本發(fā)明屬于隨鉆電阻率探測領域，特別涉及一種隨鉆電阻率測量方法及其方位電阻率工具。

背景技術：

現(xiàn)有的井下測量方法，主要集中于隨鉆錄井、隨鉆測井和電纜測井等三種方法。這些技術通過對孔洞性地層測量來確定井下地層的電阻率，電阻率通?？梢杂脕碜R別地層中烴類物質的存在狀況。例如，眾所周知，已知高電阻率多孔地層一般含有烴類，比如原油；而含有飽和水的多孔地層的電阻率一般較低?，F(xiàn)有技術中電阻率和電導率經?；Q使用，這兩個參量互為倒數(shù)關系，通過簡單的數(shù)學計算就能夠實現(xiàn)轉換，依實際使用方便而定。

定向電阻率測量一般可以提供遠程地質信息而不會被攔截(例如：遠程地層、地質界面和液態(tài)物質)。這些信息還包括：距地面深度和遠程方位等。在地質導向方面，定向電阻率測量可以為接下來的鉆井操作提供依據。例如，對于薄油層，主要的搜尋方向就是水平部分。

隨鉆錄井(LWD)方位電阻率的測量方法大家都比較熟悉。當工具在井中旋轉(比如鉆井過程)時，隨鉆錄井(LWD)方位電阻率工具通常可以測量或者評估磁場的交叉分量(例如H_zx組件)。文獻中現(xiàn)有各種工具配置用來測量這種交叉項。例如，Hagiwara在專利U.S.Pat.No.6181138中闡述的方法，利用了軸向發(fā)射天線和三個圓周共地補償接收天線。Minerbo等人的專利U.S.Pat.Nos.6969994、Omeragic的專利U.S.Pat.Nos.7202670和Li等人的專利U.S.Pat.Nos.7382135所采用的方法為使用一個軸向發(fā)射天線和軸向空間傾斜接收天線，接收天線與另外一個角度成180度的天線形成補償(抵消)。Bittar的多項專利U.S.Pat.Nos.6476609，6911824，7019528，7138803和7265552所采用的方法，使用了一個軸向發(fā)射天線和兩個軸向空間傾斜接收天線，補償天線與之傾斜方向相同。傾斜天線已經商用，但是它的一個缺點就是發(fā)射和接收到的混合電磁波難以將弱信號(比如橫向電波)從測量噪聲中區(qū)分出來。

Wang等人的專利US.Pat.Nos.7057392和7414407所涉及到的方法為使用一個軸向發(fā)射天線和兩個縱向的橫向接收天線。一旦發(fā)射信號，每一個接收器都會測量交叉分量，這些交叉分量可以通過求平均值來減弱工具的彎曲效應影響。為了得到更可靠的測量結果，發(fā)射線圈和接收線圈增量保持不變，而這有可能在井中溫度和壓力波動的時候容易出現(xiàn)問題。并且，發(fā)射和接收電子噪聲對于定向電阻率測量的準確性和一致性也會造成影響。

即是說，雖然以上所敘述的方法(和相關的錄井隨鉆電阻率工具)已經廣泛商用，但是依然需要開發(fā)隨鉆錄井(LWD)定向電阻測量的工具及方法來提高這種定向電阻率測量的準確性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種隨鉆電阻率測量方法及其方位電阻率工具，來提高井下定向電阻率測量的準確性。

為了達到上述目的，本發(fā)明的一個技術方案是提供一種隨鉆電阻率測量方法，所使用的方位電阻率工具設有第一發(fā)射天線、第二發(fā)射天線、第一接收天線、第二接收天線；且第一發(fā)射天線及第二發(fā)射天線的位置，與第一接收天線及第二接收天線的位置，不在工具的同一平面；

