CN112034531A - 一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置及检测方法，外接大功率、可调直流发射电源和电磁探头，装置由全桥发射电路、发射电流测量电路、发射线圈两端的电压测量电路、显示屏、通信口、键盘等功能模块组成，由中央处理器CPU完成电流和电压检测、实时显示。外置发射电源在0V~15V之间变化，显示屏绘制出发射线圈总功耗、无用功耗（消耗）、有用功耗（输出）随发射电流的变化关系曲线，功耗数据可通过通信口上传到计算机等其他设备。针对发射波形是双极性矩形波的瞬变电磁测井仪器，通过此装置可实现电磁探头发射线圈的功耗检测，获得在不同发射电流时不同功耗的变化特征。

Description

一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置及检测方法

技术领域

瞬变电磁测井仪器属于石油测井施工中对生产井的套管损伤状况、地层电阻率等参数进行测量的一种专用仪器，仪器的电磁探头里面绕制了发射线圈和接收线圈。在测井测试过程电磁信号的发射效率由电磁探头的特性决定，不同的电磁探头发射效率会有些偏差，在仪器装备完成之前需要对电磁探头的发射效率进行详细检测。本发明针对这类需求，设计了一种功耗检测装置，实现了瞬变电磁测井仪器探头发射线圈的总功耗、有功功耗、无功功耗的检测。

背景技术

瞬变电磁法对低阻体反应敏感，广泛应用于煤矿井下水文勘查、地面工程和航空勘探等领域。在石油测井领域，电磁探伤测井仪器基于此种原理来实现套管损伤状况的监测，随着国内油田进入到了中后期的采油阶段，过套管电阻率测井技术成为了迫切需求，所以这种技术从航空、地面、煤矿等应用又进行了拓展，在石油测井领域利用瞬变电磁技术实现套管井中对地层电阻率的探测。

瞬变电磁法的发射波形是多种多样的，在测井领域主要使用双极性矩形波。在发射过程由于发射电路和发射线圈等固有特性的影响，发射波形不再是理想的矩形波形状，发射波形的前沿和后沿都要发生一定的形变。瞬变电磁场的原理是利用发射过程产生稳态的一次磁场，发射结束后一次磁场消失，地层涡流感应出二次磁场和二次电场，接收线圈的作用是测量二次电场的变化特征。在测井测试过程中，稳定的一次磁场至关重要，但发射波形产生形变时会产生非稳态场，所以测井系统矩形波发射时间都设定的比较长。发射过程单个矩形波经历时间大于100毫秒，与之相比，波形的前沿和后沿突变所经历较短时间（几个毫秒），突变过程所引起的变化的、属于干扰的一次磁场对地层影响较小，对地层起决定作用的仍然是矩形波不发生形变时产生的稳定一次磁场。在功耗检测过程，发射电流和发射线圈两端电压测量时间段都要处于矩形波不发生形变、直流时间段内。

瞬变电磁测井仪器的核心部件之一是电磁探头，里面的发射线圈和接收线圈分别完成电磁信号的发射和接收功能。探头制作成型之后，探头电性参数也随之固定。探头的电性参数之一是功率消耗，探头发射线圈的功耗是指在发射矩形波的形状稳定后、直流电产生的功耗，这部分功耗转化为两部分，一部分是内损耗（铁耗、铜耗等），做无用功，另一部分转化为磁场能，这部分功耗做有用功。仪器工作过程所期望的是有用功在总功耗里占有的比重越高越好，表现为探头的发射效率得到明显提高。

发明内容

本发明的目的是针对瞬变电磁测井仪器探头提供一种发射线圈功耗检测装置及检测方法，其技术方案如下：

一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置，其特征是，包括信号模块、电流采集模块、电压采集模块，上述模块与处理器模块通讯连接；上述模块与电源模块电连接，所述电源模块为输出电压稳定的低压直流电源；所述信号模块由全桥发射电路组成，用于提供发射信号；所述电流采集模块由电流采集电路组成，用于采集发射线圈电流信息；所述电压采集模块由电压采集电路组成，用于采集发射线圈电压信息。

进一步的，所述全桥发射电路发射波形为不连续的双极性矩形波。

进一步的，所述外接电源由可调直流电源组成。

进一步的，还包括与处理器模块通讯连接的显示模块和输入模块；显示模块用于显示采集到的电流、电压信息，输入模块将检测参数输入到处理器模块。

一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置，对电磁探头进行功耗检测；利用此装置，获取不同发射电流情况下探头的总功耗和无用功耗，差值即是有用功耗，从而建立了一种用于瞬变电磁测井仪器探头发射线圈的功耗检测方法；电磁探头包括发射线圈和接收线圈，电流采集电路与全桥发射电路串联采集电流信息，发射线圈两端连接电压采集电路采集电压信息，电源模块向各模块提供所需电源；采集到的电流、电压参数传输至处理器模块，处理器模块绘制出发射线圈总功耗、无用功耗（消耗功率）、有用功耗（输出功率）随发射电流的变化关系曲线并通过显示模块显示。

