一種瞬變電磁測井探頭檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種瞬變電磁測井探頭檢測系統(tǒng)，由控制電路、大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路、大功率通斷器件IGBT、待測探頭測量電路和大功率直流電源，其中：大功率直流電源、大功率通斷器件IGBT以及待測探頭構(gòu)成主回路，大功率通斷器件IGBT通過大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路與控制電路連接，待測探頭中設(shè)有發(fā)射線圈，測量電路中設(shè)有接收線圈。本發(fā)明的有益效果是：實現(xiàn)了瞬變電磁測井探頭參數(shù)的測量，獲得了探頭的線性和磁飽和區(qū)域，能夠?qū)μ筋^的大功率激發(fā)特征進(jìn)行有效性評價，為設(shè)計配套的大功率激發(fā)電路提供設(shè)計參數(shù)，達(dá)到對探測探頭進(jìn)行檢測的要求。
【專利說明】一種瞬變電磁測井探頭檢測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油測井儀器配套系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是針對裸眼井和套管井的套管質(zhì)量檢測、裸眼井和套管井地層電阻率測量的專用儀器配套的一種瞬變電磁測井儀器的探頭測量系統(tǒng)，通過測量磁化曲線，獲得電磁探頭的線性區(qū)域、磁飽和區(qū)域，實現(xiàn)對瞬變電磁測井儀器的探頭進(jìn)行檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]在石油勘探和開發(fā)的過程中，在套管井中測量地層的電阻率，評價含油飽和度是認(rèn)識剩余油分布的重要手段。在現(xiàn)有技術(shù)中，過套管電阻率測量采用直流電極方法。該方法給推靠到井壁的電極供比較大的電流，要求電極與井壁之間必須有良好的接觸，為此，測井前要先洗井、并用通井規(guī)將井內(nèi)壁進(jìn)行刮管，以保證電極與套管壁之間能夠良好地接觸，電極法過套管電阻率測井對套管質(zhì)量的苛刻要求。
[0003]長期以來，感應(yīng)測井是以時諧場為基礎(chǔ)的，采用穩(wěn)態(tài)正弦波(諧變)激發(fā)的電磁場進(jìn)行電導(dǎo)率的測量，從普通感應(yīng)、雙感應(yīng)、陣列感應(yīng)到俄羅斯高頻感應(yīng)，其激發(fā)的頻率從20kHz增加到2MHz，均為單頻率或離散頻率。發(fā)射的正弦信號遇到套管時，由于集膚效應(yīng)，感應(yīng)測井和電磁波測井儀器發(fā)射的正弦波和電磁波信號根本無法穿過套管進(jìn)入地層。為此，常規(guī)感應(yīng)測井方法僅適用于裸眼井測井。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的大功率線圈具有非線性和磁飽和等問題，提出一種在大功率狀態(tài)下對瞬變電磁測井儀器的探頭參數(shù)進(jìn)行檢測的系統(tǒng)，為設(shè)計與其配套的激發(fā)電路提供依據(jù)和具體參數(shù)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是
瞬變電磁測井探頭檢測系統(tǒng)由控制電路、大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路、大功率通斷器件IGBT、待測探頭測量電路和大功率直流電源，其中:大功率直流電源、大功率通斷器件IGBT以及待測探頭構(gòu)成主回路，大功率通斷器件IGBT通過大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路與控制電路連接，待測探頭中設(shè)有發(fā)射線圈，測量電路中設(shè)有接收線圈。
