專利名稱：用于通過導(dǎo)電井眼套管測量地球地層電阻率的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及地球地層電阻率測量裝置的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于從導(dǎo)電管或?qū)щ娞坠軆?nèi)測量地層電阻率的井眼儀器。
背景技術(shù)：
在確定被測地球地層的特性的領(lǐng)域中，對地球地層的電阻率測量是已知的。所關(guān)注的特性包括地球地層的孔隙的流體含量。該領(lǐng)域已知的井眼電阻率測量裝置通常要求通過鉆透地球地層開鉆井眼來露出地球地層，并要求該地層保持暴露于井眼，使得可以從露出的地層內(nèi)進行測量。
當井眼完全鉆透所關(guān)注的地球地層時，往往將鋼管或鋼套管插入并在井眼內(nèi)的適當位置處接合以保護地球地層、防止地下地球地層之間的水力流通并提供井眼的機械完整性。鋼套管是高度導(dǎo)電的，因而使得難以使用常規(guī)(所謂的“開孔”)技術(shù)來從鋼管或鋼套管內(nèi)確定各種地球地層的電阻率。
在該領(lǐng)域中已知的是，從導(dǎo)電套管或管內(nèi)進行用于確定地球地層電阻率的測量。大量文獻公開了用于進行這種測量的技術(shù)。公開了用于從導(dǎo)電套管內(nèi)確定地球地層電阻率的各種裝置和方法的文獻列表包括USSR inventor certificate no.56052，filed by Alpin，L.M.(1939)，entitled，The method for logging in cased wells；USSR inventorcertificate no.56026，filed by Alpin，L.M.(1939)，entitled，Process of the electrical measurement of well casing；U.S.patentno.2,459,196，to Stewart，W.H.(1949)，entitled，Electricallogging method and apparatus；U.S.patent no.2,729,784 issued toFearon，R.E.(1956)，entitled，Method and apparatus for electricwell logging；U.S.patent no.2,891,215 issued to Fearon，R.E.(1959)，entitled，Method and apparatus for electric well logging；French patent application no. 72.41218，filed by Desbrandes，R.and Mengez，P.(1972)，entitled，Method &Apparatus for measuringthe formation electrical resistivity In wells having metal casing；International Patent Application Publication no.WO 00/79307 A1，filed by Benimeli，D.(2002)，entitled，A method and apparatus fordetermining of a formation surrounding a cased well；U.S. patentno.4,796,186 issued to Kaufman，A.A.(1989)，entitled，Conductivity determination in a formation having a cased well；U.S.patent no.4,820,989，issued to Vail，III，W.(1989)，entitled，Methods and apparatus for measurement of the resistivity ofgeological formation from within cased boreholes；U.S. patent no.4,837,518 issued to Gard et al.(1989)，entitled，Method andApparatus for measuring the electrical resistivity of formationthrough metal drill pipe or casing；U.S.patent no.4,882,542issued to Vail，III，W.(1989)，entitled，Methods and apparatusfor measurement of electronic properties of geological formationsthrough borehole casing；U.S.patent no.5,043,668 issued to Vail，III，W.(1991)，entitled，Methods and apparatus for measurementof electronic properties of geological formations through boreholecasing；U.S.patent no.5,075,626 issued to Vail，III，W.(1991)，entitled，Electronic measurement apparatus movable in a casedborehole and compensation for casing resistance differences；U.S.patent no.5,223,794 issued to Vail，III，W.(1993)，entitled，Methods of apparatus measuring formation resistivity from withina cased well having one measurement and two compensation steps；U.S.patent no.5,510,712 issued to Sezginer et al.(1996)，entitled，Method and apparatus for measuring formation resistivityin cased holes；U.S.patent no.5,543,715 issued to Singer et al.(1996)，entitled，Method and apparatus for measuring formationresistivity through casing using single-conductor electricallogging cable；U.S.patent no.5,563,514 issued to Moulin(1996)，entitled，Method and apparatus for determining formationresistivity in a cased well using three electrodes arranged in aWheatstone bridge.U.S.patent no.5,654,639 issued to Locatelliet al.(1997)，entitled，Induction measuring device in the presenceof metal walls；U.S.patent no.5,570,024 issued to Vail，III，W.(1996)，entitled，Determining resistivity of a formation adjacentto a borehole having casing using multiple electrodes andresistances being defined between the electrodes；U.S.patent no.5,608,323 issued to Koelman，J.M.V.A.(1997)，entitled，Arrangement of the electrodes for an electrical logging system fordetermining the electrical resistivity of subsurface formation；U.S.patent no.5,633,590 issued to Vail，III，W.(1997)，entitled，F(xiàn)ormation resistivity measurements from within a cased well usedto quantitatively determine the amount of oil and gas present.U.S.patent no.5,680,049 issued to Gissler et al.