CN102692653B - 单线圈测量井下介质电阻率的方法及系统 - Google Patents

Abstract

单线圈测量井下介质电阻率的方法及系统，属于井下测量技术领域。设计了基于测量方法的测量系统。该方法是将套接在钻铤上的金属线圈视为探头，通过扫频信号发生器产生高频信号，经50欧同轴线送入发射线圈，测得发射线圈的反射系数，由此计算得出发射线圈的阻抗和介质电阻率,从而得到地层的电磁特性。本发明中仿真了单个线圈S参数与地层介质电阻率之间的关系。本发明中设计的测量系统包括扫频信号发生器、发射线圈、S参数测定仪、网络分析仪。该系统能准确地测量出井下地层的介质电阻率，因此可以用于分析地层的油气，矿物等储存信息。

Description

单线圈测量井下介质电阻率的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种单线圈测量井下介质电阻率的方法及系统，属于井下测量技术领域。

背景技术

现有的电磁波传播测量电阻率的测井方法为了实现测量地层介质电阻率目的，使用了多个线圈。在经典的单发双收系统中，其中一个是发射线圈，两个是接收线圈。在每一次测量时由扫频信号发生器给提供高频交流信号，经功率放大后送入发射线圈，然后分别测量接收线圈1和接受线圈2上电磁感应得到的信号的幅度和相位，并计算两个信号的幅度比和相位差，再通过定标和反演等方法，根据信号的幅度比和相位差推算出被测地层的电阻率。

现有的方法存在着系统复杂，接收电路复杂，计算复杂，成本高的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明提供一种单线圈测量井下介质电阻率的方法及系统。

本发明中利用仿真分别计算了在单层均匀各项同性介质中，介质电阻率改变时，发射线圈的反射系数的变化情况；又仿真了在双层介质中，内层厚度不变，外层厚度无限大并且电阻率变化时发射线圈反射系数的变化情况。电阻率变化范围被设置为在0.1~1之间。

一种单线圈测量井下介质电阻率的方法，将单个发射线圈视为线圈探头，发射线圈将电磁波信号送入被测地层，测得发射线圈的反射系数和阻抗，由此计算得出地层的电阻率，方法包括以下步骤：

1）在钻铤上安装发射线圈，在线圈上加载高频信号，并测量发射线圈接收到的反射回来的高频信号；

2）在不同电阻率的盐水中定标测量线圈的反射系数，将测量获得的反射系数，和盐水电阻率的对应关系制作成表，用于钻井测量时查询。

3）测量系统通过计算反射信号V_r和发射信号V_i,得到反射系数，计算公式如下：

$\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{FFT}\left(V_r\right)}{\mathrm{FFT}\left(V_i\right)};$

其中：Γ(ω)表示不同频率电磁波的反射系数，FFT表示傅里叶变换，V_r表示反射信号，V_i表示发射信号。

根据传输线原理，线圈阻抗通过反射系数得到，公式如下：

$Z_L=Z_0\left(\mathrm{\ω}\right)\left[\frac{1+\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{1-\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right];$

其中：Z_L表示线圈阻抗，Z₀(ω)表示不同频率下的特征阻抗，为50欧恒定值，Γ(ω)为线圈的反射系数。

4）通过线圈阻抗计算出线圈的电感,公式如下：

$L=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_L\right)}{2*\mathrm{\π}*f};$

其中：L表示线圈电感，Im(Z_L)表示阻抗虚数部分，f表示加在线圈上的信号的频率。

5）通过查询步骤2）得到的表，得到地层介质的电阻率。

6）在井壁不同位置，使用不同的频率反复多次测量得到整个井的地层特性。

一种单线圈测量井下介质电阻率的系统，系统包括S参数测定仪，网络分析仪和发射线圈，以及数据处理PC机。扫频信号发生器包含在S参数测定仪内部。发射线圈通过50欧负载匹配的同轴线和S参数测定仪的端口1连接，S参数测定仪的端口2空置。S参数测定仪和网络分析仪通过50欧的同轴电缆连接，S参数测定仪与PC机连接。S参数测定仪、网络分析仪均为集成在电路板上的电路模块。

本发明通过单线圈探头探测介质电阻率，能准确地测量井下介质的电阻率，并准确的探明地层的油气储存状态。节省了接收电路上的成本，实现了一种高精度的电阻率测量的系统，提高了测量速度和稳定性，节省了成本。

