一种电磁探针的制作方法

专利名称：一种电磁探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量在钻孔周围有限区域内的地下地层(subsurface formation )的电》兹特性的电》兹4笨针。本发明的另一方面涉及一种测井(logging)工具，其包括这种用于执行 地下地层的钻孔的测井的探针。本发明的又一方面涉及一种用于测量在钻孔周围有限区域内的地下地 层的电^f兹特性的方法。根据本发明的探针、测井工具和方法的具体应用涉及油田服务业。
背景技术：
测量地层介电常数的测井设备是公知的，例如US 3,849,72]和US 3,944,910所公开的设备。所述测井设备包括安装在被施力而靠着钻孔壁的村 垫(pad)上的一个发射器和多个隔开的接收器。电磁波被发射进地层，并 且经过地层传播的波被接收天线接收。从接收器输出信号确定该在地层中传 播的波的相移和衰减。然后从所述相移和衰减的测量结果能够获得地层的介 电常数和电导率。通常在一个钻孔补偿阵列中用两台发射器，以将钻孔褶皱 (rugosity )、工具倾斜和在发射器、接收器及其电子电路的相异性带来的影 响降到最小。发明内容本发明的目标是提出一种用于测量在钻孔周围有限区域的地下地层的 电磁特性的电磁探针和/或方法，其具有比现有技术的设备和/或方法更好的精度。根据本发明，提出了一种用于根据不同的波极化、在地层内的不同勘测 深度(径向深度)和在不同的频率上执行地层介电特性的电磁测量的电磁探 针。所述电,對果针目标是测量钻孔周围的地质层的电容率和电导率。所述测
量基于两根发射天线之间的电磁波的相位移动和幅度衰減而有所区别，其中 所述发射天线至少朝向两根环绕发射天线的接收天线。在电子装置的控制 下，激发发射天线，并测量接收天线处的接收信号。在两根发射天线之间测 量的衰减和相移给出了视在波矢量为k,其与地层的电容率和电导率直接相关。但是，这种测量受最终的钻井壁上的泥饼(mudcake)和进入地层的液 体混合物(钻井液)的存在的影响。通过执行附加测量解决这种不确定性， 其中每个测量附加的相移和附加的衰减。通过不同的极化执行第 一组附加测量，其中 一个根据侧射(broadside ) 模式， 一个根据端射(endfire)模式。通过不同的勘测深度执行第二组附加 测量。执行第三组附加测量以便确定泥饼和液体混合物的电容率。这些附加 测量提供了一组相干且补偿的数据，其能够确定泥饼厚度，以及液体混合物、 泥饼和地层在不同径向深度和不同频率时的电容率和电导率。更准确地，本发明的第 一方面涉及一种用于测量在钻井孔周围有限区域 内的地下地层的电磁特性的电磁探针，其中钻井孔充满钻井液。所述探针包 括衬垫，其具有限定第一区域的第一表面，该区域被布置为位于与钻井壁相 接触的位置。所述探针进一步包括至少两根发射天线，定义它们之间的中心点；至少第 一组和第二组接收天线，每一组包括第 一接收天线和第二接收天 线，所述第一接收天线位于发射天线的一侧，第二接收天线位于发射天线的 另一侧，使得每一组环绕发射天线；第一组接收天线与中心点起相隔第一距离，第二组接收天线与中心点相 隔第二距离，所述第二距离大于第一距离；所述发射和接收天线位于第一表面上的一条线上；电子装置，包括至少一个发射模块和至少一个接收模块，所述发射模块 被配置为至少根据第一和第二频率通过施加激发信号激发发射天线，所述接 收模块耦合到至少一根接收天线，并被布置为确定由每根接收天线提供的每 个接收信号相对于激发信号的衰减和相移。所述探针的发射天线明显相同，每根天线包括嵌入在腔内的两个垂直的 偶极子，并被配置为根据侧射模式和端射模式发射电磁能量。所述探针的接收天线明显相同，每根天线包括嵌入在腔内的两个垂直的 偶极子，并被配置为根据侧射模式和端射模式接收能量。
根据本发明的另一方面，所述探针还包括第一终端开路(open ended) 同轴线，其被布置在第一侧，并且被置放为明显垂直于发射天线和接收天线 间的第一区域。根据本发明的又一方面，所述衬垫还包括被布置为与钻井液体接触的第 二表面，并且所述探针进一步包括被布置在第二表面的第二终端开路同轴线。根据本发明的又一方面，所述电子装置包括第 一终端开路同轴线控制电路，所述电路包括发射模块，用于发送高频输入信号到第一终端开路同轴线；以及 接收模块，用于基于在第 一终端开路同轴线的孔径反射的高频输出信号确定第 一反射系数，以及基于在发射天线的激发之后由第 一终端开路同轴线接收的高频输出信号确定传播系数。所述电子装置还可以包括第二终端开路同轴线控制电路，所述电路包括发射模块，用于发送高频输入信号到第二终端开路同轴线；以及 接收模块，用于基于在第二终端开路同轴线的孔径反射的高频输出信号确定第二反射系数。有利地，本发明的电磁探针的电子装置具有零差(homodyne)结构，包括可变高频电源，向以下装置提供高频信号至少 一个被布置为激发发射天线的发射模块；至少一个耦接到至少一根接收天线的接收模块；以及第 一和第二终端开路同轴线控制电路的发射模块和接收模块。本发明的另一方面涉及一种被布置为分散于钻井孔中的测井工具，其中 所述测井工具包括根据本发明的电磁探针和用于将与钻井壁接触的探针定 位在确定的深度的定位装置。