CN105332697A - 一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系 - Google Patents

Abstract

一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，其线圈系结构由缠绕在非导电骨架上的8个子阵列组成，每组子阵列由1个发射线圈和2个同方向接收线圈组成，所有线圈的法向方向与x轴重合或平行，或者与y轴重合或平行，2个接收线圈缠绕方向与发射线圈一致，副接收线圈位于发射线圈和主接收线圈的中间；发射线圈和接收线圈的位置是通过对2发射1接收子阵列结构采取对偶原则得到，匝数根据接收信号聚焦的程度来调整；该共面线圈系增大接收信号；减小趋肤效应影响，负响应区域明显减少，井眼影响近似为线性影响，可以利用基于数据库的井眼校正方法消除井眼影响，能准确的获取地层垂直方向的电导率。

Description

一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系

技术领域

本发明涉及地球物理测井技术领域，特别涉及多个线圈系组成的一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系。

背景技术

与常规感应测井方法不同，三分量感应测井仪由三个彼此相互垂直的发射和接收线圈组成。最初设计思想是通过测量薄交互层的水平电导率和垂直电导率来获取砂岩和泥岩电导率。实际上，由于直接测量到地层张量电导率，因此还可以获取地层的倾角和方位角等丰富的信息。三分量阵列感应测井仪器的提出使人们更准确地认识井眼周围地层的三维特性，既可用于直井，也可用于斜井和水平井。研究应用显示三分量感应测井仪在地层各向异性方面的探测能力和应用前景。但是，三分量感应测井首先遇到的一个严重问题是:井眼和泥浆侵入对仪器共面线圈系测井响应的影响比对其共轴线圈的影响要严重和复杂得多，在导电性泥浆井眼中出现仪器偏心时尤其如此，针对这一问题，国外两大测井公司从不同角度研制出不同仪器及相应的资料处理方法。

2000年首次公开报道了由BakerAtlas和Shell公司联合研制的3DEX^TM仪器及其配套的多频聚焦方法。该仪器采用不同心、相互正交布置的发射和接收线圈系，使用20～220kHz的10个频率，测量磁场张量的H_xx、H_yy、H_zz、H_xy、H_xz共5个分量，2005年又推出了测量磁场全部9个分量的新仪器3DEX-Elite^TM，既可以完成对各向异性的测量，又能够完成对地层的倾角和方位角信息的测量，但在处理过程中会显著放大测量噪声，使得在高阻地层中往往难于达到测井解释所需的精度要求。

2003年，Schlumberger公司推出的三分量阵列感应测井仪Rt-Scanner采用阵列感应仪器的设计理念，三个正交线圈共面，同轴，并且是延用阵列感应仪器结构，仪器长20.5英尺，由一组三轴正交发射线圈、三个沿z方向的短接收线圈和6组三轴正交的接收线圈组成，使用2个频率(13kHz和26kHz)，提供234条测井曲线。该仪器在测量地层各向异性、倾角及方位角等方面起到了很好的作用。它通过在线圈系之间布置金属电极来抑制井眼中的电流，减少井眼影响，使水平磁偶极子的井眼影响降低到与垂直磁偶极子相同的水平。在模拟井中实验表明，减少井眼效应的效果是非常明显的，但仪器结构复杂。

国内三分量感应测井仪的研制是以国外的3DEX和Rt-Scanner为基础，2008年中国海洋石油测井公司研究了三分量感应仪器的模型机，目前还没有看到相关的现场试验结果。同年中国石油测井有限公司的三维感应测井仪器关键技术研究，目前正处于样机研发阶段。2009年中国石油集团长城钻探工程有限公司肖加奇的研究团队进行三维感应测井仪器的研制，其三轴正交线圈系采用分离缠绕的结构，该样机正在进行相关试验。该研究团队的实用新型专利“三轴正交线圈系”，提供一种测量水平和垂直电导率的三轴正交线圈系的绕制方法。2013年，中国海洋石油总公司孙向阳等人的实用新型专利“一种三分量感应测井仪的线圈结构”，也是在现有三分量感应测井的1发2收子阵列的结构基础上，提供了一种发射-接收线圈系可在仪器骨架上调节的线圈结构。

