高解析度的電阻率地層成像儀的製作方法

2023-05-05 09:24:21 1

專利名稱：高解析度的電阻率地層成像儀的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及碳氫化合物的探測，包括穿透地層(earth formation)的鑽孔的電勘測。更具體地，本發明涉及高度局部鑽孔勘 測，其通過在沿鑽孔移動的儀器上的電極和地層的電容性耦合對注入 鑽孔壁中的勘測電流進行多頻聚焦。
背景技術：
地層鑽孔電測井是公知的，已經描述了用於此目的的各種裝置和 各種技術。總體而言，有兩類用於電測井裝置的裝置。在第一類中， 測量電極(電流源或宿(sink))與擴散返回電極(例如儀器主體) 結合使用。測量電流在將電流源連接至測量電極的電路中流動，通過 地層到達返回電極並回到儀器中的電流源。在感應測量儀器中，測量 儀器內的天線引發在地層中的電流流動。使用相同的天線或獨立的接 收器天線檢測所引發的電流的大小。本發明屬於第一類。有若干操作模式在第一模式中，測量電極處的電流保持恆定， 測量電壓；而在第二模式中，電極的電壓固定，測量從電極流動的電 流。理想地，期望如果電流改變以保持在監測電極處測量的電壓恆定， 則電流與被勘測的地層的電阻率成反比。相反，期望如果電流保存恆 定，則在監測電極處測量的電壓與被勘測的地層的電阻率成正比。根 據歐姆定律的教導，如果電流和電壓均改變，則地層的電阻率與電壓 -電流的比率成正比。Birdwell (美國專利3365658 )教導了使用聚焦電極確定地層的 電阻率。從中央勘測電極發射勘測電流至附近地層中。該勘測電流利 用從位於該勘測電極附近和其任一側上的聚焦電極附近發出的聚焦 電流，被聚焦為從鑽孔向外的較窄的電流束。Ajam等(美國專利4122387)公開了一種裝置，其中通過位於利用測井電纜降到鑽孔中 的探頭上的保護電極系統，可以在距離鑽孔的沿地層的不同橫向距離 處進行同時測井。單個振蕩器控制流經位於期望的距離鑽孔的不同橫 向深度處的地層的兩個地層電流的頻率。測井電纜的外殼(armor) 用作保護電極系統之一的電流返回器，位於測井探頭緊上方的電纜電 極組件中的電纜電極用於第二保護電極系統的電流返回器。還公開了 用於測量電纜電極組件和保護電極系統之間的參考電壓的兩個實施 例。已經提出了利用測量電極陣列勘測地層的技術。例如，參見 Baker的美國專利No.2930969、 Mann等的加拿大專利No.685727、 Gianzero的美國專利No.4468623 、 Dory等的美國專利No.5502686 。 Baker專利提出了多個電極，每個電極由通過軟線電聯接的按鈕形成， 其中按鈕和線嵌入可摺疊管的表面中。Mann專利提出了安裝於儀器 或襯墊上的小電極按鈕的陣列，每個電極按鈕依次引入用於地層的電 勘測的獨立可測量的勘測電流。電極按鈕放置在水平面中，其中在電 極之間具有周向間距，並描述了用於依次激勵和測量來自電極的勘測 電5充的裝置。Gianzero專利公開了儀器安裝襯墊，每個襯墊具有多個小的測 量電極，從測量電極向鑽孔的壁注入單獨可測量的勘測電流。測量電 極以陣列排列，其中測量電極被沿至少周向(圍繞鑽孔軸)間隔地放 置，以在儀器沿鑽孔移動時將勘測電流注入鑽孔壁分段中，所述鑽孔 壁分段彼此在預定程度上重疊。將測量電極做得較小以使得能夠對鑽 孔的周向鄰接分段進行詳細電勘測，從而獲得鑽孔壁附近的地層的地 層學指示以及斷層及其方位。在一種技術中，圍繞中央電極設置測量電極的空間閉環陣列，其中該陣列用於檢測由中央電極注入的電能的 空間模式。在另一實施例中，設置測量電極的線性陣列，以將電流注 入鑽孔的周向有效鄰接分段上方的地層中。