方 輝 韓宏克 魏少華 張 爽

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453002)

0 引 言

隨鉆測(cè)井是電纜測(cè)井、鉆井和錄井技術(shù)的綜合體，是邁向自動(dòng)化、智能化鉆井的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)，是為了適應(yīng)鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)決策的需要而研發(fā)的技術(shù)［1～3］。它是在鉆井過程中同時(shí)進(jìn)行的用于評(píng)價(jià)所鉆穿地層的地質(zhì)和巖石物理參數(shù)的測(cè)量技術(shù)，測(cè)井資料更為客觀真實(shí)地反映了地層的實(shí)際地質(zhì)特征。近年來，隨鉆測(cè)井所帶來的經(jīng)濟(jì)效益越來越明顯。隨鉆電磁波傳播電阻率［4-6］測(cè)井儀器是隨鉆測(cè)井中最常用的儀器之一，它通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收線圈上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位差和幅度比來獲得地層的電阻率信息，能夠有效的識(shí)別油層，并具有能夠指導(dǎo)鉆頭在油層中水平鉆進(jìn)的地質(zhì)導(dǎo)向［7、8］功能。因此，研制隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀器具有非常重要的實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)研制此種儀器大多采用仿制的方法，缺少核心技術(shù)的掌握，這樣不利于測(cè)井技術(shù)的真正發(fā)展。鑒于此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)從基礎(chǔ)理論研究開始，研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀。由于儀器體積大、重量重，搬運(yùn)不便，在進(jìn)行室外刻度前必須保證儀器響應(yīng)規(guī)律正確，為此，這里設(shè)計(jì)了一種對(duì)隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀響應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)檢驗(yàn)的裝置，實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)對(duì)該儀器響應(yīng)規(guī)律的檢驗(yàn)，為進(jìn)行室外的刻度試驗(yàn)提供一定的保障。

1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播理論［9］，高頻電磁波在介質(zhì)中傳播會(huì)引起幅度衰減和相位延遲，地層不同，介質(zhì)不同，其傳播效應(yīng)差異明顯。低阻地層下，電磁波在其中的傳播效應(yīng)很明顯，有很強(qiáng)的幅度衰減和相位滯后，高阻地層下，電磁波在其中的傳播效應(yīng)很微弱，幅度衰減與相位滯后很小。通過測(cè)量電磁波在不同的地層中傳播時(shí)引起的幅度衰減與相位延遲，就可以求得不同地層的視電阻率。隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀的測(cè)量原理正是基于上述傳播理論，它的基本天線分布單元為T-R-R，如圖1 所示。T 為發(fā)射天線，向地層中發(fā)射高頻電磁波，高頻電磁波在地層中傳播，在接收天線R上可以接收到高頻電信號(hào)，測(cè)量一對(duì)接收天線R -R 上信號(hào)之間的幅度衰減與相位差，就可以對(duì)應(yīng)求出反應(yīng)位于接收天線R -R 之間地層的衰減電阻率和相位差電阻率。

圖1 單發(fā)雙收隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀器

借鑒感應(yīng)儀器的刻度環(huán)思想，將儀器吊在半空中，金屬環(huán)放在兩個(gè)接收線圈中間處，發(fā)射線圈在兩個(gè)接收線圈上產(chǎn)生原始的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)在閉合的金屬環(huán)上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流的大小與金屬環(huán)上串聯(lián)電阻的大小成反比，并且在兩個(gè)接收線圈上又會(huì)產(chǎn)生附加的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)這個(gè)附加的電動(dòng)勢(shì)與原始的電動(dòng)勢(shì)相比很小時(shí)，儀器的相位差和幅度比響應(yīng)均接近于真空的響應(yīng)。當(dāng)與原始電動(dòng)勢(shì)相比大小相當(dāng)時(shí)，相位差會(huì)出現(xiàn)最大值，而幅度比則會(huì)變小。當(dāng)與原始電動(dòng)勢(shì)相比很大時(shí)，儀器的相位差和幅度比都接近于零。因此，當(dāng)金屬環(huán)上串聯(lián)的電阻從小到大變化時(shí)，使得附加的電動(dòng)勢(shì)是從大到小變化，這時(shí)儀器的相位差響應(yīng)應(yīng)該是從零到最大值再到零，幅度比響應(yīng)則是從零到最大值(真空響應(yīng))。

