專利名稱：：用于勘測地質(zhì)構(gòu)造的電磁探頭的天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于測量在包圍裸眼并的限制層內(nèi)的地下地層的電磁特性的電磁探頭的天線。本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于對地下地層裸眼井執(zhí)行測井的測井儀。本發(fā)明的另一個方面涉及一種勘測包圍裸眼井的限制層的方法。根據(jù)本發(fā)明的探頭和測井儀的具體應(yīng)用涉及油田服務(wù)行業(yè)。
背景技術(shù)：
：測量地質(zhì)構(gòu)造電磁特性(例如，介電常數(shù))的測井裝置例如從US3,849,721,US3，944,910和US5,434,507是已知的。通常，測井裝置包括安裝在極板內(nèi)的發(fā)射器和間隔開的接收器，所述極板抵靠在填充有鉆井泥漿的井眼的井壁上。微波電磁能量發(fā)射到地層，并且在接收天線處接收已經(jīng)傳播通過地層的能量。在地層中傳播的能量的相位和振幅由接收器輸出信號確定。然后可以從相位和振幅測量值得到地層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。發(fā)射器和接收器包括被同化為磁偶極子的天線。這些偶極子正切于極板面，并在不同的方向上被定向。垂射模式(broadsidemode:或側(cè)向模式)對應(yīng)于與極板軸線正交定向的偶極子。端射模式對應(yīng)于與極板軸線對齊定向的偶極子。用于垂射模式的勘測深度非常小。用于端射模式的勘測深度大于用于垂射模式的勘測深度，但是例如在lGHz處信號通常較弱。在兩個接收器之間測量衰減和相移。簡單的反演允許在均質(zhì)地層的情況下獲得介電常數(shù)和電導(dǎo)率。通常，這種測井裝置由于其對極板相對于地層的間隙(standoff)的高靈敏度或井壁上的泥餅層的存在而不能提供對地層特性的準(zhǔn)確測量。例如，在存在泥餅層的情況下，未知量的數(shù)量從兩個未知量(即，地層的介電常數(shù)s和電導(dǎo)率a)增加到五個未知量(g卩，地層(s，()的介電常數(shù)s和電導(dǎo)率cj和泥餅(s，cr:u的介電常數(shù)s和電導(dǎo)率(7，以及泥餅厚度tmc)。因此，不能夠根據(jù)衰減和相移測量值精確地確定地層電磁特性。文獻(xiàn)US5,345,179提出了一種在存在泥餅的情況下提高測井裝置響應(yīng)和精度的方案。測井裝置包括多個交叉偶極子天線，且每一個都位于腔內(nèi)。交叉偶極子天線將端射和垂射極化都容納在同一個腔內(nèi)。通常，這種交叉偶極子天線包括嵌入在非諧振腔內(nèi)的兩根線，所述非諧振腔填充有介電材料并在一端處與導(dǎo)電腔壁短路。電流分布J與短路的傳輸線模擬近似。在腔內(nèi)的輻射線上的電流分布可以近似于^巾-J。是電流振幅；-a是孔徑尺寸，-ko是腔內(nèi)的波數(shù)，并且等于/t。-仝V^，-&是填充腔的材料的相對介電常數(shù)，-co是角頻率，以及-c是光在真空中的速度。電流在短路位置處最大。此余弦曲線和非對稱電流分布激發(fā)強(qiáng)的寄生電偶極子。在線上流動的電流激發(fā)腔內(nèi)模式。振蕩模式是橫電模式TE,Q。此模式有助于輻射圖案，所述輻射圖案靠近正交于線的磁電偶極子m。在線上的電流分布還將激發(fā)寄生模式，且振蕩模式是橫磁模式TMn。此模式與正交于孔徑的電偶極子P相對應(yīng)。這些寄生模式導(dǎo)致yz平面內(nèi)的電磁場Ey和Ez的強(qiáng)對稱。現(xiàn)有技術(shù)的天線決不是純磁偶極子。具體地，正交于孔徑的寄生電偶極子影響測量精度。此外，由于沒有確定泥餅電磁特性，因此用于確定地質(zhì)構(gòu)造電磁特性的反演計(jì)算可能是不穩(wěn)健的。2007年2月6日提出申請的專利申請EP07290149.9說明了一種與電子電路相關(guān)聯(lián)的改進(jìn)的天線，所述電子電路能夠選擇天線或者作為純電偶極子或作為磁偶極子的操作模式。然而，電子電路需要使用變壓器和開關(guān)、或移相器，這都比較昂貴并且導(dǎo)致一定的復(fù)雜性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提出一種天線和包括至少一個這種天線的、能夠測量包圍裸眼井的限制層內(nèi)的地下地層的電磁特性的電磁探頭，從而避免或至少減少現(xiàn)有技術(shù)天線和探頭的缺陷。根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種結(jié)合天線元件的天線，所述天線元件具有帶有適當(dāng)?shù)碾娮与娐返暮唵螜C(jī)械設(shè)計(jì)，所述電子電路確定天線的作為大致純電偶極子和大致純磁偶極子的疊加的特性。更確切地，本發(fā)明的第一方面涉及一種用于勘測包圍裸眼井的地質(zhì)構(gòu)造的電磁探頭的天線，所述天線包括導(dǎo)電基部和天線元件，導(dǎo)電基部包括開端式非諧振腔，天線元件嵌入在腔內(nèi)并且直接通過腔，天線元件與導(dǎo)電基部隔離，天線元件分別通過第一和第二端口連接到至少一個電子模塊，電子模塊操作天線以限定同時疊加的純磁偶極子和純電偶極子。有利地，天線元件可以是鋼絲帶。腔可以具有平行六面體、或橢圓、或圓柱形形狀。腔可以填充有介電I電子模塊包括發(fā)射模塊，所述發(fā)射模塊包括連接到天線元件的第一端口的第一功率放大器和連接到天線元件的第二端口的第二功率放大器。