专利名称：用于在直流电阻率测量工具中改善电流聚焦的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测井(well logging)。具体地，本发明是用于使用 电气方法来确定地面下构造的电阻率的装置和方法。
背景技术：
在使用聚焦(focus)技术的传统直流(galvanic)电阻率测量工具 中，保护电极发出电流以便将测量电极的电流束更深地引导到导体材 料中。通过测量电极的电压和电流读数来确定所述材料的电阻率。在 保护和测量电极上的驱动电势必须精确地相同，以避免理想电场的千 扰，这保证聚焦效应发生。较高的驱动电势差可能导致电流从保护电 极向测量电极流动，或者反之亦然，以将钻孔流体传送到所述工具周 围，这将完全地破坏所述聚焦效应，并且如果不考虑到这一点则将导 致高的测量误差。 一般，与没有聚焦相比较，所述聚焦效应将导致具有更高的穿透深度的电流。
Birdwell (美国专利3，356，658 )教导了使用聚焦电极来确定地面 下构造的电阻率。从中央勘测电极向相邻的地层构造发出勘测电流。 通过使用从位于勘测电极附近及其两侧的邻近聚焦电极发出的聚焦 电流，这个勘测电流被聚焦到从钻孔向外的较窄的电流束中。Ajam 等(美国专利4，122，387)公开了一种装置，其中，通过位于探头(其 通过测井电缆被下降到钻孔中)上的保护电极系统，可以在通过构造 的、相距钻孔不同的横向距离处进行同时测井。单个振荡器控制以相 距钻孔不同的期望横向深度流过所述构造的两个构造电流的频率。测 井电缆的防具作为保护电极系统之一的电流回路，并且紧挨在测井探 头上的电缆电极组件中的电缆电极作为第二保护电极系统的电流回
路。还公开了两个实施例，用于测量在所述电缆电极组件和保护电极 系统中的电极之间的参考电压。
已经提出了用于使用测量电极的阵列来勘察地层构造的技术。例
如参见被授予Baker的美国专利第2,930,969号、被授予Mann等的 加拿大专利笫685,727号、被授予Gianzero的美国专利第4,468,623 号和被授予Dory等的美国专利第5,502,686号。所述Baker专利提出 了多个电极，其中每个由按钮形成，所述按钮通过软导线与在软管的 表面内嵌入的按钮和导线电气结合。所述Mann专利提出了在工具或 者底座上安装的小电极按钮阵列，其中每个依序引入独立可测量的勘 测电流，用于电气勘察地层构造。所述电极按钮被布置在水平面内， 并且在电极之间具有圆周间隔，并且描述了 一种用于依序激励和测量 来自电极的勘测电流的装置。
所述Gianzero专利公开了多个安装了工具的底座，其中每个具 有多个小测量电极，独立的可测量勘测电流从所述多个小测量电极被 向钻孔的壁注入。所述测量电极被布置在一个阵列中，在所述阵列中， 测量电极至少沿着圆周方向(围绕钻孔轴)间隔地被布置，以便当所 述工具沿着钻孔移动时向钻孔壁分段(其彼此重叠到预定程度)中注 入勘测电流。所述测量电极被做得很小，以使得能够在钻孔的一个圆 周连续的分段上进行详细的电气勘察，以便获得在钻孔附近的构造的 地层中的岩石组成以及裂口和它们的方位的指示。在一种技术中，在 一个中央电极周围设置了测量电极的 一 个空间闭环的阵列，并且所述 阵列用于检测由所述中央电极注入的电能的空间模式。在另 一个实施
例中，提供了 一种测量电极的线性阵列以将电流注入到在钻孔的圆周 上有效连续的分段上的构造中。可以独立地测量所述电流的分离部 分，以便获得多个勘测信号(用于表示来自所述阵列的电流强度)， 由此，当工具沿着钻孔移动时可以获得钻孔壁的圆周上连续的分段的 详细电子图像。在另一种形式的测量电极阵列中，电极被设置在闭环， 例如圆圈中，以便使得能够直接测量异常现象的电阻率的方位。
