对三维阵列感应测井仪器中的线圈系进行校准的方法

摘要

本发明涉及一种用于对三维阵列感应测井仪器中的线圈系进行校准的方法，所述线圈系包括至少发射线圈和接收线圈，所述方法包括：把校准台布置在所述三维阵列感应测井仪器下方，所述校准台包括绝缘水平支架和所述绝缘水平支架上的金属环；使所述发射线圈通电以产生预定频率的交变电磁场；响应于所述交变电磁场，所述接收线圈经由所述校准台感生出具有预定频率的信号；以及根据所述信号的幅值与发射线圈和接收线圈中的至少一个的倾斜角和/或方位角，执行对所述线圈系的校准。

说明书

技术领域

本发明涉及三维阵列感应测井仪器的制造校准领域，更具体地涉及一种对三维阵列感应测井仪器中的线圈系进行校准的方法。

背景技术

世界上大约有30%的油气资源储存于砂—泥岩薄交互层组中。而且，这种砂—泥岩薄交互层油气资源在我国所占的比例要大于30%。砂-泥岩薄交互层表现为横向各向同性、纵向各向异性。在地层坐标系中，横向各向同性（TI）地层电导率可表示为对角矩阵：

                                （1）

其中，表示地层的水平电导率；表示垂直电导率。这种地层也称为横向各向同性（TI）地层，其水平（横向）电导率和垂直（纵向）电导率不相等。

传统的阵列感应仪器线圈系与井轴方向（即纵向）平行或者重合，只能测量水平（即横向）方向的一维电阻率，因此传统阵列感应无法评估这种砂—泥岩薄交互层组的电各向异性特性。

为同时测量和，三维感应测井仪器应运而生。在工作中，发射线圈在交变电流的激励下向井眼和地层等周围空间发射交变电磁场，而在该电磁场中的接收线圈根据电磁感应原理接收到九个分量二次电磁场的感应电动势张量：

                                  （2）

其中各分量下标的第一个字符为发射线圈方向，第二个字符为接收线圈方向。通过接收来自地层电磁的感应电动势，能够得到地层的水平和垂直电导率以及地层倾角和方位角，从而对薄层砂—泥岩薄交互层组的油气资源评估有重要意义。

然而，上述的三维阵列感应测量要求不同方向的线圈（例如发射线圈或者接收线圈）相互正交，同一方向的线圈相互共轴或者平行或者共面，这也是三维阵列感应仪器感应制造的关键技术。例如，如果不同方向的发射和接收线圈之间的不正交，或者同一方向线圈不共轴或不平行或不共面，则会对仪器测量结果造成很大的影响，从而影响对薄层砂—泥岩薄交互层组的油气资源评估。

因此，在本领域中存在对线圈方向进行校准以实现三维阵列感应测量的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种对三维阵列感应仪器中的线圈进行精细微调的方法。所述方法利用电磁感应原理，借助本发明设计的工具（例如校准台），通过调整三个方向发射和接收线圈，使得不同方向的线圈方向相互垂直、同一方向的线圈方向共轴或者平行或者共面。

根据本发明的一方面，提供一种用于对三维阵列感应测井仪器中的线圈系进行校准的方法，所述线圈系包括至少发射线圈和接收线圈，所述方法包括：把校准台布置在所述三维阵列感应测井仪器下方，所述校准台包括绝缘水平支架和所述绝缘水平支架上的金属环；使所述发射线圈通电以产生预定频率的交变电磁场；响应于所述交变电磁场，所述接收线圈经由所述校准台感生出具有预定频率的信号；以及根据所述信号的幅值与发射线圈和接收线圈中的至少一个的倾斜角和/或方位角，执行对所述线圈系的校准。

根据本发明的另一方面，所述发射线圈包括z方向发射线圈而所述接收线圈包括z’方向接收线圈。使所述发射线圈通电包括使z方向发射线圈通电以产生频率f_z的交变电磁场。执行对所述线圈系的校准包括通过以下步骤而实现z’方向接收线圈与z方向发射线圈共轴：基于z’方向接收线圈的倾斜角，使所述z’方向接收线圈绕z方向旋转以改变其方位角，从而得到所述z’方向接收线圈所感生的频率f_z的信号幅值与所旋转的角度的曲线；以及调整所述z’方向接收线圈的倾斜角，从而使得所述曲线的幅度最小化。

