隨鉆電磁波測(cè)井儀天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

岳喜洲 馬明學(xué) 李國(guó)玉

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 北京 101149)

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隨鉆電磁波測(cè)井儀天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

岳喜洲 馬明學(xué) 李國(guó)玉

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 北京 101149)

文章采用矢量有限元方法仿真隨鉆電磁波測(cè)井儀器的天線結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)測(cè)量的影響。天線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)周向布置與軸向平行的天線罩和置于其中的鐵氧體。模擬結(jié)果表明，隨著天線罩的長(zhǎng)度、寬度、數(shù)目的增加，信號(hào)強(qiáng)度增加，相位差、幅度比減小。鐵氧體會(huì)顯著增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，但不影響幅度衰減和相位差。

隨鉆電磁波；天線結(jié)構(gòu)；天線罩；鐵氧體；信號(hào)強(qiáng)度

0 引 言

隨鉆電磁波電阻率測(cè)井是隨鉆測(cè)井技術(shù)的核心組成部分，在地質(zhì)導(dǎo)向和實(shí)時(shí)地層評(píng)價(jià)中具有重要應(yīng)用價(jià)值[1]。隨鉆電磁測(cè)井儀器結(jié)構(gòu)比常規(guī)測(cè)井儀器復(fù)雜，天線鑲嵌在無(wú)磁鉆鋌的內(nèi)部，通過(guò)天線窗口實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射與接收。天線罩的長(zhǎng)度、寬度、數(shù)目都會(huì)影響到有用電場(chǎng)分量的衰減程度。為增強(qiáng)發(fā)射信號(hào)和測(cè)量信號(hào)，在發(fā)射、接收天線與鉆鋌之間，有時(shí)需要填充磁性材料。磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)測(cè)量信號(hào)也有一定的影響。Wang，T采用有限差分方法計(jì)算了槽數(shù)和信號(hào)的關(guān)系[2]。魏寶君采用徑向成層格林函數(shù)計(jì)算了發(fā)射天線有通訊槽時(shí)對(duì)信號(hào)的影響[3]。本文采用三維矢量有限元方法研究天線結(jié)構(gòu)對(duì)于隨鉆電磁波測(cè)量的影響，其中發(fā)射天線和接收天線均有天線罩，計(jì)算槽數(shù)、槽寬、槽長(zhǎng)以及對(duì)應(yīng)有鐵氧體時(shí)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和測(cè)量值的影響，對(duì)實(shí)際隨鉆儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信號(hào)影響因素分析具有重要意義。

1 計(jì)算模型

隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀器是一種利用電磁傳播原理來(lái)測(cè)量地層電阻率的裝置。基本的天線系由一個(gè)發(fā)射天線和兩個(gè)接收天線組成，測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收天線中信號(hào)的相位差和幅度比就可計(jì)算出地層的電導(dǎo)率或電阻率。

計(jì)算模型所采用的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)橫截面

圖1為天線處的截面圖。其中由內(nèi)向外依次為鉆鋌、鐵氧體、天線、絕緣填充材料、屏蔽罩。圖1中天線位于鐵氧體和屏蔽罩之間的絕緣介質(zhì)中，并纏繞在鉆鋌上。計(jì)算時(shí)，2個(gè)接收天線和發(fā)射天線距離分別為25 in(1 in=25.4 mm)，33 in，天線直徑為152.1 mm，儀器外徑為172.1 mm，內(nèi)徑為142.1 mm，屏蔽罩厚度為5 mm。鉆鋌和屏蔽罩均為良導(dǎo)體，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。儀器在均勻地層中，地層電導(dǎo)率為1 s/m。

2 矢量有限元方法

隨鉆電磁波測(cè)井問(wèn)題滿足如下的矢量波動(dòng)方程：

×(

根據(jù)變分原理，滿足方程和約束條件的電場(chǎng)的解，等效于下面方程變分公式取極值時(shí)的解。

針對(duì)隨鉆測(cè)井環(huán)境，徑向考慮鉆鋌、鐵氧體、天線、絕緣膠、天線罩、地層的位置，縱向考慮發(fā)射和接收天線的位置，采用柱坐標(biāo)下的四面體網(wǎng)格剖分。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

