CN85103932A - 带金属架的感应测井仪 - Google Patents

Abstract

本文叙述了一种感应测井仪，包括发射和接收螺线管线圈，这些线圈装在支架上，相互轴向隔开。支架用导电材料制成，包括至少一个安装线圈的第一纵向圆柱体和分布在第一圆柱体两侧的第二纵向圆柱体，至少第一圆柱体有一个基本上连续的轴向对称的外表面，有助于涡流环绕这个表面流动，基本上消除了这个表面上的电场。

Description

本发明涉及通过井孔调查地层构造性质的测井装置，特指一种感应测井仪。

感应测井仪基本包括一个发射线圈和一个接收线圈。它们都装在一个支架上，顺着井孔方向轴向隔开。发射线圈使用交流电，频率通常为20千赫，产生的磁场对周围地层发生感应，形成涡流，同轴流向井孔，磁场强度与地层的导电率成比例。这些涡流又产生磁场，在接受线圈中感应产生电动势。用适当的方法处理接收线圈的信息就能够测量出地层构造的导电率。

普通的感应测井仪线圈的支架是用不导电材料如玻璃纤维增强的环氧树脂的管子做成的（参阅美国专利NO.3，179，879，TANGUY;3，147，429，MORAN;和3，706，025REGAT）。大家一直坚信，因为接收线圈的信息很弱，因此要严格地控制在线圈附近尽量不用导电材料，以免产生寄生流在线圈周围流动，造成乱真成份（“测井仪误差”），参阅石油工程师学会S.P.E刊物12    167，“电磁波电阻MWD工具”，P.F.RODNEYET    AL著，1983年10月5-8日旧金山第58届技术和展览年会上宣讲，刊物的第1页，左栏，第二段。使用合成树脂架的一个明显的弊病是在使用中很容易破碎。几种不同的测井装置中数感应测井仪是最容易破碎的。但是，因为边钻边测装置必须装在钢质（或其他高强度材料）接箍周围，如果按上述S.P.E刊物所讲，那就不能使用感应工具。

应该指出，在线圈附近完全没有金属体是不可能，因为必须要用电线为发射线圈供电，从接收线圈传送信息。普通的感应测井器使用的是坚硬的耐压的多层同轴电缆，电缆含有互相绝缘的同轴金属“层”，其内层作为导体传送信息，而外层具有机械强度，成为导体的屏蔽。这些电缆和与线圈的接头使发射磁场中的涡流升高，由此产生输出信号误差。在导电率低的构造中，这种误差与有效信号一样大。另外，这种误差在很大程度上受温度变化的影响。室温与井孔环境温度相差很大，井孔环境温度高达150℃。由于合成树脂的老化和影响支架的弯曲，这种误差还会随着设备的年限而变化。

美国专利3，249，858（GOUILLOUD）建议使用金属架，其目的是为了提高机械强度。这项专利还讲到为了使金属架尽量少产生寄生流，金属架全都钻上槽。该专利还指出，线圈应该是园形线匝组成，线匝之间用线性导电片连接，其中间点位于槽径平面上。但是，要注意到，用支架钻槽来提高机械强度毕竟是有限的，而且由电线产生的问题并没有谈及到。

本发明的一个目的，在于提供一种具有优良机械强度和坚固性的感应测井仪。

本发明的另一个目的，在于提供一种低的、稳定的和可预报测井误差的感应测井仪。

本发明的另一个目的，在于提供一种采用多层同轴电缆避免与线圈连接的感应测井仪。

本发明的另一个目的，在于提供一种感应测井仪，该测井仪能够插入测井工具组合装置的任何位置上。

本发明的另一个目的，在于提供一种边钻边测作业的感应测井仪。

根据本发明，感应测井仪包括一个偏长的、通常呈园柱形的导电金属架、至少一个发射用螺线管线圈和至少一个接收用螺线管线圈。线圈与支架同轴并相互隔开。发射线圈供电频率的大小取决于能否产生电磁场，基本上消除介质效应，适宜的电频范围为10至400千赫，最佳下限为20千赫左右，最佳上限为200千赫左右。支架，至少邻近线圈的部分有一个实质上连续的轴向对称的外表面，以利于涡流在该表面周围环形流动。

