上延伸到所述井筒中。
通过非限制性实例，适用于a、b和c的示例性组合包括：要素8与要素9；要素10与要素11；要素10与要素12；要素10与要素13；要素10与要素14；要素14与要素15；以及要素14与要素16。
因此，所公开系统和方法良好适合于获得所提及的目标和优点以及本发明固有的那些目标和优点。以上公开的具体实施方案只是说明性的，因为本公开的教义可以对受益于本文教义的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来进行修改和实践。此外，除非以下权利要求书中有所描述，否则并不意图对本文示出的构造或设计的细节进行限制。因此，很明显，以上公开的具体例示性实施方案可被改变、组合或修改，并且所有此类变化被视为存在于本公开的范围内。本文说明性公开的系统和方法可在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下得以适当实践。虽然组合物和方法在“包括(comprising)”、“含有”或“包括(including)”各种组分或步骤方面来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。以上公开的所有数字和范围可发生一定量的变化。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在所述范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地，本文公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的含义。此外，如权利要求书中所用的不定冠词“一个/种(a/an)”在本文中定义为意指引入的一个或多于一个的要素。如果本说明书和可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件中存在词语或术语用法的任何矛盾，那么应采用与本说明书一致的定义。
如本文所用，在一系列项目之前的短语“至少一个”，以及用于分开这些项目中的任何一个的术语“和”或“或”修饰整个列表，而不是所述列表中的每一个成员(即，每个项目)。短语“至少一个”允许包括项目中的任一个的至少一个、和/或项目的任何组合的至少一个、和/或项目中的每一个的至少一个的意义。以举例的方式，短语“a、b和c中的至少一个”或“a、b或c中的至少一个”各自指代只有a、只有b、或只有c；a、b和c的任何组合；和/或a、b和c中的每一个的至少一个。