袁吉祥 吳少威 賀紅民 韓金玉 鐘曉勤

(中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西高陵)

感應(yīng)測井儀器的刻度原理及方法

袁吉祥 吳少威 賀紅民 韓金玉 鐘曉勤

(中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西高陵)

感應(yīng)測井儀是現(xiàn)在使用比較頻繁的一種電法儀器,刻度是一支儀器測出優(yōu)等曲線的前提,文章就是以EIlog系統(tǒng)中使用的DIF5520感應(yīng)儀器為基礎(chǔ),從感應(yīng)儀器測井的基本原理出發(fā),從線圈系和電子線路兩個角度闡述了儀器刻度的原理和方法。

感應(yīng)測井;線圈系;刻度;有用信號;無用信號

0 引 言

測井儀器的刻度有三個目的:通過確立測量值與工程值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系建立起高精度的測量地層儲集參數(shù)的基礎(chǔ);檢查井下儀器的線性及穩(wěn)定性;檢查井下儀器的工作是否正常。所以刻度對每種儀器都是至關(guān)重要的。本文主要從儀器本身的測井原理出發(fā),從線圈系和線路兩個角度來闡述感應(yīng)儀器刻度的原理和方法。

1 感應(yīng)測井的原理[1]

圖1 感應(yīng)測井原理

實用的感應(yīng)測井儀式是采用聚焦線圈系的感應(yīng)測井儀。由于聚焦線圈系可以看成是幾個雙線圈系組合而成的,因此在說明感應(yīng)測井原理時,仍以雙線圈系感應(yīng)測井的原理為例。雙線圈系感應(yīng)測井儀的測井原理圖如圖1所示。T為發(fā)射線圈,R為接收線圈,兩個線圈相隔一定距離固定在芯棒上。當給發(fā)射線圈一個幅度和頻率均恒定的正弦交流電流i時,在其周圍地層中便會產(chǎn)生出一個交變的電磁場Φ1。在該電磁場的作用下,地層中就會感應(yīng)出許多的環(huán)繞井軸的感生電流i1(渦流)。由于i1是交變電流,因此它也可以形成一個交變的電磁場Φ2,Φ2又叫二次電磁場。由于二次電磁場的存在,在接收線圈R中便產(chǎn)生了感生電動勢eσ,又因為eσ與地層電導(dǎo)率有關(guān),故稱eσ為有用信號,同時,Φ1也可以直接在接收線圈R中產(chǎn)生一個感生電動勢e0,與地層電導(dǎo)率無關(guān),故e0叫做無用信號。在略去渦流間的相互作用的情況下,可以認為eσ的相位滯后發(fā)射電流I 180°,e0則滯后發(fā)射電流i90°,因此eσ和e0之間存在90°的相位差,利用這個相位差,可以通過專門的檢波電路把eσ和e0分開,使地面記錄系統(tǒng)只記錄有用信號eσ。

對于均勻無限介質(zhì),可以把它劃分為無限多個與井軸垂直的單元導(dǎo)電環(huán),當環(huán)的截面積ds等于1時,常稱為單元環(huán),當發(fā)射和接收條件均已知的情況下,單元環(huán)在接收線圈R中產(chǎn)生的有用信號deσ與介質(zhì)的電導(dǎo)率σ成正比,其表達式為

式(1)中,K為儀器常數(shù)。它與發(fā)射電流的強度和頻率、介質(zhì)的導(dǎo)磁率、發(fā)射和接收線圈的匝數(shù)、截面積以及線圈距有關(guān);g為單元環(huán)的幾何因子。它僅與單元環(huán)的幾何尺寸、單元環(huán)與線圈系的相對位置有關(guān);ds為單元環(huán)的截面積。

全部介質(zhì)在接收線圈中產(chǎn)生的總有用信號eσ等于各個單元環(huán)分別在接收線圈中產(chǎn)生的有用信號的疊加,則有

理論上可以證明,全空間的幾何因子等于1,即:

于是式(2)變成

該式表明,有用信號與介質(zhì)的電導(dǎo)率成正比,因此,測井時只要測出有用信號,就可以計算出地層的電導(dǎo)率。但是,在實際測井中遇到的往往是非均勻介質(zhì),此時,按照上式計算出的電導(dǎo)率叫做視電導(dǎo)率σa,對于由幾部分介質(zhì)組成的非均勻介質(zhì),總的有用信號等于各部分介質(zhì)所產(chǎn)生的有用信號的疊加,而視電阻率等于各部分介質(zhì)的電導(dǎo)率與其幾何因子乘積的代數(shù)和。例如,有井眼、圍巖和侵入帶的影響時的視電導(dǎo)率可表示為:

