随钻电磁波传播电阻率测井仪响应检验装置的设计

方 辉 韩宏克 魏少华 张 爽

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453002)

0 引 言

随钻测井是电缆测井、钻井和录井技术的综合体，是迈向自动化、智能化钻井的重要环节和关键技术，是为了适应钻井现场实时决策的需要而研发的技术［1～3］。它是在钻井过程中同时进行的用于评价所钻穿地层的地质和岩石物理参数的测量技术，测井资料更为客观真实地反映了地层的实际地质特征。近年来，随钻测井所带来的经济效益越来越明显。随钻电磁波传播电阻率［4-6］测井仪器是随钻测井中最常用的仪器之一，它通过测量两个接收线圈上感应电动势的相位差和幅度比来获得地层的电阻率信息，能够有效的识别油层，并具有能够指导钻头在油层中水平钻进的地质导向［7、8］功能。因此，研制随钻电磁波传播电阻率测井仪器具有非常重要的实际意义。国内研制此种仪器大多采用仿制的方法，缺少核心技术的掌握，这样不利于测井技术的真正发展。鉴于此，研发团队从基础理论研究开始，研制出了具有自主知识产权的随钻电磁波传播电阻率测井仪。由于仪器体积大、重量重，搬运不便，在进行室外刻度前必须保证仪器响应规律正确，为此，这里设计了一种对随钻电磁波传播电阻率测井仪响应进行室内检验的装置，实现了在室内对该仪器响应规律的检验，为进行室外的刻度试验提供一定的保障。

1 设计原理

根据电磁波在介质中的传播理论［9］，高频电磁波在介质中传播会引起幅度衰减和相位延迟，地层不同，介质不同，其传播效应差异明显。低阻地层下，电磁波在其中的传播效应很明显，有很强的幅度衰减和相位滞后，高阻地层下，电磁波在其中的传播效应很微弱，幅度衰减与相位滞后很小。通过测量电磁波在不同的地层中传播时引起的幅度衰减与相位延迟，就可以求得不同地层的视电阻率。随钻电磁波传播电阻率测井仪的测量原理正是基于上述传播理论，它的基本天线分布单元为T-R-R，如图1 所示。T 为发射天线，向地层中发射高频电磁波，高频电磁波在地层中传播，在接收天线R上可以接收到高频电信号，测量一对接收天线R -R 上信号之间的幅度衰减与相位差，就可以对应求出反应位于接收天线R -R 之间地层的衰减电阻率和相位差电阻率。

图1 单发双收随钻电磁波传播电阻率测井仪器

借鉴感应仪器的刻度环思想，将仪器吊在半空中，金属环放在两个接收线圈中间处，发射线圈在两个接收线圈上产生原始的感应电动势，同时在闭合的金属环上会产生感应电流，此电流的大小与金属环上串联电阻的大小成反比，并且在两个接收线圈上又会产生附加的感应电动势。当这个附加的电动势与原始的电动势相比很小时，仪器的相位差和幅度比响应均接近于真空的响应。当与原始电动势相比大小相当时，相位差会出现最大值，而幅度比则会变小。当与原始电动势相比很大时，仪器的相位差和幅度比都接近于零。因此，当金属环上串联的电阻从小到大变化时，使得附加的电动势是从大到小变化，这时仪器的相位差响应应该是从零到最大值再到零，幅度比响应则是从零到最大值(真空响应)。

由上可知，由于随钻电磁波传播电阻率仪器与感应仪器的测量原理不一样，用在随钻电磁波传播电阻率仪器上的金属环产生的响应无法与地层的响应相对应，不具备刻度功能，不能称其为刻度环，但是通过串联电阻的变化可以使仪器响应产生相应的变化，因此，可以将其作为检验仪器响应能否随外界环境变化而相应变化的一种手段，为进一步验证仪器响应的正确性提供了一个初始检验。

2 金属环半径选取

作者团队研制的随钻电磁波传播电阻率测井仪采用上下对称的6 发双收的工作模式，发射频率为2 MHz、400 kHz，发射间距为0.508 m(20 in)、0.762 m(30 in)、1.168 4 m(46 in)，接收间距为0.152 4 m(6 in)。作者为使金属环产生的相位差和幅度比曲线变化幅度最大，方便观察到尽可能大的响应范围，进行了大量的数值模拟，这里选取了金属环半径为0.08 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.7 m、1.0 m 进行模拟仿真。计算时考虑了金属环自身的阻抗，采取调谐与不调谐两种方式计算。通过对模拟结果的分析总结，初步确定了金属环的半径大小及串联电阻的变化范围;数值模拟还发现，调谐后各组曲线的变化幅度范围要明显高于不调谐时的变化范围。因此，在金属环实际设计过程中也需要进行调谐，消除感抗。

图2 ～图5 给出了金属环调谐情况的计算结果。图2 、图3 分别给出了发射频率为2 MHz 发射间距为0.508 m 时相位差、幅度比随串联电阻及不同环半径的变化曲线，图4 和图5 分别给出了发射频率为400 kHz、发射间距为0.508 m 时相位差、幅度比随串联电阻及不同环半径的变化曲线。其它间距的响应曲线与此相差不大，这里不再赘述。图中的横坐标为金属环串联的电阻值，纵坐标为两个接收线圈间的相位差和幅度比响应，不同样式的曲线代表不同金属环半径时的响应。