所述隨鉆電阻率測量方法，包含：

對鉆井中的方位電阻率工具進行旋轉；

激發(fā)第一發(fā)射天線持續(xù)發(fā)射z模式電磁波，及激發(fā)第二發(fā)射天線持續(xù)發(fā)射x模式電磁波；

激發(fā)第一接收天線持續(xù)接收z模式電磁波或持續(xù)接收z模式電磁波和x模式電磁波，及激發(fā)第二接收天線持續(xù)接收x模式電磁波或持續(xù)接收z模式電磁波和x模式電磁波；

通過采樣電路對第一接收天線及第二接收天線接收到的信號進行提取和記錄，分析獲得z模式電磁波分量和x模式電磁波分量；

計算z模式電磁波分量與x模式電磁波分量的復合比率。

優(yōu)選地，第一發(fā)射天線發(fā)射單z模式電磁波，或持續(xù)發(fā)射z模式電磁波及x模式電磁波；以及，第二發(fā)射天線發(fā)射單x模式電磁波，或持續(xù)發(fā)射z模式電磁波及x模式電磁波。

優(yōu)選地，激發(fā)第一發(fā)射天線持續(xù)發(fā)射頻率f₁的z模式電磁波及x模式電磁波，及激發(fā)第二發(fā)射天線持續(xù)發(fā)射頻率f₂的z模式電磁波及x模式電磁波；

其中，f₁/f₂＝L₂²/L_l²，第一接收天線及第二接收天線的位置與第一發(fā)射天線的軸向距離L₁，第一接收天線及第二接收天線的位置與第二發(fā)射天線的軸向距離L₂，且L₁≠L₂；

對頻率f₁下接收獲得的z模式電磁波分量和x模式電磁波分量的復合比率進行計算，以及對頻率f₂下接收獲得的z模式電磁波分量和x模式電磁波分量的復合比率進行計算。

優(yōu)選地，所述第一發(fā)射天線與第二發(fā)射天線縱向隔開或并排設置；

所述第一接收天線與第二接收天線縱向隔開或并排設置。

優(yōu)選地，所述第一發(fā)射天線包含一個或多個軸向發(fā)射天線，所述第二發(fā)射天線包含一個或多個橫向發(fā)射天線；

所述第一接收天線包含一個或多個軸向接收天線，所述第二接收天線包含一個或多個橫向接收天線。

優(yōu)選地，所述第二發(fā)射天線進一步包含一個或多個y模式電磁波的發(fā)射天線；所述第二接收天線進一步包含一個或多個y模式電磁波分量的接收天線。

優(yōu)選地，復合比率r的算式如下

$r=\frac{V_{zx}{V}_{xz}}{V_{zz}{V}_{xx}}=\frac{H_{zx}{H}_{xz}}{H_{zz}{H}_{xx}}$

V_xx、V_xz、V_zx、V_zz表示電壓反應；

H_xx、H_xz、H_zx、H_zz表示感應磁場分量；

V_zx、H_zx對應發(fā)射為z模式電磁波接收獲得x模式電磁波分量的情況；

V_zz、H_zz對應發(fā)射為z模式電磁波接收獲得z模式電磁波分量的情況；

V_xz、H_xz對應發(fā)射為x模式電磁波接收獲得z模式電磁波分量的情況；

V_xx、H_xx對應發(fā)射為x模式電磁波接收獲得x模式電磁波分量的情況。

優(yōu)選地，所述第一接收天線及第二接收天線接收到的為高頻信號；所述采樣電路對高頻信號進行欠采樣。

本發(fā)明的另一個技術方案是提供一種方位電阻率工具，其中包含：第一發(fā)射天線、第二發(fā)射天線、第一接收天線、第二接收天線；

所述第一發(fā)射天線及第二發(fā)射天線的位置，與所述第一接收天線及第二接收天線的位置，不在工具的同一平面；

并且，所述第一發(fā)射天線與第二發(fā)射天線縱向隔開或并排設置，所述第一接收天線與第二接收天線縱向隔開或并排設置；

所述方位電阻率工具在井下旋轉時，第一發(fā)射天線持續(xù)發(fā)射單z模式電磁波，或持續(xù)發(fā)射z模式電磁波及x模式電磁波；

第二發(fā)射天線持續(xù)發(fā)射單x模式電磁波，或持續(xù)發(fā)射z模式電磁波及x模式電磁波；第一發(fā)射天線和第二發(fā)射天線的發(fā)射頻率相同或不相同；

