智能頻譜激發(fā)極化測量模塊的制作方法
【專利說明】智能頻譜激發(fā)極化測量模塊
[0001]相關(guān)串請
[0002]本申請要求2012年11月20日提交的美國臨時(shí)專利申請第61/728，801號(hào)和美國臨時(shí)專利申請第61/793，941號(hào)的優(yōu)先權(quán)。前述申請中的每一者的全部公開內(nèi)容特此以引用的方式并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及地球物理測井領(lǐng)域。更確切地說，本發(fā)明涉及一種用于進(jìn)行用于地球物理研究的頻譜激發(fā)極化(SIP)測量中的完全集成智能模塊。另外，本發(fā)明涉及使用電阻率、時(shí)域激發(fā)極化和自發(fā)或自行電位法進(jìn)行的地球物理研究地球物理測井工具通常提供關(guān)于地下環(huán)境的物理學(xué)和化學(xué)的關(guān)鍵信息。SIP提供其它技術(shù)未提供的信息。近地表地球物理方法的一種應(yīng)用為評(píng)估水文學(xué)參數(shù)(例如滲透率或液壓傳導(dǎo)率[K])。但是，已知地球物理方法并不精確定量跨越大范圍條件的此參數(shù)的空間變異性。因此，需要提供一種準(zhǔn)許非侵入性測量K的地球物理技術(shù)。在致力于改進(jìn)液壓參數(shù)預(yù)測(如K)中，SIP具有獨(dú)特優(yōu)勢:從SIP測量獲取的松弛的長度尺度與定量地下水流動(dòng)/運(yùn)移的松弛的長度尺度密切相關(guān)。與頻率分散的平均松弛相關(guān)的時(shí)間常量(T)與定義電雙層中的離子在施加電流期間所擴(kuò)散的長度尺度的特征孔隙或粒度的平方有關(guān)。界面極化的時(shí)間常量(T)的SIP測量可以促進(jìn)控制如從將滲流理論應(yīng)用到多孔介質(zhì)所定義的流體流動(dòng)的有效特征長度尺度的地電評(píng)估。
【背景技術(shù)】
[0004]頻譜激發(fā)極化(SIP)為一種用于映射地球的電特性中的變化的電方法。SIP是基于當(dāng)對(duì)地面施加電場時(shí)，電流流動(dòng)穿過地球且在礦物-流體界面發(fā)生電荷分離的事實(shí)。換句話說，礦物-流體界面變?yōu)殡姌O化的。
[0005]SIP系統(tǒng)用于勘測、水資源和環(huán)境行業(yè)中以研究地球的物理化學(xué)特性。SIP系統(tǒng)也使用地球物質(zhì)的電測量來評(píng)估地下的地球化學(xué)和生物地球化學(xué)過程；SIP方法的現(xiàn)場應(yīng)用是基于成功的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。
[0006]頻譜激發(fā)極化(SIP)為一種測量地球物質(zhì)的低頻電特性的可接受的方法。1982年11月16日發(fā)布的維尼格(Vinegar)和威克斯曼(Waxman) (V&W)的先前專利US4，359，687 “使用頻域中的激發(fā)極化測定地球地層中的泥質(zhì)含量和石油的方法和設(shè)備(Method and Apparatus for Determining Shaliness and Oil in Earth Format1nsUsing Induced Polarizat1n in the Frequency Domain) ”展不使用 SIP 的探測器和井眼測量系統(tǒng)的配置。1986年4月14日發(fā)布的維尼格和威克斯曼US 4，583，046 “用于聚焦電極激發(fā)極化測井的設(shè)備(Apparatus for the Focused Electrode Induced Polarizat1nLogging) ”包括電流聚焦以改進(jìn)分辨率。
