[0001] 本发明涉及一种设置在井下包含外壁且具有纵向延伸的套管中的用于确定环绕其周围的流体特性的测井仪。该测井仪具有基本上纵向的圆柱形，其具有纵轴和当在剖面中看时的外围。

[0002] 为了优化生产，在石油工业中进行了许多尝试来确定在井下套管中流动的流体的特性，例如体积流率，在井流体中的烃油、水和/或天然气含量等。最常见的做法是将样本提取到地面(surface)上。然而，能够确定流体特性的测井仪也获得了发展。

[0003] EP0372598中示出了测井仪的一个示例，其中为了能够确定油中的气体成分(fraction)从而能够更精确地确定体积流量，两个具有八个电极的电极集合围绕测井仪的圆周分布。为了计算体积流量，计算第一和第二电极集合进行的基本相等的电容测量之间的时间间隔。在电极之间设置防护板(guard)形式的其他电极。防护板被接地以保证在八个部分中的任一个电场仅径向地从电极到套管外壁分布。这些防护板确保测量独立于气相如何在液相中分布，即以小气泡的形式，一个大气泡，在套管的顶部等。因此，仅测量相对于液体成分的气体成分，因而电容测量提供了在一个部分中的电容率平均值。此后，在八个电容测量中测量到的气体成分被用来确定第一和第二电极集合进行的基本相等电容测量之间的时间间隔以估计体积流量。

[0088] 本发明涉及一种在其中实施两个电极的集合6之间的电容测量的测井仪1。图1示出横截于测井仪的纵向延伸的剖面视图。当被降入井中时，测井仪1被井流体2环绕。在这种情况下，井是套管3，其具有定义外壁和测井仪1外侧之间的剖面区域的外壁4。测井仪1基本上具有纵向圆柱形，其具有纵轴和当在剖面中看时的外围5。电极6被设置在测井仪的外围5上，因而流体2在电极和外壁4之间流动。电极6在空间上被分隔设置并且在两个相邻的电极之间具有相等的距离，从而在每两个电极之间生成一空间。电极6的位置以虚线表示。

[0089] 测井仪1用来获得井流体2中气体，油和/或水相之间的分布的图像。为提供这样的图像，测井仪1具有用来测量所有可能组合中的两个电极6之间的电容从而对于n个电极给出n＊(n-1)/2个电容测量的测量装置。当具有8个电极6时，从28个电容测量中生成图像。电容测量被发送到地面，在此计算设备计算电容率分布并且基于电容率分布生成图像。

[0090] 在每两个电极之间的空间基本用非导电装置填满，这种情况下非导电装置是塑料。非导电装置保证电极被固定在一定的位置，但因为非导电装置不具有防护板的功能，它们不会以接地防护板或具有固定电位的防护板那样的方式影响测井仪的测量。

[0091] 在现有技术中的测井仪中，接地的肋板/防护板或保证固定电位的肋板/防护板被放置在电极之间的空间中，因而将电容测量的灵敏度限定在较小的区域内。这样图像重构必须基于关于流的非常局限的假设来完成。例如，可以假设流仅是环绕测井仪角度的函数，这显然不是一直有效的，因此导致相对于实际流的意料不到的结果。当假设气体和油均匀分布在从电极到套管的径向方向时，任何不规则性都会破坏测量，并且现有技术中的测井仪或测量不能被用来检测不规则性，例如第三相流体的存在。

[0092] 在本发明中，不存在肋板/防护板，而是只有非导电装置，从而消除了对这样假设的需要。于是基于电容测量的断层图可以表示所有井流体的任何分布，例如显示是否水正通过套管上的洞流入。断层图是井流体剖面中的相分布图像并且能从电容测量计算。

[0093] 非导电装置可以是任何合适的非导电材料或非导电气体，例如空气。非导电材料可以是任何合适的材料，例如陶瓷或类似材料，并且气体可以是空气。非导电装置也可以是非导电材料和非导电气体的混合。

[0094] 在两个电极6(例如电极i和j)之间的电容取决于电极的相互布置和环绕它们的流体2的电容率。通常来说，电容取决于在传感器和套管之间的环带的几何形状和电容率分布。因为每个电容的灵敏度作为角度和半径两者的函数变化，灵敏度矩阵也必须被确定。当几何形状固定时，任何被测量到的电容变化一定都是单独由电容率分布导致的，且因此是由流变化导致的。

[0095] 对已知的电容率分布，使用积分形式的高斯定律计算电容是简单明了的。电容率分布意为在二维空间上的每一点的电容率值。电容率分布因而能被表示为图像。对于同质(homogeneous)的电容率分布，电容为

[0096]

