过钻具存储式感应测井仪的设计与研究

游 畅 孙 伟 梁大黎 曾晓丰 蔡志明 申 红

(川庆钻探工程有限公司测井公司 重庆 400021)



·开发设计·

过钻具存储式感应测井仪的设计与研究

游 畅 孙 伟 梁大黎 曾晓丰 蔡志明 申 红

(川庆钻探工程有限公司测井公司 重庆 400021)

文章对过钻具存储式测井技术的出现做了简单的概述，提出了研制过钻具存储式感应测井仪的重要性，重点介绍了过钻具存储式感应仪器的功能和实现方法。该仪器设计了一种新型的线圈系结构；发射电路采用三频率混频调谐发射电路，最大限度地降低了仪器功耗，满足了供电电池的小功率要求；电子线路采用硬件电路软件化和高度集成化的方式，具有集成度高、可靠性高、软件算法先进等优点。过钻具存储式感应测井仪增强了过钻具存储式仪器的测井能力，丰富了获取地层评价信息的技术手段。

过钻具存储式测井；感应；线圈系；调谐发射

0 引 言

随着石油勘探难度的加大和钻井技术的快速发展，大斜度井、水平井和超深井越来越多，测井难度越来越大，现有的测井仪器[1]和测井技术越来越不能适应井筒状况的变化。在这个背景下，过钻具存储式测井仪器和测井技术随之产生，以满足油气勘探开发需要。但是目前过钻具存储式仪器的配套还不全，缺少感应类仪器，使得过钻具存储式仪器在油基泥浆井内不能获得电阻率资料，这样会导致仪器的推广应用和页岩气测井市场中缺乏竞争力。过钻具存储式感应测井仪要求最大外径为60 mm，属于小直径测井仪器，这在线圈系设计和信号处理方面的难度很大。目前，国内还没有小直径的存储式感应测井仪设备。

1 过钻具存储式感应仪器与普通双感应八侧向仪器的区别

过钻具存储式测井是把仪器悬挂在钻杆的水眼内，下到测量井段的底部时把仪器泵出水眼后开始测井，因此过钻具存储式感应仪器要求外径小，不能超过60 mm，其线圈系的模型、参数发生了变化，软件算法必须做相应的改动。通过分析感应仪器的特点和仪器特性响应，包括纵向和径向一维响应特性、二维响应特性等，过钻具存储式感应仪器设计了新线圈系的结构，采用三种工作频率，六个子阵列线圈，相当于一个小直径的阵列感应测井仪[2]，这样缩短了线圈系长度，有利于提高仪器的强度。与阵列感应测井仪一样，过钻具存储式感应仪器采用软件聚焦[3]的方式，即用软件合成双感应曲线和八侧向曲线。而普通的双感应八侧向仪器[4]采用的是硬件聚焦，为了满足纵向和径向的分辨率和响应，线圈系必须设计得很长，同时双感应仪器的信号由于处于一个很大空间的发射电磁场中，受到发射线圈系和接收线圈系所在空间的电、磁物质和电磁矢量回路的影响很大，即受自身结构和环境条件影响大，如受温度、压力、自身状态等影响，产生漂移，仪器的强度和稳定性能不如阵列感应仪器。

2 新型线圈系的结构设计和数值模拟

2.1 新型线圈系结构设计

受钻杆水眼的限制，过钻具存储式测井仪器的直径必须尽量小，同时感应线圈系容易受到金属的干扰，仪器外壳必须是玻璃钢材料，因此该仪器要满足抗拉、抗压指标成为一个难点。如果采用传统的双感应八侧向测井仪的结构设计，线圈系的长度接近6 m，由于仪器太长使得仪器的抗拉、抗压指标降低，而采用阵列感应测井仪的结构设计，线圈系的长度不到4 m，这样可增强仪器的抗拉、抗压能力。同时，线圈系的支撑芯轴不能用一般的金属材料，采用皮芯铜做线圈系芯轴，解决了仪器强度的问题。新型线圈系结构采用的是阵列感应测井仪的结构,也就是三线圈系，即一个发射线圈和两个接收线圈，两个接收线圈反向缠绕，抑制感应直耦信号，其结构如图1所示。

图1 三线圈系结构示意图

接收线圈的匝数分别为N1、N2，接收信号的强度与距离1/D3和线圈匝数N成正比，如果满足：

N1/D13-N2/D23=0

(1)