支架最好有一个用导电率高的金属，如铜制成的外套筒和一个用导电率较低而机械强度较高的材料，如不锈钢制成的内芯。

参阅下面的附图和说明，对本发明就会很容易理解。

图1，为本发明感应测井仪实例以及与它连接的地面设备的示意图;

图2，为图1第一个实例中线圈的放大详图;

图3，为线圈改进后的实例图;

图4，为适于边钻边采作业的本发明感应测井仪;

图5，为感应测井仪实例的局部纵剖面图;

图6，为图5V-V线的剖面图。

图1表示出感应测井仪10，通过井孔12调查地质构造11，井孔中注进了钻井泥浆13，测井仪用多心电缆14吊着，电缆经过滑轮15绕在绞车16上，绞车是与井下测井仪配套使用的地面设备的一部分。地面设备通过电缆10向井下装置10供电和传送操作控制信号，并挥井下装置10接收测量信息。地面设备包括处理和记录这些信息的系统。传感器17a监测电缆的工作状况。传感器17a发出的信息指示出井下装置的即时深度，反馈给处理系统，与测量信息进行比较。

井下装置10有一个电子盒18，由电缆分线盒19与电缆连接。盒子18中是一个遥测盒20，把井下装置产生的从地面设备发出的讯息转换成适合用电缆传递的程序。

井下装置还有一个偏长支架30，上端与电子盒10固定。支架30装了一个线圈系统，包括发射线圈31和接收线圈32，两个线圈同轴并在支架30的纵向方位互相隔开。发射线圈31接电后产生磁场，在地层构造中感应形成涡流，围绕支架轴作同轴流动。接收线圈根据这些涡流产生的磁场，产生代表地层构造的导电率的输出信息。发射线圈的工作频率大小取决于地层构造中的磁场能否达到“准静态”级电磁场，换句话说，工作频率是要做到位移电流可以忽略不计，而传导电流占主导地位。适当的频率大约在10千赫和400千赫之间。超过400千赫，位移电流会变得很强，而且输出信息不仅是地层构造导电率的反应，也是介质常数的反应，这是与本发明的目的不相符的。最佳的频率上限为200千赫左右，下限为20千赫左右。

图1的示意图中，可以看出测井仪只有一个发射线圈和一个接收线圈，但以后就会清楚，每个线圈系统可以有两个以上的线圈，譬比一个或几个发射线圈，几个接收线圈，和与接收线圈配合的补尝线圈，从而消除了发射线圈与接收线圈之间直接耦合产生的效应。测井仪还可以装几个线圈，分布在各个部位。

支架30一般为管状，用金属材料制成，最好采用导电率高的非磁性金属。适合的金属包括铜、铜合金和不锈钢。

支架有几段立柱体33，外壁34与外界如钻井泥浆接触，立柱体35外径小于立柱体33。立柱体35由此形成的凹槽35a可以放置线圈31和32，两者与立柱体35同轴并互相绝缘。图1实例含有这样的一个凹槽，每个凹槽装一个线圈，但将来会明白，一个立柱体35也可装整整一个线圈系统，即凹槽35a可以接受多少轴向间隔的线圈。中间主柱体33的内径最好大于主柱体35，形成了内空间36。在图1实例中，主柱体33和35由横向主柱体37连接，主柱体33壁的厚度本身足以承受井孔的流体静压力。

支架内的导线38接通线圈31、32和电子盒18。

因为邻近线圈的支架部分是高导电材料制成的，外表面是连续轴向对称性的，所以它几乎相当于一个理想的导体。这有助于在发射线圈电磁场产生涡流，围绕支架表面流动。结果，支架表面的正切电场被迫为零，支架内部形成密闭空间不能产生电磁场。因而，支架变成了一个十分有效的电磁屏蔽。例如，工作频率为20千赫，导电率为5.8×107S/m（铜），5毫米厚度代表10趋肤深度。这样，导体和线圈之间直接耦合产生的寄生效应被消除了，也可以使用单心导线而不必使用通常的多层同轴电缆。

