（信号与信息处理专业论文）感应测井井下仪器电路的研制.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 感应测井井下仪器电路的研制 篡荔盼k 陈琼( 签名)憋兰! 庞巨丰( 签名) 摘要 石油测井是利用现代信息技术手段来实现对于地球物理参数的精确测量，从而获取 井下地层特征信息，为石油勘探提供可靠的依据。测井中，地层电导率测量是测井解释 评价油气储藏的主要依据，感应测井是重要的地层电导率测量方法，在石油勘探丌发中 发挥着越来越重要的作用。 本论文在现有测井方法和理论的基础上，结合我国石油工业的实际，运用现代集成 电子技术、计算机技术和信号处理技术，设计了由发射电路、接收电路、a d 转换电路、 数据传输电路等部分组成的感应测井系统，并用c 语言编写相应程序完成数据采集、 传输等功能。采用微控制器a t 8 9 c 5 2 和a d c 芯片m a x l 9 7 构成的a , q 3 转换系统，完 成快速、准确的模数转换。应用基于r s 4 8 5 的串行通信实现远距离传输，减小信号在 传输、处理中的干扰。此外，在微软w i n d o w s 系统上采用v i s u a lc 抖6 0 开发数据采集 与处理软件，对测量数据进行计算、实时显示、存储等一系列处理。 经过硬件软件调试、系统联调和性能指标测试，完成了测控单元的感应电动势实时 监测和发射采集同步控制及数据传输等功能，实现了原定目标。 关键词：感应测井、数据采集、数据处理 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： d e v e l o p m e n to fi n d u c t i o nl o g g i n gi n s t r u m e n t s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g c h e nq i o n g ( s i g n a t u p a n gj u f e n g ( s i g n a t u a b s i r a c t t h ep e t r o l e u mw e l ll o g g i n go b t a i n st h ee x a c tm e a s u r i n gr e s u l to fg e o p h y s i c a l p a r a m o e r sb yt h em o d e mi n f o r m a t i o n a lt e c h n o l o g y , t h e ng e t st h ef e a t u r e so ft h ed o w n h o l d s t r a t u mb e i n gt h er e l i a b l eb a s i sf o rt h ee x p l o r a t i o n d u r i n gl o g g i n g ，m e a s u r i n gt h es t r a t u m c o n d u c t a n c ei st h em a i nb a s i sf o rt h ei n t e r p r e t a t i n ga n de v a l u a t i o nt h ep e t r o l e u ms t o r a g e t h e i n d u c t i o nl o g g i n gi sai m p o r t a n tm e t h o do ft h ec o n d u c t a n c el o g g i n g ，w h a tw i l lb r i n gi n t op l a y am o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e b a s i n go ne x i s t i n gl o g g i n gm e t h o d sa n dt h e o r e t i c s ，t h i st o p i cc o m b i n e sw i t ht h ef a c to f o u rc o u n t r y sp e t r o l e u mi n d u s t r y , u s e st h em o d e r ni n t e g r a t e de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，d e s i g n st h ei n d u c t i o nl o g g i n g s y s t e m ，w h i c hc o s i s t so ft h et h ee m i t t i n ge l e c t r i cc i r c u i t ，r e c e i v i n ge l e c t r i cc i r c u i t ，d a t a a c q u i s