一种随钻电阻率成像仪器实验模拟装置的制作方法

本发明涉及一种随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，用于测试优化和验证随钻电阻率成像仪器的实验装置，属于石油天然气勘探开发的实验设备技术领域。

背景技术

在石油天然气勘探开发过程中，随着大斜度井和水平井的钻井活动逐渐活跃，传统的电缆式测井方法已经不能满足现代测井的需求，继而发展出了随钻电阻率成像测井技术。随着技术的不断发展和改进，现在电阻率成像测井已经发展成为现代地层评价的一个基本工具，其通过记录井壁四周的电阻率变化可以提供非均质储层的地层产状及岩性特征，进行构造分析、裂缝分析及储层分析。如果再结合其它测井资料，还可以提供地层孔隙度，渗透率和油水饱和度等储层物性和含油性信息。

但是，虽然产业上有了各式各样的随钻电阻率成像仪，但是由于体积过于庞大且购置成本过高，难以直接应用于教育教学和科学实验中进行理论研究、工程验证和对设备的参数进行改进或者优选等，使得我国随钻测井设备的技术创新难以获得实质上的突破。故亟待设计一种能够在实验室中广泛使用的小型化的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置来进行科学研究。

技术实现要素：

本发明提供一种随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，以解决上述或者其他潜在技术问题。

根据本发明实施例，一种随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，包括：具有接地端的无磁不锈钢筒、电流发射绕组、电极、电流检测绕组、可变电阻、恒定电阻；所述无磁不锈钢筒靠近接地端的位置套设有电流发射绕组，以将所述无磁不锈钢筒分隔成接地端部分和远地端部分；所述无磁不锈钢筒用于与交流电源连接以在所述接地端部分和远地端部分产生电位差，从而沿着所述无磁不锈钢筒的轴线方向为所述无磁不锈钢筒供电；所述电极包括极柱以及固定在极柱顶端的极板，所述极柱固定在所述远地端部分，所述电流检测绕组套设在所述电极的极柱外，用于检测通过所述电极的电流；所述极板与所述接地端部分通过所述可变电阻连接；所述接地端部分与所述远地端部分还通过恒定电阻连接，且所述恒定电阻的阻值小于所述可变电阻的初始阻值的百分之一。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，所述无磁不锈钢筒包括：从内到外依次套设在一起的多层套筒，所述无磁不锈钢筒开设有贯穿所述多层套筒的电极安装槽，所述电极安装槽沿所述无磁不锈钢筒的轴线方向延伸；所述电极的极柱滑设在所述安装槽内，且所述电极的极柱外设置有弹性导电簧片；所述电极的极柱外套设有螺旋弹簧；所述弹性导电簧片以及所述螺旋弹簧位于所述电流检测绕组的下方。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，所述电流发射绕组包括：第一磁芯以及均匀绕满所述第一磁芯的多匝漆包铜箔。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，绕设在所述第一磁芯上的所述漆包铜箔的层数为单层，所述单层漆包铜箔完全覆盖住所述第一磁芯。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，所述电流检测绕组包括：第二磁芯以及均匀绕满所述第二磁芯的多匝漆包线。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，所述漆包线紧密绕设在所述第二磁芯上。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，紧密绕设在所述第二磁芯上的所述漆包线的层数为1至6层。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，所述第一磁芯和/或第二磁芯为环形的纳米晶合金钢芯。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，所述无磁不锈钢筒的侧壁上沿轴向开设有多个安装孔，所述电极可拆卸地安装在其中一个安装孔内。

如上所述的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，其中，所述电极和电流检测绕组封装在一绝缘外壳内，且所述极柱伸出所述绝缘外壳。

根据本发明实施例提供的技术方案，通过在无磁不锈钢筒上套设与交流电源连接的电流发射绕组，从而将该不锈钢筒分隔成了接地端部分和远地端部分；在远地端部分安装套设有电流检测绕组的电极，并将该电极通过可变电阻与接地端部分连接；同时远地端部分和接地端部分还通过恒定电阻连接，从而可以通过调节可变电阻的阻值来模拟现实环境下的电阻率测井数据，从而为后续制备或者改进应用于实际作业中的电阻率测井仪提供大量的参考数据。同时，本发明提供的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置的体积小、重量轻，在实验室对实际现场仪器的研发中的多项参数进行测试优化和验证会非常方便。

