油水井瞬變電磁探測(cè)儀接收系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李志強(qiáng),張文輝,陳嘉輝

（西安石油大學(xué)，光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710065）

油水井瞬變電磁探測(cè)儀接收系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李志強(qiáng),張文輝,陳嘉輝

（西安石油大學(xué)，光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710065）

接收線圈過(guò)渡過(guò)程的存在，使一次場(chǎng)響應(yīng)在感應(yīng)段和衰減段均發(fā)生了畸變，而二次響應(yīng)則在發(fā)射電流關(guān)斷后出現(xiàn)幅值變小、達(dá)到極大值的時(shí)間延遲等現(xiàn)象。為縮短線圈的固有過(guò)渡過(guò)程，本文通過(guò)采用采用接入匹配電阻的方法使接收線圈工作于臨界阻尼狀態(tài)，同時(shí)盡量增大線圈的阻尼系數(shù)。該方法為井中瞬變電磁響應(yīng)信號(hào)的正確判斷以及接收系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化奠定了良好基礎(chǔ)。

瞬變電磁；接收系統(tǒng)；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

瞬變電磁法具有對(duì)電阻率敏感、不存在直接耦合、探測(cè)距離與時(shí)間特性相對(duì)應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因而對(duì)目標(biāo)體的分辨率明顯優(yōu)于頻域電磁法。此外，瞬變電磁信號(hào)中的低頻成分還能夠有效提高信號(hào)對(duì)套管的穿透能力，因而可以較好解決傳統(tǒng)電阻率測(cè)井中的諸多問(wèn)題。本文針對(duì)油水生產(chǎn)井的實(shí)際工作環(huán)境與特點(diǎn)，對(duì)油水井瞬變電磁探測(cè)儀接收系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了研究，從而為油水井瞬變電磁探測(cè)儀的改進(jìn)與研究提供了方法和依據(jù)。

1 瞬變電磁法

1.1 瞬變電磁理論

瞬變電磁理論是一種時(shí)間域電磁檢測(cè)方法，它是以有間歇的周期性階躍脈沖作為激勵(lì)信號(hào)。在發(fā)射線圈中的脈沖電流關(guān)斷時(shí)，接收線圈以及包括金屬套管在內(nèi)的周圍地層介質(zhì)由直接變化的源磁場(chǎng)感應(yīng)出交變場(chǎng)，稱為一次場(chǎng)信號(hào)；這種激發(fā)方式具有瞬時(shí)和平面波場(chǎng)的特點(diǎn)，其在早期主要由高頻信號(hào)分量組成，反應(yīng)的是淺層的地質(zhì)信息。隨后一次場(chǎng)的感應(yīng)渦流向介質(zhì)內(nèi)部逐步以“煙圈”形式傳播，而在各介質(zhì)界面上激發(fā)出新的電磁場(chǎng)，成為對(duì)應(yīng)的二次場(chǎng)信號(hào)。二次場(chǎng)衰減變緩，信號(hào)主要為低頻分量，反映的是較深層處的地質(zhì)信息。接收線圈中由二次場(chǎng)變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，正是對(duì)介質(zhì)特性參數(shù)信息的直接性反映，而且在時(shí)間上可以與一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分開(kāi)。

1.2 瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)曲線

不同電導(dǎo)率的地質(zhì)體在相同的激勵(lì)源下產(chǎn)生的二次場(chǎng)幅度及衰減速率都是不同的。根據(jù)瞬變電磁的理論可知，局部良導(dǎo)體上用接收線圈觀測(cè)到的感應(yīng)電壓的時(shí)間特性取決與：

2 接收線圈特性分析

2.1 線圈等效模型

圖1 接收線圈模型

常用的接收線圈有多匝空芯線圈和磁芯多匝線圈(探頭)兩種，如圖1（a）所示為多匝空心線圈的外觀圖。無(wú)論是何種線圈都具有內(nèi)阻r，電感L，還有分布電容，考慮到前置放大器對(duì)線圈的影響，則線圈可以等效為圖1（b）所示的電路。

2.2 接收線圈在階躍脈沖下的響應(yīng)分析

利用基爾霍夫定律，圖2中輸入與輸出電流的關(guān)系的零輸入響應(yīng)有：

其相應(yīng)的特征方程為：

根據(jù)式（9）的K值不同，可以得到三種情況下的負(fù)階躍響應(yīng)：

由時(shí)域表達(dá)式可以看出，欠阻尼狀態(tài)下，負(fù)階躍響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)振蕩，波形嚴(yán)重失真；過(guò)阻尼狀態(tài)下信號(hào)衰減緩慢，其過(guò)度過(guò)程比較長(zhǎng)，如圖2為、及時(shí)的輸出響應(yīng)曲線?？梢?jiàn)在臨界阻尼狀態(tài)下，是階躍響應(yīng)的最佳狀態(tài)，因此通過(guò)調(diào)節(jié)匹配電阻可以使接收線圈工作在臨界阻尼狀態(tài)以此來(lái)獲得合理的輸出和較平坦的頻率響應(yīng)。

圖2 三種情況負(fù)階躍響應(yīng)曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)際應(yīng)用中常調(diào)節(jié)匹配電阻RT以及輸入電容C值使電路工作在微過(guò)阻尼的狀態(tài)，以得到較小的渡越時(shí)間并避免產(chǎn)生振蕩響應(yīng)，有利于瞬變響應(yīng)信號(hào)的采集。當(dāng)調(diào)節(jié)RT和C值達(dá)到臨界阻尼狀態(tài)時(shí)，如圖3：

圖3 RT=300和C=0.1uf時(shí)的臨界阻尼狀態(tài)響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)井中瞬變電磁法接收線圈上瞬變電磁響應(yīng)過(guò)渡過(guò)程的深入研究，得到如下結(jié)論:接收線圈上的一次場(chǎng)響應(yīng)在感應(yīng)段和衰減段均發(fā)生了畸變，通過(guò)對(duì)欠阻尼、臨界阻尼和過(guò)阻尼狀態(tài)時(shí)，接收線圈輸出響應(yīng)的對(duì)比可知，應(yīng)采用接入匹配電阻RT和輸入電容C值的方法，使接收線圈工作于臨界阻尼狀態(tài)。

[1] 薛國(guó)強(qiáng),李貅,底青云.瞬變電磁法理論與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,04:1195-1200.

[2] 嵇艷鞠.淺層高分辨率全程瞬變電磁系統(tǒng)中全程二次場(chǎng)提取技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)，2004.

[3] 李翰蓀.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4] 陳署東.瞬變電磁接收系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.13~16.

Electromagnetic detector parameter optimization design of receiving system variable instantaneous oil wells

Zhang Wenhui,Li Zhiqiang,Chen Jiahui
(Xi'an Petroleum University, Key Laboratory of opto electronic gas logging and testing,Xi'an, Shaanxi,710065)

The presence of the receiver coil transition process, so that a field response in the induction section and section attenuation distortion occurred, while the secondary response in the emission current shutdown appears smaller amplitude, time delay to reach the maximum value of such phenomena. Inherent in the transition process to shorten the coil, the paper matching the resistance through the use of an access method using the receiving coils work in critically damped, while trying to increase the damping coil. This method parameters hole transient electromagnetic response signals correct judgment and reception system optimization has laid a good foundation.

TEM；receiving system；parameter optimization

國(guó)家自然科學(xué)基金“基于線源的井間剩余油探測(cè)理論和方法”（41174160）資助

李志強(qiáng)，西安石油大學(xué)在讀研究生，電子與通信工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)。