专利名称：用于感应测井仪器中的内部校准的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电磁感应电阻率测井设备领域。更准确地说，本发明涉及操作于频域和/或时域的感应电阻率测井工具的校准和测井前后检验的方法和装置，用来减少引入到获得的测井数据中的误差。
背景技术：
电磁感应电阻率测井设备在其领域中是公知的。电磁感应电阻率测井设备被用来确定由钻孔穿透的地层的电导率和与之相反的电阻率。基于设备在邻接钻孔的地层中感应的涡流的磁场的测量结果来确定地层的传导率。除其它原因外，电导率被用来推断地层的流体内容。通常，较低的传导率(较高的电阻率)与含碳氢化合物的地层有关。电磁感应测井的物理原理在例如1962年12月探测地球物理学家协会的地球物理学第27卷，第6期，第1部分，第829-858页的J.H.Moran和K.S.Kunz的Basic Theory of Induction Loging and Applicationto Study of Two-Coil Sondes中有很好的描述。对在上述Moran和Kunz参考书目中描述的许多电磁感应电阻率设备的改进和修改被设计出来，其中一些在例如授予Barber的美国专利第4,837,517、授予Chandler等人的美国专利第5,157,605和授予Fanini等人的美国专利第5,600,246中有描述。
传统的地球物理感应电阻率测井工具是适合放下到钻孔中的探针，并且它包括传感器部分，所述传感器部分包括发送器和接收器以及其它主要用来测量数据以推断表现地层特性的物理参数的电气设备。所述传感器部分或心轴包括沿仪器轴安置、根据特定仪器或工具规范按顺序排列并与钻孔轴平行放置的感应发送器和接收器。所述电气设备生成将被进一步施加到发送器感应线圈的电压，调节来自接收器感应线圈的信号，处理获得的信息，存储或借助于遥测通过用来将工具放入钻孔的线缆将数据发送到地表。
有几个硬件容限和软件限制影响传统的横向感应测井工具的性能并且导致获得的数据中出现差错。
一般的硬件问题通常与工具感应发送器所辐射的不可避免的电场有关，同时与必要的磁场有关，并且它的发生符合用于时变场的麦克斯韦方程式。发送器电场与感应测井工具的剩余模块并且与地层相互作用；然而，该相互作用不会产生任何有用的信息。当然，由于始终存在该场通过寄生位移电流直接耦合到传感器部分的接收器部件中的可能性，它引入了噪声。当该耦合发生时，电场会在接收器信号调节的输入产生不需要的电位，主要在感应线圈接收器两端，并且该电压成为到感兴趣的信号的附加噪声分量，将系统误差引入测量结果。幸运的是，被证实的技术允许抑制在上述美国专利第6,586,939 B1中讨论的不良影响。
感应测量的进一步改进与长时间工具可靠性相关，并且尤其与发送器-接收器磁矩的整体稳定性相关，并且当操作于较宽范围的井孔温度时计算可能的增益和相位改变。
因此，本领域技术人员可以理解，在快速改变的环境条件下操作井底仪器导致工具几何形状的改变，包括感应线圈的延长和甚至它们沿仪器心轴的微小错位。存在这些影响是由于建造工具心轴的材料的不同和有限温度膨胀系数、工具制造过程中的一些缺陷等等。通常，钻井仪器的设计瞄准硬件解决方案，其中这些改变是单调的，最好与温度呈线性并且没有滞后现象，即是完全可逆的。显然，如果当处理获取的数据时不考虑这些改变，它将导致最终地层电阻率值计算中的重大误差。
为能够正确处理获得的数据，在制造过程中，井底工具应当经过综合的温度、压力和振动测试。这些测试的结果通常形成校正表，该校正表对于每个仪器是唯一的，被存储在工具的板上固件中或表面处理单元中。
然而，具有这些表格并不总是足够的，因为总是几乎不可能预测在运输和操作过程中工具所处的每一种情况。快速检验现场仪器参数、运行快速测井前后检验以及能够在测量中甚至当测井时检查它们的能力将进一步增强测量精度。
因此，需要进行这些性能检验或校准的方法和装置，以便可以在获得的数据中处理并说明它们。
发明内容
本发明的目标是提高在频域和/或时域中操作的井眼感应测井工具的性能。本发明改进了在存在测井工具的发送器所生成的初级磁场的情况下的地层感应响应的测量。在本发明的示范实施例中，提供了一种具有新的电气和机械设计特征组合的结构，其提供了在测井操作之前、之中和之后，用于天线性能和特性的内部校准和检查的测井工具。在本发明的一个方面中，所提供的测井工具包括用于将检验信号耦合到接收线圈的检验绕组。
