CN103603650B - 一种瞬变电磁测井仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瞬变电磁测井仪器，包括外壳和设置在外壳内的电路模块以及与电路模块连接的电磁探头系统。电路模块是由直流电源依次连接电源稳压模块、PWM调制模块、大功率隔离变压器组和电源转换模块组成直流供电电路和以数字信号处理器为核心，外围设有通信总线、电源总线、控制总线和数据总线的主控电路组成。电磁探头系统由一个带磁芯的发射线圈和多个接收线圈组成。本仪器用非接触方式实现了套管损伤检测、裸眼井和套管井地层电阻率的有效测量。通过线圈内置铁芯实现大功率瞬变激发，提高了瞬变电磁场的激发强度；通过对所测量的原始信号进行必要的刻度和处理，最终获得地层的电阻率。

Description

一种瞬变电磁测井仪器

技术领域

本发明涉及一种瞬变电磁测井仪器，属石油测井施工中裸眼井和套管井的套管质量检测、裸眼井和套管井地层电阻率测量的专用仪器技术领域，特别是一种对套管损伤进行有效检测、并且能够对裸眼井、套管井地层电阻率参数进行有效测量。

背景技术

在石油勘探和开发的过程中，对地层电阻率的测量是评价含油饱和度的重要参数。特别是在套管井中测量地层的电阻率，对认识剩余油的分布具有重要意义。在现有技术中，套管损伤的检测采用磁通量测量方法，裸眼井电阻率测井有双感应、阵列感应和双侧向等方法，过套管电阻率则采用直流电极方法。该方法需要将电极推靠到套管壁，要求电极与套管壁之间必须有良好的接触，因此测井前要求洗井、并用通井规对套管内壁的进行刮管，保证电极与套管壁之间良好的接触。因此测井质量受套管的条件等因素的影响比较大。另外，发射探头激发的电流通过电极接触到套管内壁，所发射的电流比较小，这些测量信号中有用信号的幅度很低，信噪比比较低。

长期以来，感应测井是以时谐场为基础，采用稳态正弦波（谐变）激发的电磁场进行电导率的测量，从普通感应、双感应、阵列感应到俄罗斯高频感应，其激发的频率从20kHz增加到2MHz，均为单频率或离散频率。发射的正弦信号遇到套管时，由于集肤效应，感应测井和电磁波测井仪器发射的正弦波和电磁波信号根本无法穿过套管进入地层。为此，常规感应测井方法仅适用于裸眼井测井。

瞬变电磁测井测量作为一个全新的油田测井测量方法，适用于裸眼井及套管井测井领域。瞬变电磁测井方法本质上属于电磁感应现象，激发源采用瞬态激发方式，激发波形采用多种周期性的脉冲序列，如矩形波、半正弦波、梯形波等，发射频率非常低，范围在（0.01～1000）Hz之间。进行过套管测井需要提供大功率的发射信号，要求发射线圈具备强电流的冲击，发射线圈绕制过程要选择适当的磁性材料和较粗的导线。瞬变场的特征是测量线圈纯粹测量二次场信号，即只观测有用信号。无用信号在发射线圈的发射电流关断后不存在，使得线圈绕制过程不考虑聚焦线圈系和补偿线圈系，发射线圈和接收线圈的绕制方法相比感应测井简单，每个接收线圈都与发射线圈构成单一双线圈系。但是，采用瞬变激发进行过套管测井时，接收线圈的信号幅值非常小，一般在纳伏级，比感应测井线圈接收信号（毫伏级）要小6个数量级，为此，接收线圈的磁性材料选择及绕制方法上与感应仪器的有很大不同。

瞬变电磁测井发射波形采用双极性波形，发射时加载于发射线圈两端是直流电。发射电源的质量影响发射波形的稳定性，为了得到反极性发射波形，需要配置大功率通断器件、驱动电路、控制电路等。为减小发射线圈关断时间，对大功率通断器件、驱动电路、控制电路的要求较高，仍然需要一组接收线圈。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的测井条件苛刻，测量结果受测量条件影响大等问题，提出一种适应复杂井况，提高测井分辨率、探测深度等需求的瞬变电磁测井仪器。

为实现上述目的，本仪器采用的技术方案是:

