CN102042009A - 一种测量地层电阻率的阵列感应测井线圈系 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量地层电阻率的阵列感应测井线圈系，线圈系由一个发射线圈和7组屏蔽和主接线圈构成的双接收线圈组成，发射线圈与每组双接收线圈构成一个子阵列，所有15个线圈均缠绕在非导电骨架上，屏蔽线圈与主接收线圈串联但缠绕方向相反，主接收线圈位置设置考虑径向探测深度、纵向分辨率和信号聚焦合成处理要求，屏蔽线圈布置在发射线圈与主接收线圈之间，其位置和匝数满足抵消直耦信号、改变径向探测深度和纵向分辨率，满足信噪比为2～4；7个子阵列线圈中的屏蔽线圈除第一个子阵列线圈外，其余与前一个子阵列的主接收线圈中心位置重合；电阻率探测范围宽，能更精确的测量出地层的电阻率。

Description

一种测量地层电阻率的阵列感应测井线圈系

技术领域

本发明涉及一种用于探测裸眼井周围地层电阻率的阵列感应测井线圈系，属于地球物理测井技术。

背景技术

在目前现有的测井仪器中，Schlumberger的阵列感应测井仪器AIT，当按接射线圈间距从短到长排列时，各间距不再具有对数等间距关系，各子阵列之间具有较多的径向和纵向重复信息；7个子阵列的探测深度包含了3个合成探测深度(10、20和30in.)，但是60in.和90in.却在第七子阵列和第八子阵列之间，一旦第八个子阵列测不准，探测深度60in.和90in.均不可靠；长子阵列8的实部信号工作范围太小(小于3.1S/m)，必须使用虚部信号，同时使用实部和虚部信号，处理复杂，要解决虚部测不准等问题。

Baker Atlas的阵列感应测井仪器HDIL中，主接收线圈和屏蔽线圈与发射线圈的间距与采样间距之间不是整数倍关系；最长子阵列7的实部工作范围较小，低频时为4.82S/m。

Halliburton的阵列感应测井仪器HRAI中，子阵列的间距不具有对数等间距关系，各子阵列之间有较多的重复信息；最短子阵列(18in.)太长，其探测深度(0.44m)比要合成的探测深度0.25m大得多，实际信号合成很难得到该曲线。长子阵列的高频工作范围1.9S/m，太窄，不宜于双频趋肤效应校正。其改进型ACRt只有6个子阵列，一旦子阵列1由于井眼影响严重，处理将较困难，频率为12kHz、36kHz和72kHz，相互之间不是同倍数，电路设计复杂。

3线圈系由一个发射线圈、一个主接收线圈和一个屏蔽线圈组成。屏蔽线圈的作用是抵消发射与主接收之间的直耦电压。3线圈系是多阵列感应仪器的基本子阵列。Zhou(1994)给出了3线圈系井眼影响和径向分辨率特性，Beste(2000)分析了其纵向分辨率特性。本发明提出屏蔽线圈设计要满足信噪比关系。根据感应测井基本理论，3线圈系的总直耦电压V_m为

V_m＝V_mTR+V_mTB              (1)

式(1)中，V_mTR和V_mTB为发射分别与主接收和屏蔽线圈的直耦电压，它们由如下公式确定。

$V_{\mathrm{mTR}}=\frac{\mathrm{i\ω\μ}{I}_T{A}_T{A}_R}{2\mathrm{\π}}\·\frac{N_T{N}_R}{L_{\mathrm{TR}}^3}---\left(2\right)$

$V_{\mathrm{mTB}}=\frac{\mathrm{i\ω\μ}{I}_T{A}_T{A}_B}{2\mathrm{\π}}\·\frac{N_T{N}_B}{L_{\mathrm{TB}}^3}---\left(3\right)$

式(2)和(3)中，I_T为发射线圈中的发射电流强度；A_T、A_R和A_B分别为发射、主接收和屏蔽线圈的面积，由于3个线圈均缠绕在同一芯棒上，因此，三个面积完全相等。N_T、N_R和N_B分别为发射、主接收和屏蔽线圈的匝数；L_TR和L_TB为发射分别与主接收和屏蔽的距离，定义比例因子

设L_TR＝L，则L_TR＝αL。当总直耦信号式(1)等于0时，将式(2)和(3)代入，整理得到主接收与屏蔽线圈的匝数之间的关系为N_B＝-α³N_R，负号表明屏蔽线圈的缠绕方向与主接收线圈反向。在空气中，式(2)对应仪器的测量信号，式(3)对应于噪声，定义3线圈系的信噪比为

