游 暢 孫 偉 梁大黎 曾曉豐 蔡志明 申 紅

(川慶鉆探工程有限公司測井公司 重慶 400021)

?

·開發(fā)設(shè)計·

過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀的設(shè)計與研究

游 暢 孫 偉 梁大黎 曾曉豐 蔡志明 申 紅

(川慶鉆探工程有限公司測井公司 重慶 400021)

文章對過鉆具存儲式測井技術(shù)的出現(xiàn)做了簡單的概述，提出了研制過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀的重要性，重點介紹了過鉆具存儲式感應(yīng)儀器的功能和實現(xiàn)方法。該儀器設(shè)計了一種新型的線圈系結(jié)構(gòu)；發(fā)射電路采用三頻率混頻調(diào)諧發(fā)射電路，最大限度地降低了儀器功耗，滿足了供電電池的小功率要求；電子線路采用硬件電路軟件化和高度集成化的方式，具有集成度高、可靠性高、軟件算法先進等優(yōu)點。過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀增強了過鉆具存儲式儀器的測井能力，豐富了獲取地層評價信息的技術(shù)手段。

過鉆具存儲式測井；感應(yīng)；線圈系；調(diào)諧發(fā)射

0 引 言

隨著石油勘探難度的加大和鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，大斜度井、水平井和超深井越來越多，測井難度越來越大，現(xiàn)有的測井儀器[1]和測井技術(shù)越來越不能適應(yīng)井筒狀況的變化。在這個背景下，過鉆具存儲式測井儀器和測井技術(shù)隨之產(chǎn)生，以滿足油氣勘探開發(fā)需要。但是目前過鉆具存儲式儀器的配套還不全，缺少感應(yīng)類儀器，使得過鉆具存儲式儀器在油基泥漿井內(nèi)不能獲得電阻率資料，這樣會導致儀器的推廣應(yīng)用和頁巖氣測井市場中缺乏競爭力。過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀要求最大外徑為60 mm，屬于小直徑測井儀器，這在線圈系設(shè)計和信號處理方面的難度很大。目前，國內(nèi)還沒有小直徑的存儲式感應(yīng)測井儀設(shè)備。

1 過鉆具存儲式感應(yīng)儀器與普通雙感應(yīng)八側(cè)向儀器的區(qū)別

過鉆具存儲式測井是把儀器懸掛在鉆桿的水眼內(nèi)，下到測量井段的底部時把儀器泵出水眼后開始測井，因此過鉆具存儲式感應(yīng)儀器要求外徑小，不能超過60 mm，其線圈系的模型、參數(shù)發(fā)生了變化，軟件算法必須做相應(yīng)的改動。通過分析感應(yīng)儀器的特點和儀器特性響應(yīng)，包括縱向和徑向一維響應(yīng)特性、二維響應(yīng)特性等，過鉆具存儲式感應(yīng)儀器設(shè)計了新線圈系的結(jié)構(gòu)，采用三種工作頻率，六個子陣列線圈，相當于一個小直徑的陣列感應(yīng)測井儀[2]，這樣縮短了線圈系長度，有利于提高儀器的強度。與陣列感應(yīng)測井儀一樣，過鉆具存儲式感應(yīng)儀器采用軟件聚焦[3]的方式，即用軟件合成雙感應(yīng)曲線和八側(cè)向曲線。而普通的雙感應(yīng)八側(cè)向儀器[4]采用的是硬件聚焦，為了滿足縱向和徑向的分辨率和響應(yīng)，線圈系必須設(shè)計得很長，同時雙感應(yīng)儀器的信號由于處于一個很大空間的發(fā)射電磁場中，受到發(fā)射線圈系和接收線圈系所在空間的電、磁物質(zhì)和電磁矢量回路的影響很大，即受自身結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件影響大，如受溫度、壓力、自身狀態(tài)等影響，產(chǎn)生漂移，儀器的強度和穩(wěn)定性能不如陣列感應(yīng)儀器。

2 新型線圈系的結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)值模擬

2.1 新型線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計

受鉆桿水眼的限制，過鉆具存儲式測井儀器的直徑必須盡量小，同時感應(yīng)線圈系容易受到金屬的干擾，儀器外殼必須是玻璃鋼材料，因此該儀器要滿足抗拉、抗壓指標成為一個難點。如果采用傳統(tǒng)的雙感應(yīng)八側(cè)向測井儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，線圈系的長度接近6 m，由于儀器太長使得儀器的抗拉、抗壓指標降低，而采用陣列感應(yīng)測井儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，線圈系的長度不到4 m，這樣可增強儀器的抗拉、抗壓能力。同時，線圈系的支撐芯軸不能用一般的金屬材料，采用皮芯銅做線圈系芯軸，解決了儀器強度的問題。新型線圈系結(jié)構(gòu)采用的是陣列感應(yīng)測井儀的結(jié)構(gòu),也就是三線圈系，即一個發(fā)射線圈和兩個接收線圈，兩個接收線圈反向纏繞，抑制感應(yīng)直耦信號，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三線圈系結(jié)構(gòu)示意圖