一种瞬变电磁测井仪器，包括外壳和设置在外壳内的电路模块以及与电路模块连接的自然伽马探头、电磁探头和温度传感器，其中：所述的电路模块是由直流供电电路和主控电路组成；直流供电电路由直流电源依次连接电源稳压模块、PWM调制模块、大功率隔离变压器组和电源转换模块组成；主控电路是以数字信号处理器为核心，外围设有通信总线、电源总线、控制总线和数据总线，其中，通讯总线通过通信调制模块和通信隔离变压器接入直流电源，控制总线与正反向发射控制模块连接，数据总线与AD转换模块和接收信号放大处理模块连接，电源总线由电源转换模块引出后分别与数字信号处理器、正反向发射控制模块、AD转换模块、接收信号放大处理模块连接；所述的电磁探头由一个带磁芯的发射线圈和多个接收线圈组成，其中发射线圈与正反向发射控制模块连接，接收线圈与接收信号放大处理模块连接。

上述方案还包括：

所述的发射线圈为低频、大功率的发射线圈，所述的接收线圈为可探测极微弱信号的接收线圈；接收线圈等间距排列于发射线圈的一侧，发射线圈与接收线圈阵列同轴地装配在一起；与发射线圈连接的正反向发射控制模块采用大功率瞬变激发电源，与接收线圈连接的接收信号放大处理模块包括幅度放大、功率放大器；所述的大功率瞬变激发电源包括依次连接的大功率通断器件、驱动电路和控制电路。

所述的发射线圈内部放置低频铁芯构成低频高效的发射线圈；所述的每个接收线圈内均放置低频铁芯，铁芯外面的线圈骨架上由正向、反向两组线圈串联绕制。发射和接收线圈均为短圆柱形状，接收线圈内设前置放大器。

上述方案进一步包括：

自然伽马探头和温度传感器，所述的数据总线至少还包括两个支路，一支路通过温度探测模块连接到温度传感器，二支路通过伽马探测模块连接到自然伽马探头，电源总线由电源转换模块引出后还分别与伽马探测模块、温度探测模块连接。

所述仪器外壳采用不锈钢金属外壳，并在外壳上、下端分别连接上扶正器和下扶正器。

上扶正器上还设有电缆接头，所述的电路模块通过铠装电缆与电缆接头连接。

瞬变电磁测井仪器还通过铠装电缆与地面系统和上位计算机连接。

本发明的原理是：采用大功率非接触测量方法，依据电磁感应原理，在井中放置大功率激发线圈，用大电流的突变激发瞬变电磁场（一次场），这些瞬变电磁场的低频部分能够有效穿过套管进入地层，在地层中激发出二次感应电动势（二次场），该二次感应电动势与地层的电导率有关，该二次感应电动势能够有效地穿过套管再次进入接收线圈，通过测量二次感应电动势获得地层的电阻率。针对套管井测井需求，低频容易穿过套管，但是，低频的二次感应电动势幅度很小，需要进行微小信号测量。套管是金属，其低频的传播速度很慢，因此含地层电阻率信息的二次场信号位于一次场信号之后。通过调整激发波形形状可以使接收信号中一次场与二次场有效分开。

本发明的电磁探头选择低频效率高的短圆柱铁芯作内核，其外面套上绕线骨架，骨架上缠绕漆包线制作发射线圈和接收线圈，它们同轴地安装在一起构成瞬变电磁探头。为保证发射效果，发射线圈采用大功率瞬变激发电源，其中控制电路产生已经设计好的激发波形，该激发波形通过驱动电路控制大功率器件的通断，使发射线圈产生强的瞬变电磁场；同轴接收阵列中的接收线圈接收到电磁感应信号，该信号被连接在接收线圈上的前置放大器放大后进入接收信号放大处理模块及A/D转换。前置放大器也可以与接收线圈装在一起，构成瞬变电磁探头的一部分。

本发明的工作过程是：将发射线圈和接收线圈阵列放置在裸眼井和套管井中，其轴心与井轴一致；接收线圈离开发射线圈沿井轴方向等间距排列。控制电路生成需要的激发波形，这些波形经过驱动电路控制大功率通断器件的开与关，在大电流的开、关瞬间，发射线圈中产生出很强的轴对称瞬变磁场，该磁场作用在线圈内部的磁芯上以后产生比较强的瞬变电磁感应强度。井是裸眼井情况，该瞬变电磁感应强度在井眼、地层中产生瞬变电磁场；井是套管井情况，该瞬变电磁感应强度在井眼、套管、水泥环、地层中产生瞬变电磁场。该瞬变磁场在接收线圈中感应出比较大的电动势，与井内各种介质的磁导率有关，其幅度比较大，可以用于套管损失检测。但与地层电导率有关的感应信号的幅度比较小，需要进行微小信号的测量，并在刻度的基础上设置测量信号的处理方法，获得地层的电阻率。