(1997)，entitled，Apparatus for measuring formation resistivity through casinghavinga coaxial tubing inserted therein；U.S.patent no.5,809,458issued to Tamarchenko (1998)，entitled，Method of simulating theresponse of a through-casing resistivity well logging instrumentand its application to determining resistivity of earth formations；U.S.patent no.6,025,721 issued to Vail，III，W.(2000)，entitled，Determining resistivity of a formation adjacent to a boreholehaving casing by generating constant current flow in portion ofcasing and using at least two voltage measurement electrodes；U.S.patent no.6,157,195 issued to Vail，III，W.(2000)，entitled，F(xiàn)ormation resistivity measurements from within a cased well usedto quantitatively determine the amount of oil and gas present；U.S.patent no.6,246,240 B1 issued to Vail，III，W.(2001)，entitled，Determining resistivity of formation adjacent to a borehole havingcasing with an apparatus having all current conducting electrodeswithin the cased well；U.S.patent no.6,603,314 issued toKostelnicek et al.(2003)，entitled，Simultaneous currentinjection for measurement of formation resistance through casing；and U.S.Patent No.6,667,621 issued to Benimelli，entitled，Methodand apparatus for determining the resistivity of a formationsurrounding a cased well。
引用了相關(guān)技術(shù)的美國專利申請公報包括no.2001/0033164 A1，filed by Vinegar et al.，entitled，F(xiàn)ocused through-casingresistivity measurement；no.2001/0038287 A1，filed by Amini，Bijan K.，entitled，Logging tool for measurement of resistivitythrough casing using me tallic transparencies and magnetic lensing；no.2002/0105333 A1 filed by Amini，Bijan K.，entitled，Measurements of electrical properties through non magneticallypermeable metals using directed magnetic beams and magnetic lenses.and no.2003/0042016 A1，filed by Vinegar et al.，entitled，Wireless communication using well casing。
以下對上述技術(shù)進行簡要的總結(jié)。美國專利No.2,459,196描述了一種在包套的井眼中進行測量的方法，其中，使電流沿導(dǎo)電套管流動，使得一些電流會“泄漏”到周圍的地球地層中。電流泄漏量與地球地層的電導(dǎo)率有關(guān)。該專利No.2,459,196未公開用于針對套管內(nèi)的電不均質(zhì)性對測量進行校正的任何技術(shù)。
美國專利No.2,729,784公開了這樣一種技術(shù)使用3個電勢電極來建立與井眼套管相接觸的兩個相對的電極對。使電流在通過被置于電勢電極的上方和下方的兩對電流電極的兩個相對“回路”中流動，從而抵消了套管中的電不均質(zhì)性效應(yīng)。在這兩個電極對上的電壓降與進入地球地層的泄漏電流有關(guān)。美國專利No.2,891,215中的公開內(nèi)容包括被置于專利No.2,729,784所公開的裝置的多個測量電極之間的電流發(fā)射極，以提供用于完全補償泄漏電流的技術(shù)。
美國專利No.4,796,186公開了非常頻繁地用于通過導(dǎo)電套管來確定電阻率的技術(shù)，該技術(shù)包括測量進入地球地層的泄漏電流，并公開了如下內(nèi)容測量沿套管的被測量了泄漏電流同一部分流動的電流，以針對沿該套管的電阻率變化補償對泄漏電流的測量。其他文獻描述了對通過套管測量電阻率的基本技術(shù)的各種擴展和改進。
可以如下總結(jié)在該領(lǐng)域中已知的用于通過套管來測量電阻率的方法。將一儀器下降到井眼中，該井眼具有至少一個位于儀器(A)上的電極，將該儀器(A)布置成在套管中的不同深度處與套管相接觸。將套管電流返回電極B布置在套管的頂部并與該套管相連。將地層電流返回電極B*布置在距井眼一定距離處的地面處。對以下數(shù)據(jù)進行記錄從井眼中不同深度處的電極A首先流到套管頂部處的電極B、然后流到地層返回電極B*的電壓降和電流。使用通過套管(A-B)的電流和電壓降，來針對套管中的不均質(zhì)性效應(yīng)校正對經(jīng)過地層(A-B*)的電壓降和電流的測量。
如果地球和套管都是均質(zhì)的，則對于沿套管的電壓降深度和通過套管和地層的電壓降的記錄將大致為線性的。如在該領(lǐng)域中所公知的，套管(即使套管是新的)具有不均質(zhì)性，這種不均質(zhì)性是由于結(jié)構(gòu)容差、部件容差、甚至是由于用于將套管的多個段相互連接的“套環(huán)”(螺紋連接件)而導(dǎo)致的。當然，地球地層是完全不均質(zhì)的，通常電阻率更大的地層是地下勘探的目標，因為這些地球地層往往與石油的存在有關(guān)，而更導(dǎo)電的地層往往與孔隙中的所有原生水的存在有關(guān)。因此，在使用該領(lǐng)域中已知的技術(shù)來確定套管外的地球地層電阻率的過程中所關(guān)注的是關(guān)于深度的電壓降記錄的擾動。
地球地層的電導(dǎo)率與從套管泄漏出來進入到地層中的電流的量有關(guān)。當電流在A與B*之間流動時，關(guān)于深度的地層電導(dǎo)率通常與沿A-B的電壓降關(guān)于深度的二階導(dǎo)數(shù)有關(guān)。典型地，使用與套管相接觸地布置的最少3個軸向相隔開來的電極來測量電壓降的二階導(dǎo)數(shù)，將這些電極耦合到級聯(lián)差動放大器，最終耦合到電壓測量電路。已證實有用的對基本方法的改進包括這樣的系統(tǒng)其沿套管建立小的軸區(qū)，在該軸區(qū)中基本上沒有電流沿套管本身流動，以降低套管的不均質(zhì)性對泄漏電流壓降的測量的影響。
在實踐上，在該領(lǐng)域中已知的儀器和方法要求該儀器從井眼內(nèi)的固定位置進行測量，這使得要花很大量的時間來測量由典型井眼所穿透的所關(guān)注的地層。此外，測量的電壓降很小，因此受到用于進行電壓降測量的電子系統(tǒng)噪聲的限制。此外，本領(lǐng)域中已知的用于提供無電流區(qū)或用于提供測量電壓降的已知電流值的系統(tǒng)通常是模擬系統(tǒng)，因此受到這種模擬系統(tǒng)的準確度的限制。
