專利名稱：用于井位和電阻率確定的設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下勘探領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于確定地下參數(shù)和井位的技術(shù)。 本發(fā)明對測井領(lǐng)域具有普遍應(yīng)用，但是本發(fā)明對隨鉆測井(LWD)、隨鉆測量(MWD)、和定向 鉆井(地質(zhì)導(dǎo)向)應(yīng)用尤其有用。
背景技術(shù)：
在地下勘探領(lǐng)域中已經(jīng)使用電磁(EM)測井儀多年。這些測井儀或儀器每一個都 具有配備有天線的細(xì)長支撐件，所述天線可作為源(發(fā)射器)或傳感器(接收器)而操作。 在這些測井儀上的天線通常形成為導(dǎo)線的環(huán)形天線或線圈。在操作中，發(fā)射器天線被交流 電激勵以將能量發(fā)射通過井內(nèi)流體(“泥漿”)并且進(jìn)入到周圍地層或地層內(nèi)。(如這里所 使用的，“地層”可以表示單個層或者可以包括多個層。)發(fā)射的能量與井眼和地層相互作 用以產(chǎn)生通過一個或多個接收器天線檢測和測量的信號。檢測到的信號反映與泥漿和地層 的相互作用。測量值還受改變井眼附近的巖石的特性的泥漿濾液侵入的影響。通過處理檢 測到的信號數(shù)據(jù)，可確定地層和/或井眼特性的測井圖或剖面圖。測量的地下參數(shù)通過公知為反演技術(shù)的方法進(jìn)行處理。反演方法通常包括對包 圍測井儀器的地球地層的幾何結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行初始估計或模擬。初始模型參數(shù)可以以本 領(lǐng)域公知的多種方式推導(dǎo)出。根據(jù)初始模型計算預(yù)期的測井儀響應(yīng)。然后將計算響應(yīng)與 測井儀的測量響應(yīng)進(jìn)行比較。計算響應(yīng)與測量響應(yīng)之間的差用于調(diào)節(jié)初始模型的參數(shù)。調(diào) 節(jié)模型用于再次計算測井儀器的期望響應(yīng)。將用于調(diào)節(jié)模型的期望響應(yīng)與測量的儀器響 應(yīng)進(jìn)行比較，并且所述期望響應(yīng)與所述測量的儀器響應(yīng)之間的任意差用于調(diào)節(jié)所述模型。 通常重復(fù)此過程直到期望響應(yīng)并測量響應(yīng)之間的差降到預(yù)先選定的閾值以下。美國專利 No. 6，594. 584說明了現(xiàn)代反演技術(shù)并且通過引用在此全文并入。因為LWD和MWD儀的有效性，因此工業(yè)已經(jīng)使用實時使用電阻率測量值的井位。這 種應(yīng)用通常被公知為地質(zhì)導(dǎo)向。在地質(zhì)導(dǎo)向中，通過電阻率測井特征的相關(guān)性實時執(zhí)行井 眼位置相對于已知地質(zhì)標(biāo)記的估計。由于LWD儀的電阻率傳感器沿鉆鋌相對于發(fā)射器的位 置通常較近，因此只能獲得受限制的徑向靈敏度，藉此限制地層地質(zhì)模型知識和判斷的范 圍。通過引入具有發(fā)射器_接收器距離在數(shù)十米的傳感器，可以獲得較深的徑向靈敏度。斯倫貝謝的具有在數(shù)十米的大發(fā)射器_接收器間隔的LWD超深電阻率或UDRTM感 應(yīng)測井儀已經(jīng)被成功測試。所述測井儀的一種應(yīng)用已經(jīng)用于確定遠(yuǎn)離井眼軌跡7-llm的油 /Klf-M (OffC)白勺@g。 “Method andApparatus for Measuring Resistivity of an Earth Formation”并授予Seydoux等人的美國專利No. 6，188，222和Seydoux等人的題為 "Systems for DeepResistivity While Drilling for Proactive Geosteering，，的美國專 利No. 7093672還提供了對這種測井儀和所述測井儀的使用的說明。丨222專利和'672 專利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并通過引用在此全文并入。LffD超深電阻率基本測井儀結(jié)構(gòu)包括兩個獨立的鉆井接頭(一個發(fā)射器和一個接 收器)，所述鉆井接頭連同其它鉆井工具一起放置在BHA中以允許大的發(fā)射器_接收器間感應(yīng)振幅組成，以允許檢測具有電阻 率對比的不同地層界面，所述電阻率對比具有大范圍電阻率。測量值用于對最優(yōu)參數(shù)地層 模型做反演，所述最優(yōu)參數(shù)地層模型給出在這種地層模型中測井儀的實際測量值與測井儀 的預(yù)期測量值之間的最佳擬合。圖1顯示在使用中的MWD儀的示例。在圖1的結(jié)構(gòu)中，鉆柱10通常包括方鉆桿8、 長鉆桿11、和鉆鋌12，所述鉆鋌如圖所示懸掛在鉆通地球地層9的井眼13內(nèi)。鉆柱的下端 處的鉆頭14通過連接到鉆井馬達(dá)組件16的驅(qū)動軸15旋轉(zhuǎn)。這種馬達(dá)由鉆井泥漿供給動 力，所述泥漿向下循環(huán)通過鉆柱10的孔并通過井眼環(huán)狀空間13a向上回到地面。馬達(dá)組件 16包括動力部分(轉(zhuǎn)子/定子或渦輪機(jī))，所述動力部分驅(qū)動鉆頭和彎外殼17，所述彎外 殼在使井眼13在彎角的平面內(nèi)彎曲的彎曲點處建立小彎角并逐漸建立新的井斜。彎外殼 可以是固定角度裝置，或者所述彎外殼可以是地面可調(diào)節(jié)組件。如通過引用在此全文并入 的美國專利No5，117，927中所公開的，彎外殼還可以是井下可調(diào)節(jié)組件?？蛇x地，馬達(dá)組件 16可以包括直外殼，并且可以用于與本領(lǐng)域所公知的彎接頭相關(guān)聯(lián)，并在馬達(dá)組件16上方 位于鉆柱內(nèi)以提供彎角。傳統(tǒng)的MWD儀18在此鉆柱內(nèi)位于馬達(dá)組件16上方，所述MWD儀具有測量不同井 下參數(shù)的傳感器。鉆井參數(shù)、鉆頭參數(shù)和地球地層參數(shù)是由MWD系統(tǒng)測量的參數(shù)類型。鉆 井參數(shù)包括BHA的方向和傾角。鉆頭參數(shù)包括諸如鉆壓(WOB)、鉆頭扭矩和驅(qū)動軸速度的 測量值。地層參數(shù)包括諸如自然伽馬射線錐體、地層的電阻率、以及表征地層的其它參數(shù)的 測量值。由MWD系統(tǒng)獲得的表示這些井下參數(shù)和特征的測量信號通過發(fā)射器實時發(fā)射到地 面，或當(dāng)將BHA帶回到地面時記錄在存儲器內(nèi)用于使用。雖然現(xiàn)有技術(shù)深探測電阻率測井儀(例如，UDR)被證明在地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用中是無法 估價的，但是仍然需要可以在地質(zhì)導(dǎo)向和/或其它應(yīng)用中使用進(jìn)一步提高的深探測電阻率 測井儀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及一種具有模塊化設(shè)計的電阻率陣列。根據(jù)本發(fā)明的一個實 施例的電阻率陣列包括發(fā)射器模塊，所述發(fā)射器模塊具有至少一個天線，其中，發(fā)射器模 塊在兩個端部上具有適于與其它井下工具連接的連接器；和接收器模塊，所述接收器模塊 具有至少一個天線，其中，接收器模塊在兩個端部上具有適于與其它井下工具連接的連接 器，并且其中，發(fā)射器模塊和接收器模塊在鉆柱上間隔開，并且被至少一個井下工具分開。 