油基钻井液随钻侧向方位测井装置和方法与流程

本发明涉及石油测井领域，尤其涉及一种油基钻井液随钻侧向方位测井装置和方法。

背景技术：

测井是指利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法。测井技术用于勘探地层中的油气资源，在石油工业中具有举足轻重的地位。根据测井方式的不同，测井方法可分为电缆测井和随钻测井两大类，电缆测井必须要在钻井完成后才能下井测量，而随钻测井LWD(Logging While Drilling)是在钻井作业的同时进行地质参数测量。随钻测井技术由于其良好的实时性、测量数据的准确性和较低的作业成本，正逐渐取代传统的电缆测井，在定向井钻井中发挥着重要作用。

钻井液是在钻探过程中井眼内使用的循环冲洗介质。钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。现阶段，随着钻井工艺的进步，油基钻井液因其具有减小油气层损害、增强井壁稳定性等优点，在钻井作业中得到越来越广泛的应用。然而，油基钻井液的存在意味着在原先直接接触的检测电极和被测地层之间加入了绝缘介质，它阻断了直流通路，使得普通水基钻井液下的随钻测井技术不再适用。

本发明基于电容耦合和电磁感应原理，设计了一种油基钻井液随钻侧向方位测井装置和方法。该装置能够克服传统随钻测井方法在油基钻井液中无法工作的问题，并且能够进一步获得方位地层信息，具有重要的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种油基钻井液随钻侧向方位测井装置和方法。

本发明的技术方案如下：

一种油基钻井液随钻侧向方位测井装置，其特征在于包括正弦交流激励源、随钻侧向方位测井传感器、信号采集模块以及计算机,所述的随钻侧向方位测井传感器包括钻铤、钻头、螺线环形激励线圈和若干纽扣电极；在测井作业时，随钻侧向方位测井传感器位于井眼内，在随钻侧向方位测井传感器和井壁的间隙充满油基钻井液,在井眼之外则是被测地层；所述的螺线环形激励线圈由环形磁芯及绕在环形磁芯上的线圈构成；该螺线环形激励线圈安装在钻铤上，与钻铤相绝缘，并与正弦交流激励源相连,若干纽扣电极镶嵌安装在钻铤下部的不同高度处，共同构成一个纽扣电极阵列；每个纽扣电极含有一个绝缘环，绝缘环使得钻铤和纽扣电极不接触，纽扣电极通过信号采集模块和钻铤下部相连，信号采集模块与计算机相连

本发明中，所述的纽扣电极是镶嵌安装在钻铤下部的，每个纽扣电极含有一个绝缘环，使电极不与钻铤直接接触，纽扣电极通过信号采集模块和钻铤下部相连，利用虚短原理保持纽扣电极的电势和钻铤下部相一致。

优选的，所述的螺线环形激励线圈安装在钻铤的上部。

油基钻井液随钻侧向方位测井方法的步骤如下：

1)设置正弦交流激励源的激励信号为其中U_i为正弦交流激励电压的有效值，f为激励电压的频率，随钻侧向方位测井传感器的激励方式是基于电磁感应原理的；螺线环形激励线圈可看作变压器的原边，其匝数为N_t；钻铤看作变压器的副边，其匝数为1；在正弦激励电压u_i的作用下，在钻铤上会产生感生电动势，以螺线环形激励线圈为分界，将钻铤上部的电势定义为0，下部电势定义为其中k是考虑到电磁损耗而定义的传感器系数；

2)纽扣电极具有和钻铤下部相同的交流电势，基于电容耦合原理，在交流激励的作用下，纽扣电极与井壁通过油基钻井液形成耦合电容C₁，地层等效成一个视电阻R_f，井壁和钻铤上部形成耦合电容C₂，三者相串联构成一个交流测量电路；从纽扣电极出发的交流电流i₀流经该交流测量电路通路，最终回到钻铤上部。注：一部分电流直接流经油基钻井液直接回到钻铤上部而不经过地层，但该油基钻井液耦合电容C₃相对很大，故可忽略。

3)由于耦合电容C₁和C₂的存在，交流电流i₀的相位与激励电压u_i在相位上相差交流电流i₀通过信号采集模块转化为数字信号序列u₀(n)，并传送给计算机。在计算机的上位机上，利用数字相敏解调技术可求得u₀(n)的幅值A₀和相位于是，根据简化的测井等效电路模型，可以求得地层视电阻R_f等参数：

接着，基于已知的不同方位地层的视电阻，可以进一步获得地层电阻率成像等测井信息。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)利用电容耦合原理和数字相敏解调技术，建立了简化的测井电路模型，解决了油基钻井液下的电流信号检测问题。

2)采用基于电磁感应原理的激励方式，替代传统电缆测井的直接激励方式，在钻铤和纽扣电极上产生感生电势，简单可靠。另一方面，和纽扣电极一样，钻铤也会发射出电流。由于钻铤和纽扣电极上的电势相同，故钻铤电流对电极电流具有聚焦作用，从而增大了纽扣电极的地层探测深度。