再者，在本領(lǐng)域中已知的是使用低頻交流電(AC)來感生沿著套管并且在地球地層中流動的電流。使用AC來消除當使用連續(xù)直流電(DC)時由于套管和電極的電極化而導(dǎo)致的誤差。典型地，必須將AC的頻率限制在大約0.01到20HZ，以消除由介電效應(yīng)和趨膚效應(yīng)(skin effect)導(dǎo)致的測量誤差。在該領(lǐng)域中已知的還有使用極性切換DC進行通套管(through casing)電阻率測量，這消除了極化問題，但是在切換DC極性時可能導(dǎo)致測量中的瞬變效應(yīng)誤差。使用在本領(lǐng)域已知的系統(tǒng)不容易解決瞬變效應(yīng)和低頻AC誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是一種用于從鉆透地球地層的井眼內(nèi)側(cè)的導(dǎo)電管內(nèi)測量地球地層電阻率的儀器。該儀器包括首尾相連的多個殼體，這些殼體適合于穿過井眼。在各殼體上布置有至少一個電極。各電極適合于被布置成與管內(nèi)部相電接觸。該儀器包括電流源、數(shù)字電壓測量電路以及切換器。該切換器被布置成把該電流源連接在所述多個電極中的一個與電流返回之間，并將其布置成把選定電極對連接到數(shù)字電壓測量電路，該電流返回位于管頂部位置和位于距管頂部選定距離處的靠近地面的位置中的一個可選位置處。選擇該電極對以進行與地球地層中的選定軸向間距和選定橫向深度對應(yīng)的電壓測量。
該儀器的一個實施例包括聚焦電流源，通過所述切換器將該聚焦電流源耦合到選定電極對，以將測量電流限制為按靠近儀器的橫向向外路徑流動。
該儀器的一個實施例包括位于所述多個殼體中的一個或更多個上的支持臂和被布置在包括有該支持臂的多個殼體中的一個或更多個中的地震接收器。
本發(fā)明的另一方面是一種用于從鉆透地球地層的井眼內(nèi)部的導(dǎo)電管內(nèi)測量地球地層電阻率的方法。根據(jù)本發(fā)明的這一方面的方法包括將首尾相連的多個殼體插入到管內(nèi)選定深度處。將各殼體上的至少一個電極布置成與管內(nèi)側(cè)相電接觸。使來自測量電流源的電流穿過該多個電極中的至少一個電極進入管中。在該多個電極中的一個與電流返回之間切換來自測量電流源的返回，該電流返回位于管頂部位置和位于距管頂部選定距離處的靠近地面的位置中的一個可選位置處。在選定電極對上對電壓進行數(shù)字測量。選擇該電極對以進行與地球地層中的選定軸距和選定橫向深度相對應(yīng)的電壓測量。
通過以下說明和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點將變得顯見。


圖1示出了正在包套的井眼中使用的根據(jù)本發(fā)明的示例電阻率測量通套管裝置；圖2更詳細地示出了圖1的示例裝置的電路系統(tǒng)；圖3A到3C示出了用于進行根據(jù)本發(fā)明的通套管電阻率測量的電流波形的不同示例；圖4示出了用于通過包括電流聚焦系統(tǒng)的導(dǎo)電管來測量電阻率的示例儀器；圖5示出了包括位于探測器心軸上的可選電極陣列的裝置的另選實施例；圖6示出了諸如圖4所示的儀器的操作流程圖，該儀器適應(yīng)于根據(jù)基于模型的儀器響應(yīng)來自動優(yōu)化對電極使用的控制；
圖7示出了一種用于通過包括中央控制單元和多個“衛(wèi)星”單元在內(nèi)的導(dǎo)電管測量電阻率的系統(tǒng)；圖8示出了如圖7中的包括一個或更多個中央控制單元和衛(wèi)星單元中的地震接收器的實施例；圖9示出了用于與導(dǎo)電套管的內(nèi)表面進行電接觸的電極的一個實施例；圖10示出了圖9所示的電極的剖視圖；圖11示出了一種用于對電極與導(dǎo)電管之間的接觸質(zhì)量進行估測的系統(tǒng)；圖12示出了用于評價管內(nèi)表面狀況的裝置的一個示例的附加部分。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了用于從井眼內(nèi)測量地球地層電阻率的測井(well logging)儀器的一個實施例，其中井眼內(nèi)具有導(dǎo)電管或?qū)щ娞坠?。儀器10可以包括探測器或類似的心軸型殼體18。優(yōu)選地，殼體18由不導(dǎo)電材料制成，或者在其外表面上具有這種不導(dǎo)電材料。殼體18適合于可以通過本領(lǐng)域已知的任何測井儀器運送工具將殼體18插入井眼14并從井眼14抽回殼體18。在本示例中，該運送工具可以是由絞盤28伸長和收回的鎧裝電纜16?？梢允褂迷擃I(lǐng)域中已知的其他傳送工具，包括盤管(coiled tubing)、鉆管(drill pipe)、生產(chǎn)管(production tubing)等等。因此，無意用傳送工具限制本發(fā)明的范圍。
井眼14鉆透了在22、24以及26處示意性地示出的各種地球地層。在鉆進了井眼14之后，將導(dǎo)電管12或套管插入井眼14中。如果管12是套管，那么典型地在井眼14內(nèi)的適當位置將套管12接合，但是對于儀器10的操作來說接合管或套管并不是必需的。盡管根據(jù)被插入并接合到所鉆進的井眼中的“套管”描述了圖1所示的實施例，但是應(yīng)當理解也可以與根據(jù)本發(fā)明的儀器一起使用其他類型的導(dǎo)電管，如鉆管、盤管、生產(chǎn)管等。在一個具體示例中，管12而非套管可以是已伸入井眼14中的鉆管，于是將儀器10下降到鎧裝電纜16上的所伸入的鉆管中，以進行稍后要進一步闡述的測量。
鎧裝電纜16包括一個或更多個絕緣導(dǎo)電體(未單獨示出)，并被布置成將電力傳導(dǎo)給置于井眼14中的儀器10。使用電纜16上的導(dǎo)電體可以從被置于地面上的記錄單元30傳導(dǎo)電力，并可以將來自儀器10的信號發(fā)送給記錄單元30。記錄單元30還可以用于記錄和/或解釋從井眼14中的儀器10發(fā)送到記錄單元30的信號。記錄單元30可以包括電源32，該電源32用于進行用于確定各種地球地層22、24、26的電阻率的測量。在本說明書中，將用于使得可以進行與地層電阻率相對應(yīng)的測量的任何電源都稱為“測量電流源”。電源32也可以僅用于為儀器10中的各種儀器和控制電路(在圖1中整體地以20示出)提供電力。以下參照圖2進一步闡述由儀器中的各種電路提供的功能。
再參照圖1，在距井眼14的選定距離處的地面上設(shè)置有測量電流返回電極34B*。典型地，將測量電流返回電極34B*插入靠近地面的地層中，以為由井眼14穿透的地球地層22、24、26提供導(dǎo)電路徑。具體地說，測量電流返回電極34B*提供了流過地球地層22、24、26的電流路徑，用于電測量從位于儀器10上的源電極A流動的電流。如圖1所示，可以將電流返回電極34B*連接到記錄單元30中的電路35B*，或者另選地可以將其連接到電纜16中的所述多個導(dǎo)電體(未單獨示出)中的一個。套管電流返回電極34B(被示出為連接到管或套管12的頂部)提供了用于對使得從位于儀器10上的電流源電極A流到套管12的頂部的電流進行電測量的返回路徑?？梢詫⑻坠茈娏鞣祷仉姌O34B耦合到記錄單元30中的電路35B，也可以將其耦合到電纜16中的多個導(dǎo)體(未示出)中的一個，以返回到儀器10中的電路20。
儀器10包括在軸向相隔開的多個位置處、在探測器心軸18上布置的多個電極(在A、P0到P6處所示)。通過布置在探測器心軸18的外部或形成探測器心軸18的非導(dǎo)電材料將電極A、P0-P6相互電絕緣。使電極A、P0-P6中的每一個在機械和電方面適合于與套管12進行良好的電接觸。在該領(lǐng)域中已知各種類型的套管接觸電極，其包括刷、液壓致動“針(spike)”、針輪以及類似裝置。將電極A、P0-P6分別耦合到儀器10中的電路20的選定部分。
在儀器10被鎧裝電纜傳送時該儀器10進行操作的過程中，由絞盤28伸長電纜16，使得將儀器10放置在井眼14中的選定深度處。通過在位于電流路徑的一端處的源電極A與位于電流路徑另一端處的套管返回電極34B或地層返回電極34B*之間進行選擇性連接，使電力通過套管12并通過地球地層22、24、26。對基準電勢電極(如圖1的電極P0所示)與一個或更多個電勢測量電極(圖1的P1-P6)之間的電壓進行測量。根據(jù)所用電極的類型(例如，刷或針接觸輪)，在某些實施例中可以使儀器10在正在進行測量時沿井眼14緩慢移動。其他類型的電極(如液壓致動針)可能要求儀器10在任何一個測量序列中基本上保持靜止。隨著電壓測量的進行，無論儀器10是靜止還是移動的，都從井眼14逐漸收回儀器10，直到使用套管電流返回電極34B和地層電流返回電極34B*對井眼14的選定部分(包括所關(guān)注的地層22、24、26)進行了與這些部分相對應(yīng)的電壓測量。
圖2更詳細地示出了電路20的一個實施例。電路20的本實施例可以包括中央處理器(CPU)50，該CPU 50可以是預(yù)編程微計算機或可編程微計算機。在本實施例中，CPU 50適合于用于從由記錄單元(圖1的30)向遙測收發(fā)器和電源單元48發(fā)送的格式化遙測信號中檢測控制命令。遙測收發(fā)器48還執(zhí)行以下兩種功能對由CPU 50傳送的數(shù)據(jù)信號進行格式化，以沿電纜導(dǎo)體16A發(fā)送到記錄單元(圖1的30)；和對沿導(dǎo)體16A發(fā)送的電力進行接收和調(diào)整，以由電路20的各種部件來使用。當由遙測收發(fā)器48檢測到命令信號并將該命令信號傳給CPU 50時，還可以由這種命令信號對CPU 50進行再編程。該再編程例如可以包括改變用于進行前述壓降測量的測量電流的波形。在其他示例中，再編程還可以包括改變測量電流的幅值，并可以包括改變壓降測量的采樣率。下面將參照圖4到6對再編程的其他形式進行闡述。