每一個發(fā)射器模塊和接收器模塊都可以包括具有偶極矩方位不局限于測井儀縱向方向的 至少一個天線線圈。在多于一個天線的情況下，所有或一些天線方位矢量可以是線性無關(guān) 的。當(dāng)且僅當(dāng)由水平連接的矢量的分量構(gòu)造而成的矩陣具有等于矢量數(shù)量的秩時，一組矢 量才是線性無關(guān)的。本發(fā)明的另一個方面涉及電阻率測井儀。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻率測井 儀包括測井儀主體，所述測井儀主體適于在井眼內(nèi)移動；和至少三個模塊(接頭)，所述至 少三個模塊設(shè)置在測井儀主體上，其中，至少三個模塊沿測井儀主體的縱向軸線以不相等 的間隔間隔開，使得至少三個模塊的組合包括不同間隔的電阻率陣列。本發(fā)明的另一個方面涉及電阻率測井儀。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻率測井
6儀包括測井儀主體，所述測井儀主體適于在井眼內(nèi)移動；電阻率傳感器，所述電阻率傳感 器設(shè)置在測井儀主體上，并且包括形成至少一個陣列的多個模塊；和另外的天線，所述另外 的天線設(shè)置在測井儀主體上，并且沿測井儀主體的縱向軸線與電阻率傳感器間隔開，其中， 另外的模塊和電阻率傳感器中的多個模塊中的一個形成具有間隔大于大約90英尺的陣 列。本發(fā)明的另一個方面涉及隨鉆測井儀。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的隨鉆測井儀包 括鉆頭，所述鉆頭在鉆柱的一端處；第一模塊，所述第一模塊緊鄰鉆頭設(shè)置在鉆柱上或設(shè) 置在鉆頭內(nèi)；和至少一個另外的模塊，所述至少一個另外的模塊設(shè)置在鉆柱上，并且與所述 第一模塊間隔開，其中，所述第一模塊具有至少一個天線，所述至少一個天線具有不局限于 縱向方向的偶極矩方位，并且其中，至少一個另外的模塊包括三個天線，所述三個天線的偶 極矩方位是線性無關(guān)的。本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于地層電阻率測量的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個實 施例的用于地層電阻率測量的方法包括以下步驟使用電阻率陣列中的發(fā)射器天線將電磁 能發(fā)射到地層內(nèi)，其中，根據(jù)選定的脈沖方法利用多個頻率執(zhí)行所述發(fā)射步驟；以及對多個 頻率中的每一個檢測在接收器天線中感生的信號，在電阻率陣列中，所述接收器天線與發(fā) 射器天線間隔開。本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于設(shè)計電阻率陣列的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個實 施例的用于設(shè)計電阻率陣列的方法包括以下步驟估計儲層的厚度；以及將發(fā)射器和接收 器設(shè)置在鉆柱上，使得發(fā)射器并接收器之間的間隔不小于儲層的估計厚度。本發(fā)明的其它方面將從以下說明和所述權(quán)利要求清楚呈現(xiàn)。


圖1顯示可以與本發(fā)明的一個實施例一起使用的現(xiàn)有技術(shù)的鉆機(jī)和鉆柱；圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻率陣列；圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的電阻率陣列；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的對于由各種發(fā)射器_接收器距離得到的IOkHz 振幅測量值顯示探測深度的示例；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻率陣列；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻率陣列；圖7A和圖7B顯示傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)電阻率陣列的振幅響應(yīng)；圖7C和圖7D顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻率陣列的振幅響應(yīng)；圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的序列方法；圖9顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻率陣列；圖10顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的天線模塊；圖11A-11F是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的對于具有電阻率對比的平坦邊界顯示 各種測量值；圖12顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的天線模塊；圖13顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的天線模塊；圖14(a)_14(j)顯示根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的各種天線模塊；
圖15顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的天線模塊；以及圖16顯示示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的方法的步驟的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例涉及具有改進(jìn)特性的電阻率陣列。本發(fā)明的一些實施例涉及在地 層評價中使用這些測井儀的方法。本發(fā)明的實施例可以允許對更加復(fù)雜的地層模型(即， 具有更多參數(shù)的地層模型)做反演和/或可以提高電阻測量值反演的穩(wěn)健性(減少不確定 性)。本發(fā)明的一些實施例可以通過提供更多測量值而增加地層電阻率評價的靈活性，所述 更多測量值中的每一個都可以具有對不同地層模型的不同的響應(yīng)。本發(fā)明的一些實施例提供具有模塊化設(shè)計的電阻率陣列。模塊化設(shè)計有助于對不 同的測量需求安裝不同的測井儀結(jié)構(gòu)。例如，通過擴(kuò)展發(fā)射器-接收器組合的數(shù)量(例如， 具有四個發(fā)射器和一個接收器、從而形成4發(fā)射器-接收器陣列的一個實施例)，可以獲得 更多的探測深度。本發(fā)明的一些實施例可以包括可以用作收發(fā)器(即，用作發(fā)射器和接收器)的天 線。這還提供了測井儀結(jié)構(gòu)靈活度。在本實施例中，對于相同的數(shù)量的模塊來說，可以獲得 更多數(shù)量的發(fā)射器_接收器組合。此外，在不需要以類似于授予Minerbo等人公開的美國 專利申請No696994中的方式延長測井儀的長度的情況下，可以實現(xiàn)定向測量的對稱化。本發(fā)明的一些實施例涉及在距離接收器的遠(yuǎn)距離處(例如，> 90英尺)具有發(fā)射 器接頭(sub)以允許對儲層的復(fù)雜性具有選擇性的靈敏度的測井儀。