用於在直流電阻率測量工具中改善電流聚焦的方法和裝置的製作方法
2023-10-30 03:28:47 3
專利名稱：用於在直流電阻率測量工具中改善電流聚焦的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及測井(well logging)。具體地，本發明是用於使用 電氣方法來確定地面下構造的電阻率的裝置和方法。
背景技術：
在使用聚焦(focus)技術的傳統直流(galvanic)電阻率測量工具 中，保護電極發出電流以便將測量電極的電流束更深地引導到導體材 料中。通過測量電極的電壓和電流讀數來確定所述材料的電阻率。在 保護和測量電極上的驅動電勢必須精確地相同，以避免理想電場的千 擾，這保證聚焦效應發生。較高的驅動電勢差可能導致電流從保護電 極向測量電極流動，或者反之亦然，以將鑽孔流體傳送到所述工具周 圍，這將完全地破壞所述聚焦效應，並且如果不考慮到這一點則將導 致高的測量誤差。 一般，與沒有聚焦相比較，所述聚焦效應將導致具有更高的穿透深度的電流。
Birdwell (美國專利3，356，658 )教導了使用聚焦電極來確定地面 下構造的電阻率。從中央勘測電極向相鄰的地層構造發出勘測電流。 通過使用從位於勘測電極附近及其兩側的鄰近聚焦電極發出的聚焦 電流，這個勘測電流被聚焦到從鑽孔向外的較窄的電流束中。Ajam 等(美國專利4，122，387)公開了一種裝置，其中，通過位於探頭(其 通過測井電纜被下降到鑽孔中)上的保護電極系統，可以在通過構造 的、相距鑽孔不同的橫向距離處進行同時測井。單個振蕩器控制以相 距鑽孔不同的期望橫向深度流過所述構造的兩個構造電流的頻率。測 井電纜的防具作為保護電極系統之一的電流迴路，並且緊挨在測井探 頭上的電纜電極組件中的電纜電極作為第二保護電極系統的電流回
路。還公開了兩個實施例，用於測量在所述電纜電極組件和保護電極 系統中的電極之間的參考電壓。
已經提出了用於使用測量電極的陣列來勘察地層構造的技術。例
如參見被授予Baker的美國專利第2,930,969號、被授予Mann等的 加拿大專利笫685,727號、被授予Gianzero的美國專利第4,468,623 號和被授予Dory等的美國專利第5,502,686號。所述Baker專利提出 了多個電極，其中每個由按鈕形成，所述按鈕通過軟導線與在軟管的 表面內嵌入的按鈕和導線電氣結合。所述Mann專利提出了在工具或 者底座上安裝的小電極按鈕陣列，其中每個依序引入獨立可測量的勘 測電流，用於電氣勘察地層構造。所述電極按鈕被布置在水平面內， 並且在電極之間具有圓周間隔，並且描述了 一種用於依序激勵和測量 來自電極的勘測電流的裝置。
所述Gianzero專利公開了多個安裝了工具的底座，其中每個具 有多個小測量電極，獨立的可測量勘測電流從所述多個小測量電極被 向鑽孔的壁注入。所述測量電極被布置在一個陣列中，在所述陣列中， 測量電極至少沿著圓周方向(圍繞鑽孔軸)間隔地被布置，以便當所 述工具沿著鑽孔移動時向鑽孔壁分段(其彼此重疊到預定程度)中注 入勘測電流。所述測量電極被做得很小，以使得能夠在鑽孔的一個圓 周連續的分段上進行詳細的電氣勘察，以便獲得在鑽孔附近的構造的 地層中的巖石組成以及裂口和它們的方位的指示。在一種技術中，在 一個中央電極周圍設置了測量電極的 一 個空間閉環的陣列，並且所述 陣列用於檢測由所述中央電極注入的電能的空間模式。在另 一個實施
例中，提供了 一種測量電極的線性陣列以將電流注入到在鑽孔的圓周 上有效連續的分段上的構造中。可以獨立地測量所述電流的分離部 分，以便獲得多個勘測信號(用於表示來自所述陣列的電流強度)， 由此，當工具沿著鑽孔移動時可以獲得鑽孔壁的圓周上連續的分段的 詳細電子圖像。在另一種形式的測量電極陣列中，電極被設置在閉環， 例如圓圈中，以便使得能夠直接測量異常現象的電阻率的方位。