图2 2 MHz-0.508 m 下相位差随电阻及环半径的变化曲线

图3 2 MHz-0.508 m 下幅度比随电阻及环半径的变化曲线

图4 400 kHz-0.508 m 下相位差随电阻及环半径变化曲线

图5 400 kHz-0.508 m 下幅度比随电阻及环半径变化曲线

由上图2 ～图5 观察发现，调谐后各图中变化幅度范围最大的曲线对应的金属环半径基本都在0.3 m ～0.5 m范围内，所以实际工程设计时也应选用在此半径范围内的金属环，然后根据具体情况再选择电阻变化范围。

3 响应检验装置的设计与实际测试

3.1 响应检验装置的设计

根据理论数值模拟结果，这里设计采用三个金属环，半径分别为0.3 m、0.4 m、0.5 m。如图6 为随钻电磁波传播电阻率测井仪响应检验装置平面图，包括一个盘式绝缘支撑体，其中心孔直径与随钻电磁波传播电阻率测井仪的直径相匹配，在盘式绝缘支撑体的支撑盘面上设有三个开路的圆形金属环，金属环围绕盘式绝缘支撑体的支撑盘面中心逐渐向外分布，从金属环的豁口端部引出快接头，另外与每个快接头匹配设有一个阻容模块。阻容模块电路图如图7 所示，表1 给出了三个金属环在调谐状态下阻容模块上电容值和调谐结果。

图6 随钻电磁波传播电阻率测井仪响应检验装置平面图

图7 阻容模块电路图

表1 金属环调谐结果

3.2 实际测试结果与理论模拟对比

将上述设计的响应检验装置套在仪器两接收天线中间处，在阻容网络模块上(如图7 中的R1或者R2)分别串接0.1 Ω、1 Ω、2 Ω、5.1 Ω、10 Ω、20 Ω、51 Ω、100 Ω、200 Ω、1 000 Ω 等电阻进行测试，记录阻容模块上串接不同电阻时各个发射频率和发射间距下仪器的相位差和幅度比。测试结果如图8、图10、图12、图14 所示，相对应的理论模拟结果如图9、图11、图13、图15 所示。这里仅仅给出了两个频率下发射间距为0.508 m 的相位差和幅度比响应曲线，其它间距的响应曲线与此相差不大，这里不再赘述。横坐标代表阻容模块上串联的电阻值，纵坐标代表相位差或者幅度比。

图8 2 MHz-0.508 m 实际测试曲线

图9 2 MHz-0.508 m 理论模拟曲线

图10 2 MHz-0.508 m 实际测试曲线

图11 2 MHz-0.508 m 理论模拟曲线

图12 400 kHz-0.508 m 实际测试曲线

图13 400 kHz-0.508 m 理论模拟曲线

图14 400 kHz-0.508 m 实际测试曲线

图15 400 kHz-0.508 m 理论模拟曲线

比较实际测试结果与理论模拟结果发现:相同的发射频率和发射间距下，二者的相位差、幅度比随串联电阻的变化规律和趋势基本一致，但是，二者在相同电阻下的相位差、幅度比值却存在差异。这是因为仪器的理论模型与实际仪器之间存在差异，而且实际仪器也会存在系统误差，而在仪器实际响应测试时，仪器的响应是原始信号与感应信号矢量叠加后的结果，这就造成实际测试值与理论模拟值存在一定差异，但是二者随串入不同电阻的变化规律应该是一致的。

4 结 论

本文借鉴了感应仪器刻度坏的思想，在金属环上串接不同的电阻时其产生感应电流大小不同，进而感应在接收线圈上附加的电动势大小不同，依据此设计原理作者在两种发射频率、三种发射间距、不同环半径、不同串接电阻下采取金属环调谐和非调谐两种计算方式做了大量的理论模拟，初步确定了金属环的半径大小和串入电阻的变化范围。实际设计时，金属环需要进行调谐。

通过实际测试与理论模拟结果的比较，二者在各个发射频率和间距下的响应变化规律和趋势基本一致，得到了相互验证，达到了最初的设计目的。该装置可以作为在室内对随钻电磁波传播电阻率测井仪响应检验的一种手段，为下一步进行室外的刻度试验提供一定的保障。因为仪器的质量和体积都很大，搬运起来很不方便，若等到室外刻度时才发现仪器的响应规律错误，会耽误很多时间和额外的付出很多工作量，而此检验装置的设计避免了这种情况的发生。

［1］张辛耘，王敬农，郭彦军. 随钻测井技术进展和发展趋势［J］.测井技术，2006，30(1):10 -15.

［2］秦绪英，肖立志，索佰峰.随钻测井技术最新进展及其应用［J］.测井技术，2003，26(4):313 -322.

［3］徐凤玲.一种随钻测井仪器的研制及应用［J］.中国西部科技，2010，9(25):20 -23.

［4］魏宝君.一种新型随钻电阻率测井仪器的响应和刻度.地球物理学报［J］，2007，50(2):632 -641.

［5］杨 震，岳步江，刘庆成，等.随钻电磁波传播电阻率仪器吊零刻度原理及实验［J］.石油仪器，2012，26(5):23 -28.［6］赵 媛，顿月芹，袁建生.随钻电磁波测井仪器线圈系参数设计方法研究［J］.测井技术，2011，35(3):224 -229.

［7］周明生，唐海全，李继红.随钻电阻率仪器在地质导向钻井中的应用［J］.化学工程与装备，2011，4:71 -72.

［8］孙显宏.超深度电阻率测井仪和方位电阻率测井仪组合的地质导向［J］.国外油田工程，2010，26(5):28 -31.

［9］路宏敏，赵永久，朱满座，等.电磁场与电磁波基础［M］.北京:科学出版社，2006，190 -247.