一种随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油、天然气钻井或测井技术领域中的一种随钻方位电磁波测井仪的 地面试验方法，特别适用于为地质导向钻井系统随钻方位电磁波仪器的设计研发提供设计 依据和试验验证。 技术背景
[0002] 在油田勘探和开发过程中，需要测量地层地质信息和工程参数。随着勘探开发技 术的不断进步，对测量参数的准确性和多样性要求越来越高。所需要的参数往往包含地层 环境参数、井下钻具位置、方位以及钻井环境参数等。目前已经有多种常规电缆测井仪器以 及随钻测井仪器可以提供以上参数。电磁波电阻率仪器作为评价地层性质的重要仪器可以 提供地层电阻率信息，来对地层含油性进行评价。仪器往往包含一个或者多个发射和接收 天线来接收地层感应信号。根据采用频率不同，分为感应电阻率仪器和电磁波电阻率仪器。 对于随钻电磁波电阻率仪器来说通常采用接收线圈的幅度比或相位差来转换得到地层电 阻率信息。方位电磁波电阻率除了用于地层评价外主要用来地质导向。目前具备方位分辨 功能的随钻仪器由于探测深度太小，限制了其在地质导向方面的应用。随钻方位电磁波电 阻率仪器则克服了探测深度小的缺陷，可以更好的应用于地质导向。
[0003] 目前斯伦贝谢、哈利伯顿、贝克休斯等国际石油工程服务公司相继公布了自己在 多分量、多线圈距、多频率仪器方面的专利技术（No. 6777940、No. 7038455、No. 7557580、 No. 6181138、No. 20050140373、N〇. 7375530、N〇. 7483793 等）基于此推出了随钻方位电磁波 仪器，在地层评价和地质导向方面获得了广泛的应用并取得了良好的效果。
[0004] 国内在随钻方位电磁波仪器的设计制造方面基本空白，相应的基础理论研究也相 对滞后，作为地质导向的重要工具，其测试和试验方法也是仪器成功研发和应用的重要保 证，由于随钻方位电磁波仪器响应的特殊性，必须在存在介质界面的环境中进行测试和试 验，因此以往常规测井仪器的试验井和刻度井不能使用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的问题，提出一种能方便简单地构造出各种情况的 界面模型，用于理论验证，指导仪器设计以及验证数据采集和处理方法的正确性的随钻方 位电磁波测井仪的地面试验方法。
[0006] 本发明的技术方案包括：
[0007] -种随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，该随钻方位电磁波测井仪包括天 线、金属短节、方位测量器、电源和信号处理系统。所述随钻方位电磁波测井仪的天线至少 有两个轴向天线和两个横向天线，轴向天线的磁矩方向与金属短节轴线重合，横向天线的 磁矩方向与金属短节轴线垂直，轴向天线分置在横向天线的两侧，横向天线旋转一周分为 不少于四个扇区，每个扇区分别与信号处理装置连接，轴向和横向天线设置在金属短节上 并沿金属短节构成滑动和旋转连接配合，天线发射信号频率范围在100kHz-4MHz之间。该 试验方法是建立在随钻方位电磁波测井仪基础上，由可调角度的台架将随钻方位电磁波测 井仪支撑，并在随钻方位电磁波测井仪下方设置由两种不同电导率的介质界面，以及与随 钻方位电磁波测井仪金属短节旋转驱动配合的驱动机构。
[0008] 试验方法包括：金属短节置于空气和导电溶液界面附近，通过调整轴向天线和横 向天线之间的距离，测得ZX、ZY、XZ、ZZ电动势信号随线圈距的变化规律；通过改变介质电 导率，测得界面处电动势幅度信号与界面两侧电导率差的变化规律；通过调整驱动机构转 速，测得电动势信号随天线方位角的关系；通过调整台架的高度和角度，激发不同的轴向天 线、横向天线，测得电动势的信号幅度，进行补偿结果对比和效果分析。
[0009] 所述试验方法具体包括：
[0010] (1)确定好介质界面的电导率以及天线与界面的距离后，金属短节平行于介质界 面，采集和处理接收天线测得的信号，将轴向天线和横向天线调整为发射或接收天线，改变 轴向天线和横向天线间距、角度，采集和处理接收天线测得的信号，测得ZX、ZY、XZ、ZZ电动 势信号随线圈距的变化规律，将试验测量结果与理论模拟结果进行对比分析。
[0011] (2)将轴向天线作为发射天线，横向天线作为接收天线，确定好轴向天线与横向天 线的距离以及工作频率，金属短节与介质界面平行，调整金属短节与介质界面的高度，采集 和处理接收天线测得的信号，测得信号随界面距离的变化规律，改变介质电导率，重复以上 测量，测得界面处电动势幅度信号与界面两侧电导率差的变化规律。