[0007]SIP井眼系統(tǒng)，如V&W專利中描述的系統(tǒng)具有許多缺點(diǎn)。舉例來說，此類系統(tǒng)具有有限的功能性，因?yàn)槠湫枰糜诠╇?、激?lì)生成、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和控制的外部連接件。另外，V&W系統(tǒng)電子裝置取決于電極數(shù)目、幾何電極空間配置、激勵(lì)和感測方法和聚焦技術(shù)。另外，現(xiàn)有系統(tǒng)不能進(jìn)行基于完全在探測器內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的激勵(lì)和聚焦的閉環(huán)控制，所述探測器用于井眼分析或作為放置在地表用于近地表分析的系統(tǒng)的一部分。另外，V&W聚焦電極布置需要電極彼此相距極大距離地定位以及若干電極位于探測器外部。另外，現(xiàn)有聚焦技術(shù)和系統(tǒng)一般來說未針對(duì)低功率操作最佳化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為可以集成到探測器中且用于井眼SIP分析的智能SIP測量模塊，或放置于地表用于近地表SIP分析的系統(tǒng)。另外，模塊具有進(jìn)行其它類型的近地表和井眼分析，如時(shí)域激發(fā)極化、電阻率和自發(fā)或自行電位測量的靈活性。本發(fā)明提供在不需要用于各者的以下外部連接中的一些或全部的情況下進(jìn)行此類測量的能力:i)供電，ii)激勵(lì)生成，iii)數(shù)據(jù)獲取，iv)數(shù)據(jù)處理，V)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和vi)控制。另外，本發(fā)明提供支持在以下各者中變化的配置的靈活性:i)電極數(shù)目，ii)電極類型，iii)幾何電極空間布局，iv)激勵(lì)方法，v)感測方法和vi)聚焦技術(shù)。另外，本發(fā)明能夠通過將基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)的激勵(lì)和聚焦完全控制在放置于地表的探測器或系統(tǒng)內(nèi)而自主地進(jìn)行閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。另外，可以在軟件中調(diào)適信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析算法以適合于本申請。另外，本發(fā)明可以布置為互連模塊的系統(tǒng)以提供i)容錯(cuò)性，ii)較大范圍的幾何電極空間布局，iii)改進(jìn)的精確性和分辨率，iv)改進(jìn)的地層侵徹和iv)改進(jìn)的速度和通量。另外，本發(fā)明包括低功率聚焦。
【附圖說明】
[0009]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的前述概述和以下詳細(xì)描述將在結(jié)合附圖讀取時(shí)最佳地理解，在所述附圖中:
[0010]圖1為用于地下物質(zhì)的SIP測量的系統(tǒng)的簡圖。
[0011]圖2為圖1中說明的系統(tǒng)的SIP測量工具的電路的框圖。
[0012]圖3為圖1中說明的系統(tǒng)的SIP測量工具的簡圖。
[0013]圖4為圖1中說明的系統(tǒng)的SIP測量工具的替代實(shí)施例的簡圖。
[0014]圖5為圖1中說明的系統(tǒng)的SIP測量工具的框圖，其說明井眼和周圍地層中的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)/聚焦電流。
[0015]圖6為多個(gè)互連SIP測量模塊的布置的簡圖。
