CN104989387A - 井下岩石电参数测量用传感器探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于井下环境的传感器探头，包括发射电极、收集电极，发射电极电压源，发射电极电压源通过导线分别与收集电极、发射电极相连，其特征在于，还包括屏蔽电极、屏蔽电极电压源，屏蔽电极为环状结构，发射电极设置在的屏蔽电极的环内；屏蔽电极电压源通过导线分别与收集电极、屏蔽电极相连；发射电极与收集电极设置在井下采样的岩石同一侧；屏蔽电极电压源加载在屏蔽电极上，使得发射电极流出的电流能穿透导电泥浆进入岩石内部到达收集电极。本发明能对岩芯样品在井下进行实时测量，准确、高效、实时的获得地层岩芯信息。

Description

井下岩石电参数测量用传感器探头

背景技术

岩芯电参数对于修正测井曲线有着非常重要的意义，传统的岩芯电参数测量方法需要将岩芯样品采集之后送回地面实验室进行测量。测量采用的传感器探头包括发射电极与收集电极，通过一个电压源连接发射电极与收集电极，发射电极流出的电流经过岩石到达收集电极，电流在经过岩石的过程中会受到岩石电阻率和介电常数的影响，从而会导致回路阻抗发生变化，通过建立回路阻抗和岩石电阻率和介电常数之间的关系就能根据测量的阻抗值反推得到待测岩芯的电阻率和介电常数。由于需要从井下取出送回实验室，这种过程导致测量周期长，代价大，而且不能实时获取岩心样品的电阻率和介电常数。

对岩芯样品在井下进行实时测量能实时的获得地层岩芯信息，但井下环境不同于实验室的测量环境，测量会受到很多方面因素的影响，首先是井下充满了导电泥浆溶液，从发射电极流出的传导电流会直接经过导电泥浆到达收集电极，而很少有电流能够穿透泥浆进入岩石内部，此时由于岩石的电阻率远远高于泥浆电阻率，电流无法进入岩石内部，这必然导致无法测量岩石的电参数。

由于导电泥浆会阻断电极流出的电流进入高阻的岩石，从而导致对仪器对岩石的电参数变化不敏感。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于井下环境的传感器探头结构。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，井下岩石电参数测量用传感器探头，包括发射电极、收集电极，发射电极电压源，发射电极电压源通过导线分别与收集电极、发射电极相连，其特征在于，还包括屏蔽电极、屏蔽电极电压源，屏蔽电极为环状结构，发射电极设置在的屏蔽电极的环内；屏蔽电极电压源通过导线分别与收集电极、屏蔽电极相连；发射电极与收集电极设置在井下采样的岩石同一侧；

屏蔽电极电压源加载在屏蔽电极上，使得发射电极流出的电流能穿透导电泥浆进入岩石内部到达收集电极。

本发明采用屏蔽电极形式来聚焦传导电流使得发射电极流出的电流能穿透导电泥浆进入岩石内部到达收集电极形成回路，避免了导电泥浆阻断电流通过岩石的情况。发射电极与收集电极的导电回路经过岩石内部，为之后通过测量发射电极与收集电极的导电回路上电阻阻抗得到岩石电参数提供了基础。

本发明的有益效果是，适用于井下环境的传感器探头，能对岩芯样品在井下进行实时测量，准确、高效、实时的获得地层岩芯信息。

附图说明

图1为实施例1的传感器探头示意图。

图2为实施例2的传感器探头示意图。

图3为发射电极和收集电极之间回路电阻随屏蔽电极电压的关系示意图。

具体实施方式

本发明采用特定的措施引导电流穿透导电泥浆进入到岩石内部去，从而采集并且带出岩石内部的电参数。

发射电极设置在的环状结构的屏蔽电极的环内，向发射电极供电的同时，通过在屏蔽电极上加适当的电压使得内部电极周围为相对高电位，从而压迫从发射电极流出的电流无法沿着导电泥浆传导，选择合适的电压以及电极形式可以使得电流穿透导电泥浆，进入到岩石内部，通过岩石到达接地极板。收集电极的位置可以设置的比较灵活。

