用於對地層進行電磁測井的方法和設備的製作方法

2023-11-07 17:06:37 1

專利名稱：用於對地層進行電磁測井的方法和設備的製作方法
技術領域：
本公開總體涉及用於測井的電磁方法和工具，並且更具體地涉及用於合成天線響應的改進的天線和方法。
背景技術：
包圍井眼的地層的介電常數(或電容率)的測量值被公知為用於提供關於地層的非常有用的信息。地球地層的不同物質的介電常數廣泛地變化(例如，油的介電常數為 2.2，石灰巖的介電常數為7. 5，而水的介電常數為80)，因此，介電特性的測量值是地層評價的有用手段。例如，具體地層的巖性和水飽和是已知的，如果可以獲得地層的介電常數，貝U可以確定孔隙度。類似地，如果巖性和孔隙度是已知的，則可以通過測量地層的介電常數獲得關於含水飽和度的信息。一種改進測量地層介電常數的技術的測井設備是諸如授予Rau並轉讓給本受讓人的英國專利No.3，944，910(「' 910專利」)所公開的電磁波傳播測井儀。此專利公開了一種測井裝置，所述測井裝置包括安裝在極板(pad)內的間隔開的接收器和發射器，所述極板推靠在井壁上。微波電磁能發射到地層內，並且已經傳播通過地層的能量在接收天線處被接收。根據所接收到的信號確定在地層中傳播的能量的相位移和衰減。然後可以根據相位移和衰減測量值能夠得到地層的介電常數，如果需要，還能夠得到地層的電導率。天線的結構是電磁波傳播測井儀的成功操作的重要方面。在相對較高的操作頻率(例如，1100MHz)下，信號衰減十分迅速。因此，重要的是具有可以將能量有效地發射到地層內的發射天線，和具有可以有效地接收已經傳播通過地層的能量的接收天線。因為介電常數和電導率測量值的精度取決於接收到的信號的衰減和相位移的精確測量值，因此必須使天線隨時間以穩定方式工作，並且天線必須處於並保持大致平衡狀態。在'910專利中，電磁波傳播測井裝置中的天線是背腔天線或槽形天線，所述天線填充有介電材料並且包括探頭，該探頭是同軸電纜的中心導體的延伸部。還公知的是作為「探頭」的同軸電纜的中心導體橫跨槽延伸，並且連接到槽的相對側的壁。如，910專利中所公開的，天線的探頭沿平行於井眼的縱向方向的方向延伸。這種結構還被公知為「垂射」天線陣列。授予Clark並轉讓給本受讓人的美國專利No. 4，704, 581 ( 「 ' 581專利」)公開了一種類似的測井裝置，但是在所述測井裝置中，天線具有沿垂直於井眼的縱向方向的方向延伸的探頭。這種結構被公知為「端射」天線陣列。與垂射天線陣列相比，端射天線陣列具有較深的探測深度，並且受測井儀的間隙(例如，與泥餅的間隙)的影響較小。另一方面，與端射天線陣列相比，垂射天線陣列具有更強的信號，並且可以優選地位於相對高損(低電阻)的測井環境中。基於'910和'581專利的教導的測井裝置的示例是由斯倫貝謝技術公司(休斯頓，德克薩斯州)所售的商品名為EPT 的電磁波傳播測井儀。被稱作為可適應的EPT (ADEPT )的類似測井儀在給定運行期間可以根據天線選擇提供垂射操作或端射操作。ADEPT 測井儀具有兩組可變天線，一組是垂射天線陣列，而另一組是端射天線陣列。EPT 或ADEPT 測井儀使用背腔天線(或槽形天線)陣列。基於類似陣列的其它有關測井儀包括授予Clark的美國專利No. 4，698，572( 572專利」)。,572專利公開了結合槽形天線的電磁波測井儀，與傳統的背腔天線相比，所述槽形天線具有提高的特性。此專利中公開的槽形天線包括用於提高其操作的調諧元件。此外，授予Beren等人的美國專利No. 5，434,507( 507專利」)公開了具有二維天線陣列的電磁波測井儀。天線陣列可以包括具有以交叉結構布置的兩個導體。這種天線被公知為交叉偶極子天線。這種二維天線陣列使得可以對包圍井眼的地層成象。近年來，在Tabanou的並轉讓給本受讓人的美國專利申請出版物No. 2006/0145700( 700申請」)中已經公開了印刷電路天線。這些天線可以包括形成在絕緣層上的印刷電路環形天線。這些環形天線可以被構造成模擬上述傳統的槽形天線的 電流通路。這種天線具有減小的輪廓和更加柔性的結構，這使得所述天線在應力下不容易被破壞，因此在相對惡劣的隨鑽測井(LWD)應用中尤其有用。雖然上述天線對於獲得電磁測井信息來說已經非常可靠，但是所述信息的精度卻受限於由傳統的天線產生的混合模式響應。不同天線設計具有不同的輻射特徵，所述輻射特徵對特定地層測量可能有益或不利。