CN109860983A - 一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，包括金属钻铤和天线部分，钻铤为支撑装置，设置了三个偶极子天线(一个发射天线、两个接收天线)，在金属钻铤外壁上开凿三个固定天线的凹槽，凹槽内设置加载偶极子天线，为了防止金属体对电磁波的相消干涉，在凹槽内填充烧结镍锌铁氧体，每个加载偶极子天线包括两个对称分布的天线单臂，每个天线单臂内含有七个天线节、连接在相邻天线节之间的集总电阻以及天线头，天线头分别连接两个天线单臂的对应端，连接处设有天线馈线，分别用于输入信号和接收信号。本发明的有益效果：集总电阻有效改变偶极子天线上的电流分布，使其带宽得以展宽，解决了在进行泥浆侵入探测时的空间分辨率问题。

Description

一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线

技术领域

本发明涉及石油测井领域，尤其涉及一种基于随钻测井的井下雷达天线，该天线系统可以用于进行泥浆侵入深度的探测。

背景技术

在石油钻井过程中，为了保持井壁稳定性，需要使钻井液的压力略大于地层的压力，这样往往会导致钻井泥浆滤液侵入到地层之中，从而使得井筒周围地层的电性参数发生改变，不利于对地下储层油气的准确评估。由现有文献可知，泥浆的侵入深度与储层的渗透率有着密切的关系，现有的常规测井手段难以准确测量泥浆侵入深度。在泥浆侵入过程中，在井筒周围的地层之中将会形成侵入层和未侵入层，由于电性参数的差异，高频电磁波将会在侵入层和未侵入层的交界面形成反射波，因此，可以使用一定的工具来对泥浆侵入深度进行探测。

传统的随钻电磁波电阻率测井仪采用线圈作为收发天线装置，可以有效的对地层电阻率进行评估。但是由于随钻电磁波电阻率测井仪以线圈系作为收发天线，采用的频率较低，所以对地层探测的分辨率有限。

而钻孔雷达作为一种工作在高频段的井下物探方法，具有良好的径向分辨率。虽然随着工作频段的提高，其探测深度会减小，但是对于常规钻井过程，泥浆侵入深度一般小于1m，因此，钻孔雷达可以应用于泥浆侵入深度的探测中。

文献“Chen Y H,Coates R T,Chew W C.FDTD modeling and analysis of abroadband antenna suitable for oil-field imaging while drilling.IEEETransactions on Geoscience and Remote Sensing,2002,40(2):134-142”提出在不破坏金属钻铤机械强度的前提下，在金属钻铤上开凿特定尺寸的槽，将钻孔雷达天线放置在金属槽中，以实现随钻的雷达测井。不足之处在于该天线只是简单的在偶极子两端加负载，其并未达到超宽带要求,因此不适用于对泥浆侵入这一复杂环境探测的要求。

在申请公开号为CN102509900A名称为《一种井下地质探测雷达用定向偶极子天线》专利文献中公开了一种由天线壳体，设于壳体内的三根偶极子天线以及绕天线的中心线背靠背对应设置的三个反射板组成的定向偶极子天线，其具有良好的特性，可应用于钻孔中进行探测。但由于结构固定，只能用于裸井测量而不能应用于随钻测井，且其天线布置方式无法完成对于目标物体深度的探测，只能用于一般的地层成像。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施设计了一种基于随钻测井并可以用于泥浆侵入深度探测的井下雷达天线。

本发明的实施提供一种基于随钻测井的可用于泥浆侵入深度探测的井下雷达天线，包括金属钻铤和三个加载偶极子天线，一个所述加载偶极子天线为发射天线，另两个所述加载偶极子天线为接收天线，所述金属钻铤外壁轴向从上至下设有开口方向相同的三个金属槽，每一个所述金属槽内设置一个所述加载偶极子天线，且所述加载偶极子天线和所述金属槽间填充烧结镍锌铁氧体，每一所述加载偶极子天线包括上下对称的两个天线单臂，每一个所述天线单臂包括七个天线节、连接在相邻天线节之间的若干集总电阻及天线头，所述天线头连接在一个所述天线单臂的一端并与另一个对应放置的所述天线单臂的天线头相连接，两个所述的天线头连接处设有天线馈线，所述发射天线的天线馈线用于输入信号，所述接收天线的天线馈线用于接收信号。

进一步地，所述发射天线为T，两个所述接收天线分别为R₁和R₂，所述发射天线T至所述接收天线R₁和所述接收天线R₂的距离分别为l₁、l₂，且l₁≤l₂，所述发射天线T发射信号，该信号经侵入层前缘反射后分别被所述接收天线R₁和所述接收天线R₂接收，t₁为所述接收天线R₁接收该信号所经历时间，t₂为所述接收天线R₂接收该信号所经历时间，所述泥浆侵入深度d的具体计算公式为：

