通过导电井筒套管测量地球岩层电阻率的系统转让专利
申请号 : CN200480042489.3
文献号 : CN1938604B
文献日 : 2010-04-14
发明人 : 库尔特·马丁·斯泰克 , 霍斯特·吕特尔
申请人 : KJT企业公司
摘要 :
本发明涉及通过导电井筒套管测量地球岩层电阻率的系统。公开了一种设备，用于通过井筒中的导电导管测量岩层电阻率。该设备包括：探测器，适于移动通过所述井筒；以及多个电压测量电极，布置在所述探测器上的隔开的位置处。至少一个电流源电极布置在所述探测器上。所有所述电极都适于与所述导管进行电接触。该设备包括数字电压测量电路和数控电流源，所述数字电压测量电路可控地连接至所述多个电压测量电极中的选定电极。
权利要求 :
1.一种用于通过井筒中的导电导管来测量岩层电阻率的设备，该设备包括：探测器，适于移动通过所述井筒；
多个电压测量电极，布置在所述探测器上的隔开的位置处，所述电压电极适于与所述导管电接触；
至少一个电流源电极，布置在所述探测器上，所述电流源电极适于与所述导管进行接触；
数字电压测量电路，可控地连接至所述多个电压测量电极中的选定电极；
与导管的靠近地表处相连接的电流返回电极；
布置得靠近地表且距连接至所述导管的所述电流返回电极选定横向距离的电流返回电极；以及开关，用于选择测量电流的返回路径，该返回路径是从所述电流源电极到连接至所述导管顶部的所述电极和布置在距所述导管选定横向距离处的所述电极中的选定电极的返回路径。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述数字电压测量电路包括至少二十四位分辨率的模数转换器。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述模数转换器具有这样的采样率，该采样率至少为用于向所述至少一个电流源电极供电的电流的频率的一千倍。
4.根据权利要求1所述的设备，该设备还包括连接至所述至少一个电流源电极的经数字合成的电流源。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电流源适于产生经转换的直流电。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电流源适于产生占空比小于百分之一百的经转换的直流电。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电流源适于产生具有选定频率和波形的交流电。
8.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电流源适于产生伪随机二进制序列。
9.根据权利要求1所述的设备，该设备还包括至少一个聚焦电流源，可控制所述至少一个聚焦电流源以保持跨一对基准电势电极的选定电压降，所述聚焦电流源电连接至所述探测器上的选定电极。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述数字电压测量电路适于通过基本持续地运行来确定所述电压测量电极上存在直流偏压。
11.根据权利要求1所述的设备，该设备还包括：
至少一个聚焦电流源，可控制所述至少一个聚焦电流源保持跨一对基准电势电极的选定电压降，所述聚焦电流源电连接至所述探测器上的选定电极；以及开关，适于选择性地将所述电极中的选定电极连接至所述聚焦电流源和所述数字电压测量电路。
12.根据权利要求11所述的设备，该设备还包括连接至所述开关的处理器，所述处理器适于操作所述开关来选择所述电极中的哪一个连接至所述数字电压测量电路、所述电极中的哪一个连接至测量电流源、以及所述电极中的哪一个连接至所述聚焦电流源。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述处理器适于通过解释由布置在地表的控制单元发送到所述设备的命令信号，来选择相应的电极连接。
14.根据权利要求12所述的设备，其中，所述处理器适于基于测得的跨所述电极中的至少两个电极的电压降，来选择相应的电极连接。
15.根据权利要求1所述的设备，该设备还包括：第一开关，其可操作地连接在所述多个电压测量电极、所述电流源电极和所述数字电压测量电路之间；以及第二开关，其运行地连接在所述多个电压测量电极、所述电流源电极和测量电流的源之间，所述第一开关和第二开关可操作地将所述多个电压测量电极中的选定电极和所述电流源电极连接在所述数字电压测量电路和所述电流源之间，以使电压降的测量结果表现选定的勘测横向深度和选定的轴向分辨率中的至少一个。
16.根据权利要求15所述的设备，该设备还包括布置得靠近所述探测器的控制器，所述控制器适于自动操作所述第一开关和第二开关。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述控制器包括对所述第一开关和第二开关的根据预定顺序的自动操作进行编程。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述控制器适于检测从地表发送的命令，以对所述第一开关和第二开关的操作重新编程。
说明书 :
技术领域
本发明总体涉及地球岩层(formation)电阻率测量装置的领域。更具体地，本发明涉及用于从导电导管(pipe)或套管(casing)内部测量岩层电阻率的井筒(wellbore)设备。
背景技术
在本领域中已知用地球岩层的电阻率测量结果来确定所测量的地球岩层的性质。所关心的性质包括地球岩层的孔隙的流体含量。本领域中已知的井筒电阻率测量装置通常需要通过使井筒钻穿地球岩层而使其露出，并且需要这种岩层保持露出给井筒以使得可以从露出的岩层内进行测量。
当井筒完全钻穿所关心的地球岩层时，常常将钢导管或套管插入并将其固定(cement)在井筒内的适当位置处以保护地球岩层，防止地下岩层之间的液压传递(hydraulic communication)，并提供井筒的机械完整性。钢套管是高度导电的，结果使得难以使用传统(所谓的“裸井(openhole)”)技术从钢导管或套管内确定各种地球岩层的电阻率。
本领域中已知进行测量以从导电套管或导管内部确定地球岩层的电阻率。许多参考文献公开了进行这种测量的技术。公开了用于从导电套管内部确定地球岩层的电阻率的各种装置和方法的参考文献的列表包括：由Alpin，L.M.(1939)提交的标题为“The method for logging in casedwells”的苏联发明人证书第56052号；由Alpin，L.M.(1939)提交的标题为“Process of the electrical measurement of well casing”的苏联发明人证书第56026号；授予Stewart，W.H.(1949)的标题为“Electrical loggingmethod and apparatus”的美国专利第2,459,196号；授予Fearon，R.E.(1956)的标题为“Method and apparatus for electric well logging”的美国专利第2,729,784号；授予Fearon，R.E.(1959)的标题为“Method and apparatus forelectric well logging”的美国专利第2,891,215号；由Desbrandes，R.和Mengez，P.(1972)提交的标题为“Method&Apparatus for measuring theformation electrical resistivity In wells having metal casing”的法国专利申请第72.41218号；由Benimeli，D.(2002)提交的标题为“A method andapparatus for determining of a formation surrounding a cased well”的国际专利申请公开第WO 00/79307 A1号；授予Kaufman，A.A.(1989)标题为“Conductivity determination in a formation having a cased well”的美国专利第4,796,186号；授予Vail，III，W.(1989)的标题为“Methods and apparatusfor measurement of the resistivity of geological formation from within casedboreholes”的美国专利第4,820,989号；授予Gard等(1989)的标题为“Method and Apparatus for measuring the electrical resistivity of formationthrough metal drill pipe or casing”的美国专利第4,837,518号；授予Vail，III，W.(1989)的标题为“Methods and apparatus for measurement of electronicproperties of geological formations through borehole casing”的美国专利第4,882,542号；授予Vail，III，W.(1991)的标题为“Methods and apparatus formeasurement of electronic properties of geological formations throughborehole casing”的美国专利第5,043,668号；授予Vail，III，W.(1991)的标题为“Electronic measurement apparatus movable in a cased borehole andcompensation for casing resistance differences”的美国专利第5,075,626号；授予Vail，III，W.