测井装置和方法

专利名称：测井装置和方法
技术领域：
本发明涉及测井技术领域，特别是用于在井中不同的径向探测深度处测定的岩层电阻率的测井技术和装置。在用于测定矿床和岩洞的存在、位置及其性质时，在用于测定地下井孔尺寸的变化时，本发明能够比先有技术具有更高的精度。本发明的内容可通用于有关的测井技术，但特别适用于能在钻井过程中实施测量的测井技术领域。
用于估价环绕着一地下井孔的岩层的一种常规技术是电阻率测井技术。具有高电阻率的多孔岩层通常标示着碳氢化物的存在，而具有低电阻率的多孔岩层往往是被水浸透了的。但紧紧环绕着井孔的区域可能会浸入有钻井流体或称泥浆滤出液，从而会导致具有与未被浸入的岩层不同的电阻率。如果一个电阻率测井仪器仅仅具有一个探测径向深度，则它的测量各种感兴趣的区域的电阻率方面仅具有有限的能力，如果被测量的电阻率代表着被浸入区域、未被浸入区域或者这两种区域的某种组合区域的情况时，使用这种仪器进行测定时甚至可能会有困难。如果电阻率测井仪器具有至少两个径向探测深度，该仪器就将具有更大的适用性。能分别进行浅层测量和深层测量的测井技术还将具有另一些优点，例如，这两个测量的结合可以给出，比如说被浸入的范围等等的附加信息，而且还可以使用其浅层读数来校正其深层读数并据此能获得对真实的岩层电阻率的更好的评价。
因此，各种缆式电阻率测井仪通常均具有两个或更多个径向探测深度，常规的缆式电阻率测井仪使用由电极或线圈构成的一较短的和一较长的垂直排列来实现其两个探测深度。一般说来，长垂直排列能提供一个比短垂直排列提供的径向探测深度更大的径向探测深度。
与本发明有关的测井记录仪的类型包括那种可以用来测定环绕着井孔的岩层的电阻率的、被称为电磁传播型的测井仪。例如第3，551，797号美国专利就描述了这样一种技术，它是将电磁能发射出岩层中并用一对接收器测量返回到井孔的能量，以测定发射入其岩层中的电磁能的衰减和/或相位偏移(在这种类型的仪器中，成对的接收器通常采用所谓的“差动接收器”布置方式以便能够精确地测定岩层产生的衰减和/或相位偏移)。这一专利指出，利用在发射器和不同接收器对之间的一个以上的垂直间距，可以得到不同的径向探测深度。例如，一对接收器中的一个相对较近的(相对于发射器而言)可以被利用来获得衰减和/或相位偏移，从中可测定出被浸入区域的性质，而从一对接收器中的一相对较远的(相对于发射器而言)对衰减和/或相位偏移的测量中可以获得更深处的未被浸入的岩层的性质。在第3，551，797号美国专利中，主要涉及到的是如何获得电导率。无论是衰减还是相位偏移均可以用来测定相对于其岩层的集肤深度，然后从这一集肤深度中是可以得出其电导率的。在某一频率范围内，电磁能的集肤深度可以利用衰减和相位信息来计算，因为位移电流几乎不产生什么影响。
在先有技术中还有许多利用更多个接收器以勘探在不同探测深度的电阻率的其它类型的技术，如第4，451，789号和第4，107，597号美国专利中就使用了三个接收线圈以获得不同的径向探测深度。
与本发明有关的先有技术中还包括公开在第4，209，747号美国专利中的技术。这一专利描述了一种用于测定岩层的电绝缘常数和/或电阻率的电磁方法和装置，该专利论述到，当电磁能从井孔中第一位置发射时，影响着在第二位置测得的电磁波能量衰减的测量的岩层体积和形状并不同于影响着在第二位置对接收到的电磁能量的相对相位测量的岩层体积和形状。特别需要指出的是，衰减测量是比相位偏移测量更深区域的测量。本发明参考了这一原理并且以本发明建议的方式进一步加以了开拓。第4，209，747号美国专利描述了一种方法和装置，其中该装置配置有用于在井孔中第一位置产生电磁能量的设备，配置有在井孔中第二位置用于检测衰减的设备，还配置有用于在井孔中第三位置检测其相位偏移的设备。所述的第三位置较第二位置距发射器较远。用成对的差动接收器在第一位置测量衰减和相位偏移，所以共使用了四个接收器。在第二位置测量得到的衰减和在第三位置测量得到的相位偏移实际上具有大体相同的探测深度。因此，对于岩层的相同区域，这两个量均可以用来测定其电绝缘常数和/或电导率。第4，209，747号美国专利的内容主要涉及如何在电绝缘常数和/或电导率测量方面改进其精度。在位移电流相当大的场合，对于这一技术所给出的建议频率是20MHz，以便使在典型的与测井记录仪相交会的岩层中的电绝缘常数为一个可测量的量。
虽然能够在不同的探测深度进行岩层电阻率测量的技术具有特殊的优点，但在先有技术中需要具有不同的接收器间距才能完成这一目的，以克服通常存在的下述一个或一个以上的缺点需要更多的接收器从而增加了能容纳其不同间距的测井仪器的长度更多的电路和接线;更高的生产成本。这些缺点在缆式测井仪中也许是相当严重的，但对于在钻井过程中进行测井的系统往往就更为严重了。因为后者的测量环境特别恶劣，且测井装置的可以允许的长度和其机械强度均必须满足更严格的要求(例如，可用于在钻井过程中进行测量的电磁型测井记录装置曾公开在第2146126号英国专利申请和第4553097号美国专利中，在这些专利申请和专利中，发射器和接收器对是以凹入在钻铤上的方式配置的并能用于进行振幅和/或相位的测量。它们仅具有一个探测深度)。为了减少机械损坏的可能性和维持钻具组件的机械强度，则应该减少传感器的数目和传感器的总长度。
本发明的一个目的是提供一种改进了的用于能在不同的探测深度测定岩层电阻率的装置和方法。本发明的另一个目的是建意这样一种装置和方法，在钻井过程中用于进行测量是适用的和方便的。
在先有技术中，所谓的“井孔补偿”技术一直被用来改进某些类型的测井仪器。例如，这一技术已被使用在声波测井记录仪中和配置有压紧装置的电磁型测井仪中(可参见第3849721号美国专利)，而且已有人指出这一技术还可用于利用电磁能中的TM传播模分量的中心定位型电磁测井仪器中(可参见第4553097号美国专利)。在典型的井孔补偿型测井仪器中，一对接收器定位在两发射器之间，且发射器交替地激发，由各接收器接收到的信号可以进行适当处理(通常为取其平均值)以减小以至于消除各种不良因素-如测井仪器在井孔中的偏心和井孔的不规则性，以及沉积在井孔中的泥浆结块等等-的影响。在有关的测井技术的各个专利申请中，井孔补偿并非可以认为是实际上明显有效的。因为在一对接收器两侧均需要有发射器，这意味着这种测井仪器实际上必然比其类似的装置要长得多，假如后者仅配置有一个信号发射器的话。对于那种具有一相对较长的发射器-接收器间距并且具有另一个配置在其接收器另一侧的测井仪器，也许会使它变得比容许使用的仪器更长且更笨重。由于在仪器接收器的两侧均需配置有发射器而引出的另一个问题是，因为配置有第二个发射器，所以必将产生更多的与接收器相互作用的噪音。这种噪音的来源之一就是由携带有供给第二个发射器的高功率激发信号的导线所产生的串馈。若假定供给两发射器的激发信号是来源于同一个激发源，则将该激发源耦合到某一发射器的导线必将经过其接收器。因此激发信号比接收信号大得多，由接收器接收到的信号对于经过附近的高振幅发射器激发信号而产生的噪音干扰特别敏感。而且，在具有相对较长的发射器-接收器间距的测井仪器中，由接收器接收到的信号是相当微弱的(与具有较短间距的同类仪器相比)，从而对于由发射器导线产生的串馈问题就更为严重了。
由于刚刚说过的原因，从中可以想象若在用于在钻井过程中进行测井的电磁传播型测井仪器中使用井孔补偿技术将是特别困难的。除了上面已经描述过的各种困难外，由钻井环境产生的噪音和其它不稳定因素可能会对其使用产生更难以解决的困难。而且，因为这种结构往往需要增加仪器的长度，因此，由于用于钻井过程中进行测井的测井仪器长度的限制，将会影响其种种性能-即能给出不同的探测深度和井孔补偿的实施等等-的利用。
本发明的一个目的是提供一种能够用于心轴式电磁传播型测井系统并能够用于在钻井过程中进行测井的测井系统的、切实可行的井孔补偿技术。
在用于测定存在于环绕着一井孔的岩层中的矿床的存在、矿床电导率和位置以及井孔岩洞的位置和形状的测井技术的领域中已存在有许多种技术。一般说来，这些技术均可以从下述的一个或几个方面加以改进在判断薄层矿床存在的困难方面;在测定薄层矿床电导率的困难方面;在区分薄层矿床与岩洞的困难方面;在如何以良好的精度获得矿床和岩洞的边界位置的困难方面;在如何简化对于获得所需要信息而要求的设备和/或处理技术的困难方面。本发明的一个目的是提供这些方面的改进，并且给出可应用于在钻井过程中进行的测量中的改进。