電流的不連續部分單獨可 測量，從而當儀器沿鑽孔移動時獲得多個勘測信號，其代表來自陣列 的電流密度，並且從所述勘測信號可導出鑽孔壁的周向鄰接分段的詳細電圖案。在測量電極陣列的另一形式中，它們以閉環(例如圓)排列，以使得能夠直接測量異常電阻率的方位。Evans等的美國專利 6714014具有與本發明相同的受讓人，在此通過參考併入其內容。該 專利教導了與油基泥漿和水基泥漿的電容耦合的使用。Dory專利公開了聲音傳感器結合安裝了襯墊的電極的使用，聲的間隙，導致間隙的原因在於如下事實在大直徑鑽孔中，襯墊必然 不能提供鑽孔的完全覆蓋。現有技術的裝置為接觸裝置，對鑽孔糙度的影響敏感從電極流 動的電流依賴於電極和鑽孔壁之間的良好接觸。如果鑽孔壁不規則， 則接觸和來自電極的電流不規則，導致鑽孔的不準確成像。第二缺點 在於由使用電勢與村墊相同的測量電極導致的相對淺的勘測深度， 以及導致的測量電流的發散。Tabarovsky等的美國專利6809521公開 了用於確定地層電阻率的多頻方法。在Tabarovsky中作了如下假^殳~1《<<其中，(T為電阻率，￡為介電常數，(O為工作頻率，下標l指的是泥漿，下標2指的是地層。在油基泥漿的情況下兩個不等式中的第一個容易滿足，其中泥漿的電阻率極小。但是，如果泥漿具有有限的 電阻率，則難以滿足條件。理想地，具有如下的確定地層電阻率的裝置和方法其對鑽孔糙度相對不靈敏，並可以在水基或者油基泥漿情 況下用於寬範圍的地層電阻率。本發明滿足上述需求。發明內容本發明的一個實施例是用於評估由鑽孔穿透的地層的裝置。該裝 置包括耦合至電流源的至少一個測量電極。所述至少一個測量電極以 多個頻率將測量電流傳送到所述地層中。該裝置還包括處理器，其至 少部分地基於所述多個頻率中的每個頻率下在所述至少一個測量電 極處的阻抗的實部和虛部估算所述地層的電阻率參數。所述處理器可 以利用所述測量電流估算阻抗的實部和虛部。所述處理器還可以確定所述至少一個測量電極和鑽孔壁之間的電容和/或所述測量電極和鑽 孔壁之間的電阻。所述處理器還可以確定所述電極距離所述鑽孔壁的 間隙。當使用多個測量電極時，所述處理器可以確定所述鑽孔的形狀。 多個測量電極可以位於可從測井儀器的主體延伸的襯墊上。該裝置可 以具有多個襯墊。所述電阻率參數可以為所述鑽孔壁的電阻率圖像。 該裝置還可以包括測量所述鑽孔中的流體的電阻率和/或介電常數的 裝置。測量電極可以在電纜、鑽管和/或滑線上在所述鑽孔中傳送。當所述地層中的位移電流大於所述地層中的傳導電流的約10%時，該處 理器可以確定電阻率參數在這種情況下，所述處理器可以通過解一 組非線性方程估算所述電阻率參數。本發明的另一實施例是用於評估由鑽孔穿透的地層的方法。使用 耦合至電流源的至少一個測量電極來以多個頻率將測量電流傳送到 所述地層中。至少部分地基於由在所述多個頻率中的每個頻率下的測 量電流所確定的阻抗的實部和虛部估算所述地層的電阻率參數。可選 地，可以確定所述至少一個測量電極和鑽孔壁之間的電阻和/或電容。 所確定的電阻和/或電容可以用於確定所述電極距離所述鑽孔壁的間 隙。當使用多個測量電極時，可以確定所述鑽孔的形狀。多個測量電 極可以位於可從測井儀器的主體延伸的襯墊上。可以進行指示所述鑽 孔中的流體的電阻率和/或介電常數的測量。即使當所述地層中的位移 電流大於所述地層中的傳導電流的約10%時，該方法也可以估算地層 的電阻率參數這可以通過解一組非線性方程來完成。本發明的另一實施例是用於評估由鑽孔穿透的地層的裝置使用 的計算機可讀介質。該裝置包括連接至電流源的至少一個測量電極， 所述至少一個測量電極以多個頻率將測量電流傳送到地層中。所述介 質包括使得處理器能夠至少部分地基於在所述多個頻率下確定的阻 抗的實部和虛部估算所述地層的電阻率參數的指令。所述指令還可以 使得所述處理器能夠確定測量電極的間隙。所述介質可以為ROM、 EPROM、 EAROM、快閃記憶體、和/或光碟。


