一种随钻传播电阻率测井仪器设计思路[论文]
随钻测井系统机械结构论文【论文】
随钻测井系统机械结构论文１电磁波电阻率随钻测量系统１．１系统工作原理及组成电磁波电阻率随钻测量系统主要由发射天线、接收天线、电路仓体和对接结构等几大部分组成。
天线系统采用“四发双收”的方式和结构，工具上端和下端各有２个发射天线，工具中部设有２个接收天线。
工具侧壁设有测量控制电路仓体，工具中心设有泥浆通道，两端的公扣和母扣端有数据对接系统，用来实现与上下相邻工具之间数据交换与供电的功能。
电磁波电阻率随钻测量是一种重要的电阻率测井方法，在各种不同类型的钻井液中都能够进行测量。
它的工作原理基于电磁波在穿越地层时产生的衰减和相位移。
由于穿越不同的地层会导致产生不同的衰减和相位移，通过测量电磁波的衰减和相位移就可以确定地层的介电常数和电阻率。
电磁波电阻率随钻测量系统就是利用这一原理，由发射线圈向地层发射电磁波，再由不同的接收线圈接收电磁波，根据接收到的电磁波的相位差和幅度比来确定地层的电阻率。
１．２技术难点电磁波电阻率随钻测量系统受结构尺寸的影响，设计空间小，机械结构较为复杂，强度和可靠性要求高，具有以下几个主要的设计难点：１）设计空间小，受工具直径尺寸的限制，中心预留泥浆通道后，可供使用的空间极为有限，对机械设计工作带来了很多的限制。
２）机械结构较为复杂，工具设有４个发射天线，２个接收天线，天线内设有线圈，需要与控制电路进行连接通讯，整体结构较为复杂。
３）系统处于高温高压的工作环境下，并且要传递钻压和转矩，对工具的强度和可靠性提出了很高的要求。
４）系统工作在流动的高压泥浆中，系统内部的电路控制系统和天线线圈需要进行隔离绝缘处理，对整个系统的密封性能提出了很高的要求。
１．３解决方案针对系统机械设计中遇到的技术难点，经过科学论证和反复试验，提出了４点解决方案。
１）根据随钻工具轴向尺寸大、径向空间小的特点，充分利用空间，精简结构进行设计。
２）在系统机械设计中，避免出现导致强度储备不足的薄弱环节，对强度薄弱的部位进行优化改进，以减少应力集中，增加强度储备。
随钻电磁波电阻率测井仪结构设计与性能分析
随钻电磁波电阻率测井仪结构设计与性能分析传统的电缆测井需要占用大量的钻机在用时间,井眼环境、围岩状况以及泥浆滤液的侵入等严重影响了常规测井的数据质量和对油层真电导率的正确评价。
随钻测井可实时提供反映地层真实信息的资料,在地层特性的准确评价、地质导向、降低作业风险和成本等方面意义重大。
随钻电磁波电阻率测井是随钻测井的一个重要部分,国外公司已经推出商业化的产品,国内技术尚不成熟。
课题组旨在研制具有自主产权的电磁波电阻率测井仪器,本文从测井的建模与仿真出发,进行测井仪线圈系参数和结构的确立以及测井响应的分析等工作,主要工作如下:针对随钻电磁波电阻率测井仪结构设计与性能分析问题,本文在理论分析的基础上采用了时域有限差分方法进行建模仿真研究。
首先,通过比较分析不加钻铤均匀地层下的仿真结果与理论计算结果来验证所选方法的可靠性。
然后,建立均匀地层下的测井仿真模型,从理论分析和仿真结果两个方面考虑,最终确定测井仪的线圈系参数与结构。
针对所设计的测井仪性能的确定以及测井响应曲线的解释问题,本文通过建立复杂地层模型来展开研究,完成井眼、泥浆侵入、地层厚度和井眼坍塌等因素对测井响应的影响规律的分析,同时也完成了特定地层模型下测井仪的探测深度,垂直分辨率以及井眼补偿等探测性能分析,这些分析对测井数据的解释、测井仪探测性能的确定以及线圈系参数的优化具有重要的理论指导意义。
针对利用仿真建模进行测井仪结构设计与性能分析的可靠性验证问题,设计了室内响应测试实验。
先通过仿真确定选用欠采样下的FFT法来提取幅值比和相位差。
然后,通过对实验结果与仿真结果的对比分析,完成了测井仪结构设计与性能分析的可靠性验证,同时完成了测井仪原理样机功能可实现的验证,这为原理样机的改进与户外实验等提供了理论基础与保障。
随钻电阻率测量技术研究(一).