而且，由于在支架表面基本上消除了切线电场，由在支架周围流动的涡流带来的测井误差会很小。已经发现，带轴向对称的金属支架，测井误差是支架材料导电率和频率的越来越减少的函数。这种变化的数学表示式为：

E＝K.^-1/2.f^-3/2

E表示测井误差，单位是导电率

f表示频率

K表示系数

由此看出，如果采用导电率高的金属，测井误差就会最小。在空气中测量，支架的典型误差值是2毫米，等于在多数高电阻地层构造中获得的输出信息。另外，本发明的一个非常重要的优点是，这种测井误差表明温度飘移影响小而且是可预报的。因此，从输出信息中减去测井误差可以很容易地纠正金属支架影响的输出信息。

线圈装在金属柱体的附近，减少了由线圈31发射和圈线32接收的磁通量的截面积。其表面积决定于线圈与柱体35之间的空间。这降低了测量的灵敏度。但是，设计一个恰当的线圈，例如，比采用非导电支架的普通线圈多增加一些线匝，这个问题就能很容易的解决了。

应该指出，线圈终端与相邻横向柱体37之间的轴向间距e要适当，不能超过预定的数值。沿着测井仪外表面测量时，与线圈相反，测量仪的垂直响应很快升到峰值，相当于各自线圈的一个直径左右，为了防止测井仪响应的变化，线圈终端与相邻横向柱体的间距至少等于该线圈的直径。如果在凹槽35a内有多个线圈，那末每个横向柱体与邻近这个柱体的线圈终端之间的间距至少应该等于该线圈的直径，换句话说，装有一个线圈或整个线圈系统的支架园柱体在线圈或线圈系统每一侧的轴向尺寸必须超过线圈或线圈系统，至少等于线圈的直径（或线圈系统中末端线圈的直径）。

如上所述，最佳的支架是邻近线圈的柱体外表表非常轴向对称和连续，但是，设计总是达不到这个最佳要求。但这仍然属于本发明的范围，只要支架周围的涡流流动没有多大影响，譬比，还可使用类似却又有异于环形截面，如多角形的截面以采用。还可以在支架上钻小孔，让导线穿过与线圈连接，不会严重地改变涡流的流动。另一方面，支架的纵向槽阻碍0涡流的流动，损害支架的屏蔽效果。

金属支架的另外优点，在于提高测井仪的机械强度和坚固度，支架的柱体33本身就能耐压。

园柱体33内的空间能够用于放置测井仪的一些电路。这样，所有线路不必都放在盒18内，如图1所示，与发射线圈31相连的发射盒可以放在这个线圈旁边的空间36里，与接收线圈输出相连的接收盒可以用同样方法装在接收线圈附近的空间36里。

还应该指出，由于支架30的机械强度以及支架内可以放导线，上述的感应测井仪能够与一种或多种不同类型（声的、核的）测井装置结合起来，装在感应测井仪的底端。图1端号为40的虚线部分就是这样一种装置。经过支架内部空间连接这种装置和遥测盒的导线也在图1中表示出来了，编号为41。因此，本发明的感应测井仪能够装在测井装置组合体的任何部位，而普通的感应测井仪只能装在组合体的底部。

图2比较详细地表示出线圈31和32的实例。每个线圈的构造都和线圈装置50相同，用绝缘套筒51，如陶瓷材料套筒与支架的园柱体35绝缘，套筒51用销52与园柱体35固定，套筒51上装了几个环52和几个环54，在线圈装置两侧用螺钉拧紧在管状套筒51上，这样就能够把后者固定住。