此外，電子模塊包括接收模塊，所述接收模塊包括連接到天線元件的第一端口的第一低噪聲放大器和連接到天線元件的第二端口的第二低噪聲放大器。本發(fā)明的又一個方面涉及一種包括根據(jù)本發(fā)明的電磁探頭的天線的天線模塊。導(dǎo)電基部還可以包括通過端口連接到天線的印刷電路板，所述印刷電路板包括至少一個電子模塊以及控制和處理模塊。本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于勘測包圍裸眼井的地質(zhì)構(gòu)造的電磁測井設(shè)備，包括測井儀，所述測井儀可移動通過裸眼井；電磁探頭，所述電磁探頭包括極板，所述極板安裝在測井儀上，并且適于通過極板的壁接合面與井壁接合；至少一個天線，至少一個天線安裝在壁接合面內(nèi)并且用作發(fā)射天線；多個間隔開的天線，多個間隔開的天線安裝在壁接合面內(nèi)并且用作接收天線，接收天線以與發(fā)射天線間隔開的關(guān)系被定位；發(fā)射器模塊，發(fā)射器模塊適于激勵發(fā)射天線，從而以確定頻率將電磁能發(fā)射到地層內(nèi)；和接收器模塊，接收器模塊適于在接收天線中的每一個處接收并處理表征從地層接收的電磁能的輸出信號，其中，接收天線或發(fā)射天線中的至少一個是根據(jù)本發(fā)明的天線。本發(fā)明的又一方面涉及一種使用電磁測井設(shè)備勘測包圍裸眼井的地質(zhì)構(gòu)造的方法，電磁測井設(shè)備包括根據(jù)本發(fā)明的至少一個發(fā)射天線和至少一個接收天線，其中，所述方法包括以下步驟a)將測井設(shè)備下入通過裸眼井并且與井壁接合以限定將被勘測的由介質(zhì)構(gòu)成的選擇層；b)通過以下步驟執(zhí)行第一組測量bl)通過觸發(fā)發(fā)射天線的第一端口操作天線使得每一個天線限定疊加的純磁偶極子和純電偶極子，以及在介質(zhì)中輻射電磁信號；b2)分別在接收天線的第一端口和第二端口處測量已經(jīng)在發(fā)射天線與接收天線之間的介質(zhì)中傳播的電磁信號的衰減和相移的第一子集和第二子集；c)通過以下步驟執(zhí)行第二組測量cl)通過觸發(fā)發(fā)射天線的第二端口操作天線使得每一個天線限定疊加的純磁偶極子和純電偶極子，以及在介質(zhì)中輻射電磁信號；c2)分別在接收天線的第一端口和第二端口處測量已經(jīng)在發(fā)射天線和接收天線之間的介質(zhì)中傳播的電磁信號的衰減和相移的第三子集和第四子集；d)結(jié)合第一組測量和第二組測量，并且通過數(shù)學(xué)的方式提取由于純磁偶極子的第一貢獻(xiàn)(contribution)和由于純電偶極子的第二貢獻(xiàn)；以及e)根據(jù)第一貢獻(xiàn)和第二貢獻(xiàn)執(zhí)行反演計(jì)算，以及確定選擇層內(nèi)的介電常數(shù)s和電導(dǎo)率a?？梢皂樞驁?zhí)行第一組測量和第二組測量，第一端口和第二端口由具有相同頻率的電信號觸發(fā)。可以同時執(zhí)行第一組測量值和第二組測量值，第一端口和第二端口由具有不同頻率的電信號觸發(fā)。在其中電磁測井設(shè)備包括至少兩個發(fā)射天線和至少兩個接收天線的結(jié)構(gòu)中，所述方法還包括以下步驟執(zhí)行在至少兩個接收天線的第一端口和第二端口處測量的衰減和相移之間的差值測量，并且應(yīng)用井眼補(bǔ)償法以消除每一個天線增益。與現(xiàn)有技術(shù)所述的電磁傳播測井儀相比較，用于在地質(zhì)勘探中使用的本發(fā)明的電磁探頭的天線能夠?qū)Φ貙与姶盘匦赃M(jìn)行較好的精確測量。具體地，利用本發(fā)明，即使泥餅覆蓋井壁，并且不管泥餅的性質(zhì)(例如，油基泥漿或水基泥漿)，都可以執(zhí)行精確測量。此外，盡管在現(xiàn)有技術(shù)中，天線的操作模式，即電偶極子模式(EDM)或磁偶極子模式(MDM)通過電子電路選擇，本發(fā)明能夠同時激發(fā)上述兩種模式和隨后在數(shù)學(xué)上將它們分開。因此，本發(fā)明所要求的電子電路比現(xiàn)有技術(shù)中的電子電路簡單。以示例的方式說明本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于附圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示類似的元件圖l示意性地示出了陸上油氣井位置；圖2示意性地示出了位于裸眼井內(nèi)并且接觸形成到井壁上的泥餅的極板的剖面圖3示意性地示出了用于測量地下地層的電磁特性的、包括根據(jù)本發(fā)明的天線的極板的井壁接觸側(cè)視圖4和圖5是分別顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的天線的剖面圖和局部剖視圖6和圖7分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第二和第三實(shí)施例的天線的剖面圖8和圖9是分別示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的在混合純磁偶極子和電偶極子模式中操作的發(fā)射天線和接收天線的俯視圖10和圖11分別示出了連接到根據(jù)本發(fā)明的能夠在混合純磁偶極子和電偶極子模式中操作的天線的發(fā)射電路和接收電路的一部分；圖12示意性地顯示圖3、4、6和7中所示的電子模塊；圖13的上圖和下圖分別顯示了表征在根據(jù)本發(fā)明的接收天線的端口處測量的不同信號的振幅和相位的曲線；圖14和圖15是分別顯示表征利用根據(jù)本發(fā)明的天線測量的衰減和相移與理論值進(jìn)行比較的曲線圖；禾口圖16是顯示本發(fā)明的勘測方法的步驟圖。