专利名称：用于在非导电性钻井液中微电阻率成像的设备和方法
技术领域：
本发明一般涉及微电阻率测井测量。更特别地，本发明的实施方案涉及适于进行微电阻率测量非导电性钻井液的随钻测井工具。
背景技术：
在现有技术的井下应用，如随钻测井(LWD)和电缆测井应用中使用电测量是熟知的。这种技术可例如被利用于确定地下地层电阻率，其与地层孔隙度测量一起可用于指示地层中油气的存在。所属领域中已知具有高电阻率的多孔地层通�：杏推缭停哂械偷缱杪实亩嗫椎夭阃ǔＪ撬ズ偷�。应了解，所属领域中的术语电阻率和电导率通�？苫セ皇褂�。所属领域的一般技术人员将容易认识到这些量是倒数，并且可经由简单数学计算将一者转换为另一者。出于描述的方便而在本文中提及一者或另一者，且并非旨在是限制性意义。用于进行地下地层的微电阻率测量的技术针对电缆和LWD操作两者在现有技术中是熟知的。微电阻率测井工具通常取决于是否使用导电性(水性)或非导电性(油性)钻井液(泥浆)而利用两个已知测量原理的一者。当利用导电性钻井液时，井孔环状缝隙为电流提供良好导管。主要挑战之一是使电流聚集，使其进入地层。非导电性钻井液的使用引起了不同挑战。油性钻井液可严重阻碍电流流过液体进入地层中。一个重要挑战是致使电流穿透钻井液，使其进入地层。所属领域的技术人员将理解当通过水溶性地层(例如，包括盐层)钻井时通常利用油性钻井液。已知油性(非导电性)钻井液的使用大大减小了被构造来与水性(导电性)钻井液一起使用的微电阻率测井工具的有效性。同样，所属领域中一般已知被构造来与油性钻井液一起使用的微电阻率测井工具(例如前述段落中所述)不能很好地适于在导电性钻井液中进行微电阻率测量。被构造来与非导电性钻井液一起使用的微电阻率传感器通常包括至少四个电极包括部署在电流注入器与返回电极之间的一对间隔开的电位电极。在使用中，在注入器与返回电极之间传递高频交流电流(例如，以I兆赫兹的数量级)。通常需要高频率以便减小油性钻井液的电阻抗，并且使一部分电流能够穿透地层。也已知使用高频率以致使传感器中和非导电性钻井液中的位移电流。在缺乏这些位移电流时(或当已经导致位移电流时)，电位电极之间的电压降趋于与地层电阻率近似成比例。虽然在非导电性钻井液中可利用四电极构造，但是在随钻测井应用中仍然有显著困难。例如，钻井操作使得难以将传感器维持紧靠井孔壁。变化的传感器间隙可显著恶化图像分辨率。已进行尝试来使用弹性或装有弹簧的垫以更好地控制传感器间隙，但是这些构造在LWD操作中一般并不机械稳定。因此，所属领域中对适于用于非导电性钻井液中且对于传感器间隙一般不敏感的微电阻率测井工具(和传感器)存在需要。
发明内容
本发明的各个方面旨在解决上文所述的对改进的微电阻率测井传感器的需要。在一个示例性实施方案中，本发明包括具有微电阻率传感器的井下微电阻率测井工具。传感器包括可例如部署在工具主体中(例如，工具主体的翼片外壳部分中)的发送器线圈和至少一个接收器线圈。发送器线圈和接收器线圈优选地界定大体上垂直于测井工具的纵轴的线圈轴。发送器线圈被构造来通过非导电性钻井液将高频交流电流向外径向发送到邻近地下地层中。接收器线圈被构造来接收(测量)指示视地层电阻率的电压响应。在本发明的优选实施方案中，接收器线圈部署在发送器线圈内部并与发送器线圈同轴。本发明的示例性实施方案可有利地提供若干个技术优点。例如，根据本发明的测井工具可有利地在存在非导电性钻井液时能够微电阻率测量地下地层。此外，对比于常规四电极传感器，本发明的实施方案一般形成相当小的电流回路使得微电阻率测量上的电流回路的自感影响趋于显著减小。本发明的实施方案也趋于比常规四电极传感器有利地对传感器间隙较不敏感。本发明胜过常规四电极传感器的额外优点在于发送和接收导体不与钻井液直接接触，因此避免了可能在导体的暴露表面处发生的电化学效应。已知这些效应通常会增加导体阻抗。由于前述优点，因此根据本发明的用传感器进行的微电阻率测量趋于对真实地层电阻率具有增加的敏感度。在一个方面，本发明包括井下微电阻率测井工具。所述工具包括部署在测井工具主体上的发送器线圈和接收器线圈。发送器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体。电导体连接到部署在工具主体中的高频交流电流发生器。接收器线圈也包括绕磁导芯缠绕的电导体，电导体连接到部署在工具主体中的高频交流电压传感器。发送器线圈和接收器线圈中的每个都界定大体上垂直于工具主体的纵轴的线圈轴。在又另一方面，本发明包括微电阻率随钻测井工具。随钻测井工具包括部署在随钻测井工具主体上的微电阻率测井传感器。微电阻率传感器包括发送器线圈和接收器线圈，其中每个都界定大体上垂直于工具主体的纵轴的线圈轴。发送器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体，电导体连接到部署在工具主体中的高频交流电流发生器。接收器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体，电导体连接到部署在工具主体中的高频交流电压传感器。为了可更好理解下面的本发明的详细描述，前文已相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点。下文中将描述本发明的附加特征和优点，其形成本发明的权利要求的标的。所属领域的技术人员应了解所公开的概念和具体实施方案可容易地被利用为修改或设计用于实行本发明的相同目的的其它结构的基础。所属领域的技术人员还应了解这些等效构造并不脱离如随附权利要求中阐述的本发明的精神和范畴。
