感應(yīng)測(cè)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(guó)石油測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部 陜西高陵)

感應(yīng)測(cè)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(guó)石油測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部 陜西高陵)

感應(yīng)測(cè)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(cè)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(cè)井的基本原理出發(fā),從線圈系和電子線路兩個(gè)角度闡述了儀器刻度的原理和方法。

感應(yīng)測(cè)井;線圈系;刻度;有用信號(hào);無(wú)用信號(hào)

0 引 言

測(cè)井儀器的刻度有三個(gè)目的:通過(guò)確立測(cè)量值與工程值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系建立起高精度的測(cè)量地層儲(chǔ)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(duì)每種儀器都是至關(guān)重要的。本文主要從儀器本身的測(cè)井原理出發(fā),從線圈系和線路兩個(gè)角度來(lái)闡述感應(yīng)儀器刻度的原理和方法。

1 感應(yīng)測(cè)井的原理[1]

圖1 感應(yīng)測(cè)井原理

實(shí)用的感應(yīng)測(cè)井儀式是采用聚焦線圈系的感應(yīng)測(cè)井儀。由于聚焦線圈系可以看成是幾個(gè)雙線圈系組合而成的,因此在說(shuō)明感應(yīng)測(cè)井原理時(shí),仍以雙線圈系感應(yīng)測(cè)井的原理為例。雙線圈系感應(yīng)測(cè)井儀的測(cè)井原理圖如圖1所示。T為發(fā)射線圈,R為接收線圈,兩個(gè)線圈相隔一定距離固定在芯棒上。當(dāng)給發(fā)射線圈一個(gè)幅度和頻率均恒定的正弦交流電流i時(shí),在其周?chē)貙又斜銜?huì)產(chǎn)生出一個(gè)交變的電磁場(chǎng)Φ1。在該電磁場(chǎng)的作用下,地層中就會(huì)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(gè)交變的電磁場(chǎng)Φ2,Φ2又叫二次電磁場(chǎng)。由于二次電磁場(chǎng)的存在,在接收線圈R中便產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)eσ,又因?yàn)閑σ與地層電導(dǎo)率有關(guān),故稱eσ為有用信號(hào),同時(shí),Φ1也可以直接在接收線圈R中產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)e0,與地層電導(dǎo)率無(wú)關(guān),故e0叫做無(wú)用信號(hào)。在略去渦流間的相互作用的情況下,可以認(rèn)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(gè)相位差,可以通過(guò)專門(mén)的檢波電路把eσ和e0分開(kāi),使地面記錄系統(tǒng)只記錄有用信號(hào)eσ。

對(duì)于均勻無(wú)限介質(zhì),可以把它劃分為無(wú)限多個(gè)與井軸垂直的單元導(dǎo)電環(huán),當(dāng)環(huán)的截面積ds等于1時(shí),常稱為單元環(huán),當(dāng)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(hào)deσ與介質(zhì)的電導(dǎo)率σ成正比,其表達(dá)式為

式(1)中,K為儀器常數(shù)。它與發(fā)射電流的強(qiáng)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(duì)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(hào)eσ等于各個(gè)單元環(huán)分別在接收線圈中產(chǎn)生的有用信號(hào)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(hào)與介質(zhì)的電導(dǎo)率成正比,因此,測(cè)井時(shí)只要測(cè)出有用信號(hào),就可以計(jì)算出地層的電導(dǎo)率。但是,在實(shí)際測(cè)井中遇到的往往是非均勻介質(zhì),此時(shí),按照上式計(jì)算出的電導(dǎo)率叫做視電導(dǎo)率σa,對(duì)于由幾部分介質(zhì)組成的非均勻介質(zhì),總的有用信號(hào)等于各部分介質(zhì)所產(chǎn)生的有用信號(hào)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(shí)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(dāng)泥漿、圍巖和侵入帶的影響較小時(shí),σa可以近似的等于σt。在此情況下,所測(cè)的有用信號(hào)的大小,可以反映出地層電導(dǎo)率的變化,這就是感應(yīng)測(cè)井的基本原理。

2 感應(yīng)測(cè)井儀的刻度原理[2]

感應(yīng)測(cè)井儀是測(cè)量地層電導(dǎo)率的一種儀器,但它輸出的是電壓信號(hào),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(duì)應(yīng)關(guān)系,這項(xiàng)工作就叫做儀器的刻度。經(jīng)過(guò)刻度的儀器在測(cè)井時(shí)就可以按照電導(dǎo)率進(jìn)行讀數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用的是模擬刻度法,這種方法是用一個(gè)金屬導(dǎo)電環(huán)(常稱刻度環(huán))來(lái)模擬均勻無(wú)限介質(zhì),對(duì)儀器進(jìn)行刻度的。它具有使用方便,經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。

模擬刻度原理:模擬刻度是把串有適當(dāng)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(hào)等效于某均勻無(wú)限介質(zhì)所產(chǎn)生的有用信號(hào),來(lái)代替該介質(zhì)對(duì)儀器進(jìn)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(jiǎn)單的雙線圈系感應(yīng)測(cè)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(cè)井原理可知,在均勻無(wú)限介質(zhì)中,儀器接收到的有用信號(hào)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(qiáng)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(cè)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(hào)。

