测量钻头处地层电阻率的装置
阅读：599发布：2023-02-05
专利汇可以提供测量钻头处地层电阻率的装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种测量 钻头 处 地层 电阻 率 的装置，包括：工具壳体；配置在工具壳体上的发射机；其中，发射机用于生成电 信号 并将 电信号 转换为待发射至地层的电磁信号；配置在工具壳体上的接收机，位于发射机的轴向距离处；其中，接收机用于测量来自发射机的电磁信号的振幅和 相位 ；与发射机耦合的发射信号 耦合器 ；其中，发射信号耦合器用于耦合部分来自发射机的天线的电信号，并测量耦合的电信号的振幅和相位；其中，接收机接收到的电磁信号和发射信号耦合器耦合的电信号之间的振幅衰减和 相位差 用于计算电阻率。根据本发明，解决了因钻头和传统传播 测井 工具之间距离产生的测量滞后问题，提升了设备的实用性。，下面是测量钻头处地层电阻率的装置专利的具体信息内容。
1.一种测量钻头处地层电阻率的装置，其特征在于，包括：
工具壳体；
配置在所述工具壳体上的发射机；其中，所述发射机用于生成电信号并将所述电信号转换为待发射至地层的电磁信号；
配置在所述工具壳体上的接收机，位于所述发射机的轴向距离处；其中，所述接收机用于测量来自所述发射机的电磁信号的振幅和相位；
与所述发射机耦合的发射信号耦合器；其中，所述发射信号耦合器用于耦合部分来自所述发射机的天线的电信号，并测量耦合的电信号的振幅和相位；
其中，所述接收机接收到的电磁信号和所述发射信号耦合器耦合的电信号之间的振幅衰减和相位差用于计算电阻率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射机包括至少一条天线，用于发射电磁信号；所述接收机包括至少一条天线，用于接收电磁信号；所述发射机或所述接收机上的天线用于将电信号转换成电磁信号或将电磁信号转换成电信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射机包括：发射机电路，用于通过配置生成和放大电信号；所述发射机电路包括一个阻抗调谐电路，用于通过配置调整所述发射机内的阻抗。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收机包括一台接收机电路，用于通过配置处理来自所述发射机的电磁信号的振幅和相位数据。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射信号耦合器包括一台耦合电路，用于通过配置信息，记录所述发射机耦合的电信号，并协助测量所述耦合的电信号的振幅和相位。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：与所述发射机耦合在一起的控制与处理模块，用于控制、测量和计算所述接收机接收到的电磁信号与所述发射信号耦合器耦合的电信号的振幅衰减和相位差；所述控制与处理模块和储存设备耦合，所述储存设备用于储存换算表；所述控制与处理模块利用计算得出的振幅衰减和相位差通过转换表转换为相应的地层电阻率。
7.一种测量钻头处地层电阻率的装置，其特征在于，包括：
工具壳体；
配置在所述工具壳体上的发射机；其中，所述发射机用于生成电信号，并将所述电信号转换成待发射至地层的电磁信号；
配置在所述工具壳体上的接收机，且位于所述发射机的轴向距离处；其中，接收机用于测量来自发射机的电磁信号的振幅和相位；
