專利名稱：具有用于油基泥漿中的成像的高分辨率電極配置的方法和裝置的制作方法
具有用于油基泥漿中的成像的高分辨率電極配置的方法和裝置
背景
現(xiàn)代油田運(yùn)作需要大量有關(guān)井下遇到的參數(shù)和工況的大量信息。這樣 的信息通常包括井眼穿過的地層的特性和與井眼本身的大小和配置有關(guān)的
數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^包括電纜測(cè)井和"隨鉆測(cè)井"(LWD)的若干種方法進(jìn)行與 井下工況有關(guān)的信息的收集(一般稱為測(cè)井)。
在電纜測(cè)井中，在鉆了井的一部分或全部之后，可將探頭或"測(cè)井電 極系(sonde)"放入井眼中。測(cè)井電極系懸吊在長電纜或測(cè)井電纜的末端， 長電纜或測(cè)井電纜為測(cè)井電極系提供機(jī)械支承，還在測(cè)井電極系與位于地 面的電氣設(shè)備之間提供電連接。根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)井技術(shù)，當(dāng)沿井眼向上拉測(cè) 井電極系時(shí)，測(cè)量地層的多個(gè)參數(shù)并將這些參數(shù)與測(cè)井電極系在井中的位 置關(guān)聯(lián)。
在LWD中，鉆井組件包括在地層被穿透時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)的感測(cè)儀器。 雖然LWD技術(shù)允許更多同時(shí)進(jìn)行的地層測(cè)量，但鉆井操作產(chǎn)生對(duì)電子設(shè)備 和傳感器工作通常不利的環(huán)境。
在這些和其它測(cè)井環(huán)境中，期望構(gòu)建井壁的圖像。這樣的圖像揭示所 穿透的地層的精細(xì)尺度結(jié)構(gòu)等。該精細(xì)尺度結(jié)構(gòu)包括諸如頁巖/砂巖層序、 斷面以及由不規(guī)則粘結(jié)引起的不同質(zhì)和孔隙大小變化之類的層理。還可識(shí) 別斷面和地層的定向，從而實(shí)現(xiàn)更精確的儲(chǔ)油層流建模。
可按照多種方式實(shí)現(xiàn)井壁成像，但已經(jīng)證實(shí)微電阻率測(cè)井儀對(duì)此有效。 微電阻率測(cè)井儀以精細(xì)尺度測(cè)量井眼表面電阻率?？蓪⒋穗娮杪蕼y(cè)量結(jié)果 轉(zhuǎn)換成像素強(qiáng)度值，以獲得井壁圖像。最初開發(fā)這樣的測(cè)井儀是為了用于 導(dǎo)電鉆井液(諸如水基鉆井泥漿)。然而，因?yàn)榘鼑鷾y(cè)井儀的油基泥衆(zhòng)中 的阻抗變化性，所以諸如油基泥漿之類的電阻性鉆井液會(huì)妨礙此類測(cè)量。 不過，已經(jīng)提出了用于油基泥漿的多種微電阻率測(cè)井儀，包括美國專利 6,191,588 (Chen)、美國專利6,600,321 (Evans)以及美國專禾U 7,098,664 (Bittar)中公開的那些測(cè)井儀。雖然這些設(shè)計(jì)中的每一種可提供某些優(yōu)點(diǎn)，但針對(duì) 更優(yōu)的測(cè)井儀配置的研究仍在繼續(xù)。
附圖簡述
在以下詳細(xì)描述中將參考附圖，其中


圖1示出一種示例性的隨鉆測(cè)井(LWD)環(huán)境；
圖2示出一種示例性的電纜測(cè)井環(huán)境；
圖3是示例性測(cè)井儀的截面；
圖4是示例性測(cè)井儀的立體圖5A是示例性穩(wěn)定器或傳感器襯墊的截面；
圖5B示出示例性的電流場；
圖6是第二示例性測(cè)井儀的立體圖7A是示例性地層感測(cè)電路的示意圖7B是示例性泥漿感測(cè)電路的示意圖8是地層感測(cè)電路的示例性實(shí)現(xiàn)的示意圖9示出示例性電阻率圖像；
圖10A-10B示出模擬測(cè)井儀響應(yīng)的曲線圖；以及 圖11是示例性成像方法的流程圖。
附圖示出了將詳細(xì)描述的示例性的發(fā)明實(shí)施例。不過，描述和附圖不 旨在將本發(fā)明限制為這些示例性實(shí)施例，相反，本發(fā)明公開和保護(hù)落入所 附權(quán)利要求的精神和范圍的所有修改、等價(jià)方案以及替代方案。
術(shù)語
在以下說明和所附權(quán)利要求中使用的某些術(shù)語指的是具體的系統(tǒng)部 件。本文檔不旨在區(qū)分名稱不同而功能相同的部件。以開放的形式使用術(shù) 語"包括(including)"和"包括(comprising)"，從而應(yīng)當(dāng)將它們解釋為表示"包 括但不限于......"。術(shù)語"耦合"旨在表示間接或直接的電、機(jī)械或熱連接。
因此，如果第一設(shè)備耦合至第二設(shè)備，其連接可以是通過直接連接，或通 過經(jīng)由其它設(shè)備和連接的間接連接。反之，無限制的術(shù)語"連接"應(yīng)當(dāng)被解釋為表示直接連接。對(duì)于電連接，該術(shù)語意味著兩個(gè)元件經(jīng)由具有基本零 阻抗的電路徑附連。