在利用三維矢量有限元計(jì)算隨鉆電磁測(cè)井響應(yīng)前，必須測(cè)試均勻地層中測(cè)井響應(yīng)計(jì)算與解析解的一致性。將地層填充電阻率設(shè)為0.1Ω·m、1Ω·m、10Ω·m、100Ω·m、1 000Ω·m，計(jì)算其測(cè)井響應(yīng)，然后與解析解計(jì)算結(jié)果比較，求解區(qū)域半徑為25m時(shí)的結(jié)果，如表1所示。幅度比計(jì)算相對(duì)誤差小于0.03%，相位差計(jì)算相對(duì)誤差小于0.11%。對(duì)比結(jié)果表明，三維矢量有限元方法能夠很好地滿足計(jì)算精度，計(jì)算數(shù)據(jù)可靠有效。

表1 均勻地層計(jì)算值與解析解的比較

3.2 天線罩的影響

天線罩是隨鉆電磁波測(cè)井儀信號(hào)接收和發(fā)射的通道，天線罩的數(shù)目、長(zhǎng)度、寬度均對(duì)信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。從理論上講，開(kāi)槽越多，信號(hào)越強(qiáng)。當(dāng)一個(gè)也沒(méi)有時(shí)，天線完全被屏蔽。當(dāng)有1個(gè)或2個(gè)時(shí)，外面開(kāi)始有電磁場(chǎng)，但是由于對(duì)稱(chēng)性差，電磁場(chǎng)的分布過(guò)于復(fù)雜，不利于測(cè)量和解釋。目前看到的最少有3個(gè)開(kāi)槽(斯倫貝謝的MCR；Freyetal.，2006)[4]和4個(gè)開(kāi)槽(美國(guó)科學(xué)鉆井公司的PRT)。主流的傳播電阻率儀器則采用10多個(gè)沿圓周均勻分布的開(kāi)槽。圖2為不同槽數(shù)時(shí)，幅度衰減值和槽長(zhǎng)的關(guān)系。計(jì)算時(shí)，天線罩?jǐn)?shù)為8槽、16槽、24槽，固定槽寬3.5mm，槽長(zhǎng)50mm-130mm，25in接收天線處的電壓值U取20倍的對(duì)數(shù)，即-20×log(U)，變?yōu)榉人p值。地層電導(dǎo)率為1S/m，鐵氧體相對(duì)磁導(dǎo)率取200。

從圖2可以看出，隨著槽長(zhǎng)的增加，幅度衰減減小(信號(hào)強(qiáng)度增大)。相同槽長(zhǎng)，隨著槽數(shù)的增加，信號(hào)強(qiáng)度增大，而且槽數(shù)越多，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度增大的趨勢(shì)減弱。

圖2 不同槽數(shù)幅度衰減和槽長(zhǎng)的關(guān)系

圖3為不同槽數(shù)幅度衰減和槽寬的關(guān)系，固定槽長(zhǎng)50mm?？梢钥闯鲭S著槽寬的增加，信號(hào)衰減減小，信號(hào)強(qiáng)度增大?？紤]固定槽數(shù)，采用16個(gè)槽，計(jì)算不同槽長(zhǎng)、槽寬時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度的變化規(guī)律，如圖4所示。隨著槽長(zhǎng)、槽寬的增加，信號(hào)衰減變小，信號(hào)強(qiáng)度增大。圖4可以用來(lái)確定天線罩的具體規(guī)格，例如信號(hào)強(qiáng)度取81dB，130mm長(zhǎng)的槽只需要槽寬1mm，如果槽長(zhǎng)50mm，達(dá)到相同的信號(hào)強(qiáng)度，則需要設(shè)計(jì)槽寬為20mm。