這樣一個實施例可以 具有放置在傳統(tǒng)的底部鉆具組合的外側(cè)(遠(yuǎn)離所述傳統(tǒng)的底部鉆具組合)的獨立供給動力 的發(fā)射器接頭。本發(fā)明的一些實施例涉及將發(fā)射器放置在鉆頭處或所述鉆頭內(nèi)部、或非?？拷@ 頭，以便具有先行能力。這樣一個實施例可以具有獨立供給動力的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信能力。本發(fā)明的一些實施例涉及使至少一個模塊位于分開的井或井眼內(nèi)。本發(fā)明的一些實施例涉及使用適應(yīng)預(yù)期地層的測量頻率對地層電阻率進(jìn)行估計 的方法。頻率范圍例如可以達(dá)到200KHz。本發(fā)明的一些實施例涉及組合本發(fā)明的模塊與現(xiàn)有LWD電阻率陣列。本發(fā)明的一些實施例涉及線圈設(shè)計，所述線圈設(shè)計具有多個繞組以允許對于寬范 圍的頻率來說可使用相同的天線。多個繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)連接。本發(fā)明的一些實施例涉及振幅測量值到相位、相對相位和振幅、以及相移和衰減 (傳播)的延伸，這需要包括具有相對較長間隔(在十英尺的范圍內(nèi))的兩個接收器天線的 接頭。本發(fā)明的一些實施例涉及在有或沒有金屬屏蔽的情況下定向天線(共同定位或 緊密靠近定位)的實施。測井儀模塊化本發(fā)明的一些實施例涉及具有模塊化設(shè)計的電阻率陣列。如這里所使用的，“電阻 率陣列”是包括在鉆柱上的不同位置處連接的至少一個接收器模塊和至少一個發(fā)射器模塊 的結(jié)構(gòu)。模塊可以具有一個或多個天線。模塊化設(shè)計允許發(fā)射器和接收器天線放置在BHA 內(nèi)的不同位置處，或者放置在BHA上方的鉆柱內(nèi)的位置處。例如，圖2顯示了電阻率陣列，
8所述電阻率陣列包括與其它LWD或MWD測井儀27、28、29、30 —起放置在BHA內(nèi)的4個發(fā)射 器模塊21、22、23、24和一個接收器模塊25。通過將發(fā)射器和/或接收器模塊插入在標(biāo)準(zhǔn) BHA上的不同位置處(如圖2中所示)，或者將所述發(fā)射器和/或接收器模塊插入在鉆柱上 的不同位置處，可以實現(xiàn)具體的探測深度以優(yōu)化使用這種深電阻率測量的地層模型反演過 程。例如，在一個實施例中，發(fā)射器模塊21可以距離接收器模塊25大約90-100英尺。此 外，一個或多個模塊可以放置在附近的井眼內(nèi)以提供大的間隔陣列。上述'672專利公開了一種可以包括發(fā)射器模塊和接收器模塊的超深電阻率陣 列。‘672專利論述了探測深度(“D0I”)與發(fā)射器天線和相對應(yīng)的接收器天線間的間隔 之間的關(guān)系，且所述關(guān)系是更大的間隔導(dǎo)致DOI相應(yīng)地增加。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所 述關(guān)系保持正確；然而，增加所述間隔會使接收器拾取和耦合來自發(fā)射器的信號的能力變 得復(fù)雜。本發(fā)明的實施例可以在發(fā)射器模塊或接收器模塊中使用三軸向天線，其中，三軸向 天線模塊具有三個天線，所述三個天線具有沿三個不同方向的磁矩。三軸向天線模塊將確 保三軸向天線的橫向分量中的至少一些可以形成與相對應(yīng)的發(fā)射器或接收器的橫向分量 的大致耦合。因為當(dāng)裝配鉆柱時，難以確保單個天線發(fā)射器與單個天線接收器對齊，從而當(dāng) 間隔增加時增加了難度，因此使用三軸向天線收發(fā)器(或接收器)是有利的。相反，三軸向 天線收發(fā)器(或接收器)將總是具有與電阻率陣列中相對應(yīng)的接收器(或收發(fā)器)的磁矩 大致對齊的分量。此外，三軸向天線收發(fā)器允許確定諸如傾角、各向異性、鄰層影響的地層 特性。圖4顯示對于存在具有電阻率對比為I-IOohm的邊界時在發(fā)射器-接收器距離為 10英尺、30英尺、60英尺和90英尺的情況下獲得的IOkHz振幅測量值的探測深度的示例。 假設(shè)鉆柱(因此電阻率陣列)平行于邊界并且位于遠(yuǎn)離邊界的各種距離處。如圖4中所示， 10英尺陣列對邊界不是非常敏感；10英尺陣列顯示僅在邊界附近的細(xì)微大小變化。30英 尺陣列比較敏感，從而顯示在邊界處的不同過渡(transition)。60英尺更加敏感；60英尺 顯示邊界周圍顯著的電阻率過渡。在此發(fā)射器-接收器間隔處，信號大小在遠(yuǎn)離邊界大約 20-40英尺處開始變化。在90英尺陣列的情況下，信號大小變化得更加顯著。要認(rèn)識的是 不同探測深度的組合允許不同徑向距離處的地質(zhì)構(gòu)造的演變。模塊化設(shè)計使得易于構(gòu)造用 于不同陣列間隔的測井儀。此外，使用一個或多個三軸向天線作為發(fā)射器和/或接收器會 增加可以獲得的間隔，這提供了相應(yīng)增加的DOI。作為收發(fā)器的模塊接頭本發(fā)明的一些實施例涉及具有收發(fā)器天線的電阻率陣列設(shè)計。在這些測井儀中， 天線沒有被設(shè)計成分開的發(fā)射器或接收器。相反，同一天線可以用作發(fā)射器或接收器。除了 有利于經(jīng)濟(jì)之外，如圖3中所示，這種提高對于相同數(shù)量的接頭來說允許更多的探測深度。圖3顯示具有三個接頭41、42、43的測井儀模塊40，所述三個接頭形成具有間隔D 和DX2的兩個陣列。因為天線41和43可以用作發(fā)射器或接收器，因此具有DX3間隔的第 三陣列還可通過這種測井儀結(jié)構(gòu)得到。此外，利用收發(fā)器天線，在不需要必須具有屬于公共 井下工具的發(fā)射器和接收器的情況下還可以執(zhí)行定向測量。例如，可以首先利用作為發(fā)射 器的天線41和作為接收器的天線43、然后利用作為發(fā)射器的天線43和作為接收器的天線 41而獲得一組對稱的測量值。作為發(fā)射器/收發(fā)器的遠(yuǎn)距離接頭
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本發(fā)明的一些實施例涉及具有遠(yuǎn)離其它BHA工具(例如，接收器或發(fā)射器)放置 的天線接頭的測井儀。井通常具有限制BHA的實際長度的彎曲和轉(zhuǎn)向。因此，傳統(tǒng)的電阻 率測井儀不能具有被間隔開大于BHA的實際長度極限(大約150英尺)的距離的發(fā)射器和 接收器。這種測井儀不能提供當(dāng)放置在具有超過標(biāo)準(zhǔn)鉆具組件的最大實際長度的厚度的儲 層內(nèi)的井軌跡時可能需要的探測深度。圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的裝入遠(yuǎn)距離接頭的電阻率陣列。如圖所示， 電阻率陣列包括在BHA內(nèi)的傳統(tǒng)的UDR51。UDR包括三個天線(發(fā)射器、接收器或收發(fā) 器)52、53、54。此外沿著鉆柱，電阻率陣列還包括遠(yuǎn)距離模塊55，所述遠(yuǎn)距離模塊包括發(fā)射 器、接收器、或收發(fā)器。遠(yuǎn)距離模塊55中的天線可以與天線52、53、54中的任一個一起使用 以形成具有大間隔的陣列。通過將遠(yuǎn)距離模塊55與BHA中其它傳統(tǒng)的電阻率測井儀一起使 用，發(fā)射器-接收器距離(即，陣列間隔)可以被設(shè)置到任意期望的距離。遠(yuǎn)距離模塊55可 以被獨立供給動力。