(1993)的标题为“Methods of apparatus measuringformation resistivity from within a cased well having one measurement andtwo compensation steps”的美国专利第5,223,794号；授予Sezginer等(1996)的标题为“Method and apparatus for measuring formation resistivity incased holes”的美国专利第5,510,712号；授予Singer等(1996)的标题为“Method and apparatus for measuring formation resistivity through casingusing single-conductor electrical logging cable”的美国专利第5,543,715号；授予Moulin(1996)的标题为“Method and apparatus for determiningformation resistivity in a cased well using three electrodes arranged in aWheatstone bridge”的美国专利第5,563,514号；授予Locatelli等(1997)的标题为“Induction measuring device in the presence of metal walls”的美国专利第5,654,639号；授予Vail，III，W.(1996)的标题为“Determiningresistivity of a formation adjacent to a borehole having casing using multipleelectrodes and resistances being defined between the electrodes”的美国专利第5,570,024号；授予Koelman，J.M.V.A.(1997)的标题为“Arrangementof the electrodes for an electrical logging system for determining the electricalresistivity of subsurface formation”的美国专利第5,608,323号；授予Vail，IIIW.(1997)的标题为“Formation resistivity measurements from within acased well used to quantitatively determine the amount of oil and gas present”的美国专利第5,633,590号；授予Gissler等(1997)的标题为“Apparatusfor measuring formation resistivity through casing having a coaxial tubinginserted therein”的美国专利第5,680,049号；授予Tamarchenko(1998)的标题为“Method of simulating the response of a through-casing resistivitywell logging instrument and its application to determining resistivity of earthformations”的美国专利第5,809,458号；授予Vail，III，W.(2000)的标题为“Determining resistivity of a formation adjacent to a borehole having casingby generating constant current flow in portion of casing and using at least twovoltage measurement electrodes”的美国专利第6,025,721号；授予Vail，III，W.(2000)的标题为“Formation resistivity measurements from within a casedwell used to quantitatively determine the amount of oil and gas present”的美国专利第6,157,195号；授予Vail，III，W.(2001)的标题为“Determiningresistivity of formation adjacent to a borehole having casing with an apparatushaving all current conducting electrodes within the cased well”的美国专利第6,246,240 B1号；授予Kostelnicek等(2003)的标题为“Simultaneous currentinjection for measurement of formation resistance through casing”的美国专利第6,603,314号；以及授予Benimelli的标题为“Method and apparatus fordetermining the resistivity of a formation surrounding a cased well”的美国专利第6,667,621号。
引用了相关技术的美国专利申请公报包括：由Vinegar等提交的标题为“Focused through-casing resistivity measurement”的第2001/0033164A1号；由Amini，Bijan K.提交的标题为“Logging tool for measurement ofresistivity through casing using metallic transparencies and magnetic lensing”的第2001/0038287A1号；由Amini，Bijan K.提交的标题为“Measurementsof electrical properties through non magnetically permeable metals usingdirected magnetic beams and magnetic lenses”的第2002/0105333A1号；以及由Vinegar等提交的标题为“Wireless communication using wellcasing”的第2003/0042016A1号。
下面简要概括前述技术。美国专利第2,459,196号描述了一种通过使电流沿着导电套管流动以使一些电流“泄漏”进入周围的地球岩层而在带套管的井筒(cased wellbore)内进行测量的方法。电流泄漏的量与地球岩层的电导率有关。该第2,459,196号专利没有公开针对套管内的电不均一性而对测量结果进行校正的任何技术。
美国专利第2,729,784号公开了一种技术，在该技术中使用三个电势电极来创建与井筒套管相接触的两个相对的电极对。使电流流过放置在所述电势电极的上方和下方的两对电流电极的两个相对的“环”，以使套管的电不均一性的效果为零。跨这两个电极对的电压降与进入地球岩层的泄漏电流相关，美国专利第2,891,215号的公开包括布置在第2,729,784号专利所公开的装置的测量电极之间的电流发射电极，以提供一种完全补偿泄漏电流的技术。
美国专利第4,796,186号公开了最经常用来通过导电套管确定电阻率的技术，并包括测量进入地球岩层的泄漏电流，并且公开了对沿着测量了泄漏电流的套管的相同部分流动的电流进行测量，以针对沿着套管的电阻变化来补偿泄漏电流的测量结果。其他的参考文献描述了对通过套管进行电阻率测量的该基本技术的各种扩展和改进。
可以如下概括本领域中已知的通过套管测量电阻率的方法。将其上具有至少一个电极(A)的设备降入井筒，将电极放置为与套管在该套管的不同深度相接触。将套管电流返回电极B布置在套管的顶部并与套管相连接。将岩层电流返回电极B*布置在距井筒一定距离的地表处。对电压降以及从位于井筒的不同深度的电极A首先流到位于套管的顶部的电极B并随后流动到岩层返回电极B*的电流进行记录。针对套管的不均一性的效果，使用通过套管(A-B)的电流和电压降来校正通过岩层(A-B*)的电压降和电流的测量结果。
如果地球和套管都是均一的，则对沿套管的针对深度的电压降以及通过套管和岩层的电压降的记录将基本上是线性的。如本领域中所公知的，即使是新的，套管也有不均一性，这是由建造偏差、成分偏差、甚至用来将多段套管彼此连接的“套环(collar)”(螺纹连接件)所引起的。当然，地球岩层完全不是均一的，电阻较大的岩层通常是地下勘测的目标，因为这些地球岩层易于与石油的存在相关联，而传导率较高的岩层易于与孔隙中的原生水(connate water)的存在相关联。因此，在使用本领域已知的技术针对所关心的深度的用来确定套管外的地球岩层的电阻率的电压降记录中存在混乱。
地球岩层的传导率与从套管漏出到岩层中的电流的量相关。当电流在A和B*之间流动时，关于深度的岩层传导率一般与沿着A-B的电压降关于深度的二次导数相关。通常，使用布置得与套管相接触的最少三个轴向隔开的电极来测量电压降的二次导数，所述电极连接到级联差分放大器，最终连接到电压测量电路。已证明有用处的对该基本方法的改进包括这样的系统，该系统创建沿着套管的小的轴向区，在该轴向区中基本上没有沿着套管自身流动的电流，从而减小了套管的不均一性对泄漏电流电压降的测量结果的影响。
在实践中，本领域已知的设备和方法需要设备从井筒内的固定位置进行其测量，这使得对由典型井筒穿透的所关心的岩层的测量花费较长时间。此外，被测量的电压降很小，因而受到用于对电压降进行测量的电子系统的噪声的限制。另外，本领域中已知的用于提供用来测量电压降的无电流区或已知电流值的系统通常是模拟系统，因而受到这种模拟系统的精度的限制。
另外，本领域中已知使用低频交流电(AC)来引起沿着套管并进入地球岩层的电流。使用AC来避免在使用连续直流电(DC)时套管和电极的电极化(electrical polarization)所引起的误差。通常，必须将AC的频率限制为大约0.01到20Hz以避免由介电效应和集肤效应(skin effect)所引起的测量误差。本领域还已知使用经极性转换的DC来完成套管电阻率的测量，这避免了极化问题，但是在转换极性时可能引入瞬态效应测量误差。使用本领域中已知的系统不容易解决瞬态效应误差和低频AC误差。
当井筒完全钻穿所关心的地球岩层时，常常将钢导管或套管插入并将其固定(cement)在井筒内的适当位置处以保护地球岩层，防止地下岩层之间的液压传递(hydraulic communication)，并提供井筒的机械完整性。钢套管是高度导电的，结果使得难以使用传统(所谓的“裸井(openhole)”)技术从钢导管或套管内确定各种地球岩层的电阻率。