本发明的另 一 方面涉及 一 种用于测量在钻井孔周围有限区域内的地下 地层的电^f兹特性的方法，所述钻井孔充满钻井液。所述方法包括步骤a) 将根据本发明的探针定位于第 一深度，b) 根据侧射模式和根据第一频率通过用激发信号激励第一发射天线 而将中心点周围的激发电^t能量发射进所述有限区域；c) 至少在离中心点的第一距离和第二距离处，根据侧射模式测量接收天线处的侧射/侧射接收信号，同时根据端射模式测量接收天线处的侧射/端射接收信号；d) 根据侧射模式和根据第 一频率通过用激发信号激励第二发射天线 而重复发射步骤b)和测量步骤c);e) 根据端射模式和根据第一频率通过用激发信号激励发射天线而将 中心点周围的激发电^t能量发射进所述有限区域；f) 至少在离中心点的第一距离和第二距离处，根据侧射模式测量接 收天线处的端射/端射接收信号，同时根据端射模式测量接收天线处的端射/ 侧射接收信号；g) 根据端射模式和根据第一频率通过用激发信号激励第二发射天线 而重复发射步骤e)和测量步骤f),h) 至少以第二频率重复步骤b)到g)。可选地，可以同时执行发射步骤b)、 d)、 e)和g),由第一发射天线发 射的激发电磁能量记作第 一低频，由第二发射天线发射的激发电磁能量记作 第二低频。可选地，可以同时执行发射步骤b)到h)，所述激发信号包括多个频率， 至少包括第一和第二频率。根据本发明的另一方面，所述方法还包括步骤确定由每根接收天线提供的每个接收信号相对于激发信号的衰减和相移；估算在钻井孔周围有限区域的地下地层的电磁特性，至少达到与第 一距 离相关的第 一径向勘测深度和与第二距离相关的第二径向勘测深度。 根据本发明的另一方面，所述方法还包括步骤在发射天线的激发后，测量由第 一终端开路同轴线接收的高频输出信确定高频输出信号相对于激发信号的衰减；以及基于所述衰减和相移通过确定传输系数来估算在钻井壁上泥饼的厚度。根据本发明的另一方面，所述方法还包括步骤在第 一终端开路同轴线的激发后，测量由接收天线接收的高频输出信确定高频输出信号相对于激发信号的衰减和相移；以及 基于所述衰减通过确定传播系数估算在钻井壁上泥饼的厚度。 根据本发明的另一方面，所述方法还包括步骤将高频输入信号发送到与钻井壁接触的第 一终端开路同轴线； 测量经由第 一终端开路同轴线由泥饼反射的高频输出信号； 基于高频输出信号通过确定泥饼反射系数来估算在钻井壁上的泥饼的 电磁特性。根据本发明的另一方面，所述方法还包括步骤将高频输入信号发送到与钻井液接触的第二终端开路同轴线；测量由第二终端开路同轴线反射的高频输出信号；基于高频输出信号通过确定钻井液的反射系数来估算钻井液的电磁特性。根据本发明的另一方面，所述方法还包括步骤将由第一终端开路同轴 线与第二终端开路同轴线提供的信号作比较，以估算施用于钻井壁上的衬垫的质量。根据本发明的另一方面，所述方法还包括步骤基于估算的泥饼的电磁 特性和厚度校正计算的在钻井孔周围有限区域内的地下地层的电磁特性。该 校正产生无泥饼效应的地质层的径向剖面电磁特性。本发明的电磁探针能够具有比现有技术中所述的电磁传播工具更高的测量精度。利用本发明的方法，能够估算在远离钻井壁的径向剖面和/或在不同的频 率时的电^t特性。根据本发明的电;兹探针能够减少在岩石数据解释期间的不准确性。该电 磁探针测量是基于与地质层的基质孔(matrix pore)内的水分子相互作用的 高频电磁波。这些测量产生了关于占据基质孔的液体、关于基质本身、与基 质相互作用的液体和关于地层的地质结构的信息。


附图以示例方式示出了本发明，但本发明不限于此，其中相似的参考符 号表示相似的元素图l.A示意性地示出了典型的在海岸上的烃(hydrocarbon)井现场； 图l.B示意性地示出了地质层中的钻孔的俯视图2.A、 2.B、 2.C分别示意性地示出了根据本发明的用于测量地下地层 的电磁特性的探针的剖面图、钻孔壁接触面的侧视图和钻孔液接触面的侧视 图；图3.A示意性地更详细示出了根据本发明的探针的正交偶极天线的剖面图；图3.B和3.C分别示意性地示出了在端射模式和侧射模式下的图3.A的 正交偶极天线；图4和5分別示意性地示出了根据本发明的探针的电子装置的发射电路 和接收电路；图6示意性地示出了根据本发明的探针的电子装置的终端开路同轴线 控制电路；图7.A和7.B分别示出了根据端射模式和侧射模式由接收天线测量的径 向深度灵敏度响应的典型包络；和图8.A和8.B分别示出了相对于频率的典型电容率曲线和电导率色散曲线。
具体实施方式
图1A示意性地示出了在完成了钻井工作后典型的在烃地质层GF上的 海岸烃井现场和地面设备SE。在该阶段，也就是，在执行套管柱(casing string)之前和在执行粘结工作之前，钻井是充满液体混合物DM的钻孔 WBH。液体混合物DM典型地是钻孔液和钻孔泥浆的混合物。在该示例中， 地面设备SE包括用于将测井工具TL分散于钻井WB中的石油钻塔OR和 地面单元SU。该地面单元可以是由线LN连接到测井工具的车辆。进一步， 该地面单元包括适当的设备，用于确定测井工具相对于水平地面的深度位 置。测井工具TL可以包括中心化子(centralizer)。所述中心化子包括能够 被径向散开以接触钻井壁WBW的多个机械臂。所述机械臂确保钻井工具的 正确位置为沿着钻井孔的中心轴线。钻井工具TL包括各种传感器并提供涉 及烃地质层GF和/或液体混合物DM的各种测量数据。这些测量数据被钻井 工具TL收集并向地面单元SU发送。地面单元SU包括适当的电子和软件装 置，用于处理、分析和存储由钻井工具TL提供的测量数据。钻井工具TL包括探针1，用于根据本发明测量地下地层的电磁特性。
