专利名称：一种三维感应测井仪器线圈系的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种三维感应测井仪器PCB的平板型(Rogowski)线圈系的设计方法。
背景技术：
在感应测井领域，三维感应测井仪器的关键部分是仪器的探头，对于阵列感应测井就是发射和接收线圈系的结构。线圈系结构设计的优劣表征仪器测量采集到地层信息的多少和质量。三维感应测井仪通过对接收线圈测得的3个互相垂直的磁场分量信息进行处理，可获得地层水平电阻率Rh和垂直电阻率Rv，还可得到各向异性地层模型的两种含水 (油)饱和度，以及地层倾角和仪器方位角等信息。三分量感应测井系统的线圈系结构包括 3个发射线圈(Tx、Ty、Tz)和3个接收线圈(Rx、Ry、Rz)。这3个发射线圈彼此垂直，并发射一定频率的交流电，3个接收线圈也相互垂直，并接收各个方向的地层信息，尤其是三维感应测井仪器线圈系结构设计，为了得到均勻的三维九个磁场分量，已经进行了大量的工作。主要有两种设计方法。一种是基于三个线圈沿轴向方向相互正交，但三线圈不在同一位置的设计方法，比如阿特拉斯公司发明的线圈系结构专利(US6900640B2)，另一种是基于三线圈设计在同一位置上组成的三正交线圈系结构，比如斯伦贝谢三分量感应测井仪器线圈系结构(US0184304A1)。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性版线圈结构设计的三维感应仪器探头参数，仪器探头用现在的印刷电路板设计三维感应测井仪器线圈系，实现三维感应仪器三个方向线圈的正交性，从感应特性响应机理出发，在保证三维感应传感器的接收线圈两端取的较大响应信号，以及影响响应信号参数，相互的关联程度，进行合理优化参数来设计三维感应线圈系得到响应信号最大，屏蔽抵消直耦信号到最小可实现方法。本发明所述的一种三维感应测井仪器线圈系的设计方法，该方法的设计步骤如下根据接收罗氏线圈是均勻密绕在一个聚酰胺塑料板上，线圈匝数为NR接收线圈的磁链为Φ (t) = μ Ql1 (t) NeS (1)式中，μ0 = 4 π X 10_7 (H/m)，当电流变化时，接收线圈的感应电动势V(t) = -— = -μ0ΝΞ ^^(2)
dt dt式中令M = PtlNS,可见M取决于线圈结构参数。感应电流I1U)由发射线圈通以交变电流产生磁场，空间感应出涡流I1U),在发射端，通以交变电流产生电磁场关系如下1.X轴方向上
Gm{x,y,z\ ,= 电场 Exx = O
ωμΜζ ^m ^ AkR3 E _- imMy ikR 12 Ant
2. Y轴方向上
+ ikR)电场+舰)
47ΓΚEyy = O (4)Eyz = i^e-{l + ikR)
AnRi 3. Z轴方向上
电场严
AnRi ωμΜχ AnRi ‘
-ikR I
+叫
ikR]
= 0式中，M = NtSt，k = 4ω2μ{ε + σ / ω)
⑶
(5) 最后计算三正交线圈在不同方向上相互垂直的发射端和接收端，在每一个发射接收间隔内测得一个3X3的张量电压矩阵G(x，y，ζ),,,· G(x,y,z\ t =
(6) 其中6(Χ，Υ，Ζ)Μ表示第j接受是来自第i发射的电压，这里的i和j是三维矩阵的角标。当电导率σ = 0时，k = 0，把它代入(3) (4) (5)通过(2)式得直耦电动#Gm(x，
1，ζ)
(i, j)由(6) (7)式建立发射线圈到接收线圈的响应关系误差函数为f^r) = |G(x, y, ζ)-Gm(χ, y, ζ) |(8)
