EWR-P4地層電阻模擬盒研制

趙曦　張江濤

摘? 要：地層巖石的電阻率變化與地層含油氣性緊密相關。電磁感應測井是最常見的電阻率測井方法之一。隨鉆電磁感應測井儀通過發射器向地層發射電磁波信號，經過不同電阻的地層，電磁波相位發生改變，在接收端能接收到不同的相位。現有常規檢測方式為空氣零檢測，手段較為單一，不能識別儀器對不同地層電阻的相應情況。該文設計出一套能夠模擬不同地層電阻，對隨鉆電磁感應設備進行檢驗的測試裝置。豐富了設備的測量方式， 提升了設備的可靠性。

關鍵詞：隨鉆測井? 電磁感應測井? 相位差? 刻度方法

中圖分類號：P631.8 1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）01（c）-0051-04

Abstract： The resistivity variation of formation rocks is closely related to the formation oil-gas bearing property. Electromagnetic induction logging is one of the most common resistivity logging methods. Electromagnetic wave signals are sent to the formation by the electromagnetic induction logging tool while drilling. The phase of electromagnetic wave changes through the formation with different resistances， and different phases can be received at the receiving end. The conventional detection method of electromagnetic induction equipment is air zero detection.It can't be identified the corresponding conditions of the instrument to different formation resistances.This paper designs a set of testing equipment that can simulate different formation resistances and test the electromagnetic induction equipment while drilling， which enriches the measuring method of the equipment and improves the reliability of the equipment.

Key Words： With drilling logging; Electromagnetic induction logging; Phase difference; The scale method

1? 設計背景

電磁感應測井是利用電磁波在地層中傳播時，通過測量電磁波幅度衰減和相位滯后來計算地層電阻率。要使儀器工作正常，在儀器準備前，應對儀器進行嚴格檢查，但是目前車間只有空氣“零”及溫度漂移測試，測試手段單一。不能檢測儀器對不同地層電阻的響應，特別是對有故障和待修復的電阻率儀器，缺乏有效的測試手段。因此，研發EWR地層模擬盒就顯得十分必要[1]。

2? 設計思路

根據電磁感應測井的設計特點電磁波電阻率的測井原理，發射端發射電磁波，使電磁波信號進入地層，傳播方向與儀器方向垂直相交，電磁波在地層傳播過程中，頻率保持不變，而相位和波幅則因地層電阻率不同而變化。接收端通過測量相位和幅值的衰減，來計算地層電阻率。

電磁波在介質中傳播時電磁波傳播的速度隨地層電阻率增加而變快，遠近接收天線接收到的信號相位變小。從特性曲線可以看出，地層電阻率從0.1～1 000 Ω m增加時，遠近接收相位差從77°到0.04°，測量范圍較幅度曲線更廣。

哈里伯頓電阻率維修手冊（見表1）。

同時考慮到EWR的儀器性能，該EWR地層模擬盒主要以相位差測量為主。通過超淺、淺、中、深4種不同的探測深度對于不同地層電阻率相位差。再根據0.1、1、10、100這4種阻值地層對應的相位差，來設計模擬盒參數[2]。

3? 模擬盒設計

當電磁波電阻率儀器工作時，四路信號分時發射，兩路接收電路同時接收。在模擬測試設備接入的情況下，四路發射信號被四路接收電路分時提取，經過模擬測試盒內部，其信號相位和幅度就會被調整處理，處理完的信號再經過兩道發射驅動電路發射出去，發射出來的信號被電磁波電阻率儀兩路接收電路同時接收進去。經過其內部處理，算出相應的電阻率值。當模擬測試盒切換檔位后，算出的電阻率值就會跟著變化。不同的檔位，就會算出不同的電阻率值。根據算出的值與已知檔位值類比，就可判斷出儀器工作狀態。從而起到刻度、調校、檢修隨鉆電阻率測試儀的作用[3]。

3.1 信號提取與發射部分

由于儀器密封在不導磁的金屬鉆鋌中，6只線圈又被封在天線槽內，刻度箱的連線無法直接與天線連接，為了使儀器傳感器（發射、接收天線）能與模擬箱的模擬地層連接，我們采用特殊的發射、接收線圈來實現。

對特殊的發射、接收線圈的要求主要有：此接收線圈只能接收本身對應發射線圈的信號，不應受其他發射線圈的影響。

解決的具體方案：首先，因為要保證刻度器發射線圈產生的磁場分布在較小的局部空間內。我們根據電磁場分布原理，采用高導磁（1J85）鐵芯，園環鐵芯有60°開口。使刻度發射線圈產生的磁場分布非常集中，盡量減小對相鄰（遠、近接收線圈）的影響。相互影響應小于1%的兩個接收線圈（天線）繞在不導磁的鋼管上，相距為15 cm，各繞1匝，線圈分別通過并聯電容，使其諧振在2 MHz。工作時，將刻度器發射線圈的鐵芯缺口部分垂直對準儀器的近接收線圈，發射線圈供5 V、2 MHz正弦波。這說明刻度器發送線圈發射的信號只耦合到它靠近的接收線圈，而對另外接收線圈幾乎沒有影響[4]。

儀器信號是通過密封天線發射和接收的，刻度箱與儀器之間是通過電磁耦合實現的。模擬地層的設計：通過改變信號幅度和相位來實現（見圖1）。

3.2 電子線路部分

電子線路包括4道接收線圈、4道選頻放大功率放大電路;包括5組模擬地層網絡;包括信號處理電路;包括4道發射電路和2道發射線圈（見圖2、圖3）。

3.3 模擬地層部分

模擬地層包括5種不同地層電阻率。其中有5種幅度比電阻率和5種相位差電阻率。為了保證每個模擬地層具有不同的幅度比（A1/A2），有不同的相位差（△φ），我們采用最簡單的電感、電容和電阻串聯而成[5]。通過調節電阻R的比例可以得到信號不同的幅度;通過調節電感、電容的數值改變對應兩道信號的相位差（△φ）。

4? 試驗結果

實時測試EWR測量值，通過調校“模擬地層測試盒”的電阻值，使得EWR-P4的4個發射極測量的電阻值分別為0.1 Ω Μ/1 Ω Μ/10 Ω Μ/100 Ω Μ[6]。結果見圖4、圖5、圖6。

5? 結語

（1）考慮到現場作業實際應用，地層模擬盒目前以相位檢測為主。

（2）通過測試，可以看到當EWR模擬地層測試盒檔位在0.1 Ω m、1 Ω m、10 Ω m檔位時，超淺發射、淺發射、中發射、深發射的測量值非常準確，誤差在±10%，在100 Ω m檔位時，還存在一些困難，但由于其空間已經能夠對測量趨勢進行判斷。

參考文獻

[1] 李俊.智能激發極化測井儀器研制[J].中國新技術新產品，2020（3）：25-27.

[2] 李輝.隨鉆電磁波電阻率測井儀器響應數值模擬及應用[M].鎮江：江蘇大學出版社，2017.

[3] 李鵬飛.基于UG的吸能盒結構優化設計與輕量化模擬分析[J].智能計算機與應用，2019（5）：142-145，149.

[4] 賴富強.專業學位研究生油氣地球物理測井工程案例庫建設探索[J].教育現代化，2019（43）：92-94.

[5] 溫瑜.雙圓盾構掘進地層擾動的三維數值模擬[J].現代隧道技術，2020（5）：450-457.

[6] 徐風.數值模擬地層測試測井流體性質解釋模型[J].測井技術，2020（4）：377-380.