CN117231212B - 一种随钻方位电磁波测井仪器和磁场方向调节的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及随钻测井技术领域，尤其是提供了一种随钻方位电磁波测井仪器和磁场方向调节的方法。该仪器包括上连接器、电路仓、天线装置和下连接器，其中，天线装置包括四组倾斜天线装置、四组竖直天线装置、两组水平天线装置；倾斜天线装置包括两组对称45°倾斜天线装置和两组对称异面45°倾斜天线装置；两组对称45°倾斜天线装置用于沿着45°天线平行的方向产生磁场；两组对称异面45°倾斜天线装置用于沿着45°天线垂直的方向产生磁场，该装置结构简单，简化了加工工序，降低了加工难度和设计成本，并通过设计倾斜天线装置、竖直天线装置和水平天线装置确保了磁场方向的可调节性，提高了工作效率，从而保证了探测方案的多样性。

Description

一种随钻方位电磁波测井仪器和磁场方向调节的方法

技术领域

本发明涉及随钻测井技术领域，尤其涉及一种随钻方位电磁波测井仪器和磁场方向调节的方法。

背景技术

近年来，由于随钻测井装置可以提前预估石油和天然气的储层界面距离，并且调节钻进方向，从而使随钻测井装置在最有价值的油气储层中迂回钻进，所以随着油气资源开发进入中后期，大斜度井、水平井及多分支井占据的比重越来越大，此局面的发展使随钻测井装置得到了广泛应用。

目前，随钻测井装置的天线通常设计成多角度朝向装置轴线，其中倾斜线天线设计是重中之重，因其不仅可以测量地层电阻率，还能够探测地层界面和评价地层各向异性等性能备受重视，是各大企业争相寻求突破的方向。

现有技术在加工倾斜线圈时，需要先加工与装置轴线适当角度的环形凹槽，选取环形凹槽的适当位置，确定该位置切线的垂线和该位置与环形凹槽的几何中心所在直线组成的平面，将此平面作为加工平面，并且将该位置与装置轴线的垂直线作为工进方向，制作放入磁性材料的槽口。第一，上述方法每加工一次磁性材料的槽口，就要转换一次加工平面与工进方向，这种设计对加工精度、精确度具有严格要求，工序复杂，加工难度大；第二，为了追求更好的接收发射线圈的性能，工程上希望磁性材料刚好在线圈的正下方，但是采用这种结构设计导致其槽口的深度不一致，越靠近环形槽口曲率小的位置，与装置轴线的垂线相交位置的槽口越深；越靠近环形槽口曲率大的位置，与装置轴线的垂线相交位置的槽口越浅。配套磁性材料需单独设计制造，成本高，且不具有互换性；第三，倾斜线圈的绕线需要在事先切割好的环形凹槽内进行，绕好线圈之后，以焊接的方式同钻铤外壳连接，操作繁琐，维修难度大，对焊接精度具有严格要求，在实际作业中成本高，效率低。第四，一旦加工完成，磁场方向不可变更，导致探测方案单一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种随钻方位电磁波测井仪器和磁场方向调节的方法，用以简化加工工序，降低加工难度和设计成本，确保磁场方向的可调节性，提高工作效率，从而保证探测方案的多样性。

第一方面，本发明提供了一种随钻方位电磁波测井仪器，所述仪器包括：上连接器、电路仓、天线装置和下连接器，其中，天线装置包括四组倾斜天线装置、四组竖直天线装置、两组水平天线装置；电路仓包括三组电子电路仓，三组电子电路仓之间为60°阵列设置于电路仓上；倾斜天线装置包括两组对称45°倾斜天线装置和两组对称异面45°倾斜天线装置；两组对称45°倾斜天线装置用于沿着45°天线平行的方向产生磁场；两组对称异面45°倾斜天线装置用于沿着45°天线垂直的方向产生磁场；

天线装置的外壳为筒形钻铤外壳，在钻铤外壳的侧壁上开设有凹槽，凹槽内均设置有倒角，凹槽内放置有线圈机构，线圈机构和钻铤外壳之间的连接方式为可拆卸连接；凹槽上安装有密封承压盖板，密封承压盖板和钻铤外壳之间的连接方式为可拆卸连接。

可选地，所述线圈机构包括天线线圈磁芯架、安装于天线线圈磁芯架上的磁芯、缠绕于天线线圈磁芯架上若干圈的天线。

可选地，所述磁芯的材料包括铁氧体、橡胶磁铁、钕铁硼、陶瓷；磁芯的形状包括矩形磁芯、R型磁芯ED型磁芯；所述天线缠绕的方式包括包裹式、并行式、并列式。

可选地，所述天线线圈磁芯架上部设置有3个螺栓孔，下部设置4个螺栓孔，所述螺栓孔用于将天线线圈磁芯架和钻铤外壳通过螺钉固定连接；天线线圈磁芯架上设置有天线槽和多个磁芯槽，所述天线槽用于缠绕天线；所述磁芯槽用于放置磁芯。