在介電測井和電阻率測井中，例如，理想的是對存在於天線陣列與地層之間的間隙層(即，泥餅)具有高垂向解析度和低靈敏度。具有純橫向電場(TE)輻射模式的天線對於間隙抗擾性是理想的，而具有純橫向磁場(TM)輻射模式的天線對於提高垂向解析度是理想的。然而，當前，對於實現純TE模式或純TM模式的井下應用來說沒有實際的天線設計。端射天線陣列主要但不是完全具有TE響應，而垂射天線陣主要但不是完全具有TM響應。總之，任意天線響應可以被分解成TE響應和TM響應的混合。因此，期望的是具有一種由現有天線的非理想的混合響應合成純TE響應和純TM響應的方法，和具有尤其適於提供在這種合成中所使用的響應的天線陣。

發明內容
本發明涉及一種使用期望的天線陣列的合成響應確定地層特性的方法，包括以下步驟提供第一天線陣列和第二天線陣列；從第一天線陣列發射器發射第一信號；在兩個或更多個第一天線陣列接收器處接收第一信號；組合第一天線陣列接收器的接收信號以產生期望點處的第一天線陣列直接響應和在所述期望點處的第一天線陣列導數響應；從第二天線陣列發射器發射第二信號；在兩個或更多個第二天線陣列接收器處接收第二信號；組合第二天線陣列接收器的接收信號以產生在期望點處的第二天線陣列直接響應和在所述期望點處的第二天線陣列導數響應；使用第一天線陣列和第二天線陣列的直接響應和導數響應合成期望點處期望的天線陣列的響應；以及使用合成的響應確定地層特性。本發明還涉及一種確定地層特性的測井儀，包括測井儀主體；第一天線陣列和第二天線陣列，所述第一天線陣列和第二天線陣列攜載在測井儀主體上，所述第一天線陣列和所述第二天線陣列中的每一個都具有至少一個發射器和用於提供接收信號的兩個或更多個接收器；和處理器，所述處理器用於組合第一天線陣列的接收信號和第二天線陣列的接收信號；產生第一天線陣列直接響應和第二天線陣列直接響應以及第一天線陣列導數響應和第二天線陣列導數響應；以及合成期望的天線陣列響應，所述期望的天線陣列的響應用於確定所述地層特性。本發明還涉及ー種用於在測井儀中使用的天線，包括導體，所述導體中具有腔；第一導電探頭，所述第一導電探頭沿第一軸線橫跨腔延伸；第二導電探頭和第三導電探頭，所述第二導電探頭和所述第三導電探頭沿垂直於第一軸線的平行軸線橫跨腔延伸，其中，導電探頭中沒有一個與其它導電探頭中的任ー個直接電接觸。為了避免這種電接觸，第一導電探頭或第二和第三導電探頭或所有導電探頭可以被切槽。


為了更加全面地理解本公開的方法和設備，以下參照附圖更加詳細地說明實施例，其中
圖I示意性地顯示設置在形成在地層內的井眼中的測井儀；圖2示意性地顯示端射天線陣列和由所述端射天線陣列產生的垂直磁偶極子；圖3示意性地顯示垂射天線陣列和由所述垂射天線陣列產生的水平磁偶極子；圖4A是示意性地顯示由測量的天線響應的組合合成期望的天線響應的流程圖，其中，發射器増益和接收器增益不是已知的；圖4B是示意性地顯示由測量的天線響應的組合合成期望的天線響應的流程圖，其中，發射器増益和接收器增益是已知的；圖5示意性地顯示適於獲得用於合成期望的天線響應的測量值的交叉偶極子天線陣列；圖6是畫出了 TE陣列、TM陣列、EMD陣列、和BMD陣列的遠接收器信號與頻率的圖表;圖7示意性地顯示了適於獲得用於合成期望的天線響應的交叉偶極子和雙交叉天線陣列；圖8是顯示雙交叉(double cross)天線的ー個實施例的立體圖；圖9是沿圖8的線9-9截得的雙交叉天線的橫截面圖；圖10是畫出了在200MHz的頻率下TE陣列、TM陣列、EMD陣列、和BMD陣列的介電
常數的倒數與間隙厚度的圖表；圖11是畫出了在1000MHz的頻率下TE陣列、TM陣列、EMD陣列、和BMD陣列的介
電常數的倒數與間隙厚度的圖表；圖12是畫出了在1000MHz的頻率下TE陣列、TM陣列、EMD陣列、和BMD陣列的電
導率的倒數與間隙厚度的圖表；圖13是畫出了在1000MHz頻率下TE陣列、TM陣列、EMD陣列、和BMD陣列的損耗角正切的倒數與間隙厚度的圖表；圖14是畫出了在200MHz頻率下TE陣列、TM陣列、EMD陣列、和BMD陣列的損耗角正切的倒數與間隙厚度的圖表；圖15示意性地顯示適於獲得用於合成期望的天線響應的測量值的交叉偶極子和四個交叉天線陣列；
