專利名稱：一種三維感應(yīng)測(cè)井儀器線圈系的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維感應(yīng)測(cè)井儀器PCB的平板型(Rogowski)線圈系的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在感應(yīng)測(cè)井領(lǐng)域，三維感應(yīng)測(cè)井儀器的關(guān)鍵部分是儀器的探頭，對(duì)于陣列感應(yīng)測(cè)井就是發(fā)射和接收線圈系的結(jié)構(gòu)。線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣表征儀器測(cè)量采集到地層信息的多少和質(zhì)量。三維感應(yīng)測(cè)井儀通過對(duì)接收線圈測(cè)得的3個(gè)互相垂直的磁場分量信息進(jìn)行處理，可獲得地層水平電阻率Rh和垂直電阻率Rv，還可得到各向異性地層模型的兩種含水 (油)飽和度，以及地層傾角和儀器方位角等信息。三分量感應(yīng)測(cè)井系統(tǒng)的線圈系結(jié)構(gòu)包括 3個(gè)發(fā)射線圈(Tx、Ty、Tz)和3個(gè)接收線圈(Rx、Ry、Rz)。這3個(gè)發(fā)射線圈彼此垂直，并發(fā)射一定頻率的交流電，3個(gè)接收線圈也相互垂直，并接收各個(gè)方向的地層信息，尤其是三維感應(yīng)測(cè)井儀器線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了得到均勻的三維九個(gè)磁場分量，已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作。主要有兩種設(shè)計(jì)方法。一種是基于三個(gè)線圈沿軸向方向相互正交，但三線圈不在同一位置的設(shè)計(jì)方法，比如阿特拉斯公司發(fā)明的線圈系結(jié)構(gòu)專利(US6900640B2)，另一種是基于三線圈設(shè)計(jì)在同一位置上組成的三正交線圈系結(jié)構(gòu)，比如斯倫貝謝三分量感應(yīng)測(cè)井儀器線圈系結(jié)構(gòu)(US0184304A1)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種柔性版線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維感應(yīng)儀器探頭參數(shù)，儀器探頭用現(xiàn)在的印刷電路板設(shè)計(jì)三維感應(yīng)測(cè)井儀器線圈系，實(shí)現(xiàn)三維感應(yīng)儀器三個(gè)方向線圈的正交性，從感應(yīng)特性響應(yīng)機(jī)理出發(fā)，在保證三維感應(yīng)傳感器的接收線圈兩端取的較大響應(yīng)信號(hào)，以及影響響應(yīng)信號(hào)參數(shù)，相互的關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)行合理優(yōu)化參數(shù)來設(shè)計(jì)三維感應(yīng)線圈系得到響應(yīng)信號(hào)最大，屏蔽抵消直耦信號(hào)到最小可實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明所述的一種三維感應(yīng)測(cè)井儀器線圈系的設(shè)計(jì)方法，該方法的設(shè)計(jì)步驟如下根據(jù)接收羅氏線圈是均勻密繞在一個(gè)聚酰胺塑料板上，線圈匝數(shù)為NR接收線圈的磁鏈為Φ (t) = μ Ql1 (t) NeS (1)式中，μ0 = 4 π X 10_7 (H/m)，當(dāng)電流變化時(shí)，接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V(t) = -— = -μ0ΝΞ ^^(2)
dt dt式中令M = PtlNS,可見M取決于線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)。感應(yīng)電流I1U)由發(fā)射線圈通以交變電流產(chǎn)生磁場，空間感應(yīng)出渦流I1U),在發(fā)射端，通以交變電流產(chǎn)生電磁場關(guān)系如下1.X軸方向上
Gm{x,y,z\ ,= 電場 Exx = O
ωμΜζ ^m ^ AkR3 E _- imMy ikR 12 Ant
2. Y軸方向上
+ ikR)電場+艦)
47ΓΚEyy = O (4)Eyz = i^e-{l + ikR)
AnRi 3. Z軸方向上
電場嚴(yán)
AnRi ωμΜχ AnRi ‘
-ikR I
+叫
ikR]
= 0式中，M = NtSt，k = 4ω2μ{ε + σ / ω)
⑶
(5) 最后計(jì)算三正交線圈在不同方向上相互垂直的發(fā)射端和接收端，在每一個(gè)發(fā)射接收間隔內(nèi)測(cè)得一個(gè)3X3的張量電壓矩陣G(x，y，ζ),,,· G(x,y,z\ t =