本领域中已知进行测量以从导电套管或导管内部确定地球岩层的电阻率。许多参考文献公开了进行这种测量的技术。公开了用于从导电套管内部确定地球岩层的电阻率的各种装置和方法的参考文献的列表包括：由Alpin，L.M.(1939)提交的标题为“The method for logging in casedwells”的苏联发明人证书第56052号；由Alpin，L.M.(1939)提交的标题为“Process of the electrical measurement of well casing”的苏联发明人证书第56026号；授予Stewart，W.H.(1949)的标题为“Electrical loggingmethod and apparatus”的美国专利第2,459,196号；授予Fearon，R.E.(1956)的标题为“Method and apparatus for electric well logging”的美国专利第2,729,784号；授予Fearon，R.E.(1959)的标题为“Method and apparatus forelectric well logging”的美国专利第2,891,215号；由Desbrandes，R.和Mengez，P.(1972)提交的标题为“Method&Apparatus for measuring theformation electrical resistivity In wells having metal casing”的法国专利申请第72.41218号；由Benimeli，D.(2002)提交的标题为“A method andapparatus for determining of a formation surrounding a cased well”的国际专利申请公开第WO 00/79307 A1号；授予Kaufman，A.A.(1989)标题为“Conductivity determination in a formation having a cased well”的美国专利第4,796,186号；授予Vail，III，W.(1989)的标题为“Methods and apparatusfor measurement of the resistivity of geological formation from within casedboreholes”的美国专利第4,820,989号；授予Gard等(1989)的标题为“Method and Apparatus for measuring the electrical resistivity of formationthrough metal drill pipe or casing”的美国专利第4,837,518号；授予Vail，III，W.(1989)的标题为“Methods and apparatus for measurement of electronicproperties of geological formations through borehole casing”的美国专利第4,882,542号；授予Vail，III，W.(1991)的标题为“Methods and apparatus formeasurement of electronic properties of geological formations throughborehole casing”的美国专利第5,043,668号；授予Vail，III，W.(1991)的标题为“Electronic measurement apparatus movable in a cased borehole andcompensation for casing resistance differences”的美国专利第5,075,626号；授予Vail，III，W.(1993)的标题为“Methods of apparatus measuringformation resistivity from within a cased well having one measurement andtwo compensation steps”的美国专利第5,223,794号；授予Sezginer等(1996)的标题为“Method and apparatus for measuring formation resistivity incased holes”的美国专利第5,510,712号；授予Singer等(1996)的标题为“Method and apparatus for measuring formation resistivity through casingusing single-conductor electrical logging cable”的美国专利第5,543,715号；授予Moulin(1996)的标题为“Method and apparatus for determiningformation resistivity in a cased well using three electrodes arranged in aWheatstone bridge”的美国专利第5,563,514号；授予Locatelli等(1997)的标题为“Induction measuring device in the presence of metal walls”的美国专利第5,654,639号；授予Vail，III，W.(1996)的标题为“Determiningresistivity of a formation adjacent to a borehole having casing using multipleelectrodes and resistances being defined between the electrodes”的美国专利第5,570,024号；授予Koelman，J.M.V.A.(1997)的标题为“Arrangementof the electrodes for an electrical logging system for determining the electricalresistivity of subsurface formation”的美国专利第5,608,323号；授予Vail，IIIW.(1997)的标题为“Formation resistivity measurements from within acased well used to quantitatively determine the amount of oil and gas present”的美国专利第5,633,590号；授予Gissler等(1997)的标题为“Apparatusfor measuring formation resistivity through casing having a coaxial tubinginserted therein”的美国专利第5,680,049号；授予Tamarchenko(1998)的标题为“Method of simulating the response of a through-casing resistivitywell logging instrument and its application to determining resistivity of earthformations”的美国专利第5,809,458号；授予Vail，III，W.(2000)的标题为“Determining resistivity of a formation adjacent to a borehole having casingby generating constant current flow in portion of casing and using at least twovoltage measurement electrodes”的美国专利第6,025,721号；授予Vail，III，W.(2000)的标题为“Formation resistivity measurements from within a casedwell used to quantitatively determine the amount of oil and gas present”的美国专利第6,157,195号；授予Vail，III，W.(2001)的标题为“Determiningresistivity of formation adjacent to a borehole having casing with an apparatushaving all current conducting electrodes within the cased well”的美国专利第6,246,240 B1号；授予Kostelnicek等(2003)的标题为“Simultaneous currentinjection for measurement of formation resistance through casing”的美国专利第6,603,314号；以及授予Benimelli的标题为“Method and apparatus fordetermining the resistivity of a formation surrounding a cased well”的美国专利第6,667,621号。
引用了相关技术的美国专利申请公报包括：由Vinegar等提交的标题为“Focused through-casing resistivity measurement”的第2001/0033164A1号；由Amini，Bijan K.提交的标题为“Logging tool for measurement ofresistivity through casing using metallic transparencies and magnetic lensing”的第2001/0038287A1号；由Amini，Bijan K.提交的标题为“Measurementsof electrical properties through non magnetically permeable metals usingdirected magnetic beams and magnetic lenses”的第2002/0105333A1号；以及由Vinegar等提交的标题为“Wireless communication using wellcasing”的第2003/0042016A1号。
