專利名稱：用于勘測地質(zhì)構(gòu)造的電磁探頭的天線及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交叉偶極子天線和包括這種天線的用于測量包圍裸 眼井的有限區(qū)帶內(nèi)的地下地層的電磁特性的電磁探頭。本發(fā)明的另一方面 涉及一種用于執(zhí)行對地下地層裸眼井進行測井的測井工具。根據(jù)本發(fā)明的 探頭和測井工具的具體應(yīng)用涉及油田服務(wù)行業(yè)。
背景技術(shù)：
測量地質(zhì)構(gòu)造電磁特性(例如，介電常數(shù))的測井裝置例如從
US 3,849,721， US 3,944,910 and US 5，434，507是己知的。測井裝置包括安裝 在極板內(nèi)的發(fā)射器和間隔開的接收器，所述極板抵靠在裸眼井壁上。微波 電磁能量發(fā)射到地層，并且已經(jīng)傳播通過地層的能量在接收天線處被接 收。在地層中傳播的能量的相位和振幅由接收器輸出信號確定。然后可以 從相位和振幅測量值得到地層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。
發(fā)射器和接收器包括被同化為磁偶極子的天線。這些偶極子正切于極 板面，并在不同的方向上被定向。垂射模式(broadsidemode:或側(cè)向模 式)對應(yīng)于與極板軸線正交定向的偶極子。端射模式對應(yīng)于與極板軸線對 齊定向的偶極子。用于垂射模式的勘測深度非常小。用于端射模式的勘測 深度大于用于垂射模式的勘測深度，但是信號較弱。在兩個接收器之間測 量衰減和相位漂移。簡單的轉(zhuǎn)換允許在均勻地層的情況下重新得到介電常 數(shù)和電導(dǎo)率。典型地，這種測井裝置由于其對極板相對于地層的間隙
(standoff)的高靈敏度或井壁上的泥餅層的存在而不能提供對地層特性的 準確測量。
文獻US 5,345，179提出一種在存在泥餅的情況下提供測井裝置響應(yīng)和 精度的方案。測井裝置包括多個交叉偶極子天線，且每一個都位于腔內(nèi)。 交叉偶極子天線將端射和垂射極化都容納在同一個腔內(nèi)。
圖3和圖4示意性的示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的交叉偶極子天線的透視圖和
5剖視圖。典型地，這種交叉偶極子天線103包括嵌入非諧振腔133內(nèi)的兩根 線，所述非諧振腔133填充有介電材料并與一端處的導(dǎo)電腔壁短路。
圖5圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的交叉偶極子天線的電流分布。電流分布J與
短路的諧振線模擬近似。在腔內(nèi)的輻射線上的電流分布可以近似于 力)=7。 cos(A:。[y-a])
其中-
j。是電流的振幅； -a是孔徑尺寸，
畫ko是腔內(nèi)的波數(shù)，并且等于&=，^，
-%是填充腔的材料的相對介電常數(shù)， -co是角頻率，以及 -c是光在真空中的速度。
電流在短路位置處最大。此余弦曲線和非對稱電流分布激發(fā)強的寄生 電偶極子。
圖6和圖7分別圖示了現(xiàn)有技術(shù)的交叉偶極子天線103 (更準確地為輻 射線)在yz平面內(nèi)的電磁場分量Ey和Ez。
在線，例如線132上流動的電流激發(fā)腔內(nèi)模式。振蕩模式是橫電模式 TE1Q。此模式有助于輻射圖案，所述輻射圖案靠近正交于線的磁點偶極子 m。在線上電流分布還將激發(fā)寄生模式，且振蕩模式是橫磁模式TMu。此 模式與正交于孔徑的電偶極子P相對應(yīng)。這些寄生模式導(dǎo)致在yz平面內(nèi)的 電磁場Ey和Ez的強對稱。
因此，現(xiàn)有技術(shù)的天線決不是純的磁偶極子。具體地，正交于孔徑的 寄生電偶極子影響測量精度。此外，由于寄生電偶極子，兩個極化之間的 串饋干擾(crosstalk)是重要的，并且不能執(zhí)行"串擾(cross-fire)"測量(即， 在垂射模式下的發(fā)射器和在端射模式下的接收器)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提出一種交叉偶極子天線和包括這種交叉偶極 子天線的用于測量包圍裸眼井的有限區(qū)帶內(nèi)的地下地層的電磁特性的電缺陷。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，天線被提出為由嵌入腔內(nèi)以限定對稱輻射圖 案的至少一個在中心分開為兩部分的同軸線構(gòu)成。
更具體地，本發(fā)明的第一方面涉及一種在勘測包圍裸眼井的地質(zhì)構(gòu)造 時使用的電磁探頭的天線，所述天線包括導(dǎo)電基部和第一天線元件，導(dǎo)電 基部包括開端式非諧振腔，第一天線元件嵌入腔中并完全通過腔，