如图1所示，岩石1被导电泥浆2包裹。传感器探头包括发射电极3、收集电极4、发射电极电压源V₂、屏蔽电极5、屏蔽电极电压源V₁、屏蔽电极5为环状结构，发射电极3设置在的屏蔽电极5的环内；发射电极电压源V₂通过导线分别与收集电极4、发射电极3相连，屏蔽电极电压源V₁通过导线分别与收集电极4、屏蔽电极5相连；收集电极4设置在发射电极3下方。当然，收集电极4也可以设置在发射电极3下方。

或者，如图2所示，收集电极4为环状结构，发射电极3与屏蔽电极5均设置在收集电极4的环状结构内。

当传导电流或者位移电流流过岩石1，发射电极与收集电极之间可以等效看成电容模型，电容两端的阻抗值随着岩石的电参数发生变化，通过测量电容两端的阻抗值，结合精确的数值仿真建模，可以反演得到岩石的电参数。

需要说明，屏蔽电极的作用是通过控制发射电极周围的电位，从而限制内极板流出电流的流向。屏蔽电极和发射电极上面的电压比a＝V₁/V₂对于传感器探头的设计非常重要。

为了更好的说明屏蔽电极的作用以及屏蔽电极上电压与发射电极回路的关系，以工作频率为1KHz，泥浆电阻率ρ_mud＝1.0e2Ω·m、介电常数为ε_{r_mud}＝1.0以及岩石电阻率为ρ_ROCK＝1.0e8Ω·m、介电常数为ε_{r_ROCK}＝1.0的情况为例，如图3所示：

由于工作频率为低频工作模式，所以探头的发射电极与收集电极之间的电流形式主要为传导电流，位移电流占很小的比重。所以在图3中只分析了回路阻抗的实部，也就是阻抗中的电阻部分。

当屏蔽电极电压与发射电极电压比a＝V₁/V₂＝0的时候，相当于只有发射电极供电，这种情况下发射电极流出的电流，直接沿着导电泥浆流入收集电极，此时回路阻值接近于Z_real＝0Ω，表明电流没有经过岩石内部。

当屏蔽电极电压与发射电极电压比a＝V₁/V₂从0.2变化到0.8左右的情况下，回路中电阻模值逐渐增加，这是因为屏蔽电极上的电压压迫内电极流出电流流入岩石导致，由于屏蔽电极上电压的不足，还是会有一部分电流没有沿着泥浆流动。电压比变化的这个区间我们称其为欠聚焦区。

当a＝V₁/V₂从0.8变化到1.0的这个过程中，发射电极回路中电阻模值继续增加，在这个区间里面，随着屏蔽电压的增高，内电极流出的电流基本山全部穿过岩石。此时仪器对待测岩石电参数的变化是最为敏感，这也是我们传感器探头所追求的效果。这个区间的电流被合理的聚焦在了岩石里面，所以我们把这个区间叫做聚焦区。

随着屏蔽电压的继续增高，当a＝V₁/V₂大于1.01的时候，由于屏蔽电极电压的增大，原本平行流动的电流会出现合流，也是就是在岩石中会出现一个焦点。此时内电极回路阻抗为无穷大，随着外围电压的继续增加，合流电流会沿着内电极反向流动，内电极回路电阻阻抗值由负无穷大逐渐减小，但是由于内电极无电流流入岩石内部，所以不能探测岩石的电阻率和介电常数。我们把电压的这个区域称为过聚焦区。

欠聚焦区、聚焦区以及过聚焦区之间的分界线并不是一个明确的点，而是一个模糊的区间，不同测井环境对应的聚焦区间不完全相同，但是对于整个区间扫描得到的曲线走势是相同的，本领域技术人员可根据不同的情况、不同的曲线以及要求定义对应的聚焦区间。