圖3 不同槽數(shù)幅度衰減和槽寬的關(guān)系

圖4 不同槽長(zhǎng)幅度衰減和槽長(zhǎng)、寬的關(guān)系

天線罩的參數(shù)會(huì)影響到信號(hào)強(qiáng)度，由于隨鉆電磁波測(cè)井測(cè)量值為幅度比和相位差，需要研究這些參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖5、圖6分別顯示了相位差和幅度比隨槽長(zhǎng)和槽寬的變化規(guī)律,其中槽寬34mm代表無(wú)槽，即沒(méi)有金屬屏蔽罩。

圖5 相位差和槽長(zhǎng)、槽寬的關(guān)系

圖6 幅度比和槽長(zhǎng)、槽寬的關(guān)系

由圖5得出，相位差隨著槽長(zhǎng)和槽寬的增加而減少，槽長(zhǎng)越長(zhǎng)，減少量越大。槽長(zhǎng)130mm時(shí)，槽寬為1mm和無(wú)槽時(shí)相比，減少了5.7%左右。相對(duì)應(yīng)于槽長(zhǎng)50mm時(shí)，減少量為0.5%左右。實(shí)際電阻率工程轉(zhuǎn)換時(shí)，特別是槽比較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)該注意這種影響。從圖6可以看出，幅度比的變化和相位差的變化趨勢(shì)近似，都隨著槽長(zhǎng)、槽寬的增加而減小。槽長(zhǎng)130mm時(shí)，槽寬為1mm和無(wú)槽時(shí)相比，減少了4.5%左右。相對(duì)應(yīng)于槽長(zhǎng)50mm時(shí)，減少量為0.4%左右。實(shí)際電阻率工程轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)該注意這種影響。

總之，天線罩?jǐn)?shù)目、長(zhǎng)度、寬度會(huì)對(duì)接收天線處信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響，對(duì)相位差和幅度比的測(cè)量也會(huì)造成影響。在實(shí)際儀器設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮機(jī)械強(qiáng)度和電路指標(biāo)，確定天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且注意考察該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的隨鉆電磁波儀器的測(cè)量值(即幅度比和相位差)的變化。

3.3 鐵氧體的影響

實(shí)際測(cè)井中，根據(jù)測(cè)量的要求需要將接收信號(hào)強(qiáng)度變強(qiáng)，一般采用在空槽底部和天線之間添加鐵氧體，以達(dá)到增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度的目的。下面就來(lái)分析鐵氧體的相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)接收信號(hào)相位差、幅度比和幅值的影響。

任取一種天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有16個(gè)槽，槽長(zhǎng)50mm，槽寬10mm。相對(duì)磁導(dǎo)率為1時(shí)，對(duì)應(yīng)無(wú)鐵氧體的情況，改變鐵氧體的相對(duì)磁導(dǎo)率1～500，得到信號(hào)衰減的變化關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著鐵氧體相對(duì)磁導(dǎo)率增加，信號(hào)衰減減少，信號(hào)強(qiáng)度增大，相對(duì)磁導(dǎo)率為1～10時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度增加速度很快，但是增大到100以后，信號(hào)強(qiáng)度不再明顯增加。工程實(shí)際中，鐵氧體相對(duì)磁導(dǎo)率選取100～200左右即可。隨著磁導(dǎo)率的增加，相位差和幅度比均為減小，但變化量微小，可以認(rèn)為沒(méi)有影響，如圖8、圖9所示。

圖7 幅度衰減和相對(duì)磁導(dǎo)率的關(guān)系

圖8 幅度比和相對(duì)磁導(dǎo)率的關(guān)系

圖9 相位差和相對(duì)磁導(dǎo)率的關(guān)系

4 結(jié) 論

本文利用三維矢量有限元方法計(jì)算了隨鉆電磁波儀器的天線結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)的影響，結(jié)論如下：

1)天線罩?jǐn)?shù)目、長(zhǎng)度、寬度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度均有影響，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨槽數(shù)目、長(zhǎng)度、寬度增加而增大。

