用于随钻测量的方位电极、钻铤及测量方法.pdf

本发明涉及一种方位电极、钻铤及测量方法，属于井下探测技术领域，具体涉及一种用于随钻测量的方位电极、钻铤及测量方法。包括：电极层，其表面为一弧面结构，其中部设置有向下的凸起；安装基体，用于包裹和固定所述电极层，其中部设置有与所述凸起相配合的凹槽；绝缘层，位于所述电极层和安装基体之间，用于绝缘所述电极层。因此，本发明具有如下优点：因此，本发明具有如下优点：1、通过强粘结绝缘材料固结电极和安装基体，以及特殊设计的安装基体及保护环将电极在轴向和径向上有效固定于钻铤的凹槽内，有效避免电极松动；2.通过多道耐磨带保护结构，防止电极的磨损。

1.一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，其特征在于，包括：
电极层，其表面为一弧面结构，其中部设置有向下的凸起；
安装基体，用于包裹和固定所述电极层，其中部设置有与所述凸起相配合的凹槽；
绝缘层，位于所述电极层和安装基体之间，用于绝缘所述电极层。
2.根据权利要求1所述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，其特征在于，所述
的电极层和安装基体之间的绝缘层空间，用强粘结绝缘材料填充，使电极和安装基体成为
一个固结的整体。
3.根据权利要求1所述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，其特征在于，所述
安装基体沿钻铤轴向在两侧各设有可嵌入钻铤本体凹槽内的凸缘，每侧凸缘通过钉孔固定
于钻铤本体上轴向布置的螺纹孔内。
4.根据权利要求1所述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，其特征在于，还包
括方位电极保护环，所述方位电极保护环安装于方位电极两侧的钻铤本体上设置的凹槽
内，所述方位电极保护环的中部位置两侧各有一凸缘，其中内凸缘覆盖方位电极安装基体
的凸缘，外凸缘嵌入钻铤本体沿轴向设置的槽内。
5.根据权利要求4所述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，其特征在于，所述
方位电极保护环的内凸缘上设置有耐磨带。
6.根据权利要求1所述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，其特征在于，方位
电极安装于钻铤上后，其裸露周向长度占钻铤圆周周长的1/6。
7.一种用于随钻方位电阻率测量的钻铤，其特征在于，包括上述任一权利要求所述的
方位电极。
8.一种随钻方位电阻率测量方法，其特征在于，采用权利要求6所述的钻铤。

用于随钻测量的方位电极、钻铤及测量方法

技术领域

本发明涉及一种方位电极、钻铤及测量方法，属于井下探测技术领域，具体涉及一
种用于随钻测量的方位电极、钻铤及测量方法。

背景技术

电阻率测井是测井方法中使用最早也是最常用的方法，到目前为止，在划分钻井
地质剖面和判断岩性的工作中仍起着难以替代的作用。随钻方位电阻率井壁成像技术是在
传统电缆测量技术的基础上发展起来的，是一种可以在钻井过程中实时测量井眼周围不同
方位地层电阻率成像测量方法。

随着水平井、大位移井及三维多目标井钻井技术的不断提高和大量应用，旋转导
向闭环钻井技术是今后井眼轨迹控制技术钻井工具的发展方向，将方位电阻率成像技术应
用于旋转导向工具，可满足裂缝、薄层等复杂储层的地质导向与地层评价需要。

方位电极是电阻率测井设备中非常重要的部件，其主要用于在井周方向上不同扇
区的测量。但是，现有技术中的方位电极在钻进过程中容易磨损和松动，影响了电极的使用
寿命，降低了测量效率和精度，甚至因电极脱落落井造成井下安全事故。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的因方位电极在钻进过程中磨损、松动和脱落
而造成的电极使用寿命短、测量效率和精度低以及影响安全钻井的技术问题，提出了一种
用于随钻测量的方位电极、钻铤及测量方法。该电极、钻铤及测量方法通过特殊设计的电极
结构以及与电极相配合的保护环能够有效阻止电极的磨损和松动。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，包括：

电极层，其表面为一弧面结构，其中部设置有向下的凸起；

安装基体，用于包裹和固定所述电极层，其中部设置有与所述凸起相配合的凹槽；

绝缘层，位于所述电极层和安装基体之间，用于绝缘所述电极层。

优化的，上述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，所述的电极层和安装
基体之间的绝缘层空间，用强粘结绝缘材料填充，使电极和安装基体成为一个固结的整体。