所述Dory专利公开了与底座安装的电极相组合的声音传感器的 使用，声音传感器的使用使得有可能填充通过使用底座安装的电极而
获得的图像中的间隙，这是因为下述事实在大直径的钻孔中，所述 底座必然不完全覆盖钻孔。
在金属(例如电极)和电解液之间的电化学平衡过程产生具有复 杂的电阻行为的层。这些层的阻抗被称为接触阻抗。当电流流入或者 流出电极时，由所述阻抗层产生在所述电极紧外部和紧内部的电势之 间的差。接触阻抗大幅度可变和非线性。它们主要依赖于电极材料、 液体的电化学特性、电流强度和所施加的电压的频率。在自然的环境 中，所述构造被填充其化学组成不完全可控的流体，几乎不可能精确 地预测测量和保护电极的接触阻抗。每当在所述阻抗层之外的保护和 测量电极的电势变得不同时，将弱化或者损害聚焦效应。这个差可能 引起电流流过电极之间的泥浆。因此接触阻抗至少对于测量的分辨率 具有很大的影响。
被授予Dion等的US 6373254描述了一种用于在随钻测井 (logging-while-drillmg )操作期间控制接触阻抗对于构造电阻率的测 量的影响的方法和装置。通过将位于靠近电流电极的电阻率测井工具 上的两个监控电极之间的电势差保持为大致为0,实现接触阻抗的所 述控制。
其他文献讨论了将监控电极用于缆线(wireline)应用。例如参 见Davies等(SPE24676 ) 、 Evans等(US6025722 ) 、 Seeman (US5396175 ) 、 Smits等(SPE 30584 )和Scholberg ( US3772589 )。 所述监控电极技术使用位于测量和保护电极之间的两个附加电极(被 称为监控电极)来观察可能的电势差。通过控制电路来调节在测量或 者保护电极上的电势，以便将监控电极之间的电压理想上保持为0。 监控电极不发出电流，因此被假定不受到接触阻抗的影响。从所述监 控电极之间的最小电压降，推论出在保护和测量电极(其中每个在所 述电极紧外部的阻抗层之外)之间的电势差是0。
因为在运行期间测量工具的很高的机械应变，因此在随钻测井/ 随钻测量(LWD/MWD )应用期间的接触阻抗的问题与缆线应用的问 题不同。在LWD/MWD工具中的电极的机械要求要求与侧向测井 工具中的绝缘间隙相比较，所述电极中的绝缘间隙应当较小。因此， LWD/MWD电阻率工具的响应与缆线的不同。Bonner等(US 5339037)教导了一种MWD装置，其中，电绝缘电极测量由于两个 相隔的发送器的激励而产生的电压。同时，测量监控电流。从所述电 压和监控电流值获得电阻率。Bonner不解决接触阻抗的问题。
Evans等(US 6348796 )描述了 一种用于通过使用在不同的电势 上操作的三个电极来增强传统的聚焦技术的方法。在中间电势上操作 的电流电极被具有低几个微伏的电势的另一个电极围绕。以比电流电 极高几个微伏来驱动围绕这两个电极的另一个电极。在Evans中未解 决接触阻抗的问题。
期望具有一种装置和方法，用于提供与基本上与接触阻抗以及环 境电阻率的改变无关的能力相结合的增强聚焦技术。所述装置最好可 以用于MWD以及缆线操作。本发明满足这个需要。
发明内容
本发明的一个实施例是一种用于确定地层构造(earth formation)的电阻率参数的装置。所述装置包括在地层构造中的钻孔 中的测井工具。所述测井工具具有至少一个测量电极，所述测量电极 将测量电流传送到地层构造中。与所述至少 一个测量电极相关联的至 少一个保护电极(guard electrode )聚焦测量电流。屏蔽电极(shielding electrode)被插在所述至少一个保护电极和所述至少一个测量电极之 间。所述装置包括用于最小化在所述至少一个测量电极和所述屏蔽电 极之间的电流的电路。所述电路可以包括处理器，其改变所述至少一 个测量电极的电势、被提供到所述至少一个测量电极的电流、在所述 至少 一个保护电极和所述至少 一个测量电极之间的阻抗、和/或所述至 少一个保护电极的电势。处理器可以从所述测量电流和所述保护电极 和/或所述测量电极的电势确定与电阻率参数相关的表观电阻。可以从 表观电阻得到所述构造的电阻率。所确定的表观电阻与测井工具的间