(6) 其中6(Χ，Υ，Ζ)Μ表示第j接受是來自第i發(fā)射的電壓，這里的i和j是三維矩陣的角標(biāo)。當(dāng)電導(dǎo)率σ = 0時(shí)，k = 0，把它代入(3) (4) (5)通過(2)式得直耦電動(dòng)#Gm(x，
1，ζ)
(i, j)由(6) (7)式建立發(fā)射線圈到接收線圈的響應(yīng)關(guān)系誤差函數(shù)為f^r) = |G(x, y, ζ)-Gm(χ, y, ζ) |(8)


圖IXX線圈系整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)射、接收、屏蔽線圈采用印制板式結(jié)構(gòu)；圖2單個(gè)PCB的平板型(Rogowski)線圈示意圖；圖3三分量陣列結(jié)構(gòu)線圈設(shè)計(jì)流程圖；圖439in 72in陣列電導(dǎo)率與電壓的響應(yīng)關(guān)系圖；圖5兩個(gè)39in 72in陣列徑向積分幾何因子圖；圖6兩個(gè)39in 72in陣列徑向微分幾何因子具體實(shí)施例方式本發(fā)明的設(shè)計(jì)要求目標(biāo)，測(cè)量信號(hào)工作頻率13kHz/26kHz ；測(cè)量最小信號(hào)幅值 ^ IOOnv ；測(cè)量水平電阻率(0. 5-100ohm-m)，垂直電阻率(0. 5-100ohm-m)；在三分量陣列感應(yīng)測(cè)井的線圈系設(shè)計(jì)中，如何使線圈系采集到足夠的地層信息是線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮的問題。圖1示意性的示出三分量感應(yīng)測(cè)井儀器水平分量上三個(gè)正交線圈系儀器結(jié)構(gòu)示意圖。三個(gè)正交線圈系的合理布局，尤其是水平方向上線圈的設(shè)計(jì)。因?yàn)樗椒至可系木€圈緊貼套管壁，其井眼影響要比沿軸向分量嚴(yán)重。所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮減小水平分量的井眼影響要小。圖2示三分量感應(yīng)測(cè)井儀器XX線圈系單個(gè)PCB的平板型(Rogowski)線圈示意圖，在印制板雙面板上均勻密布環(huán)狀印刷線路，形成印制板式線圈，代替用導(dǎo)線繞制的傳統(tǒng)羅氏線圈。在這種印刷線圈中，印制線路既充當(dāng)傳統(tǒng)羅氏線圈的小線匝的作用，還起著信號(hào)的耦合和傳輸作用。理論研究與實(shí)驗(yàn)表明，在不影響動(dòng)態(tài)特性的前提下，可以用環(huán)狀印刷線路代替?zhèn)鹘y(tǒng)線圈的繞線；將印刷線圈順次串聯(lián)，能有效提高接收線圈的信噪比。構(gòu)建電路板式線圈，如圖所示。表示將同樣的兩個(gè)印刷線圈順次串聯(lián)(簡稱順串)示意圖。圖3示三分量線圈陣列為實(shí)例的具體實(shí)施流程框圖，需要需要說明的是要按照上述理論進(jìn)行計(jì)算出實(shí)際約束條件下線圈的響應(yīng)信號(hào)值，再根據(jù)接收線圈響應(yīng)和屏蔽線圈上的響應(yīng)關(guān)系結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)要求建立誤差函數(shù)fi(r) = |G(x，y，Z)-Gm(x，y，Z) I其中，G(x， y，ζ)表示發(fā)射到接收線圈的響應(yīng)Gm(χ，y，ζ)表示發(fā)射到屏蔽線圈的響應(yīng)。使得所抵消直耦信號(hào)最小即miiKfJr)。具體實(shí)施步驟如下第一步，給定線圈初值尺寸大小(橫向發(fā)射線圈的內(nèi)邊長為60mm內(nèi)邊寬為18mm， 接收線圈的內(nèi)邊長為3. 6m內(nèi)邊寬為5. 8mm)、陣列位置12in、15in、21in、27in、39in、72in， 線徑0. 3mm，線間距0. 3mm等初始輸入?yún)?shù)。第二步，經(jīng)數(shù)值計(jì)算程序計(jì)算是否滿足儀器設(shè)計(jì)原則即M =0-01
lRlB
若不滿足則調(diào)整線圈匝數(shù)，線圈尺寸，重新計(jì)算M值。第三步，同時(shí)判斷直耦信號(hào)= G(x,y,z)-Gffl(x,y,z)的min: f^ ( Γ )是否最小，接收線圈響應(yīng)信號(hào)ma^Fjr) =G(χ, y, ζ)是否最大，若不是轉(zhuǎn)回到初始參數(shù)，調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸，若滿足提供給工程設(shè)計(jì)。第四步，從工程角度出發(fā)，是否能夠?qū)崿F(xiàn)，若不能實(shí)現(xiàn)，再重新計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)參數(shù)做一個(gè)微調(diào)，在此需要結(jié)合工程尺寸進(jìn)行修正線圈參數(shù)。