具體實(shí)施例方式圖l示意性地示出在已經(jīng)實(shí)施鉆井操作之后典型的陸上油氣井位置和在油氣地質(zhì)構(gòu)造GF上方的地面設(shè)備SE。在此階段，即，在下入套管柱之前和在實(shí)施固井操作之前，井眼是填充有流體混合物DM的裸眼井WB。流體混合物DM通常是鉆井液和鉆井泥漿的混合物。在本示例中，地面設(shè)備SE包括石油鉆機(jī)和用于將測井儀TL部署在井眼內(nèi)的地面裝置SU。地面裝置可以是通過線LN連接到測井儀的車輛。此外，地面裝置包括用于確定測井儀相對于表層的深度位置的適當(dāng)?shù)难b置DD。測井儀TL包括各種傳感器，并提供與油氣地質(zhì)構(gòu)造GF和/或流體混合物DM相關(guān)的各種測量數(shù)據(jù)。這些測量數(shù)據(jù)由測井儀TL釆集，并發(fā)射到地面裝置SU。地面裝置SU包括用于處理、分析和存儲由測井儀TL提供的測量數(shù)據(jù)的電子裝置和軟件裝置PA?？蛇x地，測量數(shù)據(jù)可以在井下在測井儀TL中被處理、分析和存儲。測井儀TL包括根據(jù)本發(fā)明的用于測量地下地層的電磁特性的探頭1。一旦測井儀位于期望的深度，可以通過適當(dāng)?shù)牟渴鹧b置，例如臂狀物從測井儀TL將探頭1部署抵靠在井壁上。圖2和圖3示意性地顯示探頭1的剖面圖和井壁接觸面圖。探頭l包括極板2。極板是例如是由金屬材料類的不銹鋼制成的導(dǎo)電金屬殼體，所述導(dǎo)電金屬殼體被布置以被定位成與井壁WBW接觸。極板2通過臂狀物(圖2僅顯示了所述臂狀物的一部分)連接到測井儀TL。臂狀物能夠使極板2抵靠在井壁WBW上而被部署到裸眼井WB內(nèi)。通常，裸眼井填充有鉆井泥漿DM。探頭l還包括發(fā)射天線和接收天線，例如，兩個發(fā)射天線Tu和Td(u表示上，而d表示下)，和兩個接收天線Ru和Rd。發(fā)射天線Tu和Td以及接收10天線Ru和Rd沿著極板面中的線AA'位于極板內(nèi)，所述極板面被布置以被定位成與井壁WBW接觸。如圖3中所示的發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量及其相對于彼此的位置僅僅是示例。發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量和位置可以不同。此外，在本說明書中，每一個天線或者總是用作發(fā)射天線或者總是用作接收天線。然而，天線不局限于特殊功能；每一個天線可以通過用于將天線連接到適當(dāng)?shù)碾娮幽K(發(fā)射器模塊或接收器模塊)用作接收天線而隨后可以用作發(fā)射天線，或者反之亦然。探頭1還包括連接到發(fā)射天線和接收天線的電子裝置4。通常，電子裝置4被設(shè)計(jì)成使得天線可以在從大約10MHz到大約2GHz的頻率范圍內(nèi)操作。電子裝置4包括至少一個發(fā)射器模塊和至少一個接收器模塊。每一個發(fā)射器模塊被布置成通過施加激發(fā)信號而激發(fā)發(fā)射天線Tu和/或Td。將微波電磁能(圖2中的虛線所示)發(fā)射到地層內(nèi)，并且在接收天線處接收傳播通過地層的能量。每一個接收器模塊被布置成確定由接收天線Ru和Rd提供的接收信號相對于激發(fā)信號的衰減和相移。然后，可以由相位和振幅測量值獲得地層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。另外，電磁探頭l可以包括用于測量流體混合物、泥餅、和/或地層的特征參數(shù)的諸如溫度傳感器的其它類型的傳感器(未示出)?？梢酝ㄟ^臂狀物下入一個或多個同軸電纜(未示出)，用于連接電子裝置4與測井儀TL。測井儀TL包括大量井下電子儀器(未示出)并且提供能量和控制指令，以及從電磁探頭l收集測量值?？蛇x地，電子裝置4可以包括用于將測量值直接發(fā)射到地面設(shè)備SE并且從所述地面設(shè)備接收控制指令的數(shù)據(jù)通信模塊(未示出)。圖4、5、6和7示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的天線3。以下根據(jù)不同實(shí)施例說明的天線3可以用作發(fā)射天線(例如，圖2和圖3的發(fā)射天線Tu、Td)或用作接收天線(例如，圖2和圖3的接收天線Ru、Rd)。在圖4、6和7中，天線被示出為安裝在極板2內(nèi)，同時極板接觸井壁WBW。通常，當(dāng)在本示例中，所研究的介質(zhì)包括在被泥餅MC覆蓋的地層GF內(nèi)。泥餅MC通過當(dāng)流體混合物侵入地層GF時過濾懸浮在流體混合物中的顆粒而形成在井壁WBW上。天線3包括導(dǎo)電基部31和第一天線元件32。導(dǎo)電基部31包括開端式非諧振腔33。腔33具有橢圓或圓柱形形狀。然而，腔33可以具有諸如平行六面體形狀(未示出)的其它形狀。作為示例，由這種腔定義的孔徑尺寸a可以大約為10mm。有利地，腔填充有介電材料。當(dāng)填充腔的所述材料的介電常數(shù)對輻射純度沒有影響時，可以使用任何介電材料?？蛇x地，鐵氧體材料(未示出)中的元件可以插入到腔內(nèi)。鐵氧體材料增加磁偶極矩，但不會改變電偶極矩。天線元件32直接通過(gorightthrough)腔，同時沒有接觸腔壁。