可选地，所述倾斜天线装置中的天线线圈磁芯架的一端还设置有2个密封孔，其用于安装单芯密封连接器，天线线圈磁芯架的另一端设置有倒角，其用于天线进行缠绕；天线的一端和单芯密封连接器的一端连接，缠绕若干圈后的天线的另一端和单芯密封连接器的另一端连接。

可选地，所述倾斜天线装置的钻铤外壳侧壁上开设有2个凹槽，其中，2个凹槽之间夹角为180°；所述竖直天线装置的钻铤外壳侧壁上开设有4个凹槽，其中，4个凹槽呈环形均匀分布于钻铤外壳31侧壁上，且相邻的2个凹槽之间夹角为90°；所述水平天线装置的钻铤外壳侧壁上开设有2个水平对称的凹槽。

可选地，钻铤外壳内部设置有多芯密封连接器；线圈机构供电通过孔道通信，孔道与多芯密封连接器的一端连接，多芯密封连接器的另一端和单芯密封连接器连接。

可选地，所述密封承压盖板上设置有螺栓孔、密封槽和透射孔；所述螺栓孔用于将密封承压盖板和钻铤外壳通过螺钉固定连接；密封槽内放置密封圈，所述密封承压盖板和钻铤外壳的连接处有密封圈；透射孔用于发射或接收电磁波。

第二方面，本发明提供了一种磁场方向调节的方法，方法基于随钻方位电磁波测井仪器实现，所述方法包括：

步骤一、在地层坐标系xyz中,设z轴为地层界面，磁流源并矢Green函数可表示矩阵为：

式中，、/>、/>分别表示x方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量；、/>、/>分别表示y方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量；/>、/>、分别表示z方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量；

步骤二、根据步骤一获取的磁流源并矢Green函数，当井眼坐标系/>轴与地层坐标系y轴重合时，地层法向在xz平面内相对于地层坐标系的轴向/>轴的夹角为/>，地层坐标可经过坐标转换得到井眼坐标系/>，/>的表达式为：

式中，为坐标转换矩阵；

步骤三、通过步骤二得到的井眼坐标系，在井眼坐标系/>下，三个方向单位磁矩发射，所接收的电动势共有9个分量，用张量V表示：

其中，表示/>方向单位磁矩发射时，/>方向单位磁矩接收的电动势信号；

步骤四、根据步骤三中获得的张量V，设定单发单收仪器模型，则单元仪器的接收信号函数为：

其中，发射磁矩与仪器轴线的夹角为/>，发射磁矩面与/>面的夹角为/>，发射磁矩的幅度为1；接收磁矩/>与仪器轴线的夹角为/>，接收磁矩面与/>面的夹角为/>，接收磁矩的幅度为1；发射磁矩面为发射磁矩/>与仪器轴线形成的面；接收磁矩面为接收磁矩/>与仪器轴线形成的面。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在仪器执行第二方面的实现方式中的磁场方向调节的方法。

本发明提供的技术方案中，该仪器包括上连接器、电路仓、天线装置和下连接器，其中，天线装置包括四组倾斜天线装置、四组竖直天线装置、两组水平天线装置；电路仓包括三组电子电路仓，三组电子电路仓之间为60°阵列设置于电路仓上；倾斜天线装置包括两组对称45°倾斜天线装置和两组对称异面45°倾斜天线装置；两组对称45°倾斜天线装置用于沿着45°天线平行的方向产生磁场；两组对称异面45°倾斜天线装置用于沿着45°天线垂直的方向产生磁场，天线装置的外壳为筒形钻铤外壳，在钻铤外壳的侧壁上开设有凹槽，凹槽内均设置有倒角，凹槽内放置有线圈机构，线圈机构和钻铤外壳之间的连接方式为可拆卸连接；凹槽上安装有密封承压盖板，密封承压盖板和钻铤外壳之间的连接方式为可拆卸连接。该装置结构简单，并且可拆卸结构简化了加工工序，降低了加工难度和设计成本，并通过设计倾斜天线装置、竖直天线装置和水平天线装置确保了磁场方向的可调节性，提高了工作效率，从而保证了探测方案的多样性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的现有随钻仪器的立体图；

图2为本发明实施例提供的另一现有随钻仪器的立体图；

图3为本发明实施例提供的另一现有随钻仪器的透视图；

图4为本发明实施例提供的随钻方位电磁波测井仪器的立体图；

图5为本发明实施例提供的随钻方位电磁波测井仪器的透视图；

图6a为本发明实施例提供的天线装置的结构示意图；

图6b为本发明实施例提供的另一天线装置的结构示意图；

图6c为本发明实施例提供的另一天线装置的结构示意图；

图6d为本发明实施例提供的另一天线装置的结构示意图；

图6e为本发明实施例提供的另一天线装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的随钻方位电磁波测井仪器的主视图；