第一接收天線單獨接收z模式電磁波，或持續(xù)接收z模式電磁波及x模式電磁波；

第二接收天線單獨接收x模式電磁波，或持續(xù)接收z模式電磁波及x模式電磁波。

優(yōu)選地，第一接收天線及第二接收天線接收到的為高頻信號；

通過采樣電路對第一接收天線及第二接收天線接收到的高頻信號進行欠采樣，分析獲得z模式電磁波分量和x模式電磁波分量，用來計算z模式電磁波分量與x模式電磁波分量的復合比率r：

$r=\frac{V_{zx}{V}_{xz}}{V_{zz}{V}_{xx}}=\frac{H_{zx}{H}_{xz}}{H_{zz}{H}_{xx}}$

V_xx、V_xz、V_zx、V_zz表示電壓反應；

H_xx、H_xz、H_zx、H_zz表示感應磁場分量；

V_zx、H_zx對應發(fā)射為z模式電磁波接收獲得x模式電磁波分量的情況；

V_zz、H_zz對應發(fā)射為z模式電磁波接收獲得z模式電磁波分量的情況；

V_xz、H_xz對應發(fā)射為x模式電磁波接收獲得z模式電磁波分量的情況；

V_xx、H_xx對應發(fā)射為x模式電磁波接收獲得x模式電磁波分量的情況。

傳統(tǒng)地下鉆井中方位電阻率測量時，在采集電路中加入LO振動器、混頻器和濾波電路將采集到的高頻進行混頻、降中頻，再濾波，導致準確性受影響。與之相比，本發(fā)明的案例具有多項技術優(yōu)勢。例如，本發(fā)明采用高頻欠采樣技術，避免了一般采樣電路中由LO振動器和混頻器所造成的噪聲。通過計算復合比率，本發(fā)明可以將發(fā)射矩影響、接收矩影響以及電子誤差(振幅和相位)由數(shù)學方法從電壓測量信息中剔除出去。通過消除誤差源，本發(fā)明有效提高了方位電阻率測量的精確度。

本發(fā)明在特定案例的有利條件下，計算所得復合比率的方位角敏感度大致與接收到的交叉項V_zx(或者H_zx)成比例?，F(xiàn)有技術的測量通常需要一定規(guī)模井下過程積累才能實現(xiàn)，而本發(fā)明更加適合在有限動力源條件下井下的微控測量。

本發(fā)明通過計算復合比率，還可以在不考慮天線間隔的情況下去除非對稱發(fā)射器中近井的各向異性效應，從而減小誤差。該誤差來源于井下溫度和壓強導致的天線變形，及進而造成天線間距的改變。

針對電磁波在傳輸過程中以及采樣過程造成信號失真的問題，本發(fā)明采用欠采樣技術直接進行高保真高頻采樣，并著重研究了定向電阻率測量中的補償性問題，基于所接收到的電磁波軸向分量和橫向分量的比率關系來實現(xiàn)失真補償，實現(xiàn)了信號準確探測。

附圖說明

為了更加全面地理解本發(fā)明以及其優(yōu)點，下述以及對應的圖示可以幫助說明：

圖1是本發(fā)明所述隨鉆電阻率測量方法的流程圖；

圖2A和圖2B本發(fā)明所述方位電阻率工具的兩種結構示意圖；

圖3是本發(fā)明中所采用的高頻欠采樣電路框圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供的隨鉆電阻率測量方法(Ⅰ)中，使方位電阻率工具在鉆孔內旋轉(Ⅱ)；正如以下將詳細描述的一樣，該方位電阻率工具包括至少第一和第二發(fā)射天線，其中一個用來發(fā)射z模式電磁波(Ⅲ)，另外一個用來發(fā)射x模式電磁波(Ⅵ)。該工具同時包括至少第一和第二接收天線，接收天線與發(fā)射天線在工具的縱向間隔布置，其中一個用來接收電磁波的z模式分量(Ⅳ)，另外一個用來接收電磁波的x模式分量(Ⅶ)。

