用于在非导电性钻井液中微电阻率成像的设备和方法

摘要

一种微电阻率测井工具包括部署在工具主体上的发送器线圈和至少一个接收器线圈。所述发送器线圈和接收器线圈界定优选地大体上垂直于工具轴的轴。

说明书

相关申请

本申请要求2010年8月26日提交的并且标题为Apparatus andMethod for Microresistivity Imaging in Non-Conducing Mud的美国临时申请序列号61/377,162的权益。

技术领域

本发明一般涉及微电阻率测井测量。更特别地，本发明的实施方案涉及适于进行微电阻率测量非导电性钻井液的随钻测井工具。

背景技术

在现有技术的井下应用，如随钻测井(LWD)和电缆测井应用中使用电测量是熟知的。这种技术可例如被利用于确定地下地层电阻率，其与地层孔隙度测量一起可用于指示地层中油气的存在。所属领域中已知具有高电阻率的多孔地层通常含有油气，如原油，而具有低电阻率的多孔地层通常是水饱和的。应了解，所属领域中的术语电阻率和电导率通常可互换使用。所属领域的一般技术人员将容易认识到：这些量是倒数，并且可经由简单数学计算将一者转换为另一者。出于描述的方便而在本文中提及一者或另一者，且并非旨在是限制性意义。

用于进行地下地层的微电阻率测量的技术针对电缆和LWD操作两者在现有技术中是熟知的。微电阻率测井工具通常取决于是否使用导电性(水性)或非导电性(油性)钻井液(泥浆)而利用两个已知测量原理的一者。当利用导电性钻井液时，井孔环状缝隙为电流提供良好导管。主要挑战之一是使电流聚集，使其进入地层。非导电性钻井液的使用引起了不同挑战。油性钻井液可严重阻碍电流流过液体进入地层中。一个重要挑战是致使电流穿透钻井液，使其进入地层。

所属领域的技术人员将理解：当通过水溶性地层(例如，包括盐层)钻井时通常利用油性钻井液。已知油性(非导电性)钻井液的使用大大减小了被构造来与水性(导电性)钻井液一起使用的微电阻率测井工具的有效性。同样，所属领域中一般已知被构造来与油性钻井液一起使用的微电阻率测井工具(例如前述段落中所述)不能很好地适于在导电性钻井液中进行微电阻率测量。

被构造来与非导电性钻井液一起使用的微电阻率传感器通常包括至少四个电极：包括部署在电流注入器与返回电极之间的一对间隔开的电位电极。在使用中，在注入器与返回电极之间传递高频交流电流(例如，以1兆赫兹的数量级)。通常需要高频率以便减小油性钻井液的电阻抗，并且使一部分电流能够穿透地层。也已知使用高频率以致使传感器中和非导电性钻井液中的位移电流。在缺乏这些位移电流时(或当已经导致位移电流时)，电位电极之间的电压降趋于与地层电阻率近似成比例。

虽然在非导电性钻井液中可利用四电极构造，但是在随钻测井应用中仍然有显著困难。例如，钻井操作使得难以将传感器维持紧靠井孔壁。变化的传感器间隙可显著恶化图像分辨率。已进行尝试来使用弹性或装有弹簧的垫以更好地控制传感器间隙，但是这些构造在LWD操作中一般并不机械稳定。因此，所属领域中对适于用于非导电性钻井液中且对于传感器间隙一般不敏感的微电阻率测井工具(和传感器)存在需要。

发明内容

本发明的各个方面旨在解决上文所述的对改进的微电阻率测井传感器的需要。在一个示例性实施方案中，本发明包括具有微电阻率传感器的井下微电阻率测井工具。传感器包括可例如部署在工具主体中(例如，工具主体的翼片外壳部分中)的发送器线圈和至少一个接收器线圈。发送器线圈和接收器线圈优选地界定大体上垂直于测井工具的纵轴的线圈轴。发送器线圈被构造来通过非导电性钻井液将高频交流电流向外径向发送到邻近地下地层中。接收器线圈被构造来接收(测量)指示视地层电阻率的电压响应。在本发明的优选实施方案中，接收器线圈部署在发送器线圈内部并与发送器线圈同轴。

本发明的示例性实施方案可有利地提供若干个技术优点。例如，根据本发明的测井工具可有利地在存在非导电性钻井液时能够微电阻率测量地下地层。此外，对比于常规四电极传感器，本发明的实施方案一般形成相当小的电流回路使得微电阻率测量上的电流回路的自感影响趋于显著减小。本发明的实施方案也趋于比常规四电极传感器有利地对传感器间隙较不敏感。本发明胜过常规四电极传感器的额外优点在于发送和接收导体不与钻井液直接接触，因此避免了可能在导体的暴露表面处发生的电化学效应。已知这些效应通常会增加导体阻抗。由于前述优点，因此根据本发明的用传感器进行的微电阻率测量趋于对真实地层电阻率具有增加的敏感度。

