專利名稱：不導(dǎo)電液體中微觀電測(cè)量的相位鑒別的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及利用電調(diào)查勘探碳?xì)浠衔?。更具體地說，本發(fā)明涉及鑒別與所需信號(hào)存在相位差的無用信號(hào)的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
當(dāng)勘探經(jīng)過地球形成層鉆探的鉆井時(shí)，希望知道在鉆井各個(gè)深度的地質(zhì)形成層(formation)的特性。這些特性包括分層、非均勻成分、和形成層中孔隙和裂縫的大小和形狀。
檢測(cè)這些特性的一種技術(shù)是使用使一系列電流電極位于壓在鉆井的壁上的導(dǎo)電貼片(pad)的表面上的工具。恒流源通過源電極將測(cè)量電流注入形成層中，并且，通過位于貼片的另一個(gè)部分上的返回電極使電流返回。貼片沿著鉆井壁移動(dòng)，和與每個(gè)電極相聯(lián)系的離散電流信號(hào)與形成層的電阻率有關(guān)。但是，如果使用不導(dǎo)電鉆井液(“泥漿”)，譬如，油基泥漿或油包水乳濁液型泥漿，那么，由此造成的貼片(pad)和鉆井壁間不導(dǎo)電泥漿層將產(chǎn)生不良和不可用信號(hào)。
另一種技術(shù)可以顯像借助于不導(dǎo)電泥漿鉆探的鉆井。用于這種技術(shù)的工具使用帶有兩個(gè)電流注入器和一電壓電極陣列的不導(dǎo)電貼片。兩個(gè)電流注入器，即，源電極和返回電極，將電流注入形成層中，和電流沿著與貼片平行的路徑經(jīng)過形成層。電壓電極測(cè)量電流經(jīng)過的形成層中的電壓差。由于形成層的電阻率與電壓有關(guān)，這種電壓測(cè)量是重要的。
形成層的電阻率可以利用如下方程來計(jì)算ρ=EJ---(1)]]>其中，ρ是形成層的電阻率，E是形成層中的電場(chǎng)強(qiáng)度，和J是電流密度。電場(chǎng)強(qiáng)度E是通過將差分電壓δV除以電壓電極間隔給出的，和電流密度J是通過將電流I除以幾何因子(factor)g給出的。代入方程1中的E和J中給出
ρ=kδVI---(2)]]>其中，k是以長(zhǎng)度為單位的幾何因子。因此，通過將電流注入形成層中，測(cè)量電壓，和利用方程2計(jì)算形成層的電阻率，可以確定形成層的電阻率。
用在這種方法中的現(xiàn)有技術(shù)貼片顯示在圖1A和1B中。貼片在圖1中被一般顯示成單元1。它包含源電極2、返回電極3、和一成對(duì)電壓電極陣列4。貼片1本身由諸如陶瓷和聚合物之類，具有高強(qiáng)度、和高化學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性的不導(dǎo)電、絕緣材料5構(gòu)成。
貼片1貼在可能存在泥芯(mud cake)層6的鉆井7的壁上。電流通過源電極2注入到形成層8，在返回電極3上返回。電壓電極4測(cè)量形成層8中的電壓，并且，利用上面的方程2計(jì)算形成層的電阻率。
當(dāng)貼片1不與鉆井壁7接觸時(shí)，貼片1和鉆井壁7之間的距離被稱為“隔開距離(standoff)”。存在三種主要隔開效應(yīng)(1)泥漿和貼片信號(hào)；(2)電流泄漏；和(3)電壓不精確性。存在各種各樣減小這些效應(yīng)的方式，以便即使貼片1不直接與鉆井壁7接觸，也可以作出精確測(cè)量。
電流電極2和3在泥漿中和在絕緣貼片5中生成由電壓電極4檢測(cè)的電場(chǎng)。如圖9B所示，一種降低(reduce)貼片信號(hào)的工具含有在絕緣貼片5的背面和與工具1的正面平行的后板92。后板92保持在與在電壓電極4正面的形成層的電壓相等的電位上。這種技術(shù)描述在專利WO 0177711中。這樣就使該電壓電極陣列不受泥漿和貼片信號(hào)影響。