附图说明

图1.本发明的单线圈测井的测量方法示意图。

图2.传统的单发双收的电磁波传播方法测量地层电阻率的方法示意图。

图3.本发明中设计的测量系统结构框图。

图4.本发明中仿真出的电阻率变化的介质中，线圈阻抗实部和地层电阻率之间的关系曲线。

图5.本发明中仿真出的电阻率变化的介质中，线圈阻抗虚部和地层电阻率之间的关系曲线。

图6.本发明中仿真出的电阻率变化的介质中，线圈反射系数幅度值与地层电阻率的关系曲线。

图7.本发明中仿真出的电阻率变化的介质中，线圈反射系数相位与地层电阻率的关系曲线。

图8.本发明中仿真出的双层介质中，外层介质电阻率变化时，线圈阻抗实部分别与电阻率之间的关系曲线。

图9.本发明中仿真出的双层介质中，外层介质电阻率变化时，线圈阻抗虚部分别与电阻率之间的关系曲线。

图10.本发明中仿真出的双层介质中，外层介质电阻率变化时，线圈反射系数幅度值和相位与电阻率之间的关系曲线。

图11.本发明中仿真出的双层介质中，外层介质电阻率变化时，线圈反射系数相位与电阻率之间的关系曲线。

其中，1、扫频信号发生器，2、发射线圈，3、网络分析仪，4、S参数测定仪，5、PC机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例：

一种单线圈测量井下介质电阻率的方法，如图1至图11所示，将单个发射线圈视为线圈探头，发射线圈将电磁波信号送入被测地层，测得发射线圈的反射系数和阻抗，由此计算得出地层的电阻率，方法包括以下步骤：

1）在钻铤上安装发射线圈，在线圈上加载高频信号，并测量发射线圈接收到的反射回来的高频信号；

2）在不同电阻率的盐水中定标测量线圈的反射系数，将测量获得的反射系数，和盐水电阻率的对应关系制作成表，用于钻井测量时查询。

3）测量系统通过计算反射信号V_r和发射信号V_i,得到反射系数，计算公式如下：

$\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{FFT}\left(V_r\right)}{\mathrm{FFT}\left(V_i\right)};$

其中：Γ(ω)表示不同频率电磁波的反射系数，FFT表示傅里叶变换，V_r表示反射信号，V_i表示发射信号。

4）根据传输线原理，线圈阻抗通过反射系数得到，公式如下：

$Z_L=Z_0\left(\mathrm{\ω}\right)\left[\frac{1+\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{1-\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right];$

其中：Z_L表示线圈阻抗，Z₀(ω)表示不同频率下的特征阻抗，为50欧恒定值，Γ(ω)为线圈的反射系数。

5）通过线圈阻抗计算出线圈的电感,公式如下：

$L=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_L\right)}{2*\mathrm{\π}*f};$

其中：L表示线圈电感，Im(Z_L)表示阻抗虚数部分，f表示频率，即加在线圈上的信号的频率。

6）通过查询步骤2）得到的表，得到地层介质的电阻率；

7）在井壁不同位置，使用不同的频率反复多次测量得到整个井的地层特性。

一种单线圈测量井下介质电阻率的系统，系统包括S参数测定仪（4），网络分析仪（3）和发射线圈（2），以及数据处理PC机（5）。扫频信号发生器（1）包含在S参数测定仪（4）内部。发射线圈通（2）过50欧负载匹配的同轴线和S参数测定仪（4）的端口1连接，S参数测定仪（4）的端口2空置。S参数测定仪（4）和网络分析仪（3）通过50欧的同轴电缆连接，S参数测定仪（4）与PC机（5）连接。S参数测定仪（4）、网络分析仪（3）均为集成在电路板上的电路模块。

通过仿真发现：单个发射线圈自身的S参数受到周围介质材料电阻率的影响。本次仿真中仿真了线圈直径10cm，线径为1.2mm的铜线圈，埋入40cm立方的介质中，介质的介电常数不变，因为在测井应用中，地层介质的电阻率普遍在0.1～1之间，所以本次仿真的电阻率范围在0.1～1之间。在本次仿真采用FDTD的方法，网格大小为1.5mm,波源采用上升正弦源，波长为2Mhz，吸收边界为PML，PML厚度为10个网格。仿真得到的结果如图4和图5所示。可以发现，线圈的电感和S11参数与电阻率有着良好的曲线关系，可以用来进行科学测量。