在一个方面，本发明包括井下微电阻率测井工具。所述工具包括部署在测井工具主体上的发送器线圈和接收器线圈。发送器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体。电导体连接到部署在工具主体中的高频交流电流发生器。接收器线圈也包括绕磁导芯缠绕的电导体，电导体连接到部署在工具主体中的高频交流电压传感器。发送器线圈和接收器线圈中的每个都界定大体上垂直于工具主体的纵轴的线圈轴。

在又另一方面，本发明包括微电阻率随钻测井工具。随钻测井工具包括部署在随钻测井工具主体上的微电阻率测井传感器。微电阻率传感器包括发送器线圈和接收器线圈，其中每个都界定大体上垂直于工具主体的纵轴的线圈轴。发送器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体，电导体连接到部署在工具主体中的高频交流电流发生器。接收器线圈包括绕磁导芯缠绕的电导体，电导体连接到部署在工具主体中的高频交流电压传感器。

为了可更好理解下面的本发明的详细描述，前文已相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点。下文中将描述本发明的附加特征和优点，其形成本发明的权利要求的标的。所属领域的技术人员应了解：所公开的概念和具体实施方案可容易地被利用为修改或设计用于实行本发明的相同目的的其它结构的基础。所属领域的技术人员还应了解：这些等效构造并不脱离如随附权利要求中阐述的本发明的精神和范畴。

附图说明

为更完全理解本发明和其优点，现在结合附图对下文的描述进行参考，其中：

图1描绘其上可利用本发明的示例性实施方案的常规钻机。

图2描绘根据本发明的微电阻率传感器的一个示例性实施方案。

图3描绘部署在根据本发明的示例性微电阻率工具中的图2中所示的微电阻率传感器。

图4A和图4B示意地描绘由环形发送器在地下井孔和地层中感应的电流。

图5示意地描绘在存在导电性工具主体时由环形发送器在地下井孔和地层中的电流。

图6描绘图5所示的配置的等效电路表示。

图7描绘根据本发明的替代微电阻率传感器实施方案。

具体实施方式

现在参考图1至图7，描绘本发明的示例性实施方案。关于图1至图7，应理解，可由各种视图示出所图示的实施方案的特征或方面。在这些特征或方面对于特定视图是共同时，其使用相同参考数字标注。因此，在图1至图7中的一个视图上用特定参考数字标注的特征或方面可在本文中相对于其它视图上所示的所述参考数字而描述。

图1描绘在离岸石油或天然气钻井总成(一般用10指示)中使用的微电阻率随钻测井工具100的一个示例性实施方案。在图1中，半潜式钻井平台12定位在布置在海底16下方的石油或天然气地层(没有示出)上。海底导管18从平台12的甲板20延伸到井口安装22。平台可包括用于升高和降低钻柱30的井架和起重设备，所述钻柱30如所示地延伸到井孔40并包括钻机32和随钻测井工具100。LWD工具100的实施方案包括至少一个微电阻率传感器150。钻柱30还可以包括例如井下钻井电动机、泥浆脉冲遥测系统、导向工具和/或用于感测井孔和周围地层的井下特性的许多其它MWD和LWD传感器中的一个或多个。本发明不受钻柱或底部钻具组件(BHA)构造所限制。

所属领域的一般技术人员应理解：图1描绘的部署出于描述本文中阐述的本发明的目的而仅是示例性的。还应理解：根据本发明的测井工具不限于与图1图示的半潜式平台12一起使用。测量工具100同样很好地适于与离岸或陆上的任何种类的地下钻井操作一起使用。虽然图1示出测量工具100与钻柱30耦接，但是还应理解：本发明不限于LWD的实施方案，而且也可在电缆微电阻率工具中被利用。

图2描绘根据本发明的微电阻率成像传感器150的一个示例性实施方案。传感器150包括第一和第二同心缠绕的环形线圈160和170。在所描绘的示例性实施方案中，外部环形线圈160被构造为发送器(并且在本文中也称为发送器线圈)，而内部环形线圈170被构造为接收器(并且在本文中也称为接收器线圈)。虽然本发明在这方面没有限制，但是接收器在发送器中同心的这种构造是优选的，因为其趋于提供改进的图像分辨率。第一线圈和第二线圈中的每个都界定优选地近似垂直于(例如，在约10度以内)工具100的纵轴的线圈轴175(所述轴垂直于线圈平面)。第一线圈和第二线圈优选地也部署在相同平面内，虽然一者可相对于另一者凹陷。