$S=\frac{V_{\mathrm{mTR}}}{V_{\mathrm{mTB}}}---\left(4\right)$

将式(2)和(3)代入，并整理得

$S=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2}---\left(5\right)$

式(5)表明，信噪比与比例因子α的平方成反比。当要求信号比在2～4之间时，α应取0.707～0.500。这就是屏蔽线圈设计时要满足的信噪比关系。

发明内容

本发明的目的是设计一种测量地层电阻率的阵列感应线圈系，利用布置多个不同间距、不对称的子阵列线圈系，接收不同频率的信号，测量井眼周围不同深度的地层电阻率信息，然后通过二维信号处理消除井眼、趋肤效应和环境影响，提取用户所需的地层信息。

本发明所述的一种测量地层电阻率的阵列感应线圈系由一个发射线圈和7组双接收线圈组成；发射线圈与两个接收线圈构成一个子阵列，每个子阵列的两个接收线圈中，一个为主接收线圈，另一个为屏蔽线圈，所有15个线圈均缠绕在非导电骨架上，屏蔽线圈与主接收线圈串联但缠绕方向相反，屏蔽线圈布置在发射线圈与主接收线圈之间，主接收线圈的位置设置考虑径向探测深度、纵向分辨率和信号聚焦和成处理需要，屏蔽线圈的位置和匝数满足抵消直耦信号、改变径向探测深度和纵向分辨率，满足信噪比为2～4；

主接收线圈与发射线圈的间距分别为：0.150m、0.225m、0.375m、0.600m、0.900m、1.35m和2.025m；

7个子阵列线圈中的屏蔽线圈除第一个子阵列线圈外，其余与前一个子阵列的主接收线圈中心位置重合；

施加到发射线圈上的频率信号为10kHz、20kHz、40kHz和80kHz，所有7个子阵列同时接收4个频率的实部和虚部信号。

本发明提出了一种多阵列线圈系结构设计方案，该方案的设计步骤和设计方法如下。

(1)子阵列的个数选择。子阵列的个数首先要多于信号处理要合成探测深度曲线数目。为了增加高分辨率信息和便于井眼校正，增加短间距子阵列数目。本发明中确定7个子阵列，要合成5种探测深度(0.25m、0.50m、0.75m、1.5m、2.25m)的3组分辨率(0.3m、0.6m、1.2m)曲线。

(2)确定最短子阵列。最短子阵列要提供足够的纵向高分辨率信息、合理的径向探测深度信息和井眼信息。当合成最高分辨率为0.3m(90％的信号来源于0.3m范围内)时，原始分辨率应小于1.2m。径向探测深度小于最小合成探测深度0.25m。二维响应中，井眼的信息足够多，但负值要尽量小。本发明确定为0.15m，对应纵向分辨率和径向探测深度分别为1.02m和0.19m。

(3)确定最长子阵列。最长阵列的探测深度要大于最大合成探测深度(它依据测井中常见的泥浆侵入深度确定)，考虑运输和测井环境(如组合测井、水平井测井)，不能太长。本发明确定最长子阵列为2.025m。

(4)中间子阵列布置。首先，各子阵列的主接收间距满足对数等间距关系，使径向重复信息最少。其次，要使要合成的探测深度在各子阵列的探测深度之间。第三，主接收线圈位置必须是仪器采样间距的整数倍。

根据以上方法本发明确定的7个子阵列的间距分别为0.150、0.225、0.375、0.600、0.900、1.350和2.125m

频率选择方法是多频多阵列感应测井仪器设计的另一个主要内容。AIT中，考虑不同子阵列在不同频率时趋肤效应不一样，不同间距子阵列选择了不同工作频率，这种接收频率不一致将不利于趋肤效应校正处理，同时使具有趋肤效应影响数据的井眼校正和信号合成滤波器设计十分复杂费时。HDIL中，采用8个工作频率，所有7个子阵列均接收8个频率信号，测量数据频率一致，能够先采用多频率趋肤效应校正然后再井眼校正和合成处理，极大减少了计算工作量，同时提高处理效果和精度，但是最长子阵列的间距太长，最低工作频率10kHz仍然较高，其实部地层电导率工作范围小于4.82S/m。HRAI中，所有10个子阵列同时接收8kHz和32kHz频率信号，仪器最初设计两频率的目的是使仪器工作在较宽地层电阻率范围。地层电阻率低时使用低频信号，电阻率高时使用高频信号，中等电阻率地层同时使用两种频率。径向合成改进探测深度和纵向围岩效应校正分开进行，这种方法对于阵列感应的实际数据处理将带来错误的结果。在后来的信号处理改进中，由于使用了双频率趋肤效应校正方法，降低了地层电阻率测量范围，最长子阵列的高低频工作范围分别为0～1.9S/m和0～7.6S/m。本发明提出了频率选择新方案。