上述所有仪器的共面线圈系子阵列均采用3个正交的发射、接收和屏蔽线圈组成，为屏蔽直耦分量，线圈的缠绕方向与接收线圈的缠绕方向相反匝数小于接收线圈的匝数。这种结构存在严重的井眼影响等问题，特别是在仪器偏心、泥浆电阻率低、侵入带电阻率低、地层电阻率高等情况下，视电导率出现负值，不能反映地层信息。2014年，我们提出了一种新的共面3线圈系子阵列结构，它由2个发射和1个接收线圈组成，3个线圈的缠绕方向一致，2个发射线圈串联。8个子阵列组成阵列共面线圈系，测量垂直方向地层电导率。这种结构较为有效的解决了上述问题，目前已经申请发明专利，处于发明公布阶段。但是这种结构需要实现16个发射电路分时工作，电路结构复杂，对器件选择的一致性较高。

发明内容

针对现有阵列共面线圈系测量信号存在的缺陷，本发明的目的是提出一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，设计线圈系结构和发射电路控制，测量井眼周围不同深度的丰富地层电阻率信息，通过对原共面线圈系结构的改进，减小趋肤效应影响和仪器附近的负值影响，为后续的油气评价提供可靠保障。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，由缠绕在非导电骨架上的8个独立的3线圈系子阵列组成，每个子阵列由1个发射线圈和2个同方向的接收线圈组成；2个接收线圈分别为主接收线圈和副接收线圈；所有线圈的法向方向与x轴重合或平行，或者与y轴重合或平行；副接收线圈位于发射线圈与主接收线圈的中间，且缠绕方向与发射线圈一致。

所述的1个发射线圈和2个同方向的接收线圈为一个子阵列，使用时位置布置采用8个子阵列，需要16个接收线圈，16个接收线圈共用一个发射线圈，所有线圈采用内外绕方式，同方向缠绕于非导电芯棒上，实现8个子阵列分别完成井眼周围地层电导率的测量，主接收线圈间距分别为0.15m、0.225m、0.3000m、0.3750m、0.5250m、0.6750m、0.9750m、1.8000m；副接收线圈位于发射线圈和主接收线圈之间，间距分别为0.075m、0.1125m、0.15m、0.1875m、0.2625m、0.3375m、0.4875m、0.9m。

发射线圈产生的谐波倍频信息的三阶梯波小于7kHz，最低频7kHz满足常规电阻率测量范围，多个频率有利于使用多频率趋肤效应校正方法。

本发明的优点为：线圈系结构由缠绕在非导电骨架上的8个子阵列组成，每组子阵列由1个发射线圈和2个同方向的接收线圈组成，线圈的法向方向与x轴重合或平行，或者与y轴重合或平行。发射线圈施加正弦变化电流源，向井眼及周围地层媒质发射交变电磁信号；在距发射线圈一定距离布置2个相同方向绕向的接收线圈，接收来自地层的感应信号，其中副接收线圈位于发射线圈和主接收线圈的中间，缠绕方向与发射线圈一致。该共面线圈系结构对研究各向异性地层的电阻率特性进而研究其评价方法具有实际意义。本发明有效地解决了现有阵列共面线圈系存在的问题，与现有共面线圈系相比，新的阵列共面线圈系增大接收信号；减小趋肤效应影响；负响应区域明显减少，井眼影响近似为线性影响，可以利用基于数据库的井眼校正方法消除井眼影响。

附图说明

图1为本发明的线圈系布置方式示意图。

图2为对应图1的3线圈系子阵列结构示意图。

图3为本发明的子阵列5的视电导率随副接收线圈匝数和间距变化的二维图。

图4为子阵列5的原共面线圈系和本发明共面线圈系的一维(径向微分)几何因子图。

图5为本发明共面线圈系子阵列8取1K～20K的20个频率点时，视电导率随地层电导率的变化曲线。

图6为地层电导率为1.0S/m，工作频率7K时，原1发射2反向接收共面线圈系子阵列5的二维响应函数。

图7为地层电导率为1.0S/m，工作频率7K时，本发明1发射2同向接收共面线圈系子阵列5的二维响应函数。

图8为在均匀地层中，子阵列5的新共面线圈系、原共面线圈系和共轴线圈系三种情况下视电导率解析解的对比图。

图9为泥浆电导率为0.01S/m～100S/m，地层电导率为0.001S/m～10S/m时，本发明的共面线圈系子阵列1、5、7、8的视电导率变化曲线。

图10为本发明测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系井下仪器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细叙述。

