本發(fā)明涉及一種方位電極、鉆鋌及測(cè)量方法，屬于井下探測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種用于隨鉆測(cè)量的方位電極、鉆鋌及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
：電阻率測(cè)井是測(cè)井方法中使用最早也是最常用的方法，到目前為止，在劃分鉆井地質(zhì)剖面和判斷巖性的工作中仍起著難以替代的作用。隨鉆方位電阻率井壁成像技術(shù)是在傳統(tǒng)電纜測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種可以在鉆井過程中實(shí)時(shí)測(cè)量井眼周圍不同方位地層電阻率成像測(cè)量方法。隨著水平井、大位移井及三維多目標(biāo)井鉆井技術(shù)的不斷提高和大量應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井技術(shù)是今后井眼軌跡控制技術(shù)鉆井工具的發(fā)展方向，將方位電阻率成像技術(shù)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，可滿足裂縫、薄層等復(fù)雜儲(chǔ)層的地質(zhì)導(dǎo)向與地層評(píng)價(jià)需要。方位電極是電阻率測(cè)井設(shè)備中非常重要的部件，其主要用于在井周方向上不同扇區(qū)的測(cè)量。但是，現(xiàn)有技術(shù)中的方位電極在鉆進(jìn)過程中容易磨損和松動(dòng)，影響了電極的使用壽命，降低了測(cè)量效率和精度，甚至因電極脫落落井造成井下安全事故。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的因方位電極在鉆進(jìn)過程中磨損、松動(dòng)和脫落而造成的電極使用壽命短、測(cè)量效率和精度低以及影響安全鉆井的技術(shù)問題，提出了一種用于隨鉆測(cè)量的方位電極、鉆鋌及測(cè)量方法。該電極、鉆鋌及測(cè)量方法通過特殊設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)以及與電極相配合的保護(hù)環(huán)能夠有效阻止電極的磨損和松動(dòng)。本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：一種用于隨鉆方位電阻率測(cè)量的方位電極，包括：電極層，其表面為一弧面結(jié)構(gòu)，其中部設(shè)置有向下的凸起；安裝基體，用于包裹和固定所述電極層，其中部設(shè)置有與所述凸起相配合的凹槽；絕緣層，位于所述電極層和安裝基體之間，用于絕緣所述電極層。優(yōu)化的，上述的一種用于隨鉆方位電阻率測(cè)量的方位電極，所述的電極層和安裝基體之間的絕緣層空間，用強(qiáng)粘結(jié)絕緣材料填充，使電極和安裝基體成為一個(gè)固結(jié)的整體。優(yōu)化的，上述的一種用于隨鉆方位電阻率測(cè)量的方位電極，所述安裝基體沿鉆鋌軸向在兩側(cè)各設(shè)有可嵌入鉆鋌本體凹槽內(nèi)的凸緣，每側(cè)凸緣通過釘孔固定于鉆鋌本體上軸向布置的螺紋孔內(nèi)。優(yōu)化的，上述的一種用于隨鉆方位電阻率測(cè)量的方位電極，還包括方位電極保護(hù)環(huán)，所述方位電極保護(hù)環(huán)安裝于方位電極兩側(cè)的鉆鋌本體上設(shè)置的凹槽內(nèi)，所述方位電極保護(hù)環(huán)的中部位置兩側(cè)各有一凸緣，其中內(nèi)凸緣覆蓋方位電極安裝基體的凸緣，外凸緣嵌入鉆鋌本體沿軸向設(shè)置的槽內(nèi)。優(yōu)化的，上述的一種用于隨鉆方位電阻率測(cè)量的方位電極，所述方位電極保護(hù)環(huán)的內(nèi)凸緣上設(shè)置有耐磨帶。優(yōu)化的，上述的一種用于隨鉆方位電阻率測(cè)量的方位電極，方位電極安裝于鉆鋌上后，其裸露周向長度占鉆鋌圓周周長的1/6。一種用于隨鉆方位電阻率測(cè)量的鉆鋌，包括上述任一方位電極。一種隨鉆方位電阻率測(cè)量方法，采用上述的鉆鋌。