第五步，根據(jù)工程提供可實(shí)現(xiàn)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)計(jì)算微調(diào)參數(shù)，再一次計(jì)算響應(yīng)信號(hào)。 最后，得到一組與工程能夠?qū)崿F(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)，為最終的設(shè)計(jì)線圈參數(shù)。圖4示以39in/72in陣列為實(shí)例的線圈參數(shù)在地層電導(dǎo)率(0. 001 ls/m)地層電導(dǎo)率與電壓信號(hào)基本成線性特性。儀器實(shí)際所能檢測(cè)到的微弱信號(hào)在(S/m)10_6即納伏級(jí)信號(hào)。但是希望探測(cè)地層電導(dǎo)率為0.01 (s/m)的地層信息，但是理論計(jì)算的結(jié)果為(10_6 ΙΟ"7)數(shù)量級(jí)，這樣使得儀器實(shí)現(xiàn)達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。針對(duì)39in，72in長陣列XX印制板式線圈系整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從理論計(jì)算分析可以知道，接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，主要受發(fā)射線圈、接收線圈、屏蔽線圈的匝數(shù)，以及發(fā)射源電流的制約條件。為此我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)過程中必須權(quán)衡考慮理論與實(shí)際的可實(shí)現(xiàn)性的線圈參數(shù)。考慮發(fā)射線圈的參數(shù)，以及線圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要目的是增加線圈電感量和減小發(fā)射線圈內(nèi)阻從而提高發(fā)射線圈的效率。進(jìn)一步在發(fā)射線圈能夠有效地把能量發(fā)射出去的同時(shí)，我們考慮接收線圈的參數(shù)，直到達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。屏蔽線圈的位置。理論上屏蔽線圈的目的是抑制直耦信號(hào)，實(shí)際上，除了抑制直耦信號(hào)外，還具有徑向聚焦增加探測(cè)深度和縱向聚焦提高分辨率的作用。同時(shí)帶來的不利后果是增大了井眼影響和侵入影響。因此，應(yīng)考慮聚焦能力與不利后果之間的關(guān)系。優(yōu)化后的線圈參數(shù)進(jìn)行仿真分析所示39in72in兩個(gè)線圈陣列的地層電導(dǎo)率與電壓的響應(yīng)關(guān)系圖4所示。圖5圖6示主要針對(duì)設(shè)計(jì)的線圈參數(shù)39in 72in兩個(gè)線圈陣列進(jìn)行分析儀器的響應(yīng)特性，包括一維特性39in 72in兩個(gè)線圈子陣列的探測(cè)特性分析。從型子陣列一維響應(yīng)函數(shù)具有如下特性。1.共面方向上徑向微分響應(yīng)函數(shù)，在井眼附近存在較大的趨膚響應(yīng)影響；徑向積分響應(yīng)相比共軸徑向積分響應(yīng)其存在負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)域。2.縱向響應(yīng)函數(shù)(縱向幾何因子)具有如下特點(diǎn)(1)形狀不光滑，不對(duì)稱；(2)旁瓣衰減緩慢，具有很強(qiáng)的圍巖效應(yīng)影響；(3)主瓣中有一部分具有高分辨率信息；(4)共面方向上縱向幾何因子在屏蔽線圈位置出現(xiàn)負(fù)峰。也就是說明井眼附近具有一個(gè)負(fù)貢獻(xiàn)，并且隨著線圈位置的不同貢獻(xiàn)大小也不同。經(jīng)過上述仿真分析在均勻地層我們分析一維幾何因子，我們得到39in、72in陣列的縱向分辨率，以及徑向探測(cè)深度。三分量子陣列的XX方向上探測(cè)響應(yīng)特性(徑向特性、縱向特性)例如在XX/YY方向徑向特性探測(cè)深度39in 2. 34m,72in 4. 35m，徑向特性最大值分別為0. 609,0. 340 (1/m)最大值位置分別在0. 751,1. 350 (m)縱向特性最大值分別為2. 117、 1. 556 (1/m)最大值位置分別在 0. 731、1. 475 (m)。
權(quán)利要求
