專利名稱：用于感應測井儀器中的內部校準的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電磁感應電阻率測井設備領域。更準確地說，本發(fā)明涉及操作于頻域和/或時域的感應電阻率測井工具的校準和測井前后檢驗的方法和裝置，用來減少引入到獲得的測井數(shù)據(jù)中的誤差。
背景技術：
電磁感應電阻率測井設備在其領域中是公知的。電磁感應電阻率測井設備被用來確定由鉆孔穿透的地層的電導率和與之相反的電阻率?；谠O備在鄰接鉆孔的地層中感應的渦流的磁場的測量結果來確定地層的傳導率。除其它原因外，電導率被用來推斷地層的流體內容。通常，較低的傳導率(較高的電阻率)與含碳氫化合物的地層有關。電磁感應測井的物理原理在例如1962年12月探測地球物理學家協(xié)會的地球物理學第27卷，第6期，第1部分，第829-858頁的J.H.Moran和K.S.Kunz的Basic Theory of Induction Loging and Applicationto Study of Two-Coil Sondes中有很好的描述。對在上述Moran和Kunz參考書目中描述的許多電磁感應電阻率設備的改進和修改被設計出來，其中一些在例如授予Barber的美國專利第4,837,517、授予Chandler等人的美國專利第5,157,605和授予Fanini等人的美國專利第5,600,246中有描述。
傳統(tǒng)的地球物理感應電阻率測井工具是適合放下到鉆孔中的探針，并且它包括傳感器部分，所述傳感器部分包括發(fā)送器和接收器以及其它主要用來測量數(shù)據(jù)以推斷表現(xiàn)地層特性的物理參數(shù)的電氣設備。所述傳感器部分或心軸包括沿儀器軸安置、根據(jù)特定儀器或工具規(guī)范按順序排列并與鉆孔軸平行放置的感應發(fā)送器和接收器。所述電氣設備生成將被進一步施加到發(fā)送器感應線圈的電壓，調節(jié)來自接收器感應線圈的信號，處理獲得的信息，存儲或借助于遙測通過用來將工具放入鉆孔的線纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到地表。
有幾個硬件容限和軟件限制影響傳統(tǒng)的橫向感應測井工具的性能并且導致獲得的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)差錯。
一般的硬件問題通常與工具感應發(fā)送器所輻射的不可避免的電場有關，同時與必要的磁場有關，并且它的發(fā)生符合用于時變場的麥克斯韋方程式。發(fā)送器電場與感應測井工具的剩余模塊并且與地層相互作用；然而，該相互作用不會產生任何有用的信息。當然，由于始終存在該場通過寄生位移電流直接耦合到傳感器部分的接收器部件中的可能性，它引入了噪聲。當該耦合發(fā)生時，電場會在接收器信號調節(jié)的輸入產生不需要的電位，主要在感應線圈接收器兩端，并且該電壓成為到感興趣的信號的附加噪聲分量，將系統(tǒng)誤差引入測量結果。幸運的是，被證實的技術允許抑制在上述美國專利第6,586,939 B1中討論的不良影響。
感應測量的進一步改進與長時間工具可靠性相關，并且尤其與發(fā)送器-接收器磁矩的整體穩(wěn)定性相關，并且當操作于較寬范圍的井孔溫度時計算可能的增益和相位改變。
因此，本領域技術人員可以理解，在快速改變的環(huán)境條件下操作井底儀器導致工具幾何形狀的改變，包括感應線圈的延長和甚至它們沿儀器心軸的微小錯位。存在這些影響是由于建造工具心軸的材料的不同和有限溫度膨脹系數(shù)、工具制造過程中的一些缺陷等等。通常，鉆井儀器的設計瞄準硬件解決方案，其中這些改變是單調的，最好與溫度呈線性并且沒有滯后現(xiàn)象，即是完全可逆的。顯然，如果當處理獲取的數(shù)據(jù)時不考慮這些改變，它將導致最終地層電阻率值計算中的重大誤差。
為能夠正確處理獲得的數(shù)據(jù)，在制造過程中，井底工具應當經過綜合的溫度、壓力和振動測試。這些測試的結果通常形成校正表，該校正表對于每個儀器是唯一的，被存儲在工具的板上固件中或表面處理單元中。
