專利名稱：不導電液體中微觀電測量的相位鑒別的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及利用電調查勘探碳氫化合物。更具體地說，本發明涉及鑒別與所需信號存在相位差的無用信號的方法和設備。
背景技術：
當勘探經過地球形成層鉆探的鉆井時，希望知道在鉆井各個深度的地質形成層(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。
檢測這些特性的一種技術是使用使一系列電流電極位于壓在鉆井的壁上的導電貼片(pad)的表面上的工具。恒流源通過源電極將測量電流注入形成層中，并且，通過位于貼片的另一個部分上的返回電極使電流返回。貼片沿著鉆井壁移動，和與每個電極相聯系的離散電流信號與形成層的電阻率有關。但是，如果使用不導電鉆井液(“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)和鉆井壁間不導電泥漿層將產生不良和不可用信號。
另一種技術可以顯像借助于不導電泥漿鉆探的鉆井。用于這種技術的工具使用帶有兩個電流注入器和一電壓電極陣列的不導電貼片。兩個電流注入器，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過形成層。電壓電極測量電流經過的形成層中的電壓差。由于形成層的電阻率與電壓有關，這種電壓測量是重要的。
形成層的電阻率可以利用如下方程來計算ρ=EJ---(1)]]>其中，ρ是形成層的電阻率，E是形成層中的電場強度，和J是電流密度。電場強度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是以長度為單位的幾何因子。因此，通過將電流注入形成層中，測量電壓，和利用方程2計算形成層的電阻率，可以確定形成層的電阻率。
用在這種方法中的現有技術貼片顯示在圖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，具有高強度、和高化學和熱學穩定性的不導電、絕緣材料5構成。
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測量形成層8中的電壓，并且，利用上面的方程2計算形成層的電阻率。
當貼片1不與鉆井壁7接觸時，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(1)泥漿和貼片信號；(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檢測的電場。如圖9B所示，一種降低(reduce)貼片信號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影響。
參照圖1A，“電流泄漏”描述并非從源電極2注入的電流全部經過形成層8的狀況。理論上，當貼片1與鉆井壁7接觸良好時，注入的電流幾乎全部經過形成層8。但是，當泥漿或泥芯層6處在一個或兩個電流電極2和3的下面時，即，當存在明顯隔開距離時，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的并聯電路的電流源21。形成層電流IF經過泥漿或泥芯層的阻抗和經過形成層。泄漏電流IL經過泄漏阻抗ZL，但不經過形成層。當計算形成層的電阻率時，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換成更有用的形式IF=I[1-zINJZL]---(4)]]>其中，ZINJ是通過該工具測量的、注入電路看到的總阻抗，和ZL是可以用實驗確定的、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電盒屏蔽的注入電極2和3，其中，屏蔽體維持在與每個電極相同的電位上。
由于電壓電極4不僅與形成層耦合，而且與導電后板耦合，所以在電壓測量過程中會出現誤差。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。標量校正通過求解δVTRUE獲得δVTRUE=δV(1+ZCZS)---(6)]]>圖4是示出利用現有技術工具的電流流動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這種路徑的更多細節。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。因此，形成層電流通過兩個泥漿阻抗ZMU和ZML流過形成層電阻RF。
對于一級近似，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中計算δVTRUE。
圖3A和3B示出了實際電阻率數據。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，原始未校正數據。導電鋼外殼的數據也是已知的。外殼數據線代表泥漿中的信號和示出隨著隔開距離增加，泥漿信號如何影響測量的電阻率。在大隔開距離時，測量信號幾乎全部由泥漿信號組成，沒有形成層信號。圖3B示出了應用了方程4和6中的標量校正之后的電阻率數據。在兩種形成層下的標量校正電阻率在從沒有隔開距離到每條曲線上泥漿信號占優勢的點的范圍內更精確，但是，在大隔開距離時，泥漿信號淹沒了形成層信號，數據是不可用的。