盡管圖2所示的實施例包括電遙測收發(fā)器48，但是應(yīng)當清楚地明白，可以將光遙測用于某些實施例，在這種實施例中，遙測收發(fā)器48將包括該領(lǐng)域中已知的合適的光電傳感器和/或發(fā)送裝置。在這種實施例中，電纜16應(yīng)當包括用于傳導(dǎo)這種遙測信號的至少一條光纖。在授權(quán)給Rafie等人的美國專利No.5,495,547中公開了鎧裝電纜的一個實施例，在該鎧裝電纜中包括用于進行信號遙測的光纖。其他實施例可以使用光纖來將電操作電力從記錄單元30發(fā)送給儀器10?？梢詫⒃赗afie等人的該專利No.5,495,547中所公開的電纜或類似光纖光纜用于這種其他實施例以通過光纖向儀器發(fā)送電力。
CPU 50可以在其初始編程中包括用于使地球地層(圖1的22、24、26)和套管(圖1的12)通電以確定地球地層(圖1的22、24、26)的電阻率的各種電流波形的數(shù)字表示(或者可以由再編程遙測信號對其進行這種編程)。該數(shù)字表示包括與要通過地層和套管傳導(dǎo)的電流的頻率成分、波形和幅值有關(guān)的信息?？梢詫⒃摂?shù)字表示傳給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)42，該DAC 42根據(jù)該數(shù)字表示來生成模擬信號。然后將DAC 42的模擬信號輸出傳給功率放大器44的輸入。將功率放大器44的輸出連接在電流源電極A與開關(guān)47之間。開關(guān)47受CPU 50的控制。開關(guān)47在套管返回電極B與地層返回電極B*或在其他電極布置的其他電流電極之間變換與功率放大器44的另一輸出端子的連接。另選地，可以將功率放大器44的另一輸出端子連接到一個或更多個電纜導(dǎo)體(16A或其他導(dǎo)電體)，并可以在記錄單元(圖1的30)內(nèi)在套管返回與地層返回之間執(zhí)行切換。此外，另選例從電路20中略去了DAC 42和功率放大器44，并使用記錄單元(圖1的30)中的電源(圖1的32)和電纜(圖1的16)中的合適的導(dǎo)體(未示出)來提供測量電流和切換特征。在后一示例實施例中，可以通過使用一個或更多個電纜導(dǎo)體(如圖2的16A)來將測量電流傳給源電極A。
在本實施例中，可以在電勢基準電極P0與多個電勢測量電極P1-P6中的選定的一個之間進行電壓測量?？梢杂啥嗦窂?fù)用器(MUX)40控制該多個電壓測量電極的所述一個(在任何時刻從這一個電壓測量電極進行測量)，可以由CPU 50控制該MUX 40。將MUX 40的輸出連接到低噪聲前置放大器或放大器38的輸入。將前置放大器38的輸出耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)36。ADC 36可以是西格馬德耳塔轉(zhuǎn)換器(sigma delta converter)、逐次逼近寄存器或在本領(lǐng)域中已知的任何其他模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，優(yōu)選地，該ADC 36可以提供至少24位分辨率的輸入信號。從ADC 36輸出的數(shù)字信號表示基準電極P0與MUX選擇的一個電勢測量電極P1-P6之間的測量電勢。使用如圖2所示的MUX 40和單個信號前置放大器38的一個可能的優(yōu)點在于無論詢問哪個電壓測量電極P1-P6以確定相對于電極P0的電勢降，電壓測量電路的模擬部分都大致相同。因此，可以降低或消除由前置放大器38的響應(yīng)差導(dǎo)致的測量誤差。優(yōu)選地，ADC 36是能夠準確地分辨表示小至一個納伏(1×10-9伏特)的電壓差的測量結(jié)果的24位裝置。另選地，可以將各測量電極P1-P6耦合到各電極P1-P6的分立前置放大器(圖中未示出)的一個輸入端子，由此從模擬輸入電路去除了MUX 40。
可以將表示電壓測量的數(shù)字字從ADC 36傳給CPU 50，以包括在到記錄單元(圖1的30)的遙測中。另選地，CPU 50可以包括它自己的存儲器或其他存儲裝置(未單獨示出)，該存儲器或其他存儲裝置用于存儲所述數(shù)字字，直到從井眼(圖1的14)移除了儀器(圖1的10)為止。在某些實施例中，ADC 36的抽樣率在數(shù)千赫茲(kHz)的范圍內(nèi)，這樣既在每電流波形周期提供了很大數(shù)量的電壓信號抽樣(優(yōu)選地，至少一千個)，還能夠在把所切換的DC用作電流源來進行電阻率測量時對瞬變效應(yīng)進行抽樣。在這種實施例中，所切換的DC的切換頻率可以在大約0.01到20Hz的范圍內(nèi)，由此使得ADC 36能夠在所切換的DC的每個周期內(nèi)進行優(yōu)選的至少一千次(或多達數(shù)千次)的電壓測量抽樣。
在本實施例中，ADC 36基本上連續(xù)操作，以提供針對各電流源波形周期的相對較大數(shù)量的數(shù)字信號抽樣。在本實施例中，ADC 36的這種基本上連續(xù)的操作可以提供對電壓測量中的任何DC偏壓進行精確、即時的確定的優(yōu)點。必須考慮這種DC偏壓，以根據(jù)電壓測量來精確地確定地層電阻率。在本領(lǐng)域中已知的基本上不連續(xù)地操作電壓測量裝置的系統(tǒng)中，需要通過其他裝置確定DC偏壓。例如，參見授權(quán)給Rueter等人的美國專利No.5,467,018。
通過從CPU 50或其他存儲裝置(未示出)向DAC 42傳導(dǎo)波形數(shù)值，可以生成如上所述的測量電流波形。下面參照圖3A到3C，對尤其適合于進行通套管(或通導(dǎo)電管)電阻率測量的幾種類型的電流波形進行闡述。圖3A是功率放大器(圖2的44)的電流輸出隨時間變化的曲線圖。圖3A的電流波形60是低頻(0.01到20Hz)方波，可以通過使用所切換的DC或者通過向DAC(圖2的42)傳導(dǎo)表示這種波形的適當數(shù)字來生成該低頻方波。圖3A的波形60是周期性的(這意味著在選定時間范圍內(nèi)該波形具有基本恒定的頻率)，并具有100％的“占空比”(這意味著基本上在所有的時刻都流動有電流)。
在圖3B的60處示出了另一可能的電流波形。圖3B的電流波形是隨機頻率方波或偽隨機頻率方波，同樣具有100％的占空比。與前一實施例(圖3A)相同，通過從CPU(圖2的50)向DAC(圖2的42)傳導(dǎo)適當?shù)臄?shù)字字，可以生成圖3B所示的電流波形的實施例。隨機切換具有防止了混疊或與周期數(shù)據(jù)抽樣相關(guān)的其他不利效應(yīng)的優(yōu)勢。
在圖3C的60處示出了另一可能的波形。圖3C的電流波形60是具有小于100％占空比的周期方波?？梢愿鶕?jù)時間間隔(62處所示，在該時間間隔中沒有電流流動)推導(dǎo)出小于100％的占空比。與前一實施例(圖3A)相同，通過從CPU(圖2的50)向DAC(圖2的42)傳導(dǎo)適當?shù)臄?shù)字字，可以生成圖3C所示的電流波形的實施例。使用小于100％的占空比可以具有這樣的優(yōu)勢在所測得電壓降足夠大從而可以減少所測量的電壓抽樣數(shù)量的情況下會節(jié)省電力。通過在切斷電流之后的短時間間隔中測量各種電極(圖1的P0與P1-P6之間)之間的電壓降，使用小于100％的占空比還使得可以確定某些瞬態(tài)效應(yīng)。這種感生電勢(IP)效應(yīng)可能與地球地層(圖1的22、24、26)孔隙內(nèi)的流體成分有關(guān)。通過把沒有電流62的時段用作測量基準，使用小于100％的占空比還使得可以更好地確定任何DC偏壓。
通過使用圖2所示的CPU/DAC組合可以生成的電流波形并不限于圖3A、3B以及3C所示的上述多個示例。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的，通過向DAC(圖2的42)傳導(dǎo)合適的數(shù)字字，可以生成基本上任何頻率和波形類型，包括例如正弦波形。在某些實施例中，可以將數(shù)字字存儲在CPU(圖2的50)中。在其他實施例中，可以通過電纜(圖1的16)將數(shù)字字本身或用于激活選定波形數(shù)字字的命令從記錄單元(圖1的30)發(fā)送給儀器(圖1的10)。在其他實施例中，該波形可以是偽隨機二進制序列(PRBS)。