隔(standoff)和/或钻孔中的流体的电阻率基本上无关。所述装置可 以包括传送装置，诸如缆线(wireline)或者钻井管。可以提供方位 传感器，所述方位传感器的输出用于提供钻孔的电阻率图像。可以在 保护电极外部提供另外的屏蔽电极。处理器可以在表面位置或者井下 (downhole)位置。所述测量电极、屏蔽电极和保护电极可以是环形 的。
本发明的另 一个实施例是一种用于确定地层构造的电阻率参数 的方法。使用在地层构造中的测井工具上的测量电极来向地层构造传 送测量电流。使用在测井工具上的保护电极来聚焦所述测量电流。所 述测量电极与保护电极屏蔽。在测量电极和屏蔽电极之间的电流被最 小化。可以通过改变测量电极的电势、改变被提供到测量电极的电流、 改变在保护电极和测量电极之间的阻抗和/或改变保护电极的电势来 进行最小化所述电流。可以从测量电流和保护电极或者测量电极的电 势来确定与电阻率参数相关联的表观电阻。所确定的表观电阻与测井 工具的间隔和/或钻孔中的流体的电阻率基本上无关。所述测井工具可 以在钻井管上或者在缆线上被传送到钻孔内，所述钻井管具有用于承 栽测井工具的井底组件(bottom hole assembly )。可以产生钻孔的电 阻率图4象。
本发明的另一个实施例是用于在地层构造中的钻孔中使用的测 井工具的计算机可读介质。所述测井工具包括测量电极，其将测量
电流传送到地层构造中；以及保护电极，其聚焦所述测量电流。所述 测井工具也具有屏蔽电极，其位于所述保护电极和所述测量电极之 间。所述介质包括用于使得能够最小化在测量电极和屏蔽电极之间的 电流的指令和用于从测量电流和保护或者测量电极的电势来确定表 观电阻的指令。
通过下面的详细说明和附图，可以更好地明白被相信在构成和操 作方法方面表征本发明的新颖特征以及本发明的目的和优点，其中， 仅仅出于例证和说明的目的通过示例来图解本发明，所迷示例不意欲 作为本发明的限制。
图1 (现有技术)是钻井系统的示意图示；
图2 (现有技术)是电阻率测量传感器接头(sub)的各种部件 的示例配置；
图3是本发明的电极配置的示例图解； 图4示出了图3的电极配置的等同电路；
图5a-5c图解了本发明的实施例，其中，通过下述方式来控制屏 蔽电流(a)调节电压源，(b)调节电流源，(c)调节复合电阻； 图6a-6d图解了不同的布置，通过其可以实现图3的电极配置； 图7图解了本发明的一个替代实施例的电极配置； 图8是用于操作图7的实施例的示意图； 图9a、 9b图解了保护电极的级联； 图10图解了用于操作图9a-b的电极配置的示意图； 图lla-b示出了现有技术装置和按照本发明的装置的电场的比
较；
图12是对于0.02欧姆-米的泥浆电阻率的、作为工具间隔和构造
电阻率的函数的按照本发明的装置的分辨半径的绘图13是对于0.02欧姆-米的泥浆电阻率的、作为工具间隔和构造
电阻率的函数的按照本发明的装置的表观电阻的绘图14是对于0.2欧姆-米的泥浆电阻率的、作为工具间隔和构造 电阻率的函数的按照本发明的装置的表观电阻的绘图15是对于2欧姆-米的泥浆电阻率的、作为工具间隔和构造电 阻率的函数的按照本发明的装置的表观电阻的绘具体实施例方式