接收線圈的匝數(shù)分別為N1、N2，接收信號的強度與距離1/D3和線圈匝數(shù)N成正比，如果滿足：

N1/D13-N2/D23=0

(1)

則能基本抑制感應(yīng)的直藕信號。完整的陣列感應(yīng)儀器由多個三線圈系結(jié)構(gòu)組成，它的基本思路是利用最少的線圈系，提供滿足需要的原始測量信號，用地面軟件對這些信息進行聚焦計算，就可以給出不同探測深度和不同縱向分辨率的信號。過鉆具存儲式感應(yīng)儀器通過分析感應(yīng)儀器的特點和儀器特性響應(yīng)，包括縱向和徑向一維響應(yīng)特性、二維響應(yīng)[5]特性等，設(shè)計為6個子陣列，即6個三線圈系結(jié)構(gòu)。

2.2 數(shù)值模擬

通過對國內(nèi)外陣列感應(yīng)測井儀線圈系設(shè)計的優(yōu)缺點分析，目前主要分析了三種陣列感應(yīng)測井儀(斯倫貝謝公司AIT、阿特拉斯公司1515HDIL和哈里伯頓公司HRAI)的線圈系聚焦方案、工作頻率、子陣列個數(shù)和線圈間距等對儀器特性的影響，以及縱向和徑向一維響應(yīng)特性、二維響應(yīng)特性和電壓測量特性，確定了過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀的線圈系設(shè)計和方案，該新型線圈系主要以阿特拉斯公司1515HDIL線圈系為原型，由于過鉆具存儲式感應(yīng)儀器的直徑小，其模型發(fā)生了變化，線圈系的各種參數(shù)需要根據(jù)數(shù)值模擬和測試結(jié)果進行調(diào)整，包括聚焦方案、工作頻率、子陣列個數(shù)、主線圈間距、屏蔽線圈間距和線圈匝數(shù)等。

為了方便對聚焦信號的計算和處理，線圈系的間距設(shè)計與阿特拉斯公司1515HDIL的一致；結(jié)合儀器本身特點，確定為6個子陣列，3種工作頻率。由于線圈直徑小，電感量變小，需要增加線圈的圈數(shù)以增大電感量，使之接近1515HDIL相應(yīng)線圈的電感量。

過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀的截面積：

S=πr2=π×302=2826

(2)

1515HDIL的截面積：S=πR2=π×452=6358

(3)

因為電感量跟截面積和線圈圈數(shù)相關(guān)，根據(jù)式(2)、式(3)可知，過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀的截面積大約是1515HDIL的一半，所以過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀線圈圈數(shù)應(yīng)設(shè)計為1515HDIL相應(yīng)線圈圈數(shù)的2倍。另外倍數(shù)設(shè)計為2倍的另一個好處在于設(shè)計上容易實現(xiàn)，在不改變每個線圈長度的情況下，只需要將線圈加密一倍就能達到效果。

3 儀器工作原理

過鉆具存儲式感應(yīng)儀器工作原理框圖如圖2所示。發(fā)射板產(chǎn)生發(fā)射信號送到發(fā)射線圈T，發(fā)射電路采用正弦波的方式發(fā)射，把3種工作頻率混頻后，再進行調(diào)諧發(fā)射，如圖3所示，使得在相同的功率下的發(fā)射信號最大，并可獲得最大的信噪比。然后通過6個接收子陣列線圈接收地層感應(yīng)信號，經(jīng)過信號放大板放大后，送入信號處理電路，利用快速傅立葉變換分離出不同頻率對應(yīng)的實部分量(R信號)和虛部分量(X信號)，進行疊加處理。由于發(fā)射信號包含12 kHz、36 kHz、72 kHz三種混頻信號，因此經(jīng)快速傅立葉變換后總共可獲得36個測量信號,再把處理好的信號通過CAN總線送入存儲板。最后地面系統(tǒng)讀取存儲數(shù)據(jù)，進行軟件合成聚焦處理，形成感應(yīng)曲線。儀器采用的是軟件檢波的方式，其效果比硬件檢波好，性能穩(wěn)定。另外，該儀器還同時測量線圈系溫度、泥漿電阻率，這為儀器進行環(huán)境校正[6]、還原地層真電導率提供了豐富可靠的原始測量信息。