[0006]其工作原理是:控制電路產(chǎn)生方波，該方波通過大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路產(chǎn)生能夠驅(qū)動IGBT器件通斷的驅(qū)動信號，在該驅(qū)動信號作用下，IGBT器件實現(xiàn)通斷，從而在IGBT的主回路內(nèi)形成高電壓、大電流即大功率的通斷，該大功率信號加在待測探頭上發(fā)射線圈，在大電流斷開瞬間其產(chǎn)生的瞬變電磁場(矩形波上升及下降沿)，該瞬變電磁場被測量電路中的接收線圈接收，形成測量信號，取該測量信號的極大值作為測量結(jié)果。通過改變主回路中加在線圈上的直流電壓，測量信號的極大值，建立該極大值與所加瞬變電壓的函數(shù)關(guān)系，其線性范圍為探頭的有效激發(fā)區(qū)域，非線性區(qū)域為探頭的磁飽和區(qū)域。此關(guān)系反映了磁性材料起始磁化曲線變化特征。
[0007]上述方案還包括所述的控制電路產(chǎn)生發(fā)射方波，該方波通過大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路產(chǎn)生能夠驅(qū)動IGBT器件通斷的驅(qū)動信號，在該驅(qū)動信號作用下，IGBT器件實現(xiàn)通斷，從而在IGBT的主回路內(nèi)形成大電流、大功率發(fā)射的通斷，該大功率信號加載與發(fā)射線圈。在大電流斷開瞬間其產(chǎn)生的瞬變電磁場，該瞬變電磁場被測量電路中的接收線圈接收，形成測量信號，取該測量信號的極大值作為測量結(jié)果。通過改變主回路中加在線圈上的直流電壓，測量信號的極大值，建立該極大值與所加瞬變電壓的函數(shù)關(guān)系，其線性范圍為探頭的有效激發(fā)區(qū)域，非線性區(qū)域為探頭的磁飽和區(qū)域。此關(guān)系反映了磁性材料起始磁化曲線變化特征。發(fā)射方波頻率較低，范圍在(0.0l?1000)Hz之間。并且在區(qū)間內(nèi)可調(diào)，采用正向發(fā)射，并且發(fā)射方波的電壓值遞增，測試過程不使磁性材料產(chǎn)生剩磁。
[0008]所述瞬變電磁測井探頭檢測系統(tǒng)的大功率通斷器件IGBT關(guān)斷時間K0.09mS。保證信號以方波發(fā)射時產(chǎn)生較小的失真，使得實際加載于發(fā)射線圈兩端激發(fā)波形的上升沿和下降沿波形斜率非常小。
[0009]最后通過記錄測量的電壓值來觀測磁性材料的起始磁化曲線變化特征。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案基于以下相關(guān)技術(shù)研究基礎(chǔ)上。
[0011]在非鐵磁材料中，磁通密度B和磁場強(qiáng)度H之間呈直線關(guān)系，直線的斜率就等于μ O，而磁性材料的B與H之間則為曲線關(guān)系。將一塊尚未磁化的磁性材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場強(qiáng)度H由零逐漸增大時，磁通密度B將隨之增大，曲線B=f (H)就稱為磁化曲線。如圖1所示。磁化曲線基本上可分為四段:開始磁化時，外磁場較弱。磁通密度增加得不快，如圖1中Oa段所不；隨著外磁場的增強(qiáng)，材料內(nèi)部大量磁疇開始轉(zhuǎn)向，趨向于外磁場方向，此時B值增加得很快，如ab段所示；若外磁場繼續(xù)增加，大部分磁疇已趨向外磁場方向，可轉(zhuǎn)向的磁疇越來越少，B值增加越來越慢，如be段所示，這種現(xiàn)象稱為飽和。達(dá)到飽和以后，磁化曲線基本上成為與非磁性材料的B= μ疋(圖1虛線)特性相平行的直線，如Cd段所示。
[0012]探頭內(nèi)繞制有發(fā)射線圈和接收線圈，針對本發(fā)明，在發(fā)射線圈進(jìn)行信號發(fā)射，測量接收線圈的電壓值。接收線圈兩端的輸出電壓值與磁感應(yīng)強(qiáng)度成對應(yīng)關(guān)系，在飽和區(qū)電壓值不再線性增加。發(fā)射信號源采用周期性重復(fù)的正向方波脈沖，發(fā)射頻率較低，并且可調(diào)。電磁探頭內(nèi)繞有發(fā)射線圈和接收線圈，通過改變方波矩形脈沖不同發(fā)射直流電壓值，從小逐漸變大，遞增的趨勢，加載于發(fā)射線圈，在接收線圈輸出端接入適當(dāng)阻值的電阻，測試線圈接收直流電動勢IV繪制發(fā)射電動勢和接收電動勢的關(guān)系曲線，找到電磁探頭的磁飽和區(qū)。為了減小剩磁的影響，測試過程不施加反向磁場，即發(fā)射波形不采用負(fù)方向的波形脈沖，發(fā)射方波電壓值都是正值，與實際儀器工作工程中發(fā)射雙極性矩形波形(包括正向脈沖，又包括負(fù)向脈沖)不同。