本发明的有益效果是：

在电磁探头在安装在仪器内部之前对其功耗参数进行详细的测试，获得在不同发射电流条件下有用功耗和无用功耗的变化特征，利用功耗曲线来确定仪器发射参数最佳值，从而指导仪器进行发射效率的合理配置，使得发射线圈的有用功耗和无用功耗满足最佳发射需求。

附图说明

图1 全桥电路发射原理；

图2 理想的双极性矩形波和实际发射的单个矩形波；

图3 功耗检测装置功能结构图；

图4 不同功耗和发射电流关系图；

图中：1-信号模块，2-电流采集模块，3-电压采集模块，4-处理器模块，5-显示模块，6-通信模块，7-输入模块，8-电源模块，9-发射线圈，10-直流电源，11-电阻。

具体实施方式

请从参阅图1-4，一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置，包括信号模块1、电流采集模块2、电压采集模块3、处理器模块4、显示模块5、通信模块6、输入模块7、电源模块8。

信号模块1、电流采集模块2、电压采集模块3与处理器模块4通讯连接；处理器模块4外接有显示模块5、通信模块6、输入模块7；信号模块1连接于发射线圈9两端，向发射线圈9提供发射信号；电压采集模块连接于发射线圈9两端；对发射线圈的电压参数进行采集；直流电源10与信号模块1连接，提供稳定的直流电压；电流采集模块2连接于电阻11两端，采集电路电流参数；电源模块8为信号模块1、电流采集模块2、电压采集模块3、处理器模块4、显示模块5、通信模块6、输入模块7提供电压稳定的低压直流电源。

所述信号模块1由全桥发射电路组成，用于提供发射信号；所述电流采集模块2由电流采集电路组成，用于采集发射线圈电流信息；所述电压采集模块3由电压采集电路组成，用于采集发射线圈电压信息；所述全桥发射电路发射波形为不连续的双极性矩形波；所述发射电源由直流电源10和可调电阻11组成，是外置的可调直流电源；显示模块5用于显示电流、电压信息，输入模块7将检测参数输入到处理器模块，通讯模块6将采集到的电流、电压参数传输到处理器模块4。

一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置，对电磁探头进行功耗检测。利用此装置，获取不同发射电流情况下探头的总功耗和无用功耗，差值即是有用功耗，从而建立了一种用于瞬变电磁测井仪器探头发射线圈的功耗检测方法，电磁探头包括发射线圈和接收线圈，电流采集电路与全桥发射电路串联采集电流信息，发射线圈两端连接电压采集电路采集电压信息，电源模块向各模块提供所需电源；采集到的电流、电压参数传输至处理器模块，处理器模块绘制出发射线圈总功耗、无用功耗（消耗功率）、有用功耗（输出功率）随发射电流的变化关系曲线并通过显示模块显示。

发射线圈呈螺旋管状，螺旋管通电后所消耗的无用功耗通常有两种：铁耗和铜耗。在测井应用中，瞬变电磁法仪器发射波形是双极性矩形波，矩形波发射过程通直流电，产生稳态的一次磁场，需要消耗一定的有用功耗。根据法拉第电磁感应定律得知变化的磁场才能产生变化的电场，电磁场为稳态场时发射线圈内不会产生涡流，也不会产生磁滞损耗，所以发射线圈工作时不存在铁耗。绕制发射线圈需要铜线，由于材料特性的限制，铜导线必将存在一定数值的电阻，电流流过这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗变成热量而消耗，称之为铜耗。发射线圈工作时，铜耗与流过电流大小有关，电流值越大，铜耗越大。由此得出，发射线圈的总功耗包括了无用功耗（铜耗）和有用功耗（输出功耗），有用功耗是发射电流转换为建立一次磁场而需要的能量。

在检测过程的原理：先确定发射线圈的直流电阻值，在铜导线未绕制成为发射线圈之前或者绕制完成之后通过平衡电桥或其他高精密仪器进行测量，电阻值（r）确定后，用于后期不同发射电流时的功耗计算。测试过程，分别获取发射电流值（I）和发射线圈两端的电压值（U）。总功耗是电压值和电流值的乘积（P = UI），无用消耗为电压值的平方除以电阻值（P₁ = U²/r）, 有用功耗是总功耗和无用功耗相减（P₂ = P - P₁）。改变发射电源的电压值，再次测试，不同发射电压值时得到一系列的功耗曲线，绘制成图。

全桥电路发射的原理如图1。发射波形为不连续的双极性矩形波，双极性矩形波是指发射线圈两端的发射电压波形，波形呈正负对称结构。在仪器中，双极性发射波形由全桥（H桥）发射电路产生，发射直流电源（V）通过四个电子开关（S₁、S₂、S₃、S₄）控制闭合回路的通断， S₁和S₃闭合在发射线圈（L）产生 I₊ 电流（正向发射），S₂和S₄闭合产生 I_- 电流（反向发射）。四个电子开关都断开时发射线圈不发射信号。发射线圈（L）放置在桥臂上，由于自身电感特性，发射完毕（矩形波消失）之后自身电流不能突变。为尽快消耗这部分电流，一般采取并联放电电阻（R）或者吸收电容（C）的方法，图1示例了采用放电电阻时的连接方法。受到全桥发射电路的控制，发射线圈在井周围的介质中产生瞬变电磁场。

