一种地层界面探测的电扫描方法和装置制造方法
【专利摘要】现有的井下地层界面探测工具需要绕轴线转动工具壳体以测量和记录井眼周围的地层信号，通过对测到的地层信号的计算处理得出地层界面的方位和距离。但有时需要在工具壳体静止的情况下探测地层界面信息。本发明提出了一种地层界面探测的电扫描方法和装置实现了在静止工具壳体上探测出地层边界的方位和距离的目的。
【专利说明】一种地层界面探测的电扫描方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及油井中的电测油井法。具体地说涉及一种地层界面探测的电扫描方法和装置。
【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)和介电常数等确定地层的岩石物理性质以及所含的液体。收集到的井下信息可以帮助描述多孔地层里烃(如原油或天然气)以及反映其它情况，用以识别不同地层之间的地层界面。因此，最好保持钻头在产油层(含烃层)里钻进，以尽可能实现最大限度的采收率。
[0003]随钻测井、随钻测量和电缆测井系统中可以采用各种测量工具。其中，一种工具为电阻率测量工具。如图1所示的相关技术中的电阻率测量工具示意图，它包括钻柱100、一对发射机Tl和T2，用于向周围地层发射电磁信号；一对接收机Rl和R2，用于接收来自发射机Tl和T2的电磁信号和在钻柱100远端近钻头的信号。相对于发射机T2，T1更接近接收机Rl和R2。
[0004]在图1中，钻柱100旋转并在第一地层102间移动,移向第一地层102和第二地层104之间的地层界面106。当钻柱100接近地层界面106时，来自发射机Τ2的电磁信号108开始穿透地层界面106，通过第二地层104，然后由接收机Rl和R2接收。然而，与此同时，来自发射机Tl的电磁信号110只能通过第一地层102，然后由远处的接收机Rl和R2接收。因此，发射机Tl测得的电阻率数据不同于发射机Τ2测量的电阻率数据，该测量的电阻率的差异即可表明存在地层界面106。
[0005]为将电阻率测量工具固定在产油层里，电阻率测量工具的操作不仅需要地层边界的位置信息，还需要其方向信息。图1所示的电阻率测量工具，无法确定地层界面106相对于钻柱100的方向。因此，“定向”电阻率测量工具应运而生。定向电阻率测量工具可以在旋转的同时，在不同的方位角收集信息。如图2所示的被分为多个面元(或区域)的井眼示意图，其中，将一个井眼分为多个面元(或领域)200?230。传统上，面元的数量为16或32。地层边界的位置和方向可以根据每个面元测量得出电阻率之间的关系结果来计算得出。然而，该定向电阻率测量工具在进行机械旋转时也会有一些缺点。例如，定向电阻率测量工具的振动会明显影响测量数据的精度。此外，机械旋转速度受物理环境限制。
[0006]针对上述问题，相关技术中已采取了一些避免振动的措施，比如将定向电阻率测量工具逐一固定在每个面元，进行该面元的测量。该方法虽然可以解决上述振动问题，但却会明显延长数据测量的处理过程。
[0007]如上所述，上述定向电阻率测量工具存在以下不足:机械旋转引起的振动或摇晃，降低了数据测量的精确度，固定位置的测量方式又降低了测量的效率；可见目前的定向电阻率测量工具无法满足实际工作的需求。[0008]针对在上述定向电阻率测量工具无法满足实际工作需要的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0009]为此，本发明所要解决的技术问题在于定向电阻率测量工具无法满足实际工作需要的问题。从而提出一种地层界面探测的电扫描方法和装置。
[0010]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
[0011]一种地层界面探测的电扫描方法，包括:
[0012]在井眼中部署一个柱状的工具壳体；在工具壳体上部署有第一发射机、第二发射机和接收机；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；
[0013]调制第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩；使得第一发射机与第二发射机同时发射信号时，电磁信号的总磁矩矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描；
[0014]利用接收机接收和测量来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号，并基于接收机接收到和测量到的电磁信号的振幅和相位计算地层界面的方向和位置。
[0015]所述第一发射机、第二发射机和接收机在方向上相互垂直。
[0016]所述接收机的方向平行于所述工具壳体的纵向轴线。
[0017]所述由第一发 射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩根据方程? m\ = ^Ocos(Qzl)
\m2 = ^Ocos(Qzl)
[0018]进行调制，其中，ml和m2分别为作用在第一发射机和第二发射机的磁矩，mO为磁矩的量级，Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率，t为电扫描开始后的持续时间。
