专利名称：两轴垫状物地层电阻率成像仪的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及碳氢化合物的勘探，包括穿透大地地层(earth formation)的探井的电子勘测。具体而言，本发明涉及利用引入单独 的勘验电流(survey current)并对其进行测量而进行的高度局部化的 探井勘测，其中勘验电流是通过沿探井运动的测井工具上的电极与大 地地层的电容耦合而被注入探井壁之内。
背景技术：
电子的地下探井测量是广为人知的，并且用于此目的的各种装置 和各种技术已被说明。 一般而言，有两类装置用在电子测井装置中。 在第一类中，测量电极(电流源或电流宿(sink))与扩散回流电极 (例如测井工具主体)结合使用。测量电流在将电流源连接至测量电 极的电路中流动，通过大地地层到达回流电极(return electrode)并 回到测井工具中的电压源。在感应式测量测井工具中，测量4义器之内 的天线引起在大地地层之内的电流流动。使用同 一天线或另 一接收天 线检测所引起的电流的大小。本发明属于第一类。
有若干操作模式在一种中，保持测量电极上的电流恒定而测量 电压，而在第二种模式中，固定电极的电压而测量从电极流出的电流。 理想地，如果为了保持在监视电极处测量的电压恒定而变化电流，则 希望电流反比于所勘测的大地地层的电阻率。相反地，如果保持此电 流恒定，则希望在监视电极处所测量的电压正比于所勘测的大地地层 的电阻率。欧姆定律教导，如果电流和电压均变化，则大地地层的电 阻率正比于电压电流之比。
5/n/H^/(美国专利3365658 )教导，使用聚集电极确定地表下层 的电阻率。勘验电流从中心勘验电极发送至附近的大地地层之内。通过使用从附近的聚集电极(位于勘验电极附近并在勘验电极的任一侧) 发送出的聚集电流而将该勘验电流聚集为从探井向外的相对窄的电流
束。4/ 附等(美国专利4122387 )公开了一种设备，其中可以通过保 护电极系统，同时从探井在经过地层的不同侧向距离上进行测井，该 保护电极系统位于通过测井电缆而降入探井之中的探棒上。由单个振 荡器控制从探井而流经地层的所希望的不同侧向深度的两个地层电流 的频率。测井电缆的外壳作为保护电极系统中的一个的电流回路，而 紧挨在测井探棒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，用于测量在电缆电极组件中的 电极和保护电极系统之间的参考电压。
已经提出了利用测量电极阵列勘测大地地层的技术。例如，参见 授权给5flA:^的美国专利第2930969号、授权给3faww等的加拿大专 利第685727号，授权给G/fl"wro的美国专利第4468623号，授权给
等的美国专利第5502686号，以及授权给￡vfl s的美国专利6,714，
014。
发明内容
本发明的 一个实施例是一种评估大地地层的设备。该设备包括在 垫状物(pad)上的两端电阻率传感器。所述垫状物被配置为接近探 井壁。两端中的一端包括垫状物上的第一电极，第一电极被配置为将 电流传送到大地地层之内。回流电极水平地离开第一电极。处理器被 配置为根据第一电极中的电流确定大地地层的电阻率特性。垫状物可 以包括多于一个垫状物。第一电极可以包括成方位角地设置在垫状物 上的多个电流电极。所确定的电阻率特性可以是大地地层的水平电阻 率。设备可以包括与电流电极垂直地分离的附加回流电极，并且处理 器还可以被配置为根据第一电极中的电流确定大地地层的其它特性。 其它特性可以是大地地层的垂直电阻率。
本发明的另 一实施例是一种评估大地地层的方法。垫状物从测井 工具的主体延伸至探井壁附近。使用在至少一个垫状物上的多个电流电极将电流传送进入地层之内。 一对水平分开的回流电极位于至少一 个垫状物上。根据多个电流电极中的电流确定大地地层的电阻率特性。 可以使用多于一个垫状物。电流电极可以成方位角地设置在垫状物上。 电阻率特性可以是大地地层的水平电阻率。该对水平分开的回流电极 可以被开路， 一对垂直分开的回流电极可以设置在垫状物上，并且根 据电流电极中的电流确定大地地层的其它特性。其它特性可以是大地 地层的垂直电阻率。