3)采用纽扣形状的电极，实现对不同方位上地层的探测，进而可在钻井过程中获得地层电阻率成像等测井信息。

附图说明

图1是油基钻井液随钻侧向方位测井装置的结构示意图；

图2是随钻侧向方位测井传感器的结构示意图；

图3是纽扣电极的安装示意图；

图4是测井传感器的等效电路示意图；

图5是测井等效电路模型的示意图；

图6是简化的测井等效电路模型示意图。

图中：正弦交流激励源1、随钻侧向方位测井传感器2、信号采集模块3、计算机4、钻铤5、钻头6、螺线环形激励线圈7、纽扣电极8、待测地层9、井眼10、油基钻井液11、绝缘环12。

具体实施方式

如图1所示，油基钻井液随钻侧向方位测井装置包括正弦交流激励源1、随钻侧向方位测井传感器2、信号采集模块3以及计算机4。正弦交流激励源1为随钻侧向方位测井传感器2提供激励信号，由随钻侧向方位测井传感器2产生的被测电流信号经信号采集模块3放大、采集，传送到计算机4上作进一步的信号处理。

如图2所示，随钻侧向方位测井传感器2包括：钻铤5、钻头6、螺线环形激励线圈7和若干纽扣电极8。在测井作业时，随钻侧向方位测井传感器2位于井眼10内，在两者的间隙充满了油基钻井液11。在井眼10之外则是被测地层9。所述的螺线环形激励线圈7由高磁导率的环形磁芯及绕在磁芯上的线圈构成。该螺线环形激励线圈7安装在钻铤上，与钻铤5相绝缘，并与正弦交流激励源1相连。若干纽扣电极8镶嵌安装在钻铤5下部的不同高度处，共同构成一个纽扣电极阵列。每个纽扣电极8含有一个绝缘环12，并通过信号采集模块3和钻铤5下部相连。信号采集模块3与计算机4相连。所述的螺线环形激励线圈7安装在钻铤5的上部。

如图3所示，纽扣电极8是镶嵌安装在钻铤5下部的。每个纽扣电极8含有一个绝缘环12，使电极不与钻铤5直接接触。纽扣电极通过信号采集模块3和钻铤5下部相连，利用虚短原理保持纽扣电极8的电势和钻铤5下部相一致。

如图4所示，利用该装置和方法探测不同方位上地层信息的流程为：正弦交流激励源1将激励信号加在螺线环形激励线圈7上。螺线环形激励线圈7作为变压器的原边，其匝数为N_t，钻铤5作为变压器的副边，其匝数为1。在正弦激励电压u_i的作用下，在钻铤(5)上会产生感生电动势，以螺线环形激励线圈(7)为分界，将钻铤(5)上部的电势定义为0，下部电势定义为其中k是考虑到电磁损耗而定义的传感器系数；纽扣电极8利用信号采集模块3的虚短原理获得和钻铤5下部相同的电势。从纽扣电极8发射出的探测电流i₀流经油基钻井液11和被测地层9，并经油基钻井液11回到钻铤5上部，构成一个交流通路。i₀经信号采集模块3的运算放大器放大为u₀,被采集后传输至计算机4。计算机4利用数字相敏解调算法获得探测电流的实部、虚部，从而得到地层视电阻，进而可获得地层电阻率成像等信息。

油基钻井液随钻侧向方位测井方法的步骤如下：

1)设置正弦交流激励源的激励信号为其中U_i为正弦交流激励电压的有效值，f为激励电压的频率。传感器的激励方式是基于电磁感应原理的。螺线环形激励线圈可看作变压器的原边，其匝数为N_t；钻铤看作变压器的副边，其匝数为1。在正弦激励电压u_i的作用下，在钻铤(5)上会产生感生电动势，以螺线环形激励线圈(7)为分界，将钻铤(5)上部的电势定义为0，下部电势定义为其中k是考虑到电磁损耗而定义的传感器系数；

2)如图5所示，基于电容耦合原理，在交流激励的作用下，纽扣电极8与井壁通过油基钻井液11形成耦合电容C₁，地层9可以等效成一个视电阻R_f，井壁和钻铤5上部又形成耦合电容C₂，三者相串联构成一个交流测量电路。从纽扣电极8出发的交流电流i₀流经该交流通路，最终回到钻铤5上部。注：一部分电流直接流经油基钻井液直接回到钻铤上部而不经过地层，但该油基钻井液耦合电容C₃相对很大，故可忽略，简化的测井等效电路模型如图6所示。

3)由于油基钻井液耦合电容的存在，交流电流i₀的相位与激励电压u_i在相位上相差交流电流i₀通过信号采集模块转化为数字信号序列u₀(n)，并传送给计算机。在计算机的上位机上，利用数字相敏解调技术可求得u₀(n)的幅值A₀和相位于是，根据简化的测井等效电路模型，可以求得地层视电阻R_f等参数：

接着，基于已知的不同方位地层的视电阻，可以进一步获得地层电阻率成像等测井信息。

已针对所设计的油基钻井液随钻侧向方位测井装置进行一系列的仿真实验，验证了方法的可行性。当被测地层中存在水平高阻目标地层、倾斜高阻目标地层、高阻目标岩体时，该方法能够较为清晰地分辨出地层电阻率成像，测量结果较为理想。