感應(yīng)測井線圈系探測特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測量

張麗華 潘保芝 單剛義 范曉敏 郭宇航

摘 ?要 鉆井地球物理勘探是吉林大學(xué)地探學(xué)院勘查技術(shù)與工程專業(yè)和地球物理學(xué)專業(yè)的一門主干課程，該課程的理論與實(shí)踐結(jié)合很緊密，一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)。感應(yīng)測井是研究巖石電學(xué)性質(zhì)的一種測井方法。根據(jù)感應(yīng)測井的測量原理，設(shè)計(jì)模擬導(dǎo)電環(huán)和刻度環(huán)，實(shí)現(xiàn)六線圈系的縱向幾何因子和徑向幾何因子的測量。該實(shí)驗(yàn)可為兄弟院校測井相關(guān)課程的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 感應(yīng)測井;六線圈系;縱向幾何因子;徑向幾何因子;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.423 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）16-0113-03

Design and Measurement of Detection Characteristic of Induc-tion Logging Coil System//ZHANG Lihua， PAN Baozhi， SHAN Gangyi， FAN Xiaomin， GUO Yuhang

Abstract Drilling Geophysical Exploration is one of the main courses

of exploration technology and engineering specialty and geophysics major which combines theory with practice very closely. Among them， experimental teaching is an important part of the course system. Induction logging is a logging method to study the electrical properties of rocks. According to the measurement principle of induction logging， the analog conductive ring and calibration ring are

designed to measure the longitudinal and radial geometric factors of the six-coil system. This experiment can provide experimental reference for undergraduate experiment teaching of logging related courses.

Key words induction logging; six-coil system; longitudinal geome-tric factor; radial geometric factor; experimental teaching

1 引言

在鉆孔中進(jìn)行的各種地球物理勘探方法，統(tǒng)稱為鉆井地球物理勘探，工業(yè)部門通常簡稱測井[1]。測井的方法很多，根據(jù)電磁感應(yīng)原理研究巖石電學(xué)性質(zhì)的測井方法稱作感應(yīng)測井。這種方法在井內(nèi)介質(zhì)不導(dǎo)電的情況下也可以使用。即使是在一般導(dǎo)電的水基泥漿井中，感應(yīng)測井也具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用比較廣泛[2]。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》要求“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地、課程教材等教學(xué)基本建設(shè)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)”。國內(nèi)外高校的教育模式說明，實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)科學(xué)人才必不可少的途徑，是聯(lián)系抽象思維與具體實(shí)際的紐帶，是結(jié)合感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)的橋梁[3-7]。創(chuàng)新來源于實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著極其重要的作用[8]。

2 原理

感應(yīng)測井是基于電磁感應(yīng)原理。感應(yīng)測井的儀器中裝有發(fā)射線圈T和接收線圈R，如果給發(fā)射線圈T通交變電流i0，i0會(huì)在周圍的介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)交變的電磁場H，處在交變電磁場中的導(dǎo)電介質(zhì)繼而會(huì)感應(yīng)出環(huán)形電流i1。i1在接收線圈R中引起二次磁場并產(chǎn)生感應(yīng)電流i2，如圖1所示。環(huán)形電流i1的大小會(huì)影響接收線圈中感應(yīng)電流的大小，而環(huán)形電流的強(qiáng)度又主要受巖石的導(dǎo)電性影響。因此，要知道巖層的導(dǎo)電性，可以測量接收線圈中的感應(yīng)電流或電動(dòng)勢。

感應(yīng)測井儀的主要部件是線圈系，它的性質(zhì)影響感應(yīng)測井的效果，決定探測深度和分層能力[9]。為得到質(zhì)量好的曲線[1]，線圈系的徑向特性應(yīng)該使得鉆孔對測量結(jié)果的影響最小;線圈系的縱向特性應(yīng)該分層能力強(qiáng)，即上下圍巖對測量結(jié)果的影響很小;如果上下圍巖電導(dǎo)率相同且地層是均勻的，曲線應(yīng)該對稱;線圈系總的直接耦合電動(dòng)勢等于零。表征線圈系特性的方法很多，但如果為了了解線圈系的探測深度和分層能力，應(yīng)該研究它的徑向和縱向特性。

圖2是單元介質(zhì)環(huán)、發(fā)射線圈T和接收線圈R的位置關(guān)系示意圖。若在發(fā)射線圈中通以交變電流i=Isinωt，則由單元環(huán)中產(chǎn)生的渦流在接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為：

