CN103573247A

CN103573247A - 感应测井平行平面线圈及感应测井设备

Info

Publication number: CN103573247A
Application number: CN201210252480.1A
Authority: CN
Inventors: 谢昱北; 肖加奇; 梁小兵; 杜有定
Original assignee: CNPC Great Wall Drilling Co
Current assignee: CNPC Great Wall Drilling Co
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: CN103573247B

Abstract

本发明涉及一种用于感应测井平行平面线圈，具有较高的空间尺寸精度和稳定性，能够满足高精度感应测井的要求。该平行平面线圈具有在柱状绝缘体的柱面环绕的多个平面线圈，多个所述平面线圈分别具有相同的形状和尺寸并且各个线圈面的中心法线与柱状绝缘体的轴线重合，多个所述平面线圈在柱体的轴向隔开固定间距而排列，相邻的所述平面线圈彼此交叉绝缘跨接。

Description

感应测井平行平面线圈及感应测井设备

技术领域

本发明涉及一种线圈，特别涉及用于感应测井仪器的平行平面线圈。

背景技术

感应测井是利用交流电的互感原理，利用发射线圈中的交流电流在接收线圈中感应出电动势，由于发射线圈和接收线圈都在井内，发射线圈的交流电流必然在井筒周围地层中感应出涡流，而该涡流又对接收线圈的感应电动势产生影响，因此该电动势与涡流的强度有关，即与地层的电导率有关。

阵列感应测井仪是在普通阵列感应仪器的基础之上发展起来的，该仪器具有一定的径向探测能力。仪器采用一系列不同线圈距的线圈系对同一地层进行测量，然后通过硬件或软件聚焦处理获得不同径向探测深度的地层电导率，从而有效地识别油气层。阵列感应测井仪首先通过发射线圈向地层发送电磁场，然后由各组接收线圈接收，接收到的信号经井下仪器处理后遥传至地面仪器。

用于感应测井的发射线圈和接收线圈一般为沿着某个方向分布的多匝线圈，一部分多匝线圈构成发射线圈，另一部分多匝线圈构成接收线圈。感应测井仪器的测量精度由这些发射线圈和接收线圈的空间尺寸精度和稳定性决定。于是就需要考虑设计一种线圈形式来确保线圈天线的空间尺寸精度和稳定性。

例如，在线圈为圆形形式的情况下，接收线圈接收到的二次磁场所产生的感应信号与地层电导率有关，称为有用信号，用V_R表示。假设地层介质为均匀无限介质，根据理论计算，有用信号V_R以下式表示：

Figure 2012102524801100002DEST_PATH_IMAGE001

n_T，S_T分别为发射线圈天线的匝数和面积；

I为发射线圈的电流强度；

n_R，S_R分别为接收圈天线的匝数和面积；

L为发射线圈到接收线圈之间的距离，简称线圈距；

μ为介质的磁导率，在沉积岩的情况下μ=4π×10^-7H/m；

ω为电流的角频率，ω=2πf，f为电流的频率；

σ为地层的电导率。

这里，线圈的匝数一般为整数，而线圈的面积则是最主要的几何参数。推导公式的时候，用到了毕奥萨伐尔定律和电磁感应定律，公式中的发射线圈面积S_T和接收线圈面积S_R实际为线圈在地层涡流面的投影面积，或者理解为每一微元线圈在地层涡流面的投影所形成的面积。因为所有发射线圈具有相同的几何特征S_T，所有接收线圈也具有相同的几何特征S_R，所以投影面积的几何精度就决定了仪器的测量精度，该投影面积主要受线圈半径R和线圈和投影面的夹角θ影响。于是就需要一种平面线圈用在地层参数的测量，从而减少线圈半径R和夹角θ的影响。

美国专利US2004263414A1给出了一种平面线圈的形式，每一匝线圈为圆形线圈，各匝线圈具有不同的半径R，所有线圈位于一个平面上，这样的线圈形式不能满足各匝线圈的几何特征相同的要求。

中国专利201010274477给出了一种空间线圈形式，该方案在印制板双面板上均匀密布环状印刷线路，形成印制板式线圈，而不是导线绕制的线圈。该发明的目的是提供一种柔性版线圈的设计结构，线圈并非位于一个平面上，而是一种圆弧型的结构形式，而且各匝线圈的几何参数不同，线圈的几何精度较差。

