定向電磁波測井儀雙傾斜線圈系結構研究*

解茜草，孫　超， 仵　杰

(1.西北工業大學，陜西 西安 710072； 2.西安石油大學，陜西 西安 710065)

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定向電磁波測井儀雙傾斜線圈系結構研究*

解茜草1,2，孫超1， 仵杰2

(1.西北工業大學，陜西 西安 710072； 2.西安石油大學，陜西 西安 710065)

摘要:采用水平層狀各向異性介質中的磁流源并矢Green函數數值模擬了傾斜線圈系隨鉆電磁波電阻率測井儀的電磁波傳播特性。分析了采用傾斜線圈系時電壓的幅值衰減和相位移，兼顧信號強度和定向方位信號敏感性兩方面因素，理論上給出線圈系方位角和線圈傾角的選擇方法。研究結果與現有兩種國外定向隨鉆電磁波電阻率測井儀的參數一致，為國內定向測井儀器的研發和測井數據解釋奠定理論基礎。

關鍵詞：定向電磁波傳播； 傾斜線圈系； 并矢Green函數

0引言

在石油鉆井領域，隨著油氣田勘探程度的不斷提高，勘探對象由簡單構造過渡到復雜構造，定向井成為油氣田生產的重要手段，準確控制井眼軌跡是定向井鉆井成功的關鍵。傳統的電磁波傳播隨鉆測量采用共軸線圈作為發射和接收線圈，缺乏定向性和方位靈敏特性[1～5]。含傾斜線圈的電磁波傳播隨鉆測量儀器能夠實現對多分量電磁信號的測量，將三分量感應測井技術結合到隨鉆測量中[6]，增加了隨鉆電阻率測井資料的信息量，具有定向探測能力、方位靈敏特性和更豐富的信息量，可以實現對未鉆地層界面位置和方位的鉆前預測、改進地質導向能力，并實現對復雜油氣儲集層的高精度對比評價。傾斜線圈對各向異性地層的響應更加敏感，在各向異性地層的評價中有好的應用[7]。

目前，國內沒有自主研發的定向隨鉆電磁波測井儀，國外具有定向隨鉆電磁波測量能力的儀器主要集中在Schlumberger,Halliburton和Baker Hughes三家公司。許多文獻對儀器的性能和實際測井效果進行了報道，但很少分析儀器線圈系的結構設計。本文數值模擬研究雙傾斜線圈系結構設計，所得結論可以為國內新一代定向測井儀器的開發設計及其相關的測井數據解釋提供參考依據。

1定向電磁波測井基本理論

圖1中xyz為儀器直角坐標系，發射線圈和接收線圈磁矩方向與儀器軸向z之間的夾角分別為θT和θR，磁矩平面方位角分別為φT和φR，發射線圈與接收線圈之間的距離即源距為LTR。當儀器繞z軸旋轉時，發射線圈在接收線圈處產生的感應電動勢將隨著方位角的變化而變化。

將發射線圈看作一個振動的磁偶極子,方位角為φT、傾斜角為θT、磁矩大小為MT(MT=ITATNT，其中,IT,AT,NT分別為電流強度、發射線圈匝數和面積)的磁偶極源可分解為3個互相垂直的磁偶極子源。

圖1　傾斜線圈系示意圖Fig 1　Diagram of tilted coil system

由GHM可求出接收線圈處磁場強度的x,y,z分量分別為

Hx=MT(GxxsinθTcosφT+GyxsinθTsinφT+GzxcosθT),

Hy=MT(GxysinθTcosφT+GyysinθTsinφT+GzycosθT),

Hz=MT(GxzsinθTcosφT+GyzsinθTsinφT+GzzcosθT).

將接收線圈處3個方向的磁場強度投影到接收線圈磁矩方向后可得接收線圈處的磁場強度為

HR=HxsinθRcosφR+HysinθRsinφR+HzcosθR.

設發射源隨時間的變化關系為ejωt，由此可得接收線圈處的感應電動勢為

V=-jωμHRARNR=|V|ejωφ.