再次參照圖2，某些實施例可以包括一個或更多個以下特征將程序編寫到CPU 50中，或?qū)⒊绦蚓帉懙接涗泦卧?圖1的30)中的地面計算機中。某些實施例可以包括對在一個或更多個電極對上(P0與P1-P6中的任何一個之間)進行的電壓測量進行自動編輯。例如，如果特定數(shù)字電壓抽樣表示選定范圍以外的數(shù)字，那么可以舍棄該抽樣，可以將一內(nèi)插值寫入CPU 50中的存儲器或把它發(fā)送給記錄單元(圖1的30)以替代偏離的(outlying)抽樣值。另選地，如果電壓測量不隨著P0與各種測量電極P1-P6之間的間距的增大而單調(diào)增大，那么可以舍棄該異常的電壓抽樣；對其進行插值或不將其直接寫入存儲器。其他實施例可以包括在井眼中的大致相同的深度堆疊與同一電極對(P0與P1-P6中的任何一個之間)相對應(yīng)的電壓測量字，以顯著提高測量的信噪比。
再次參照圖1，其他實施例可以包括永久安裝電極陣列，如在圖1的套管16內(nèi)側(cè)的A和P0到P6處所示?？梢詫㈦娎|或類似裝置用于從靠近含油儲層(例如，圖1的地層24)的選定深度處的井眼14內(nèi)側(cè)電連接到地面。可以在井眼14的生命期中的多個選定時刻進行測量以確定水接觸(圖1中未示出)隨時間的移動。在這種電極A、P0-P6的永久布置中，可以將電路20置于地面處，或者可以正如本文先前描述的電纜傳送儀器那樣將電路20置于井眼14中。
可以按許多不同的方式執(zhí)行對儀器的操作，這里將闡述其中幾種方式。在常規(guī)測量模式中，可以將儀器10移動到井眼14中的要進行測量的選定深度處。首先，通過CPU(圖2的50)的內(nèi)部程序設(shè)計或通過首先從記錄單元(圖1的30)發(fā)送的命令來對電路20進行操作，以使得能夠測量由完全沿套管12流動的電流所導(dǎo)致的電壓降。為了進行套管電壓降測量，將功率放大器(圖2的44)連接在位于儀器10上的電流源電極A與被耦合到地面處的套管(圖1的12)的頂部的套管電流返回電極34B之間。然后在P0與P1到P6中的任何一個或更多個之間進行電壓測量。然后對功率放大器(圖2的44)的輸出進行切換，以返回地面處的測量電流返回電極34B*處的測量電流。在P0與P1到P6中的相同電極之間進行另一組電壓測量。然后可以將儀器10沿井眼14移動一選定軸向距離，從而可以重復(fù)所述測量過程?？梢园言赑0與P1到P6中的任何一個或更多個之間測得的電壓差值在數(shù)學上轉(zhuǎn)換成測得的電壓降相對于井眼14的深度的二階導(dǎo)數(shù)。這種二階導(dǎo)數(shù)值與隨深度變化的進入地球地層22、24、26的電流泄漏有關(guān)，因此與地層22、24、26中的每一個的電導(dǎo)率有關(guān)。具有優(yōu)勢的是，大致如圖1和2所示地構(gòu)造的儀器不需要測量在多個級聯(lián)差動放大器(所有這些級聯(lián)差動放大器都是模擬的)上的電壓降以確定電壓降相對于深度的二階導(dǎo)數(shù)。
通過設(shè)置聚焦電流系統(tǒng)以在軸向上限制測量電流通過各種地球地層的流動，可以改進根據(jù)本發(fā)明的儀器性能。圖4示意性地示出了包括聚焦電流系統(tǒng)的示例儀器。在授權(quán)給Fearon的美國專利No.2,729,784中描述了圖4所示的示例儀器的測量原理，通過引用將其并入于此。圖4的儀器包括被置于沿儀器心軸或殼體(圖1的18)的多個選定位置處的電極陣列。這些電極可以在機械和電的結(jié)構(gòu)方面類似于以上參照圖1所述的電極。將這些電極調(diào)整成與井眼(圖1的14)中的管或套管(圖1的12)相電接觸。
圖4的實施例中的電極包括兩對聚焦電流電極(示于B1A、B1B和B2A、B2B處)，這兩對聚焦電流電極大致等間隔地布置在中央測量電流源電極M0的軸向的任一側(cè)。將基準電勢測量電極R1A、R1B以及R2A、R2B分別布置在各聚焦電流電極對B1A、B1B；B2A、B2B與測量電流源電極M0之間。將各聚焦電流電極對B1A、B1B和B2A、B2B分別連接到對應(yīng)的聚焦電流功率放大器44A、44C的輸出。在本實施例中，通過利用對應(yīng)DAC42A、42C的輸出驅(qū)動各功率放大器44A、44C，來生成聚焦電流?？梢詫⒏鱀AC 42A、42C連接到總線或到CPU 50的其他類似數(shù)據(jù)連接。如以上參照圖2闡述的實施例中的那樣，圖4所示的實施例可以包括由CPU 50存儲或解釋的數(shù)字字，該數(shù)字字表示待由各功率放大器44A、44C來生成并傳導(dǎo)到套管(圖1的12)的聚焦電流波形。在其他方面中，可以控制的波形方面包括幅值、相位、頻率以及占空比。
將各對基準電勢測量電極R1A、R1B和R2A、R2B耦合到相應(yīng)的低噪聲前置放大器38A、38B或與參照圖2所描述的前置放大器類似的低噪聲放大器的輸入端子。將各低噪聲前置放大器38A、38B的輸出耦合到ADC42A、42B。將ADC 42A、42B的輸出耦合到總線或到CPU 50。在本實施例中，優(yōu)選地，ADC 42A、42B是與參照圖2描述的ADC類似的24位分辨率裝置。在本實施例中，分別在各對基準電勢電極R1A、R1B以及R2A、R2B之間進行電勢差測量。CPU 50接收表示分別在各基準電極對R1A、R1B以及R2A、R2B之間測得的電勢的數(shù)字字。可以通過CPU 50控制各功率放大器44A、44C輸出的聚焦電流的幅值，使得分別在各對基準電勢電極R1A、R1B以及R2A、R2B之間測得的電勢基本上等于零。CPU 50例如通過改變功率放大器44A、44B的輸出的幅值或占空比或同時改變這兩者，使得能夠進行這種調(diào)節(jié)?？梢葬槍β史糯笃?4A、44B中的任何一個或兩個來改變幅值和/或占空比。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會想到用于改變或調(diào)節(jié)各聚焦電流功率放大器44A、44C的功率輸出的其他方法。進行這種聚焦電流幅值調(diào)節(jié)以分別在基準電極R1A、R1B以及R2A、R2B之間保持大致零電勢的目的是為了確保在套管(圖1的12)內(nèi)存在這樣的區(qū)域，即，其中沿著套管在任一向上或向下方向上基本上沒有凈電流流動。
圖4的實施例可以包括數(shù)字控制測量電流源。在本實施例中，該源包括被耦合到總線或到CPU 50的測量電流DAC 42B。通過將波形字傳給DAC 42B生成了測量電流，該DAC 42B將該字轉(zhuǎn)換成驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號用于在其輸入處被耦合到DAC 42B的輸出的測量電流功率放大器44B?？梢詫y量電流功率放大器44B的測量電流輸出耦合到測量電流源電極M0，并可以在地面處、返回電極34B*處或另選地在套管電流返回34B處返回該測量電流輸出。在測量電流源電極M0的兩側(cè)布置有測量電勢電極M1A、M1B。將每個測量電勢電極M1A、M1B以及源電極M0都耦合到相應(yīng)的測量電勢低噪聲放大器38B、38C的輸入。將各測量電勢低噪聲放大器38B、38C的輸出耦合到相應(yīng)的ADC 36B、36C，其中，把表示在各對測量電勢電極M1A、M0以及M1B、M0之間測得的電勢值的數(shù)字字傳給CPU 50以進行處理。優(yōu)選地，測量電勢ADC 44B也是24位分辨率裝置。套管外部的地球地層的電阻率與測量電勢電極之間的電勢和測量電流的幅值有關(guān)。可以按與參照圖2的實施例所闡述的方式基本上類似的方式控制測量電流的波形、頻率以及占空比。
如圖4所示的系統(tǒng)的可能優(yōu)點包括與先前可能的相比可以更準確地控制聚焦電流特性，使得對測量電極M1A、M1B之間的電勢的測量更準確。
圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的儀器的另一實施例。該儀器包括按軸向間隔開的多個位置布置在儀器殼體18上的電極陣列。將這些電極表示為A、B、P、O、N以及M。通過被表示為“控制單元”50A(可以將其引入以形成在設(shè)計上與圖2的CPU 50相似的控制器的一部分)的切換系統(tǒng)將這些電極耦合起來?？刂茊卧?0A選擇將哪個電極耦合到哪個或選定的電路。該電路包括電流源52。該電流源52可以是數(shù)字合成器，并可以包括DAC和功率放大器(未單獨示出)。該電路可以包括電壓(或電勢)測量電路51，該電壓測量電路51可以包括如參照圖2所闡述的低噪聲前置放大器和ADC(未單獨示出)。該電路還可以包括電壓反饋單元53，該電壓反饋單元53可以在結(jié)構(gòu)上類似于參照圖4所闡述的聚焦電流源。
為了執(zhí)行各種類型的測量，圖5所示的儀器可以選擇要施加給所述多個電極中的選定電極和選定電極對的測量電流源和聚焦電流源，并選擇要在這些電極和電極對之間進行的電壓測量。在下表中闡述了各種測量模式的示例和用于在各模式中進行測量的電極。

在上表中，“電流源和返回電極”欄表示被耦合到測量電流源52的電極。在如“在電極之間測得的電勢”欄中表示的電極對之間進行電勢測量。