可以看出，当a>>1的时候，由于极高的电压形式会导致出现过聚焦现象，将电流聚焦在导电泥浆层，反而不能更好的进入岩石；相反当a<<1的时候又会出现欠聚焦现象；只有当a取合适的值的时候才能够实现有效地电流控制，使得电流穿过泥浆进入岩石，从而保证传感器探头对岩石的电参数最敏感。电压比范围是根据测量的情况不同会发生变化。本领域技术人员可以通过灵活的控制屏蔽电极电压源与发射电极电压源的电压比，保证探头对不同的测试环境的适应能力。

本发明的传感器探头可工作在多频模式，不同的工作频率对于不同的待测电参数的敏感度不同，采用多频模式结合可以更加精确的反演岩石电参数。那么在测量之前需要建立各工作频率下，不同的电阻率和介电常数组合下对应的阻抗响应即可。以双频模式为例：

首先，通过数值计算建立两种频率f₁＝10KHz、f₂＝1MHz在各种电阻率ρ＝1000～1000000Ω·m和介电常数ε_r＝1～80下的阻抗响应Z(包括实部和虚部)数据库：

Z_f₁_r_s(ρ,ε_r),Z_f₁_i_s(ρ,ε_r),

Z_f₂_r_s(ρ,ε_r),Z_f₂_i_s(ρ,ε_r),

Z_f₁_r_s(ρ,ε_r)为工作频率f₁某电阻率ρ与介电常数ε_r所对应的阻抗响应仿真值的实部，Z_f₁_i_s(ρ,ε_r)为工作频率f₁某电阻率ρ与介电常数ε_r所对应的阻抗响应仿真值的虚部；

Z_f₂_r_s(ρ,ε_r)为工作频率f₂某电阻率ρ与介电常数ε_r所对应的阻抗响应仿真值的实部，Z_f₂_i_s(ρ,ε_r)为工作频率f₂某电阻率ρ与介电常数ε_r所对应的阻抗响应仿真值的虚部；

之后的探测过程中，得到2种频率下的阻抗响应探测值(包括实部与虚部)：

Z_f₁_r_m(ρ,ε_r),Z_f₁_i_m(ρ,ε_r),

Z_f₂_r_m(ρ,ε_r),Z_f₂_i_m(ρ,ε_r)

在数据库中找到最优解，使得下述目标函数最小：

$\begin{array}{c}f(\mathrm{\&sigma;},{\mathrm{\&epsiv;}}_r)=\\ \underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left\{W_{\mathrm{rj}}\right||Z\_f_j\_r\_m-Z\_f_j\_r\_s||(\mathrm{\&sigma;},{\mathrm{\&epsiv;}}_r)+W_{\mathrm{ij}}||Z\_f_j\_i\_m-Z\_f_j\_i\_s(\mathrm{\&sigma;},{\mathrm{\&epsiv;}}_r)|\left|\right\}\end{array}$

W_rj,W_ij分别为权系数，为经验值。

将测得的到2种频率下的阻抗数据代入目标函数中，遍历数据库，找到使目标函数最小对应的介电常数和电阻率，就可以得到油基泥浆的对应电参数。

Claims (3)

1.井下岩石电参数测量用传感器探头，包括发射电极、收集电极，发射电极电压源，发射电极电压源通过导线分别与收集电极、发射电极相连，其特征在于，还包括屏蔽电极、屏蔽电极电压源，屏蔽电极为环状结构，发射电极设置在的屏蔽电极的环内；屏蔽电极电压源通过导线分别与收集电极、屏蔽电极相连；发射电极与收集电极设置在井下采样的岩石同一侧；

屏蔽电极电压源加载在屏蔽电极上，使得发射电极流出的电流能穿透导电泥浆进入岩石内部到达收集电极。

2.如权利要求1所述井下岩石电参数测量用传感器探头，其特征在于，收集电极设置在发射电极的上方或下方。

3.如权利要求1所述井下岩石电参数测量用传感器探头，其特征在于，收集电极为环状结构，发射电极与屏蔽电极均设置在收集电极的环状结构内。