一种随钻前视测量设备的标定方法、装置及系统

技术领域

本公开属于结构探测技术领域，尤其涉及一种随钻前视测量设备的标定方法、装置及系统。

背景技术

目前随钻电磁波测井技术测量到的均为径向探测深度，即环视距离(LookAround)。当地层界面与仪器之间夹角增大，探测结果所包含的地层信息逐渐减少。实验结果表明当井斜角α约为55°时，前视探测能力会随着井斜角的减小而大幅降低，即使探测距离最远的仪器，在井斜角小于50°时前探信号也几乎为0。因此仅依靠径向探测手段仍受限于地质条件，不具备普遍性，不能够始终保持钻头在目标层中，无法满足钻进测量的需要。而随钻前视电磁波电阻率测井仪器具备从物理角度实现探测钻头前方十几米的能力，大大提高了对构造、储集层特征的判断精度，从而提高油层钻遇率、钻井成功率和采收率。随钻前视电磁波电阻率仪器的标定方法目前国内外介绍的相对较少，一种传统方法是使用水箱进行标定，但是电磁波仪器较长，建立几十米长的水箱测试环境是不现实的。另一种是参照随钻方位电磁波电阻率仪器的标定方法，基于空气-海水双层介质反射面进行测试，海水是一种良导体，广阔的海水面能够满足界面条件，海水均匀介质属性也简化了数值计算模型，能够保证正演模型与测量环境的一致性。

随钻前视电磁波电阻率仪器是用于测量钻头前方的地层信息，而随钻方位电磁波电阻率仪器主要用于测量井周地层，因此不能够直接采用方位电磁波仪器的标定流程。另一方面，前视仪器的标定不能够直接采用与方位电磁波相同的测试条件，因为前视仪器的探测范围更大，标定过程中使用的金属吊臂、以及海底的淤泥都在探测范围内，会对接收信号产生影响。所以前视仪器的标定需要先消除金属吊臂的影响，并将三层的模型与双层模型的仿真计算结果进行比较，才能够进一步对测试结果进行分析。

发明内容

(一)发明目的

本公开的目的是提供一种随钻前视测量设备的标定方法、装置及系统能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：

(二)技术方案

为解决上述问题，本公开的一方面提供了一种随钻前视测量设备的标定方法，标定方法包括将随钻前视测量设备竖直悬吊；将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量该距离接收到信号的幅值和相位，得到第一标空数据；将所述随钻前视测量设备多次下降第二预设距离，分别测量每次下降第二预设距离后接收到信号的幅值和相位，得到测量结果；重新将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量该距离接收到信号的幅值和相位，得到第二标空数据；基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。

在一可选实施例中，所述第一预设距离为30m；所述第二预设距离为1m。

在一可选实施例中，所述反射介质为海水，所述反射界面为海平面；或所述反射介质为浇洒盐水的土壤，其中，所述浇洒盐水的土壤表面覆盖铁板，所述反射界面为所述铁板靠近所述随钻前视测量设备的一面。

在一可选实施例中，所述随钻前视测量设备在所述反射界面上的投影到所述反射界面边界的最小距离大于35m。

在一可选实施例中，所述随钻前视测量设备包括：发射器，所述发射器配置为发射信号；第一接收器，所述第一接收器配置为接收信号；第二接收器，所述第二接收器位于所述第一接收器远离所述发射器的一端，所述第二接收器配置为接收信号；其中，当所述随钻前视测量设备竖直悬吊时，所述发射器靠近所述反射界面，所述第二接收器远离所述反射界面。

在一可选实施例中，所述发射器配置为发射频率为5kHz和20kHz的信号的。

在一可选实施例中，所述第一预设距离为所述发射器距离所述反射界面的直线距离。

在一可选实施例中，每次测量接收到信号的幅值和相位时，同时测量所述反射介质的电阻率，得到对比数据；其中，所述对比数据配置为进行模拟计算。

在一可选实施例中，所述随钻前视测量设备的标定方法还包括：将所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据划分为实部和虚部；将所述对比数据划分为实部和虚部。