根據(jù)本發(fā)明的儀器(其包括經(jīng)合適地編程的CPU(圖2的50))的各種結(jié)構(gòu)可以提供對各種電極的選擇的基本實時自動控制，這種選擇的目的如以上參照圖4所闡述的那樣，即，選擇電壓測量電極的軸向間距、提供給各種聚焦電極的聚焦電流的間隔和數(shù)量。圖6示出了一通用流程圖，其示出了被編程為執(zhí)行上述功能的系統(tǒng)的一個示例。在70處，初始配置的電極、電流源以及電壓測量電路分別發(fā)出測量電流、聚焦電流以及進行電壓測量?？梢杂上到y(tǒng)操作員設(shè)置初始配置，或者對初始配置進行預(yù)編程。預(yù)編程或操作員選擇的初始配置可以基于在其他參數(shù)中的諸如各種地球地層的期望厚度和各種地球地層的期望電阻率等的參數(shù)。在71處，測量至少一對電壓測量電極的電壓。在包括基準電勢電極的結(jié)構(gòu)中(如參照圖4所闡述的)，還可以測量這種基準電勢。在72處對測得的電壓進行分析。該分析可以包括確定沿套管的電壓降的大小以確定套管電阻率，并可以包括確定進入地層的泄漏電流的電壓降。該分析可以包括針對不是基本上等于零的基準電勢測量來確定極化方向。在75處，將該分析用于確定所獲得的響應(yīng)是否表示一組穩(wěn)定的地層電阻率計算。如果響應(yīng)是穩(wěn)定的，則在77處將該電壓測量用于確定地層電阻率，典型地，如上所述，通過確定(針對進行測量的位置附近的套管電阻率變化經(jīng)校正后的)泄漏電流的大小相對于深度的二階導(dǎo)數(shù)來確定地層電阻率。
在73處，可以將電壓測量用于建立在靠近儀器(圖1的10)的井眼(圖1的14)的外部周圍的電阻率分布的模型。例如，在以下文獻中公開了用于確定地球地層模型的方法U.S.patent no.5,809,458issued to Tamarchenko(1998)，entitled，Method of simulating theresponse of a through-casing resistivity well logging instrumentand its application to determining resistivity of earthformations。在74處，該模型經(jīng)受靈敏度分析。通過合適的靈敏度分析，在76處可以將該模型用于確定聚焦電流電極的最優(yōu)布置。如果確定的最優(yōu)聚焦電流電極布置與最初或當前配置不同，則在79處改變該配置，并在78處改變聚焦電流參數(shù)以為該模型提供最優(yōu)靈敏度響應(yīng)。
圖7示意性地示出了可用于勘探相對較長的電極間軸向跨距和較短軸向跨距的不同實施例。圖7的實施例包括多個“衛(wèi)星”或輔助儀器單元(通示在62處)，通過多個電纜段17將它們相互軸向地耦合起來。在具體實現(xiàn)中可以使用任何數(shù)量的輔助單元62。每個輔助單元62可以包括一個或更多個如上所述地制作的電極，并將它們調(diào)整成與套管(圖1的12)相電接觸。每個輔助單元62可以包括如參照圖2所闡述的那樣配置的一個或更多個電流源，和同樣如參照圖2所闡述的那樣配置的一個或更多個電壓測量電路。電纜段17的長度并非是對本發(fā)明的范圍的限制，但是，認為電纜段的長度典型地約為1到1.5米。
可以將輔助單元62沿軸向布置在中央控制單元60的兩側(cè)，并將其電連接到中央控制單元60。中央控制單元60可以包括在配置上與參照圖2所闡述的CPU類似的中央處理器?？刂茊卧?0可以對各種輔助單元62進行操作以使其充當測量電流或聚焦電流中的任何一個或兩個的電流源電極和/或電流返回電極，這些電流如參照圖4所闡述的那樣。也可以將輔助單元62上的各種電極配置成對如參照圖4所闡述的那樣的測量電流和聚焦電流中的任何一個或兩個進行電壓測量。在某些實施例中，中央控制單元60本身可以包括一個或更多個電流源(未單獨示出)和一個或更多個電壓測量電路(未單獨示出)。中央控制單元60還可以包括在配置上與參照圖2所闡述的收發(fā)器類似的遙測收發(fā)器，將該遙測收發(fā)器適合于按選定遙測格式向地面發(fā)送測量信號并且通過電纜16從地面接收命令信號。另選地，控制單元60可以包括如參照圖2所闡述的那樣的記錄裝置，該記錄裝置用于存儲測量結(jié)果，直到從井眼(圖1的14)收回儀器。
在某些示例中，例如，通過選擇最內(nèi)的輔助單元(軸向上最接近控制單元60的輔助單元)以提供聚焦電流源電極并且選擇最外的輔助單元62(軸向上最遠離控制單元60的輔助單元)以提供聚焦電流返回電極，可以將圖7所示的實施例電子地配置成在跨很長軸向跨距上提供聚焦電流。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的，聚焦電流的這種長軸向跨距可以提供測量電流的相對較大的徑向(橫向)的“勘探深度”，這是因為這種測量電流被限制為在橫向上流動比當聚焦電流跨過較小的軸向跨距時要大的距離。
圖7所示的控制單元60/輔助單元62結(jié)構(gòu)的可能的優(yōu)點是可以通過中央控制單元60對各種電極選擇性地進行配置并且電子地進行再配置，以對導(dǎo)電管外部的地球地層電阻率進行大范圍不同徑向深度和軸向分辨率的測量。更具體來說，通過中央控制單元60中的電路可以對各輔助單元62上的一個或更多個電極之間的電連接進行獨立的尋址。盡管可以想像將圖7所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計成適于單個延伸的儀器殼體，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，由揉性電纜段17互連的一組軸向更短的單元(60、62)更容易被插入井眼并從井眼收回，尤其是在井眼不是基本上垂直的或包括具有相對較高的軌跡曲率的位置(“死彎(dog leg severity)”)。
圖8示出了另一實施例。圖8的實施例包括如參照圖7的實施例所闡述的那樣配置的中央控制單元60，并包括同樣如參照圖7的實施例所闡述的那樣配置的多個輔助單元62。通過電纜段17將輔助單元62首尾相連地相互連接起來并連接到中央控制單元60。通過電纜16或在本領(lǐng)域中已知的其他傳送工具可以將整個陣列的輔助單元62和中央控制單元60傳送到井眼中或從井眼傳送出來。
在本實施例中，中央控制單元60和輔助單元62中的任何一個或更多個可以包括被置于殼體內(nèi)的地震接收器SR。優(yōu)選地，該包括地震接收器SR的一個或更多個單元的殼體包括可選擇性地延伸的支持臂63，該支持臂63用于促使各殼體與管或套管(圖1的12)的內(nèi)表面相接觸。所述地震接收器可以是單個傳感器元件(未單獨示出)，或者可以是沿不同敏感軸布置的多個傳感器元件。該傳感器元件可以是地震檢波器、加速儀或在本領(lǐng)域中已知的任何其它地震感測裝置。在授權(quán)給Kennedy等人的美國專利No.5,438,169中示出了用于支持臂63的致動機構(gòu)以及地震傳感器的合適結(jié)構(gòu)，通過引用將其并入于此。優(yōu)選地，其中具有地震接收器SR的所述一個或更多個單元包括這樣的電路(未單獨示出)，即，其用于把由所述一個或更多個感測元件檢測到的信號轉(zhuǎn)換成適當格式化的遙測數(shù)據(jù)，以按選定遙測格式將其記錄在中央單元60中并且/或者將其發(fā)送到地面。
在操作中，可以將圖8的實施例移動到井眼中的選定深度，并可以延伸一個或更多個支持臂63以促使相關(guān)聯(lián)的單元的殼體與套管相接觸。可以按選定時間致動被置于地面處的地震能量源65，并記錄由一個或更多個地震接收器SR檢測到的信號(針對源65的致動時間被索引)以進行解釋。按井眼中的不同選定深度可以重復(fù)對支持臂63的延伸、對源65的致動以及對信號的記錄。
類似地，當把所述陣列置于井眼中的多個選定深度中的每一個深度處時，在進行地震數(shù)據(jù)記錄的同時，可以通過使用一個或更多個輔助單元62來對電壓降和電流幅值進行測量。根據(jù)在所述多個單元60、62中的每一個上使用的電極類型，還可以在將該陣列在井眼中移動的同時進行電壓測量。
盡管圖8所示的實施例包括位于中央控制單元60和輔助單元62中的每一個中的地震接收器SR和支持臂63，但是應(yīng)當清楚地明白，所述多個單元60、62中的任何一個或更多個可以包括地震接收器和支持臂。
如圖8所示在所述多個單元60、62中的每一個中使用支持臂63的可能的優(yōu)點在于每個支持臂63都可以起到以下兩個作用提供了單元殼體與套管之間的良好的機械接觸，以增強它們之間的聲耦合；和提供了支持力，使得可以促使電極(見圖2)與套管內(nèi)部穩(wěn)固地相接觸，以增強它們之間的電接觸。如圖8所示地配置的組合通套管電阻率測量和井孔地震儀器可以提供在操作過程中節(jié)省大量時間的優(yōu)點，這是因為可以在將儀器插入到井眼中的單次插入中進行了地震勘測和電阻率測量兩者。在使用傳送工具(例如，井牽引機或鉆管)而非重力的情況下，這種時間節(jié)省會很顯著。