下面简要概括前述技术。美国专利第2,459,196号描述了一种通过使电流沿着导电套管流动以使一些电流“泄漏”进入周围的地球岩层而在带套管的井筒(cased wellbore)内进行测量的方法。电流泄漏的量与地球岩层的电导率有关。该第2,459,196号专利没有公开针对套管内的电不均一性而对测量结果进行校正的任何技术。
美国专利第2,729,784号公开了一种技术，在该技术中使用三个电势电极来创建与井筒套管相接触的两个相对的电极对。使电流流过放置在所述电势电极的上方和下方的两对电流电极的两个相对的“环”，以使套管的电不均一性的效果为零。跨这两个电极对的电压降与进入地球岩层的泄漏电流相关，美国专利第2,891,215号的公开包括布置在第2,729,784号专利所公开的装置的测量电极之间的电流发射电极，以提供一种完全补偿泄漏电流的技术。
美国专利第4,796,186号公开了最经常用来通过导电套管确定电阻率的技术，并包括测量进入地球岩层的泄漏电流，并且公开了对沿着测量了泄漏电流的套管的相同部分流动的电流进行测量，以针对沿着套管的电阻变化来补偿泄漏电流的测量结果。其他的参考文献描述了对通过套管进行电阻率测量的该基本技术的各种扩展和改进。
可以如下概括本领域中已知的通过套管测量电阻率的方法。将其上具有至少一个电极(A)的设备降入井筒，将电极放置为与套管在该套管的不同深度相接触。将套管电流返回电极B布置在套管的顶部并与套管相连接。将岩层电流返回电极B*布置在距井筒一定距离的地表处。对电压降以及从位于井筒的不同深度的电极A首先流到位于套管的顶部的电极B并随后流动到岩层返回电极B*的电流进行记录。针对套管的不均一性的效果，使用通过套管(A-B)的电流和电压降来校正通过岩层(A-B*)的电压降和电流的测量结果。
如果地球和套管都是均一的，则对沿套管的针对深度的电压降以及通过套管和岩层的电压降的记录将基本上是线性的。如本领域中所公知的，即使是新的，套管也有不均一性，这是由建造偏差、成分偏差、甚至用来将多段套管彼此连接的“套环(collar)”(螺纹连接件)所引起的。当然，地球岩层完全不是均一的，电阻较大的岩层通常是地下勘测的目标，因为这些地球岩层易于与石油的存在相关联，而传导率较高的岩层易于与孔隙中的原生水(connate water)的存在相关联。因此，在使用本领域已知的技术针对所关心的深度的用来确定套管外的地球岩层的电阻率的电压降记录中存在混乱。
地球岩层的传导率与从套管漏出到岩层中的电流的量相关。当电流在A和B*之间流动时，关于深度的岩层传导率一般与沿着A-B的电压降关于深度的二次导数相关。通常，使用布置得与套管相接触的最少三个轴向隔开的电极来测量电压降的二次导数，所述电极连接到级联差分放大器，最终连接到电压测量电路。已证明有用处的对该基本方法的改进包括这样的系统，该系统创建沿着套管的小的轴向区，在该轴向区中基本上没有沿着套管自身流动的电流，从而减小了套管的不均一性对泄漏电流电压降的测量结果的影响。
在实践中，本领域已知的设备和方法需要设备从井筒内的固定位置进行其测量，这使得对由典型井筒穿透的所关心的岩层的测量花费较长时间。此外，被测量的电压降很小，因而受到用于对电压降进行测量的电子系统的噪声的限制。另外，本领域中已知的用于提供用来测量电压降的无电流区或已知电流值的系统通常是模拟系统，因而受到这种模拟系统的精度的限制。
另外，本领域中已知使用低频交流电(AC)来引起沿着套管并进入地球岩层的电流。使用AC来避免在使用连续直流电(DC)时套管和电极的电极化(electrical polarization)所引起的误差。通常，必须将AC的频率限制为大约0.01到20Hz以避免由介电效应和集肤效应(skin effect)所引起的测量误差。本领域还已知使用经极性转换的DC来完成套管电阻率的测量，这避免了极化问题，但是在转换极性时可能引入瞬态效应测量误差。使用本领域中已知的系统不容易解决瞬态效应误差和低频AC误差。
发明内容
本发明的一方面是一种用于通过井筒中的导电导管来测量岩层电阻率的设备。该设备包括：探测器，适于移动通过所述井筒；以及多个电势测量电极，布置在所述探测器上的隔开的位置处。至少一个电流源电极布置在所述探测器上。所有所述电极都适于与所述导管进行电接触。该设备包括数字电压测量电路，该电路可控地连接至所述多个电势测量电极中的选定电极。
本发明的另一方面是一种用于从井筒内部的导电导管内测量地球岩层电阻率的方法。根据本发明的此方面的方法包括以下步骤：将电流从所述井筒中的第一选定位置通过所述导电导管传导到沿着所述导管的靠近地表的第二位置。对在沿着所述第一和第二选定位置之间的导管的第三和第四选定位置之间测得的电压降进行数字采样。然后将所述第一选定位置和靠近地表、远离所述导管的第五选定位置之间传导电流。重复地对所述第三和第四位置之间的电压降进行数字采样。根据电压降的所述数字采样，确定所述地球岩层的电阻率。
根据以下描述和所附权利要求，本发明的其他方面和优点将显而易见。
本发明的另一方面是一种用于从井筒内部的导电导管内测量地球岩层电阻率的方法。根据本发明的此方面的方法包括以下步骤：将电流从所述井筒中的第一选定位置通过所述导电导管传导到沿着所述导管的靠近地表的第二位置。对在沿着所述第一和第二选定位置之间的导管的第三和第四选定位置之间测得的电压降进行数字采样。然后将所述第一选定位置和靠近地表、远离所述导管的第五选定位置之间传导电流。重复地对所述第三和第四位置之间的电压降进行数字采样。根据电压降的所述数字采样，确定所述地球岩层的电阻率。
根据以下描述和所附权利要求，本发明的其他方面和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了通过在带套管井筒中使用的根据本发明的套管装置而进行的示例电阻率测量。
图2更详细地示出了图1的示例设备的电路系统。
图3a至3c示出了用于进行根据本发明的套管电阻率测量的电流波形的不同示例。
图4示出了用于测量通过导电导管的电阻率的、包括电流聚焦系统的示例设备。
图5示出了在探测器心轴上包括可选的电极阵列的设备的另选实施例。
图6示出了如图4所示的设备的操作的流程图，所述设备适于根据基于模型的设备响应，自动优化对电极使用的控制。
图2更详细地示出了图1的示例设备的电路系统。
图3a至3c示出了用于进行根据本发明的套管电阻率测量的电流波形的不同示例。
图4示出了用于测量通过导电导管的电阻率的、包括电流聚焦系统的示例设备。
图5示出了在探测器心轴上包括可选的电极阵列的设备的另选实施例。
图6示出了如图4所示的设备的操作的流程图，所述设备适于根据基于模型的设备响应，自动优化对电极使用的控制。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于在井筒内具有导电导管或套管时从井筒内测量地球岩层的电阻率的测井(well logging)设备的一个实施例。设备10可以包括探测器(sonde)或类似的心轴型(mandrel-type)机架(housing)18。优选地，机架18由不导电的材料制成或者在其外表面上具有这种不导电材料。机架18适于通过本领域中已知的任何测井设备传送工具而插入到井筒14中和从井筒14中拔出。在本示例中，传送工具可以是由绞盘28进行收放的铠装电缆16。可以使用本领域中已知的其他传送工具，这些工具包括卷管、钻杆、成品管等。因此，不希望所述传送工具限制本发明的范围。
使井筒14钻穿以22、24和26示意性地示出的各个地球岩层。在钻完井筒14之后，将导电导管12或套管插入到井筒14中。如果导管12是套管，那么套管12通常被固定在井筒14内的适当位置处，但将导管或套管固定并不是设备10的操作所必需的。虽然图1所示的实施例是针对将“套管”插入并固定到钻出的井筒中而进行描述的，但是应该理解，其他类型的导电导管(诸如钻杆、卷管、成品管等)也可以与根据本发明的设备一起使用。在一个具体示例中，导管12不是套管，而可以是卡在井筒14中的钻杆，由此将设备10用铠装电缆16降入到卡住的钻杆中来进行测量，将进一步对此进行解释。
铠装电缆16包括一个或更多个被绝缘的电导体(没有单独示出)并且安排铠装电缆16将电功率传导到布置在井筒14中的设备10。可以使用电缆16上的电导体从布置在地表处的记录单元30导出电功率，并且可以将来自设备10的信号发送到记录单元30。还可以使用记录单元30来记录和/或解释从井筒14中的设备10传送至其的信号。记录单元30可以包括电源32，电源32用于进行确定各个地球岩层22、24、26的电阻率的测量。在本说明书中，用于使得能够进行与岩层电阻率相对应的测量的任何电源将被称为“测量电流源”。还可以使用电源32仅向设备10中在图1的20处大体示出的各种测量和控制电路提供电功率。下面将参照图2进一步解释该设备中的各种电路所提供的功能。
仍然参照图1，在距井筒14选定距离的地表处设置测量电流返回电极34B*。通常将测量电流返回电极34B*插入到靠近地表的岩层中，以向井筒14所穿透的地球岩层22、24、26提供导电路径。具体地，测量电流返回电极34B*提供了用于电测量从设备10上的源电极A流出的电流的通过地球岩层22、24、26的电流路径。电流返回电极34B*可以如图1所示连接到记录单元30中的电路35B*，或者另选地可以连接到电缆16中的电导体中的一个(没有单独示出)。显示为与导管或套管12的顶部相连的套管电流返回电极34B提供了用于电测量从设备10上的电流源电极A流到套管12的顶部的电流的返回路径。套管电流返回电极34B可以连接到记录单元30中的电路35B，或者可以连接到电缆12中的导体中的一个(未示出)，以返回到设备10中的电路20。
设备10包括以A以及P0至P6示出的多个电极，所述多个电极布置在探测器心轴18上轴向隔开的多个位置处。布置在探测器心轴18的外部或形成探测器心轴18的不导电材料将电极A、P0-P6彼此电绝缘。电极A、P0-P6中的每一个被机械调整和电调整为与套管12具有良好的电接触。本领域中已知各种类型的套管接触电极，这些电极包括电刷、液压制动“钉(spike)”、钉齿式轮以及类似装置。电极A、P0-P6分别连接到设备10中的电子电路20的选定部分。
在设备10由铠装电缆传送时的操作期间，绞盘28放下电缆16，以使设备10定位在井筒14中的选定深度处。电功率通过套管12，并且经由选择性的连接而通过地球岩层22、24、26，所述选择性的连接处于位于电流路径的一端的源电极A与分别位于电流路径的另一端的套管返回34B或岩层返回34B*之间。对如图1中的电极P0所示的基准电势电极与一个或更多个电势测量电极(图1中的P1-P6)之间存在的电压进行测量。根据所使用的电极的类型(例如电刷或钉齿式接触轮)，在一些实施例中，在进行测量的同时可以将设备10沿着井筒14慢慢移动。其他类型的电极(诸如液压制动钉)会要求设备10在任何一个测量序列期间保持基本静止。在进行电压测量时，不论设备10是静止还是移动，从井筒14逐渐拔出设备10，直到井筒14的包括所关心的岩层22、24、26的选定部分已使用套管电流返回34B和岩层电流返回34B*两者完成了与所述岩层相对应的电压测量为止。