中国专利201010243157给出了一种罗氏线圈形式，其中的一个绕组以螺旋方式安装在支架上，各匝线圈具有相同的半径R，但线圈具有螺旋角，并非平面线圈。

综上，在感应测井仪器上需要一种特殊形式的线圈构造来满足高精度感应测井的要求，线圈构造具有较高的空间尺寸精度和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于感应测井仪器的平面线圈天线，该线圈天线具有较高的空间尺寸精度和稳定性，能够实现高精度的感应测井。

本发明的感应测井用的平行平面线圈，其特征在于，所述平行平面线圈具有在柱状绝缘体的柱面环绕的多个平面线圈，多个所述平面线圈分别具有相同的形状和尺寸并且各个线圈面的中心法线与柱状绝缘体的轴线重合，多个所述平面线圈在柱体的轴向隔开固定间距而排列，相邻的所述平面线圈彼此交叉绝缘跨接。

优选在本发明的平行平面线圈中，所述平面线圈的导电介质为导线，所述导线缠绕在所述柱状绝缘体表面的环槽中，相邻的所述平面线圈的所述导线彼此交叉绝缘跨接。

优选在本发明的平行平面线圈中，所述平面线圈的导电介质是形成于所述柱状绝缘体表面的金属箔或金属膜，相邻的所述平面线圈的所述金属箔或金属膜通过设置在所述柱状绝缘体的表面的双层电路板中的导电介质而交叉绝缘跨接。

优选在本发明的平行平面线圈中，所述柱状绝缘体为由无磁材料构成，其温度膨胀系数小于7 ×10^-6/K。

优选在本发明的平行平面线圈中，使用了权利要求1~3的任一项所述的平行平面线圈。。

发明的效果

根据本发明的平行平面线圈，其具有较高的空间尺寸精度和稳定性，在测井所处的高温高压环境中表现出很好的测量效果。使用平行平面线圈天线所制成的感应测井仪具有较高的测量精度和较高的分辨率。

附图说明

图1是表示感应测井仪器中使用的三轴正交线圈系的示意图。

图2（b）是表示本发明的实施例1的平行平面线圈的概略结构图，图2（c）是平行平面线圈的轴向和与轴向正交的方向上的剖面图。

图3（a）是表示本发明的实施例2的平行平面线圈的概略结构图，图3（b）是跑道型的定义图。

图4（a）是表示本发明的实施例3的平行平面线圈的概略结构图，图4（b）是表示主接线板和线圈的连接的示意图，图4（c）是表示从接线板和线圈的连接的示意图。

图5是表示实施例3的平行平面线圈使用的线圈绝缘体的立体图。

图6（a）是表示实施例3的平行平面线圈使用的主接线板和从接线板的透视图，图6（b）是表示主接线板的局部放大透视图。

具体实施方式

在以下，针对本发明的平行平面线圈的实施例具体进行说明。

图1表示的是感应测井仪器中使用的三轴正交线圈系的示意图。三轴线圈阵列在X、Y、Z的各方向包含两个线圈。线圈101和线圈104组成Z向线圈，线圈102和线圈105组成X向线圈，线圈103和线圈106组成Y向线圈。感应测井仪器插入到地层121中的由井壁120构成的井筒中使用。虽然在图中没有示出，但实际上该感应测井仪器具有柱状的外壳，三轴正交线圈系被封闭在该柱状的外壳中。本发明的平行平面线圈可以应用于感应测井仪器的三轴正交线圈系的各个方向的线圈。