其中，第一天線元件包括連接到偶極子線的連接線，連接線通過導(dǎo)電 基部，并相對于導(dǎo)電基部絕緣，且
其中，偶極子線從第一腔壁延伸通過腔到第二腔壁，偶極子線與第二 腔壁短路，偶極子線具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一直 徑，所述第二部分具有大于第一直徑的第二直徑，外圓柱形導(dǎo)體與第一腔 壁短路，所述外圓柱形導(dǎo)體大致繞第一部分屏蔽所述線，外圓柱形導(dǎo)體具 有大致等于第二直徑的直徑，間隙將外圓柱形導(dǎo)體與第二部分分離，間隙 位于偶極子線的大致一半長度處。
有利地，天線可以是包括第一天線元件和第二天線元件的交叉偶極子 天線，第二天線元件具有與第一天線元件相同的結(jié)構(gòu)，并且其中第二天線 元件位于腔內(nèi)，并且第二天線元件根據(jù)由第二天線元件的偶極子線限定 的、大致正交于由第一天線元件的偶極子線限定的方向定位。
腔可以具有平行六面體或圓柱形形狀。腔可以填充有介電材料，或者 填充有由導(dǎo)磁性材料制成的成形芯。
有利地，腔可以被由防護材料制成的蓋子封閉。
本發(fā)明的另一方面涉及一種包括本發(fā)明的天線的天線模塊，其中，導(dǎo) 電基部還包括通過連接線連接到天線的印刷電路板，印刷電路板包括阻抗 匹配網(wǎng)絡(luò)，并被定位成與偶極子線的距離小于腔的尺寸。
本發(fā)明的又一方面涉及一種在勘測包圍裸眼井的地質(zhì)構(gòu)造中使用的 電磁測井設(shè)備，所述電磁測井設(shè)備而包括
-測井工具，所述測井工具能夠移動通過裸眼井；
-電磁探頭，所述電磁探頭包括安裝在測井裝置上的極板，所述電磁 探頭適于通過壁接合面與井壁接合；
-至少一個天線，所述至少一個天線安裝在壁接合面內(nèi)，并用作發(fā)射天線；
-多個間隔開的天線，所述多個間隔開的天線安裝在壁接合面內(nèi)，并
用作接收天線，所述接收天線被定位成相對于發(fā)射天線間隔開；
-發(fā)射器模塊，所述發(fā)射器模塊適于激發(fā)發(fā)射天線，以在預(yù)定頻率下
將電磁能發(fā)射到地層內(nèi)，以及
-接收器模塊，所述接收器模塊適于接收和處理在接收器中的每一個
的代表從地層接收的電磁能的輸出信號，
其中，接收天線中的至少一個是根據(jù)本發(fā)明的天線。 本發(fā)明的又一方面涉及一種使用根據(jù)本發(fā)明的電磁測井設(shè)備的交叉
極化測量方法，所述方法包括以下步驟
-將測井工具下入通過裸眼井，并使極板與井壁接合； -通過根據(jù)本發(fā)明的至少一個發(fā)射天線將電磁信號輻射到包圍裸眼井
的地層中，地層包括多種地質(zhì)特征，電磁信號以兩個正交極化且信號高度
互斥地被輻射， 一個極化平行于極板的軸線，另一個極化正交于所述軸線， -通過根據(jù)本發(fā)明的至少一個接收天線執(zhí)行多個交叉極化測量，交叉
極化測量包括測量根據(jù)兩個正交極化方向的磁矩，并生成與水平磁矩激發(fā)
相對應(yīng)的垂射信號和與垂直磁矩激發(fā)相對應(yīng)的端射信號；以及 -根據(jù)垂射信號和端射信號推斷包圍裸眼井多種地質(zhì)特征。 交叉極化測量方法還可以包括以下步驟 -結(jié)合交叉極化測量值，從而形成交叉極化信號，以及 -根據(jù)交叉極化信號推斷包圍裸眼井的多種地質(zhì)特征。 地質(zhì)特征可以是薄互層(laminate)、裂縫、地層界面或晶簇。. 非零垂射信號和大致為零的端射信號可以與非均勻地層相對應(yīng)，所述
非均勻地層包括填充有具有電阻性流體的水平裂縫。
非零端射信號和大致為零的垂射信號可以與非均勻地層相對應(yīng)，所述
非均勻地層包括填充有具有電阻性流體的垂直裂縫。
大致等于零的交叉極化信號可以與均勻的各向同性地層相對應(yīng)，所述
均勻的各向同性地層包括水平薄互層或水平地層界面。
與sin9x cos9乘積的最低階成比例的交叉極化信號可以與非均勻地層
相對應(yīng)，所述非均勻地層包括與極化方向傾斜角度e的薄互層、裂縫或地層界面。
局部的非零交叉極化信號可以與非均勻地層相對應(yīng)，所述非均勻地層 包括隨機形成尺寸和隨機分布的晶簇。
與現(xiàn)有技術(shù)中所述的電磁傳播工具的天線相比，用于在本發(fā)明的地質(zhì) 勘測中使用的電磁探頭的天線能夠具有更好的測量精度。
本發(fā)明的交叉偶極子天線能夠在兩個正交的極化中的任意一個中輻 射電磁信號。本發(fā)明的交叉偶極子天線能夠消除寄生、高階模式，并提高 相互電磁絕緣性。因此，通過高度相互絕緣確保兩種模式的正交，且任何 公用模式被本發(fā)明的交叉偶極子天線抑制。
發(fā)射器和接收器的去耦模式能夠進行在均勻的各向同性介質(zhì)中的另 外的測量。這些測量值提供地層各向異性的評價、傾斜地層界面或裂縫的 存在以及晶簇識別。


以示例的方式說明本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于附圖，其中相同的附圖 標記表示類似的元件