图2更详细地示出了电子电路20的一个实施例。电路20的本实施例可包括中央处理单元(CPU)50，CPU 50可以是预编程微型计算机或可编程微型计算机。在本实施例中，CPU 50适于从由记录单元(图1中的30)发送到遥测收发器和电源单元48的格式化遥测信号内检测控制命令。遥测收发器48还执行以下功能：对由CPU 50传送的数据信号进行格式化，以沿着电缆导体16A发送到记录单元(图1中的30)；以及接收并调整沿着导体16A发送的电功率以使其可以被电路20的各个部件使用。当遥测收发器48检测到对CPU 50进行重新编程的命令信号并且该信号被传导到CPU 50时，还可以用所述命令信号对CPU 50进行重新编程。重新编程例如可包括改变用于进行先前解释的电压降测量的测量电流的波形。在其他示例中，重新编程还可包括改变测量电流的大小，并且可包括改变电压降测量的采样率。将参照图4至6解释重新编程的其他的形式。
虽然图2所示的实施例包括电遥测收发器48，但是应该清楚地理解，在一些实施例中可以使用光遥测，并且在这种实施例中，遥测收发器48将包括本领域中已知的合适的光电传感器和/或发送装置。在这种实施例中，电缆16应该包括至少一根用于传导这种遥测信号的光纤。在授予Rafie等人的美国专利第5,495,547号中公开了其中包括了用于信号遥测的光纤的铠装电缆的一个实施例。其他实施例可以使用光纤将电操作功率从记录单元30发送到设备10。可以在这种其他实施例中使用在Rafie等人的第5,495,547号专利中公开的电缆或者类似的纤维光缆，来将功率经过光纤发送到所述设备。
CPU 50在其初始编程(或者可以通过对遥测信号重新编程而被如此编程)中可包括用于给地球岩层(图1中的22、24、26)和套管(图1中的12)通电以确定地球岩层(图1中的22、24、26)的电阻率的各种电流波形的数字表示。该数字表示包括关于频率含量、波形的形状以及要通过岩层和套管进行传导的电流的幅度的信息。可以将该数字表示传导到数模转换器(DAC)42，DAC 42根据该数字表示产生模拟信号。然后将DAC 42的模拟信号输出传导到功率放大器44的输入。功率放大器44的输出连接在电流源电极A和开关47之间。开关47由CPU 50控制。开关47在套管返回电极B和岩层返回电极B*、或者其他电极布置的其他电流电极之间，交替改变功率放大器44的另一输出端子的连接。另选地，功率放大器44的该另一输出端子可以连接到一个或更多个电缆导体(16A或其他电导体)，并且可以在记录单元(图1中的30)内执行套管返回和岩层返回之间的切换。另一另选例从电路20中省略了DAC 42和功率放大器44，并使用记录单元(图1中的30)中的电源(图1中的32)以及电缆(图1中的16)中的适当导体(未示出)，来提供测量电流和切换特征。在后一示例实施例中，可以使用一个或更多个电缆导体(诸如图2中的16A)将测量电流传导到源电极A。
在本实施例中，可以测量电势基准电极P0与从电势测量电极P1-P6中选定的一个电势测量电极之间的电压。在任何时刻，可由多路器(MUX)40控制对其进行测量的电压测量电极中的所述一个电势测量电极，MUX40自身可由CPU 50控制。MUX 40的输出连接到低噪声前置放大器或放大器38的输入。前置放大器38的输出连接到模数转换器(ADC)36。ADC 36可以是西格马德尔塔转换器(sigma delta converter)、逐次近似寄存器、或者本领域中已知的任何其他模数转换装置，并且优选地可以提供至少24位的输入信号分辨率(resolution)。从ADC 36输出的数字信号表示测得的基准电极P0与从电压测量电极P1-P6中多路选出的一个之间的电势。使用如图2所示的MUX 40和单个前置放大器38的一个可能的优点是：不管询问电压测量电极P1-P6中的哪一个来确定相对于P0的电势降，电压测量电路的模拟部分都将是基本相同的。因而，可以减少或消除由前置放大器38的响应差异所引起的测量误差。优选地，ADC 36是能够精确地分辨表示一纳伏(1×10-9伏特)那么小的电压差的测量结果的二十四位装置。另选地，各个测量电极P1-P6可以连接到用于各个电极P1-P6的分立的前置放大器(图中未示出)的一个输入端子，从而从该模拟输入电路中去掉MUX 40。
可以将表示电压测量结果的数字字(word)从ADC 36传导到CPU50，以包括在遥测结果中传导至记录单元(图1中的30)。另选地，CPU可以包括其自身的存储器或其他存储装置(没有单独示出)，用于在设备(图1中的10)从井筒(图1中的14)移出之前存储数字字。在一些实施例中，ADC 36的采样率在几千赫兹(kHz)的范围内，用于提供极大量的电压信号样本，优选地为电流波形的每个周期提供至少一千个样本，并且能够在将经转换的DC用作进行电阻率测量的电流源时能够对瞬态效应进行采样。在这种实施例中，该经转换的DC的转换频率可以在大约0.01至20Hz的范围内，从而使ADC 36能够优选地在经转换的DC的每个周期内进行至少一千次(多达几千次)电压测量采样。
在本实施例中，ADC 36基本上连续地运行，对于电流源波形的每个周期提供相当大数量的数字信号样本。在本实施例中，ADC 36的这种基本上连续的运行可以提供以下优点，即，准确迅速地确定电压测量中的任何DC偏压(DC bias)。为了根据电压测量结果精确地确定岩层电阻率，必须考虑这种DC偏压。在本领域中已知的不使电压测量装置基本上连续运行的系统中，必须通过其他手段确定DC偏压。例如，参见授予Rueter等人的第5,467,018号美国专利。
如先前所解释的，可以通过从CPU 50或其他存储装置(未示出)将波形数值传导到DAC 42，来产生测量电流波形。现在将参照图3a至3c来解释特别适合于进行通过套管(或通过导电导管)的电阻率测量的几种类型的电流波形。图3a是功率放大器(图2中的44)的电流输出相对于时间的图。图3a中的电流波形60是低频(0.01至20Hz)方波，可以使用经转换的DC或者通过将表示这种波形的适当的数字传导到DAC(图2中的42)来产生所述低频方波。图3a中的波形60是周期性的，这意味着该波形在选定的时间范围内具有基本恒定的频率，并且波形60具有100％的占空比(duty cycle)，这意味着电流基本上一直流动。
图3b中以60示出了另一可能的电流波形。图3b中的电流波形是随机或伪随机频率方波，其也具有100％的占空比。如同先前的实施例(图3a)，可以通过将适当的数字字从CPU(图2中的50)传导到DAC(图2中的42)来产生图3b所示的电流波形的实施例。对于避免混淆(aliasing)或者与周期性数据采样相关的其他不利影响而言，随机转换是有利的。
图3c中以60示出了另一可能的波形。图3c中的电流波形60是占空比小于100％的周期性方波。可以根据62处所示的时间间隔没有电流流动来推断出占空比小于100％。如同先前的实施例(图3a)，可以通过将适当的数字字从CPU(图2中的50)传导到DAC(图2中的42)来产生图3c所示的电流波形的实施例。在测得的电压降大得足以使得可以减少测量的电压样本的数量的情况下，对于节省电功率而言，使用小于100％的占空比可能是有利的。使用小于100％的占空比还可以使得能够通过测量在电流切断之后在短的时间间隔期间跨各个电极(图1中的P0和P1-P6之间)的电压降，来确定某些瞬态效应。这种感应电势(IP)效应与地球岩层(图1中的22、24、26)的孔隙内的流体组成有关。使用小于100％的占空比还可以使得能够通过使用没有电流流动的时间62作为测量基准，来更好地确定任何DC偏压。
图3a、3b和3c所示的前述示例不是可以使用图2所示的CPU/DAC组合而产生的仅有的电流波形。本领域的技术人员将容易理解，通过将合适的数字字传导到DAC(图2中的42)，基本上可以产生任何频率和波形，这些波形例如包括正弦波形。在一些实施例中，可以将数字字存储在CPU中(图2中的50)。在其他实施例中，可以将数字字自身或者激活所选的波形数字字的命令通过电缆(图1中的16)从记录单元(图1中的30)发送到设备(图1中的10)。在其他实施例中，波形可以是伪随机二进制序列(PRBS)。
再次参照图2，一些实施例可以包括以下特性中的一个或更多个特性，这些特性被编程到CPU 50中或者被编程到记录单元(图1中的30)中的地面计算机中。一些实施例可以包括对一个或更多个电极对(P0与P1-P6中任一个之间的对)进行的电压测量进行自动编辑。例如，如果特定数字电压样本表示所选范围之外的数字，则可以丢弃该采样，并可以将内插值写入到CPU 50中的存储器，或者发送到记录单元(图1中的30)，用作该越界采样值(outlying sample value)。另选地，如果电压测量结果没有随着P0和各个测量电极P1-P6之间的间距的增加而单调增加，则可以丢弃该异常电压采样；对电压测量结果进行内插以写入到存储器，或者不直接将电压测量结果写入到存储器。其他实施例可包括将电压测量字入栈(stack)以显著提高测量结果的信噪比，所述电压测量字对应于位于井筒中大致相同深度处的相同的电极对(P0和P1-P6中的任一个之间的对)。
再次参照图1，其他实施例可以包括套管16内的永久安装的电极阵列，如图1中以A以及P0至P6所示的。可以使用电缆或类似的装置在靠近蕴含石油的积蓄处(reservoir)(例如图1中的岩层24)的选定深度处进行从井筒14内部到地表的电连接。在井筒14的工作寿命期间，可以在选定的时间进行测量，以确定水接点(water contact)(图1中未示出)相对于时间的移动。就电极A、P0-P6的这种永久性放置而言，可以将电路20布置在地表处，或者可以将其自身布置在井筒14中，就像本文先前描述的由电缆传送的设备那样。