图8为本发明实施例提供的电子电路仓的示意图；

图9为本发明实施例提供的天线装置的结构图；

图10a为本发明实施例提供的现有线圈机构的立体图；

图10b为本发明实施例提供的另一现有线圈机构的立体图；

图11为本发明实施例提供的线圈机构的结构图；

图12为本发明实施例提供的天线缠绕方式的示意图；

图13a为本发明实施例提供的天线线圈磁芯架的结构示意图；

图13b为本发明实施例提供的另一天线线圈磁芯架的结构示意图；

图13c 为本发明实施例提供的另一天线线圈磁芯架的结构示意图；

图14a为本发明实施例提供的倾斜天线装置的凹槽示意图；

图14b为本发明实施例提供的竖直天线装置的凹槽示意图；

图14c为本发明实施例提供的水平天线装置的凹槽示意图；

图15为本发明实施例提供的多芯密封连接器的示意图；

图16a为本发明实施例提供的密封承压盖板的结构示意图；

图16b为本发明实施例提供的另一密封承压盖板的结构示意图；

图16c为本发明实施例提供的另一密封承压盖板的结构示意图；

图17为本发明实施例提供的水平天线装置的结构示意图；

图18为本发明实施例提供的电子电路的示意图；

图19为本发明实施例提供的主控制板的示意图；

图20为本发明实施例提供的发射板的示意图；

图21为本发明实施例提供的信号采集板的示意图；

图22为本发明实施例提供的磁场方向调节的方法的流程图；

图23为本发明实施例提供的地层和井眼坐标系的示意图；

图24为本发明实施例提供的仪器坐标系的示意图；

图25为本发明实施例提供的仪器模型和地层模型的示意图；

图26a为本发明实施例提供的信号幅度比响应数值的模拟图；

图26b为本发明实施例提供的信号相位差响应数值的模拟图；

图27a为本发明实施例提供的信号幅度比响应数值的模拟图；

图27b为本发明实施例提供的信号相位差响应数值的模拟图；

图28a为本发明实施例提供的信号幅度比响应数值的模拟图；

图28b为本发明实施例提供的信号相位差响应数值的模拟图；

图29为本发明实施例提供的扇区的示意图。

图中，1-上连接器、2-电路仓、21-电子电路仓、3-天线装置、31-钻铤外壳、311-凹槽、312-线圈机构、3121-天线线圈磁芯架、3122-磁芯、3123-天线、313-密封承压盖板、3131-密封槽、3132-透射孔、4-下连接器、5-倾斜天线装置、51-对称45°倾斜天线装置、52-对称异面45°倾斜天线装置、6-竖直天线装置、7-水平天线装置、8-螺栓孔、9-密封孔、10-天线槽、11-磁芯槽、12-单芯密封连接器、13-多芯密封连接器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。

图1为本发明实施例提供的现有随钻仪器的立体图，如图1所示，该随钻仪器中R3和R4表示倾斜天线装置，该随钻仪器需要在圆柱体外表面切割，切割的深度不一。圆柱体的正面切入深度浅，圆柱体侧面考虑到圆柱曲率需要切割的深度会出现两端浅，中间深的现象。通常考虑到实际工程，需要测量更多的信号分量，则会被需要更多的的天线设计，导致仪器的长度会超过5m，涉及多条天线带，中间涉及多端、多段焊接会影响仪器刚度与抗震动，导致加工难度巨大。

该随钻仪器有且只有四种规格天线装置：水平天线装置、竖直天线装置、45°倾斜天线装置、45°异面天线装置。其中，45°天线装置是一种折中设计，既要追求探测距离，还要保证信号强度。如若想要实现其他角度电磁波的发射与接收，例如，30°发射，30°接收或30°发射，60°接收，该随钻仪器无法实现其他角度电磁波的发射与接收。

图2为本发明实施例提供的另一现有随钻仪器的立体图，如图2所示，该随钻仪器测量的地质信号物理量缺失，不足以满足现在地质测量的多物理量需求，例如，反映到结构层面没有水平天线；该随钻仪器一旦损坏只能返厂维修，主要测量部分全为焊接设计，无可替换设计；并且磁场不可以变更，加工生产之后就无法改变，若想升级改造，只能重新进行生产。

图3为本发明实施例提供的另一现有随钻仪器的透视图，如图3所示，该随钻仪器主要测量部分全为焊接设计，除水平天线存在可替换思想外，其他部分无替换设计；磁场不可以变更，后续升级改造只能重新生产。目前，在对倾斜线圈结构设计时，由于加工时难以避免磁性材料切槽口的深度不一致，所以导致磁性材料形状不一致，提高了仪器成本；如若追求磁性材料一致则会提高加工难度。

图4为本发明实施例提供的随钻方位电磁波测井仪器的立体图，如图4所示，该仪器包括：上连接器1、电路仓2、天线装置3和下连接器4。

图5为本发明实施例提供的随钻方位电磁波测井仪器的透视图，如图5所示，天线装置3包括四组倾斜天线装置5、四组竖直天线装置6、两组水平天线装置7，如图6a至图6e所示，倾斜天线装置5、竖直天线装置6、水平天线装置7的位置关系。