[0012] (3)将轴向天线作为发射天线，横向天线作为接收天线，确定好天线与天线的距离 以及工作频率，金属短节与界面平行，调整驱动机构转速，将金属短节一周分为四个以上的 分扇区，分扇区进行信号采集和处理信号，通过方位测量装置实时采集和记录横向天线的 指向方位，处理得到电动势信号随天线方位角的关系，以及界面的方位走向，并与试验环境 对比。
[0013] (4)将轴向天线作为发射天线等距离设置在作为接收天线的横向天线两侧，确定 好发射天线与接收天线的距离以及工作频率，通过调整台架的角度和高度，使金属短节与 介质界面法线呈一定的夹角，分别测量单发单收、双发单收对称补偿模式、单发双收模式和 双发双收对称补偿模式电动势的信号幅度，以及该一定夹角和不同夹角情况下信号幅度与 界面距离的关系。
[0014] 上述方案进一步包括：
[0015] 步骤（1)中的具体方式为：确定好盐水溶液电导率以及天线与界面的距离后，以 轴向天线作为发射天线，横向天线作为接收天线，金属短节平行于界面，采集和处理接收天 线测得的信号，移动发射天线或接收天线，改变线圈距，继续采集和处理接收天线测得的信 号，重复以上步骤，测得ZX电动势信号随线圈距的变化规律；将横向天线旋转90°，重复进 行以上测量，测得ZY电动势信号随线圈距变化规律；将横向天线作为发射天线，轴向天线 作为接收天线，重复以上测量，测得XZ电动势信号随线圈距的变化规律；将一个轴向天线 作为发射天线，另一轴向天线作为接收天线，重复以上测量步骤，测得ZZ电动势信号随线 圈距变化规律。
[0016] 步骤（4)中的具体方式为：将两个轴向天线作为发射天线，一个横向天线作为接 收天线，轴向天线与横向天线之间的距离相同，确定好发射天线与接收天线的距离以及工 作频率，通过调整台架的角度，使金属短节与界面法线的夹角为80°，分别测量一个轴向天 线发射，一个横向天线接收，即单发单收测量模式下电动势的信号幅度，以及两个轴向天线 发射，一个横向天线接收，即双发单收对称补偿模式下电动势的信号幅度；保持相对夹角不 变，改变金属短节与界面的距离，重复以上测量，得到该相对夹角情况下信号幅度与界面距 离的关系；分别改变金属短节与界面法线的夹角，重复上述测量步骤，测得不同夹角情况下 信号幅度与界面距离的关系；将两个轴向天线作为发射天线，两个横向天线作为接收天线， 轴向天线分别与横向天线之间的距离相同，确定好发射天线与接收天线的距离以及工作频 率，通过调整台架，使金属短节与界面法线的夹角为为80°，分别测量一个轴向天线发射， 两个横向天线接收，即单发双收模式下电动势信号幅度，以及两个轴向天线发射，两个横向 天线接收，即双发双收对称补偿模式下电动势信号幅度，测得该相对夹角情况下信号幅度 与界面距离的关系；分别改变金属短节与界面法线的夹角，重复上述测量步骤，得到不同夹 角情况下信号幅度与界面距离的关系。
[0017] 金属短节下面采用盐水溶液与空气作为电导率不同的两种介质，用于形成界面。
[0018] 所述台架由两个无磁绝缘材料制成的支撑基座间隔分布在金属短节的下方，且支 撑基座具有高度调整机构，支撑基座与金属短节连接处采用轴承连接；介质界面为盐水池 与空气组合的界面。
[0019] 本发明的效果体现在：
[0020] (1)通过电脑实时采集和处理得到信号的实部和虚部信息；金属短节置于两种电 导率不同的介质界面附近，通过激发不同的天线作为发射天线和接收天线，测量不同电磁 场分量信息。
[0021] (2)保持金属短节与界面距离不变，调整发射天线与接收天线之间的距离，测量不 同线圈距的信号幅度。
[0022] (3)保持线圈距不变，改变金属短节与界面的距离，测量距离不同界面距离情况下 信号幅度，并通过信号幅度大小反演金属短节与界面的距离，验证反演算法的正确性与可 靠性。
[0023] (4)将金属短节与旋转联动装置连接，带动金属短节转动，将一周分为N(N> 4)个 扇区进行采集计数，处理得到界面方位以及相对倾角等信息，并于实际模型对比，进行效果 分析。
[0024] (5)通过改变溶液介质的电导率，与空气介质构造出具有不同电导率差的界面模 型，试验不同电导率差情况下的信号幅度。
[0025] (6)调整基座高度差，实现金属短节与界面法线之间形成不同的夹角，模拟井眼的 相对入射角。采集