随钻电阻率测量技术研究(一)随钻电阻率测量技术研究张振华摘要：随钻测井LWD(logging while drilling)是在钻井的过程中，同时进行的用于评价所钻穿地层的地质和岩石物理参数的测量，主要有电阻率、放射性、声波及核磁等随钻测井技术。
本文简要的介绍了贝壳NAVITRAK的结构组成；主要分析了补偿式天线和电阻率电子部分的工作原理。
关键词：LWD；电阻率（MPR）；衰减；相位；SONDE；PADDLE 1 前言由于油田区块的开发己经到了中后期，为了开发薄油层以及残余油，地质导向仪器己经变得相当重要。
另外这些区块的地质构成及地层描述都已相当清楚，再利用邻井的测井资料，就可以定性和定量描述开发地层的地质构成、各层位的孔隙度、地层骨架的岩性及密度。
在这种情况下，只要使用MWD+自然伽玛+电阻率组成的LWD，就可以满足定向轨迹测量和地质导向的要求。
图1 贝壳休斯LWD井下仪器示意图 2 NAVIMPR仪器简介贝克休斯公司（Baker- Hughes）的随钻测井系统NAVIMPR的井下仪器主要由脉冲发生器（UPU）、探管（PROBE）、M30短节、MPR电阻率和井斜伽玛（SRIG）几大模块组成，探管由整流模块（SNT）、驱动模块（SDM）、存储器（MEM）、定向模块（DAS）和伸展电子连接头（EEJ）等组成，仪器总长13. 02 m。
井下仪器示意图如图1所示。
仪器中有一个涡轮发电机，钻井液冲击涡轮产生交流电，经SNT整流后，供给各个电路模块。
MPR( Multiple Propagation Resistivity )有4个发射极、2个接收极，可以发射和接收频率为2 MHz和400 kHz的两种脉冲，考虑到相位延迟和衰减，共可接收32种脉冲信号。
由4个发射极向地层分别发射2 MHz和400 kHz的电磁波，不同岩性的地层对电磁波的相位延迟或衰减不同的，从而通过泥浆脉冲经过地而传感器传到地面设备中，进行解码。
随钻电阻率测井原理浅析
随钻感应电阻率测井原理浅析1．电阻率的概念2．电阻率的测量方法3．电阻率的电极系分布4．电阻率测量的数学模型几何因子理论摘要：本文通过对Geolink公司TRIM工具测井原理的剖析，详细介绍了感应电阻率测井的原理，并将电缆测井与随钻测井进行比较主题词：MWD 电阻率感应测井原理浅析随钻测量（MWD—Measurement While Drilling），是一项在钻井过程中，实时对井底的各种参数进行测量的技术，MWD的最大优点在于它使得司钻和地质工作者实时看到井下正在发生的情况，可以极大的改善决策过程。
随钻测量技术极大的推动了钻井技术的发展，为地层评价提供了新的手段，由于可以直接观测井下工程参数，这就为钻井的进一步科学化提供了有利的条件，及时获得地层资料对于准确评价地层和进行地层对比以及油藏描述也具有重要的意义。
MWD系统测量的一个十分重要的方面就是电阻率地层评价测井。
自从八十年代中期起，就有许多种不同的MWD电阻率被测试并投入市场，包括16’’短电位电阻率，聚焦电阻率（有活动和被动聚焦能力），基于电极的装置（可利用钻头或接触按钮），目前Sperry-Sun Drilling Service服务公司的多空间1~2MHz“电磁波电阻率相位测井”是工业上唯一商业化的、真正的多探测深度的电阻率测井工具。
Geolink公司应广大用户的普遍要求，也制造生产出随钻电阻率工具，它将MWD仪器测井结果与通常使用的电缆感应（20KHZ）测井相关联，用这种方法得到的响应与电缆深感应测井的探测深度相类似，其垂直分辨率优于电缆中感应测井。
这种探测深度可以减少井眼环境及泥浆侵入地层对测量产生的影响。
因而不需要对在不同泥浆（水基、油基、气基及泡沫基钻液）中作业中所产生一系列复杂的环境影响进行校正，就能够得到Rt （地层真实电阻率值）。
电阻率的概念一种物质的导电性是指这种物质传导电流的能力，常用电阻率这一物理量来表示，导电能力差的物质电阻率高，导电能力好的物质电阻率低。
随钻电阻率测井仪器的实现