[0097] 其中Cij是在电极i和j之间的电容，ε0是同质电容率，ui是当电极i被激活时的电场，u0是激励信号的振幅。积分在电极j附近闭合。

[0098] 如果电容率变化则电容值也会变化。当对电容率提供一个很小的局部扰动时，每一点的电容灵敏度可被确定。在某些点，变化会比其他点对电容造成更多影响。

[0099] 灵敏度矩阵可从每个电极6的电场中直接计算。基于灵敏度矩阵，电容变化可使用如下公式从电容率分布逼近：

[0100] δCij＝Sij·δε

[0101] 上述公式是如果电容率变化已知时确定电容变化的正问题(forward problem)。因为电容率分布即图像是未知变量，必须解决反问题(inverse problem)，以便确定电容率分布并从而生成表明剖面中的流的图像。

[0102] 为了与测井仪提供测量几乎同时地生成流的图像，可以采用线性反投影算法(LBP)作为反问题的一种直接的解法，来提供流的非常简单的近似。图12中的流程图示出了确定环绕测井仪的环带中的流体剖面视图的图像或电容率分布图的方法。然而，当需要的时候，可基于相同的测量计算更精确的确定。

[0103] 一种构造断层图的途径是基于 个电容测量的集合。该集合是通过向一个电极施加激励从而选择一个测量电极来获得的。然后电荷传输电路(charge transfer circuit)的输出电压被测量了32次，但也可被测量任意次。这些32次测量的总和被视为“电容值”。当整个集合的测量完成时，数据集合通过电线发送以用于上层处理。

[0104] 在上层，集合与校准数据合并以生成标准化电容集合：

[0105]

[0106] 标准化电容与预计算和标准化灵敏度矩阵合并以生成断层图。

[0107] 计算灵敏度矩阵S的出发点是在传感器内从单个电极的电位的模拟。电位可以经由有限差分或有限元方法，或甚至作为对支配的偏微分方程的解析解法计算得出。无论选择何种方法，电场都可作为电位的梯度计算得出。

[0108] 由于传感器是旋转对称的，来自电极j的电场可通过以弧度 旋转来自电极i的电场获得(如果电极以逆时针方向编号的话)。

[0109] 在像素的基础上，在点k的灵敏度因而可通过以下公式从电场计算[0110]

[0111] 其中αk是第k′个像素的面积，uj只是ui的旋转版本。

[0112] 除了旋转之外，这些内积只有N/2个不同的版本(对于奇数个电极向下舍入(round down))。 个灵敏度矩阵的整个集合可通过前N/2个矩阵的旋转获得。

[0113] 在旋转对称传感器中，因而有可能只从一个电极的电场计算整个灵敏度矩阵集合。

[0114] 在LBP中，需要两个校准集合(εmin，Cmin)和(εmax，Cmax)以用于标准化测量和下文中的灵敏度矩阵。校准集合意为例如当电极和套管外壁4之间的环形空间仅用空气或仅用水充满时，以已知的分布测量的28个电容的集合(在8个电极6的情况下)。

[0115]

[0116]

[0117]

[0118] 添加了指数k以用来显式地示出在灵敏度矩阵中的每个像素集合是如何标准化的。Cmin可以是当在电极6和外壁4之间仅存在气体时的电容，Cmax可以是当仅存在水时的电容。当三个或更多相，例如气体、油和水，存在时，校准在具有最高和最低电容率的成分上执行。在这种情况下，水和空气将被选择用来校准。

[0119] 标准化电容率使用矩阵方程来逼近，而LBP解法变成：

[0120]

[0121] 通过用这种途径，可实现一种快速简单的电容率分布逼近，并且可以生成一种表示电容率分布的图像。该图像通常显得有些模糊，并且无法期望对小细节的精确再现。然而，当需要时可以基于测量生成更精确的图像。已知一种生成更精确断层图的方法是Landweber方法。

[0122] 更复杂的方法使用不同的途径去极小化正问题的残数：

[0123] εDIP＝argminε|C-Sε|

[0124] 当由LBP解法提供对图像的初始推测时，这通常涉及迭代解法。常见选择的例子是Landweber和Tikhonov正则化。独立于使用上述哪个方法，结果是井中电容率分布的逼近。

[0125] 图2示出具有顶端7和从顶端到驱动单元9的纵向延伸的测井仪1。可以看出，测井仪1被井流体2包围，并且电极6位于测井仪的前面。在图2中，电极6被设置于距离测井仪顶端7少于测井仪整个长度L的20％，优选少于10％，并且更优选少于5％。测井仪1与驱动单元9通过连接接头8相连。当电极6被设置在接近测井仪的顶端7时，由电极测量的流基本上不受影响，并且测量因此更加精确。当电极6被放置在先前提及的距顶端7的距离时，驱动单元9不会扰动围绕顶端和电极的流体2。

[0126] 在另一实施例中，测井仪放置得比图2所示的测井仪管柱(string)更低。定位工具可被放置在距顶端比测井仪1更近的位置，而且测井仪可能甚至被放置在测井仪管柱的后部分，例如更接近地面和/或电线。

