随钻电磁波电阻率类仪器钻铤凹槽尺寸的制定方法

摘要

本发明公开了一种随钻电磁波电阻率类仪器钻铤凹槽尺寸的制定方法，首次给定一个初始的尽可能合理的凹槽深度尺寸范围和发射线圈及接收线圈的初始直径，根据函数关系P，计算出实际情况下接收线圈上的感应电动势U

说明书

技本领域：

本发明涉及石油开采领域中随钻电磁波测井技术，具体涉及一种随钻电磁波电阻率类仪器钻铤凹槽尺寸的制定方法。

背景技术：

近几年来，随着陆上水平井和大斜度井钻井工作量增加以及海上钻井的需求，常规电缆测井已经不能满足测井技术的需要，因此随钻测井技术得到了非常迅速的发展。它可以实现钻井和测井同时进行，是将测井仪器安装在靠近钻头的部位，在地层未受到明显侵入和污染的条件下进行测量，和传统的电缆测井相比较，具有实时性好、测井精度高等优点。随钻电磁波电阻率测井仪器是随钻测井中最常用的仪器之一，它主要测量地层的电阻率信息，由于一般情况下油层的电阻率较高，因此它能够有效的识别油层，并还具有能够指导钻头在油层中水平钻进的地质导向功能。可见，研制随钻电磁波电阻率测井仪器具有非常重要的实际意义，能够增强我国在随钻测井领域中的实力，帮助油田找到更多的油气储层，缓解油气资源紧缺的局面。

我国在研制此种仪器中大多采用仿制的方法，很少掌握核心技术，这样虽然能加快研制速度，但并不利于该仪器今后的改进及升级，也不利于我国测井技术的真正发展。为了掌握核心技术，我们对随钻电磁波电阻率测井仪器进行了深入的理论研究。该仪器的发射和接收天线均缠绕在钻铤的凹槽中，但由于钻铤会对信号产生非常大的衰减，而且凹槽的存在及线圈与凹槽内壁的距离也会对信号产生影响，掌握分析这些因素影响的方法是研制该仪器的核心技术，直接关系到研制该仪器的成败及该仪器的工作性能，是研制该类仪器的必要条件。

发明内容：

本发明的目的是通过分析钻铤凹槽及凹槽内壁与线圈间的距离对信号的影响规律，提供一种制定出合理的钻铤凹槽及线圈尺寸方法，即随钻电磁波电阻率类仪器钻铤凹槽尺寸的制定方法。

本发明的技术方案：一种随钻电磁波电阻率类仪器钻铤凹槽尺寸的制定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：根据仪器工作环境所受到的外界应力，确定该仪器的最小直径指标R；

步骤2：以该仪器的最小直径指标R为依据，首次给定一个初始的尽可能合理的凹槽深度尺寸范围H₀；（步骤2和步骤3顺序可互换）

步骤3：并首次给定发射线圈和接收线圈的初始直径R_0发和R_0收，各线圈范围要大于凹槽内壁并小于钻铤外壁；

步骤4：在步骤2和步骤3中的尺寸条件下，假设发射线圈上的电流是I，计算出该仪器在常见的地层范围内接收线圈上的感应电动势范围U；这个值U的大小与发射线圈上的发射电流I呈函数关系P；

步骤5：发射线圈发出的信号大小受发射机的功率指标限制，根据实际中发射机功率的大小计算出发射线圈发射的电流I_x的大小，再根据步骤4中函数关系P，计算出实际情况下接收线圈上的感应电动势U_x的范围；

步骤6：接收线圈接收的感应电动势信号由接收机来采集，接收机有接收信号的灵敏度和动态范围指标，根据这些指标判断步骤5中计算出的接收线圈上的感应电动势U_x的范围是否能被接收机接收到；

步骤7：按照步骤6的判断结果对仪器结构尺寸进行调整，以此来改变接收线圈信号的大小，保证仪器在需要测量的地层中时接收线圈的信号能被接收机所接收到，最终找到最优的凹槽的宽深尺寸和凹槽内壁与天线的距离，调整方法为：

1）改变发射线圈和接收线圈的直径；

2）改变凹槽内壁的直径，但凹槽直径要大于步骤1制定出的最小直径指标R，且不能超过线圈的直径；

3）改变凹槽的长度。

按7的调整方法，需要同时考虑仪器的测量地层电参数范围的指标、发射机功率指标、接收机灵敏度和动态范围指标、钻铤最小直径指标和线圈保护材料厚度指标等因素，制定出合理的凹槽尺寸和凹槽内壁与线圈间距尺寸。

步骤7的1）中，在发射线圈和接收线圈外面安装保护材料使其不容易受外界损害，发射线圈或接收线圈的直径加上保护材料的厚度后与钻铤表面齐平。

有益效果：1、此发明方法是研制随钻电磁波电阻率类测井仪器的关键技术，成功为SMPR-1随钻测井仪制定了钻铤凹槽的深宽指标以及凹槽内径与线圈间距尺寸指标，为成功研制该仪器提供了必要条件。