一旦钻井工具被置于期望的深度，则探针l能够由诸如臂的适当的散开装置从钻井工具TL向钻孔壁WBW散开。图l.B是地质层GF中的钻孔的俯视图。钻孔WBH充满液体混合物DM， 一般上是钻井液和钻井泥浆。钻孔壁筛出悬浮进入液体混合物的泥浆颗粒。 这样，泥浆薄层，也就是所谓的泥饼MC—般形成于钻孔壁WBW之上。形 成第 一同心体(volume )的冲洗或侵入带IZ环绕着钻孔WBH。液体混合物 DM—般经过泥饼MC过滤并渗入地层中，形成侵入带IZ。侵入带的径向深 度变化范围为从几英寸到几英尺。真正或原始带VZ环绕着侵入带IZ。其只 充满自然地质层液体。进一步的过渡带可以存在于侵入带IZ和原始带VZ 之间。因此，由测井工具TL执行的测量受进入到地质层GF的液体混合物DM 的存在、侵入带IZ的尺寸和泥饼MC的存在和尺寸的影响。图2.A、 2.B、 2.C分别示出了根据剖面、钻孔壁接触面和钻孔液接触面 视图的电磁探针。所述电》兹探针1包括衬垫2。该衬垫是导电金属外壳，例如由类似于不 锈钢的金属材料制成。衬垫2具有定义第一区域的第一表面，其中该第一区 域被布置成位于与钻孔壁WBW接触的位置。衬垫的其它面被布置为与存在 于钻孔WBH中的液体混合物DM接触。衬垫2通过臂AR (部分示出)连接到测井工具TL。臂AR使电磁探针 1 (更具体地是衬垫2)能够从测井工具TL散开到钻孔WBH。特别地，当 衬垫2的第二表面与钻孔液DM接触时，衬垫2的第一表面被散开到钻孔臂 WBW。在此示例中，钻孔壁WBW存在于由泥饼MC覆盖的地层GF。电磁探针1包括电子装置3、两根发射天线4A和4B、以及八根接收天 线5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G和5H。发射天线4A和4B和4妻收天线 5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G和5H沿着第一表面上的线AA'位于衬垫上， 其中该第 一表面被布置为位于与钻孔壁WBW接触的区域。两根发射天线4A和4B定义在它们之间的中心点CP。每根天线与中心 点CP相隔距离do。距离do明显定义了电磁探针的垂直分辨率，例如1英寸。 发射天线4A和4B连接到电子装置3。八根接收天线5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G和5H分成四组，每组包括两根接收天线。每组的每根接收天线置于 发射天线的每一边。这样，每组接收天线环绕所述发射天线。 第一组接收天线包括第一接收天线5A和第二接收天线5B。第一组接收 天线与中心点CP相隔第一距离山。第二组接收天线包括第三接收天线5C和第四接收天线5D。第二组接收 天线与中心点CP相隔第二距离d2。第二距离d2大于第一距离d,。第三组接收天线包括第五接收天线5E和第六接收天线5F。第三组接收 天线与中心点CP相隔第三距离d3。第三距离d3大于第二距离d2。第四组接收天线包括第七接收天线5G和第八接收天线5H。第四组接 收天线与中心点CP相隔第四距离d4。第四距离d4大于第三距离d3。接收天线5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G和5H连接到电子装置3。由每根接收天线提供的测量与在地质层GF中的不同的径向深度相对 应。与中心点CP相隔第一距离d!的第一组接收天线能够勘测第一径向深度 RD,处的地质层。与中心点CP相隔第二距离d2的第二组接收天线能够勘测 第二径向深度RD2处的地质层。与中心点CP相隔第三距离d3的第三组接收 天线能够勘测第三径向深度RD3处的地质层。与中心点CP相隔第四距离d4 的第四组接收天线能够勘测第四径向深度RD4处的地质层。在发射天线和大部分隔开的接收天线组之间的最大距离由消散效应所 限制。该距离典型值是几英寸。另外，电磁探针1包括第一终端开路同轴线6A和第二终端开路同轴线 6B 。每根终端开路同轴线包括由金属材料制成的内导体和由绝缘材料制成的 导体外壳。每根终端开路同轴线被保护在金属衬垫的一个孔内。第一终端开路同轴线6A被布置在第一侧，并被置放为明显垂直于发射 天线和接收天线之间的第一区域，例如在发射天线4A和接收天线5B之间 (也有可能在发射天线和任何接收天线之间的其它位置)。第一终端开路同 轴线6A连接到电子装置3的第一终端开路同轴线控制电路。第二终端开路同轴线6B被布置在衬垫的第二面，与钻井液DM接触。 衬垫内的第二终端开路同轴线6B的位置不重要，倘若其与钻井液接触的话。 除了与钻井液接触的表面外，任何衬垫表面都是合适的。第二终端开路同轴 线6B连接到电子装置3的第二终端开路同轴线控制电路。此外，电磁探针1包括钻井液(如，泥浆)温度传感器7，例如热敏电 阻。温度传感器7连接到电子装置3。此外，电磁探针1可以包括加速度计，如三个轴向加速度计(未示出)。