i t i o nc i r c u i t ，t h ed a t at r a n s m i s s i o nc i r c u i ta n ds oo n ，a n dc o m p i l e st h er i g h tp r o g r a mb y cl a n g u a g ef o r a c h i e v i n gt h e d a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n t h ea n a l o g - d i g i t a l c o n v e r s i o ns y s t e m ，w h i c hc o m p o s e so ft h em i c r o c o n t r o l l e ra t 8 9 c 5 2a n dt h ea d cm a x19 7 ， c o n v e r t st h e a n a l o g t ot h e d i g i t a lq u i c k l y a n da c c u r a t e l y t h er s 4 8 5 s e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o n a c c o m p l i s h e sd i s t a n c e t r a n s m i s s i o n ， m i n i s h e st h ei n t e r f e r e d u r i n g t r a n s m i s s i o na n dd i s p o s a l ，i m p r o v e st h ei n s t r u m e n t a ls t a b i l i t y w h i l ei t d e v e l o p sah o s t c o m p u t e rp r o c e s s i n gs o f t w a r eb ym e a n so fv i s u a lc + + 6 0o nt h em i c r o s o f tw i n d o w ss y s t e m ， w h i c hi n c l u d e st h e c o m p u t a t i o n ，d i s p l a y a n ds t o r a g et om e a s u r e dv a l u e ，a n dt h e h u m a n - m a c h i n er e c i p r o c a lc o n t a c ti n t e r f a c e b ym e a n so ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n g ，t h es y s t e m a t i ca s s o c i a t i o na n dt h e p e r f o r m a n c ei n d e xt e s t ，t h ef u n c t i o n s ，s u c ha s ，t h er e a l - t i m em o n i t o ri n c l u d i n gs y s t e m i n d u c t i o ne l e c t r o m o t i v ef o r c e ，t r a n s m i s s i o na n da c q u i s i t i o n s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o n s ，a r er e a l i z e d a n dt h u st h et o p i co r i g i n a lg o a li sa c h i e v e d k e yw o r d s ：i n d u c t i o nl o g g i n g ，t h ed a t aa c q u i s i t i o n ，t h ed a t ap r o c e s s i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y l l l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：! j 暨必! 日期： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：低靖、 导师签名： 日期：力孵莎幻 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 石油测井技术是获取油气储层信息、降低采油风险和提高石油产量的重要手段【l j 。 常用的测井方法有根据地层电学性质和电化学性质的电法测井，有根据地层声学性质的 声波测井和地层核物理性质的放射性测井，它们通过研究地层中的电、声、磁特性达到 测井的目的。