2)天線罩?jǐn)?shù)目、長(zhǎng)度、寬度會(huì)對(duì)相位差和幅度比產(chǎn)生影響，隨著槽數(shù)目、長(zhǎng)度、寬度增加，相位差和幅度比減少。

3)天線內(nèi)部通過(guò)添加鐵氧體材料，能夠增加信號(hào)強(qiáng)度，信號(hào)強(qiáng)度隨鐵氧體相對(duì)磁導(dǎo)率增加而增大，相對(duì)磁導(dǎo)率增加到100后對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的增加作用不明顯。實(shí)際工程中，鐵氧體相對(duì)磁導(dǎo)率取200左右即可。

4)幅度比和相位差隨著鐵氧體相對(duì)磁導(dǎo)率的增加而減少，但變化量微小，不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

[1]BittarM,KleinJ,RandyB,etal.Anewazimuthaldeepreadingresistivitytoolforgeosteeringandadvancedformationevaluation[J].SPEReservoirEvaluation&Engineering, 2009, 12(2):270-279.

[2]Wang,T.,Signorelli,J. .Finite-differenceModelingofElectromagneticToolResponseforLoggingWhileDrilling[J],Geophysics, 2004,60(1):152-160.

[3] 魏寶君,徐 丹,王莎莎.通訊槽對(duì)電磁波傳播隨鉆測(cè)量信號(hào)的影響[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011,35(1):56-60.

[4]Frey,M.T.,Argentier,L.,andVarveropoulos,V., 2006,ARetrievableandReseatablePropagationResistivityToolsforLoggingWhileDrillingandLoggingWhileTripping,SPE103066.

·專(zhuān)利技術(shù)·

專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)井儀器及系統(tǒng)

專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺篊N201320323026.0 公開(kāi)號(hào)：CN203285434U

申請(qǐng)日：2013.06.05 公開(kāi)日：2013.11.13

申請(qǐng)人：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所

本實(shí)用新型公開(kāi)了一種測(cè)井儀器及系統(tǒng)。其中，該測(cè)井儀器包括：射線發(fā)射器，用于發(fā)射第一射線；探測(cè)裝置包括：第一探測(cè)器、第二探測(cè)器以及第三探測(cè)器，其中，第一探測(cè)器、第二探測(cè)器以及第三探測(cè)器用于獲取探測(cè)區(qū)域內(nèi)的第一射線的射線信號(hào)；測(cè)量電路，與探測(cè)裝置連接，用于根據(jù)射線信號(hào)獲取計(jì)數(shù)率和譜數(shù)據(jù)；其中，第一探測(cè)器與射線發(fā)射器的距離為第一距離，第二探測(cè)器與射線發(fā)射器的距離為第二距離，第三探測(cè)器與射線發(fā)射器的距離為第三距離，第一距離、第二距離以及第三距離各不相同。通過(guò)本實(shí)用新型，獲取更為準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)率和譜數(shù)據(jù)，提高了對(duì)薄層的測(cè)量精度，從而可以準(zhǔn)確獲取地層的密度值以及光電吸收截面系數(shù)。

(王元蓀 提供)

Simulation of the Design of Antenna Structure of Electromagnetic Wave Propagation Log While Drilling Tool

YUE Xizhou Ma Mingxue LI Guoyu

(ChinaOilfieldServicesLimited，Beijing101149,China)

In this paper, we applied finite element method to simulate the tool response to analyze the impact of the antenna on LWD measurement. The key structure of antenna includes slots and ferrite. the results showed that the signal strength increased, while the amplitude attenuation and phase difference decreased when the number, length, width of slots increased. The simulation proved that the existence of ferrite did not change the phase difference and the attenuation from receivers, however, the ferrite had significant impact on the signal strength.

LWD electromagnetic wave, antenna structure, slots; ferrite, signal strength

岳喜洲，男，1983年生，工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球探測(cè)與信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)，目前在中海油服油田技術(shù)研究院從事隨鉆電磁波儀器研發(fā)工作。E-mail:yuexzh@cosl.com.cn

TE271

A

2096-0077(2015)01-0016-04

2014-09-04 編輯：姜婷)