优化的，上述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，所述安装基体沿钻铤
轴向在两侧各设有可嵌入钻铤本体凹槽内的凸缘，每侧凸缘通过钉孔固定于钻铤本体上轴
向布置的螺纹孔内。

优化的，上述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，还包括方位电极保护
环，所述方位电极保护环安装于方位电极两侧的钻铤本体上设置的凹槽内，所述方位电极
保护环的中部位置两侧各有一凸缘，其中内凸缘覆盖方位电极安装基体的凸缘，外凸缘嵌
入钻铤本体沿轴向设置的槽内。

优化的，上述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，所述方位电极保护环
的内凸缘上设置有耐磨带。

优化的，上述的一种用于随钻方位电阻率测量的方位电极，方位电极安装于钻铤
上后，其裸露周向长度占钻铤圆周周长的1/6。

一种用于随钻方位电阻率测量的钻铤，包括上述任一方位电极。

一种随钻方位电阻率测量方法，采用上述的钻铤。

因此，本发明具有如下优点：1、通过强粘结绝缘材料固结电极和安装基体，以及特
殊设计的安装基体及保护环将电极在轴向和径向上有效固定于钻铤的凹槽内，有效避免电
极松动；2.通过多道耐磨带保护结构，防止电极的磨损。

附图说明

图1-1为随钻方位电阻率井壁成像装置总体结构；图1-2为图1-1的局部视图1；图
1-3为图1-1的局部视图2；

图2-1为上主体单元II结构外观图；图2-2为测量电路部分周向展开位置图；

图3-1为电扣电极结构；图3-2为图3-1的俯视图；

图4-1为电扣电极集成安装及保护盖板结构；图4-2为图4-1的底面视图；

图5-1为下主体测量单元VI结构外观图；图5-2为图5-1的测量电路部分周向展开
位置图；

图6-1是方位电极及其保护环结构在图5-1中的K-K向视图；图6-2是方位电极及其
保护环结构在图5-1中的L-L向视图；图6-3是方位电极及其保护环结构在图5-1中的M-M向
视图；图6-4是方位电极及其安装基体俯视图；图6-5是方位电极及其保护环安装后的俯视
图。

图7-1为中间连通单元III结构；图7-2为图7-1的右视图；

图8-1为上保护接头I；图8-2为下保护接头V。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明提供的一种用于旋转导向的随钻方位电阻率井壁成像装置主要由无磁钻
铤、泥浆通道、激励线圈系、电扣电极系、方位电极系、监测线圈、测量电路、控制及存储电子
电路单元构成，可在井下通过预先设定的程序根据不同的工作模式按照反演计算方法将探
测数据转化为视电阻率，并通过装置在旋转作业中对井周的扫描测量，指示裂缝和地层结
构倾角，实现井壁成像测量。

一、装置总体结构

本实施例中，装置总体结构如图1所示，为描述方便，将装置结构自上而下分为五
个部分：上保护接头I、上主体测量单元II、中间连通单元III、下主体测量单元IV和下保护
接头V。

1、上主体测量单元II

图2-1和图2-2为上主体测量单元II结构外观图及其测量电路部分周向展开位置
图。上主体测量单元II主要包含：与上部其它仪器实现供电与通连通的电连接结构201，上
发射线圈T1和中发射线圈T2，上电扣电极B1、中电扣电极B2和下电扣电极B3，主控及方位伽
马测量电路板D1、大容量存储器电路板D2、系统电源板D3、发射及电扣电极测量电路板D4
(注：图中没有给出实际电路板，用安装的位置来表示)，以及设置与读取数据端口T。

上发射线圈T1和下发射线圈T2均为环状结构，轴向安装在钻铤上，各有两条引线，
分别通过线孔ht1和ht2进入电路舱。

线圈外部设有环状保护天线罩203和环状保护天线罩206，天线罩均由两部分组
成，两部分之间设有绝缘环202、207。在钻井过程中，为减少井壁对天线罩和绝缘带的磨损，
在天线罩附近的钻铤外壁上增加耐磨带204、耐磨带205予以防护。

当激励线圈中通入交变电流时，就会在钻铤线圈两侧感应出电压，电压差为驱动
电压V除以线圈匝数N。

上电扣电极B1、中电扣电极B2和下电扣电极B3均有三部分组成：安装基体301、电
极302和绝缘环303，如图3所示，电极直径7.5mm，绝缘环厚度2mm-5mm，安装基体上带有螺纹
304。为安装和维护方便考虑，每个电扣电极单独制作，然后将三个电扣电极集成安装固定
在一块盖板上，如图4所示，盖板上设有端面密封槽401和多个螺钉孔，通过螺钉实现盖板与
钻铤本体的固定连接，安装在端面密封槽401的O型密封圈保证了盖板内部与钻铤外部井眼
环空的隔离。每个电扣电极各有一条引线，通过盖板底面的轴向过线槽402汇聚，然后再由
安装槽CB的过线孔h12进入电路安装槽C1。