随着测井技术的发展，在传统测井方法的基础上，又推出了一些新型声波 测井、感应测井、核磁共振测井等方法。应用这一系列的测井方法、设备，为录取丰富 的地下地质信息提供了保障。感应测井是重要的地层电导率测量方法【2 1 ，在石油勘探开 发中发挥着越来越重要的作用。 1 1 感应测井技术的发展与现状 感应测井是利用电磁感应原理测量、评价储层含油气性质的主要电测井方法。 1 1 1 感应测井技术的发展状况 感应测井技术的发展过程大致可分为三个阶段：一是从1 9 5 0 年到1 9 8 0 年，二是从 1 9 8 1 年到上世纪末，三是上世纪末到本世纪初。 第一阶段【3 】主要是感应测井理论的提出与实现的过程，建立了比较完整的感应测井 理论体系，为感应测井技术的发展打下了良好的基础，研制并装备了以双感应为主流产 品的测井仪器，其特点是：没有利用虚部信号，即没有对其在低电导率地层或高电导率 地层中所体现出的特性加以利用；仪器的工作频率是单一的，对趋肤效应的研究还不够 深入；仪器的分辨率和探测性能也不够理想。 第二阶段【4 】是从1 9 8 1 年到上世纪末，这段时间的主要成果体现在以下四个方面： ( 1 ) 摆脱了以前将虚部信号完全丢弃的方法，而是同时利用实部与虚部信号对地 层特性进行更为有效的识别，代表性的仪器如斯仑贝谢公司于1 9 8 3 年推出的相量式双 感应测井仪( p h a s o rd u a li n d u c t i o nt o o l ，p d i l ) ，阿特拉斯公司于1 9 9 0 年推出的双相 位感应测井仪器( d u a lp h a s ei n d u c t i o nl o g ，d p i l ) 。 ( 2 ) 致力于提高仪器的纵向分辨能力，在感应与侧向测井的组合方式上提出了数 字球形聚焦的概念，并将侧向测井与感应测井进行了合理的组合，感应测井的线圈系芯 棒直接安装在电极系套筒的内部，对减小仪器的轴向长度起到了良好的效果，其典型的 产品是1 9 9 2 年哈里伯顿( h a l l i b u r t o n ) 公司推出的高分辨率感应测井仪器( h i g h r e s o l u t i o ni n d u c t i o n ，h r i ) 。 ( 3 ) 研制成功了具有多频多分辨率的阵列感应测井仪器，早期的产品如1 9 8 3 年 b p b 测井服务公司的阵列感应测井仪( a r r a yi n d u c t i o ns o n d e ，a i s ) ，该仪器具有一个 发射线圈和四个接收线圈，线圈系的设计没有采用硬件聚焦，而是通过软件聚焦实现的， 即通过计算机软件处理来获得地层的电性参数。到2 0 世纪9 0 年代，斯仑贝谢公司和阿 特拉斯公司也分别研制成功了自己的阵列感应测井仪器，其中斯仑贝谢公司的阵列感应 两安石油人学硕f ：学位论文 测井仪器( a r r a yi n d u c t i o nt o o l ，a i t ) 有一个发射线圈，八组接收线圈，采用三种工 作频率同时测量实部和虚部信号，选择性地利用其中的2 8 个信号，通过软件聚焦合成 具有三个纵向分辨率、五个径向探测深度的仪器响应。1 9 9 6 年阿特拉斯公司正式公布 了高确定性阵列感应测井仪器( h i g hd e f i n i t i o ni n d u c t i o nl o g ，h d i l ) 和应用效果【5 】f 6 】， 其采用一个发射线圈，七组接收线圈，八种工作频率，同时测量实部和虚部信号，可以 提供1 1 2 条阵列感应测井曲线，通过软件聚焦合成具有三个纵向分辨率、六个径向探测 深度的仪器响应。 ( 4 ) 利用相位差确定地层电阻率的感应测井仪器。这种仪器是由俄罗斯研制的， 也称为等参数测井仪( v i k i z ) ，该仪器仍是利用电磁感应原理探测地层电阻率的，但 在实现方法上主要是利用五种不同频率和不同几何尺寸的线圈系所组成的五组接收线 圈所接收信号的相位差来确定地层的电阻率。 测井技术发展的第二阶段是从2 0 世纪末到本世纪初，这段时间虽然比较短，但在 感应测井的方法和思路方面却有了重大的创新和突破，尽管有些技术和方法还没达到成 熟的程度，但其前景非常乐观。这一阶段的重大创新性研究主要体现在针对各向异性介 质的测井理论和测井方法方面，主要采用了基于三维结构的线圈系，即线圈系的轴线不 再是全部与井轴平行，这种结构方面的变化带来了测井技术实质性的变革，摆脱了几十 年来基于均匀无限大地层的假设理论，着眼于通过张量型电导率的测量来分析地层的真 实特性，在这种思想指导下的环境效应校正和解释理论也是一种全新的理论。 1 1 2 感应测井仪器的国内外现状 自1 9 6 2 年第一台双感应测井仪器问世以来，经过几十年的发展，感应测井技术得 到了长足的发展。尤其是近年来，随着电子技术、计算机技术及高性能集成电路技术的 发展，出现了一些新的感应测井仪器，同时也提出了一些感应测井的新体制和新方法， 这些新的思想有可能是未来感应测井技术的发展方向。