[0127] 如上所述，测井仪1可与驱动单元9(例如图2和4所示的井下拖拉器)连接。当检测到泄露时，测井仪1的电容测量不会指示泄露的位置。为能够确定泄露的位置，测井仪1因此需要包含定位设备10。当泄露的位置被确定时，泄露可以通过插入补丁或内衬密封。
当已知驱动单元的移动速度时，驱动单元9可以被用来作为定位设备。通过测量驱动单元到达泄露的位置所花费的时间，就能计算出泄露的位置。然而，定位设备10也可以是包含在测井仪1中的另一种检测装置，例如如图3和4所示的套管接箍定位器。

[0128] 当补丁被插入来密封泄露时，测井仪可再次浸入井中来确认补丁被正确放置从而泄露已被密封。定位设备10使得补丁位置的确定变得容易，并且测井仪1因此可以快速进入井中刚好补丁之前的位置并开始测量流。以这种方式，测井仪1不必完成大量不必要的测量。

[0129] 现有技术中的测井仪没有定位设备10，因而，需要单独的定位工具来确定泄露的位置。当使用现有技术中的测井仪时，每十英尺执行测量，并且位置被计算为基于测量次数的间隔。经验表明，用来密封泄露的补丁必须有至少150英尺长以保证覆盖泄漏。

[0130] 当测井仪1具有定位设备10时，用来密封泄露的补丁能够显著地更小，并且不得不将一个补丁置于另一个之上从而降低井内径的风险被显著地降低。

[0131] 图3示出沿测井仪1的纵向延伸的剖面视图，其中电极6被置于接近测井仪的顶端7并距顶端一距离d的位置。测井仪1具有长度L，并且电极被置于距顶端7的距离少于长度L的15％的位置。

[0132] 电极6被置于测井仪的外围5。在电极6外面，非导电材料被设置为在井流体2和电极之间形成套筒(sleeve)。测井仪1包括印刷电路(未示出)。为提高传导率，电极6通过螺丝而不是通过软线与印刷电路直接电连接。

[0133] 如上所述，图像从电容测量中生成。在如图5-8所示的图像中，测井仪1进入被气体20充满的井，并在某个时候，测井仪移过使水21冲进井的泄露。测井仪1已经使用与井中的气体类似的气体测试过，因而该气体的电容率是已知的。类似地，测井仪1在油和水中测试过。图5示出从一些早些时候的测试生成的图像，从中可以看出环绕测井仪1的流体仅为气体。此后，测井仪1经过泄露17，如图6和9所示(由图9中的虚线A表示)。从图6中的图像可以看出流体2的区域中电容率已经变化，并且从测试结果中可以确定流体的第二相必定是水。

[0134] 从图7的图像中可以看出当流过套管3上部泄露17的水降到套管的底部并留在那里时，第二流体相是如何达到占有流体2的较大部分并改变位置的。这也在图9中示出(由虚线B表示)。图8的图像示出测井仪1已经到达井中水已经充满整个区域的位置。这也在图9中示出(由虚线C表示)。套管3不是直的，而是如图9所示，通常其路线蜿蜒穿过底土。凹陷18可因此出现，如在这种情况下，凹陷被水充满。然而，为密封泄露17并阻止水的进入，有必要确定泄露的位置而不仅仅是最多的水存在的位置。

[0135] 图10和11都示出被包含水泡的气体充满的套管的剖面断层图或图像。水泡由黑色区域表示且气体由白色区域表示。图10的图像使用快速LBP方法生成，而图11的图像使用更慢更精确的Landweber方法生成。

[0136] 定向设备，例如加速仪，可以在测井仪1中提供来确定测井仪的方向。然而，因为不论在井的垂直延伸和/或水平延伸中，测井仪1的方向通常都是相同的，所以定向设备是可以省略的。

[0137] 在两个电极之间的电容测量可以任意频率(优选至少1MHz的频率)在两个电极上以电位(V)进行。

[0138] 在电极之间的连续电容测量意为对n个电极每秒至少n＊(n-1)/2次电容测量的采样速率，更优选地对n个电极每秒2＊n＊(n-1)/2次的电容测量，并还更优选地对n个电极每秒10＊n＊(n-1)/2次的电容测量。

[0139] 在数据存储介质上的表述 意为测量的数据本身或使用某种因子标准化的数据。图像或断层图也可以直接存储在存储介质上。

[0140] 流体或井流体2意为可以在油井或气井井下存在的任何类型的流体，例如天然气、油、油基泥浆、原油和水等。气体意为在井、完井或裸井中存在的任何种类的气体合成物，油意为任何种类的油合成物，例如原油、含油流体等。气、油和水流体因此可分别包含除气体、油和/或水之外的其他元素或物质。

[0141] 套管3意为在井下使用的与石油或天然气生产相关的任何类型的管子、管道、管状物、内衬、管柱等。

[0142] 在测井仪不是一直潜入套管3中的情况下，可使用井下拖拉器来将测井仪一直推到井中就位。井下拖拉器是能够在井下推动或牵引测井仪的任何类型的驱动工具，例如Well

[0143] 尽管上文中针对本申请优选实施例对本申请进行了描述，但是对于本领域技术人员来说，可预料多种修改，而不背离由下述权利要求定义的本发明。