图7为本发明实施例提供的随钻方位电磁波测井仪器的主视图，如图7所示，电路仓2包括三组电子电路仓21，如图8所示，三组电子电路仓21之间为60°阵列设置于电路仓2上；倾斜天线装置5包括两组对称45°倾斜天线装置51和两组对称异面45°倾斜天线装置52；两组对称45°倾斜天线装置51用于沿着45°天线平行的方向产生磁场；两组对称异面45°倾斜天线装置52用于沿着45°天线垂直的方向产生磁场。

图9为本发明实施例提供的天线装置的结构图，如图9所示，天线装置3的外壳为筒形钻铤外壳31，在钻铤外壳31的侧壁上开设有凹槽311，凹槽311内均设置有倒角，凹槽311内放置有线圈机构312，线圈机构312和钻铤外壳31之间的连接方式为可拆卸连接；凹槽311上安装有密封承压盖板313，密封承压盖板313和钻铤外壳31之间的连接方式为可拆卸连接。

本发明实施例中，可拆卸连接包括但不限于螺钉连接。

本发明实施例中，如图10a和10b所示，现有的线圈机构固定于钻铤外壳31的内部，无法进行拆卸，无可替换设计；并且天线3123在天线槽10上的缠绕方式固定，磁场方向不可变更。

本发明实施例中，钻铤外壳31是以无磁不锈钢为材料经过机加工而形成的筒形壳体；凹槽311和密封承压盖板313具有相同的数量、形状和大小。

图11为本发明实施例提供的线圈机构的结构图，如图11所示，以倾斜天线装置5中的线圈机构312为例，该线圈机构312包括天线线圈磁芯架3121、安装于天线线圈磁芯架3121上的磁芯3122、缠绕于天线线圈磁芯架3121上若干圈的天线3123。

本发明实施例中，线圈机构312可拆卸，并且只需改变天线3123在天线线圈磁芯架3121上的缠绕方式便可以改变磁场方向。

本发明实施例中，磁芯3122的材料包括铁氧体、橡胶磁铁、钕铁硼、陶瓷；磁芯3122的形状包括矩形磁芯、R型磁芯ED型磁芯；天线3123缠绕的方式包括包裹式、并行式、并列式，如图12所示，天线3123缠绕的方式为包裹式。

本发明实施例中，如图13a和图13b所示，天线线圈磁芯架3121上部设置有3个螺栓孔8，下部设置4个螺栓孔8，螺栓孔8用于将天线线圈磁芯架3121和钻铤外壳31通过螺钉固定连接；天线线圈磁芯架3121上设置有天线槽10和多个磁芯槽11，天线槽10用于缠绕天线3123；磁芯槽11用于放置磁芯3122。

本发明实施例中，如图13c所示，倾斜天线装置5中的天线线圈磁芯架3121的一端还设置有2个密封孔9，其用于安装单芯密封连接器12，天线线圈磁芯架3121的另一端设置有倒角，其用于天线3123进行缠绕；天线3123的一端和单芯密封连接器12的一端连接，缠绕若干圈后的天线3123的另一端和单芯密封连接器12的另一端连接。

本发明实施例中，如图14a所示，倾斜天线装置5的钻铤外壳31侧壁上开设有2个凹槽311，其中，2个凹槽311之间夹角为180°；如图14b所示，竖直天线装置6的钻铤外壳31侧壁上开设有4个凹槽311，其中，4个凹槽311呈环形均匀分布于钻铤外壳31侧壁上，且相邻的2个凹槽311之间夹角为90°；如图14c所示，水平天线装置7的钻铤外壳31侧壁上开设有2个水平对称的凹槽311。

本发明实施例中，如图15所示，钻铤外壳31内部设置有多芯密封连接器13；线圈机构312供电通过孔道通信，孔道与多芯密封连接器13的一端连接，多芯密封连接器13的另一端和单芯密封连接器12连接。

本发明实施例中，如图16a至16c所示，密封承压盖板313上设置有螺栓孔8、密封槽3131和透射孔3132；螺栓孔8用于将密封承压盖板313和钻铤外壳31通过螺钉固定连接；密封槽3131内放置密封圈，密封承压盖板313和钻铤外壳31的连接处有密封圈；透射孔3132用于发射或接收电磁波。

本发明实施例中，如图17所示，以水平天线装置为例，在凹槽311中放置线圈机构312，在外侧放置有密封承压盖板313，并使用密封圈或其他密封装置进行密封，通过螺栓孔8固定安装。其中，天线线圈磁芯架3121上放置有磁芯3122，在线圈机构312上面缠绕天线3123，通过螺栓孔8将线圈机构312安装在凹槽311中，通过透射孔3132发射或接收电磁波，以及通过多芯密封连接器13实现通信电路的连接和密封。