詳細(xì)描述
本文中公開了具有用于對(duì)油基泥漿成像的高分辨率的電極配置的多種 電阻率成像測(cè)井儀和方法。所公開的配置保證在隨鉆測(cè)井(LWD)測(cè)井儀 經(jīng)常面對(duì)的不利工況下的耐用和可靠的性能，以及以達(dá)到電極網(wǎng)格測(cè)井儀 設(shè)計(jì)的分辨率的分辨率進(jìn)行微電阻率測(cè)量的能力。在某些實(shí)施例中，感測(cè) 面包括被聚焦電極包圍的中央測(cè)量電極，該聚焦電極的尺寸比中央電極尺
寸大至少四倍，但不超過中央電極尺寸的約20倍。在感測(cè)面中，直接包圍
聚焦電極的是限定測(cè)量場界限的返回電極。在可延伸的傳感器襯墊上可設(shè) 置該感測(cè)面，但當(dāng)將該感測(cè)面埋在穩(wěn)定器的外表面上時(shí)，預(yù)期該感測(cè)面將
更加耐用。
在所公開的測(cè)井儀和方法工作的較大系統(tǒng)的背景下，能最好地理解所
公開的測(cè)井儀和方法。因此，圖l示出示例性的隨鉆測(cè)井(LWD)環(huán)境。 鉆井平臺(tái)2支承塔架4，塔架4具有用于提升和降低鉆具組8的活動(dòng)塊6。 當(dāng)鉆具組8通過回轉(zhuǎn)臺(tái)12下降時(shí)，鉆具組方鉆桿10支承鉆具組8的其余 部分?；剞D(zhuǎn)臺(tái)12使鉆具組旋轉(zhuǎn)，從而使鉆頭14旋轉(zhuǎn)。當(dāng)鉆頭14旋轉(zhuǎn)時(shí)， 它產(chǎn)生通過多個(gè)地層18的井眼16。泵20將鉆井液通過到方鉆桿10的給液 管22在井下通過鉆具組8的內(nèi)部、通過鉆頭14中的孔、經(jīng)由鉆具組8周 圍的環(huán)形套筒循環(huán)回地面，并使之進(jìn)入貯留池24中。鉆井液將切屑從井眼 轉(zhuǎn)移至池24中，并幫助保持井眼完整性。
鉆頭14僅僅是底孔組件的一個(gè)零件，該底孔組件包括用于提供重量和 剛性以輔助鉆井過程的一個(gè)或多個(gè)鉆鋌(厚壁鋼管)。這些鉆鋌中的某些 包括內(nèi)置測(cè)井儀，用于收集諸如位置、定向、鉆壓、井眼直徑等等之類的 多種鉆井參數(shù)的測(cè)量值。測(cè)井儀定向可根據(jù)測(cè)井儀面角(旋轉(zhuǎn)定向)、傾 斜角(斜率)以及羅盤方向指定，這些參數(shù)中的每一個(gè)可根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)、斜 度計(jì)和/或加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果推導(dǎo)而來，不過還可使用諸如陀螺儀之類的 其它傳感器類型。在一個(gè)具體實(shí)施例中，該測(cè)井儀包括3軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)和3軸加速度計(jì)。如本領(lǐng)域所已知的，那兩種傳感器系統(tǒng)的組合能實(shí)現(xiàn)測(cè) 井儀面角、斜角以及羅盤方向的測(cè)量?？蓪⑦@樣的定向測(cè)量與陀螺儀或慣 性測(cè)量組合，以準(zhǔn)確地跟蹤測(cè)井儀位置。
可將LWD電阻率成像測(cè)井儀26集成到鉆頭14附近的底孔組件中。 當(dāng)鉆頭穿過地層在井眼中延伸時(shí)，測(cè)井儀26旋轉(zhuǎn)并收集井下控制器與測(cè)井 儀位置和定向測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的微電阻率測(cè)量結(jié)果，以形成井壁的電阻率 圖像映射?？蓪⑦@些測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，和/或發(fā)送至地面。底 孔組件中可包括遙測(cè)裝置28以保持與地面的通信鏈路。泥漿脈沖遙測(cè)是用 于將測(cè)井儀測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)移至地面接收器30、并接收來自地面的命令的一種 常見技術(shù)，但還可使用其它遙測(cè)技術(shù)。
在鉆井過程的多個(gè)時(shí)刻，可從井眼移去鉆具組8，如圖2所示。 一旦 移去鉆具組，就可使用電纜測(cè)井儀34——即通過電纜42懸吊的具有用于向 測(cè)井儀輸電的導(dǎo)體和從測(cè)井儀到地面的遙測(cè)的感測(cè)儀測(cè)井電極系——進(jìn)行 測(cè)井操作。測(cè)井儀34的電阻率成像部分可具有感測(cè)襯墊36，當(dāng)沿井眼向上 拉測(cè)井儀時(shí)，感測(cè)襯墊36沿井壁滑動(dòng)。測(cè)井設(shè)備44收集來自測(cè)井儀34的 測(cè)量結(jié)果，且包括用于處理和儲(chǔ)存測(cè)井儀收集到的測(cè)量結(jié)果的計(jì)算設(shè)備。
