CN113504573A - 一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，属于随钻电法测井领域；具体包括：在钻铤上缠绕两组正交发射线圈和两组接收线圈；两组发射线圈分别连接交流激励源，当交变电流流过两组发射线圈后，由于相位差，形成涵盖各个聚焦磁场方向的周期性变化的椭圆形电磁波，地层空间中的电磁波也呈轴对称的周期性旋转变化；传到接收线圈后，在接收线圈中产生两个感应电动势，通过连接的运算放大器，放大后上传给上位机。在电磁波激励时记录各个聚焦方向，再经过相位差法解调得到各方向的电导率，并转换成电阻率，将所有方向的电阻率组合即为井周的地层电阻率二维分布。本发明通过改变施加给发射线圈的电流大小，即可实现不同深度的电阻率测量。

Description

一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置

技术领域

本发明属于随钻电法测井领域，涉及井周电阻率测量，具体是一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置。

背景技术

地质导向钻井和随钻测井技术是我国海陆油田勘探和开发的重要手段，在复杂油气田勘探与开发中，由于大斜度井、水平井和丛式井的开发难度大，导向钻井和随钻测井技术的应用更是不可或缺。目前，在我国的塔里木油田、大庆油田以及大港油田等已经大面积使用了这两项关键技术。

随钻测井是一种在钻井过程中同时进行测井、并用数据遥测系统将所测结果发送至地面实时处理的技术。其测量参数包括自然伽马、地层侧向电阻率、感应电阻率、声波、密度、中子和光电指数等。由于获得的测井资料是井刚钻开时的地层参数，为最接近地层的原始状态，因此相较于传统的电缆测井，具有显著的实时性优势，既可以及时调整钻头位置、控制井眼轨迹，又可以节省测井用时、实时接收地层参数并进行评价。

早期的随钻测井技术诞生于20世纪40年代，经过三代的研究与开发，现已在测量参数范围、数据传输效率和随钻成像等方面取得长足的发展，并且在Schlumberger等国际公司的研发与推动下，在新世纪得到了更全面的应用。

随钻电阻率测井仪能够测量地下空间电阻率的分布曲线，它由位于同一轴线上的发射线圈和接收线圈构成，改变发射线圈中电流的频率，通过构建接收信号的幅度衰减以及相位差与传输信号之间的函数，能够实现不同探测深度的电阻率曲线测量。

1988年，第一台随钻电阻率测井仪CDR由Schlumberger公司推出。此后，Halliburton公司相继推出了SCWR、CWR、AWR等系列的随钻电阻率测井仪，实现了由原先的单一高频测量转为多频测量，涵盖了从超浅、浅、中等间距到深间距的电阻率测量范围。Baker Hughes公司推出了采用双向补偿测量的电阻率测量仪，实现了更大深度范围的电阻率测量，并保证了数据的正确性。

然而，传统的随钻电阻率测井仪的发射线圈与接收线圈均缠绕在钻铤上，发射线圈产生的电磁场分布为单一方向，不同的探测深度是通过改变发射信号频率来实现的，但一般各个型号的测井仪所应用的发射频率不是随意设定的，而是只使用2～3种固定频率。这就很大程度上限制了测井仪所探测的方位，某些非均匀介质中的电阻率分布就很难探测到。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，通过使用两个正交的发射线圈，并在线圈中分别注入频率相同、存在一定相位差的交变电流，使得两个线圈所产生的合成磁场与钻铤的夹角随时间周期性变化，从而使得合成磁场方向轨迹呈椭圆形变化，即实现了旋转的聚焦磁场，达到了在各个方向发射聚焦电磁波的效果。因此，该装置对于测量非均匀介质中的井周电阻率具有明显的优势。

所述的基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，包括：在钻铤上缠绕的两组正交发射线圈，以及对应的两组接收线圈R₁和R₂，两发射线圈的法线交点O与两组接收线圈的中心间距分别为L₁和L₂；中心间距L₁和L₂的取值根据实际情况设定。