[0019]所述角频率可调整。
[0020]进一步包括:测量在不同电扫描角度下来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号。
[0021]进一步包括:建立换算表，通过该换算表方便根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向。
[0022]进一步包括:检索与工具壳体耦合的测井工具的地层电阻率信号。
[0023]一步包括:建立换算表，通过该换算表方便根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向以及从测井工具中检索到的地层电阻率来计算地层界面的位置和方向。
[0024]一种地层界面探测的电扫描装置，包括:
[0025]柱状的工具壳体；
[0026]第一发射机,部署在所述工具壳体,沿着第一方向；
[0027]第二发射机，部署在所述工具壳体，沿着第二方向；
[0028]其中，所述第一发射机和所述第二发射机发射电磁信号，其磁矩具有可调制性，使得电磁信号总磁矩的矢量在所述第一发射机和所述第二发射机同时发射时能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；[0029]接收机，部署在所述工具壳体，平行于所述工具壳体的纵向轴线；
[0030]其中，所述接收机接收和测量所述第一发射机和所述第二发射机发出的调制电磁信号，得出所述调制电磁信号的振幅和相位，并根据所述电磁信号的振幅和相位计算地层界面方向和位置。
[0031]工具壳体是一个钻杆或钻柱。
[0032]所述第一发射机与所述第二发射机并置排列或在所述第二发射机轴向距离处。
[0033]所述第一发射机、第二发射机和接收机都至少有一天线。
[0034]述第一发射机的第一方向垂直于所述第二发射机的第二方向。
[0035]所述接收机的方向垂直于所述第一发射机的第一方向和所述第二发射机的第二方向。
[0036]所述由第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩根据方程
I m\ = ///Ocos(Qzl)
j
]m2 -/7/0 Cos(Qzt)? ，
[0037]进行调制，其中，ml和m2分别为作用在第一发射机和第二发射机的磁矩，mO为磁矩的量级，Ω为调制电磁信号的磁矩的电扫描的角频率，t为电扫描开始后的持续时间。
[0038]所述第一发射机和所述第二发射机包括:发射机电路，用于调制待发出的电磁信号。
[0039]所述接收机包括:接收机电路，用于处理接收到的电磁信号和分析所述电磁信号的振幅和相位。
[0040]所述接收机电路与一个处理器耦合，所述处理器用于协助计算地层界面的位置和方向。
[0041]所述处理器与一个储存设备耦合，所述储存设备用于储存换算表，以使所述接收机根据所述换算表、测量得出的所述振幅和相位计算地层界面方向和位置。
[0042]一种地层界面探测的电扫描装置，包括:
[0043]柱状的工具壳体；
[0044]第一发射机,部署在所述工具壳体；
[0045]第二发射机，部署在所述工具壳体，并垂直于所述第一发射机；
[0046]所述第一发射机和所述第二发射机发射电磁信号，其磁矩具有可调制性，使得第一发射机和所述第二发射机同时发射电磁信号时，电磁信号总磁矩的矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描，第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；
[0047]接收机，部署在所述工具壳体，并平行于所述工具壳体的纵向轴线；
[0048]其中，所述接收机接收和测量所述第一发射机和所述第二发射机发出的调制电磁信号，得出所述调制电磁信号的振幅和相位，并根据所述电磁信号的振幅和相位计算地层界面方向和位置。
[0049]所述装置还包括测井工具，用于测量地层电阻率。
[0050]所述接收机还包括一个换算表，用于将所述接收机测量得到的所述电磁信号的振幅和相位，以及所述测井工具测得的地层电阻率转换为地层界面的位置和方向。
[0051]本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:[0052]根据本发明实施例，通过部署有第一发射机、第二发射机和接收机的工具壳体检测地层界面的方向和位置，避免了机械旋转引起的振动或摇晃，提升了数据测量的精确度，并保证了测量的效率，因此解决了定向电阻率测量工具无法满足实际工作需求的问题，提升了设备的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]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:
[0054]图1是根据相关技术的常用电阻率的测量工具的示意图；
[0055]图2是根据相关技术的分为多个面元(或扇形区)用于测井的井眼示意图；
[0056]图3A是根据本发明实施例的采用定向电阻率测量工具的正面视图；