然而，具有這些表格并不總是足夠的，因為總是幾乎不可能預測在運輸和操作過程中工具所處的每一種情況。快速檢驗現(xiàn)場儀器參數(shù)、運行快速測井前后檢驗以及能夠在測量中甚至當測井時檢查它們的能力將進一步增強測量精度。
因此，需要進行這些性能檢驗或校準的方法和裝置，以便可以在獲得的數(shù)據(jù)中處理并說明它們。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標是提高在頻域和/或時域中操作的井眼感應測井工具的性能。本發(fā)明改進了在存在測井工具的發(fā)送器所生成的初級磁場的情況下的地層感應響應的測量。在本發(fā)明的示范實施例中，提供了一種具有新的電氣和機械設計特征組合的結構，其提供了在測井操作之前、之中和之后，用于天線性能和特性的內部校準和檢查的測井工具。在本發(fā)明的一個方面中，所提供的測井工具包括用于將檢驗信號耦合到接收線圈的檢驗繞組。


圖1示意性地示出了延伸到層積地層中的井眼，根據(jù)本發(fā)明使用的感應測井工具被放入到井眼中；圖2是優(yōu)選的傳感器穩(wěn)定性檢驗回路的圖示；圖3是校準模式的例子；圖4是測井模式的例子；圖5是本發(fā)明的模型化；圖6是本發(fā)明的例子中提供的有源負載的例子；以及圖7示出了具有補償線圈的開環(huán)發(fā)送器線圈配置。
具體實施例方式
本感應測井工具在鉆孔時的監(jiān)測、鉆孔時的測井和有線應用中非常有用。本例包括初級磁場發(fā)送器、由被調查的地層中的渦流感應的磁場的接收器、用來管理感應測井工具的電子操作以及用來收集和處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。發(fā)送器包括振蕩器、由振蕩器驅動的放大器和發(fā)送天線。接收器電子器件包括串聯(lián)的感應天線和輸入放大器。這種井底工具應用采用感應線圈用于接收器和發(fā)送器天線兩者。
本發(fā)明提供的儀器結構能夠提高感應井眼測井工具的穩(wěn)定性和精確性以及它的操作能力，其又導致在測井過程中獲得更高質量和效用的井眼數(shù)據(jù)。本發(fā)明的特征適用于改進多數(shù)已知感應工具的結構，例如由得克薩斯州休斯敦的Baker Atlas設計和開發(fā)的那些感應工具。這些感應工具包括Baker Atlas感應工具型號1507、1515和1520。
現(xiàn)在將通過例子參考附圖來更加詳細地描述本發(fā)明。圖1示意性地示出了延伸到層積的地層中的井眼1，使用根據(jù)本發(fā)明的感應測井工具被放入到井眼中。圖1中的井眼延伸到地層中，所述地層包括含碳氫化合物砂層3，其位于上頁巖層5和比含碳氫化合物砂層3具有更高傳導率的層之間。用在本發(fā)明的實踐中的感應測井工具9經由延伸穿過位于地表15的防噴器13(示意性地示出)的鋼絲繩11，被放入到井眼1中。地面設備22包括用來為線圈組18供電的電源和用來接收和處理來自接收器線圈19的電信號的信號處理器?？商鎿Q地，電源和/或發(fā)送器信號驅動器和接收器處理器位于測井工具中。
井眼1和測井工具9相對于層3、5、7的相對方位由兩個角來確定，其中一個角θ30如圖1所示。對于這些角的確定，可參閱例如Gupta等人的美國專利第5,999,883號。測井工具9被提供一組發(fā)送器線圈18和一組接收器線圈19，每一組線圈18、19通過沿鋼絲繩11延伸的適當導線(未示出)與地面設備22相連。
每一組線圈18、19包括三個線圈(未示出)，其被安排使得所述線圈組具有處于相互正交方向上，即x、y和z方向上的三個磁偶極矩。三線圈發(fā)送器線圈組發(fā)送Tx、Ty和Tz。接收器線圈接收Rx、Ry和Rz加上交叉分量Rxy、Rxz和Rzy。因此，發(fā)送器線圈組18具有磁偶極矩26a、26b、26c，并且接收器線圈組19具有磁偶極矩28a、28b、28c。
