高分辨率的电阻率地层成像仪

摘要

通过一个系数来校正由在地层中的钻孔内的直流电阻率仪器进行的阻抗测量，所述系数依赖于泥浆导电率和泥浆介电常数。不需要进行间隙测量。

说明书

技术领域

本发明总的涉及碳氢化合物的探测，其中包含穿透地层(earthformation)的钻孔的电勘测。更具体地，本发明涉及高度局部化的钻孔勘测，其引入和测量通过在沿着钻孔移动的仪器上的电极与地层的电容耦合被注入到钻孔壁内的独立勘测电流。

背景技术

地层钻孔电测井(logging)是公知的，并且已经描述了用于此目的的各种装置和各种技术。总体而言，有在电测井装置中使用的两类装置。在第一类中，与扩散返回电极(例如仪器主体)相结合地使用测量电极(电流源或者电流宿(sink))。测量电流在将电流源连接到测量电极的电路中流动，通过地层到返回电极并且返回到仪器中的电流源。在感应测量仪器中，测量仪器内的天线引发地层内的电流流动。使用同一天线或者独立的接收器天线来检测所引发的电流的大小。本发明属于第一类。

存在几种操作模式：在第一种模式中，测量电极处的电流保持恒定，测量电压；而在第二模式中，固定电极的电压，并且测量从电极流动的电流。理想地，期望如果电流变化以将在监控电极处测量的电压保持恒定，则电流与被勘测的地层的电阻率成反比。相反，期望如果电流保持恒定，则在监控电极处测量的电压与被勘测的地层的电阻率成正比。欧姆定律指出如果电流和电压都改变，则地层的电阻率与电压-电流的比率成正比。

Birdwell的专利(美国专利3365658)教导了使用聚焦电极来确定地层的电阻率。勘测电流从中央勘测电极发出进入相邻的地层中。通过使用从与勘测电极相邻并且在其任一侧的聚焦电极附近发出的聚焦电流，该勘测电流被聚焦为从钻孔向外的较窄的电流束。Ajam等的专利(美国专利4122387号)公开了一种装置，其中，可以通过位于探头(其通过测井电缆而被降到钻孔中)上的保护电极系统，在距离钻孔的沿地层的不同的横向距离处同时进行测井。单个振荡器控制在距钻孔的期望的不同横向深度处通过地层流动的两个地层电流的频率。测井电缆的外壳作为保护电极系统之一的电流回路，在测井探头紧上方的电缆电极组件中的电缆电极作为第二保护电极系统的电流回路。也公开了用于测量在电缆电极组件中的电极和保护电极系统之间的参考电压的两个实施例。

已经提出了用于使用测量电极阵列勘测地层的技术。参考例如被授权给Baker的美国专利第2930969号、被授权给Mann等的加拿大专利第685727号、被授权给Gianzero的美国专利第4468623号和被授权给Dory等的美国专利第5502686号。Baker专利提出了多个电极，其中每个由通过软导线电联接的按钮构成，并且按钮和导线被嵌入在可折叠管的表面内。Mann专利提出了被安装在仪器或者衬垫上的小电极按钮的阵列，其中每个按钮依序引入用于地层的电勘测的独立可测量的勘测电流。所述电极按钮被置于水平面中，并且在电极之间有周向间距，并且描述了用于依序激励和测量来自电极的勘测电流的装置。

