井下巖石電參數(shù)測量用傳感器探頭的制作方法
【專利說明】井下巖石電參數(shù)測量用傳感器探頭
【背景技術(shù)】
[0001] 巖芯電參數(shù)對于修正測井曲線有著非常重要的意義，傳統(tǒng)的巖芯電參數(shù)測量方法 需要將巖芯樣品采集之后送回地面實驗室進行測量。測量采用的傳感器探頭包括發(fā)射電極 與收集電極，通過一個電壓源連接發(fā)射電極與收集電極，發(fā)射電極流出的電流經(jīng)過巖石到 達收集電極，電流在經(jīng)過巖石的過程中會受到巖石電阻率和介電常數(shù)的影響，從而會導(dǎo)致 回路阻抗發(fā)生變化，通過建立回路阻抗和巖石電阻率和介電常數(shù)之間的關(guān)系就能根據(jù)測量 的阻抗值反推得到待測巖芯的電阻率和介電常數(shù)。由于需要從井下取出送回實驗室，這種 過程導(dǎo)致測量周期長，代價大，而且不能實時獲取巖心樣品的電阻率和介電常數(shù)。
[0002] 對巖芯樣品在井下進行實時測量能實時的獲得地層巖芯信息，但井下環(huán)境不同于 實驗室的測量環(huán)境，測量會受到很多方面因素的影響，首先是井下充滿了導(dǎo)電泥漿溶液，從 發(fā)射電極流出的傳導(dǎo)電流會直接經(jīng)過導(dǎo)電泥漿到達收集電極，而很少有電流能夠穿透泥漿 進入巖石內(nèi)部，此時由于巖石的電阻率遠遠高于泥漿電阻率，電流無法進入巖石內(nèi)部，這必 然導(dǎo)致無法測量巖石的電參數(shù)。
[0003] 由于導(dǎo)電泥漿會阻斷電極流出的電流進入高阻的巖石，從而導(dǎo)致對儀器對巖石的 電參數(shù)變化不敏感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種適用于井下環(huán)境的傳感器探頭結(jié)構(gòu)。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，井下巖石電參數(shù)測量用傳感器 探頭，包括發(fā)射電極、收集電極，發(fā)射電極電壓源，發(fā)射電極電壓源通過導(dǎo)線分別與收集電 極、發(fā)射電極相連，其特征在于，還包括屏蔽電極、屏蔽電極電壓源，屏蔽電極為環(huán)狀結(jié)構(gòu)， 發(fā)射電極設(shè)置在的屏蔽電極的環(huán)內(nèi)；屏蔽電極電壓源通過導(dǎo)線分別與收集電極、屏蔽電極 相連；發(fā)射電極與收集電極設(shè)置在井下米樣的巖石同一側(cè)；
[0006] 屏蔽電極電壓源加載在屏蔽電極上，使得發(fā)射電極流出的電流能穿透導(dǎo)電泥漿進 入巖石內(nèi)部到達收集電極。
[0007] 本發(fā)明采用屏蔽電極形式來聚焦傳導(dǎo)電流使得發(fā)射電極流出的電流能穿透導(dǎo)電 泥漿進入巖石內(nèi)部到達收集電極形成回路，避免了導(dǎo)電泥漿阻斷電流通過巖石的情況。發(fā) 射電極與收集電極的導(dǎo)電回路經(jīng)過巖石內(nèi)部，為之后通過測量發(fā)射電極與收集電極的導(dǎo)電 回路上電阻阻抗得到巖石電參數(shù)提供了基礎(chǔ)。
[0008] 本發(fā)明的有益效果是，適用于井下環(huán)境的傳感器探頭，能對巖芯樣品在井下進行 實時測量，準確、高效、實時的獲得地層巖芯信息。
【附圖說明】
[0009] 圖1為實施例1的傳感器探頭示意圖。
[0010] 圖2為實施例2的傳感器探頭示意圖。
[0011] 圖3為發(fā)射電極和收集電極之間回路電阻隨屏蔽電極電壓的關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 本發(fā)明采用特定的措施引導(dǎo)電流穿透導(dǎo)電泥漿進入到巖石內(nèi)部去，從而采集并且 帶出巖石內(nèi)部的電參數(shù)。
[0013] 發(fā)射電極設(shè)置在的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的屏蔽電極的環(huán)內(nèi)，向發(fā)射電極供電的同時，通過在 屏蔽電極上加適當(dāng)?shù)碾妷菏沟脙?nèi)部電極周圍為相對高電位，從而壓迫從發(fā)射電極流出的電 流無法沿著導(dǎo)電泥漿傳導(dǎo)，選擇合適的電壓以及電極形式可以使得電流穿透導(dǎo)電泥漿，進 入到巖石內(nèi)部，通過巖石到達接地極板。收集電極的位置可以設(shè)置的比較靈活。