圖8所示的實施例還可以在中央控制單元60和輔助單元中的一個或更多個中包括重力傳感器(通示于G處)。該一個或更多個重力傳感器G可以是全重力場傳感器，或差分重力傳感器。例如，在授權(quán)給Orban的美國專利No.6,671,057中公開了合適類型的重力或差分重力傳感器。例如在對地下儲層進行流體位移監(jiān)測時，可以使用如圖8所示地配置的包括電阻率傳感器、重力傳感器以及地震傳感器的儀器。
圖9示出了用于與套管內(nèi)部相電接觸的電極系統(tǒng)的一個示例。該電極系統(tǒng)包括被耦合到儀器殼體18的外表面的電絕緣層90。將多條彈性的導(dǎo)電導(dǎo)線90機械地耦合到絕緣層92，以從殼體18和絕緣層92的外部向外橫向伸出。該多條導(dǎo)線90全都相互電接觸。優(yōu)選地，導(dǎo)線90由抗腐蝕、高強度和“類彈簧的”合金制成，并具有這樣的長度，即，使得由導(dǎo)線90橫穿過的自由直徑比待勘探井眼中的管或套管(圖1的14)的期望最大內(nèi)徑要稍大。由此可以促使導(dǎo)線90與管或套管的內(nèi)部相擦或相刮地接觸。盡管有些導(dǎo)線90可能沒有穿透管內(nèi)部上存在的垢(scale)、沉淀物或腐蝕，但是有些導(dǎo)線90可能穿透了這些層并因此提供了與管或套管的良好的電接觸。
圖10示出了導(dǎo)線90的能夠相互電接觸并與殼體內(nèi)表面絕緣的一種可能的結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)線90接合到導(dǎo)電基板92B。通過下絕緣層92A將基板92B與殼體(圖9的18)的外表面絕緣?？梢詫⑸辖^緣層92C覆蓋在基板92B的外表面上，以防止殼體(圖9的18)與基板92B之間的電接觸。由此，導(dǎo)線90用作位于基板92B和絕緣層92A、92C的位置處的單個電極。
圖11示出了用于估測可延伸/可收回型電極與管內(nèi)表面之間的接觸質(zhì)量的系統(tǒng)的一個實施例。通過被置于液壓缸100中的活塞102來延伸并收回圖11的電極106。另選地，可以使用螺線管或其他類似的電磁裝置來延伸和收回電極106。通過0形環(huán)100等將本實施例中的活塞102相對于缸100密封起來。在靠近電極106的接觸末梢處設(shè)有絕緣心軸114，該絕緣心軸114包括電磁發(fā)射機天線110和電磁接收機電線112。天線110、112可以是線圈。將發(fā)射機線圈110耦合到交流(AC)108的源。優(yōu)選地，交流源108具有這樣的頻率，即，選擇該頻率以使得在接收機線圈112中感生的電壓和線圈110、112與管或套管14之間的距離有關(guān)。通過被耦合到接收器線圈112的電壓測量電路116確定該電壓。此外，將電阻測量電路(其可以是直流(DC)型，或優(yōu)選地是AC型)電耦合在電極106與管14之間?？梢栽诘孛嫣庍M行管連接，或者通過儀器(圖1的10)上多個電極中的不同電極進行管連接。當由電壓測量電路116檢測到的電壓保持穩(wěn)定(這表示電極106不再向管14移動)并且由電阻電路118測得的電阻達到最小時，確定電接觸的質(zhì)量。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的，有時井眼中的管的內(nèi)部狀況是這樣的確實難以或者甚至不可能在儀器上的電極與導(dǎo)電管之間提供充分的電接觸。大量的操作時間可能耗費在試圖在這樣的管段中進行這種電連接，即，這些段被相當程度地損壞或被覆蓋在礦物和/或烴類沉積物中，因此使得電接觸很差。根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個實施例可以包括一個或更多個類型的井眼成像裝置，以輔助系統(tǒng)操作員確定井眼管的任何特定部分是否可能無法提供用于良好電接觸的足夠基礎(chǔ)。圖12示出了井眼成像子系統(tǒng)的一個示例。成像子系統(tǒng)7可以包括其中示出的井眼壁面成像裝置的多個實施例中的任何一個或所有實施例。在某些實施例中，可以將成像子系統(tǒng)7和附加的成像子系統(tǒng)中的一個包含在一個或更多個輔助單元62中、中央單元60中，或包含在諸如圖1所示的單殼體系統(tǒng)中。
可以將成像子系統(tǒng)7包含這樣的殼體中，即，在該殼體內(nèi)具有常規(guī)力和載荷承載部分122、聲透明和/或光透明窗口部分120。在透明窗口部分120中可以包括光視頻攝像機134和超聲換能器(ultrasonictransducer)132，可以將光視頻攝像機134和超聲換能器132中的任何一個或兩個耦合到馬達130，該馬達130用于使攝像機134和換能器132旋轉(zhuǎn)以使得可以對管的整個內(nèi)周進行成像?？梢詫z像機134和換能器132的輸出耦合到常規(guī)信號處理電路128，優(yōu)選地，將該信號處理電路128置于殼體122中。
殼體的一部分可以包括一個或更多個電絕緣接觸墊124，通過在124A處通示的可延伸臂和鏈接將電絕緣接觸墊124耦合到殼體122。鏈接124A可以是在本領(lǐng)域中已知的任何類型，其用于從殼體122向外橫向延伸墊或接觸裝置。所述一個或更多個墊124中的每一個可以包括多個間隔開的電極126，用于在它們之間或參照選定的電勢點(如殼體122)進行流電電阻(galvanic resistance)測量。在授權(quán)給Dory等人的美國專利No.5,502,686中公開了用于形成井眼(包括管)的內(nèi)表面的電圖像和超聲波圖像的成像裝置，通過引用將其并入于此。在授權(quán)給Gendron等人的美國專利No.5,134,471中公開了用于在井眼中使用的視頻成像裝置，通過引用也將其并入于此。根據(jù)本發(fā)明的通管電阻率測量裝置的各種實施例可以包括圖12所示的多個成像系統(tǒng)中的任何一個或更多個、或全部。
在操作過程中，系統(tǒng)操作員可以觀察由圖12所示的一個或更多個成像系統(tǒng)進行的測量視覺表示，例如通過圖形打印或視頻顯示的表示。如果系統(tǒng)操作員確定井眼的特定部分可能難以建立良好的電接觸，則操作員可以將儀器(圖1的10)布置到井眼的不同部分。另選地，可以針對井眼中的深度對由一個或更多個成像系統(tǒng)進行的測量進行記錄，同時進行如本文先前所闡述的電勢測量。然后可以將圖像表示與電勢測量組合使用，以評估該電勢測量是否更可能表示管外部的地球地層的真實電阻率，或者這種電勢測量是否更可能在材料方面受到管內(nèi)部狀況的影響。通過提供一種用于解決不明確的測量(其中懷疑管的狀況對電勢測量有影響)的方法，這種成像因而可以改進解釋結(jié)果的質(zhì)量。
盡管已針對有限數(shù)量的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是受益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解可以設(shè)計出不脫離這里所公開的本發(fā)明范圍的其他實施例。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當僅由所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于從鉆透地球地層的井眼內(nèi)側(cè)的導(dǎo)電管內(nèi)對該地層的電阻率進行測量的儀器，該儀器包括首尾相連的多個殼體，所述多個殼體被調(diào)整成穿過所述管的內(nèi)部；位于各殼體上的至少一個電極，各電極被布置成與所述管的內(nèi)部電相接觸；電測量電流源；至少一個數(shù)字電壓測量電路；以及至少一個切換器，該切換器被布置成將所述電測量電流源連接在所述多個電極中的一個與電流返回之間，并且被布置成把選定電極對連接到數(shù)字電壓測量電路，該電流返回位于所述管頂部的位置和位于距所述管頂部選定距離處的靠近地面的位置中的一個可選位置處，選擇該電極對以進行與地球地層中的選定軸向距離和選定橫向深度相對應(yīng)的電壓測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，還包括聚焦電流源，其中，所述切換器被布置成將選定電極對連接到該聚焦電流源，該聚焦電流源的輸出是可控制的，以限制在所述多個電極中的一個與靠近地面的返回之間流動的電流，使其流到在所述井眼橫向附近的基本從所述井眼橫向向外的路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述數(shù)字電壓測量電路包括至少24位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)化器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中，該模數(shù)轉(zhuǎn)化器具有是用于對所述至少一個電流源電極進行通電的電流的頻率的至少一千倍的抽樣率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述測量電流源包括數(shù)字波形合成器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述測量電流源被調(diào)整成生成切換直流電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述測量電流源被調(diào)整成生成具有小于100％的占空比的切換直流電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述測量電流源被調(diào)整成生成具有選定頻率和波形的交流電。