本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

通过参照附图的以下详细描述，本发明实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本发明的多个实施例进行说明，其中：

图1为本发明实施例提供的一种随钻电阻率成像仪器实验模拟装置的电路连接示意图；

图2为图1中随钻电阻率成像仪器实验模拟装置在去除电阻后的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种随钻电阻率成像仪器实验模拟装置的结构示意图；

图4为图3的局部剖视图；

图5为本发明实施例提供的第一种套设有电流接收绕组的电极的透视图；

图6为图5的剖视图；

图7为本发明实施例提供的第二种套设有电流接收绕组的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的第三种套设有电流接收绕组的结构示意图；

图9为使用图1中的实验用电阻率测井仪进行测井模拟时可变电阻的测定值与真实值的对比曲线图。

图中：

101、无磁不锈钢筒；101a、接地端部分；101b、远地端部分；

1011、安装孔；1012、电极安装槽；1013、套筒；

102、电流发射绕组；103、电极；1031、弹性导电簧片；

1032、螺旋弹簧；104、电流检测绕组；105、绝缘外壳；

106、交流电源；107、检测装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

应当理解的是，下面的实施例并不限制本发明所保护的方法中各步骤的执行顺序。本发明的方法的各个步骤在不相互矛盾的情况下能够以任意可能的顺序并且能够以循环的方式来执行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

图1为本实施例提供的一种随钻电阻率成像仪器实验模拟装置的电路连接示意图；图2为图1中的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置去除电阻后的结构示意图；图3为本实施例提供的另一种随钻电阻率成像仪器实验模拟装置的结构示意图；图4为图3的局部剖视图；图5为本实施例提供的第一种套设有电流发射绕组的电极的透视图；图6为图5的剖视图。

如图1至图6所示，本实施例提供的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，包括：无磁不锈钢筒101、电流发射绕组102、电极103、电流检测绕组104、可变电阻rm、恒定电阻rt。其中，无磁不锈钢筒101靠近接地端(图1中的左端)的位置套设有电流发射绕组102，从而将该无磁不锈钢筒101分隔成了接地端部分101a(图1中左侧的部分)和远地端部分101b(图1中右侧的部分)。该电流发射绕组用于与交流电源106连接，以在无磁不锈钢筒101的接地端部分101a和远地端部分101b产生电位差，从而沿着该无磁不锈钢筒101的轴向方向为该无磁不锈钢筒101供电。

电极103包括极柱以及固定在极柱顶端的极板。极柱固定在无磁不锈钢筒101的远地端部分101b，极板则通过一个可变电阻与无磁不锈钢筒的接地端部分101a连接。在电极的极柱外则套设有电流检测绕组，用于检测流过电极的电流。应当理解，为了使得极柱的连接和导电更可靠，可以将极板的横截面设置为大于极柱的横截面。例如，在一些可选的示例中，可以将电极制作成类似于伞状。

无磁不锈钢筒101的接地端部分101a和远地端部分101b还通过恒定电阻rt连接在一起，且该恒定电阻rt的阻值小于可变电阻rm的初始阻值的百分之一。

本实施例的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置，通过在无磁不锈钢筒101上套设与交流电源106连接的电流发射绕组102，从而将该无磁不锈钢筒101分隔成了接地端部分101a和远地端部分101b；在远地端部分101b安装套设有电流检测绕组104的电极103，并将该电极103通过可变电阻rm与接地端部分101a连接；同时远地端部分101b和接地端部分101a还通过恒定电阻rt连接，从而可以通过调节可变电阻rm的阻值来模拟现实环境下的电阻率测井数据，从而为后续制备或者改进应用于实际作业中的电阻率测井仪提供大量的参考数据。同时，本实施例的随钻电阻率成像仪器实验模拟装置的体积小、重量轻，在实验室对实际现场仪器的研发中的多项参数进行测试优化和验证会非常方便。