此外，遠(yuǎn)距離模塊55可以通過例如無線遙測技術(shù)來操作。在一個實施 例中，一個或多個鉆鋌63可以位于遠(yuǎn)距離模塊55與天線52、53、54中的一個或多個之間。遠(yuǎn)距離模塊55的位置可以被選擇成大約為儲層厚度(或大于所述儲層厚度)。使 陣列間隔大約為儲層厚度(或大于所述儲層厚度)可以提供傳統(tǒng)的電阻率測井儀以其它方 式得不到的不同的優(yōu)點。例如，圖7C和圖7D顯示長陣列(所述長陣列的間隔大約為130英尺的地層厚度) 的振幅響應(yīng)更加簡單并且清楚地表示地層界面在哪兒。這種額外長的陣列(尤其是在低頻 區(qū))的響應(yīng)對儲層內(nèi)部的復(fù)雜性不敏感。與此相反，如圖7A和圖7B中所示，傳統(tǒng)的現(xiàn)有技 術(shù)電阻率陣列(所述傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)電阻率陣列的間隔小于130英尺的地層厚度)的振幅 響應(yīng)對層內(nèi)的電阻率變化比較敏感，但是對地層界面卻不是很敏感。來自圖7A-7D的結(jié)果 顯示可以根據(jù)正在被鉆進(jìn)的儲層的特性(例如，預(yù)期的地層厚度或最低儲層層電阻率與蓋 層和儲層底部的電阻率的比值)有利地選擇傳感器距離(陣列間隔)和操作頻率。具有在鉆頭處的接頭的先行電阻率測井儀本發(fā)明的一些實施例涉及具有先行能力的電阻率測井儀。根據(jù)本發(fā)明的實施 例，接頭可以緊鄰鉆頭以類似于授予Schaff等人并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利 No6，057，784中所述的方法放置。所述專利通過引用在此全文并入。此外，天線還可以放 置在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具上或者直接放置在鉆頭內(nèi)。通過將收發(fā)器放置在鉆頭處，在每一對發(fā)射 器/接收線之間的中間距離所取的電阻率測量點更靠近鉆頭移動，從而允許隨鉆時更快的 反應(yīng)時間。這種能力允許根據(jù)地質(zhì)事件而發(fā)生早期的實時動作。此外，還可以通過使用延 伸超過電阻率傳感器對的測井儀響應(yīng)末端實現(xiàn)鉆頭的先行能力。圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電阻率陣列的一個示例。如圖所示，電阻率 測井儀70包括在鉆柱的一個端部處的鉆頭14。天線73 (所述天線可以是發(fā)射器天線或接 收器天線)緊鄰鉆頭14設(shè)置在鉆柱上。此外，電阻率陣列包括具有三個收發(fā)器模塊52、53、 54的UDR51，所述三個收發(fā)器模塊可以用作接收器或發(fā)射器。雖然在此示例中顯示了三個 收發(fā)器模塊，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到這種測井儀可以具有或多或少的收發(fā)器 模塊。此外，接收器模塊或發(fā)射器模塊可以替換一個或多個收發(fā)器模塊。在一個實施例中， 天線73可以是鉆頭14的部件。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，鉆頭附近的天線73具有非縱向磁矩，即，天線73的磁矩不在平行于鉆柱軸線的方向上。天線73的非縱向磁矩確保天線73具有在橫向方向(即， 垂直于鉆柱軸線的方向)上的磁矩分量。此外，收發(fā)器模塊中的至少一個(例如，52、53、54) 包括三軸向天線，其中三個天線具有在三個不同方位上的磁矩。在一些情況下，三軸向天線 可以具有在三個正交方位上的磁矩。三軸向天線模塊將確保三軸向天線的橫向分量中的至 少一些可以形成與鉆頭附近的天線73的橫向分量的大致耦合。鉆頭附件的天線73可以是 發(fā)射器、接收器、或收發(fā)器。通常，因為接收器天線可以經(jīng)受來自增加振動和震動或來自可 能存在的高功率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測井儀的更高的電噪音，因此對于鉆頭附近的天線73來說優(yōu)選 的是發(fā)射器。因此，可以包括動力導(dǎo)向部件的馬達(dá)模塊16可能破壞接收器天線。多頻率測量本發(fā)明的一些實施例涉及使用多頻率用于電阻率測量的測井儀和方法。根據(jù)本發(fā) 明的實施例，可以選擇頻率以更加有效地覆蓋頻譜，從而提高深電阻率測量的反演精度和 靈活度。例如，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，可以在每十個一組分布三個或更多個頻率的情況 下獲得測量值。在鉆井之前或隨鉆時可以設(shè)定或自動選擇這些頻率，以提供最佳的地層反 演。發(fā)射器_接收器距離與頻率的組合在確定具有復(fù)雜內(nèi)部層的儲層外界面時是必須的。 對于最大靈敏度來說，天線間隔和頻率的組合優(yōu)選地被選擇為遵從以下方程。定義傳播系數(shù)k為k2 = ε ω 2+i ο μ ω其中ε是電磁介電常數(shù)，μ是電磁磁導(dǎo) 率，σ為電導(dǎo)率，而ω為角頻率。如果L表示發(fā)射器-接收器間隔，則使得|k| Le
。優(yōu)選地選擇頻率以滿足此判據(jù)?？梢允褂帽绢I(lǐng)域公知的任意實施方法來有效地執(zhí)行多頻率測量。例如，圖8顯示 用于多頻率測量的電阻測量序列的示例。在圖8中所示的方法中，假設(shè)所有TX脈沖具有被 控制的振幅。此外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到在脈沖方法中，如圖8中所示，可以實 現(xiàn)單個脈沖以發(fā)射兩個或更多個頻率。可以通過測量當(dāng)被接收器感測的實際電壓來執(zhí)行信 號測量?？蛇x地，信號可以作為一對不同頻率的脈沖之間的微分信號而被測量。接頭與現(xiàn)有LWD測井儀的組合本發(fā)明的一些實施例涉及具有遠(yuǎn)距離接頭的電阻率陣列，所述遠(yuǎn)距離的接頭如上 所述具有其它傳統(tǒng)的電阻率測井儀。例如，圖9顯示包括兩個遠(yuǎn)距離接頭的發(fā)射器55Α和 55Β、和傳統(tǒng)的LWD電阻率測井儀的測井儀，所述傳統(tǒng)的LWD電阻率測井儀可以用作用于遠(yuǎn) 距離發(fā)射器模塊的接收器以提供具有比傳統(tǒng)的電阻率陣列可以具有的間隔大得多的間隔 的陣列。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到具有用于接收電阻率信號的一個或多個天線的任 意傳統(tǒng)的電阻率測井儀可以與如這里所公開的遠(yuǎn)距離的接頭發(fā)射器組合使用。使發(fā)射器模 塊與現(xiàn)有的“淺”LWD測井儀(使用其電阻率天線作為深電阻率接收器)結(jié)合的選擇允許具 有合理化和集成測量能力。多繞組天線本發(fā)明的一些實施例涉及可以在寬頻范圍內(nèi)有效使用的天線。當(dāng)天線用于在一定 頻率下發(fā)射電阻率信號時，當(dāng)頻率在天線的自諧振頻率以下時天線最有效。因此，當(dāng)在寬頻 率范圍內(nèi)使用具體的天線時，天線在一定頻率范圍內(nèi)可能不會有效。例如，為了在最高頻率 下發(fā)射，天線的匝數(shù)的數(shù)量應(yīng)該足夠低到線圈自諧振以下。另一方面，為了在較低頻率下優(yōu) 化發(fā)射，需要增加匝數(shù)的數(shù)量。因此，傳統(tǒng)的天線通常具有表示對想要的工作頻率范圍作出 妥協(xié)的繞組。