圖l示意性地圖示典型的陸上油氣井位置；
圖2示意性地示出接觸用于測量地下地層的電磁特性的極板的井壁接
圖3是示意性地詳細示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圖2的極板的交叉偶極子天 線的透視圖4是示意性地詳細示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的交叉偶極子天線的剖視圖； 圖5圖示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的交叉偶極子天線的電流分布； 圖6和圖7分別圖示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的交叉偶極子天線的yz平面內(nèi)的電 磁場Ey和yz平面內(nèi)的電磁場Ez;
圖8是示意性地詳細示出根據(jù)本發(fā)明的交叉偶極子天線的部分透視
圖9是示意性地詳細示出根據(jù)本發(fā)明的交叉偶極子天線的部分剖視
圖IO圖示根據(jù)本發(fā)明的交叉偶極子天線的電流分布；圖ll和圖12分別圖示根據(jù)本發(fā)明的交叉偶極子天線的yz平面內(nèi)的電 磁場Ey和yz平面內(nèi)的電磁場Ez;
圖13是示出比較在頻率范圍內(nèi)由根據(jù)本發(fā)明和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的天線
測量的直接信號與交叉信號的比的兩條曲線的圖表；
圖14示意性地圖示與極板測量軸線垂直的水平薄互層(lamination); 圖15示意性地圖示與極板測量軸線傾斜30。的傾斜薄互層； 圖16示意性地圖示與極板測量軸線垂直的水平地層界面； 圖17示意性地圖示與極板測量軸線傾斜30。的傾斜地層界面；
圖18示意性地圖示與極板測量軸線垂直的水平裂縫； 圖19示意性地圖示與極板測量軸線平行的垂直裂縫；
圖20示意性地圖示與極板測量軸線傾斜30。的傾斜裂縫；
圖21示意性地圖示影響測量的尺寸和分布都隨機的晶簇； 圖22-23示意性地示出根據(jù)具體實施例的本發(fā)明的交叉偶極子天線的
極板上方的透視圖；以及
圖24是示出比較在填充有介電材料相對于填充有鐵氧體(ferrite)的
情況下利用本發(fā)明的天線在頻率范圍內(nèi)測量的傳輸效率的兩組曲線的圖表。
具體實施例方式
圖l示意性地示出在已經(jīng)實施鉆井操作之后典型的陸上油氣井位置和 在油氣地質(zhì)構(gòu)造GF上方的地面設(shè)備SE。在此階段，即，'在下入套管柱之 前和在實施固井操作之前，井眼是填充有流體混合物DM的裸眼井WBH。 流體混合物DM通常是鉆井液和鉆井泥槳的混合物。在本示例中，地面設(shè) 備SE包括石油鉆機OR和用于在井眼中部署測井設(shè)備TL的地面裝置SU。地 面裝置可以是通過線LN連接到測井工具的車輛。此外，地面裝置包括用于 確定測井工具相對于表層的深度位置的適當?shù)难b置DD。測井工具TL包括 各種傳感器，并提供與油氣地質(zhì)構(gòu)造GF和/或流體混合物DM相關(guān)的各種測 量數(shù)據(jù)。這些測量數(shù)據(jù)被測井工具TL收集，并發(fā)射到地面裝置SU。地面 裝置SU包括用于處理、分析和存儲由測井工具TL提供的測量數(shù)據(jù)的電子 裝置和軟件裝置PA。測井工具TL包括根據(jù)本發(fā)明的用于測量地下地層的電磁特性的探頭 1。
一旦測井工具位于期望的深度，可以通過適當?shù)牟渴鹧b置，例如臂狀
物AR從測井工具TL部署探頭1抵靠在井壁上。
圖2示意性地示出探頭1的井壁接觸面的視圖。探頭1包括極板2。極板 是例如由金屬材料類的不銹鋼制成的導(dǎo)電金屬殼體，所述導(dǎo)電金屬殼體被 布置以定位成與井壁WBW接觸。極板2通過臂狀物(在圖l中所示)連接 到測井工具TL。臂狀物能夠?qū)O板2部署到裸眼井WBH中抵靠井壁WBW。
探頭1還包括發(fā)射和接收天線，例如，兩個發(fā)射天線3B和3C，以及 兩個接收天線3A和3D。發(fā)射天線3B和3C以及接收天線3A和3D沿極 板面中的線AA'位于極板內(nèi)，所述極板面布置以定位成與井壁WBW接觸。 如圖2中所示的發(fā)射和接收天線的數(shù)量以及它們相對于彼此的位置僅僅是 示例。發(fā)射和接收天線的數(shù)量和位置可以不同。
探頭1還包括連接到發(fā)射和接收天線的電子裝置4。典型地，電子裝 置4被設(shè)計成天線可以在從大約10MHz到大約2GHz的頻率范圍內(nèi)工作。 電子裝置4包括發(fā)射器模塊4T和接收器模塊4R。發(fā)射器模塊4T被布置 成通過施加激發(fā)信號激發(fā)發(fā)射天線3B和/或3C。接收器模塊4R被布置成 確定由接收天線3A和3D提供的相對于激發(fā)信號ES的接收信號的衰減和 相位漂移。