进一步地，所述发射天线设置于两个所述接收天线之上，且所述发射天线至两所述接收天线的距离分别为500mm和1000mm。

进一步地，所述天线节为铜质管体，每一个所述天线单臂的七天线节用支撑管串接，且所述天线节与其两端的所述天线节之间用PVC材料填充。

进一步地，所述天线头为圆台形，且所述天线头较大端面连接所述天线节，较小端面连接另一相对设置的所述天线单臂的天线头的较小端面。

进一步地，所述天线单臂靠近所述天线头一端设有头部固定套，另一端设有尾部固定套。

进一步地，所述金属槽为矩形槽，长度为440mm，宽度为60mm，深度为70mm。

进一步地，所述天线单臂由其天线头一端至另一端，所述集总电阻的大小依次为2.02KΩ、2.24KΩ、2.53KΩ、2.93KΩ、3.51KΩ、4.41KΩ。

进一步地，所述天线馈线为特性阻抗为75Ω的同轴电缆。

本发明的实施提供的技术方案带来的有益效果是：本发明设计了一种基于随钻测井的用于探测泥浆侵入深度的井下雷达天线，偶极子天线加载了集总电阻，可有效改变偶极子天线上电流的分布，使其带宽得以展宽，在40-500MHz频段范围内，天线的回波损耗都保持在-10dB以下,且其辐射的波形良好，拖尾相对较小，在实现了超宽带天线之后，利用探地雷达常用的宽角法模型，将天线按照一发双收的模式放置，可以很容易的得到所需要探测的目标体深度，解决了泥浆侵入深度的测量问题。

附图说明

图1是本发明一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线的示意图；

图2是图1中的加载偶极子天线6示意图；

图3是对本发明发射天线T进行电磁仿真所得到的回波损耗曲线S₁₁图；

图4为本发明仿真运行完毕后接收天线R₁所接收到的时域波形图；

图5为本发明仿真运行完毕后接收天线R₂所接收到的时域波形图。

图中：1-金属钻铤、2-烧结镍锌铁氧体、3-发射天线T、4-接收天线R₁、5-接收天线R₂、6-加载偶极子天线、7-天线馈线、8-天线节、9-集总电阻、10-支撑管、11-天线头、12-头部固定套、13-尾部固定套。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施提供了一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，包括金属钻铤1和三加载偶极子天线6。

所述金属钻铤1内径20mm，外径90mm，在所述金属钻铤1上开设三个矩形金属槽，所述金属槽尺寸为长度为440mm，宽度为60mm，深度为60mm，三个所述金属槽沿着所述金属钻铤1轴向由上到下分布，且三个所述金属槽开口方向相同，相邻所述金属槽之间的间距为500mm。

每一个所述金属槽内设置一个所述加载偶极子天线6，在每一个所述金属槽内填充烧结镍锌铁氧体2，填充深度为60mm，在烧结镍锌铁氧体2顶端挖出一个半径为5mm，长度为440mm的半圆柱槽，用以放置加所述载偶极子天线6，所述半圆柱槽内除去所述加载偶极子天线6之外的空间利用PVC材料填充，用以固定所述加载偶极子天线6，使其不会脱离填充的所述烧结镍锌铁氧体2。金属对于电磁信号具有强反射作用，如果将所述加载偶极子天线6直接放置在所述金属槽中，所述金属槽内壁势必会对所述加载偶极子天线6辐射的电磁信号产生强干扰，因此填充所述烧结镍锌铁氧体2，用于吸收所述加载偶极子天线6的后向电磁波，以减小金属槽对信号的干扰。

请参考图2，所述加载偶极子天线6材质为铜，每一个所述加载偶极子天线6包括上下对称的两个天线单臂，每一个所述天线单臂包括天线头11和七个天线节8，所述天线头11为圆台形的，长度为18mm，上底面内径为1mm,外径为2mm，下底面内径为4mm，外径为5mm，两个所述天线单臂的所述天线头11上底面相连接，所有天线节8均为内径为4mm，外径为5mm的铜质空心圆柱体管体，所有天线节8上下依次排列，且相邻所述天线节8之间用集总电阻9连接形成天线单臂，所述天线头11设置于所述天线单臂一端，所述天线单臂另一端的所述天线节8设有尾部固定套13，所述天线单臂由其天线头11一端至另一端，所述天线节8的长度依次为63.1mm，8.12mm，9.15mm，10.26mm，11.5mm，12.87mm，69mm，每一个所述天线单臂的七天线节8用支撑管10串接，且所述集总电阻9与其两端的所述天线节8之间用PVC材料填充，所述尾部固定套13将所述天线单臂一端的天线节8套紧于所述支撑管10上，两个所述天线头11用头部固定套12连接，且二者之间的间距为4mm，两个所述天线头11连接处设有天线馈线7，所述天线馈线7穿过所述支撑管10和所述金属钻铤1内孔引出。本实施例中，所述天线馈线7选择特性阻抗为75Ω的同轴电缆。