[0057]图3B是根据本发明实施例的为x_y平面上一对X-发射机和一对1-发射机的总磁矩M的示意图；
[0058]图3C是根据本发明实施例的图3A中的定向电阻率测量工具的示意图(部分用方框图表示)；
[0059]图4A是根据本发明实施例的应用电扫描技术实现定向测量的示意图；
[0060]图4B是根据本发明实施例的边界条件下，图4A的三维图的透视图；
[0061]图4C是根据本发明实施例的其它边界条件下，图4A的三维图的透视图；
[0062]图5A是根据本发明实施例的信号振幅对比电扫描角度的数据图的建模结果示意图；
[0063]图5B是根据本发明实施例的单一相位对比电扫描角度的数据图的建模结果示意图；
[0064]图6A是根据本发明实施例的信号振幅对比电扫描角度的数据图的建模结果示意图；
[0065]图6B是根据本发明实施例的单一相位对比电扫描角度的数据图的建模结果示意图；
[0066]图7是根据本发明实施例的相对信号振幅对比边界距离的数据图的建模结果；
[0067]图8是根据本发明实施例的地层界面探测的电扫描方法的流程图。
【具体实施方式】
[0068]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。
[0069]图3A为本发明实施例中定向电阻率测量工具的前视图。定向电阻率测量工具可以包括工具壳体300，两个带X向和j向轴的发射机:一个X-发射机304和y-发射机302，带Z向轴的接收机:一个Z-接收机306，和在远端的工具壳体300的钻头112。一个与工具壳体300相关的坐标系统(x、y、z)。工具壳体300的纵向轴线的方向被定义为当前坐标系(X、y、z)的Z轴。X-发射机304、y-发射机302和z_接收机306可以包括一个或多个天线，用于发射或接收电磁信号。X-发射机304可以与y-发射机302并置排列，或位于y-发射机302的轴向距离处。两个发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向。[0070]在其中一个实施例中，工具壳体300为钻杆或钻柱。
[0071]在其中一个实施例中，上述发射机方向可变即可调整。
[0072]在本发明实施例中，不需要以任何方法限制任何发射机和接收机的具体数量、方向或形状。
[0073]为进行定向测量，工具壳体300可不进行机械旋转，而利用电扫描技术保持当前状态，在电的驱动下扫描X-发射机304和y-发射机302的总磁矩的极化，模仿工具壳体300的机械旋转效果。电扫描技术可以从X-发射机304和y-发射机302同时发射出来的调制电磁信号开始。电磁信号的总磁矩矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描。调制电磁信号的磁矩可以通过以下方程(I)表示。
【权利要求】
1.一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，包括: 在井眼中部署一个柱状的工具壳体；在工具壳体上部署有第一发射机、第二发射机和接收机；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向； 调制第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩；使得第一发射机与第二发射机同时发射信号时，电磁信号的总磁矩矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描； 利用接收机接收和测量来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号，并基于接收机接收到和测量到的电磁信号的振幅和相位计算地层界面的方向和位置。
2.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，所述第一发射机、第二发射机和接收机在方向上相互垂直。
3.根据权利要求2所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，所述接收机的方向平行于所述工具壳体的纵向轴线。
4.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，所述由第一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩根据方程
5.根据权利要求4所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，所述角频率可调整。
6.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，进一步包括:测量在不同电扫描角度下来自第一发射机和第二发射机的调制电磁信号。
7.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，进一步包括:建立换算表，通过该换算表方便根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向。