參照?qǐng)D1A，“電流泄漏”描述并非從源電極2注入的電流全部經(jīng)過形成層8的狀況。理論上，當(dāng)貼片1與鉆井壁7接觸良好時(shí)，注入的電流幾乎全部經(jīng)過形成層8。但是，當(dāng)泥漿或泥芯層6處在一個(gè)或兩個(gè)電流電極2和3的下面時(shí)，即，當(dāng)存在明顯隔開距離時(shí)，稱為泄漏電流的電流部分將通過電容耦合從源電極2泄漏到返回電極3，沒有經(jīng)過形成層8。這種狀況顯示在圖2中的模型電路中。
圖2示出了被模型化成帶有泄漏阻抗ZL和可變泥漿阻抗ZM的并聯(lián)電路的電流源21。形成層電流IF經(jīng)過泥漿或泥芯層的阻抗和經(jīng)過形成層。泄漏電流IL經(jīng)過泄漏阻抗ZL，但不經(jīng)過形成層。當(dāng)計(jì)算形成層的電阻率時(shí)，在方程2中必須使用形成層電流。
泄漏電流IL和形成層電流IF相加成為總電流I。因此，形成層電流由下式給出IF＝I-IL(3)利用Z＝(V/I)，可以將上面的方程轉(zhuǎn)換成更有用的形式IF=I[1-zINJZL]---(4)]]>其中，ZINJ是通過該工具測(cè)量的、注入電路看到的總阻抗，和ZL是可以用實(shí)驗(yàn)確定的、該工具的泄漏阻抗。因此，無需知道形成層阻抗ZF、隔開距離、或泥漿特性，可以從注入電壓和電流中計(jì)算形成電流IF。正如在專利WO0177710中所述的那樣，確定形成層中的真電流的替代方法是使用用導(dǎo)電盒屏蔽的注入電極2和3，其中，屏蔽體維持在與每個(gè)電極相同的電位上。
由于電壓電極4不僅與形成層耦合，而且與導(dǎo)電后板耦合，所以在電壓測(cè)量過程中會(huì)出現(xiàn)誤差。從電極輸出的電壓由下式給出δV=δVTRUEZSZS+ZC---(5)]]>其中，δVTRUE是形成層中的真實(shí)電壓，ZS是與后板的耦合阻抗，和ZC是電壓電極和形成層之間的接觸阻抗。標(biāo)量校正通過求解δVTRUE獲得δVTRUE=δV(1+ZCZS)---(6)]]>圖4是示出利用現(xiàn)有技術(shù)工具的電流流動(dòng)的等效電路的示意圖。它與圖2相似，但示出了沿著形成層電流IF這種路徑的更多細(xì)節(jié)。圖4將圖2的泥漿阻抗ZM顯示成包含在上面的泥漿阻抗或源電極ZMU、形成層電阻RF、和在下面的泥漿阻抗或返回電極ZML的串聯(lián)。因此，形成層電流通過兩個(gè)泥漿阻抗ZMU和ZML流過形成層電阻RF。
對(duì)于一級(jí)近似，電壓電極ZC的接觸阻抗與電流注入電極的平均接觸阻抗成正比ZC=(ZMU+ZML2)·(AINJABUT)---(7)]]>其中，AINJ是電流注入器2和3面積，和ABUT是電壓電極4(按鈕)面積。
由于在注入器ZMU和ZML下的泥漿阻抗通常比形成層的阻抗RF大得多，可以將V＝IR重寫成
ZMU+ZML≈VIF---(8)]]>其中，IF是由方程4給出的，和V是電流電極2和3兩端的電壓差。因此，無需知道隔開距離或泥漿特性，可以從V和I中計(jì)算δVTRUE。
圖3A和3B示出了實(shí)際電阻率數(shù)據(jù)。圖3A示出了在兩種不同泥漿類型，即，90/10油水比泥漿和50/50油水比泥漿，以及已知電阻率為20Ω-m(歐姆-米)和200Ω-m的兩種不同形成層下，原始未校正數(shù)據(jù)。導(dǎo)電鋼外殼的數(shù)據(jù)也是已知的。外殼數(shù)據(jù)線代表泥漿中的信號(hào)和示出隨著隔開距離增加，泥漿信號(hào)如何影響測(cè)量的電阻率。在大隔開距離時(shí)，測(cè)量信號(hào)幾乎全部由泥漿信號(hào)組成，沒有形成層信號(hào)。圖3B示出了應(yīng)用了方程4和6中的標(biāo)量校正之后的電阻率數(shù)據(jù)。