技术摘要：
本发明提供一种在钻井过程中能够反应钻头周围及前方地层电阻率的测量钻头前方地层电阻率的装置及方法。该装置采用安装在钻铤上带有磁芯的线圈作为发射和接收天线，利用钻头和钻头箱末端作为发射电极，测量镶嵌在钻头箱和钻头侧面的钮扣状电极以及发射天线两端的接收天  全部
背景技术：
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种能准确反映钻头附近和钻头前方地层 电阻率的测量钻头前方地层电阻率的装置及方法。 本发明的技术方案包括： 一种测量钻头前方地层电阻率的装置，包括钻铤、钻头箱、钻头、电极、天线、以及 测控系统；测控系统安装于钻铤内部，并通过通信总线与地面连接，测控系统包括信号采集 和处理单元、存储单元、仪器姿态测量单元，其中，所述电极为纽扣电极，在钻头和钻头箱的 同一侧面分别镶嵌钮扣电极A和B，钮扣电极与钻头箱和钻头表面绝缘，内部通过导线连接， 纽扣电极与钻头箱和钻头表面形成等势面；所述天线为环形缠绕于磁芯上的发射天线和接 收天线，至少包括：一个发射天线A安装于钻铤下端部；一个接收天线A安装于发射天线上方 4 CN 111594154 A 说　明　书 2/7 页 的钻铤上；一个天线B安装于钻铤下方的钻头箱上，天线与钻铤或钻头箱绝缘；所述电极和 天线均与测控系统构成连接。 所述电极为两个，分别镶嵌在钻头和钻头箱的同一侧面的同一轴线上， 所述天线为三个，包括安装于钻铤上的发射天线A和接收天线A，以及安装在钻头 箱上的天线B。 本发明的技术方案还包括： 一种测量钻头前方地层电阻率的方法，该方法是根据前述测量钻头前方地层电阻 率的装置来进行的，包括：测量钻头箱和钻头上的钮扣电极的电流，经过刻度转换得到地层 电阻率信息；测量和记录钻头箱以及钻铤上的接收天线接收到的回路电流信号，刻度转换 得到过钻头电阻率信息。 当发射线圈A通频率范围为1kHz-5kHz的交流电，电压为V0，则会在钻铤上形成电 动势V1，两者之间的关系为：V0/V1＝N，N为发射天线A线圈缠绕的匝数；钻铤与周围地层介质 组成电流回路，钻铤上的电流一部分通过钻头流经地层然后又流回钻铤；从钻头流入地层 后又回流到钻铤的电流I2一部分被接收线圈A测到，所测到的电流信号Im与I2的关系为： Im＝I2/N1，其中N1为接收天线A线圈缠绕的匝数； 根据安培定律，回路中地层电阻率表示为： 该公式(1)中，k为该测量模式下装置刻度系数，通过精确数值模拟或实验室水槽 试验得到； 为了测量从钻头某一点流出的电流，利用纽扣电极A测得的电流信号为Ib时，回路 中地层电阻率表示为： 公式(2)中，k1为装置该测量模式下刻度系数； 天线B作为发射天线，施加频率范围为1kHz-5kHz的交流电时，电压为V1’，在钻铤 上形成电动势V1’，两者之间的关系为：V'/V'1＝N'，N’为天线B线圈缠绕的匝数,当纽扣电极 A测得的电流信号为I'b时，回路中地层电阻率表示为： 公式(3)中，k'1为装置该测量模式下刻度系数； 发射天线A和天线B交替发射时，对于纽扣电极A得到两种探测深度的地层电阻率； 当发射天线A和天线B同时发射时，回路中相当于存在两个电源，发射天线和天线B 的输入电压分别为V和V’时，则回路中的电压为V1 V’1，当纽扣电极A测得的电流信号为I”b 时，则得到第三种探测深度的地层电阻率： 公式(4)中，k”1为装置该测量模式下刻度系数； 5 CN 111594154 A 说　明　书 3/7 页 利用上述同样方法，通过发射天线A和天线B交替发射时，对于纽扣电极B得到两种 探测深度的地层电阻率； 当发射天线A和天线B同时发射时,对于纽扣电极B则得到第三种探测深度的地层 电阻率，两个纽扣电极A和B,得到六种探测深度的地层电阻率信息。 