与所述发射机耦合的发射信号耦合器；其中，所述发射信号耦合器用于耦合部分来自所述发射机的天线的电信号，并测量耦合的所述电信号的振幅和相位； 耦合在所述发射机上的控制与处理模块，用于控制、测量、操作和计算所述接收机测量的电磁信号和所述发射信号耦合器上耦合的电信号的振幅衰减和相位差。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：与所述控制与处理模块耦合在一起的储存设备，用于储存换算表，所述控制与处理模块用于根据所述换算表将计算得出的所述振幅衰减和相位差转换成相应的电阻率。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述发射机和接收机均包括至少一条天线。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述发射机还包括：发射机电路，用于通过配置生成并放大电信号。
测量钻头处地层电阻率的装置
技术领域
背景技术
[0002] 采集井下信息通常使用电气测量方法，如随钻测井（“LWD”）、随钻测量（“MWD”）和电缆测井系统。在石油业众所周知，这些技术早已用来获取井下信息，例如，采用地层电阻率（或电导率；术语“电阻率”和“电导率”，虽在意思上相反，但在工艺中可交替使用）和各种岩石物理模型（如Archie定律）可以用于确定地层以及相应流体的岩石物理性质。在相关技术中，电阻率是反映多孔地层中油气（如原油或天然气）和水含量的重要参数，因此最好保留产油层（含烃层）里的井眼，尽可能实现最大限度的采收率。
[0003] 如图1所示的相关技术中的井底钻孔组件（简写为“BHA”）的结构示意图，其中，BHA100包括：钻头114、一个设置于钻头处的传感器装置110，一个或多个稳定器104，一个井下动力钻具108、一个随钻测井系统106和钻环102。钻环在钻井操作过程中可视为钻柱的一部分。钻头处的传感器装置110包括：多个小巧的传感器，比如，钻头定位传感器、伽马射线读数器和一个遥测发射机112，用于BHA100监督和指示钻井操作。传感器装置110可检测出钻头处的环境条件并将钻头处信息返回至随钻测井系统106，以使其决定BHA100的下一步动向。井下动力钻具108用于钻井操作过程中带动钻头114。随钻测井系统106包括各类测井工具，比如：电阻率测量工具、声波测量工具、中子测井仪、密度测量工具和遥测系统。遥测系统，比如：泥浆脉冲遥测系统，可在随钻测井系统106和表层之间建立其通讯连接（图1中未显示），作为钻头处信息或其它测得信息等即将发送至表层的数据的中继设备。
[0004] 钻头处信息包括钻头114周围地层的环境条件信息，作为钻头在实时钻井过程中调整其方向的重要操作和定向参数。
[0005] 由于机械复杂性和钻头114周围的空间有限，随钻测井系统106不能直接放在钻头114附近，而应放置在井下动力钻具108上方，离钻头114至少30英尺。比如，如图2所示，作为随钻测井系统106一部分的常用传播电阻率测井工具200，通常不得放置在钻头114附近。传播电阻率测井工具200包括：工具壳体202、一台发射机T1，和一对接收机R1和R2。发射机T1通过配置可以发出电磁信号，穿过地层，送至接收机R1和R2。接收机R1和R2上产生的电磁信号之间的相位差和振幅衰减可用于计算周围地层的电阻率。较大的信号相位差和振幅衰减表示地层电阻率低。
[0006] 然而，由于钻头114周围空间有限，上述传播电阻率测井工具200应放置在井下动力钻具108上面。因此，传播电阻率测井工具200在测量钻头114周围的环境条件时可能出现滞后（钻头114和传播电阻率测井工具200之间的距离至少为30英尺）。
[0007] 针对上述相关技术中钻头和传统传播电阻率测井工具之间的距离引起的测量滞后的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
[0008] 本发明实施例的目的在于提供一种测量钻头处地层电阻率的装置，用以解决上述相关技术中钻头和传统传播电阻率测井工具之间的距离引起的测量滞后的问题。