在兩種形成層下的標(biāo)量校正電阻率在從沒有隔開距離到每條曲線上泥漿信號(hào)占優(yōu)勢(shì)的點(diǎn)的范圍內(nèi)更精確，但是，在大隔開距離時(shí)，泥漿信號(hào)淹沒了形成層信號(hào)，數(shù)據(jù)是不可用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面是電調(diào)查地質(zhì)形成層中的鉆井壁的方法，該方法包括將電流注入壁上的第1位置上的形成層中，使電流在壁上的第2位置返回，和測(cè)量位于第1位置和第2位置之間的第3位置和第4位置之間的電壓。該包括確定與電流同相的電壓分量。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明還包括根據(jù)電流和與電流同相的電壓分量，計(jì)算形成層電阻率。在一些其它實(shí)施例中，本發(fā)明還包括對(duì)電流泄漏和電壓不精確性應(yīng)用標(biāo)量校正。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)井(well-logging)工具包括適合于與鉆井壁接觸的貼片、位于貼片上和適合于將電流注入形成層中的源電極、也位于貼片上和適合于接收源電極注入的電流的返回電極、可操作地與電極電路耦合的安培計(jì)、位于源電極和返回電極之間的貼片的正面上的至少一對(duì)電壓電極、和可操作地與電壓電極耦合和適合于測(cè)量與電流同相的電壓分量的幅度的靈敏相位檢測(cè)器。在一個(gè)實(shí)施例中，貼片由不導(dǎo)電材料組成，并且含有處在貼片的背面上的導(dǎo)電后板。本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)可從如下的描述和所附的權(quán)利要求書中明顯看出。


圖1A示出了與形成層接觸的現(xiàn)有技術(shù)工具的橫截面；圖1B是如圖1A所示的工具的表面圖；圖2是在現(xiàn)有技術(shù)中使用的模型的電路圖；圖3A示出了原始電阻率數(shù)據(jù)的曲線圖；圖3B是現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)量校正之后的電阻率數(shù)據(jù)的曲線圖；圖4是示出利用現(xiàn)有技術(shù)工具的電流的路徑的模型電路圖；圖5是示出電壓相對(duì)于形成層電流的相移隨隔開距離而變化的曲線圖；圖6是利用與總電流同相的電壓分量和利用標(biāo)量校正的電阻率數(shù)據(jù)的曲線圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個(gè)實(shí)施例的流程圖；圖9A示出了帶有相位靈敏測(cè)量器的根據(jù)本發(fā)明的工具；和圖9B示出了帶有導(dǎo)電后板的工具。
詳細(xì)描述本發(fā)明包括當(dāng)對(duì)鉆井壁進(jìn)行微觀電調(diào)查時(shí)，鑒別無用信號(hào)的新方法和設(shè)備。本發(fā)明基于當(dāng)交流電源的頻率低于大約100kHz(千赫茲)時(shí)，電壓電極附近的材料呈現(xiàn)的電特性。首先，在大約100kHz之下，大多數(shù)地質(zhì)形成層可以當(dāng)作純電阻性材料來對(duì)待。也就是說，形成層的介電常數(shù)可忽略不計(jì)σ＞＞2πfε0εr(9)其中，σ是形成層的電導(dǎo)率，f是注入交流電的頻率，ε0是真空(freespace)介電常數(shù)(permittivity)，和εr是形成層的相對(duì)介電常數(shù)。
其次，在大約100kHz之下，電流電極周圍的絕緣材料可以當(dāng)作純電介質(zhì)來對(duì)待。也就是說，絕緣材料的電導(dǎo)率可忽略不計(jì)2πfε0εr＜＜σ (10)最后，鉆井泥漿可以當(dāng)作滿足如下條件的漏電介質(zhì)來對(duì)待2πfε0εr＞σ (11)或2πfε0εr≈σ (12)由于鉆井泥漿和絕緣體介電性質(zhì)，如圖4所示的所有阻抗都是等效于電阻和電容的并聯(lián)組合的復(fù)阻抗，其中，電容部分占優(yōu)勢(shì)。結(jié)果，雖然在形成層中生成的電位差與形成層電流IF同相，但是，由于泄漏阻抗的電容性質(zhì)，在泄漏路徑中生成的電位差相對(duì)于形成層電流相移了0°到-90°之間的角度。