[0016]圖7為多個(gè)互連SIP測量模塊和主機(jī)系統(tǒng)的布置的簡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]現(xiàn)參看一般來說的圖式和具體來說的圖1到4，地球物理測井系統(tǒng)一般指示為10。系統(tǒng)10使用頻譜激發(fā)極化(SIP)方法測量地下地球介質(zhì)的低頻電特性。智能SIP測量模塊或簡稱模塊41與極化或非極化類型的多個(gè)電極相連接。確切地說，智能SIP測量模塊與用于發(fā)射信號(hào)的多個(gè)電極66、67，用于檢測信號(hào)的多個(gè)非極化電極42、43、64、65以及用于保護(hù)/聚焦信號(hào)的多個(gè)電極60、61、62、63相連接。更確切地說，模塊41包括多個(gè)接口，包括:與用于將電流感應(yīng)到探測器周圍的區(qū)域中的電極66、67的多個(gè)接口，與用于檢測電流的電極42和用于檢測電位的電位電極43、64、65的多個(gè)接口和與用于聚焦電場的電極60、61、62、63的多個(gè)接口。在本發(fā)明的情況下，感應(yīng)電流為含有一個(gè)或幾個(gè)頻率的混合物的時(shí)變信號(hào)且通過分析地層對(duì)激磁電流頻率中的每一者的響應(yīng)測量阻抗或向量電阻率。
[0018]參看圖1和圖2，井眼工具或探測器40連接到位于地表的主機(jī)系統(tǒng)20和電源供應(yīng)器25。主機(jī)系統(tǒng)20和電源供應(yīng)器25中的任一者或兩者為不必要的，探測器40可以替代地在無主機(jī)系統(tǒng)20或電源供應(yīng)器25的情況下，使用其內(nèi)部電池55或其非易失性存儲(chǔ)裝置54或兩者自主地操作。每一探測器40支持其可以獨(dú)立操作或通過其臍帶-1和臍帶-2接口 31與一個(gè)或兩個(gè)其它探測器40、一個(gè)或兩個(gè)主機(jī)系統(tǒng)20連接的操作模式。臍帶31的接口各自具有通用數(shù)字輸入和輸出(GP1)接口 53、通信接口 57和與電流隔離電源供應(yīng)器58的連接件。電流隔離電源供應(yīng)器58為探測器40的模擬和數(shù)字分量供電且建立接地電路參考。探測器40具有外部接地參考接口 59，其出于進(jìn)行多個(gè)探測器40被配置成共享外部接地參考的測量的目的可以連接到外部接地參考。另外，電源供應(yīng)器25可以時(shí)可再生能源，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芑蛩娔堋?br>[0019]在本發(fā)明的情況下，主機(jī)系統(tǒng)20為計(jì)算機(jī)，如個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)或其它能夠以數(shù)字格式交換數(shù)據(jù)的元件且電源供應(yīng)器25為獨(dú)立DC電源。在本發(fā)明的情況下，主機(jī)系統(tǒng)20和電源供應(yīng)器25經(jīng)由經(jīng)配置以提供電源和數(shù)據(jù)連接的臍帶連接件31連接到探測器。本發(fā)明出于以下目的支持兩個(gè)臍帶連接件31:支持具有或不具有主機(jī)系統(tǒng)的互連的探測器40的系統(tǒng)布置以提供i)容錯(cuò)性，ii)較大范圍的幾何電極空間布局，iii)改進(jìn)的精確性和分辨率，iv)改進(jìn)的地層侵徹和iv)改進(jìn)的速度和通量。容錯(cuò)布置可以是具有或不具有主機(jī)系統(tǒng)20的互連探測器40在環(huán)中的完整環(huán)。探測器40包括可以使探測器40進(jìn)入和退出低功率睡眠模式的實(shí)時(shí)時(shí)鐘56。時(shí)鐘56可以與獨(dú)立電池電源，如備用電池連接。確切地說，在特定時(shí)間或時(shí)間間隔，探測器40可以切換到低功率模式，信號(hào)產(chǎn)生器在所述模式下不產(chǎn)生感應(yīng)到地下物質(zhì)中的信號(hào)。類似地，在特定時(shí)間或時(shí)間間隔，探測器40可以從睡眠模式切換到正常操作模式，信號(hào)產(chǎn)生器在所述模式下產(chǎn)生感應(yīng)到地下物質(zhì)中的信號(hào)。探測器響應(yīng)于通過時(shí)鐘56提供的時(shí)間信息而切換進(jìn)入和退出睡眠模式。在低功率睡眠模式期間，探測器的其它元件也可以是不可操作的，以使得探測器從電源汲取極少電力。另外，可以經(jīng)由臍帶31連接件中的一者通過主機(jī)系統(tǒng)使探