本发明的另一个实施例是计算机可读介质，其与感测探井所穿透 的大地地层的电阻率参数的设备一起使用。所述设备包括具有多个电 流电极和一对水平隔开的回流电极的垫状物。介质包括使处理器能够 基于电流电极中的电流估计电阻率参数的指令。计算机可读介质可以
是ROM、 EPROM、和EAROM、闪存和/或光盘。
可参考附图最好地理解本发明，其中同样的附图标记代表同样的 元件，并且其中
图1 (在先技术)示出了悬桂在探井中的示例性的测井工具； 图2A (在先技术)是示例性的成像工具的机械示意图2B (在先技术)是示例性的测井工具的电极垫状物的详细视
图3是探井中的电阻率测量测井工具的等效电路图； 图4是本发明的一个实施例的电极配置的图示；以及
图5是示出在不同的测井工具间距(standoff)下，图4的装置 对于层状大地模型的响应的图。
具体实施例方式
图1示出了示例性的经由适当的电缆14而悬挂在探井12中的成 像工具IO，其中电缆14越过安装在钻机18上的滑轮16，且探井12 穿透例如13的大地地层。根据工业标准，电缆14包括一个应力组件和七个导体，用于向测井工具传送命令，并从测井工具接收回数据，
以及为测井工具供电。测井工具10被绞车20升起和降下。在地面23 上的电子模块22将所需的操作命令传送至井下，并反过来接收回数 据，该数据可以被记录在任何所需类型的档案存储介质上用于并行处 理或稍后处理。数据可以以模拟或数字的形式传送。可以提供数据处 理器24 (例如适合的计算机)用于在现场进行实时数据分析，或将所 记录的数据发送至处理中心，或均用于二者，以便进行数据的后处理。
图2A是探井侧壁成像仪系统的外部示意图。包括成像仪系统的 测井工具10包括电阻率测量阵列26,以及可选择地，泥单元30和井 周声波成像器32。电子模块28和38可以位于系统中的适合位置，而 不必在所指示的位置。各零件可以以常规的已知方式安装在轴34上。 组件的外直径约为5英寸而约为15英尺长。包括磁力计和加速度计或 惯性制导系统的导向模块36可以安装在成像组件26和32之上。测井 工具10的上部38包括遥测模块，用于以常规的方式采样、数字化、 并将数据样本从各种零件向井上发送至地面的电子模块22。如果需要 声波数据，优选地将这些数据数字化，然而在可供选择的方案中，数 据还可以保留为模拟形式而发送至地面，稍后这些数据将在地面被地 面电子模块22数字化。
图2A中还示出了三个电阻率测量阵列26(第四个阵列在此视图
下未示出)。参考图2A和2B,每个阵列包括测量电极41a、 41b.....
41n，聚集(focusing)电极43a、 43b和聚集电极45a、 45b，其中测 量电极用于将电流注入地层，聚集电极43a、 43b用于将来自测量电极 的电流水平聚集，而聚集电极45a、 4Sb用于将来自测量电极的电流垂 直聚集。按照惯例，"垂直"代表沿探井的轴向而"水平"代表垂直 于"垂直方向"的平面。
图3中示出了大致的示意电路图。该图示出电路中的电流取决 于测井工具的内阻抗Zj、由于回流电极和地层之间的间距而产生的阻 抗ZR、由于接收器和地层之间的空隙而产生的阻抗Zg、以及地层阻 抗Zf。如果U是所施加的电压，那么在电路中的电流是进一步，地层阻抗Zf包括设置在测量钮(button)附近的层的电 阻率Zl和一些背景阻抗Zb，背景阻抗Zs取决于设置在电流和回流电 极之间的层的电阻率。Z^对所测阻抗Z的相对贡献极大地影响阻抗测 量的分辨率一Z^相比于Zi、 ZR、 Zg和zb对有效阻抗Z的贡献越大， 对测量钮附近的电阻率改变的测量分辨率就越高。
在图4中示出了在本发明的实施例中使用的电极配置。垫状物 121上设置有一套电流电极127。在垫状物上还设置了 一对垂直分开的 回流电极123a、 123b和一对水平分开的回流电极125a， 125b。在垂 直井和水平层状结构中，由两个水平分开的回流电极对125a， 125b 提供了高的垂直分辨率。与垂直分开的电极对123a， 123b相结合的同 样的电流电极(钮)提供了方位角方向的高分辨率。