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述測量電流源被調(diào)整成生成偽隨機二進制序列。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儀器，其中，所述聚焦電流源是可控制的，以在基準電勢電極對之間保持選定電壓降，通過所述切換器將該基準電勢電極從所述多個電極可選擇地耦合到所述數(shù)字電壓測量電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述數(shù)字電壓測量電路被調(diào)整成通過基本上連續(xù)地進行操作來確定在所述多個電極上存在的直流偏壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述多個殼體中的至少一個包括支持臂，用于選擇性地促使所述多個殼體中的至少一個與所述管的內(nèi)部相接觸；和地震接收器，用于檢測來自地震源的地震信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述多個殼體中的每一個在其中包括支持臂，用于選擇性地促使所述殼體與所述管的內(nèi)部相接觸；和地震接收器，用于檢測來自地震源的地震信號，各殼體上的所述至少一個電極被調(diào)整成在所述多個殼體中的每一個被促使與所述管的內(nèi)部相接觸時，所述至少一個電極與所述管相電接觸。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其還包括被布置在所述多個殼體的一個中的至少一個重力傳感器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，位于所述多個殼體中的至少一個上的所述至少一個電極包括多條橫向延伸的、彈性的、導(dǎo)電導(dǎo)線，所述多條導(dǎo)線相互電接觸并與所述多個殼體中的至少一個絕緣，所述多條導(dǎo)線橫穿過比所述管的最大期望內(nèi)徑大的自由直徑。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的儀器，其中，所述多條導(dǎo)線被接合到導(dǎo)電基板。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，還包括用于將所述多個電極中的至少一個從所述殼體橫向地向外延伸的裝置，電阻測量電路被可操作地耦合在該至少一個電極與所述管之間；電磁發(fā)射機天線和電磁接收機天線，被布置在所述至少一個電極的接觸端附近；被電耦合到所述發(fā)射機天線的交流電源；以及被電耦合到所述接收機天線的接收機電路，由此通過對所測得的電阻與由所述接收機電路檢測到的電壓進行比較，可以確定接觸質(zhì)量。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，還包括至少一個成像裝置，該成像裝置被調(diào)整成生成所述管內(nèi)表面的至少一部分的視覺外觀的表示。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的儀器，其中，所述成像裝置包括超聲波成像器、電成像器以及光成像器中的一個。
20.一種用于從鉆透地球地層的井眼內(nèi)部的導(dǎo)電管內(nèi)測量地球地層電阻率的方法，該方法包括以下步驟將首尾相連的多個殼體插入到管內(nèi)側(cè)的選定深度處；使各殼體上的至少一個電極被布置成與所述管的內(nèi)部相電接觸；使來自測量電流源的電流通過所述多個電極中的至少一個電極流進入所述管中；在所述多個電極中的一個與電流返回之間切換來自所述測量電流源的返回，所述電流返回位于所述管的頂部位置和位于距所述管的頂部選定距離處的靠近地面的位置中的一個可選位置處；以及在選定電極對之間對電壓進行數(shù)字測量，所述電極對被選擇以進行與地球地層中的選定軸向距離和選定橫向深度相對應(yīng)的電壓測量。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟通過所述選定電極對來切換聚焦電流源，并且控制該聚焦電流源的輸出，以限制來自所述測量電流源的電流在所述多個電極中的被切換到的那一個電極與靠近地面的返回之間流動，使得該電流流到在所述井眼橫向附近的基本上從所述井眼橫向向外的路徑。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，按至少24位分辨率來執(zhí)行所述電壓的數(shù)字測量步驟。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，以如下的抽樣率來執(zhí)行所述數(shù)字測量步驟，該抽樣率是用于對被切換到所述電流源的所述至少一個電極進行通電的電流的頻率的至少一千倍。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述測量電流是數(shù)字合成的。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述數(shù)字合成步驟包括合成生成切換直流電。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述切換直流電具有小于100％的占空比。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述數(shù)字合成步驟包括生成具有選定頻率和波形的交流電。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述數(shù)字合成步驟包括生成偽隨機二進制序列。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括以下步驟對所述聚焦電流源進行控制，以在基準電勢電極對之間保持選定電壓降，所述基準電勢電極是從所述多個電極可切換地選擇出的。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟通過對所述多個電極上的電壓進行基本上連續(xù)的數(shù)字測量，確定在所述多個電極上存在的直流偏壓。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟選擇性地促使所述多個殼體中的至少一個與所述管的內(nèi)部相接觸，并且檢測源自地震能量源的地震能量。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟測量電流的電特性和電磁特性，這些特性與所述多個電極中的至少一個與所述管的內(nèi)部之間的電接觸和物理接近程度有關(guān)。
33.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟測量與所述管內(nèi)部的視覺外觀有關(guān)的特性，以確定所述多個電極與所述管之間的電接觸的可能性。
34.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述測量所述特性的步驟包括超聲波成像、電成像以及光成像中的一個。
全文摘要
用于通過導(dǎo)電井筒井眼套管測量地球巖層地層電阻率的系統(tǒng)。公開了一種用于從鉆透地球地層的井眼內(nèi)側(cè)的導(dǎo)電管內(nèi)測量該地層的電阻率的儀器。該儀器包括首尾相連的多個殼體，所述多個殼體被調(diào)整成穿過該井眼。在各殼體上布置有至少一個電極。各所述電極被布置成與所術(shù)管的內(nèi)部相電接觸。該儀器包括電流源、數(shù)字電壓測量電路以及切換器。該切換器被布置成將該電流源連接在所述多個電極中的一個與電流返回之間，并且被布置成將選定電極對連接到該數(shù)字電壓測量電路，該電流返回位于該管的頂部位置和位于距該管的頂部選定距離處的靠近地面的位置中的一個可選位置處。選擇該電極對以進行與地球地層中的選定軸向距離和選定橫向深度相對應(yīng)的電壓測量。
文檔編號G01V3/18GK1979221SQ200510129079
公開日2007年6月13日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者庫爾特·M·斯特拉克, 霍斯特·呂特爾 申請人:Kjt企業(yè)公司