1.一種三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭線圈系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于本方法步驟如下1)根據(jù)三維感應(yīng)電磁場原理，建立線圈坐標(biāo)系，在直角坐標(biāo)系下，建立線圈響應(yīng)關(guān)系參數(shù)方程，使能對(duì)線圈參數(shù)進(jìn)行形狀調(diào)整；2)在三維發(fā)射和接收線圈之間增加三維屏蔽線圈，作為抵消直耦信號(hào)線圈；3)在線圈系結(jié)構(gòu)選定約束條件；4)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和約束條件，利用比奧_薩伐定理計(jì)算線圈系的場分布，建立發(fā)射線圈到接收線圈的響應(yīng)關(guān)系，建立誤差函數(shù)公式；5)建立優(yōu)化問題，利用迭代法計(jì)算線圈參數(shù)；6)根據(jù)線圈參數(shù)來設(shè)計(jì)三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，其特征在于建立線圈坐標(biāo)系，在直角坐標(biāo)系下，線圈有限大小以及形狀的線圈參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，其特征在于在三維發(fā)射和接收線圈之間增加屏蔽線圈，基于三維正交，每個(gè)線圈系兩兩相互正交， 建立幾組陣列結(jié)構(gòu)的三維感應(yīng)線圈系結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，其特征在于選定目標(biāo)約束條件，根據(jù)最值理論，接收線圈響應(yīng)信號(hào)最大，直耦信號(hào)最??；根據(jù)線圈的正交性，橫向方向上的兩個(gè)線圈是相互對(duì)應(yīng)的，故約束目標(biāo)函數(shù)取一個(gè)方向進(jìn)行計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，其特征在于所述的根據(jù)設(shè)計(jì)要求和約束條件，利用比奧-薩伐定理計(jì)算線圈系的場分布，建立發(fā)射線圈到接收線圈的響應(yīng)關(guān)系，建立誤差函數(shù)公式；^(Γ) = |G(x,y, z)-Gm(x,y, ζ)(1)其中，G(x，y，z)表示發(fā)射到接收線圈的響應(yīng)Gm(x，y，ζ)表示發(fā)射到屏蔽線圈的響應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭線圈系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于建立優(yōu)化問題Hiinifi(T)(1)max Fi ( Γ ) = G (χ, y, ζ) (2)結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)以及實(shí)際儀器結(jié)構(gòu)限制計(jì)算最優(yōu)線圈參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭線圈系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于根據(jù)得到的三維感應(yīng)線圈參數(shù)代入徑向積分幾何因子和縱向幾何因子修正是否滿足設(shè)計(jì)要求以保證儀器的一定探測(cè)范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，其特征在于根據(jù)得到的三維感應(yīng)線圈參數(shù)設(shè)計(jì)儀器探頭，即可得到整體陣列三維感應(yīng)儀器探頭。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維感應(yīng)測(cè)井儀器線圈設(shè)計(jì)方法；根據(jù)三維感應(yīng)電磁場原理，建立線圈坐標(biāo)系，在直角坐標(biāo)系下，建立線圈響應(yīng)關(guān)系參數(shù)方程，使能對(duì)線圈參數(shù)進(jìn)行形狀調(diào)整；在三維發(fā)射和接收線圈之間增加三維屏蔽線圈，作為抵消直耦信號(hào)線圈；在線圈系結(jié)構(gòu)選定約束條件；根據(jù)設(shè)計(jì)要求和約束條件，利用比奧-薩伐定理計(jì)算線圈系的場分布，建立發(fā)射線圈到接收線圈的響應(yīng)關(guān)系，建立誤差函數(shù)公式；建立優(yōu)化問題，利用迭代法計(jì)算線圈參數(shù)；根據(jù)線圈參數(shù)來設(shè)計(jì)三維感應(yīng)測(cè)井儀器探頭；本方法簡單有效，實(shí)際優(yōu)化過程包括儀器尺寸的限制，可以用于設(shè)計(jì)比較靈活的平板型(Rogowski)三維感應(yīng)線圈系。
文檔編號(hào)E21B49/00GK102400670SQ20101027447
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者儲(chǔ)妮晟, 宋青山, 湯天知, 王麗蓉, 王水航, 白顏, 賀秋莉, 陳濤, 陳章龍 申請(qǐng)人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司