由上可知，由于隨鉆電磁波傳播電阻率儀器與感應(yīng)儀器的測(cè)量原理不一樣，用在隨鉆電磁波傳播電阻率儀器上的金屬環(huán)產(chǎn)生的響應(yīng)無法與地層的響應(yīng)相對(duì)應(yīng)，不具備刻度功能，不能稱其為刻度環(huán)，但是通過串聯(lián)電阻的變化可以使儀器響應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此，可以將其作為檢驗(yàn)儀器響應(yīng)能否隨外界環(huán)境變化而相應(yīng)變化的一種手段，為進(jìn)一步驗(yàn)證儀器響應(yīng)的正確性提供了一個(gè)初始檢驗(yàn)。

2 金屬環(huán)半徑選取

作者團(tuán)隊(duì)研制的隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀采用上下對(duì)稱的6 發(fā)雙收的工作模式，發(fā)射頻率為2 MHz、400 kHz，發(fā)射間距為0.508 m(20 in)、0.762 m(30 in)、1.168 4 m(46 in)，接收間距為0.152 4 m(6 in)。作者為使金屬環(huán)產(chǎn)生的相位差和幅度比曲線變化幅度最大，方便觀察到盡可能大的響應(yīng)范圍，進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬，這里選取了金屬環(huán)半徑為0.08 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.7 m、1.0 m 進(jìn)行模擬仿真。計(jì)算時(shí)考慮了金屬環(huán)自身的阻抗，采取調(diào)諧與不調(diào)諧兩種方式計(jì)算。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析總結(jié)，初步確定了金屬環(huán)的半徑大小及串聯(lián)電阻的變化范圍;數(shù)值模擬還發(fā)現(xiàn)，調(diào)諧后各組曲線的變化幅度范圍要明顯高于不調(diào)諧時(shí)的變化范圍。因此，在金屬環(huán)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中也需要進(jìn)行調(diào)諧，消除感抗。

圖2 ～圖5 給出了金屬環(huán)調(diào)諧情況的計(jì)算結(jié)果。圖2 、圖3 分別給出了發(fā)射頻率為2 MHz 發(fā)射間距為0.508 m 時(shí)相位差、幅度比隨串聯(lián)電阻及不同環(huán)半徑的變化曲線，圖4 和圖5 分別給出了發(fā)射頻率為400 kHz、發(fā)射間距為0.508 m 時(shí)相位差、幅度比隨串聯(lián)電阻及不同環(huán)半徑的變化曲線。其它間距的響應(yīng)曲線與此相差不大，這里不再贅述。圖中的橫坐標(biāo)為金屬環(huán)串聯(lián)的電阻值，縱坐標(biāo)為兩個(gè)接收線圈間的相位差和幅度比響應(yīng)，不同樣式的曲線代表不同金屬環(huán)半徑時(shí)的響應(yīng)。

圖2 2 MHz-0.508 m 下相位差隨電阻及環(huán)半徑的變化曲線

圖3 2 MHz-0.508 m 下幅度比隨電阻及環(huán)半徑的變化曲線

圖4 400 kHz-0.508 m 下相位差隨電阻及環(huán)半徑變化曲線

圖5 400 kHz-0.508 m 下幅度比隨電阻及環(huán)半徑變化曲線

由上圖2 ～圖5 觀察發(fā)現(xiàn)，調(diào)諧后各圖中變化幅度范圍最大的曲線對(duì)應(yīng)的金屬環(huán)半徑基本都在0.3 m ～0.5 m范圍內(nèi)，所以實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)選用在此半徑范圍內(nèi)的金屬環(huán)，然后根據(jù)具體情況再選擇電阻變化范圍。

3 響應(yīng)檢驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)際測(cè)試

3.1 響應(yīng)檢驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)理論數(shù)值模擬結(jié)果，這里設(shè)計(jì)采用三個(gè)金屬環(huán)，半徑分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m。如圖6 為隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀響應(yīng)檢驗(yàn)裝置平面圖，包括一個(gè)盤式絕緣支撐體，其中心孔直徑與隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀的直徑相匹配，在盤式絕緣支撐體的支撐盤面上設(shè)有三個(gè)開路的圓形金屬環(huán)，金屬環(huán)圍繞盤式絕緣支撐體的支撐盤面中心逐漸向外分布，從金屬環(huán)的豁口端部引出快接頭，另外與每個(gè)快接頭匹配設(shè)有一個(gè)阻容模塊。阻容模塊電路圖如圖7 所示，表1 給出了三個(gè)金屬環(huán)在調(diào)諧狀態(tài)下阻容模塊上電容值和調(diào)諧結(jié)果。

