随钻电阻率测量装置及测量方法技术领域
本发明涉及石油钻井工程领域，具体说涉及一种随钻电阻率测量装置及测量
方法，更具体说，涉及一种采用电磁波的电阻率测量装置及测量方法。
背景技术
随着海上钻井的快速增长以及水平井技术的不断发展，随钻测井技术的应用
也越来越广泛。随钻测井与常规电缆测井的主要区别在于其数据采集的实时性，
地层数据是在钻井液有轻微入侵的情况下获得的，因而更接近原状地层。在钻井
的同时完成地层数据的测试、传输到地面、现场分析、解释，不但节约了钻井周
期，而且可以指导钻井，调节钻井轨迹，完善钻井进程。
电阻率是反映地层特性的主要参数，随钻电阻率的测量是随钻测井的关键组
成部分。通过测量钻头附近地层的电阻率判断地层特性变化，经过综合分析，可
以及时地判断钻头是否钻出储层，从而及时调整井眼轨迹，确保井眼准确命中储
层并穿行于储层中有利于油气开采的最佳位置。
依据电阻率的测量原理，即电阻率的探测深度与发射天线到接收天线的距离
有着直接的关系，发射天线到接收天线的距离越长探测深度越深。因此，为保证
一定精度，根据现有技术设计实现的电阻率测量仪器长度都超过3米。而动力钻
具的长度一般都超过了5米，在钻头与动力钻具之间还有1米的空间。这最终将
导致电阻率测量仪器的天线位置距离钻头在8米以上。由于大多数油田开发都进
入中晚期，油层都较薄，达不到8米以上。因此在面对较薄油层时，使用上述现
有技术的测量装置获取的参数来调节钻井轨迹将变得非常困难。
现有技术中还有一种测量装置，其近钻头安装在动力钻具到钻头的很短的空
间里面。但是，由于空间限制，这类仪器的长度很短，通常小于1米。此外，通
常的电阻率测量仪器无法安装在动力钻具下端，从而可知发射天线到接收天线的
距离就更小。依据上述原理，这将最终导致近钻头电阻率测量仪器的测量结果很
不准确。
此外，由于钻井时钻井液会对地层发生侵入，如果电阻率的探测深度不够深
的话，测量的地层主要是发生钻井液侵入的地层，未达到原状地层。这样的测量
结果与真实的结果存在较大偏差，指导调节钻井轨迹的价值也大打折扣。
因此，需要一种既能兼顾测量点到钻头的距离，又能兼顾探测深度的随钻电
磁波电阻率测量装置和方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种随钻电阻率测量装置，其包括
第一天线及匹配电路；
测量发射模块，与所述第一天线及匹配电路连接，以根据预先设定的测量循
环周期发射测量发起命令和预定频段的电磁波；
第二天线及匹配电路；
测量接收模块，与所述第二天线及匹配电路连接，以根据所述测量命令在不
同路径上接收经地层反射的携带有反映出地层电阻率信息的预定频段上的电磁
波反射信号，并对所述不同路径的反射信号进行处理从而确定所述发射模块到所
述接收模块之间的地层电阻率；
其中，所述测量发射模块安装在动力钻具的第一部分上，所述测量接收模块
远离所述测量发射模块安装在所述动力钻具的第二部分上。
在一个实施例中，安装有所述测量发射模块的第一部分形成所述动力钻具的
第一短节，其设在所述动力钻具的上方，安装有所述测量接收模块的第二部分形
成所述动力钻具的第二短节，其设在所述动力钻具的下方。
在一个实施例中，所述第二短节的位置靠近钻头。
在一个实施例中，所述第二天线及匹配电路中的天线成对设置，以便对称地
接收不同路径上的电磁波反射信号。
在一个实施例中，所述第一天线及匹配电路和第二天线及匹配电路中的天线
采用四发双收成对设置，并以双频率、双源距的方式来进行激励以在径向上获得
四个探测深度的电阻率信息。
在一个实施例中，所述测量发射模块还包括：
第一数字无线通信单元，以向测量发射模块发送数字信号，所述数字信号的
发起与预先设定的测量循环周期或测量频率有关；
电磁波测量发射单元，以根据预先设定的测量频率发射电磁波测量信号，其
中该测量信号的功率大于所述数字信号的功率。
在一个实施例中，所述测量接收模块包括：
第二数字无线通信单元，接收来自所述测量发射模块发送的数字信号；
解码单元，对所接收的数字信号进行解码，以识别出其中是否包括测量发起
指令；
采集放大单元，其用于在识别有测量发起指令的情况下对来自第二天线及匹
配电路的各路径上的电磁波反射信号进行采集放大处理；
计算单元，其用于计算出不同路径上的放大后的反射信号之间的相位差和幅
度比，从而确定所述发射模块到所述接收模块之间的地层电阻率。
在一个实施例中，在所述第一天线及匹配电路上连接有第一复用器，以在不