根据本发明的另一方面，所述接收线圈还包括x’方向接收线圈和y’方向接收线圈。执行对所述线圈系的校准还包括通过以下步骤使x’方向接收线圈和y’方向接收线圈与z方向发射线圈保持垂直：分别调整x’方向接收线圈和y’方向接收线圈相对于z方向发射线圈的倾斜角，从而分别使x’方向接收线圈和y’方向接收线圈所感生的频率f_z的信号幅值最小化。

根据本发明的另一方面，所述发射线圈还包括x方向发射线圈和y方向发射线圈。使所述发射线圈通电还包括使x方向发射线圈通电以产生频率f_x的交变电磁场和使y方向发射线圈通电以产生频率f_y的交变电磁场；并且其中执行对所述线圈系的校准还包括：调整x方向发射线圈的倾斜角，使z’方向接收线圈所感生的频率f_x的信号幅值最小化，进而使x方向发射线圈与z’方向接收线圈保持垂直；以及调整y方向发射线圈的倾斜角，使z’方向接收线圈所感生的频率f_y的信号幅值最小化，进而使y方向发射线圈与z’方向接收线圈保持垂直。

根据本发明的另一方面，执行对所述线圈系的校准还包括：（a）以x方向发射线圈为基准，调整x’方向接收线圈的方位角，使x’方向接收线圈所感生的频率f_x的信号幅值最大化，进而使x方向发射线圈和x’方向接收线圈共面；以及，调整y’方向接收线圈的方位角，使y’方向接收线圈所感生的频率f_x的信号幅值最小化，进而使x方向发射线圈和y’方向接收线圈垂直；以及（b）以y’方向接收线圈为基准，调整y方向发射线圈的方位角，使y’方向接收线圈所感生的频率f_y的信号幅值最大化，进而使y方向发射线圈和y’方向接收线圈共面。

根据本发明的另一方面，所述线圈系还包括z’方向屏蔽线圈。执行对所述线圈系的校准还包括通过以下步骤而实现z’方向屏蔽线圈与z方向发射线圈共轴：基于z’方向屏蔽线圈的倾斜角，使所述z’方向屏蔽线圈绕z方向旋转，从而得到所述z’方向屏蔽线圈所感生的频率f_z的信号幅值与旋转的角度的曲线；以及调整所述z’方向屏蔽线圈的倾斜角，从而使得所述曲线的幅度最小化。

根据本发明的另一方面，所述线圈系还包括x’方向屏蔽线圈和y’方向屏蔽线圈。执行对所述线圈系的校准还包括通过以下步骤使x’方向屏蔽线圈和y’方向屏蔽线圈与z方向发射线圈保持垂直：分别调整x’方向屏蔽线圈和y’方向屏蔽线圈相对于z方向发射线圈的倾斜角，从而分别使x’方向屏蔽线圈和y’方向屏蔽线圈所感生的频率f_z的信号幅值最小化。

根据本发明的另一方面，执行对所述线圈系的校准还包括以x方向发射线圈为基准：调整x’方向屏蔽线圈的方位角，使x’方向屏蔽线圈所感生的频率f_x的信号幅值最大化，进而使x方向发射线圈和x’方向屏蔽线圈共面；以及，调整y’方向屏蔽线圈的方位角，使y’方向屏蔽线圈所感生的频率f_x的信号幅值最小化，进而使x方向发射线圈和y’方向屏蔽线圈垂直。

根据本发明的另一方面，调整x’方向接收线圈的方位角包括在调整x’方向接收线圈的方位角之前绕z方向旋转所述仪器从而使校准台与x方向发射线圈垂直。

根据本发明的另一方面，调整y方向发射线圈的方位角包括在调整y方向发射线圈的方位角之前绕z方向旋转所述仪器从而使校准台与y方向接收线圈垂直。

通过结合附图来阅读后面的具体实施方式，可以更好地理解本发明的特征和优点。

附图说明

现在将参照附图来解释本发明的实施例。应当注意，这些实施例用于图示基本原理，使得仅图示为了理解基本原理而必需的那些特征。附图未按比例。另外，相似标号在附图中通篇表示相似特征。