当前国外的测井公司都在进行阵 列感应测井仪和成像测井仪方面的研究，相关产品如下： ( 1 ) h a l l i b u r t o n 测井公司推出的高分辨率感应测井仪( h r i ) 【7 】。它利用无盲频率 的响应函数可以提高分辨率的思想，采用了一种特殊的对称线圈阵列，信号数字化以后 传到地面，用地面的软件实现分辨率提高。实际上，h r i 的线圈系仍然是一种聚焦线圈 系，只能提供一维的测量信号，其信号处理不能有效的消除二维的环境影响。该仪器采 用特殊的对称聚焦线圈系和信号处理方法，同时测量实部和虚部信号。深、中感应共用 一个接收线圈，各自有两个不同距离的发射线圈，分别对称布置在两侧。发射与接收之 间有一屏蔽线圈，它具有既屏蔽直耦信号又控制仪器纵向分辨率的作用。线圈系的布置 保证仪器的纵向响应函数的空间频域响应没有盲频率，以便用地面信号处理消除围岩效 应的影响和改善分辨率。其信号处理方法与相量感应测井不同，由于测量信号的虚部分 量在高电阻率地层中测量不准，因而采用分段信号处理技术。在低电阻率时，直接用虚 2 第一章绪论 部分量进行趋肤效应校正；在高电阻率时，从实部信号中提取虚部分量来实现趋肤效应 校正；在高低电阻率之间设计一平滑过渡函数来兼顾。用标准简单模型的模拟与处理来 设计幅度放大和形状变换滤波器，避免了用不精确响应函数设计滤波器中的问题。但是， 由于数值模拟的地层是模型无限的，不可能兼顾所有的地层。高分辨率感应测井仪器 h r i 比传统感应测井仪器有更深的探测深度( 深为2 3m ，中为1 6m ) 和更高的分辨率( 0 6 m ) ，主要用于薄地层测量。 ( 2 ) b p b 公司推出的阵列感应测井仪器( a i s ) 。该仪器的线圈系由一个发射和四 个单侧布置的接收线圈组成，主接受线圈的间距来源于传统的双感应测井线圈系间距， 采用单频率工作方式，所有接收信号数字化后传送到地面，由地面计算机进行处理。最 初的想法是合成传统双感应测井曲线，后来发现这种方法还可以提供比传统双感应测井 更多的信息，得到不同探测深度的多条曲线。响应函数的纵向和径向特性用最优化技术 分别达到最优。实际上，径向特性和纵向特性分别达到最优是有问题的，他们的二维特 性并不一定最优。 ( 3 ) 斯伦贝谢公司的阵列感应成像测井仪器a i t t s 。a i t 的设计思想可以追溯到 1 9 5 9 年p o u p o n 的思想，使用几个简单的线圈系分别测量，然后将测量合成为具有改善 特性的曲线。最初的仪器由一个主发射和上下非对称布置的8 个接收线圈组成。1 9 9 0 年h u n k a 等人发表了a i t - b 型阵列感应测井仪器【9 1 。a i t - b 使用三种工作频率( 2 6 、5 3 和1 0 5 k h z ) ，根据主线圈间距的大小来选择子阵列的工作频率，同时测量实部和虚部信 号，用地面数值聚焦软件合成5 条不同探测深度( o 2 5 4 、0 5 0 8 、0 7 6 2 、1 5 2 4 和2 2 8 6m ) 的三组分辨率( o 3 、0 6 和1 2m ) 曲线。由于a i t 提供了大量测井数据，有可能进行径向 电阻率成像；定义了新的侵入分析参数；与孔隙度测井相结合，可进行二维含水饱合度 成像。1 9 9 2 年a i t 开始商业使用。由于实际测井中经常遇到测井不匀速、遇卡和仪器 组合长等问题，不同频率趋肤效应影响不一样。1 9 9 5 年b a r b e r 等人发表了井场使用最 优的新一代阵列感应测井仪器a i t - h 【l0 1 ，该仪器仍保留5 种探测深度的3 组分辨率曲线： 接收线圈系布置由双侧改为单侧使仪器长度小于5m ，以适应仪器组合的需要，减小鼠 洞的深度；频率减少为一个( 2 6k h z ) ，避免各接收线圈系频率不一致的影响；用加速度 计测量仪器的测井速度以校正测井不匀速问题；串接球型电极测量泥浆电阻率和井径仪 测量井径，准确自适应井眼校正；具有测井遇卡处理功能；考虑了虚部分量测量精度低 和在含有铁磁矿地层中虚部分量异常的影响问题，给出了a i t 的适应范围。在非常咸 的泥浆井、大井眼及大地层电阻率对比度井仍用侧向测井比较合适。 ( 4 ) 到了2 0 0 0 年，哈里伯顿又推出了一种新型的阵列感应测井仪器一高分辨率 阵列感应测井仪。该仪器的线圈系以原高分辨率双感应仪器为基础，由四线圈系组成， 中间为主发射线圈，上下各布置5 个接收线圈。两个工作频率，同时测量实部和虚部信 号。 “ 测井仪器的一个发展趋势是随钻测井【1 1 1 。因为随钻测井与钻井同步进行，节省了时 3 两安石油大学硕卜学位论文 间、人力和物力，因此具有重要的研究意义。但由于目前的随钻测井都以泥浆作为传输 介质，速度慢，效率也不高，故没有达到广泛的应用。如果能够较好的解决传输问题， 则无疑会对测井仪器的发展起到很大的推动作用。 测井仪器的另外一个发展趋势就是一些先进测井公司提出的基于各向异性介质的 三分量感应测井仪【l2 1 。该仪器的设计思想彻底摆脱了传统的感应测井方法，对电阻率的 测量不再是针对无限大均匀地层的一维标量型平均电阻率的测量，而是针对各向异性地 层的一种三维张量型电阻率的测量。 