在一可选实施例中，基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子包括：

其中，

根据本公开的另一个方面，提供一种随钻前视测量设备的标定装置，所述标定装置配置为执行如上述技术方案任一项所述标定方法。

根据本公开的又一个方面，提供一种随钻前视测量设备的标定系统，包括：如上述技术方案任一项所述的标定装置以及待标定的随钻前视测量设备。

(三)有益效果

本公开的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本公开的随钻前视测量设备的标定方法通过设置第一预设距离，确定随钻前视测量设备与反射界面的悬吊距离，并基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。通过本公开的随钻前视测量设备的标定方法得到的校正因子大幅度减小了周围环境的影响，可以增强信号强度，并且通过在不同高度上测量，也能大幅度的提高标定的准确性。

附图说明

图1示出了根据本公开一实施例的随钻前视测量设备的标定方法的流程图。

图2示出了根据本公开一实施例的随钻前视测量设备的标定系统的示意图。

图3示出了金属吊臂对接收信号影响的曲线图。

图4示出了双层模型和三层模型的示意图，其中，(a)表示空气-海水的双层模型，(b)表示空气-海水-淤泥的三层模型。

图5示出了10m-5kHz不同海水深度与双层模型计算结果对比示意图。

图6示出了随钻前视测量设备对幅度比信号的影响示意图，其中，(a)表示模拟计算所使用的2层模型，(b)表示轴向信号分量的衰减，(c)表示水平信号分量的衰减。

图7示出了根据本公开一实施例空气-海水模型与标准模型信号响应对比示曲线图，其中，(a)表示5kHz-短源距空气-海水模型与标准模型信号响应对比；(b)表示20kHz-短源距空气-海水模型与标准模型信号响应对比；(c)表示5kHz-长源距空气-海水模型与标准模型信号响应对比；(d)表示20kHz-长源距空气-海水模型与标准模型信号响应对比；图中虚线为100Ω·m-1Ω·m模型的信号强度，实线为空气-海水模型的信号强度。

附图标记：

100：金属吊臂；200：发射器；300：第一接收器；400：第二接收器。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本公开进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

此外，下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下将参照附图更详细地描述本公开。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

相关技术中，2019年和2021年推出了Irisphere、BrightStar仪器，且均已投入商业应用，截至目前未见业内其他同类型的产品。这两种仪器都能够在实时钻进中探测到钻头前方最多100英尺(30米)内的水平和垂直电阻率，以及地层的倾角和方位角。2019年，提出一种利用半线圈结构天线，同时具有磁偶极子和电偶极子的功能，能够用于钻头前方和周围的地层边界检测，但是目前仍在理论研究阶段。申请人研制了随钻前视电磁波电阻率仪器，采用三分量天线结构，相较于方位电磁波仪器，增加了收发距并降低了发射频率，能够获得更丰富的地层信息与更大的探测范围。前视仪器(随钻前视测量设备)的测量结果与测试环境及电子器件、温度漂移等因素有关，需要通过标定后才具备物理意义，能够进一步用于探测能力的评估及后续的反演计算。

本公开提供了一种随钻前视测量设备的标定方法、装置及系统，标定方法可以包括：将随钻前视测量设备竖直悬吊；将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量该距离接收到信号的幅值和相位，得到第一标空数据；将所述随钻前视测量设备多次下降第二预设距离，分别测量每次下降第二预设距离后接收到信号的幅值和相位，得到测量结果；重新将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量该距离接收到信号的幅值和相位，得到第二标空数据；基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。本公开的随钻前视测量设备的标定方法针对标定方案中吊装测试条件不能适应前视仪器测试的缺点，本文提出了吊点与岸边距离以及海水深度的条件，确保前视仪器的接收信号不受金属吊臂100及海底淤泥的影响。并基于空气-海水作为反射界面的随钻前视仪器垂直吊装的测试流程以及数据处理方法。本公开的随钻前视测量设备的标定方法通过设置第一预设距离，确定随钻前视测量设备与反射界面的悬吊距离，并基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。通过本公开的随钻前视测量设备的标定方法得到的校正因子大幅度减小了周围环境的影响，可以增强信号强度，并且通过在不同高度上测量，也能大幅度的提高标定的准确性。