为更完全理解本发明和其优点，现在结合附图对下文的描述进行参考，其中图1描绘其上可利用本发明的示例性实施方案的常规钻机。
图2描绘根据本发明的微电阻率传感器的一个示例性实施方案。图3描绘部署在根据本发明的示例性微电阻率工具中的图2中所示的微电阻率传感器。图4A和图4B示意地描绘由环形发送器在地下井孔和地层中感应的电流。图5示意地描绘在存在导电性工具主体时由环形发送器在地下井孔和地层中的电流。图6描绘图5所示的配置的等效电路表示。图7描绘根据本发明的替代微电阻率传感器实施方案。
具体实施例方式现在参考图1至图7，描绘本发明的示例性实施方案。关于图1至图7，应理解，可由各种视图示出所图示的实施方案的特征或方面。在这些特征或方面对于特定视图是共同时，其使用相同参考数字标注。因此，在图1至图7中的一个视图上用特定参考数字标注的特征或方面可在本文中相对于其它视图上所示的所述参考数字而描述。图1描绘在离岸石油或天然气钻井总成(一般用10指示)中使用的微电阻率随钻测井工具100的一个示例性实施方案。在图1中，半潜式钻井平台12定位在布置在海底16下方的石油或天然气地层(没有示出)上。海底导管18从平台12的甲板20延伸到井口安装22。平台可包括用于升高和降低钻柱30的井架和起重设备，所述钻柱30如所示地延伸到井孔40并包括钻机32和随钻测井工具100。LffD工具100的实施方案包括至少一个微电阻率传感器150。钻柱30还可以包括例如井下钻井电动机、泥浆脉冲遥测系统、导向工具和/或用于感测井孔和周围地层的井下特性的许多其它MWD和LWD传感器中的一个或多个。本发明不受钻柱或底部钻具组件(BHA)构造所限制。所属领域的一般技术人员应理解图1描绘的部署出于描述本文中阐述的本发明的目的而仅是示例性的。还应理解根据本发明的测井工具不限于与图1图示的半潜式平台12 —起使用。测量工具100同样很好地适于与离岸或陆上的任何种类的地下钻井操作一起使用。虽然图1示出测量工具100与钻柱30耦接，但是还应理解本发明不限于LWD的实施方案，而且也可在电缆微电阻率工具中被利用。图2描绘根据本发明的微电阻率成像传感器150的一个示例性实施方案。传感器150包括第一和第二同心缠绕的环形线圈160和170。在所描绘的不例性实施方案中，夕卜部环形线圈160被构造为发送器(并且在本文中也称为发送器线圈)，而内部环形线圈170被构造为接收器(并且在本文中也称为接收器线圈)。虽然本发明在这方面没有限制，但是接收器在发送器中同心的这种构造是优选的，因为其趋于提供改进的图像分辨率。第一线圈和第二线圈中的每个都界定优选地近似垂直于(例如，在约10度以内)工具100的纵轴的线圈轴175 (所述轴垂直于线圈平面)。第一线圈和第二线圈优选地也部署在相同平面内，虽然一者可相对于另一者凹陷。传感器150可包括大体上任何适当的发送器和接收器线圈构造。线圈160和170中的每个都包括具有绕其部署的导电绕线164和174的磁导芯162和172。线圈160和170中的每个都通常包括几百甚至上千匝导体，其中所述导体连接到交流电流发生器152 (对于发送器)或AC电压传感电子装置154 (对于接收器)。在现有技术中熟知这种环形线圈构造。应理解，本发明不限于发送器线圈160和接收器线圈170利用环形芯的实施方案。相反，芯可以是大体上任何形状，只要其是凸起的。凸起芯形状的适当实例包括三角形、矩形、六边形、八边形、椭圆和类似形状。非凸起芯形状(例如星形)通常是不适当的。虽然环形芯并非必需，但是其使用可为有利的，因为环形芯关于其中心轴对称。这种对称一般提供各向同性的图像分辨率，即，在垂直和方位角方向上大体上相同的图像分辨率。在图2描绘的示例性实施方案中，发送器线圈被构造来例如以范围从约IOOkHz至约IOOMHz的频率将高频交流电流驱动到周围地层中。接收器线圈170被构造来通过监视线圈的电压输出而检测通过接收器线圈170的中心进入地层的电流。接着可例如经由以下方程式而计算邻近接收器线圈170的地层电阻率:
权利要求