在以上參照?qǐng)D1和2描述的測(cè)井場景中，井眼中存在的鉆井液是諸如 油基泥漿之類的不導(dǎo)電液體。這種液體中的某些會(huì)與來自井壁的鉆屑或材 料混合，從而在井壁上形成粘滯的半固態(tài)層。此層在術(shù)語上稱為"泥餅 (mudcake)"，而且它阻止測(cè)井傳感器與未受污染的地層材料之間的緊密接 觸。此外，測(cè)井儀器的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生液流層，該液流層進(jìn)一步將測(cè)井傳感器 與未受污染的地層材料分離。
泥餅和液流層具有非常低的電導(dǎo)率，這導(dǎo)致對(duì)井壁電阻率的高分辨率 測(cè)量存在某些困難。在測(cè)量低電阻率地層時(shí)，泥餅產(chǎn)生附加問題，因?yàn)榱?入地層的電流會(huì)相對(duì)小，從而它產(chǎn)生難以測(cè)量的極小的電壓差?？赏ㄟ^以 下改善來通過低導(dǎo)電性層對(duì)高導(dǎo)電性地層的測(cè)量(1)使用交流；(2) 增大電極大小(以降低空間分辨率為代價(jià))；以及(3)使用具有較高工作 頻率的電源。
圖3示出井眼16中的示例性LWD電阻率成像測(cè)井儀26的截面圖。三個(gè)穩(wěn)定器302將測(cè)井儀保持在井眼的中心附近，這樣一來，使穩(wěn)定器的 外表面與井壁之間的間隙最小化。期望使感測(cè)表面與待測(cè)壁的部分之間的
絕緣液體層的厚度最小化?？刹捎弥T如安裝在可延伸臂或加壓彈簧上的襯 墊之類的其它機(jī)構(gòu)來使間隙最小化?；蛘?，可使用此類臂或彈簧迫使測(cè)井 儀主體本身抵靠井壁。雖然適用于本申請(qǐng)，但此類機(jī)構(gòu)可能不如埋入穩(wěn)定 器中的感測(cè)表面一樣耐用。
隨著測(cè)井儀26旋轉(zhuǎn)并以鉆井速度在井下行進(jìn)時(shí)，各個(gè)感測(cè)表面將沿井 壁上的螺旋狀路徑前進(jìn)?？墒褂脺y(cè)井儀內(nèi)的若干個(gè)定向傳感器將電阻率測(cè) 量結(jié)果與傳感器在井壁上的位置關(guān)聯(lián)。地面計(jì)算設(shè)備可收集電阻率測(cè)量結(jié) 果、定向(方位)測(cè)量結(jié)果以及測(cè)井儀位置測(cè)量結(jié)果，而且可處理收集到 的測(cè)量結(jié)果以建立井壁的電阻率圖像。
圖4示出示例性電阻率成像測(cè)井儀26的立體圖。測(cè)井儀26是具有兩 個(gè)或多個(gè)等間距的穩(wěn)定器凸起的鉆鋌(厚壁鋼管)，這些穩(wěn)定器凸起用于 使測(cè)井儀的感測(cè)表面與井壁之間的間隙最小化。如圖4所示，該感測(cè)表面 包括被聚焦電極404包圍的中央測(cè)量電極402，而聚焦電極404又被返回電 極406包圍。如圖所示，感測(cè)表面位于穩(wěn)定器302的壁接觸面上。由于測(cè) 井儀以比鉆頭的穿透速率大得多的速率旋轉(zhuǎn)，所以預(yù)期一個(gè)感測(cè)表面足以 進(jìn)行電阻率成像。不過，在需要時(shí)可在另一穩(wěn)定器上設(shè)置另外的感測(cè)表面， 以備冗余、補(bǔ)償和/或降噪之用。即使其中一個(gè)表面受損，這樣的附加感測(cè) 表面也能使測(cè)井儀正常工作。而且，來自這些附加表面的測(cè)量結(jié)果能實(shí)現(xiàn) 補(bǔ)償噪聲和感測(cè)表面的性能特性的個(gè)別變化的信號(hào)處理技術(shù)的使用。
在示例性實(shí)現(xiàn)中，測(cè)量電極為對(duì)角線約為一英寸(2.5 cm)的正方形。 傳感器表面上的絕緣間隙的寬度不超過0.2英寸(0.5 cm)。聚焦電極為矩 形，其寬度為約六英寸(約15.2 cm)，高度為約十二英寸(約30.5cm)。 聚焦電極被保持于與測(cè)量電極基本相同的電位，以將測(cè)量電流引導(dǎo)到地層 中更深處。測(cè)井儀的主體用作返回電極，但返回電極不需要大于(按照表 面積方面)聚焦電極。因此，例如，具有約10x16英寸(25.4x40.6 cm)的 尺寸的矩形環(huán)形電極對(duì)于所示測(cè)井儀已足夠。該測(cè)井儀不限于具有正方形 或矩形電極。圓形或橢圓形電極也是合適的。而且，還能調(diào)節(jié)這些尺寸以針對(duì)較大間隙的公差平衡測(cè)量分辨率。
圖4示出完全包圍聚焦電極的返回電極。然而，在返回電極中有間隙 的情況下有可能實(shí)現(xiàn)相似的測(cè)量質(zhì)量，只要返回電極基本包圍聚焦電極即 可。在該背景下，術(shù)語"基本"表示從測(cè)量電極的中心測(cè)量時(shí)，每個(gè)間隙占 據(jù)小于30弧度。同樣，聚焦電極只需要基本包圍測(cè)量電極。
圖5A示出穩(wěn)定器凸起302的截面，示出了使測(cè)量電極402與聚焦電極 404隔離、且使聚焦電極404與返回電極406隔離的絕緣材料502。在某些 實(shí)施例中，電極由鋼制成，不過也可使用其它導(dǎo)電材料，只要它們堅(jiān)固到 足以承受鉆井環(huán)境的惡劣程度即可。在示例性實(shí)施例中，使用聚醚醚酮 (PEEK)材料來形成絕緣層，但也可使用其它絕緣材料。因?yàn)榫劢闺姌O被 保持于與測(cè)量電極相同的電位，所以能使絕緣層的厚度最小，而不用過分 關(guān)心測(cè)量電極與返回電極之間的電容性耦合。可將一腔定位在鉆鋌的穩(wěn)定 器凸起部之下的壁中，以保持傳感器電路系統(tǒng)(以下進(jìn)一步描述)。