下面结合附图详细说明本公开的可选实施例。

根据本公开的具体实施方式，一方面，本公开提供一种随钻前视测量设备的标定方法，可以包括：将随钻前视测量设备竖直悬吊；将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量所述反射介质的电阻率，得到第一标空数据；将所述随钻前视测量设备多次下降第二预设距离，分别测量每次下降第二预设距离后所述反射介质的电阻率，得到测量结果；重新将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量所述反射介质的电阻率，得到第二标空数据；基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。本公开的随钻前视测量设备的标定方法通过设置第一预设距离，确定随钻前视测量设备与反射界面的悬吊距离，并基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。通过本公开的随钻前视测量设备的标定方法得到的校正因子大幅度减小了周围环境的影响，可以增强信号强度，并且通过在不同高度上测量，也能大幅度的提高标定的准确性。针对测试模型中金属吊臂100及海底淤泥的影响，基于有限元方法的数值模拟计算，本公开提供了吊装过程中仪器与岸边的距离，以及能够将三层模型(空气-海水-淤泥)近似为双层模型(空气-海水)的试验条件，与评价前视仪器探测能力的理论模型保持一致，使得测试结果更加准确并具有实际意义。本公开提供了前视仪器探测能力的标定流程与数据处理方法。

图1示出了根据本公开一实施例的随钻前视测量设备的标定方法的流程图。

如图1所示，本公开提供的随钻前视测量设备的标定方法，可以至少包括以下步骤：

S100、将随钻前视测量设备竖直悬吊。

S200、将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量该距离接收到信号的幅值和相位，得到第一标空数据。

S300、将所述随钻前视测量设备多次下降第二预设距离，分别测量每次下降第二预设距离后接收到信号的幅值和相位，得到测量结果。

S400、重新将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量该距离接收到信号的幅值和相位，得到第二标空数据。

S500、基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。

其中，在步骤S100中，采用金属吊臂100将所述随钻前视测量设备竖直悬吊在所述反射界面上，所述反射界面可以为海平面或覆盖在浇洒盐水土壤上的铁板，为了消除所述金属吊臂100对测量结果的影响，所述金属吊臂100距离所述随钻前视测量设备在所述反射界面上的投影至少35m。对于20kHz的发射频率当该距离大于32m时所述金属吊臂100对接收信号几乎无影响，而5kHz的发射频率需要达到35m左右才能够确保接收信号不受所述金属吊臂100的影响。因此实际测试过程中需要保证该距离大于35m，根据吊装高度与该距离之间的关系，该条件能够在保证安全性情况下满足测试环境要求。该距离大于35米，消除了所述金属吊臂100对接收信号产生影响，在所述随钻前视测量设备下降的过程中也不会有影响。

其中，在步骤S200中，所述反射界面的上层为高电阻率的空气，中间层为海水，最后一层为淤泥。由于测试环境为三层模型，而前视探测范围是通过双层模型计算确定的，所以通过对比两种模型计算结果的一致性，可以确定测试模型与理论模型的近似条件，在上述条件下测试标定结果更加准确。在一可选实施例中，所述第一预设距离为30m。

其中，在步骤S300中，分别测量所述随钻前视测量设备在30m、29m、28m、27m、26m、25m、24m、23m、22m、21m、20m、19m、18m、17m、16m、15m、14m、13m、12m、11m、10m、9m、8m、7m、6m、5m、4m、3m、2m、1m高度上的幅值和相位。每个高度位置采集数据至少180秒，并记录测量开始时间。在一可选实施例中，所述第二预设距离为1m。

其中，在步骤S400中，海面测试需要选择合适海水深度的港口环境，选择港口的原因包括：第一，海水可以看作良导体，与空气的电阻率对比度大，能够获取较大的信号响应，以此压制环境噪声的影响。另外，选择港口测试采用的空气-海水模型比较简单，有利于正演模拟，测试结果能够很容易与数值模拟结果进行对比。具体测试流程如下：间隔一段时间测量一次海水电阻率。两次采集标空数据(即所述第一标空数据和所述第二标空数据)一方面是用于数据处理，另一方面用于评估测试数据的质量，因为测试环境中风浪过大会导致仪器摆动，也会导致海水面高度变化，使得处理数据过程中挑选数据困难，且测试结果与预期结果存在误差。

