岳喜洲 馬明學(xué) 李國玉

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 北京 101149)

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·開發(fā)設(shè)計·

隨鉆電磁波測井儀天線結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)值模擬

岳喜洲 馬明學(xué) 李國玉

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 北京 101149)

文章采用矢量有限元方法仿真隨鉆電磁波測井儀器的天線結(jié)構(gòu)對信號測量的影響。天線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)周向布置與軸向平行的天線罩和置于其中的鐵氧體。模擬結(jié)果表明，隨著天線罩的長度、寬度、數(shù)目的增加，信號強度增加，相位差、幅度比減小。鐵氧體會顯著增強信號強度，但不影響幅度衰減和相位差。

隨鉆電磁波；天線結(jié)構(gòu)；天線罩；鐵氧體；信號強度

0 引 言

隨鉆電磁波電阻率測井是隨鉆測井技術(shù)的核心組成部分，在地質(zhì)導(dǎo)向和實時地層評價中具有重要應(yīng)用價值[1]。隨鉆電磁測井儀器結(jié)構(gòu)比常規(guī)測井儀器復(fù)雜，天線鑲嵌在無磁鉆鋌的內(nèi)部，通過天線窗口實現(xiàn)信號的發(fā)射與接收。天線罩的長度、寬度、數(shù)目都會影響到有用電場分量的衰減程度。為增強發(fā)射信號和測量信號，在發(fā)射、接收天線與鉆鋌之間，有時需要填充磁性材料。磁性材料的相對磁導(dǎo)率對測量信號也有一定的影響。Wang，T采用有限差分方法計算了槽數(shù)和信號的關(guān)系[2]。魏寶君采用徑向成層格林函數(shù)計算了發(fā)射天線有通訊槽時對信號的影響[3]。本文采用三維矢量有限元方法研究天線結(jié)構(gòu)對于隨鉆電磁波測量的影響，其中發(fā)射天線和接收天線均有天線罩，計算槽數(shù)、槽寬、槽長以及對應(yīng)有鐵氧體時對信號強度和測量值的影響，對實際隨鉆儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和信號影響因素分析具有重要意義。

1 計算模型

隨鉆電磁波電阻率測井儀器是一種利用電磁傳播原理來測量地層電阻率的裝置。基本的天線系由一個發(fā)射天線和兩個接收天線組成，測量兩個接收天線中信號的相位差和幅度比就可計算出地層的電導(dǎo)率或電阻率。

計算模型所采用的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)橫截面

圖1為天線處的截面圖。其中由內(nèi)向外依次為鉆鋌、鐵氧體、天線、絕緣填充材料、屏蔽罩。圖1中天線位于鐵氧體和屏蔽罩之間的絕緣介質(zhì)中，并纏繞在鉆鋌上。計算時，2個接收天線和發(fā)射天線距離分別為25 in(1 in=25.4 mm)，33 in，天線直徑為152.1 mm，儀器外徑為172.1 mm，內(nèi)徑為142.1 mm，屏蔽罩厚度為5 mm。鉆鋌和屏蔽罩均為良導(dǎo)體，相對磁導(dǎo)率為1。儀器在均勻地層中，地層電導(dǎo)率為1 s/m。

2 矢量有限元方法

隨鉆電磁波測井問題滿足如下的矢量波動方程：

×(

根據(jù)變分原理，滿足方程和約束條件的電場的解，等效于下面方程變分公式取極值時的解。

針對隨鉆測井環(huán)境，徑向考慮鉆鋌、鐵氧體、天線、絕緣膠、天線罩、地層的位置，縱向考慮發(fā)射和接收天線的位置，采用柱坐標下的四面體網(wǎng)格剖分。

3 數(shù)值計算

3.1 數(shù)值方法驗證

在利用三維矢量有限元計算隨鉆電磁測井響應(yīng)前，必須測試均勻地層中測井響應(yīng)計算與解析解的一致性。將地層填充電阻率設(shè)為0.1Ω·m、1Ω·m、10Ω·m、100Ω·m、1 000Ω·m，計算其測井響應(yīng)，然后與解析解計算結(jié)果比較，求解區(qū)域半徑為25m時的結(jié)果，如表1所示。幅度比計算相對誤差小于0.03%，相位差計算相對誤差小于0.11%。對比結(jié)果表明，三維矢量有限元方法能夠很好地滿足計算精度，計算數(shù)據(jù)可靠有效。