发射波形如图2所示，左图为理想的双极性矩形波，右图为实际的、发生变形的单个矩形波。理想的发射波形是发射线圈为纯电阻时出现的特征，矩形波前沿和后沿没有任何形变。矩形波发射时直流电产生稳态场，发射关断后（矩形波消失）开始测量地层二次电场信号。全桥电路中不管是并联放电电阻或者吸收电容，由于发射线圈总具有一定的感性特征，实际的发射波形是在矩形波的前沿和后沿都会发生剧烈的形变，所经历的时间在几个毫秒之内，除去这段形变时间后，矩形波维持了较长时间段的稳定（直流段），图中示意了t₁~t₂时间段内，直流段的经历时间在测井系统里一般设置是为100毫秒以上。有意义的稳态场是指t₁~t₂时间段，发射线圈的功耗测量时间段也是在这之内。这段时间内在负载不变的情况下，发射电流值越大发射的电磁信号功率越大。

发射线圈的功耗检测装置硬件系统采取了如下技术方案：内置全桥发射电路，在全桥电路之前串入电流取样电阻获取电压值，送入电流测量模块进行测量，发射线圈两端连接电压测量模块，实现发射过程中线圈电压值的测量。装置外部接大功率、可调的直流发射电源和电磁探头，装置中的全桥发射电路、发射电流测量电路、发射线圈两端的电压测量电路、显示屏、通信口、键盘等功能模块受中央处理器CPU的控制。工作时，电源模块负责整个装置供电。显示屏绘制出发射线圈总功耗、无用功耗（消耗功率）、有用功耗（输出功率）随发射电流的变化关系曲线，测量数据可通过通信口上传到计算机等其他设备。如图3。

发射线圈采用一定长度的铜导线进绕制，导线内阻需要精密仪器进行测量。测量过程可在绕制成为发射线圈之前，也可在发射线圈绕制完成之后，测量仪器一般采取精密电桥或者其他高精度的电阻测量仪器。发射线圈内阻测量准确后，由测量装置的键盘输入到处理器CPU内存中。

发射线圈和接收线圈封装成为一体后，成为电磁探头。大功率、可调直流电源和电磁探头的发射线圈分别连接在功耗测量装置的对应端口，测量系统的连接工作完成。

不同的发射电源电压值是不同的测量模式，某一种测量模式的电流值和电压值测量和停止由按键（启动、停止）输入进行控制。装置上电后，外置发射电源在0V~15V范围之内进行变化，当发射电源的电压值固定后，由启动按键开启当前模式的测量，处理器CPU自动测量当前的发射电流值和线圈两端电压值，在内存中存储，由停止按键终止当前模式的测量。不断改变发射电源电压值，重复测试得到新模式下的测量值。

显示屏进行实时的绘制，绘制三条曲线，分别是总功耗P，无用功耗P₁，有用功耗P₂，得到不同功耗随发射电流I的变化特征，图形显示结果如图4，横坐标单位安培（A），纵坐标单位瓦特（W）。

Claims (5)

1.一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置，包括处理器模块，处理器模块用于对采集到的电压、电流参数进行数据处理，其特征是，还包括信号模块、电流采集模块、电压采集模块，上述模块与处理器模块通讯连接；上述模块与电源模块电连接，所述电源模块提供输出电压稳定的低压直流电源；所述信号模块由全桥发射电路组成，用于提供发射信号；所述电流采集模块由电流采集电路组成，用于采集发射线圈电流信息；所述电压采集模块由电压采集电路组成，用于采集发射线圈电压信息。

2.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置，其特征是，所述全桥发射电路提供的发射信号是波形不连续的双极性矩形波。

3.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置，其特征是，所述外接发射电源是电压可调的直流电源。

4.根据权利要求1所述的一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置，其特征是，还包括与处理器模块通讯连接的显示模块和输入模块；显示模块用于显示采集到的电流、电压信息，输入模块将检测参数通过键盘输入到处理器模块。

5.基于权利要求1-4任一所述的一种瞬变电磁测井发射线圈的功耗检测装置的检测方法，获取不同发射电流情况下探头的总功耗和无用功耗，差值即是有用功耗，电磁探头包括发射线圈和接收线圈，其特征是，电流采集电路与全桥发射电路串联采集电流信息，发射线圈两端连接电压采集电路采集电压信息，电源模块向各模块提供所需电源；采集到的电流、电压参数传输至处理器模块，处理器模块绘制出发射线圈总功耗、无用功耗（消耗功率）、有用功耗（输出功率）随发射电流的变化关系曲线并通过显示模块显示。

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