可選地，電磁探頭1可以包括用于測量流體混合物、泥餅、和/或地層 的特征參數(shù)的其它類型的傳感器(未示出)，例如，溫度傳感器。
可以通過臂狀物下入一個或多個同軸電纜(未示出)，用于將電子裝 置4連接到測井工具TL。測井工具TL包括大量井下電子儀器(未示出)， 并提供能量和控制指令，以及從電磁探頭1收集測量值?？蛇x地，電子裝 置4可以包括用于直接將測量值發(fā)射給地面設(shè)備SE并從所述地面設(shè)備SE 接收控制指令的數(shù)據(jù)通信模塊(未示出)。
圖8和圖9分別示出根據(jù)本發(fā)明的交叉偶極子天線的部分透視圖和剖 視圖。以下將描述的天線可以用作發(fā)射天線或用作接收天線。在圖9中， 交叉偶極子天線被示出為安裝在極板2內(nèi)，而極板接觸井壁WBW。典型 地，當在此示例中，井壁WBW存在于被泥餅MC覆蓋的地層中。泥餅 MC通過當流體混合物侵入地層時過濾懸浮在流體混合物內(nèi)的泥漿顆粒而形成在井壁WBW上。
天線3包括導(dǎo)電基部31和第一天線元件32。導(dǎo)電基部31包括開端式 非諧振腔33。天線可以包括如圖8和9中所示的第二天線元件42。兩個 天線都位于腔內(nèi)，而在所述兩個天線彼此交叉的情況下沒有接觸。
腔33具有平行六面體狀形狀。然而，腔33可以具有其它形狀，例如， 圓柱狀形狀。有利地，腔填充有介電材料。當填充腔的所述材料的介電常 數(shù)對輻射純度沒有影響時，可以使用任何介電材料。腔被蓋子和窗體43 封閉，以保持和保護介電材料。有利地，蓋子43由防止磨損的例如PEEK (熱塑性聚醚醚酮)的防護材料制成。然而，不干擾高頻率波傳播并適當 地機械防止磨損的任何其它材料是可接受的。例如，限定這種腔的孔徑尺 寸a限定可以大約為10mm。
第一天線元件完全通過腔。第一天線元件32包括連接到偶極子線35 的連接線34。連接線34通過導(dǎo)電基部31并相對于導(dǎo)電基部絕緣。
偶極子線35從第一腔壁33A延伸通過腔到第二腔壁33B。偶極子線 35與第二腔壁33B短路。偶極子線具有第一部分35A和第二部分35B， 所述第一部分35A具有第一直徑，而所述第二部分35B具有大于第一直 徑的第二直徑。第一部分35A連接到連接線34。第二部分35B與第二腔 壁短路。偶極子線被大致繞第一部分35A的外圓柱形導(dǎo)體36屏蔽，所述 外圓柱形導(dǎo)體36與第一腔壁33A短路。外圓柱形導(dǎo)體36具有大致等于第 二直徑的直徑。外圓柱形導(dǎo)體36具有的厚度使所述外圓柱形導(dǎo)體36不接 觸第一部分35A。第一部分35A和外圓柱形導(dǎo)體36形成同軸線。
間隙37使外圓柱形導(dǎo)體與第二部分35B分離。間隙位于偶極子線35 的大致一半長度處。有利地，間隙較薄，例如比10mm的孔徑尺寸薄。此 外，間隙有利地位于腔的中心，且緊密度容限例如小于孔徑尺寸的2%。
第二天線元件42具有與第一天線元件相同的結(jié)構(gòu)，并且不再描述。 第二天線元件在第一天線元件上方或下方位于腔內(nèi)。由第二天線元件42 限定的偶極子線45的方向D2大致正交于由第一天線元件32的偶極子線 35限定的方向D1。
天線的金屬部分可以是鍍金的，從而最小化歐姆損耗。
可以以插入到基板2的槽內(nèi)的天線模塊的形式設(shè)計天線3。在這種情況下，導(dǎo)電基部31可以有利地包括借助于連接線34連接到天線32的印
刷電路板44。有利地，印刷電路板44包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(未示出)。阻抗 匹配網(wǎng)絡(luò)能夠當天線是發(fā)射器時最大化發(fā)射到地層內(nèi)的功率，或者相反 地，當天線是接收器時最大化接收到的功率。此外，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)被定位 成靠近偶極子線35，從而提高其效率。例如，印刷電路板44可以被定位 成與偶極子線的距離小于腔33的尺寸。最終，匹配網(wǎng)絡(luò)可以被設(shè)計成用 于一些具有無源分量(電感或電容)或有源分量(可變電容)的離散頻率。 有源分量能夠最大化效率地在具有從0.1GHz-2.0GHz的頻率范圍內(nèi)工作。 根據(jù)天線的可選實施例，腔可以填充有導(dǎo)磁性的材料。例如，圖22-23 示出適于配合到腔內(nèi)并容納天線元件32和42的包括兩個交叉和重疊的溝 槽的成形芯45。有利地，材料具有高磁導(dǎo)率。作為示例，成形芯可以由鐵 氧體材料制成。根據(jù)本可選實施例的天線能夠增加天線效率；具體地增加 磁通量。效率的增益與材料相對磁導(dǎo)率(鐵氧體相對磁導(dǎo)率大約為10)的 平方根成比例。
圖24示出比較對于填充有介電材料的腔(連續(xù)線DM)和填充有鐵 氧體材料的腔(虛線FM)在頻率范圍內(nèi)測量的傳輸效率的兩組曲線。在 接收天線處的信號電平的增益大約為30dB (尤其在低頻率處)。