利用這種現(xiàn)象，可以從液體信號(hào)和絕緣體信號(hào)中局部鑒別形成層信號(hào)。這可以利用如下方程獲得δVphase＝δV·cos(φF) (13)其中，φF是電壓δV相對(duì)于形成層電流IF的相位。正如在背景技術(shù)和專利WO 0177710中所述的那樣，可以利用屏蔽電流注入器測(cè)量形成層電流和它的相位，或者，通過獨(dú)立地測(cè)量泄漏阻抗ZL、和假設(shè)它是一個(gè)常數(shù)，可以根據(jù)圖4中的等效電路計(jì)算它們。
并且，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量總電流I的相位和利用電壓δV與總電流同相的分量就足夠了。這樣，上面的方程簡(jiǎn)化為δVphase＝δV·cos(φ) (14)其中，φ是δV相對(duì)于總電流I的相位。
圖5示出了電壓δV相對(duì)于形成層電流I的測(cè)量相位隨隔開距離的變化。與圖3A和3B一樣，圖5中的曲線圖示出了對(duì)于兩種不同泥漿類型和兩種不同形成層電阻率的數(shù)據(jù)，以及對(duì)于導(dǎo)電鋼外殼的數(shù)據(jù)。在零隔開距離時(shí)，相位接近零，表示沒有泄漏(在外殼上，由于噪聲，在小隔開距離時(shí)的相位不是零)。在大隔開距離時(shí)，相位是-90°，表示嚴(yán)重泄漏。圖3A和5的比較表明，-45°的相位角對(duì)應(yīng)于由于與形成層信號(hào)相比，泥漿和貼片信號(hào)變得重要，計(jì)算電阻率開始增加的臨界點(diǎn)。
另外，相位校正可以在背景技術(shù)中所述的標(biāo)量校正一起使用。利用上面的方程2，可以借助于標(biāo)量校正計(jì)算電阻率ρcorρcor=akδVI---(15)]]>其中，(V/I)的函數(shù)是如在專利WO 1077710中所概述的那樣，從理論模型或?qū)嶒?yàn)中導(dǎo)出的校正因子。
作為一個(gè)例子，可以按如下計(jì)算ρcorρcor=kδVTRUEIF---(16)]]>其中，IF由方程4給出，和δVTRUE由方程6給出。然后，可以將相位校正應(yīng)用于校正電阻率，以獲得校正相位電阻率ρcphρcph＝ρcor·cos(φ)(17)其中，φ是δV相對(duì)于總電流I的相位。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的校正相位電阻率隨隔開距離的變化。有利的是，由貼片和泥漿信號(hào)引起的測(cè)量電阻率的迅速上升減弱了，工具的工作區(qū)擴(kuò)展到更大的隔開距離。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的方法。在本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例中應(yīng)用上面討論的各種原理。
首先，如圖7中的步驟71所示，將頻率在大約100kHz以下的交流電流注入形成層中。電流被沿著鉆井壁注入第1位置，并且在沿著鉆井壁的第2位置返回。在一些實(shí)施例中，第1和第2位置對(duì)應(yīng)于貼片上源電極和返回電極的位置。
接著，在步驟72中，在沿著鉆井壁的第3位置和第4位置之間測(cè)量電壓，第3位置和第4位置位于第1和第2位置之間。在一些實(shí)施例中，第3和第4位置對(duì)應(yīng)于貼片上不同電極的位置。
然后，該方法包括在步驟73中確定與電流同相的電壓分量的幅度。在確定了同相電壓分量的幅度之后，該方法包括在步驟74中，計(jì)算如方程2所示的形成層的電阻率。在一些實(shí)施例中，該方法包括確定與形成層電流同相的電壓分量的幅度。形成層電流是通過減去利用實(shí)驗(yàn)確定泄漏阻抗計(jì)算的泄漏電流確定的。