天線元件32通過第一端口34A和第二端口34B連接到電子裝置4。端口包括連接線。有利地，天線元件32在第一端口34A和第二端口34B的每一個端部處在所述第一端口和所述第二端口處連接。有利地，兩個端口中的每一個與電子裝置之間的連接具有相同的長度。有利地，因?yàn)闃O板在測井操作期間可以抵靠井壁移動，因此天線元件32被定位成靠近腔33開口，而不是在腔外部突出。有利地，當(dāng)?shù)挚烤诓渴饦O板2時，天線元件32與地質(zhì)構(gòu)造接觸。然而，在某些應(yīng)用中，有利的是腔可以由蓋子或窗體(未示出)閉合，以保持和保護(hù)介電材料。有利地，蓋子由耐磨損的諸如PEEK(熱塑性聚醚醚酮)的防護(hù)材料制成。然而，不干擾高頻率波傳播并且顯示對磨損適當(dāng)?shù)臋C(jī)械阻力的任何其它材料是可接受的。天線元件32可以具有帶狀形狀。作為示例，帶的寬度大約為5mm?？梢酝ㄟ^增加帶的寬度來提高對磨損的抵抗、電偶極矩、和靈敏度(具體地，在大致純偶極天線模式EDM中的反射期間的靈敏度)。在圖3的示例中，將天線定向成使得每一個天線元件32垂直于極板軸線，從而垂直于裸眼井軸線。這對應(yīng)于磁偶極子平行于極板軸線AA'的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠在地質(zhì)構(gòu)造中進(jìn)行更深的測量。然而，在某些應(yīng)用中，目的是將天線定向成使得天線元件與極板軸線對齊，從而平行于裸眼井軸線(這種結(jié)構(gòu)在附圖中沒有示出)。圖4和5說明了根據(jù)第一實(shí)施例的天線3。第一端口34A和第二端口34B通過第一幵口35A和第二開口35B穿過導(dǎo)電基部31。開口35A、35B被定位到腔的直接在天線元件端部下面的底部1233C內(nèi)。第一端口34A和第二端口34B延伸到腔33內(nèi)。有利地，至少當(dāng)端口34A、34B穿過開口時，所述端口相對于導(dǎo)電基部絕緣?？蛇x地，開口35A、35B填充有絕緣材料，以使端口的連接線相對于導(dǎo)電基部絕緣并且保持天線元件32在腔33內(nèi)的定位。圖6示出了根據(jù)第二實(shí)施例的天線3。第一端口34A和第二端口34B通過第一倒L形通道36A和第二倒L形通道36B穿過導(dǎo)電基部31。通道從導(dǎo)電基部31的底部延伸并且靠近腔的頂部通過側(cè)壁33A、33B進(jìn)入到腔33內(nèi)。天線元件32總是沿著腔孔徑延伸。如圖6中所示，天線元件32還可以延伸到第一通道36A和第二通道36B的一部分內(nèi)。第一端口34A和第二端口34B延伸到第一通道36A和第二通道36B內(nèi)。有利地，端口34A、34B總是沿著通道36A、36B相對于導(dǎo)電基部31絕緣。此外，天線元件32的端部當(dāng)延伸到第一通道36A和第二通道36B的一部分中時也相對于導(dǎo)電基部31絕緣。圖7示出根據(jù)第三實(shí)施例的天線3。第三實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同在于位于腔33的底部內(nèi)的第一開口35A和第二開口35B被單個開口37代替。單個開口37大致位于腔33的底部33C的中心處。有利地，端口34A、34B相對于導(dǎo)電基部絕緣，并且至少當(dāng)穿過開口相對彼此絕緣。在各種實(shí)施例中，天線的金屬部分可以是板狀黃金，以最小化歐姆損耗。天線3可以被設(shè)計(jì)成插入到極板2的槽內(nèi)的天線模塊的形式。在這種情況下，導(dǎo)電基部31可以有利地包括通過端口34A、34B連接到天線元件32的印刷電路板(未示出)。印刷電路板可以包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)能夠當(dāng)天線是發(fā)射器最大化傳輸?shù)降貙觾?nèi)的功率，或者相反地，能夠當(dāng)天線是接收器時最大化接收的功率。有利地，印刷電路板和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)被定位成靠近天線元件以提高所述天線元件的效率。例如，印刷電路板可以位于距離天線元件小于腔的尺寸的距離處。最后，匹配網(wǎng)絡(luò)可以被設(shè)計(jì)成用于具有無源分量(電感或電容)或有源分量(可變電容)的多個離散頻率。有源分量能夠最大化效率地在具有從0.1GHz-2.0GHz的頻率范圍內(nèi)工作。在圖8、9、10、11和12中，接收天線R和發(fā)射天線T與在上文相對于圖4-7說明的天線3相同。在圖8和圖9中，圓表示電偶極子，而箭頭表示磁偶極子。電偶極子垂直于由天線的腔開口限定的平面定向。磁偶極子平行于由天線的腔開口限定的平面。圖8和圖10是分別示意性地顯示發(fā)射天線T的俯視圖和剖面圖。圖IO還示意性地示出電子模塊4的一部分。用作發(fā)射器T的天線元件的端口TA、TB連接到發(fā)射器模塊44T。作為示例，發(fā)射器模塊44T包括兩個功率放大器45A和45B。第一放大器45A的輸出連接到用作發(fā)射器T的天線的第一端口TA，而第二放大器45B的輸出連接到用作發(fā)射器T的天線的第二端口TB。因此，可以將端口相關(guān)電壓施加到天線的每一個端部。利用這種發(fā)射器模塊44T，可以操作天線以限定疊加的純磁偶極子和純電偶極子。圖9和圖11是分別示意性地顯示接收天線R的俯視圖和剖視圖。圖ll還示意性地示出電子模塊4的一部分。用作接收器R的天線元件的端口RA、RB連接到接收器模塊44R。