随钻方位电磁波电阻率测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油、天然气钻井作业随钻测量或随钻测井领域，特别适用于地质导 向钻井系统中的一种能预测和判断地层界面的随钻电磁波电阻率测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 在油田勘探和开发过程中，需要测量地层地质信息和工程参数。随着勘探开发技 术的不断进步，对测量参数的准确性和多样性要求越来越高。所需要的参数往往包含地层 环境参数、井下钻具位置、方位以及钻井环境参数等。
[0003] 目前已经有多种常规电缆测井仪器以及随钻测井仪器可以提供以上参数。电磁波 电阻率仪器作为评价地层性质的重要仪器可以提供地层电阻率信息，来对地层含油性进行 评价。该仪器往往包含一个或者多个发射和接收天线来接收地层感应信号。根据采用频率 不同，分为感应电阻率仪器和电磁波电阻率仪器。对于随钻电磁波电阻率仪器来说，通常采 用接收线圈的幅度比或相位差来转换得到地层电阻率信息。方位电磁波电阻率除了用于地 层评价外主要用来地质导向。目前具备方位分辨功能的随钻仪器由于探测深度太小，限制 了其在地质导向方面的应用，而随钻方位电磁波电阻率仪器则克服了探测深度小的缺陷， 可以更好的应用于地质导向。
[0004] 美国专利（No. 6777940)公布了一种随钻电磁波电阻率的测井工具，它包括一对 相对于接收天线对称排列的发射天线，可以发射400kHz、l. 2MHz以及2MHz这三种频率的电 磁波，通过测量两个接收线圈之间测量信号的幅度衰减和相位差，从而转化成地层的电阻 率信息。该工具装置和测量方法可以得到地层的电阻率信息，但不具备方位性质，无法给出 方位电阻率信息，也不能确定层界面相对方位。
[0005] 美国专利（No. 7038455)公布了一种多线圈距、多频率的随钻电磁波测井工具，它 包含六个发射天线和三个接收天线，通过不同的发射天线以及接收天线的组合来实现多探 测深度的测量，它同样不具备方位特性。
[0006] 中国公布的发明专利（N0.CN102704921)提出了一种随钻电磁波电阻率测量方法 及装置，通过产生特定频率的电磁波功率信号，利用发射天线将电磁波发射到地层中，通过 两个接收天线分别接收含有被测地层信息的电磁波功率信号，生成两路含有被测地层信息 的电磁波功率信号，对两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并将 经过带通滤波后的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并将带通 滤波后的信号通过AD采样后生成两路电磁波采样数字信号，对两路电磁波采样信号的每 一路电磁波采样信号进行混频变换和低通滤波，生成每一路电磁波采样数字信号的幅值信 息和相位信息，生成采样数字信号的幅值比和相位差，根据图表反演生成电阻率图板。该专 利只具备基本的电阻率测量功能，而且该装置和方法不具备方位特性，无法进行电阻率成 像和层界面的判断，在地质导向应用中受到很大限制。
[0007] 因此，如何解决上述问题，提供一种有效精准测量出不同方位的电磁波电阻率的 随钻方位电磁波电阻率测量装置及其测量方法，乃业界所致力的课题之一。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种随钻方位电磁波电阻率的测量 装置，该装置能够有效精准测量出不同方位的电磁波电阻率，预测和判断地层界面位置。另 外，还提供了 一种随钻方位电磁波电阻率的测量方法。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种随钻方位电磁波电阻率的测量装置， 包括：设置有天线槽的无磁钻铤；安装于所述无磁钻铤上的至少一轴向发射天线、一对横 向接收天线以及至少一对轴向接收天线，其中，各个天线通过所述天线槽发射和接收电磁 波信号；工具面方位角实时测量装置，其用来提供装置工具面的实时测量，以确定采集数据 所处的扇区；数据采集和处理装置，其通过所述无磁钻铤内部的线路与所述工具面方位角 实时测量装置电连接，所述数据采集和处理装置用于采集轴向接收天线的信号和按照扇区 采集该对正交的横向接收天线的信号，并对采集到的信号进行处理得到不同方位的电磁波 电阻率。