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、通過強(qiáng)粘結(jié)絕緣材料固結(jié)電極和安裝基體，以及特殊設(shè)計(jì)的安裝基體及保護(hù)環(huán)將電極在軸向和徑向上有效固定于鉆鋌的凹槽內(nèi)，有效避免電極松動(dòng)；2.通過多道耐磨帶保護(hù)結(jié)構(gòu)，防止電極的磨損。附圖說明圖1-1為隨鉆方位電阻率井壁成像裝置總體結(jié)構(gòu)；圖1-2為圖1-1的局部視圖1；圖1-3為圖1-1的局部視圖2；圖2-1為上主體單元II結(jié)構(gòu)外觀圖；圖2-2為測(cè)量電路部分周向展開位置圖；圖3-1為電扣電極結(jié)構(gòu)；圖3-2為圖3-1的俯視圖；圖4-1為電扣電極集成安裝及保護(hù)蓋板結(jié)構(gòu)；圖4-2為圖4-1的底面視圖；圖5-1為下主體測(cè)量單元VI結(jié)構(gòu)外觀圖；圖5-2為圖5-1的測(cè)量電路部分周向展開位置圖；圖6-1是方位電極及其保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)在圖5-1中的K-K向視圖；圖6-2是方位電極及其保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)在圖5-1中的L-L向視圖；圖6-3是方位電極及其保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)在圖5-1中的M-M向視圖；圖6-4是方位電極及其安裝基體俯視圖；圖6-5是方位電極及其保護(hù)環(huán)安裝后的俯視圖。圖7-1為中間連通單元III結(jié)構(gòu)；圖7-2為圖7-1的右視圖；圖8-1為上保護(hù)接頭I；圖8-2為下保護(hù)接頭V。具體實(shí)施方式下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。實(shí)施例：本發(fā)明提供的一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的隨鉆方位電阻率井壁成像裝置主要由無磁鉆鋌、泥漿通道、激勵(lì)線圈系、電扣電極系、方位電極系、監(jiān)測(cè)線圈、測(cè)量電路、控制及存儲(chǔ)電子電路單元構(gòu)成，可在井下通過預(yù)先設(shè)定的程序根據(jù)不同的工作模式按照反演計(jì)算方法將探測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視電阻率，并通過裝置在旋轉(zhuǎn)作業(yè)中對(duì)井周的掃描測(cè)量，指示裂縫和地層結(jié)構(gòu)傾角，實(shí)現(xiàn)井壁成像測(cè)量。一、裝置總體結(jié)構(gòu)本實(shí)施例中，裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，為描述方便，將裝置結(jié)構(gòu)自上而下分為五個(gè)部分：上保護(hù)接頭I、上主體測(cè)量單元II、中間連通單元III、下主體測(cè)量單元IV和下保護(hù)接頭V。1、上主體測(cè)量單元II圖2-1和圖2-2為上主體測(cè)量單元II結(jié)構(gòu)外觀圖及其測(cè)量電路部分周向展開位置圖。上主體測(cè)量單元II主要包含：與上部其它儀器實(shí)現(xiàn)供電與通連通的電連接結(jié)構(gòu)201，上發(fā)射線圈T1和中發(fā)射線圈T2，上電扣電極B1、中電扣電極B2和下電扣電極B3，主控及方位伽馬測(cè)量電路板D1、大容量存儲(chǔ)器電路板D2、系統(tǒng)電源板D3、發(fā)射及電扣電極測(cè)量電路板D4(注：圖中沒有給出實(shí)際電路板，用安裝的位置來表示)，以及設(shè)置與讀取數(shù)據(jù)端口T。上發(fā)射線圈T1和下發(fā)射線圈T2均為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，軸向安裝在鉆鋌上，各有兩條引線，分別通過線孔ht1和ht2進(jìn)入電路艙。線圈外部設(shè)有環(huán)狀保護(hù)天線罩203和環(huán)狀保護(hù)天線罩206，天線罩均由兩部分組成，兩部分之間設(shè)有絕緣環(huán)202、207。