图5示出了使用图4的电极配置的2D数学建模的结果。井直径 是8.5英寸(21.6cm)。井内填有电阻率为105Q-m的电阻性的泥流 体。地层包括成方位角顺序的层，这些层具有在lQ-m和lOQ-m之 间改变的电阻率。两个回流电极123a, 123b分开10cm。电流钮为 0.5x0.5英寸(1.27xl.27cm)并且位于回流电极的中间。传送器提供了 频率为10MHz的1V输出电压。图5中的数据对应于当垫状物间距 在0"201， 1/8"(3.2mm) 203, 1/4"(6.35m) 205，以及0.5" (1.27cm ) 207变化时的不同情况。曲线对应于阻抗的实部。可以从图5中看到， 阻抗的实部完全跟随地层而变化(间距为零的情况)。动态范围随着 间距的增加而减少；然而，信号具有非常高的方位角分辨率。显然， 通过水平分离的电极125a， 125b (其对应于将电极123a， 123b转动 90°)，同一电流将在垂直方向具有类似的高分辨率。
在上述示例中，频率是10MHz，并且泥的电阻率是l()sq-m。这
仅仅是用于示例的目的。对于电阻性的泥，通常希望保持下面的关系
<formula>formula see original document page 9</formula> ( 2 )
其中， 是泥的电导率，W是角频率，、是泥的相对介电常数， 而 是自由空间的介电常数。可以使用授权给F"6n's等的美国专利6803039中说明的方法和设 备而在井下确定泥的电阻率，该专利具有与本发明相同的受让人，并 且其内容并入本文作为参考。可以使用授权给i^Z加Viger等的美国专 利5677631中说明的方法和设备确定介电常数，该专利具有与本发明 相同的受让人，并且其内容并入本文作为参考。可供选择地，泥的电 阻率和介电常数的测量可以在地面进行，并应用了适当的温度〗奮正。 基于这些测量可以选择测井工具的操作频率。
需要注意，在垂直分开的电极123a, 123b的情况下测量的阻抗 取决于地层的水平和垂直电阻率，而在成方位角分开的回流电极 125a, 125b的情况下测量的阻抗仅取决于水平电阻率。这使得处理可 允许提取薄的叠层地层的微各向异性。具体地，来自成方位角分开的 电极的数据用于荻得探井壁上的每个点的水平电阻率。由垂直分离的 电极确定的电阻率将近似为垂直和水平电阻率的几何均值，从而可确 定垂直电阻率。这在确定导电层的薄的叠层的电阻率时尤其有用，这 样的导电层在例如Mexico的Gulf的区域中非常普遍。应当注意，当 使用垂直分开的回流电极进行测量时，水平分开的回流电极将4皮开路， 并且当使用水平分开的回流电极进行测量时，垂直分开的回流电极将 被开路。
在数据处理中的暗示是使用在适当的机器可读介质上实现的计 算机程序，其使处理器可以进行控制和处理。在此应用中使用的术语 "处理器"将包括例如现场可编程门阵列(FPGA)的设备。机器可 读介质可以包括ROM、 EPROM、 EAROM、闪存和光盘。如上所提 到的，处理可以在井下或在地面上进行。
虽然前面的公开内容涉及本发明的优选实施例，但各种修改对本 领域的技术人员是明显的。希望在附加权利要求的范围和精神之内的 所有变化都将被前述公开内容所包含。
下列定义可能有助于理解本发明
EAROM:电性可变的ROM;
电极电导体，通常是金属，用作导电介质的两端的任一端。EPROM:可擦除的可编程ROM;
闪存可重写的非易失性存储器；
感应基于变化的磁场和由变化产生的电场之间的关系；
测井工具进行测井所需的井下硬件。该术语通常被简称为"工
具，，；
机器可读介质信息可以以能被计算机或处理器所理解的形式存 储在其上的某些事物；
光盘盘型介质，其中使用光学方法存储和获取信息； 垫状物(pad):压着探井壁的测井工具部分； ROM:只读存储器；
电阻率导体单位横截面和单位长度上的电阻率，确定电阻率等 同于确定其倒数(电导率)。
权利要求
1. 一种评估大地地层的设备，包括在垫状物上的两端电阻率传感器。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中 U)所述垫状物被配置为接近探井壁；(b) 两端中的一端包括设置在垫状物上的第一电极，所述第一 电极被配置为将电流传送到大地地层中；(c) 回流电极，水平地离开所述第一电极；以及(d) 处理器，被配置为根据所述第一电极中的电流确定大地地 层的电阻率特性。
