一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量装置以及测量方法

摘要

本发明是一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量装置以及测量方法，主要适用于随钻过程中油层、煤层、及其它储层的层厚探测，在随钻过程中，实现实时测量电磁波在储层中的传播速度的功能，是水平井随钻探层测距雷达的核心技术之一。通过采用该装置及方法，可以较为精确得到电磁波在储层中的传播速度，再将此速度值结合传输时间测量值，即可得到储层的上下边界面，保证钻头始终在储层中钻进，保证了高钻遇率，从而提高了油气等资源的采收率。

说明书

技术领域

本发明属于地质勘探领域，具体涉及一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量装置以及测量方法。 

背景技术

随着石油工业的不断发展和油气勘探开发难度的不断增大，石油勘探开发工业已逐渐转向开发规模小、油气层薄、物性差、非均质性强的油气藏，定向井、水平井等特殊工艺井的应用逐年增多。在这些特殊工艺井的施工过程中，需要及时掌握钻头所钻穿的岩层特性，快速准确找到储集层，从而指导施工人员控制钻头始终穿行在储层中，以便最大限度地提高采收率。 

为保证钻头始终在储层中钻进，就需随钻测量储层的上下边界面，保证钻头处于储层中的最佳位置。但是，在实际钻进中，由于现有检测工具的局限性，经常出现钻头钻穿储层，或者不能保持在储层中的最佳位置，影响了储层的钻遇率和油气等资源的采收率。 

水平井随钻探层测距雷达则能很好地解决上述问题。本发明则是水平井探层测距雷达的核心技术之一，无论使用何种电磁波测距方法，电磁波在储层中的传播速度都是一个十分重要的物理量，其和传输时间是用于探层测距中最为关键的两个参数，而且由电磁波长 所以电磁波速同时决定了电磁波长，进而可以计算出电磁波测距的精度，即制约了整套电磁波测距系统的分辨率。 

决定电磁波速的主要参数是介电常数。介电常数（或相对介电常数）是进行电磁波测距具有决定性意义的物理量，对于电导率较低的介质，且σ/εω<<1，则若得到在天线工作频率下的传播介质的相对介电常数，我们就可以估算出电磁波在该介质中的传播速度： 

$>v=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{ϵ\mu }}}=\frac{1}{\sqrt{{ϵ}_0{ϵ}_r{\mu }_0{\mu }_r}}=\frac{c}{\sqrt{{ϵ}_r{\mu }_r}}$>

其中，上式的c为电磁波在真空中的传播速度c=3×10⁸m/s，ε_r为相对介电常数，μ_r为相对磁导率，对于非磁性物质，μ_r约为1，故对煤层来说，决定煤层中电磁波速的主要参数为相对介电常数ε_r。 

在实际随钻过程中，由于随钻地层的介质未知且并非匀质，为获取电磁波波速，若直接采用测量介电常数的仪器随钻测量储层的相对介电常数，那么只能测量钻头周围的相对介电常数，探测的深度有限，造成测得的相对介电常数并不准确，存在较大的测量误差。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量的装置及方法，较为精确地测量出电磁波在储层中的传播速度，即使在贴近井壁的区域内被钻井液等浸染，或井壁附近含水，造成储层介质并不均匀的情况，采用本发明提出的方法也可以达到要求。 

为了实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案： 

一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量装置，所述 测量装置包括发射天线T₁和接收天线R₁、R₂，转角传感器，上位机，脉冲信号发生装置，信号采样与处理装置，转角测量单元与上位机连接，上位机与信号发生单元和采样单元分别连接，信号发生单元、电压放大单元、发射天线T1、接收天线R1、R2、采样单元、信号处理单元与上位机依次连接。 

一种测量水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速的方法，包括使用所述的测量装置，当转角传感器检测到工具面水平朝上或朝下时，上位机控制脉冲信号发生器开始发射出电磁波脉冲序列信号，经由电压放大器进行升压，再由发射天线T₁将此信号发射出去，该脉冲信号会在储层与盖层的交界面发生发射，接收天线R₁、R₂分别接收到反射信号，对两个接收天线接收到的信号进行采样和处理，分别得到反射波双程走时为t₁、t₂，再将此数据传给上位机进行进一步处理，得到电磁波在储层中的传播速度。 