第一和第二發(fā)射天線持續(xù)激活(Ⅲ和Ⅵ)，以便向地下地層中發(fā)射單模式電磁波。而電磁波的軸向和橫向分量可以分別被對應的接收天線接收(Ⅳ和Ⅶ)。信號經過高頻欠采樣處理后，對接收到的分量的復合比率進行計算(Ⅸ)。所得比率在井下進行計算并存儲于井下存儲器或者由遙測計發(fā)射回地面。

電磁方位電阻率工具都裝配有單模發(fā)射和接收天線。根據方位電阻率工具(或者鉆洞)的參考系定義了單模天線，其中軸向(一般是z軸)與工具(或者鉆洞)的縱軸一致。在這個參考系中，軸向天線中的天線磁矩與工具軸一致；軸向天線可以發(fā)射和/或接收單軸模式電磁波。橫向天線中天線的磁矩與工具軸正交垂直；橫向天線可以發(fā)射和/或接收單向橫向模式(x模式或者y模式)的電磁波。本發(fā)明提供的天線發(fā)射和/或接收單模式電磁波。比如，軸向發(fā)射天線發(fā)射大量的單z軸模式電磁波；橫向接收天線接收大量的純x模式(或y模式)電磁波。

大幅度單模意味著發(fā)射和接收天線傾向于發(fā)射和接收單模電磁波。比如，傳統(tǒng)軸向發(fā)射天線傾向于發(fā)射單z軸模式電磁波，從而被說成制造了單z模式的電磁波。同樣的，傳統(tǒng)橫向接收天線傾向于接收單x模式電磁波，從而被說成接收單x模式電磁波。與此相反的天線傾向于發(fā)射和接收混合模式電磁波。例如，傳統(tǒng)的傾斜天線傾向于發(fā)射和接收混合模式電磁波(比如混合x模式和z模式)，并且一般不認為他們能夠發(fā)射和接收單模電磁波。本領域技術人員可能認為，傳統(tǒng)的軸向和橫向天線一般發(fā)射和接收的都是多模式電磁波，比如由于設計限制等。就這一點而言，本發(fā)明并沒有受到限制。盡管這種多模式確實存在(當然所占比例較小)，傳統(tǒng)的軸向天線仍然被認為發(fā)射和接收的還是單向的z模式電磁波。同樣的，傳統(tǒng)橫向天線仍被認為發(fā)射和接收的是單x模(或者y模)電磁波。

圖2A和圖2B描述了本發(fā)明提供的電磁波方位電阻率工具α和ζ，是隨鉆錄井(LWD)工具，均可適用于上文所述的測量方法。電阻率工具α(圖2A)包括一個軸向發(fā)射天線β和一個橫向發(fā)射天線γ，兩者在工具主體的縱向間隔分布(不在同一平面)。該電阻率工具α進一步包括一個軸向接收天線δ和一個橫向接收天線ε，兩者在工具主體的縱向間隔分布(不在同一平面)，且與前述發(fā)射天線β及γ亦相互隔開(也不在同一平面)。

或者，發(fā)射天線和接收天線也可以各自并排設置。例如在另一電阻率工具ζ(圖2B)中，軸向發(fā)射天線β和橫向發(fā)射天線γ并排設置，軸向接收天線δ和橫向接收天線ε并排設置，而發(fā)射天線β、γ與接收天線δ、ε相互隔開，不在同一平面。在其他的示例中，還可以使兩個發(fā)射天線并排設置，而接收天線縱向隔開；或者，可以使兩個發(fā)射天線縱向隔開，而接收天線并排設置，本發(fā)明對此不作限制。