3. 根据权利要求2所述的设备，其中所述垫状物包括多个垫状物。
4. 根据权利要求2所述的设备，其中所述第一电极还包括成方 位角地设置在所述垫状物上的多个电流电极。
5. 根据权利要求2所述的设备，其中所确定的电阻率特性包括 大地地层的水平电阻率。
6. 根据权利要求2所述的设备，还包括附加回流电极，其与至 少一个电流电极垂直地分离；并且其中所述处理器根据所述第 一 电极 中的电流确定大地地层的其它特性。
7. 根据权利要求6所述的设备，其中所述回流电极还包括开路 的电极对。
8. 根据权利要求7所述的设备，其中所述其它特性包括大地地 层的垂直电阻率。
9. 根据权利要求2所述的设备还包括测井工具和传送装置，所 述测井工具被配置为承载至少一个电流电极，所述传送装置被配置为 将测井工具传送到探井之内。
10. 根据权利要求2所述的设备，其中所述处理器确定阻抗的实部。
11. 根据权利要求2所述的设备，其中所述垫状物可从测井工具 的主体的延伸。
12. 根据权利要求2所述的设备，其中所述回流电极还包括一对 回5庇电极。
13. 根据权利要求1所述的设备，其中至少部分地使用下列两项 中的至少一项选择电流的频率(i)探井流体的电阻率，以及(ii) 探井流体的介电常数。
14. 一种评估大地地层的方法，所述方法包括U)使用接近地层中的探井壁的垫状物安装型电流电极将电流 传送到大地地层之内。(b) 在与所述电流电极水平分开的回流电极中接收电流；以及(c) 根据所述回流电极中的电流确定大地地层的电阻率特性。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述垫状物可以从测井 工具的主体延伸。
16. 根据权利要求15所述的方法，还包括使用在所迷多个垫状 物上的电流电极。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中传送电流还包括使用多 个电流电极。
18. 根据权利要求17所述的方法，还包括将多个电流电极成方 位角地设置在所述垫状物上。
19. 根据权利要求14所述的方法，其中所确定的电阻率特性包 括大地地层的水平电阻率。
20. 根据权利要求14所述的方法，其中确定大地地层的电阻率 特性还包括确定在所述电流电极处的阻抗的实部。
21. 根据权利要求14所述的方法，其中所述回流电极还包括第 一对回流电极，所述方法还包括0)使所述第一对回流电极开路，将第二对垂直分开的回流电极设置在至少一个垫状物上；以及(iii)根据来自电流电极的电流确定大地地层的其它特性。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述其它特性包括大地 地层的垂直电阻率。
23. 根据权利要求13所述的方法，还包括使用下列中的至少一 个选择电流频率(i)探井流体的电导率，以及(ii)探井流体的介 电常数。
24. —种与评估被探井所穿透的大地地层的设备一起^f吏用的计 算机可读介质，所述设备包括(a) 至少一个在探井中传送的塾状物，所述至少一个垫状物接 近探井壁；(b) 设置在所述至少一个垫状物上的至少一个电流电极，所述 至少一个电流电极 f皮配置为将电流传送到大地地层之内；以及(c) 水平地离开所述至少一个电流电极的至少一个回流电极； 所述介质包括使处理器能够根据所述至少一个电流电极中的电流确定大地地层的电阻率特性的指令。
25. 根据权利要求25所述的介质还包括以下的至少一个(i) ROM, (ii) EPROM， ( iii) EAROM， ( iv )闪存，以及(v)光 盘。
全文摘要
一种电阻率成像装置，使用两对回流电极沿两正交的方向注入电流，并测量设置在两回流电极之间的钮的阻抗。
文档编号G06F19/00GK101432742SQ200680053536
公开日2009年5月13日 申请日期2006年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者A·N·贝斯帕洛夫, G·B·伊茨科维齐, R·高德, S·福根尼 申请人:贝克休斯公司