所述加速度计被嵌入衬垫中以便将电^兹探针定位于钻井工具内的定位工具。一根或多根同轴电缆(未示出)可以经过臂AR运行，以将电子装置3 和工具TL连接起来。工具TL包含大量井下(down-hole )电子装置并提供 能量和控制命令，以及从电磁探针1收集测量结果。可选择地，电子装置3可以包括信号发生、捕获、处理和数据通信模块 (未示出)，以直接地向地面设备发送测量结果和从该地面设备接收控制命 令。图3.A到3.C显示了发射天线4A或任一接收天线。发射天线4A是能 够被激励以产生具有磁偶极子特性的电磁波的正交偶极天线。有利地，发射 天线是纯磁性点偶极子。在图3的示例中，天线4A包括在诸如不锈钢的金 属体41中的正方形孔或腔42。金属体41插入到衬垫2的合适的孔中。金属 天线元件44、 46从不同的相对侧穿过该腔。它们被定位于腔中使得在它们 穿过的地方互不接触。腔42充满任意非导体材料。腔41可以被窗口43密 封，优选地为不干扰高频波传播的材料。金属天线元件的第一端由导线45 耦接到电子装置的相关发射模块上。金属天线的第二端连接到金属体41。导 线45绝缘地通过金属体41。这样的天线是有利的，因为由于两才^f兹偶极子之间的低串扰，其适合于 高精度地正确测量两个正交的式。类似地构造另 一根发射天线4B。发射天线工作如下。正交偶极天线能够被用于产生具有受控磁偶极方向 的电磁波。当向天线元件施加电流时，在腔内激发出特定的振荡模式。优选 地，主模是横电模TE1Q (渐消模)。这样，发射天线在宽频率范围(如，从 10MHz到2GHz)和在每种井下介质中明显是磁点偶极子。图3.B和3.C分 别示意性地示出了平行于钻井工具的纵轴AA'的水平天线44和垂直于纵轴 AA'的垂直天线元件46。图3.B示出了以端射模式工作的天线，即激励水平 天线元件44 (示出了剖面)导致垂直磁矩(如垂直箭头EFM所示)。图3.C 示出了以侧射模式工作的天线，即激励垂直天线元件46 (示出了剖面)导致 水平磁矩(如垂直箭头BSM所示)。接收天线5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G和5H的结构可以与图3.A 到图3.C所示的发射天线4A和4B的结构相似。它们被耦接到电子装置的 接收模块。接收天线由与接收天线磁偶极子平行的发射的电磁波分量所激 发。当由垂直磁偶极子激发时水平元件提供端射信号，而当由水平磁偶极子 激发时垂直元件提供侧射信号。由水平磁偶极子激发的端射信号或由垂直磁偶极子激发的侧射信号是 地质层的象断层和层理的各向异性或非均匀性的表征。图4和5示意性地示出了电子装置3的各部分。电子装置3包括发射器 模块3'和接收器模块3〃。有利地，电子装置3具有零差电子结构，即，发射 器模块3'和接收器模块3〃均耦接到公共高频源LOS。该零差电子结构与电子 装置和发射与接收天线的邻近相结合，通过消除系统误差和噪声源能够实现 在地质层中的相移和幅度衰减的可靠测量。高频源LOS可以是绝缘谐振振荡器或同轴谐振振荡器。高频源LOS的 频率是可变的，并且可以通过合适的控制电路来控制，两种设备均为本领域 公知的，因此不做进一步描述。这些图中略去了常用的并公知的激励和控制电路。发射模块3'被布置为通过施加激发信号ES激发发射天线4A或4B。接收模块3"被布置为确定由接收天线5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G 或5H提供的接收信号RS相对于激发信号ES的衰减和相移。图4示意性地示出了发射模块3'。 发射模块3'包括第一低频源LF1、 第一调制器MOl、 90°相移器PS90、第二低频源LF2、第二调制器M02、 分路器SP、第一放大器A1和开关SW。高频源LOS耦接到第一调制器MOl并经由90°相移器PS90耦接到第 二调制器M02。其向这些元件提供高频coo,的微波信号。该高频可以从 10MHz左右变化到2GHZ。第一低频源LF1耦接到第一调制器MOl。第二 低频源LF2耦接到第二调制器M02。调制器MOl提供调制有低频信号Q,(几kHz-例如15kHz)的同相信号ns。与90°相移器PS90耦接的第二调制器M02提供正交信号QIS，其是 调制有另一个低频信号。2 (几kHz-例如10kHz)的90°相移的信号。可以选择低频信号Q,和Q2使得消除由于任何直流偏置和频率源中及调 制器中的低频分量噪声引起的信号失真，以及与数字处理电子装置兼容。同相信号IIS和正交信号QIS输入到分路器SP并被功率放大器Al放大。 然后将合成激发信号ES通过开关SW施加于发射天线4A或4B的垂直天线 元件46或水平天线元件44二者之一。有利地，开关SW以顺序方式向每个 天线元件多路传输激发信号ES。使用带有开关的一个发射模块3'是有利的， 因为任何误差(如，由于相移器)对于所有发射都是共有的。开关SW可以 通过用于匹配阻抗的无源网络(未示出)耦接到发射天线4A或4B。可选择 地，也能够用四个不带任何开关的发射模块代替带有开关的发射模块，其中 每一个发射模块耦接到发射天线4A或4B的天线元件44或46上。图5示意性地示出了接收模块3〃。