图1示意性地示出了延伸到层积地层中的井眼，根据本发明使用的感应测井工具被放入到井眼中；图2是优选的传感器稳定性检验回路的图示；图3是校准模式的例子；图4是测井模式的例子；图5是本发明的模型化；图6是本发明的例子中提供的有源负载的例子；以及图7示出了具有补偿线圈的开环发送器线圈配置。
具体实施例方式
本感应测井工具在钻孔时的监测、钻孔时的测井和有线应用中非常有用。本例包括初级磁场发送器、由被调查的地层中的涡流感应的磁场的接收器、用来管理感应测井工具的电子操作以及用来收集和处理数据的数据采集和控制系统。发送器包括振荡器、由振荡器驱动的放大器和发送天线。接收器电子器件包括串联的感应天线和输入放大器。这种井底工具应用采用感应线圈用于接收器和发送器天线两者。
本发明提供的仪器结构能够提高感应井眼测井工具的稳定性和精确性以及它的操作能力，其又导致在测井过程中获得更高质量和效用的井眼数据。本发明的特征适用于改进多数已知感应工具的结构，例如由得克萨斯州休斯敦的Baker Atlas设计和开发的那些感应工具。这些感应工具包括Baker Atlas感应工具型号1507、1515和1520。
现在将通过例子参考附图来更加详细地描述本发明。图1示意性地示出了延伸到层积的地层中的井眼1，使用根据本发明的感应测井工具被放入到井眼中。图1中的井眼延伸到地层中，所述地层包括含碳氢化合物砂层3，其位于上页岩层5和比含碳氢化合物砂层3具有更高传导率的层之间。用在本发明的实践中的感应测井工具9经由延伸穿过位于地表15的防喷器13(示意性地示出)的钢丝绳11，被放入到井眼1中。地面设备22包括用来为线圈组18供电的电源和用来接收和处理来自接收器线圈19的电信号的信号处理器。可替换地，电源和/或发送器信号驱动器和接收器处理器位于测井工具中。
井眼1和测井工具9相对于层3、5、7的相对方位由两个角来确定，其中一个角θ30如图1所示。对于这些角的确定，可参阅例如Gupta等人的美国专利第5,999,883号。测井工具9被提供一组发送器线圈18和一组接收器线圈19，每一组线圈18、19通过沿钢丝绳11延伸的适当导线(未示出)与地面设备22相连。
每一组线圈18、19包括三个线圈(未示出)，其被安排使得所述线圈组具有处于相互正交方向上，即x、y和z方向上的三个磁偶极矩。三线圈发送器线圈组发送Tx、Ty和Tz。接收器线圈接收Rx、Ry和Rz加上交叉分量Rxy、Rxz和Rzy。因此，发送器线圈组18具有磁偶极矩26a、26b、26c，并且接收器线圈组19具有磁偶极矩28a、28b、28c。
发送器线圈组18与接收器线圈组19具有或不具有电绝缘是特定工具设计的选择。在优选实施例中，发送器线圈组18与接收器线圈组19电绝缘。在可替换实施例中，发送器线圈组18中的每一个线圈相互电绝缘，并且接收器线圈组19中的每一个线圈相互电绝缘。具有磁偶极矩26a和28a的线圈是横向线圈，即，它们被定位使得磁偶极矩被定位成与井眼轴垂直，由此，磁偶极矩28a的方向与磁偶极矩26a的方向成90度。此外，线圈组18和19被置于基本上沿测井工具9的纵轴。
现在转向图2，示出了示范传感器稳定性检验回路的图示。如图2所示，功率放大器100接收检验音参考信号113作为发送器线圈组18的输入(线圈组18包括x、y和z轴线圈，具有如图1所示的磁偶极矩26a、26b和26c。)当开关104在第一位置并与节点107连接时，参考回路103检测来自发送器线圈组的发送场并将接收的信号发送到具有高输入阻抗的发送器参考通道109，因此没有电流流经回路103。为了在感应工具的操作频率范围内提供足够高的阻抗，参考通道109中的输入级可以基于CMOS技术来构建。
因此，在开关104的第一位置，回路103作为将信号通过参考通道109发送到处理器111并且随后通过遥测112发送到地面的感应接收器。在测井时，参考信号被记录以追踪发送器电流的改变，使得能够随后去除在测井时发送器电流的改变对接收信号的影响。
在第三位置，开关104与节点105连接，其中，回路103的信号施加到具有可变相移阻抗的元件114。将该元件114与回路103并联允许出现由发送器磁场在回路103中感应的电压驱动的电流。反过来，在回路103中感应的所述电流的磁场耦合到接收器线圈组19中，因此在接收器中产生控制信号(线圈组19包括x、y和z轴线圈，具有如图1所示的磁偶极矩28a、28b和28c。)元件114可以被选择用来将期望的相角移动引入接收器电压中以便测量控制信号的正交和实分量，其中，相位基准相对于发送器磁场。在第二位置，开关104被连接而没有损耗元件，因此没有损耗，使得可以比较有损耗和非损耗信号。在该位置，所述结构使得能够收集正交传感器稳定性检验数据，仅用来与测井数据的正交分量进行比较。正交数据很重要，因为它较少受钻孔效应的影响。因此，正交检验信号可以被用来去除正交信号中的误差和影响，使得在测井期间获得的同相和异相数据更加精确。