实施例1

图2（a）是表示本发明的实施例1的平行平面线圈的概略结构图。图2（b）是实施例1的平行平面线圈的轴向和与轴向正交的方向上的剖面图。

实施例1是将平行平面线圈应用于三轴正交线圈系中的Z向线圈的例子。从图2可知，在平行平面线圈中，多个平面线圈环绕在柱状绝缘体的柱面上（未图示），多个平面线圈具有相同的形状和尺寸，并且在轴向隔开相等间隔而彼此平行。该平行平面线圈既可以用作发射线圈天线，也可以用作接收线圈天线。在实施例1中，平行平面线圈的各个平面线圈形成为具有半径R的相同大小的圆形，线圈导线1和线圈导线2沿着彼此相反的方向绕制在柱状绝缘体的环槽（未图示）里，作为一个例子，环槽的截面为沿环槽的中心线对称的形式，一个环槽任意截面的对称中心线位于一个平面上，在这些环槽中绕制的多个线圈沿着平行平面线圈的轴向平行排列，并且彼此隔开固定的线圈间距Δ。各个平面线圈面的中心法线和柱状绝缘体的轴线、即感应测井仪器的轴线重合。线圈导线1和线圈导线2在相邻的线圈之间进行交叉绝缘跨接。

在图2的例子中，在平行平面线圈的一端与双绞线分别相连的线圈导线1和线圈导线2在形成平行平面线圈之后，在平行平面线圈的另一端在连接点彼此连接，这时可以在连接点另外连接一根导线用于测量。当然，线圈导线1和线圈导线2也可以在形成平行平面线圈之后分别连接于另一根双绞线，进而形成另一个平行平面线圈。

实施例1的平行平面线圈形成在线圈绝缘体上，该线圈绝缘体通过机械加工方法来成形，其成形精度由机械加工系统运动参数的精度和成形刀具的几何形状精度决定。这里只考虑机械加工系统运动参数的精度，主要包括线圈的径向位移的精度，周向速度的精度。不失一般性，如果只考虑线圈为圆形，则位于一个平面上的线圈形式只受线圈半径方向上的位移参数的影响。而螺旋线圈则会受到径向和轴向这两个垂直方向的速度参数的影响。于是提高平面线圈的尺寸精度时可以只考虑提高一个位移方向，即刀具进给方向的尺寸精度（径向的精度）即可。而且刀具进给方向的行程仅仅是线圈环槽截面的深度量级，在该量级上的位移精度特别容易获得。然后再考虑提高单匝线圈之间距离的精度（轴向的精度）。这样控制平面线圈的径向和轴向的位移参数比控制非平面线圈，例如螺旋线圈的径向和轴向的运动参数容易的多。平面线圈具有较高的空间尺寸精度和稳定性。

不失一般性，如果这样的线圈为圆形，则所有的线圈具有相同的半径参数R，同时不受螺旋角参数的影响，其空间尺寸精度仅受绝缘体的R的影响。例如接收线圈天线绝缘体的半径和发射线圈天线绝缘体的半径。定义线圈单匝之间的距离为Δ。这样线圈天线的几何参数只有半径R和间距Δ，这一点对计算测井仪器线圈天线的激励和相应信号的大小带来很大的方便，而且对线圈天线的标定和校正带来很大方便。

实施例2

参照图3，对本发明的实施例2进行说明。图3（a）是表示实施例2的平行平面线圈的概略结构图，图3（b）是跑道型的定义图。约束尺寸包括两个半圆的半径R1和R2，半圆圆心O1和O2的距离L，其中R1等于R2。

实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2的平面线圈形状为跑道型，该跑道型平行平面线圈适用于三轴正交线圈系的X向、Y向线圈。如图3（b）所示，该跑道型可以使用圆的半径R和圆心距L这两个参数来定义。在圆心距L＞0的情况下为跑道型。一般来说，跑道型线圈天线的彼此相向的两个直边的长度小于半圆的半径长度。

通过将其做成跑道型，从而在有限的空间环境中增加了线圈的有效面积。例如，把跑道型线圈天线的O1O2方向沿着仪器的轴向方向（即Z向）安装。因为仪器为圆柱体，线圈天线的半径受圆柱体直径的限制，圆心距L可以有效增加线圈的面积，提高电感量，提高响应信号的信噪比。

实施例3

图4示出了本发明的平行平面线圈的另一个实施例，图4（a）是表示本发明的实施例3的平行平面线圈的概略结构图，图4（b）是表示主接线板和线圈的连接的示意图，图4（c）是表示从接线板和线圈的连接的示意图。在图4中，31和34为双绞线，32为主接线板，33为线圈绝缘体，35为从接线板，其中线圈的导电介质覆在绝缘体表面33上。因为图4为平行平面线圈的外观图，所以仅能看到主接线板表面的一排相互平行的导线，而如图4（b）、图4（c）的透视图所示，在线圈绝缘体33的设置有主接线板的相反侧的背面也有一排相互平行的导线。