检测装置107电流检测绕组104具体的，无磁不锈钢筒101可以使用现有技术中任意合适的无磁金属材料制作而成，例如可以使用奥氏体型不锈钢(包括但不限于0cr18ni9、1cr18ni9ti等)和马氏型不锈钢(包括但不限于2cr13、3cr13、6cr13、7cr17等)。在制作时，可以使用前述无磁金属材料制成空心的圆柱形无磁不锈钢筒101。例如，使用奥氏体不锈钢制成直径为16.5cm的圆柱形不锈钢筒作为无磁不锈钢筒101。通过将无磁不锈钢筒101制作成空心的筒状结构，不仅可以减轻随钻电阻率成像仪器实验模拟装置的重量，方便其在实验室中移动，而且还可以降低成本。

可选地，无磁不锈钢筒可以为如图2所示的仅包括一层套筒1013，或者也可以如图3和图4所示的包括有从内到外依次套设在一起的多层套筒1013。例如，图3和图4中示出了内外共五层套筒1013套设在一起的情况。在装配时，内外相邻两层套筒1013之间填充有导电层，以便使得各层套筒1013之间具有良好的导电性能。通过设置套设在一起的多层套筒1013，可以改变无磁不锈钢筒的壁厚，以适应不同作业环境的作业井面，提高测试数据的普适性。

可选地，为了安装电极103，在一些示例中，可以如图2所示的在无磁不锈钢筒101的侧壁上沿轴向开设有多个安装孔1011，电极103的极柱可拆卸地安装在其中一个安装孔1011内。通过沿着轴向在无磁不锈钢筒101的侧壁上开设多个安装孔1011，在实验时，可以通过调整电极103的安装位置来调整电极103与电流发射绕组102之间的距离，从而模拟实际钻井环境中地层厚度的变化。

需要说明的是，在本实施例中，沿着轴向开设在无磁不锈钢筒101侧壁上的安装孔1011的数量和间距均可以按照实际需要进行设置。例如，可以设置2个安装孔1011；也可以等间距(比如相距10cm)设置3个或者3个以上的安装孔1011；还可以不等距的设置3个及3个以上的安装孔1011；或者也可以设置3个及3个以上的安装孔1011，其中一部分相邻的安装孔1011的间距相等，另一部分相邻的安装孔1011则不等距。

在另一些示例中，也可以如图3和图4所示的，沿着无磁不锈钢筒101的轴线方向开设贯穿该无磁不锈钢筒101的电极安装槽1012，电极103的极柱滑设在该电极安装槽1012内，从而可以连续调整电极103相对于电流发射绕组102的距离，以便得到连续性的数值。

继续参考图1至图4，电流发射绕组102包括：第一磁芯以及均匀绕满第一磁芯的多匝漆包铜箔。第一磁芯为环形磁芯，其可以使用诸如纳米晶合金在内的任意合适材料制作而成。可以理解，由于电流发射绕组102需要套设在无磁不锈钢筒101上，因此，该第一磁芯的内径应该与套设位置的无磁不锈钢筒101的外径相匹配。漆包铜箔只需要均匀绕满第一磁芯即可，其绕制层数和匝数可以根据实际需要进行设计。例如，可以在第一磁芯上绕制单层或者双层的漆包铜箔，同时，漆包铜箔的匝数可以通过调整漆包铜箔的宽度进行调整。在一些示例中，可以在第一磁芯上绕制一层、共计一百匝的漆包铜箔。但是，考虑到阻抗匹配对于实验用电阻率测井仪的影响，在本实施例中，绕制在第一磁芯上的漆包铜箔的层数和匝数应该尽可能小一些，以便提高电流发射绕组102阻抗与交流电源106输出阻抗的匹配度，从而提高实验用电阻率测井仪的测量精度。具体在匹配发射绕组阻抗与交流电源106输出阻抗时，可以通过调整漆包铜箔的宽度和漆包铜箔的层数来进行，本领域技术人员可以根据现有技术以及所需的输入输出比例来进行调整，在此不再赘述。