所述Dory專利公開了與底座安裝的電極相組合的聲音傳感器的 使用，聲音傳感器的使用使得有可能填充通過使用底座安裝的電極而
獲得的圖像中的間隙，這是因為下述事實在大直徑的鑽孔中，所述 底座必然不完全覆蓋鑽孔。
在金屬(例如電極)和電解液之間的電化學平衡過程產生具有復 雜的電阻行為的層。這些層的阻抗被稱為接觸阻抗。當電流流入或者 流出電極時，由所述阻抗層產生在所述電極緊外部和緊內部的電勢之 間的差。接觸阻抗大幅度可變和非線性。它們主要依賴於電極材料、 液體的電化學特性、電流強度和所施加的電壓的頻率。在自然的環境 中，所述構造被填充其化學組成不完全可控的流體，幾乎不可能精確 地預測測量和保護電極的接觸阻抗。每當在所述阻抗層之外的保護和 測量電極的電勢變得不同時，將弱化或者損害聚焦效應。這個差可能 引起電流流過電極之間的泥漿。因此接觸阻抗至少對於測量的解析度 具有很大的影響。
被授予Dion等的US 6373254描述了一種用於在隨鑽測井 (logging-while-drillmg )操作期間控制接觸阻抗對於構造電阻率的測 量的影響的方法和裝置。通過將位於靠近電流電極的電阻率測井工具 上的兩個監控電極之間的電勢差保持為大致為0,實現接觸阻抗的所 述控制。
其他文獻討論了將監控電極用於纜線(wireline)應用。例如參 見Davies等(SPE24676 ) 、 Evans等(US6025722 ) 、 Seeman (US5396175 ) 、 Smits等(SPE 30584 )和Scholberg ( US3772589 )。 所述監控電極技術使用位於測量和保護電極之間的兩個附加電極(被 稱為監控電極)來觀察可能的電勢差。通過控制電路來調節在測量或 者保護電極上的電勢，以便將監控電極之間的電壓理想上保持為0。 監控電極不發出電流，因此被假定不受到接觸阻抗的影響。從所述監 控電極之間的最小電壓降，推論出在保護和測量電極(其中每個在所 述電極緊外部的阻抗層之外)之間的電勢差是0。
因為在運行期間測量工具的很高的機械應變，因此在隨鑽測井/ 隨鑽測量(LWD/MWD )應用期間的接觸阻抗的問題與纜線應用的問 題不同。在LWD/MWD工具中的電極的機械要求要求與側向測井 工具中的絕緣間隙相比較，所述電極中的絕緣間隙應當較小。因此， LWD/MWD電阻率工具的響應與纜線的不同。Bonner等(US 5339037)教導了一種MWD裝置，其中，電絕緣電極測量由於兩個 相隔的發送器的激勵而產生的電壓。同時，測量監控電流。從所述電 壓和監控電流值獲得電阻率。Bonner不解決接觸阻抗的問題。
Evans等(US 6348796 )描述了 一種用於通過使用在不同的電勢 上操作的三個電極來增強傳統的聚焦技術的方法。在中間電勢上操作 的電流電極被具有低幾個微伏的電勢的另一個電極圍繞。以比電流電 極高几個微伏來驅動圍繞這兩個電極的另一個電極。在Evans中未解 決接觸阻抗的問題。
期望具有一種裝置和方法，用於提供與基本上與接觸阻抗以及環 境電阻率的改變無關的能力相結合的增強聚焦技術。所述裝置最好可 以用於MWD以及纜線操作。本發明滿足這個需要。
發明內容
本發明的一個實施例是一種用於確定地層構造(earth formation)的電阻率參數的裝置。所述裝置包括在地層構造中的鑽孔 中的測井工具。所述測井工具具有至少一個測量電極，所述測量電極 將測量電流傳送到地層構造中。與所述至少 一個測量電極相關聯的至 少一個保護電極(guard electrode )聚焦測量電流。屏蔽電極(shielding electrode)被插在所述至少一個保護電極和所述至少一個測量電極之 間。所述裝置包括用於最小化在所述至少一個測量電極和所述屏蔽電 極之間的電流的電路。所述電路可以包括處理器，其改變所述至少一 個測量電極的電勢、被提供到所述至少一個測量電極的電流、在所述 至少 一個保護電極和所述至少 一個測量電極之間的阻抗、和/或所述至 少一個保護電極的電勢。處理器可以從所述測量電流和所述保護電極 和/或所述測量電極的電勢確定與電阻率參數相關的表觀電阻。可以從 表觀電阻得到所述構造的電阻率。所確定的表觀電阻與測井工具的間