在实施例1和实施例2中，都是将作为导线的导电介质缠绕在绝缘体的环槽里。但也可以利用其他方式来约束线圈的导电介质，在实施例3中，将通过镀敷，溅射、蒸镀等方法直接形成在绝缘体表面的金属箔或金属膜作为导电介质，将双层印制电路板放置在绝缘体表面的凹槽中，然后焊接绝缘体上的导电介质和电路板上的导线来实现相邻的平面线圈的交叉绝缘跨接。

图4中的31和34同为双绞线意味着可以把若干这样的平行平面线圈串接起来，在该情况下31里的两根导线流过的电流相反，34里的两根导线流过的电流也相反，这一点同实施例1和2不同。实施例1和2线圈中的导线1和导线2在连接点彼此连接，说明实施例1和2都是终结线圈。当然如果把实施例1和2中的导线1、导线2不在连接点相互连接而分别连接于双绞线，就会和实施例3平行平面线圈的使用方式一样，即把若干这样的平行平面线圈串接起来。

如图4（b）和4（c）所示，主接线板32和从接线板35为双层电路板，交叉线在该双层电路板上实现，电路板上设置有焊盘。绝缘体上的导电介质同电路板上的交叉线通过焊盘依次焊接。

图5是表示实施例3的平行平面线圈使用的线圈绝缘体的立体图。图5中的若干平行平面线圈导线41覆在绝缘体表面33上。绝缘体33为具有较低膨胀系数的陶瓷材料，为无磁材料，温度膨胀系数小于7×10^-6/K。线圈导线41的导电介质也应具有同绝缘体33接近的低膨胀系数，从而确保导电介质在到达180°C时不会因为过大的热应力从绝缘体表面脱离。绝缘体33上下开有两处槽42，从而把平行平面线圈41切开为两组C形的形式。槽42用安放主接线板32和从接线板35。

图6（a）是表示实施例3的平行平面线圈使用的主接线板和从接线板的透视图，图6（b）是表示主接线板的局部放大透视图。如图6所示，在主接线板32和从接线板35都形成有双层交叉线。52、53和55均为在电路板上形成的导线，并且其彼此绝缘。51为连接线圈导线和双绞线31的接线柱，52为连接接线柱51和线圈导线的连接线。表层导线53和底层导线55构成交叉线。53两端形成有焊盘同线圈导线焊接。底层导线55上形成有过孔54把导电介质延伸至表层，54上形成有焊盘同线圈导线焊接。

以上针对本发明的具体实施例进行了说明，但各个实施例不过是本发明的例子，其并不限定本发明，在本发明的技术方案所要求的范围内，能够针对上述各个实施例进行变更。

Claims

1.一种感应测井用的平行平面线圈，其特征在于，所述平行平面线圈具有在柱状绝缘体的柱面环绕的多个平面线圈，多个所述平面线圈分别具有相同的形状和尺寸并且各个线圈面的中心法线与柱状绝缘体的轴线重合，多个所述平面线圈在柱体的轴向隔开固定间距而排列，相邻的所述平面线圈彼此交叉绝缘跨接。

2.根据权利要求1所述的平行平面线圈，其特征在于，所述平面线圈的导电介质为导线，所述导线缠绕在所述柱状绝缘体表面的环槽中。

3.根据权利要求1所述的平行平面线圈，其特征在于，所述平面线圈的导电介质是形成于所述柱状绝缘体表面的金属箔或金属膜，相邻的所述平面线圈的所述金属箔或金属膜通过设置在所述柱状绝缘体的表面的双层电路板中的导电介质而交叉绝缘跨接。

4.根据权利要求1~3的任一项所述的平行平面线圈，其特征在于，所述柱状绝缘体由无磁材料构成，其温度膨胀系数小于7×10^-6/K。

5.一种感应测井设备，其特征在于，使用了权利要求1~3的任一项所述的平行平面线圈。