根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，天線可以具有多層繞組；對于高頻率來說，多層繞組中 的每一層都可以并聯(lián)纏繞，或者對于較低頻率來說，所述多層繞組中的每一層都可以串聯(lián) 纏繞，以有效地平衡當(dāng)通過恒定電壓驅(qū)動時天線的阻抗載荷。可以以電子方式控制串聯(lián)和 并聯(lián)結(jié)構(gòu)之間的切換。圖10顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示例性天線。在此示例中，線圈層 101A-101C串聯(lián)連接以最大化低頻率(例如，大約IkHz范圍)下的發(fā)射中的匝數(shù)的數(shù)量，或 者對于較高頻率范圍(例如，100kHz)來說所述線圈層并聯(lián)連接。線圈層101A-101C繞心軸 102纏繞。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到在天線中可以使用多層線圈以提供對天線性能 的微調(diào)諧。其它電阻率測量技術(shù)的擴(kuò)展諸如美國專利No6，188，222中所公開的傳統(tǒng)的深電阻率測量基于感應(yīng)機(jī)理，并且 測量信號振幅，而不是測量相位或相移或衰減。本發(fā)明的一些實施例涉及基于傳播機(jī)理的 深電阻率測量，并且通過引入接收器天線測量相移和衰減(即，差分測量)，且接收器對之 間的間隔在大約5-10英尺，其中5-10英尺明顯地比傳統(tǒng)的傳播測井儀中的接收器對間隔 (通常限于小于一英尺)長。由于用于深EM測量的較低頻率(l-200kHz)，因此期望接收器 對之間更長的間隔。接收器對之間大約5-10英尺的間隔將確?？梢詼y量的最小相移保持 在01度范圍內(nèi)。除了使用接收器對之外，還可以利用諸如圖8中所示的脈沖方法的適當(dāng)?shù)拿}沖方 法執(zhí)行相位和振幅的微分測量(即，相移和衰減)。圖8中所示的測量方法可以使用具體頻 率下的發(fā)射脈沖中的一個(多個)作為時間參考。假設(shè)脈沖串中的脈沖之間的恒定相位參 考(或時間差)(還可以通過無線遙測技術(shù)測量此時間差，并將所述時間差通信給接收器)， 可以相對于參考脈沖確定用于所接收的脈沖串的相位參考(或時間差)。相同的技術(shù)(使用參考脈沖的振幅用于比較)還可以應(yīng)用于脈沖串中的每一個脈 沖與參考脈沖之間的振幅比。在這種情況下，發(fā)射器處的振幅比可以保持恒定或可以測量 所述振幅比。當(dāng)需要振幅測量時，脈沖到達(dá)時間和振幅比的差分技術(shù)減少了測量值對用于 振幅測量精確的空氣校準(zhǔn)的相關(guān)性。作為示例，圖11A-11F顯示了對于具有Iohm和IOOohm的電阻率對比的平坦邊界 使用具有70英尺發(fā)射器-接收器間隔的測井儀的各種測量值。此測井儀具有發(fā)射器天線 和接收器天線，所述發(fā)射器天線和接收器天線具有縱向磁矩(即，在平行于測井儀的縱向 軸線的方向上的磁矩)。圖IlA和圖IlB分別顯示在不同頻率下的振幅測量值和相對振幅測量值。在圖 IlB中，相對振幅測量值相對于2KHz處的振幅測量值。圖IlC和圖IlD分別顯示在不同頻 率下的相位測量值和相對相位測量值。在圖IlD中，相對相位測量值相對于2KHz處的相位
測量值。圖IlE和圖IlF分別顯示當(dāng)利用具有8英尺間隔的一對接收器進(jìn)行測量時在不同 頻率下的相位移測量值和衰減。在這種間隔的情況下，可以容易地觀察到相位移和衰減的 顯著變化。兩個測量值都提供具有不同靈敏度的另一組測量值，允許在反演過程期間使用 更多的獨立測量值。本發(fā)明的一些實施例涉及地質(zhì)導(dǎo)向。根據(jù)本發(fā)明的實施例的地質(zhì)導(dǎo)向方法可以使用上述和/或使用上述方法(例如，多頻率測量，脈沖方法的使用等)的任意電阻率陣列。 測量值例如可以產(chǎn)生層方位角、地層界面指標(biāo)(indicator)、和到地層界面的距離。層方位 角是諸如重力加速度矢量的負(fù)數(shù)和地層界面的平面的法線的參考方向。雖然還可以使用其 它響應(yīng)函數(shù)，但是地層界面指標(biāo)例如可以使用電磁耦合系數(shù)由對稱響應(yīng)獲得。如這里所使 用的，“地層特性”可以包括這種地層參數(shù)。具有本發(fā)明的上述實施例的所有測量值可以擴(kuò)展到方向測量值。方向測量值允許 對邊界具有更高的靈敏度，并且將相應(yīng)地改進(jìn)反演過程。在一些實施例中，天線(一個或多 個)將具有與標(biāo)準(zhǔn)“軸向”天線結(jié)合的橫向磁偶極子，以從同一天線提供兩個測量值。在三 軸向天線中，如上所述，一部分可以與BHA的軸線對齊，而其它兩部分相對于所述BHA成角 度。如果期望，還可以通過本發(fā)明的實施例實現(xiàn)傳統(tǒng)的屏蔽。將要認(rèn)識的是可以使用多個 公知天線設(shè)計和封裝方法中的一個實施本發(fā)明的實施例的天線(和相關(guān)電子設(shè)備)。例如， 美國專利No6，188，222中所述的測井設(shè)備可以用于實施本發(fā)明。雖然以上說明使用隨鉆測井儀以說明本發(fā)明的各種實施例，但是本發(fā)明的測井儀 不限于任何具體模式的輸送模式。因此，本發(fā)明的測井儀可以例如用于隨鉆測井、隨起下鉆 測井、撓性油管鉆井、通過鉆頭測井、襯管鉆井、套管鉆井操作。雖然上述實施例總體涉及線圈或環(huán)形天線型天線，但是可以使用諸如螺旋管的其 它天線類型。線圈或環(huán)形天線可以被認(rèn)為是用作磁偶極子，而螺旋管天線可以被認(rèn)為是用 作電偶極子。因此，在所有情況下，天線可以被認(rèn)為是具有電偶極矩或磁偶極矩。為了提供方向靈敏測量值，至少一個天線必須傾斜或橫向?！皟A斜”表示具有傾角， 且傾角是天線的偶極矩與模塊的縱向軸線(或平行于所述縱向軸線的線)之間的角度，其 中，所述角度大于零但是小于九十度?！皺M向”表示偶極矩與模塊的縱向軸線之間的角度是 90度。圖12顯示模塊200和單個天線202，其中天線202具有傾角、和方位角β。方位 角β是模塊固定坐標(biāo)系的χ軸與偶極矩在模塊固定坐標(biāo)系的x_y平面上的投影之間的角 度。模塊固定坐標(biāo)系的ζ軸沿模塊的縱向軸線，而χ軸和y軸最終構(gòu)成正交右手系。圖13顯示單個發(fā)射器天線204和單個接收器天線206。雖然傾角可以相等，但是 發(fā)射器天線204具有傾角Y T和方位角βΤ。接收器天線206具有傾角Y R和方位角β R。 發(fā)射器天線204與接收器天線206之間的相對方位角為β，β等于β R-β Τ。如符合于本 發(fā)明的所有實施例，天線204、206可以位于同一模塊或單獨的模塊上。通過互換原理，發(fā)射 器和接收器的作用可以互換并且所述發(fā)射器和接收器的結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。圖14顯示幾個示例性天線結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)(a)顯示其中傾角不同的單個發(fā)射器204 和單個接收器206。天線的方位角也不同。在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，每一個天線都具有 方位角和傾角，并且這些角度可以相同或可以不相同。發(fā)射器和接收器包括可以用于進(jìn) 行測量的天線對。2007年7月10日提出申請并轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的美國專利申請 Noll/775，435 公開了結(jié)構(gòu)(a)。圖14的結(jié)構(gòu)(b)顯示兩個發(fā)射器天線204、208和接收器天線206。發(fā)射器天線 204、208被顯示為共同定位，但是不是必需要共同定位。所有天線的傾角和方位角彼此無 關(guān)，并且可以相等或可以不相等。兩個發(fā)射器/接收器對允許兩個測量值，并且可以由這些 測量值獲得相對較多的信息。圖14的結(jié)構(gòu)(c)顯示兩個發(fā)射器天線204、208和兩個接收器天線206、210。發(fā)射