[0013]瞬變電磁測井測量作為一個全新的油田測井測量方法，適用于裸眼井及套管井測井領(lǐng)域。為此，瞬變電磁測井具有很大技術(shù)優(yōu)勢。它雖然本質(zhì)上屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，激發(fā)源采用瞬態(tài)激發(fā)方式，激發(fā)波形采用多種周期性的雙極性脈沖序列，如矩形波、半正弦波、梯形波等，發(fā)射頻率非常低，范圍在(0.01?1000)Ηζ之間。雙極性脈沖序列既包括發(fā)射正向脈沖，又包括發(fā)射負(fù)向脈沖，這種方式可以達(dá)到抑制檢測信號中的直流偏移和噪聲干擾的目的，從而提高檢測信號的信噪比。
[0014]瞬變電磁測井則根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過測量瞬變電磁場中的二次場實現(xiàn)對井眼以外地層電阻率的測量，對井的要求較低。測量信號中有用信號的幅度比較低，信噪比很低，為了保證測量精度，需要進(jìn)行大功率瞬變電磁發(fā)射，實現(xiàn)大功率發(fā)射的途徑是采用磁導(dǎo)率高的磁芯制作發(fā)射線圈。磁芯具有非線性和磁飽和問題，探頭的質(zhì)量和性能直接影響測量結(jié)果，必須對其進(jìn)行系統(tǒng)地檢測。
[0015]針對探頭線圈的檢測，以時諧場的發(fā)射信號為單一的正弦波，對同一磁性材料，選擇不同的發(fā)射頻率、磁場強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行磁化，可得一系列大小不同的磁化曲線，相關(guān)的理論基礎(chǔ)非常完善，測試方法成熟。而以瞬變電磁原理為基礎(chǔ)的測井儀器發(fā)射頻率較低，線圈檢測過程主要考慮發(fā)射電壓和電流大小、發(fā)射極性及發(fā)射信號波形的失真情況，電路實現(xiàn)均統(tǒng)一采用橋式連接，與時諧場為基礎(chǔ)的儀器檢測方法不同。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:實現(xiàn)了瞬變電磁測井探頭參數(shù)的測量，獲得了探頭的線性和磁飽和區(qū)域，能夠?qū)μ筋^的大功率激發(fā)特征進(jìn)行有效性評價，為設(shè)計配套的大功率激發(fā)電路提供設(shè)計參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明所依據(jù)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的關(guān)系圖；
圖2為本發(fā)明測試過程的原理示意圖；
圖3為本發(fā)明測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖；
圖中:1、控制電路，2、大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路，3、大功率通斷器件IGBT，4、待測探頭，5、測量電路，6、大功率直流電源。
[0018]圖4為本發(fā)明發(fā)射方波控制原理框圖；
圖5為本發(fā)明發(fā)射電動勢與接收電動勢測量結(jié)果圖。
[0019]【具體實施方式】:
參加圖2，探頭包括發(fā)射線圈和接收線圈，二者具有不同的纏繞匝數(shù)％、N2。對發(fā)射線圈施加發(fā)射矩形方波脈沖序列，發(fā)射矩形方波脈沖采用正向發(fā)射，電壓值為U。制定測量步驟，最初步驟是發(fā)射直流電壓值小，測試線圈接收直流電壓值IV以后步驟，電壓值從小逐漸變大，遞增的趨勢，保證下一步驟時發(fā)射電壓值高于前一步驟發(fā)射的電壓值，這種加載方式目的是測試過程不使磁性材料產(chǎn)生剩磁。發(fā)射脈沖加載于發(fā)射線圈后，進(jìn)行測試接收線圈的電壓值Utl，取該測量信號的極大值作為測量結(jié)果。在每個測量步驟過程中，測量持續(xù)時間對結(jié)果無影響，即測試過程發(fā)射脈沖序列N (1，2，3，4，5...)可以延伸到無窮多，即在每個測量步驟過程中，發(fā)射脈沖序列的電壓值相等。直到下一步驟，需要增加發(fā)射脈沖的電壓值時，再進(jìn)行發(fā)射。