线圈装置是一个线圈盒，通常由两个绝缘材料，如陶瓷的环形架构件56，57组成，两个构件一起组成一个长方形截面，形成了环形内空间58。空间58接受线圈的线匝60，线匝60放在与支架30同轴的位置，很多导线61按旋风的形状包在构件56和57周围，每根导线都切断，使它不能形成封闭的迴路，所有的导线都接到一个地环上。图中未表示出来，这样，都得到同一个地电位势。导线61形成了一个静电屏蔽，防止自己的线圈与其他线圈或几个线圈或钻井流体产生静电耦合。这个方法在另一个申请中更详细的说明了。该申请的题目：“测井用屏蔽螺线管线圈”，序号NO.551，239，已转让给本申请的受让人。这里介绍的方法可供参考。

不漏流体的套筒62是用不导电材料，如玻璃纤维增强的环氧树脂做成的，两端装有压力密封62a。套筒62套在线圈装置上，防止线圈装置与泥浆接触，环53和54从内表面支撑住套筒62，使它能承受泥浆的压力，支架园柱体37上有很多小孔如63，与线圈连接的导线可以从小孔中穿过。

上面讲过几个线圈装在同一个园柱体35内，另外还有一些类似于环53的环放在线圈之间的空间，使线圈固定在自己的位置上，并支撑套筒62，封闭了线圈之间的凹槽35a。

从图2中还可以看出，园柱体35和33是截然不同的部件，园柱体35两端都用螺钉64与横向园柱体37固定，线圈装置装上园柱体35以后才能装支架。

还应该指出，关于支架的材料，园柱体33和35可以用不同的材料，如园柱体33用不锈钢，园柱体35用铜或铜合金。

图3是一个改进后的实例。线圈70封闭在线圈盒71内，类似于园2中构件56和57的结构。多槽园柱形元件72是用一种导电材料制成，槽73中填满了绝缘材料，起到线圈的静电屏蔽作用。和上述的实例一样，线圈盒是由拧紧在套筒上的环固定位置，这些环又与多槽元件内壁紧紧相连，抵住井孔中流体的压力。

对上面实例的改进是，给放置线圈装置的凹槽增加压力，以抵抗井孔中流体的压力。流体的线路是从支架30内部流往凹槽，接到一个通用压力补尝装置。这样的话，不漏流体的电线将穿过凹槽壁连接。

图4表示出适用于边钻边测作业的本发明感应测井仪。

测井仪80在钻头82的上部，线圈架上钻链83上，一个钢质管件，通常与钻绳的底端连接，以便装在钻头上部。钻井作业时，钻井泥浆通过钻链中心孔84循环。钻链很重，在钻井时可以往钻头上施压适当的重量。

图4只表示出两个线圈，一个发射线圈85和一个接收线圈86。但是，很好理解，上面已经解释过，一个没有表示出来的补尝线圈与接收线圈配合，而且测井仪可以有几种线圈排列法，与发射线圈的间距不同，所有这些线圈都按线圈85和86的方法布置。

钻链83有几个部位外径收缩，从而形成环形凹槽87，凹槽内放置线圈，每个线圈都埋入套筒88，在凹槽内填满橡胶或类似的材料。橡胶填进去使得套筒88的外表面基本上与接触井孔流体的钻链83的园柱体89外表面一样平。每个凹槽87都有一个中心园柱体90，其外径D₁，小于园柱体89的外径D₂，线圈分别装在那个中心园柱体周围，截体园锥形园柱体91把中心园柱体90与钻链园柱体89连接起来。截体园锥体适宜的轴向尺寸约等于各自线圈的直径。

发射线圈和接收线圈的信息通过导线传播，导线没有表示出来，它们都布置在钻链外表面形成的纵向槽内，再填进适当的绝缘和保护材料。这些导线与一个电子盒连接，图中未表示出来，电子盒装在位于感应测井仪上面的钻链里。

在一个实例中，每个凹槽的中心园柱体90有一个用铜或其他导电率高的材料制成的层面92，这样在线圈附近就有一个导电率高的表面。钻链83如上面指出的那样是钢制成的。图5是本发明感应测井仪实例的局部剖面图。