本发明实施例中，竖直天线装置6其内部有连接通道，将四个竖直天线装置串联在一起，安装方法与水平天线装置相同。

本发明实施例中，天线装置3包括倾斜天线装置5、竖直天线装置6和水平天线装置7三种天线装置。每一种天线装置都能实现单独的互换性，并且倾斜天线装置5的天线线圈磁芯架可以设计为多种天线缠绕方式，从而实现可变更磁场的目的。

本发明实施例中，线圈机构312在保证钻铤强度的情况下，对钻铤柱外侧进行对称开槽处理，通过天线线圈磁芯架实现磁芯内置及可多角度绕线的目的，实现了随钻测井仪器倾斜线圈的简单化、模块化、通用化以及变更磁场方向的目的。

图18为本发明实施例提供的电子电路的示意图，如图18所示，仪器中电路仓2的电路总体包括主控制板、发射板、发射调谐板、信号采集板、前放板、电源板、电源滤波板、通用Modem板、磁通门和方位测量板9个部分。其中主控制板通过控制DDS，产生测试信号和用于发射的不同频率的正弦射频（RF）信号，产生的正弦RF信号发送到发射板，正弦RF信号通过发射板进行电压放大和功率放大，放大后的正弦信号经过发射调谐板的阻抗匹配后，通过发送天线转换为电磁波信号并发射到周围地层中。经过地层传播的电磁波信号在接收天线处被接收，经过前放板的前置放大后进入信号采集板，接收信号在信号采集板中依次经过滤波放大、模数转换后，在FPGA中进行计算得到接收信号的幅值和相位。计算结果通过SCI总线传输到主控制板的DSP中进行进一步计算，得到探测地层的相关信息。

图19为本发明实施例提供的主控制板的示意图，如图19所示，主控制板对来自信号采集板的信号进行计算，得到电磁波信号的相位差以及幅度比，并通过进一步计算得到常规地层电阻率、方位电阻率、地质信号、各向异性信号、临近地层方位/距离等地层信息。主控制板是整个电路系统的控制核心，能够实现各发射天线发射顺序和发射时间的控制，能够产生时钟信号和同步信号，使两块信号采集板同步运行，实现精准的时序控制，能够产生复位信号，保证各电路板块正常工作。主控制板包括用于临时存储数据和/或代码的RAM和用于永久存储参数、校准数据和一些诊断的闪存，可以通过 SPI、SCI、CAN 实现与系统之间的命令接收、数据传送。主控制板还具有电压、温度等信息的实时监测功能，实时监控各电路板块的运行状态。主控制板还包括用于生成正弦射频信号的 DDS 频率合成电路，能够产生 100kHz、400kHz 和 2MHz 的正弦发射信号。主控制板发送控制信号到发射板的MCU，实现各个发射线圈的发射时序控制。主控制板通过不同的总线实现与各个部分之间的通讯。

图20为本发明实施例提供的发射板的示意图，如图20所示，发射板对主控制板输入的正弦发射信号进行功率放大，每次输入信号的频率为100 kHz、400 kHz或2 MHz，振幅峰-峰值在0至1V之间。功率放大电路由一个通用运算放大电路和一个H桥功率放大电路组成，通用运算放大器实现电压的放大，H桥功率放大电路实现电流的放大，功率放大电路的输出信号发送到负载匹配网络。发射板通过差分SPI总线与主控制板之间进行通信，发射板中的MCU接收到相应的控制信号后，可以通过禁用运算放大器的输入信号和电源电压实现有源输出通道之间切换。发射板具有实时监控功能，通过将外部输入的电源电压以及温度传感器、电流检测电路、降压转换器的输出信号，通过内部SPI总线传输到MCU内部的ADC模块进行检测，对发射板的运行状态进行监控。

发射信号经过传递后由接收天线进行接收，接收到的信号通过前放板进行信号的初步放大。初步放大的信号在接收板中进行滤波放大、AD转换，转换后的数字信号通过FPGA实现信号的波形采集、叠加处理，并且将处理后的波形数据传输到DSP中，由DSP对接收板的信号进行计算得到信号的相位以及幅度，以备后续数据处理和使用。

图21为本发明实施例提供的信号采集板的示意图，如图21所示，信号采集板对经过前置放大板处理后的接收信号进行滤波放大、AD转换、数据处理，接收信号处理完成后得到的数据通过串行通信接口(SCI)发送到主控制板。电路系统中包含两块信号采集板，每块信号采集板有四个数据采集通道，其中一个通道用于发射板发射电流的数据采集，另外三个通道用于接收天线接收信号的数据采集。经过高速ADC进行数据采集后得到的数字信号会被传输到FPGA中进行DFT运算，最终得到接收信号的实部和虚部。同时，FPGA通过 SCI接收主控制板发送的同步信号，并通过同步信号使两块信号采集板同步运行，保证信号采集板对接收信号的数据采集处理功能正常运行。信号采集板通过FPGA实现电路板的监控检测功能，能够实时监测电路板的电压、温度等数据。