本发明的有益效果是：利用电磁感应原理，用非接触方式实现了套管损伤检测、裸眼井和套管井地层电阻率的有效测量。通过线圈和铁芯实现大功率瞬变激发，提高了瞬变电磁场的激发强度；发射电流用正负阶跃组合方式实施，激发的低频电磁场能够有效地穿过套管进入地层，并且使地层的电阻率信号在时间域内与一次场是分离的，可以单独进行处理，获得地层的电阻率。这种方案在裸眼井和套管井内均可实施。

附图说明

图1为一种仪器实施例结构示意简图；

图2为一种仪器实施例的电路原理框图；

图3为一种电磁探头系统实施例的连接示意图；

图中：1—电缆接头 2—上扶正器 3—不锈钢外壳 4—自然伽马探头 5—电路模块 6—电磁探头系统 7—温度探测模块 8—温度传感器 9—下扶正器 11—发射线圈 12—接收线圈阵列 13—大功率瞬变激发电源 14—大功率通断器件 15—驱动电路井下仪 16—控制电路。

具体实施方式

实施例1

参见图1，一种电磁感应法过套管电阻率测井仪，包括包括电缆接头1、上扶正器2、不锈钢外壳3、下扶正器9等。不锈钢外壳3内部有电路模块5、自然伽马探头4、电磁探头系统6、井温模块7等。电路模块5是以数字信号处理器（CPU）为核心组成的系统。井温模块7与井温传感器8连接。

参见图2，仪器的电路实现由不同的功能模块组成，分别是：电源稳压、PWM调制、电源转换、发射线圈的正反向发射控制、通信调制、接收线圈的接收信号发射处理、通道采集及AD转换、伽马探测模块、温度探测模块、数字信号处理器（CPU）组成。电磁探头系统由发射线圈和接收线圈组成。

直流电源采用170V供电，电源线兼做通信总线，电路模块首先要求电源稳压，能吸收总线上的开关噪声。而井下的控制和检测电路需要+5V和±12V的工作电源，此步骤需要DC/DC转换电路来实现。实现过程是：采用PWM调制功能，控制电路产生一定高频脉宽信号，经放大电路驱动后控制CMOS管的交替导通，从而得到高频交流电压；高频的交流电压经过大功率变压器组变换到不同电压值的高频低压交流电源，通过交-直流变换得到直流电源，稳压后得到不同电压值的电源，供仪器内部电路使用；内部电路和器件有数字信号处理器（CPU）、AD芯片、模拟开关芯片、发射控制电路、接收信号放大处理电路、自然伽马电路、温度传感器的电路等。

正反向发射控制电路采用严格的互锁逻辑，防止发生电源的正负极直接导通，还必须实现线圈的正反向电流的发射。数字信息处理器（CPU）通过驱动电路控制发射电流，电流加载到探头发射线圈的两端，进行大功率的信号发射。

发射电磁线圈的发射信号关闭时，发射电流停止，电磁探头的接收线圈开始接收次生磁场引起的感应电动势。对接收线圈的信号进行放大处理，数字信息处理器（CPU）控制模拟开关进行采集，AD转换后把测量数据读到内部数据存储器中。

数字信息处理器（CPU）还负责自然伽马、温度传感器进行信号采集，信号经放大、滤波、模拟开关切换、AD转换后进入处理器的内部数据存储器中存储。

数字信息处理器（CPU）把内部数据存储器的测试数据进行编码，经过通信调制电路调制后，耦合到直流电源线发送到地面系统。

参见图3，一种瞬变电磁测井仪器的电磁探头系统由带铁芯的发射线圈11和一系列带铁芯的接收线圈12组成瞬变电磁测井探头。探头中的发射线圈1连接井下线路中的大功率瞬变激发电源13，大功率瞬变激发电源13中有大功率通断器件14、驱动电路15和控制电路16。控制电路16产生正负相间的阶跃突变波形控制驱动电路5，驱动电路5控制大功率通断器件4在线圈所在的主回路中产生大电流或者电压的通断，在通断瞬间，线圈上有大的电流突然导通与断开，在井内激发出很强的瞬变电磁场，该瞬变电磁场穿过套管进入地层，在地层中感应出二次场以后再通过套管进入井内被接收线圈所接收。

反映地层信息有用信号的二次场幅度很小，在每个接收线圈中需要安装前置放大器和接收信号放大处理模块。前置放大器将微弱的原始信号高保真地进行放大，接收信号放大处理模块进行进一步的幅度放大和功率放大，并给A/D芯片进行采集。借助于刻度波形设计处理原始波形的方法，最终获得地层的电阻率。由于裸眼井和套管井的响应差别比较大，激发波形的形状需要单独设计，相应地，原始测量信号的处理方法也不一样。