利用机械式测径仪测量油井井孔直径的技术在缆式测井方面是一项公知技术。井孔测径仪型测井记录包括有关于地下岩层的有用信息。例如，井孔直径可以用作页岩和砂岩之间的差异标示，因为在页岩中井孔孔壁往往会有剥落而在砂岩中则倾向于保持钻头尺寸。测径仪型测井记录在解释其它类型的对井孔直径变化敏感的测井记录时可以作为一种辅助信息。测径仪型测井记录还可以用来计算对于井孔孔壁加固所需要的水泥的量，还可以应用鉴别也许会附滞住钻具组件的井孔截面的方法和估价钻井泥浆注入程序有效性的方法来协助实施其钻井程序以防止井孔的隆起或凹陷。
缆式测径仪型井下仪器通常使用可以张起并可与井孔孔壁接触的可移动式臂。这种测径仪型井下仪器在用一有线电缆放入井孔时，所具有的若干个可移动式臂均处于缩回位置，以便使它们不与井孔孔臂相接触。而当这一仪器被有线电缆提升出井孔时，这些臂将与井孔孔臂相接触。因为其机械环境非常苛刻，则将配置有可移动臂的测径仪应用于在钻井过程中所实施的测量是非常困难的。
本发明的一个目的就是要提供一种可用于测量井孔直径变化的改进技术，并给出其应用于钻井过程中实施测量的改进。
本发明给出的是一种具有相应于上述的先有技术中种种需要性能的测井装置。在这里所给出的本发明具有的种种性能中的大部分均可应用于所谓的缆式测井技术和所谓的在钻井过程中实施测量的测井技术，但这些性能中的某一些则特别适用于在钻井过程中进行测量的装置。
根据本发明的一个特征，提供了一种用于探测地质岩层的、可以在两个不同的探测深度(在本申请中，这均意味着是探测的径向深度)用仅有的一对以差动配置方式工作的信号接收器接收其信号的测量岩层电阻率的装置和方法(在本申请中，对于电阻率测定和利用这种描述方法的任何一次使用均和对电导率的类似描述方法的使用具有相同的含义，反之亦然。这两个量是彼此互为倒数的。在本申请中提及的是这一个还是那一个仅仅是依据描述的方便，并非具有任何的限定含义)。在本发明这种形式的优选实施例中，电磁波能量在井孔中的第一位置发出，在井孔中相对于第一位置具有依次纵向间隔的第二、第三位置接收。然后对在井孔中第二、第三位置接收到的电磁能之间的衰减进行检测，并对在井孔中第二、第三位置接收到的电磁能之间的衰减进行检测(在本申请中，所使用的“相位偏移”和“衰减”并未限定应用哪一种方法来进行其测定。例如，由两接收器接收到的相位偏移可以通过直接比较所接收到的信号的方式来测定，也可以通过以其发射的信号为参照物测定其每一接收器的接收信号再比较其结果的方式来测定，也可以采用其它任何适用的技术来确定。又例如，其衰减可以用直接比较接收器信号振幅的方式来测定，也可以用相对于某一参照物测定每一个接收信号振幅再比较其结果的方式测定，也可以用其它任何适用的技术来确定)。这样，作为检测出的相位偏移某一函数的、环绕着其第二、第三位置的相对较浅的探测深度的岩层的电阻率便可以被测定出来，而且，作为检测出的衰减的某一函数的、环绕着其第二、第三位置的相对较深的探测深度的岩层的电阻率也可以被测定出来。在本发明所描述的这种形式的实施例中，电阻率的测定包括将相位偏移、或将衰减转换为电阻率技术的运用。这种转换需用其地质岩层的电绝缘介电常数和电导率之间的相对关系。
根据本发明的另一特征，提供了一种电磁型测井装置和方法，其中的测井仪器被设计成能以常规方式定心地通过井孔，在其测井仪器上配置有一较高的和一较低的发射器，并且在较高的和较低的发射器之间定位配置一较高的和一较低的接收器，它们以彼此对称且实质上共轴的方式配置。由两发射器交替发射横向电场电磁能，并利用以井孔补偿型布置的两接收器接收其信号。于是，以前一直成功地应用于配置有压紧装置的仪器中的井孔补偿技术，现在也可以用来改进这种使用TE传播模、并能以常规方式定心地通过井孔移动的电磁传播型测井仪器。在本发明所描述的这种形式中，对于使用能在钻井过程中进行测量的测井系统中的这种测井仪器是在钻铤的某一部分上形成的，而且本发明的这种形式同样也可以用于心轴式缆式测井仪器。
正如下面将要进一步描述的那样，本发明具有下述特征，该特征特别适用于能在钻井过程中进行测量的测井系统，特别是其中的那种可以从一信号接收器对得到两个有效的探测深度的、且其测井仪器的结构构成也进一步便利了井孔补偿技术的使用从而能避免先有技术中往往会出现的问题的测井系统。而且，由两接收器获得的从两个不同的发射器发射出的信号可以用来获得相位不平衡和振幅不平衡信号，后者能提供出相应于岩层特性的、且特别相应于井孔直径的有用信息。
在本发明测井仪器的一个优选实施例中，每一个天线均在一金属外壳的相应的凹进部位形成。在所述的实施例中，该金属外壳是其钻铤的一部分。一薄层绝缘材料，最好是包含有玻璃纤维环氧树脂的材料，被放置在凹进部位中，并且有线圈缠绕在这个绝缘材料第一薄层上。一橡胶薄层复盖着其线圈和在其下面的绝缘材料薄层，并用一开有槽的防护罩复盖在其橡胶薄层上。这种限定了的结构和材料的组合体具有能够抵御与井孔环境有关的压力、温度和水的浸入等等混合影响的优点，而在钻井过程中其井孔环境是特别恶劣的。而且在这种优选的结构中，若干个腔室还可以紧紧贴靠在各自的接收线圈上的方式形成在其外壳中。这些腔室中包括有用于接收器信号的阻抗匹配和前置放大回路，从而使这些信号能够在它们通过仪器的某些也许会产生噪音干扰-例如从携带有发射器信号的导线所产生的噪音干扰-的区域进行耦合之前先行放大。因此，下面将要进一步加以描述的测井仪器的这种结构特征为井孔补偿技术在心轴式电磁传播型测井仪器中的使用提供了便利，特别是对能在钻井过程中实施测量的测量装置中的使用提供了便利。
根据本发明的另一特征，公开了一种用于确定井孔中岩洞的存在并且能将其与薄层矿床区分开来的装置和方法。在所公开的相关实施例中，当在由测定出的相位偏移量中测定的电阻率存在有一个实质性变化而在由测定出的衰减测量中测定的电阻率中并没有发生一个相应的实质性变化时，对由相位偏移测量和由衰减测量中测定出的两电阻率进行比较，并由此产生一个相应于岩洞的指示。
根据本发明的另一个特征，还公开了一种用于测定岩层中的矿床边界电导率的装置和技术。正如下面所要进一步描述的那样，申请人指出，矿床边界的位置可以在良好的精度下由相位偏移测量而测定的电阻率和由衰减测量而测定的电阻率之间形成的交叉点来确定。在这一公开的优选实施例中，其存在由相位偏移而测定的电阻率和由衰减而测定的电阻率之间形成的交叉地方的深度位置来测定，测定出的深度位置包含着矿床边界的信息。在这种实施例的构成形式中，其边界的深度位置的测定包括有对相应于测得的各交叉点处的各深度位置之间进行的内插计算。
通过下面结合各附图所进行的详细描述，可以使本发明的其它特征和优点变得更清楚。


图1是实施本发明的一个实施例的测井系统的示意图，该测井系统可用于实施本发明方法的一个实施例。
图2表示在图1中所示实施例中测量装置的电子组件及探测和处理电子组件的一个示意图，其中部分是以方框图方式示出的。
图3表示的是一幅图1所示系统在地下岩层中的井孔内天线的模型示意图。
图4表示的是一幅环绕着一发射器的等相位线的曲线图。
图5表示的是一幅环绕着一发射器的等振幅线的曲线图。
图6示出了相应用于从衰减测量中获得其表观电阻率的查找图表的曲线图。
图7示出了相应用于从相位偏移测量中获得其表观电阻率的查找图表的曲线图。
图8是一幅用于获得存储有若干个作为测定出的相位偏移函数表观电阻率值和若干个作为测定出的衰减函数表观电阻率值的查找图表的程序流程图。
图9是一幅用于利用查找图表来从已测量出的相位偏移和已测量出的衰减中获得表观电阻率的程序流程示意图。
图10是一幅用来描绘相应于一特定例子的、作为浸入半径的某一函数表观电阻率曲线图。
图11是一幅用来描述相应于另一特定例子的、作为浸入半径某一函数的表观电阻率的曲线图。
图12是一幅描述作为电导率某一函数的、相应于从许许多多不同区域得到的水浸入型岩石标本的电绝缘常数的曲线图。
图13是一幅相应于若干特定的电导率值的电绝缘常数最小值和最大值的一个图表。
图14是一幅按照本发明装置的另一种构成形式的实施例示意图，而且该装置可以用来实施本发明方法的另一种实施形式。其中图的若干部分是以方框图的形式示出的。
图15包括有图15A和图15B，表示简化了的用于帮助理解图14所示的实施例以及该实施例作为一个差动测径仪而使用的示意图。
图16是一幅用于控制一处理器以获得相位不平衡和衰减不平衡、并用以获得差动式井孔测径仪型测井记录和井孔测径仪型测井记录的程序的流程示意图。
图17表示的是对于一已描述过的例子的相位不平衡的响应。
图18是一幅由图17中所给出的数据构成的相位测径记录曲线图。
图19表示了对于某一给定条件的衰减测径记录曲线图。
图20表示了相对应于一水冲蚀式岩洞的相位测径仪型测井记录的例子。
图21A和图21B表示了一种岩层模型和使用井孔补偿技术而产生的有效作用的例子。
图22A和图22B表示了相应于另一个例子的岩层模型并示出了实际的和计算得出的表观电阻率。