同的时刻将所述第一天线与所述第一数字无线通信单元或所述电磁波测量发射
单元耦合从而实现所述天线在测量发射模块中的分时复用，在所述第二天线及匹
配电路上连接有第二复用器，所述第二复用器用以在不同的时刻将所述第二天线
与所述第二数字无线通信单元或所述采集放大单元耦合以实现所述天线在测量
接收模块中的分时复用。
在一个实施例中，所述测量接收模块和所述测量发射模块的时钟源采用温度
补偿晶振电路。
一种采用如上述随钻电阻率测量装置进行电阻率测量的方法，包括以下步
骤：
基于动力钻具的参数预先配置所述随钻电阻率测量装置中的测量接收模块
和测量发射模块的测量参数，其中所述测量参数包括测量频率或测量循环周期；
在所述测量频率下或测量循环周期里测量发射模块以不同功率发送预定频
段的电磁波和测量发起命令，其中测量电阻率用的电磁波信号的功率大于所述通
信用的测量发起命令的功率；
在接收到所述测量发起命令的情况下，所述测量接收模块进入测量状态，在
不同路径上接收经地层反射的携带有反映出地层电阻率信息的预定频段上的电
磁波反射信号，并对所述不同路径的反射信号进行处理从而确定所述发射模块到
所述接收模块之间的地层电阻率；
在未接收到所述测量发起命令的情况下，所述测量接收模块处于待机状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的随钻电阻率测量装置采用分体式结构设计，使得发射部分和接收部
分可以分开地安装在井下动力钻具的两端，这有效地增加了测量装置中发射天
线和接收天线之间的距离，增加了电阻率的探测深度。
同时由于接收部分或者发射部分之一安装在靠近钻头的位置，对于薄储层
而言可以做到测量点尽可能地靠近钻头，从而具有较短的测量点到钻头的距离长
度，因此保证了所测量的电阻率参数对于钻井轨迹调节的精确指导作用。
此外，根据本发明的测量方法，其在一个测量循环周期中，使接收部分在没
有接收到测量开始命令时处于待机状态，使得根据本发明的测量装置功耗很
低，因此根据本发明的测量装置具有较长的使用寿命。
另一方面，为保证分开独立安装的发射部分和接收部分的同步性，各自的电
路中的时钟源采用温度补偿晶振，以保证温度变化时时钟的一致性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书
中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通
过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来对本发明提供更详细的说明，而不作为限制。在附图中：
图1是根据本发明实施例的随钻电阻率测量装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的随钻电阻率测量装置与动力钻具结合后的接收短
节和发射短节的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的随钻电阻率测量装置安装在动力钻具上的结构
图；
图4是根据本发明的实施例的随钻电阻率测量方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技
术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
需要说明的是，只要不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征
可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
常规的随钻电阻率测量装置的长度一般都超过3m，由于动力钻具和钻头之
间的距离一般不能超过1m，因此基本都安装于处于井下的动力钻具的上端。假
设随钻电阻率测量装置紧接着动力钻具安装，那么随钻电阻率测量装置上的天
线距离钻头的距离为：天线到动力钻具的长度、动力钻具的长度以及近钻头工
具长度之和。其中，天线到动力钻具的长度一般为0.5m-2m，动力钻具的长度一
般为5m-10m，近钻头电阻率测量工具的长度为1m左右。因此，即使在紧接着
动力钻具安装随钻电磁波电阻率装置的条件下，天线距离测量点的距离也在
6.5m-13m。这样，在油层较薄时，由于测量工具距离钻头过远，调节钻井轨迹
非常困难。
在另一种随钻电阻率测量装置中，为了拉近天线到钻头的距离，将随钻电阻
率测量装置安装在动力钻具下端。但由于动力钻具到钻头的距离不能超过1m，