图1是根据本发明实施例的三维阵列感应仪器中的线圈系的结构的理想示意图。

图2是根据本发明实施例的图1线圈系中一个方向上的发射线圈和接收线圈的示意图。

图3，包括图3a和3b，是根据本发明实施例的对线圈系的方向进行校准的校准装置的示意图，其中图3a为该校准装置的透视图而图3b为该校准装置的俯视图。

图4a是根据本发明实施例的线圈共轴校准时的三维阵列感应仪器和校准装置的透射图。

图4b是根据本发明实施例的线圈共轴校准时的接收线圈绕z轴旋转而相对于校准装置处于不同位置的前视图。

图4c是根据本发明实施例的线圈共轴校准时的接收线圈所得到的信号与旋转角度的曲线图。

图5是根据本发明实施例的线圈正交校准时的三维阵列感应仪器的示意图。

图6是根据本发明实施例的线圈共面校准时的三维阵列感应仪器和校准装置的示意图。

具体实施方式

以下具体描述涉及附图，这些附图通过图示方式示出了可以实施本发明的具体细节和实施例。充分具体描述这些实施例以使本领域的技术人员能够实施本发明。可以利用其它实施例并且可以进行结构、逻辑和电改变而不脱离本发明的范围。各种实施例未必互斥，因为一些实施例可以与一个或者多个其它实施例组合以形成新实施例。

在下面的详细描述中参照形成本详细描述的一部分的附图，在所述附图中通过说明的方式示出了其中可以实践本发明的具体实施例。在这方面，参照所描述的附图的取向使用了诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“首”、“尾”等等的方向术语。由于实施例的组件可以被定位在若干种不同的取向中，因此所述方向术语被用于说明的目的而决不是进行限制。要理解的是，在不背离本发明的范围的情况下可以利用其他实施例并且可以做出结构或逻辑的改变。因此，不要将下面的详细描述视为限制性意义，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。

要理解的是，除非具体另行声明，否则这里所描述的各个示例性实施例的特征可以彼此组合。应该理解的是，实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，而所附权利要求意在涵盖落入本发明精神和范围中的这些修改或者等同替换。

如在本说明书中所采用的术语“m方向A线圈”指的是所述A线圈的轴线指向m方向，除非上下文另外指明。

如在本说明书中所采用的术语“A线圈与B线圈所成的角度”或者“A线圈相对于B线圈的角度”指的是A线圈的轴线与B线圈的轴线所成的角度，除非上下文另外指明。

如在本说明书中所采用的术语“A线圈的倾斜角”指的是A线圈的轴线与z方向（例如，一般为仪器轴线方向）所成的角度，除非上下文另外指明。

如在本说明书中所采用的术语“A线圈的方位角”指的是A线圈的轴线在x-y平面内与x轴所成的角度，除非上下文另外指明。

如在本说明书中所采用的术语“A’方向”指的是与A方向存在略微差异且需要校准的方向，有时可互换地使用，除非上下文另外指明。

本发明的主要思想在于：把校准台布置在所述三维阵列感应测井仪器下方，所述校准台包括绝缘水平支架和所述绝缘水平支架上的金属环；使所述发射线圈通电以产生预定频率的交变电磁场；响应于所述交变电磁场，所述接收线圈经由所述校准台感生出具有预定频率的信号；以及根据所述信号的幅值与发射线圈和接收线圈中的至少一个的倾斜角和/或方位角的关系，执行对所述线圈系的校准，包括共轴校准、正交校准以及共面校准等。