图23A和图23B表示了计算得出的相应于存在有岩洞的例子的表观电阻率曲线图。
图24是一个进一步的例子，表示出了实际电阻率和由相位偏移和衰减测量中寻出的电阻率，并表示出了产生在两表观电阻率交叉处的矿床边界。
图25包括图25A和图25B，表示出了为处理器所编制用以区分岩洞和矿床，并用以测定其特性及边界位置的程序流程图。两图中的程序是彼此相连的。
图25C是一幅表示在图25的程序中使用的内插方法的示意图。
图26是一幅根据本发明一个实施例的测井仪器局部的剖面图。
图27表示了图26所示测井仪器的局部详图。
参见图1，表示的是本发明的以在钻井过程中进行测量的测井装置和方法的一个优选实施例。钻井平台和钻井井架组件10安置在用旋转钻井方式在地下形成的井孔11的上面。在组件10下端部包括有一钻头15的钻具组件12正悬置在井孔中。钻具组件12和附装在其上的钻头15由连接于位于钻具组件上端部的传动钻杆16的旋转平台16的驱动而旋转(其供能部件并未示出)。钻具组件12悬挂在一附装在传动部件(未示出)上的挂钩18上，其传动钻杆17通过旋转接头19与挂钩相连接，且该旋转接头使钻具组件12可以相对于其挂钩转动。钻井流体或称泥浆盛放在地下池27中。泵29将钻井流体通过旋转接头19上的入口泵入钻具组件中，并使所述流体通过钻具组件12的中心向下流动，钻井流体通过在钻头15上的出口流出钻具组件，然后通过在钻具组件的外侧和井孔的周界之间的区域向上流动。众所周知，钻井流体由此将会携带着岩层切屑返回到地球表面，而且使钻井流体返回到池27中以供循环使用。在图中所示的小箭头示出了钻井流体的典型流动方向。
配置在钻具组件12中、最好是配置在钻头15附近的是一个井下探测、处理、存储和传输的子系统100。子系统100包括至少带有线圈T1、R1和R2的测量装置200，并按下面将要描述的方式工作。井下子系统的发射部分包括有一个声能发射器56，该发射器56将在代表着被测的井下条件的钻井液体中产生声能信号。在先有技术中已知的一种适用类型的声能发射器采用了被称为“泥浆发声器”的仪器，包括有一个开有槽缝的定子和一个开有槽缝的转子，后者可以旋转并周期性的阻断钻井流体的流动以在钻井流体中产生所需要的声波信号。产生出的泥浆声波在流经钻具组件中心的流体中以在该流体中声度向上传播。这一声波将在地球表面处用由参考标号31表示的传感器接收。这个传感器可以是一种，比如说，压电转换器，该压电转换器能够将接收到的声波信号转换为电子信号。转换器31的输出被耦合到能有效地对其发射出的信号解调制的井上接收子系统90，然后再耦合到处理器85和记录器45中。
发射器56由包括有一模/数(A/D)转换电路的发射器和驱动电子组件57控制，其转换电路能够将代表着井下条件的信号转换为数字形式。控制和驱动电子组件57还包括有一适用的、以常规方法产生施加于发射器56的驱动信号的调制器，比如说，它可以是一相移键控(PSK)型调制器。其驱动信号可以被用来将适当的调制施加在发射器56的泥浆发声器上。不难理解，在将测井信息传递到地球表面这一方面，也可以使用各种其它的替换技术。
井下子系统100还进一步包括检测和处理电子组件58，该电子组件包括一微处理器(它配置有存储器、时钟回路和接口回路)和处理回路。检测和处理电子组件58与测量装置200相耦合并从后者中获得测量信息。这一检测和处理电子组件能够存储从其测量装置中得到的数据、能够处理这些数据并存储其结果，并可以将其信号中所包含的任何需要的部分耦合到发射器控制和驱动电子组件57中，以便通过发射器56传递到地表面。可以由电池53提供井下动力。根据目前的已知技术，某种井下发动机(未示出)，比如说由钻井流体驱动的所谓的“泥浆涡轮机”，也可以用来在钻井过程中提供其动力。
图2是测量装置200中的电子组件和检测和处理电子组件58的方框示意图。振动器211产生一频率为f的电信号，它由放大器212放大并通过阻抗匹配回路220施加在发射天线T1上，由接收器R1接收到的信号通过阻抗匹配回路230和前置放大器231耦合至电子控制开关250的一个输入端;类似的，由接收器R2接收到的信号通过阻抗匹配回路240和前置放大器241耦合到上述开关250的另一输入端。开关250在处理器270的控制下选择接通较近的接收器(R1)或较远的接收器(R2)的输出。选择出的信号由放大器251放大，然后利用某种已知的外差技术将其转换为一较低的频率Δf。本机振荡器与主振荡器位于一相位同步回路(标号为215)中。本机振荡器213的工作频率为f+Δf，其中Δf一般为几千赫甚至于更小。由本机振荡器给出的信号与接收到的信号由混和器255混和。混和器的输出将通过一低通滤波器257，后者能阻止频率为f+Δf的信号通过而让频率为Δf的信号通过。频率为Δf的这一信号中包含有频率为f的原始信号的相位和振幅信息。这种频率传输方式的公认优点是，在频率为若干千赫甚至更低时测量其相位和振幅远比在频率为若干兆赫时容易的多。频率为Δf的信号用相位计261和振幅计262进行测量，其结果输入处理器270。相位计261可以利用由相位同步回路215给出的参考信号。相位计和振幅计均还可以包含取样-保持回路以实施对从各接收器得来的信号进行的比较。对此，可以参考，比如说，已转让给本申请同一受让人的第4185238号美国专利。因此，其处理器可以从它所接收到的测量中交替地计算其相对相位和振幅。
如上所述，处理器270配置有存储器时钟和接口电路(未示出)，这同常规情况一样。这个处理器能够实施对相位和振幅的测量存储、以所述的方式对这些测量的处理和对处理结果的存储和/或将其测量出的和/或处理出的结果耦合到控制和驱动电子组件上，以传递到地球表面。在这一实施例中，井下时钟可以用来保持对时间的跟踪，然后它可以通过保持钻井组件进程的记录而相关于其深度标高。十分典型的，这个时钟可以成为与处理器270相连接的系统的一部分，并可以在一井下行程之前与该系统同步。而且需要的话，利用泥浆脉冲技术或其它适用的信息耦合技术，相应于井下系统的耦合装置便可以用来传送时间同步和/或深度标高信息，以及用来以常规方式传送数据。还可以使本发明与任何适用的用于保持深度标高跟踪的技术相结合，这应是不难理解的。
现在来分析图3所示的有关图1中天线系统的模型。为简单起见，钻铤并未包括在这一模型中。钻铤的影响也可以加以考虑，但这需要更为复杂的数学分析，而且会产生与从这种简单模型中所得到的完全一样的通用结论。发射器(T)是一个匝数为N、半径为“a”、其轴线方向与Z方向相同并带有激发电流“I”的线圈。两接收器是匝数为N、具有类似半径且其轴线方向与Z方向相同的两线圈，它们与发射器相分隔开的定位距离分别为γ1和γ2。
在球坐标中，因为γ＞＞a，则在均匀介质中由发射器辐射出的电场可由下式表达出
其中，观测点为(γ、θ、φ)。这个等式恒与描述定位于发射器位置的垂直磁偶极子的辐射场的等式相同。其传播常数由下式表示出
其中，ω为角频率，C为真空中光速，ε0为真空中介电常数，μ0为真空中磁介电常数，ε′为岩层的相对介电常数或称为电绝缘常数，σ为岩层电导率。电导率(σ)为电阻率的倒数，即有σ＝1/R。
在较近的接收器(R1)处测量得到的信号与Eφ(γ1，θ1)成正比，而在较远的接收器(R2)处测量得到的信号Eφ(γ2，θ2)成正比，其中θ1＝ARCTAN(a/γ1)，θ2＝ARCTAN(a/γ2)。令在较近接收器处得到的信号的振幅和位相为｜S1｜和φ1，而在较远接收器处得到的信号的振幅和相位为｜S2｜和φ2，且
相对于较远的接收器的信号和相对于较近的接收器的信号的复数比为
在两个接收天线之间的相位偏移(φ)和衰减(A)相对应于下述的信号比率(S2)/(S1) ＝10A／20ejφπ/180(5a)或φ=φ2-φ1= 180/(π) Imag (1n(S2/S1))(5b)和A＝20log10(｜S2｜/｜S1｜) (5c)图4和图5以一种简单的形式示出了其振幅和相位测量在其中有兴趣的频率范围内的一般性质，并可以用来帮助理解由对从同一位置发射出的信号在同一岩层中的振幅和相位测量所给出的相应的探测深度。图4以一种简单的方式和为了说明清楚而忽略了几何效应的方式示出了由一定位在发射器T的位置处的垂直磁偶极子源产生的电磁波能的等相位线的一般形状。其等相位线通常呈园形并标示着，比如说，在井孔中选定的点γ1和γ2处接收到的信号之间的相位差是相对应于在位于阴影区域的内侧线和外侧线(相对应于两接收器的位置)之间的岩层产生的相位差的。在图5(为说明清楚而忽略了几何效应)中示出了等振幅线。在位置γ1和γ2(未示出，但该图的比例与图4相同)之间的振幅的差相对应于位于其阴影区域的内侧线和外侧线之间的岩层产生的振幅的差。在这两种情况中，各信号比较的差动性质往往并不会受到非阴影区域的影响。
