CN102353847A - 一种井下双层介质介电常数的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下双层介质介电常数的测量方法及系统，该方法是将开路同轴终端及被测介质视为并联的电容，通过扫频信号发生器产生高频信号，经开路同轴终端进入被测介质，测得开路终端的反射系数，由此计算得出介质介电常数；该测量系统包括扫频信号发生器、探头、短路块、S参数测定仪、转化器、网络分析仪、极坐标圆图显示仪，所述探头由电缆线、连接头、开路同轴终端三部分构成，连接头和开路同轴终端分别与电缆线的两端连接。本发明能准确地测量出井下地层的介电常数，从而可以用于分析地层的油气信息。

Description

一种井下双层介质介电常数的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量井下双层介质介电常数的仪器，属于石油钻井、测井技术领域。

背景技术

在油气勘探、开发过程中，一般是利用电阻率来区分油水层，然而在地层水为淡水或微咸水时，含水层和含油层的电阻率之间的差异较小，不能精确计算出含油量，而水的相对介电常数(80左右)和油的相对介电常数(2～4)相差很大，故可以通过测量介电常数来判断含油层的存在。

在现有技术中，采用开路同轴线来测量井下介质介电常数的仪器是通过测量开路终端的反射系数来确定介质的介电常数。它的主要原理是同轴线与待测介质直接接触，在同轴线加上高频源，通过测量同轴线的反射波来得到反射系数，从而确定介质的介电常数。现有方法只能测量单层均匀介质的介电常数，而实际测量中需要测量层状地层的介电常数，所以现有仪器测量不准确。

发明内容

本发明针对现有井下介质介电常数测量技术存在的不足，提供一种准确测量井下双层介质介电常数的测量方法，同时提供一种实现该方法的测量系统。

本发明的井下双层介质介电常数的测量方法，是将开路同轴终端及被测地层视为并联的电容，开路同轴终端将高频信号送入被测地层，测得开路终端的反射系数，由此计算得出介电常数，具体包括以下步骤：

(1)在井壁上固定开路同轴终端；

(2)在开路同轴终端上加载高频信号，测量反射回来的高频信号；

(3)测量系统由高频反射信号得到反射系数；

(4)通过反射系数计算得到介质的介电常数；

(5)在同一位置采用不同频率测量，得到地层的地质特性，如形状，湿度等；

(6)在井壁不同的位置重复以上步骤，得到整个井的地质特性。

本发明的实现上述方法的井下双层介质介电常数测量系统采用以下技术方案：

该井下双层介质介电常数测量系统，包括扫频信号发生器、探头、短路块、S参数测定仪、转化器、网络分析仪和极坐标圆图显示仪；扫频信号发生器与探头、S参数测定仪、网络分析仪相连接，扫频信号发生器用于提供高频信号；探头与S参数测定仪的一个输入口连接，探头接收高频反射波；短路块与S参数测定仪的另一个输入口连接，以校正测量误差；S参数测定仪与转换器连接，S参数测定仪将被测信号与扫频信号发生器产生的参考信号进行比较送入转换器中；转换器与网络分析仪连接，转化器将被测信号与参考信号的幅度、相位差转化为射频电信号送入网络分析仪中进行分析；网络分析仪与极坐标圆图显示仪连接，网络分析仪将处理后的信号送入极坐标圆图显示仪中显示。

所述探头由电缆线、连接头、开路同轴终端三部分构成，连接头和开路同轴终端分别与电缆线的两端连接。同轴电缆为50欧姆标准软同轴线。连接头与S参数测定仪相连，开路同轴终端直接与井下介质相接触。

井下介质可以是钻井液、泥饼或者是地层。井眼内是钻井液，井眼壁外是泥饼或者地层，双层介质可以是泥浆、泥饼，或者泥浆、地层，或者两层地层。

本发明通过终端开路同轴线探测双层介质介电常数，能准确地测量井下双层介质的介电常数，从而准确的探明地层的含油气状态。

附图说明

图1是本发明测量方法的示意图。

图2是本发明测量方法的等效电路图。

图3是本发明的测量系统结构框图。

具体实施方式

本发明井下双层介质介电常数的测量方法所采用的基本原理是将开路同轴终端及被测介质视为并联的电容，通过扫频信号发生器产生高频信号，经开路同轴终端进入被测介质，测得开路终端的反射系数，由此计算得出双层介质的介电常数。