其中，ω=2πf為發射頻率，|V|和φ分別為接收線圈處感應電動勢的幅值和相位。

2線圈系中的線圈傾斜角度研究

圖2(a)所示為采用傾斜線圈系時磁場傳播示意圖，θT固定，當θR不同時垂直穿過接收線圈的磁通量不同，則接收線圈上電壓大小也不同，如圖2(b)所示，接收線圈傾角θR變化時電壓幅值大小發生變化。

圖2　傾斜線圈系時磁場傳播示意圖與電壓幅值特性Fig 2　Diagram of magnetic field spread and voltageamplitude characteristics

電壓幅值最大值和對應的接收線圈傾角分別記為|V|m和θRm，|V|m的位置與地層參數無關，只與線圈系參數(θT,θR,φT及φR)有關，因此，本文研究傾斜線圈系參數如何設計使得在接收線圈處接收信號最強，接收電壓幅值最大。

如圖2(b)所示，有耗媒質中，場振幅隨著源距的增加按指數規律衰減，且接收線圈傾角θR變化不改變電壓幅值的衰減規律，可任取源距研究接收線圈傾角變化時接收電壓幅值的變化。

發射頻率f=100 kHz～2 MHz，源距LTR=0.2～5 m，θT=0°～90°，θR=0°～180°，發射線圈AT=AR=πa2，隨鉆電阻率測井儀鉆鋌直井為171.45 mm，即a=0.085 725 m，地層電導率σ=0.001～10.0 S/m，計算接收線圈處電壓的幅值和相位。

頻率分別為100,400,2 000 kHz，θT分別為30°與45°，LTR=0.2 m時電壓幅值最大值|V|m和對應的接收線圈傾角θRm結果分別列于表1和表2中，分析可知:

表1　θT=30°時|V|與θRm

1)傾斜線圈系設計時應選擇發射線圈與接收線圈具有相同的磁矩平面方位角，即φT=φR。此時，接收電壓幅值最大值|V|m比采用不同磁矩平面方位角時的值大，但磁矩平面方位角不影響θRm。

2)考慮不同電導率和不同發射頻率時趨膚效應影響程度不同，發射線圈傾角與接收線圈傾角應滿足θR=180°-θT+Δ，余量Δ=10°～20°，按該關系設置傾斜線圈系時接收電壓幅值最大，信號最強。

3)線圈傾角的設計要兼顧信號強度和定向方位信號敏感性兩方面因素。發射線圈傾角θT增大，電壓幅值降低，從接收信號強度方面考慮，應選擇較小的發射線圈傾角；但線圈傾斜角度對定向信號有影響，發射線圈傾角越大，對層界面的敏感性越大，有利于定向測井，因此,要折中選擇線圈傾斜角度。國外Halliburton公司推出的ADR方位深探測隨鉆電阻率測井儀器和Schlumberger公司推出的深探測定向隨鉆電磁波電阻率測井儀器PeriScope15都采用了45°的傾斜接收線圈。

表2　θT=45°時|V|與θRm

3結論

本文數值模擬單發單收傾斜線圈系在均質地層和兩層地層中的電磁場分布和響應特性，研究傾斜線圈系結構設計。

為保證接收線圈處電壓幅值最大，信號最強，傾斜線圈系結構設計時線圈的方位角和傾角最好滿足φT=φR,θR=180°-θT+Δ(Δ為余量，Δ=10°～20°)。同時，從接收信號強度方面考慮，應選擇較小的θT；但θT越大，相位變化越劇烈，信號靈敏度越高，方位信號對層界面的敏感性越大，因此，線圈傾角的設計要兼顧信號強度與定向方位信號敏感性兩方面因素。

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Research on double tilted coils structure for directional electromagnetic wave logger*

XIE Xi-cao1,2, SUN Chao1, WU Jie2

(1.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2.Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

Abstract:Electromagnetic wave propagation characteristics of measurement while drilling(MWD) electromagnetic wave resistivity logger with tilted coil are simulated via magnetic-current-source dyadic Green’s function for horizontally stratified anisotropic media.The amplitude-attenuation and phase-shift characteristics of tilted coil are analyzed,taking into account both signal strength and sensitivity of directional azimuth signal and selection method of azimuth and tilted angle of coil is presented.The research results is consistent with parameters of two kinds of foreign directional MWD electromagnetic wave resistivity logger and is valuable for the research and development of directional well logging instrument and logging data interpretation in China.

Key words:directional electromagnetic wave propagation; tilted coils; dyadic Green’s function

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0036—03

收稿日期：2015—05—08

*基金項目：國家科技重大專項項目(2011ZX05020—004—05);陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(11JK0783)

中圖分類號：P 631

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0036—03

作者簡介:

解茜草(1978-)，女，陜西西安人，博士研究生，講師，主要從事電磁方法、理論及信號處理研究。