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(lái)代替圖中的單元環(huán),則刻度環(huán)對(duì)儀器提供有用信號(hào)也可以仿照公式(1)的形式來(lái)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(dāng)刻度環(huán)半徑和刻度環(huán)相對(duì)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(wú)限介質(zhì)對(duì)感應(yīng)測(cè)井測(cè)井儀進(jìn)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(gè)線圈系組合而成的。因此,對(duì)于聚集線圈系,某均勻無(wú)限介質(zhì)所產(chǎn)生的總有用信號(hào)就等于該介質(zhì)在每個(gè)雙線圈系中所分別產(chǎn)生的有用信號(hào)的代數(shù)和。其中,當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈繞向相同時(shí),雙線圈系的有用信號(hào)為正值,反之為負(fù)值。

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

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

電導(dǎo)率為σ的均勻無(wú)限介質(zhì)產(chǎn)生的有用信號(hào):

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(jì)算刻度電阻時(shí),是把刻度環(huán)當(dāng)做純電阻元件來(lái)對(duì)待的,而實(shí)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(dāng)感應(yīng)測(cè)井儀的發(fā)射電流頻率為20 kHz時(shí),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(shí),由于這時(shí)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(jì)算刻度電阻時(shí),應(yīng)用補(bǔ)償法公式進(jìn)行計(jì)算如下:

式(13)中:ρ為均勻無(wú)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(bǔ)償法刻度時(shí),參考信號(hào)的信號(hào)的相位必須調(diào)準(zhǔn),若相位調(diào)偏,刻度時(shí)會(huì)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(dāng)電容方法進(jìn)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(duì)刻度環(huán)所配的電阻,應(yīng)該是精密無(wú)感電阻,自制時(shí),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(cè)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(shí)際上雙感應(yīng)儀器刻度500 mS/m和100 mS/m這兩點(diǎn),中感應(yīng)的463 mS/m刻度信號(hào)和深感應(yīng)的402 mS/m刻度信號(hào),經(jīng)傳播效應(yīng)影響校正后,相當(dāng)于500 mS/m;而中感應(yīng)的97 mS/m刻度信號(hào)和深感應(yīng)的93 mS/m刻度信號(hào)經(jīng)傳播效應(yīng)影響校正后,相當(dāng)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(cè)井儀的探測(cè)器,它的結(jié)構(gòu)和性能與儀器的探測(cè)特性密切相關(guān),因此線圈系的設(shè)計(jì)和制造要求較高。線圈系的性能性能一般要滿足下述三點(diǎn):(1)線圈系的總無(wú)用信號(hào)接近于零。(2)線圈系的縱向特性,應(yīng)使圍巖對(duì)測(cè)井信號(hào)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(cè)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(jì)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(gè)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(duì)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(duì)稱的8線圈系。

圖4 感應(yīng)的線圈系

需要說(shuō)明的是對(duì)于線圈系的調(diào)整對(duì)基值的影響是最大的,但這項(xiàng)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(jìn)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(cè)量無(wú)用信號(hào)大小,使其在50 mV～60 mV,如不滿足,前后移動(dòng)線圈R3(對(duì)深感應(yīng))或r3(對(duì)中感應(yīng))的位置即可;(4)用康銅絲拉基值。對(duì)深感應(yīng)來(lái)說(shuō),R1為正補(bǔ)償線圈,R2為負(fù)補(bǔ)償線圈;對(duì)中感應(yīng)來(lái)說(shuō),r1為正補(bǔ)償線圈,r2為負(fù)補(bǔ)償線圈。

4.2 電子線路部分的刻度調(diào)整方法

對(duì)電子線路的調(diào)整過(guò)程需要遵循的一個(gè)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(duì)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?chē)? m內(nèi)沒(méi)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(cè)試臺(tái)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(dá)不到要求,分別檢查深中感應(yīng)信號(hào)放大電路、參考信號(hào)放大電路、相敏檢波電路和繼電器是否正常;(4)儀器置“測(cè)井”狀態(tài),深、中感應(yīng)“基值”應(yīng)為直流-3 mV～+1 mV。若達(dá)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(cè)井”狀態(tài),刻度環(huán)開(kāi)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(dá)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(shí)滿足步驟(3)和(4)的要求;(7)儀器置“測(cè)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(dá)不到要求,分別調(diào)節(jié)深、中感應(yīng)信號(hào)放大器第一級(jí)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(dá)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(yǔ)

長(zhǎng)慶油田目前的測(cè)井任務(wù)空前的飽滿,儀器的使用頻次大,僅通過(guò)對(duì)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(duì)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(shí)間。

[1] 馮啟寧.測(cè)井儀器原理[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,1991

[2] 羅以密,嚴(yán)導(dǎo)淦.大學(xué)物理[M].武漢:華東理工大學(xué)出版社,1990

[3] 中油測(cè)井有限公司測(cè)井儀器廠.DIL5520雙感應(yīng)八側(cè)向儀使用維修手冊(cè).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(xué),現(xiàn)在就職于中國(guó)石油測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部?jī)x修中心從事儀修工作。郵編:710201

2010-07-20編輯:梁保江)