图1示出了钻井系统10的示意图，所述钻井系统10具有钻杆柱 (drill string ) 20,其承载钻井组件卯(也称为井底组件(bottom hole assembly)，或者"BHA，，)，所述钻井组件90在"井孔"或者"钻孔"26 中被传送以钻出井孔。钻井系统10包括传统的井架11，其被竖立在 地面l2上，其支撑转台14,通过诸如电机(未示出)之类的牵引机 以期望的旋转速度来旋转转台14。钻杆柱20包括从表面向钻孔26中 下延的管道，诸如钻管(drill pipe ) 22或者缠绕管道(coiled-tubing )。 当使用钻管22来作为所述管道时，钻杆柱20被推到井孔26中。但 是，对于缠绕管道应用，使用诸如喷射器(未示出)的管道喷射器来 将所述管道从其来源(诸如未示出的巻轴)向井孔26移动。被附接 到钻杆柱的端部的钻头(drill bit) 50当被旋转以钻出钻孔26时破坏 地质构造。如果使用钻管22，则钻杆柱20通过滑轮23经由方钻杆接 头(kelly joint) 21、旋转接头28和管线29连接到绞车30。在钻井 操作期间，绞车30被操作来控制钻头上的重量，这是影响穿透速率 的重要参数。绞车的操作是本领域公知的，因此在此不详细说明。
在钻井操作期间，由泥泵34通过在钻杆柱20中的通道在压力下 循环来自泥浆池(来源)32的适当的钻井液31。所述钻井液从泥泵 34经由波动消除器36、流体管线28和方钻杆接头21流到钻杆柱20。 钻井液31通过钻头50中的开口在钻孔底部51被放出。钻井液31通 过钻杆柱20和钻孔26之间的环状空间27沿井身上行循环，并且经 由返回管线35返回到泥浆池32。钻井液用于润滑钻头50，并且将钻 孔切出物或者碎片带离钻头50。优选地被布置在管线38中的传感器 S，提供关于流体流率的信息。与钻杆柱20相关联的表面扭矩传感器 S2和传感器S3分别提供关于钻杆柱的扭矩和旋转速度的信息。另外， 与管线29相关联的传感器(未示出)用于提供钻杆柱20的起吊载荷。
在本发明的一个实施例中，通过仅仅旋转钻管22来旋转钻头50。 在本发明的另一个实施例中，井下电机55 (泥浆电机)被布置在钻井 組件90中，以旋转钻头50，并且通常旋转钻管22以在需要时补充旋 转功率，并且在钻井方向上进行改变。
在图1的实施例中，泥浆电机55经由在轴承组件57中布置的驱 动轴(未示出)而连接到钻头50。当钻井液31在压力下通过泥浆电 机55时，所述泥浆电机旋转钻头50。所述轴承组件57支撑钻头的径
向力和轴向力。连接到所述轴承组件57的稳定器58作为泥浆电机组 件的最下部分的定中心器。
现在转向图2，示出了电阻率测量传感器接头的各种部件的示例 配置。在上端，提供了模块化的跨接接头101。电源和处理电子部件 被指示为103。所述接头包括稳定器107,并且在105提供了数据转 储端口。在109提供了电阻率传感器(下面进一步讨论)，所述传感 器和测量电子部件位于113。在所述接头的两端提供了模块化的连接 115,其使得所述接头能够作为井底钻井组件的一部分。设置了方位 传感器111，用于测量在连续的旋转期间传感器组件的工具面角度。 可以使用不同类型的方位传感器，包括磁力计、加速计或者陀螺仪。 用于确定工具面角度的这样的装置的使用是本领域公知的，在此不进 一步讨论。
在107示出的稳定器用于几个功能。像传统的稳定器那样， 一个 功能是减少传感器组件的振荡和振动。但是，在本发明的上下文中， 其也用于另一个重要功能，即，将包括传感器组件的井底组件(BHA) 部分定中心，并且也将所述传感器与钻孔壁保持规定的间隔 (standoff)。这在图2中是不可见的，但是稳定器的外径大于包括 电阻率传感器的BHA部分的外径。由于直径上的这种差别，在钻杆 柱的连续旋转期间，电阻率传感器与钻孔壁保持一个间隔。
本发明提供了 一种替代的技术，用于克服在地质构造的电阻率确 定中的接触阻抗的问题。本发明仅仅使用一个附加电极(称为屏蔽电 极)来取代两个监控电极，并且使用不同的控制机制。使用这种方法， 与传统的监控电极技术的应用相比较，将改善聚焦效果。