圖16是顯示四個交叉天線的ー個實施例的立體圖。應該理解的是附圖沒有必要按照比例畫出，並且所公開的實施例有時以圖表的方式和在局部視圖中示出。在一些情況下，可以省略對於理解所公開的方法和設備不需要的細節或使其它細節難以理解的細節。然而，應該理解的是本公開不局限於這裡所述的具體實施例。
具體實施例方式本公開涉及ー種由實際天線響應的組合合成期望的天線響應以在地 層的電磁測井期間提供更加精確和有用的信息的方法。本公開還公開了尤其適於提供實際天線響應的組合的天線陣列，該實際天線響應的組合用於合成期望的天線響應。這裡公開的所述方法和設備可以與井下工具一起使用，所述井下工具包括隨鑽應用和電纜應用。可以對各種類型的期望天線響應進行合成以提供關於地下地層的更加精確和有用的信息，從而確定介電常數、電導率、或其它地層特徵。圖I示意性地顯示在地下地層12內形成的典型井眼10。井眼10包括在+++鑽井操作期間形成的泥餅的間隙層14。泥漿濾液可以滲透地層12以形成地層的鄰接間隙層14的侵入層帶。測井儀18的尺寸被形成為插入到井眼10內，並且被構造成實施測井操作。因此，測井儀18可以包括ー對發射天線20、22和ー對接收天線24、26。在操作中，發射器20、22將電磁能發射到間隙層14和地層12內，而接收天線24、26接收已經傳播通過間隙層14和地層12的電磁能並且產生響應信號。響應信號可以用於確定相位移、衰減、或其它測量值。這些測量值則可以獲得地層的介電常數、電導率、或其它特徵。如上所述，電磁能的ー些分量提供改進的響應特性。例如，橫向電場(TE)波具有改進的間隙抗擾性，而橫向磁場(TM)波具有較高的垂向解析度。間隙14和地層12結構形成層狀介質，且邊界在不同的層之間延伸。傳播到地層內的純TE波的電場分量平行於邊界面，因此沒有ー個TE波在邊界處反射。然而，純TM波至少具有垂直於邊界面的一個電場分量，因此TM波的一部分將在邊界處反射。反射量與兩個層的介電常數之間的差成比例。從邊界反射的電磁能的一部分傳播通過間隙層，因此TM波具有對間隙層增加的敏感度。純TE天線的示例是以距離d安裝在地平面上方的電流環形天線(current loop)。在地平面上方的電流環形天線產生具有由以下公式給出的間隙響應的垂向磁四極
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.I 丸A''』'球r P - 丁; か;フ「了其中S是與天線距離P處的測量電壓，I是在環形天線內循環的電流，A是環形天線面積，J0是零階貝塞耳函數，h是間隙層的厚度，而
h = '石如*-*是表徵介質I ( S卩，間隙層)的波傳播常數，在公式(2)中，《是角頻率，C是光在真空中的速度，h是相對介電常數，而是介質的相對磁導率。對於大多數地質構造來說，相對磁導率是I並且可以忽略不計。傳播常數是矢量，所述矢量在圓柱坐標系中由以下公式給出
權利要求
1.一種在測井儀中使用的天線，包括 導體，所述導體中具有腔； 第一導電探頭，所述第一導電探頭沿第一軸線橫跨所述腔延伸；和第二導電探頭和第三導電探頭，所述第二導電探頭和所述第三導電探頭沿垂直於所述第一軸線的平行軸線橫跨所述腔延伸， 其中，所述導電探頭中沒有一個與其它導電探頭中的任一個直接電接觸。
2.根據權利要求I所述的天線，其中，所述第一導電探頭或所述第二導電探頭和所述第三導電或所有三個導電探頭被開槽。
3.—種在測井儀中使用的天線，包括 導體，所述導體中具有腔； 第一導電探頭和第二導電探頭，所述第一導電探頭和所述第二導電探頭沿平行於第一軸線的平行軸線橫跨所述腔延伸；和 第三導電探頭和第四導電探頭，所述第三導電探頭和所述第四導電探頭沿垂直於所述第一軸線的平行軸線橫跨所述腔延伸， 其中，所述導電探頭中沒有一個與其它導電探頭中的任一個直接電接觸。
4.根據權利要求3所述的天線，其中，所有四個導電探頭被開槽。
全文摘要
本發明為用於對地層進行電磁測井的方法和設備，公開了一種用於有測量的天線響應的組合合成期望的天線響應的方法和設備，以及公開了尤其適於提供所述測量值的天線陣列。這些天線陣列可以包括交叉偶極子天線和雙交叉偶極子天線。
文檔編號H01Q21/24GK102780063SQ201210253928
公開日2012年11月14日 申請日期2008年12月3日 優先權日2007年12月6日
發明者塔瑞克·M·哈巴什, 雷扎·泰赫裡安 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司