一种随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法.pdf

本发明公开了一种随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法。该实验装置是建立在随钻方位电磁波测井仪基础上，由可调角度的台架将随钻方位电磁波测井仪支撑，并在随钻方位电磁波测井仪下方设置由两种不同电导率的介质界面，以及与随钻方位电磁波测井仪金属短节旋转驱动配合的驱动机构。其方法是在实验装置中模拟各种天线组合的随钻方位电磁波仪器，测试和验证存在电导率差的界面情况下，不同线圈距和不同工作频率的方位电磁波仪器的信号特征以及层界面方位、倾角的计算方法，还可以验证旋转模式下，信号采集和处理方法的正确性以及各种补偿测量方法和效果，对于随钻方位仪器的设计制造以及地质导向应用有重要的指导作用。

1.  一种随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，该随钻方位电磁波测井仪包括天线、金属短节、方位测量器、电源和信号处理系统，其特征在于：所述随钻方位电磁波测井仪的天线至少有两个轴向天线和两个横向天线，轴向天线的磁矩方向与金属短节轴线重合，横向天线的磁矩方向与金属短节轴线垂直，轴向天线分置在横向天线的两侧，横向天线旋转一周分为不少于四个扇区，每个扇区分别与信号处理装置连接，轴向和横向天线设置在金属短节上并沿金属短节构成滑动和旋转连接配合，天线发射信号频率范围在100kHz-4MHz之间；该试验方法是建立在随钻方位电磁波测井仪基础上，由可调角度的台架将随钻方位电磁波测井仪支撑，并在随钻方位电磁波测井仪下方设置由两种不同电导率的介质界面，以及与随钻方位电磁波测井仪金属短节旋转驱动配合的驱动机构；试验方法包括：金属短节置于空气和导电溶液界面附近，通过调整轴向天线和横向天线之间的距离，测得ZX、ZY、XZ、ZZ电动势信号随线圈距的变化规律；通过改变介质电导率，测得界面处电动势幅度信号与界面两侧电导率差的变化规律；通过调整驱动机构转速，测得电动势信号随天线方位角的关系；通过调整台架的高度和角度，激发不同的轴向天线、横向天线，测得电动势的信号幅度，进行补偿结果对比和效果分析。

2.  根据权利要求1所述的随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，其特征在于所述试验方法具体包括：
（1）确定好介质界面的电导率以及天线与界面的距离后，金属短节平行于介质界面，采集和处理接收天线测得的信号，将轴向天线和横向天线调整为发射或接收天线，改变轴向天线和横向天线间距、角度，采集和处理接收天线测得的信号，测得ZX、ZY、XZ、ZZ电动势信号随线圈距的变化规律，将试验测量结果与理论模拟结果进行对比分析；
（2）将轴向天线作为发射天线，横向天线作为接收天线，确定好轴向天线与横向天线的距离以及工作频率，金属短节与介质界面平行，调整金属短节与介质界面的高度，采集和处理接收天线测得的信号，测得信号随界面距离的变化规律，改变介质电导率，重复以上测量，测得界面处电动势幅度信号与界面两侧电导率差的变化规律；
（3）将轴向天线作为发射天线，横向天线作为接收天线，确定好天线与天线的距离以及工作频率，金属短节与界面平行，调整驱动机构转速，将金属短节一周分为四个以上的分扇区，分扇区进行信号采集和处理信号，通过方位测量装置实时采集和记录横向天线的指向方位，处理得到电动势信号随天线方位角的关系，以及界面的方位走向，并与试验环境对比；
（4）将轴向天线作为发射天线等距离设置在作为接收天线的横向天线两侧，确定好发射天线与接收天线的距离以及工作频率，通过调整台架的角度和高度，使金属短节与介质界面法线呈一定的夹角，分别测量单发单收、双发单收对称补偿模式、单发双收模式和双发双收对称补偿模式电动势的信号幅度，以及该一定夹角和不同夹角情况下信号幅度与界面距离的关系。

3.  根据权利要求2所述的随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，其特征在于步骤（1）中的具体方式为：确定好盐水溶液电导率以及天线与界面的距离后，以轴向天线作为发射天线， 横向天线作为接收天线，金属短节平行于界面，采集和处理接收天线测得的信号，移动发射天线或接收天线，改变线圈距，继续采集和处理接收天线测得的信号，重复以上步骤，测得ZX电动势信号随线圈距的变化规律；将横向天线旋转90^o，重复进行以上测量，测得ZY电动势信号随线圈距变化规律；将横向天线作为发射天线，轴向天线作为接收天线，重复以上测量，测得XZ电动势信号随线圈距的变化规律；将一个轴向天线作为发射天线，另一轴向天线作为接收天线，重复以上测量步骤，测得ZZ电动势信号随线圈距变化规律。