一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，其线圈系结构由缠绕在非导电骨架上的8个子阵列组成，每组子阵列由1个发射线圈和2个同方向接收线圈组成，2个接收线圈分别为主接收线圈和副接收线圈，所有线圈的法向方向与x轴重合或平行，或者与y轴重合或平行，2个接收线圈缠绕方向相同，与发射线圈一致，副接收线圈位于发射线圈和主接收线圈的中间。

所述的1个发射线圈和2个接收线圈为1个子阵列，使用时位置布置采用8个子阵列，需要16个接收线圈，16个接收线圈共用1个发射线圈，所有线圈采用内外绕的方式，同方向缠绕于非导电芯棒上，发射电路控制向线圈系提供交变电磁信号，采用三频率(7kHz、14kHz、28kHz)工作方式，实现8个子阵列分别完成井眼周围地层电导率的测量。主接收线圈间距分别为0.15m、0.225m、0.3000m、0.3750m、0.5250m、0.6750m、0.9750m、1.8000m；副接收线圈位于发射线圈和主接收线圈之间，间距分别为0.075m、0.1125m、0.15m、0.1875m、0.2625m、0.3375m、0.4875m、0.9m。

发射线圈产生的谐波倍频信息的三阶梯波小于7kHz，最低频7kHz满足常规电阻率测量范围，多个频率有利于使用多频率趋肤效应校正方法。

本发明的工作原理为：

所述的接收线圈接收信号的原理如下：

在均匀地层中，根据电磁场理论推导，得到双线圈系的测量电压V、仪器常数和视电导率σ_a的公式为

$V=\frac{{\mathrm{i\ω\μN}}_{Tx}{N}_{Rx}{A}_{T1x}{A}_{Rx}{I}_{Tx}}{4{\mathrm{\πL}}_{TR}^3}{e}^{-ikL}\[1+{\mathrm{ikL}}_{TR}-k^2{L}_{TR}^2\]---\left(1\right)$

$K=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ}}^2{N}_{Tx}{N}_{Rx}{A}_{Tx}{A}_{Rx}}{8{\mathrm{\πL}}_{TR}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_a=\frac{-2i}{L_{TR}^2\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}}\[e^{-ikL}(1+{\mathrm{ikL}}_{TR}-k^2{L}_{TR}^2)-1\]---\left(3\right)$

式(1)至(3)中，i是虚数单位，L_TR是发射线圈与接收线圈之间的间距；k是波数，k²＝ω²μ(ε+iσ/ω)，ε地层介电常数，σ地层电导率，ω为角频率，ω＝2πf，f是发射频率，μ是地层磁导率。可以得到，主发射和副发射与接收线圈组成的双线圈系的电压为

$V_{TR1}=\frac{{\mathrm{i\ω\μN}}_T{N}_{R1}{A}_T{A}_{R1}{I}_T}{4{\mathrm{\πL}}_{TR1}^3}{e}^{-{\mathrm{ikL}}_{TR1}}\[1+{\mathrm{ikL}}_{TR1}-k^2{L}_{TR1}^2\]---\left(4\right)$

$V_{TR2}=\frac{{\mathrm{i\ω\μN}}_T{N}_{R2}{A}_T{A}_{R2}{I}_T}{4{\mathrm{\πL}}_{TR2}^3}{e}^{-{\mathrm{ikL}}_{TR2}}\[1+{\mathrm{ikL}}_{TR2}-k^2{L}_{TR2}^2\]---\left(5\right)$