由图4和图5中可以看出，等相位线近似为园形且以发射器为中心;而等振幅线并不呈园形且在其径向比其垂直方向更向远处凸突。在两接收器之间测量得到的衰减可以看成是一个比在两个接收器之间测量得到的相位偏移相对应的探测深度更深的径向区域的重要的特征。在这个说明中使用了相对于均匀介质的磁偶极子理论，但对于考虑到钻铤、井孔等等因素影响的模型分析，也将产生同样的结论，即衰减可以提供一个比其相位偏移的探测深度更深的径向探测深度。关于这一现象，还可以参考第4209747号美国专利中的说明，这一专利曾在背景技术部分中被引用过。
图6和图7示出了相对于由本发明一个特定实施例计算出的查找图表的曲线图。在这一实施例中，发射器和两接收器均为直径为6.5英寸的钻铤的一部分，且其相应的垂直间距为γ1＝25英寸和γ2＝31英寸。发射器发射的电磁波频率为2MHz。在两接收器之间的相位偏移(φ)和衰减(A)可以利用已描述的等式(5b)和(5c)来测定。
该查找图表可以利用上述的关系式(2)、(4)、(5b)、(5c)来获得。下面将要描述的图8是一个其处理器用于获得并存储分别相对应于测量得到的相位偏移和衰减值的值Rφ和值RA的程序流程图。在运行时，当值φ和A输入到处理器270中后(如果需要的话，也可以是当其输入到图1中标示号85所示的井上处理器中后)，表观电阻率的近似值便可以利用已经存储了相应值的图表来获得。对于用以控制处理器以实施这个功能的程序流程将在下面结合附图9加以说明。已获得的数值图表还可以转换成曲线图的形式而加以利用。特别需要指出的是，在图6和图7中所示的曲线就是用对已制成表格的数字图表绘制其相应曲线的方式而得到的。对于随几何延伸而减小的衰减，可以将测量得到的衰减(A)标示在曲线图的水平轴上，通过利用图6所示的曲线即可以由其衰减测定其表观电阻率(即RA)。在图7中，也可以用将测量得到的相位偏移(φ)标示在曲线图的水平轴上的方法，由相位偏移中测定其表观电阻率(Rφ)。由相位偏移和衰减到其表观电阻率的转换也可以利用其选择系数以便能精确地代表已列成表格的各个值的多项式函数方式来实现。
如果在井下不存在流体的浸入，那么可以预计表观电阻率的这两个值将会重合。而在井下存在流体浸入的时候，可提供比由相位偏移得出的表观电阻率的探测深度更深的径向探测深度的由衰减得出的表观电阻率，通常将给出一不同的测量值。
图8示出了可以编制程序(通常是在运行之前编制)的处理器的用于获得并存储可用于由相位测量获得其表观电阻率并可用于由衰减测量获得其表观电阻率的查找图表的程序流程示意图。实际电阻率的值Rt被预置在其图表将要复盖的范围一端，如程序步811所示。然后如程序步812所示，获得其相应的电导率。计算出作为电导率(或为电阻率)的现时值的某一函数的电绝缘介电常数εt′的计算值。正如下面所将要描述的那样，依据其工作频率和所进行探测的岩层的电导率的不同，电绝缘介电常数也许会对其测量产生一相当大的影响，特别是那些具有相对较高的电阻率的情况下则更是如此。但是，一个电绝缘介电常数的计算值可以以适当的精度、以作为电导率某一函数的方式而被获得，然后并可以利用来获得更精确的测量。这可以通过利用查找可以给出作为电导率某一函数的电绝缘介电常数值的图表的方式而进行，如图8中的程序步816所示。然后进入程序步821，这个程序步代表着根据关系式(2)对其传播常数Kt的计算。在程序步822中可以获得如关系式(4)所表示的由两接收器给出的所需要的信号的比率。然后所需要的相位偏移φ和所需要的衰减A可以根据关系式(5b)、(5c)而计算出(在程序步825中)。计算出的相位偏移的值φ可以通过与Rt的现时值相对应的方式存储在图表中，如程序步831所示。类似的，计算得到的衰减的值A亦可以通过与Rt的现时值相对应的方式存储起来，如程序步841所示。然后进行询问程序(在程序步850中)，即判断在其Rt的取值范围内的最后一个值是否已给与了处理。若没有，则Rt递增到其下一个值(在程序步862中)并且通过回路865而继续运算，直到查找图表运算工作被全部完成。当Rt的最后一个值已经给与了处理时，由程序步831和841给出的图表将被转换为作为φ和A的函数的各表观电阻率。例如，在由程序步831表示的图表中，可取Rt为一自变量，而取φ为一因变量。而在程序步851中，查找图表中的Rt已用Rφ替换，即取φ为自变量而取Rφ为一相应的因变量。对于衰减的类似图表也可以用类似的方法得到。
图9示出了处理器270(如果需要的话，也可以是井上处理器85)的用于从测量得到的相位偏移和衰减中获得其表观电阻率的程序流程示意图。可以由此获得两个表观电阻率;即由衰减测量中所获得的相对应于较深测量的表观电阻率RA和由相位测量中所获得的相对应于较浅测量的表观电阻率Rφ。程序步911用于输入将要从中测定其表观电阻率的φ和A的下一组值。然后从查找图表中由Rφ获得其最相关的R的值(在程序步921中)并使用内插计算方法以获得Rφ(在程序步922中)。在程序步925中读出并存储这个值Rφ。类似的，从查找图表中由RA获得其最相关的电阻率的值(在程序步951中)并以同样的方式实施其内插计算(在程序步952中)，读出并存储其测定出的值RA(在程序步955中)。然后在程序步970所表示的子程序中等待相位偏移和衰减的下一组值，而且当接收到这些值时，再次进入程序步911以便获得和存储另一些相应的表观电阻率的值。
现可以举例说明相位偏移测量和衰减测量是如何提供双重径向探测深度。再次参见图3所示的模型，它示出了一半径为γXO、电阻率为RXO、电绝缘常数为ε′XO的被浸入区域和电阻率为Rt、电绝缘常数为εt的未被浸入的岩层。图10示出了在某一典型的含盐的水基泥浆逐步浸入一包含有碳氢化物的多孔岩层的情况下，由相位偏移得出的表观电阻率和由衰减得出的表观电阻率。未被浸入的岩层电阻率(Rt)为20ohm-m，而已被浸入区域的岩层电阻率RXO为10σhm-m。图中绘出了作为浸入半径某一函数的表观电阻率RA和Rφ曲线。当不存在有浸入时，两表观电阻率的读数均为20ohm-m。对于半径为6至36英寸的浸入区域，RA的读数始终比Rφ的读数更靠近于Rt，因此，由衰减测量得出的表观电阻率可以比由相位偏移测量得出的表观电阻率提供一个更深的径向探测深度。
图11示出了另一种典型的由油基泥浆浸入到一初始时含有水而不是碳氢化物的多孔岩层中的情况。在这个例子中，井孔中的油置换了岩层中的水，从而使被浸入区域的电阻率增加到了10ohm-m，而未被浸入的岩层的电阻率仅为1ohm-m。对于半径为6至60英寸的浸入区域，RA的读数总是比Rφ的读数更靠近于Rt。这再一次说明，由衰减而得出的表观电阻率能比由相位偏移而得出的表观电阻率提供一个更深的径向探测深度。
在第一个例子中(如图10所示)，如果不具有两个径向探测深度，则也许会在探测时漏掉一个潜在的碳氢化物携带岩层;而在第二个例子中(如图11所示)，如果不具有两个径向探测深度，也许会将一个含水岩层错认为是一个含碳氢化物的岩层。在先有技术中已知，具有两个径向探测深度的测井记录数据分析可以用来验证是否发生了浸入，而且深层的电阻率读数可以用浅层的电阻率读数来校正，从而能获得比仅利用一个单一的读数时有更好的对Rt的估价。在本发明中，这一工作是用一对接收器来实现的。
根据本发明的一个特征，在从测量出的相位偏移和从测量出的衰减中获得其实际电阻率时，电绝缘常数应作为电导率的某一函数而不是作为一独立变量来处理。在用图8中的程序步816按公式计算其查找图表时已对此注意了。对于与某一油井测井相交会的典型岩层，而且在其工作频率低于10MHz时，其传导电流远远大于其位置电流，从而使得电绝缘常数在其电磁波传播中不具有较大的影响。因此，如果能够选用一个适当的公式，则将电绝缘常数作为一非独立变量来处理将不会在其电阻率测量中产生重大误差。
例如，假定工作频率为2MHz。图12示出了相对应于大量的、由世界各地的油井中得到的水浸入式岩石样品的数据点。对于每一样品，均将其电绝缘常数的测量值ε′作为其电导率σ的函数而绘制在直角坐标中。在这个数据表中，对于任一给定的电导率值，均对应有电绝缘常数的相应的最大值、最小值和中间值这三个值。图13示出了一张数字图表，它列出了对于某些特定的电导率值的电绝缘常数的最小值和最大值。在这个图表中，对于每一个电导率ε′的最小值和最大值均可以用来计算其传播常数K。对于电导率大于01s/m(电阻率低于100ohm-m)的情况，计算出的K值的实数部分(K′)和虚数部分(K″)各自的百分比率的变化均是相当小的(参见图13)。因此，当电阻率大约低于100ohm-m且其岩石取样设备的工作频率为2MHz时，电绝缘常数并不会在传播常数中产生什么主要的影响。对于作为电导率某一函数的电绝缘常数的平均值是由图12中中间的那根曲线标示出的，它可以用来作为函数ε′(σ)(即在图8中程序步816中使用的函数)。在这种情况下，如果其电阻率低于100ohm-m，则其传播常数的误差将小于11%。