隔(standoff)和/或鑽孔中的流體的電阻率基本上無關。所述裝置可 以包括傳送裝置，諸如纜線(wireline)或者鑽井管。可以提供方位 傳感器，所述方位傳感器的輸出用於提供鑽孔的電阻率圖像。可以在 保護電極外部提供另外的屏蔽電極。處理器可以在表面位置或者井下 (downhole)位置。所述測量電極、屏蔽電極和保護電極可以是環形 的。
本發明的另 一個實施例是一種用於確定地層構造的電阻率參數 的方法。使用在地層構造中的測井工具上的測量電極來向地層構造傳 送測量電流。使用在測井工具上的保護電極來聚焦所述測量電流。所 述測量電極與保護電極屏蔽。在測量電極和屏蔽電極之間的電流被最 小化。可以通過改變測量電極的電勢、改變被提供到測量電極的電流、 改變在保護電極和測量電極之間的阻抗和/或改變保護電極的電勢來 進行最小化所述電流。可以從測量電流和保護電極或者測量電極的電 勢來確定與電阻率參數相關聯的表觀電阻。所確定的表觀電阻與測井 工具的間隔和/或鑽孔中的流體的電阻率基本上無關。所述測井工具可 以在鑽井管上或者在纜線上被傳送到鑽孔內，所述鑽井管具有用於承 栽測井工具的井底組件(bottom hole assembly )。可以產生鑽孔的電 阻率圖4象。
本發明的另一個實施例是用於在地層構造中的鑽孔中使用的測 井工具的計算機可讀介質。所述測井工具包括測量電極，其將測量
電流傳送到地層構造中；以及保護電極，其聚焦所述測量電流。所述 測井工具也具有屏蔽電極，其位於所述保護電極和所述測量電極之 間。所述介質包括用於使得能夠最小化在測量電極和屏蔽電極之間的 電流的指令和用於從測量電流和保護或者測量電極的電勢來確定表 觀電阻的指令。
通過下面的詳細說明和附圖，可以更好地明白被相信在構成和操 作方法方面表徵本發明的新穎特徵以及本發明的目的和優點，其中， 僅僅出於例證和說明的目的通過示例來圖解本發明，所迷示例不意欲 作為本發明的限制。
圖1 (現有技術)是鑽井系統的示意圖示；
圖2 (現有技術)是電阻率測量傳感器接頭(sub)的各種部件 的示例配置；
圖3是本發明的電極配置的示例圖解； 圖4示出了圖3的電極配置的等同電路；
圖5a-5c圖解了本發明的實施例，其中，通過下述方式來控制屏 蔽電流(a)調節電壓源，(b)調節電流源，(c)調節複合電阻； 圖6a-6d圖解了不同的布置，通過其可以實現圖3的電極配置； 圖7圖解了本發明的一個替代實施例的電極配置； 圖8是用於操作圖7的實施例的示意圖； 圖9a、 9b圖解了保護電極的級聯； 圖10圖解了用於操作圖9a-b的電極配置的示意圖； 圖lla-b示出了現有技術裝置和按照本發明的裝置的電場的比
較；
圖12是對於0.02歐姆-米的泥漿電阻率的、作為工具間隔和構造
電阻率的函數的按照本發明的裝置的分辨半徑的繪圖13是對於0.02歐姆-米的泥漿電阻率的、作為工具間隔和構造
電阻率的函數的按照本發明的裝置的表觀電阻的繪圖14是對於0.2歐姆-米的泥漿電阻率的、作為工具間隔和構造 電阻率的函數的按照本發明的裝置的表觀電阻的繪圖15是對於2歐姆-米的泥漿電阻率的、作為工具間隔和構造電 阻率的函數的按照本發明的裝置的表觀電阻的繪具體實施例方式