此外，在本实施例中，电流发射绕组102在无磁不锈钢筒101上的套设位置可以根据实际需要进行设计。例如，当使用直径为16.5cm的圆柱形筒状不锈钢筒作为无磁不锈钢筒101时，可以在该无磁不锈钢筒101整体长度的五分之一位置处套设上述电流绕组，当然，正如以上所述，该电流绕组靠近接地端。

在本实施例中，用于与电流发射绕组102连接的交流电源106可以是任意形式的交流电流系统，例如，在一些实施方式中可以采用信号发射电路作为交流电源106，以便为电流发射绕组102提供恒定电压激励。举例而言，信号发射电路板可以向电流发射绕组102提供频率为1khz，幅度为±20v的正弦信号，这样当电流发射绕组102为100匝时，就可以在无磁不锈钢筒101的左侧和右侧之间产生1khz，±200mv的稳定正弦电压。

请参考图5和图6，电流检测绕组104套设在电极103的极柱上，并用于与检测装置107连接，从而电流检测绕组104相对于极柱产生的感应电流就能够被检测装置107检测到，从而测出与极板连接的可变电阻rm的阻值。

具体来说，电流检测绕组104包括：第二磁芯以及均匀绕满该第二磁芯的多匝漆包线。类似于第一磁芯，第二磁芯也可以为环形磁芯，其同样可以使用诸如纳米晶合金在内的任意合适材料制作而成。容易理解，由于电流检测绕组104需要套设在极柱上，因此，该第二磁芯的内径应该与极柱的外径相匹配。漆包线，例如漆包铜线、漆包铝线等，只需要均匀绕满该第二磁芯即可，其绕制层数和匝数可以根据实际需要进行设计。例如，可以在第二磁芯上绕制1至6层的漆包线。可以理解，漆包线的匝数可以通过调整漆包线的层数进行调整。在一些示例中，可以在第二磁芯上绕制八百匝的漆包线。但是，考虑到阻抗匹配对于实验用电阻率测井仪的影响，在本实施例中，绕制在第二磁芯上的漆包线的匝数应该尽可能多一些，而考虑到极柱高度的限制，故漆包线可以在第二磁芯上绕制1至6层，以便提高电流检测绕组104的感应电流，从而提高实验用电阻率测井仪的测量精度。

此外，用于与电流检测绕组104连接的检测装置107可以是任意能够检测电流的装置，例如电流计或者电压计等。在一些可选的实施方式中可以采用包括有放大器在内的信号接收电路作为检测装置107。举例而言，放大器将电流检测绕组104中产生的电流放大以后输出。

还需要说明一点，本实施例的电流检测绕组104和电流发射绕组102分别使用了漆包线和漆包铜箔绕制而成，一方面是考虑到匝数对于测量精度的影响，一方面也是考虑到使用漆包线绕制电流检测绕组104时可以减少温度变化对于电流接收绕体积的影响，以便减少体积变化对于电感等参数的影响，进一步提高测量精度。

图7是本实施例提供的第二种套设有电流检测绕组的电极的结构示意图；图8为本实施例提供的第三种套设有电流检测绕组的电极的结构示意图。如图7所示，为了提高极柱与无磁不锈钢筒的导电性能，尤其是为了提高包括有多层套筒1013的无磁不锈钢筒的导电性能，可以在极柱的外面设置弹性导电簧片1031，以保证该极柱与每层套筒1013均具有良好的电接触。可选地，在极柱外还可以如图8所示的套设螺旋弹簧1032，从而通过螺旋弹簧1032的螺旋线来提高电极安装在无磁不锈钢筒上的稳定性，尤其是当开设有电机安装槽的多层无磁不锈钢筒的连接稳定性。此外，从图6和图7中可以看出，在装配时，电流检测绕组和弹性导电簧片1031或者螺旋弹簧1032分别位于极柱的上部和下部，也即是说，电流检测绕组套设在极柱靠近极板的部位，弹性导电簧片1031或者螺旋弹簧1032套设在极柱远离基板的部分。