在鉆井過程中，為減少井壁對(duì)天線罩和絕緣帶的磨損，在天線罩附近的鉆鋌外壁上增加耐磨帶204、耐磨帶205予以防護(hù)。當(dāng)激勵(lì)線圈中通入交變電流時(shí)，就會(huì)在鉆鋌線圈兩側(cè)感應(yīng)出電壓，電壓差為驅(qū)動(dòng)電壓V除以線圈匝數(shù)N。上電扣電極B1、中電扣電極B2和下電扣電極B3均有三部分組成：安裝基體301、電極302和絕緣環(huán)303，如圖3所示，電極直徑7.5mm，絕緣環(huán)厚度2mm-5mm，安裝基體上帶有螺紋304。為安裝和維護(hù)方便考慮，每個(gè)電扣電極單獨(dú)制作，然后將三個(gè)電扣電極集成安裝固定在一塊蓋板上，如圖4所示，蓋板上設(shè)有端面密封槽401和多個(gè)螺釘孔，通過螺釘實(shí)現(xiàn)蓋板與鉆鋌本體的固定連接，安裝在端面密封槽401的O型密封圈保證了蓋板內(nèi)部與鉆鋌外部井眼環(huán)空的隔離。每個(gè)電扣電極各有一條引線，通過蓋板底面的軸向過線槽402匯聚，然后再由安裝槽CB的過線孔h12進(jìn)入電路安裝槽C1。主控及方位伽馬測(cè)量電路板、大容量存儲(chǔ)器電路板、系統(tǒng)電源板、發(fā)射及電扣電極測(cè)量電路板的布置見圖2-2所示的電路部分周向展開位置圖，在圖中僅給出了電路安裝槽的尺寸及位置關(guān)系，電路板可分別安裝在槽C1、槽C2、槽C3和槽C4中，也可根據(jù)實(shí)際需要，互換安裝位置，各電路板之間由過線孔h11、h21、h22、h31和h41等實(shí)現(xiàn)通訊和供電連通。各電路板的保護(hù)采用與電扣電極保護(hù)蓋板類似結(jié)構(gòu)，用端面密封實(shí)現(xiàn)與外部隔離，用多個(gè)螺釘實(shí)現(xiàn)與鉆鋌本體的固定連接。上主體測(cè)量單元的電路系統(tǒng)，通過槽C1中的過線孔hM實(shí)現(xiàn)與上部電連接結(jié)構(gòu)201的連通，通過槽C1中的過線孔h13實(shí)現(xiàn)與設(shè)置與讀取數(shù)據(jù)端口T的電連通，通過槽C3中的接線窗口W1和中間連通單元III的過線孔H1(或H2)實(shí)現(xiàn)與下主體測(cè)量單元電路系統(tǒng)的電連通，有效利用空間并可降低布線難度。22、下主體測(cè)量單元IV圖5-1和圖5-2為下主體測(cè)量單元VI的結(jié)構(gòu)外觀圖及其測(cè)量電路部分的周向展開位置圖。主要包含：中監(jiān)測(cè)線圈M0、下發(fā)射線圈T3和下監(jiān)測(cè)線圈M2，方位電極Az1、方位電極Az2、方位電極Az3和方位電極Az4，發(fā)射及方位電極測(cè)量電路板D5、方位及工具面測(cè)量電路板D6、方位伽馬探管D7和兩節(jié)雙C電池D8(注：圖中沒有給出實(shí)際電路板等實(shí)物圖，用安裝的位置來表示)，以及接線窗口W2。中監(jiān)測(cè)線圈M0、下發(fā)射線圈T3和下監(jiān)測(cè)線圈M2均為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，軸向安裝在鉆鋌上，各有兩根引線，其引線分別由過線孔hm0、ht3和hm2進(jìn)入電路艙。在線圈外部設(shè)有環(huán)狀天線罩502和環(huán)狀天線罩506，以保護(hù)線圈M0、線圈T3和線圈M2，其中線圈T3和線圈M2共用天線罩506，天線罩由兩部分組成，兩部分之間設(shè)有絕緣環(huán)501、絕緣環(huán)507。在鉆井過程中，為減少井壁對(duì)天線罩和絕緣帶的磨損，在天線罩附近的鉆鋌外壁上增加耐磨帶505予以防護(hù)。當(dāng)鉆鋌電流向上或向下流動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)線圈M0,監(jiān)測(cè)線圈M2中感應(yīng)的電流為鉆鋌軸向電流除以線圈的匝數(shù)。方位電極Az1、方位電極Az2、方位電極Az3和方位電極Az4均有三部分組成：安裝基體601、絕緣層602和電極603，如圖6所示(圖中K-K、L-L和M-M視圖表示在圖5-1中所示位置的剖視圖)，電極603裸露周向長度占圓周周長的1/6，絕緣層厚度2mm-5mm，安裝基體601上有兩道徑向密封604以保證與外部高壓環(huán)空隔離。