不难理解，对于ε′(σ)所选择的函数还可以改换成对于某特定类型的岩层或对于世界上的某特定区域适用的函数形式。例如，对于沙石岩和碳酸盐岩就可以选择不同的函数形式。
参考图14，示出了本发明的在接收器R1和R2的另一侧配置有第二个发射器T2的进一步改进型的一个实施例。特别值得指出的是，这种布置可以用来实现所谓“井孔补偿”作业，即能够将在井孔测量中的不良影响降低到最小的作业方式。具有两个交替运转的发射器的井孔补偿技术已经使用在某些其它类型的测井中，但据申请人所知，在先有技术中还没有将这一技术使用在或者是建议使用在与配置有压紧装置的测井仪器所不同的横向电场电磁传播型测井仪器中。其中的一些原因在上面已经讨论过了。在图14所示的实施例中，可以利用单一的接收器对获得不同的探测深度，并如将要进一步描述的那样，可以采用相应的预防措施以保护其接收信号免受噪音的干扰(特别是由于在其中至少有一个是必须-对井孔补偿布置方式而言-经过其接收器位置的发射器电缆的各导线之间的串馈所产生的噪音的干扰)。
图14中所示的若干个组件的标示号与图2所示实施例中的若干个组件的标示号相类似，一般说来，它们在其功能上如运行方式上也与那些元件相对应。在图14中，发射器T1为上侧发射器，发射器T2为下侧发射器，且接收器R1距发射器T1较近。各发射器通过振荡器211、放大器212、开关1419和阻抗匹配回路220(相对应于发射器T1)和1420(相对应于发射器T2)而被激发。在处理器270控制下工作的开关1419可交替地使发射器T1或T2处于激发状态。在井孔补偿的运行方式中，由在发射器T1处于发射状态期间所获得的相位偏移信号和由在发射器T2处于发射状态期间所获得的相对偏移信号被取其平均值;而由在发射器T1处于发射状态期间所获得的衰减和由在发射器T2处于发射状态期间所获得的衰减也取其平均值。开关1419可以在任一适当的频率，比如说，在10至100Hz的频率范围内的任一频率下工作。对平均值的运算可由处理器270完成(可参见已转让给本申请人的同一受让人的第3849721号美国专利，它给出了用于在井孔补偿系统中取其信号平均值这一运算的硬件程序电路)。其使用井孔补偿技术所产生的影响将在下面从对附图21的描述来给出进一步的讨论。
根据本发明另一个特征，本发明还提供了一种能够利用由图14所示实施例给出的信号的电子井孔测径仪。对于本发明的这一特征的解释将结合图15A和图15B所示的示意图而进行。在图15A中，其上侧发射器正处于发射状态，而下侧发射器处于关闭状态。在这个例子中，假定其井孔直径是从在R1处的2a变化到在R2处的2b。在R1和R2处接收到的信号的相位和振幅分别定义为φ1d、｜S1d｜和φ2d、｜S2d｜。由前述的公式(5b)和(5c)可知，向下的传播波的相位偏移和衰减为φd＝φ2d-φ1d(6)Ad＝20log10(｜S2d/S1d｜) (7)现在参见图15B，其中下侧发射器正处于发射状态，而上侧发射器处于关闭状态。对于这种情况，在R1和R2处接收到的信号的相位和振幅分别为φ1u、｜S1u｜和φ2u、｜S2u｜，则向上的传播波的相位偏移和衰减为φu＝φ1u-φ2u(8)Au＝20log10(｜S1u/S2u｜) (9)因此，其相位偏移不平衡(φI)和衰减不平衡(AI)为φI＝φu-φd(10)AI＝Au-Ad(11)
其相位偏移不平衡和衰减不平衡均随R1和R2之间的井孔直径变化，即随2(b-a)变化。这可以用相对应于波传播通路的“横向波”模型来说明其原理。不难理解，也可以使用某种相对更为复杂的数学分析来说明其原理。向下的传播辐射通路由图15A中的箭头1至5示出，向上的传播辐射通路由图15B中的箭头1′至5′示出。φd为沿通路3和5的相位偏移减去沿通路4的相位偏移后的总和。如果井孔直径保持不变，则通路4和5将产生相等的相位偏移，因而φd将简化为沿通路3所产生的相位偏移。但是在此时，沿通路4和5的相位偏移是不同的，因为它们在泥浆中传播的距离和在岩层中传播的距离是不相等的。类似地，φu是沿通路3′和5′的相位偏移减去沿通路4′的相位偏移后的总和。相对应于通路4和5′的相对应于通路3和3′的和相对应于通路5和4′的相位偏移是分别相等的。因此，φI正比于在通路4和5之间的、随2(b-a)变化而变化的相位偏移的差。
其相位偏移不平衡φI和衰减不平衡AI可以利用平面波传播常数来进行计算。对于其岩层的这一传播常数为(在上述的等式(2)中曾经给出过)Kf= (ω)/(C) ε′f+j 1/(εoωRf) (12)其中ω为角频率，C为真空中光速，ε0为真空中介电常数，ε′f为岩层的电绝缘常数，Rf为岩层的电阻率。对于其泥浆的这一传播常数为
Km= (ω)/(C) ε′m+j 1/(εoωRm) (13)其中ε′m为泥浆电绝缘常数，Rm为泥浆电阻率。则其相位偏移不平衡和衰减不平衡分别为φI＝2(b-a) 180/(π) Real(Kf-Km) (14a)AI＝2(b-a)20log10(e)Imag(Kf-Km) (14b)当Kf和Km不同且已知时，可以由φI和AI来获得井孔直径的变化，即2(b-a)。利用相位偏移不平衡计算出的井孔直径增量的变化为△Dφ= (π)/(180Real(Kf-Km)) φI(15a)而用衰减不平衡计算出的井孔直径增量的变化为ΔDA＝AI/[20log10(e)Imag(Kf-Km)](15b)如果两个接收器均位于如图15A所示的井孔直径梯阶的上侧时，则φI和AI均为零。当两接收器向下移动过其梯阶时，则作为深度函数的φI和AI将能标示出在什么地方井孔直径发生了变化以及其变化量的大小。这就给出了一种可以用来检测，比如说，在井孔中的冲溃或岩洞的存在的“差动测径仪”。
图16示出了一个用于控制其处理器的程序流程图。该程序可以用来获得其相位偏移不平衡φI和/或衰减不平衡AI，并可以用来利用其测定出的不平衡来建立差动井孔测径仪测井记录以及在某些情况下建立井孔测径仪测井记录。
在程序步1611中应给出井孔的初始直径D。这一信号是有用的，它可以给出一相对于可以由差动井孔测径仪给出的其绝对井孔测径数据的参考基点。如果不利用这一信号时，也可以进行有用的差动井孔测径仪的测量。然后进入程序步1613，这个程序步用来对“向上”的传播-即当发射器T2工作时-的信号的值进行存储，进行程序步1614，这个程序步用来对“向下”传播-即当发射器T1工作时-的信号的值进行存储。利用关系式(6)和(8)便可以获得“向下”传播时的相位偏移值φd和“向上”传播时的相位偏移值φu，参见程序步1621所示。分别根据关系式(7)和(9)，可以获得其“向下”方向的衰减Ad和“向上”方向的衰减Au，并将这些值存储起来，这由程序步1623完成。现在可以在程序步1641中利用关系式(10)计算其相位偏移不平衡φI并存储其结果，并可以在程序步1642中根据关系式(11)计算其衰减不平衡AI并存储其结果。随后，可以从相位偏移不平衡中或从衰减不平衡中获得其井孔直径的变化ΔD并存储其结果，这用程序步1671实施。将这一直径变化ΔD加在相对应于先前深度标高处的被定义为Dz-1的直径上，以获得相对应于现时深度标高的直径D，这些工作在程序步1681中完成。然后进入程序步1690，这个程序步表示对下一步测量信号值的等待。深度(或为时间)标示码亦递增为下一个值(在程序步1695中)。然后再一次进入程序步1613中以继续进行处理。不难理解，如果需要的话，其相位偏移不平衡还可以用于岩洞的浅层部分测量，而衰减不平衡还可以用来对其深层部分进行测量。
还可以使用能建立其相位偏移不平衡和其衰减不平衡与其井孔直径变化之间的关系的某一更复杂的数学模型进行上述分析。例如，井下仪器的特殊几何形状、井孔的尺寸和形状、其泥浆和岩层的性质等等均可以包括在其数学模型中和其相应的查找图表中。测径仪型查找图表也可以用实施在井下仪器经过具有梯阶形直径的井孔中移动时测量其φI和AI的实验的方法来建立。