因此，此种随钻电阻率测量装置的电磁波电阻率的发射天线和接收天线之间的距
离也不超过1m。由于电阻率测量深度与发射天线和接收天线之间的距离直接相
关，距离越大，测量深度越深，因此此种随钻电阻率测量装置的电阻率测量深度
十分有限。
针对以上现有随钻电阻率测量装置的不足，如图1所示，根据本发明实施例
的随钻电阻率测量装置被分成相对独立的发射部分110和接收部分120两部分。
这两部分分别安装在动力钻具的两端，且装置的接收部分120安装在靠近钻头的
一端。这种安装方式既有效地增加了随动力钻具电磁波电阻率测量装置接收天
线和发射天线间的距离，也满足了接收天线到钻头的距离不能太远的要求。从而
在保证所测量的电阻率参数对于钻井轨迹调节的精确指导作用的同时增加了电
阻率的探测深度。
装置的发射部分110包括天线111及天线匹配电路112、复用器113、测量
发射模块114。
测量发射模块114用来发射测量发起命令或预定频段的电磁波。测量发射模
块114可以根据预先设定的测量循环周期发射测量发起命令或预定频段的电磁
波。其包括无线数字通信单元115和电磁波测量发射单元116。
无线数字通信单元115，用以向接收部分120发送数字信号150。数字信号
150的发送与预先设定的测量循环周期或测量频率有关。在每个测量循环周期中，
无线数字通信单元115发送包含测量发起命令的数字信号150用以通知接收部分
120进入测量状态或是发送不包含测量发起命令的数字信号150用以通知接收部
分120进入待机状态。
在每个测量循环周期中，当无线数字通信单元115发送包含测量发起命令的
数字信号150后，电磁波测量发射单元116开始以预先设定的测量频率发送电磁
波测量信号130，该信号的功率大于数字信号150的功率。电磁波测量信号130
被发送到地层160中，经过地层反射后被装置的接收部分120接收，接收到的信
号是携带衰减信息的电磁波测量反射信号140。
在发射部分中，电磁波测量发射单元116和无线数字通信单元115分别连接
到复用器113上。复用器113通过天线匹配电路112与天线111相连，其作用是
在不同的时刻将天线111及其匹配电路112与无线数字通信单元115或电磁波测
量发射单元116耦合从而实现天线111在发射部分110中的分时复用。
即当无线数字通信单元115工作并发送数字信号时，复用器113连通天线111
及其匹配电路112和无线数字通信单元115，从而无线数字通信单元115可以利
用天线111及其匹配电路112发送数字信号。当电磁波测量发射单元116工作并
发送电磁波测量信号时，复用器113连通天线111及其匹配电路112和电磁波测
量发射单元116，从而电磁波测量发射单元116可以利用天线111及其匹配电路
112发送电磁波测量信号。
装置的接收部分120包括天线121及天线匹配电路122、测量接收模块124、
复用器123。
测量接收模块124用来根据所述测量命令在不同路径上接收经地层反射的携
带有反映出地层电阻率信息的预定频段上的电磁波反射信号140，并对不同路径
的反射信号进行处理从而确定发射模块到接收模块之间的地层电阻率。其包括无
线数字通信单元125、解码单元127、采集放大电路126和计算单元128。
类似发射部分，接收部分中的复用器123的作用是在不同的时刻将天线121
及其匹配电路122与无线数字通信单元125或采集放大电路126耦合从而实现天
线121在测量接收模块124中的分时复用。
在装置工作时，复用器123先连通天线121及其匹配电路122和无线数字通
信单元125，无线数字通信单元125利用天线121及其匹配电路122接收来自发
射部分110的数字信号150并将其转发给解码单元127。解码单元127对所接收
的数字信号进行解码，以判断其中是否包含测量发起指令。
当解码单元127判断数字信号包含测量发起指令时，其向采集放大电路126
发出激活指令，通知其进入测量状态。采集放大电路126在接收到激活指令后进
入测量状态。在此状态中，复用器123连通天线121及其匹配电路122和采集放
大电路126，从而采集放大电路126利用天线121及其匹配电路122接收电磁波
测量反射信号140。
接收部分120的天线121包含一对接收天线，以便对称地接收不同路径上的
电磁波测量反射信号140。发射部分110发射的电磁波测量信号130经过地层160
衰减，生成附带有地层电阻率信息的电磁波测量反射信号140，地层电阻率信息