其中，所述步骤S500可以包括：S510、每次测量接收到信号的幅值和相位时，同时测量所述反射介质的电阻率，得到对比数据；其中，所述对比数据配置为进行模拟计算。S520、将所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据划分为实部和虚部。具体的，在步骤S500中，仪器测量得到的均为绝对电压信号，其响应值与诸多因素有关，与模拟计算结果不一致，因此测量数据必须经过校正才能用于探测能力的评估及后续的反演计算。通过校正系数建立了测量数据与正演结果之间关系，下面给出校正系数的计算公式：

其中，

其中，V

步骤S520、可以包括：

S521、判断吊空数据标准差(绝对电压信号标准差<0.001)是否符合要求。

S522、删除各通道第一个和最后一个的数据，计算其余数据平均值作为该测量点的绝对电压信号。

S523、通过校正系数对测量数据进行校正。

S524、根据校正后的结果计算幅度比信号，通过仪器最小分辨率得出测量模型的探测深度。

S525、将测量模型的探测深度转换为100Ω·m-1Ω·m的标准模型探测深度。

在一些实施例中，所述第一预设距离为30m；所述第二预设距离为1m。

在一些实施例中，所述反射介质为海水，所述反射界面为海平面；或所述反射介质为浇洒盐水的土壤，其中，所述浇洒盐水的土壤表面覆盖铁板，所述反射界面为所述铁板靠近所述随钻前视测量设备的一面。海面测试需要选择合适海水深度的港口环境，选择港口的原因包括：第一，海水可以看作良导体，与空气的电阻率对比度大，能够获取较大的信号响应，以此压制环境噪声的影响。另外，选择港口测试采用的空气-海水模型比较简单，有利于正演模拟，测试结果能够很容易与数值模拟结果进行对比。若找不到合适的海面测试环境，也可以在地面上选择开阔的测试环境，铺设足够大的铁板作为良导体反射界面，并在铁板下方的土壤浇洒盐水以降低电阻率，近似模拟双层测试模型。同时需要保证与空气-海水方案中的测试环境条件，其测试流程与数据处理方法与上述一致。

在一些实施例中，所述随钻前视测量设备在所述反射界面上的投影到所述反射界面边界的最小距离大于35m。

在一些实施例中，所述随钻前视测量设备可以包括：发射器200，所述发射器200配置为发射信号；第一接收器300，所述第一接收器300配置为接收信号；第二接收器400，所述第二接收器400位于所述第一接收器300远离所述发射器200的一端，所述第二接收器400配置为接收信号；其中，当所述随钻前视测量设备竖直悬吊时，所述发射器200靠近所述反射界面，所述第二接收器400远离所述反射界面。

图2示出了根据本公开一实施例的随钻前视测量设备的标定系统的示意图。

如图2所示，随钻前视电磁波电阻率仪器天线结构如图2所示，T表示发射天线(即发射器200)，R1(即第一接收器300)、R2(即第二接收器400)分别为接收天线，各天线均包含x、y、z三个分量。使用COMSOL三维有限元软件建立三维模型，采用下图的测试模型，金属吊臂100尾端在岸边，最高吊点距离接收天线的垂直距离30m，若仪器垂直吊装最高处金属吊臂100不会对接收信号产生影响，则在仪器位置下降的过程中也不会有影响。

图3示出了金属吊臂对接收信号影响的曲线图。

如图3所示，在不含金属吊臂100的双层空气-海水模型中，分别计算发射频率为5、20kHz的接收信号强度，将计算结果与含金属吊臂100模型的计算结果对比。由图3可以看到对于20kHz的发射频率当D大于32m时金属吊臂对接收信号几乎无影响，而5kHz的发射频率需要达到35m左右才能够确保接收信号不受金属吊臂的影响。因此实际测试过程中需要保证D>35m，根据吊装高度与D之间的关系，该条件能够在保证安全性情况下满足测试环境要求。

图4示出了双层模型和三层模型的示意图，其中，(a)表示空气-海水的双层模型，(b)表示空气-海水-淤泥的三层模型。

如图4所示，图4分别为空气-海水双层模型与空气-海水-淤泥三层模型的示意图，其中三层模型中第一层为高电阻率的空气，中间层为电阻率为0.2Ω·m的海水，最后一层为100Ω·m的淤泥。由于测试环境为三层模型，而前视探测范围是通过双层模型计算确定的，所以通过对比两种模型计算结果的一致性，可以确定测试模型与理论模型的近似条件，在上述条件下测试标定结果更加准确。