其中，所述方法采用一发双收或双发双收的天线分布方式对地层中电磁波波速进行测量。 

其中，无需通过测量介电常数的方式对波速进行测量，不要求周围地层为匀质，测量的波速值为平均波速值，对受到钻井液侵染的地层仍然有效。 

有益效果 

提供了一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量方法。通过采用该方法，可以较为精确得到电磁波在储层中的传播速度，再结合将此速度值结合传输时间测量值，即可得到储层的上下边界面，保证钻头始终在储层中钻进，保证了高钻遇率，从而提高了油气等资源的采收率。 

附图说明

图1和图2分别为本发明实施例提供的两种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量方法原理图； 

图3为本发明实施例提供的一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量装置图。 

具体实施方式

一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量装置，所述测量装置包括发射天线T₁和接收天线R₁、R₂，转角传感器，上位机，脉冲信号发生装置，信号采样与处理装置，转角测量单元与上位机连接，上位机与信号发生单元和采样单元分别连接，信号发生单元、电压放大单元、发射天线T1、接收天线R1、R2、采样单元、信号处理单元与上位机依次连接。 

一种测量水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速的方法，包括使用所述的测量装置，当转角传感器检测到工具面水平朝上或朝下时，上位机控制脉冲信号发生器开始发射出电磁波脉冲序列信号，经由电压放大器进行升压，再由发射天线T₁将此信号发射出去，该脉冲信号会在储层与盖层的交界面发生发射，接收天线R₁、R₂分别接收到反射信号，对两个接收天线接收到的信号进行采样和处理，分别得到反射波双程走时为t₁、t₂，再将此数据传给上位机进行进一步处理，得到电磁波在储层中的传播速度。 

其中，所述方法采用一发双收或双发双收的天线分布方式对地层中电磁波波速进行测量。 

其中，无需通过测量介电常数的方式对波速进行测量，不要求周围地层为匀质，测量的波速值为平均波速值，对受到钻井液侵染的地 层仍然有效。 

如图1所示，T₁和R₁为一对发射天线和接收天线，两天线中心距离为l₁，T₂和R₂为另一对发射天线和接收天线，两天线中心距离为l₂。R₁接收的反射界面的反射波双程走时为t₁、路程为L₁，R₂接收的反射界面的反射波双程走时为t₂、路程为L₂。设天线所在平面与反射界面间的距离为d，电磁波在储层中传播的平均速度为v，则有下式： 

$>d=\sqrt{{\left(\frac{L_1}{2}\right)}^2-{\left(\frac{l_1}{2}\right)}^2}=\sqrt{{\left(\frac{L_2}{2}\right)}^2-{\left(\frac{l_2}{2}\right)}^2}$>

L₁=vt₁

L₂=vt₂

利用上面等式，即可得到

图2为本发明实施例提供的另一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波波速测量方法原理图。若储层与盖层的分界面较为平整，地层不存在断层等，则可采用图2所示的一发双收的方式。 

采用这种天线排布，得到的波速同样为

采用这种测波速的方法的优点是减少了一个发射天线，简化了整体测量装置，同时也保证了两个接收天线R₁和R₂所接收到的反射波信号均是由发射天线T₁所发射出，图1所示方法中两个接收天线R₁和R₂接到的反射信号分别是由发射天线T₁和T₂所发射出，还需要后续电路对其做进一步的处理，但图2所示方法的前提是界面必须较为平整，两个反射点距离天线所在平面的高度需近似相等。 

图3为本发明实施例提供的一种用于水平井随钻探层测距雷达的 电磁波波速测量流程图，此流程图以图2所示的测量方法为例。如图3所示，首先，当转角传感器检测到工具面水平朝上或朝下时，上位机控制脉冲信号发生器开始发射出电磁波脉冲序列信号，经由电压放大器进行升压，再由发射天线T₁将此信号发射出去，该脉冲信号会在储层与盖层的交界面发生发射，接收天线R₁、R₂分别接收到反射信号，对两个接收天线接收到的信号进行采样和处理，分别得到反射波双程走时为t₁、t₂，再将此数据传给上位机进行进一步处理，即可得到电磁波在储层中的传播速度。 

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。