4.  根据权利要求2所述的随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，其特征在于步骤（4）中的具体方式为：将两个轴向天线作为发射天线，一个横向天线作为接收天线，轴向天线与横向天线之间的距离相同，确定好发射天线与接收天线的距离以及工作频率，通过调整台架的角度，使金属短节与界面法线的夹角为80 ^o，分别测量一个轴向天线发射，一个横向天线接收，即单发单收测量模式下电动势的信号幅度，以及两个轴向天线发射，一个横向天线接收，即双发单收对称补偿模式下电动势的信号幅度；保持相对夹角不变，改变金属短节与界面的距离，重复以上测量，得到该相对夹角情况下信号幅度与界面距离的关系；分别改变金属短节与界面法线的夹角，重复上述测量步骤，测得不同夹角情况下信号幅度与界面距离的关系；将两个轴向天线作为发射天线，两个横向天线作为接收天线，轴向天线分别与横向天线之间的距离相同，确定好发射天线与接收天线的距离以及工作频率，通过调整台架，使金属短节与界面法线的夹角为为80 ^o，分别测量一个轴向天线发射，两个横向天线接收，即单发双收模式下电动势信号幅度，以及两个轴向天线发射，两个横向天线接收，即双发双收对称补偿模式下电动势信号幅度，测得该相对夹角情况下信号幅度与界面距离的关系；分别改变金属短节与界面法线的夹角，重复上述测量步骤，得到不同夹角情况下信号幅度与界面距离的关系。

5.  根据权利要求1或2、3、4所述的随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，其特征在于：金属短节下面采用盐水溶液与空气作为电导率不同的两种介质，用于形成界面。

6.  根据权利要求5所述的随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，其特征在于：所述台架由两个无磁绝缘材料制成的支撑基座间隔分布在金属短节的下方，且支撑基座具有高度调整机构，支撑基座与金属短节连接处采用轴承连接；介质界面为盐水池与空气组合的界面。

一种随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法
技术领域
本发明涉及石油、天然气钻井或测井技术领域中的一种随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，特别适用于为地质导向钻井系统随钻方位电磁波仪器的设计研发提供设计依据和试验验证。
技术背景
在油田勘探和开发过程中，需要测量地层地质信息和工程参数。随着勘探开发技术的不断进步，对测量参数的准确性和多样性要求越来越高。所需要的参数往往包含地层环境参数、井下钻具位置、方位以及钻井环境参数等。目前已经有多种常规电缆测井仪器以及随钻测井仪器可以提供以上参数。电磁波电阻率仪器作为评价地层性质的重要仪器可以提供地层电阻率信息，来对地层含油性进行评价。仪器往往包含一个或者多个发射和接收天线来接收地层感应信号。根据采用频率不同，分为感应电阻率仪器和电磁波电阻率仪器。对于随钻电磁波电阻率仪器来说通常采用接收线圈的幅度比或相位差来转换得到地层电阻率信息。方位电磁波电阻率除了用于地层评价外主要用来地质导向。目前具备方位分辨功能的随钻仪器由于探测深度太小，限制了其在地质导向方面的应用。随钻方位电磁波电阻率仪器则克服了探测深度小的缺陷，可以更好的应用于地质导向。
目前斯伦贝谢、哈利伯顿、贝克休斯等国际石油工程服务公司相继公布了自己在多分量、多线圈距、多频率仪器方面的专利技术 (No.6777940、No.7038455、No.7557580、No.6181138、No.20050140373、No.7375530、No.7483793等)基于此推出了随钻方位电磁波仪器，在地层评价和地质导向方面获得了广泛的应用并取得了良好的效果。