接收模块3"包括第二放大器A2、 混频器MX以及数字化和处理模块IQM。高频源LOS用作接收模块3〃的参考，具体地用作混频器MX的参考。接收天线Rl耦接到诸如低噪声放大器的第二放大器A2。接收天线Rl 提供相对于激发信号ES衰减和相移了的接收信号RS。放大接收信号RS, 并向混频器MX提供合成放大激发信号。也接收高频源LOS的高频co。信号的混频器MX对接收信号RS进行解 调制。混频器MX向数字化和处理模块IQM提供低频信号 爿cos(p)sin(tV)-JsinO)cos(CV)。数字化和处理才莫块IQM处理该信号并执行同 步检测，以便提取低频^的同相分量和低频Q2的正交分量。数字化和处理 模块IQM提供接收信号的幅度A和相位p 。每根接收天线Rl的每个天线元件44和46耦接到接收器模块3〃。接收 天线Rl是指接收天线5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F、 5G和5H,其意味着， 在图2的示例的电磁探针中，电子装置3包括十六个接收模块3〃，其与下文 描述的一个接收模块相同。可选择地，能够用单个接收模块代替十六个接收模块3"。该单个接收模 块通过适于执行多路复用技术(如，时分复用技术)的适当的开关元件耦接 到所有接收天线上。有利地，在探针内不同的电子部件和天线间的路径是定义明确的，以使 相位延时是定义明确的且接收信号的相位能够无误差地与激发信号相比较。进一步，能够通过在生产期间合适的校准处理和在探针水平上合适的软 件校正而消除由可能影响测量的高频电子链引起的增益和相位偏移。有利地，高频源LOS能够提供包括多个频率的激发信号。这使得能够 根据多个频率同时激发发射天线。例如，方波信号能够被用于其谐波内容。 因而，所有期望的频率同时被发送到地质层及接收器电路，以同步解调制。
图6示意性地示出了根据本发明的探针的电子装置3的终端开路同轴线 控制电路3'〃。控制电路3'"包括发送模块T3〃'和接收模块R3'〃。 发送模块 T3〃'和接收模块R3〃'都耦接到公共高频源LOS。控制电路3'〃耦接到第一终 端开路同轴线6A。图中省略了常用的和已知的激励和控制电路。发送模块T3'〃包括第三低频源LF3、第三调制器M03和定向耦合器 DCO。接收模块R3〃'包括定向耦合器DCO、第三放大器A3、第二混频器 MX2、和第二数字化和处理模块IQM2。高频源LOS耦合到调制器M03以及第二混频器MX2。高频源LOS向 这些元件提供高频(OQ的微波信号。该高频可以从10MHz左右变化到2GHZ 左右。第三低频源LF3耦接到第三调制器M03。调制器M03提供以低频信号 。3 (几kHz-例如20kHz )同相和正交调制的输入信号IS 。向定向耦合器DCO 提供具有频率0:()+ 03的合成输入信号IS。该定向耦合器DCO向终端开路 同轴线6A提供输入信号IS。高频源LOS用作接收模块R3〃'的参考，具体地用作第二混频器MX2的 参考。定向耦合器DCO也耦接到第三放大器A3。定向耦合器DCO提供由终 端开路同轴线6A反射的输出信号OS。该输出信号OS被放大器A3放大。 向第二混频器MX2提供该具有频率(0。+ n3的合成放大输出信号。也接收 高频源LOS的高频co 。信号的混频器MX2对输出信号OS进行解调制。混频 器MX2向第二数字化和处理模块IQM2提供/cos(纽+ ^ )形式的低频信号。 数字化和处理模块IQM2处理该信号、提取测量的输出信号的幅度A'和相位 P'并确定复反射系数Sll。能够通过合适的校准处理而消除由可能影响测量的高频电子链引起的 增益和相位偏移。明显相同的控制电路耦合到第二终端开路同轴线6B,因而不对其做进 一步的描述。根据本发明的电磁探针工作如下文所述。电磁探针能够在水平和垂直方向上执行在钻井孔周围有限区域的径向 剖面(可达4英寸)的水饱和与导电性测量。在多个勘测深度和以多个频率 (如，范围为从10MHz到2GHz )进行这些测量。这些测量能够巩固
(consolidate )岩石角年释(petrophysical interpretation )。由于每根发射天线和接收天线具有两个极化方向(侧射和端射)，因此 电磁探针能够进行各向异性测量。电磁探针的终端开路同轴线能够进行附加测量。这些附加测量与泥饼特 性相关并与存在于钻孔和侵入带的液体混合物相关。发射器-接收器测量发射和接收天线用于测量发射进地质层并被地质层反射和/或折射的电 ^t波的衰减和相移。由于天线明显是纯;兹点偶极子，简单的逆变换能够重新 得到视在波矢量k。本领域技术人员公知波矢量k与地质层的电容率和电导 率直接相关(将不对此做进一步的描述)。衬垫中的发射天线和接收天线的结构能够实现钻孔补偿方案。使用该方 案以既消除捕获系统的误差又集中测量两发射天线间的空间响应。钻孔补偿 方案导致四个几何测量元件，其中每个与一对补偿发射器-接收器间隔对应。 此四个元件提供了四个测量结果，分别对应于不同的径向深度RD,、 RD2、 RD3、 RD4 (见图2.A)。电磁探针提供两种磁偶极极化端射极化EF和侧射极化BS。能够测量 对各种发射器-接收器偶极组合的所有可能的布置。混合的发射器-接收器偶 极组合EF-BS和BS-EF能够执行正交偶极子测量。共线(collinear)发射器 -接收器偶极组合EF-EF和BS-BS能够执行平行偶极子测量。平行偶极子和 正交偶极子测量提供不同类型的信息。图7.A示出了对于径向勘测深度RD1、 RD2、 RD3和RD4,根据端射模 式，发射天线/接收天线的径向测量灵敏度响应的典型包络。