Gianzero的专利公开了仪器安装衬垫，每个衬垫具有多个小测量电极，从测量电极向钻孔壁注入独立可测量的勘测电流。测量电极被布置在阵列中，其中，测量电极被沿着至少周向(围绕钻孔轴)间隔地布置，以便当仪器沿着钻孔移动时向钻孔壁分段内注入勘测电流，所述钻孔壁分段彼此以预定程度重叠。测量电极被做得较小以使得能够在钻孔的周向邻接分段上进行详细电勘测，以便获得钻孔壁附近的地层的地层学指示以及断层及其方位。在一种技术中，在中央电极周围提供了测量电极的空间闭环阵列，并且所述阵列用于检测由中央电极注入的电能的空间模式。在另一个实施例中，提供了测量电极的线性阵列，以在钻孔的周向有效邻接分段上向地层内注入电流。电流的不连续部分独立地可测量，以便当仪器沿着钻孔移动时获得多个勘测信号，所述信号表示来自阵列的电流密度，并且从所述勘测信号可以得出钻孔壁的周向邻接分段的详细电子图案。在另一种形式的测量电极阵列中，它们以闭环(诸如圆)排列，以使得能够直接测量异常的电阻率的方位。被颁发给Evans等的美国专利第6714014号(具有与本发明相同的受让方，并且其内容通过引用被并入在此)教导了与油基泥浆和水基泥浆的电容耦合的使用。

Dory专利公开了与安装在衬垫上的电极相结合地使用声音传感器，所述声音传感器的使用使得能够填充由于下述事实而导致的在通过使用安装在衬垫上的电极而获得的图像中的间隙：在大直径的钻孔中，衬垫必然不能完全覆盖钻孔。

作为接触装置的现有技术装置对于钻孔粗糙度的影响敏感：从电极流动的电流依赖于在所述电极和钻孔壁之间的良好接触。如果钻孔壁不规则，则接触和来自电极的电流不规则，导致不准确的钻孔成像。第二个缺点是：由使用电势与衬垫相同的测量电极而引起的较浅的勘测深度，和导致的测量电流的发散。另一个缺点是：在具有低电阻率的地层(诸如墨西哥湾)中，所测量的信号被钻孔流体的影响控制。期望具有对于钻孔粗糙度较不敏感并且可以用于水基或者油基泥浆的地层电阻率的确定的装置和方法。本发明满足这种需要。

发明内容

本发明的一个实施例是一种用于确定地层的电阻率参数的方法。电流从电流电极传输到地层中。根据所述电极的电流和/或电势，确定表观阻抗。从所述表观阻抗，使用基于钻孔泥浆的导电率和介电常数的校正系数来确定电阻率。所述泥浆可以是不导电的，并且所述电流可以电容性地耦合到地层。

本发明的另一个实施例是用于确定地层的电阻率参数的装置。电流电极将测量电流传输到地层中。处理器从所述电极的电流和/或电势确定表观阻抗。处理器使用与钻孔流体的导电率和介电常数相关的校正系数来从所述表观阻抗确定地层电阻率。所述装置可以包括用于测量钻孔流体的导电率和/或介电常数的装置。多个电流电极可以被设置在可从测井仪器的主体延伸的衬垫上。所述测井仪器可以具有多个衬垫。所述处理器可以产生钻井壁的图像。

本发明的另一个实施例是计算机可读介质，用于用以确定地层的电阻率参数的装置。所述装置包括电流电极，其向地层中传输测量电流。所述介质包括指令，其使得处理器能够从电极的电流和/或电势确定表观阻抗。所述介质还包括指令，其使得处理器能够通过使用与钻孔流体的介电常数和导电率相关的校正系数来从所述表观阻抗确定地层电阻率。