[0010] 在一个实施例中，包括：在所述无磁钻铤上安装四个所述轴向发射天线、两个所述 轴向接收天线和一对正交的横向接收天线，其中，在两个所述轴向接收天线的两侧分别设 置三个所述轴向发射天线和一个所述轴向发射天线，并且两端轴向发射天线关于所述一对 正交的横向接收天线对称，四个所述轴向发射天线分别分时发射至少一个设定工作频率的 电磁波信号。
[0011] 在一个实施例中，所述数据采集和处理装置包括：电磁波电阻率生成单元，其用于 采集对应至少一工作频率的轴向接收天线所接收到的反映地层信息的电磁波信号，通过对 所述电磁波信号的幅度和相位信息进行处理以得到不同探测深度的地层的电磁波电阻率 信息；方位电动势生成单元，其用于按照扇区采集该对横向接收天线所接收到的反映地层 信息的电磁波信号，获取电磁场交叉耦合电动势的实部和虚部信息，进而生成不同方位的 电动势信息；方位电磁波电阻率计算单元，其用于将所述电磁波电阻率信息和所述不同方 位的电动势信息进行合成，生成不同方位的电磁波电阻率信息。
[0012] 在一个实施例中，所述方位电动势生成单元还包括：噪声消除单元，其按照扇区方 位对所述电磁场交叉耦合电动势中的交叉耦合磁场分量数据进行拟合校正以消除电气和/ 或机械引起的噪声信号；补偿单元，其对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对 称发射补偿和/或移动过程中的延迟补偿，进而生成不同方位的电动势信息。
[0013] 在一个实施例中，还包括：方位电磁波电阻率成像单元，其用于用不同颜色表示所 得到的不同方位的电磁波电阻率的大小。
[0014] 在一个实施例中，还包括：界面倾角和距离判断单元，其用于根据所得到的不同方 位的电动势信息，处理得到界面倾角和相对位置，来预测和判断地层界面，进而指导钻进。
[0015] 根据本发明的另一方面，还提供了一种随钻方位电磁波电阻率的测量方法，包括： 电磁波电阻率生成步骤，采集对应至少一工作频率的轴向接收天线所接收到的反映地层信 息的电磁波信号，通过对所述电磁波信号的幅度和相位信息进行处理得到不同探测深度的 电磁波电阻率信息；方位电动势生成步骤，按照扇区采集至少一对横向接收天线所接收到 的反映地层信息的电磁波信号，获取电磁场交叉耦合电动势的实部和虚部信息，进而生成 不同方位的电动势信息；方位电磁波电阻率计算步骤，将所述电磁波电阻率与所述不同方 位的电动势信息进行合成得到不同方位的电磁波电阻率信息。
[0016] 在一个实施例中，在所述方位电动势生成步骤中，进一步包括：按照扇区方位对所 述电磁场交叉耦合电动势中的交叉耦合磁场分量数据进行拟合校正以消除电气和/或机 械引起的噪声信号；对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补偿和/或 移动过程中的延迟补偿，进而生成不同方位的电动势信息。
[0017] 在一个实施例中，还包括：根据所得到的不同方位的电动势信息，处理得到界面倾 角和相对位置，来预测和判断地层界面，进而指导钻进。
[0018] 在一个实施例中，所述电磁场交叉耦合电动势包括交叉耦合磁场分量ZX和ZY，通 过至少一个轴向发射天线和一对正交的横向接收天线，同时测量所述电磁场交叉耦合电动 势的分量ZX和ZY。
[0019] 在一个实施例中，在对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行对称发射补 偿的步骤中，通过将至少一对轴向发射天线对称安装于横向接收天线两侧，且至少采用一 个横向接收天线用于测量ZX或ZY分量，进而进行对称发射补偿，或者，通过将至少一对横 向接收天线对称安装于轴向发射天线两侧，且至少采用一个轴向发射天线用于测量ZX或 ZY分量，进而进行对称发射补偿。
[0020] 在一个实施例中，在对消除噪声信号后的交叉耦合磁场分量数据进行钻挺移动过 程中的延迟补偿的步骤中，通过关于横向接收天线对称的两个轴向发射天线分别位于相同 地层位置时的该横向接收天线所接收的电磁波信号进行补偿。
[0021] 在一个实施例中，在旋转测量模式中，所采集到的电动势信号的实部和虚部信息 分别为关于装置工具面方位角〇的函数，如下表示为：
[0022] Re {V (f, t, r)} = aEE1cos ( ) +bEE1sin ( )
[0023] Im {V (f, t, r)} = aIM1cos ( ) +bIM1sin ( )
[0024] 其中，V为横向接收线圈