图3是本发明的一个实施例的示意图示。在测量电极121和保护 电极125之间设置了一个屏蔽电极123。如果在泥浆或者构造中的场 是不理想的(参见背景技术)，则在屏蔽电极中将发生电流。屏蔽电 极经由电流表Al连接到测量电极，电流表Al向控制器133发送所 测量的电流值131。控制器调节电压源135直到通过安培计Al的电 流消失。这种情况导致下述结果进入屏蔽电极的电流需要在不影响
测量电子部件的情况下离开屏蔽电极。因为测量电极必须被屏蔽电极 围绕，因此在保护电极上的电势不能大于、小于或者等于测量电极，
以满足无电流通过Al的条件。因此，来自保护电极的电流进入屏蔽 电极，并且必须离开它进入泥浆或者构造中，因为在测量电极和屏蔽 电极之间的电势是0 (比较图4)。这个效果产生良好的聚焦。
现在参见作为图3的布置的等同电路的图4，测量电极M具有 保护电极G。保护电极将测量电流聚焦到构造中。在图4中，X表示 在与屏蔽电极S相邻的阻抗层之外的泥浆中的位置。仏和Ug是从一 个或多个电源施加的电压。RM是测量电极的电阻。R鹏是从M到S 的连接的电阻。ZM、 Zs和Zc是与测量电极M、屏蔽电极S和保护电
极G相关联的接触阻抗。R訓im和R画d2是泥浆电阻。RAM、 Ras和 RAC分别是测量电极、屏蔽电极和保护电极的表观构造电阻。通过图 4中的地符号来表示回路R。
通过下面的过程来执行电阻率测量。在保护电极G施加电压UG。 测量在保护电极和屏蔽电极之间的电流Ims。电压Umg被控制(例如 通过改变电压Uj直到电流I鹏为0。因为lMs是0，因此在泥浆中的 M和点X之间的电势差消失，因此，没有从M到X的净电流，或者 反之亦然。从M通过ZM的电流和从X通过Rmudi的电流的和将流过 RAM。因为这一点，甚至对于未知的或者不相等的接触阻抗ZM、 Zs 和Zg，下面的内容也为真
(1) 离开M的总电流进入所述构造，
(2) 不会出现从M直接到G的电流，并且
(3) 比起没有接触阻抗并且在G和M上精确地具有相同的电 势，聚焦效果更好。
于是将表观电阻率计算为<formula>formula see original document page 14</formula>
其中，k是可以通过使用已知方法校准所述工具而确定的常数， lM是通过测量电极(电流表RM)的电流，U,是在测量电极和回路 (参考)电势之间的电压。现在转到图5a-5c，图解了用于实现测量电极和屏蔽电极之间的 0电流的各种方法。在图5a中，控制电压源135。在图5b中，控制 来自电流源的电流。在图5c中，控制阻抗Zk，这通过使用保护电极 和地之间的电势差UGn作为电源而改变通过测量电极和屏蔽电极的电 流0
在讨论图6a-6d之前，我们定义被屏蔽的测量电极(shielded measurement electrode, SME)的基本概念。SME包括由隔离物围 绕的任意形式的平面测量电极，所述隔离物被屏蔽电极围绕。所述屏 蔽电极也被隔离物围绕。所述电极可以被图5a-c的电子部件通过将保 护电势保持恒定来操作。
现在转向图6a,可以是MWD布置的井底组件或者缆线传送的 测井工具的工具主体153被保持在回路电势上，并且被配备了一个或 多个任意形式的部分4呆护电极151a、 151b和151c。可以在不同的恒 定电势上操作所述保护电极。每个保护电极被配备了一个或多个SME 155。 一个或多个SME可以被图5a-c的电子部件在不同的电势上操 作。在使用阻抗调节的情况下，可以通过使用伴随的保护电极的电压 源通过几个并行操作的可调节阻抗来提供SME。图6a的部分保护电 极的每个被隔离物157围绕，以将保护电极与回路隔离。具有保护电 极151b的所示出的特定布置适合于用在MWD装置的加强筋上。