以下相對于圖10-13說明根據(jù)本發(fā)明的天線的性能。根據(jù)本發(fā)明的天 線的性能類似于兩個正交并獨立的純磁偶極子。對于輻射，在導(dǎo)電平面內(nèi) 相較于波長和觀察點的小孔徑可以被認為是正切于導(dǎo)電平面的磁偶極子 和正交于孔徑的電偶極子的重疊。磁偶極矩和電偶極矩可以表示為孔徑處 的切向電場的函數(shù).-
m = -~JfixEa^禾口p-fis J(r'Ea)cfa /^^A孔徑 孔徑
其中
-a是孔徑的大小， -Ea是孔徑處的切向電場， -m是磁偶極矩， -p是電偶極矩， -co是角頻率，-S是介質(zhì)的介電常數(shù)， 屮是磁導(dǎo)率，
-n是正交于孔徑的單位矢量，以及
-r是矢量，即，孔徑的中心是參考原點，矢量指向孔徑平面內(nèi)的積分
與前述現(xiàn)有技術(shù)的天線相比，根據(jù)本發(fā)明的天線顯著地減小電偶極矩 p。天線孔徑處的場Ea與在線上的電流變化有關(guān)，所述線用作在腔內(nèi)延伸 的輻射元件。
圖10圖示作為根據(jù)本發(fā)明的天線y (沿線35定位)的函數(shù)的電流分 布丄在同軸線(第一部分35A和外導(dǎo)體36)中，在第一部分35A流動 的電流等于在外導(dǎo)體36的內(nèi)側(cè)上的電流，但是具有相反的方向。第二部 分35B的外側(cè)上的電流在與第一部分35A的流動方向相同的方向上流動， 但是具有對稱分布。
因此，對于本發(fā)明的天線來說，電偶極矩p理論上為零，而磁偶極矩 m保持不變。
圖11和圖12分別圖示在本發(fā)明的交叉偶極子天線(更具體地為輻射 線)的yz平面內(nèi)的電磁場Ey和在yz平面內(nèi)的電磁場Ez。這些圖清楚地 示出本發(fā)明的天線使場對稱。本發(fā)明的天線的性能與沒有寄生輻射的純磁 偶極子類似。
圖13示出比較在從0.5GHz-2.0GHz的頻率范圍內(nèi)由根據(jù)本發(fā)明的天 線(連續(xù)線曲線A2)和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的天線(虛線曲線A1)測量的直接 信號(垂射模式)與交叉信號(端射模式)的比的兩條曲線。這些測量結(jié) 合寄生電偶極子的作用和在同一腔內(nèi)的兩個正交極化之間的串饋干擾。已 經(jīng)通過具有相同尺寸和填充腔的相同材料執(zhí)行這些測量。天線都是交叉偶極子天線。發(fā)射器在垂射模式下被激發(fā)，并且接收的信號在天線處被測量。 通過第一線，例如用于現(xiàn)有技術(shù)的天線的線132 (圖3)和用于本發(fā)明的
天線的線32 (圖8)測量第一極化。通過正交于第一線的第二線，例如， 用于現(xiàn)有技術(shù)的天線的線142 (圖3)和用于本發(fā)明的天線的線42 (圖8) 測量第二極化。觀察到的是在本發(fā)明的天線的情況下，與現(xiàn)有技術(shù)的天 線相比，兩個極化之間的"串饋干擾"變得忽略不計。對于本發(fā)明的天線來 說，比值小于-60dB，而對于現(xiàn)有技術(shù)的天線來說，比值總是大于-20dB。 這種不同顯示本發(fā)明的天線的極好的交叉極化抑制。
因此，通過使用本發(fā)明的天線的電磁測井設(shè)備可以實現(xiàn)交叉極化測 量。交叉偶極子天線用在電磁測井設(shè)備中。在專利申請公開No EP1693685 (2005年2月22日遞交)中詳細說明了這種電磁測井設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作， 其內(nèi)容通過引用在此并入。本發(fā)明的電磁探頭與EP1693685中電磁探頭的 不同在于本發(fā)明的電磁探頭包括如前述的本發(fā)明的交叉偶極子天線，所述 偶極天線在兩個正交的極化中輻射電磁波。通過本發(fā)明，交叉偶極子天線 以兩個正交極化且信號高度互斥地輻射電磁波。所述信號互斥通過消除天 線之間的所有寄生、公用輻射模式而完成。
當測井工具下入通過裸眼井和與井壁(圖1)接合的極板時，電磁信 號通過發(fā)射天線3T輻射到包圍裸眼井的地層中(圖14-21)。地層GF具 有包括各種類型的非均勻地質(zhì)特征(例如，薄互層(L)、裂縫(F)、地層 界面(BB)或晶簇(V)，這些示例示意性地在圖14-21中表示出)的結(jié) 構(gòu)。在兩個正交的極化方向上執(zhí)行多個電磁測量， 一個極化方向平行于極 板的軸線，而另一個極化方向正交于所述軸線。然后，比較根據(jù)一個極化 的電磁測量值與根據(jù)另一個正交極化的電磁測量值。從該比較的結(jié)果，可 以推斷包圍裸眼井的非均勻地質(zhì)特征的類型。
