定向电磁波测井仪双倾斜线圈系结构研究*

解茜草，孙　超， 仵　杰

(1.西北工业大学，陕西 西安 710072； 2.西安石油大学，陕西 西安 710065)



定向电磁波测井仪双倾斜线圈系结构研究*

解茜草1,2，孙超1， 仵杰2

(1.西北工业大学，陕西 西安 710072； 2.西安石油大学，陕西 西安 710065)

摘要:采用水平层状各向异性介质中的磁流源并矢Green函数数值模拟了倾斜线圈系随钻电磁波电阻率测井仪的电磁波传播特性。分析了采用倾斜线圈系时电压的幅值衰减和相位移，兼顾信号强度和定向方位信号敏感性两方面因素，理论上给出线圈系方位角和线圈倾角的选择方法。研究结果与现有两种国外定向随钻电磁波电阻率测井仪的参数一致，为国内定向测井仪器的研发和测井数据解释奠定理论基础。

关键词：定向电磁波传播； 倾斜线圈系； 并矢Green函数

0引言

在石油钻井领域，随着油气田勘探程度的不断提高，勘探对象由简单构造过渡到复杂构造，定向井成为油气田生产的重要手段，准确控制井眼轨迹是定向井钻井成功的关键。传统的电磁波传播随钻测量采用共轴线圈作为发射和接收线圈，缺乏定向性和方位灵敏特性[1～5]。含倾斜线圈的电磁波传播随钻测量仪器能够实现对多分量电磁信号的测量，将三分量感应测井技术结合到随钻测量中[6]，增加了随钻电阻率测井资料的信息量，具有定向探测能力、方位灵敏特性和更丰富的信息量，可以实现对未钻地层界面位置和方位的钻前预测、改进地质导向能力，并实现对复杂油气储集层的高精度对比评价。倾斜线圈对各向异性地层的响应更加敏感，在各向异性地层的评价中有好的应用[7]。

目前，国内没有自主研发的定向随钻电磁波测井仪，国外具有定向随钻电磁波测量能力的仪器主要集中在Schlumberger,Halliburton和Baker Hughes三家公司。许多文献对仪器的性能和实际测井效果进行了报道，但很少分析仪器线圈系的结构设计。本文数值模拟研究双倾斜线圈系结构设计，所得结论可以为国内新一代定向测井仪器的开发设计及其相关的测井数据解释提供参考依据。

1定向电磁波测井基本理论

图1中xyz为仪器直角坐标系，发射线圈和接收线圈磁矩方向与仪器轴向z之间的夹角分别为θT和θR，磁矩平面方位角分别为φT和φR，发射线圈与接收线圈之间的距离即源距为LTR。当仪器绕z轴旋转时，发射线圈在接收线圈处产生的感应电动势将随着方位角的变化而变化。

将发射线圈看作一个振动的磁偶极子,方位角为φT、倾斜角为θT、磁矩大小为MT(MT=ITATNT，其中,IT,AT,NT分别为电流强度、发射线圈匝数和面积)的磁偶极源可分解为3个互相垂直的磁偶极子源。

图1　倾斜线圈系示意图Fig 1　Diagram of tilted coil system

由GHM可求出接收线圈处磁场强度的x,y,z分量分别为

Hx=MT(GxxsinθTcosφT+GyxsinθTsinφT+GzxcosθT),

Hy=MT(GxysinθTcosφT+GyysinθTsinφT+GzycosθT),

Hz=MT(GxzsinθTcosφT+GyzsinθTsinφT+GzzcosθT).

将接收线圈处3个方向的磁场强度投影到接收线圈磁矩方向后可得接收线圈处的磁场强度为

HR=HxsinθRcosφR+HysinθRsinφR+HzcosθR.

设发射源随时间的变化关系为ejωt，由此可得接收线圈处的感应电动势为

V=-jωμHRARNR=|V|ejωφ.