我国测井技术的实际应用始于1 9 3 9 年【1 3 】，比法国人晚了1 2 年。经过几十年的发展， 我国己建立了一大批测井科学技术机构，同时也培养了一大批测井技术人才，储备了比 较雄厚的技术力量。我们能够独立地进行测井方法、测井仪器以及数据处理方面的研究， 但我国测井仪器与国外三大公司相比还较为落后。另一方面，国内外研制的测井仪器大 多数是模拟仪器，即用模拟信号表征地层的特性，由于井深达几千米，模拟信号经传输 后，受导线的分布电阻、电容和电感的影响，会出现严重失真，影响测井解释和测井评 价。所以我们要积极发展、积极探索新技术，尽快实现我国测井仪器的数字化，缩短我 国测井技术与国际测井技术的差距；同时也要从现代技术发展的角度和高度出发，以信 息化对现有技术进行多方位的优化与升级。利用当代信息技术的发展，优化电路，使仪 器的测量精度、分辨率及结构得到明显改善：对同一类型的仪器方法进行组合，实现一 种仪器多种探测功能。同时进一步优化探测性能、提高作业效率、降低生产成本、提高 经济效益，达到对常规下井仪器的升级、换型和换代。在这种情况下，我们提出了改进 传统双感应测井仪器，使其进一步优化和改进，以满足测井技术日益发展的需要。 1 2 感应测井仪研究背景、目的及意义 石油是工业发展的主要能源和原材料，是国家重要的战略资源，如何更高效的实现 对于油气资源的勘探开发在国民经济的发展中占有重要的意义。石油测井就是利用现代 信息技术手段来实现对于地球物理参数的精确测量，用以获取井下地层特征信息，为石 油勘探提供可靠的依据。 测井中，地层电导率测量是测井解释评价油气储藏的主要依据，感应测井是重要的 地层电导率测量方法。感应测井诞生于5 0 年代初，它能够在井内泥浆不导电的情况下 使用，在一般的水基泥浆井中，感应测井也表现出一系列的优越性，例如，受邻层影响 小，对低电阻反应灵敏等，所以在区分低阻油水层和油水过渡带方面，能发挥很大的作 用。传统双感应测井仪是国内最常用的感应测井仪之一，在国内占有9 0 左右的市场。 它是一种深感应与中感应组合的感应测井仪器，可以同时测量深、中两条探测深度曲线， 在实际测井中具有良好的性能。但其在使用过程中也存在着一些问题，如地层电导率小 于0 0 l 西门子每米时，由于地层信号小，测量误差大；数字化程度低，井下信号传输 及处理都是模拟体制，噪声影响大，不能满足小信号测量要求等。这些问题影响了仪器 4 第一章绪论 的测量范围，不能满足测并发展的需要。 随着石油工业的发展，测井的重要性逐渐增强，测井分析家希望能够提供地层的丰 富信息，使仪器具有更强的适应能力。为了解决和改善这些问题，提出了感应测井仪数 字化的思想，提高其数字化程度及测量精度，增强抗干扰能力，以满足日益发展的测井 技术的需要。理论研究和实际测井的发展以及其它领域成熟的高科技，为传统仪器的改 进提供了条件。 本课题是在现有测井方法和理论的基础上，结合我国石油工业的实际，应用电子技 术以及计算机技术，减小信号在传输、处理中的干扰，简化仪器的电路结构，减小体积， 增加仪器的可靠性。其研究成果具有重要的实际意义和应用前景。 1 3 工作的构思和主要工作任务 本文针对传统感应测井仪器存在的缺点，对其部分电路进行改进，以适应测井技术 日益发展的需要。论文的主要工作包括以下几个方面： 1 感应测井理论研究。深刻理解感应测井理论，分析国内外感应测井仪器的现状， 并评价其优缺点。在分析的基础上提出改进传统仪器的设计思路、方案设计及实现的途 径。 2 设计感应测井仪的电路。包括发射电路、前置放大电路、测量放大电路、参考 信号放大电路、相敏检波电路、d 转换电路、传输电路等部分。 3 感应测井仪地面系统数据采集和处理软件的设计和编制。包括：感应测井电导 率曲线随深度的实时动态显示，相关测井数据的输出显示、串口通信的编程。 西安石油人学硕士学位论文 第二章感应测井基本理论研究 2 1 感应测井基本原理 感应测井是利用电磁感应原理测量地层电导率的测井方法【m 】。图2 一l 是感应测井 原理图。最简单的感应测井是双线圈系感应测井，多线圈系感应测井以双线圈系感应测 井为基础。双线圈系感应测井模型是两个相隔一定间距的线圈，一个是发射线圈，另一 个是接收线圈。在井内，若给发射线圈通以稳定的交变电流，那么交变电流在井眼周围 将产生交变电磁场( 称一次电磁场) ，同时，交变电磁场在导电地层中感应出环型涡流， 该涡流所建立的二次交变电磁场将在接收线圈内产牛感牛电动势。由于涡流的大小是地 层的电导率的函数，所以它在接收线圈感应的电动势也是周围地层电导率的函数。通过 适当的信号处理，将测量电压转换为地层电导率，这就是感应测井的基本原理。 图2 一l 慰应测并原理示意图 2 1 1 无限均匀介质中感应测井的传播理论 在无限均匀介质中，同轴地放置一个发射线圈，和一个接收线圈足，设：介质的电 导率为仃、介电常数为、磁导率p ；发射线圈和接收线圈半径分别为a r 、a 凡，线圈 的匝数分别为坼、w e ；发射线圈与接收线圈之间的间距为l 。如果在发射线圈中通以 正弦稳态电流，r = i os i n ，当仃 ，即可认为空间介质为导电介质，可忽略介质 极化的影响。