附图说明

参照附图最佳地理解本发明，在附图中，相同的附图标号表示相同的元件，其中：

图1(现有技术)示出了悬在钻孔中的示例测井仪器；

图2A(现有技术)是示例成像仪器的机械示意图；

图2B(现有技术)是示例测井仪器的电极衬垫的详细视图；

图3是在钻孔中的电阻率仪器的等效电路表示；

图4将示例阻抗测量对于地层电阻值的灵敏度与使用本发明的方法的灵敏度相比较；以及

图5是图解将当前阻抗用于分层的地层模型的示例。

具体实施方式

图1示出了从适当的电缆14悬在钻孔12内的示例成像仪器10，所述钻孔12穿透例如13的地层，所述电缆14通入在钻机18上安装的滑轮16。按照工业标准，电缆14包括一个应力构件和七个导体，所述导体用于向仪器发送命令，并且用于接收从仪器返回的数据以及仪器的电源。仪器10由绞车20上升和下降。表面23上的电子模块22发送所需要的向下钻孔工作命令，并进而接收返回数据，所述数据可以被记录在任何期望类型的归档存储介质上用于同时或者随后处理。所述数据可以以模拟或者数字形式被发送。诸如适当计算机24之类的数据处理器可以被提供来用于实时地进行现场数据分析，或者可以向处理中心发送所记录的数据，或者两者都用于数据的后处理。

图2a是钻孔壁成像系统的示意外部视图。包括所述成像系统的仪器10包括：电阻阵列26；以及可选的泥浆单元30和周向声波井下电视32。电子模块28和38可以位于系统中的适当位置，而不必然在所指示的位置。所述部件可以以传统的公知方式被安装在心轴34上。所述组件的外部直径是约5英寸，约15英尺长。包括磁力计和加速计或惯性制导系统的定向模块36可以被安装在成像组件26和32之上。仪器10的上部分38包含遥测模块，用于以传统的方式从井上各个部件到表面电子部件22进行数据样本的采样、数字化和传送。如果获得了声音数据，则最好将它们数字化，虽然在一个替代实施例中，所述数据可以保留模拟形式以发送到表面，随后在表面被表面电子部件22数字化。

也在图2A中示出了三个电阻阵列26(第四个阵列在这个视图中被隐藏)。参见图2A和2B，每个阵列包括：测量电极41a、41b、...、41n，用于向地层中注入电流；聚焦电极43a、43b，用于水平聚焦来自测量电极的电流；聚焦电极45a、45b，用于垂直聚焦来自测量电极的电流。根据惯例，“垂直”指的是沿着钻孔的轴的方向，“水平”指的是与所述垂直正交的平面。

在图3中示出了大致的示意电路图。其示出了在所述电路中的电流依赖于仪器的内阻Z_i、由于在返回电极和地层之间的间隙而导致的阻抗Z_R、由于在接收器和地层之间的间隙导致的阻抗Z_g、和地层阻抗Z_f。为了大多数的实用目的，仪器的内部阻抗Z_i可以被忽略。类似地，返回电极处的阻抗Z_R也小，并且可以在本发明的一个实施例中被忽略。应当注意，即使不忽略Z_R，在较小的修改的情况下，也可以使用所述方法。另一种简化的假设是地层阻抗是电阻性的，由R_f表示。在这些条件下，如果U是所施加的电压，则在所述电路中的电流是

$I=\frac{U}{Z_g+R_f}---\left(1\right)$

在导电地层(ρ＜10Ω-m)和油基泥浆的情况下，地层对于有效阻抗的贡献小，R_f＜＜＜Z_G，并且我们可以预期所测量的阻抗对于地层的电阻率的灵敏度的减小。依赖于泥浆特性和接收器间隙的间隙阻抗Z_G变为对于有效阻抗的主要贡献者。在频率f(对应于角频率ω＝2πf)下，我们得出：

$Z_e=R_f+\frac{1}{r^{-1}+\mathrm{i\omega C}}=A+\mathrm{iB}---\left(2\right)$

其中，A和B对应于阻抗Z_e实数和虚数部分。从方程(2)，我们也得出：

$Z_e=A+\mathrm{iB}=R_f+\frac{r}{1+{\left(\mathrm{r\omega C}\right)}^2}-i\frac{r^2\mathrm{\omega C}}{1+{\left(\mathrm{r\omega C}\right)}^2}---\left(3\right)$

通过引入参数$\alpha =\frac{1}{\mathrm{r\omega C}}=\frac{{\sigma }_m}{{\mathrm{\omega ϵ}}_m{ϵ}_0},$其仅仅依赖于泥浆的导电率σ_m和介电常数ε_m，我们可以进一步从方程(3)导出：