圖1示出了鑽井系統10的示意圖，所述鑽井系統10具有鑽杆柱 (drill string ) 20,其承載鑽井組件卯(也稱為井底組件(bottom hole assembly)，或者"BHA，，)，所述鑽井組件90在"井孔"或者"鑽孔"26 中被傳送以鑽出井孔。鑽井系統10包括傳統的井架11，其被豎立在 地面l2上，其支撐轉臺14,通過諸如電機(未示出)之類的牽引機 以期望的旋轉速度來旋轉轉臺14。鑽杆柱20包括從表面向鑽孔26中 下延的管道，諸如鑽管(drill pipe ) 22或者纏繞管道(coiled-tubing )。 當使用鑽管22來作為所述管道時，鑽杆柱20被推到井孔26中。但 是，對於纏繞管道應用，使用諸如噴射器(未示出)的管道噴射器來 將所述管道從其來源(諸如未示出的巻軸)向井孔26移動。被附接 到鑽杆柱的端部的鑽頭(drill bit) 50當被旋轉以鑽出鑽孔26時破壞 地質構造。如果使用鑽管22，則鑽杆柱20通過滑輪23經由方鑽杆接 頭(kelly joint) 21、旋轉接頭28和管線29連接到絞車30。在鑽井 操作期間，絞車30被操作來控制鑽頭上的重量，這是影響穿透速率 的重要參數。絞車的操作是本領域公知的，因此在此不詳細說明。
在鑽井操作期間，由泥泵34通過在鑽杆柱20中的通道在壓力下 循環來自泥漿池(來源)32的適當的鑽井液31。所述鑽井液從泥泵 34經由波動消除器36、流體管線28和方鑽杆接頭21流到鑽杆柱20。 鑽井液31通過鑽頭50中的開口在鑽孔底部51被放出。鑽井液31通 過鑽杆柱20和鑽孔26之間的環狀空間27沿井身上行循環，並且經 由返回管線35返回到泥漿池32。鑽井液用於潤滑鑽頭50，並且將鑽 孔切出物或者碎片帶離鑽頭50。優選地被布置在管線38中的傳感器 S，提供關於流體流率的信息。與鑽杆柱20相關聯的表面扭矩傳感器 S2和傳感器S3分別提供關於鑽杆柱的扭矩和旋轉速度的信息。另外， 與管線29相關聯的傳感器(未示出)用於提供鑽杆柱20的起吊載荷。
在本發明的一個實施例中，通過僅僅旋轉鑽管22來旋轉鑽頭50。 在本發明的另一個實施例中，井下電機55 (泥漿電機)被布置在鑽井 組件90中，以旋轉鑽頭50，並且通常旋轉鑽管22以在需要時補充旋 轉功率，並且在鑽井方向上進行改變。
在圖1的實施例中，泥漿電機55經由在軸承組件57中布置的驅 動軸(未示出)而連接到鑽頭50。當鑽井液31在壓力下通過泥漿電 機55時，所述泥漿電機旋轉鑽頭50。所述軸承組件57支撐鑽頭的徑
向力和軸向力。連接到所述軸承組件57的穩定器58作為泥漿電機組 件的最下部分的定中心器。
現在轉向圖2，示出了電阻率測量傳感器接頭的各種部件的示例 配置。在上端，提供了模塊化的跨接接頭101。電源和處理電子部件 被指示為103。所述接頭包括穩定器107,並且在105提供了數據轉 儲埠。在109提供了電阻率傳感器(下面進一步討論)，所述傳感 器和測量電子部件位於113。在所述接頭的兩端提供了模塊化的連接 115,其使得所述接頭能夠作為井底鑽井組件的一部分。設置了方位 傳感器111，用於測量在連續的旋轉期間傳感器組件的工具面角度。 可以使用不同類型的方位傳感器，包括磁力計、加速計或者陀螺儀。 用於確定工具面角度的這樣的裝置的使用是本領域公知的，在此不進 一步討論。
在107示出的穩定器用於幾個功能。像傳統的穩定器那樣， 一個 功能是減少傳感器組件的振蕩和振動。但是，在本發明的上下文中， 其也用於另一個重要功能，即，將包括傳感器組件的井底組件(BHA) 部分定中心，並且也將所述傳感器與鑽孔壁保持規定的間隔 (standoff)。這在圖2中是不可見的，但是穩定器的外徑大於包括 電阻率傳感器的BHA部分的外徑。由於直徑上的這種差別，在鑽杆 柱的連續旋轉期間，電阻率傳感器與鑽孔壁保持一個間隔。
本發明提供了 一種替代的技術，用於克服在地質構造的電阻率確 定中的接觸阻抗的問題。本發明僅僅使用一個附加電極(稱為屏蔽電 極)來取代兩個監控電極，並且使用不同的控制機制。使用這種方法， 與傳統的監控電極技術的應用相比較，將改善聚焦效果。