圖5 B示出證明聚焦電極作用的示例性電流場。聚焦電極使測(cè)量電極與 電場中的不均勻處隔離，從而使電場線504從測(cè)量電極發(fā)射以垂直于測(cè)量 電極表面通過泥漿間隙并進(jìn)入地層。換言之，由泥漿間隙引起的電流的發(fā) 散在測(cè)量電極附近的區(qū)域受到強(qiáng)烈限制，從而防止分辨率的損失。因?yàn)閬?自測(cè)量電極402的電流絕大部分密集集中于測(cè)量電極附近處，所以此區(qū)域 中的地層電阻率支配測(cè)量結(jié)果。通過將返回電極406緊鄰聚焦電極404定 位(相對(duì)于遠(yuǎn)程定位的返回處，諸如支承測(cè)井儀的電纜上)，可進(jìn)一步控 制測(cè)量區(qū)的形狀。
圖6示出測(cè)井儀26的替代示例性實(shí)施例，其中測(cè)量電極402具有直徑 約為1英寸的圓形形狀，而聚焦電極404具有外徑為3英寸的圓形形狀。 所示實(shí)施例還包括泥漿單元，該泥漿單元包括被薄環(huán)電極612包圍的紐扣 電極610。該泥漿單元旨在測(cè)量泥漿電阻率和電容，因此它是凹陷的或位于 穩(wěn)定器之間，以防止與井壁直接接觸。在示例性實(shí)施例中，紐扣電極約為 1/8英寸，而環(huán)形電極約為0.01英寸厚。
可使用相似的電路系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)地層感測(cè)表面和泥漿單元。圖7是用于驅(qū) 動(dòng)感測(cè)表面的示例性電路圖。電源702在返回電極與其它電極之間驅(qū)動(dòng)高頻電壓。預(yù)期信號(hào)頻率范圍在1 MHz與100MHz之間。(不過，已經(jīng)認(rèn)識(shí) 到采用低至20 kHz和高至200 MHz的信號(hào)頻率也可能預(yù)期成功。)驅(qū)動(dòng)信 號(hào)幅度取決于感測(cè)放大器的靈敏度，不過當(dāng)前預(yù)期的電壓范圍為從20 V到 200 V。源702與測(cè)量電極(V探測(cè))之間的連接設(shè)置有電流感測(cè)電路，該電流 感測(cè)電路包括變壓器704和感測(cè)放大器706。變壓器704將來自測(cè)量電極的 電流轉(zhuǎn)換成施加給感測(cè)放大器706的高阻抗輸入端的電壓信號(hào)。通過微控 制器對(duì)感測(cè)放大器的輸出端處的電壓采樣并數(shù)字化以測(cè)量電流。(在某些 實(shí)施例中，在執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前使用降頻轉(zhuǎn)換器降低頻率。在其它實(shí)施例 中，在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前使用包絡(luò)檢波器和/或相位檢測(cè)器來測(cè)量幅值和相位。) 然后根據(jù)歐姆定律確定近似的地層電阻率Ra: RA=kV/I(l)
其中k是校準(zhǔn)常數(shù)，V是電源72的幅度，以及I是來自測(cè)量電極的電流的 同相幅度。將由變壓器704和放大器706形成的感測(cè)電路的阻抗保持低， 以盡可能準(zhǔn)確地保持電壓關(guān)系V探測(cè)=V, --V返回。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，方程(1)給出的近似地層電阻率僅僅是一階近似，且可 構(gòu)造更準(zhǔn)確的模型。例如，可將使感測(cè)表面與井壁分離的泥漿薄層建模為 電阻與電容的串聯(lián)組合。通過泥漿單元能測(cè)量該電阻和電容，并如下地進(jìn)
行補(bǔ)償。首先，泥漿單元提供泥漿電阻率rM和電容率CM的測(cè)量結(jié)果
rM + (l/y'WCM) = k, V，/I，(2)
其中撇號(hào)'表示泥漿單元測(cè)得的電壓和電流測(cè)量結(jié)果。當(dāng)感測(cè)表面的測(cè)量結(jié) 果中包括該薄泥漿層的阻抗時(shí)，我們可以得出
RA = k V /1 = RF + RM = RF + [ rMd -y(d/wcM)],或 (3)
RF = RA - [ rMd + (d/,cM) ], (4) 其中d是間隙(即泥漿層的厚度)。可使用不同的儀器(例如聲學(xué)井徑儀) 測(cè)量該間隙d，或根據(jù)方程(2)和(3)的虛部來估算該間隙d:
d = Im{ RA }/Im{ k, V， 〃， } (5) 在間隙已知的情況下，可計(jì)算泥漿層的電阻，并從感測(cè)表面測(cè)量結(jié)果中去 除該電阻。還存在其它合適的補(bǔ)償手段，并可被該測(cè)井儀采用。