作為示例，接收器模塊44R包括兩個低噪聲放大器46A和46B。第一放大器46A的輸入連接到用作接收器R的天線的第一端口RA，而第二放大器46B的輸入連接到用作接收器R的天線的第二端口RB。因此，可以對天線的每一個端部測量端口相關(guān)電壓。利用這種接收器模塊44R，操作天線以限定疊加的純磁偶極子和純電偶極子。圖12示意性地顯示電子模塊4。發(fā)射器模塊44T和接收器模塊44R連接到控制和處理模塊43?？刂坪吞幚砟K43控制發(fā)射天線T和接收天線R的操作。以下說明根據(jù)由接收器提供的測量值通過控制和處理模塊43執(zhí)行的計(jì)利用本發(fā)明的天線和上述發(fā)射器、接收器、以及控制和處理模塊，同吋激發(fā)電偶極子模式(EDM)和磁偶極子模式(MDM)，并且以數(shù)學(xué)的方式分離所述電偶極子模式和磁偶極子模式。優(yōu)選地，對于每一個天線來說，兩個端口上的阻抗應(yīng)該非常接近。在本發(fā)明的發(fā)射器模塊的情況下并且對于適當(dāng)?shù)呢?fù)載阻抗來說，天線相當(dāng)于純磁偶極子和純電偶極子的疊加，且電流分布由以下公式給出其中-Jo是電流振幅，-a是孔徑尺寸i，-k0是腔內(nèi)的波數(shù)并且等于°c~,，-S，ity是填充腔的材料的相對介電常數(shù)，-CO是角頻率，-C是光在真空中的速度；以及-(R是基于負(fù)載阻抗的相位。根據(jù)第一可選例，控制和處理模塊43觸發(fā)發(fā)射模塊，使得發(fā)射天線的第一端口TA和第二端口TB被順序觸發(fā)，g卩，先觸發(fā)端口TA，然后觸發(fā)端口TB，或者反之亦然。在此可選例中，通過第一和第二端口激發(fā)發(fā)射天線的信號的頻率可以相同，例如為lGHz。接收天線和接收模塊同時接收兩個端口RA、RB上的信號。根據(jù)第二可選例，控制和處理模塊43觸發(fā)發(fā)射模塊，使得發(fā)射天線的第一端口TA和第二TB被同時觸發(fā)。在此可選例中，通過第一和第二端口激發(fā)發(fā)射天線的信號的頻率必須是不同的，例如第一端口TA被具有l(wèi)GHz頻率的信號激發(fā)，而第二端口TB被具有l(wèi)GHz+10kHz頻率的信號激發(fā)。接收天線和接收模塊同時接收兩個端口RA、RB上的信號。頻率的不同能夠使控制和處理模塊43區(qū)分由第一端口TA激發(fā)所產(chǎn)生的接收信號和由第二端口TB激發(fā)所產(chǎn)生的接收信號之間進(jìn)行?？梢杂刹煌M合發(fā)射器端口TA或TB和接收器端口RA和RB獲得四個信號。這些信號取決于組合的天線和電子元件增益a、發(fā)射器的電偶極子長度t「和接收器的電偶極子長度&、發(fā)射器的磁偶極子面積ST和接收器的磁偶極子面積Sa、和介質(zhì)。假設(shè)發(fā)射器天線和接收器天線可以不同，并且在一個天線中，端口A和B機(jī)械對稱并且具有相同的負(fù)載阻抗<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>可以利用與在純電偶極子模式中操作的天線相對應(yīng)的第一函數(shù)fEDM和在純磁偶極子模式中操作的天線相對應(yīng)的fMDM表示介質(zhì)的影響。兩種函數(shù)都取決于波數(shù)財卩天線之間的距離r。這些信號可以寫作為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>通過組合這些數(shù)據(jù)，可以提取與純電偶極子VEDM和純磁偶極子VMDM有關(guān)的信號，并且使所述信號僅取決于發(fā)射天線和接收天線的函數(shù)訝n增益<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>然后，則可以應(yīng)用公知的井眼補(bǔ)償法。井眼補(bǔ)償法能夠消除接收天每的可能稍微不同的增益。例如，可考慮包括一組四個天線的電磁測井設(shè)備，即，如圖2和圖3中所示的具有兩個發(fā)射天線Tu、Td和兩個接收天線Ru、Rd的結(jié)構(gòu)。在每一個天線具有兩個端口A和B的情況下，這種結(jié)構(gòu)能夠窮得16組信號。然后，上述公式變成<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>和，二xx/m謝(A:,^)4謝，&)二x(7;^x/m爐(A，r2^wdm(巧，&)=xx/^服(A,r2rf(巧，)=xx/膨m(A:，。,這些信號可以組合并且與測量的衰減AT和相移PS有-爿r,0jwW層=lnxG^myx//逾(^，ri)仏-;xx力￡服叨w和緒w/尸《=lny扁(k,凡)r廳Co'aIn"momxt/":力似爐膨m''、此公式可以被簡化為僅取決于函數(shù)麗不再取決于增益G的公式，即力:服(&，r2)，r')J，和^脂—^層"n,￡冊(j/w綴I、14因此，通過相對于根據(jù)疊加的純磁偶極子和電偶極子模式操作的發(fā)射天線在接收天線處測量信號的衰減AT和相移PS，可以通過簡單的數(shù)學(xué)反演運(yùn)算以數(shù)學(xué)的方式分離每一模式的貢獻(xiàn)(contribution)并且確定介質(zhì)的電戰(zhàn)粘性。付圖13的上圖示出了表征在接收天線的端口處測量的不同信號的振幅信的四條曲線。圖13的下圖也顯示了表征在接收天線的端口處測量的不同號的相位P。