随钻电阻率测井仪器的实现黄忠富 黄瑞光(武汉华中科技大学) 陈 鹏(江汉测井研究所)摘要黄忠富,黄瑞光,陈鹏.随钻电阻率测井仪器的实现.测井技术,2002,26(2):172～175介绍最新研制的随钻电阻率测井仪器的测量原理、实现方法,并具体分析电路硬、软件的设计以及元器件选择中应注意的问题。
多次模拟运行试验表明,该仪器达到了设计指标,性能良好,稳定可靠。
关键词: 随钻测井 电缆测井 电阻率 测井仪器 原理 设计ABSTRACTH u ang Zhongfu ,H u ang R uigu ang ,Chen Peng.Development of MW D R esistivity Logging T ool.W LT,2002,26(2):172-175A new MW D resistivity logging tool has been developed.Its measurement principle ,im plementation ,hardware and s oftware designs are introduced.Problems to be n oticed in circuit design and com ponents selection are als o indi 2cated.Simulating tests sh ow this toolis up to the design standards ,better in performance and m ore reliable in quali 2ty.Subjects :MW D cable logging resistivity logging instrument principle design引言随钻测井(Measurement While Drilling )是一种比较新的技术,和传统的电缆测井相比较,随钻测井具有实时性好、测井精度高、节省测井成本等优点[1],并且当一些井不能用电缆测井,或者在某些特殊地层条件下操作困难、花费钻井时间过多的时候,就必须用随钻测井代替电缆测井。
一种随钻小直径电磁波电阻率测井仪器
美国APS最新随钻产品介绍— 3.75英寸外径电磁波传播电阻率工具美国APS石油技术有限公司在瓦林福德举行了一场商业发布会，在会上主要展出了用于小井眼的全新尺寸的全数字化电磁波传播电阻率工具。
这个外径3.75英寸（95毫米）的工具有效地全方位地扩充了APS石油技术有限公司现存的电磁波电阻率工具的尺寸范围：3.50英寸（89毫米），4.75英寸(121毫米)，6.75英寸(171毫米)和8.00英寸(203毫米)。
这个新设备的使用范围比3.50英寸的电磁波电阻率工具要大。
使电磁波电阻率工具与较大的井下动力钻具更加配套。
目前美国APS石油技术有限公司的所有传感器工具都采用全数字化电子技术，尤其是在超高温环境下，这种算法语言能提高测量范围以及测量精度，并且被可以重复使用。
这种新型数字电子技术还有降低功耗的额外功能，因此能够延长电池寿命。
电磁波传播电阻率工具可以在最高设定温度150°C(302°F)和175°C (347°F)条件下应用。
作为美国APS石油技术有限公司设备持续改进项目的一部分，在将来可能会对老式的工具安装全数字电子技术实现技术的升级。
电磁波电阻率短节(WPR)APS公司的WPR短节采用空间补偿、双频率（400kHz和2MHz）、双源距设计，用于替代各类型的井中所应用的电缆测井和钻后测井。
其应用包括地质导向、井眼修正、井眼压力趋势分析、选择套管深度、替代电缆测井、起下钻时测井和非常规钻井液环境下的测井（空气或泡沫钻井）。
WPR天线为对称设计，中置接收天线，该设计能提供实时测量补偿，消除由于延时测量带来的泥浆侵入影响，并通过双频率频段提高数据的精确度。
WPR能在各种类型的钻井液中工作，如油基泥浆、饱和盐水等。
并以灵活的传输方式提供实时电阻率数据。
高分辨率的数据存储在井下内存里，以便于起钻后下载和处理。
APS公司为WRR提供一套完整的软件以用于井眼修正和操作WPR，其中包括一套可用于地质导向的地层倾角模型。
一种随钻传播电阻率测井仪器的设计思路