表1 均勻地層計算值與解析解的比較

3.2 天線罩的影響

天線罩是隨鉆電磁波測井儀信號接收和發(fā)射的通道，天線罩的數(shù)目、長度、寬度均對信號強度產(chǎn)生重要影響。從理論上講，開槽越多，信號越強。當(dāng)一個也沒有時，天線完全被屏蔽。當(dāng)有1個或2個時，外面開始有電磁場，但是由于對稱性差，電磁場的分布過于復(fù)雜，不利于測量和解釋。目前看到的最少有3個開槽(斯倫貝謝的MCR；Freyetal.，2006)[4]和4個開槽(美國科學(xué)鉆井公司的PRT)。主流的傳播電阻率儀器則采用10多個沿圓周均勻分布的開槽。圖2為不同槽數(shù)時，幅度衰減值和槽長的關(guān)系。計算時，天線罩數(shù)為8槽、16槽、24槽，固定槽寬3.5mm，槽長50mm-130mm，25in接收天線處的電壓值U取20倍的對數(shù)，即-20×log(U)，變?yōu)榉人p值。地層電導(dǎo)率為1S/m，鐵氧體相對磁導(dǎo)率取200。

從圖2可以看出，隨著槽長的增加，幅度衰減減小(信號強度增大)。相同槽長，隨著槽數(shù)的增加，信號強度增大，而且槽數(shù)越多，對信號強度增大的趨勢減弱。

圖2 不同槽數(shù)幅度衰減和槽長的關(guān)系

圖3為不同槽數(shù)幅度衰減和槽寬的關(guān)系，固定槽長50mm?？梢钥闯鲭S著槽寬的增加，信號衰減減小，信號強度增大?？紤]固定槽數(shù)，采用16個槽，計算不同槽長、槽寬時，信號強度的變化規(guī)律，如圖4所示。隨著槽長、槽寬的增加，信號衰減變小，信號強度增大。圖4可以用來確定天線罩的具體規(guī)格，例如信號強度取81dB，130mm長的槽只需要槽寬1mm，如果槽長50mm，達到相同的信號強度，則需要設(shè)計槽寬為20mm。

圖3 不同槽數(shù)幅度衰減和槽寬的關(guān)系

圖4 不同槽長幅度衰減和槽長、寬的關(guān)系

天線罩的參數(shù)會影響到信號強度，由于隨鉆電磁波測井測量值為幅度比和相位差，需要研究這些參數(shù)對測量結(jié)果的影響。圖5、圖6分別顯示了相位差和幅度比隨槽長和槽寬的變化規(guī)律,其中槽寬34mm代表無槽，即沒有金屬屏蔽罩。

圖5 相位差和槽長、槽寬的關(guān)系

圖6 幅度比和槽長、槽寬的關(guān)系

由圖5得出，相位差隨著槽長和槽寬的增加而減少，槽長越長，減少量越大。槽長130mm時，槽寬為1mm和無槽時相比，減少了5.7%左右。相對應(yīng)于槽長50mm時，減少量為0.5%左右。實際電阻率工程轉(zhuǎn)換時，特別是槽比較長時應(yīng)該注意這種影響。從圖6可以看出，幅度比的變化和相位差的變化趨勢近似，都隨著槽長、槽寬的增加而減小。槽長130mm時，槽寬為1mm和無槽時相比，減少了4.5%左右。相對應(yīng)于槽長50mm時，減少量為0.4%左右。實際電阻率工程轉(zhuǎn)換時，應(yīng)該注意這種影響。

總之，天線罩數(shù)目、長度、寬度會對接收天線處信號強度產(chǎn)生重要影響，對相位差和幅度比的測量也會造成影響。在實際儀器設(shè)計時，需要考慮機械強度和電路指標，確定天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且注意考察該結(jié)構(gòu)對應(yīng)的隨鉆電磁波儀器的測量值(即幅度比和相位差)的變化。

3.3 鐵氧體的影響

實際測井中，根據(jù)測量的要求需要將接收信號強度變強，一般采用在空槽底部和天線之間添加鐵氧體，以達到增強信號強度的目的。下面就來分析鐵氧體的相對磁導(dǎo)率對接收信號相位差、幅度比和幅值的影響。

任取一種天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有16個槽，槽長50mm，槽寬10mm。相對磁導(dǎo)率為1時，對應(yīng)無鐵氧體的情況，改變鐵氧體的相對磁導(dǎo)率1～500，得到信號衰減的變化關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著鐵氧體相對磁導(dǎo)率增加，信號衰減減少，信號強度增大，相對磁導(dǎo)率為1～10時，信號強度增加速度很快，但是增大到100以后，信號強度不再明顯增加。工程實際中，鐵氧體相對磁導(dǎo)率選取100～200左右即可。隨著磁導(dǎo)率的增加，相位差和幅度比均為減小，但變化量微小，可以認為沒有影響，如圖8、圖9所示。