上述实施例中还包括上位计算机、地面系统。上位计算机和地面系统通过数据电缆连接，地面系统和井下仪器通过铠装电缆连接。

大多数生产测井仪器都是使用单芯电缆，本实施例的仪器采用的也是单芯铠装电缆，该电缆既是井下仪器的供电电缆，同时也是井下仪器与地面的通信电缆，在实现传输与供电的过程中，铠装电缆的缆芯和缆皮同时作为传输介质。

本实施例中利用采集感应电动势的幅值作为原始数据，经过上位计算机计算处理后得到地层电阻率的数值。测试过程，仪器不需液压系统，测试过程仪器运动较为方便，信息记录方式可以连续记录。由计算机上编制好的软件进行后期处理，把测井数据转换到不同深度的电阻率值。

本实施例在结构上分为功能上分为三部分：伽马探测、电磁探测、温度探测。伽马探测用来校深；电磁探测用来探测套管外的地层电阻率信息；温度探测用来实时监控井温，测得井内流体的温度。

实施例2

在上述实施例1的基础上，减少伽马探测和温度探测两部分后，单纯借助电磁探测仍能很好的实现本发明的目的，只是功能减少。

仪器的操作步骤为:

(1)上位计算机供电-地面系统供电-井下仪供电；

(2)连续采集伽马、井温数据；

(3)发射线圈供直流脉冲电流，产生电磁场，管壁和地层中形成感应电流，断电后，探测器接收感应电动势；

(4) 井下仪实时与地面系统进行通信，地面系统实时与上位计算机通信；

(5)测井完成之后，卸掉井下仪，断开仪器电源。将井下仪冲洗干净，放入保护盒中。

Claims (7)

1.一种瞬变电磁测井仪器，包括外壳和设置在外壳内的电路模块以及与电路模块连接的电磁探头系统，其特征是：所述的电路模块是由直流供电电路和主控电路组成；直流供电电路由直流电源依次连接电源稳压模块、PWM调制模块、大功率隔离变压器组和电源转换模块组成；主控电路是以数字信号处理器为核心，外围设有通信总线、电源总线、控制总线和数据总线，其中，通讯总线通过通信调制模块和通信隔离变压器接入直流电源，控制总线与正反向发射控制模块连接，数据总线与AD转换模块和接收信号放大处理模块连接，电源总线由电源转换模块引出后分别与数字信号处理器、正反向发射控制模块、AD转换模块、接收信号放大处理模块连接；所述的电磁探头由一个带磁芯的发射线圈和多个接收线圈组成，其中发射线圈与正反向发射控制模块连接，接收线圈与接收信号放大处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的瞬变电磁测井仪器，其特征是：所述的发射线圈为低频、大功率的发射线圈，所述的接收线圈为可探测极微弱信号的接收线圈；接收线圈等间距排列于发射线圈的一侧，发射线圈与接收线圈阵列同轴地装配在一起；与发射线圈连接的正反向发射控制模块采用大功率瞬变激发电源，与接收线圈连接的接收信号放大处理模块包括幅度放大、功率放大器；所述的大功率瞬变激发电源包括依次连接的大功率通断器件、驱动电路和控制电路。

3.根据权利要求1或2所述的瞬变电磁测井仪器，其特征是：所述的发射线圈内部放置低频铁芯构成低频高效的发射线圈；所述的每个接收线圈内均放置低频铁芯，铁芯外面的线圈骨架上由正向、反向两组线圈串联绕制；发射和接收线圈均为短圆柱形状，接收线圈内设前置放大器。

4.根据权利要求3所述的瞬变电磁测井仪器，其特征是：还包括自然伽马探头和温度传感器，所述的数据总线至少还包括两个支路，一支路通过温度探测模块连接到温度传感器，二支路通过伽马探测模块连接到自然伽马探头，电源总线由电源转换模块引出后还分别与伽马探测模块、温度探测模块连接。

5.根据权利要求4所述的瞬变电磁测井仪器，其特征是：所述仪器外壳采用不锈钢金属外壳，并在外壳上、下端分别连接上扶正器和下扶正器。

6.根据权利要求5所述的瞬变电磁测井仪器，其特征是：上扶正器上还设有电缆接头，所述的电路模块通过铠装电缆与电缆接头连接。

7.根据权利要求6所述的瞬变电磁测井仪器，其特征是还包括：地面系统和上位计算机，其中地面系统通过铠装电缆与瞬变电磁测井仪器连接。