则能基本抑制感应的直藕信号。完整的阵列感应仪器由多个三线圈系结构组成，它的基本思路是利用最少的线圈系，提供满足需要的原始测量信号，用地面软件对这些信息进行聚焦计算，就可以给出不同探测深度和不同纵向分辨率的信号。过钻具存储式感应仪器通过分析感应仪器的特点和仪器特性响应，包括纵向和径向一维响应特性、二维响应[5]特性等，设计为6个子阵列，即6个三线圈系结构。

2.2 数值模拟

通过对国内外阵列感应测井仪线圈系设计的优缺点分析，目前主要分析了三种阵列感应测井仪(斯伦贝谢公司AIT、阿特拉斯公司1515HDIL和哈里伯顿公司HRAI)的线圈系聚焦方案、工作频率、子阵列个数和线圈间距等对仪器特性的影响，以及纵向和径向一维响应特性、二维响应特性和电压测量特性，确定了过钻具存储式感应测井仪的线圈系设计和方案，该新型线圈系主要以阿特拉斯公司1515HDIL线圈系为原型，由于过钻具存储式感应仪器的直径小，其模型发生了变化，线圈系的各种参数需要根据数值模拟和测试结果进行调整，包括聚焦方案、工作频率、子阵列个数、主线圈间距、屏蔽线圈间距和线圈匝数等。

为了方便对聚焦信号的计算和处理，线圈系的间距设计与阿特拉斯公司1515HDIL的一致；结合仪器本身特点，确定为6个子阵列，3种工作频率。由于线圈直径小，电感量变小，需要增加线圈的圈数以增大电感量，使之接近1515HDIL相应线圈的电感量。

过钻具存储式感应测井仪的截面积：

S=πr2=π×302=2826

(2)

1515HDIL的截面积：S=πR2=π×452=6358

(3)

因为电感量跟截面积和线圈圈数相关，根据式(2)、式(3)可知，过钻具存储式感应测井仪的截面积大约是1515HDIL的一半，所以过钻具存储式感应测井仪线圈圈数应设计为1515HDIL相应线圈圈数的2倍。另外倍数设计为2倍的另一个好处在于设计上容易实现，在不改变每个线圈长度的情况下，只需要将线圈加密一倍就能达到效果。

3 仪器工作原理

过钻具存储式感应仪器工作原理框图如图2所示。发射板产生发射信号送到发射线圈T，发射电路采用正弦波的方式发射，把3种工作频率混频后，再进行调谐发射，如图3所示，使得在相同的功率下的发射信号最大，并可获得最大的信噪比。然后通过6个接收子阵列线圈接收地层感应信号，经过信号放大板放大后，送入信号处理电路，利用快速傅立叶变换分离出不同频率对应的实部分量(R信号)和虚部分量(X信号)，进行叠加处理。由于发射信号包含12 kHz、36 kHz、72 kHz三种混频信号，因此经快速傅立叶变换后总共可获得36个测量信号,再把处理好的信号通过CAN总线送入存储板。最后地面系统读取存储数据，进行软件合成聚焦处理，形成感应曲线。仪器采用的是软件检波的方式，其效果比硬件检波好，性能稳定。另外，该仪器还同时测量线圈系温度、泥浆电阻率，这为仪器进行环境校正[6]、还原地层真电导率提供了丰富可靠的原始测量信息。

图2 过钻具存储式感应仪器工作原理框图

图3 混频发射信号

4 混频调谐发射电路设计

作为过钻具存储式测井仪器，其测井方式决定了仪器的电源只能用电池供电，这就要求仪器的总体功耗必须低，因此既要最大限度地降低仪器的发射功耗，又要不影响对信号的接收，过钻具存储式感应仪器设计出了三频率混频调谐发射电路，如图4所示，其中(1)、(2)、(3)表示三种不同频率信号的调谐电路。发射波形采用正弦波，相比1515HDIL的方波发射来说功耗大大降低。此三种工作频率混频后调谐发射，使得在相同的功率下的发射信号幅度最大，可获得最大的信噪比，同时可降低线圈的发射电压，这样最大限度地降低了仪器功耗，满足了供电电池的小功率要求。