反映在电磁波测量反射信号140的相位和幅度里面。在接收电磁波测量反射信号
140时，天线121的两个接收天线分别接收，形成两路信号。采集放大电路126
对来自天线121的各路径上的电磁波测量反射信号140进行采集放大处理，并将
处理后的信号转发给计算单元128。
计算单元128在接收到采集放大电路126转发过来的反射信号后计算发射模
块到接收模块之间的地层电阻率。把这两个信号的相位相减得到相位差。把这两
个信号的幅度相除得到幅度比。这两个信号的相位差和幅度比与地层电阻率的
关系，可以用一个精确的理论模型，通过数学变换反演方法得到地层电阻率
值。
这种变换基于在均匀介质条件下，用一个精确的理论模型来计算相位差和
幅度比与电阻率的函数关系，以此为依据对仪器在非均匀介质中的相位差和幅
度比进行转换，最终得到两个独立的电阻率，分别称为地层幅度比电阻率和相
位差电阻率。
当解码单元127判断数字信号不包含测量发起指令时，其向采集放大电路126
发出待机指令，通知其进入待机状态。采集放大电路126在接收到待机指令后进
入待机状态。在此状态中，采集放大电路126关闭。同时计算单元128的开关状
态和采集放大电路126保持一致，其在待机状态中也保持关闭。
由此，在一个测量循环周期中，接收部分120在没有接收到测量开始命令时
处于待机状态，在待机状态下，计算单元128和采集放大电路126保持关闭状态，
从而降低了功耗，使得装置具有较长的使用寿命。
由于本发明实施例的随钻电阻率测量装置的两部分相对独立，为了保证发射
部分110和接收部分120内部的时钟保持一致，在本实施例中，测量接收模块124
和测量发射模块114内部的时钟源采用温度补偿晶振电路，以保证温度变化时时
钟的一致性。
在本实施例中天线111及匹配电路112和天线121及匹配电路122中的天线
采用单发双收成对设置。在本发明另一实施例中，第一天线及匹配电路和第二天
线及匹配电路中的天线采用四发双收成对设置，并以双频率、双源距的方式来进
行激励以在径向上获得四个探测深度的电阻率信息。
根据本发明一实施例，随钻电阻率测量装置的发射部分安装在动力钻具的上
端，随钻电阻率测量装置的接收部分远离装置的第一部分安装在动力钻具的下
端。如图2所示，装置的发射部分形成动力钻具的第一短节210，装置的接收部
分形成动力钻具的第二短节220。第一短节210包括至少一个天线211，以将特
定频率的电磁波测量信号发送到被测地层中；第二短节220包括至少一对天线
221，以接收至少两路电磁波反射信号。
如图2所示，第二短节220和第一短节210均为含有内部钻井液通道的圆柱
形结构，在金属骨架204和205上开有环形凹槽。第二短节220的凹槽中嵌有两
个环状天线221；第一短节210的凹槽中嵌有一个环状天线211。第一短节210
和第二短节220两端各有公接头200和201和母接头202和203。
随钻电阻率测量装置具体的的连接特征为：将电阻率测量装置分别安装在井
下动力钻具的两端。如图3所示，第二短节220位于动力钻具下方，母接头202
一端连接钻头，公接头200一端连接动力钻具300；第一短节210位于动力钻具
上方，母接头203一端连接动力钻具，公接头201连接上方的钻铤等常规钻具组
合。
从图3可以看出，置于地面上的钻井井架301与钻机302带动钻杆303高速
旋转，钻杆303、动力钻具300、钻头304以及其他安装在井下钻具组合上的工
具快速向地下钻进，以在地层内钻凿一个井眼306。这样，可切入地下不同的地
质构造层，以探明地下地质情况。具体地说，动力钻具300带动钻头304旋转。
钻杆303包括纵向流体通道305，流体通道305的出口经过钻头304的水眼308，
钻杆303和井壁之间形成一个环形空间307。
在本实施例中，地面控制装置或人员首先基于动力钻具300的物理特性对随
钻电阻率测量装置的参数进行配置。其中，动力钻具300的物理特性包括长度和
材质，随钻电阻率测量装置的参数包括测量频率和测量时间。在对这些参数配
置完成后，将装配有第一短节210和第二短节220的动力钻具300放入井下，准
备开始测量工作。
其中，第一短节210根据所接收的特定指令以周期性地发射测量命令以及电
磁波测量信号，第二短节220周期性地接受该周期内发送的测量命令，并在获取
到该测量命令后，接收对应上述电磁波测量信号的包含被测地层信息的电磁波
反射信号。第二短节220对所接收的电磁波反射信号进行放大采集并处理，并计