在一些實(shí)施例中，在步驟75中，對(duì)泄漏和電壓不精確性應(yīng)用標(biāo)量校正。如方程4和6所示的這些校正使電阻率計(jì)算在零隔開距離和泥漿信號(hào)占優(yōu)勢(shì)的點(diǎn)之間的范圍內(nèi)更精確。
圖8示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中，對(duì)以前記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行同相分量確定。該實(shí)施例包括在步驟81中，確定與記錄電流同相的記錄電壓分量的幅度。然后，在步驟82中，可以利用上面的方程計(jì)算形成層的電阻率。在步驟83中，可以再一次應(yīng)用標(biāo)量校正，使電阻率計(jì)算在零隔開距離和泥漿信號(hào)占優(yōu)勢(shì)的點(diǎn)之間的范圍內(nèi)更精確。在一些實(shí)施例中，該方法包括確定與形成層電流同相的電壓分量的幅度。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)井工具示意性地顯示在圖9A和9B中。在圖9A中，工具1與圖1中的現(xiàn)有技術(shù)工具的相似之處在于，它含有源電極2、返回電極3、和位于源電極2和返回電極3之間的電壓電極4。根據(jù)本發(fā)明的工具還含有可操作地與源和返回電極電路耦合的安培計(jì)95，安培計(jì)適合于測(cè)量總電流。工具1還含有適合于通過相位參考輸入端96，測(cè)量與電流同相的電壓的幅度的靈敏相位檢測(cè)器91。
圖9B示出了根據(jù)本發(fā)明的工具的另一個(gè)實(shí)施例，其中，該工具含有帶有導(dǎo)電后板92的不導(dǎo)電貼片5。該工具還包括適合于測(cè)量與電流同相的電壓的幅度的靈敏相位檢測(cè)器91。
雖然上面參照有限個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以設(shè)計(jì)出不偏離這里公開的本發(fā)明范圍的其它實(shí)施例。于是，本發(fā)明的范圍應(yīng)該只由所附權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種電調(diào)查地質(zhì)形成層中的鉆井壁的方法，該方法包括將電流注入(71)沿著井壁的第1位置上的形成層中，和使電流在沿著井壁的第2位置返回，形成層電流具有低于大約100kHz的頻率；測(cè)量(72)沿著井壁的第3位置和第4位置之間的電壓，第3和第4位置位于第1和第2位置之間；和確定(73)與電流同相的電壓分量的幅度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括從電流和與電流同相的電壓分量中計(jì)算(74)形成層電阻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，計(jì)算形成層電阻率包括對(duì)電流泄漏和電壓不精確性應(yīng)用標(biāo)量校正(75)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，該電流是通過源電極注入的和在返回電極上返回的，源電極和返回電極的每一個(gè)用維持在與每個(gè)電極相同的電位上的導(dǎo)電盒屏蔽，該方法進(jìn)一步包括測(cè)量該電流。