参考文献
［ １ 】 施建华。 余元华． 环境因素对随钻测井测量结果 的影响【 Ｊ 】 ｌ 西安石油学院学 报， １ ９ ９ ６ ， １ １ （ ３ ） ． 【 ２ 】 刘迪军， 冯启宁． 超低 功耗井 下监测仪器 设计【 Ｊ 】 ． 测井技术 ２ ０ ０ ０ ， ２ ４ （ ２ ） ． 【 ３ 】 张庚骥 电法测井ｆ Ｍ】 ． 北京： 石油工业 出版社， １ ９ ８ ４
一
种 随钻传播 电阻率测 井仪器 的设 计思路
杨 华 荣
（ 长江 大 学工程技 术 学院 湖北 ・ 荆州 ４ ３ ４ ０ ２ ３）
要 调研 目前 国内外的主要 随钻 电阻率仪器 ， 总结各 自特性和优缺点 ， 取长补短设 计 了一种新型的随钻传播电阻
摘
率仪器 ， 并 分 析 了其 具 体 的测 量 方 式 、 实现 方 法 ， 并付 诸 实 践 ， 从 电子 线 路 、 软 件 设计 、 硬 件 匹配 等 方 面 ， 分 析 选 择 电子 器 件 的 注 意 事 项和 优 缺 点 。 通过 模 拟 测量 实验 ， 分 析 认 为 仪 器 达 到 了设 计 目标 、 性能稳定 ， 测量准确。
抗振设计及其可靠密封等 。 最后通过模拟井下随钻测井环境 ， 运行 良好 ， 试验表 明， 该仪器能够完成各项设计指标要求， 性
能 良好 ， 稳 定可 靠 。
图 １常规随钻电阻率仪 器结构图 ２传播 电阻率测井仪器 的设计与实现 笔者设计的随钻传播 电阻率仪器 ， 主要结构 图如图 ２ ， 该 系统的测量主要装置安装在接近钻头的特殊钻杆 以内，该钻 杆性质指标优异 ， 它的探测装置采用单发双收的结构 ， 主要 由 钻杆上的发射线 圈、 和钻杆下部的两个接收线圈组成 ， 工作的
随钻电磁波传播电阻率测井
������ℎ ������������ （3）
。
从各项异性和相对倾角对相移电阻率和衰减电阻率影响关系图版（图 3）中可以看出: 1 当增大时，视电阻率 Ra 增大。对于不同源距的 Ra，随着的增大，地层各向异性的影 响也会增大。 2 当<40 度时，地层各向异性的影响较小。 3 当>40 度时，地层各向异性的影响较大。对于不同源距的仪器，各校正曲线不重合， 且相移电阻率的分离程度大于衰减电阻率的分离程度。 随钻测井过程中，地层各向异性是最主要的影响因素，必须对其进行校正。在相对倾角 较小时，影响较小，且随着 H 的增大，地层各向异性的影响也会增大，当视电阻率 Ra 增大 时，地层各向异性对深探测的影响大于对浅探测的影响。
朱頔等 2008 年发表文章 “水平井随钻测井曲线的对比分析与校正” ， 文中将随钻电阻率 测井曲线与电缆测井曲线进行对比， 对比结果显示经校正后的随钻测井响应更能反映地层真 电阻率。 在水平井或大角度斜井中， 绝大多数仪器会受到井斜或地层倾角的影响， 使所得曲线 “变 形” ， 不能真实反映地层电阻率。 如果钻开水平井， 测量电流会流过地层的水平面和垂直面， 视电阻率 Ra 由 Rh 和 Rv 共同组成。 设泥-砂-泥 3 层从上到下的厚度在整个模型中所占的比例依次为 a、b、c，它们满足的 关系式为 a+b+c=1。上围岩、砂岩、下围岩电阻率值依次为 R1、R2、R3。用水平层状的 3 层 介质模型模拟水平井中各向异性地层的平面模型（图 2） 。
夏宏泉等 2007 年发表文章 “随钻电阻率测井的各向异性影响及校正方法研究” ， 文章分 析了随钻电阻率测井与各向异性和相对倾角的关系， 对校正图版曲线采用最优拟合得到校正 公式，来实现随钻电阻率测井的各向异性的自动校正。 1 地层电性各向异性和相对倾角对随钻电阻率的影响研究 在大斜度井和水平井测井中， 大部分仪器的测量会受到井斜或地层倾角的影响， 使所测 量的测井曲线“异常”和“变形” 。在垂直井中，如果地层是水平的，则仪器测量的是水平 电阻率。 但如果仪器在钻开同样地层的水平井中， 则测量电流会流过地层的水平面和垂直面， 视电阻率测量值 Ra 是水平电阻率 Rh 和垂直电阻率 Rv 的合成。假设在水平井中地层各向异 性，垂直层界面方向的电阻率为 Rv，平行层界面方向的电阻率 Rh，径向上（与地层平行的 方向）为各向同性，可以推到出地层视电阻率 Ra 与 Rh、Rv 的关系为： ������������ = ������ℎ ������������������ 2 ������ + ������������������2 ������ ������2 （1）