式(5)中,σt、σm、σs和σi分別為地層、泥漿、圍巖和侵入帶的電導(dǎo)率;Gt、Gm、Gs和Gi分別為地層、泥漿、圍巖和侵入帶的幾何因子。

當泥漿、圍巖和侵入帶的影響較小時,σa可以近似的等于σt。在此情況下,所測的有用信號的大小,可以反映出地層電導(dǎo)率的變化,這就是感應(yīng)測井的基本原理。

2 感應(yīng)測井儀的刻度原理[2]

感應(yīng)測井儀是測量地層電導(dǎo)率的一種儀器,但它輸出的是電壓信號,因此儀器在使用以前必須首先確定儀器的輸出電壓與地層電導(dǎo)率之間的對應(yīng)關(guān)系,這項工作就叫做儀器的刻度。經(jīng)過刻度的儀器在測井時就可以按照電導(dǎo)率進行讀數(shù)。

現(xiàn)場廣泛使用的是模擬刻度法,這種方法是用一個金屬導(dǎo)電環(huán)(常稱刻度環(huán))來模擬均勻無限介質(zhì),對儀器進行刻度的。它具有使用方便,經(jīng)濟而實用的優(yōu)點。

模擬刻度原理:模擬刻度是把串有適當電阻的刻度環(huán),套在線圈系的一定位置上,使刻度環(huán)產(chǎn)生的有用信號等效于某均勻無限介質(zhì)所產(chǎn)生的有用信號,來代替該介質(zhì)對儀器進行刻度的一種刻度方法。為便于理解模擬刻度原理,下面先討論簡單的雙線圈系感應(yīng)測井儀的刻度,再討論聚焦線圈系感應(yīng)儀器的刻度。

2.1 雙線圈系感應(yīng)儀器的刻度

由感應(yīng)測井原理可知,在均勻無限介質(zhì)中,儀器接收到的有用信號eσ與介質(zhì)的電導(dǎo)率σ成正比,即eσ=kσ,式中的K為儀器常數(shù),用公式表示為:

式(6)中,ω為發(fā)射電流I的角頻率;I為發(fā)射電流強度;μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率;ST為發(fā)射線圈的總面積,等于發(fā)射線圈面積與其匝數(shù)之積;SR為接收線圈的總面積,等于接收線圈面積與其匝數(shù)之積;L為線圈距。

根據(jù)感應(yīng)測井的幾何因子理論,如圖2所示的單元環(huán)為儀器提供的有用信號。

圖2 單元環(huán)示意圖

式(7)中,K為儀器常數(shù);σ為介質(zhì)電導(dǎo)率;ds為單元環(huán)的截面積;g為單元環(huán)的幾何因子。

幾何因子g又可表示為:

式(8)中,L為線圈距;R為單元環(huán)的半徑;RR為單元環(huán)到接收線圈的距離;RT為單元環(huán)到發(fā)射線圈的距離。

若用電導(dǎo)率為σe的金屬導(dǎo)線制成刻度環(huán)來代替圖中的單元環(huán),則刻度環(huán)對儀器提供有用信號也可以仿照公式(1)的形式來表示,即:

式(9)中,K為儀器常數(shù);G為刻度環(huán)的幾何因子,與單元環(huán)的幾何因子相等;σe為刻度環(huán)的電導(dǎo)率;ds為刻度環(huán)的截面積。

根據(jù)模擬刻度原理,顯然有:ee=eσ或Kgσeds=Kσ,則:

刻度環(huán)電阻Re與刻度環(huán)半徑r、截面積ds、電導(dǎo)率σ之間有如下關(guān)系:

式(12)中,Ke為刻度系數(shù)。當刻度環(huán)半徑和刻度環(huán)相對于線圈系的位置確定之后,Ke是常數(shù)。由該式可知,只要選擇不同的刻度電阻Re就可以模擬電導(dǎo)率不同的均勻無限介質(zhì)對感應(yīng)測井測井儀進行模擬刻度。

2.2 聚焦線圈系感應(yīng)儀器的刻度

聚焦線圈可以看成是由幾個線圈系組合而成的。因此,對于聚集線圈系,某均勻無限介質(zhì)所產(chǎn)生的總有用信號就等于該介質(zhì)在每個雙線圈系中所分別產(chǎn)生的有用信號的代數(shù)和。其中,當發(fā)射線圈與接收線圈繞向相同時,雙線圈系的有用信號為正值,反之為負值。

