一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地球物理测井技术领域，特别涉及多个线圈系组成的一种测量地层垂 直电导率的阵列共面线圈系。
【背景技术】
[0002] 与常规感应测井方法不同，三分量感应测井仪由三个彼此相互垂直的发射和接收 线圈组成。最初设计思想是通过测量薄交互层的水平电导率和垂直电导率来获取砂岩和泥 岩电导率。实际上，由于直接测量到地层张量电导率，因此还可以获取地层的倾角和方位角 等丰富的信息。三分量阵列感应测井仪器的提出使人们更准确地认识井眼周围地层的三维 特性，既可用于直井，也可用于斜井和水平井。研究应用显示三分量感应测井仪在地层各向 异性方面的探测能力和应用前景。但是，三分量感应测井首先遇到的一个严重问题是：井 眼和泥浆侵入对仪器共面线圈系测井响应的影响比对其共轴线圈的影响要严重和复杂得 多，在导电性泥浆井眼中出现仪器偏心时尤其如此，针对这一问题，国外两大测井公司从不 同角度研制出不同仪器及相应的资料处理方法。
[0003] 2000年首次公开报道了由Baker Atlas和Shell公司联合研制的3DEX?仪器及其 配套的多频聚焦方法。该仪器采用不同心、相互正交布置的发射和接收线圈系，使用20~ 220kHz的10个频率，测量磁场张量的Hxx、Hyy、Hzz、H xy、Hxz共5个分量，2005年又推出了测 量磁场全部9个分量的新仪器3DEX-Elite?，既可以完成对各向异性的测量，又能够完成对 地层的倾角和方位角信息的测量，但在处理过程中会显著放大测量噪声，使得在高阻地层 中往往难于达到测井解释所需的精度要求。
[0004] 2003年，Schlumberger公司推出的三分量阵列感应测井仪Rt-Scanner采用阵 列感应仪器的设计理念，三个正交线圈共面，同轴，并且是延用阵列感应仪器结构，仪器长 20. 5英尺，由一组三轴正交发射线圈、三个沿z方向的短接收线圈和6组三轴正交的接收线 圈组成，使用2个频率（13kHz和26kHz)，提供234条测井曲线。该仪器在测量地层各向异 性、倾角及方位角等方面起到了很好的作用。它通过在线圈系之间布置金属电极来抑制井 眼中的电流，减少井眼影响，使水平磁偶极子的井眼影响降低到与垂直磁偶极子相同的水 平。在模拟井中实验表明，减少井眼效应的效果是非常明显的，但仪器结构复杂。
[0005] 国内三分量感应测井仪的研制是以国外的3DEX和Rt-Scanner为基础，2008年中 国海洋石油测井公司研究了三分量感应仪器的模型机，目前还没有看到相关的现场试验结 果。同年中国石油测井有限公司的三维感应测井仪器关键技术研究，目前正处于样机研发 阶段。2009年中国石油集团长城钻探工程有限公司肖加奇的研究团队进行三维感应测井仪 器的研制，其三轴正交线圈系采用分离缠绕的结构，该样机正在进行相关试验。该研究团队 的实用新型专利"三轴正交线圈系"，提供一种测量水平和垂直电导率的三轴正交线圈系的 绕制方法。2013年，中国海洋石油总公司孙向阳等人的实用新型专利"一种三分量感应测 井仪的线圈结构"，也是在现有三分量感应测井的1发2收子阵列的结构基础上，提供了一 种发射-接收线圈系可在仪器骨架上调节的线圈结构。
[0006] 上述所有仪器的共面线圈系子阵列均采用3个正交的发射、接收和屏蔽线圈组 成，为屏蔽直耦分量，线圈的缠绕方向与接收线圈的缠绕方向相反匝数小于接收线圈的匝 数。这种结构存在严重的井眼影响等问题，特别是在仪器偏心、泥浆电阻率低、侵入带电阻 率低、地层电阻率高等情况下，视电导率出现负值，不能反映地层信息。2014年，我们提出 了一种新的共面3线圈系子阵列结构，它由2个发射和1个接收线圈组成，3个线圈的缠绕 方向一致，2个发射线圈串联。8个子阵列组成阵列共面线圈系，测量垂直方向地层电导率。 这种结构较为有效的解决了上述问题，目前已经申请发明专利，处于发明公布阶段。但是这 种结构需要实现16个发射电路分时工作，电路结构复杂，对器件选择的一致性较高。
【发明内容】
[0007] 针对现有阵列共面线圈系测量信号存在的缺陷，本发明的目的是提出一种测量地 层垂直电导率的阵列共面线圈系，设计线圈系结构和发射电路控制，测量井眼周围不同深 度的丰富地层电阻率信息，通过对原共面线圈系结构的改进，减小趋肤效应影响和仪器附 近的负值影响，为后续的油气评价提供可靠保障。