该图示出了 EF-EF径向响应，因为给定的测量元件集中于勘测的径向深度周围。图7.B示出了对于径向勘测深度RD1、 RD2、 RD3和RD4，才艮据侧射才莫 式，发射天线/接收天线的径向测量灵敏度响应的典型包络。该图示出了 BS-BS的勘测径向深度对浅的区域具有重大的贡献。该测量的勘测径向深度 比EF-EF测量的浅。均匀地层中的端射EF极化的天线的电场代表深度横平面。因此，EF-EF 测量只对横地层特性敏感，而BS-BS测量对横向和平行的地层特性敏感。利 用两种测量允许将地层的横向和平行特性分开来，因此测量地层的各向异性。当地层是各向异性或非均匀时，正交偶极子测量是非零的。这些测量用 于巩固各向异性测量以及表述地质层内存在地层下沉。正交偶极子的勘测深度是侧射BS型，集中于侧射BS极化的天线周围；因此BS-EF和EF-BS测量并不等价。终端开路同轴线测量第 一终端开路同轴线与泥饼或地层相接触。第二终端开路同轴线暴露于 钻孔液体混合物中。第一终端开路同轴线以两种方式工作作为独立的反射 天线，当与发射天线联合时作为传播的接收天线，最后当与最近的正交偶极 子接收器耦合时作为发射天线。第二终端开路同轴线仅作为独立的反射天线 而工作。在反射模式下，向进入地质层、泥饼或液体混合物的终端开路同轴线孔 径发送微波信号，并测量反射的信号衰减和相移。基于测量的衰减和相移确 定本领域普遍公知的复反射系数Sll。终端开路同轴线的勘测深度很浅。勘 测深度与同轴线横截面对应，例如对于2mm直径的同轴线其勘测深度约为 lmm。因此，复反射系数Sll仅与泥饼或液体混合物的介电特性相关。简单 的线性逆变换处理提供了泥饼和/或液体混合物的电容率和电导率。终端开路同轴线也可以用在传播模式。在这种情况下，终端开路同轴线 明显是垂直于衬垫的第一表面的纯电偶极子。由于腔-天线与磁偶极子相似， 因此能够通过简单的正向模式进行传输测量。在传输模式下由同轴线传递的 信号将与其孔径中的法向电场成正比。工作在反射模式的第一终端开路同轴线用于指示泥饼的最终存在和用 于确定泥饼电磁特性。它也能够传递衬塾接触质量/效率的指示。当与工作在 侧射模式的发射天线联合时，工作在传播模式的第一终端开路同轴线用于提 供与反射模式相比在增加的径向深度上的非零测量。该测量是完善了磁偶极 子径向响应的附加浅测量。第二终端开路同轴线用于表征钻孔液体混合物的电^f兹特性。测量概要因此，能够通过电磁探针进行与地质层相关的各组测量
通过明显对应于与衬垫平面相切的纯磁偶极子的腔天线的测量； 通过明显对应于与衬垫垂直的纯电偶极子的第一终端开路同轴线的测量，该同轴线工作于传播、反射和接收模式； 根据不同极化的测量； 根据不同径向深度的测量；以及 根据不同频率的测量。 当发射天线工作在侧射模式和端射模式时，通过第一终端开路同轴线和 八个平行的偶极子执行的测量能够确定泥饼厚度和地质层电磁特性、各向异性和径向剖面。当发射天线工作在侧射模式和端射模式时，通过第一终端开路同轴线和 八个正交的偶极子执行的测量能够确定地质层的各向异性、下沉和岩层断裂 量以及方向。在不同频率执行上述测量。电磁特性随频率的变化能够确定附加岩石参 数。例如，图8.A示出了与注入多孔岩中的水的电容率的频率相应的典型的 色散曲线。图8.B示出了与注入多孔岩中的水的导电率的频率相应的典型的 色散曲线。此外，可以用电磁探针通过工作在反射模式的第一和第二终端开路同轴 线执行与泥饼和/或与液体混合物的电磁特性相关的附加测量组。也可以根据 不同频率执行该附加测量组。在使不同频率时的径向勘测深度相 一致后，能够获得地质层的径向特征。最后，假设已知液体混合物的电磁特性，能够确认地质层内的断层方向。 该断层可以是由于地质层挤压形成的自然断层或由钻孔操作引起的断层。该 断层可以充满来自钻孔的液体混合物(由于充于水中因此一般可导电)或充 满烃液体混合物(一般显示阻抗特性)。如果断层平行于衬垫轴线，则充满断层的阻抗液体根据侧射模式明显产 生零信号，而根据端射模式产生重要信号。如果断层垂直于衬垫轴线，则充满断层的阻抗液体根据侧射模式产生重 要信号，而根据端射模式明显产生零信号。如果断层相对于衬垫轴线是倾斜的，则充满断层的阻抗液体产生为侧射 模式和端射模式的组合的信号。
最后说明描述了涉及有线线路工具的本发明的具体应用。但是，对于本领域技术人员来说，很明显本发明也适用于随钻测井(logging-while-drilling )工具。 典型的随钻测井工具被合并到井底孔，该井底孔附于尾部附有钻头的钻柱 (drill swing)的尾端。既能够在钻柱静止时进行测量也能够在钻柱旋转时 进行测量。在后一种情况下，进行附加测量，以使得测量涉及钻孔中的钻柱 的旋转位置。优选地通过同时进行的地球》兹场方向的测量和罗盘来完成此附 加测量，其中罗盘与钻柱静止时完成的参考测量相关。对于本领域技术人员 来说，很明显本发明也适用于海岸和海面烃井现场。很明显前文所用的术语"衬垫" 一般表示与钻井壁表面接触的接触元件。 图中所示的用于保持天线与钻孔壁结合的具体的接触元件仅供说明，对于本 领域技术人员来说，可以利用其它合适的接触元件，如具有后备臂的探测器。同样的说明也适用于图中所示的具体的探针散开系统。最后，对于本领域技术人员来说，很明显本发明的应用不限于油田业， 本发明也能够用于其它类型的地质考察。前文的图及其描述示意本发明而不是限制本发明。权利要求书中的任何参考符号不应当被理解为限制所述权利要求。词 "包括"不排除存在除了列在权利要求中的元件外的其它元件。在一个元件 之前的词"一个"不排除存在多个这样的元件。
