[发明专利]用于勘测地质构造的电磁探头的天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量在包围裸眼井的限制层内的地下地层的电 磁特性的电磁探头的天线。本发明的另一个方面涉及一种用于对地下地层 裸眼井执行测井的测井仪。本发明的另一个方面涉及一种勘测包围裸眼井 的限制层的方法。根据本发明的探头和测井仪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和US 5,434,507是已知的。通常，测井装置包括 安装在极板内的发射器和间隔开的接收器，所述极板抵靠在填充有钻井泥 浆的井眼的井壁上。微波电磁能量发射到地层，并且在接收天线处接收已 经传播通过地层的能量。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，但是例如在1GHz处信号通常较弱。 在两个接收器之间测量衰减和相移。简单的反演允许在均质地层的情况下 获得介电常数和电导率。通常，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。例如，在存在泥饼层的情况下，未知量的数量从两个未知 量(即，地层的介电常数ε和电导率σ)增加到五个未知量(即，地层(ε，σ)的 介电常数ε和电导率σ和泥饼(ε，σ)_mc的介电常数ε和电导率σ，以及泥饼厚度 t_mc)。因此，不能够根据衰减和相移测量值精确地确定地层电磁特性。

文献US 5,345,179提出了一种在存在泥饼的情况下提高测井装置响应 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。

通常，这种交叉偶极子天线包括嵌入在非谐振腔内的两根线，所述非 谐振腔填充有介电材料并在一端处与导电腔壁短路。

电流分布J与短路的传输线模拟近似。在腔内的辐射线上的电流分布 可以近似于：

J(y)＝J₀cos(k₀[y-a])

其中：

-J₀是电流振幅；

-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。

在线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电偶极子m。在线上的 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yz平面内的电磁场Ey和Ez 的强对称。

现有技术的天线决不是纯磁偶极子。具体地，正交于孔径的寄生电偶 极子影响测量精度。此外，由于没有确定泥饼电磁特性，因此用于确定地 质构造电磁特性的反演计算可能是不稳健的。

2007年2月6日提出申请的专利申请EP07290149.9说明了一种与电子 电路相关联的改进的天线，所述电子电路能够选择天线或者作为纯电偶极 子或作为磁偶极子的操作模式。然而，电子电路需要使用变压器和开关、 或移相器，这都比较昂贵并且导致一定的复杂性。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种天线和包括至少一个这种天线的、能够 测量包围裸眼井的限制层内的地下地层的电磁特性的电磁探头，从而避免 或至少减少现有技术天线和探头的缺陷。

根据第一方面，本发明涉及一种结合天线元件的天线，所述天线元件 具有带有适当的电子电路的简单机械设计，所述电子电路确定天线的作为 大致纯电偶极子和大致纯磁偶极子的叠加的特性。