接下来，具体参考附图来解释本发明的实施例。

如图1所示，图1是根据本发明实施例的三维阵列感应仪器中的线圈系100的结构的理想示意图。如图1所示，三维感应测井仪器的线圈系100包括三个正交垂直的发射线圈、、和三个正交垂直的接收线圈、、。可选地，三维感应测井仪器的线圈系100还可以包括三个正交垂直的屏蔽线圈、、，如图1中的虚线框110所示。在理想情况下，即在实施本发明的校准（如下面更加详细描述）之后，z方向的发射线圈、屏蔽线圈和接收线圈共轴，而x方向的发射线圈、屏蔽线圈和接收线圈以及y方向的发射线圈、屏蔽线圈和接收线圈分别共面，其中L1表示发射线圈轴线和接收线圈轴线的距离，而L2表示发射线圈轴线和屏蔽线圈轴线的距离。

在操作中，三个正交垂直的屏蔽线圈、、用来屏蔽发射线圈与接收线圈的直接耦合，使得发射线圈向井眼和地层等周围空间发射交变电磁场，从而接收线圈接收到交变电磁场经地层反射的信号。当然，在实际中可以例如采用具有类似屏蔽功能的元件比如挡板来实现发射线圈与接收线圈的直接耦合。

此外，由于屏蔽线圈和接收线圈就本发明的校准方法而言是类似的，因此对接收线圈与发射线圈之间的方向或角度校准也适用于屏蔽线圈与发射线圈之间的方向或角度校准。另外，在进行本发明的线圈方向微调之前，可以对本发明的线圈位置进行调整，使得接收线圈与发射线圈以及可选的屏蔽线圈大致处于图1所示的位置。例如，通过机械量尺或观察等手段来实现上述几何位置的调整。

图2是根据本发明实施例的图1线圈系中一个方向上的发射线圈210和接收线圈220的示意图。如图2所示，z’方向接收线圈220与z方向发射线圈210即z轴成一角度α。根据电磁感应原理，可知如果接收线圈220和发射线圈210相隔一定的距离（在图2中示为D），那么发射线圈210产生的磁通量（在图2中以磁力线B示出）仅有一部分能到达接收线圈，达到电能传输的目的。接收线圈接收的磁通量B越多，表明两个线圈之间的耦合程度越高，即所感生的信号就越强。

通常，耦合的级别用耦合因数k表示，耦合因数是一个介于0和1之间的值，其中1表示全耦合，这时发射线圈产生的磁通量B全部被接收线圈所接收，而0表示发射线圈和接收线圈之间相互独立的系统。耦合因数与两个线圈之间的距离和它们的相对大小有关，还与线圈的形状和它们之间的角度有关。就本发明而言，当α为0度时，两个线圈之间的耦合最大，而当α为90度时，两个线圈之间的耦合最小，这两种情况分别反映为接收线圈所接收到的信号的最大值和最小值。

接下来参考图3，图3是根据本发明实施例的对线圈系的方向进行校准的校准装置300的示意图，其中图3a为该校准装置300的透视图而图3b为该校准装置300的俯视图。校准装置300包括绝缘水平支架310和所述绝缘水平支架上的金属环320。例如，金属环320可以由铜、铝、铁等金属材料组成并且用来增强待校准的发射线圈和接收线圈之间的耦合，这将在下面进行更详细的讨论。例如，金属环320的形状可以是圆形、椭圆形或者其他闭合曲线形状。绝缘水平支架310可以用来调节校准装置以确保金属环320和地面平行。

图4a是根据本发明实施例的线圈共轴校准时的三维阵列感应仪器420和校准装置300的透射图。如图4a所示，为简明起见，以z方向线圈共轴校准为例，仅示出了z方向发射线圈和z方向接收线圈以及可选的z方向屏蔽线圈（在图中以虚线方框401示出）。如图所示，校准装置300放置在三维阵列感应仪器420下方并且布置成使得z方向发射线圈即z轴平行于所述校准装置300。所述校准装置300可以采用例如图3所示的结构布置。

同时参考图4b，示出了根据本发明实施例的线圈共轴校准时的接收线圈绕z轴旋转而相对于校准装置410处于不同位置I和II的前视图。如图4b所示，在位置I时接收线圈离校准装置410较远，因此接收线圈所感生的信号应该较小，对应于如图4c所示的曲线中的A点；而在位置II时接收线圈离校准装置410较近，因此接收线圈所感生的信号应该较大，对应于如图4c所示的曲线中的B点，其中发射线圈与接收线圈通过路径P1即通过校准装置410中的金属环320发生二次电磁感应作用。