13器天線204、208和接收器天線206、210被分別顯示為共同定位，但是不是必需要共同定位。 所有天線的傾角和方位角彼此無關(guān)，并且可以相等或可以不相等。四個發(fā)射器/接收器對 允許四個測量值，并且可以由這些測量值獲得相對較多的信息。圖14的結(jié)構(gòu)(d)顯示兩個發(fā)射器天線204、208和三個接收器天線206、210、212。 接收器天線206、210、212被分別顯示為共同定位，但是不是必需要共同定位。所有天線的 傾角和方位角彼此無關(guān)，并且可以相等或可以不相等。四個發(fā)射器/接收器對允許兩個測 量值，并且提供可與由結(jié)構(gòu)(c)得到的測量值進(jìn)行比較的信息。2006年12月14日提出申 請并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利申請No. 11/610653公開了結(jié)構(gòu)(d)，如在該專利申 請中所披露的，這種天線結(jié)構(gòu)允許確定電磁耦合張量的所有分量。圖14的結(jié)構(gòu)(e)顯示兩個發(fā)射器天線204、208和三個接收器天線206、210、212。 一些天線被顯示為共同定位，但是不是必需要共同定位。所有天線的傾角和方位角彼此無 關(guān)，并且可以相等或可以不相等。六個發(fā)射器/接收器對允許六個測量值。圖14的結(jié)構(gòu)(f)顯示三個發(fā)射器天線204、208、214和三個接收器天線206、210、 212。一些天線被顯示為共同定位，但是不是必需要共同定位。所有天線的傾角和方位角彼 此無關(guān)，并且可以相等或可以不相等。九個發(fā)射器/接收器對允許九個測量值。圖14的結(jié)構(gòu)(g)顯示了三個模塊216、218、220。模塊216具有發(fā)射器天線204。模 塊218具有三個接收器天線206、210、212，而模塊220具有三個接收器天線222、224、226。 一些天線被顯示為共同定位，但是不是必需要共同定位。所有天線的傾角和方位角彼此無 關(guān)，并且可以相等或可以不相等。由不同發(fā)射器/接收器模塊對得到的各種測量值構(gòu)成絕 對測量值，所述絕對測量值為兩個不同探測深度提供電磁耦合信息。此外，可以使用來自不 同接收器模塊的測量值獲得相對測量值。根據(jù)來自天線204的發(fā)射，例如由接收器206和 222接收到的信號之間的差提供相對測量值。結(jié)構(gòu)(g)是具有多于兩個模塊的實施例的一 個可能示例，但是其它組合是可以的。圖14的結(jié)構(gòu)(h)顯示四個模塊216、218、220、228。模塊216具有發(fā)射器天線204， 而模塊228具有發(fā)射器天線230。模塊218具有三個接收器天線206、210、212，而模塊220 具有三個接收器天線222、224、226。一些天線被顯示為共同定位，但是不是必需要共同定 位。所有天線的傾角和方位角彼此無關(guān)，并且可以相等或者可以不相等。這種結(jié)構(gòu)允許進(jìn) 行井眼補償測量。允許井眼補償測量的其它結(jié)構(gòu)也是可以的。結(jié)構(gòu)(i)顯示模塊216和模塊232。模塊216具有發(fā)射器天線204，其中天線204 是橫向的。模塊232具有三軸向天線234。“三軸向天線”表示具有三個天線的天線結(jié)構(gòu)， 所述三個天線的偶極矩位于三個垂直軸線上，并且其中一個天線的偶極矩平行于模塊的縱 向軸線。三軸向天線可以被共同定位或者可以不共同定位。此實施例顯示其中可以測量橫 向/橫向耦合以及橫向/軸向耦合的一種可能的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)(j)顯示模塊228和模塊232。模塊228具有發(fā)射器天線204，其中天線204 是傾斜的。模塊232具有三軸向天線234。三軸向天線可以被共同定位或可以不共同定位。 此實施例顯示具有傾斜/橫向天線組合的一種可能的結(jié)構(gòu)。圖15顯示具有模塊236和模塊238的實施例。模塊236具有傾斜天線240。模 塊238具有沒有被共同定位的三個傾斜天線242、244、246，雖然所述三個傾斜天線可以被 共同定位。發(fā)射器天線和接收器天線的傾角可以全部相等，但是不是必需要全部相等。接收器天線被對稱放置成繞模塊238的縱向軸線間隔120度方位角，但是這再次不是必需的。雖然公共組件上的天線之間的相對方位角是已知的，但是所述相對方位角對于單 個模塊上的天線可能是不正確的。例如，由于鉆柱如何裝配在井位的變化或者由于鉆井時 的扭應(yīng)變，來自不同模塊的天線可以相對于彼此以方位角的方式旋轉(zhuǎn)。如果在每一個模塊 上存在旋轉(zhuǎn)傳感器，則可以確定相對方位角。當(dāng)發(fā)射器天線⑴被激勵，并且測量接收器(R)處的信號(V)時，所述信號通過以 下方程與T和R的方位和強(qiáng)度有關(guān)

其中，xK、yK、和zE是顯示接收器天線的強(qiáng)度和方位的矢量的分量，而xT、yT、和ζτ同 樣是發(fā)射器天線的強(qiáng)度和方位的矢量的分量。C是電磁耦合張量。例如，C的分量被定義為 當(dāng)指向Z軸的發(fā)射器被激勵時通過指向y軸的接收器測量的信號yz。沿軸線中的一個定向 的天線僅具有非零的T矢量或R矢量的一個分量。傾斜天線在T矢量或R矢量中具有超過 一個的非零分量。以下首先考慮傾斜天線的情況。對于其中至少一個天線被傾斜的T-R天線組合來說，在接收器處由從發(fā)射器發(fā)射 的電磁場感生的電壓由方程(2)給出，方程(2)顯示電壓可以用方位角的直到二階的傅里 葉級數(shù)項來表示 其中θ是方位測井儀旋轉(zhuǎn)角，并且定義一組復(fù)系數(shù)CpClc^Cy C2。、和C2s以表示電 壓的零階、一階、和二階諧波系數(shù)
Clc[xz+zxcos(^)+zysin(^)(方程 3b)
Cls = [yz+zycos ( β ) -zxsin ( β )]； (方程3c)
1ι
C2r = 1-(χχ-yy)co%(^)-￥-(xy + yx)%m(fi)};(方程 3d)
22
1ι
C2i = [-(Α +>A*)cos(^)--(xr- vy)siii(^)];(方程 3e)
其中β是接收器相對于發(fā)射器的方位角。這些方程顯示對角度β以及耦合張量 的分量的相關(guān)性。O階諧波系數(shù)取決于耦合分量zz、(XX+yy)、和(Xy-yX)。兩個一階諧波 系數(shù)取決于耦合分量xz、ZX, yz、和zy ；而二階諧波系數(shù)取決于(χχ-yy)和(xy+yx)。在正常鉆井操作中，在執(zhí)行測量的同時測井儀正在旋轉(zhuǎn)，因此對于每一個T-R對 來說，根據(jù)方程2可產(chǎn)生具有不同θ值的多個測量電壓。當(dāng)五個或更多個測量值不同但是 已知時，可獲得θ值，可以確定諧波系數(shù)。這減少了求解如以上方程3所示的方程組的問 題的問題。然而，方程3包括五個方程，但是具有九個未知量，因此是欠定的。如果有三個 接收器代替一個接收器，則可以求解所述方程，并且可以得到耦合張量的分量。在滑動鉆進(jìn)方式中，每一個T-R對提供具有已知θ值的一個測量值，因此獲得傅