优选的是，参考回路103最好与各发送器线圈良好磁耦合以提供更大的感应信号。同时，发送器线圈LT18的漏电感最好远大于回路103-LL的漏电感。这些配置导致这两个线圈之间的互感M与LT本身相比可以被忽略。因此，在示范实施例中，横向线圈的漏电感LT≈200μH，而参考回路103的电感LL≈0.5μH并且M≈6μH。通过这些参数，在参考回路103中感应的电压将√(LT/M)倍低于施加到发送器线圈上的电压。
加载基准同样会改变加到发送器驱动电子器件上的有效阻抗，反过来改变发送器线圈电流。然而，通过上述电参数，即使施加最大负载(开关104在第二位置)，整体发送器阻抗的改变不会超过3％。此外，因为发送器电流的这些变化在整个工具设计阶段中已经被彻底校验过，可以在操作中精确地说明它们。
图2的电路的开关104与节点107相连被用来测量发送器的磁场，以便在“校准”模式下校准接收器输入信号条件电路并控制测井期间的主场。在图2的电路中，通过获得与感应发送器紧密磁耦合的低阻抗回路103的两端所感应的电压或“参考信号”来测量发送器场。为避免任何电流在参考电路中流动并扭曲整个磁场分布，获得电压而不加载回路。通过遵循该条件，感应的电压包含有关发送器场形状的信息并被连续记录。
现在转向图3，来自参考回路320的信号被输入到参考通道300和衰减器306。参考通道输出信号到模拟数字转换器310。衰减器306输出信号到接收器通道，该接收器通道包括输出信号到平衡线路驱动器302的放大和滤波器304。平衡线路驱动器302输出信号到模拟数字转换器310。因此，在如图3所示的“cal”模式下，接收器线圈与各自的预放大器的输入断开，而测量参考电压，允许计算输入条件电路的振幅相位响应。该操作在测井开始之前执行，并且可以由现场工程师根据井的条件和温度而重复。
现在转向图4，来自参考回路320的信号被输入到参考通道300。参考通道输出信号到模拟数字转换器310。来自接收器线圈340的信号被输出到接收器通道，该接收器通道包括输出信号到平衡线路驱动器302的放大和滤波器304。平衡线路驱动器302输出信号到模拟数字转换器310。如图4所示，当接收器线圈和它们的相关放大器之间的连接被恢复时，连续记录参考电压还被用于在“Log”模式下标准化接收器信号。该标准化导致正确估计地层视电阻率并且帮助计算主场中的任何缺陷或改变。
以上参考信号的使用具有局限，因为它依赖于接收器线圈的稳定性，或至少这些线圈行为的知识。因此，在“Log”模式下，线圈与预放大器断开。在场中使用感应工具的经验证明，该假设在许多情况下是正确的；然而，有许多时候线圈性能变得不确定。本发明能够简化和快速实施修改的“cal”(校准)模式，而不需要重大硬件修改，并且使得现场工程师可以在将感应测井工具放入井之前检验线圈性能电路，而不与信号条件电路断开。
现在转向图6，在示范实施例中，图6的参考回路电路或附加参考回路被置于心轴上并与发送器18紧密磁耦合。在校准“cal”模式期间，当开关104在位置3时，参考回路103被连接到预定的负载115。在本例中，参考回路连接到有源负载。预定的负载在“回路-负载”网络19中产生感应电流。感应的电流生成与发送器完全相关的次级磁场和偏移工具读数。图5示出了0.01欧姆有源回路负载510、0.5欧姆有源回路负载512、1欧姆有源回路负载514和2欧姆有源回路负载516的校准模式的模型化例子。在制造阶段、测井前校准和检验期间取得的这些读数的一致性是整个工具的接收器模块的稳定性的指示。
两个附加功能被提供以便降低在井内使用本发明以及在导电地层和/或导电泥浆中执行测井的那些情况下的不良影响。当在这些测井条件下，从周围环境感应到接收器线圈中的信号可以很大。首先提供了具有很多匝的附加参考回路116，以便使能大感应电流下的操作。
现在转向图7，具有部分30和部分32的开环发送器线圈具有置于这两部分之间并与沿心轴的主发送器线圈分开的补偿线圈33。开关34闭合时，关闭任何由补偿线圈33生成的任何场。关闭由发送器补偿线圈辐射的磁场使得上面解释的“修改的”校准模式处于导电泥浆的不利条件下。在这些情况的每一个中，为具有可靠的工具设计，单独的工具发送器应当在接收器线圈的区域中生成磁通量，通常比预期来自地层的最大响应大一个数量级。因此，使用具有大匝数的正确加载线圈或断开补偿发送器便于接收器线圈中的相对大信号并因此将其用于校验。