[0009] 根据本发明实施例的一方面，提供了一种测量钻头处地层电阻率的装置，包括：工具壳体；配置在工具壳体上的发射机；其中，发射机用于生成电信号并将电信号转换为待发射至地层的电磁信号；配置在工具壳体上的接收机，位于发射机的轴向距离处；其中，接收机用于测量来自发射机的电磁信号的振幅和相位；与发射机耦合的发射信号耦合器；其中，发射信号耦合器用于耦合部分来自发射机的天线的电信号，并测量耦合的电信号的振幅和相位；其中，接收机接收到的电磁信号和发射信号耦合器耦合的电信号之间的振幅衰减和相位差用于计算电阻率。
[0010] 优选地，上述发射机包括至少一条天线，用于发射电磁信号；接收机包括至少一条天线，用于接收电磁信号。
[0011] 优选地，上述发射机或接收机上的天线用于将电信号转换成电磁信号或将电磁信号转换成电信号。
[0012] 优选地，上述发射机包括一台发射机电路，用于通过配置生成和放大电信号。
[0013] 优选地，上述发射机电路包括一个阻抗调谐电路，用于通过配置调整发射机内的阻抗。
[0014] 优选地，上述接收机包括一台接收机电路，用于通过配置处理来自发射机的电磁信号的振幅和相位数据。
[0015] 优选地，上述发射信号耦合器包括一台耦合电路，用于通过配置信息，记录发射机耦合的电信号，并协助测量耦合的电信号的振幅和相位。
[0016] 优选地，上述装置还包括：与发射机耦合在一起的控制与处理模块，用于控制、测量和计算接收机接收到的电磁信号与发射信号耦合器耦合的电信号的振幅衰减和相位差。
[0017] 优选地，上述控制与处理模块和储存设备耦合，储存设备用于储存换算表，用以将计算得出的振幅衰减和相位差转换为相应的地层电阻率。
[0018] 根据本发明的另一个方面，提供了一种测量钻头处地层的电阻率的装置，包括：工具壳体；配置在工具壳体上的发射机；其中，发射机用于生成电信号，并将电信号转换成待发射至地层的电磁信号；配置在工具壳体上的接收机，且位于发射机的轴向距离处；其中，接收机用于测量来自发射机的电磁信号的振幅和相位；与发射机耦合的发射信号耦合器；其中，发射信号耦合器用于耦合部分来自发射机的天线的电信号，并测量耦合的电信号的振幅和相位；和耦合在发射机上的控制与处理模块，用于控制、测量、操作和计算接收机测量的电磁信号和发射信号耦合器上耦合的电信号的振幅衰减和相位差。
[0019] 优选地，上述装置还包括：与上述控制与处理模块耦合在一起的储存设备，用于储存换算表；控制与处理模块用于利用计算得出的振幅衰减和相位差通过换算表转换成相应的电阻率。
[0020] 优选地，上述发射机和接收机均包括至少一条天线。
[0021] 优选地，上述发射机还包括：发射机电路，用于通过配置生成并放大电信号。
[0022] 根据本发明实施例，采用上述工具壳体，并通过发射信号耦合器测量发射机的天线上生成的电信号的振幅和相位，以及使用接收机测量来自发射机的电磁信号的振幅和相位，进而计算电信号与电磁信号之间的振幅衰减和相位差，得到钻头处地层的电阻率。该方式能够比较及时地测量钻头周围环境，解决了钻头和传统传播电阻率测井工具之间距离产生的测量滞后问题，提升了设备的实用性。附图说明
[0023] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0024] 图1是相关技术提供的井底钻孔组件（“BHA”）的结构示意图；
[0025] 图2是相关技术提供的传播电阻率测井工具的示意图；
[0026] 图3A是本发明实施例提供的工具壳体的透视图；
[0027] 图3B是本发明实施例提供的配置有一台发射机、一台发射信号耦合器和一台接收机的装置的示意图；
[0028] 图3C是本发明实施例提供的配有一台发射机、一台发射信号耦合器、一台接收机、一个控制器和处理器模块和一个储存设备的装置的示意图；
[0029] 图4是本发明实施例提供的相位差对比地层电阻率的换算表的数据示意图；
[0030] 图5是本发明实施例提供的衰减对比地层电阻率的换算表的数据示意图；