这时描述介质中电磁场的m a x w e l l 方程为： vxh = j 7 + a e( 2 一1 ) v x 云= 一i ( o # t ( 2 - - 2 ) v 疗：0( 2 3 ) v 丘= 0( 2 4 ) 6 二诜感应 第二章感应测井基本理论研究 式( 2 4 ) 中，疗为介质空间中的磁场强度矢量；豆为介质空间中的电场强度矢量：五 为发射线圈中的电流密度矢量。将( 2 2 ) 代入( 2 一1 ) ，得到关于云的方程： 考虑到( 2 4 ) 以及 式( 2 5 ) 可改写为： 式( 2 7 ) 中， v x v e = 一f 吐) 7 一i t o z c r e v x v x 云= v ( v 云) 一v 2 云 ( v 2 + 七2 ) 云= ，诟 k 2 = 一i o j l l t y ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式( 2 - - 7 ) 为非齐次亥姆霍兹方程，它是在电流源了，激发时，介质空间中电场矢量云所 满足的波动方程，k 为复波数。 由数理方程知识知道，波动方程( 2 - - 7 ) 的解为推迟解( 省略p 倒因子) ： b 等睁( 2 - - 9 ) 式中，为场点到源点的距离，矿发射电流源的体积。在忽略线圈高度的条件下，可 把发射线圈看成只有一匝，相应视发射电流为n r ，r ，于是( 2 - - 9 ) 相应变为： 雷：一盟拦勤( 2 - - 1 0 ) 4 万j 寇 式( 2 一1 0 ) 中的回线积分沿发射线圈一周进行。 以发射线圈的中点为原点，以r 和r 的轴线为z 轴建立柱坐标系【，缈，z 】令场点尸 到坐标系原点的距离为r 。，场点到发射线圈任意一点q 的距离为爿，并让场点落在 妒= 0 的坐标平面内( 不失去一般性) ，设发射线圈上的考察点的坐标为( a t9 ，0 ) ，见 图2 - - 2 。当满足唧“r i 时，容易得到： 胄：一( r 卜2 ，口7 c o s t p ) 2 ( 2 一i i ) 7 两安石油大学硕七学位论文 图2 - - 2 场点p 到发射线圈的坐标图 同时，发射源的对称性使雷只具有垆方向的分量乞，积分结果为： 一等竽p “枷t ) ( 2 - - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，s r = 翮；，为发射线圈面积。式( 2 1 2 ) 是在对发射线圈的尺寸做了 一定限制条件下得到的波动方程式( 2 7 ) 的解的表达式。 如果把复波数k 写成k = 口一i b 口：b ：( 堂) ( 2 一1 3 ) z 式( 2 1 2 ) 可进一步写为： 一篙筹e - b & e - 口马( 1 + i k r ) ( 2 - - 1 4 ) 当导电介质中电磁波速度的下降，在感应测井范围( 0 2 3 m ) 内，介质中各场点乞 的相位存在明显差别：即使对同一场点，当介质的电导率不同，因传播原因而产生的附 加相移口也不尽相同。 电场强度振幅i l 将随场点远离坐标原点( 即远离发射线圈) 而迅速下降。导电介 质在电磁波的作用下会产生涡流，介质空间中任意一点的涡流密度 jp=观p(2-15) 在无限均匀介质中，电导率仃是常数，空间各点的涡流密度取决于该点的电场强度 玩。由电场强度的衰减规律知道，导电介质空间中的涡流将密集于发射线圈附近( 较 小) 的区域，这就是所谓的趋肤效应。 相移和衰减都是电磁波在导电介质中的传播过程中产生。如果空间介质中存在界面 时，乜还会受到界面反射和折射的影响。在感应测井中，把上述影响统称为传播效应。 8 第二章感应测井基本理论研究 - _ 一 感应测井的测量信号接收线圈中的感应电动势为： = n r 气e 9 棚( 2 - - 1 6 ) 式中，环路积分沿接收线圈一周进行。把，= a r ；r 。= 三连同式( 2 一1 2 ) 一起代入式( 2 1 6 ) ，积分得： g = 占。p 眦( 1 + i k l ) ( 2 - - 1 7 ) 式( 2 - - 1 7 ) 中， 。一i 6 0 i s r n r s 7 n 7 1 7 一j 俨 ( 2 一1 8 ) 5舟=翮二(2-19) 占，为发射线圈对接收线圈产生的互感电动势，与空间介质的导电性质无关，s 。的相位 比发射电流i r 落后n 2 。 令 则 式( 2 1 7 ) 可表示为 p = 再l 彪= p o - i ) g = e m e p e 一俨( 1 + 尸+ 护) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 称p 为传播因子，在感应测井中p 是一个重要的特征量，它反映了由发射线圈激发的电 磁波经导电介质传播到接收线圈位置所产生的相位移动和幅度衰减。当尸 1 时，利用 展开式 p p = + 鲁+ 鲁+ 等3 + + 等+ c 2 2 3 ) 1 1 2 11行! 。 。 