安裝基體沿鉆鋌軸向在兩側(cè)各設(shè)有一凸緣605，可嵌入鉆鋌本體上的凹槽cAy內(nèi)，同時(shí)每側(cè)凸緣內(nèi)設(shè)有一個(gè)螺釘孔606，通過鉆鋌本體上軸向布置的相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)螺紋孔LhA實(shí)現(xiàn)固定。每個(gè)方位電極各有一條引線，通過鉆鋌壁內(nèi)的切向過線孔hA2、hA3和hA4匯聚，然后在由鉆鋌壁內(nèi)的兩軸向長孔H3進(jìn)入電路艙。為安裝和維護(hù)方便考慮，每個(gè)方位電極單獨(dú)制作，在安裝時(shí)首先將四個(gè)方位電極獨(dú)立安裝固定在槽CA1、槽CA2、槽CA3和槽CA4內(nèi)，然后在方位電極兩側(cè)安裝保護(hù)環(huán)503、保護(hù)環(huán)504，共有8個(gè)四分之一圓的方位電極保護(hù)環(huán)，每個(gè)方位電極保護(hù)環(huán)通過在鉆鋌本體上的兩個(gè)螺紋孔LhP安裝緊固螺釘實(shí)現(xiàn)固定。其中，方位電極保護(hù)環(huán)504的環(huán)狀部分607安裝在鉆鋌本體的凹槽CAP內(nèi)，可承受軸向作用力；在保護(hù)環(huán)的中部位置兩側(cè)各有一凸緣，其中一凸緣608可覆蓋方位電極的凸緣，以保護(hù)方位電極的凸緣及其緊固螺釘，另一凸緣609嵌入鉆鋌本體上的槽cPy內(nèi)，承受圓周切向作用力；同時(shí)在其中部增加了軸向耐磨帶610，以保護(hù)方位電極。方位測(cè)量是為獲得探測(cè)器的相對(duì)方位，如果以地磁北為參考，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具每旋轉(zhuǎn)90°，方位測(cè)量電路產(chǎn)生一方位脈沖信號(hào)，該信號(hào)用于方位區(qū)計(jì)數(shù)的讀取和累加。方位傳感器和探測(cè)器的位置固定，相對(duì)地磁北，儀器轉(zhuǎn)動(dòng)到0°、90°、180°、270°的位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩軸方位傳感器輸出的值是不同的，可以在軟件里判斷兩軸的數(shù)據(jù)，不必計(jì)算角度值，當(dāng)?shù)竭_(dá)四個(gè)角度位置時(shí)產(chǎn)生一中斷脈沖信號(hào)，控制計(jì)數(shù)器的啟停。發(fā)射及方位電極測(cè)量電路板、方位及工具面測(cè)量電路板、方位伽馬探管和兩節(jié)雙C電池的布置見圖5-2的測(cè)量電路部分周向展開位置圖，在圖中僅給出了電路安裝槽的尺寸及位置關(guān)系，分別安裝在槽C5、槽C6、槽C7和槽C8中，通過鉆鋌壁內(nèi)的過線孔hc5、hc6、hc7和hc8實(shí)現(xiàn)供電和通訊連通。電路板、傳感器和電池組的保護(hù)采用與電扣電極的保護(hù)蓋板類似結(jié)構(gòu)。下主體測(cè)量單元電路系統(tǒng)，通過鉆鋌壁內(nèi)的軸向長孔H3、接線窗口W2和中間連通單元III的過線孔H1(或H2)實(shí)現(xiàn)與上主體測(cè)量單元電路系統(tǒng)的電連通。3、中間連通單元III中間連通單元III結(jié)構(gòu)如圖7所示，其作用是實(shí)現(xiàn)上主體測(cè)量單元II與下主體測(cè)量單元IV之間的機(jī)械連接和電連通。貫通孔H1和H2為上下主體測(cè)量單元之間的過線孔；兩端各有四道密封槽，及密封槽701、密封槽702、密封槽703和密封槽704，以及密封槽705、密封槽706、密封槽707和密封槽708；各端兩兩密封圈之間與上下主體測(cè)量單元鉆鋌的內(nèi)孔形成密封腔體，分別對(duì)應(yīng)上主體測(cè)量單元的接線窗口W1和下主體測(cè)量單元的接線窗口W2位置，在此位置處完成接線；在中間位置的鉆鋌外壁上設(shè)有軸向耐磨帶709，以保護(hù)位于中間連通單元III兩側(cè)的中發(fā)射線圈T2的天線罩206和絕緣帶207，以及中監(jiān)測(cè)線圈M0的天線罩502和絕緣帶501。