图4c是根据本发明实施例的线圈共轴校准时的接收线圈所得到的信号ε与旋转角度φ的曲线图。结合参考图4a、4b和4c，以z方向发射线圈和接收线圈为例描述具体的线圈共轴校准过程如下：

（1）首先，例如可以通过对z方向发射线圈施加交变电压或电流，使z方向发射线圈通电以产生频率f_z的交变电磁场；

（2）然后，所述交变电磁场一方面直接耦合到接收线圈并且另一方面通过校准装置即通过路径P1而耦合到接收线圈。针对z’方向接收线圈的倾斜角α，使所述z’方向接收线圈绕z方向旋转，从而得到所述z’方向接收线圈所感生的频率f_z的信号幅值ε与旋转角度φ的曲线450；

（3）接着，调整所述z’方向接收线圈的倾斜角α，从而使得所述曲线450的幅度d最小化，即z’方向接收线圈与z方向发射线圈共轴。

同样，上述的共轴校准过程可以应用于屏蔽线圈，只要将上述过程中的接收线圈替代为屏蔽线圈即可。

接下来参考图5，示出了根据本发明实施例的线圈正交校准时的三维阵列感应仪器520的示意图。如图所示，在线圈正交校准时校准装置是可选的。在本例中，移除上述的校准装置而只绘出了三维阵列感应仪器520。在本例中，以x方向反射线圈与z方向接收线圈的正交校准为例来描述线圈正交校准过程。

以z方向接收线圈为准，开始如下的线圈正交校准过程：

（1）使x方向发射线圈通电以产生频率f_x的交变电磁场；

（2）调整x方向发射线圈的倾斜角（在图5中未示出），使z方向接收线圈所感生的频率f_x的信号幅值ε（如图4a所示）最小化，即，使x方向发射线圈与z方向接收线圈保持垂直。

同样，上述的线圈正交校准过程也可以应用于y方向发射线圈与z方向接收线圈的正交校准。具体而言，这例如通过如下步骤来实现：使y方向发射线圈通电以产生频率f_y的交变电磁场；以及调整y方向发射线圈的倾斜角，使z’方向接收线圈所感生的频率f_y的信号幅值最小化，即，使y方向发射线圈与z’方向接收线圈保持垂直。

此外，上述的线圈正交校准过程也可以应用于对x’方向接收线圈和y’方向接收线圈的校准以使得它们与z方向发射线圈正交。例如，通过分别调整x’方向接收线圈和y’方向接收线圈相对于z方向发射线圈的倾斜角，从而分别使x’方向接收线圈和y’方向接收线圈所感生的频率f_z的信号幅值最小化，即，分别使x’方向接收线圈和y’方向接收线圈与z方向发射线圈保持垂直。另外，也可以以z方向发射线圈为准，类似地对x’方向和y’方向屏蔽线圈（在图5中的虚线方框501内，未示出）进行类似的正交校准，如果包括屏蔽线圈的话，在此不再赘述。

图6是根据本发明实施例的线圈共面校准时的三维阵列感应仪器620和校准装置610的示意图。

如图6所示，校准装置610放置在三维阵列感应仪器620下方并且布置成使得x方向发射线圈垂直于所述校准装置600。所述校准装置600可以采用例如图3所示的结构布置。仪器发射线圈发射电磁信号通过校准装置600产生二次场，接收线圈接收校准装置的二次场而产生感生信号，所述信号的大小随着接收线圈R_x的方位角而变化。当接收线圈R_x垂直于校准装置600时，接收到的信号最大，即共面情形；而当接收线圈R_x平行于校准装置600时，接收到的信号最小，即正交情形。

下面以x方向发射线圈为准，对x’方向接收线圈R_x的方位角调整，使x’方向接收线圈R_x所感生的频率f_x的信号幅值ε最大化，即，使x方向发射线圈和x’方向接收线圈R_x共面。