在图5实例中，发射线圈装置在100的位置。螺线管线圈有很多排列法，每个线圈包括一个接收线圈和一个补尝线圈，它们的设计和位置安排都是为了消除发射线圈与接收线圈的直接耦合效应。接收线圈与发射线圈之间有不同的间距，如101和102，补尝线圈分别与接收线圈配合，如101′和102′。所有线圈都装在中心园柱体105上，园柱体105是环形截面的园柱外表面，从图6的剖面中看得很清楚。两端的园柱体106和107直径变大，与支架105的两端连接。玻璃纤维增强环氧树脂套筒108套着线圈，保护线圈不接触到井孔流体。套筒108位于两个端头园柱体106和107之间，外径和它们相同。中心支架105与套筒108之间形成自由环形空间，在空间注满加压油。为此目的，必须安装一台压力补尝装置，图中为111，在底端园柱体107附近，压力补尝装置111是普通测井仪的一个组成部分，用于对环形空间110内的油加压，使压力稍高于井孔流体的压力，而套筒108的压差很小。

图6是中心支架105实例的剖面图，支架包括两部分，一部分是用导电率高的金属如铜或铜合金制成的外套筒115，另一部分是用高机械强度金属如不锈钢制成的内心，外套筒套在内心外面，配合很松，主要是考虑铜与钢有不同的热膨胀系数。内心116外面有很多放导线的纵向槽117。如图6所示，槽117内装了导线118，导线118穿进管状屏蔽119里。虽然每个槽可以容纳装在屏蔽内的一对导线，但图6只表示出一个带导线的屏蔽。屏蔽119的目的是为了尽量减少相邻槽内导线之间的干扰。屏蔽可以采用铁磁材料如高导磁率合金。除了槽117之外，内心还有纵向中心孔120，用于放供电线和与本发明感应测井仪上的其他测井装置相连的导线。槽117和中心孔120通过图中未表示出来的径向孔与环形空间110相连，所以槽内也注满了与环形空间压力相同的油。内心的制造方法是用适当的模具挤压。线圈可以和图2中介绍的线圈装置是一样的结构，接收线圈和补尝线圈安装在同一个陶瓷绝缘套筒上，如图中的线圈101和101′，其套筒为122。或者它们也可以装在不同的套筒上，如线圈102和102′，支架的外套筒115上有径向孔，与接收线圈和补尝线圈连接的导线从孔中穿过，而另一根导线把每对线圈互相连起来。

线圈之间的环形空间110填满了填充物125，如环氧树脂，从而减少由补尝装置提供的压力油用量和这台装置的长度。

发射机需要配电子盒130才能工作，如图所示，电子盒紧靠测井仪的底端，在补尝装置111和电子盒130之间是一个压力隔板131。连接接收线圈的电子盒132紧靠测井仪上端，同样，电子盒132与测井仪线圈之间是压力隔板133。图5还表示出测井仪线圈部分的上端和下端园柱体。下端园柱体内，两个半园环135和136卡在内心端头的上面，内心的园周有一个槽137，半园环的内环嵌进槽里。两个半园环紧靠铜套筒的端头，用螺栓互相拧住，图中未表示出来，这样它们在支架心部端头的上方就组成了一个可以转动的套筒。套筒140套着两个半园环，并用螺丝拧住，用键141插入支架上的键槽和套筒140，使套筒和半园不能绕着支架中心116旋转。套筒140有一个园柱体142，外径缩小，正好让外套筒108套套住。补尝装置外壳145与套筒140用螺丝连接起来，螺套148位于套筒140和外壳145底端之间，与后者螺纹连接。螺套148用止动器149紧紧固定住，使外壳145与套筒140不作相对轴向位移。用专用板子松开螺套，外壳会与套筒作相对轴向位移，所以也对线圈支架位移。另外，槽117和两端与通往中心孔120的斜管121连接。

线圈部分的上端是一个套筒160，套筒160上有螺纹161，与相邻的支架中心116上的螺纹啮合，套筒有一段163直径缩小，外套筒108正好套得上。套筒160用与螺套148类似的螺套166连接压力隔板133的外壳165，并与套筒160拧紧，防止与外壳165作相对轴向位移。