[0031] 图6是本发明实施例提供的测量钻头处地层电阻率的方法的流程图。
具体实施方式
[0032] 下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033] 本发明实施例还提供了一种测量钻头处地层电阻率的装置，包括：
[0034] 一个工具壳体；
[0035] 一台配置在该工具壳体上的发射机；
[0036] 一台配置在该工具壳体上的接收机，位于发射机的轴向距离处；
[0037] 一台发射信号耦合器，与发射机和接收机天线耦合在一起。
[0038] 上述发射机生成电信号，由发射机上的天线将该电信号转换成待发射到地层里的电磁信号。接收机测量地层中的电磁信号的振幅和相位。发射信号耦合器将部分电磁信号与发射机的天线发射的电磁信号直接耦合起来，并测量耦合电磁信号的振幅和相位。其中，接收机接收到的电磁信号和耦合在发射信号耦合器上的电信号的振幅衰减和相位差用于计算地层的电阻率。
[0039] 在某些实例中，发射机和接收机可以包括至少一条天线，用于发射或接收电磁信号。
[0040] 在某些实例中，天线用于将电信号转换成电磁信号或将电磁信号转换成电信号。
[0041] 在某些实例中，发射机可以包括发射机电路，通过配置生成和放大电信号。
[0042] 在某些实例中，发射机电路可以包括一个阻抗调谐电路，通过配置调整发射机内的天线阻抗。
[0043] 在某些实例中，接收机可以包括一台接收机电路，通过配置处理发射机的电磁信号的振幅和相位数据。
[0044] 在其它实例中，发射信号耦合器可以包括一个耦合电路，通过配置记录下发射机天线的电信号，并帮助测量这些电信号的振幅和相位。
[0045] 在其它实例中，上述装置还可以包括耦合在发射信号耦合器或接收机上的控制与处理模块（或者称为控制器模块和处理器模块，或称为控制器和处理器模块），用于计算接收机接收到的电磁信号与发射信号耦合器的电磁信号的振幅和相位之间的振幅衰减和相位差。
[0046] 在其它实例中，上述控制与处理模块与一储存设备耦合。储存设备用于储存有换算表；控制与处理模块用以将计算得出的振幅衰减和相位差转换为相应地层的电阻率。
[0047] 本发明实施例还提供了一种测量钻头处地层电阻率的方法，该方法包括以下步骤：将工具壳体置入井眼中；发射机将电磁信号传入地层，使用一台发射信号耦合器测量发射机天线上生成的电信号的振幅和相位，使用一台接收机测量发射机电磁信号的振幅和相位，并根据发射信号耦合器测得的电信号和接收机上诱导产生的电磁信号的振幅和相位来计算振幅衰减和相位差。
[0048] 在某些实例中，该方法还包括建立换算表，加速将得出的振幅衰减和相位差转换成相应的电阻率这一计算过程。
[0049] 在某些实例中，发射机发射电磁信号进入地层包括：将发射机上的电信号转换成相应的电磁信号。
[0050] 在某些实例中，使用一台发射信号耦合器测量发射机天线上生成的电信号的振幅和相位包括：使用发射信号耦合器耦合发射机天线的电信号。
[0051] 在某些实例中，发射信号耦合器上测得的电信号与接收机上诱导产生的电磁信号的振幅之间的振幅衰减可通过方程ρ=20log(kA/A0)表达；其中，A为接收机上诱导产生的电磁信号的振幅；k为工具壳体的几何因数，可通过校准确定；A0为发射信号耦合器测得的电信号的振幅。
[0053] 在其它实例中，发射信号耦合器测得的电信号和接收机诱导产生的电磁信号的相位之间的相位差可通过方程 得到，其中， 为接收机上诱导产生的电磁信号的相位； 为发射信号耦合器测得的电信号的相位。
[0054] 本发明实施例还提供了另一种测量钻头处地层电阻率的装置，包括：
[0055] 一个工具壳体；
[0056] 一台配置在上述工具壳体上的发射机；
[0057] 一台配置在上述工具壳体上的接收机，位于上述发射机的轴向距离处；