在均匀地层中，根据电磁场理论可以精确导出双线圈系的测量电压V和视电导率σ_a的公式为

$V=\frac{\mathrm{i\ω\μ}{I}_T{A_{T}N}_T{A}_R{N}_R}{2\mathrm{\π}{L}^3}{(1-\mathrm{ikL})e}^{\mathrm{ikL}}---\left(6\right)$

${\mathrm{\σ}}_a=\frac{-2i}{\mathrm{\ω\μL}}[(1-\mathrm{ikL})e^{\mathrm{ikL}}-1]---\left(7\right)$

式(6)至(7)中，i是虚数单位；ω为角频率，ω＝2πf，f是发射频率；μ是地层磁导率；I_T是发射电流；A_T和A_R分别是发射线圈和接收线圈的面积；N_T和N_R分别是发射线圈和接收线圈的匝数；L是发射线圈与接收线圈之间的间距；k是波数，k²＝ω²μ(ε+iσ/ω)，ε地层介电常数，σ地层电导率。

从式(6)知，在均匀地层中，影响测量电压信号的因素有接收线圈和发射线圈匝数、面积、发射电流强度、发射与接收线圈间距、发射频率、地层电导率、介电常数和磁导率。当电导率较小，仅频率变化时，电压与频率成正比关系，频率高信号强，反之则小。在工作频率和线圈间距不变时，要提高接收信号强度可增大发射电流、增加线圈匝数和线圈大小。

感应测井中，波数中的第一项比第二项小得多，可以忽略。此时，展开式(7)，实部与虚部分离，得

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{aR}}=\mathrm{\σ}[1-\frac{2}{3}\frac{L}{\mathrm{\δ}}+\frac{2}{15}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^3-\frac{1}{18}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^4+\frac{1}{105}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^5-\mathrm{\Λ}]---\left(8\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{aX}}=\mathrm{\σ}[\frac{2}{3}\frac{L}{\mathrm{\δ}}-\frac{1}{2}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^2+\frac{2}{15}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^3-\frac{1}{105}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^5+\mathrm{\Λ}]---\left(9\right)$

式(8)和式(9)中，

定义为趋肤深度，表示电磁波在地层中的穿透能力。两式表明，均匀地层中，影响视电导率不等于地层电导率的直接因素是比值L/δ。该比值由频率、地层电导率、线圈间距和地层磁导率决定。视电导率实部小于地层电导率的误差定义为趋肤效应误差。通常地层磁导率为常数。通过数值计算表明，随L/δ增大，趋肤效应误差而增大(趋肤效应严重)。视电导率达到某一最大值后开始下降，甚至出现负值。视电导率实部最大值对应的地层电导率定义为子阵列的最大工作地层电导率。当地层电导率大于该值时，视电导率对应两个地层电导率，出现多值现象，测量失去意义。

先前的频率选择仅重视视电导率与δ的关系(即频率和地层电导率)，本发明提出还要考虑与线圈间距L的关系。L的大小决定了子阵列的纵向分辨率、径向探测深度、二维井眼响应特性，以及屏蔽线圈的聚焦特性。因此本发明提出以比值L/δ相同作为频率选择原则，同时考虑如下问题。

1.测量地层电导率(或电阻率)的范围。低地层电导率(高电阻率)，趋肤效应小可使用较高频率，反之，使用较低频率。

2.线圈间距的大小。短线圈间距子阵列，趋肤效应小，可使用较高的频率，反之，使用较低频率。

3.仪器的测量范围。在一定的测量精度下，若地层电导率小，频率高测量范围大，反之，测量范围变小。若地层电导率较大，为保证测量有效，应使用较低的频率。

4.纵向分辨率和径向探测深度。短间距子阵列，L/δ很小，趋肤效应小，频率对纵向分辨率和径向探测深度影响小。反之，长间距子阵列，频率高时，趋肤效应严重，探测深度变浅，分层能力提高。

5.与信号合成处理的关系。子阵列响应特性变化(如，纵向分辨率和径向探测深度)直接影响二维信号合成效果。

为了兼顾各种问题，选择多频率可以使仪器工作在较宽地层电阻率范围。根据比值L/δ相同原则，同时考虑趋肤效应影响。本发明中，定义当地层电导率最大测量值σ_max和3线圈子阵列的间距L确定时，满足条件L＝δ(当趋肤深度