主控及方位伽马测量电路板、大容量存储器电路板、系统电源板、发射及电扣电极
测量电路板的布置见图2-2所示的电路部分周向展开位置图，在图中仅给出了电路安装槽
的尺寸及位置关系，电路板可分别安装在槽C1、槽C2、槽C3和槽C4中，也可根据实际需要，互
换安装位置，各电路板之间由过线孔h11、h21、h22、h31和h41等实现通讯和供电连通。各电
路板的保护采用与电扣电极保护盖板类似结构，用端面密封实现与外部隔离，用多个螺钉
实现与钻铤本体的固定连接。

上主体测量单元的电路系统，通过槽C1中的过线孔hM实现与上部电连接结构201
的连通，通过槽C1中的过线孔h13实现与设置与读取数据端口T的电连通，通过槽C3中的接
线窗口W1和中间连通单元III的过线孔H1(或H2)实现与下主体测量单元电路系统的电连
通，有效利用空间并可降低布线难度。

22、下主体测量单元IV

图5-1和图5-2为下主体测量单元VI的结构外观图及其测量电路部分的周向展开
位置图。主要包含：中监测线圈M0、下发射线圈T3和下监测线圈M2，方位电极Az1、方位电极
Az2、方位电极Az3和方位电极Az4，发射及方位电极测量电路板D5、方位及工具面测量电路
板D6、方位伽马探管D7和两节双C电池D8(注：图中没有给出实际电路板等实物图，用安装的
位置来表示)，以及接线窗口W2。

中监测线圈M0、下发射线圈T3和下监测线圈M2均为环状结构，轴向安装在钻铤上，
各有两根引线，其引线分别由过线孔hm0、ht3和hm2进入电路舱。在线圈外部设有环状天线
罩502和环状天线罩506，以保护线圈M0、线圈T3和线圈M2，其中线圈T3和线圈M2共用天线罩
506，天线罩由两部分组成，两部分之间设有绝缘环501、绝缘环507。在钻井过程中，为减少
井壁对天线罩和绝缘带的磨损，在天线罩附近的钻铤外壁上增加耐磨带505予以防护。

当钻铤电流向上或向下流动时，监测线圈M0,监测线圈M2中感应的电流为钻铤轴
向电流除以线圈的匝数。

方位电极Az1、方位电极Az2、方位电极Az3和方位电极Az4均有三部分组成：安装基
体601、绝缘层602和电极603，如图6所示(图中K-K、L-L和M-M视图表示在图5-1中所示位置
的剖视图)，电极603裸露周向长度占圆周周长的1/6，绝缘层厚度2mm-5mm，安装基体601上
有两道径向密封604以保证与外部高压环空隔离。安装基体沿钻铤轴向在两侧各设有一凸
缘605，可嵌入钻铤本体上的凹槽cAy内，同时每侧凸缘内设有一个螺钉孔606，通过钻铤本
体上轴向布置的相对应的两个螺纹孔LhA实现固定。每个方位电极各有一条引线，通过钻铤
壁内的切向过线孔hA2、hA3和hA4汇聚，然后在由钻铤壁内的两轴向长孔H3进入电路舱。为
安装和维护方便考虑，每个方位电极单独制作，在安装时首先将四个方位电极独立安装固
定在槽CA1、槽CA2、槽CA3和槽CA4内，然后在方位电极两侧安装保护环503、保护环504，共有
8个四分之一圆的方位电极保护环，每个方位电极保护环通过在钻铤本体上的两个螺纹孔
LhP安装紧固螺钉实现固定。其中，方位电极保护环504的环状部分607安装在钻铤本体的凹
槽CAP内，可承受轴向作用力；在保护环的中部位置两侧各有一凸缘，其中一凸缘608可覆盖
方位电极的凸缘，以保护方位电极的凸缘及其紧固螺钉，另一凸缘609嵌入钻铤本体上的槽
cPy内，承受圆周切向作用力；同时在其中部增加了轴向耐磨带610，以保护方位电极。

方位测量是为获得探测器的相对方位，如果以地磁北为参考，旋转导向工具每旋
转90°，方位测量电路产生一方位脉冲信号，该信号用于方位区计数的读取和累加。方位传
感器和探测器的位置固定，相对地磁北，仪器转动到0°、90°、180°、270°的位置时，对应的两
轴方位传感器输出的值是不同的，可以在软件里判断两轴的数据，不必计算角度值，当到达
四个角度位置时产生一中断脉冲信号，控制计数器的启停。