[0020]參見圖3，一種瞬變電磁測井探頭測量系統(tǒng)，由控制電路1、大功率發(fā)射電路和測量電路5組成，大功率發(fā)射電路包括大功率直流電源6、大功率通斷器件IGBT 3以及大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路2 ;大功率直流電源6、大功率通斷器件IGBT 3以及待測探頭4構(gòu)成主回路，大功率通斷器件IGBT 3通過大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路2與控制電路連接I?？刂齐娐稩產(chǎn)生周期比較長的方波給大功率發(fā)射電路，即控制電路I產(chǎn)生的方波控制大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路2，產(chǎn)生能夠驅(qū)動大功率通斷器件IGBT 3通斷的驅(qū)動信號，在該驅(qū)動信號作用下，大功率通斷器件IGBT 3實現(xiàn)通斷，這樣，在大功率直流電源6和待測探頭4所構(gòu)成的主回路中產(chǎn)生大電流的突然中斷，在待測探頭4中產(chǎn)生瞬變電磁場，該瞬變電磁場被測量電路5中的接收線圈接收，形成測量信號，取該測量信號的極大值作為測量結(jié)果。改變主回路中加在線圈上的直流電壓，測量信號的極大值，建立直流電壓與測量的極大值之間的函數(shù)聯(lián)系，則該函數(shù)中線性部分為線圈的線性范圍，進(jìn)入非線性的拐點為線圈的磁飽和區(qū)域的起始點。即通過測量可以得到所測量探頭的線性范圍和磁飽和區(qū)域。
[0021]圖3中描述大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路2和大功率通斷器件IGBT 3組成圖4中的開關(guān)單元，四個開關(guān)單元(1，2，3，4)結(jié)構(gòu)相同。用于發(fā)射矩形脈沖波形，因為不需要發(fā)射反向脈沖，信號發(fā)射時電路只需要兩個開關(guān)單元工作。方式1:選擇使用開關(guān)單元I和開關(guān)單元4 ;方式2:或者選擇使用開關(guān)單元2和開關(guān)單元3。這兩種組合方式中的其中之一組合都可以。開關(guān)單元打開后，直流電源加載于發(fā)射線圈。開關(guān)單元具有極短的關(guān)斷時間(K0.09mS)，保證信號以方波發(fā)射時產(chǎn)生較小的失真，使得實際加載于發(fā)射線圈兩端激發(fā)波形的上升沿和下降沿波形斜率非常小。發(fā)射方波頻率較低，測量過程0.01<f<1000Hz,并且在此區(qū)間內(nèi)可調(diào)，采用正向發(fā)射。
[0022]圖5是一個圓柱型線圈感應(yīng)電動勢最大值隨所加直流電壓變化關(guān)系的實際測量結(jié)果，從圖中可以看到:在所加電壓小于5V的區(qū)間內(nèi)，感應(yīng)電動勢最大值隨所加直流電壓的變化呈線性關(guān)系。在電壓高于5V以后，測量到的感應(yīng)電動勢最大值不在直線上，進(jìn)入其磁飽和狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種瞬變電磁測井探頭檢測系統(tǒng)，包括控制電路(I)、大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路(2 )、大功率通斷器件IGBT (3 )、待測探頭(4)測量電路(5 )和大功率直流電源(6 )，其特征在于:大功率直流電源(6)、大功率通斷器件IGBT (3)以及待測探頭(4)構(gòu)成主回路，大功率通斷器件IGBT ( 3)通過大功率通斷器件IGBT的驅(qū)動電路(2)與控制電路(I)連接，待測探頭(4)中設(shè)有發(fā)射線圈，測量電路(5)中設(shè)有接收線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種瞬變電磁測井探頭檢測系統(tǒng)，其特征是:控制電路(I)產(chǎn)生發(fā)射方波，該發(fā)射方波頻率范圍在0.0l?1000Hz之間，采用正向發(fā)射，且發(fā)射方波的電壓值遞增。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種瞬變電磁測井探頭檢測系統(tǒng)，其特征是:大功率通斷器件IGBT (3)關(guān)斷時間tof〈0.09mS。
【文檔編號】E21B49/00GK103590825SQ201310511241
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月26日
【發(fā)明者】臧德福, 沈建國, 張付明, 張守偉, 劉樹勤, 管林華 申請人:中國石油化工集團(tuán)公司, 中石化勝利石油工程有限公司測井公司