圖3是本發明的一個實施例的示意圖示。在測量電極121和保護 電極125之間設置了一個屏蔽電極123。如果在泥漿或者構造中的場 是不理想的(參見背景技術)，則在屏蔽電極中將發生電流。屏蔽電 極經由電流表Al連接到測量電極，電流表Al向控制器133發送所 測量的電流值131。控制器調節電壓源135直到通過安培計Al的電 流消失。這種情況導致下述結果進入屏蔽電極的電流需要在不影響
測量電子部件的情況下離開屏蔽電極。因為測量電極必須被屏蔽電極 圍繞，因此在保護電極上的電勢不能大於、小於或者等於測量電極，
以滿足無電流通過Al的條件。因此，來自保護電極的電流進入屏蔽 電極，並且必須離開它進入泥漿或者構造中，因為在測量電極和屏蔽 電極之間的電勢是0 (比較圖4)。這個效果產生良好的聚焦。
現在參見作為圖3的布置的等同電路的圖4，測量電極M具有 保護電極G。保護電極將測量電流聚焦到構造中。在圖4中，X表示 在與屏蔽電極S相鄰的阻抗層之外的泥漿中的位置。仏和Ug是從一 個或多個電源施加的電壓。RM是測量電極的電阻。R鵬是從M到S 的連接的電阻。ZM、 Zs和Zc是與測量電極M、屏蔽電極S和保護電
極G相關聯的接觸阻抗。R訓im和R畫d2是泥漿電阻。RAM、 Ras和 RAC分別是測量電極、屏蔽電極和保護電極的表觀構造電阻。通過圖 4中的地符號來表示迴路R。
通過下面的過程來執行電阻率測量。在保護電極G施加電壓UG。 測量在保護電極和屏蔽電極之間的電流Ims。電壓Umg被控制(例如 通過改變電壓Uj直到電流I鵬為0。因為lMs是0，因此在泥漿中的 M和點X之間的電勢差消失，因此，沒有從M到X的淨電流，或者 反之亦然。從M通過ZM的電流和從X通過Rmudi的電流的和將流過 RAM。因為這一點，甚至對於未知的或者不相等的接觸阻抗ZM、 Zs 和Zg，下面的內容也為真
(1) 離開M的總電流進入所述構造，
(2) 不會出現從M直接到G的電流，並且
(3) 比起沒有接觸阻抗並且在G和M上精確地具有相同的電 勢，聚焦效果更好。
於是將表觀電阻率計算為formula see original document page 14
其中，k是可以通過使用已知方法校準所述工具而確定的常數， lM是通過測量電極(電流表RM)的電流，U,是在測量電極和迴路 (參考)電勢之間的電壓。現在轉到圖5a-5c，圖解了用於實現測量電極和屏蔽電極之間的 0電流的各種方法。在圖5a中，控制電壓源135。在圖5b中，控制 來自電流源的電流。在圖5c中，控制阻抗Zk，這通過使用保護電極 和地之間的電勢差UGn作為電源而改變通過測量電極和屏蔽電極的電 流0
在討論圖6a-6d之前，我們定義被屏蔽的測量電極(shielded measurement electrode, SME)的基本概念。SME包括由隔離物圍 繞的任意形式的平面測量電極，所述隔離物被屏蔽電極圍繞。所述屏 蔽電極也被隔離物圍繞。所述電極可以被圖5a-c的電子部件通過將保 護電勢保持恆定來操作。
現在轉向圖6a,可以是MWD布置的井底組件或者纜線傳送的 測井工具的工具主體153被保持在迴路電勢上，並且被配備了一個或 多個任意形式的部分4呆護電極151a、 151b和151c。可以在不同的恆 定電勢上操作所述保護電極。每個保護電極被配備了一個或多個SME 155。 一個或多個SME可以被圖5a-c的電子部件在不同的電勢上操 作。在使用阻抗調節的情況下，可以通過使用伴隨的保護電極的電壓 源通過幾個並行操作的可調節阻抗來提供SME。圖6a的部分保護電 極的每個被隔離物157圍繞，以將保護電極與迴路隔離。具有保護電 極151b的所示出的特定布置適合於用在MWD裝置的加強筋上。