又或者，本發(fā)明的工具中，第一發(fā)射天線及其對應第一接收天線的天線對數(shù)量可以超過一個；第二發(fā)射天線及其對應第二接收天線的天線對數(shù)量可以超過一個。工具中還可以包含一對或多對y模式發(fā)射和接收的天線，其與其他x模式、z模式的發(fā)射和接收的天線對，縱向隔開或并排設置。此外，技術上來說，根據互易原則，每一個發(fā)射和接收天線在與合適的發(fā)射和接收電子設備耦合時，既可以作為發(fā)射裝置也可以作為接收裝置。

進一步理解本發(fā)明，通常使用電磁感應或者傳播測量。一般，電磁傳播工具要比電磁感應工具的使用頻率高。本發(fā)明并不受限于電磁波的頻率。本領域技術人員也將意識到電磁波可以擁有多個(2個或者更多)的頻率分量可供使用(這是非常重要的)。本發(fā)明都不會受到這些方式的限制。

在一示例中，第一發(fā)射天線持續(xù)發(fā)射頻率f₁的z模式和x模式電磁波，由第一接收天線持續(xù)接收z模式分量，第二接收天線持續(xù)接收x模式分量；第二發(fā)射天線持續(xù)發(fā)射頻率f₂的z模式和x模式電磁波，由第一接收天線持續(xù)接收z模式分量，第二接收天線持續(xù)接收x模式分量；其中，f₁/f₂＝L₂²/L_l²，L₁和L₂分別表示這對接收天線與第一發(fā)射天線和第二發(fā)射天線的軸向距離，L₁≠L₂。進而對每一頻率下接收到的z模式和x模式分量的復合比率分別計算。

就本領域一般技術來說，發(fā)射線圈(例如發(fā)射天線β和γ的線圈)中的時變電流(交流電)在所測地層中產生了一個對應的時變磁場。該磁場反過來在導電性地層中產生感應電流(渦旋電流)這些渦旋電流進一步產生二級磁場，而該二級磁場會在一個或者多個接收線圈(例如接收天線δ和ε的線圈)中產生電壓反應。這些接收線圈中所測得的電壓通過現(xiàn)有技術處理可以得到一個或者多個二級磁場的測量結果，反過來進一步估算地層的電阻率(電導率)和介電常數(shù)。通過現(xiàn)有技術可以從這些地層的電學特性關聯(lián)到含烴類物質的電勢。

參照圖1和圖2，發(fā)射天線可能分別發(fā)射z模式和x模式電磁波(Ⅲ和Ⅵ)。每個電磁波的單z模式和x模式分量將由一對軸向和橫向的接收天線(例如圖2中的δ和ε)接收到(Ⅳ和Ⅶ)。通過以下算式，對接收的電磁波軸向和橫向波分量(Ⅴ和Ⅷ)進行復合比率的計算(Ⅶ)：

$r=\frac{V_{zx}{V}_{xz}}{V_{zz}{V}_{xx}}---\left(1\right)$

其中，r表示復合比率，V_xx，V_xz，V_zx和V_zz表示發(fā)射的電磁波在接收線圈處的電壓反應。此電壓反應(或者電磁場反應)的下標參數(shù)規(guī)定，第一個字母表示發(fā)射模式(x或z模式)，第二個字母表示接收模式(x或z模式)。

就目前技術來說，這些電壓反應(V_xx，V_xz，V_zx和V_zz)通過演算可以得到對應的感應磁場分量(H_xx，H_xz，H_zx和H_zz)。因此，公式(1)中的復合比率可以從數(shù)學上推導為電磁場分量的表述如下：

$r=\frac{H_{zx}{H}_{xz}}{H_{zz}{H}_{xx}}---\left(2\right)$

公式(1)和(2)計算所得復合比率通過將發(fā)射端磁矩、接收端磁矩以及電子誤差(振幅和相位)從電壓(或者電磁場)測量中剔除而實現(xiàn)了方位電阻率測量的補償。就本領域技術來說，接收天線的電壓測量與發(fā)射和接收端的電磁矩成比例。相位和振幅誤差可能是由接收電器引起的。正如以上所述，發(fā)射端和接收端增益通常是隨井洞(例如井洞溫度和壓強的改變)而變化，這也導致了變化的發(fā)射磁矩和接收磁矩。明顯的工具變化也能夠被發(fā)現(xiàn)。電子誤差也會隨著井洞溫度而改變。根據本發(fā)明所計算的復合比率能夠消除誤差源，并提高方位電阻率測量的準確性。