發明內容
本發明的一個方面是電調查地質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。在一個實施例中，本發明還包括根據電流和與電流同相的電壓分量，計算形成層電阻率。在一些其它實施例中，本發明還包括對電流泄漏和電壓不精確性應用標量校正。
根據本發明的測井(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、位于源電極和返回電極之間的貼片的正面上的至少一對電壓電極、和可操作地與電壓電極耦合和適合于測量與電流同相的電壓分量的幅度的靈敏相位檢測器。在一個實施例中，貼片由不導電材料組成，并且含有處在貼片的背面上的導電后板。本發明的其它方面和優點可從如下的描述和所附的權利要求書中明顯看出。
圖1A示出了與形成層接觸的現有技術工具的橫截面；圖1B是如圖1A所示的工具的表面圖；圖2是在現有技術中使用的模型的電路圖；圖3A示出了原始電阻率數據的曲線圖；圖3B是現有技術標量校正之后的電阻率數據的曲線圖；圖4是示出利用現有技術工具的電流的路徑的模型電路圖；圖5是示出電壓相對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量校正的電阻率數據的曲線圖；圖7是示出根據本發明的方法的一個實施例的流程圖；圖8是示出根據本發明的方法的另一個實施例的流程圖；圖9A示出了帶有相位靈敏測量器的根據本發明的工具；和圖9B示出了帶有導電后板的工具。
詳細描述本發明包括當對鉆井壁進行微觀電調查時，鑒別無用信號的新方法和設備。本發明基于當交流電源的頻率低于大約100kHz(千赫茲)時，電壓電極附近的材料呈現的電特性。首先，在大約100kHz之下，大多數地質形成層可以當作純電阻性材料來對待。也就是說，形成層的介電常數可忽略不計σ＞＞2πfε0εr(9)其中，σ是形成層的電導率，f是注入交流電的頻率，ε0是真空(freespace)介電常數(permittivity)，和εr是形成層的相對介電常數。
其次，在大約100kHz之下，電流電極周圍的絕緣材料可以當作純電介質來對待。也就是說，絕緣材料的電導率可忽略不計2πfε0εr＜＜σ (10)最后，鉆井泥漿可以當作滿足如下條件的漏電介質來對待2πfε0εr＞σ (11)或2πfε0εr≈σ (12)由于鉆井泥漿和絕緣體介電性質，如圖4所示的所有阻抗都是等效于電阻和電容的并聯組合的復阻抗，其中，電容部分占優勢。結果，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，在泄漏路徑中生成的電位差相對于形成層電流相移了0°到-90°之間的角度。
利用這種現象，可以從液體信號和絕緣體信號中局部鑒別形成層信號。這可以利用如下方程獲得δVphase＝δV·cos(φF) (13)其中，φF是電壓δV相對于形成層電流IF的相位。正如在背景技術和專利WO 0177710中所述的那樣，可以利用屏蔽電流注入器測量形成層電流和它的相位，或者，通過獨立地測量泄漏阻抗ZL、和假設它是一個常數，可以根據圖4中的等效電路計算它們。
并且，實驗數據表明，在實際應用中，測量總電流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，上面的方程簡化為δVphase＝δV·cos(φ) (14)其中，φ是δV相對于總電流I的相位。
圖5示出了電壓δV相對于形成層電流I的測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于兩種不同泥漿類型和兩種不同形成層電阻率的數據，以及對于導電鋼外殼的數據。在零隔開距離時，相位接近零，表示沒有泄漏(在外殼上，由于噪聲，在小隔開距離時的相位不是零)。在大隔開距離時，相位是-90°，表示嚴重泄漏。圖3A和5的比較表明，-45°的相位角對應于由于與形成層信號相比，泥漿和貼片信號變得重要，計算電阻率開始增加的臨界點。
另外，相位校正可以在背景技術中所述的標量校正一起使用。利用上面的方程2，可以借助于標量校正計算電阻率ρcorρcor=akδVI---(15)]]>其中，(V/I)的函數是如在專利WO 1077710中所概述的那樣，從理論模型或實驗中導出的校正因子。
作為一個例子，可以按如下計算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相對于總電流I的相位。
圖6示出了根據本發明的校正相位電阻率隨隔開距離的變化。有利的是，由貼片和泥漿信號引起的測量電阻率的迅速上升減弱了，工具的工作區擴展到更大的隔開距離。
圖7示出了根據本發明的方法。在本發明的幾個實施例中應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。在一些實施例中，第1和第2位置對應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。在一些實施例中，第3和第4位置對應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，計算如方程2所示的形成層的電阻率。在一些實施例中，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驗確定泄漏阻抗計算的泄漏電流確定的。
