一种随钻电阻率近钻头测量装置

摘要

本发明涉及一种随钻电阻率近钻头测量装置，包括主要由电源模块、测控电路模块、主电极、屏蔽电极、监督电极和回流电极组成的随钻电阻率测量系统，以及安装该随钻电阻率测量系统的基体。基体上开设测量系统安装槽，测控电路模块和电源模块安放在安装槽内；安装槽外密封安装电极极板，电极极板表面镶嵌绝缘安装有屏蔽电极、监督电极、主电极；三种电极分别通过高压密封接头连接到安装槽内的测控电路模块上；回流电极镶嵌安装在远离电极极板的钻铤本体上。该装置与现有技术相比，采用相对简单的电极系，可以将测量装置安装于近钻头处的钻具狭小空间中，通过电流聚焦，提高垂直分辨率和测量精度。

说明书

技术领域：

本发明涉及石油钻井和随钻测井技术领域，特别是涉及到随钻电阻率测井技术，具体地讲是一种随钻电阻率近钻头测量装置。

背景技术：

在石油钻井和测井行业中，地层电阻率主要用来区分岩性、划分油气水层、进行地层剖面对比等。通常情况下，孔隙地层如果充有油、气，则地层电阻率高，如果充有水，则地层电阻率低。

电阻率测井通常包括感应电阻率、电磁波电阻率、侧向电阻率等测量方式。随钻电磁波电阻率利用电磁波传播原理，发射线圈的发射电磁波经过地层传播之后，被不同间距的接收器接收，利用接收信号的相位差或幅度比，得到地层的电阻率。随钻感应电阻率利用电磁感应原理，发射线圈产生交变电流，在该线圈的周围地层中感应出涡流，涡流形成二次交变电磁场，利用接收线圈中产生的感应电动势，可得到地层电阻率。随钻侧向电阻率采用不同形式的电极，向地层发射低频电流，根据测量电极上的电压和电流，计算电阻率。

在地质导向钻井和随钻测井中，为了能实时得到钻头所在位置的地质信息，及时调整井眼轨迹，控制钻具穿行在油藏最佳位置，通常采用近钻头测量技术，将测量装置安装在钻头附近，测量探测器周围地层的电阻率。由于近钻头电阻率测量装置安装在钻头上方的钻具上，例如钻铤或动力钻具等，除了电极或线圈之外，还要安装相关的电路、连接器以及配套密封装置等，另外，为了提高可靠性，还需有耐磨、抗震等防护装置，因此安装空间有限。另外，近钻头电阻率除了测量地层电阻率之外，还对地层界面进行探测，因此需要将电阻率测量信息与测量装置相对于某一标志方向的相对角度进行关联，从而得到方位电阻率测量信息。因此，进一步限制了测量装置的安装空间。由于安装空间限制，近钻头电阻率通常采用侧向电阻率测量方式，或者采用电磁波电阻率与侧向电阻率结合的方式。

现有的近钻头电阻率测井仪器出于结构设计方面的考虑，为减小电极体积，通常忽略电极或钻铤表面与钻井液之间的接触阻抗，在电极设计中不采用监督电极，使得屏蔽电流没有受到控制，向地层发射的电流聚焦作用较小，电流离开电极后，就开始逐渐发散，离电极越远，电流越发散，从而造成垂直分辨率低，测量结果受井眼影响严重。

另一方面，有的近钻头电阻率测井仪器为了实现电流聚焦，在主电极和屏蔽电极之间安装多对监督电极和屏蔽电极，这些监督电极和屏蔽电极相对于主电极对称排列，目的在于增大对主电极电流的屏蔽作用，实现电流聚焦。由于在近钻头电阻率仪器中，除了电极之外，还要安装相关的电路、连接器等，另外，为了提高可靠性，还需有耐磨、抗震等防护装置，电极数量的增多，也造成电路系统、防护装置的复杂，降低仪器的可靠性。因此，这种方式在近钻头电阻率仪器中的实现难度较大。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种随钻电阻率近钻头测量装置。该装置与现有技术相比，采用相对简单的电极系，可以将测量装置安装于近钻头处的钻具狭小空间中，通过电流聚焦，提高垂直分辨率和测量精度。

本发明的技术方案为：

一种随钻电阻率近钻头测量装置，包括主要由电源模块、测控电路模块、主电极、屏蔽电极、监督电极和回流电极组成的随钻电阻率测量系统，以及安装该随钻电阻率测量系统的基体，其中，测控电路模块包括信号发生器、屏蔽电极功率放大、变压器、平衡放大、选频放大、主电极功率放大、电流放大、A/D、微控制器、存储器和通讯接口，其特征是：所述基体上开设测量系统安装槽，测控电路模块和电源模块安放在安装槽内；安装槽外密封安装电极极板，电极极板表面镶嵌安装有屏蔽电极、监督电极、主电极，监督电极和主电极位于屏蔽电极内部，所有电极之间、电极与电极极板之间均保持绝缘状态；三种电极分别通过高压密封接头连接到安装槽内的测控电路模块上；回流电极镶嵌安装在远离电极极板的钻铤本体上。