圖14-21圖示由根據(jù)本發(fā)明的天線檢測和特征化的各種類型的非均勻 地質(zhì)特征。在圖14-21中，垂直磁矩由垂直雙箭頭(與發(fā)射天線3T和接 收天線3R1和3R2相對應(yīng))和連續(xù)線箭頭表示，而水平磁矩由水平箭頭(與 發(fā)射天線3T和接收天線3R1和3R2相對應(yīng))和虛線箭頭表示。接收天線 由具有由地質(zhì)構(gòu)造GF反射的特殊磁矩的電磁能激發(fā)。水平元件提供當由 垂直磁矩激發(fā)時的端射信號，而垂直元件提供當由水平磁矩激發(fā)的垂射信號。
電磁探頭1在兩個正交極化方向上提供多個電磁測量。結(jié)合并比較這 些同時發(fā)生的測量，使得正交極化以不同方式說明巖層中的非均勻特征。 可以定量地表征良好分層或具有薄互層的地質(zhì)構(gòu)造。例如，對地層界面或 裂縫的響應(yīng)取決于極化相對于這些結(jié)構(gòu)的走向。
在現(xiàn)有技術(shù)電磁探頭典型的25毫米薄層分辨力的極限下，具有薄互 層的地層實際上被當作了各項異性介質(zhì)。具有本發(fā)明的天線的電磁探頭的 兩個正交極化可以區(qū)分此各向異性。兩個正交極化方向完全消除在均勻的 各向同性地層中的測量之間的影響。在各向異性的含有裂縫或高反差
(high-constant)層狀地層中，如果地層構(gòu)造相對于極化方向以一定傾斜 角度傾斜，則測量值可以顯示兩種模式之間的干涉。因此，在各向同性介 質(zhì)中為零的交叉極化測量提供關(guān)于非均勻介質(zhì)中的相對傾斜角度和介電 常數(shù)-電導(dǎo)率對比度的定量信息。在各向異性介質(zhì)中，各向異性-張量軸線 可以相對于極化方向傾斜角e。在這種情況下，交叉極化信號將與sinex
cose乘積的最低階成比例。地層界面或裂縫可以相對于極化軸線傾斜角e。
交叉極化信號將與前述乘積成比例。已知的在線和交叉極化測量的二維本
征型分析將評估傾斜角e，并確定各向異性地層參數(shù)(介電常數(shù)和電導(dǎo)率) 或裂縫的流體含量或穿過地層界面的介電常數(shù)-電導(dǎo)率對比度。
圖14示意性地示出包括垂直于極板探頭測量軸線AA'的水平薄互層
的地層。此情形對應(yīng)于產(chǎn)生大致等于零交叉極化信號的均勻的各向同性介 質(zhì)。
圖16示意性地示出包括垂直于極板探頭測量軸線AA'的水平地層界 面的地層。探頭的響應(yīng)類似于具有水平薄互層的情形。
圖15示意性地示出包括傾斜薄互層的地層，所述傾斜薄互層相對于 極板測量軸線AA'傾斜大約30°的角度。組合的端射和垂射測量能夠轉(zhuǎn)化 具有已知傾斜角e的這種薄互層地層的各向異性的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。
圖17示意性地示出包括下斜地層界面的地層，所述下斜地層界面相 對于極板測量軸線AA'傾斜大約30。的角度。在這種情形中，探頭的響應(yīng) 是垂射模式和端射模式的結(jié)合的信號。
圖18-20示意性地示出包括裂縫的地層。裂縫可以是由于地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的天然裂縫，或者可以是由鉆井操作引起的裂縫。裂縫可以填充有裸眼 井的流體混合物(因為富含水而通常導(dǎo)電)，或者填充有油氣流體混合物 (通常具有電阻性)。假設(shè)已知侵入地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的流體混合物的電磁特性， 則可以識別地層中的裂縫走向。
圖18示意性地示出包括垂直于極板測量軸線AA'的水平裂縫的地層。 在這種情形中，填充有具有電阻性流體的裂縫將產(chǎn)生根據(jù)垂射模式的重要 信號和根據(jù)端射模式的大致為零的信號。
圖19示意性地示出包括平行于極板測量軸線AA'的垂直裂縫的地層。
在這種情形中，填充有具有電阻性流體的裂縫將產(chǎn)生根據(jù)垂射模式的大致 為零的信號和根據(jù)端射模式的重要信號。
圖20示意性地示出包括傾斜裂縫的地層，所述傾斜裂縫相對于極板 測量軸線AA'傾斜大約30。的角度。在這種情形中，填充有具有電阻性流 體的裂縫將產(chǎn)生為垂射模式和端射模式的結(jié)合的信號。
圖21示意性地圖示包括隨機形成尺寸和分布的晶簇的地層。在來自 現(xiàn)場測試的測井數(shù)據(jù)上，已經(jīng)觀察到響應(yīng)于晶簇的交叉極化信號的典型測 量值。由這些觀察，交叉極化測量在晶簇的情況下提供局部非零信號。這 些測量值可以用于定量地表征晶簇和/或所述晶簇的統(tǒng)計尺寸和/或空間分 布。
后注