可以以很多不同的方式来执行对设备的操作，在此将解释其中的几种。在常规测量模式下，可以将设备10移动到井筒14中的选定深度，在该深度处进行测量。首先，通过对CPU(图2中的50)进行内部编程或从记录单元(图1中的30)发送的命令来操作电路20，以首先使得能够测量由完全沿着套管12流动的电流所引起的电压降。为了进行对套管电压降的测量，将功率放大器(图2中的44)连接在设备10上的电流源电极A和套管电流返回电极34B之间，套管电流返回电极34B在地表处与套管(图1中的12)的顶部连接。然后进行P0和P1至P6中的任何一个或更多个之间的电压测量。然后切换功率放大器(图2中的44)的输出，以将测量电流返回到地表处的测量电流返回电极34B*。进行P0和P1至P6中的所述相同电极之间的另一组电压测量。然后可以将设备10沿着井筒14移动选定的轴向距离，并且重复该测量过程。可以将在P0和P1至P6中的任何一个或更多个之间得到的电压差的值数学变换为测得的电压降相对于井筒14的深度的二次导数。这种二次导数的值与泄漏到地球岩层22、24、26中的基于深度的电流相关，从而与各个岩层22、24、26的电传导率相关。有利的是，基本上如图1和2所示构成的设备不需要测量跨级联差分放大器(所有级联差分放大器都是模拟的)的电压降来确定电压降相对于深度的二次导数。
可以通过提供聚焦电流系统以在轴向上限制测量电流通过各个地球岩层的流动，来提高根据本发明的设备的性能。图4中示意性地示出了包括聚焦电流系统的示例设备。在授予Fearon的第2,729,784号美国专利(通过引用合并于此)中描述了图4所示的示例设备的测量原理。图4中的设备包括沿着该设备的心轴或机架(图1中的18)布置在选定位置处的电极阵列。这些电极在机械和电学构造上可以与以上参照图1所描述的电极相似。这些电极适于与井筒(图1中的14)中的导管或套管(图1中的12)进行电接触。
图4的实施例中的电极包括以B1A、B1B以及B2A、B2B示出的两对聚焦电流电极，这两对电极在中心测量电流源电极M0的轴向两侧大致等距地隔开。基准电势测量电极R1A、R1B以及R2A、R2B分别布置在各个聚焦电流电极对(B 1A、B1B；B2A、B2B)和测量电流源电极M0之间。各个聚焦电流电极对B1A、B1B以及B2A、B2B被连接为分别跨对应的聚焦电流功率放大器44A、44C的输出。在本实施例中，通过使用对应的DAC 42A、42C的输出来驱动各个功率放大器44A、44C，而产生聚焦电流。各个DAC 42A、42C可以连接至到CPU 50的总线或者其他类似的数据连接。如以上参照图2所解释的实施例那样，图4中所示的实施例可包括由CPU 50存储或解释的数字字，该数字字表示要由各个功率放大器44A、44C产生并传导到套管(图1中的12)的聚焦电流的波形。可以控制的波形的方面包括幅度、相位、频率和占空比等。
各基准电势测量电极对R1A、R1B以及R2A、R2B被连接为跨相应的低噪声前置放大器38A、38B(或者说低噪声放大器，与参照图2所描述的前置放大器相似)的输入端子。各低噪声前置放大器38A、38B将其输出连接至ADC42A、42B。ADC 42A、42B的输出连接至总线或者连接至CPU 50。在本实施例中，优选地，ADC 42A、42B是24位分辨率的装置，其与参照图2所描述的ADC相似。在本实施例中，对跨各基准电势电极对R1A、R1B以及R2A、R2B的电势差分别进行测量。CPU50接收分别表示跨各基准电极对R1A、R1B以及R2A、R2B的测得电势的数字字。CPU 50可以控制由各个功率放大器44A、44C输出的聚焦电流的大小，以分别使跨各基准电势电极对R1A、R1B以及R2A、R2B的测得电势基本等于零。CPU 50例如通过改变幅度或者改变功率放大器44A、44B的输出的占空比或者改变两者，可以进行这种调整。可以对功率放大器44A、44B中的一个或它们两者进行幅度和/或占空比的改变。本领域的技术人员将会想到用于改变或调整各个聚焦电流功率放大器44A、44C的功率输出的其他方法。进行这种聚焦电流的幅度调整以分别使跨基准电极R1A、R1B以及R2A、R2B的电势基本保持为零的目的是：确保在套管(图1中的12)内存在这样的区域，在该区域中，基本上没有沿着套管向上或向下流动的净电流。
图4的实施例可以包括数控测量电流源。在本实施例中，该源包括连接至总线或者连接至CPU 50的测量电流DAC 42B。通过将波形字传导到DAC 42B(DAC 42B将所述波形字转换为用于测量电流功率放大器44B的驱动信号，测量电流功率放大器44B的输入端连接至DAC 42B的输出端)而产生测量电流。来自测量电流功率放大器44B的测量电流输出连接至测量电流源电极M0，并且可在返回电极34B*处或者另选地在套管电流返回34B处返回地表。测量电势电极M1A、M1B分别布置在测量电流源电极M0的两侧。各个测量电势电极M1A、M1B以及源电极M0连接为跨相应的测量电势低噪声放大器38B、38C的输入。各个测量电势低噪声放大器38B、38C的输出连接至相对应的ADC 36B、36C，在该处将表示跨各测量电势电极对M1A、M0以及M1B、M0的测得的电势的值的数字字传导到CPU 50以进行处理。优选地，测量电势ADC 44B也是24位分辨率的装置。套管外部的地球岩层的电阻率与跨测量电势电极的电势以及测量电流的大小相关。可以以与参照图2的实施例所解释的方式基本相似的方式控制测量电流的波形、频率和占空比。
如图4所示的系统的可能的优点包括可以对聚焦电流的性质进行比先前更精确的控制，从而使对跨测量电极M1A、M1B的电势的测量更精确。
图5示意性地示出了根据本发明的设备的另一实施例。该设备包括布置在设备机架18上的沿轴向隔开的位置处的电极阵列。这些电极由A、B、P、O、N和M指示。这些电极通过由“控制单元”50A(其可以与控制器的形成部件相关联，所述控制器与图2的CPU 50的设计相似)所指示的切换系统相连接。控制单元50A选择要将哪些电极连接到哪一个或选定的电路。所述电路包括电流源52。电流源52可以是数字合成器，并且可包括DAC和功率放大器(没有单独示出)。所述电路可包括电压(或电势)测量电路51，该电压(或电势)测量电路51可包括如参照图2所解释的低噪声前置放大器和ADC(没有单独示出)。所述电路还可包括电压反馈单元53，该电压反馈单元53可以与参照图4所解释的聚焦电流源的构造相似。
为了进行各种类型的测量，图5所示的设备可以选择要应用的测量电流源和聚焦电流源、以及要跨所述电极中的选定电极和选定电极对而进行的电压测量。在下面的表中解释了各种测量模式的示例、以及用于在各个模式下进行测量的电极：
测量模式 电流源和返回电极 测得的电势所跨的电极 向下钻孔，全包含 A，B M和N；O和P 深穿透电阻率 B，电流返回位于远离套管顶 部的地表处(返回34B*) M和N；O和P 快速测量 M和N A和B；O和P
测量模式 电流源和返回电极 测得的电势所跨的电极 混合 混合源 混合对
以上表中，“电流源和返回电极”列表示连接至测量电流源52的电极。跨“测得的电势所跨的电极”这一列所示的电极对进行电势测量。
根据本发明的包括合适地编程了的CPU(图2中的50)的设备的各种构成可以对用于如上参照图4所解释的目的的各种电极的选择(即电压测量电极的轴向间距以及提供给各种聚焦电极的聚焦电流的量的间距)提供基本上实时的自动控制。图6示出了显示被编程为执行前述功能的系统的一个实施例的归纳流程图。在70，初始配置的电极、电流源和电压测量电路分别发出测量电流、聚焦电流以及进行电压测量。初始配置可由系统操作者设定，或者可被预编程。经预编程或操作者选定的初始配置可以是基于参数的，所述参数诸如各种地球岩层的预期厚度以及各种地球岩层的预期电阻率等。在71，至少测量一对电压测量电极的电压。在例如参照图4所解释的包括基准电势电极的构造中，还可测量这种基准电势。在72，分析测得的电压。分析可包括确定沿套管的电压降的大小从而确定套管电阻，并且可包括确定进入岩层的泄漏电流的电压降。分析可包括针对并不基本等于零的基准电势测量结果确定极化方向(polarization direction)。在75，使用所述分析来确定所获得的响应是否表示岩层电阻率计算的稳定集合。如果该响应是稳定的，则在77，使用所述电压测量结果，典型地如先前所解释的，通过确定针对靠近测量进行处的套管电阻变化而校正的泄漏电流的大小相对于深度的二次导数，来确定岩层电阻率。
在73，使用电压测量结果来开发围绕靠近设备(图1中的10)的井筒(图1中的14)的外部的电阻率分布模型。例如，在授予Tamarchenko(1998)的标题为“Method of simulating the response of a through-casingresistivity well logging instrument and its application to determiningresistivity of earth formations”的美国专利第5,809,458号中公开了用于确定地球岩层模型的方法。在74，该模型经受敏感度分析。在76，使用适当的敏感度分析，可以利用该模型来确定聚焦电流电极的最佳排列。如果所确定的最佳聚焦电流电极的排列不同于初始或当前配置，则在79改变配置，并在78改变聚焦电流参数以向所述模型提供最佳敏感度响应。
虽然针对有限数量的实施例描述了本发明，但是从本公开中获益的本领域的技术人员将会理解，可以设计出不脱离在此公开的本发明的范围的其他实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求限制。
使井筒14钻穿以22、24和26示意性地示出的各个地球岩层。在钻完井筒14之后，将导电导管12或套管插入到井筒14中。如果导管12是套管，那么套管12通常被固定在井筒14内的适当位置处，但将导管或套管固定并不是设备10的操作所必需的。虽然图1所示的实施例是针对将“套管”插入并固定到钻出的井筒中而进行描述的，但是应该理解，其他类型的导电导管(诸如钻杆、卷管、成品管等)也可以与根据本发明的设备一起使用。在一个具体示例中，导管12不是套管，而可以是卡在井筒14中的钻杆，由此将设备10用铠装电缆16降入到卡住的钻杆中来进行测量，将进一步对此进行解释。
铠装电缆16包括一个或更多个被绝缘的电导体(没有单独示出)并且安排铠装电缆16将电功率传导到布置在井筒14中的设备10。可以使用电缆16上的电导体从布置在地表处的记录单元30导出电功率，并且可以将来自设备10的信号发送到记录单元30。还可以使用记录单元30来记录和/或解释从井筒14中的设备10传送至其的信号。记录单元30可以包括电源32，电源32用于进行确定各个地球岩层22、24、26的电阻率的测量。在本说明书中，用于使得能够进行与岩层电阻率相对应的测量的任何电源将被称为“测量电流源”。还可以使用电源32仅向设备10中在图1的20处大体示出的各种测量和控制电路提供电功率。下面将参照图2进一步解释该设备中的各种电路所提供的功能。