圖8示出用于感測(cè)表面和泥漿單元的電路系統(tǒng)的示例性實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)該實(shí)現(xiàn)是為了使電源與檢測(cè)器電路系統(tǒng)之間的串音最小化。(應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到， 感測(cè)到的信號(hào)電壓可能比源信號(hào)電壓小9或IO個(gè)數(shù)量級(jí)。)聚焦電極優(yōu)選
為幾乎完全密封檢測(cè)電路系統(tǒng)的導(dǎo)電箱802的前表面，該檢測(cè)電路系統(tǒng)包 括電阻(或阻抗)810、低噪聲放大器(LNA) 812以及阻抗匹配電阻器814。 導(dǎo)電箱802包圍(但未密封)測(cè)量電極(由圖8中的V探測(cè)表示)。箱802 的表面中的唯一另一缺口用于允許密封在屏蔽層804內(nèi)的控制/電源和信號(hào) 線進(jìn)出箱802。屏蔽層804被設(shè)計(jì)成衰減來自發(fā)射源808的射頻干擾。
發(fā)射源808向?qū)щ娤?02驅(qū)動(dòng)2 MHz、 20伏信號(hào)。因?yàn)榫劢闺姌O404 是導(dǎo)電箱的一部分，所以該信號(hào)電位出現(xiàn)在聚焦電極上?？赏ㄟ^來自源808 的直接電連接、或(如圖8所示)經(jīng)由變壓器806來驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電箱802，該變 壓器將信號(hào)耦合至屏蔽層804，屏蔽層804又電連接至箱802。屏蔽層804 內(nèi)的電線不會(huì)遭受來自在屏蔽層的外表面上流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的干擾。
測(cè)量電極402經(jīng)由小阻抗810 (諸如50歐姆電阻器)耦合至聚焦電極 404。 LNA812感測(cè)由流過阻抗810的電流引起的電壓降，并通過阻抗匹配 電阻器814將經(jīng)過放大的電壓驅(qū)動(dòng)至通過屏蔽層804的信號(hào)線。因此節(jié)點(diǎn) V,處的電壓表示從測(cè)量電極402流出的電流的測(cè)量值。通過接地屏蔽層816 的第二信號(hào)線耦合至導(dǎo)電箱802，以提供聚焦電極電壓Vp的測(cè)量值(該測(cè) 量值幾乎精確等于測(cè)量電極電壓)。可對(duì)這些測(cè)量結(jié)果解調(diào)并將它們耦合 至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器捕獲同相和正交相分量，以實(shí)現(xiàn)如以上方程 (1)到(5)中所述的電阻率測(cè)量。
當(dāng)將地層電阻率測(cè)量結(jié)果與測(cè)井儀位置L和方位定向財(cái)目關(guān)聯(lián)時(shí)，它們 形成諸如圖9所示的電阻率圖像902。井壁的表面被分成"面元"，其中每個(gè) 面元表示一對(duì)測(cè)井儀位置L和方位定向(3值。每當(dāng)感測(cè)表面通過面元時(shí)，它 收集該面元的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量結(jié)果，這些測(cè)量結(jié)果可與之前的測(cè)量結(jié)果組 合。然后可根據(jù)方程(1)處理組合的測(cè)量結(jié)果，以獲得可被顯示為像素顏 色和/或像素強(qiáng)度的電阻率估算值。這樣的圖像通常揭示層理結(jié)構(gòu)(諸如結(jié) 構(gòu)904)和斷口 (諸如斷口卯6)。這樣的特征通常呈現(xiàn)出與方位角的正弦 相關(guān)性，從而表明井眼以90度以外的角度與該特征遭遇。我們注意到，即 使電阻率測(cè)量結(jié)果本質(zhì)上是相對(duì)的而不是絕對(duì)準(zhǔn)確，但這樣的特征通常仍很明顯。
圖像分辨率很大程度上由感測(cè)表面的測(cè)量分辨率決定。測(cè)量分辨率不 僅取決于測(cè)量電極的大小，而且取決于井壁與感測(cè)表面之間的間隙，而且 在某種程度上取決于地層電阻率。對(duì)于具有中等電阻率對(duì)比度(即具有10
Qm或更好電阻率、且地層之間的邊界具有小IO倍或大IO倍的電阻率的地 層)的中等電阻性地層而言，測(cè)量分辨率基本等于測(cè)量電極的大小。在低 電阻率或低對(duì)比度下(即具有2 Qm或更低電阻率的地層、或其邊界具有比 地層小2倍或大2倍的電阻率的地層)，預(yù)期該分辨率會(huì)稍稍下降(例如 從一英寸軸向分辨率到可能五英寸軸向分辨率)。