时，该条件等同于ωμσL²＝2)的频率为该子阵列的最大工作频率f_max。当σ_max＝10S/m，子阵列间距在0.15m至2.0m范围时，工作频率f_max在6.2kHz至1.1MHz之间。考虑泥浆电导率可能达到100S/m(电阻率低于0.01Ω.m)，此时短子阵列工作频率f_max＝110kHz。长子阵列测量的地层电导率为1S/m时，f_max＝62kHz。考虑各种因素，本发明选择的4个工作频率分别为10、20、40kHz和80kHz。

附图说明

图1为本发明的第一种线圈系布置方式示意图。

图2为本发明的第二种线圈系布置方式示意图。

图3为对应图1和图2的3线圈系子阵列结构示意图。

图4(a)阵列线圈系的径向微分几何因子图。

图4(b)阵列线圈系的径向积分几何因子。

图5(a)阵列线圈系的纵向微分几何因子。

图5(b)阵列线圈系的纵向微分几何因子的空间频率响应特性。

图6为对应本发明的子阵列2的二维几何因子图。

图7为对应本发明的子阵列7在均匀地层中的视电导率实部图。

图8为本发明7个子阵列的中低频趋肤效应校正后的视电导率实部图。

图9为对本发明的7个子阵列的7个二维几何因子阵分辨率合成处理的2.25m探测深度二维响应图。

图10(a)是地层测量数据中高频信号真分辨率合成结果，

图10(b)是地层测量数据低中频信号真分辨率合成结果，

图10(c)是地层测量数据中高频信号分辨率匹配结果，

图10(d)是地层测量数据低中频信号分辨率匹配结果。

图11为用本发明线圈系构成的阵列感应测井仪器测量地层电阻率示意图。

具体实施方式

实施例1

图1为本发明的第一种线圈系布置方式示意图。

多阵列多频感应线圈系结构由1个发射线圈和7个独立的2线圈系子阵列组成，图中T表示发射线圈；R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7表示7个主接收线圈；B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7表示7个屏蔽线圈。将第二短子阵列单独放在一侧，其余6个子阵列在另一侧，子阵列R4、R5、R6和R7的屏蔽线圈与子阵列R3、R4、R5和R6的主接收线圈位置重合。这种方式可以减少线圈骨架在组装时因抵消直耦信号对其它子阵列的影响。

实施例2

图2为本发明的第二种线圈系布置方式示意图。所有子阵列布置在一侧，子阵列R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7的屏蔽线圈与子阵列R1、R2、R3、R4、R5和R6的主接收线圈位置重合。这种方式比第一种缩短长度0.2m。

图3为对应图1和图2的3线圈系子阵列结构示意图。图3是对应图1和图2的3线圈系子阵列示意图。屏蔽线圈B布置在发射线圈与主接收线圈之间用于抵消发射与主接收之间的直耦信号，其匝数和间距设计满足本发明提出的要求。

图4为对应本发明多阵列线圈系的径向微分和积分几何因子图。图4(a)是径向微分几何因子，图4(b)是径向积分几何因子，清楚显示不同探测深度曲线沿径向合理分布，无井眼过聚焦异常影响。

图5为对应本发明多阵列线圈系的纵向微分几何因子及其空间频率响应特性图。图5(a)是纵向微分几何因子，图5(b)是纵向微分几何因子的空间频率响应特性，清楚显示不同子阵列的频率信息逐渐减小，3个短子阵列的空间频率响应无盲频率。

图6为对应本发明的子阵列2的二维几何因子图。屏蔽线圈匝数和间距的合理设计使井眼中的负峰值小于正峰值，因而井眼影响小。

图7为对应本发明的子阵列7在均匀地层中的视电导率实部图。图中给出了当频率从5kHz到140kHz是子阵列7的视电导率实部与地层电导率之间的关系，清楚显示长子阵受趋肤效应影响严重。

图8为本发明7个子阵列的中低频趋肤效应校正后的视电导率实部图。本发明确定仪器有4个工作频率10、20、40kHz和80kHz，可用双频率方法实现趋肤效应校正，图8中是子阵列7视电导率实部在中低频(10kHz和20kHz)趋肤效应校正后的变化特性，它显示在高电导率时，子阵列7仍有趋肤效应影响，我们将用归一化方法进一步对其进行校正。利用双频率和归一化两种方法结合的趋肤效应校正方法是另一个专利。