图6b和6a之间的主要差别是，在前者中，使用全部保护电极 151a，、 151b，、 151c，。使用保护电极151b，的所示出的特定布置适合 于用在MWD装置的加强筋上。图6c示出了通过适当的扩展构件(隔 离)161从工具主体151扩展的焊盘形式的保护电极。
在图6d中，被保持在回路电势上的工具主体被配备了几组环形 电极。每组由内部测量电极环201构成，所述内部测量电极环201被 短路的两个屏蔽电极环203围绕。所述屏蔽电极环被两个短路的保护 电极环205围绕。可以在不同的恒定电势上操作不同组的短路保护电 极。可以由图5a-c的电子部件在不同的电势上操作测量电极和屏蔽电 极。也可能在调节保护电极上的电势的同时将测量电极保持在不同的 恒定电势上。
图7中所示的实施例类似于图6d中的。但是，屏蔽电极对203a、 203b和保护电极对205a、 205b未被短路。为了操作这个实施例，应 当使用图8的示意图。 一组的测量电极被保持在恒定电势上。通过调 节相邻的保护电极环上的电势，由每侧上的测量和保护电极围绕的屏 蔽电极环的屏蔽电流被控制为最小。这个组件使得可以通过使用两个 独立操作的屏蔽电极在不同的电势上驱动围绕测量电极的两个保护 电极环。这个实施例可以用于以很高的构造电阻率差异来增强聚焦和 垂直分辨率。
图9a和9b示出了基于两个屏蔽电极和两个保护电极的屏蔽和保 护电极的级联。测量电极301通常被第一屏蔽电极303围绕，第一屏 蔽电极303继而由第一保护电极305围绕。通过使用笫二屏蔽电极307 围绕第一保护电极来将此扩展。以这种方式，由第二屏蔽电极围绕的 第一保护电极也可以被"屏蔽"，像测量电极那样。继续屏蔽内部保护 电极的这个原理，所述组件现在可以被描述为被屏蔽电极围绕的测量 电极和n对内部保护电极和屏蔽电极。整个组件被最外边的保护电极 309完成。在图9a中，示出了任意形状的平面电极。所述屏蔽电极和 保护电极具有与测量电极相同的形式。外部保护电极309可以具有不 同的形状，并且可以是部分或者全部保护电极。在图9b中，示出了 具有适当的短路的环形电极。311是工具的主体。
图IO是操作图9a-b的实施例的方法的示意图示。如上所述操作 测量和内部屏蔽电极。外部保护电极被保持在恒定电势。根据内部保 护电极屏蔽电极对的数量，通过最小化对应的屏蔽电极的屏蔽电流来 控制在每个内部保护电极上的保护电极电势。可以通过使用电压源或 者电流源以及可调节的阻抗来实现这一点。当使用可调节的阻抗时， 它们可以与保护电压源并联，或者从一个电极对向下一个电极对级 联。
图lla和llb示出了不具有和具有附加的屏蔽电极的电极配置的 比较。所述图示示出了相对于位于测量电极的中心的电极的垂直线轴
向对称的模型的电场。图lla示出了在理想条件(在测量电极和保护 电极上具有相同电势，并且没有接触阻抗)下的传统电极配置的电场 线。所述测量电极被表示为401,保护电极被表示为405，并且绝缘 器被表示为403。在这种情况下，分辨半径453 (测量电极的电流穿 透构造的半径)与测量电极的半径451和绝缘器的宽度的一般基本上 相同。图11b示出了包括屏蔽电极505的电极配置的电场线。测量电 极被表示为501。绝缘器或被表示为503和507。通过满足在测量电 极和屏蔽电极之间无电流的条件，保护电极509的电势被保持为略大
于测量电极的电势，因此一部分保护电流进入屏蔽电极，并且离开它 进入构造。分辨半径553小于测量电极的半径551，导致测量电流的 更好的聚焦。
图12是对于0.02欧姆-米的泥浆电阻率的、作为构造电阻率的对 数与示例工具和构造之间的距离的函数的分辨直径的三维绘图的透
视图。重要的一点是注意分辨半径与构造电阻率基本上无关。另外， 在较大范围的间隔(4毫米到8毫米)上，分辨直径大致不变，并且 对于小于4.4毫米的值，分辨直径小于测量电极的直径(5.08毫米)。 泥浆电阻率的其他值的绘图(未示出)显示了类似的行为。
