新型高分辨率感應線圈系的設計與分析

熊長華+熊長偉+張俊國+李少華

摘 要：感應測井最初應用在干井或泥漿不導電的井中，隨著技術的改進逐步應用于各種性質泥漿的井中，因此感應測井得到廣泛的應用。新型的高分辨率感應測井，由地面控制系統、與地面連接的電纜、絕緣短節、數字電路短節、高分辨率感應模擬電路、球形數字聚焦模擬電路、高分辨率感應線圈系和球形數字聚焦電極系組成。為了成像測井系統總體的開發，文章特研制一種新型的高分辨率感應線圈系。

關鍵詞：成像測井系統；高分辨率感應線圈系；結構設計

高分辨率感應測井，包括地面控制系統、與地面連接的電纜、絕緣短節、數字電路短節、高分辨率感應模擬電路、球形數字聚焦模擬電路、高分辨率感應線圈系和球形數字聚焦電極系組成。該測井方法的特征是：將高分辨率感應線圈系和球形聚焦電極系結合在一起，線圈系包括發射線圈和接收線圈，利用發射線圈的產生等幅、穩頻的交變電流，通過接收線圈中的感應電動勢形成兩個分量，即與發射電流相位相同的分量為實部（R）信號，與發射電流相位異相的分量為虛部（X）信號；電極系通過測量主電極與回流電極之間的測量電流和主電極與屏蔽電極之間的聚焦電流之比值IB/IM，以及測量電壓，進行數字聚焦；線圈系的信號與高分辨率感應模擬電路連接，電極系的信號與球形數字聚焦模擬電路連接。

1 線圈系的設計

新型感應線圈系由一個發射線圈和5個接收線圈組成，如圖1所示。每個線圈系包含一個接收線圈和一個屏蔽線圈。新感應線圈系由密封接頭、8個屏蔽密封塞組件、一個自然電位組件、一個發射線圈組件、5組接收線圈組件、5組屏蔽線圈組件、熱敏電阻隔套、玻璃鋼芯棒、連接套和壓力平衡組件等共同組成。由于感應線圈系的特殊性，除密封接頭、三芯屏蔽密封塞組件、連接套和壓力平衡組件用金屬材料，SP組件用銅，其余零件均用非金屬材料。

T為發射，B為屏蔽，R為接收。

T（匝數，中心位置，線圈長度）發射線圈直徑0.6 mm。

B（匝數，中心位置，線圈長度）。

R（匝數，中心位置，線圈長度）屏蔽線圈直徑、接收線圈直徑0.2 mm。

新感應線圈系上共有11個尺寸規格各不相同的骨架。骨架材料選用氮化硅（Si3N4）或氧化鋯做基體的陶瓷材料。陶瓷材料應具有高的絕緣性和化學穩定性，良好的力學性能和加工性能，并有耐沖擊、震動、膨脹及有一定的柔性。發射線圈骨架上要纏繞180匝線徑為0.6 mm的高溫漆包線。為了縮短陶瓷骨架的長度采用兩層繞制。接收線圈骨架上要分別纏繞80，130，200，320，500匝線徑為0.2 mm的高溫漆包線，采用對稱繞制，根據長度不同共有5種規格的接收線圈骨架，如圖2所示。

以上各11種線圈的陶瓷骨架加工完成以后，清洗、高溫除濕、纏繞各自匝數和線徑的高溫漆包線經噴漆、烘干、焊Φ1鍍銀線、涂3145膠并在兩側Φ60上粘側屏蔽柵之后進行線圈系骨架組裝。

2 分析計算

由于線圈系采用活塞平衡的方式，因此采用了壓力平衡組件，該組件需要保證在以下3種情況下的平衡。

（1）常壓下在烘箱內加溫到175℃情況下的壓力平衡。

（2）常溫、140 MPa情況下的壓力平衡。

（3）高溫175℃，140 MPa情況下的壓力平衡。

常溫高壓情況下，甲基硅油（201型100cs）在高壓的作用下被壓縮，使活塞左移，常壓高溫的情況下，硅油膨脹，使活塞右移，常溫高壓的活塞位移與常壓高溫時的活塞位移疊加，可得高溫高壓情況的活塞位移。由于常溫高壓與常壓高溫活塞位移的作用方向相反，該組件只要保證前兩種工作情況的平衡，就可以保證第3種工況下的平衡，以下是對線圈系中硅油體積的變化進行的計算。

2.1 壓力影響

根據相關資料，硅油所受壓力增大時，其體積會減小，體積的變化量可以由下式計算：

將各參數代入式（1）中，對于液體壓縮率，取其上限值，。

2.2 溫度影響

根據相關資料，液體溫度升高時，其體積會增大，體積的變化量可以由下式計算：

式中：溫—液體體積的變化量

將各參數代入式（2）中，對于液體熱膨脹系數，取其上限值，；對于溫度變化量，忽略對地下深層溫度影響微弱的地表溫度。

2.3 綜合影響

假設地溫與地壓梯度為理想情況，地溫=0.03℃/m，即每100 m地溫上升3℃計算；泥漿比重ρ=2.5g/mm3計算，即每100 m泥漿地壓上升約2.5 MPa計算。對于壓力變化量，忽略地面影響微弱的大氣壓（1 bar=0.1 MPa），如果地面溫度為0℃，則5 800 m時，溫度為174℃，壓力為145 MPa。則：

常溫加壓145 MPa，硅油體積減小百分比為

按加壓后活塞向左移動至其端面距離鋼筒端面15 mm計算，可得出常溫加壓后的硅油體積為 2.375 L。

由此可得，常溫常壓下，應注入的硅油體積為

常溫加壓的壓縮位移為

常壓加溫后的硅油膨脹位移為

按加溫到175℃時，活塞右端面距離鋼下堵頭左端面為15 mm計算，得鋼筒內腔左端面距離下堵頭左端面距離應不小于68.50+106.34+15+80+15= 284.9 mm。

3 結語

新研制的高分辨率感應線圈系具有良好的一致性、重復性，薄層探測特性好，縱向分辨率高；對于復雜井況的探測適應性更強。對定量描述徑向侵入特性，判斷油水層分界面、確定含油飽和度等方面具有重要的作用。廣泛適用于低阻復雜非均質巖層的測井需求，能有效地識別油氣層，確定油氣儲量。該儀器在我國各大油田測井作業中取得了較好的資料，并得到用戶的好評，同時也取得了巨大的經濟效益。

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