圖IOA和10B中所示的建模響應(yīng)顯示了軸向分辨率。在圖IOA中，示 出了按比例的逆電流測(cè)量結(jié)果與深度的關(guān)系，假定夾在具有10 Qm電阻率 的兩個(gè)厚層之間有具有100Qm電阻率的0.2英尺(6 cm)的層。該模型假 定2英寸(5 cm)間隙，鉆井液電阻率為106Qm。該模型采用1 MHz信號(hào) 頻率。圖10B的模型具有相同的假定，但信號(hào)頻率為20MHz，而薄層和厚 層的地層電阻率分別降低至10 Qm和1 Qm。在這兩個(gè)響應(yīng)中，雖然幅值 已經(jīng)從超過基線160%降低至僅103%，但適當(dāng)寬度的峰清晰可見。預(yù)期需 耍非線性補(bǔ)償。因?yàn)閺母邷y(cè)量重復(fù)率可以實(shí)現(xiàn)噪聲降低，所以不認(rèn)為存在 噪聲增強(qiáng)問題。而且，預(yù)期可組合多種頻率的測(cè)量結(jié)果以測(cè)量和補(bǔ)償間隙 變化的影響。
圖11示出示例性電阻率成像方法的流程圖。在框1002，將電阻率成 像測(cè)井儀放置在井眼中。對(duì)于LWD，該測(cè)井儀是井底組件的一部分，而且 當(dāng)執(zhí)行鉆井操作時(shí)用于執(zhí)行測(cè)井。對(duì)于電纜測(cè)井，該測(cè)井儀是放入感興趣 區(qū)域的底部的測(cè)井電極系的一部分，當(dāng)以穩(wěn)定速率沿井眼向上拉測(cè)井儀， 該測(cè)井電極系用于執(zhí)行測(cè)井。如果需要，可部署感測(cè)表面。例如，如果將 感測(cè)表面安裝在襯墊上，則可將那些襯墊延伸至與井壁接觸。
框1004-1016表示在測(cè)井過程期間進(jìn)行的操作。雖然以順序方式示出 和描述，但多個(gè)操作可同時(shí)進(jìn)行或以不同的順序進(jìn)行。在框1004，測(cè)井儀 控制器測(cè)量測(cè)井儀定向和位置。可如上所述地采集這些測(cè)量結(jié)果，即使用 低孔組件中的定向和定位封裝?；蛘?，測(cè)井儀控制器將電阻率測(cè)量結(jié)果提供給另一模塊，該模塊將測(cè)量結(jié)果與正確的測(cè)井儀位置和定向相關(guān)聯(lián)。在 框1006，測(cè)井儀控制器在測(cè)量電極與返回電極之間驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)測(cè)量電 流。在某些替代實(shí)施例中，測(cè)井儀在測(cè)量電極與返回電極之間驅(qū)動(dòng)電流(可 能同時(shí)采用電壓跟隨器電路以將聚焦電極保持于與測(cè)量電極相同的電位)
并測(cè)量電壓。在框1008中，可在不同的信號(hào)頻率下重復(fù)任一測(cè)量。
在框1010中，估算地層電阻率?？墒褂梅匠?1)進(jìn)行該估算。某些
測(cè)井儀實(shí)施例在估算電阻率之前會(huì)將多個(gè)測(cè)量結(jié)果一起求平均。還能使用 其它方程，包括用于考慮了由間隙變化和其它原因引起的液體間隙的變化 阻抗的等效電路模型的方程。在需要時(shí)，可在兩個(gè)以上頻率下進(jìn)行測(cè)量， 以解決等效電路模型中的附加參數(shù)。在某些實(shí)施例中，測(cè)量信號(hào)包括多個(gè)
頻率下的能量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)這些頻率的響應(yīng)的同時(shí)測(cè)量。這樣的信號(hào)可 由不同頻率的正弦信號(hào)之和組成(即窄帶信號(hào)的組合)，或由諸如白噪聲
之類的寬帶信號(hào)或類似于時(shí)域中的脈沖的信號(hào)。在某些測(cè)井儀實(shí)施例中，
對(duì)于測(cè)量不同電阻率的地層，信號(hào)頻率可在低頻(例如lMHz附近)與高 頻(例如40MHz附近)之間切換。對(duì)于具有一般較低電阻率的地層，優(yōu)選 較高的頻率，反之亦然。
在框1012中，地面設(shè)備接收指明最新電阻率測(cè)量結(jié)果以及它們相關(guān)聯(lián) 的測(cè)井儀位置和定向的遙測(cè)數(shù)據(jù)。地面設(shè)備可采取試井車中或安裝在測(cè)井 滑架上的計(jì)算機(jī)的形式，以從遙測(cè)接收器收集數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)根據(jù)其上安裝 的軟件收集并處理數(shù)據(jù)，以將電阻率測(cè)量結(jié)果映射到井壁圖像像素中，從 而形成井壁的電阻率圖像。當(dāng)收集數(shù)據(jù)時(shí)，顯示圖像并更新。在某些系統(tǒng) 中，鉆探工人查看該圖像和其它可用的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)來控制 鉆具組進(jìn)入產(chǎn)油層。在其它系統(tǒng)中，完井工程師分析該圖像和其它可用的 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)以構(gòu)造完井計(jì)劃，包括穿孔區(qū)、隔離封隔器以及控制流路徑。