图1中开路同轴终端为Teflon填充的特性阻抗为50欧姆的终端开路同轴线，ε₁、ε₂是第一层和第二层介质的复介电常数，双层介质可以是泥浆和泥饼，或者泥浆和地层，或者是两层地层。在井壁上固定开路同轴终端，在开路同轴终端上加载高频信号，测量反射回来的高频信号，测量系统由高频反射信号得到反射系数，通过反射系数计算得到介质的介电常数，在同一位置采用不同频率测量，得到地层的地质特性，如形状，湿度等，在井壁不同的位置重复以上步骤，得到整个井的地质特性。

图2给出了测量双层介质的等效电路图。忽略辐射电导时，测量双层介质时的终端阻抗可以等效为几个电容的并联，总的终端开路同轴线复电容为C_T＝C_f+C₀ε₁+C₁(ε₂-ε₁)。C_f表示开路同轴终端内侧造成的边缘电容效应，对于一个固定开路同轴终端来说它的值为一个常数，与介质的特性无关。C₀是开路同轴终端与空气相接触时的电容值，它也为一固定的值，基本不随频率而变化。C₁为第二层电容参数，它与同轴线的几何尺寸以及第一层介质的厚度有关。根据传输线理论，终端反射系数可以表示为

Z₀为同轴线特性阻抗，值为50欧姆，ω为角频率。测量出开路同轴终端的反射系数，便可求出探头总电容

对于一个固定的开路同轴终端来说，在第一层介质厚度已知的情况下可以计算出C_f、C₀和C₁的值，根据上面的公式，在ε₁已知的情况下便可计算出ε₂的值，或在ε₂已知的情况下计算出ε₁的值。

当ε₁＝ε₂时，C_T＝C_f+C₀ε₁是开路同轴终端测量单层均匀介质时的总电容，同样可以由开路同轴终端的反射系数来得到介质的复介电常数ε₁。

图3给出了井下双层介质介电常数测量系统的示意图，包括扫频信号发生器、探头、短路块、S参数测定仪、转化器、网络分析仪和极坐标圆图显示仪，整个系统的核心为网络分析仪。探头由电缆线、连接头、开路同轴终端三部分构成，连接头和开路同轴终端分别与电缆线的两端连接。同轴电缆为50欧姆标准软同轴线。连接头与S参数测定仪一个输入口连接，开路同轴终端直接与井下介质相接触。标准的短路块与S参数测定仪的另一个输入口连接，以校正测量误差。扫频信号发生器与探头、S参数测定仪、网络分析仪相连接，为测量系统提供高频信号。S参数测定仪与转换器连接，S参数测定仪将被测信号与扫频信号发生器产生的参考信号进行比较送入转换器中。转换器与网络分析仪连接，转化器将被测信号与参考信号的幅度、相位差转化为射频电信号送入网络分析仪中进行分析。网络分析仪与极坐标圆图显示仪连接，网络分析仪将处理后的信号送入极坐标圆图显示仪中显示。

测量系统的定标由两部分组成，一个是对网络分析仪进行定标，另一方面是对探头进行定标。

网络分析仪在使用过程某些参数会发生慢漂移，慢漂移会对测量结果产生相当大的误差，尤其是相位因素。介电常数的虚部即介质损耗对相位的变化比较敏感，相位漂移是介质损耗测量比较重要的误差来源。测量时首先让整个仪器系统预热两小时左右使其充分稳定，在测量时将S参数测定仪的一个接口接入测量用探头，另一个口接入标准短路块，每次测量反射系数时先测一下短路块的反射值，然后再测量探头的反射系数，再测一个短路块的反射系数。利用短路块作为一个标准来校正测量得到的反射系数，基本消除了慢漂移现象造成的影响。