国内在随钻方位电磁波仪器的设计制造方面基本空白，相应的基础理论研究也相对滞后，作为地质导向的重要工具，其测试和试验方法也是仪器成功研发和应用的重要保证，由于随钻方位电磁波仪器响应的特殊性，必须在存在介质界面的环境中进行测试和试验，因此以往常规测井仪器的试验井和刻度井不能使用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的问题，提出一种能方便简单地构造出各种情况的界面模型，用于理论验证，指导仪器设计以及验证数据采集和处理方法的正确性的随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法。
本发明的技术方案包括：
一种随钻方位电磁波测井仪的地面试验方法，该随钻方位电磁波测井仪包括天线、金属短节、方位测量器、电源和信号处理系统。所述随钻方位电磁波测井仪的天线至少有两个轴向天线和两个横向天线，轴向天线的磁矩方向与金属短节轴线重合，横向天线的磁矩方向与金属短节轴线垂直，轴向天线分置在横向天线的两侧，横向天线旋转一周分为不少于四个扇区，每个扇区分别与信号处理装置连接，轴向和横向天线设置在金属短节上并沿金属短节构成滑动和旋转连接配合，天线发射信号频率范围在100kHz-4MHz之间。该试验方法是 建立在随钻方位电磁波测井仪基础上，由可调角度的台架将随钻方位电磁波测井仪支撑，并在随钻方位电磁波测井仪下方设置由两种不同电导率的介质界面，以及与随钻方位电磁波测井仪金属短节旋转驱动配合的驱动机构。
试验方法包括：金属短节置于空气和导电溶液界面附近，通过调整轴向天线和横向天线之间的距离，测得ZX、ZY、XZ、ZZ电动势信号随线圈距的变化规律；通过改变介质电导率，测得界面处电动势幅度信号与界面两侧电导率差的变化规律；通过调整驱动机构转速，测得电动势信号随天线方位角的关系；通过调整台架的高度和角度，激发不同的轴向天线、横向天线，测得电动势的信号幅度，进行补偿结果对比和效果分析。
所述试验方法具体包括：
（1）确定好介质界面的电导率以及天线与界面的距离后，金属短节平行于介质界面，采集和处理接收天线测得的信号，将轴向天线和横向天线调整为发射或接收天线，改变轴向天线和横向天线间距、角度，采集和处理接收天线测得的信号，测得ZX、ZY、XZ、ZZ电动势信号随线圈距的变化规律，将试验测量结果与理论模拟结果进行对比分析。
（2）将轴向天线作为发射天线，横向天线作为接收天线，确定好轴向天线与横向天线的距离以及工作频率，金属短节与介质界面平行，调整金属短节与介质界面的高度，采集和处理接收天线测得的信号，测得信号随界面距离的变化规律，改变介质电导率，重复以上测 量，测得界面处电动势幅度信号与界面两侧电导率差的变化规律。
（3）将轴向天线作为发射天线，横向天线作为接收天线，确定好天线与天线的距离以及工作频率，金属短节与界面平行，调整驱动机构转速，将金属短节一周分为四个以上的分扇区，分扇区进行信号采集和处理信号，通过方位测量装置实时采集和记录横向天线的指向方位，处理得到电动势信号随天线方位角的关系，以及界面的方位走向，并与试验环境对比。
（4）将轴向天线作为发射天线等距离设置在作为接收天线的横向天线两侧，确定好发射天线与接收天线的距离以及工作频率，通过调整台架的角度和高度，使金属短节与介质界面法线呈一定的夹角，分别测量单发单收、双发单收对称补偿模式、单发双收模式和双发双收对称补偿模式电动势的信号幅度，以及该一定夹角和不同夹角情况下信号幅度与界面距离的关系。
上述方案进一步包括：
步骤（1）中的具体方式为：确定好盐水溶液电导率以及天线与界面的距离后，以轴向天线作为发射天线，横向天线作为接收天线，金属短节平行于界面，采集和处理接收天线测得的信号，移动发射天线或接收天线，改变线圈距，继续采集和处理接收天线测得的信号，重复以上步骤，测得ZX电动势信号随线圈距的变化规律；将横向天线旋转90°，重复进行以上测量，测得ZY电动势信号随线圈距变化规律；将横向天线作为发射天线，轴向天线作为接收天线，重复以上测量，测得XZ电动势信号随线圈距的变化规律；将一个轴向天线作 为发射天线，另一轴向天线作为接收天线，重复以上测量步骤，测得ZZ电动势信号随线圈距变化规律。