上述方案还包括：

所述的信号发生器采用大功率发射电路，包括：正弦波输入放大器、三角波发生器、比较器、由两个互补连接的开关驱动管和低通滤波电路。

所述的信号发生器还包括死区控制电路。

上述方案进一步包括：

所述的基体为与钻头连接的扶正器或者钻铤；电极布局为一个主电极位于中心，监督电极和屏蔽电极围绕在主电极外围。

基体和电极极板均采用非磁性硬金属材料，在电极极板表面的电极周围镶嵌防磨复合片；电极之间以及电极与电极极板之间由绝缘材料进行绝缘。

所述的基体和电极极板均采用的非磁性硬金属材料包括钨或不锈钢；所述电极周围镶嵌的防磨复合片包括钨或金刚石；所述绝缘材料包括氟橡胶、玻璃钢或环氧树脂。

本发明的随钻电阻率近钻头测量装置具有的有益效果是，通过采用相对简单的电极系，可以将测量装置安装于近钻头处的钻具狭小空间中，利用屏蔽电极与监督电极之间近似相等的电位差，控制主电极电压恒定，同时，使主电极电流向地层垂直发射，实现电流聚焦，提高垂直分辨率和测量精度。

附图说明：

图1是本发明一种实施例在井下工作示意图；

图2是本发明的一种随钻电阻率近钻头测量装置示意图；图中左半部分为回流电极所在的钻铤；右半部分为装置与扶正器结合的部分；

图3是本发明的一种随钻电阻率近钻头测量装置右半部分剖面图；

图4是测控模块的电路框图；

图5是信号发生器的大功率发射电路的电路框图。

具体实施方式：

现结合附图，对本发明具体实施例作进一步描述。

图1是一种随钻电阻率近钻头测量装置在井下工作的示意图。地面上的钻机系统1支撑并带动方钻杆2、钻杆3、底部钻具组合4等井下钻具，使其深入到井眼5中。其中，底部钻具组合4包括钻头6、泥浆马达7、一段或多段无磁钻铤8。在钻井时，钻机系统1带动整个钻具旋转或上下滑动，钻井液从地面打入钻具中心的孔中，由钻头6的喷嘴流出，从钻具与井眼之间的环空向上流动，携带被切割下来的岩屑返回地面。

无磁钻铤8内安装有MWD系统9，用于测量井斜、方位等井眼轨迹状态，另外，通常还安装有随钻伽马测井仪器10、随钻电阻率测井仪器11等LWD仪器，用来区分地层的岩性，确定油气层位置。这些仪器之间彼此相互连接在一起，所有测量信息由MWD系统9通过泥浆脉冲压力波、电磁波等方式传输地面。

随钻电阻率近钻头测量装置12安装在泥浆马达7和钻头6之间。近钻头电阻率聚焦测量装置用于测量地层电阻率，具有测量、控制、数据处理、数据存储等功能，还提供通讯接口。测量信息由通讯接口送给短传装置传输到MWD系统9的短传装置。短传装置可以采用多种成熟的传输方式，例如，电磁波传输、声波传输或有线电缆传输，此处不再描述。由于该装置比泥浆马达上部的LWD仪器更接近钻头，根据其测量结果，能够更早知道所钻地层的岩性、物性等信息，便于及时调整井眼轨迹，提高油气层钻遇率，对于地质导向更有利。

在有些场合，底部钻具组合不采用泥浆马达，此时近钻头电阻率聚焦测量装置可以安装在专用无磁钻铤表面，并将专用无磁钻铤安装在钻头上部。

图2、图3是一种随钻电阻率近钻头测量装置的结构示意图。在动力钻具的扶正器表面开有一个测量装置安装槽，测量装置安装槽内有测控电路模块和电源模块，安装槽外安装有电极极板，两者之间通过螺栓固定。

电极极板表面镶嵌安装3个电极，分别为屏蔽电极、监督电极、主电极，其中，监督电极镶嵌在屏蔽电极内部，主电极镶嵌在监督电极内部，这3个电极之间彼此由绝缘材料分隔开，而且它们与电极极板之间也由绝缘材料分隔开。三个电极分别通过高压密封接头连接到测控电路模块内。电极极板内侧边缘有密封圈，防止环空内的液体进入安装槽内，以保护测控电路模块。电极形状可以是圆形，也可以采用其他形状的电极，例如椭圆形、长方形、正方形等，不同的电极形状产生不同的测量效果。为了提高可靠性，绝缘材料应该能够耐高温、抗磨、抗震动、抗冲击，可采用氟橡胶、玻璃钢、环氧树脂等。