压力隔板在图中用170表示，本身是测井仪中的一台普通设备，有轴向管子，图中未表示出来，穿入抗压导线，两端与导体连接。在压力隔板与套筒160和线圈支架端头172之间是中间管状件171，支架心部116的端头172外径缩小，与中间管状件171的环形凹槽配合，螺旋形压力弹簧173在中间管状件171与支架端头172的中间，对压力隔板产生弹力。中间管状件171和套筒160都有轴向管175、176。与线圈连接的导线从这些管里穿过，管子176通过固定在支架上的部件178与支架上的槽117连接，并且有很多埋电线用的径向小槽。

Claims (18)

1、一种感应测井仪，适用于在井孔中位移，通过横向井孔调查地层构造，其特征：

-至少一个发射螺线管线圈，产生电磁场，基本上消除介质效应，磁场使地层构造产生感应电流；

-至少一个接收螺线管线圈，与发射线圈轴向隔开，根据由这些电流感应出的磁场产生信息，这种信息表示出地层构造的导电率；

-一种偏长的装线圈的支架，这些线圈与支架同轴并互相隔开，这种支架是用导电材料制成，至少在线圈附近的外表面是基本上连续的和轴向对称的，有助于涡流围绕着这表面流动。

2、第一项权利要求的测井仪基本上连续的和轴向对称的外表面纵向伸出线圈的两端，超出线圈两侧的部分至于为一个线圈的直径;

3、根据第一项权利要求，测井仪的支架包括由第一种高导电材料制成的外套筒和由第二种较第一种材料具有更高机械强度的材料制成的内心，内心的外径大体上等于外套筒的内径。

4、根据权利要求第三项，测井仪的外套筒是用铜或铜合金制成，内心是用不锈钢制成。

5、根据权利要求第三项，测井仪内心围周上有纵向的槽，这些槽与外套筒内外表形成通道，导线能够从这些槽里穿过支架。

6、根据权利要求第五项，测井仪的内心还有一个纵向中心孔。

7、根据权利要求第七项，发射线圈的工作频率大约为10千赫至400千赫。

8、根据权利要求第一项或第七项，测井仪的支架至少有一个第一纵向园柱体，同轴并相互隔开，在上述的第一园柱体两侧有一个第二纵向园柱体，至少第一园柱体有一个基本上连续的外表面，有助于涡流环绕着这个表面流动，第二园柱体承受着井孔流体的压力。

9、根据权利要求第八项，测井仪支架的第二园柱体外径大于第一园柱体外径。

10、根据权利要求第九项，测井仪支架的第一和第二园柱体用横向园柱体连接，与相邻线圈端头的间距至少等于该线圈的直径。

11、根据权利要求第十项，测井仪支架的第二园柱体内径大于第一园柱体内径。

12、根据权利要求第八项，测井仪支架用铜或铜合金制成。

13、边钻边测的测井仪，适合与钻绳联结，传送信息，指示通过横向井孔测得的地层构造导电率，其特征为：

-至少一个发射螺线管线圈，产生电磁场，基本上消除介质效应，电磁场使地层构造产生感应电流;

-至少一个接收螺线管线圈，与发射线圈轴向隔开，根据这些电流的感应电场产生表示地层构造导电率的信息;

-用导电金属制成的偏长管状支架，适合与钻绳连接，这种支架含用于装线圈的园柱体，这些线圈在同轴位置并相互隔开，园柱体有一个基本上连续的外表面，有助于涡流环绕这个表面流动。

14、根据权利要求第十三项，测井仪的这些园柱体外径缩小，形成凹槽，安放线圈。

15、根据权利要求第十四项，测井仪的线圈埋入橡胶类材料中。

16、根据权利要求第十三项，测井仪的园柱体有一个金属的导电率比支架高。

17、根据权利要求第十六项，测井仪的支架是用不锈钢制成，上述表面层是用铜制成的。

18、根据权利要求第十三项，测井仪的发射线圈工作频率范围大约为10千赫至400千赫。

Images