图13是对于0.02欧姆-米的泥浆电阻率的、作为间隔距离和构造 电阻率对数的函数的表观电阻对数的三维绘图的透视图。两点值得注 意。首先，并且最重要的是，由所述工具测量的表观电阻相对于构造 电阻率大致为线性。其次，在大范围的间隔(2毫米到8毫米)上， 表观电阻大致相同。
图14是类似于图13、但是对于0.2欧姆-米的泥浆电阻率的绘图。 同样，注意表观电阻相对于构造电阻率大致为线性，并且与间隔基本 上无关。将图14与图13相比较示出了表观电阻看起来不受泥浆电阻 率的显著影响。
现在转到图15，示出了对于2欧姆-米的泥浆电阻率的、与图l3 类似的绘图。同样，表观电阻相对于构造电阻率大致为线性，并且与 间隔基本上无关，并且不受泥浆电阻率的显著影响。
在本发明的一个实施例中，提供了适当的校准曲线，它们将表观 电阻与对于泥浆电阻率的不同值的构造电阻率相关联。可以预先知道 泥浆电阻率，或者可以使用适当的装置现场测量泥浆电阻率，所述适
当的装置诸如被授予FabHs等的US 6801039中公开的装置，这个专 利的受让者与本发明相同，并且其内容通过引用被全部并入在此。
使用本发明的装置和方法，可以使用通过诸如磁力计的适当方位 传感器的方位测量在MWD环境中获得电阻率图像。例如在被授予 Thompson等的US 6173793中讨论了产生这样的图像的方法，所述专 利具有与本发明相同的受让者，并且其内容通过引用被包含在此。
通过井下处理器来进行数据的处理，以大致实时地提供校正的测 量值。或者，所述测量值可以在井下被记录，当钻杆柱释放时被取回， 并且使用表面处理器被处理。在数据的控制和处理中隐含的是在适当 的机器可读介质上的计算机程序的使用，其使得处理器能够执行所述 控制和处理。所述才几器只读介质可以包括ROM、 EPROM、 EEPROM、 快闪存储器和光盘。
虽然上述的公开内容涉及本发明的优选实施例，但是各种修改对 于本领域内的技术人员是显然的。上述的公开意欲包含所附的权利要 求的范围和精神内的各种改变。
权利要求
1.一种用于确定地层构造的电阻率参数的装置，所述装置包括(a)在所述地层构造中的钻孔中的测井工具，所述测井工具具有至少一个测量电极，其将测量电流传送到所述地层构造中；(b)与所述至少一个测量电极相关联的至少一个保护电极，其聚焦所述测量电流；(c)屏蔽电极，其被插入在所述至少一个保护电极和所述至少一个测量电极之间；以及(d)电路，其最小化所述至少一个测量电极和所述屏蔽电极之间的电流。
2. 按照权利要求l的装置，其中，所述电路包括处理器，其改 变下述的至少一个(i)所述至少一个测量电极的电势，(ii)被提 供到所述至少一个测量电极的电流，(iii)在所述至少一个保护电极 和所述至少一个测量电极之间的阻抗，(iv)所述至少一个保护电极 的电势。
3. 按照权利要求l的装置，还包括处理器，其从测量电流和(i) 所述保护电极以及(ii)所述测量电极中的至少一个的电势来确定与 所述电阻率参数相关联的表观电阻。
4. 按照权利要求3的装置，其中，所述处理器通过使用下述形 式的关系式来确定表观电阻<formula>formula see original document page 2</formula>其中，p。是表观电阻率，k是校准因子，UMc是相对于参考电势 的(i)保护电极和(ii)测量电极中的至少一个的电压，lM是测量电流o
5. 按照权利要求4的装置，其中，所感兴趣的参数包括构造电 阻率，其中，所述处理器还从所述表观电阻来确定所述构造电阻率。
6. 按照权利要求3的装置，其中，所确定的表观电阻率与(i) 测井工具的间隔和(ii)钻孔中的流体的电阻率中的至少一个基本上 无关。
7. 按照权利要求l的装置，其中，在所述测井工具和钻孔壁之 间有大约2毫米和大约10毫米之间的间隔。