圖6 隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀響應(yīng)檢驗(yàn)裝置平面圖

圖7 阻容模塊電路圖

表1 金屬環(huán)調(diào)諧結(jié)果

3.2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論模擬對(duì)比

將上述設(shè)計(jì)的響應(yīng)檢驗(yàn)裝置套在儀器兩接收天線中間處，在阻容網(wǎng)絡(luò)模塊上(如圖7 中的R1或者R2)分別串接0.1 Ω、1 Ω、2 Ω、5.1 Ω、10 Ω、20 Ω、51 Ω、100 Ω、200 Ω、1 000 Ω 等電阻進(jìn)行測(cè)試，記錄阻容模塊上串接不同電阻時(shí)各個(gè)發(fā)射頻率和發(fā)射間距下儀器的相位差和幅度比。測(cè)試結(jié)果如圖8、圖10、圖12、圖14 所示，相對(duì)應(yīng)的理論模擬結(jié)果如圖9、圖11、圖13、圖15 所示。這里僅僅給出了兩個(gè)頻率下發(fā)射間距為0.508 m 的相位差和幅度比響應(yīng)曲線，其它間距的響應(yīng)曲線與此相差不大，這里不再贅述。橫坐標(biāo)代表阻容模塊上串聯(lián)的電阻值，縱坐標(biāo)代表相位差或者幅度比。

圖8 2 MHz-0.508 m 實(shí)際測(cè)試曲線

圖9 2 MHz-0.508 m 理論模擬曲線

圖10 2 MHz-0.508 m 實(shí)際測(cè)試曲線

圖11 2 MHz-0.508 m 理論模擬曲線

圖12 400 kHz-0.508 m 實(shí)際測(cè)試曲線

圖13 400 kHz-0.508 m 理論模擬曲線

圖14 400 kHz-0.508 m 實(shí)際測(cè)試曲線

圖15 400 kHz-0.508 m 理論模擬曲線

比較實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn):相同的發(fā)射頻率和發(fā)射間距下，二者的相位差、幅度比隨串聯(lián)電阻的變化規(guī)律和趨勢(shì)基本一致，但是，二者在相同電阻下的相位差、幅度比值卻存在差異。這是因?yàn)閮x器的理論模型與實(shí)際儀器之間存在差異，而且實(shí)際儀器也會(huì)存在系統(tǒng)誤差，而在儀器實(shí)際響應(yīng)測(cè)試時(shí)，儀器的響應(yīng)是原始信號(hào)與感應(yīng)信號(hào)矢量疊加后的結(jié)果，這就造成實(shí)際測(cè)試值與理論模擬值存在一定差異，但是二者隨串入不同電阻的變化規(guī)律應(yīng)該是一致的。

4 結(jié) 論

本文借鑒了感應(yīng)儀器刻度壞的思想，在金屬環(huán)上串接不同的電阻時(shí)其產(chǎn)生感應(yīng)電流大小不同，進(jìn)而感應(yīng)在接收線圈上附加的電動(dòng)勢(shì)大小不同，依據(jù)此設(shè)計(jì)原理作者在兩種發(fā)射頻率、三種發(fā)射間距、不同環(huán)半徑、不同串接電阻下采取金屬環(huán)調(diào)諧和非調(diào)諧兩種計(jì)算方式做了大量的理論模擬，初步確定了金屬環(huán)的半徑大小和串入電阻的變化范圍。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，金屬環(huán)需要進(jìn)行調(diào)諧。

通過實(shí)際測(cè)試與理論模擬結(jié)果的比較，二者在各個(gè)發(fā)射頻率和間距下的響應(yīng)變化規(guī)律和趨勢(shì)基本一致，得到了相互驗(yàn)證，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目的。該裝置可以作為在室內(nèi)對(duì)隨鉆電磁波傳播電阻率測(cè)井儀響應(yīng)檢驗(yàn)的一種手段，為下一步進(jìn)行室外的刻度試驗(yàn)提供一定的保障。因?yàn)閮x器的質(zhì)量和體積都很大，搬運(yùn)起來很不方便，若等到室外刻度時(shí)才發(fā)現(xiàn)儀器的響應(yīng)規(guī)律錯(cuò)誤，會(huì)耽誤很多時(shí)間和額外的付出很多工作量，而此檢驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)避免了這種情況的發(fā)生。

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