圖2 過鉆具存儲式感應(yīng)儀器工作原理框圖

圖3 混頻發(fā)射信號

4 混頻調(diào)諧發(fā)射電路設(shè)計

作為過鉆具存儲式測井儀器，其測井方式?jīng)Q定了儀器的電源只能用電池供電，這就要求儀器的總體功耗必須低，因此既要最大限度地降低儀器的發(fā)射功耗，又要不影響對信號的接收，過鉆具存儲式感應(yīng)儀器設(shè)計出了三頻率混頻調(diào)諧發(fā)射電路，如圖4所示，其中(1)、(2)、(3)表示三種不同頻率信號的調(diào)諧電路。發(fā)射波形采用正弦波，相比1515HDIL的方波發(fā)射來說功耗大大降低。此三種工作頻率混頻后調(diào)諧發(fā)射，使得在相同的功率下的發(fā)射信號幅度最大，可獲得最大的信噪比，同時可降低線圈的發(fā)射電壓，這樣最大限度地降低了儀器功耗，滿足了供電電池的小功率要求。

為了滿足儀器的分辨率和探測深度，根據(jù)幾何因子理論[7]，通過分析和模擬仿真，三種工作頻率分別為12 kHz、36 kHz和72 kHz的正弦波。圖5為12 kHz、36 kHz、72 kHz混頻信號的拉環(huán)電壓示意圖，6條曲線分別代表6個接收子陣列的響應(yīng)電壓，此圖反應(yīng)了刻度環(huán)在探頭的不同位置和各接收線圈子陣列的響應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

圖4 混頻調(diào)諧發(fā)射電路

圖5 混頻信號的拉環(huán)電壓示意圖

當刻度環(huán)從探頭的上部位置逐步移到第一個接收線圈子陣列位置時，coil1曲線的負電壓值達到最大，隨后逐漸減小。當移到第二個接收線圈子陣列位置時，coil2曲線的負電壓值達到最大，如此依次移到第六個接收線圈子陣列位置時，coil6曲線的負電壓值達到最大，隨后逐漸減小，當移到下部位置時，所有接收線圈子陣列的響應(yīng)電壓值接近為零。此圖說明了12 kHz、36 kHz、72 kHz混頻信號能夠很好地匹配過鉆具存儲式感應(yīng)線圈系的參數(shù)和設(shè)計。

5 應(yīng)用效果

過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀線圈系芯軸采用皮芯銅作為芯軸,解決了小直徑感應(yīng)儀器的強度問題，發(fā)射電路采用三頻率疊加的混頻信號，調(diào)諧后進行發(fā)射，使得在相同的功率下的發(fā)射信號最大，并可獲得最大的信噪比。電子線路高度集成化和軟件化，采用基于DSP和FPGA高集成芯片，減少了硬件電路，提高了儀器的可靠性。儀器研制完成后，在實驗井與5700陣列感應(yīng)測井儀進行了資料對比測井，如圖6所示，所測資料基本與陣列感應(yīng)曲線一致，表明過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀器具備測井能力，能較為準確地測量地層電阻率。該儀器的優(yōu)勢在于，應(yīng)付疑難復(fù)雜井、超長水平井和小井眼井時，一般的陣列感應(yīng)測井儀因無法下井，不能獲得地層資料，而過鉆具存儲式感應(yīng)測井儀則能安全、高效、可靠地獲得這些復(fù)雜井況的地層資料。

圖6 存儲式感應(yīng)與5700陣列感應(yīng)資料對比圖

6 結(jié) 論

(1)該儀器設(shè)計了一種新型的線圈系結(jié)構(gòu)，包含一個發(fā)射線圈和六個接收子陣列線圈，由于儀器直徑小，線圈系模型和參數(shù)都作了相應(yīng)的變化。

(2)為滿足供電電池的小功率要求，最大限度地降低儀器功耗，設(shè)計了三頻率混頻調(diào)諧發(fā)射電路。

(3)電子線路采用硬件電路軟件化和高度集成化的方式，具有集成度高、可靠性高、軟件算法先進等優(yōu)點。

[1] 龐巨豐.測井原理及儀器[M]. 北京：科學出版社，2008：59-102.

[2] 馬火林.AIL陣列感應(yīng)測井原理方法及應(yīng)用研究[A].北京：中國地質(zhì)大學,2007

[3] 仵 杰，胡 啟，汪文秉. 陣列感應(yīng)測井測量信號聚焦的研究及應(yīng)用. 測井技術(shù)[J]，1997，21(5)：310-317.

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

[5] 劉春雅.新型陣列感應(yīng)測井信號處理研究[A].西安：西安石油大學，2007

[6] 郭 華，曹衛(wèi)東，朱宣國. 感應(yīng)測井趨服效應(yīng)校正方法[J].石油儀器，2004，18(1)：58-59.

[7] 仵 杰，龐巨豐，徐景碩. 感應(yīng)測井幾何因子理論及其應(yīng)用研究[J] . 測井技術(shù)，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 暢，男，1979年生，工程師，2002年畢業(yè)于成都理工大學電子儀器及測量技術(shù)專業(yè)，目前在川慶鉆探工程有限公司測井公司工作。E-mail:youchang007@yeah.net

P631.8+1

A

2096-0077(2015)01-0012-04

2014-08-15 編輯：姜婷)