整理上式得：

式中，是線圈系系數(shù)，是單元環(huán)的幾何因子，與單元環(huán)和線圈的相對距離、位置有關(guān)。可以證明：

從上式可以得出：如果是全空間，則地層的幾何因子是1。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

當(dāng)前感應(yīng)測井多使用六線圈系（圖3），T0是主發(fā)射線圈，R0是主接收線圈，它們之間的距離是0.8 m，也叫作0.8 m

六線圈系[10]。R1是輔助接收線圈，T1是輔助發(fā)射線圈，它們主要是改善線圈系的徑向特性和消除井的影響;R2是聚焦接收線圈，T2是聚焦發(fā)射線圈，它們主要是改善線圈系的縱向特性。在圖3中，圈數(shù)用線圈下面的數(shù)字表示，線圈的連接方向用數(shù)字前面的符號(hào)表示，正表示與主線圈連接方向相同，負(fù)表示相反。

在垂直于線圈系軸的方向上的不同位置，介質(zhì)對讀數(shù)影響的相對大小稱作線圈系的徑向特性。在沿線圈系軸線方向的不同位置，介質(zhì)對讀數(shù)影響的相對大小稱作線圈系的縱向特性。為此，設(shè)計(jì)不同半徑的模擬導(dǎo)電環(huán)（圖4），導(dǎo)電環(huán)的半徑有10 cm，15 cm，20 cm，30 cm，…，80 cm，共九個(gè)。把模擬導(dǎo)電環(huán)放在儀器記錄點(diǎn)上（圖5的圓環(huán)位置），從中心開始，每次接通一個(gè)模擬導(dǎo)電環(huán)，來探測徑向幾何因子?？潭拳h(huán)是直徑為60 cm的銅導(dǎo)電環(huán)（圖6），一端可以接電阻箱。把刻度環(huán)放在儀器記錄點(diǎn)上（圖5的圓環(huán)位置），從記錄點(diǎn)開始，沿著線圈系每隔10 cm移動(dòng)一次刻度環(huán)，記錄儀器讀數(shù)，一共移動(dòng)13次，探測縱向幾何因子。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

1）將刻度環(huán)套在線圈系的記錄點(diǎn)上（線圈系的中點(diǎn)，畫有紅線），將感應(yīng)測井儀面板上的“交流粗調(diào)”旋鈕逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到頭，“直流調(diào)節(jié)”旋鈕也應(yīng)逆時(shí)針方向調(diào)到較小的位置上。

2）接通總電源開關(guān)，注視交流電流表上的指示，調(diào)節(jié)“交流粗調(diào)”使指針指示500 mA。

3）接通“直流高壓開關(guān)”，用“直流調(diào)節(jié)”旋鈕將下井電流調(diào)到100 mA，使儀器通電預(yù)熱，進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

4）測量線圈系的縱向探測特性時(shí)，從記錄點(diǎn)開始，每隔10 cm移動(dòng)一次刻度環(huán)，記錄儀器讀數(shù)。

5）測量線圈系的徑向探測特性時(shí)，從中心開始，每次接通一個(gè)導(dǎo)電環(huán)，記錄儀器讀數(shù)。

5 測量結(jié)果

應(yīng)用上述儀器，得到的幾何因子數(shù)據(jù)如下：

圖7是0.8 m六線圈系的徑向特性曲線，可以看出，靠近線圈系附近的幾何因子幾乎等于零，說明井內(nèi)介質(zhì)對讀數(shù)的影響大大減小了。圖8是0.8 m六線圈系的縱向特性曲線，可以看出，線圈系范圍以外的縱向微分幾何因子曲線迅速降低，說明線圈系范圍以外介質(zhì)的影響大大減小了。這就說明六線圈系滿足為獲得好的感應(yīng)測井曲線，對感應(yīng)測井儀線圈系的基本要求。

6 結(jié)語

鉆井地球物理勘探是通過地球物理方法解決鉆孔中的地質(zhì)與工程問題的一套測井技術(shù)方法，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。通過設(shè)計(jì)的感應(yīng)測井線圈系特性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解了感應(yīng)測井曲線測量原理和感應(yīng)測井儀器工作原理，動(dòng)手測量了徑向幾何因子和縱向幾何因子，培養(yǎng)了實(shí)踐能力，增強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí)，對理論知識(shí)理解得更深刻。本實(shí)驗(yàn)可為大學(xué)地球物理類專業(yè)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考和啟示。

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