$Z_e=A+\mathrm{iB}=R_f+\frac{\mathrm{r\alpha }}{1+\alpha }-i\frac{r}{1+\alpha }---\left(4\right)$

从对于地层电阻率R_f的方程(4)，我们得到：

R_f＝A-α|B|  (5)

方程(5)允许滤除泥浆对于阻抗测量值的实数部分的贡献，并且提高所述测量值对于所感兴趣的参数R_f的灵敏度。我们将这个步骤称为阿尔法校正。

为了说明所述阿尔法校正的有效性，我们提供用于不同的地层模型的数学建模。第一示例对应于被置于8.5英寸(21.59cm)井中的仪器的情况，所述井被填充了10⁴Ω-m电阻的泥浆，并且介电常数ε_m＝3。由具有从1Ω-m到100Ω-m变化的电阻率的圆柱层来呈现所述地层。所述仪器的返回表示长度为10米的导电圆柱。电流通过1.6厘米长的圆柱电极被注入到地层中，所述圆柱电极相对于所述地层具有1毫米的间隙。发送器提供在1MHz频率的1V的输出电压。在图4中，我们提供了用于两种情况的阻抗的实数部分。工作频率是1MHz。曲线201表示阻抗的实数部分，而曲线203是阿尔法校正后的阻抗。可以从图4看出，所述阿尔法校正后的阻抗与单频率阻抗相比较对于地层电阻率具有优良的灵敏度。在成层的地层模型的情况下也观察到所校正的阻抗的优点。

在图5中，我们提供了在包括电阻性(10Ω-m)和导电性(1Ω-m)层的序列的地层的情况下的数学建模的结果。所述层的厚度从左向右在0.5英寸(1.27厘米)到4英寸(10.16厘米)之间改变。曲线221是未被校正的响应，而曲线223是被施加了阿尔法校正的响应。221比被校正的曲线223灵敏度低，并且也没有后者的分辨率。

本发明的方法不要求测量所述间隙。所需要的是泥浆电阻率和介电常数的比率。可以根据泥浆成分而预先获知这个比率。也可以使用井下测量测量值来估计所述比率。可以使用在下文中所述的方法和装置来在井下进行泥浆电阻率的确定：被授权给Fabris等的US6803039，其具有与本发明相同的受让方，并且其内容通过引用被包含在此。可以使用在下文中所述的方法和装置来确定所述介电常数：被授权给Reittinger等的US5677631，其具有与本发明相同的受让方，并且其内容通过引用被包含在此。

可以通过井下处理器、表面处理器或者通过在远处的处理器来进行所述测量值的处理。在本文中使用的所述术语“处理器”意欲包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)的器件。

由在一个或多个衬垫上的独立的传感器进行的电阻率测量可以被组合来产生钻孔壁的电阻率图像。在Evans的专利中讨论了这一点。

通过参考要在电缆上传送的测井仪器而已经进一步描述了本发明。但是，本发明的方法也可以用于随钻测量(MWD)仪器或者随钻测井(LWD)仪器，其中任何一种可以在钻杆索上或者在盘管上传送。在下文中公开了用于MWD使用的电阻率成像仪器的一个示例：被授权给Evans等的US 6600321，其具有与本发明相同的受让方，并且其内容通过引用被包含在此。

在数据的处理中，隐含的是在适当的机器可读介质上实现的计算机程序的使用，所述程序使得处理器能够执行控制和处理。在本申请中使用的术语处理器意欲包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)之类的装置。机器可读介质可以包括ROM、EPROM、EAROM、闪存和光盘。如上所述，处理可以在井下进行或者在表面进行。

虽然上述的公开涉及本发明的优选实施例，但是各种修改对于本领域内的技术人员是显然的。上述的公开意欲涵盖落入所附的权利要求的范围和精神内的所有改变。