2、此发明方法可以为该仪器的发射机和接收机提供一个指标范围，以保证能接受到的信号动态范围最大化，在当前电路技术的基础上获得仪器最大的测量范围和最佳的测量精度，使该仪器在地层评价中具有更宽的使用范围和更大的应用价值，并进而帮助油田公司探明更多储量，在一定程度上缓解能源危机。

3、此发明方法对所有将圆形线圈缠绕在金属芯棒的仪器均有借鉴作用，是一种通用有效的分析方法，对该种类仪器的研制具有重要的指导意义。

附图说明

图1是钻铤凹槽及线圈结构示意图；

图2是感应电动势随线圈直径的变化关系；

图3是感应电动势随凹槽内壁直径的变化关系；

图4是感应电动势随凹槽长度的变化关系。

图中：1为钻铤，2为凹槽，3为发射线圈，4为接收线圈。

具体实施方式

实施例一：随钻电磁波电阻率类仪器的发射线圈3和接收线圈4都放置在钻铤1的凹槽2中，基本示意图如图1。

该仪器发射线圈发射出来的电磁波传播到接收线圈产生感应电动势。感应电动势的大小受该仪器周围介质的电参数和钻铤凹槽结构及线圈与凹槽内壁距离的影响。以这些影响的大小为基础，制定出凹槽结构尺寸和线圈与凹槽内壁距离的方法如下：

1、该种仪器的工作环境比较恶劣，要求其具有一定的抗扭曲能力，因此根据其工作环境所受到的外界的应力来给出该仪器的最小直径指标R。

2、以该仪器的最小直径指标R为依据，给定一个初始的尽可能合理的凹槽尺寸范围H₀。

3、给定发射线圈和接收线圈的初始直径R_0发和R_0收，范围要大于凹槽内壁并小于钻铤外壁。

4、假设发射线圈上的电流是1A，根据2的要求选定一个较合理的初始的凹槽尺寸，根据3的要求选定一个较合理的初始的发射线圈和接收线圈尺寸，在这个尺寸下计算出该仪器在常见的地层范围内接收线圈上的感应电动势范围。这个值的大小对应于1A的发射电流。

5、发射线圈发出的信号大小受发射机的功率指标限制，根据实际中发射机功率的大小能够计算出发射线圈发射的电流大小，再根据4中计算出的1A发射电流对应的感应电动势信号范围的关系，可以计算出实际情况下接收线圈上的感应电动势范围。

6、接收线圈接收的感应电动势信号由接收机来采集，接收机有接收信号的灵敏度和动态范围指标，根据这些指标可以判断5计算出的接收线圈上的信号是否能被接收机接收到。

7、按6的判断结果对仪器结构尺寸进行调整，以此来改变接收线圈信号的大小，保证仪器在需要测量的地层中时接收线圈的信号能被接收机所接收到，最终找到最优的凹槽的宽深尺寸和凹槽内壁与天线的距离，调整方法为：

1）改变发射线圈和接收线圈的直径，接收线圈信号变化趋势见图2。但由于一般情况下要在两个线圈外面安装保护材料使其不容易受外界损害，保护材料与钻铤表面齐平。则这两个线圈的直径与钻铤外径的距离有个最小的尺寸限制，这个尺寸要依赖于保护材料的厚度。这个厚度限制了线圈的最大直径。

2）、改变凹槽内壁的直径，接收线圈信号变化趋势见图3。但凹槽直径要大于由1制定出的直径指标，且不能超过线圈的直径。

3）改变凹槽的长度，接收线圈信号变化趋势见图4。

8、按7的调整方法，需要同时考虑仪器的测量地层电参数范围的指标、发射机功率指标、接收机灵敏度和动态范围指标、钻铤最小直径指标和线圈保护材料厚度指标等因素，制定出合理的凹槽尺寸和凹槽内壁与线圈间距尺寸。

2.2、数值模拟结果分析

假设钻铤的直径为7in（in为英寸，1in=0.54cm），凹槽的内径为6in，线圈初始直径为6.5in，凹槽的长度为10cm，收发线圈距离为40in，在0.1Ohmm的地层下，利用有限元素法计算发射线圈通频率为2MHz的1A电流情况下接收线圈上的感应电动势为2.186×10^-8V。

首先分析凹槽内壁与线圈间距对信号的影响规律，将线圈直径从6.1in变化到6.8in，感应电动势的变化趋势见图2。从图中看出感应电动势随着线圈直径的增加而增大，变化范围大约从8×10^-10V到6×10^-8V。

下面分析接收线圈信号受凹槽内壁直径的变化规律，将凹槽内壁直径从6in逐渐增加到6.4in，曲线如图3所示。观察发现，接收线圈信号随凹槽内壁直径的增大而减小，范围大约从2×10^-8V变化到1×10^-9V。

之后分析凹槽的长度对信号的影响，此时将长度从8cm变化到12cm，接收线圈信号的变化曲线见图4。观察发现，接收线圈信号随凹槽长度增大而增大，但变化幅度非常小。

从上面的分析可以看出，线圈与凹槽内壁之间的距离对信号的影响要远远大于凹槽的长度对信号的影响，因此，在实际工程中对凹槽的长度尺寸可以不用太苛刻，只要满足工程需要即可，但线圈与凹槽内壁的尺寸要严格控制，按照本发明提供的分析思路进行分析，制定出合理的结构尺寸。