权利要求
1、一种用于测量在钻井孔(WBH)周围有限区域的地下地层(GF)的电磁特性的电磁探针(1)，所述钻井孔充有钻井液(DM)，所述探针包括衬垫(2)，其具有定义第一区域的第一表面，其中该第一表面被布置为位于与钻孔壁(WBW)接触的区域；其中，所述探针(1)还包括至少两根发射天线(4A、4B)，定义它们之间的中心点(CP)，每根天线与所述中心点相隔距离(d0)；至少第一组接收天线(5A、5B)和第二组接收天线(5C、5D)，其中每一组包括第一接收天线(5A；5C)和第二接收天线(5B；5D)，所述第一接收天线位于发射天线的一侧，所述第二接收天线位于发射天线的另一侧，以使得每一组环绕所述发射天线(4A，4B)；所述第一组接收天线(5A、5B)与中心点(CP)相隔第一距离(d1)，第二组接收天线(5C、5D)与中心点(CP)相隔第二距离(d2)，所述第二距离(d2)大于第一距离(d1)；所述发射天线(4A、4B)和接收天线(5A、5B、5C、5D)位于第一表面的线(AA′)上；以及电子装置(3)，包括至少一个发射模块(3′)和至少一个接收模块(3″)，所述发射模块被布置为至少根据第一和第二频率通过施加激发信号激发所述发射天线(4A、4B)，所述接收模块耦合到至少一根接收天线(5A；5B；5C；5D)，并被布置为确定由每根接收天线(5A；5B；5C；5D)提供的每个接收信号相对于所述激发信号的衰减和相移。
2、 根据权利要求1所述的用于测量地下地层的电磁特性的探针，其中， 所述发射天线(4A、 4B )明显相同，每根天线(4A; 4B )包括嵌入在腔(42 ) 内的两个垂直的偶极子(44、 46)，并被布置为根据侧射模式(BSM)和端 射模式(EFM)发射电磁能量。
3、 根据前述权利要求中任一权利要求所述的用于测量地下地层的电磁 特性的探针，其中，所述接收天线(5A、 5B、 5C、 5D)明显相同，每根天 线(5A; 5B; 5C; 5D)包括嵌入在腔(42)内的两个垂直的偶极子(44、 46),并被布置为根据侧射模式(BSM)和端射模式(EFM)接收电磁能量。
4、 根据前述权利要求中任一权利要求所述的用于测量地下地层的电磁特性的探针，其中，所述探针还包括第一终端开路同轴线(6A),其被布置 于第一侧，并被放置为明显垂直于发射天线(4A)和接收天线(5B)间的 第一区域。
5、 根据权利要求4所述的用于测量地下地层的电磁特性的探针，其中， 所述电子装置(3)还包括第一终端开路同轴线控制电路(3'〃)，所述电路包 括发射模块(T3'")，用于发送高频输入信号(IS)到第一终端开路同轴线 (6A);以及接收模块(R3〃')，用于基于由所述第一终端开路同轴线反射的高频输 出信号(OS)确定第一反射系数，以及基于在发射天线(4A、 4B)的激发 之后由所述第一终端开路同轴线接收的高频输出信号(OS)确定传播系数。
6、 根据前述权利要求中任一权利要求所述的用于测量地下地层的电磁 特性的探针，其中，所述衬垫(2)还包括被布置为与钻井液体(DM)接触 的第二表面，并且所述探针(1 )还包括被布置在所述第二表面的第二终端 开路同轴线(6B)。
7、 根据权利要求6所述的用于测量地下地层的电磁特性的探针，其中， 所述电子装置还包括第二终端开路同轴线控制电路(3'〃)，所述电路包括发射模块(T3〃')，用于发送高频输入信号(IS)到所述第二终端开路同 轴线(6B);以及接收模块(R3〃')，用于基于由所述第二终端开路同轴线(6B)反射的 高频输出信号(OS)确定第二反射系数。
8、 根据前述权利要求中任一权利要求所述的用于测量地下地层的电磁 特性的探针，其中，所述电子装置(3)具有零差结构，包括可变高频电源(LOS)，向以下装置提供高频信号至少一个被布置为激发所述发射天线(4A、 4B)的发射模块(3'); 至少一个耦接到至少一根接收天线(5A; 5B; 5C; 5D )的接收模块(3〃 )；以及第一和第二终端开路同轴线控制电路(3'〃)的发射模块(T3〃')和接收 模块(R3'〃)。
9、 一种测井工具(TL)，其被布置为分散于钻井孔(WBH)中，其中 所述测井工具(TL)包括根据权利要求1的探针(1)和用于将与钻井壁(WBW)接触的探针定位于所述钻井孔(WBH)内确定的深度的定位装置 (AR)。