前面的例子不打算限制由下面对权利要求定义的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于感测井底感应测井工具中的天线性能的装置，包括感应测井工具中的发送器和接收器；与接收器磁耦合的磁场生成机构；以及处理来自接收器的信号以便感测感应测井工具中的天线性能的处理器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磁场生成机构还包括与发送器磁耦合的参考回路，其中，在所述参考回路内，电流产生磁场。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磁场大于来自地层的预期最大响应。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磁场比来自地层的预期最大响应大一个数量级。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述参考回路还包括负载。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述负载还包括相移负载。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磁场生成机构还包括与发送器磁通信的补偿线圈和用来关闭补偿线圈所发送的磁场的开关。
8.一种用于感测井底感应测井工具中的天线性能的装置，包括感应测井工具中的发送器和接收器；与发送器磁耦合的参考回路，其中，在参考回路内，电流产生磁场；用来选择参考回路的负载的第一开关；与发送器磁通信的补偿线圈；用来关闭补偿线圈所发送的磁场的第二开关；以及处理来自接收器的信号以便感测感应测井工具中的天线性能的处理器。
9.一种用于感测感应测井工具中的天线性能的系统，包括用来部署感应测井工具的表面控制器；感应测井工具中的发送器和接收器；与接收器磁耦合的磁场生成机构；以及处理来自接收器的信号以便感测感应测井工具中的天线性能的处理器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述磁场生成机构包括由可切换补偿线圈和参考回路组成的组中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述处理器被配置用来接通由所述可切换补偿线圈和参考回路组成的组中的至少一个。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器被配置用来切换负载到所述参考回路上。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述负载还包括复杂相移负载。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述发送器还包括与发送器磁通信的补偿发送器线圈。
15.根据权利要求13所述的系统，还包括用来关闭发送器补偿线圈所发送的磁场的开关。
16.一种用于感测感应测井工具中的天线性能的方法，包括在钻孔中部署感应测井工具；在参考回路中耦合发送器电场；在参考回路中生成与发送器场相关的次级磁场；感测接收器中的次级磁场；以及处理响应于次级磁场来自接收器的信号，以便感测天线性能。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括通过有源负载来加载参考回路。
18.根据权利要求16所述的测井工具，其中，在回路负载网络中产生感应电流。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括在参考回路中感应具有比来自地层的预期最大响应大一个数量级的磁场。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，生成次级磁场还包括关闭由发送机补偿线圈发送的磁场。
全文摘要
本发明改进了在存在由测井工具的发送器生成的初级磁场的情况下地层感应响应的测量。在本发明的示范实施例中，提供了一种具有新的电气和机械设计特征组合的结构，其提供了在测井操作之前、之中和之后用于天线性能和特性的内部校准和检查的测井工具。在本发明的一个方面中，提供了一种测井工具，包括用来将检验信号耦合到接收器线圈的检验绕组。
文档编号G01V3/28GK1989424SQ200580024235
公开日2007年6月27日 申请日期2005年6月15日 优先权日2004年6月15日
发明者奥托·N·法尼尼, 斯坦尼斯拉夫·W·福根尼, 迈克尔·S·克罗斯诺 申请人:贝克休斯公司