图IXX线圈系整体结构设计，发射、接收、屏蔽线圈采用印制板式结构；图2单个PCB的平板型(Rogowski)线圈示意图；图3三分量阵列结构线圈设计流程图；图439in 72in阵列电导率与电压的响应关系图；图5两个39in 72in阵列径向积分几何因子图；图6两个39in 72in阵列径向微分几何因子具体实施例方式本发明的设计要求目标，测量信号工作频率13kHz/26kHz ；测量最小信号幅值 ^ IOOnv ；测量水平电阻率(0. 5-100ohm-m)，垂直电阻率(0. 5-100ohm-m)；在三分量阵列感应测井的线圈系设计中，如何使线圈系采集到足够的地层信息是线圈系结构设计首先考虑的问题。图1示意性的示出三分量感应测井仪器水平分量上三个正交线圈系仪器结构示意图。三个正交线圈系的合理布局，尤其是水平方向上线圈的设计。因为水平分量上的线圈紧贴套管壁，其井眼影响要比沿轴向分量严重。所以设计时必须考虑减小水平分量的井眼影响要小。图2示三分量感应测井仪器XX线圈系单个PCB的平板型(Rogowski)线圈示意图，在印制板双面板上均勻密布环状印刷线路，形成印制板式线圈，代替用导线绕制的传统罗氏线圈。在这种印刷线圈中，印制线路既充当传统罗氏线圈的小线匝的作用，还起着信号的耦合和传输作用。理论研究与实验表明，在不影响动态特性的前提下，可以用环状印刷线路代替传统线圈的绕线；将印刷线圈顺次串联，能有效提高接收线圈的信噪比。构建电路板式线圈，如图所示。表示将同样的两个印刷线圈顺次串联(简称顺串)示意图。图3示三分量线圈阵列为实例的具体实施流程框图，需要需要说明的是要按照上述理论进行计算出实际约束条件下线圈的响应信号值，再根据接收线圈响应和屏蔽线圈上的响应关系结合实际设计要求建立误差函数fi(r) = |G(x，y，Z)-Gm(x，y，Z) I其中，G(x， y，ζ)表示发射到接收线圈的响应Gm(χ，y，ζ)表示发射到屏蔽线圈的响应。使得所抵消直耦信号最小即miiKfJr)。具体实施步骤如下第一步，给定线圈初值尺寸大小(横向发射线圈的内边长为60mm内边宽为18mm， 接收线圈的内边长为3. 6m内边宽为5. 8mm)、阵列位置12in、15in、21in、27in、39in、72in， 线径0. 3mm，线间距0. 3mm等初始输入参数。第二步，经数值计算程序计算是否满足仪器设计原则即M =0-01
lRlB
若不满足则调整线圈匝数，线圈尺寸，重新计算M值。第三步，同时判断直耦信号= G(x,y,z)-Gffl(x,y,z)的min: f^ ( Γ )是否最小，接收线圈响应信号ma^Fjr) =G(χ, y, ζ)是否最大，若不是转回到初始参数，调整设计尺寸，若满足提供给工程设计。第四步，从工程角度出发，是否能够实现，若不能实现，再重新计算设计参数，对参数做一个微调，在此需要结合工程尺寸进行修正线圈参数。第五步，根据工程提供可实现参数进行反复计算微调参数，再一次计算响应信号。 最后，得到一组与工程能够实现的设计参数，为最终的设计线圈参数。图4示以39in/72in阵列为实例的线圈参数在地层电导率(0. 001 ls/m)地层电导率与电压信号基本成线性特性。仪器实际所能检测到的微弱信号在(S/m)10_6即纳伏级信号。但是希望探测地层电导率为0.01 (s/m)的地层信息，但是理论计算的结果为(10_6 ΙΟ"7)数量级，这样使得仪器实现达到设计技术指标。针对39in，72in长阵列XX印制板式线圈系整体结构设计，从理论计算分析可以知道，接收线圈的感应电动势，主要受发射线圈、接收线圈、屏蔽线圈的匝数，以及发射源电流的制约条件。为此我们在实际设计过程中必须权衡考虑理论与实际的可实现性的线圈参数。考虑发射线圈的参数，以及线圈设计结构，主要目的是增加线圈电感量和减小发射线圈内阻从而提高发射线圈的效率。进一步在发射线圈能够有效地把能量发射出去的同时，我们考虑接收线圈的参数，直到达到技术指标。屏蔽线圈的位置。理论上屏蔽线圈的目的是抑制直耦信号，实际上，除了抑制直耦信号外，还具有径向聚焦增加探测深度和纵向聚焦提高分辨率的作用。同时带来的不利后果是增大了井眼影响和侵入影响。因此，应考虑聚焦能力与不利后果之间的关系。优化后的线圈参数进行仿真分析所示39in72in两个线圈阵列的地层电导率与电压的响应关系图4所示。图5图6示主要针对设计的线圈参数39in 72in两个线圈阵列进行分析仪器的响应特性，包括一维特性39in 72in两个线圈子阵列的探测特性分析。从型子阵列一维响应函数具有如下特性。1.共面方向上径向微分响应函数，在井眼附近存在较大的趋肤响应影响；径向积分响应相比共轴径向积分响应其存在负贡献区域。2.纵向响应函数(纵向几何因子)具有如下特点(1)形状不光滑，不对称；(2)旁瓣衰减缓慢，具有很强的围岩效应影响；(3)主瓣中有一部分具有高分辨率信息；(4)共面方向上纵向几何因子在屏蔽线圈位置出现负峰。