图22为本发明实施例提供的磁场方向调节的方法的流程图，如图22所示，该方法基于随钻方位电磁波测井仪器实现，该方法包括：

图23为本发明实施例提供的地层和井眼坐标系的示意图，如图23所示，三条水平横线表示地层界面，斜线表示仪器轴线，地层坐标系z轴与仪器轴线的夹角为井斜角α。

步骤一、在地层坐标系xyz中,设z轴为地层界面，磁流源并矢Green函数可表示矩阵为：

式中，、/>、/>分别表示x方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量；/>、/>、/>分别表示y方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量；/>、/>、/>分别表示z方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量。

步骤二、根据步骤一获取的磁流源并矢Green函数，当井眼坐标系/>轴与地层坐标系y轴重合时，地层法向在xz平面内相对于地层坐标系的轴向/>轴的夹角为/>，地层坐标可经过坐标转换得到井眼坐标系/>，/>的表达式为：

式中，为坐标转换矩阵。

步骤三、通过步骤二得到的井眼坐标系，在井眼坐标系/>下，三个方向单位磁矩发射，所接收的电动势共有9个分量，用张量V表示：

其中，表示/>方向单位磁矩发射时，/>方向单位磁矩接收的电动势信号。

本发明实施例中，9个分量所组成的全部组合，具备信息完整性，可以作为仪器响应模拟、评价地层电阻率、评价各向异性和地层界面探测的基础信号。

步骤四、根据步骤三中获得的张量V，设定单发单收仪器模型，则单元仪器的接收信号函数为：

图24为本发明实施例提供的仪器坐标系的示意图，如图24所示，设定单发单收仪器模型，发射磁矩与仪器轴线的夹角为/>，发射磁矩面与/>面的夹角为/>，发射磁矩/>的幅度为1；接收磁矩/>与仪器轴线的夹角为/>，接收磁矩面与/>面的夹角为/>，接收磁矩的幅度为1；发射磁矩面为发射磁矩/>与仪器轴线形成的面；接收磁矩面为接收磁矩/>与仪器轴线形成的面。

本发明实施例中，基于本发明的天线装置，有多种组合天线发射接收的形式，本发明中取x轴发射-倾斜接收、z发射-倾斜接收为例证明其合理性。

设置，/>，当x轴发射-斜收时，/>，其响应关系式为：

其中，式中涉及6个参数变量，应用多扇区测量可解析/>。

当z发射-斜收时，，其响应关系式为：

其中，式中涉及3个参数变量：，应用多扇区测量可解析。

图25为本发明实施例提供的仪器模型和地层模型的示意图，如图25所示，通过检验信号，分析上述结论的合理性。

设计一个地层层数、厚度可随意增减的地层模型，将仪器的发射接收天线抽象成一个可发射接收电磁波的点，将仪器的对称布局设计为发射天线在中间，接收天线在两边的仪器模型。Layer(x)表示地层层数，d(x)表示地层界面个数，z表示地层方向，表示水平电阻率，/>表示垂直电阻率，α表示井斜角，发射接收的中点当作记录点。

本发明的有益效果之一为可变更磁场方向，分析在水平井中是改变磁矩角度各信号的表现，证明其合理性。取横发-斜收的天线组合，设定三层地层模型中间地层上围岩边界位于垂深10米处，下围岩边界位于垂深15米处，频率在400kHz，α=90°条件下的正演模拟结果。

本发明实施例中，如图26a和图26b，在400kHZ频率下改变磁矩角度的信号，在远离地层界面时，相位差/>和幅度比/>响应稳定，当接近上围岩地层界面时，幅度比/>响应数值明显上升，在进入中间地层时，响应数值趋于平稳，离开中间地层响应数值明显下降，待仪器逐渐远离下围岩界面时，幅度比响应数值趋于平稳；在仪器接近上围岩地层时，相位差/>急剧上升，在仪器进入中间地层时，响应会出现轻微波动后趋于平稳，仪器接近下围岩地层时响应出现轻微波动后急剧下降，待完全离开中间地层后，相位差响应数值趋于平稳。当只改变接收天线的磁矩角度时，相位差/>和幅度比/>的响应数值都在合理的范围之内。

本发明实施例中，如图27a和图27b，在400kHZ频率下改变磁矩角度的信号，在远离地层界面时，相位差/>和幅度比/>响应平稳，幅度比/>接近上围岩地层界面时，会明显上升一段，然后出现一段小波动，后又明显上升，仪器进入中间地层后响应值平稳，当仪器接近下围岩地层界面时，响应数值明显下降，当仪器远离下围岩地层界面时，响应数值趋于平稳；相位差/>信号在远离中间地层时，响应数值平稳，在逐渐接近上围岩地层界面时，响应数值出现一段轻微波动后快速上升，待仪器进入中间地层后，响应数值趋于平稳，当仪器接近下围岩地层时，相应数值会快速下降后出现轻微波动，仪器远离下围岩地层后，响应数值趋于平稳。