在框1014，測(cè)井儀繼續(xù)向新位置和定向移動(dòng)。在框1016，測(cè)井儀控制 器確定測(cè)井是否完成。這樣的確定可基于測(cè)井儀位置、可用存儲(chǔ)器、測(cè)井 命令或其它可配置策略。如果測(cè)井繼續(xù)，則測(cè)井儀控制器返回框1004。在 某些實(shí)施例中，當(dāng)測(cè)井完成時(shí)，測(cè)井儀控制器關(guān)閉，而在其它實(shí)施例中， 測(cè)井儀控制器繼續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)井儀位置或其它參數(shù)以備表明測(cè)井應(yīng)當(dāng)恢復(fù)的狀況。
雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可對(duì)本發(fā)明作出修改，而不會(huì)背離本發(fā)明的精神或示教。本文中所描述的實(shí)施例是示例性的而不是限制性的。本系統(tǒng)和裝置的許多變化和修改是可能的，而且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，雖然本公開和權(quán)利要求使用術(shù)語"電阻率"，但廣泛認(rèn)為電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))與電阻率具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而通常用于與電阻率等價(jià)的功能。因此，保護(hù)范圍不受限于本文中所公開的實(shí)施例，而僅受限于所附權(quán)利要求，所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)包括權(quán)利要求的主題的所有等價(jià)物。
權(quán)利要求
1.一種電阻率成像測(cè)井儀，包括測(cè)井儀主體所支承的至少一個(gè)感測(cè)表面，其中所述感測(cè)表面包括測(cè)量電極；基本包圍所述測(cè)量電極的聚焦電極；以及基本包圍所述聚焦電極的返回電極。
2. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述感測(cè)表面包括在所述 測(cè)量電極與所述聚焦電極之間的不導(dǎo)電區(qū)以及在所述聚焦電極與所述返回電 極之間的不導(dǎo)電區(qū)，而且其中所述不導(dǎo)電區(qū)分別具有不超過0.2英寸的寬度。
3. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述返回電極是所述測(cè)井 儀主體的必要部分。
4. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述返回電極電連接至所 述測(cè)井儀主體。
5. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述聚焦電極具有約等于 所述測(cè)量電極的電壓。
6. 如權(quán)利要求5所述的測(cè)井儀，其特征在于，還包括-耦合在所述測(cè)量電極與所述返回電極之間的用于提供測(cè)量信號(hào)的電源；以及耦合至所述測(cè)量電極的用于測(cè)量指示地層電阻率的電參數(shù)的感測(cè)電路。
7. 如權(quán)利要求6所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述電源是電壓源，而所 述電參數(shù)是電流。
8. 如權(quán)利要求6所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述電源提供頻率處于約1 MHz與100 MHz之間的范圍的正弦信號(hào)。
9. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述測(cè)量電極具有平行于 所述測(cè)井儀軸的尺寸，所述尺寸在0.25英寸與4英寸之間(含0.25英寸和4 英寸)。
10. 如權(quán)利要求9所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述聚焦電極具有與所述 測(cè)井儀軸平行的外尺寸，所述外尺寸是所述測(cè)量電極的軸向尺寸的至少兩倍。
11. 如權(quán)利要求10所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述返回電極具有與所述測(cè)井儀軸平行的內(nèi)尺寸，所述內(nèi)尺寸是所述測(cè)量電極的軸向尺寸的不超過25倍。
12. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述測(cè)井儀主體具有至少 兩個(gè)穩(wěn)定器，而且其中所述至少一個(gè)感測(cè)表面是一個(gè)穩(wěn)定器的壁接觸表面。
13. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)井儀，其特征在于，所述測(cè)井儀主體具有可延 伸的襯墊，而且其中所述至少一個(gè)感測(cè)表面是一個(gè)襯墊的壁接觸表面。