4、上保護(hù)接頭I和下保護(hù)接頭V如圖8所示，上保護(hù)接頭I為母公扣結(jié)構(gòu)，下保護(hù)接頭V為雙公扣結(jié)構(gòu)，在靠近主體測(cè)量單元的一端設(shè)有耐磨帶。在鉆井過程中，頻繁的起下鉆和使用測(cè)量儀器，若沒有保護(hù)接頭，會(huì)損傷到上主體測(cè)量單元II的上端扣或下主體測(cè)量單元IV的下端扣，需要修扣，甚至更換測(cè)量儀器鉆鋌，存在損傷儀器的隱患，若更換儀器鉆鋌將顯著增加成本。若安裝有保護(hù)接頭，在正常使用過程中，上主體測(cè)量單元II的上端扣或下主體測(cè)量單元IV的下端扣無需拆卸，僅拆卸上保護(hù)接頭I的上端母扣和下保護(hù)接頭V的下端扣，若此兩保護(hù)接頭的扣有損傷，直接更換接頭即可，維護(hù)方便，成本低。二、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)方位電阻率井壁成像測(cè)量方法本實(shí)施例中，利用3個(gè)激勵(lì)線圈T1、T2和T3可以組合成9種工作模式(見表1)，每種模式都可以得到3個(gè)電扣電阻率(B1、B2和B3)，4個(gè)方位電阻率(Az1、Az2、Az3和Az4)，1個(gè)等效環(huán)電極電阻率和1個(gè)鉆頭電阻率共計(jì)9個(gè)測(cè)量值，即在工作狀態(tài)共可獲得81條視電阻率曲線。該81條視電阻率曲線探測(cè)深度多數(shù)重疊，曲線形態(tài)各異，不是每條曲線均能直觀反映地層電阻率，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求及井眼影響，選擇符合要求的曲線作為鉆井決策或后期地層評(píng)價(jià)的依據(jù)，表2中給出一種可參考的輸出量選擇模式。表1旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下9種工作模式模式模式定義T1T1變壓器供電T2T2變壓器供電T3T3變壓器供電AT1T2T1，T2變壓器同時(shí)供同一頻率，同一幅度AC，相位差180度AT1T3T1，T3變壓器同時(shí)供同一頻率，同一幅度AC，相位差180度AT2T3T2，T3變壓器同時(shí)供同一頻率，同一幅度AC，相位差180度CT1T2T1，T2變壓器按聚焦方式測(cè)量CT1T3T1，T3變壓器按聚焦方式測(cè)量CT2T3T2，T3變壓器按聚焦方式測(cè)量表2測(cè)量模式與輸出量在本實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)不同的工作模式及測(cè)量參數(shù)，根據(jù)具體的算法可得到相應(yīng)的視電阻率值。表示電極在該模式下測(cè)量的電流，如表示在模式m下測(cè)得的電極電流，其中m可為1，2，3，4，5，6，7，8，9；ed電極可B1、B2、B3、Az1、Az2、Az3、Az4、M0、M2、M0B和M2B(分別為數(shù)值計(jì)算用電扣電極和線圈T2下方的模擬監(jiān)測(cè)變壓器)、r(環(huán)電極)。表示電極ed在模式m下測(cè)量的視電阻率其中，為電極ed在模式m下的K值，VT為電壓值，各工作模式下的視電阻率可根據(jù)式(2)至式(11)計(jì)算。m＝1：m＝2：m＝3：m＝4：m＝5：m＝6：m＝7：m＝8：m＝9：式(2)至式(11)其中的和為直接測(cè)量量，為導(dǎo)出量。本實(shí)施例中，電扣電極電阻率成像分辨率與電扣直徑及周向分瓣(電扣電極每周采樣點(diǎn))密切相關(guān)，以表示鉆井轉(zhuǎn)速/分鐘，n為周向分瓣數(shù)，為周向分辨角，則表示采樣一個(gè)分瓣的最大時(shí)間間距。在電阻率成像測(cè)量工作中，為減小趨膚效應(yīng)影響，要求激發(fā)頻率低一些，但對(duì)于電扣成像測(cè)量用分頻方式實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量模式，必須占用一定的頻帶寬度，可根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要，選擇合適的激發(fā)頻率。本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3