在一些實施例中，在步驟75中，對泄漏和電壓不精確性應用標量校正。如方程4和6所示的這些校正使電阻率計算在零隔開距離和泥漿信號占優勢的點之間的范圍內更精確。
圖8示出了本發明的另一個實施例，其中，對以前記錄的數據進行同相分量確定。該實施例包括在步驟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算形成層的電阻率。在步驟83中，可以再一次應用標量校正，使電阻率計算在零隔開距離和泥漿信號占優勢的點之間的范圍內更精確。在一些實施例中，該方法包括確定與形成層電流同相的電壓分量的幅度。
根據本發明的測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中的現有技術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。根據本發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95，安培計適合于測量總電流。工具1還含有適合于通過相位參考輸入端96，測量與電流同相的電壓的幅度的靈敏相位檢測器91。
圖9B示出了根據本發明的工具的另一個實施例，其中，該工具含有帶有導電后板92的不導電貼片5。該工具還包括適合于測量與電流同相的電壓的幅度的靈敏相位檢測器91。
雖然上面參照有限個實施例對本發明作了描述，但本領域的普通技術人員應該明白，可以設計出不偏離這里公開的本發明范圍的其它實施例。于是，本發明的范圍應該只由所附權利要求書來限定。
權利要求
1.一種電調查地質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.根據權利要求1所述的方法，進一步包括從電流和與電流同相的電壓分量中計算(74)形成層電阻率。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，計算形成層電阻率包括對電流泄漏和電壓不精確性應用標量校正(75)。
4.根據權利要求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用維持在與每個電極相同的電位上的導電盒屏蔽，該方法進一步包括測量該電流。
5.一種用于分析測井數據的方法，包括確定與記錄電流信號同相的記錄電壓信號分量的幅度(81)，電流信號是根據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，電壓信號是根據在沿著井壁的第3位置和沿著井壁的第4位置之間測量的電壓記錄的，第3和第4位置位于第1和第2位置之間。
6.根據權利要求5所述的方法，進一步包括利用記錄電流信號和與記錄電流信號同相的記錄電壓信號分量計算形成層電阻率(82)。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，計算形成層電阻率包括對電流泄漏和電壓不精確性應用標量校正(83)。
8.根據權利要求5所述的方法，其中，記錄電流信號是從總電流中減去泄漏電流計算的形成層電流，泄漏電流是利用實驗確定泄漏阻抗計算的。
9.一種在鉆井中進行微觀電測量的測井工具，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；位于源電極和返回電極之間的貼片上的至少一對電壓電極(4)；和可操作地與電壓電極耦合和適合于測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器(91)。
10.根據權利要求9所述的測井工具，其中，貼片由不導電材料組成，并且，進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區域的導電后板(92)。
11.根據權利要求9所述的測井工具，其中，靈敏相位檢測器可操作地與電壓電極耦合和適合于測量與計算形成層電流同相的電壓電極兩端的電壓分量的幅度。
12.一種電調查地質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.根據權利要求12所述的方法，進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算形成層電阻率。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，計算形成層電阻率包括對電流泄漏和電壓不精確性應用標量校正。
15.根據權利要求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用維持在與每個電極相同的電位上的導電盒屏蔽。
全文摘要
一種電調查地質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G01V3/24GK1659451SQ03812667
公開日2005年8月24日 申請日期2003年4月10日 優先權日2002年4月17日
發明者安德魯·海曼, 菲利普·張 申請人:施藍姆伯格海外股份有限公司