其中，ω=2πf为发射频率，|V|和φ分别为接收线圈处感应电动势的幅值和相位。

2线圈系中的线圈倾斜角度研究

图2(a)所示为采用倾斜线圈系时磁场传播示意图，θT固定，当θR不同时垂直穿过接收线圈的磁通量不同，则接收线圈上电压大小也不同，如图2(b)所示，接收线圈倾角θR变化时电压幅值大小发生变化。

图2　倾斜线圈系时磁场传播示意图与电压幅值特性Fig 2　Diagram of magnetic field spread and voltageamplitude characteristics

电压幅值最大值和对应的接收线圈倾角分别记为|V|m和θRm，|V|m的位置与地层参数无关，只与线圈系参数(θT,θR,φT及φR)有关，因此，本文研究倾斜线圈系参数如何设计使得在接收线圈处接收信号最强，接收电压幅值最大。

如图2(b)所示，有耗媒质中，场振幅随着源距的增加按指数规律衰减，且接收线圈倾角θR变化不改变电压幅值的衰减规律，可任取源距研究接收线圈倾角变化时接收电压幅值的变化。

发射频率f=100 kHz～2 MHz，源距LTR=0.2～5 m，θT=0°～90°，θR=0°～180°，发射线圈AT=AR=πa2，随钻电阻率测井仪钻铤直井为171.45 mm，即a=0.085 725 m，地层电导率σ=0.001～10.0 S/m，计算接收线圈处电压的幅值和相位。

频率分别为100,400,2 000 kHz，θT分别为30°与45°，LTR=0.2 m时电压幅值最大值|V|m和对应的接收线圈倾角θRm结果分别列于表1和表2中，分析可知:

表1　θT=30°时|V|与θRm

1)倾斜线圈系设计时应选择发射线圈与接收线圈具有相同的磁矩平面方位角，即φT=φR。此时，接收电压幅值最大值|V|m比采用不同磁矩平面方位角时的值大，但磁矩平面方位角不影响θRm。

2)考虑不同电导率和不同发射频率时趋肤效应影响程度不同，发射线圈倾角与接收线圈倾角应满足θR=180°-θT+Δ，余量Δ=10°～20°，按该关系设置倾斜线圈系时接收电压幅值最大，信号最强。

3)线圈倾角的设计要兼顾信号强度和定向方位信号敏感性两方面因素。发射线圈倾角θT增大，电压幅值降低，从接收信号强度方面考虑，应选择较小的发射线圈倾角；但线圈倾斜角度对定向信号有影响，发射线圈倾角越大，对层界面的敏感性越大，有利于定向测井，因此,要折中选择线圈倾斜角度。国外Halliburton公司推出的ADR方位深探测随钻电阻率测井仪器和Schlumberger公司推出的深探测定向随钻电磁波电阻率测井仪器PeriScope15都采用了45°的倾斜接收线圈。

表2　θT=45°时|V|与θRm

3结论

本文数值模拟单发单收倾斜线圈系在均质地层和两层地层中的电磁场分布和响应特性，研究倾斜线圈系结构设计。

为保证接收线圈处电压幅值最大，信号最强，倾斜线圈系结构设计时线圈的方位角和倾角最好满足φT=φR,θR=180°-θT+Δ(Δ为余量，Δ=10°～20°)。同时，从接收信号强度方面考虑，应选择较小的θT；但θT越大，相位变化越剧烈，信号灵敏度越高，方位信号对层界面的敏感性越大，因此，线圈倾角的设计要兼顾信号强度与定向方位信号敏感性两方面因素。

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Research on double tilted coils structure for directional electromagnetic wave logger*

XIE Xi-cao1,2, SUN Chao1, WU Jie2

(1.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2.Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

Abstract:Electromagnetic wave propagation characteristics of measurement while drilling(MWD) electromagnetic wave resistivity logger with tilted coil are simulated via magnetic-current-source dyadic Green’s function for horizontally stratified anisotropic media.The amplitude-attenuation and phase-shift characteristics of tilted coil are analyzed,taking into account both signal strength and sensitivity of directional azimuth signal and selection method of azimuth and tilted angle of coil is presented.The research results is consistent with parameters of two kinds of foreign directional MWD electromagnetic wave resistivity logger and is valuable for the research and development of directional well logging instrument and logging data interpretation in China.

Key words:directional electromagnetic wave propagation; tilted coils; dyadic Green’s function

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0036—03

收稿日期：2015—05—08

*基金项目：国家科技重大专项项目(2011ZX05020—004—05);陕西省教育厅专项科研计划资助项目(11JK0783)

中图分类号：P 631

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0036—03

作者简介:

解茜草(1978-)，女，陕西西安人，博士研究生，讲师，主要从事电磁方法、理论及信号处理研究。