依据感应测井三线圈系视电导率得到新共面三线圈系视电导率为

${\mathrm{\σ}}_a=\frac{\frac{N_T{N}_{R1}}{L_{TR1}}{\mathrm{\σ}}_{aTR1}+\frac{N_T{N}_{R2}}{L_{TR2}}{\mathrm{\σ}}_{aTR2}}{\frac{N_T{N}_{R1}}{L_{TR1}}+\frac{N_T{N}_{R2}}{L_{TR2}}}---\left(6\right)$

式(4)、(5)、(6)中，I_T为发射线圈中的交变电流信号强度；A_T、A_R1和A_R2分别为发射、主接收和副接收线圈的面积，由于3个线圈均缠绕在同一非导电芯棒上，因此，3个面积完全相等。N_T、N_R1和N_R2分别为发射、主接收和副接收线圈的匝数；L_TR1和L_TR2为发射线圈分别与主、副接收线圈的距离，且

类似于共轴三线圈视电导率的推导方法，得到新共面三线圈系视电导率的复数形式

${\mathrm{\σ}}_a=\frac{-2i}{3{\mathrm{\ω\μL}}^2}\[e^{-ikL}(1+ikL-k^2{L}^2)+8e^{-ik\frac{L}{2}}(1+ik\frac{L}{2}-k^2\frac{L^2}{4})-9\]---\left(7\right)$

式(7)也被称为复视电导率，经过化简整理，将(7)式展开为的幂级数形式

${\mathrm{\σ}}_{aR}=\mathrm{\σ}\[1-\frac{8}{9}\frac{L}{\mathrm{\δ}}+\frac{2}{9}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^3-\frac{5}{48}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^4+\frac{17}{840}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^5-\mathrm{...}\]---\left(8\right)$

${\mathrm{\σ}}_{aX}=\mathrm{\σ}\[-\frac{8}{9}\frac{L}{\mathrm{\δ}}+\frac{3}{4}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^2-\frac{2}{9}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^3+\frac{17}{840}{\left(\frac{L}{\mathrm{\δ}}\right)}^5-\mathrm{...}\]---\left(9\right)$

式(8)和(9)中，L＝L_TR1，定义为趋肤深度，它表示电磁场在介质中传播时的穿透深度。

本发明设计测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系井下仪器部分，井下仪器分为两个大部分，第一部分是发射线圈和接收线圈组成的线圈系，有一组发射线圈，两组接收线圈。发射线圈系工作在三个频率上(7kHz、14kHz、28kHz)，依次发射稳幅、等频交流信号，主、副接收线圈同时接收信号。第二部分就是测量地层电导率的阵列感应测井仪器井下电路部分，主要由电源电路、发射电路、接收电路、信号采集与处理电路、监测电路与通讯电路组成。发射电路在发射线圈上激励起交变电流，发射线圈向周围地层发射一定频率和大小的交变电磁波，各接收电路对接收线圈所收到的信号进行两次放大，之后被送到信号采集与处理电路，利用数字相敏检波算法分离信号的实部与虚部，最后将处理过的测井数据及时上传至地面系统。

实施例1

图1为本发明的线圈系布置方式示意图。

一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，由8个独立的3线圈系子阵列组成，每组子阵列包括1个发射线圈、2个同方向接收线圈。8个子阵列共用1个发射线圈。图中，T表示发射线圈，表示第一组子阵列的主接收和副接收线圈；依次类推，一共有8组。这种线圈系结构，增大接收信号；减小趋肤效应影响，视电导率与共轴线圈系相当；负响应区域明显减少，井眼影响近似为线性影响，可以利用基于数据库的井眼校正方法消除井眼影响。

实施例2

图2为对应图1的3线圈系子阵列结构示意图。2个接收线圈 布置在发射线圈T的同侧，并且位于T和的中间。同时副接收线圈的位置和匝数可以根据接收信号聚焦的程度来调整。

图3为子阵列5的接收电压随副接收线圈匝数和间距变化的二维图。清楚显示在距接收线圈近时，随着匝数增多接收电压增大；距接收线圈远时，匝数对它的影响不大。当匝数多时，距发射线圈越远，接收电压越小；当匝数少时，距接收线圈的远近对接收电压的影响不大。