传感器150可包括大体上任何适当的发送器和接收器线圈构造。线圈160和170中的每个都包括具有绕其部署的导电绕线164和174的磁导芯162和172。线圈160和170中的每个都通常包括几百甚至上千匝导体，其中所述导体连接到交流电流发生器152(对于发送器)或AC电压传感电子装置154(对于接收器)。在现有技术中熟知这种环形线圈构造。

应理解，本发明不限于发送器线圈160和接收器线圈170利用环形芯的实施方案。相反，芯可以是大体上任何形状，只要其是凸起的。凸起芯形状的适当实例包括三角形、矩形、六边形、八边形、椭圆和类似形状。非凸起芯形状(例如星形)通常是不适当的。虽然环形芯并非必需，但是其使用可为有利的，因为环形芯关于其中心轴对称。这种对称一般提供各向同性的图像分辨率，即，在垂直和方位角方向上大体上相同的图像分辨率。

在图2描绘的示例性实施方案中，发送器线圈被构造来例如以范围从约100kHz至约100MHz的频率将高频交流电流驱动到周围地层中。接收器线圈170被构造来通过监视线圈的电压输出而检测通过接收器线圈170的中心进入地层的电流。接着可例如经由以下方程式而计算邻近接收器线圈170的地层电阻率：

$>R_a=k\frac{V}{I}$>        方程式1

其中R_a表示视地层电阻率，k表示几何因子，V表示在接收线圈处测量的电压，且I表示发送器绕线中的驱动电流。

所属领域的技术人员应理解，发送器线圈与接收器线圈之间的磁(感应)耦合有利地为最小，因为感应磁通量基本上完全包含在磁导芯中。因而发送器与接收器之间的互感一般较小。因此发送器与接收器之间的磁拾取一般也较小，虽然低水平的磁拾取可能源自不理想的绕线和/或通过线圈的入口/出口端。虽然磁耦合是最小的，但是同心发送器线圈和接收器线圈通常具有较大电(电容性)耦合。

图3描绘LWD工具100的一部分的部分横截面图。在所描绘的示例性实施方案中，发送器线圈160和接收器线圈170部署在翼片120中(例如，稳定器翼片)。这种部署有利地将发送器线圈和接收器线圈定位在紧靠井孔壁处(如所描绘)。所属领域的一般技术人员将容易地了解：常规的磨损带或磨损钮可部署在翼片上，以便保护线圈。虽然没有描绘，但是应理解：发送器和接收器电子装置可有利地部署在紧靠线圈处，例如翼片中或刚好在翼片内部的工具主体中。也应理解：本发明不限于发送器线圈和接收器线圈部署在翼片中的构造。发送器线圈和接收器线圈可大体上部署在工具主体110中的任何位置。

LWD工具100(或钻柱30)还可以可选地包括方位角传感器(没有示出)，其被构造来在钻井期间大体上实时测量微电阻率传感器150的方位角(所属领域中也称为工具面角)。适当方位角传感器通常包括一个或多个加速计、磁力计和/或陀螺仪，并在所属领域中是熟知的。应理解：本发明不限于任何特定方位角传感器构造或甚至方位角传感器的使用。

LWD工具100(或钻柱30)还可以可选地包括电导率传感器(没有示出)，其被构造来(例如，随钻)测量钻井液的电导率(或电阻率)和/或介电常数。本发明不限于任何特定电导率传感器，因为所属领域中已知适当的电导率传感器或甚至电导率传感器的使用。

LWD工具100(或钻柱30)仍然还可以可选地包括间隙传感器，例如包括基于超声波的间隙传感器或基于卡钳的间隙传感器。这种间隙传感器可被构造来在钻井期间记录井孔壁中的微电阻率传感器之间的间隙距离。传感器间隙值可用于校正所测量的微电阻率数据的任何间隙影响。再一次强调，本发明不限于任何特定间隙传感器构造或甚至间隙传感器或间隙校正算法的使用。

图4A和图4B示意地描绘由定位在接近大体上均匀的导电性地层202的环形发送器160感应的电流。为简单起见，已省略其上通常安装线圈的金属工具主体。为简单起见也已省略接收器线圈。由于趋肤效应，地层中的电流趋于在靠近井孔壁204处集中(如图4A的212所描绘)。因为地层明显比钻井液更具导电性(当利用油性钻井液时)，所以电流趋于进入大体上垂直于井孔壁的地层。这种电流聚集性质有利地趋于消除将附加聚集机制并入LWD工具100中的需要。