也就是说明井眼附近具有一个负贡献，并且随着线圈位置的不同贡献大小也不同。经过上述仿真分析在均勻地层我们分析一维几何因子，我们得到39in、72in阵列的纵向分辨率，以及径向探测深度。三分量子阵列的XX方向上探测响应特性(径向特性、纵向特性)例如在XX/YY方向径向特性探测深度39in 2. 34m,72in 4. 35m，径向特性最大值分别为0. 609,0. 340 (1/m)最大值位置分别在0. 751,1. 350 (m)纵向特性最大值分别为2. 117、 1. 556 (1/m)最大值位置分别在 0. 731、1. 475 (m)。
权利要求
1.一种三维感应测井仪器探头线圈系结构的设计方法，其特征在于本方法步骤如下1)根据三维感应电磁场原理，建立线圈坐标系，在直角坐标系下，建立线圈响应关系参数方程，使能对线圈参数进行形状调整；2)在三维发射和接收线圈之间增加三维屏蔽线圈，作为抵消直耦信号线圈；3)在线圈系结构选定约束条件；4)根据设计要求和约束条件，利用比奥_萨伐定理计算线圈系的场分布，建立发射线圈到接收线圈的响应关系，建立误差函数公式；5)建立优化问题，利用迭代法计算线圈参数；6)根据线圈参数来设计三维感应测井仪器探头。
2.根据权利要求1所述的三维感应测井仪器探头线圈系结构设计的方法，其特征在于建立线圈坐标系，在直角坐标系下，线圈有限大小以及形状的线圈参数。
3.根据权利要求1所述的三维感应测井仪器探头线圈系结构设计的方法，其特征在于在三维发射和接收线圈之间增加屏蔽线圈，基于三维正交，每个线圈系两两相互正交， 建立几组阵列结构的三维感应线圈系结构。
4.根据权利要求1所述的三维感应测井仪器探头线圈系结构设计的方法，其特征在于选定目标约束条件，根据最值理论，接收线圈响应信号最大，直耦信号最小；根据线圈的正交性，横向方向上的两个线圈是相互对应的，故约束目标函数取一个方向进行计算。
5.根据权利要求1所述的三维感应测井仪器探头线圈系结构设计的方法，其特征在于所述的根据设计要求和约束条件，利用比奥-萨伐定理计算线圈系的场分布，建立发射线圈到接收线圈的响应关系，建立误差函数公式；^(Γ) = |G(x,y, z)-Gm(x,y, ζ)(1)其中，G(x，y，z)表示发射到接收线圈的响应Gm(x，y，ζ)表示发射到屏蔽线圈的响应。
6.根据权利要求1所述的三维感应测井仪器探头线圈系结构的设计方法，其特征在于建立优化问题Hiinifi(T)(1)max Fi ( Γ ) = G (χ, y, ζ) (2)结合实际工程设计以及实际仪器结构限制计算最优线圈参数。
7.根据权利要求1所述的三维感应测井仪器探头线圈系结构的设计方法，其特征在于根据得到的三维感应线圈参数代入径向积分几何因子和纵向几何因子修正是否满足设计要求以保证仪器的一定探测范围。
8.根据权利要求1所述的三维感应测井仪器探头线圈系结构设计的方法，其特征在于根据得到的三维感应线圈参数设计仪器探头，即可得到整体阵列三维感应仪器探头。
全文摘要
本发明涉及一种三维感应测井仪器线圈设计方法；根据三维感应电磁场原理，建立线圈坐标系，在直角坐标系下，建立线圈响应关系参数方程，使能对线圈参数进行形状调整；在三维发射和接收线圈之间增加三维屏蔽线圈，作为抵消直耦信号线圈；在线圈系结构选定约束条件；根据设计要求和约束条件，利用比奥-萨伐定理计算线圈系的场分布，建立发射线圈到接收线圈的响应关系，建立误差函数公式；建立优化问题，利用迭代法计算线圈参数；根据线圈参数来设计三维感应测井仪器探头；本方法简单有效，实际优化过程包括仪器尺寸的限制，可以用于设计比较灵活的平板型(Rogowski)三维感应线圈系。
文档编号E21B49/00GK102400670SQ20101027447
公开日2012年4月4日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者储妮晟, 宋青山, 汤天知, 王丽蓉, 王水航, 白颜, 贺秋莉, 陈涛, 陈章龙 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团测井有限公司