图4为当σ＝1.0S/m时，本发明的1发射2同向接收子阵列5与目前现有阵列共面线圈系的1发射2反向接收的径向微分几何因子对比图。清楚显示原共面线圈系ρ<0.2929m，径向微分几何因子为负值，且非线性影响；而新共面线圈系明显减少了负值区域，仅当ρ<0.1430m时出现负值区域，响应近似线性变化。

图5为本发明共面线圈系子阵列8取1K～20K的20个频率点时，视电导率随地层电导率的变化曲线。可以看出：工作频率小于7KHz时，视电导率随着地层电导率的增大而增大，并且呈现近似线性过程。工作频率大于7KHz时，当地层电导率较小时，视电导率随地层电导率的变化线性增大；随着地层电导率不断增大，视电导率出现减小的趋势，并且非线性变化。

图6分别是地层电导率为1.0S/m，工作频率7K时，原1发射2反向接收共面线圈系子阵列5的二维响应函数。可以看出，接收线圈和屏蔽线圈之间出现负响应区域，井眼的影响是非线性的。

图7分别是地层电导率为1.0S/m，工作频率7K时，新1发射2同向接收共面线圈系子阵列5的二维响应函数。对比图6得到，新共面线圈系负响应区域减少，负值发生在发射和副接收线圈之间的近场区，并且这部分的井眼影响近似为线性影响，可以利用基于数据库的井眼校正方法消除。

图8为在均匀地层中，共轴线圈系、原共面线圈系和新共面线圈系子阵列5的视电导率解析解的对比图。清楚显示本发明的新共面线圈系，其视电导率几乎与共轴线圈系重合；该线圈系结构随着地层电导率增大，比现有三分量感应共面线圈系的趋肤效应小。

图9为泥浆电导率为0.01S/m～100S/m，地层电导率为0.001S/m～10S/m时，本发明的共面线圈系子阵列1、5、7、8的视电导率变化曲线。显示出新共面线圈系测井响应增大，负响应区域减少，井眼影响由非线性变为线性影响，趋肤效应也明显减小。

短阵列1、2、3和4在给定地层电导率下，视电导率随着泥浆电导率的增大而线性增大；随着阵列间距的增大，长阵列的视电导率均随泥浆电导率的增大出现减小的趋势，但相比原三分量感应的共面线圈系负值区域明显减少。长阵列7、8的趋肤效应明显优于原共面线圈系。

图10为本发明测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系井下仪器示意图。测量地层电导率的阵列感应测井仪器井下探测部件为发射线圈和接收线圈，井下工作的电路部分主要由电源电路、发射电路、接收电路、信号采集与处理电路、监测电路与通讯电路组成。发射电路在发射线圈上激励起交变电流，发射线圈向周围地层发射一定频率和大小的交变电磁波，各接收电路对接收线圈所收到的信号进行两次放大，之后被送到信号采集与处理电路，利用数字相敏检波算法分离信号的实部与虚部，最后将处理过的测井数据及时上传至地面系统。

Claims (3)

1.一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，其特征在于，由缠绕在非导电骨架上的8个独立的3线圈系子阵列组成，每个子阵列由1个发射线圈和2个同方向的接收线圈组成；2个接收线圈分别为主接收线圈和副接收线圈；所有线圈的法向方向与x轴重合或平行，或者与y轴重合或平行；副接收线圈位于发射线圈与主接收线圈的中间，且缠绕方向与发射线圈一致。

2.根据权利要求所述的一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，其特征在于，所述的1个发射线圈和2个同方向的接收线圈为一个子阵列，使用时位置布置采用8个子阵列，需要16个接收线圈，16个接收线圈共用一个发射线圈，所有线圈采用内外绕方式，同方向缠绕于非导电芯棒上，实现8个子阵列分别完成井眼周围地层电导率的测量，主接收线圈间距分别为0.15m、0.225m、0.3000m、0.3750m、0.5250m、0.6750m、0.9750m、1.8000m；副接收线圈位于发射线圈和主接收线圈之间，间距分别为0.075m、0.1125m、0.15m、0.1875m、0.2625m、0.3375m、0.4875m、0.9m。

3.根据权利1所述的一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，其特征在于，发射线圈产生的谐波倍频信息的三阶梯波小于7kHz。