14. 如權(quán)利要求6所述的測(cè)井儀，其特征在于，還包括處理器，所述處理 器接收至少部分地基于所述電參數(shù)的地層電阻率測(cè)量結(jié)果，并通過基于測(cè)井儀 位置和與所述電阻率測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的定向測(cè)量結(jié)果將所述地層電阻率測(cè)量 結(jié)果映射到圖像像素來形成電阻率圖像，以供向用戶顯示。
15. —種電阻率成像方法，包括在靠近包含油基泥漿的井壁定位的感測(cè)表面中的測(cè)量電極與基本包圍所 述測(cè)量電極的返回電極之間驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)； 測(cè)量與所述測(cè)量電極相關(guān)聯(lián)的電流； 確定測(cè)井儀位置和定向；以及估算與所述測(cè)井儀位置和定向相關(guān)聯(lián)的井壁電阻率。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括顯示井壁圖像，所述井壁圖像表示作為深度和方位角的函數(shù)的電阻率。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述測(cè)量電極基本被聚焦 電極包圍，所述聚焦電極被保持于與所述測(cè)量電極接近相同的電位，而且其中 所述聚焦電極被定位在所述測(cè)量電極與所述返回電極之間。
18. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述電壓信號(hào)以時(shí)間復(fù)用 方式提供多個(gè)頻率。
19. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，針對(duì)不同信號(hào)頻率檢測(cè)所 述電流。
20. —種測(cè)井系統(tǒng)，包括具有能對(duì)包含低導(dǎo)電性液體的井眼中的壁進(jìn)行電阻率測(cè)量的感測(cè)表面的測(cè)井儀，其中所述感測(cè)表面包括測(cè)量電極；包圍所述測(cè)量電極的聚焦電極；以及 包圍所述聚焦電極的返回電極； 處理器，所述處理器接收指示所述電阻率測(cè)量結(jié)果的值，并將所述值映射 到像素以形成井壁圖像以供顯示。
21. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)井儀還包括 耦合在所述測(cè)量電極與所述返回電極之間的電壓源；以及 檢測(cè)來自所述測(cè)量電極的電流的電流傳感器。
22. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)井儀組合與不同信號(hào)頻率相關(guān)聯(lián)的電流測(cè)量結(jié)果以測(cè)量電阻率。
23. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，在從平行于所述測(cè)井儀的 縱軸測(cè)量時(shí)，所述返回電極具有小于24英寸的內(nèi)尺寸。
24. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述感測(cè)表面位于穩(wěn)定器上。
25. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括泥漿單元，其中所 述處理器接收來自所述泥漿單元的泥漿阻抗的測(cè)量結(jié)果，并至少部分地基于所 述泥漿阻抗測(cè)量結(jié)果估算測(cè)井儀間隙。
全文摘要
所公開的多種電阻率成像測(cè)井儀和方法提供用于對(duì)油基泥漿成像的高分辨率的電極配置。某些測(cè)井儀實(shí)施例具有感測(cè)表面，該感測(cè)表面包括測(cè)量電極、包圍測(cè)量電極的聚焦電極、以及包圍聚焦電極的返回電極。感測(cè)表面可被設(shè)置在可延伸傳感器襯墊或穩(wěn)定器的壁接觸部分上。某些方法實(shí)施例包括在測(cè)量電極與返回電極之間驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的同時(shí)測(cè)量測(cè)量電極電流。電壓信號(hào)可同時(shí)或按順序以不同頻率提供能量。電阻率測(cè)量結(jié)果與測(cè)井儀位置和定向測(cè)量結(jié)果組合以形成井壁圖像。預(yù)期在隨鉆測(cè)井(LWD)測(cè)井儀經(jīng)常面對(duì)的不利工況下有耐用和可靠的性能，以及以達(dá)到電極網(wǎng)格測(cè)井儀設(shè)計(jì)的分辨率的分辨率進(jìn)行微電阻率測(cè)量的能力。
文檔編號(hào)G01V3/00GK101688924SQ200880022184
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者G·斯莫林格, M·S·比塔爾, 胡國煜 申請(qǐng)人:哈里伯頓能源服務(wù)公司