已經(jīng)利用電磁測井設(shè)備獲得這些測量值，所述電磁測井設(shè)備包括一組三個天線，第一發(fā)射天線Tu和第二發(fā)射天線Td以及與發(fā)射天線間隔開的一個接收天線R。每一個天線具有兩個端口A和B。在這種具體結(jié)構(gòu)中，只有發(fā)射天線的端口A已經(jīng)被激發(fā)。所示的信號為TdARA表示在接收天線R的端口A上接收的由下側(cè)發(fā)射天線Td的端口A的激發(fā)所生成的信號；17丁dARB表示在接收天線R的端口B上接收的由下側(cè)發(fā)射天線Td的端口A的激發(fā)所生成的信號；TUARA表示在接收天線R的端口A上接收的由上側(cè)發(fā)射天線Tu的端口A的激發(fā)所生成的信號；以及TUARB表示在接收天線R的端口B上接收的由上側(cè)發(fā)射天線Tu的端口A的激發(fā)所生成的信號；可以利用基于圖2和圖3中所示的具有兩個發(fā)射天線Tu、Td以及兩個接收天線Ru、Rd的結(jié)構(gòu)的理想結(jié)構(gòu)獲得相同的曲線，其中，所有天線相同，即Tdd—Td"du—npddu—nrudd—tuddaKa一丄a—丄b—1a"a—丄bkb;a丄、a—丄a尺b—1b—1bka—1a乂b—1b汄a;tui)—tuDu—tuDU—丁dDd—tuDu丄八Ka一丄a一丄b一1a一丄b代，d以及tuD—TuDU—TuDU—T廿Dd—T11du丄a^b一丄b一1bka一1akb一丄a。外部介質(zhì)由介電常數(shù)s^l5和電導(dǎo)率o^0.2S/m來表征。兩個發(fā)射天線之間的距離是25mm。第一發(fā)射天線Tu與接收天線R之間的距離R是37.5mm。通過組合上述測量值，可以確定兩個衰減值A(chǔ)T(EDM和MDM)和兩個相移值PS。這些值可以與理論值進(jìn)行比較。衰減AT和相移PS的理論值可以利用以下公式計(jì)算，所述公式假設(shè)均勻介質(zhì)并且在井壁上沒有泥餅。對于磁偶極子模式(MDM)來說，理論值由以下公式給出爿『纖v一^S腦y二3ln+巧)+ln1_/化1—/Ar'i乂對于電偶極子模式(EDM)來說，理論值由以下公式給出1—汝廠2—A廠2一/,1_-A2rZ其中rl和r2是發(fā)射器與接收器之間的距離；:給出波數(shù)k由以下公:-s是相對介質(zhì)介電常數(shù)-o是介質(zhì)電導(dǎo)率，以及-A是相對磁導(dǎo)率(對于測井應(yīng)用來說通常等于l)。圖14表示顯示對于電偶極子模式(EDM)和磁偶極子模式(MDM)來說表征利用根據(jù)本發(fā)明的天線測量的衰減AT與作為頻率的函數(shù)的理論值(平坦曲線)進(jìn)行比較的曲線圖。圖15表示顯示對于電偶極子模式(EDM)和磁偶極子模式(MDM)來說表征利用根據(jù)本發(fā)明測量的相移PS與作為頻率的函數(shù)的理論值(平坦曲線)進(jìn)行比較的曲線圖。所觀察到的是利用與適當(dāng)?shù)碾娮釉蜕鲜鲇?jì)算方法結(jié)合的本發(fā)明的天線，在測量值與理論值之間獲得極好的一致。具有簡單設(shè)計(jì)的、連接到適當(dāng)電子電路的天線元件的組合能夠使天線根據(jù)純磁偶極子和純電偶極子模式的疊加而操作，并且進(jìn)一步以數(shù)學(xué)的方式分離磁偶極子模式的貢獻(xiàn)和電偶極子模式的貢獻(xiàn)。與磁偶極子模式(MDM)有關(guān)的測量值貢獻(xiàn)能夠進(jìn)行進(jìn)入到地層內(nèi)的深徑向深度勘測。與電偶極子模式(EDM)有關(guān)的測量值貢獻(xiàn)能夠進(jìn)行進(jìn)入到地層內(nèi)或者當(dāng)在井壁上存在泥餅時進(jìn)入到泥餅內(nèi)的淺徑向深度勘測。根據(jù)衰減和相移測量值，可以通過公知的反演計(jì)算計(jì)算地層的介電常數(shù)s和電導(dǎo)率a。本發(fā)明的天線包括在電磁測井設(shè)備(見圖l)中。電磁測井設(shè)備可以實(shí)施確定包圍裸眼井的介質(zhì)的電磁特性的方法。在公開的NoEP1693685(2005年2月22日提出申請)的專利申請中詳細(xì)地說明了這種電磁測井設(shè)備，該專利申請通過引用在此并入。本發(fā)明的電磁探頭與EP1693685的電磁探頭的不同在于本發(fā)明的電磁探頭包括如上所述的本發(fā)明的天線。當(dāng)測井設(shè)備正在下入通過裸眼井并且極板與井壁接合時(圖l)，通過發(fā)射天線Tu、Td將電磁信號發(fā)射到包圍裸眼井的地層內(nèi)。由接收天線Ru、Rd測量電磁信號的衰減和相移。以下相對于圖16說明使用本發(fā)明的天線的勘測方法。在第一步驟(S1)中，將測井設(shè)備下入通過裸眼井，并且極板與井壁接合以限定由將被勘測的介質(zhì)組成的選擇層SZ(見圖1和圖2)。在第二步驟(S2)中，通過觸發(fā)發(fā)射天線的第一端口(例如TA，見圖8和圖10)操作天線，使得每一個天線限定疊加的純磁偶極子和純電偶極子。因此，電磁信號在介質(zhì)中輻射。同時，執(zhí)行第一組測量的步驟，所述第一組測量的步驟包括分別在接收天線(見圖9和圖11)的第一端口(RA)和第二端口(RB)處測量己經(jīng)在發(fā)射天線與接收天線之間的介質(zhì)中傳播的電磁信號的衰減和相移的第一和第二子集。在第三步驟(S3)中，通過觸發(fā)發(fā)射天線(例如TB，見圖8和圖10)的第二端口操作天線，使得每一個天線限定疊加的純磁偶極子和純電偶極子。因此，電磁信號在介質(zhì)中輻射。