參照附圖可以最好地理解本發明，在附圖中以相似的標號指示相似的元件，其中圖1 (現有技術)為示出懸在鑽孔中的測井儀器的實例；圖2A (現有技術)為示出示例成像儀器的機械示意圖；圖2B(現有技術)為示出示例測井儀器的電極襯墊的詳細視圖；圖3為代表鑽孔中的電阻率儀器的等效電路；圖4示出與單頻率測量相比的、利用本發明的方法的對地層電阻率改進的靈敏度的建模結果；圖5示出對於多層的地層利用本發明的方法的建模結果；圖6示出代表本發明另一實施例的等效電路，其中位移電流顯著；以及圖7示出圖6的電路的建模結果。
具體實施方式
圖1示出從穿過安裝於鑽機18上的滑輪16的適當電纜14懸在 鑽孔12中的示例成像儀器10，其中鑽孔12穿透諸如13的地層。根 據工業標準，電纜14包括應力構件和7個導體，用於將命令傳送到 儀器以及用於接收從儀器返回的數據和儀器的功率。儀器10由絞車 20上升和下降。表面23上的電子模塊22向井下(downhole )傳送所 需的工作命令，並進而接收返回數據，其可以記錄在任何期望類型的 歸檔存儲介質上用於同時或隨後處理。數據可以模擬或數字形式傳 送。可以設置諸如適當的計算機24的數據處理器，用於實時進行現 場數據分析，或者所記錄的數據可以被傳送到處理中心，或者對數據 的後處理同時進行上述兩種處理。圖2a為鑽孔側壁成像系統的示意外部視圖。包含該成像系統的 儀器10包括電阻率陣列26;以及可選的泥漿單元30和周向聲波電 視32。電子模塊28和38可以位於系統中的適當位置，而不一定位於 所示的位置。上述部件可以傳統公知的方式安裝在心軸34上。上述組件的外徑約為5英寸，約為15英尺長。在成像組件26和32上可 以安裝定向模塊36，其包括磁力計和加速計或慣性制導系統。儀器 10的上部分38包含遙測模塊，用於以傳統方式從各個部件向井上 (uphole)到表面電子部件22進行數據樣本的採樣、數位化和傳送。 如果獲取聲音數據，則最好將其數位化，儘管在替代配置中，數據可 以保留模擬方式來傳送至表面，隨後在表面通過表面電子部件22將 其數位化。圖2A還示出三個電阻率陣列26 (第四陣列在該視圖中隱藏)。 參照圖2A和圖2B，每個陣列包括用於將電流注入地層的測量電極 41a、 41b、 ...41n;用於水平聚焦來自測量電極的電流的聚焦電極43a、 43b;以及用於垂直聚焦來自測量電極的電流的聚焦電極45a、 45b。 通常，"垂直"指的是沿鑽孔的軸的方向，"水平"指的是垂直於垂直方 向的面。圖3示出近似的示意電路圖。它表明測量的有效阻抗Ze依賴於儀器內阻ZT、由於接收器和地層之間的間隙導致的阻抗Zc和地層電 阻率Rf。返回電極和地層之間的阻抗由於非常小可以忽略。這是一個 合理的假設，因為返回電極的面積較大。如果U是施加的電壓，I是測量電流，則阻抗Ze為Z- =zr十z廣=二 ( 1 ) 在導電性地層(電阻率小於lOil-m)和油基泥漿的情況下，地 層對有效阻抗的貢獻小，Rf< ZT+ZG。這導致測量阻抗對地層電阻 率的靈敏度下降。依賴於泥漿特性和接收器間隙(standoff)的間隙 阻抗Z(i成為對有效阻抗的主要貢獻者。本發明利用以多個頻率的測量確定地層電阻率。對於以兩個頻率fi和f2的測量的情況，我們得到formula see original document page 10在方程(2)中，co-27tf為角頻率。