已經(jīng)相對于電纜測井工具說明了本發(fā)明的具體應(yīng)用。然而，本領(lǐng)域的 技術(shù)人員理解的是本發(fā)明也可應(yīng)用于隨鉆測井工具。典型的隨鉆測井工具 置入底部鉆具組合，所述底部鉆具組合連接到鉆柱端部，且鉆頭連接在所 述鉆柱末端處?？梢栽阢@柱靜止或旋轉(zhuǎn)時進行測量。在鉆柱旋轉(zhuǎn)時進行測 量的情況下，進行另外的測量以允許測量與鉆柱在裸眼井壁中的旋轉(zhuǎn)位置 有關(guān)。這優(yōu)選地通過羅盤同時進行地球磁場的方向測量而完成，這可以與 當鉆柱靜止時進行的參考測量相關(guān)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將理解的是本發(fā)明可應(yīng)用于陸上和海上油氣井 位置。
要理解的是前面使用的術(shù)語"極板"通常表示與井壁表面接觸的接觸元件。在附圖中示出的用于保持元件與井壁接合的具體的接觸元件是說明
性的，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是其它接觸元件，例如具有推靠臂
的探測器可以實施其它適當?shù)慕佑|元件。
相同的注釋也可應(yīng)用于附圖中示出的具體的探頭部署系統(tǒng)。
最后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還要理解的是本發(fā)明不限于油田行業(yè)的應(yīng)
用，而是還可以在其它的地質(zhì)勘測中使用。
以上附圖和說明是舉例說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。 權(quán)利要求中的任何附圖標記不應(yīng)該被解釋為限制權(quán)利要求。單詞"包
括"不排除存在權(quán)利要求中所列出的元件之外的其它元件。元件前的單詞
"一個"不排除存在多個這樣的元件。
權(quán)利要求
1.一種在勘測包圍裸眼井(WBH)的地質(zhì)構(gòu)造(GF)時使用的電磁探頭的天線(3)，所述天線包括導(dǎo)電基部(31)和第一天線元件(32)，所述導(dǎo)電基部(31)包括開端式非諧振腔(33)，所述第一天線元件(32)嵌入所述腔(33)中并完全通過所述腔，其中，所述第一天線元件(32)由在中心分開為兩部分的同軸線構(gòu)成，從而限定對稱的天線輻射圖案。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電磁探頭的天線，其中，所述第一天線元件(32) 包括連接到偶極子線(35)的連接線，所述連接線通過所述導(dǎo)電基 部(31)，并相對于所述導(dǎo)電基部(31)絕緣，且其中，所述偶極子線(35)從第一腔壁(33A)延伸通過所述腔到第 二腔壁(33B)，所述偶極子線(35)與所述第二腔壁(33B)短路，所述 偶極子線(35)具有第一部分(35A)和第二部分G5B)，所述第一部分 具有第一直徑，所述第二部分具有大于所述第一直徑的第二直徑，與所述 第一腔壁(33A)短路的外圓柱形導(dǎo)體(36)大致繞所述第一部分(35A) 屏蔽所述線，所述外圓柱形導(dǎo)體(36)具有大致等于所述第二直徑的直徑， 間隙(37)將所述外圓柱形導(dǎo)體(36)與所述第二部分(35B)分離，所 述間隙(37)位于所述偶極子線(35)的大致一半長度處。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁探頭的天線，其中，所述天線包括 第一天線元件(32)和第二天線元件(42)，所述第二天線元件(42)具 有與所述第一天線元件(32)相同的結(jié)構(gòu)，并且其中所述第二天線元件(42) 位于所述腔(33)內(nèi)，并且由所述第二天線元件(42)的所述偶極子線(35) 限定的方向大致正交于由所述第一天線元件(32)的所述偶極子線(35) 限定的方向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3中任一項所述的電磁探頭的天線，其中，所述腔(33) 具有平行六面體或圓柱形形狀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中任一項所述的電磁探頭的天線，其中，所述腔 (33)填充有介電材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中任一項所述的電磁探頭的天線，其中，所述腔(33)填充有由導(dǎo)磁性材料制成的成形芯(45)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6中任一項所述的電磁探頭的天線，其中，所述腔 (33)被由防護材料制成的蓋子封閉。
8. —種包括根據(jù)權(quán)利要求l-7中任一項所述的電磁探頭的天線的天線 模塊，其中，所述導(dǎo)電基部(31)還包括通過所述連接線連接到所述天線 的印刷電路板(44)，所述印刷電路板(44)包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并被定 位成與所述偶極子線(35)的距離小于所述腔(33)的尺寸。