图9为对本发明的7个子阵列的7个二维几何因子阵分辨率合成处理的2.25m探测深度二维响应图。根据本发明的7个子阵列的二维响应设计真分辨率合成处理滤波器，图9是用该滤波器合成的2.25m探测深度的二维响应特性，井眼附近响应平坦，井眼影响小，它说明本发明的7个子阵列设计满足信号处理的要求，容易合成合理不同的探测深度曲线。

图10是用数值模拟本发明仪器对Oklahoma地层测量数据的真分辨合成和分辨率匹配处理结果，图10(a)是中高频信号真分辨率合成结果，图10(b)是低中频信号真分辨率合成结果，图10(c)是中高频信号分辨率匹配结果，图10(d)是低中频信号分辨率匹配结果。图10显示真分辨率合成后，中部高阻地层中，中高频合成的0.75m.曲线与地层重合，低中频合成的0.75m曲线与地层有微小分离。分辨率匹配曲线中，在地层电阻率小于200Ω.m时，低中频曲线几乎与模型重合；在中部高阻地层，分辨率匹配后的低中频曲线低于地层真值，而中高频曲线均与地层模型一致，尤其中部高阻地层，这也正说明了中高频处理更适合于高阻地层。这些结果说明了发明仪器在无侵入地层模拟测量中的有效性。

图11为应用本发明线圈系构成的多频多阵列感应测井仪器测量地层电阻率示意图。由接收电路短节8，发射电路短节9和线圈子阵列构成的地层电阻率阵列感应测井仪器7置于裸眼井5中，由地面绞车4拖动，沿井眼移动，周围是要测量地层。地面电源通过电缆6给井下地层电阻率阵列感应测井仪器7供电。发射电路短节9的与时钟发生器11连接的四种频率信号发射器10产生的4频率信号10kHz、20kHz、40kHz和80kHz，施加在发射线圈T上，七个接收子阵列R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7同时接收所有频率信号。井下接收电路短节8由3频率滤波/放大器13、14，A/D模数转换器12、15，多频数子相敏检波器16和井下遥测短节17组成。测量信号通过电缆传到地面遥测短节1数字化后传到地面车载计算机2。车载计算机中的信号处理软件对测量信号进行处理，处理后的测井数据储存在计算机中以便解释中心进一步处理，同时在仪器车的记录仪3上显示井下的电阻率测井曲线。

表1为本发明7线圈系的纵向和径向探测特性参数。表中给出了径向原始探测深度、最大峰值及其出现位置；纵向分辨率和最大峰值。

表1 7线圈系的探测特性

注：分辨率＝90％贡献对应的主瓣宽度，截止频率＝幅值为0.1对应的归一化频率。

Claims (3)

1.一种测量地层电阻率的阵列感应线圈系，由一个发射线圈和7组双接收线圈组成，其特征在于：

发射线圈与两个接收线圈构成一个子阵列，每个子阵列的两个接收线圈中，一个为主接收线圈，另一个为屏蔽线圈，所有15个线圈均缠绕在非导电骨架上，屏蔽线圈与主接收线圈串联但缠绕方向相反，屏蔽线圈布置在发射线圈与主接收线圈之间，主接收线圈的位置设置考虑径向探测深度、纵向分辨率和信号聚焦和成处理需要，屏蔽线圈的位置和匝数满足抵消直耦信号、改变径向探测深度和纵向分辨率，满足信噪比为2～4；

主接收线圈与发射线圈的间距分别为：0.150m、0.225m、0.375m、0.600m、0.900m、1.35m和2.025m；

7个子阵列线圈中的屏蔽线圈除第一个子阵列线圈外，其余与前一个子阵列的主接收线圈中心位置重合；

施加到发射线圈上的频率信号为10kHz、20kHz、40kHz和80kHz，所有7个子阵列同时接收4个频率的实部和虚部信号。

2.根据权利要求1所述的一种测量地层电阻率的阵列感应线圈系，其特征在于：由1个发射线圈和7个独立的双接收线圈系子阵列组成，将第二短子阵列线圈单独放在发射线圈一侧，其余6个子阵列线圈放在发射线圈另一侧，子阵列线圈R4、R5、R6和R7的屏蔽线圈与子阵列R3、R4、R5、R6的主接收线圈位置重合。

3.根据权利要求1所述的一种测量地层电阻率的阵列感应线圈系，其特征在于：由1个发射线圈和7个独立的双接收线圈系子阵列组成，所有子阵列线圈布置在发射线圈同侧，子阵列R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7的屏蔽线圈与子阵列R1、R2、R3、R4、R5和R6的主接收线圈位置重合。

Images