两组正交发射线圈分别连接两个交流激励源，产生的交变电流振幅I₀相同、角频率ω相同、相位差

交变电流为

和

注入两组发射线圈后产生电磁波。

所述的正交发射线圈中，一组线圈为圆形，其法线方向与钻铤轴向重合，半径为a_T1；

另一组线圈呈马鞍型，马鞍的一组对边为钻铤轴向的直线，马鞍另一组对边为钻铤周向的圆弧，四条边的长度均为a_T2；该组线圈的中心法线方向与钻铤轴向垂直。

当交变电流流过两组正交发射线圈后，线圈附近产生的磁场方向分别为与钻铤轴向重合以及与钻铤轴向垂直，在两线圈法线交点O处产生的磁感应强度分别为：

其中，B₁、B₂为两组正交发射线圈产生的磁场的幅值。

两式联立后将ωt消掉，得方程：

由于两组发射线圈中的交变电流存在相位差

当

k＝0,1,2...时，法线交点O处的聚焦磁场方向将会成周期性椭圆形旋转，并形成涵盖各个方向的周期性变化的电磁波。

当

时，两个磁感应强度的合成场的椭圆的长、短轴与x轴、y轴重合，即椭圆关于x轴、y轴对称。相应地，地层空间中的电磁波也呈轴对称的周期性旋转变化。

所述的接收线圈为两组平行线圈，其法线方向与钻铤轴向重合，发射线圈发出的电磁波经过地层空间后，在接收线圈中产生感应电动势V₁和V₂；

接收线圈连接运算放大器，将感应电动势V₁和V₂放大后上传给上位机。其中，感应电动势V₁和V₂的相位

是距离L₁、L₂以及被测井周电导率的函数；

感应电动V₁和V₂的相位差

即电导率的函数，公式为：

其中，

ε为已知的介电常数；μ为已知的磁导率；

在电磁波激励时记录各个聚焦方向，再经过相位差法解调得到各方向的电导率，并转换成各方向对应的电阻率，将所有方向的电阻率组合即为井周的地层电阻率二维分布。通过改变施加给发射线圈的电流大小，即可实现不同深度的电阻率测量。

本发明的优点及效果在于：

1)、一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，由于采用两组相互正交的发射线圈，且分别注入了振幅相同、频率相同、存在一定相位差的正弦交变电流，由于两组发射线圈产生的磁场相互叠加，并以一定的趋势呈椭圆形旋转，便可以在地层空间中形成相应旋转的电磁波，以聚焦地层空间中的各个方向。

2)、一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，通过接收线圈和感应电动势解调，解调出两组接收线圈之间的相位差，从而得到地层空间中井周电阻率的二维分布。

3)、一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，与传统的随钻电阻率测井装置相比，本发明的发射线圈由单组轴向线圈改进为两组正交的线圈；传统的测井装置只能测得单一方向、不同深度的电阻率，而改进后的测井装置能够测量全方位、不同深度的电阻率并得到电阻率的二维分布，对于地层空间存在各向异性的情况，改进后的测井装置所测得的电阻率分布更接近真实值。

附图说明

图1为本发明一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置的示意图；

图2为本发明所述测量装置中发射线圈附近的磁场分布图；

图3为本发明所述测量装置中发射线圈中的交变电流存在相位差导致聚焦磁场方向成周期性椭圆形的示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。

本发明公开了一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，包括以下模块：

1.随钻测井仪的钻铤部分：此部分为发射线圈和接收线圈安装的骨架。

该装置在地层中的工作示例图如图1所示，在钻铤上缠绕的两组正交发射线圈，以及对应的两组接收线圈R₁和R₂，两发射线圈的法线交点O与两组接收线圈的中心间距分别L₁和L₂；中心间距L₁和L₂的取值根据实际情况设定。

2.信号发生模块：该模块为两个交流激励源1和2，能够产生交变电流振幅I₀相同、角频率ω相同、相位差

的交变电流，交变电流为

和

注用于注入两组匝数均为n_T的发射线圈3和4，注入交变电流后的发射线圈附近将会产生交变磁场，进而产生电磁波。由于相位差

的存在，线圈附近的磁场方向将呈周期性椭圆形变化，相应地引起电磁波方向周期性变化。

3.相互正交的两组发射线圈模块：其中一组圆形线圈的法线方向与钻铤轴向重合，半径为a_T1。另一组线圈的呈马鞍型，马鞍的一组对边为钻铤轴向的直线，马鞍另一组对边为钻铤周向的圆弧，设其四条边的长度均为a_T2。其中心法线方向与钻铤轴向垂直。

令两组发射线圈的法线交点为O点，设两组线圈的匝数均为n_T。由信号发生模块提供的交变电流流过两组正交发射线圈后，由于两组线圈中的交变电流存在相位差，线圈附近产生的磁场方向分别为与钻铤轴向重合以及与钻铤轴向垂直，周围形成合成磁场方向将会成椭圆形旋转，并形成涵盖各个方向的电磁波。