[0008] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0009] 一种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，由缠绕在非导电骨架上的8个独立 的3线圈系子阵列组成，每个子阵列由1个发射线圈和2个同方向的接收线圈组成；2个接 收线圈分别为主接收线圈和副接收线圈；所有线圈的法向方向与X轴重合或平行，或者与y 轴重合或平行；副接收线圈位于发射线圈与主接收线圈的中间，且缠绕方向与发射线圈一 致。
[0010] 所述的1个发射线圈和2个同方向的接收线圈为一个子阵列，使用时位置布置采 用8个子阵列，需要16个接收线圈，16个接收线圈共用一个发射线圈，所有线圈采用内外 绕方式，同方向缠绕于非导电芯棒上，实现8个子阵列分别完成井眼周围地层电导率的测 量，主接收线圈间距分别为 〇· 15m、0. 225m、0. 3000m、0. 3750m、0. 5250m、0. 6750m、0. 9750m、 1. 8000m ;副接收线圈位于发射线圈和主接收线圈之间，间距分别为0. 075m、0. 1125m、 0. 15m、0. 1875m、0. 2625m、0. 3375m、0. 4875m、0. 9m。
[0011] 发射线圈产生的谐波倍频信息的三阶梯波小于7kHz，最低频7kHz满足常规电阻 率测量范围，多个频率有利于使用多频率趋肤效应校正方法。
[0012] 本发明的优点为：线圈系结构由缠绕在非导电骨架上的8个子阵列组成，每组子 阵列由1个发射线圈和2个同方向的接收线圈组成，线圈的法向方向与X轴重合或平行，或 者与y轴重合或平行。发射线圈施加正弦变化电流源，向井眼及周围地层媒质发射交变电 磁信号；在距发射线圈一定距离布置2个相同方向绕向的接收线圈，接收来自地层的感应 信号，其中副接收线圈位于发射线圈和主接收线圈的中间，缠绕方向与发射线圈一致。该共 面线圈系结构对研究各向异性地层的电阻率特性进而研究其评价方法具有实际意义。本发 明有效地解决了现有阵列共面线圈系存在的问题，与现有共面线圈系相比，新的阵列共面 线圈系增大接收信号；减小趋肤效应影响；负响应区域明显减少，井眼影响近似为线性影 响，可以利用基于数据库的井眼校正方法消除井眼影响。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的线圈系布置方式示意图。
[0014] 图2为对应图1的3线圈系子阵列结构示意图。
[0015] 图3为本发明的子阵列5的视电导率随副接收线圈匝数和间距变化的二维图。
[0016] 图4为子阵列5的原共面线圈系和本发明共面线圈系的一维（径向微分）几何因 子图。
[0017] 图5为本发明共面线圈系子阵列8取1K~20K的20个频率点时，视电导率随地 层电导率的变化曲线。
[0018] 图6为地层电导率为1. OS/m，工作频率7K时，原1发射2反向接收共面线圈系子 阵列5的二维响应函数。
[0019] 图7为地层电导率为1. OS/m，工作频率7K时，本发明1发射2同向接收共面线圈 系子阵列5的二维响应函数。
[0020] 图8为在均匀地层中，子阵列5的新共面线圈系、原共面线圈系和共轴线圈系三种 情况下视电导率解析解的对比图。
[0021] 图9为泥浆电导率为0. 01S/m~100S/m，地层电导率为0. 001S/m~10S/m时，本 发明的共面线圈系子阵列1、5、7、8的视电导率变化曲线。
[0022] 图10为本发明测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系井下仪器示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做详细叙述。
[0024] -种测量地层垂直电导率的阵列共面线圈系，其线圈系结构由缠绕在非导电骨架 上的8个子阵列组成，每组子阵列由1个发射线圈和2个同方向接收线圈组成，2个接收线 圈分别为主接收线圈和副接收线圈，所有线圈的法向方向与X轴重合或平行，或者与y轴重 合或平行，2个接收线圈缠绕方向相同，与发射线圈一致，副接收线圈位于发射线圈和主接 收线圈的中间。
[0025] 所述的1个发射线圈和2个接收线圈为1个子阵列，使用时位置布置采用8个子阵 列，需要16个接收线圈，16个接收线圈共用1个发射线圈，所有线圈采用内外绕的方式，同 方向缠绕于非导电芯棒上，发射电路控制向线圈系提供交变电磁信号，采用三频率（7kHz、 14kHz、28kHz)工作方式，实现8个子阵列分别完成井眼周围地层电导率的测量。主接收线 圈间距分别为 〇· 15m、0· 225m、0· 3000m、0. 3750m、0. 5250m、0. 6750m、0. 9750m、1. 8000m ;gij 接收线圈位于发射线圈和主接收线圈之间，间距分别为〇. 〇75