羅 曦 李愛勇 孫向陽(yáng) 翟金海

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 燕郊 065201;2.電子科技大學(xué) 四川 成都 610054)

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三維感應(yīng)測(cè)井儀溫漂校正研究

羅 曦1李愛勇1孫向陽(yáng)2翟金海1

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 燕郊 065201;2.電子科技大學(xué) 四川 成都 610054)

三維感應(yīng)測(cè)井儀在井下工作時(shí)的環(huán)境溫度與地面溫度差異很大，而溫差過(guò)大會(huì)對(duì)儀器天線的收發(fā)信號(hào)和電路信噪比均產(chǎn)生明顯影響，導(dǎo)致儀器測(cè)量的地層參數(shù)誤差較大。通過(guò)分析天線和電路的溫度影響因素，文章討論了一套三維感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量數(shù)據(jù)溫度漂移的校正方法。

三維感應(yīng)測(cè)井儀；溫漂校正；刻度加因子；溫度系數(shù)

0 引 言

感應(yīng)測(cè)井儀溫度的變化會(huì)對(duì)兩部分產(chǎn)生影響[1]，第一部分會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，從而使測(cè)量值發(fā)生變化;第二部分會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生影響，使線圈天線產(chǎn)生一定的形變，從而影響其測(cè)量值。尤其是在測(cè)量高阻地層時(shí)，由于測(cè)量信號(hào)較小，影響最為嚴(yán)重。三維感應(yīng)測(cè)井儀[2]與常規(guī)感應(yīng)測(cè)井儀相比，不僅具備常規(guī)水平面上的的Z向發(fā)射線圈和Z向接收線圈，還裝備了垂直面上的X向和Y向的發(fā)射接收線圈，因此，三維感應(yīng)測(cè)井儀不僅可以測(cè)量常規(guī)的水平電阻率，還可以測(cè)量垂直電阻率，并且通過(guò)測(cè)量收、發(fā)不同方向的交叉分量計(jì)算地層相對(duì)傾角[3]。因此，與常規(guī)的感應(yīng)測(cè)井儀只對(duì)水平電阻率測(cè)量值進(jìn)行溫漂校正相比，三維感應(yīng)測(cè)井儀要校正的測(cè)量數(shù)據(jù)更多更復(fù)雜。

1 線圈天線的溫漂校正方法研究

1.1 線圈天線溫漂現(xiàn)象原理及其改善辦法

造成感應(yīng)測(cè)井儀的線圈系溫漂現(xiàn)象的主要原因是線圈系的熱膨脹。通常線圈天線是由漆包線緊繞在絕緣骨架上制做而成的，絕緣骨架受熱膨脹會(huì)導(dǎo)致線圈形變，使線圈磁通量面積發(fā)生變化，從而改變線圈天線接收信號(hào)值即引起溫漂現(xiàn)象。因此絕緣骨架的熱膨脹程度是導(dǎo)致線圈天線溫漂大小的關(guān)鍵。盡可能的減小絕緣骨架的熱膨脹可以改善天線溫漂現(xiàn)象，有利于更準(zhǔn)確、高效的對(duì)線圈天線進(jìn)行溫漂校正。

傳統(tǒng)的感應(yīng)測(cè)井儀天線只具備Z向線圈且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般采用熱膨脹性能很好的氧化鋁(Al2O3)陶瓷作為絕緣骨架來(lái)減小溫漂影響。三維感應(yīng)測(cè)井儀具備三分量探測(cè)能力，需在絕緣骨架上交叉重疊繞制X/Y/Z三個(gè)分量的線圈，其線圈結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)感應(yīng)測(cè)井儀復(fù)雜很多，如圖1所示，溫漂也更嚴(yán)重。中海油服的三維感應(yīng)測(cè)井儀TR-Prober首次采用新型的氮化硅(Si3N4)陶瓷作為天線絕緣骨架，由于氮化硅陶瓷熱膨脹系數(shù)(3.0×10-6/K)比常用的氧化鋁陶瓷熱膨脹系數(shù)(7.2×10-6/K)還小得多，很好的減小了線圈系的溫漂程度。

圖1 三維感應(yīng)測(cè)井儀天線骨架

1.2 線圈溫漂校正方法

三維感應(yīng)測(cè)井儀下井前需對(duì)儀器進(jìn)行刻度，由于刻度時(shí)的溫度與井下的溫度有差異，會(huì)使線圈系發(fā)生形變，并對(duì)其初值信號(hào)和刻度加因子產(chǎn)生影響[4、5]。在地層中測(cè)量到的電壓響應(yīng)可以通過(guò)式(1)轉(zhuǎn)換成視電導(dǎo)率，Vm為地層中測(cè)得的電壓，V0為空氣中測(cè)得的電壓。K為刻度增益，mm為刻度乘因子，ma為刻度加因子。溫度的影響主要會(huì)使得初始零值V0發(fā)生改變，即會(huì)影響其加因子ma，因此加因子ma為溫度T的函數(shù)。

(1)

由于V0與ma成正比關(guān)系，所以溫漂校正前需將儀器放入無(wú)感加熱烘箱內(nèi)加溫并測(cè)得不同溫度下V0，再通過(guò)式(1)計(jì)算得到ma隨T的關(guān)系庫(kù)，然后在測(cè)井中進(jìn)行插值得到實(shí)際溫度時(shí)的ma。如圖2～圖4所示，為三維感應(yīng)測(cè)井儀一些常用分量在無(wú)感烘箱內(nèi)加溫和降溫過(guò)程中展現(xiàn)出的溫漂現(xiàn)象記錄(儀器工作溫度指標(biāo)≤150 ℃)。其中圖2、圖3分別為數(shù)據(jù)處理中最常用的用于測(cè)量地層垂直電阻率、相對(duì)傾角的54 in(1 in=25.4 mm)和72 in垂直分量、交叉分量溫漂情況，如圖4所示為受溫度影響最大的測(cè)量水平電阻率的6 in、9 in、12 in水平分量溫漂情況。