發(fā)送器線圈組18與接收器線圈組19具有或不具有電絕緣是特定工具設計的選擇。在優(yōu)選實施例中，發(fā)送器線圈組18與接收器線圈組19電絕緣。在可替換實施例中，發(fā)送器線圈組18中的每一個線圈相互電絕緣，并且接收器線圈組19中的每一個線圈相互電絕緣。具有磁偶極矩26a和28a的線圈是橫向線圈，即，它們被定位使得磁偶極矩被定位成與井眼軸垂直，由此，磁偶極矩28a的方向與磁偶極矩26a的方向成90度。此外，線圈組18和19被置于基本上沿測井工具9的縱軸。
現(xiàn)在轉向圖2，示出了示范傳感器穩(wěn)定性檢驗回路的圖示。如圖2所示，功率放大器100接收檢驗音參考信號113作為發(fā)送器線圈組18的輸入(線圈組18包括x、y和z軸線圈，具有如圖1所示的磁偶極矩26a、26b和26c。)當開關104在第一位置并與節(jié)點107連接時，參考回路103檢測來自發(fā)送器線圈組的發(fā)送場并將接收的信號發(fā)送到具有高輸入阻抗的發(fā)送器參考通道109，因此沒有電流流經回路103。為了在感應工具的操作頻率范圍內提供足夠高的阻抗，參考通道109中的輸入級可以基于CMOS技術來構建。
因此，在開關104的第一位置，回路103作為將信號通過參考通道109發(fā)送到處理器111并且隨后通過遙測112發(fā)送到地面的感應接收器。在測井時，參考信號被記錄以追蹤發(fā)送器電流的改變，使得能夠隨后去除在測井時發(fā)送器電流的改變對接收信號的影響。
在第三位置，開關104與節(jié)點105連接，其中，回路103的信號施加到具有可變相移阻抗的元件114。將該元件114與回路103并聯(lián)允許出現(xiàn)由發(fā)送器磁場在回路103中感應的電壓驅動的電流。反過來，在回路103中感應的所述電流的磁場耦合到接收器線圈組19中，因此在接收器中產生控制信號(線圈組19包括x、y和z軸線圈，具有如圖1所示的磁偶極矩28a、28b和28c。)元件114可以被選擇用來將期望的相角移動引入接收器電壓中以便測量控制信號的正交和實分量，其中，相位基準相對于發(fā)送器磁場。在第二位置，開關104被連接而沒有損耗元件，因此沒有損耗，使得可以比較有損耗和非損耗信號。在該位置，所述結構使得能夠收集正交傳感器穩(wěn)定性檢驗數(shù)據(jù)，僅用來與測井數(shù)據(jù)的正交分量進行比較。正交數(shù)據(jù)很重要，因為它較少受鉆孔效應的影響。因此，正交檢驗信號可以被用來去除正交信號中的誤差和影響，使得在測井期間獲得的同相和異相數(shù)據(jù)更加精確。
優(yōu)選的是，參考回路103最好與各發(fā)送器線圈良好磁耦合以提供更大的感應信號。同時，發(fā)送器線圈LT18的漏電感最好遠大于回路103-LL的漏電感。這些配置導致這兩個線圈之間的互感M與LT本身相比可以被忽略。因此，在示范實施例中，橫向線圈的漏電感LT≈200μH，而參考回路103的電感LL≈0.5μH并且M≈6μH。通過這些參數(shù)，在參考回路103中感應的電壓將√(LT/M)倍低于施加到發(fā)送器線圈上的電壓。
加載基準同樣會改變加到發(fā)送器驅動電子器件上的有效阻抗，反過來改變發(fā)送器線圈電流。然而，通過上述電參數(shù)，即使施加最大負載(開關104在第二位置)，整體發(fā)送器阻抗的改變不會超過3％。此外，因為發(fā)送器電流的這些變化在整個工具設計階段中已經被徹底校驗過，可以在操作中精確地說明它們。
圖2的電路的開關104與節(jié)點107相連被用來測量發(fā)送器的磁場，以便在“校準”模式下校準接收器輸入信號條件電路并控制測井期間的主場。在圖2的電路中，通過獲得與感應發(fā)送器緊密磁耦合的低阻抗回路103的兩端所感應的電壓或“參考信號”來測量發(fā)送器場。為避免任何電流在參考電路中流動并扭曲整個磁場分布，獲得電壓而不加載回路。通過遵循該條件，感應的電壓包含有關發(fā)送器場形狀的信息并被連續(xù)記錄。