9. 一種在勘測包圍裸眼井(WBH)的地質(zhì)構(gòu)造中使用的電磁測井設(shè) 備，包括測井工具(TL)，所述測井工具能夠移動通過所述裸眼井； 電磁探頭(1)，所述電磁探頭包括安裝在所述測井工具(TL)上的極板(2)，所述電磁探頭適于通過所述極板的壁接合面與井壁(WBW)接合；至少一個天線(3B、 3C、 3T)，所述至少一個天線安裝在所述壁接合 面內(nèi)并用作發(fā)射天線；多個間隔開的天線(3A、 3D、 3R1、 3R2)，所述多個間隔開的天線 安裝在所述壁接合面內(nèi)并用作接收天線，所述接收天線被定位成相對于所 述發(fā)射天線(3B、 3C、 3T)間隔開；發(fā)射器模塊(4T)，所述發(fā)射器模塊適于激發(fā)所述發(fā)射天線，以在預(yù) 定頻率下將電磁能發(fā)射到所述地層內(nèi)；以及接收器模塊(4R)，所述接收器模塊適于接收和處理所述接收天線中 的每一個的代表從所述地層接收的電磁能的輸出信號，其中，所述接收天線(3A、 3D、 3R1、 3R2)中的至少一個是根據(jù)權(quán) 利要求l-7中任一項所述的天線。
10. —種交叉極化測量方法，其中所述方法包括以下步驟 將測井工具下入通過裸眼井，并使極板與井壁接合； 通過根據(jù)權(quán)利要求3所述的并安裝在所述極板的壁接合面內(nèi)的至少一個發(fā)射天線將電磁信號輻射到包圍所述裸眼井的地層中，所述地層包括多 種地質(zhì)特征，所述電磁信號以兩個正交極化、且高度信號互斥地被輻射， 一個極化平行于所述極板的軸線，另一個極化正交于所述軸線；通過根據(jù)權(quán)利要求3所述的至少一個接收天線執(zhí)行多個交叉極化測 量，所述交叉極化測量包括測量根據(jù)兩個正交的極化方向的磁矩，并生成 與水平磁矩激發(fā)相對應(yīng)的垂射信號和與垂直磁矩激發(fā)相對應(yīng)的端射信號； 以及根據(jù)所述垂射信號和端射信號推斷包圍所述裸眼井的所述多種地質(zhì) 特征。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的交叉極化測量方法，其中，所述方法還包括以下步驟結(jié)合所述交叉極化測量值，從而形成交叉極化信號；以及 根據(jù)所述交叉極化信號推斷包圍所述裸眼井的所述多種地質(zhì)特征。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的交叉極化測量方法，其中，所述地質(zhì)特征 是薄互層(L)、裂縫(F)、地層界面(BB)或晶簇(V)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的交叉極化測量方法，其中，非零垂射信號 和大致為零的端射信號與非均勻地層相對應(yīng)，所述非均勻地層包括填充有 電阻性流體的水平裂縫(F)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的交叉極化測量方法，其中，非零端射信號 和大致為零的垂射信號與非均勻地層相對應(yīng)，所述非均勻地層包括填充有 電阻性流體的垂直裂縫(F)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的交叉極化測量方法，其中，大致等于零的 交叉極化信號與均勻的各向同性地層相對應(yīng)，所述均勻的各向同性地層包 括水平薄互層(L)或水平地層界面(BB)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的交叉極化測量方法，其中，與sinexcos9 乘積的最低階成比例的交叉極化信號與非均勻地層相對應(yīng)，所述非均勻地層包括與所述極化方向傾斜角度e的薄互層(L)、裂縫(F)或地層界面(BB)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的交叉極化測量方法，其中，局部的非零交 叉極化信號與非均勻地層相對應(yīng)，所述非均勻地層包括隨機形成尺寸和隨 機分布的晶簇(V)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在勘測包圍裸眼井(WBH)的地質(zhì)構(gòu)造(GF)時使用的電磁探頭(1)的天線(3)，所述天線包括導(dǎo)電基部(31)和第一天線元件(32)。導(dǎo)電基部(31)包括開端式非諧振腔(33)。第一天線元件(32)嵌入腔(33)中并完全通過腔。第一天線元件(32)由在中心分開為兩部分的同軸線構(gòu)成，從而限定對稱的天線輻射圖案。
文檔編號G01V3/30GK101542318SQ200780042535
公開日2009年9月23日 申請日期2007年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者馬丁·呂林, 馬蒂尼·西蒙 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司