现在将给出另一个具有说明性的例子。假定各天线均位于一直径为6.5英寸的钻铤上，并具有下述的垂直间距T1-R1＝25英寸，R1-R2＝6英寸，R2-T2＝25英寸。还假定发射器发射的电磁波的频率为2MHz。图17示出了对于在图15A和图15B中描述过的那种情况，即井孔直径具有一梯阶形状的那种情况的计算出的相应于φI的响应曲线。其计算计入了井下仪器和井孔的几何形状、泥浆和岩层的电阻率的影响。在这个例子中，其泥浆和岩层的电阻率分别假定为0.1ohm-m和10ohm-m。假定在垂直位置Z＝0英寸处的上侧井孔直径为8.5英寸，而在Z＝0英寸处下侧井孔直径为9英寸、9.5英寸、10.5英寸、11.5英寸、12.5英寸、14.5英寸、16.5英寸，20.5英寸和24.5英寸。由图中可以看到，相对于φI的计算值在Z＝0英寸处取其最大值，它可以用来确定岩洞的边缘，且其计算出的最大值正比于其井孔直径的变化。
图18是由图17中所绘制出的数据构造出的一相位测径曲线图。其中，实线表示的是作为Z＝0英寸时，Rm＝0.1ohm-m和Rf＝10ohm-m的相位偏移不平衡函数的井孔直径变化曲线。作为比较，还用其虚线示出了Rm＝0.1ohm-m和Rf＝1ohm-m的相应的相位测径曲线。其相位测径仪型曲线还可以用一数学公式表示为ΔDφ＝F(φI)ΔZ (16)其中ΔDφ为直径增量，ΔZ为两接收器之间的间距，F(φI)ΔZ为相应于相位测径仪图表的函数。一般说来，F(φI)相对应于Rf仅有一微小的变化，而相对应于Rm则有一较大的变化。因此，在钻井现场的Rm已知时，最好是能参考能从Rm中得出其相应值的查找图表。不仅如此，Rf也可以用这里所描述的电阻率测量方式而得到。
为了获得其差动测径仪型测井记录，可以将测量得到的φ值标入图18中(或由此而构造出的一个查找图表中)，并读取其井孔直径的增量。例如，可假设井下仪器开始时处于8.5英寸的井孔中，而且，若测量得到的值φI＝-42°，则这个值相对应有6英寸的井孔直径的增量。接下来，若测量得到的值φI＝21°，则相对应有3英寸的井孔直径减少。从已知的某一井孔直径开始进行测量，可以使用满相位测径仪图表。但如果不知道的井孔直径初始值，那么，这个图表可以用某一线性函数，例如由图18中短划线所示出的那种线性函数来逼近。对于这种情况，其井孔直径的变化为ΔDφ＝KφI(17)其中K相对应于φI独立变化，比如说，K可以是图18中所示短划线的斜率。
类似的，井孔直径增量也可以由衰减不平衡中获得，尽管如上面已指出的那样，其衰减提供的是较深的测量。图19示出了相对应于Rm＝0.1ohm-m和Rf＝1ohm-m、Rf＝10ohm-m的衰减测径曲线。可以使用已描述过的获得ΔDφ的同样的步骤来从衰减中获得井孔直径的增量ΔDA。在存储了的数据中，差动测径仪测井记录可以以ΔDφ和/或ΔDA的形式示出。
测径仪型测井记录可以用相对于其垂直位置进行叠加或积分的方式从φI和/或AI中来获得(参见图16中的程序步1681)。井孔直径的初始值是需要测知的，这可以从采用具有钻头尺寸的传感器使其几何尺寸已知的某井孔截面信息中获得。例如，可以取焙凝砂岩岩层构造作为其参考基准。由相位测径仪获得的井孔直径为Dφ(Z)=Dφ(ZO)+ (Z)/(ZO) F(φI(Z′))dZ′(18)其中Dφ(Z0)为在Z0处已知的直径，φI(Z′)为作为深度某一函数的测量得出的相位偏移不平衡，F(φI(Z′))为以公式形式示出的相位测径仪查找图表。对于F(φI)的线性近似函数可以使用在上述积分中。
图20示出了对于一在直径为8.5英寸的井孔中的其高为18英寸、直径为16.5英寸的冲馈或岩洞的相位测径仪型测井记录。其中，实线为真实的井孔直径，短划线为利用等式(18)和相对应于F(φI)的线性表达式而计算出的相位测径仪测井记录曲线。对于这一井孔直径所选定的初始值为Dφ(60英寸)＝8.5英寸。
作为基于上述关系式而由计算器模拟出的结果，图21A和图21B示出了一个用于说明使用井孔补偿技术所产生的影响的例子。对于一单一发射器系统，当测井仪器移动过矿床边界时，作为诸如在矿床边缘的能量反射等等因素的作用结果，在处理后的接收器输出中(即Rφ或RA中)通常会出现其“尖峰”。在图21A所示的例子中，该例子示出了一其电阻率为36ohm-m(在已浸入区域为2ohm-m)并由电阻率为10ohm-m的岩层和电阻率为0.2ohm-m的泥浆包围着的3英寸的矿床的情况，其尖峰明显地出现在靠近矿床边界的Rφ中(在图中用短划线示出)。相应的水饱和度为25%。图21B示出了当使用了两个发射器时的井孔补偿技术的布置中所得到的信号Rφ(以较宽的短划线表示)。由图中可以看出，其尖峰已被降低甚至于趋于消除，而且对于Rφ将获得一个对称响应，其给出矿床的电阻率大约为5.5ohm-m。其RA的响应曲线(以较细的短划线表示)亦被视出。它是对称的并具有较深的探测深度，所以它所经历的未浸入的矿床区域更多(而经历的已浸入区域则更少)。它示出的其矿床电阻率大约为13ohm-m。可以看出，RA的测量比Rφ的测量具有更小的垂直分辨力。所以，从RA测量中所得出的矿床边界显得较宽。
紧接下页在图22A和图22B所示的例子中，示出了一个未被浸入的其电阻率为2ohm-m的3英寸的矿床，它相对应于含盐泥浆(电阻率为0.04ohm-m)并为电阻率为5ohm-m的岩层环绕着。对于这种情况，其水饱和度SW为100%。在图22A中(未进行井孔补偿)可以看出其Rφ的响应是不对称的(由较宽的短划线示出)。在图22B中(进行了井孔补偿)，其Rφ(较宽的短划线)和RA(较窄的短划线)的响应都是对称的，而且图中亦示出其Rφ的测量具有更好的垂直分辨力。在相应于矿床中心处，其Rφ的测量值是非常接近于该矿床的实际电阻2.0ohm-m的。井孔补偿技术对于减少由井孔中的岩洞所产生的表观电阻率的测量误差也是有效的。
下面分析对岩洞的测量。浅层的相位测量Rφ对于岩洞有其的响应(一般说来，它可以探测出岩洞中的泥浆的电阻率作为其表观电阻率的一部分)，而深层的衰减测量RA对于岩洞并没有实质意义上的响应，这已由图23A和图23B示出。图23A示出了对于具有一其深度为0.8英寸、宽度为18英寸且Rm＝0.1ohm-m、Rt＝2ohm-m的岩洞的测量结果(未进行井孔补偿)。其测量的Rφ的响应看起来好象是对一个或多个薄层矿床的响应(这也可以从图23B(除已采用了井孔补偿技术外与图23A具有全同的条件)中看出。图23B还示出了RA，但它几乎全部与线2ohm-m重合，其原因在于它对于岩洞没有什么响应)。因此，单独的相位偏移测量(Rφ)并不能良好地区分矿床和岩洞。但用配合观测其衰减测量(RA)是否发生其相应的响应的方式，人们便可以区分开矿床和岩洞。对于实施这一过程的处理器的程序流程将在下面结合附图25进行说明。
除了鉴别矿床的存在之外，还应考虑如何尽可能精确地确定矿床边界。根据本发明的一个特征，本发明指出，两表观电阻率Rφ和RA的交叉部位将会以良好的精度发生在相对应于其矿床的实际边界的位置处。从上面已经看到(即在图22B中)，当测井仪器经过其矿床边界时，RA在从其边缘矿床电阻率上升到薄层矿床电阻率之间的变化是相对缓慢的，而Rφ将在一相对较长时间中一直接近于其边缘矿床电阻率，然后更为突然地变为薄层矿床电阻率。在其RA和Rφ重合处的深度标高就是其交叉点，如图22B所示，这恰好发生在矿床的实际边界处。图24示出了另一个说明用的例子，它存在有一个在一电阻率为5ohm-m的岩层中的其电阻率为36ohm-m的10英尺宽的矿床，且其SW＝25%并使用着含盐泥浆(0.04ohm-m)。其曲线Rφ是以较宽的短划线示出而曲线RA是以较窄的短划线示出。图中表明，其交叉点产生在矿床的实际边界处。
现在还需要的是对岩洞边缘的定位和对其深度的测定。正如上面已讨论过的那样，相位偏移不平衡φI提供着这方面的信号，因为一岩洞的边缘将在其差动井孔测径仪曲线(由φI给出的曲线)上显示为某个尖峰，且其尖峰的高度随该岩洞的深度而变化。
图25示出了用于对其处理器(井上的或井下的)编制的，用以区分岩洞和矿床并用以测定它们的边界位置及其性质的程序流程图。程序步2511用于各参数，比如说在一已知区域的井孔直径。泥浆性质等等的参数的初始值的设定程序步2512用于对由现时深度标高中(或时钟参考信号中)获得的信号进行处理以获得Rφ和RA，这象前述过的，比如说在图9中曾描述过的过程一样。然后进入程序步2515，这一程序步用于对其表观电阻率的变化，即对于某一给定的深度增量，(每一个Rφ和RA的值相对应于同一在先值的变化)进行计算和存储。然后进入判断程序步2525，它分析其Rφ在其接收器内侧间距上的变化是否已超过了某一预定的百分比，比如说5%。这个测验将能测定在Rφ中是否存在有可以用来指示其矿床或岩洞边界的较大的变化。如果这一条件并未满足，则将返回程序步2598，并等待下一组信号的到来。但如果该条件被满足时，则进入判断程序步2528中，它用于分析其Rφ是否在同一方向上有一相临的变化。这个测验并非必须，但是它可以用来实现消除偏差-例如由噪音引起的偏差-的目的。而且一般说来，它并不表示其实际矿床或岩洞的存在。如果这一测验未被满足，则将返回程序步2598，如果这一测验已被满足，则进入判断程序步2530。