在图6中，以虚线框601示出屏蔽线圈，类似地可以执行对x’方向屏蔽线圈B_x的共面校准。同样，可以对y方向的发射线圈和接收线圈以及可选的屏蔽线圈执行类似的共面校准，其中不同之处在于使得y方向发射线圈T_y垂直于所述校准装置600。

然后，利用上述的正交校准过程，以x方向发射线圈为准，调整y’方向接收线圈的方位角，使y’方向接收线圈所感生的频率f_x的信号幅值最小化，即，使x方向发射线圈和y’方向接收线圈垂直。

以此方式，利用上述的共轴校准、正交校准以及共面校准的组合，可以实现对包括各种线圈系的各个线圈的各种方向校准。

例如，根据本发明的一个实施例，当三维阵列感应测井仪器中的线圈系包括X、Y和Z方向发射线圈、屏蔽线圈和接收线圈时，具体的校准方法概括为：使用校准平台，调整Z方向发射、屏蔽和接收线圈共轴，其方式是调整屏蔽和接收线圈的倾斜角；以Z方向发射和接收线圈为基准，调整X、Y方向发射、屏蔽和接收线圈的倾斜角，使X、Y方向线圈和Z方向保持垂直；以X方向的发射线圈为基准，调整X方向的屏蔽和接收线圈的方位角，使X方向发射、屏蔽和接收线圈共面；以X方向的发射线圈为基准，调整Y方向的屏蔽和接收线圈的方位角，使Y方向接收和屏蔽线圈和X方向垂直；以Y方向的接收线圈为基准，调整y方向发射线圈的方位角，使y方向发射、屏蔽和接收线圈共面。注意，方位角和/或倾斜角的调整可以是手动或自动完成的。

利用本发明的校准方法，能够实现不同方向的线圈（例如发射线圈或者接收线圈）相互正交，同一方向的线圈相互共轴或者平行或者共面，为三维阵列感应仪器提供优良的测量性能，从而能够正确地得到地层的水平和垂直电导率以及地层倾角和方位角，进而对薄层砂—泥岩薄交互层组的油气资源评估有重要意义。

为了易于说明使用了空间相对术语诸如“在下面”、“以下”、“下”、“之上”、“上”等以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了不同于在图中描绘的那些定向的定向，这些术语旨在涵盖器件的不同定向。此外，术语诸如“第一”、“第二”等还被用于描述各种元件、区域、部分等，并且也并非旨在是限制性的。贯穿说明书，类似的术语参考类似的元件。

如在这里所使用地，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是指示所陈述的元件或者特征的存在但是并不排除另外的元件或者特征的开放式术语。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数，除非上下文清楚地另有指示。

虽然以上参考附图示出并描述了本发明的各种示例性实施例，但是本领域技术人员将清楚可以做出将实现本发明一些优点的各种改变和修改而未脱离本发明的精神和范围。因此，只要本发明的这些修改、变型和替换属于本发明的权利要求书及其等同技术方案的范围之内，则本发明也意图包含这些修改、变型和替换。此外，就在详细描述或权利要求书中使用术语“包括”、“具有”、“带有”或它们的其他变体来说，这样的术语意图以与术语“包含”类似的方式是包含性的。

此外，术语“示例性”仅仅意味着作为一个实例，而不是最佳的或最优的。还要认识到，这里所描绘的特征和/或元素是出于简单及易于理解的目的而以相对于彼此的特定尺寸示出的，实际的尺寸可能与这里所示出的尺寸显著不同。

本领域合理技术人员将明白，可以用执行相同功能的其它部件适当地进行替换。应当提到，即使在尚未明确提到这一点的那些情况下，参照具体图所解释的特征可以与其它图的特征组合。这样对发明概念的修改旨在于由所附权利要求覆盖。

此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员从本发明的公开中容易认识到的，根据本发明可以利用与这里描述的对应实施例执行实质上相同的功能或实现实质上相同的结果的、当前存在或以后待开发的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。据此，所附权利要求旨在在其范围内包括这些过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。