新型高分辨率感应线圈系的设计与分析

    熊长华+熊长伟+张俊国+李少华

    

    

    

    摘 要：感应测井最初应用在干井或泥浆不导电的井中，随着技术的改进逐步应用于各种性质泥浆的井中，因此感应测井得到广泛的应用。新型的高分辨率感应测井，由地面控制系统、与地面连接的电缆、绝缘短节、数字电路短节、高分辨率感应模拟电路、球形数字聚焦模拟电路、高分辨率感应线圈系和球形数字聚焦电极系组成。为了成像测井系统总体的开发，文章特研制一种新型的高分辨率感应线圈系。

    关键词：成像测井系统；高分辨率感应线圈系；结构设计

    高分辨率感应测井，包括地面控制系统、与地面连接的电缆、绝缘短节、数字电路短节、高分辨率感应模拟电路、球形数字聚焦模拟电路、高分辨率感应线圈系和球形数字聚焦电极系组成。该测井方法的特征是：将高分辨率感应线圈系和球形聚焦电极系结合在一起，线圈系包括发射线圈和接收线圈，利用发射线圈的产生等幅、稳频的交变电流，通过接收线圈中的感应电动势形成两个分量，即与发射电流相位相同的分量为实部（R）信号，与发射电流相位异相的分量为虚部（X）信号；电极系通过测量主电极与回流电极之间的测量电流和主电极与屏蔽电极之间的聚焦电流之比值IB/IM，以及测量电压，进行数字聚焦；线圈系的信号与高分辨率感应模拟电路连接，电极系的信号与球形数字聚焦模拟电路连接。

    1 线圈系的设计

    新型感应线圈系由一个发射线圈和5个接收线圈组成，如图1所示。每个线圈系包含一个接收线圈和一个屏蔽线圈。新感应线圈系由密封接头、8个屏蔽密封塞组件、一个自然电位组件、一个发射线圈组件、5组接收线圈组件、5组屏蔽线圈组件、热敏电阻隔套、玻璃钢芯棒、连接套和压力平衡组件等共同组成。由于感应线圈系的特殊性，除密封接头、三芯屏蔽密封塞组件、连接套和压力平衡组件用金属材料，SP组件用铜，其余零件均用非金属材料。

    T为发射，B为屏蔽，R为接收。

    T（匝数，中心位置，线圈长度）发射线圈直径0.6 mm。

    B（匝数，中心位置，线圈长度）。

    R（匝数，中心位置，线圈长度）屏蔽线圈直径、接收线圈直径0.2 mm。

    新感应线圈系上共有11个尺寸规格各不相同的骨架。骨架材料选用氮化硅（Si3N4）或氧化锆做基体的陶瓷材料。陶瓷材料应具有高的绝缘性和化学稳定性，良好的力学性能和加工性能，并有耐冲击、震动、膨胀及有一定的柔性。发射线圈骨架上要缠绕180匝线径为0.6 mm的高温漆包线。为了缩短陶瓷骨架的长度采用两层绕制。接收线圈骨架上要分别缠绕80，130，200，320，500匝线径为0.2 mm的高温漆包线，采用对称绕制，根据长度不同共有5种规格的接收线圈骨架，如图2所示。

    以上各11种线圈的陶瓷骨架加工完成以后，清洗、高温除湿、缠绕各自匝数和线径的高温漆包线经喷漆、烘干、焊Φ1镀银线、涂3145胶并在两侧Φ60上粘侧屏蔽栅之后进行线圈系骨架组装。

    2 分析计算

    由于线圈系采用活塞平衡的方式，因此采用了压力平衡组件，该组件需要保证在以下3种情况下的平衡。

    （1）常压下在烘箱内加温到175℃情况下的压力平衡。

    （2）常温、140 MPa情况下的压力平衡。

    （3）高温175℃，140 MPa情况下的压力平衡。

    常温高压情况下，甲基硅油（201型100cs）在高压的作用下被压缩，使活塞左移，常压高温的情况下，硅油膨胀，使活塞右移，常温高压的活塞位移与常压高温时的活塞位移叠加，可得高温高压情况的活塞位移。由于常温高压与常压高温活塞位移的作用方向相反，该组件只要保证前两种工作情况的平衡，就可以保证第3种工况下的平衡，以下是对线圈系中硅油体积的变化进行的计算。

    2.1 压力影响

    根据相关资料，硅油所受压力增大时，其体积会减小，体积的变化量可以由下式计算：

    将各参数代入式（1）中，对于液体压缩率，取其上限值，。

    2.2 温度影响

    根据相关资料，液体温度升高时，其体积会增大，体积的变化量可以由下式计算：

    式中：温—液体体积的变化量

    将各参数代入式（2）中，对于液体热膨胀系数，取其上限值，；对于温度变化量，忽略对地下深层温度影响微弱的地表温度。

    2.3 综合影响

    假设地温与地压梯度为理想情况，地温=0.03℃/m，即每100 m地温上升3℃计算；泥浆比重ρ=2.5g/mm3计算，即每100 m泥浆地压上升约2.5 MPa计算。对于压力变化量，忽略地面影响微弱的大气压（1 bar=0.1 MPa），如果地面温度为0℃，则5 800 m时，温度为174℃，压力为145 MPa。则：

    常温加压145 MPa，硅油体积减小百分比为

    按加压后活塞向左移动至其端面距离钢筒端面15 mm计算，可得出常温加压后的硅油体积为 2.375 L。

    由此可得，常温常压下，应注入的硅油体积为

    常温加压的压缩位移为

    常压加温后的硅油膨胀位移为

    按加温到175℃时，活塞右端面距离钢下堵头左端面为15 mm计算，得钢筒内腔左端面距离下堵头左端面距离应不小于68.50+106.34+15+80+15= 284.9 mm。

    3 结语

    新研制的高分辨率感应线圈系具有良好的一致性、重复性，薄层探测特性好，纵向分辨率高；对于复杂井况的探测适应性更强。对定量描述径向侵入特性，判断油水层分界面、确定含油饱和度等方面具有重要的作用。广泛适用于低阻复杂非均质岩层的测井需求，能有效地识别油气层，确定油气储量。该仪器在我国各大油田测井作业中取得了较好的资料，并得到用户的好评，同时也取得了巨大的经济效益。

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