三个所述加载偶极子天线6中，一个所述加载偶极子天线6为发射天线T 3，另两个所述加载偶极子天线6为接收天线R₁4和接收天线R₂5，本实施例中，所述发射天线T 3设置于所述接收天线R₁4和接收天线R₂5上方，且所述发射天线T 3至两所述接收天线R₁4和所述接收天线R₂5的距离分别为l₁、l₂、本实施例中l₁优选500mm和l₂优选1000mm。所述发射天线T 3的天线馈线用于输入信号，所述接收天线R₁4和所述接收天线R₂4的天线馈线用于接收信号，根据宽角法模型可计算泥浆侵入深度d的具体计算公式为

其中，所述发射天线T 3发射信号，该信号经侵入层前缘反射后分别被所述接收天线R₁4和所述接收天线R₂5接收，t₁为所述接收天线R₁4接收该信号所经历时间，t₂为所述接收天线R₂5接收该信号所经历时间。

所述发射天线T 3采用中心频率为225MHz的高斯一阶脉冲进行激励，在背景介质介电常数为10的环境中进行仿真，并设置泥浆侵入带进行探测仿真，其中附图3为所述发射天线T的回波损耗S₁₁曲线图，附图4及附图5分别为所述接收天线R₁4和所述接收天线R₂5所接收到的时域波形图，从图中可以看出在40–500MHz频段范围内，天线的回波损耗都保持在–10dB以下，在时域波形图中，拖尾较小，且可以很容易地看出泥浆侵入层与原状地层交界面处的反射信号并从中提取所述接收天线接收反射信号时间。

通过所述接收天线R₁4和所述接收天线R₂5接收到的反射信号的时间，根据上述的泥浆侵入深度公式可以求出泥浆侵入层的深度。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，其特征在于：包括金属钻铤和三个加载偶极子天线，一个所述加载偶极子天线为发射天线，另两个所述加载偶极子天线为接收天线，所述金属钻铤外壁轴向从上至下设有开口方向相同的三个金属槽，每一个所述金属槽内设置一个所述加载偶极子天线，且所述加载偶极子天线和所述金属槽间填充烧结镍锌铁氧体，每一个所述加载偶极子天线包括上下对称放置的两个天线单臂，每一个所述天线单臂包括七个天线节、连接在相邻天线节之间的若干集总电阻及天线头，所述天线头连接在一个所述的天线单臂的一端，并与另一对应放置的所述天线单臂的天线头相连接，两个所述天线头连接处设有天线馈线，所述发射天线的天线馈线用于输入信号，所述接收天线的天线馈线用于接收信号。

2.如权利要求1所述的一种基于随钻测量的井下雷达天线，其特征在于：所述发射天线为T，两个所述接收天线分别为R₁和R₂，所述发射天线T至所述接收天线R₁和所述接收天线R₂的距离分别为l₁、l₂，且l₁≤l₂，所述发射天线T发射信号，该信号经泥浆侵入层前缘反射后分别被所述接收天线R₁和所述接收天线R₂接收，t₁为所述接收天线R₁接收该信号所经历时间，t₂为所述接收天线R₂接收该信号所经历时间，所述泥浆侵入深度d的具体计算公式为：

3.如权利要求1所述的一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，其特征在于：所述发射天线设置于两个所述的接收天线之上，且所述发射天线至两个所述接收天线的距离分别为500mm和1000mm。

4.如权利要求1所述的一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，其特征在于：所述的天线节为铜质管体，每一个所述的天线单臂的七个天线节用支撑管串接，且所述的天线节与其两端的所述天线节之间用PVC材料填充。

5.如权利要求1所述的一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，其特征在于：所述天线头为圆台形，且所述天线头较大端面连接所述天线节，较小端面连接对端放置的所述天线单臂的天线头的较小端面。

6.如权利要求1所述的一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，其特征在于：所述天线单臂靠近所述天线头一端设有头部固定套，另一端设有尾部固定套。

7.如权利要求1所述的一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，其特征在于：所述金属槽为矩形槽，长度为440mm，宽度为60mm，深度为70mm。

8.如权利要求1所述的一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，其特征在于：所述天线单臂由其天线头一端至另一端，所述集总电阻的大小依次为2.02KΩ、2.24KΩ、2.53KΩ、2.93KΩ、3.51KΩ、4.41KΩ。

9.如权利要求1所述的一种用于泥浆侵入探测的随钻井下雷达天线，其特征在于：所述天线馈线为特性阻抗为75Ω的同轴电缆。