在存在导电性薄床206时，电流图案趋于如图4B所描绘地变化。由于薄床206的高电导率(如对比于整块地层202)，薄床中的电流密度大于地层的其它区域(如在214所描绘)。在微电阻率测量期间，当环形轴邻近于导电性薄床时在接收器线圈中检测到电流最大值。所测量的电流将在导电性床206的任一例上趋于减小到整块地层202的值。

除了如所描绘的导电性(金属)工具主体220之外，图5类似于图4B。由于工具主体220的高电导率，电流趋于沿着工具主体220的表面222流动，如224所描绘。这继而还在井孔壁与工具主体之间聚集电流线，使其大体上垂直于井孔壁。因而，导电性工具主体220可被认为提供电流聚集机制。地层侧上的整体电流图案趋于保持与上文关于图4B所描述的类似(或大体上相同)。

此外，如图5所示的等效电路表示上所描绘，导电性工具主体与地层电串联。因此可数学表达所测量的总阻抗，例如如下：

              方程式2

其中Z_T表示测量的总阻抗，Z^a_泥浆和Z^b_泥浆表示径向向内以及向外引导的电流的钻井液阻抗，Z_地层表示地层阻抗，且Z_工具表示工具阻抗。因为工具主体一般是金属，且因此高度导电，所以工具主体阻抗相对于钻井液和地层阻抗一般是微不足道的。因而，工具主体的存在通常对传感器检测地层电阻率(如图4B和图5描绘的导电性薄床)的能力具有较小影响。

应理解，本发明不限于发送器线圈和接收器线圈是同轴的工具实施方案，如上文关于图2所述。在本发明的替代实施方案中，发送器线圈和接收器线圈可偏移，使其不共享共同的中心。图7描绘其中接收器线圈170部署在同时偏离中心并且在发送器线圈160外部的示例性微电阻率传感器实施方案150’。在这种实施方案中，可绕发送器线圈而部署多个接收线圈，以便能够跨地层的更大区域来测量地层电阻率。

再次参考图3，LWD工具100通常包括一个或多个包括各种控制电路的电子控制器(没有示出)。控制器包括连接到用于将高频电流发送到井孔中的发送器的高频AC发生器。控制器还包括连接到接收器的高频AC电压传感电子装置。所属领域中熟知这种发送和接收电子装置构造，且在本文中不进一步描述。发送和接收电子装置可被构造来发送和接收单个高频信号或包括多个频率分量的信号。再一次强调，这种构造是熟知的。

适当的控制器通常包括可编程处理器(没有示出)，如微处理器或微控制器，并且也可以包括体现逻辑的处理器可读或计算机可读编程码，包括用于控制工具的功能的指令。适当的控制器可例如被利用来进行随钻微电阻率测量。因而，控制器还可以被构造来：(i)对发送器施加电压，并从而将高频AC信号发送到地下地层中；(ii)在接收器处接收高频AC信号；和(iii)根据所接收的信号计算至少部分与地层电阻率相关的至少一个量(例如，视地层电阻率)。

适当的控制器300也可以被构造来构建地下地层的LWD微电阻率图像。在这种成像应用中，当工具在井孔中旋转时可获取微电阻率测量值，且所述微电阻率测量值与对应的方位角测量值相关(例如，从部署在工具100中的方向传感器中获得)。因而，控制器可因此包括用于暂时将LWD传感器测量值与传感器方位角(工具面)测量值相关的指令。LWD传感器测量值还可以与深度测量值相关。可使用大体上任何已知方法构建井孔图像，例如，包括常规的分级、开窗或概率分布算法。美国专利5,473,158公开了用于构建井孔图像的常规分级算法。共同让渡给Haugland的美国专利7,027,926公开了一种用于构建井孔图像的技术，其中传感器数据与一维窗函数卷积。共同让渡给Sugiura的美国专利7,558,675公开了一种图像构建技术，其中传感器数据以一维或二维概率地分布。共同让渡给Wang的共同发明且同时待审的美国专利申请序列号12/651,040公开了一种图像构建技术，其中居于多个方位角窗的每个上的测井传感器测量值与对应的数学拟合函数拟合。

适当的控制器也可以可选地包括其它可控制组件，如其它传感器、数据储存设备、电源、计时器等。如上文所述，控制器被布置为与部署在钻井系统中的各种传感器电连通。控制器也可以可选地被布置为与钻柱中的其它仪器连通，如与表面或导向工具(例如，用于闭环地质导向钻井操作)进一步连通的遥测系统。这种连通可显著增强随钻的方向控制。控制器还可以可选地包括用于井下存储所测量的电流、所测量的电压降、微电阻率值和/或LWD图像的易失性或非易失性存储器或数据存储设备。

虽然已详细描述了本发明和其优点，但是应理解：可在没有脱离由随附权利要求所界定的本发明的精神和范畴的情况下在本文中进行各种变化、代替及替换。