8. 按照权利要求l的装置，还包括传送装置，其将测井工具传 送到钻孔中，所述传送装置选自由(i)具有承载测井工具的井底组件 的钻井管和(ii)缆线构成的组。
9. 按照权利要求l的装置，还包括方位传感器，其提供用于指 示所述测井工具的方位角的输出，所述装置包括处理器，其使用所述 方位传感器的输出来产生所述构造的电阻率图像。
10. 按照权利要求l的装置，其中，所述至少一个测量电极的大 小大于在钻孔壁的测量电流的大小。
11. 按照权利要求l的装置，其中，所述至少一个屏蔽电极还包 括至少一个第二屏蔽电极，其围绕所述至少一个保护电极。
12. 按照权利要求l的装置，还包括绝缘体，其位于下述部件之 间(i)所述至少一个测量电极和所述屏蔽电极，以及(ii)所述屏 蔽电极和所述至少 一个保护电极。
13. 按照权利要求2的装置，其中，所述处理器在(i)表面位 置和(ii)井下位置之一。
14. 按照权利要求l的装置，其中，所述至少一个测量电极、所 述屏蔽电极和所述至少一个保护电极包括环形电极。
15. —种用于确定地层构造的电阻率参数的方法，所述方法包括 (a )使用在所述地层构造中的测井工具上的测量电极来将测量电流传送到地层构造中；(b )使用所述测井工具上的保护电极来聚焦所述测量电流；(c)将所述测量电极与保护电极屏蔽；并且(d )最小化所述测量电极和所述屏蔽电极之间的电流。
16. 按照权利要求15的方法，其中，最小化电流还包括至少下 述之一(i)改变所述测量电极的电势，(ii)改变被提供到所述测 量电极的电流，(iii)改变在所述保护电极和所述测量电极之间的阻 抗，并且(iv)改变所述保护电极的电势。
17. 按照权利要求15的方法，还包括从所述测量电流和(i)所 述保护电极以及(ii)所述测量电极中的至少一个的电势来确定与所 述电阻率参数相关联的表观电阻。
18. 按照权利要求15的方法，其中，确定所述表观电阻还包括 通过使用下述形式的关系式其中，p。是表观电阻率，k是校准因子，U鹏是与参考电势相关联的(0保护电极和(ii)测量电极中的至少一个的电压，Im是測量电流。
19. 按照权利要求17的方法，其中，电阻率参数包括从所述表 观电阻确定的构造电阻率。
20. 按照权利要求17的方法，其中，所确定的表观电阻率与(i) 测井工具的间隔和(ii)在钻孔中的流体的电阻率中的至少一个基本 上无关。
21. 按照权利要求15的方法，还包括在下述部件之一上将测井 工具传送到钻孔(i)具有承载测井工具的井底组件的钻井管，以及(ii)缆线。
22. 按照权利要求15的方法，还包括使用方位测量来产生所述 构造的电阻率图像。
23. —种计算机可读介质，用于在地层构造中的钻孔中使用的测 井工具，所述测井工具包括(a) 测量电极，其将测量电流传送到地层构造中；(b) 保护电极，其聚焦所述测量电流；以及(c) 屏蔽电极，其位于所述保护电极和所述测量电极之间， 所迷介质包括执行如下操作的指令(a) 最小化在所述测量电极和所述屏蔽电极之间的电流；以及(b) 从所述保护电极或者测量电极的电势和所述测量电流来确 定表观电阻。
24.按照权利要求23的介质，其选自由(i)ROM， (ii)EPROM， (iii) EAROM， (iv)快闪存储器和(v)光盘构成的组。
全文摘要
具有一个或多个测量电极和保护电极以及一个或多个屏蔽电极的直流电阻率工具。所述测量电极和所述保护电极之间的电势差被控制以最小化在所述测量电极和所述屏蔽电极之间的电流。这提供了改善的聚焦，并且避免了接触阻抗的影响。
文档编号G01V3/20GK101203776SQ200680018586
公开日2008年6月18日 申请日期2006年4月11日 优先权日2005年4月20日
发明者克里斯汀·佛达, 马丁·佛玻瑟, 马修斯·格莱克 申请人:贝克休斯公司