如果当已进入判断程序步2530时，Rφ已经具有了一较大变化，则现在将对RA进行分析以区分岩洞和矿床;因此RA对于岩洞并没有较大的响应，但通常对于矿床均有相应的响应，这一点在前面已经说明过。在程序步2530中进行的测验中，将确定其RA在相对应于其接收器内侧间距的距离内的变化是否已超过了某一预定百分比，比如说5%。如果没有，则标示着存在有一岩洞，并进入程序步2550以实施对其岩洞的处理;如果该条件被满足，则标示着存在有一矿床，并进入程序步2570。
相对于其判断程序步2530的判断结果，如果是“否”的话，其后继处理可以以类似于对井孔测径数据处理的方式而完成，后者曾结合附图16而给出过描述。换句话说，岩洞亦可以视为是其井孔直径的某种变化。因此，程序步2550用于根据图16所示的程序对其相位偏移不平衡φI的计算。然后可以以前面已描述过的方法实施(或称继续实施)其井孔测径仪的程序流程以获得并存储值ΔD和DZ，这一步骤由程序步2555完成。
如果程序步2530的测验结果表示存在有矿床的话，则进入程序步2570，以判断在Rφ和RA之间是否存在有交叉。如上所述，矿床的边界就定位在这两种表观电阻率之间的交叉处。其交叉是否存在可以用确定其下述比率的符号的方式来测定〔RA(ZN)-Rφ(ZN)〕/〔RA(ZN-1)〕 (19)如果不存在有交叉点，则这个量为正(因为在所感兴趣的两个依次的深度标高处，不论其两电阻率中的哪一个均比另一个大，其符号都是相同的);而如果存在有交叉点，则分子和分母将具有不同的符号，所以其比率的量为负。如果没有交叉点被指示出，则进入程序步2598。而如果存在有交叉点，则进入程序步2575，这个程序步代表着其内插方法的实施以便精确地确定其交叉点的深度标高。在程序步2575中所使用的内插可利用下述关系式表示出Zboundary=ZN-1- (〔(RA(ZN-1)-Rφ(ZN-1)〕〔(ZN-ZN-1)〕)/(RA(ZN)-Rφ(ZN)-RA(ZN-1)+Rφ(ZN-1)) (20)关系式(20)给出了能确定其值Zboundary的一线性内插，如图25C所示。然后，确定出的交叉点可以作为下一个矿床边界而存储起来。这一步骤如程序步2580所示。然后再次进入程序步2598以继续进行处理。
图26示出了可被利用在图1所示的能在钻井系统中测量装置200的一个实施例，它具有两个发射器并可以用来实施本发明的各种性能。在图26所示的结构中，各天线及相应的电子组件均形成在钻铤2610上的包含有具有一用于通过其钻井流体的中心孔2615的金属园柱体的某一部分上。不难理解，用于使钻井流体通过如58、53、57、56等等部件流动的组件可以是某种穿过其中心孔的组件(配置有一园周型结构的组件)，亦可以是在其中心区域中提供有供其泥浆流动的环状开口型的组件)。
用机加工方法在钻铤2610上加工出来的凹槽2601、2602、2603、2604均应是足够的浅以保持其钻铤的机械完整性。发射器天线T1、接收器天线R1和R2、发射器天线T2中的每一个均包含有一缠绕在位于其相应凹槽(2601至2604)中的绝缘介质上的线圈。正如图27中对某一接收器天线所进一步详细描述的那样，一绝缘材料的，比如说是玻璃纤维环氧树脂的基层2635先形成在其凹槽中，且其线圈缠绕在该绝缘材料中并用更多量的玻璃纤维环氧树脂材料2636复盖住。一橡胶，比如说Vitom型橡胶，的薄层2640复盖着线圈，并起着保护线圈和玻璃纤维以防止水浸入的作用，而水的浸入将会降低线圈的有效性或损坏其绝缘。该橡胶层被布置在凹槽的台肩部位2641处。一防护罩2660，比如说可采用第4536714号美国专利中所描述的那种类型的防护罩亦配置在其凹槽上。该防护罩为园柱体形状的导电金属，且具有沿轴线方向的若干槽缝。这些槽缝允许其所需要的横向电场电磁波通过，但又对其横向磁场分量将会形成有效的屏蔽，不论是对于将进入到或是将发出其线圈的情况(其任一可能的情况)都是如此，因为它为这些分量设置有短接电流通路。在这个实施例中，防护罩配置在凹槽的另一台肩形部分2665中，并用固定用螺旋部件(未示出)来确保其防护罩的定位。另有一橡胶层2668配置在该防护罩的表面下侧并且还填充在防护罩的槽缝中。
在图26所示的实施例中，每一个天线均配置有一形成在钻铤中的附助腔室。这些相对应于T1、R1、R2、T2的腔室是分别用标示号2611、2612、2613、2614示出的。正如图27所示，其每一腔室均具有一可移动的金属压固型帽元件2691。附属于接收器的相应腔室中均包含有信号调节装置(即一平衡-不平衡变换器回路和一前置放大器，这由图27中的短划线方框2695所示出。上述回路相应于图14中的程序步230和231(或为240和241)。对于附属于发射器的腔室，其短划线方框2695示出的组件中将包括有阻抗匹配回路(即一调谐回路)，它相应于图14中的程序步220和1420。各线圈的两个引出端，或为耦合在其上的导线，将通过某种可由市场上买到的压力伺服机构2681合到其各自的腔室中(其中的一个可由图27中看出)。
一压力紧固套2720配置在其钻铤2610的内侧表面上，该套内部的通路2725与每一个腔室相连通并装有许多导线，各导线分别连接着发射器T1和T2、接收器R1和R2，以及探测和处理电子组件58(参见图1)、动力源等等部件。在运行时，用于接收信号的放置放大器和阻抗匹配回路均位于靠近接收器的某一位置处，从而能减少其噪音的干扰，特别是由发射器电缆串馈而产生的噪音干扰。在图26所示的实施例中，另一个压力紧固型部件2609配置在两接收器天线之间，它也与通路2725相连通并包含有开关250和放大器251(参见图14)。
已经结合附图、特别是结合最佳实施例对本发明进行了相应的描述。但本领域的技术人员可以由本发明的实质内容和使用范围中得出种种相应的变型。例如，尽管所描述过的等式是基于在均匀介质中的磁偶极子辐射理论，但所描述的原理可普遍应用于发射或接收一次横向电场的各种天线系统;而且，在计算其相应查找图表时(或实施其相应的处理过程时)，如果需要的话，还可以计入种种附加因素的影响。这些因素可以是，比如说，地下地质的特性，具有特定电阻率的邻近矿床的存在，具有特定电阻率的某一定厚度的泥浆结块的存在，预定的浸入量级，进入仪器的特定几种形状，传感器的尺寸和几何形状等等;还有，其查找图表数据亦可以根据实验基础而进一步加以完善。如此等等，均是不难作到的。
权利要求
1.一种用于测定环绕着井孔的地下岩层电阻率的测井装置，其组件包括有一种用于在井孔中第一位置发射电磁波能量的发射器组件；一种用于在井孔中第二位置和第三位置接收其电磁波能量的接收器组件，所述的第二位置、第三位置与第一位置沿井孔纵向间隔开；一种用于检测在所述的井孔中第二位置和第三位置接收到的电磁能之间的相位偏移的电路；一种用于检测在所述的井孔中第二位置和第三位置接收到的电磁能量之间的衰减的电路；其特征在于所述组件中还包括一种系统，用于测定作为其已检测出的相位偏移的某一函数的、环绕着所述第二位置和第三位置的相对较浅探测深度的岩层的电阻率并且用于测定作为其已检测出的衰减的某一函数的、环绕着所述第二位置和第三位置的相对较深探测深度的岩层的电阻率。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的发射器组件、接收器组件分别包括配置在可以耦合在钻具组件上的测井仪器中的一发射器和第一、第二接收器，从而使得其测井可以在所述的钻具组件处于钻井过程中和处于起落过程中实施。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所产生的电磁能量的频率处于0.1MHz至10MHz的范围内。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的发射器和接收器实质上是垂直的磁偶极子型天线。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的装置包括有以彼此间隔的方式布置的上侧发射器和下侧发射器，并使得具有分别定位于第二位置和第三位置的上侧接收器、下侧接收器的接收器组件以基本上同轴的方式位于所述的上侧发射器、下侧发射器之间;一种用于利用横向电场电磁能交替激发所述的上侧发射器和下侧发射器的控制器;一种用于检测在上侧发射器被激发时由下侧接收器接收到的电磁能相对应于其由上侧接收器接收到的电磁能的电特性中的至少一个的和用于检测在下侧发射器被激发时由上侧接收器接收到的电磁能相对于其由下侧接收器接收到的电磁能的电特性中的至少一个的并用于分别产生其相应的第一和第二输出信号的系统;一种用于测定作为包含在第一和第二输出信号中的某一量的函数的岩层性质的处理器。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括有一耦合在所述的测井装置上的、用于记录当所述的测井装置通过其井孔移动时所测定出的电阻率以便能获得作为所述的井孔深度的某一函数的电阻率的计数的记录器;和一种用于比较已测定出的两电阻率的并用于当由已检测出的相位偏移中测定出的电阻率存在有某一变化而由已检测出的衰减中测定出的电阻率并未存在有相应的变化时产生一个相对应于井孔岩洞的指示的比较器。