本发明实施例中，如图28a和图28b，在400kHZ频率下改变磁矩角度的信号，在远离地层界面时，幅度比/>和相位差/>相应数值稳定，在接近上围岩地层时，幅度比和相位差信号数值都会有明显的下降，幅度比/>响应信号在上围岩地层界面处会出现轻微波动，当仪器进入中间地层后，幅度比/>和相位差/>响应数值趋于平稳，当仪器接近下围岩地层时，仪器响应数值明显上升，在远离下围岩地层界面后响应数值趋于平稳。

在只改变接收天线磁矩角度情况下，幅度比和相位差/>响应数值分界明显，响应走势合理，仪器能够很好的识别地层界面。

图29为本发明实施例提供的扇区的示意图，如图29所示，地层方位电阻率检测是随钻方位电磁波电阻率测井仪器，区别于常规测井仪器的主要特点和优势，地层方位电阻率检测指测井仪器在旋转过程中可分扇区检测井眼周围的地层电阻率参数的变化。仪器分16个工具面角，用于统计接收的旋转测量方位电动势，信号随工具面角的变化呈周期性变化，周期为2π，地质信号测量方法的本质就是统计旋转角相差180°的相位差PHD与幅度比ATT来获取仪器方位特征，以用于确定地层界面方位。

本发明实施例中，扇区号计算：

∅p=∅+11.25 ；

If（Φp≥360）Φp =Φp -360；

ids=integer(Φp /22.5) ；

其中，∅为工具面角；ids为扇区号（0到15）；integer表示取整。

本发明实施例，实现了随钻测井仪器磁场多角度调节，磁场方向可改变更好的实现了仪器结构服务于顶层方法设计，即实现一台仪器可以当多台仪器使用，节约成本，避免浪费，还实现多种测量方案（角度可调）的组合，大大加强仪器的探边性能，探各项异性性能。后续可以开发出自动角度调节的伺服设计，更有利的实现随钻仪器向着智能化进步。

目前存在的倾斜天线装置中的线圈机构设计中，需要磁性材料刚好在线圈下方，但由于磁芯凹槽的深度不一致，从而导致磁芯形状不一致。本发明采用一体式线圈机构设计，即把磁芯通过天线缠绕到天线线圈磁芯架上，磁芯固定于天线线圈磁芯架上后，然后注入环氧树脂，解决了凹槽深度不一，磁芯形状不同的问题；同时解决了加工平面误差和工进切割方向难以加工的问题，避免了一条凹槽一种磁芯的设计，使用过程中若出现损坏，可以直接更换。

当仪器的直径发生与磁芯的个数发生变化，凹槽数量也可以发生改变，适应仪器直径和磁芯的数量。

本发明实施例中，密封承压盖板下方设计有定位槽口与天线线圈磁芯架位置嵌合，安装时起到固定与密封的作用。密封承压盖板与仪器本体采用螺钉固定便于拆卸，使用过程种出现密封承压盖板出现损坏，可以直接更换，解决了续维修需要切割仪器的密封承压盖板的问题。

本发明的技术方案，可配置与常规电磁波电阻率测井装置中提供常规电阻率测量值，探测界面及评价地层各向异性，是一种兼顾实用性与经济性的电磁波电阻率测井装置。

综上所述，本发明结构简单，设计新颖，实现了磁场方向可变更，解决了常规倾斜天线装置中线圈机构加工复杂，维修难度大的问题；优化了线圈机构，现场操作方便，降低了安装难度，节约了加工成本。

本发明提供的技术方案中，该仪器包括上连接器1、电路仓2、天线装置3和下连接器4，其中，天线装置3包括四组倾斜天线装置5、四组竖直天线装置6、两组水平天线装置7；电路仓2包括三组电子电路仓21，三组电子电路仓21之间为60°阵列设置于电路仓2上；倾斜天线装置5包括两组对称45°倾斜天线装置51和两组对称异面45°倾斜天线装置52；两组对称45°倾斜天线装置51用于沿着45°天线平行的方向产生磁场；两组对称异面45°倾斜天线装置52用于沿着45°天线垂直的方向产生磁场该装置结构简单，并且可拆卸结构简化了加工工序，降低了加工难度和设计成本，并通过设计倾斜天线装置、竖直天线装置和水平天线装置确保了磁场方向的可调节性，提高了工作效率，从而保证了探测方案的多样性。

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制计算机可读存储介质所在仪器执行上述磁场方向调节的方法的实施例。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

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

Claims (9)

1.一种磁场方向调节的方法，其特征在于，所述方法基于随钻方位电磁波测井仪器实现，所述仪器包括：上连接器（1）、电路仓（2）、天线装置（3）和下连接器（4），其中，天线装置（3）包括四组倾斜天线装置（5）、四组竖直天线装置（6）、两组水平天线装置（7）；电路仓（2）包括三组电子电路仓（21），三组电子电路仓（21）之间为60°阵列设置于电路仓（2）上；倾斜天线装置（5）包括两组对称45°倾斜天线装置（51）和两组对称异面45°倾斜天线装置（52）；两组对称45°倾斜天线装置（51）用于沿着异面45°倾斜天线平行的方向产生磁场；两组对称异面45°倾斜天线装置（52）用于沿着异面45°倾斜天线垂直的方向产生磁场；