所述该测量模式下装置刻度系数，利用有限元方法对该装置以及地层模型进行精 确剖分，模拟电流分布规律，从而计算出刻度系数。或者所述该测量模式下装置刻度系数， 利用水槽确定刻度系数，水槽直径大于2m，深度大于2m，水槽内充满电阻率可调的盐水溶 液，对比测量得到的电流和溶液已知电阻率，计算得到刻度系数。或者所述该测量模式下装 置刻度系数，利用有限元方法对该装置以及地层模型进行精确剖分，模拟电流分布规律，从 而计算出刻度系数；同时利用水槽确定刻度系数，水槽直径大于2m，深度大于2m，水槽内充 满电阻率可调的盐水溶液，对比测量得到的电流和溶液已知电阻率，计算得到刻度系数，这 两种方法互相验证。 本发明通过测量发射天线上下两个接收天线的电流信号，转换得到地层电阻率信 息。其中，位于发射天线上方的接收天线适合测量水基泥浆环境下的地层电阻率，位于发射 天线下方的接收天线适合测量油基泥浆环境下的地层电阻率。包含两个距离发射天线不同 的纽扣电极，可以得到多种不同探测深度的地层电阻率信息，钮扣电极安装于钻头侧面，使 电极与地层接触更加紧密，减小了泥浆的影响。在测量通过钮扣电极的电流信号时，钻头箱 上的带磁芯的天线也可以作为发射天线，其中钻铤上发射天线和钻头箱上发射天线分时工 作，分别测量纽扣电极上的电流信号；钻铤上的发射天线和钻头箱上发射天线同时工作，分 别测量钮扣电极上的电流信号，转换可以得到不同探测深度的地层电阻率信息。 本发明与泥浆以及地层组成电流回路，得到地层电阻率，解决了电流回路易受到 井眼形状以及泥浆的影响，通过试验和模拟确定合理的接收天线排布和测量模式，使发明 装置具备更好的井眼和泥浆适应性。 附图说明 图1为本发明装置一个实施例的示意图。 图2为本发明一个实施例中过钻头电阻率测量原理示意图。 图3为本发明一个实施例中钮扣电极测量原理示意图。 图4为本发明一个实施例中纽扣电极测量所得方位电阻率成像模拟图。 图5为本发明一个实施例测控系统原理图。 图6为本发明一个实施例中水基钻井液条件下，电流分布示意图。 图7为本发明一个实施例中油基钻井液条件下，电流分布示意图。
技术实现要素：
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的 实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是取全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域 普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护 范围。 实施例1： 6 CN 111594154 A 说　明　书 4/7 页 一种测量钻头前方地层电阻率的装置，包括钻铤、钻头箱、钻头、电极、天线、以及 测控系统；测控系统安装于钻铤内部，并通过通信总线与地面连接，测控系统包括信号采集 和处理单元、存储单元、仪器姿态测量单元，其中，所述电极为纽扣电极，在钻头和钻头箱的 同一侧面分别镶嵌钮扣电极A和B，钮扣电极与钻头箱和钻头表面绝缘，内部通过导线连接， 纽扣电极与钻头箱和钻头表面形成等势面；所述天线为环形缠绕于磁芯上的发射天线和接 收天线，至少包括：一个发射天线A安装于钻铤下端部；一个接收天线A安装于发射天线上方 的钻铤上；一个天线B安装于钻铤下方的钻头箱上，天线与钻铤或钻头箱绝缘；所述电极和 天线均与测控系统构成连接。 