由于探头本身构造以及连接上的原因，从S参数测定仪至探头开路终端平面这一段不能视为一个理想的传输线来处理，应该视为一个S参数网络来进行校正。测量得到的反射系数ρ与实际反射系数Г的关系为

根据探头的构造我们知道这个S参数网络是互易的，即S₁₂＝S₂₁。由测量得到的反射系数可以求出实际的反射系数，从而校正了误差。

对于单端口系统的定标，通常采用开路、短路和匹配三种情况作为标准负载进行定标，但对于开路同轴线，匹配的条件很难实现，短路的方法也比较麻烦。而且由于探头的内、外半径加工造成的偏差及Teflon介质介电特性造成的偏差，使探头的电容值C₀、C_f和理论值有所不同。这里用四种介电常数已知的介质(如盐水)进行定标。用探头分别测量四种介质的反射系数为ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄，其中ρ₁、ρ₂、ρ₃用于计算探头网络的S参数，ρ₄用于确定探头电容值C₀及C_f。计算时首先将C₀的理论值C′₀作为C₀的初始值，C_f取0，由公式

求出四种介质的实际反射系数Г₁、Г₂、Г₃、Г₄。利用实际反射系数与测量得到的反射系数可得探头网络的S参量：

$S_{11}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\ρ}}_3({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3{\mathrm{\ρ}}_2({\mathrm{\ρ}}_3-{\mathrm{\ρ}}_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3{\mathrm{\ρ}}_1({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_3)}{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3({\mathrm{\ρ}}_3-{\mathrm{\ρ}}_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_3)},$ $S_{22}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_1({\mathrm{\ρ}}_2-S_{11})+{\mathrm{\Γ}}_2(S_{11}-{\mathrm{\ρ}}_1)}{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1)},$

$S_{12}=S_{21}=\frac{({\mathrm{\ρ}}_1-S_{11})+(1-S_{22}{\mathrm{\Γ}}_1)}{{\mathrm{\Γ}}_1}.$

求解出探头网络的S参数之后，再用S参数对第四种介质的反射系数进行校正，求出其校正后的反射系数

根据Г₄的值，可以求出探头总电容C_T的值

利用C_T和ε₄，可以求出C₀及C_f。利用求解得到C₀及C_f再次求解探头网络的S参量，然后再求出C_T，这样反复求解，将网络的S参数及C₀及C_f确定下来。

Claims (3)

1.一种井下双层介质介电常数的测量方法，其特征是：将开路同轴终端及被测地层视为并联的电容，开路同轴终端将高频信号送入被测地层，测得开路终端的反射系数，由此计算得出介电常数，具体包括以下步骤：

(1)在井壁上固定开路同轴终端；

(2)在开路同轴终端上加载高频信号，测量反射回来的高频信号；

(3)测量系统由高频反射信号得到反射系数；

(4)通过反射系数计算得到介质的介电常数；

(5)在同一位置采用不同频率测量，得到地层的地质特性；

(6)在井壁不同的位置重复以上步骤，得到整个井的地质特性。

2.一种井下双层介质介电常数测量系统，包括扫频信号发生器、探头、短路块、S参数测定仪、转化器、网络分析仪和极坐标圆图显示仪，其特征是：扫频信号发生器与探头、S参数测定仪、网络分析仪相连接，扫频信号发生器用于提供高频信号；探头与S参数测定仪的一个输入口连接，探头接收高频反射波；短路块与S参数测定仪的另一个输入口连接，以校正测量误差；S参数测定仪与转换器连接，S参数测定仪将被测信号与扫频信号发生器产生的参考信号进行比较送入转换器中；转换器与网络分析仪连接，转化器将被测信号与参考信号的幅度、相位差转化为射频电信号送入网络分析仪中进行分析；网络分析仪与极坐标圆图显示仪连接，网络分析仪将处理后的信号送入极坐标圆图显示仪中显示。

3.根据权利要求2所述的井下双层介质介电常数测量系统，其特征是：所述探头由电缆线、连接头、开路同轴终端三部分构成，连接头和开路同轴终端分别与电缆线的两端连接。

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