算处理后的电磁波反射信号的相位差和幅度比值，放大采集信号可有效提高信
号的信噪比，可通过多级前置放大电路实现放大采集信号功能。
电磁波电阻率的接收天线221被安装在近钻头位置上，其距离钻头的位置最
远不会超过1m。由此可知，该结构的测量点距钻头的距离与常规的随钻电磁波
电阻率装置相比具有明显的优势。同时，由于发射天线211到接收天线221的距
离由动力钻具300的长度决定，远大于常规的近钻头电阻率测量装置的发射天线
到接收天线的距离，其探测深度也远大于常规随钻电阻率测量装置，且测量结
果受泥浆影响较小。
这种将第一短节210和第二短节220分别安装在动力钻具300的两端的方式
既有效地增加了随动力钻具电磁波电阻率测量装置接收天线和发射天线间的距
离，也满足了接收天线到钻头的距离不能太远的要求。从而在保证所测量的电阻
率参数对于钻井轨迹调节的精确指导作用的同时增加了电阻率的探测深度。
图4是根据本发明的实施例的随钻电阻率测量方法的流程图。在附图的流程
图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽
然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执
行所示出或描述的步骤。
根据本发明一实施例的装置进行电阻率测量，首先进行步骤S410，基于动力
钻具的参数预先配置随钻电阻率测量装置中的测量接收模块和测量发射模块的
测量参数，其中测量参数包括测量频率或测量循环周期。
在本实施例中此步骤具体为配置第一短节210和第二短节220内部的参数。
其基于井下动力钻具300的物理特性对随动力钻具电磁波电阻率测量装置的参数
进行配置。其中，动力钻具300的物理特性包括长度和材质，随动力钻具电磁波
电阻率测量装置的参数包括测量频率和测量时间。
上述操作在井上完成。在对这些参数配置完成后，将第一短节210安装在动
力钻具300上端，将第二短节220安装在远离第一短节210的动力钻具300下端，
并将钻头安装在第二短节220下端从而靠近接收天线221。将装配有第一短节210
和第二短节220的动力钻具300放入井下，准备开始测量工作，之后的各项步骤
都在井下完成。
然后进行步骤S420，信号发送步骤，在此步骤中，第一短节210以不同功率
发送预定频段的电磁波和测量发起命令。步骤S420包含两种情况：在测量频率
下或测量循环周期里为第一种情况，在此情况下，先发送包含测量发起命令的数
字信号，接着加大功率发送电磁波测量信号；除第一种情况以外为第二种情况，
在此情况下，发送不包含测量发起命令的数字信号。
接下来在步骤S440中，第二短节220判断接收到的数字信号是否包含测量
发起命令，即判断步骤S420处于哪一种情况。经过判断，如果接收到的数字信
号不包含测量发起命令，则说明在步骤S420中没有电磁波测量信号发出。此时
进入步骤S450，第二短节220进入待机状态，并返回再次重复步骤S440，进行
判断。在待机状态下第二短节220仅对所对所接收到的信号进行数字解码和指令
识别。如果判断接收到的数字信号包含测量发起命令，则说明在步骤S420中有
电磁波测量信号发出。此时进入步骤S460，第二短节220进入测量状态。
在测量状态下，首先进行步骤S470，接收电磁波反射信号，第二短节220在
不同路径上接收经地层反射的携带有反映出地层电阻率信息的预定频段上的电
磁波反射信号。接着进行步骤S480，处理电磁波反射信号，第二短节220对不同
路径的反射信号进行放大采集和处理，并计算相应的相位差和幅度比，从而反映
出地层的电阻率。
最后，装置再次进入步骤S450，第二短节220进入待机状态。在一个测量循
环周期中，第二短节220在没有接收到测量命令时处于待机状态，在此状态下，
其内部的采集放大电路和计算单元保持关闭状态，因而其功耗很低。通过这种工
作方式大大延长了第二短节220的使用寿命，从而节约了随钻电阻率测量装置的
整体维修成本。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发
明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技
术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上
及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利
要求书所界定的范围为准。