15里葉系數(shù)的任務(wù)不小，更不用說確定耦合矩陣的分量。但是，原理上，利用足夠數(shù)量的T-R 天線對(5個或多個5個)，應(yīng)該可以獲得傅里葉系數(shù)，并且與上述旋轉(zhuǎn)模式一樣進(jìn)行處理。 這種實施例將需要一個T天線和五個R天線或與其相反即，五個T天線和一個R天線。諸 如兩個T天線和三個R天線(圖14e)的其它實施例產(chǎn)生足以獲得所有傅里葉分量的六個測 量值。可選地，一個實施例可以使用產(chǎn)生九個測量值的三個T天線和三個R天線(圖14f) 組合。對于其中沒有獲得耦合張量的分量的天線的情況(例如，一個T天線和三個R天 線)來說，在滑動鉆進(jìn)方式中，以下方程產(chǎn)生耦合張力分量的一些組合。這些組合是有方向 性的，并因此對井位以及確定電阻率參數(shù)有用。考慮其中至少一個天線是傾斜的一個T天 線和三個R天線的情況(圖14d)，所述組合產(chǎn)生三個測量值=V1O， ^)、ν2(θ、β2)、和 ν3(θ、β 3)，其中R天線相對于發(fā)射器以方位角增加120度的方式分布在角度βρ β2、和 β3處。使用以下關(guān)系方程5中的方程比用于原始電壓的方程簡單，并且更加容易計算。這些關(guān)系所有 都包括使其為方向量的諸如xz、zy等的交叉項?？梢允褂没诜匠?的正演模式計算，并 且耦合張量的分量可以以迭代的方式變化以再現(xiàn)實驗測量值。耦合張量的分量則可以用 于確定與地層界面的距離和諸如垂直電阻率、水平電阻率的電阻率參數(shù)、地層傾角、和方位 角。因此，即使在滑動鉆進(jìn)方式中，此方法使得可以使用由一個T天線和三個R天線獲得三個測量值用于井位和電阻率確定。在其中地層由平行層，S卩，所謂的“平坦幾何結(jié)構(gòu)”，組成的地層的特殊情況中，有 利的是以角度α旋轉(zhuǎn)測量值，使得測井儀框架的Χ軸垂直于地層的平面。在這種條件下，與 y軸有關(guān)的耦合張量中的交叉項(Xy、yX、zyjnyz)變?yōu)榱?，并且方?被進(jìn)一步簡化為 6b)和 (方程6c)這些方程甚至更加容易工作，但是所述方程僅應(yīng)用到設(shè)計幾何結(jié)構(gòu)的特殊情況。獲得方程5或6中所示的量的過程從三個測量值開始并且構(gòu)造這些測量值的具有 更加理想特性的一些組合，如圖16中所示。總之，如上所示，利用三個單獨測量值，可以構(gòu) 造其它三個獨立的組合。但是所述過程不局限于上述組合，并且總之許多其它組合是可以 的。例如，一些組合可以是方程6中所示的關(guān)系的進(jìn)一步組合 (方程7)與方程6中的關(guān)系相反，方程7中的所有項取決于測井儀的角位置。因此，本發(fā)明 的方法允許使用測量的電壓構(gòu)造具有期望特性的組合。以下將所述方法應(yīng)用到軸向天線和橫向天線。軸向天線具有沿ζ軸(定義為測井 儀的縱向軸線)的偶極子方向，而橫向天線具有垂直于ζ軸的偶極子。當(dāng)具有三個互相垂 直的天線時，所述一組天線被稱作為三軸向天線。如果存在三軸向發(fā)射器天線和三軸向接 收器天線，則在滑動鉆進(jìn)方式中執(zhí)行九個測量。如果兩個模塊都裝配有方向傳感器，則橫向 天線之間的相對角度將是已知的，并且方程1可以用于確定耦合張量的所有分量。因此，可 以進(jìn)行井位和電阻率確定。在其中存在較少天線的情況下，例如，如果僅一個發(fā)射器與三軸 向接收器耦合(圖14i)，則僅可以確定耦合張力分量中的一些。然而，這些分量足以確定電 阻率參數(shù)?？紤]軸向T天線和三軸向R天線系統(tǒng)的情況并且假設(shè)R天線相對于向上方向旋轉(zhuǎn) 方位角θ。三個測量電壓為 因此，在對方位角進(jìn)行校正之后，可以確定xz、yz、和zz，其中首先兩個是具有方向性的。類似地，如果存在三軸向R天線和指向X軸的橫向T天線，則在對方位角進(jìn)行校正 之后，確定XX、yx、和ζχ，其中所有三個分量是具有方向性的。清楚的是利用軸向天線和橫 向天線，在滑動鉆進(jìn)方式中僅需要一個T天線和三個R天線進(jìn)行操作。然而，諸如對稱和反 對稱函數(shù)的優(yōu)選參數(shù)不能由這些測量推到出。圖16顯示用于在滑動鉆進(jìn)方式的同時確定地層特性的方法的一個實施例300的步驟。在用于確定地層特性的設(shè)備正在滑動的同時可應(yīng)用用于確定地層特性的方法和 設(shè)備具有適用性，而不管天線分布在多個模塊上或在所述模塊內(nèi)，或者承載在單個模塊上 或在所述模塊內(nèi)。所述設(shè)備可以使用任意類型的運輸裝置在鉆柱或電纜上被運輸并且可以滑動。雖然根據(jù)傳播測井儀說明了上述實施例，但是本發(fā)明也包括感應(yīng)測井儀。如果使 用感應(yīng)測井儀，本領(lǐng)域所公知為補償線圈的其它天線可以沿鉆柱設(shè)置在不同的位置處。雖然已經(jīng)相對于有限實施例說明了本發(fā)明，但是得益于此公開的本領(lǐng)域的技術(shù)人 員將認(rèn)識到可以設(shè)計沒有背離如這里所公開的本發(fā)明的保護(hù)范圍的其它實施例。因此，本 發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該僅僅由所附權(quán)利要求來限定。
18
權(quán)利要求
一種用于確定地層特性的模塊化井下設(shè)備，所述模塊化井下設(shè)備裝入到鉆柱內(nèi)，所述鉆柱包括一個或多個井下工具和鉆桿，所述鉆桿具有相同或不同的長度，所述模塊化井下設(shè)備包括第一模塊，所述第一模塊具有一個或多個天線，其中，所述第一模塊在兩個端部上具有適于與所述鉆柱連接的連接器；和第二模塊，所述第二模塊具有一個或多個天線，其中，所述第二模塊在兩個端部上具有適于與所述鉆柱連接的連接器，其中，所述第一模塊和所述第二模塊在所述鉆柱上間隔開；以及其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的一個或兩個中的所述一個或多個天線中的一個或多個具有傾斜或橫向偶極矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊化的井下設(shè)備，其中，具有傾斜偶極矩的所述一個或多個 天線包括具有相等傾角的至少兩個天線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化井下設(shè)備，其中，具有相等傾角的所述至少兩個天線 具有不同的方位角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化井下設(shè)備，其中，具有橫向偶極矩的所述一個或多個 天線包括至少兩個橫向天線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述至少兩個橫向天線具有不同的 方位角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊化的井下設(shè)備，其中，具有傾斜或橫向偶極矩的所述一個 或多個天線包括至少兩個天線，其中，一個天線具有傾斜偶極矩，而另一個天線具有橫向偶 極矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述至少兩個天線具有不同的方位