根據(jù)上述原理,當線圈系由m個串接在一起的發(fā)射線圈和由m個串接在一起的接收線圈組成時,刻度環(huán)產(chǎn)生的有用信號:

式(13)中,Kij為線圈系系數(shù);i為第i個發(fā)射線圈,共有m個;j為第j個接收線圈,共由n個;gij為幾何因子。

電導(dǎo)率為σ的均勻無限介質(zhì)產(chǎn)生的有用信號:

仿照雙線圈系Ke的推導(dǎo)方法,可解出聚焦線圈系的刻度系數(shù):Ke=

3 感應(yīng)儀器的刻度裝置——刻度環(huán)

3.1 刻度環(huán)感抗的影響

在利用式(12)計算刻度電阻時,是把刻度環(huán)當做純電阻元件來對待的,而實際上刻度環(huán)是有一定電感的。例如,用線徑為4 mm的銅線制成的半徑為0.3 m的刻度環(huán),其電感為2.22μH。當感應(yīng)測井儀的發(fā)射電流頻率為20 kHz時,該刻度環(huán)的感抗為0.279Ω。若使用這樣的刻度刻度換模擬刻度高電導(dǎo)率介質(zhì)時,由于這時刻度電阻很小,僅有幾歐姆,在這種情況下,刻度環(huán)感抗的影響已不允許忽略。另外,由于刻度環(huán)感抗的存在,還將使刻度環(huán)中的渦流產(chǎn)生移相,這些將影響將使刻度值偏低。為了扣除刻度環(huán)感抗的影響,計算刻度電阻時,應(yīng)用補償法公式進行計算如下:

式(13)中:ρ為均勻無限介質(zhì)的電阻率;Ke為刻度系數(shù);XL為刻度環(huán)的感抗;RL為刻度電阻。

在應(yīng)用補償法刻度時,參考信號的信號的相位必須調(diào)準,若相位調(diào)偏,刻度時會產(chǎn)生非線性。另外還可以采用在刻度環(huán)電路中串聯(lián)適當電容方法進行刻度,所串電容應(yīng)用應(yīng)與刻度環(huán)的電感形成串聯(lián)諧振,使電抗為零,以抵消電感的影響。值得注意的是,對刻度環(huán)所配的電阻,應(yīng)該是精密無感電阻,自制時,可用雙線并繞發(fā)繞制。

3.2 雙感應(yīng)刻度環(huán)

為方便野外使用,雙感應(yīng)測井儀使用半徑為0.4 m的刻度環(huán)。該刻度環(huán)的刻度系數(shù)KM(中感應(yīng))為3.883,KD(深感應(yīng))為1.771?？潭拳h(huán)感抗XL為0.345 6Ω。實際上雙感應(yīng)儀器刻度500 mS/m和100 mS/m這兩點,中感應(yīng)的463 mS/m刻度信號和深感應(yīng)的402 mS/m刻度信號,經(jīng)傳播效應(yīng)影響校正后,相當于500 mS/m;而中感應(yīng)的97 mS/m刻度信號和深感應(yīng)的93 mS/m刻度信號經(jīng)傳播效應(yīng)影響校正后,相當于100 mS/m。雙感應(yīng)刻度環(huán)電路如圖3所示。

圖3 感應(yīng)刻度環(huán)電路

4 雙感應(yīng)儀器的刻度方法[3]

4.1 線圈系的結(jié)構(gòu)及其調(diào)整方法

線圈系是感應(yīng)測井儀的探測器,它的結(jié)構(gòu)和性能與儀器的探測特性密切相關(guān),因此線圈系的設(shè)計和制造要求較高。線圈系的性能性能一般要滿足下述三點:(1)線圈系的總無用信號接近于零。(2)線圈系的縱向特性,應(yīng)使圍巖對測井信號的影響較小,即具有良好的分層能力。(3)線圈系的徑向特性,應(yīng)使井眼的影響盡可能的小,并滿足探測深度的要求。

EIlog成套裝備中的DIF 5520感應(yīng)采用的是聚焦線圈系,基本上是滿足上述要求設(shè)計的,它的線圈系(如圖4所示)是由由繞在玻璃鋼骨架上的11個線圈組成,T1,T2和T3為中深感應(yīng)共用的發(fā)射線圈組,R1,R2和R3為深感應(yīng)接收線圈組,深感應(yīng)為對稱的6線圈系;r1,r2,r3,r4和r5為中感應(yīng)的接收線圈組,中感應(yīng)為不對稱的8線圈系。