圖7 幅度衰減和相對磁導(dǎo)率的關(guān)系

圖8 幅度比和相對磁導(dǎo)率的關(guān)系

圖9 相位差和相對磁導(dǎo)率的關(guān)系

4 結(jié) 論

本文利用三維矢量有限元方法計算了隨鉆電磁波儀器的天線結(jié)構(gòu)對信號的影響，結(jié)論如下：

1)天線罩數(shù)目、長度、寬度對信號強度均有影響，信號強度會隨槽數(shù)目、長度、寬度增加而增大。

2)天線罩數(shù)目、長度、寬度會對相位差和幅度比產(chǎn)生影響，隨著槽數(shù)目、長度、寬度增加，相位差和幅度比減少。

3)天線內(nèi)部通過添加鐵氧體材料，能夠增加信號強度，信號強度隨鐵氧體相對磁導(dǎo)率增加而增大，相對磁導(dǎo)率增加到100后對信號強度的增加作用不明顯。實際工程中，鐵氧體相對磁導(dǎo)率取200左右即可。

4)幅度比和相位差隨著鐵氧體相對磁導(dǎo)率的增加而減少，但變化量微小，不會產(chǎn)生明顯影響。

[1]BittarM,KleinJ,RandyB,etal.Anewazimuthaldeepreadingresistivitytoolforgeosteeringandadvancedformationevaluation[J].SPEReservoirEvaluation&Engineering, 2009, 12(2):270-279.

[2]Wang,T.,Signorelli,J. .Finite-differenceModelingofElectromagneticToolResponseforLoggingWhileDrilling[J],Geophysics, 2004,60(1):152-160.

[3] 魏寶君,徐 丹,王莎莎.通訊槽對電磁波傳播隨鉆測量信號的影響[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,35(1):56-60.

[4]Frey,M.T.,Argentier,L.,andVarveropoulos,V., 2006,ARetrievableandReseatablePropagationResistivityToolsforLoggingWhileDrillingandLoggingWhileTripping,SPE103066.

·專利技術(shù)·

專利名稱：測井儀器及系統(tǒng)

專利申請?zhí)枺篊N201320323026.0 公開號：CN203285434U

申請日：2013.06.05 公開日：2013.11.13

申請人：中國電子科技集團公司第二十二研究所

本實用新型公開了一種測井儀器及系統(tǒng)。其中，該測井儀器包括：射線發(fā)射器，用于發(fā)射第一射線；探測裝置包括：第一探測器、第二探測器以及第三探測器，其中，第一探測器、第二探測器以及第三探測器用于獲取探測區(qū)域內(nèi)的第一射線的射線信號；測量電路，與探測裝置連接，用于根據(jù)射線信號獲取計數(shù)率和譜數(shù)據(jù)；其中，第一探測器與射線發(fā)射器的距離為第一距離，第二探測器與射線發(fā)射器的距離為第二距離，第三探測器與射線發(fā)射器的距離為第三距離，第一距離、第二距離以及第三距離各不相同。通過本實用新型，獲取更為準確的計數(shù)率和譜數(shù)據(jù)，提高了對薄層的測量精度，從而可以準確獲取地層的密度值以及光電吸收截面系數(shù)。

(王元蓀 提供)

Simulation of the Design of Antenna Structure of Electromagnetic Wave Propagation Log While Drilling Tool

YUE Xizhou Ma Mingxue LI Guoyu

(ChinaOilfieldServicesLimited，Beijing101149,China)

In this paper, we applied finite element method to simulate the tool response to analyze the impact of the antenna on LWD measurement. The key structure of antenna includes slots and ferrite. the results showed that the signal strength increased, while the amplitude attenuation and phase difference decreased when the number, length, width of slots increased. The simulation proved that the existence of ferrite did not change the phase difference and the attenuation from receivers, however, the ferrite had significant impact on the signal strength.

LWD electromagnetic wave, antenna structure, slots; ferrite, signal strength

岳喜洲，男，1983年生，工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，目前在中海油服油田技術(shù)研究院從事隨鉆電磁波儀器研發(fā)工作。E-mail:yuexzh@cosl.com.cn

TE271

A

2096-0077(2015)01-0016-04

2014-09-04 編輯：姜婷)