[0058] 一台与上述发射机的天线耦合在一起的发射信号耦合器，以及与发射机耦合在一起的控制器和处理器模块；
[0059] 上述控制与处理模块，用于控制、测量、操作和计算接收机诱导产生的电磁信号和发射信号耦合器上耦合的电信号的振幅的衰减和相位差；
[0060] 上述发射信号耦合器耦合部分来自发射机天线的电信号，并测量耦合电磁信号的振幅和相位。上述发射机生成电信号，并将该电信号转换成待发射到地层的电磁信号。接收机测量来自发射机的电磁信号的振幅和相位。
[0061] 在某些实例中，上述装置还包括：与控制与处理模块耦合在一起的储存设备，用以储存换算表；控制与处理模块用于将计算得出的振幅衰减和相位差转换成相应的电阻率。
[0062] 在其它实例中，上述发射机和接收机各自至少有一条天线。
[0063] 在其它实例中，上述发射机包括一台发射机电路，通过配置生成并放大电信号。
[0064] 下面通过具体实例进行说明。
[0065] 图3A所示为本发明实施例提供的工具壳体的透视图，该工具壳体可以用于测量钻头处地层的电阻率。其中，工具壳体202配有一台发射机300、一台发射信号耦合器304和一台接收机302，所有这些设备均放置在钻头114附近，用以对钻头处电阻率进行测量。发射机300和接收机302包括至少一条天线，用以发射/接收电磁信号和/或将电信号/电磁信号转换成电磁信号/电信号。
[0066] 图3B所示为本发明实施例提供的配有上述发射机300、发射信号耦合器304和接收机302的装置的示意图，部分为方块图。发射机300可以发出电磁信号，穿过地层，开始电阻率的测量过程。优选地，本实施例的发射机300包括一台发射机电路306，可通过配置生成和/或放大电信号。此类电信号可以转换为相应的电磁信号，发射至周围地层。发射信号耦合器304可以与发射机300耦合，并通过配置耦合一部分来自发射机300的天线的电信号。优选地，发射信号耦合器304包括一台耦合电路308，该耦合电路308通过配置，可以记录此类来自发射机300的耦合电信号，并测量此耦合电信号的振幅和相位。上述接收机302位于发射机300的轴线距离处，可接收来自发射机300的电磁信号。优选地，接收机302包括一台接收机电路310，可通过配置测量接收到的电磁信号的振幅和相位。
[0067] 在某些实例中，接收机302或者发射信号耦合器304包括控制与处理模块（未在图3B中显示），用以控制测量过程和计算接收机302诱导产生（测量）的电磁信号和发射信号耦合器304耦合的电信号之间的振幅衰减和相位差。
[0068] 图3C所示为本发明实施例提供的配有上述发射机300、上述发射信号耦合器304、上述接收机302，以及一个控制器和处理器模块312和一个储存设备314的装置的示意图，部分为方块图。发射机电路306、发射信号耦合器304和接收机302可以与控制与处理模块312连接在一起。控制与处理模块312包括一台控制器，该控制器通过配置可以控制系统操作；控制与处理模块312还可以包括一台处理器，用于进行计算等处理操作。
[0069] 在某些实例中，储存设备314可以与上述控制与处理模块312耦合在一起，用于储存换算表；控制与处理模块312用以将计算得出的振幅衰减和相位差转换为相应的地层电阻率。图4和图5分别为相位差和衰减对比地层电阻率的换算表的数据示意图。
[0070] 在某些实例中，发射机电路306包括一个阻抗调谐电路（未在图3A-3C中显示），用以调整发射机300的天线的输入阻抗，使其与发射机电路306的输出电阻匹配。
[0071] 本发明实施例中的发射机、接收机和发射信号耦合器的数量和位置仅是为了说明上述方案的一种实现方式，在任何时候都不得限制本发明中发射机、接收机和发射信号耦合器的数量和位置。
[0073]
[0074] 其中， 表示在观测位置 处生成的磁通密度；r为天线中心与观测位置之间的距离；k为复合波数量； 表示天线的磁动量； 和k可用下面的方程（2）和方程（3）表示。