5.一種用于分析測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的方法，包括確定與記錄電流信號(hào)同相的記錄電壓信號(hào)分量的幅度(81)，電流信號(hào)是根據(jù)注入沿著鉆井壁的第1位置上的形成層中和在沿著鉆井壁的第2位置上返回的電流記錄的，電壓信號(hào)是根據(jù)在沿著井壁的第3位置和沿著井壁的第4位置之間測(cè)量的電壓記錄的，第3和第4位置位于第1和第2位置之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括利用記錄電流信號(hào)和與記錄電流信號(hào)同相的記錄電壓信號(hào)分量計(jì)算形成層電阻率(82)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，計(jì)算形成層電阻率包括對(duì)電流泄漏和電壓不精確性應(yīng)用標(biāo)量校正(83)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，記錄電流信號(hào)是從總電流中減去泄漏電流計(jì)算的形成層電流，泄漏電流是利用實(shí)驗(yàn)確定泄漏阻抗計(jì)算的。
9.一種在鉆井中進(jìn)行微觀電測(cè)量的測(cè)井工具，包括適合于與鉆井壁接觸的貼片；位于貼片上源電極(2)，源電極適合于將電流注入形成層中；位于貼片上的返回電極(3)，返回電極適合于接收源電極注入的電流；可操作地與包括源電極和返回電極的電路耦合的安培計(jì)；位于源電極和返回電極之間的貼片上的至少一對(duì)電壓電極(4)；和可操作地與電壓電極耦合和適合于測(cè)量與電流同相的電壓電極兩端的電壓分量的幅度的靈敏相位檢測(cè)器(91)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)井工具，其中，貼片由不導(dǎo)電材料組成，并且，進(jìn)一步包括處在貼片的背面上和覆蓋源電極和返回電極之間的大多數(shù)區(qū)域的導(dǎo)電后板(92)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)井工具，其中，靈敏相位檢測(cè)器可操作地與電壓電極耦合和適合于測(cè)量與計(jì)算形成層電流同相的電壓電極兩端的電壓分量的幅度。
12.一種電調(diào)查地質(zhì)形成層中的鉆井壁的方法，該方法包括將電流注入沿著井壁的第1位置上的形成層中，和使電流在沿著井壁的第2位置返回，形成層電流具有低于大約100kHz的頻率；測(cè)量沿著井壁的第3位置和第4位置之間的電壓，第3和第4位置位于第1和第2位置之間；通過從電流中減去泄漏電流計(jì)算形成層電流；和確定與形成層電流同相的電壓分量的幅度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括從形成層電流和與形成層電流同相的電壓分量中計(jì)算形成層電阻率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，計(jì)算形成層電阻率包括對(duì)電流泄漏和電壓不精確性應(yīng)用標(biāo)量校正。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，該形成層電流是通過源電極注入的和在返回電極上返回的，源電極和返回電極的每一個(gè)用維持在與每個(gè)電極相同的電位上的導(dǎo)電盒屏蔽。
全文摘要
一種電調(diào)查地質(zhì)形成層中的鉆井壁的方法，包括將電流注入沿著井壁的第1位置上的形成層中和使電流在沿著井壁的第2位置返回，形成層電流具有低于大約100kHz的頻率，測(cè)量沿著井壁的第3位置和第4位置之間的形成層中的電壓，第3和第4位置位于第1和第2位置之間，和確定與電流同相的電壓分量的幅度。
文檔編號(hào)G01V3/24GK1659451SQ03812667
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月17日
發(fā)明者安德魯·海曼, 菲利普·張 申請(qǐng)人:施藍(lán)姆伯格海外股份有限公司