[0014] 如圖1所示，巖石1被導(dǎo)電泥漿2包裹。傳感器探頭包括發(fā)射電極3、收集電極4、 發(fā)射電極電壓源V 2、屏蔽電極5、屏蔽電極電壓源％、屏蔽電極5為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)射電極3設(shè) 置在的屏蔽電極5的環(huán)內(nèi)；發(fā)射電極電壓源V 2通過導(dǎo)線分別與收集電極4、發(fā)射電極3相 連，屏蔽電極電壓源％通過導(dǎo)線分別與收集電極4、屏蔽電極5相連；收集電極4設(shè)置在發(fā) 射電極3下方。當(dāng)然，收集電極4也可以設(shè)置在發(fā)射電極3下方。
[0015] 或者，如圖2所示，收集電極4為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)射電極3與屏蔽電極5均設(shè)置在收 集電極4的環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)。
[0016] 當(dāng)傳導(dǎo)電流或者位移電流流過巖石1，發(fā)射電極與收集電極之間可以等效看成電 容模型，電容兩端的阻抗值隨著巖石的電參數(shù)發(fā)生變化，通過測量電容兩端的阻抗值，結(jié)合 精確的數(shù)值仿真建模，可以反演得到巖石的電參數(shù)。
[0017] 需要說明，屏蔽電極的作用是通過控制發(fā)射電極周圍的電位，從而限制內(nèi)極板流 出電流的流向。屏蔽電極和發(fā)射電極上面的電壓比a = Vi/V2對于傳感器探頭的設(shè)計非常 重要。
[0018] 為了更好的說明屏蔽電極的作用以及屏蔽電極上電壓與發(fā)射電極回路的關(guān)系，以 工作頻率為1KHZ，泥漿電阻率P mud= 1.0e2Q ?!!!、介電常數(shù)為e imud= 1.0以及巖石電阻 率為P R〇x= 1. 〇e8D ? m、介電常數(shù)為e nK= 1. 〇的情況為例，如圖3所示：
[0019] 由于工作頻率為低頻工作模式，所以探頭的發(fā)射電極與收集電極之間的電流形式 主要為傳導(dǎo)電流，位移電流占很小的比重。所以在圖3中只分析了回路阻抗的實部，也就是 阻抗中的電阻部分。
[0020] 當(dāng)屏蔽電極電壓與發(fā)射電極電壓比a = %/%= 0的時候，相當(dāng)于只有發(fā)射電極供 電，這種情況下發(fā)射電極流出的電流，直接沿著導(dǎo)電泥漿流入收集電極，此時回路阻值接近 于Z Mal = 0 Q，表明電流沒有經(jīng)過巖石內(nèi)部。
[0021] 當(dāng)屏蔽電極電壓與發(fā)射電極電壓比a = Vi/VJAO. 2變化到0. 8左右的情況下，回 路中電阻模值逐漸增加，這是因為屏蔽電極上的電壓壓迫內(nèi)電極流出電流流入巖石導(dǎo)致， 由于屏蔽電極上電壓的不足，還是會有一部分電流沒有沿著泥漿流動。電壓比變化的這個 區(qū)間我們稱其為欠聚焦區(qū)。
[0022] 當(dāng)a = Vi/^從0. 8變化到1. 0的這個過程中，發(fā)射電極回路中電阻模值繼續(xù)增 加，在這個區(qū)間里面，隨著屏蔽電壓的增高，內(nèi)電極流出的電流基本山全部穿過巖石。此時 儀器對待測巖石電參數(shù)的變化是最為敏感，這也是我們傳感器探頭所追求的效果。這個區(qū) 間的電流被合理的聚焦在了巖石里面，所以我們把這個區(qū)間叫做聚焦區(qū)。
[0023] 隨著屏蔽電壓的繼續(xù)增高，當(dāng)a = %/%大于1. 01的時候，由于屏蔽電極電壓的增 大，原本平行流動的電流會出現(xiàn)合流，也是就是在巖石中會出現(xiàn)一個焦點。此時內(nèi)電極回路 阻抗為無窮大，隨著外圍電壓的繼續(xù)增加，合流電流會沿著內(nèi)電極反向流動，內(nèi)電極回路電 阻阻抗值由負無窮大逐漸減小，但是由于內(nèi)電極無電流流入巖石內(nèi)部，所以不能探測巖石 的電阻率和介電常數(shù)。我們把電壓的這個區(qū)域稱為過聚焦區(qū)。
[0024] 欠聚焦區(qū)、聚焦區(qū)以及過聚焦區(qū)之間的分界線并不是一個明確的點，而是一個模 糊的區(qū)間，不同測井環(huán)境對應(yīng)的聚焦區(qū)間不完全相同，但是對于整個區(qū)間掃描得到的曲線 走勢是相同的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)不同的情況、不同的曲線以及要求定義對應(yīng)的聚焦 區(qū)間。
[0025] 可以看出，當(dāng)a?l的時候，由于極高的電壓形式會導(dǎo)致出現(xiàn)過聚焦現(xiàn)象，將電流 聚焦在導(dǎo)電泥漿層，反而不能更好的進入巖石；相反當(dāng)a〈〈l的時候又會出現(xiàn)欠聚焦現(xiàn)象； 只有當(dāng)a取合適的值的時候才能夠?qū)崿F(xiàn)有效地電流控制，使得電流穿過泥漿進入巖石，從 而保證傳感器探頭對巖石的電參數(shù)最敏感。電壓比范圍是根據(jù)測量的情況不同會發(fā)生變 化。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過靈活的控制屏蔽電極電壓源與發(fā)射電極電壓源的電壓比，保 證探頭對不同的測試環(huán)境的適應(yīng)能力。