天线装置（3）的外壳为筒形钻铤外壳（31），在钻铤外壳（31）的侧壁上开设有凹槽（311），凹槽（311）内均设置有倒角，凹槽（311）内放置有线圈机构（312），线圈机构（312）和钻铤外壳（31）之间的连接方式为可拆卸连接；凹槽（311）上安装有密封承压盖板（313），密封承压盖板（313）和钻铤外壳（31）之间的连接方式为可拆卸连接；

所述线圈机构（312）包括天线线圈磁芯架（3121）、安装于天线线圈磁芯架（3121）上的磁芯（3122）、缠绕于天线线圈磁芯架（3121）上若干圈的天线（3123）；所述线圈机构（312）可拆卸，并且只需改变天线（3123）在天线线圈磁芯架（3121）上的缠绕方式便可以改变磁场方向；

所述方法包括：

步骤一、在地层坐标系xyz中,设z轴为地层界面，磁流源并矢Green函数可表示矩阵为：

式中，、/>、/>分别表示x方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量；、/>、/>分别表示y方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量；/>、/>、分别表示z方向单位磁偶极子产生磁场强度的x、y、z分量；

步骤二、根据步骤一获取的磁流源并矢Green函数，当井眼坐标系/>轴与地层坐标系y轴重合时，地层法向在xz平面内相对于地层坐标系的轴向/>轴的夹角为/>，地层坐标可经过坐标转换得到井眼坐标系/>，/>的表达式为：

式中，为坐标转换矩阵；

步骤三、通过步骤二得到的井眼坐标系，在井眼坐标系/>下，三个方向单位磁矩发射，所接收的电动势共有9个分量，用张量V表示：

其中，表示/>方向单位磁矩发射时，/>方向单位磁矩接收的电动势信号；

步骤四、根据步骤三中获得的张量V，设定单发单收仪器模型，则单元仪器的接收信号函数为：

其中，发射磁矩与仪器轴线的夹角为/>，发射磁矩面与/>面的夹角为/>，发射磁矩的幅度为1；接收磁矩/>与仪器轴线的夹角为/>，接收磁矩面与/>面的夹角为/>，接收磁矩的幅度为1；发射磁矩面为发射磁矩/>与仪器轴线形成的面；接收磁矩面为接收磁矩/>与仪器轴线形成的面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线圈机构（312）包括天线线圈磁芯架（3121）、安装于天线线圈磁芯架（3121）上的磁芯（3122）、缠绕于天线线圈磁芯架（3121）上若干圈的天线（3123）。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述磁芯（3122）的材料为铁氧体、橡胶磁铁、钕铁硼或陶瓷；磁芯（3122）的形状为矩形磁芯、R型磁芯或ED型磁芯；所述天线（3123）缠绕的方式为包裹式、并行式或并列式。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述天线线圈磁芯架（3121）上部设置有3个螺栓孔（8），下部设置4个螺栓孔（8），所述螺栓孔（8）用于将天线线圈磁芯架（3121）和钻铤外壳（31）通过螺钉固定连接；天线线圈磁芯架（3121）上设置有天线槽（10）和多个磁芯槽（11），所述天线槽（10）用于缠绕天线（3123）；所述磁芯槽（11）用于放置磁芯（3122）。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述倾斜天线装置（5）中的天线线圈磁芯架（3121）的一端还设置有2个密封孔（9），其用于安装单芯密封连接器（12），天线线圈磁芯架（3121）的另一端设置有倒角，其用于天线（3123）进行缠绕；天线（3123）的一端和单芯密封连接器（12）的一端连接，缠绕若干圈后的天线（3123）的另一端和单芯密封连接器（12）的另一端连接。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述倾斜天线装置（5）的钻铤外壳（31）侧壁上开设有2个凹槽（311），其中，2个凹槽（311）之间夹角为180°；所述竖直天线装置（6）的钻铤外壳（31）侧壁上开设有4个凹槽（311），其中，4个凹槽（311）呈环形均匀分布于钻铤外壳（31）侧壁上，且相邻的2个凹槽（311）之间夹角为90°；所述水平天线装置（7）的钻铤外壳（31）侧壁上开设有2个水平对称的凹槽（311）。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，钻铤外壳（31）内部设置有多芯密封连接器（13）；线圈机构（312）供电通过孔道通信，孔道与多芯密封连接器（13）的一端连接，多芯密封连接器（13）的另一端和单芯密封连接器（12）连接。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述密封承压盖板（313）上设置有螺栓孔（8）、密封槽（3131）和透射孔（3132）；所述螺栓孔（8）用于将密封承压盖板（313）和钻铤外壳（31）通过螺钉固定连接；密封槽（3131）内放置密封圈，所述密封承压盖板（313）和钻铤外壳（31）的连接处有密封圈；透射孔（3132）用于发射或接收电磁波。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在仪器执行权利要求1至8中任一项所述的磁场方向调节的方法。