圖4 感應(yīng)的線圈系

需要說明的是對于線圈系的調(diào)整對基值的影響是最大的,但這項工作并不是每次儀器刻度都必須做的,只是在維修線圈系之后,為了給以后從線路中進行調(diào)整留下更大的空間才采取的措施,具體步驟如下:(1)將線路中基值電位器外圍串或并的電阻都焊掉,并將電位器調(diào)到中間位置;(2)連接線圈系并置于刻度架上;(3)測量無用信號大小,使其在50 mV～60 mV,如不滿足,前后移動線圈R3(對深感應(yīng))或r3(對中感應(yīng))的位置即可;(4)用康銅絲拉基值。對深感應(yīng)來說,R1為正補償線圈,R2為負補償線圈;對中感應(yīng)來說,r1為正補償線圈,r2為負補償線圈。

4.2 電子線路部分的刻度調(diào)整方法

對電子線路的調(diào)整過程需要遵循的一個原則就是根據(jù)內(nèi)零調(diào)基值,根據(jù)外刻調(diào)內(nèi)刻。

對電子線路具體的調(diào)節(jié)步驟如下:(1)儀器置于1.5 m～1.8 m高木架上,周圍6 m內(nèi)沒有任何導(dǎo)電導(dǎo)磁物質(zhì);(2)把電子線路與線圈系連接好,測試臺架供電;(3)儀器置“內(nèi)零”狀態(tài),深、中感應(yīng)“內(nèi)零”讀值應(yīng)為:0±2 mV。若達不到要求,分別檢查深中感應(yīng)信號放大電路、參考信號放大電路、相敏檢波電路和繼電器是否正常;(4)儀器置“測井”狀態(tài),深、中感應(yīng)“基值”應(yīng)為直流-3 mV～+1 mV。若達不到要求,分別調(diào)節(jié)深、中感應(yīng)調(diào)零電位器R6703和R6803;(5)儀器置“測井”狀態(tài),刻度環(huán)開關(guān)置于“C檔”位置,深感應(yīng)“相位”值應(yīng)為:(基值+2)±2 mV,中感應(yīng)“相位”讀值應(yīng)為:(基值+7)±2 mV。若達不到要求,分別調(diào)節(jié)深、中感應(yīng)相位電位器R6701和R6801;(6)反復(fù)調(diào)節(jié)“基值”和“相位”,使輸出值同時滿足步驟(3)和(4)的要求;(7)儀器置“測井”狀態(tài),刻度環(huán)置于“500檔”位置,深感應(yīng)、中感應(yīng)“外刻”讀值應(yīng)為:(500-基值)±25 mV。若達不到要求,分別調(diào)節(jié)深、中感應(yīng)信號放大器第一級反饋電阻R＊6709和R＊6809;(8)儀器置“內(nèi)刻”狀態(tài),深、中感應(yīng)“內(nèi)刻”讀值應(yīng)為:外刻±5 mV。若達不到要求,分別調(diào)節(jié)深、中感應(yīng)內(nèi)刻度電位器R6702和R6802。

5 結(jié)束語

長慶油田目前的測井任務(wù)空前的飽滿,儀器的使用頻次大,僅通過對感應(yīng)儀器的線路的調(diào)整已經(jīng)不能完全滿足刻度的要求,對線圈系的調(diào)整將大大提高工作的效率,有利于節(jié)約人力和時間。

[1] 馮啟寧.測井儀器原理[M].東營:石油大學出版社,1991

[2] 羅以密,嚴導(dǎo)淦.大學物理[M].武漢:華東理工大學出版社,1990

[3] 中油測井有限公司測井儀器廠.DIL5520雙感應(yīng)八側(cè)向儀使用維修手冊.2006(資料)

PI,2011,25(1):42～45

Induction logging is now used frequently as an electric apparatus.Scale is a premise for a instrument to measure first-class curve.Based on DIF5520 induction instrument used in EIlog system,and the basic principle of the sensing instrument,this article expounds the calibration principle and method from the angles of coil assembly and electronic circuit.

Key words:Induction logging,Coil assembly,scale,The useful signal,Useless signal

The scale principle and method of the induction logging.

Yuan Jixiang,Wu Shaowei,He Hongmin,Han Jinyu and Zhong Xiaoqin.

P631.6+2

B

1004-9134(2011)01-0042-04

袁吉祥,男,1978年生,2005年畢業(yè)于西安石油大學,現(xiàn)在就職于中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部儀修中心從事儀修工作。郵編:710201

2010-07-20編輯:梁保江)