同時，執(zhí)行第二組測量的步驟，所述第二組測量的步驟包括分別在接收天線(見圖9和圖11)的第一端口和第二端口處測量己經(jīng)在發(fā)射天線與接收天線之間的介質(zhì)中傳播的電磁信號的衰減和相移的第三和第四子集。在第四步驟(S4)中，可以根據(jù)衰減和相移的第一、第二、第三和第四子集測量值執(zhí)行計(jì)算。組合這些測量值，并且提取由于純磁偶極子(MDM)的第一貢獻(xiàn)和由于純電偶極子(EDM)的第二貢獻(xiàn)。利用這些測量值，現(xiàn)在可以在第五步驟(S5)中通過如上所述的反演計(jì)算確定選擇層內(nèi)的介質(zhì)的介電常數(shù)s和電導(dǎo)率ci?？梢皂樞驁?zhí)行第一組測量(步驟S"和第二組測量(步驟S"。在這種情況下，優(yōu)選地通過具有相同頻率的電信號觸發(fā)第一端口(TA)和第二端口(TB)。也可以同時執(zhí)行第一組測量(步驟S2)和第二組測量(步驟S3)。在這種情況下，優(yōu)選地通過具有不同頻率的電信號觸發(fā)第一端口(TA)和第二端口(TB)。有利地，在包括至少兩個發(fā)射天線Tu、Td和至少兩個接收天線Ru、Rd(圖2和圖3中所示的結(jié)構(gòu))的電磁測井設(shè)備中，可以執(zhí)行在至少兩個接收天線的端口處測量的衰減和相移之間的差值測量，并且可以應(yīng)用井眼補(bǔ)償法。如上文公式中所示，這能夠從介質(zhì)特性的計(jì)算消除每一個天線增益。后注已經(jīng)相對于電纜測井儀說明了本發(fā)明的具體應(yīng)用。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的是本發(fā)明也可應(yīng)用于隨鉆測井儀。典型的隨鉆測井儀并入底部鉆具組合，所述底部鉆具組合連接到鉆柱端部，且鉆頭連接在所述鉆柱末端處?？梢栽阢@柱靜止或旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行測量。在鉆柱旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行測量的情況下，進(jìn)行另外的測量以允許測量值與鉆柱在裸眼井壁中的旋轉(zhuǎn)位置有關(guān)。這優(yōu)選地通過羅盤同時進(jìn)行地球磁場的方向測量而完成，這可以與當(dāng)鉆柱靜止時進(jìn)行的參考測量相關(guān)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將理解的是本發(fā)明可應(yīng)用于陸上和海上油氣井位置。要理解的是前面使用的術(shù)語"極板"通常表示與井壁表面接觸的接觸元件。在附圖中示出的用于保持元件與井壁接合的具體的接觸元件是說明性的，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是其它接觸元件，例如具有推靠臂的探測器可以實(shí)現(xiàn)其它適當(dāng)?shù)慕佑|元件。相同的注釋也可應(yīng)用于附圖中示出的具體的探頭部署系統(tǒng)。最后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還要理解的是本發(fā)明不限于油田行業(yè)的應(yīng)用，而是還可以在其它的地質(zhì)勘測中使用。以上附圖和說明是舉例說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)該被解釋為限制權(quán)利要求。單詞"包括"不排除存在權(quán)利要求中所列出的元件之外的其它元件。元件前的單詞"一個"不排除存在多個這樣的元件。2權(quán)利要求1.一種用于勘測包圍裸眼井(WBH)的地質(zhì)構(gòu)造(GF)的電磁探頭的天線(3)，所述天線包括導(dǎo)電基部(31)和天線元件(32)，所述導(dǎo)電基部(31)包括開端式非諧振腔(33)，所述天線元件(32)嵌入在所述腔(33)內(nèi)并且直接通過所述腔，所述天線元件(32)與所述導(dǎo)電基部(31)隔離，所述天線元件(32)分別通過第一端口(34A)和第二端口(34B)連接到至少一個電子模塊，所述電子模塊操作所述天線以限定同時疊加的純磁偶極子和純電偶極子。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的電磁探頭，其中，所述天線元件是鋼絲帶。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁探頭，其中，所述腔(33)具有平行六面體、或橢圓、或圓柱形形狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一個所述的電磁探頭的天線，其中，所述腔填充有介電材料。5.根據(jù)權(quán)利要求l-4中任一項(xiàng)所述的電磁探頭的天線，其中，所述電子模塊包括發(fā)射模塊(44T)，所述發(fā)射模塊包括連接到所述天線元件的所述第一端口(TA)的第一功率放大器(45A)和連接到所述天線元件的所述第二端口(TB)的第二功率放大器(45B)。6.根據(jù)權(quán)利要求l-5中任一項(xiàng)所述的電磁探頭的天線，其中，所述電子模塊包括接收模塊(44R)，所述接收模塊包括連接到所述天線元件的所述第一端口(RA)的第一低噪聲放大器(46A)和連接到所述天線元件的第二端口(RB)的第二低噪聲放大器(46B)。7.