感应测井线圈系探测特性实验设计及测量
张丽华 潘保芝 单刚义 范晓敏 郭宇航
摘 ?要 钻井地球物理勘探是吉林大学地探学院勘查技术与工程专业和地球物理学专业的一门主干课程，该课程的理论与实践结合很紧密，一个重要环节就是实验教学。感应测井是研究岩石电学性质的一种测井方法。根据感应测井的测量原理，设计模拟导电环和刻度环，实现六线圈系的纵向几何因子和径向几何因子的测量。该实验可为兄弟院校测井相关课程的本科实验教学提供实验参考和指导。
关键词 感应测井;六线圈系;纵向几何因子;径向几何因子;实验教学
中图分类号：G642.423 ? ?文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）16-0113-03
Design and Measurement of Detection Characteristic of Induc-tion Logging Coil System//ZHANG Lihua， PAN Baozhi， SHAN Gangyi， FAN Xiaomin， GUO Yuhang
Abstract Drilling Geophysical Exploration is one of the main courses
of exploration technology and engineering specialty and geophysics major which combines theory with practice very closely. Among them， experimental teaching is an important part of the course system. Induction logging is a logging method to study the electrical properties of rocks. According to the measurement principle of induction logging， the analog conductive ring and calibration ring are
designed to measure the longitudinal and radial geometric factors of the six-coil system. This experiment can provide experimental reference for undergraduate experiment teaching of logging related courses.
Key words induction logging; six-coil system; longitudinal geome-tric factor; radial geometric factor; experimental teaching
1 引言
在钻孔中进行的各种地球物理勘探方法，统称为钻井地球物理勘探，工业部门通常简称测井[1]。测井的方法很多，根据电磁感应原理研究岩石电学性质的测井方法称作感应测井。这种方法在井内介质不导电的情况下也可以使用。即使是在一般导电的水基泥浆井中，感应测井也具有很多优点，因此应用比较廣泛[2]。
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》要求“加强实验室、校内外实习基地、课程教材等教学基本建设，强化实践教学环节”。国内外高校的教育模式说明，实验以及实践教学是培养科学人才必不可少的途径，是联系抽象思维与具体实际的纽带，是结合感性认识与理性认识的桥梁[3-7]。创新来源于实践，实验教学对学生创新能力的培养起着极其重要的作用[8]。
2 原理
感应测井是基于电磁感应原理。感应测井的仪器中装有发射线圈T和接收线圈R，如果给发射线圈T通交变电流i0，i0会在周围的介质中产生一个交变的电磁场H，处在交变电磁场中的导电介质继而会感应出环形电流i1。i1在接收线圈R中引起二次磁场并产生感应电流i2，如图1所示。环形电流i1的大小会影响接收线圈中感应电流的大小，而环形电流的强度又主要受岩石的导电性影响。因此，要知道岩层的导电性，可以测量接收线圈中的感应电流或电动势。
感应测井仪的主要部件是线圈系，它的性质影响感应测井的效果，决定探测深度和分层能力[9]。为得到质量好的曲线[1]，线圈系的径向特性应该使得钻孔对测量结果的影响最小;线圈系的纵向特性应该分层能力强，即上下围岩对测量结果的影响很小;如果上下围岩电导率相同且地层是均匀的，曲线应该对称;线圈系总的直接耦合电动势等于零。表征线圈系特性的方法很多，但如果为了了解线圈系的探测深度和分层能力，应该研究它的径向和纵向特性。