現(xiàn)在轉向圖3，來自參考回路320的信號被輸入到參考通道300和衰減器306。參考通道輸出信號到模擬數(shù)字轉換器310。衰減器306輸出信號到接收器通道，該接收器通道包括輸出信號到平衡線路驅動器302的放大和濾波器304。平衡線路驅動器302輸出信號到模擬數(shù)字轉換器310。因此，在如圖3所示的“cal”模式下，接收器線圈與各自的預放大器的輸入斷開，而測量參考電壓，允許計算輸入條件電路的振幅相位響應。該操作在測井開始之前執(zhí)行，并且可以由現(xiàn)場工程師根據(jù)井的條件和溫度而重復。
現(xiàn)在轉向圖4，來自參考回路320的信號被輸入到參考通道300。參考通道輸出信號到模擬數(shù)字轉換器310。來自接收器線圈340的信號被輸出到接收器通道，該接收器通道包括輸出信號到平衡線路驅動器302的放大和濾波器304。平衡線路驅動器302輸出信號到模擬數(shù)字轉換器310。如圖4所示，當接收器線圈和它們的相關放大器之間的連接被恢復時，連續(xù)記錄參考電壓還被用于在“Log”模式下標準化接收器信號。該標準化導致正確估計地層視電阻率并且?guī)椭嬎阒鲌鲋械娜魏稳毕莼蚋淖儭?br> 以上參考信號的使用具有局限，因為它依賴于接收器線圈的穩(wěn)定性，或至少這些線圈行為的知識。因此，在“Log”模式下，線圈與預放大器斷開。在場中使用感應工具的經驗證明，該假設在許多情況下是正確的；然而，有許多時候線圈性能變得不確定。本發(fā)明能夠簡化和快速實施修改的“cal”(校準)模式，而不需要重大硬件修改，并且使得現(xiàn)場工程師可以在將感應測井工具放入井之前檢驗線圈性能電路，而不與信號條件電路斷開。
現(xiàn)在轉向圖6，在示范實施例中，圖6的參考回路電路或附加參考回路被置于心軸上并與發(fā)送器18緊密磁耦合。在校準“cal”模式期間，當開關104在位置3時，參考回路103被連接到預定的負載115。在本例中，參考回路連接到有源負載。預定的負載在“回路-負載”網(wǎng)絡19中產生感應電流。感應的電流生成與發(fā)送器完全相關的次級磁場和偏移工具讀數(shù)。圖5示出了0.01歐姆有源回路負載510、0.5歐姆有源回路負載512、1歐姆有源回路負載514和2歐姆有源回路負載516的校準模式的模型化例子。在制造階段、測井前校準和檢驗期間取得的這些讀數(shù)的一致性是整個工具的接收器模塊的穩(wěn)定性的指示。
兩個附加功能被提供以便降低在井內使用本發(fā)明以及在導電地層和/或導電泥漿中執(zhí)行測井的那些情況下的不良影響。當在這些測井條件下，從周圍環(huán)境感應到接收器線圈中的信號可以很大。首先提供了具有很多匝的附加參考回路116，以便使能大感應電流下的操作。
現(xiàn)在轉向圖7，具有部分30和部分32的開環(huán)發(fā)送器線圈具有置于這兩部分之間并與沿心軸的主發(fā)送器線圈分開的補償線圈33。開關34閉合時，關閉任何由補償線圈33生成的任何場。關閉由發(fā)送器補償線圈輻射的磁場使得上面解釋的“修改的”校準模式處于導電泥漿的不利條件下。在這些情況的每一個中，為具有可靠的工具設計，單獨的工具發(fā)送器應當在接收器線圈的區(qū)域中生成磁通量，通常比預期來自地層的最大響應大一個數(shù)量級。因此，使用具有大匝數(shù)的正確加載線圈或斷開補償發(fā)送器便于接收器線圈中的相對大信號并因此將其用于校驗。
前面的例子不打算限制由下面對權利要求定義的本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于感測井底感應測井工具中的天線性能的裝置，包括感應測井工具中的發(fā)送器和接收器；與接收器磁耦合的磁場生成機構；以及處理來自接收器的信號以便感測感應測井工具中的天線性能的處理器。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述磁場生成機構還包括與發(fā)送器磁耦合的參考回路，其中，在所述參考回路內，電流產生磁場。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述磁場大于來自地層的預期最大響應。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述磁場比來自地層的預期最大響應大一個數(shù)量級。