[0075]
[0076] 其中， 为指向天线表面法线方向的单位矢量；S为天线表面的面积；I为天线的电流振幅； 为电流相位。
[0077]
[0078] 其中，ω为信号角频率；σ表示地层的电导率；ε0为地层的介电常数；εr为地层的相对介电常数；μ0为地层的渗透率。
[0079] 方程（4）中可将方程（2）和（3）替换成方程（1）来计算。
[0080]
[0081] 其中，
[0082] 其中，
[0083] 在低阻层中，若频率信号偏低，则方程（5-6）可简化成下述方程（7）。
[0084]
[0085] 方程（1-7）表示天线产生的磁场可以作为电性质的一个函数，需要说明的是，传播距离r、天线电压振幅I和天线电流相位 为已知量，较低频率信号的电导率σ可以作为天线产生的磁通密度 的一个函数变量。而电流振幅和相位还与其他多个因素有关，比如发射机电路和环境温度。
[0086] 图6所示为本实施例提供的测量钻头处地层的电阻率的方法的流程图，包括以下步骤：
[0087] 步骤600，将一个工具壳体置入井眼；
[0088] 步骤602，发射机向地层发射电磁信号；
[0089] 步骤604，使用一台发射信号耦合器测量发射机上产生的电信号的振幅和相位；
[0090] 步骤606，使用一台接收机测量来自发射机的电磁信号的振幅和相位；
[0091] 步骤608，根据发射信号耦合器测得的电信号和接收机上测量的电磁信号的振幅和相位来计算振幅衰减和相位差（其中，该振幅衰减和相位差指发射信号耦合器测得的电信号与接收机上测量的电磁信号之间的振幅衰减和相位差）；
[0092] 步骤610，根据上述振幅衰减和相位差计算钻头处地层的电阻率。
[0093] 在某些实例中，钻头处地层电阻率的测量方法还可以包括：建立换算表，用以加速将得出的振幅衰减和相位差转换成相应的电阻率这一计算过程。
[0094] 在某些实例中，发射机向地层发射电磁信号还可以包括：将发射机上的电信号转换为相应的电磁信号。
[0095] 在某些实例中，使用一台发射信号耦合器测量发射机上产生的电信号的振幅和相位还可以包括：使用发射信号耦合器耦合发射机的电信号。
[0096] 在某些实例中，发射信号耦合器上测得的电信号与接收机上诱导产生的电磁信号的振幅之间的振幅衰减可用下述方程（8）表示。
[0097] ρ=20log(kA/A0) （8）
[0098] 其中，A为接收机上诱导产生的电磁信号的振幅；k为工具壳体的几何因数，A0为发射信号耦合器测得的电信号振幅，可用下述方程（9）表示。
[0099] A0=Ilωμ0(16π3) （9）
[0100] 其中，I为发射机天线生产的电流；l表示发射机天线的周长；ω为信号角频率；μ0为地层的渗透率。
[0101] 方程（9）中A0的单位为瓦特，与接收机诱导产生的电磁信号的单位相同。
[0102] 在某些实例中，发射信号耦合器测得的电信号和接收机诱导产生的电磁信号的相位之间的相位差可用下述方程（10）表示。
[0103]
[0104] 其中， 为接收机上诱导产生的电磁信号的相位； 为发射信号耦合器测得的电信号相位。
[0105] 上述方法中的各个步骤仅是举例说明，在任何时候，都不得将本发明限制在任何特殊步骤顺序内或者图6所示的步骤顺序内。
[0106] 本发明实施例提供的测量钻头处地层的电阻率的装置结构小巧，可配置在钻头附近用以进行钻头处电阻率测量，从而可相应消除钻头和传统传播电阻率测井工具之间距离产生的测量滞后问题。
[0107] 显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0108] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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