图5示出了10m-5kHz不同海水深度与双层模型计算结果对比示意图。

如图5所示，下面分别考虑轴向天线到海面不同的距离(TTB)——2m、5m和10m位置的接收信号强度，将其与双层模型的计算结果比较。下图表明仪器距离海面较远时接收信号受中间层深度的影响较小，对于5kHz的发射频率，TTB＝2m时，海水深度需要达到6m以上才能够保证模型的近似，而当TTB＝10m时，2m的海水深度便能够达到近似要求。

其他源距的分析方式与上述相同，表1列出各源距及发射频率条件需要满足的近似条件。由表1可见这几组源距的近似条件基本一致，在较为苛刻的近似标准下，海水深度达到7m便能够得到很好的近似结果。因此在选择实验地点时，还需要考虑当地涨落潮对海水深度的影响。

表1不同源距、发射频率组合在不同DTB位置的近似条件

在一些实施例中，所述发射器200配置为发射频率为5kHz和20kHz的信号的。

在一些实施例中，所述第一预设距离为所述发射器200距离所述反射界面的直线距离。

在一些实施例中，基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子可以包括：

其中，

图6示出了随钻前视测量设备对幅度比信号的影响示意图，其中，(a)表示数值模拟所使用的2层模型，(b)表示轴向信号分量的衰减，(c)表示水平信号分量的衰减。图7示出了根据本公开一实施例空气-海水模型与标准模型信号响应对比示曲线图，其中，(a)表示5kHz-短源距空气-海水模型与标准模型信号响应对比；(b)表示20kHz-短源距空气-海水模型与标准模型信号响应对比；(c)表示5kHz-长源距空气-海水模型与标准模型信号响应对比；(b)表示20kHz-长源距空气-海水模型与标准模型信号响应对比；图中虚线为100Ω·m-1Ω·m模型的信号强度，实线为空气-海水模型的信号强度。

如图6和图7所示，随钻前视测量设备的存在不会改变幅度比的信号衰减曲线。吊空点测量结果作为均匀空间的电压信号，各测点的幅度比信号减去均匀空间的幅度比作为前视探测能力的评价指标，以0.05dB作为仪器最小分辨率，且满足绝对电压值大于100nV的标准定义前视仪器的探测能力。一般情况下，仪器探测能力是指仪器在100Ω·m地层中探测1Ω·m地层的能力。因此需要将测量模型的探测深度转换至标准的100Ω·m-1Ω·m模型，空气-海水模型与100Ω·m-1Ω·m模型的信号强度如图7所示。通过对比和转换可给出前视仪器在100Ω·m-1Ω·m地层模型中的探测范围。

根据本公开的具体实施方式，另一方面，本公开提供一种随钻前视测量设备的标定装置，所述标定装置配置为执行如上述技术方案任一项所述标定方法。

根据本公开的具体实施方式，又一方面，本公开提供一种随钻前视测量设备的标定系统，可以包括：如上述技术方案任一项所述的标定装置以及待标定的随钻前视测量设备。

本公开旨在保护一种随钻前视测量设备的标定方法、装置及系统，标定方法可以包括：将随钻前视测量设备竖直悬吊；将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量该距离接收到信号的幅值和相位，得到第一标空数据；将所述随钻前视测量设备多次下降第二预设距离，分别测量每次下降第二预设距离后接收到信号的幅值和相位，得到测量结果；重新将所述随钻前视测量设备与反射界面设置为第一预设距离，测量该距离接收到信号的幅值和相位，得到第二标空数据；基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。本公开的随钻前视测量设备的标定方法通过设置第一预设距离，确定随钻前视测量设备与反射界面的悬吊距离，并基于所述第一标空数据、所述测量结果和所述第二标空数据计算校正因子。通过本公开的随钻前视测量设备的标定方法得到的校正因子大幅度减小了周围环境的影响，可以增强信号强度，并且通过在不同高度上测量，也能大幅度的提高标定的准确性。

应当理解的是，本公开的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本公开的原理，而不构成对本公开的限制。因此，在不偏离本公开的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。此外，本公开所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。