步骤（4）中的具体方式为：将两个轴向天线作为发射天线，一个横向天线作为接收天线，轴向天线与横向天线之间的距离相同，确定好发射天线与接收天线的距离以及工作频率，通过调整台架的角度，使金属短节与界面法线的夹角为80°，分别测量一个轴向天线发射，一个横向天线接收，即单发单收测量模式下电动势的信号幅度，以及两个轴向天线发射，一个横向天线接收，即双发单收对称补偿模式下电动势的信号幅度；保持相对夹角不变，改变金属短节与界面的距离，重复以上测量，得到该相对夹角情况下信号幅度与界面距离的关系；分别改变金属短节与界面法线的夹角，重复上述测量步骤，测得不同夹角情况下信号幅度与界面距离的关系；将两个轴向天线作为发射天线，两个横向天线作为接收天线，轴向天线分别与横向天线之间的距离相同，确定好发射天线与接收天线的距离以及工作频率，通过调整台架，使金属短节与界面法线的夹角为为80°，分别测量一个轴向天线发射，两个横向天线接收，即单发双收模式下电动势信号幅度，以及两个轴向天线发射，两个横向天线接收，即双发双收对称补偿模式下电动势信号幅度，测得该相对夹角情况下信号幅度与界面距离的关系；分别改变金属短节与界面法线的夹角，重复上述测量步骤，得到不同夹角情况下信号幅度与界面距离的关系。
金属短节下面采用盐水溶液与空气作为电导率不同的两种介质，用于形成界面。
所述台架由两个无磁绝缘材料制成的支撑基座间隔分布在金属短节的下方，且支撑基座具有高度调整机构，支撑基座与金属短节连接处采用轴承连接；介质界面为盐水池与空气组合的界面。
本发明的效果体现在：
（1）通过电脑实时采集和处理得到信号的实部和虚部信息；金属短节置于两种电导率不同的介质界面附近，通过激发不同的天线作为发射天线和接收天线，测量不同电磁场分量信息。
（2）保持金属短节与界面距离不变，调整发射天线与接收天线之间的距离，测量不同线圈距的信号幅度。
（3）保持线圈距不变，改变金属短节与界面的距离，测量距离不同界面距离情况下信号幅度，并通过信号幅度大小反演金属短节与界面的距离，验证反演算法的正确性与可靠性。
（4）将金属短节与旋转联动装置连接，带动金属短节转动，将一周分为N(N≥4)个扇区进行采集计数，处理得到界面方位以及相对倾角等信息，并于实际模型对比，进行效果分析。
（5）通过改变溶液介质的电导率，与空气介质构造出具有不同电导率差的界面模型，试验不同电导率差情况下的信号幅度。
（6）调整基座高度差，实现金属短节与界面法线之间形成不同的夹角，模拟井眼的相对入射角。采集和处理信号，通过数值模拟反演短节与界面法线夹角，并于实际模型对比。
（7）通过激发不同的发射接收天线，调整发射接收天线之间的距离，实现双发单收以及双发双收补偿测量模式，进行补偿效果对比 分析。
综合以上，本发明通过特殊的构造设计，能方便简单地构造出各种情况的界面模型，特别是针对随钻方位电磁波测井仪的设计制造以及数据采集和处理方法的验证有着独特的优势和应用。
附图说明
图1为本发明实验装置部分的一个实施例结构示意图。
图2为数值模拟得到的随钻方位电磁波仪器信号幅度与界面两侧介质电导率或电阻率的关系示意图。
图3为图1中试验装置金属短节轴线与界面不同夹角时测试部分的放大结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
结合图1，本实施例中的试验装置天线包含4个轴向天线11、13、15、17，其线圈磁矩方向与金属短节3重合。含有两个横向天线12、14，其磁矩方向与金属短节3轴线垂直。所有天线之间的距离可调，并通过螺母固定位置。轴向天线分别位于横向天线两端，所有天线可以作为发射天线或接收天线，可以进行对称发射补偿测量和非对称补偿发射测量。线圈的发射频率在100kHz-4MHz之间可调。玻璃钢底座1和2支撑金属短节，可调节金属短节3与界面100之间的距离。金属短节一端与旋转驱动装置10相连，可以带动金属短节3转动，用于模拟旋转钻铤。金属短节一端安装方位测量装置20，实时测量 线圈的指向方位。所有测量信号通过导线30与电脑（即本发明的信号处理系统）40连接，实时采集和处理信号。金属短节3下面液体为盐水溶液200，溶液电导率可根据试验需要调整，这样盐水溶液与空气作为电导率不同的两种介质，用于形成界面。
由式(1)可知，在均匀各向同性介质模型中ZX分量磁场信号为零，因此进行方位电磁波仪器的测量必须存在两种电导率不同的介质，在界面附近进行测量。
Hzx=M4πL3[cosθsinθikhL(eikhL-eikhβL)]]]>
(1)
β=cos2θ+(Rh/Rv)sin2θ]]>
(2)
其中：L为线圈距；
k_h为水平波数；
M为线圈磁矩；
θ为地层法线与仪器轴相对角；
R_h为水平电阻率；
R_v为垂直电阻率。