式( 2 - - 2 2 ) 改写为 =r+l(2-24) 式( 2 - 2 4 ) 中， s 足一( p 2 + 2 3p 3 + 素尸) ( 2 - - 2 5 ) s ，= s ，o - 詈p 3 + 三i ，一舌尸5 + 一) ( 2 - - 2 6 ) 1 s ，= s ， p 3 + i ，一毒尸5 + ) jz) 这样，接收线圈中产生的感应电动势被表示为两个分量的合成，其中g ：的相位比发射 电流，r 落后万，s ，比，落后万2 。 9 两安石油大学硕l ：学位论文 讨论： i一 ( 1 ) 当尸 l ，即l ，二。这时的线圈距三远小于电磁波长，属于近场情况。 v a ，u y 可采用( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 的一级近似表达，即 g 月= - i e ，p 2 ( 2 2 7 ) e ，= g 。 ( 2 2 8 ) 于是，e r o o g ，而，与仃无关。习惯上称s 冠为感应测井的有用信号，s ，为无用信号。 若令 占r=ktr(2-29) 式( 2 2 9 ) 中， k = s ，丁( o j l 2 ( 2 - - 3 0 ) 这里的k 与介质的电导率无关，成为仪器常数。于是得到在近场情况计算空间介质电导 率的公式 盯= s 。k ( 2 3 1 ) ( 2 ) p l 但不满足p l ，即线圈距三小于电磁波长，称为中场情况，感应测井 的实际测量条件基本上都属于这种情况。选式( 2 2 5 ) 的二级近似来表示有用信号， 即 只= 一i e ，( 尸2 + 尸3 ) ( 2 - - 3 2 ) j 这样，s r 与仃不再具有线性关系，显然这时传播效应的结果。我们仍采用式( 2 3 1 ) 的形式，可得 仃。= s r k ( 2 3 3 ) 称仃。为均匀介质的视电导率，将式( 2 - - 3 2 ) 代入式( 2 - - 3 3 ) 得到介质真电导率表达 式： 吲l 一秒咖( 1 一引半) l 仃： ( 2 - 3 4 ) 式( 2 - - 3 4 ) 并不是求仃的显式，但可采用牛顿迭代方法来计算。当由式( 2 - - 3 3 ) 算得 盯：后，式( 2 - - 3 4 ) 右边的仃的处置可用o ：来代替。通常这种迭代运算收敛很快，迭代 一、二次就能满足测井精度要求。 2 1 2 感应测并的几何因子理论 几何因子理论是研究感应测井问题的一种近似理论，与传播理论相比，几何因子理 论更适合于在柱状分层介质、甚至柱状分层和水平分层兼有的介质条件下讨论感应测井 问题，并且结果明确，物理图像鲜明。对感应测井仪器中线圈系的设计和感应测井信号 1 0 第一章感应测井基本理论研究 的校正处理都具有指导恿义。 几何因子理论的基本假设是感应电流见没有互相作用。这个假设在感应测井问题中 的含义是：介质空间中的电磁场是在令介质的电导率等于零的条件下由发射线圈中流过 的发射电流激发产生的，并称它为一次场，电场强度用云表示。一次场确定后，再考 虑介质实际存在的导电性，并由丘和仃确定介质空间存在的感应电流( 涡流) ，由涡流 激发的电磁场称为二次场，二次场的电场强度用丘表示。二次场对空间介质中一次场豆 的影响不加考虑，只考虑对接收线圈产生作用，而且在计算接收线圈处的云，时同样认 为电磁波经历的空间介质的电导率等于零。 在上述假设下，一次场方程 v 2 云= f 面r ( 2 3 5 ) 式( 2 3 5 ) 中，五为发射电流密度。二次场方程v 2 豆2 = i 国d , o ( 2 3 6 ) l = 面 ( 2 3 7 ) 式( 2 - - 3 6 ) 中，l 为导电介质中的涡流密度。 接收线圈处的电场强度 矗= 云。+ 雷： ( 2 3 8 ) 由于发射电流和空间介质分布都具有轴对称性，五、云。和云：都只存在妒方向的分 量，所以以上各式均可写为标量方程： 一次场方程v 2 e i = f 叫以( 2 - - 3 9 ) 二次场方程v 2 易= i t o p j 。( 2 - - 4 0 ) ，一= 以 ( 2 4 1 ) ，2o 也i l z 一4j 接收线圈处的电场强度 局= 巨+ e ： ( 2 4 2 ) 从物理上看，当空间介质中仅存在一个与线圈系同轴的单元环导电介质、且单元环 截面积幽寸0 时，几何因子理论的假设是成立的。所以单元环是研究感应测井几何因 子理论的重要模型。图2 3 给出了空间存在一导电单元环时一次场和二次场的相互关 系。 西安石油大学硕士学位论文 e l 图2 - - 3 一次场和二次场相互关系示意图 在对一次场电场强度，即泊松方程( 2 - - 3 9 ) 求解，积分、整理后，得到一次场在 线圈中产生的感应电动势，即互感电动势为 ，= 占，= 虬把讲= 一i c o p s l r n r r s r n r l r ( 2 - - 4 3 ) 式( 2 - - 4 3 ) 中s 足、分别为接收线圈的面积和匝数。 昌、m 分别为发射线圈的面积和匝数； 工发射线圈与接收线圈之间的间距： 一，s ，的相位比发射电流的相位落后n 2 。 式( 2 - - 4 3 ) 的结果与式( 2 1 8 ) 结果完全一样。 