仍然参照图1，在距井筒14选定距离的地表处设置测量电流返回电极34B*。通常将测量电流返回电极34B*插入到靠近地表的岩层中，以向井筒14所穿透的地球岩层22、24、26提供导电路径。具体地，测量电流返回电极34B*提供了用于电测量从设备10上的源电极A流出的电流的通过地球岩层22、24、26的电流路径。电流返回电极34B*可以如图1所示连接到记录单元30中的电路35B*，或者另选地可以连接到电缆16中的电导体中的一个(没有单独示出)。显示为与导管或套管12的顶部相连的套管电流返回电极34B提供了用于电测量从设备10上的电流源电极A流到套管12的顶部的电流的返回路径。套管电流返回电极34B可以连接到记录单元30中的电路35B，或者可以连接到电缆12中的导体中的一个(未示出)，以返回到设备10中的电路20。
设备10包括以A以及P0至P6示出的多个电极，所述多个电极布置在探测器心轴18上轴向隔开的多个位置处。布置在探测器心轴18的外部或形成探测器心轴18的不导电材料将电极A、P0-P6彼此电绝缘。电极A、P0-P6中的每一个被机械调整和电调整为与套管12具有良好的电接触。本领域中已知各种类型的套管接触电极，这些电极包括电刷、液压制动“钉(spike)”、钉齿式轮以及类似装置。电极A、P0-P6分别连接到设备10中的电子电路20的选定部分。
在设备10由铠装电缆传送时的操作期间，绞盘28放下电缆16，以使设备10定位在井筒14中的选定深度处。电功率通过套管12，并且经由选择性的连接而通过地球岩层22、24、26，所述选择性的连接处于位于电流路径的一端的源电极A与分别位于电流路径的另一端的套管返回34B或岩层返回34B*之间。对如图1中的电极P0所示的基准电势电极与一个或更多个电势测量电极(图1中的P1-P6)之间存在的电压进行测量。根据所使用的电极的类型(例如电刷或钉齿式接触轮)，在一些实施例中，在进行测量的同时可以将设备10沿着井筒14慢慢移动。其他类型的电极(诸如液压制动钉)会要求设备10在任何一个测量序列期间保持基本静止。在进行电压测量时，不论设备10是静止还是移动，从井筒14逐渐拔出设备10，直到井筒14的包括所关心的岩层22、24、26的选定部分已使用套管电流返回34B和岩层电流返回34B*两者完成了与所述岩层相对应的电压测量为止。
图2更详细地示出了电子电路20的一个实施例。电路20的本实施例可包括中央处理单元(CPU)50，CPU 50可以是预编程微型计算机或可编程微型计算机。在本实施例中，CPU 50适于从由记录单元(图1中的30)发送到遥测收发器和电源单元48的格式化遥测信号内检测控制命令。遥测收发器48还执行以下功能：对由CPU 50传送的数据信号进行格式化，以沿着电缆导体16A发送到记录单元(图1中的30)；以及接收并调整沿着导体16A发送的电功率以使其可以被电路20的各个部件使用。当遥测收发器48检测到对CPU 50进行重新编程的命令信号并且该信号被传导到CPU 50时，还可以用所述命令信号对CPU 50进行重新编程。重新编程例如可包括改变用于进行先前解释的电压降测量的测量电流的波形。在其他示例中，重新编程还可包括改变测量电流的大小，并且可包括改变电压降测量的采样率。将参照图4至6解释重新编程的其他的形式。
虽然图2所示的实施例包括电遥测收发器48，但是应该清楚地理解，在一些实施例中可以使用光遥测，并且在这种实施例中，遥测收发器48将包括本领域中已知的合适的光电传感器和/或发送装置。在这种实施例中，电缆16应该包括至少一根用于传导这种遥测信号的光纤。在授予Rafie等人的美国专利第5,495,547号中公开了其中包括了用于信号遥测的光纤的铠装电缆的一个实施例。其他实施例可以使用光纤将电操作功率从记录单元30发送到设备10。可以在这种其他实施例中使用在Rafie等人的第5,495,547号专利中公开的电缆或者类似的纤维光缆，来将功率经过光纤发送到所述设备。
CPU 50在其初始编程(或者可以通过对遥测信号重新编程而被如此编程)中可包括用于给地球岩层(图1中的22、24、26)和套管(图1中的12)通电以确定地球岩层(图1中的22、24、26)的电阻率的各种电流波形的数字表示。该数字表示包括关于频率含量、波形的形状以及要通过岩层和套管进行传导的电流的幅度的信息。可以将该数字表示传导到数模转换器(DAC)42，DAC 42根据该数字表示产生模拟信号。然后将DAC 42的模拟信号输出传导到功率放大器44的输入。功率放大器44的输出连接在电流源电极A和开关47之间。开关47由CPU 50控制。开关47在套管返回电极B和岩层返回电极B*、或者其他电极布置的其他电流电极之间，交替改变功率放大器44的另一输出端子的连接。另选地，功率放大器44的该另一输出端子可以连接到一个或更多个电缆导体(16A或其他电导体)，并且可以在记录单元(图1中的30)内执行套管返回和岩层返回之间的切换。另一另选例从电路20中省略了DAC 42和功率放大器44，并使用记录单元(图1中的30)中的电源(图1中的32)以及电缆(图1中的16)中的适当导体(未示出)，来提供测量电流和切换特征。在后一示例实施例中，可以使用一个或更多个电缆导体(诸如图2中的16A)将测量电流传导到源电极A。
在本实施例中，可以测量电势基准电极P0与从电势测量电极P1-P6中选定的一个电势测量电极之间的电压。在任何时刻，可由多路器(MUX)40控制对其进行测量的电压测量电极中的所述一个电势测量电极，MUX40自身可由CPU 50控制。MUX 40的输出连接到低噪声前置放大器或放大器38的输入。前置放大器38的输出连接到模数转换器(ADC)36。ADC 36可以是西格马德尔塔转换器(sigma delta converter)、逐次近似寄存器、或者本领域中已知的任何其他模数转换装置，并且优选地可以提供至少24位的输入信号分辨率(resolution)。从ADC 36输出的数字信号表示测得的基准电极P0与从电压测量电极P1-P6中多路选出的一个之间的电势。使用如图2所示的MUX 40和单个前置放大器38的一个可能的优点是：不管询问电压测量电极P1-P6中的哪一个来确定相对于P0的电势降，电压测量电路的模拟部分都将是基本相同的。因而，可以减少或消除由前置放大器38的响应差异所引起的测量误差。优选地，ADC 36是能够精确地分辨表示一纳伏(1×10-9伏特)那么小的电压差的测量结果的二十四位装置。另选地，各个测量电极P1-P6可以连接到用于各个电极P1-P6的分立的前置放大器(图中未示出)的一个输入端子，从而从该模拟输入电路中去掉MUX 40。
可以将表示电压测量结果的数字字(word)从ADC 36传导到CPU50，以包括在遥测结果中传导至记录单元(图1中的30)。另选地，CPU可以包括其自身的存储器或其他存储装置(没有单独示出)，用于在设备(图1中的10)从井筒(图1中的14)移出之前存储数字字。在一些实施例中，ADC 36的采样率在几千赫兹(kHz)的范围内，用于提供极大量的电压信号样本，优选地为电流波形的每个周期提供至少一千个样本，并且能够在将经转换的DC用作进行电阻率测量的电流源时能够对瞬态效应进行采样。在这种实施例中，该经转换的DC的转换频率可以在大约0.01至20Hz的范围内，从而使ADC 36能够优选地在经转换的DC的每个周期内进行至少一千次(多达几千次)电压测量采样。
在本实施例中，ADC 36基本上连续地运行，对于电流源波形的每个周期提供相当大数量的数字信号样本。在本实施例中，ADC 36的这种基本上连续的运行可以提供以下优点，即，准确迅速地确定电压测量中的任何DC偏压(DC bias)。为了根据电压测量结果精确地确定岩层电阻率，必须考虑这种DC偏压。在本领域中已知的不使电压测量装置基本上连续运行的系统中，必须通过其他手段确定DC偏压。例如，参见授予Rueter等人的第5,467,018号美国专利。
如先前所解释的，可以通过从CPU 50或其他存储装置(未示出)将波形数值传导到DAC 42，来产生测量电流波形。现在将参照图3a至3c来解释特别适合于进行通过套管(或通过导电导管)的电阻率测量的几种类型的电流波形。图3a是功率放大器(图2中的44)的电流输出相对于时间的图。图3a中的电流波形60是低频(0.01至20Hz)方波，可以使用经转换的DC或者通过将表示这种波形的适当的数字传导到DAC(图2中的42)来产生所述低频方波。图3a中的波形60是周期性的，这意味着该波形在选定的时间范围内具有基本恒定的频率，并且波形60具有100％的占空比(duty cycle)，这意味着电流基本上一直流动。
图3b中以60示出了另一可能的电流波形。图3b中的电流波形是随机或伪随机频率方波，其也具有100％的占空比。如同先前的实施例(图3a)，可以通过将适当的数字字从CPU(图2中的50)传导到DAC(图2中的42)来产生图3b所示的电流波形的实施例。对于避免混淆(aliasing)或者与周期性数据采样相关的其他不利影响而言，随机转换是有利的。
图3c中以60示出了另一可能的波形。图3c中的电流波形60是占空比小于100％的周期性方波。可以根据62处所示的时间间隔没有电流流动来推断出占空比小于100％。如同先前的实施例(图3a)，可以通过将适当的数字字从CPU(图2中的50)传导到DAC(图2中的42)来产生图3c所示的电流波形的实施例。在测得的电压降大得足以使得可以减少测量的电压样本的数量的情况下，对于节省电功率而言，使用小于100％的占空比可能是有利的。使用小于100％的占空比还可以使得能够通过测量在电流切断之后在短的时间间隔期间跨各个电极(图1中的P0和P1-P6之间)的电压降，来确定某些瞬态效应。这种感应电势(IP)效应与地球岩层(图1中的22、24、26)的孔隙内的流体组成有关。使用小于100％的占空比还可以使得能够通过使用没有电流流动的时间62作为测量基准，来更好地确定任何DC偏压。
图3a、3b和3c所示的前述示例不是可以使用图2所示的CPU/DAC组合而产生的仅有的电流波形。本领域的技术人员将容易理解，通过将合适的数字字传导到DAC(图2中的42)，基本上可以产生任何频率和波形，这些波形例如包括正弦波形。在一些实施例中，可以将数字字存储在CPU中(图2中的50)。在其他实施例中，可以将数字字自身或者激活所选的波形数字字的命令通过电缆(图1中的16)从记录单元(图1中的30)发送到设备(图1中的10)。在其他实施例中，波形可以是伪随机二进制序列(PRBS)。
再次参照图2，一些实施例可以包括以下特性中的一个或更多个特性，这些特性被编程到CPU 50中或者被编程到记录单元(图1中的30)中的地面计算机中。一些实施例可以包括对一个或更多个电极对(P0与P1-P6中任一个之间的对)进行的电压测量进行自动编辑。例如，如果特定数字电压样本表示所选范围之外的数字，则可以丢弃该采样，并可以将内插值写入到CPU 50中的存储器，或者发送到记录单元(图1中的30)，用作该越界采样值(outlying sample value)。另选地，如果电压测量结果没有随着P0和各个测量电极P1-P6之间的间距的增加而单调增加，则可以丢弃该异常电压采样；对电压测量结果进行内插以写入到存储器，或者不直接将电压测量结果写入到存储器。其他实施例可包括将电压测量字入栈(stack)以显著提高测量结果的信噪比，所述电压测量字对应于位于井筒中大致相同深度处的相同的电极对(P0和P1-P6中的任一个之间的对)。