图2为数值模拟得到的随钻方位电磁波仪器在不同电阻率对比度以及电导率差的情况下，感应电动势幅度的变化情况。模拟发现：在存在单界面情况下，如果介质两侧的电阻率不是很接近，则随钻方位电磁波仪器的界面定向幅度(感应电动势)正比于界面两侧介质的电导率的差，介质两侧电导率的差越大，定向电动势信号幅度越大，即：
Abs(v)∝|σ₁-σ₂|
(3)
式中：v为接收天线电动势；σ₁、σ₂分别为界面两侧介质电导率。
由于空气的电阻率可认为无穷大，因此与盐水容液无法构造一个确定的电阻率对比度，这样试验结果与数值模拟的对应存在困难。盐水溶液的电导率粗略认为空气与盐水溶液的电导率的差，所以构造一个确定的电导率差比较容易做到。通过图2模拟表明：横向接收天线定向电动势信号v主要取决于介质两侧电导率的差，而与电阻率对比度关系不大。盐水溶液电导率可调范围很大，因此利用空气和盐水溶液制造界面来进行地面测试是方便可行的，该试验装置的设计也是基于这一性质。
试验过程中，确定好盐水溶液电导率以及天线与界面的距离后，以轴向天线11作为发射天线，横向天线12作为接收天线，金属短节3平行于界面100，采集和处理接收天线12测得的信号，移动发射天线11或接收天线12，改变线圈距，继续采集和处理接收天线12测得的信号，重复以上步骤，得到ZX电动势信号随线圈距的变化规律，将试验测量结果与理论模拟结果进行对比分析。
将横向接收天线12旋转90°，重复进行以上测量，可测得ZY电动势信号随线圈距变化规律。将横向天线12作为发射天线，轴向天线11作为接收天线，重复以上测量，可以测得XZ电动势信号随线圈距的变化规律。将轴向天线11作为发射天线，轴向天线15作为接收天线，重复以上测量步骤，可以测得ZZ电动势信号随线圈距变化 规律。
将轴向天线11作为发射天线，横向天线12作为接收天线。确定好轴向天线11与横向天线12的距离以及工作频率，金属短节3与界面100平行，采集和处理接收天线12测得的信号，调整基座1和2的高度，改变金属短节3与界面100的距离，重复以上测量，测得信号随界面距离的变化规律。利用测得的数据进行界面距离反演，并与记录的信号与距离的关系进行对比，验证反演方法的正确性。
将轴向天线11作为发射天线，横向天线12作为接收天线。确定好轴向天线11与横向天线12的距离以及工作频率，金属短节3位于界面100位置处，采集和处理横向天线12测得的信号。改变盐水溶液200电导率，重复以上测量，测得界面100处电动势幅度信号与界面两侧电导率差的变化规律。
将轴向天线11作为发射天线，横向天线12作为接收天线，确定好天线11与天线12的距离以及工作频率，金属短节3与界面100平行，调整驱动机构10转速，让驱动机构10带动金属短节3转动，将一周分为N(N≧4)个扇区，分扇区进行信号采集和处理信号，通过方位测量装置20实时采集和记录横向天线12的指向方位。处理得到电动势信号随天线方位角的关系，以及界面的方位走向，并与试验环境对比验证数据处理方法的正确性和有效性。
如图3所示，将轴向天线11、17作为发射天线，横向天线12作为接收天线，轴向天线11、17与横向天线12之间的距离相同。确定好发射天线11、17与接收天线12的距离以及工作频率，通过调整两 个基座1和2的高度，使金属短节3与界面100法线的夹角为80°。分别测量轴向天线11发射，横向天线12接收，单发单收测量模式下电动势的信号幅度，以及轴向天线11、17发射，横向天线12接收，双发单收对称补偿模式下电动势的信号幅度。保持相对夹角不变，改变金属短节3与界面100的距离，重复以上测量，得到该相对夹角情况下信号幅度与界面距离的关系。
分别改变金属短节3与界面100法线的夹角，重复上述测量步骤，得到不同夹角情况下信号幅度与界面距离的关系。
将轴向天线11、17作为发射天线，横向天线12、13作为接收天线，轴向天线11、17分别与横向天线12、14之间的距离相同。确定好发射天线与接收天线的距离以及工作频率，通过调整两个基座1、2的高度，使金属短节3与界面100法线的夹角分别为为80°，分别测量轴向天线11发射，横向天线12、14接收，单发双收模式下电动势信号幅度，以及轴向天线11、17发射，横向天线12、14接收，双发双收对称补偿模式下电动势信号幅度，得到该相对夹角情况下信号幅度与界面距离的关系。
分别改变金属短节3与界面100法线的夹角，重复上述测量步骤，得到不同夹角情况下信号幅度与界面距离的关系。