7.如权利要求6所示的装置，其特征在于还包括有一种用于确定在由相位偏移中测定出的电阻率和由衰减中测定出的电阻率之间的、其数值可以作为矿床边界的标示参数的交叉点的处理器。
8.如权利要求5所示的装置，其特征在于所述的用于检测其在上侧发射器被激发时的电磁能的至少一个电特性的系统是检测在由下侧接收器接收到的电磁能和由上侧接收器接收到的电磁能之间的相位偏移并从中产生一上侧相位偏移输出信号;所述的用于检测其在下侧发射器被激发时的电磁能的至少一个电特性的系统是检测在由上侧接收器接收到的电磁能和由下侧接收器接收到的电磁能之间的相位偏移并从中产生一个下侧相位偏移输出信号;并包括有一个处理器，用于处理所述的上侧相位偏移输出信号和所述的下侧相位偏移输出信号以产生一标示着在所述的接收器区域中的井孔几何尺寸的变化的相位偏移不平衡信号。
9.如权利要求5所述的装置，其特征在于用于检测其在上侧发射器被激发时的电磁能的至少一个电特性的所述系统是检测在由下侧接收器接收到的电磁能和由上侧接收器接收到的电磁能之间的衰减并从中产生一上侧衰减输出信号;用于检测其在下侧发射器被激发时的电磁能的至少一个电特性的所述系统是检测在由上侧接收器接收到的电磁能和由下侧接收器接收到的电磁能之间的衰减并从中产生一下侧衰减输出信号;并包含有一个处理器，用于处理所述的上侧衰减输出信号和所述的下侧衰减输出信号以产生一标示着在所述的接收器区域中的井孔几例尺寸的变化的衰减不平衡。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于它还包括有一个可在井孔中移动的常规细长园筒形外壳，其上面的所述接收器组件是与所述的发射器组件空间纵向分离的;位于所述处壳上的第一腔室和第二腔室，所述的腔室分别相邻于其第二位置或其第三位置，并均具有至少一个穿过外壳到达其相应的接收天线的传输通路，所述腔室中的每一个均包含有一能通过所述的传输通路与其相应的接收天线相耦合的信号调节装置。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于包括有一个可在井孔中移动的常规的细长园筒形外壳，在其上面具有至少一个发射天线和分别位于第二位置、第三位置处的、配置在所述外壳上的第一接收天线和第二接收天线;其中所述的每一个天线均包括有一个形成在所述外壳上的凹槽，布置在所述凹槽中的绝缘材料，一个缠绕在所述凹槽上的线圈，一个复盖着所述线圈和绝缘材料的防水绝缘层，和一个复盖在所述绝缘层上面的开有槽缝的防护罩。
12.一种用于测定环绕着一井孔的地下岩层电阻率的方法，其步骤包括在井孔中第一位置发射电磁波能;在井孔中第二位置和第三位置接收其电磁波能，所述的第二位置和第三位置与第一位置在沿井孔纵向依次间隔开;检测在所述的井孔中第二位置和第三位置接收到的电磁能之间的相位偏移;检测在所述的井孔中第二位置和第三位置接收到的电磁能之间的衰减;其特征在于测定其作为已检测出的相位偏移某一函数的、环绕着所述的第二位置和第三位置的相对较浅的探测深度的岩层电阻率，测定其作为已检测出的衰减的某一函数的、环绕着所述的第二位置和第三位置的相对较深的探测深度的岩层电阻率。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于比较已测定出的、作为其井孔深度的某一函数的两个电阻率，并由这两个已测定出的电阻率的交叉点数据中测定其岩层矿床边界。
14.如权利要求12所述的用于测定环绕着一井孔的地下岩层电阻率的方法，其特征在于设置一个可通过井孔移动的测井仪器，该测井仪器具有彼此间隔分开的上侧发射器和下侧发射器和在这两发射器之间的上侧接收器和下侧接收器;用电磁能交替激发所述的两个发射器;检测在上侧发射器被激发时由所述两个接收器接收到的电磁能之间的相位偏移和衰减;检测在下侧发射器被激发时由两个接收器接收到的电磁能之间的相位偏移和衰减;测定作为已检测出的两个相位偏移的某一函数的、环绕着各接收器的相对较浅的探测深度的岩层的电阻率;测定作为已检测出的两个衰减的某一函数的、环绕着各接收器的相对较深的探测深度的岩层的电阻率。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于所产生的电磁能的频率处于0.1MHz至10MHz的范围内。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述的方法是在所述井孔的钻井过程中实施的。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于比较已测定出的两个电阻率，并且，当由已检测出的相位偏移中测定出的电阻率存在有某一变化，而此时由已检测出的衰减中测定出的电阻率并不存在一相应的变化时，产生一个相应于井孔岩洞的指示。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于从井孔中彼此间隔开的上侧发射器位置处交替地发射电磁能;在位于两发射器位置之间的、彼此间隔开的上侧接收器位置处和下侧接收器位置处接收其所述的电磁能;检测在上侧发射器位置进行发射时在下侧接收器位置处接收的电磁能和在上侧接收器位置处接收到的电磁能之间的相位偏移，并从中产生一上侧相位偏移输出信号;检测在下例发射器位置进行发射时在上侧接收器位置处接收到的电磁能和在下侧接收器位置处接收到的电磁能之间的相位偏移，并从中产生一下例相位偏移输出信号;产生一个相对于所述的上侧相位偏移输出信号和所述的下侧相位偏移输出信号的相位偏移不平衡信号，所述的相位偏移不平衡信号标示着在所述的接收器位置的区域中的井孔几何尺寸的变化。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于从井孔中彼此间隔开的上侧发射器位置处和下侧发射器位置处交替地发射电磁能;在位于两发射器位置之间的、彼此间隔开的上侧接收器位置处和下侧接收器位置处接收其所述的电磁能;检测在上侧发射器位置处进行发射时在下侧接收器位置处接收到的电磁能和在上侧接收器位置接收到的电磁能之间的衰减，并从中产生一个上侧衰减输出信号;检测在下侧发射器位置处进行发射时在上侧接收器位置处接收到的电磁能和在下侧接收器位置处接收到的电磁能之间的衰减，并从中产生一下侧衰减输出信号;产生一个相对于所述的上侧衰减输出信号和所述的下侧衰减输出信号的衰减不平衡信号，所述的衰减不平衡信号标示着在所述的接收器位置的区域中的井孔几何尺寸的变化。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于从井孔中彼此间隔开的上侧发射器位置处和下侧发射器位置处交替地发射横向电场电磁能;在位于两发射器位置之间的彼此间隔开的上侧接收器处置处和上侧接收器位置处接收电磁能;检测在上侧发射器位置处进行发射时在下侧接收器位置处接收到的电磁能相对于其在上侧接收器位置处接收到的电磁能的电特性中的至少一个，并从中产生一个第一输出信号;检测在下侧发射器位置处进行发射时在上侧接收器位置处接收到的电磁能相对于其在下侧接收器位置处接收到的电磁能的电特性中的至少一个，并从中产生一个第二输出信号;测定作为包含在第一和第二输出信号中的某一量的函数的岩层的性质。
全文摘要
公开了一种可用于测定在不同的径向探测深度处的岩层电阻率的测井技术和方法，它比先有技术具有更好的精度，并还可用于测定矿床和岩洞的存在、位置及其性质，测定井孔几何尺寸的变化。
文档编号G01V3/30GK1033673SQ8810744
公开日1989年7月5日 申请日期1988年10月29日 优先权日1987年10月30日
发明者布赖恩·克拉克, 杰克·曾特, 马丁·卢玲, 迈克尔·罗斯 申请人:施卢默格海外有限公司