再次参照图1，其他实施例可以包括套管16内的永久安装的电极阵列，如图1中以A以及P0至P6所示的。可以使用电缆或类似的装置在靠近蕴含石油的积蓄处(reservoir)(例如图1中的岩层24)的选定深度处进行从井筒14内部到地表的电连接。在井筒14的工作寿命期间，可以在选定的时间进行测量，以确定水接点(water contact)(图1中未示出)相对于时间的移动。就电极A、P0-P6的这种永久性放置而言，可以将电路20布置在地表处，或者可以将其自身布置在井筒14中，就像本文先前描述的由电缆传送的设备那样。
可以以很多不同的方式来执行对设备的操作，在此将解释其中的几种。在常规测量模式下，可以将设备10移动到井筒14中的选定深度，在该深度处进行测量。首先，通过对CPU(图2中的50)进行内部编程或从记录单元(图1中的30)发送的命令来操作电路20，以首先使得能够测量由完全沿着套管12流动的电流所引起的电压降。为了进行对套管电压降的测量，将功率放大器(图2中的44)连接在设备10上的电流源电极A和套管电流返回电极34B之间，套管电流返回电极34B在地表处与套管(图1中的12)的顶部连接。然后进行P0和P1至P6中的任何一个或更多个之间的电压测量。然后切换功率放大器(图2中的44)的输出，以将测量电流返回到地表处的测量电流返回电极34B*。进行P0和P1至P6中的所述相同电极之间的另一组电压测量。然后可以将设备10沿着井筒14移动选定的轴向距离，并且重复该测量过程。可以将在P0和P1至P6中的任何一个或更多个之间得到的电压差的值数学变换为测得的电压降相对于井筒14的深度的二次导数。这种二次导数的值与泄漏到地球岩层22、24、26中的基于深度的电流相关，从而与各个岩层22、24、26的电传导率相关。有利的是，基本上如图1和2所示构成的设备不需要测量跨级联差分放大器(所有级联差分放大器都是模拟的)的电压降来确定电压降相对于深度的二次导数。
可以通过提供聚焦电流系统以在轴向上限制测量电流通过各个地球岩层的流动，来提高根据本发明的设备的性能。图4中示意性地示出了包括聚焦电流系统的示例设备。在授予Fearon的第2,729,784号美国专利(通过引用合并于此)中描述了图4所示的示例设备的测量原理。图4中的设备包括沿着该设备的心轴或机架(图1中的18)布置在选定位置处的电极阵列。这些电极在机械和电学构造上可以与以上参照图1所描述的电极相似。这些电极适于与井筒(图1中的14)中的导管或套管(图1中的12)进行电接触。
图4的实施例中的电极包括以B1A、B1B以及B2A、B2B示出的两对聚焦电流电极，这两对电极在中心测量电流源电极M0的轴向两侧大致等距地隔开。基准电势测量电极R1A、R1B以及R2A、R2B分别布置在各个聚焦电流电极对(B 1A、B1B；B2A、B2B)和测量电流源电极M0之间。各个聚焦电流电极对B1A、B1B以及B2A、B2B被连接为分别跨对应的聚焦电流功率放大器44A、44C的输出。在本实施例中，通过使用对应的DAC 42A、42C的输出来驱动各个功率放大器44A、44C，而产生聚焦电流。各个DAC 42A、42C可以连接至到CPU 50的总线或者其他类似的数据连接。如以上参照图2所解释的实施例那样，图4中所示的实施例可包括由CPU 50存储或解释的数字字，该数字字表示要由各个功率放大器44A、44C产生并传导到套管(图1中的12)的聚焦电流的波形。可以控制的波形的方面包括幅度、相位、频率和占空比等。
各基准电势测量电极对R1A、R1B以及R2A、R2B被连接为跨相应的低噪声前置放大器38A、38B(或者说低噪声放大器，与参照图2所描述的前置放大器相似)的输入端子。各低噪声前置放大器38A、38B将其输出连接至ADC42A、42B。ADC 42A、42B的输出连接至总线或者连接至CPU 50。在本实施例中，优选地，ADC 42A、42B是24位分辨率的装置，其与参照图2所描述的ADC相似。在本实施例中，对跨各基准电势电极对R1A、R1B以及R2A、R2B的电势差分别进行测量。CPU50接收分别表示跨各基准电极对R1A、R1B以及R2A、R2B的测得电势的数字字。CPU 50可以控制由各个功率放大器44A、44C输出的聚焦电流的大小，以分别使跨各基准电势电极对R1A、R1B以及R2A、R2B的测得电势基本等于零。CPU 50例如通过改变幅度或者改变功率放大器44A、44B的输出的占空比或者改变两者，可以进行这种调整。可以对功率放大器44A、44B中的一个或它们两者进行幅度和/或占空比的改变。本领域的技术人员将会想到用于改变或调整各个聚焦电流功率放大器44A、44C的功率输出的其他方法。进行这种聚焦电流的幅度调整以分别使跨基准电极R1A、R1B以及R2A、R2B的电势基本保持为零的目的是：确保在套管(图1中的12)内存在这样的区域，在该区域中，基本上没有沿着套管向上或向下流动的净电流。
图4的实施例可以包括数控测量电流源。在本实施例中，该源包括连接至总线或者连接至CPU 50的测量电流DAC 42B。通过将波形字传导到DAC 42B(DAC 42B将所述波形字转换为用于测量电流功率放大器44B的驱动信号，测量电流功率放大器44B的输入端连接至DAC 42B的输出端)而产生测量电流。来自测量电流功率放大器44B的测量电流输出连接至测量电流源电极M0，并且可在返回电极34B*处或者另选地在套管电流返回34B处返回地表。测量电势电极M1A、M1B分别布置在测量电流源电极M0的两侧。各个测量电势电极M1A、M1B以及源电极M0连接为跨相应的测量电势低噪声放大器38B、38C的输入。各个测量电势低噪声放大器38B、38C的输出连接至相对应的ADC 36B、36C，在该处将表示跨各测量电势电极对M1A、M0以及M1B、M0的测得的电势的值的数字字传导到CPU 50以进行处理。优选地，测量电势ADC 44B也是24位分辨率的装置。套管外部的地球岩层的电阻率与跨测量电势电极的电势以及测量电流的大小相关。可以以与参照图2的实施例所解释的方式基本相似的方式控制测量电流的波形、频率和占空比。
如图4所示的系统的可能的优点包括可以对聚焦电流的性质进行比先前更精确的控制，从而使对跨测量电极M1A、M1B的电势的测量更精确。
图5示意性地示出了根据本发明的设备的另一实施例。该设备包括布置在设备机架18上的沿轴向隔开的位置处的电极阵列。这些电极由A、B、P、O、N和M指示。这些电极通过由“控制单元”50A(其可以与控制器的形成部件相关联，所述控制器与图2的CPU 50的设计相似)所指示的切换系统相连接。控制单元50A选择要将哪些电极连接到哪一个或选定的电路。所述电路包括电流源52。电流源52可以是数字合成器，并且可包括DAC和功率放大器(没有单独示出)。所述电路可包括电压(或电势)测量电路51，该电压(或电势)测量电路51可包括如参照图2所解释的低噪声前置放大器和ADC(没有单独示出)。所述电路还可包括电压反馈单元53，该电压反馈单元53可以与参照图4所解释的聚焦电流源的构造相似。
为了进行各种类型的测量，图5所示的设备可以选择要应用的测量电流源和聚焦电流源、以及要跨所述电极中的选定电极和选定电极对而进行的电压测量。在下面的表中解释了各种测量模式的示例、以及用于在各个模式下进行测量的电极：
测量模式 电流源和返回电极 测得的电势所跨的电极 向下钻孔，全包含 A，B M和N；O和P 深穿透电阻率 B，电流返回位于远离套管顶 部的地表处(返回34B*) M和N；O和P 快速测量 M和N A和B；O和P
测量模式 电流源和返回电极 测得的电势所跨的电极 混合 混合源 混合对
以上表中，“电流源和返回电极”列表示连接至测量电流源52的电极。跨“测得的电势所跨的电极”这一列所示的电极对进行电势测量。
根据本发明的包括合适地编程了的CPU(图2中的50)的设备的各种构成可以对用于如上参照图4所解释的目的的各种电极的选择(即电压测量电极的轴向间距以及提供给各种聚焦电极的聚焦电流的量的间距)提供基本上实时的自动控制。图6示出了显示被编程为执行前述功能的系统的一个实施例的归纳流程图。在70，初始配置的电极、电流源和电压测量电路分别发出测量电流、聚焦电流以及进行电压测量。初始配置可由系统操作者设定，或者可被预编程。经预编程或操作者选定的初始配置可以是基于参数的，所述参数诸如各种地球岩层的预期厚度以及各种地球岩层的预期电阻率等。在71，至少测量一对电压测量电极的电压。在例如参照图4所解释的包括基准电势电极的构造中，还可测量这种基准电势。在72，分析测得的电压。分析可包括确定沿套管的电压降的大小从而确定套管电阻，并且可包括确定进入岩层的泄漏电流的电压降。分析可包括针对并不基本等于零的基准电势测量结果确定极化方向(polarization direction)。在75，使用所述分析来确定所获得的响应是否表示岩层电阻率计算的稳定集合。如果该响应是稳定的，则在77，使用所述电压测量结果，典型地如先前所解释的，通过确定针对靠近测量进行处的套管电阻变化而校正的泄漏电流的大小相对于深度的二次导数，来确定岩层电阻率。
在73，使用电压测量结果来开发围绕靠近设备(图1中的10)的井筒(图1中的14)的外部的电阻率分布模型。例如，在授予Tamarchenko(1998)的标题为“Method of simulating the response of a through-casingresistivity well logging instrument and its application to determiningresistivity of earth formations”的美国专利第5,809,458号中公开了用于确定地球岩层模型的方法。在74，该模型经受敏感度分析。在76，使用适当的敏感度分析，可以利用该模型来确定聚焦电流电极的最佳排列。如果所确定的最佳聚焦电流电极的排列不同于初始或当前配置，则在79改变配置，并在78改变聚焦电流参数以向所述模型提供最佳敏感度响应。
虽然针对有限数量的实施例描述了本发明，但是从本公开中获益的本领域的技术人员将会理解，可以设计出不脱离在此公开的本发明的范围的其他实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求限制。