10、 一种用于测量在钻井孔(WBH)周围有限区域的地下地层(GF) 的电磁特性的方法，所述钻井孔充满钻井液(DM),所述方法包括步骤a) 将用于测量地下地层的电磁特性的、与钻井壁(WBW)接触的探 针(1)定位于第一深度，所述探针包括至少两根发射天线(4A、 4B)和至少第一组接收天线(5A、 5B)和第二组接收天线(5C、 5D); 其中，所述方法还包括步骤b) 根据侧射模式(BSM)和根据第一频率通过用激发信号(ES)激励 第一发射天线(4A; 4B)而将中心点(CP)周围的激发电磁能量发射到所 述有限区域；c) 至少在离中心点(CP)的第一距离(d,)和第二距离(d2)处，才艮 据侧射模式(BSM)测量接收天线(5A、 5B、 5C、 5D )处的侧射/侧射接收 信号(RS),同时根据端射模式(EFM)测量接收天线(5A、 5B、 5C、 5D) 处的侧射/端射接收信号(RS);d) 根据侧射模式(BSM)和根据第一频率通过用激发信号(ES)激发 第二发射天线(4B; 4A)重复所述发射步骤b)和测量步骤c);e) 根据端射模式(EFM)和根据第一频率通过用激发信号(ES)激励 第一发射天线(4A; 4B)而将中心点(CP)周围的激发电磁能量发射到所 述有限区域；f) 至少在离中心点(CP)的第一距离(d,)和第二距离(d2)处，根 据侧射模式(BSM)测量接收天线(5A、 5B、 5C、 5D)处的端射/侧射接收 信号(RS),同时根据端射模式(EFM)测量接收天线(5A、 5B、 5C、 5D ) 处的侧射/端射接收信号(RS);g) 根据端射模式(EFM)和根据第一频率通过用激发信号(ES)激励 第二发射天线(4B; 4A)重复所述发射步骤e)和测量步骤f);和h) 至少以第二频率重复所述发射和测量步骤b)到g)。
11、 根据权利要求IO所述的用于测量地下地层的电磁特性的方法，其 中，同时执行所述发射步骤b)、 d)、 e)和g),将由所述第一发射天线发射 的激发电磁能量以第 一低频标记，将由所述第二发射天线发射的激发电磁能 量以第二低频标记。
12、 根据权利要求10或11所述的用于测量地下地层的电磁特性的方法，其中，同时执行所述发射步骤b)到h),所述激发信号(ES)包括多个频率，至少包括第一和第二频率。
13、 根据权利要求10到12中任一权利要求所述的用于测量地下地层的 电磁特性的方法，其中，所述方法还包括步骤确定由每根接收天线(5A、 5B、 5C、 5D)提供的每个接收信号(RS) 相对于所述激发信号(ES)的衰减和相移；至少针对与第一距离(dj相关的第一径向勘测深度(RD,)和与第二 距离(d2 )相关的第二径向勘测深度(RD2),估算在不同频率时钻井孑L(WBH) 周围有限区域的地下地层的电^t特性。
14、 根据权利要求10到13中任一权利要求所述的用于测量地下地层的 电磁特性的方法，其中，所述方法还包括步骤测量在所述发射天线(4A、 4B)的激发后由第一终端开路同轴线(6A) 接收的高频输出信号(OS);确定所述高频输出信号(OS)相对于激发信号(ES)的衰减和相移；以及基于所述衰减和相移通过确定传输系数估算在钻井壁(WBW)上泥饼 (MC)的厚度。
15、 根据权利要求10到14中任一权利要求所述的用于测量地下地层的 电磁特性的方法，其中，所述方法还包括步骤测量在第一终端开路同轴线(6A)的激发后由所述接收天线(5B、 5D) 接收的高频输出信号(OS);确定所述高频输出信号(OS)相对于激发信号(ES)的衰减和相移；以及基于所述衰减通过确定传播系数估算在钻井壁(WBW)上泥饼(MC)的厚度。
16、 根据权利要求10到15中任一权利要求所述的用于测量地下地层的 电磁特性的方法，其中，所述方法还包括步骤将高频输入信号(IS)发送进与钻井壁(WBW)接触的第一终端开路 同轴线(6A); 测量由第一终端开路同轴线(6A)反射的高频输出信号(OS);以及 基于所述高频输出信号(OS)通过确定泥饼反射系数估算在钻井壁 (WBW )上的泥饼(MC )的电石兹特性。
17、 根据权利要求10到16中任一权利要求所述的用于测量地下地层的 电磁特性的方法，其中，所述方法还包括步骤将高频输入信号(IS)发送到与钻井液(DM)接触的第二终端开路同 轴线(6B );测量由所述第二终端开路同轴线(6B)反射的高频输出信号(OS);以及基于所述高频输出信号(OS )通过确定钻井液的反射系数来估算钻井液 的电磁特性。
18、 根据权利要求10到17中任一权利要求所述的用于测量地下地层的 电磁特性的方法，其中，所述方法还包括步骤基于估算的电磁特性和泥饼(MC)厚度校正计算的在钻井孔(WBH)周围有限区域的地下地层(GF) 的电磁特性。
19、 根据权利要求10到18中任一权利要求所述的用于测量地下地层的 电磁特性的方法，其中，所述方法还包括步骤将由第一终端开路同轴线与 第二终端开路同轴线提供的信号作比较，以估算施用于钻井壁(WBW)上 的衬垫(2)的质量。
全文摘要
一种电磁探针1测量在钻井孔WBH周围有限区域内的地下地层GF的电磁特性。所述钻井孔充满钻井液体DM。所述探针包括衬垫2，所述衬垫具有定义第一区域的第一表面，其中该第一表面被布置为位于与钻孔壁WBW接触的区域。所述探针1还包括至少两根发射天线4A、4B，定义它们之间的中心点CP，每根天线与所述中心点相隔距离d₀；以及至少第一组接收天线5A、5B和第二组接收天线5C、5D，其中每一组包括第一接收天线5A；5C和第二接收天线5B；5D，所述第一接收天线位于发射天线的一侧，所述第二接收天线位于发射天线的另一侧，以使得每一组环绕所述发射天线4A，4B。
文档编号G01V3/30GK101156085SQ200680011555
公开日2008年4月2日 申请日期2006年1月27日 优先权日2005年2月22日
发明者亨利·巴丹, 劳伦特·莫斯, 梅蒂·希泽姆, 马休·西蒙 申请人:普拉德研究及发展公司