方程(2)可以寫為如下方式:formula see original document page 11(3)，其中Ap A2、 Bp和B2是阻抗Ze,和Ze2的實部和虛部。從方程(1)和(2)，我們得到如下結果formula see original document page 11這給出進一步的結果:formula see original document page 11(5).從方程(5)和來自方程(4)的第一方程，我們得到間隙電阻率r為(6).將方程(6)代入方程(5)，得出測量電極和地層之間的電容為formula see original document page 11 而地層的電阻率Rf得出為(8).應該指出，以上導出的結果涉及複數阻抗的實部和虛部二者的確 定。這不同於在Tabarovsky中公開的雙頻率(以及多頻聚焦)方法。 Tabarovsky中的確定阻抗在該專利中由方程(13 )給出，此處利用本 申請文件的符號再現如下formula see original document page 11該表達式相比本發明的結果簡單得多，不使用測量阻抗的虛部。該簡單結果源自於Tabarovsky中所做的假設formula see original document page 12
本發明的一個實施例假設地層的介電效應小(第二不等式)這 通常在低於10MHz的頻率下滿足。如上所述，本發明能夠確定電極 和壁之間的間隙的電阻率，而在Tabarovsky中將其假設為無窮大。現在轉向圖4，示出利用上述本發明的建模結果。該實例對應於 儀器放置在填充有104n-m的電阻泥漿的8.5英寸(21.59cm )井中的 情況。通過具有從lQ-m到lOOQ-m變化的電阻率的圓柱層對地層進 行建模。將儀器的返回建模為長度為10 m的導電圓柱。通過具有相 對於地層的lmm間隙的1.6cm長的圓柱電極將電流注入地層中。發 射器以1 MHz和2 MHz的頻率提供IV的輸出電壓。橫坐標是地層 電阻，縱坐標是在儀器處的測量阻抗。曲線201示出在1MHz下的測 量電阻，曲線203示出在2MHz下的測量電阻，曲線205示出利用上 述的雙頻率方法的結果。可見，曲線205與單頻率阻抗測量相比具有 改進的對地層電阻率的靈敏度。在成層地層模式的情況下，也觀察到雙頻率阻抗的優點。圖4 示出包含電阻性(lOll-m)和導電性(1Q-m)層的序列的地層的數學 建模的結果。層的厚度從左至右在0.5英寸(1.27cm)和4英寸 (10.16cm)之間變化。在lMHz的測量阻抗的曲線251對除了最厚 層之外的所有層幾乎完全不敏感。在2MHz的測量阻抗的曲線253相 對於lMHz響應具有改進的響應。本發明的雙頻率方法得出遠優於單 頻率測量的結果255。如上所述，多頻測量使得能夠估算測量電極和地層之間的間隙的 電容和電阻。參見方程(6)和(7)。從估算的間隙電容和間隙電阻 可以容易地導出電極的間隙。電容C和電阻r唯一地依賴於間隙d， 我們可以將它寫為如下formula see original document page 12 C9)r=(pd)/s (10)其中S為電極的面積，p為泥漿的電阻，s為其介電常數。 從方程(9)和(10)，我們導出間隙d的兩個冗餘表達式d=(ε0εS)/C(11) ，和d=(rs)/p(12)在方程(4)至(8)中給出的以上考慮的雙頻校正基於圖3所示 的近似電路圖。在該電路中，在地層中忽略介電效應，地層僅由Rf 代表。當地層中的位移電流比傳導電流小得多時-也就是說，當參數pfωεfε0遠小於1時(其中pf為地層的電阻率，εf為其介電常數)，上述近似是可能的。