8.根据权利要求1所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，进一步包括:检索与工具壳体耦合的测井工具的地层电阻率信号。
9.根据权利要求8所述的一种地层界面探测的电扫描方法，其特征在于，进一步包括:建立换算表，通过该换算表方便根据接收机收到和测量得到的电磁信号振幅和相位来计算地层界面的位置和方向以及从测井工具中检索到的地层电阻率来计算地层界面的位置和方向。
10.一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，包括: 柱状的工具壳体； 第一发射机，部署在所述工具壳体，沿着第一方向； 第二发射机，部署在所述工具壳体，沿着第二方向； 其中，所述第一发射机和所述第二发射机发射电磁信号，其磁矩具有可调制性，使得电磁信号总磁矩的矢量在所述第一发射机和所述第二发射机同时发射时能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描；第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向；接收机，部署在所述工具壳体，平行于所述工具壳体的纵向轴线； 其中，所述接收机接收和测量所述第一发射机和所述第二发射机发出的调制电磁信号，得出所述调制电磁信号的振幅和相位，并根据所述电磁信号的振幅和相位计算地层界面方向和位置。
11.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，工具壳体是一个钻杆或钻柱。
12.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述第一发射机与所述第二发射机并置排列或在所述第二发射机轴向距离处。
13.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述第一发射机、第二发射机和接收机都至少有一天线。
14.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述第一发射机的第一方向垂直于所述第二发射机的第二方向。
15.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述接收机的方向垂直于所述第一发射机的第一方向和所述第二发射机的第二方向。
16.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述由第
一发射机和第二发射机发射的电磁信号的磁矩根据方程
17.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述第一发射机和所述第二发射机包括:发射机电路，用于调制待发出的电磁信号。
18.根据权利要求10所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述接收机包括:接收机电路，用于处理接收到的电磁信号和分析所述电磁信号的振幅和相位。
19.根据权利要求18所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述接收机电路与一个处理器耦合，所述处理器用于协助计算地层界面的位置和方向。
20.根据权利要求19所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述处理器与一个储存设备耦合，所述储存设备用于储存换算表，以使所述接收机根据所述换算表、测量得出的所述振幅和相位计算地层界面方向和位置。
21.一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，包括: 柱状的工具壳体； 第一发射机，部署在所述工具壳体； 第二发射机，部署在所述工具壳体，并垂直于所述第一发射机； 所述第一发射机和所述第二发射机发射电磁信号，其磁矩具有可调制性，使得第一发射机和所述第二发射机同时发射电磁信号时，电磁信号总磁矩的矢量能绕着工具壳体轴线作360度的电扫描，第一发射机和第二发射机所发射的电磁波具有不同的极化方向； 接收机，部署在所述工具壳体，并平行于所述工具壳体的纵向轴线； 其中，所述接收机接收和测量所述第一发射机和所述第二发射机发出的调制电磁信号，得出所述调制电磁信号的振幅和相位，并根据所述电磁信号的振幅和相位计算地层界面方向和位置。
22.根据权利要求21所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述装置还包括测井工具，用于测量地层电阻率。
23.根据权利要求22所述的一种地层界面探测的电扫描装置，其特征在于，所述接收机还包括一个换算表，用于将所述接收机测量得到的所述电磁信号的振幅和相位，以及所述测井工具测得的地层电 阻率转换为地层界面的位置和方向。
【文档编号】E21B49/00GK103670389SQ201310698295
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】刘策 申请人:贝兹维仪器(苏州)有限公司