從圖2～圖4可以看出，三維感應(yīng)測(cè)井儀由于采用了新型的氮化硅(Si3N4)陶瓷作為天線絕緣骨架，其溫漂的現(xiàn)象比傳統(tǒng)感應(yīng)測(cè)井儀改善了很多[1]，且表現(xiàn)出更好的線性規(guī)律。因此，V0可以表達(dá)成溫度T的近似線性函數(shù)，如圖5所示。

圖2 三維感應(yīng)測(cè)井儀垂直分量溫漂

圖3 三維感應(yīng)測(cè)井儀交叉分量溫漂

圖4 三維感應(yīng)測(cè)井儀水平分量溫漂

圖5 溫漂曲線的線性近似

由式(1)，ma與V0成正比且斜率相反，因此ma也能表示成溫度T的近似線性函數(shù)，如圖6所示。

圖6 加因子ma與溫度T的線性關(guān)系

如果刻度溫度為T0℃，則以ma0表示T0℃時(shí)的加因子，ma可以表示為：

ma=tc(T-T0)+ma0

(2)

由于溫度T0和加因子ma0是刻度時(shí)已記錄下來(lái)的，只需通過(guò)測(cè)量一些溫度點(diǎn)的值擬合出溫度系數(shù)tc來(lái)，即求出如圖6所示中直線的斜率，就可求出任何溫度T下的ma。

2 消除電路溫漂影響的方法

溫度能改變電路中電子元器件的性能參數(shù)，由圖2～圖4可以看出三維感應(yīng)測(cè)井儀接收信號(hào)一般為微伏級(jí)，因此電路元器件(特別是前置放大電路)性能參數(shù)改變對(duì)儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性影響很大。為消除電路溫漂影響，可以通過(guò)把接收到的信號(hào)，除以電路內(nèi)刻度參考信號(hào)以消除溫度帶來(lái)的影響。由于測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)入電路系統(tǒng)后途經(jīng)相同的通道，所以溫度在電路中對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響和對(duì)參考信號(hào)的影響是一致的，因此測(cè)量信號(hào)除以參考信號(hào)后能消除電路受溫度變化而對(duì)測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生的影響。

首先對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相敏檢波：

假設(shè)測(cè)量信號(hào)d(t)為:

d(t)=Dcos(ωt-θ)=Dcosθcosωt+Dsinθsinωt

(3)

發(fā)射信號(hào)為：

c(t)=Ccosωt

(4)

根據(jù)感應(yīng)測(cè)井原理，實(shí)部信號(hào)為：

R(t)=DRcos(ωt-π)

(5)

虛部信號(hào)為：

(6)

因此測(cè)量信號(hào)的實(shí)部和虛部分別為：

DR=-Dcos(θ)
DX=Dsin(θ)

(7)

令：

=(T/2)Dcosθ

=(T/2)Dsinθ

(8)

因此有:

(9)

再對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行相敏檢波：

假設(shè)參考信號(hào)為

d1(t)=D1cos(ωt-θ1)=D1cosθ1cosωt+D1sinθ1sinωt

(10)

與上述同樣的處理方法得到參考信息的實(shí)部和虛部：

(11)

最后的校正信號(hào)為測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)相除得到：

(12)

其中C為常數(shù)，即為參考信號(hào)在放大前的值。

3 結(jié)束語(yǔ)

感應(yīng)測(cè)井儀的數(shù)據(jù)處理中，溫漂校正是必須的步驟。三維感應(yīng)測(cè)井儀屬新一代測(cè)井儀，具備眾多全新的地層參數(shù)測(cè)量功能，線圈天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫漂校正難度較大。本文通過(guò)改進(jìn)天線絕緣骨架材料使溫漂影響明顯減小，再根據(jù)儀器在無(wú)感加熱烘箱內(nèi)測(cè)得的初值曲線，確定了一套線性溫漂校正方案。另外，本文對(duì)如何消除溫度對(duì)電路影響的方法作了討論。

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Research on the Temperature Drift Correction for 3D Induction Logging Tool

LUO Xi1LI Aiyong1SUN Xiangyang2ZHAI Jinhai1

(1.ChinaOilfieldServicesLimited,Yanjiao,Hebei065201,China2.UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu，Sichuan610054,China)

The environment temperature of three-dimensional induction logging tool works underground is very different from ground temperature.The difference in temperature will change the transmit-receive signal of the antennas and the SNR of the circuit,which leads to the bigger measurement error of formation parameters.By analyzing the temperature influence factors of antennas and circuits,this paper discusses the correction method for the temperature drift of measurement data of three-dimensional induction logging tool.

three-dimensional induction logging tool, temperature drift correction, calibration add factor, temperature coefficient

羅 曦，男,1981年生，工學(xué)碩士，工程師，2006年畢業(yè)于電子科技大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)工作于中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部油田技術(shù)研究院，主要從事電磁波電阻率測(cè)井儀研發(fā)相關(guān)工作。E-mail：luoxi@cosl.com.cn

P631.8+11

A

2096-0077(2015)02-0073-03

2014-09-26 編輯：韓德林)