如图2所示，两组发射线圈注入电流后，将会在地层空间中辐射电磁波。令线圈附近产生的磁场为1、2，在两线圈法线交点3处产生的磁感应强度方向垂直，分别为：

其中，B₁、B₂为两组正交发射线圈产生的磁场的幅值。

两式联立后将ωt消掉，得方程：

由于两组发射线圈中的交变电流存在相位差

当

k＝0,1,2...时，法线交点O处的聚焦磁场方向将会成周期性椭圆形旋转，并形成涵盖各个方向的周期性变化的电磁波。

如图3所示，当

时，两个磁感应强度的合成场的椭圆的长、短轴与x轴、y轴重合，即椭圆关于x轴、y轴对称。相应地，地层空间中的电磁波也呈轴对称的周期性旋转变化。

4.两组平行的接收线圈模块：与第一组发射线圈相同，其法线方向与钻铤轴向重合，用于接收发射线圈发出的电磁波经过地层空间后，通过周围介质的电磁波，并在接收线圈中产生感应电动势V₁和V₂。

接收线圈连接运算放大器，将感应电动势V₁和V₂放大后上传给上位机。其中，感应电动势V₁和V₂的相位

是距离L₁、L₂以及被测井周电导率的函数；

感应电动V₁和V₂的相位差

即电导率的函数，公式为：

其中，

ε为已知的介电常数；μ为已知的磁导率；

5.接收线圈对应的电动势解调模块。从两组接收线圈的感应电动势中解调并计算出幅度比或相位差，并将之与电阻率对应。由于发射线圈发出的电磁波是朝各个方向椭圆形发出的，在电磁波激励时记录各个聚焦方向，再经过相位差法解调得到各方向的电导率，并转换成各方向对应的电阻率，将所有方向的电阻率组合即为井周的地层电阻率二维分布。通过改变施加给发射线圈的电流大小，即可实现不同深度的电阻率测量。

本发明所述基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，具体使用过程为：

首先，使用信号发生器产生振幅I₀相同、角频率ω相同、相位差

的两个正弦交流信号；然后，将交流信号注入随钻电阻率测井仪的发射线圈中，在线圈周围产生旋转的交变磁场，同时产生旋转的电磁波；由发射线圈发射的电磁波通过地层空间后，在两组接收线圈中产生感应电动势；通过放大电路将感应电动势放大后，传入计算机中进行进一步的处理。

Claims (5)

1.一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，其特征在于，具体包括：在钻铤上缠绕两组正交发射线圈，以及对应的两组接收线圈R₁和R₂，两组正交发射线圈分别连接两个交流激励源，产生的交变电流振幅I₀相同、角频率ω相同、相位差为

注入两组发射线圈后产生电磁波；

所述的正交发射线圈中，一组线圈为圆形，其法线方向与钻铤轴向重合；

另一组线圈呈马鞍型，马鞍的一组对边为钻铤轴向的直线，马鞍另一组对边为钻铤周向的圆弧，四条边的长度相同；该组线圈的中心法线方向与钻铤轴向垂直；

当交变电流流过两组正交发射线圈后，线圈附近产生的磁场方向分别为与钻铤轴向重合以及与钻铤轴向垂直，由于两组发射线圈中的交变电流存在相位差

当

时，法线交点O处的聚焦磁场方向将会成周期性椭圆形旋转，并形成涵盖各个方向的周期性变化的电磁波；

当

时，两个磁感应强度的合成场的椭圆的长、短轴与x轴、y轴重合，即椭圆关于x轴、y轴对称；相应地，地层空间中的电磁波也呈轴对称的周期性旋转变化；

所述的接收线圈为两组平行线圈，其法线方向与钻铤轴向重合，发射线圈发出的电磁波经过地层空间后，在接收线圈中产生感应电动势V₁和V₂；接收线圈连接运算放大器，将感应电动势V₁和V₂放大后上传给上位机；

在电磁波激励时记录各个聚焦方向，再经过相位差法解调得到各方向的电导率，并转换成各方向对应的电阻率，将所有方向的电阻率组合即为井周的地层电阻率二维分布；通过改变施加给发射线圈的电流大小，即可实现不同深度的电阻率测量。

2.如权利要求1所述的一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，其特征在于，所述两组发射线圈的法线交点O与两组接收线圈的中心间距分别为L₁和L₂；中心间距L₁和L₂的取值根据实际情况设定。

3.如权利要求1所述的一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，其特征在于，所述交变电流为

和

4.如权利要求1所述的一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，其特征在于，所述当交变电流流过两组正交发射线圈后，在两线圈法线交点O处产生的磁感应强度分别为：

其中，B₁、B₂为两组正交发射线圈产生的磁场的幅值；

两式联立后将ωt消掉，得方程：

5.如权利要求1所述的一种基于聚焦磁场的井周电阻率测量装置，其特征在于，所述感应电动势V₁和V₂的相位差

即为电导率，公式为：

其中，

ε为已知的介电常数；μ为已知的磁导率。

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