上述條件在高阻抗地層和/或高工作頻率中可能不滿 足例如，如果pr=100Ω-m， εr = 20，頻率為10MHz，則 prεrω ≈l。在本發明的另一實施例中，實現不進行假設prM0 l的雙頻校 正。實際上，在位移電流大於傳導電流的約10%時可以使用該方法。 圖6給出等效電路圖，其與圖3的等效電路的不同之處在於增加了 代表地層的介電特性的電容器Cf，以及去除了儀器的內阻Zr(假設 可忽略)。因此，取代方程(2),我們得到formula see original document page 13 (13).上述四個方程的非線性系統以如下方式解。首先，我們使用符號 am=rC， af=RfCf (14). 我們接著在方程(13)中將C、 Cf替代為相應的am/r、 af/Rf， 然後消掉電阻r, Rf。產生如下的兩個方程的系統formula see original document page 13 (15),其相對於未知的amaf、 am + af為線性的，因此可以容易地解。 之後，a係數自身由它們的積與它們的和通過如下方程計算formula see original document page 14此處我們使用假設OlmXXf，即，泥漿比地層的電阻大得多。然後從如下方程計算地層電阻Rf:當考慮介電常數時的雙頻校正的應用結果在圖7中示出。該模式 類似於圖5,但是所有的地層電阻率高100倍；即，成層為lOOQ-m 和lOOOQ-m,介電常數相應地為20和10。可以看出，校正的曲線305 (圖像)具有相比任何單頻率曲線301、 303好得多的動態範圍。泥漿電阻率的確定可以利用Fabris等在US6803039 (與本發明 的受讓人相同，在此通過參考併入其內容)中描述的方法和裝置進行。 介電常數可以利用Reittinger等在US5677631 (與本發明的受讓人相 同，在此通過參考併入其內容)中描述的方法和裝置確定。或者，可 以在表面測量泥漿電阻率和介電常數，並進行適當的溫度校正。由於 每個測量電極給出針對地層電阻率進行校正的間隙的獨立估算，因此 能夠利用來自多個測量電極的測量結果確定間隙的方位變化，由此確 定鑽孔的形狀。本發明已經參照意圖在電纜上傳送的測井儀器作了進一步描述。 但是，本發明的方法也可以用於隨鑽測量(MWD)儀器，或者隨鑽 測井(LWD)儀器，它們中的任一個可以在鑽孔索或盤管上傳送。 Evans在US6600321 (與本發明的受讓人相同，在此通過參考併入其 內容)中公開了 MWD應用的電阻率成像儀器的實例。在數據處理中，隱含的是使用在適當的機器可讀介質上實施的計 算機程序，其使得處理器能夠進行控制和處理。本申請中所用的術語 處理器意圖包括諸如現場可編程門陣列(FPGA)的裝置。機器可讀 介質可以包括ROM、 EPROM、 EAROM、快閃記憶體和光碟。如上所述， 處理可以在井下或在表面處進行。儘管前述公開涉及本發明的優選實施例，但是各種修改對本領域技術人員是明顯的。前述說明意圖包含落入所附權利要求的範圍和精 神內的所有變化。
權利要求
1.一種用於評估由鑽孔穿透的地層的裝置，該裝置包括(a)耦合至電流源的至少一個測量電極，所述至少一個測量電極以多個頻率將測量電流傳送到所述地層中；以及(b)處理器，其至少部分地基於所述多個頻率中的每個頻率下在所述至少一個測量電極處的阻抗的實部和虛部估算所述地層的電阻率參數。
2. 權利要求l的裝置，其中所述處理器利用所述測量電流估算 阻抗的實部和虛部。
3. 權利要求l的裝置，其中所述處理器還確定以下參數中的至 少一個(i)所述至少一個測量電極和鑽孔壁之間的電容；(ii)所 述測量電極和鑽孔壁之間的電阻。
4. 權利要求3的裝置，其中所述處理器還確定所述電極距離所 述鑽孔壁的間隙。