1.一种井下微电阻率测井工具，其包括: 具有纵轴的测井工具主体； 部署在所述工具主体中的发送器线圈，所述发送器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体，所述电导体连接到部署在所述工具主体中的高频交流电流发生器； 部署在所述工具主体中的接收器线圈，所述接收器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体，所述电导体连接到部署在所述工具主体中的高频交流电压传感器；和 其中所述发送器线圈和接收器线圈每个都界定大体上垂直于所述工具主体的所述纵轴的线圈轴。
2.根据权利要求1所述的井下工具，其中每个所述发送器线圈和接收器线圈都包括大体上环形的磁导芯。
3.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述接收器线圈部署在所述发送器线圈的内部。
4.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述接收器线圈部署为与所述发送器线圈同轴并位于所述发送器线圈的内部。
5.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述发送器线圈被构造来发送以范围从约IOOkHz至约IOOMHz的频率的交流电流。
6.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述测井工具主体包括径向延伸的翼片，所述发送器线圈和所述接收器线圈被部署在所述翼片中。
7.根据权利要求1所述的井下工具，其还包括控制器，所述控制器被构造来(i)对所述发送器线圈施加电压，并从而将高频AC信号发送到地下地层中；(ii)在所述接收器线圈处接收所述高频AC信号；和(iii)根据所述接收的信号计算视地层电阻率。
8.一种微电阻率随钻测井工具，其包括: 具有纵轴的随钻测井工具主体； 部署在所述工具主体上的微电阻率测井传感器，所述微电阻率传感器包括发送器线圈和接收器线圈，其中每个都界定大体上垂直于所述工具主体的所述纵轴的线圈轴； 所述发送器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体，所述电导体连接到部署在所述工具主体中的高频交流电流发生器；和 所述接收器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体，所述电导体连接到部署在所述工具主体中的高频交流电压传感器。
9.根据权利要求8所述的随钻测井工具，其中所述发送器线圈和接收器线圈中的每个都包括大体上环形的磁导芯。
10.根据权利要求8所述的随钻测井工具，其中所述接收器线圈部署在所述发送器线圈的内部。
11.根据权利要求8所述的随钻测井工具，其中所述接收器线圈被部署为与所述发送器线圈同轴并位于所述发送器线圈的内部。
12.根据权利要求8所述的随钻测井工具，其中所述发送器线圈被构造来发送以范围从约100kHz至约100MHz的频率的交流电流。
13.根据权利要求8所述的随钻测井工具，其中所述测井工具主体包括径向延伸的翼片，所述发送器线圈和所述接收器线圈被部署在所述翼片中。
14.根据权利要求8所述的随钻测井工具，其还包括方位角传感器，所述方位角传感器被部署在所述工具主体中且被构造来测量所述接收器线圈的工具面角。
15.根据权利要求14所述的随钻测井工具，其还包括控制器，所述控制器被构造来暂时将微电阻率测量值与所测量的工具面角相关，并从而构建LWD图像。
16.根据权利要求8所述的随钻测井工具，其还包括控制器，所述控制器被构造来(i)对所述发送器线圈施加电压，并从而将高频AC信号发送到地下地层中；(ii)在所述接收器线圈处接收所述高频AC信号；和(iii)根据所述接收的信号计算视地层电阻率。
17.一种用于在地下井孔中进行微电阻率测井测量的方法，所述方法包括: (a)提供微电阻率测井工具，所述工具包括部署在工具主体上的微电阻率测井传感器，所述传感器包括发送器线圈和接收器线圈，其中每个都界定大体上垂直于所述工具主体的纵轴的线圈轴；所述发送器线圈和接收器线圈中的每个都包括绕磁导芯缠绕的电导体； (b)致使所述发送器线圈将高频交流电流发送到所述地下井孔中； (c)致使所述接收器线圈测量对应于(b)中的所述发送的交流电流的高频交流电压；和 (d)根据(c)中接收 的所述交流电压计算视地层电阻率。
全文摘要
一种微电阻率测井工具包括部署在工具主体上的发送器线圈和至少一个接收器线圈。所述发送器线圈和接收器线圈界定优选地大体上垂直于工具轴的轴。
文档编号G01V3/28GK103080777SQ201180042883
公开日2013年5月1日 申请日期2011年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者王清丽 申请人:史密斯运输股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