为了满足仪器的分辨率和探测深度，根据几何因子理论[7]，通过分析和模拟仿真，三种工作频率分别为12 kHz、36 kHz和72 kHz的正弦波。图5为12 kHz、36 kHz、72 kHz混频信号的拉环电压示意图，6条曲线分别代表6个接收子阵列的响应电压，此图反应了刻度环在探头的不同位置和各接收线圈子阵列的响应函数关系。

图4 混频调谐发射电路

图5 混频信号的拉环电压示意图

当刻度环从探头的上部位置逐步移到第一个接收线圈子阵列位置时，coil1曲线的负电压值达到最大，随后逐渐减小。当移到第二个接收线圈子阵列位置时，coil2曲线的负电压值达到最大，如此依次移到第六个接收线圈子阵列位置时，coil6曲线的负电压值达到最大，随后逐渐减小，当移到下部位置时，所有接收线圈子阵列的响应电压值接近为零。此图说明了12 kHz、36 kHz、72 kHz混频信号能够很好地匹配过钻具存储式感应线圈系的参数和设计。

5 应用效果

过钻具存储式感应测井仪线圈系芯轴采用皮芯铜作为芯轴,解决了小直径感应仪器的强度问题，发射电路采用三频率叠加的混频信号，调谐后进行发射，使得在相同的功率下的发射信号最大，并可获得最大的信噪比。电子线路高度集成化和软件化，采用基于DSP和FPGA高集成芯片，减少了硬件电路，提高了仪器的可靠性。仪器研制完成后，在实验井与5700阵列感应测井仪进行了资料对比测井，如图6所示，所测资料基本与阵列感应曲线一致，表明过钻具存储式感应测井仪器具备测井能力，能较为准确地测量地层电阻率。该仪器的优势在于，应付疑难复杂井、超长水平井和小井眼井时，一般的阵列感应测井仪因无法下井，不能获得地层资料，而过钻具存储式感应测井仪则能安全、高效、可靠地获得这些复杂井况的地层资料。

图6 存储式感应与5700阵列感应资料对比图

6 结 论

(1)该仪器设计了一种新型的线圈系结构，包含一个发射线圈和六个接收子阵列线圈，由于仪器直径小，线圈系模型和参数都作了相应的变化。

(2)为满足供电电池的小功率要求，最大限度地降低仪器功耗，设计了三频率混频调谐发射电路。

(3)电子线路采用硬件电路软件化和高度集成化的方式，具有集成度高、可靠性高、软件算法先进等优点。

[1] 庞巨丰.测井原理及仪器[M]. 北京：科学出版社，2008：59-102.

[2] 马火林.AIL阵列感应测井原理方法及应用研究[A].北京：中国地质大学,2007

[3] 仵 杰，胡 启，汪文秉. 阵列感应测井测量信号聚焦的研究及应用. 测井技术[J]，1997，21(5)：310-317.

[4] T.D Barber. Introduction to the digital dual induction tool.SPE 12049.1983：127-132.

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[6] 郭 华，曹卫东，朱宣国. 感应测井趋服效应校正方法[J].石油仪器，2004，18(1)：58-59.

[7] 仵 杰，庞巨丰，徐景硕. 感应测井几何因子理论及其应用研究[J] . 测井技术，2001，25(6)：417-422.

Design of Through-pipe Memorized Induction Logging Instrument

YOU Chang SUN Wei LIANG Dali ZENG Xiaofeng CAI Zhiming SHEN Hong

(ChuanqingDrillingEngineeringCompanyLtd.loggingCompany,Chongqing400021,China)

In this paper, we briefly described the through-pipe memorized logging technology, and then emphatically introduced the function and the realization method of the instrument. We designed a new type of structure of coil system for the instrument, and adopted frequency mixing tunable emission circuit for the emission circuit, which mostly reduced the instrument power, so that the instrument could meet the small power supply requirement. The hardware circuits were replaced by software and highly integrated with electronic circuits, which had the advantages of high integration, high reliability and advanced software algorithms, etc. The through-pipe memorized induction instrument enhanced the capacity of through-pipe memorized logging instrument, and enriched the technology means of getting formation information.

through-pipe memorized logging, induction, coil, tuning emission

游 畅，男，1979年生，工程师，2002年毕业于成都理工大学电子仪器及测量技术专业，目前在川庆钻探工程有限公司测井公司工作。E-mail:youchang007@yeah.net

P631.8+1

A

2096-0077(2015)01-0012-04

2014-08-15 编辑：姜婷)