所述电极为两个，分别镶嵌在钻头和钻头箱的同一侧面的同一轴线上， 所述天线为三个，包括安装于钻铤上的发射天线A和接收天线A，以及安装在钻头 箱上的天线B。 实施例2： 一种测量钻头前方地层电阻率的方法，该方法是根据前述测量钻头前方地层电阻 率的装置来进行的，包括：测量钻头箱和钻头上的钮扣电极的电流，经过刻度转换得到地层 电阻率信息；测量和记录钻头箱以及钻铤上的接收天线接收到的回路电流信号，刻度转换 得到过钻头电阻率信息。 当发射线圈A通频率范围为1kHz-5kHz的交流电，电压为V0，则会在钻铤上形成电 动势V1，两者之间的关系为：V0/V1＝N，N为发射天线A线圈缠绕的匝数；钻铤与周围地层介质 组成电流回路，钻铤上的电流一部分通过钻头流经地层然后又流回钻铤；从钻头流入地层 后又回流到钻铤的电流I2一部分被接收线圈A测到，所测到的电流信号Im与I2的关系为： Im＝I2/N1，其中N1为接收天线A线圈缠绕的匝数； 根据安培定律，回路中地层电阻率表示为： 该公式(1)中，k为该测量模式下装置刻度系数，通过精确数值模拟或实验室水槽 试验得到； 为了测量从钻头某一点流出的电流，利用纽扣电极A测得的电流信号为Ib时，回路 中地层电阻率表示为： 公式(2)中，k1为装置该测量模式下刻度系数； 天线B作为发射天线，施加频率范围为1kHz-5kHz的交流电时，电压为V1’，在钻铤 上形成电动势V1’，两者之间的关系为：V'/V'1＝N'，N’为天线B线圈缠绕的匝数,当纽扣电极 A测得的电流信号为I'b时，回路中地层电阻率表示为： 公式(3)中，k'1为装置该测量模式下刻度系数； 发射天线A和天线B交替发射时，对于纽扣电极A得到两种探测深度的地层电阻率； 7 CN 111594154 A 说　明　书 5/7 页 当发射天线A和天线B同时发射时，回路中相当于存在两个电源，发射天线和天线B 的输入电压分别为V和V’时，则回路中的电压为V1 V’1，当纽扣电极A测得的电流信号为I”b 时，则得到第三种探测深度的地层电阻率： 公式(4)中，k”1为装置该测量模式下刻度系数； 利用上述同样方法，通过发射天线A和天线B交替发射时，对于纽扣电极B得到两种 探测深度的地层电阻率； 当发射天线A和天线B同时发射时,对于纽扣电极B则得到第三种探测深度的地层 电阻率，两个纽扣电极A和B,得到六种探测深度的地层电阻率信息。 上述方法实施例中，所述该测量模式下装置刻度系数，利用有限元方法对该装置 以及地层模型进行精确剖分，模拟电流分布规律，从而计算出刻度系数。或者所述该测量模 式下装置刻度系数，利用水槽确定刻度系数，水槽直径大于2m，深度大于2m，水槽内充满电 阻率可调的盐水溶液，对比测量得到的电流和溶液已知电阻率，计算得到刻度系数。或者所 述该测量模式下装置刻度系数，利用有限元方法对该装置以及地层模型进行精确剖分，模 拟电流分布规律，从而计算出刻度系数；同时利用水槽确定刻度系数，水槽直径大于2m，深 度大于2m，水槽内充满电阻率可调的盐水溶液，对比测量得到的电流和溶液已知电阻率，计 算得到刻度系数，这两种方法互相验证。 实施例3： 图1为一种能反应钻头前方地层电阻率的测量装置实施例的示意图。其中所述的 带磁芯的天线分别为110、120、130，在本实施例中110为接收天线(对应权利要求和发明内 容中的接收天线A)，120为发射天线(对应权利要求和