电极极板采用金属材料，如不锈钢、钨等，为提高极板的耐磨性，可采用钨。由于钨的密度较高，电极极板整体采用钨，则重量较大，因此，可以采用不锈钢制成，在不锈钢电极极板表面、电极周围镶嵌钨、金刚石等制成的复合片，形成防磨带，保护电极极板和电极。

在远离电极极板的钻铤本体上，镶嵌安装有回流电极，该电极作为其余电极的电流返回终点。回流电极与电极极板之间的距离不宜太近，一般远大于电极的探测深度。

图4是测控模块的电路框图。下面说明电场建立的过程。

信号发生器产生低频正弦波, 经功放放大之后，通过变压器产生恒压源，向屏蔽电极A₁提供屏蔽电流I_S, 该电流由回流电极B返回，这样就建立了屏流电场。

由于屏蔽电流已经建立，屏蔽电极A₁和监督电极M之间存在电位差V_A1-M, 该电位差V_A1-M经平衡放大、选频放大和功率放大后，输出至主电极A₀。主电极A₀输出主电流I₀，沿径向方向流向回流电极B，同时也向监督电极M流动，使其电位V_M升高，当V_M升高至接近屏蔽电极A₁的电位V_A1时,主电极A₀的电位V_A0也接近V_A1, V_A1-M 达到设计期望值, 即达到平衡。

因此，上述过程实际上是由屏蔽电极与监督电极之间的电位差，为主电极产生激励信号，由主电极向地层发射主电流；并监测监督电极的电压，保持监督电极与屏蔽电极的电压相等，控制主电极电压恒定。

由于屏蔽电极A₁和监督电极M之间没有电流通过，屏蔽电流I_S和主电流I₀沿径向流动, 然后经回流电极B返回，主电流I₀形成喇叭状电流场，不受或少受围岩影响。

由于电场平衡后, V_A0略高于V_M (即V_A1)，则实际计算电导率时，用的是V_A1, 即使I₀少许离开井壁, 也不影响测量结果。电阻率计算为                                                ，为仪器常数，可通过实验或理论公式计算求得。由于，则。由于V_A1是设计确定的, 只要测量I₀, 即可求得井壁附近电阻率。

为了测量I₀，由主电极A₀两端取样电阻引出电压，经变压器T4隔离后，送给电流放大，再经过A/D转换后，送给微控制器MCU进行处理，得到I₀，再计算出电阻率。

为避免电极极化，发射信号为低频，但变压器体积较大，不利于集成在安装槽内较小的空间内，因此可适当提高工作频率，频率范围在100Hz～10KHz。信号发生器采用DDS芯片，由微控制器MCU控制产生所需要的频率信号。MCU可以采用单片机或DSP。测控电路系统还包括存储器和通讯接口，用于保存处理结果，并由通讯接口将测量结果通过短传装置传给MWD系统，得到实时结果。

图5是信号发生器的大功率发射电路框图。为提高电路系统的信噪比，需要在地层中产生大的电流，发射电路必须具有较大的功率。对于随钻仪器来说，由于采用电池供电、安装空间狭小，因此要求功率放大电路的能量利用效率高、占用体积小。相比A类、B类、AB类等其它功率放大器，D类放大器的能量利用效率高，无用功耗小，自身发热量低，不需要大的散热装置，占用体积小，适合作为本仪器的发射电路。

在图5中，DDS芯片产生的正弦波输入给放大器，经过放大后，与三角波发生器产生的高频三角波或锯齿波相比较，比较器输出的波形是一个脉冲宽度不同的方波，其宽度随低频正弦波信号的幅度而变化，即比较器将输入模拟信号调制转换为开关波形，产生一个脉宽调制（PWM）信号，该调制信号加到功率输出级。功率输出级是由两个互补连接的开关驱动管组成的D类功放，当一个驱动管截止时,另一个驱动管饱和导通，反之亦然。在每一个状态下,放大器对电源能量的消耗都很小。被功率输出级放大后的脉冲信号送给由L、C组成的低通滤波电路，还原出输入的正弦波信号，得到功率输出信号。输出信号反馈至放大器的输入端，能够在输出端检测到电源的变化情况，并通过控制环路对输出进行调整，能够补偿电源电压的波动。另外，由于开关驱动管开通或关断需要一定时间，在这段时间内两个管有可能都导通，而出现直通烧毁开关管，为此，采用死区控制避免此现象发生。