[发明专利]用于勘测地质构造的电磁探头的天线及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种交叉偶极子天线和包括这种天线的用于测量包围裸眼井的有限区带内的地下地层的电磁特性的电磁探头。本发明的另一方面涉及一种用于执行对地下地层裸眼井进行测井的测井工具。根据本发明的探头和测井工具的具体应用涉及油田服务行业。 

背景技术

测量地质构造电磁特性(例如，介电常数)的测井装置例如从US 3,849,721，US 3,944,910 and US 5,434,507是已知的。测井装置包括安装在极板内的发射器和间隔开的接收器，所述极板抵靠在裸眼井壁上。微波电磁能量发射到地层，并且已经传播通过地层的能量在接收天线处被接收。在地层中传播的能量的相位和振幅由接收器输出信号确定。然后可以从相位和振幅测量值得到地层的介电常数和电导率。 

发射器和接收器包括被同化为磁偶极子的天线。这些偶极子正切于极板面，并在不同的方向上被定向。垂射模式(broadside mode：或侧向模式)对应于与极板轴线正交定向的偶极子。端射模式对应于与极板轴线对齐定向的偶极子。用于垂射模式的勘测深度非常小。用于端射模式的勘测深度大于用于垂射模式的勘测深度，但是信号较弱。在两个接收器之间测量衰减和相位漂移。简单的转换允许在均匀地层的情况下重新得到介电常数和电导率。典型地，这种测井装置由于其对极板相对于地层的间隙(standoff)的高灵敏度或井壁上的泥饼层的存在而不能提供对地层特性的准确测量。 

文献US 5,345,179提出一种在存在泥饼的情况下提供测井装置响应和精度的方案。测井装置包括多个交叉偶极子天线，且每一个都位于腔内。交叉偶极子天线将端射和垂射极化都容纳在同一个腔内。 

图3和图4示意性的示出根据现有技术的交叉偶极子天线的透视图和 剖视图。典型地，这种交叉偶极子天线103包括嵌入非谐振腔133内的两根线，所述非谐振腔133填充有介电材料并与一端处的导电腔壁短路。 

图5图示了根据现有技术的交叉偶极子天线的电流分布。电流分布J与短路的谐振线模拟近似。在腔内的辐射线上的电流分布可以近似于： 

J(y)＝J₀ cos(k₀[y-a]) 

其中： 

-J₀是电流的振幅； 

-a是孔径尺寸， 

-k₀是腔内的波数，并且等于： 

-ε_腔是填充腔的材料的相对介电常数， 

-ω是角频率，以及 

-c是光在真空中的速度。 

电流在短路位置处最大。此余弦曲线和非对称电流分布激发强的寄生电偶极子。 

图6和图7分别图示了现有技术的交叉偶极子天线103(更准确地为辐射线)在yz平面内的电磁场分量Ey和Ez。 

在线，例如线132上流动的电流激发腔内模式。振荡模式是横电模式TE₁₀。此模式有助于辐射图案，所述辐射图案靠近正交于线的磁点偶极子m。在线上电流分布还将激发寄生模式，且振荡模式是横磁模式TM₁₁。此模式与正交于孔径的电偶极子P相对应。这些寄生模式导致在yz平面内的电磁场Ey和Ez的强对称。 

因此，现有技术的天线决不是纯的磁偶极子。具体地，正交于孔径的寄生电偶极子影响测量精度。此外，由于寄生电偶极子，两个极化之间的串馈干扰(crosstalk)是重要的，并且不能执行“串扰(cross-fire)”测量(即，在垂射模式下的发射器和在端射模式下的接收器)。 

发明内容

本发明的一个目的是提出一种交叉偶极子天线和包括这种交叉偶极子天线的用于测量包围裸眼井的有限区带内的地下地层的电磁特性的电磁探头，从而至少减少现有技术的天线和探头的缺陷。 

根据本发明的第一方面，天线被提出为由嵌入腔内以限定对称辐射图案的至少一个在中心分开为两部分的同轴线构成。 

更具体地，本发明的第一方面涉及一种在勘测包围裸眼井的地质构造时使用的电磁探头的天线，所述天线包括导电基部和第一天线元件，导电基部包括开端式非谐振腔，第一天线元件嵌入腔中并完全通过腔， 

其中，第一天线元件包括偶极子天线和连接到偶极子线的连接线，连接线通过导电基部，并相对于导电基部绝缘，且