5.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中，所述參考回路還包括負載。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其中，所述負載還包括相移負載。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述磁場生成機構還包括與發(fā)送器磁通信的補償線圈和用來關閉補償線圈所發(fā)送的磁場的開關。
8.一種用于感測井底感應測井工具中的天線性能的裝置，包括感應測井工具中的發(fā)送器和接收器；與發(fā)送器磁耦合的參考回路，其中，在參考回路內，電流產生磁場；用來選擇參考回路的負載的第一開關；與發(fā)送器磁通信的補償線圈；用來關閉補償線圈所發(fā)送的磁場的第二開關；以及處理來自接收器的信號以便感測感應測井工具中的天線性能的處理器。
9.一種用于感測感應測井工具中的天線性能的系統(tǒng)，包括用來部署感應測井工具的表面控制器；感應測井工具中的發(fā)送器和接收器；與接收器磁耦合的磁場生成機構；以及處理來自接收器的信號以便感測感應測井工具中的天線性能的處理器。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述磁場生成機構包括由可切換補償線圈和參考回路組成的組中的至少一個。
11.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器被配置用來接通由所述可切換補償線圈和參考回路組成的組中的至少一個。
12.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器被配置用來切換負載到所述參考回路上。
13.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述負載還包括復雜相移負載。
14.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)送器還包括與發(fā)送器磁通信的補償發(fā)送器線圈。
15.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，還包括用來關閉發(fā)送器補償線圈所發(fā)送的磁場的開關。
16.一種用于感測感應測井工具中的天線性能的方法，包括在鉆孔中部署感應測井工具；在參考回路中耦合發(fā)送器電場；在參考回路中生成與發(fā)送器場相關的次級磁場；感測接收器中的次級磁場；以及處理響應于次級磁場來自接收器的信號，以便感測天線性能。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，還包括通過有源負載來加載參考回路。
18.根據(jù)權利要求16所述的測井工具，其中，在回路負載網(wǎng)絡中產生感應電流。
19.根據(jù)權利要求15所述的方法，還包括在參考回路中感應具有比來自地層的預期最大響應大一個數(shù)量級的磁場。
20.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，生成次級磁場還包括關閉由發(fā)送機補償線圈發(fā)送的磁場。
全文摘要
本發(fā)明改進了在存在由測井工具的發(fā)送器生成的初級磁場的情況下地層感應響應的測量。在本發(fā)明的示范實施例中，提供了一種具有新的電氣和機械設計特征組合的結構，其提供了在測井操作之前、之中和之后用于天線性能和特性的內部校準和檢查的測井工具。在本發(fā)明的一個方面中，提供了一種測井工具，包括用來將檢驗信號耦合到接收器線圈的檢驗繞組。
文檔編號G01V3/28GK1989424SQ200580024235
公開日2007年6月27日 申請日期2005年6月15日 優(yōu)先權日2004年6月15日
發(fā)明者奧托·N·法尼尼, 斯坦尼斯拉夫·W·福根尼, 邁克爾·S·克羅斯諾 申請人:貝克休斯公司