就技術層面來說，由接收天線測量的電壓所推導的電磁場最好能夠與地層的真實磁場成比例，但由于已知的原因其并不相同。失真的測量磁場表示如下：

H(ω)＝A_T(ω)e^iΔΦTA_R(ω)e^iΔΦRH^*(ω) (3)

其中，H(ω)表示測量磁場，H^*(ω)表示地層的真實磁場，A_T(ω)和ΔΦ_T表示發(fā)射端引起的真實地層磁場振幅和相位的失真，而A_R(ω)和ΔΦ_R表示由接收端引起的真實地層磁場振幅和相位的失真，ω表示弧度表示的角頻率。就目前技術來說，振幅和相位的誤差可能包括天線的磁矩，電子偏移和失真，以及其它環(huán)境效應。

參考圖1，當發(fā)射天線持續(xù)激活，每一個接收端的測量磁場可以簡單表示如下：

Hzz(ω)＝A_Tz(ω)e^iΔΦTzA_Rz(ω)e^iΔΦRzH^*zz(ω)

Hzx(ω)＝A_Tz(ω)e^iΔΦTzA_Rx(ω)e^iΔΦRxH^*zx(ω)

Hxz(ω)＝A_Tx(ω)e^iΔΦTxA_Rz(ω)e^iΔΦRzH^*xz(ω)

Hxx(ω)＝A_Tx(ω)e^iΔΦTxA_Rx(ω)e^iΔΦRxH^*xx(ω) (4)

其中，H_xx、H_xz、H_zx和H_zz的定義參考公式2，A_Tz(ω)、ΔΦ_Tz、A_Tx(ω)和ΔΦ_Tx表示由z模式和x模式發(fā)射天線引起的振幅和相位的誤差，而A_Rz(ω)、ΔΦ_Rz、A_Rx(ω)和ΔΦ_Rx表示由z模式和x模式接收天線引起的振幅和相位的誤差。

將公式(4)帶入公式(2)得到：

$r=\frac{A_{Tz}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Tz}}{A}_{Rx}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Rx}}{H}_{zx}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\·A_{Tx}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Tx}}{A}_{Rz}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Rz}}{H}_{xz}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{A_{Tz}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Tz}}{A}_{Rz}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Rz}}{H}_{zz}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\·A_{Tx}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{{\mathrm{i\Δ\Φ}}_{Txz}}{A}_{Rx}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{i\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}RX}{H}_{xx}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(5\right)$

可以簡化為：

$r=\frac{H_{zx}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\·H_{xz}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{H_{zz}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)\·H_{xx}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(6\right)$

從技術上來說，所有的振幅和相位誤差在從公式(5)到公式(6)的數(shù)學簡化過程中被巧妙地剔除了。因而，比率r實現(xiàn)了方位電阻率測量的完全補償。

傳統(tǒng)的采樣電路會通過LO振動器、混頻器和濾波電路將高頻信號進行降頻處理，再對降頻后的信號進行采集。這個過程中，由于振動器、混頻器以及濾波器的不穩(wěn)定造成了采樣信號的不穩(wěn)定和噪聲信號的引入。對于接收端有可能造成的信號失真，本發(fā)明涉及的高頻采樣電路的工作原理如圖3所示，在電路中不使用振動器和混頻器，對所接收到的信號直接進行高頻采樣；采樣方法使用了欠采樣方法，并依據特定算法和信號處理方法進行信號還原。所得信號避免了振動器和混頻器所引起的失真效應，有效避免了噪聲信號的產生。

篇幅有限，本發(fā)明適用于以上案例，而不局限于這些案例，依據本發(fā)明的局部改動也屬于其保護范圍之內。