圖6b和6a之間的主要差別是，在前者中，使用全部保護電極 151a，、 151b，、 151c，。使用保護電極151b，的所示出的特定布置適合 於用在MWD裝置的加強筋上。圖6c示出了通過適當的擴展構件(隔 離)161從工具主體151擴展的焊盤形式的保護電極。
在圖6d中，被保持在迴路電勢上的工具主體被配備了幾組環形 電極。每組由內部測量電極環201構成，所述內部測量電極環201被 短路的兩個屏蔽電極環203圍繞。所述屏蔽電極環被兩個短路的保護 電極環205圍繞。可以在不同的恆定電勢上操作不同組的短路保護電 極。可以由圖5a-c的電子部件在不同的電勢上操作測量電極和屏蔽電 極。也可能在調節保護電極上的電勢的同時將測量電極保持在不同的 恆定電勢上。
圖7中所示的實施例類似於圖6d中的。但是，屏蔽電極對203a、 203b和保護電極對205a、 205b未被短路。為了操作這個實施例，應 當使用圖8的示意圖。 一組的測量電極被保持在恆定電勢上。通過調 節相鄰的保護電極環上的電勢，由每側上的測量和保護電極圍繞的屏 蔽電極環的屏蔽電流被控制為最小。這個組件使得可以通過使用兩個 獨立操作的屏蔽電極在不同的電勢上驅動圍繞測量電極的兩個保護 電極環。這個實施例可以用於以很高的構造電阻率差異來增強聚焦和 垂直解析度。
圖9a和9b示出了基於兩個屏蔽電極和兩個保護電極的屏蔽和保 護電極的級聯。測量電極301通常被第一屏蔽電極303圍繞，第一屏 蔽電極303繼而由第一保護電極305圍繞。通過使用笫二屏蔽電極307 圍繞第一保護電極來將此擴展。以這種方式，由第二屏蔽電極圍繞的 第一保護電極也可以被"屏蔽"，像測量電極那樣。繼續屏蔽內部保護 電極的這個原理，所述組件現在可以被描述為被屏蔽電極圍繞的測量 電極和n對內部保護電極和屏蔽電極。整個組件被最外邊的保護電極 309完成。在圖9a中，示出了任意形狀的平面電極。所述屏蔽電極和 保護電極具有與測量電極相同的形式。外部保護電極309可以具有不 同的形狀，並且可以是部分或者全部保護電極。在圖9b中，示出了 具有適當的短路的環形電極。311是工具的主體。
圖IO是操作圖9a-b的實施例的方法的示意圖示。如上所述操作 測量和內部屏蔽電極。外部保護電極被保持在恆定電勢。根據內部保 護電極屏蔽電極對的數量，通過最小化對應的屏蔽電極的屏蔽電流來 控制在每個內部保護電極上的保護電極電勢。可以通過使用電壓源或 者電流源以及可調節的阻抗來實現這一點。當使用可調節的阻抗時， 它們可以與保護電壓源並聯，或者從一個電極對向下一個電極對級 聯。
圖lla和llb示出了不具有和具有附加的屏蔽電極的電極配置的 比較。所述圖示示出了相對於位於測量電極的中心的電極的垂直線軸
向對稱的模型的電場。圖lla示出了在理想條件(在測量電極和保護 電極上具有相同電勢，並且沒有接觸阻抗)下的傳統電極配置的電場 線。所述測量電極被表示為401,保護電極被表示為405，並且絕緣 器被表示為403。在這種情況下，分辨半徑453 (測量電極的電流穿 透構造的半徑)與測量電極的半徑451和絕緣器的寬度的一般基本上 相同。圖11b示出了包括屏蔽電極505的電極配置的電場線。測量電 極被表示為501。絕緣器或被表示為503和507。通過滿足在測量電 極和屏蔽電極之間無電流的條件，保護電極509的電勢被保持為略大
於測量電極的電勢，因此一部分保護電流進入屏蔽電極，並且離開它 進入構造。分辨半徑553小於測量電極的半徑551，導致測量電流的 更好的聚焦。
圖12是對於0.02歐姆-米的泥漿電阻率的、作為構造電阻率的對 數與示例工具和構造之間的距離的函數的分辨直徑的三維繪圖的透
視圖。重要的一點是注意分辨半徑與構造電阻率基本上無關。另外， 在較大範圍的間隔(4毫米到8毫米)上，分辨直徑大致不變，並且 對於小於4.4毫米的值，分辨直徑小於測量電極的直徑(5.08毫米)。 泥漿電阻率的其他值的繪圖(未示出)顯示了類似的行為。