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的 一個或兩個中的所述一個或多個天線中的一個或多個被共同定位。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化井下設(shè)備，還包括一個或多個另外的模塊，每一個另 外的模塊都具有一個或多個天線，其中，每一個另外的模塊都在兩個端部上具有適于與所 述鉆柱連接的連接器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的 一個內(nèi)的一個或多個天線中的一個或多個發(fā)射信號，所述信號由位于所述第一模塊和所述 第二模塊中的另外的模塊中的兩個或更多個天線接收，并且接收到的所述信號用作絕對信 號、被組合以產(chǎn)生相對信號、或者被組合以產(chǎn)生井眼補償信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊化的井下設(shè)備，其中，所述第一模塊或所述第二模塊中的 一個或兩個中的所述一個或多個天線中的一個或多個包括收發(fā)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊化的井下設(shè)備，其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的 至少一個包括傳統(tǒng)的電阻率測井儀。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的 一個或兩個中的所述一個或多個天線包括發(fā)射器天線和接收器天線。
14.根據(jù)權(quán)利要求1.所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述第一模塊與所述第二模塊之間的間隔與期望的探測深度成比例。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的 一個包括鉆頭。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的 一個或兩個中的所述一個或多個天線中的一個或多個能夠在多個頻率下操作。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述地層特性包括水平電阻率、垂 直電阻率、相對傾角、地層方位角、與地層界面的距離、或者地層界面指標(biāo)。
18.一種用于確定地層特性的方法，包括以下步驟提供模塊化井下設(shè)備，所述模塊化井下設(shè)備裝入到鉆柱內(nèi)，所述鉆柱包括一個或多個 井下工具和鉆桿，所述鉆桿具有相同或不同的長度；從具有一個或多個天線的第一模塊發(fā)射信號，其中，所述第一模塊在兩個端部上具有 適于與所述鉆柱連接的連接器；在具有一個或多個天線的第二模塊中接收信號，其中，所述第二模塊在兩個端部上具 有適于與所述鉆柱連接的連接器；以及使用接收到的所述信號確定地層特性，其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的一個或兩個中的一個或多個天線中的一個或 多個具有傾斜或橫向偶極矩。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，使用一個或多個頻率執(zhí)行所述從具有一個或 多個天線的第一模塊發(fā)射信號的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述從具有一個或多個天線的第一模塊發(fā)射 信號的步驟是根據(jù)選定的脈沖方法進(jìn)行的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述選定的脈沖方法包括具有不同頻率的一 系列發(fā)射脈沖。
22.一種用于確定地層特性的模塊化井下設(shè)備，所述模塊化井下設(shè)備裝入到鉆柱內(nèi)，所 述鉆柱包括一個或多個井下工具和鉆桿，所述鉆桿具有相同或不同的長度，所述模塊化井 下設(shè)備包括第一模塊，所述第一模塊具有兩個或更多個傾斜天線，所述兩個或更多個傾斜天線具 有相等的第一傾角，并且繞所述第一模塊的縱向軸線根據(jù)方位角分布，其中，所述第一模塊 在兩個端部上具有適于與所述鉆柱連接的連接器；和第二模塊，所述第二模塊具有兩個或更多個傾斜天線，所述兩個或更多個傾斜天線具 有相等的第二傾角，并繞所述第二模塊的縱向軸線按照方位角分布，其中，所述第二模塊在 兩個端部上具有適于與所述鉆柱連接的連接器，其中，所述第一模塊和所述第二模塊在所述鉆柱上間隔開。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述第一傾角和所述第二傾角相等。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述方位角分布是均勻間隔開的。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模塊化井下設(shè)備，其中，所述地層特性包括水平電阻率、垂 直電阻率、相對傾角、地層方位角、與地層界面的距離、或者地層界面指標(biāo)。
26.一種用于確定地層特性的方法，包括以下步驟提供模塊化井下設(shè)備，所述模塊化井下設(shè)備裝入到鉆柱內(nèi)，所述鉆柱包括一個或多個 井下工具和鉆桿，所述鉆桿具有相同或不同的長度；在所述第一模塊正在滑動的同時從具有一個或多個天線的第一模塊發(fā)射信號，其中， 所述第一模塊在兩個端部上具有適于與所述鉆柱連接的連接器；在所述第二模塊正在滑動的同時在具有一個或多個天線的第二模塊中接收所述信號， 其中，所述第二模塊在兩個端部上具有適于與所述鉆柱連接的連接器；以及 使用接收到的所述信號確定地層特性，其中，所述第一模塊和所述第二模塊中的一個或兩個中的一個或多個天線中的一個或 多個具有傾斜或橫向偶極矩。
27. 一種用于確定地層特性的方法，包括以下步驟 提供井下設(shè)備；在所述井下設(shè)備正在滑動的同時從一個或多個發(fā)射器天線發(fā)射信號； 在所述井下設(shè)備正在滑動的同時在一個或多個接收器天線中接收所述信號；和 使用接收到的所述信號確定所述地層特性，其中，所述一個或多個發(fā)射器天線和接收器天線中的一個或多個具有傾斜或橫向偶極
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于確定地層特性的模塊化井下設(shè)備，所述模塊化井下設(shè)備裝入到鉆柱(14，16)內(nèi)，所述鉆柱包括一個或多個井下工具(27，28，29，30)和鉆桿，所述鉆桿具有相同或不同的長度，所述模塊化井下設(shè)備包括第一模塊(21，22，23，24，25)，所述第一模塊具有一個或多個天線，其中，第一模塊在兩個端部上具有適于與鉆柱連接的連接器；和第二模塊(25)，所述第二模塊具有一個或多個天線，其中，第二模塊在兩個端部上具有適于與鉆柱連接的連接器，其中，第一模塊和第二模塊在鉆柱上間隔開；以及其中，第一模塊和第二模塊中的一個或兩個中的一個或多個天線中的一個或多個具有傾斜或橫向偶極矩。
文檔編號E21BGK101918863SQ200880119520
公開日2010年12月15日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者以馬利·勒讓德, 吉恩·賽杜克斯, 雷扎·泰赫里安 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司