—種包括根據(jù)權(quán)利要求l-6中任一項(xiàng)所述的電磁探頭的天線的天線模塊，其中，所述導(dǎo)電基部還包括通過所述第一端口和所述第二端口連接到所述天線的印刷電路板，所述印刷電路板包括所述至少一個電子模塊以及控制和處理模塊。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線模塊，其中，所述印刷電路板還包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并且所述印刷電路板被定位成靠近所述天線元件。9.一種用于勘測包圍裸眼井(WBH)的地質(zhì)構(gòu)造(GF)的電磁測井設(shè)備，包括測井儀(TL)，所述測井儀能夠移動通過所述裸眼井；電磁探頭(l)，所述電磁探頭包括極板(2)，所述極板安裝在所述測井儀(TL)上，并且適于通過所述極板的壁接合面與井壁(WBW)接合；至少一個天線(Tu，Td)，所述至少一個天線安裝在所述壁接合面上并且用作發(fā)射天線；多個間隔開的天線(Ru，Rd)，所述多個間隔開的天線安裝在所述壁接合面上并且用作接收天線，所述接收天線以與所述發(fā)射天線(Tu，Td)間隔開的關(guān)系被定位；發(fā)射器模塊(44T)，所述發(fā)射器模塊適于激勵所述發(fā)射天線，從而以確定頻率將電磁能發(fā)射到所述地層內(nèi)；和接收器模塊(44R)，所述接收器模塊適于在所述接收天線中的每一個處接收并處理表征從所述地層接收的電磁能的輸出信號，其中，所述接收天線或所述發(fā)射天線中的至少一個(Ru，Rd，Tu，Td)是根據(jù)權(quán)利要求l-6中任一項(xiàng)所述的天線。10.—種使用電磁測井設(shè)備勘測包圍裸眼井(WBH)的地質(zhì)構(gòu)造(GF)的方法，所述電磁測井設(shè)備包括根據(jù)權(quán)利要求l-7中任一項(xiàng)所述的至少一個發(fā)射天線(Tu，Td)和至少一個接收天線(Ru，Rd)，其中，所述方法包括以下步驟a)將所述測井設(shè)備下入(Sl)通過所述裸眼井并且與井壁接合以限定將被勘測的由介質(zhì)構(gòu)成的選擇層(SZ);b)通過以下步驟執(zhí)行第一組測量(S2):bl)通過觸發(fā)所述發(fā)射天線(TA)的第一端口操作所述天線使得每一個天線限定疊加的純磁偶極子和純電偶極子，以及在所述介質(zhì)中輻射電磁信號5b2)分別在所述接收天線的第一端口(RA)和第二端口(RB)處測量已經(jīng)在所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的介質(zhì)中傳播的所述電磁信號的衰減和相移的第一子集和第二子集；c)通過以下步驟執(zhí)行第二組測量(S3):cl)通過觸發(fā)所述發(fā)射天線(TB)的第二端口操作所述天線使得每一個天線限定疊加的純磁偶極子和純電偶極子，以及在所述介質(zhì)中輻射電磁信號；c2)分別在所述接收天線的第一端口(RA)和第二端口(RB)處測量己經(jīng)在所述發(fā)射天線和所述接收天線之間的介質(zhì)中傳播的所述電磁信號的衰減和相移的第三子集和第四子集；d)結(jié)合所述第一組測量和所述第二組測量，并且通過數(shù)學(xué)的方式提取由于所述純磁偶極子的第一貢獻(xiàn)和由于所述純電偶極子的第二貢獻(xiàn)(S4);以及e)根據(jù)所述第一貢獻(xiàn)和所述第二貢獻(xiàn)執(zhí)行反演計(jì)算(S5)，以及確定所述選擇層內(nèi)的介電常數(shù)s和電導(dǎo)率cr。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的勘測方法，其中，順序執(zhí)行所述第一組測量(S2)和所述第二組測量(S3)，所述第一端口和所述第二端口(TA，TB)由具有相同頻率的電信號觸發(fā)。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的勘測方法，其中，同時執(zhí)行所述第一組測量(S2)和所述第二組測量(S3)，所述第一端口和所述第二端口(TA，TB)由具有不同頻率的電信號觸發(fā)。13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的勘測方法，其中，所述電磁測井設(shè)備包括至少兩個發(fā)射天線(Tu，Td)和至少兩個接收天線(Ru，Rd)，并且其中，所述方法還包括以下步驟執(zhí)行在所述至少兩個接收天線的所述第一端口和所述第二端口處測量的所述衰減和相移之間的差值測量，并且應(yīng)用井眼補(bǔ)償法以消除每一個天線增益。全文摘要本發(fā)明公開一種用于勘測包圍裸眼井(WBH)的地質(zhì)構(gòu)造(GF)的電磁探頭的天線(3)，所述天線包括導(dǎo)電基部(31)和天線元件(32)。導(dǎo)電基部(31)包括開端式非諧振腔(33)。天線元件(32)嵌入在腔(33)內(nèi)并且直接通過腔。天線元件(32)與導(dǎo)電基部(31)隔離。天線元件(32)分別通過第一端口(34A)和第二端口(34B)連接到至少一個電子模塊。電子模塊操作天線以限定同時疊加的純磁偶極子和純電偶極子。文檔編號G01V3/18GK101680964SQ200880020535公開日2010年3月24日申請日期2008年4月7日優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日發(fā)明者馬蒂厄·西蒙申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司