圖13是對於0.02歐姆-米的泥漿電阻率的、作為間隔距離和構造 電阻率對數的函數的表觀電阻對數的三維繪圖的透視圖。兩點值得注 意。首先，並且最重要的是，由所述工具測量的表觀電阻相對於構造 電阻率大致為線性。其次，在大範圍的間隔(2毫米到8毫米)上， 表觀電阻大致相同。
圖14是類似於圖13、但是對於0.2歐姆-米的泥漿電阻率的繪圖。 同樣，注意表觀電阻相對於構造電阻率大致為線性，並且與間隔基本 上無關。將圖14與圖13相比較示出了表觀電阻看起來不受泥漿電阻 率的顯著影響。
現在轉到圖15，示出了對於2歐姆-米的泥漿電阻率的、與圖l3 類似的繪圖。同樣，表觀電阻相對於構造電阻率大致為線性，並且與 間隔基本上無關，並且不受泥漿電阻率的顯著影響。
在本發明的一個實施例中，提供了適當的校準曲線，它們將表觀 電阻與對於泥漿電阻率的不同值的構造電阻率相關聯。可以預先知道 泥漿電阻率，或者可以使用適當的裝置現場測量泥漿電阻率，所述適
當的裝置諸如被授予FabHs等的US 6801039中公開的裝置，這個專 利的受讓者與本發明相同，並且其內容通過引用被全部併入在此。
使用本發明的裝置和方法，可以使用通過諸如磁力計的適當方位 傳感器的方位測量在MWD環境中獲得電阻率圖像。例如在被授予 Thompson等的US 6173793中討論了產生這樣的圖像的方法，所述專 利具有與本發明相同的受讓者，並且其內容通過引用被包含在此。
通過井下處理器來進行數據的處理，以大致實時地提供校正的測 量值。或者，所述測量值可以在井下被記錄，當鑽杆柱釋放時被取回， 並且使用表面處理器被處理。在數據的控制和處理中隱含的是在適當 的機器可讀介質上的電腦程式的使用，其使得處理器能夠執行所述 控制和處理。所述才幾器只讀介質可以包括ROM、 EPROM、 EEPROM、 快閃記憶體和光碟。
雖然上述的公開內容涉及本發明的優選實施例，但是各種修改對 於本領域內的技術人員是顯然的。上述的公開意欲包含所附的權利要 求的範圍和精神內的各種改變。
權利要求
1.一種用於確定地層構造的電阻率參數的裝置，所述裝置包括(a)在所述地層構造中的鑽孔中的測井工具，所述測井工具具有至少一個測量電極，其將測量電流傳送到所述地層構造中；(b)與所述至少一個測量電極相關聯的至少一個保護電極，其聚焦所述測量電流；(c)屏蔽電極，其被插入在所述至少一個保護電極和所述至少一個測量電極之間；以及(d)電路，其最小化所述至少一個測量電極和所述屏蔽電極之間的電流。
2. 按照權利要求l的裝置，其中，所述電路包括處理器，其改 變下述的至少一個(i)所述至少一個測量電極的電勢，(ii)被提 供到所述至少一個測量電極的電流，(iii)在所述至少一個保護電極 和所述至少一個測量電極之間的阻抗，(iv)所述至少一個保護電極 的電勢。
3. 按照權利要求l的裝置，還包括處理器，其從測量電流和(i) 所述保護電極以及(ii)所述測量電極中的至少一個的電勢來確定與 所述電阻率參數相關聯的表觀電阻。
4. 按照權利要求3的裝置，其中，所述處理器通過使用下述形 式的關係式來確定表觀電阻formula see original document page 2其中，p。是表觀電阻率，k是校準因子，UMc是相對於參考電勢 的(i)保護電極和(ii)測量電極中的至少一個的電壓，lM是測量電流o
5. 按照權利要求4的裝置，其中，所感興趣的參數包括構造電 阻率，其中，所述處理器還從所述表觀電阻來確定所述構造電阻率。
6. 按照權利要求3的裝置，其中，所確定的表觀電阻率與(i) 測井工具的間隔和(ii)鑽孔中的流體的電阻率中的至少一個基本上 無關。
7. 按照權利要求l的裝置，其中，在所述測井工具和鑽孔壁之 間有大約2毫米和大約10毫米之間的間隔。