5. 權利要求3的裝置，其中所述至少一個測量電極包括多個測 量電極，並且其中所述處理器確定所述鑽孔的形狀。
6. 權利要求l的裝置，其中所述至少一個測量電極包括位於從 在鑽孔中傳送的測井儀器的主體可延伸的襯墊上的多個測量電極。
7. 權利要求6的裝置，還包括具有多個測量電極的附加襯墊， 所述附加襯墊從所述測井儀器的主體可延伸。
8. 權利要求l的裝置，其中所述電阻率參數包括所述鑽孔的電 阻率圖像。
9. 權利要求l的裝置，還包括進行下述測量的裝置，該測量指 示所述鑽孔中的流體的、選自以下的性質(i)電阻率，和(ii)介 電常數。
10. 權利要求l的裝置，其中所述至少一個測量電極由選自以下 的裝置在所述鑽孔中傳送(i)電纜，(ii)鑽管，和(iii)滑線。
11. 權利要求l的裝置，其中所述地層中的位移電流大於所述地層中的傳導電流的約10%。
12. 權利要求ll的裝置，其中所述處理器通過解一組非線性方 程來估算所述電阻率參數。
13. —種用於評估由鑽孔穿透的地層的方法，該方法包括如下步(a )使用耦合至電流源的至少一個測量電極來以多個頻率將測 量電流傳送到所述地層中，所述至少一個測量電極具有電勢；以及(c)至少部分地基於由在所述多個頻率中的每個頻率下的測量 電流所確定的阻抗的實部和虛部估算所述地層的電阻率參數。
14. 權利要求13的方法，還包括確定以下參數中的至少一個 (i)所迷至少一個測量電極和鑽孔壁之間的電容；(ii)所述測量電極和鑽孔壁之間的電阻。
15. 權利要求14的方法，還包括確定所述電極距離所述鑽孔壁 的間隙。
16. 權利要求14的方法，其中所述至少一個測量電極包括多個 測量電極，該方法還包括確定所述鑽孔的形狀。
17. 權利要求13的方法，還包括將多個測量電極放置在從在鑽 孔中傳送的測井儀器的主體可延伸的襯墊上。
18. 權利要求13的方法，其中所述電阻率參數包括所述鑽孔的 電阻率圖像。
19. 權利要求13的方法，還包括獲取指示所述鑽孔中的流體的 性質的至少一個附加測量值，該性質選擇由以下參數構成的組(i) 電阻率，和(ii)介電常數。
20. 權利要求13的方法，其中所述地層中的位移電流大於所述 地層中的傳導電流的約10%。
21. 權利要求21的方法，其中估算所述電阻率參數還包括解一 組非線性方程。
22. —種計算機可讀介質，在用於評估由鑽孔穿透的地層的裝置 中使用，該裝置包括(a)連接至電流源的至少一個測量電極，所述至少一個測量電 極以多個頻率將測量電流傳送到所述地層中； 所述介質包括使能如下處理的指令(c)處理器至少部分地基於在所述多個頻率下確定的阻抗的實 部和虛部，估算所述地層的電阻率參數。
23. 權利要求22的計算機可讀介質，還包括如下指令使得所 述處理器能夠從在所述多個頻率下的阻抗的實部和虛部確定所述至 少一個測量電極的間隙。
24. 權利要求22的計算機可讀介質，其中所述介質包括以下裝 置中的至少一個(i)ROM， (ii)EPROM， (iii)EAROM, (iv) 快閃記憶體，和(v)光碟。
全文摘要
以多個頻率在具有導電地層中的不導電泥漿的鑽孔中，通過電阻率成像儀器進行相位敏感測量。根據相位敏感測量，可以與單頻率測量可能的靈敏度相比較高的靈敏度確定地層電阻率。從已知的泥漿電阻率和/或介電常數可以確定儀器間隙。當地層電容的影響不能忽略時，也可以確定地層電阻。
文檔編號G01V3/00GK101268385SQ200680034958
公開日2008年9月17日 申請日期2006年8月14日 優先權日2005年8月23日
發明者A·N·貝斯帕羅夫, G·B·伊茨科維齊 申請人:貝克休斯公司