继续参考图5、图6和图7，可选地，绝缘外壳105上述电极103和电流检测绕组104可以封装在一个绝缘外壳105内，且极柱伸出该绝缘外壳105，以便与无磁不锈钢筒101的侧壁固定。具体的，绝缘外壳105可以使用聚四氟乙烯塑料等绝缘材料制作而成，其外观形状在本实施例中不作具体限定，其可以与套设了电流检测绕组104后的电极103的形状相匹配。

继续参考图1，可变电阻rm，代表经电流发射绕组102的左端流经地层最终被电极103接收到的那部分电流所表征的地层阻抗，也即该可变电阻rm代表了地层方位电阻率的大小。该可变电阻rm可以是现有技术中使用的任意类型的可选择性地调整阻值的电阻，例如电阻箱。

恒定电阻rt，代表从电流发射绕组102左端通过地层最终又回流到无磁不锈钢筒101表面的那部分电流所表征的阻抗，也即其近似等效为侧向电阻率的大小。本领域技术人员应该理解，由于从电流发射绕组102左端通过地层最终回流到无磁不锈钢筒101表面的这一部分电流的回流路径在整个无磁不锈钢筒101侧向上均有分布，并且回流路径众多，总电流较大。故可变电阻rm的起始阻值应该远远大于恒定电阻rt，以便与具体使用环境相适配。例如，可变电阻rm的起始阻值可以为1kω，恒定电阻rt的阻值为10ω。

为了使本领域技术人员更好的理解本实施例的实验用电阻率测井仪，以下简要描述其工作过程：

假设电流发射绕组102的匝数为100匝，电流检测绕组104的匝数为800匝，可变电阻rm使用变阻箱。在实验时，通过信号发射电路板为电流发射绕组102提供恒定电压激励，设定发射信号频率为1khz，幅度为±20v的正弦信号。由于电流发射绕组102的线圈匝数为100匝，故理论上在电流发射绕组102左侧和右侧的无磁不锈钢筒101表面会产生1khz，±200mv的稳定正弦电压。调整电阻箱以改变可变电阻rm的阻值大小，也即改变方位电阻的大小，同时记录经检测装置107放大后的电流值。由于电流检测放大电路后输出为电压信号vout，与所测电流为线性关系，故用vout来表征所测电流im的大小，输出结果可以使用压力表或者压力传感器等进行测定并记录。＝a·im，a为电路放大倍数，单位为欧姆。

假设电流发射绕组102的匝数为100匝，电流检测绕组104的匝数为800匝，可变电阻rm使用变阻箱。在实验时，通过信号发射电路板为电流发射绕组102提供恒定电压激励，设定发射信号频率为1khz，幅度为±20v的正弦信号。由于电流发射绕组102的线圈匝数为100匝，故理论上在电流发射绕组102左侧和右侧的无磁不锈钢筒101表面会产生1khz，±200mv的稳定正弦电压。调整电阻箱以改变可变电阻rm的阻值大小，也即改变方位电阻的大小，同时记录经检测装置107放大后的电流值。由于电流检测放大电路后输出为电压信号vout，与所测电流为线性关系，故用vout来表征所测电流im的大小，输出结果可以使用压力表或者压力传感器等进行测定并记录。vout＝a·im，a为电路放大倍数，单位为欧姆。

图9为使用图1中的实验用电阻率测井仪进行测井模拟时可变电阻rm的测定值与真实值的对比曲线图。如图5所示，虽然当可变电阻rm达到上百千欧时，测量值与实际值逐渐偏离，但是由于检测装置107中的放大电路的测量精度所造成的；当可变电阻rm的阻值较小时，实际值与测量值基本重合，故通过本实施例提供的实验用电阻率测井仪完全可以满足在实验室中对于电阻率测井的理论研究、工程验证等工作。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施方式对本发明已经进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施方式技术方案的范围。