图2是单元介质环、发射线圈T和接收线圈R的位置关系示意图。若在发射线圈中通以交变电流i=Isinωt，则由单元环中产生的涡流在接收线圈中产生的感应电动势为：
整理上式得：
式中，是线圈系系数，是单元环的几何因子，与单元环和线圈的相对距离、位置有关。可以证明：
从上式可以得出：如果是全空间，则地层的几何因子是1。
3 实验设计
当前感应测井多使用六线圈系（图3），T0是主发射线圈，R0是主接收线圈，它们之间的距离是0.8 m，也叫作0.8 m
六线圈系[10]。R1是辅助接收线圈，T1是辅助发射线圈，它们主要是改善线圈系的径向特性和消除井的影响;R2是聚焦接收线圈，T2是聚焦发射线圈，它们主要是改善线圈系的纵向特性。在图3中，圈数用线圈下面的数字表示，线圈的连接方向用数字前面的符号表示，正表示与主线圈连接方向相同，负表示相反。
在垂直于线圈系轴的方向上的不同位置，介质对读数影响的相对大小称作线圈系的径向特性。在沿线圈系轴线方向的不同位置，介质对读数影响的相对大小称作线圈系的纵向特性。为此，设计不同半径的模拟导电环（图4），导电环的半径有10 cm，15 cm，20 cm，30 cm，…，80 cm，共九个。把模拟导电环放在仪器记录点上（图5的圆环位置），从中心开始，每次接通一个模拟导电环，来探测径向几何因子。刻度环是直径为60 cm的铜导电环（图6），一端可以接电阻箱。把刻度环放在仪器记录点上（图5的圆环位置），从记录点开始，沿着线圈系每隔10 cm移动一次刻度环，记录仪器读数，一共移动13次，探测纵向几何因子。
4 实验步骤
1）将刻度环套在线圈系的记录点上（线圈系的中点，画有红线），将感应测井仪面板上的“交流粗调”旋钮逆时针方向旋转到头，“直流调节”旋钮也应逆时针方向调到较小的位置上。
2）接通总电源开关，注视交流电流表上的指示，调节“交流粗调”使指针指示500 mA。
3）接通“直流高压开关”，用“直流调节”旋钮将下井电流调到100 mA，使仪器通电预热，进入稳定的工作状态。
4）测量线圈系的纵向探测特性时，从记录点开始，每隔10 cm移动一次刻度环，记录仪器读数。
5）测量线圈系的径向探测特性时，从中心开始，每次接通一个导电环，记录仪器读数。
5 测量结果
应用上述仪器，得到的几何因子数据如下：
图7是0.8 m六线圈系的径向特性曲線，可以看出，靠近线圈系附近的几何因子几乎等于零，说明井内介质对读数的影响大大减小了。图8是0.8 m六线圈系的纵向特性曲线，可以看出，线圈系范围以外的纵向微分几何因子曲线迅速降低，说明线圈系范围以外介质的影响大大减小了。这就说明六线圈系满足为获得好的感应测井曲线，对感应测井仪线圈系的基本要求。
6 结语
钻井地球物理勘探是通过地球物理方法解决钻孔中的地质与工程问题的一套测井技术方法，具有很强的实践性。通过设计的感应测井线圈系特性实验，学生了解了感应测井曲线测量原理和感应测井仪器工作原理，动手测量了径向几何因子和纵向几何因子，培养了实践能力，增强了感性认识，对理论知识理解得更深刻。本实验可为大学地球物理类专业的本科实验教学提供参考和启示。
参考文献
[1]李舟波，潘保芝，范晓敏，等.钻井地球物理勘探[J].5版.北京：地质出版社，2016.
[2]张庚骥.电法测井[M].山东：石油大学出版社，1996.
[3]张丽华，潘保芝，范晓敏，等.测井过程实验教学动态演示装置[J].实验技术与管理，2017，34（12）：71-73，84.
[4]肖剑荣，李明，王志勇，等.应用物理学专业实验课程与培养模式改革与实践[J].高教学刊，2018（23）：127-129，132.
[5]张莉丽.专业实验对地下水动力学教学的促进作用[J].大学教育，2018（11）：92-94.
[6]周静，刘全菊，张青.新工科背景下实践教学模式的改革与构建[J].实验技术与管理，2018，35（3）：165-168，176.
[7]李颖，尹文萱.构建实验教学质量保障体系 培养矿业特色创新人才[J].实验室研究与探索，2018，37（11）：226-229，232.
[8]陈岗，胡亮，高淑贞，等.综合性大学本科实践教学体系的建设与思考[J].中国大学教育，2013（11）：76-77.
[9]冯启宁.测井仪器原理：非电法测井仪器[M].山东：石油大学出版社，1991.
[10]张庚骥.电法测井（下）[M].北京：石油工业出版社，
1986.