8. 按照權利要求l的裝置，還包括傳送裝置，其將測井工具傳 送到鑽孔中，所述傳送裝置選自由(i)具有承載測井工具的井底組件 的鑽井管和(ii)纜線構成的組。
9. 按照權利要求l的裝置，還包括方位傳感器，其提供用於指 示所述測井工具的方位角的輸出，所述裝置包括處理器，其使用所述 方位傳感器的輸出來產生所述構造的電阻率圖像。
10. 按照權利要求l的裝置，其中，所述至少一個測量電極的大 小大於在鑽孔壁的測量電流的大小。
11. 按照權利要求l的裝置，其中，所述至少一個屏蔽電極還包 括至少一個第二屏蔽電極，其圍繞所述至少一個保護電極。
12. 按照權利要求l的裝置，還包括絕緣體，其位於下述部件之 間(i)所述至少一個測量電極和所述屏蔽電極，以及(ii)所述屏 蔽電極和所述至少 一個保護電極。
13. 按照權利要求2的裝置，其中，所述處理器在(i)表面位 置和(ii)井下位置之一。
14. 按照權利要求l的裝置，其中，所述至少一個測量電極、所 述屏蔽電極和所述至少一個保護電極包括環形電極。
15. —種用於確定地層構造的電阻率參數的方法，所述方法包括 (a )使用在所述地層構造中的測井工具上的測量電極來將測量電流傳送到地層構造中；(b )使用所述測井工具上的保護電極來聚焦所述測量電流；(c)將所述測量電極與保護電極屏蔽；並且(d )最小化所述測量電極和所述屏蔽電極之間的電流。
16. 按照權利要求15的方法，其中，最小化電流還包括至少下 述之一(i)改變所述測量電極的電勢，(ii)改變被提供到所述測 量電極的電流，(iii)改變在所述保護電極和所述測量電極之間的阻 抗，並且(iv)改變所述保護電極的電勢。
17. 按照權利要求15的方法，還包括從所述測量電流和(i)所 述保護電極以及(ii)所述測量電極中的至少一個的電勢來確定與所 述電阻率參數相關聯的表觀電阻。
18. 按照權利要求15的方法，其中，確定所述表觀電阻還包括 通過使用下述形式的關係式其中，p。是表觀電阻率，k是校準因子，U鵬是與參考電勢相關聯的(0保護電極和(ii)測量電極中的至少一個的電壓，Im是測量電流。
19. 按照權利要求17的方法，其中，電阻率參數包括從所述表 觀電阻確定的構造電阻率。
20. 按照權利要求17的方法，其中，所確定的表觀電阻率與(i) 測井工具的間隔和(ii)在鑽孔中的流體的電阻率中的至少一個基本 上無關。
21. 按照權利要求15的方法，還包括在下述部件之一上將測井 工具傳送到鑽孔(i)具有承載測井工具的井底組件的鑽井管，以及(ii)纜線。
22. 按照權利要求15的方法，還包括使用方位測量來產生所述 構造的電阻率圖像。
23. —種計算機可讀介質，用於在地層構造中的鑽孔中使用的測 井工具，所述測井工具包括(a) 測量電極，其將測量電流傳送到地層構造中；(b) 保護電極，其聚焦所述測量電流；以及(c) 屏蔽電極，其位於所述保護電極和所述測量電極之間， 所迷介質包括執行如下操作的指令(a) 最小化在所述測量電極和所述屏蔽電極之間的電流；以及(b) 從所述保護電極或者測量電極的電勢和所述測量電流來確 定表觀電阻。
24.按照權利要求23的介質，其選自由(i)ROM， (ii)EPROM， (iii) EAROM， (iv)快閃記憶體和(v)光碟構成的組。
全文摘要
具有一個或多個測量電極和保護電極以及一個或多個屏蔽電極的直流電阻率工具。所述測量電極和所述保護電極之間的電勢差被控制以最小化在所述測量電極和所述屏蔽電極之間的電流。這提供了改善的聚焦，並且避免了接觸阻抗的影響。
文檔編號G01V3/20GK101203776SQ200680018586
公開日2008年6月18日 申請日期2006年4月11日 優先權日2005年4月20日
發明者克裡斯汀·佛達, 馬丁·佛玻瑟, 馬修斯·格萊克 申請人:貝克休斯公司