当介质为双层介质时，内层介质的电阻率和介电系数不变，厚度已知，而外层介质厚度趋于无限大，介电常数不变，电阻率在0.1～1之间变化时，线圈的电感值和S参数与电阻率依然有着良好的对应关系。针对这种情况，用FDTD的方法建模并仿真，模型仍然为10cm直径，线径为1.2mm的铜线圈，埋入40cm立方的介质中，线圈和介质之间相隔1.5mm的空气。设置的网格大小为1.5mm，波源采用上升正弦源，波长为2Mhz，吸收边界为PML，PML厚度为10个网格。仿真得到的结果如图6和图7所示。可以发现，线圈的电感和S参数与地层的电阻率有着良好的灵敏度。

根据传输线理论，线圈的阻抗和反射系数有如下关系：

$Z_L=Z_0\left(\mathrm{\ω}\right)\left[\frac{1+\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{1-\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right];$

其中：Z_L表示线圈阻抗，

Z₀(ω)表示不同频率下的特征阻抗，为50欧恒定值，

Γ(ω)为线圈的反射系数。

线圈的电感值和以通过反射系数计算得到，公式如下：

$L=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_L\right)}{2*\mathrm{\π}*f};$

其中：L表示线圈电感，

Im(Z_L)表示阻抗虚数部分，

f表示频率。

最后通过查表的数值方法，根据线圈的反射系数和电感值查询对应的地层电阻率。

根据以上发现，本发明利用单个线圈测量地层介质的电阻率。从而节省掉部分接收电路，节省出大量成本。单个线圈测量的方式具有测量稳定，系统复杂性低，成本低等优势。

图3给出了井下介质电阻率测量系统的示意图，包括扫频信号发生器、线圈、S参数测定仪、网络分析仪。整个系统的核心为网络分析仪。线圈与同轴电缆连接，同轴电缆为50欧姆标准软同轴线。同轴电缆通过连接头与S参数测定仪输入口1连接，S参数仪的端口2悬空。发射线圈直接套接在钻铤上并直接与介质相接触。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。S参数测定仪的内部含有扫频信号发生器，为测量系统提供各种频率的高频信号。S参数测定仪同时与网络分析仪连接，网络分析仪将分析得到的S参数数据送给PC机处理。

本发明井下介质电阻率的测量方法所采用的基本原理是通过扫频信号发生器产生高频信号，经同轴电缆送入线圈，测得发射线圈的反射系数，通过反射系数计算得到线圈的阻抗，由此查表计算得到介质的电阻率，在井壁不同的位置重复以上面的步骤，可以得到整个井的电磁地质特性。

Claims (2)

1.一种单线圈测量井下介质电阻率的方法，其特征在于，将单个发射线圈视为线圈探头，发射线圈将电磁波信号送入被测地层，测得发射线圈的反射系数和阻抗，由此计算得出地层的电阻率，方法包括以下步骤：

1)在钻铤上安装发射线圈，在发射线圈上加载高频信号，并测量发射线圈接收到的反射回来的高频信号；

2)在不同电阻率的盐水中定标测量线圈的反射系数，将测量获得的反射系数，和盐水电阻率的对应关系制作成表，用于钻井测量时查询；

3)测量系统通过计算反射信号V_r和发射信号V_i,得到反射系数，计算公式如下：

$\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{FFT}\left(V_r\right)}{\mathrm{FFT}\left(V_i\right)};$

其中：Γ(ω)表示不同频率电磁波的反射系数，FFT表示傅里叶变换，V_r表示反射信号，V_i表示发射信号；

根据传输线原理，线圈阻抗通过反射系数得到，公式如下：

$Z_L=Z_0\left(\mathrm{\ω}\right)\left[\frac{1+\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{1-\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right];$

其中：Z_L表示线圈阻抗，Z₀(ω)表示不同频率下的特征阻抗，为50欧恒定值，Γ(ω)为线圈的反射系数；

4)通过线圈阻抗计算出线圈的电感,公式如下：

$L=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_L\right)}{2*\mathrm{\π}*f};$

其中：L表示线圈电感，Im(Z_L)表示阻抗虚数部分，f表示加在线圈上的信号的频率；

5)通过查询步骤2)得到的表，得到地层介质的电阻率；

6)在井壁不同位置，使用不同的频率反复多次测量得到整个井的地层特性。

2.一种如权利要求1所述单线圈测量井下介质电阻率的方法的系统，其特征在于，系统包括S参数测定仪，网络分析仪和发射线圈，以及数据处理PC机；扫频信号发生器包含在S参数测定仪内部；发射线圈通过50欧负载匹配的同轴线和S参数测定仪的端口1连接，S参数测定仪的端口2空置；S参数测定仪和网络分析仪通过50欧的同轴电缆连接，S参数测定仪与PC机连接；S参数测定仪、网络分析仪均为集成在电路板上的电路模块。