发射及方位电极测量电路板、方位及工具面测量电路板、方位伽马探管和两节双C
电池的布置见图5-2的测量电路部分周向展开位置图，在图中仅给出了电路安装槽的尺寸
及位置关系，分别安装在槽C5、槽C6、槽C7和槽C8中，通过钻铤壁内的过线孔hc5、hc6、hc7和
hc8实现供电和通讯连通。电路板、传感器和电池组的保护采用与电扣电极的保护盖板类似
结构。

下主体测量单元电路系统，通过钻铤壁内的轴向长孔H3、接线窗口W2和中间连通
单元III的过线孔H1(或H2)实现与上主体测量单元电路系统的电连通。

3、中间连通单元III

中间连通单元III结构如图7所示，其作用是实现上主体测量单元II与下主体测量
单元IV之间的机械连接和电连通。贯通孔H1和H2为上下主体测量单元之间的过线孔；两端
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；各端两两密封圈之间与上下主体测量单元钻铤的内孔形成
密封腔体，分别对应上主体测量单元的接线窗口W1和下主体测量单元的接线窗口W2位置，
在此位置处完成接线；在中间位置的钻铤外壁上设有轴向耐磨带709，以保护位于中间连通
单元III两侧的中发射线圈T2的天线罩206和绝缘带207，以及中监测线圈M0的天线罩502和
绝缘带501。

4、上保护接头I和下保护接头V

如图8所示，上保护接头I为母公扣结构，下保护接头V为双公扣结构，在靠近主体
测量单元的一端设有耐磨带。在钻井过程中，频繁的起下钻和使用测量仪器，若没有保护接
头，会损伤到上主体测量单元II的上端扣或下主体测量单元IV的下端扣，需要修扣，甚至更
换测量仪器钻铤，存在损伤仪器的隐患，若更换仪器钻铤将显著增加成本。若安装有保护接
头，在正常使用过程中，上主体测量单元II的上端扣或下主体测量单元IV的下端扣无需拆
卸，仅拆卸上保护接头I的上端母扣和下保护接头V的下端扣，若此两保护接头的扣有损伤，
直接更换接头即可，维护方便，成本低。

二、旋转状态方位电阻率井壁成像测量方法

本实施例中，利用3个激励线圈T1、T2和T3可以组合成9种工作模式(见表1)，每种
模式都可以得到3个电扣电阻率(B1、B2和B3)，4个方位电阻率(Az1、Az2、Az3和Az4)，1个等
效环电极电阻率和1个钻头电阻率共计9个测量值，即在工作状态共可获得81条视电阻率曲
线。该81条视电阻率曲线探测深度多数重叠，曲线形态各异，不是每条曲线均能直观反映地
层电阻率，可以根据设计要求及井眼影响，选择符合要求的曲线作为钻井决策或后期地层
评价的依据，表2中给出一种可参考的输出量选择模式。

表1旋转状态下9种工作模式

表2测量模式与输出量

在本实施例中，对应不同的工作模式及测量参数，根据具体的算法可得到相应的
视电阻率值。

表示电极在该模式下测量的电流，如表示在模式m下测得的电极电流，其
中m可为1，2，3，4，5，6，7，8，9；ed电极可B1、B2、B3、Az1、Az2、Az3、Az4、M0、M2、M0B和M2B(分别
为数值计算用电扣电极和线圈T2下方的模拟监测变压器)、r(环电极)。

表示电极ed在模式m下测量的视电阻率

其中，为电极ed在模式m下的K值，V_T为电压值，各工作模式下的视电阻率可根
据式(2)至式(11)计算。

m＝1：

m＝2：

m＝3：

m＝4：

m＝5：

m＝6：

m＝7：

m＝8：

m＝9：

式(2)至式(11)其中的和为直接测量量，为导出量。

本实施例中，电扣电极电阻率成像分辨率与电扣直径及周向分瓣(电扣电极每周
采样点)密切相关，以表示钻井转速/分钟，n为周向分瓣数，为周向分辨角，则
表示采样一个分瓣的最大时间间距。在电阻率成像测量工作中，为减小趋肤
效应影响，要求激发频率低一些，但对于电扣成像测量用分频方式实现不同测量模式，必须
占用一定的频带宽度，可根据实际测量需要，选择合适的激发频率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领
域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替
代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。