在对二次场电场强度，即泊松方程( 2 - - 4 0 ) 求解，积分、整理后，得到二次场在 线圈中产生的感应电动势为 2 = n r q e 2 d l = 2 埘j r n r 易 = 一华h 2 南砒 4 7 也 工m 山 r 批； = k r 仃( ，z 堙( ，z ) d r d z ( 2 4 4 ) 1 2 第二章感应测井基本理论研究 式( 2 4 4 ) 中， 足= 一c 0 2 # 2 n i r n 云r s r s r i l r 3 g 2 蕊可 ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) 称k 为仪器常数，式( 2 4 5 ) 与式( 2 - - 3 0 ) 完全一致；g ( r ，z ) 为单元环几何因子。式 ( 2 - - 4 4 ) 中出现的“一”表明s ：的相位比发射电流，r 落后石。经证明可得 j ：g ( ，z ) d r d z = l ( 2 4 7 ) 于是对于无限均匀介质情况，有 2=ktr(2-48) 这个结果与在近场情况( 即可忽略传播效应的影响) 得到的有用信号表达式( 2 - - 2 9 ) 完全一致，事实上，几何因子理论就是一种不考虑传播效应的近似理论。对于具有 水平界面和与线圈系同轴的柱状界面的分区均匀介质情况( 如图2 4 ) ，有 6 2 = k 卜- ：2 c g ( z ) d r d z + 仃ze e g ( r , z ) d r d z + + 仃。：2 2 9 ( r , 2 ) d r d z = k 6 了i g l + 仃2 g 2 + 一- 0 。g 。】( 2 - - 4 9 ) 0 5 o302 04 图2 - - 4 具有水平界面、柱状界面的分区均匀介质剖面图 根据( 2 - - 4 7 ) ，得g l + g 2 + + g 。= l ( 2 - - 5 0 ) 由( 2 - - 4 9 ) 可知，知道线圈系在空间的单元环几何因子的分布函数g ( r ，z ) ，就比较容 易地计算出接收线圈上产生的感应电动势s ：，这对于传播理论来说是非常困难的：同 时看到岛在是( 2 - - 4 9 ) 中表达为各分区导电介质中涡流激发的二次场的贡献之和，如 两安石油大学硕士学位论文 果令视电导率仃。= 2 k ，则 仃。= 盯i g i + 仃2 g 2 + + 仃。g 。 ( 2 5 1 ) 式( 2 5 1 ) 表明，感应测井仪得到的视电导率是各分区电导率的加权平均，其权系数 分布为g 。、g 2 、g 。 基于导电介质对有用信号贡献的观点，微分截面积为d r d z 的单元环导电介质对有 用信号的贡献为 如2 = k c r g ( r ，z ) d r d z ( 2 5 2 ) 则 g ( ，z ) = d 82 乏_ d r d z ( 2 5 3 ) 式( 2 - - 5 3 ) 表明，单元环几何因子g ( r ，z ) 等于( ，z ) 处的单位截面积单元环对有用信号 的贡献占全空间介质对有用信号贡献的百分比，这就是单元环几何因子的物理含义。 2 2 双感应测井仪器简介 深、中感应双感应测井仪器在2 0 世纪6 0 年代正式商业应用1 4 1 。它是一种深感应测 井与中感应测井组合的感应测井仪器，同时测量得到深、中探测深度曲线，图2 5 给 出双感应测井仪器的线圈系布置方式和参数。 负号表 示绕向 t l r mr lr r zt z t l - 1 2+ 8+ 1 8 0 2 0 1 5 4 5+ 1 8 0 r i r lr lr 2 2 2 1 2+ 1 8 0 - 8 0 匝 图2 5 双感应测井仪器的线圈系布置方式与参数 在图2 5 的双感应线圈系布置中，深感应除主线圈对互置外，还布置了两组匝数 较少，缠绕方向相反的线圈对r , r ：和五r ，它们对主信号进行直耦信号抵消和探测信 号聚焦。中间线圈对疋尺：的作用是迫使主信号较深地进入地层，而外侧线圈对五尺，的 作用是屏蔽主信号两侧的信号，增加线圈系的分层能力。经理论最优化设计和实际使用 表明，目前的深感应线圈系布置结构是最佳的，它兼顾了具有较深的径向探测深度和较 1 4 第章感应测井基本理论研究 好的纵向分辨率。 为了提高仪器的分辨率，人们设计了中感应线圈系，同时，避免井眼泥浆的影响， 但受侵入的影响，因此中感应测井不但具有较高的分辨率，而且用来测量侵入带电阻率， 对深感应进行侵入校正。为使仪器进一步得到改善，还提出过浅探测深度的浅感应测井 仪器，但是这种线圈系结构的测井严重受井眼泥浆的影响，测量信号不稳定，未能成为 商业化感应测井仪器。 实际仪器中，深、中感应线圈系均缠绕在同一个玻璃钢芯棒上，共用发射线圈，工 作频率均为2 0 k h z 。在测量时，深、中感应分时工作，工作电流不同。在传统双感应中， 仅测量实部信号，虚部信号被当作无用信号通过电子线路进行屏蔽，深、中感应电压测 量信号由电缆传输到地面，地面通过软件处理对电压信号进行刻度转换为地层电导率。 对中感应信号，仅进行趋肤效应校正。对深感应，增加了三点或五电反褶积围岩效应校 正。到了八十年代，在原双感应测井仪器基础上出现了数字双感应测井仪器出现了数字 双感应测井仪器，线圈系结构不变，增加了虚部信号，并把测量信号