[0026] 本發(fā)明的傳感器探頭可工作在多頻模式，不同的工作頻率對于不同的待測電參數(shù) 的敏感度不同，采用多頻模式結(jié)合可以更加精確的反演巖石電參數(shù)。那么在測量之前需要 建立各工作頻率下，不同的電阻率和介電常數(shù)組合下對應(yīng)的阻抗響應(yīng)即可。以雙頻模式為 例：
[0027] 首先，通過數(shù)值計算建立兩種頻率lOKHz、f 2= 1MHz在各種電阻率P = 1000~1000000Q .Hi和介電常數(shù)1~80下的阻抗響應(yīng)Z (包括實部和虛部）數(shù)據(jù) 庫：
[0028] Z_f !_r_s ( p , e r), Z_f !_i_s ( p , e r),
[0029] Z_f2_r_s ( p , e r), Z_f2_i_s ( p , e r),
[0030] e J為工作頻率&某電阻率P與介電常數(shù)e 對應(yīng)的阻抗響應(yīng) 仿真值的實部，e J為工作頻率&某電阻率P與介電常數(shù)e 對應(yīng)的阻抗 響應(yīng)仿真值的虛部；
[0031] Z_f2_r_s(P，e,)為工作頻率&某電阻率P與介電常數(shù)e ,所對應(yīng)的阻抗響應(yīng) 仿真值的實部，Z_f2_i_s(P，e J為工作頻率&某電阻率P與介電常數(shù)e 對應(yīng)的阻抗 響應(yīng)仿真值的虛部；
[0032] 之后的探測過程中，得到2種頻率下的阻抗響應(yīng)探測值（包括實部與虛部）：
[0033] ( p，e r)，( p，e r)，
[0034] Z_f2_r_m ( p , e r), Z_f2_i_m ( p , e r)
[0035] 在數(shù)據(jù)庫中找到最優(yōu)解，使得下述目標函數(shù)最小：
[0037] Wrj，分別為權(quán)系數(shù)，為經(jīng)驗值。
[0038] 將測得的到2種頻率下的阻抗數(shù)據(jù)代入目標函數(shù)中，遍歷數(shù)據(jù)庫，找到使目標函 數(shù)最小對應(yīng)的介電常數(shù)和電阻率，就可以得到油基泥漿的對應(yīng)電參數(shù)。
【主權(quán)項】
1. 井下巖石電參數(shù)測量用傳感器探頭，包括發(fā)射電極、收集電極，發(fā)射電極電壓源，發(fā) 射電極電壓源通過導(dǎo)線分別與收集電極、發(fā)射電極相連，其特征在于，還包括屏蔽電極、屏 蔽電極電壓源，屏蔽電極為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)射電極設(shè)置在的屏蔽電極的環(huán)內(nèi)；屏蔽電極電壓源 通過導(dǎo)線分別與收集電極、屏蔽電極相連；發(fā)射電極與收集電極設(shè)置在井下采樣的巖石同 一側(cè)； 屏蔽電極電壓源加載在屏蔽電極上，使得發(fā)射電極流出的電流能穿透導(dǎo)電泥漿進入巖 石內(nèi)部到達收集電極。2. 如權(quán)利要求1所述井下巖石電參數(shù)測量用傳感器探頭，其特征在于，收集電極設(shè)置 在發(fā)射電極的上方或下方。3. 如權(quán)利要求1所述井下巖石電參數(shù)測量用傳感器探頭，其特征在于，收集電極為環(huán) 狀結(jié)構(gòu)，發(fā)射電極與屏蔽電極均設(shè)置在收集電極的環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種適用于井下環(huán)境的傳感器探頭，包括發(fā)射電極、收集電極，發(fā)射電極電壓源，發(fā)射電極電壓源通過導(dǎo)線分別與收集電極、發(fā)射電極相連，其特征在于，還包括屏蔽電極、屏蔽電極電壓源，屏蔽電極為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)射電極設(shè)置在的屏蔽電極的環(huán)內(nèi)；屏蔽電極電壓源通過導(dǎo)線分別與收集電極、屏蔽電極相連；發(fā)射電極與收集電極設(shè)置在井下采樣的巖石同一側(cè)；屏蔽電極電壓源加載在屏蔽電極上，使得發(fā)射電極流出的電流能穿透導(dǎo)電泥漿進入巖石內(nèi)部到達收集電極。本發(fā)明能對巖芯樣品在井下進行實時測量，準確、高效、實時的獲得地層巖芯信息。
【IPC分類】E21B49/00
【公開號】CN104989387
【申請?zhí)枴緾N201510307170
【發(fā)明人】孫向陽, 付海博, 聶在平
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月5日