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一种随钻传播电阻率测井仪器的设计思路
摘要调研目前国内外的主要随钻电阻率仪器，总结各自特性和优缺点，取长补短设计了一种新型的随钻传播电阻率仪器，并分析了其具体的测量方式、实现方法，并付诸实践，从电子线路、软件设计、硬件匹配等方面，分析选择电子器件的注意事项和优缺点。
通过模拟测量实验，分析认为仪器达到了设计目标、性能稳定，测量准确。
关键词随钻电阻率测井仪器设计
中图分类号：p631.8 文献标识码：a
随钻测井技术（measurement while drilling）是一种全新的测井技术，主要伴随着水平井和大斜度井的发展而发展起来的一种测井技术，它不同于电缆测井技术，随钻测井是在钻井的过程中，随着钻井仪器的钻井，随钻测井便实时的开始测量地层参数，因此，随钻测井技术时效性非常强，测井的精度也必将非常高，另外由于不需要将钻杆等取出井再进行测量等操作，将测井的成本控制到了最小，并且在某些情况下，电缆测井无法使用，如水平井的水平段，常规电缆测井无法进行测量，或者钻井时间过长的时候，都需要使用随钻测井来代替电缆测井。
1 一般随钻电阻率仪器的工作原理
图1为西方阿特拉斯公司最早设计的随钻电阻率测井的收发线圈系统，分别有一个发射线圈tc，两个接收线圈rc，因此这种结果就会在地层中形成2个变压器结构，钻杆起到了承接的作用，对发
射线圈而言，其相当于变压器的次级，而对接收线圈而言，其相当于变压器的初级。
其工作原理是，在钻井的过程中，电阻率仪器开始工作，首先给发射线圈供以交变激励电流，然后再两个等效变压器上会产生一定的电动势，以便在钻杆和地层之间形成电路回流，使电流进入地层获取地层信息，如此在钻井深入的过程中，电阻率仪器便不断获取地层中的信息。
电流回流到接受线圈时，在接收线圈上会产生感生电动势，测量钻杆上所感生的电动势和接收线圈上所感生的电压即可得到近钻头电阻率。
2传播电阻率测井仪器的设计与实现
笔者设计的随钻传播电阻率仪器，主要结构图如图2，该系统的测量主要装置安装在接近钻头的特殊钻杆以内，该钻杆性质指标优异，它的探测装置采用单发双收的结构，主要由钻杆上的发射线圈、和钻杆下部的两个接收线圈组成，工作的时候发射线圈发射激励电流，电流经过井眼进入到地层中，然后电流流经地层后携带地层的信息回到接收线圈，另外发射变压器会将电流分成两个部分，分别对应发射电极和回路电极，使得电流进入地层更深，同样两支电流进入地层，就使得传播电阻率仪器具有不同的探测深度。
3电子器件的选择
由于随钻仪器安装在钻杆上，因此在钻进的过程中测量，这种方式限制了输电线路的使用，因此通常使用高容量的电池来进行供电，但长时间的井下环境工作，对电池的要求非常高，同时对仪器的体积、功耗和温度都是严峻的考验，必须在选择电子器件的时候
加以考虑，主要是考虑集成电路的工作方式组号以串行方式，另外电阻电容和集成电路都需要需用耐高温的器件，最好选用军方的电子器件标准。
4结论
本文设计的一种随钻传播电阻率测井仪器，其电路功能实现虽然不是很难，但是要求在如此恶劣的环境中可靠运行，因此电路器件的制作工艺要求严谨。
比如上面提到的元器件的选择、仪器与线圈等各部分之间的可靠联接、仪器骨架的抗振设计及其可靠密封等。
最后通过模拟井下随钻测井环境，运行良好，试验表明，该仪器能够完成各项设计指标要求，性能良好，稳定可靠。
参考文献
[1] 施建华，余元华.环境因素对随钻测井测量结果的影响[j].西安石油学院学报，1996，11（3）.
[2] 刘迪军，冯启宁.超低功耗井下监测仪器设计[j].测井技术，2000，24（2）.
[3] 张庚骥.电法测井[m].北京：石油工业出版社，1984.。