阅读说明：本技术 一种随钻远探测电磁波电阻率测井仪器刻度方法与装置 (Method and device for calibrating logging instrument for remotely detecting electromagnetic wave resistivity while drilling ) 是由 朱军 周强 陈鹏 李虎 熊焱春 杨善森 刘刚 田园诗 牒勇 卫一多 杨颋 王珺 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种随钻远探测电磁波电阻率测井仪器刻度方法与装置,包括两个椭圆盘、固定架、限位杆、套筒、紧固手柄,两个圆盘由玻璃钢或其他非金属材料连接固定,其两个刻度盘为椭圆形,材质为玻璃钢或其他非金属材料；玻璃钢连杆将两个刻度盘限位,中间连杆孔起到过线作用；固定架分上下两部分,材质为超硬铝,通过螺栓将刻度盘固定于中间；固定架内部镶有聚四氟乙烯衬套；下刻度架底部装有锁紧装置,防止刻度架旋转脱落；在仪器样机设计调试过程中进行了充分验证。本发明易制作、易操作,且通过外接电阻与电容,可以简单、准确地调整刻度环的复阻抗,方便仪器调试和测量参数的标准建立,使仪器精确得到所需的各参数刻度系数。(The invention discloses a method and a device for calibrating a logging instrument for detecting electromagnetic wave resistivity while drilling, which comprises two elliptical discs, a fixed frame, a limiting rod, a sleeve and a fastening handle, wherein the two elliptical discs are fixedly connected by glass fiber reinforced plastic or other non-metallic materials, the two graduated discs are elliptical and are made of glass fiber reinforced plastic or other non-metallic materials; the two dials are limited by the glass fiber reinforced plastic connecting rod, and the middle connecting rod hole plays a role in wire passing; the fixing frame is divided into an upper part and a lower part, is made of superhard aluminum, and fixes the dial in the middle through bolts; a polytetrafluoroethylene lining is embedded in the fixed frame; the locking device is arranged at the bottom of the lower scale frame to prevent the scale frame from rotating and falling off; and the full verification is carried out in the design and debugging process of an instrument prototype. The invention is easy to manufacture and operate, and can simply and accurately adjust the complex impedance of the scale ring through the external resistor and the capacitor, thereby facilitating the debugging of the instrument and the standard establishment of the measurement parameters, and leading the instrument to accurately obtain the scale coefficients of all the required parameters.)

一种随钻远探测电磁波电阻率测井仪器刻度方法与装置

技术领域

本发明属于石油天然气钻探领域，具体涉及随钻远探测电阻率仪器刻度方法与刻度装置。本发明提出了一种随钻远探测电磁波电阻率测井仪器的刻度方法和刻度流程，并给出了刻度装置的精细结构、所设计仪器在标准刻度环境下的信号响应标准，可以为仪器的研发制造与现场使用提供了全面保障。

背景技术

常规的传播电阻率仪器一般采用两个接收线圈，通过测量两个接收线圈的相位差、幅度比，用以转换为电阻率。在此过程中，两个接收线圈由于受到仪器机械结构、电子线路、温度压力等环境影响非常相近，因此，产生的系统误差也基本一致，在求取相位差或幅度比后，极大的减小了系统误差的影响。因而也降低了对刻度步骤的需求。对方位电磁波仪器，其地质信号采用同一线圈朝向不同方位时测量信号的相位差与幅度比作为输出信号，相当于两个信号由同一线圈测量得到，因而其受相应因素影响更小，系统误差也更小。

对传播电阻率、方位电磁波、远探测电磁波测井仪，其仪器刻度过程更为重要的是为仪器提供在标准环境下的标准响应，从而为利用信号进行地质界面的定量预测提供基础。例如，对传统传播电阻率测量的相位差、幅度比转化为对应的地层视电阻率；对方位电磁波仪器获得在某标准条件，如仪器位于某特定距地层界面位置时，应测得与正演模拟相同的地质信号。特别是后者，对于方位电磁波仪器、远探测电磁波仪器，仪器的精细结构、仪器制造误差等，会造成在某特定环境下，实际测量信号不同于正演模拟响应(这些正演可以是解析解、2.5D数值解或3D数值模拟结果)，而仪器距界面距离的反演依赖于正演模拟，因此在仪器实际使用之前，需要对其响应进行标定和刻度。

对于传统传播电阻率仪器，常用对仪器进行吊零后，放置于盛有一定浓度的NaCl溶液的水罐中进行该标定。

对方位电磁波仪器的地质信号，往往通过人为制作一个界面，从而标定仪器响应，如可以在地表铺设一个金属板，或将仪器放置于盛有一定矿化度的溶液的容器上方，测量仪器在不同高度时的响应，从而标定地质信号。注意，此时金属板或者溶液也起到了屏蔽地层影响的作用，从而简化刻度过程。

对随钻远探测电磁波仪器，由于其探测范围较大，从而造成其受影响范围也较大，特别是来自大地的影响。到目前为止对远探测仪器尚无较为准确，较为方便实用的刻度方法。

发明内容

在随钻仪器设计与制作过程中，由于仪器机械结构、电子线路设计工艺等因素影响，往往会给仪器测量带来系统误差；在仪器实际测量过程中，环境中的温度、压力等因素也会造成测量信号的漂移不稳定，因此在实际仪器研发过程中及使用前后，均有需要对仪器响应进行刻度或验证。

随钻远探测电磁波电阻率测井仪器刻度主要有两个目的，一是消除由仪器电子线路、机械结构、环境因素等造成的系统误差；二是对远探测电阻率电压信号、地质信号响应、偶极矩等进行标定，即将原始测量信号在特定环境下标定为标准输出；三是通过巧妙设计特定的刻度装置与流程，消除或评估地层(地表)对仪器测量结果的影响。对于远探测仪器来说其测量最终是为了获得仪器在接近地层界面时的响应，进行信号标定有利于对界面距离的准确确定和定量反演。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种随钻远探测电磁波电阻率测井仪器刻度装置，仪器刻度装置包括两个椭圆盘、固定架、限位杆、套筒、紧固手柄，两个圆盘由玻璃钢或其他非金属材料连接固定，其两个刻度盘为椭圆形，材质为玻璃钢或其他非金属材料；玻璃钢连杆将两个刻度盘限位，中间连杆孔起到过线作用；固定架分上下两部分，材质为超硬铝，通过螺栓将刻度盘固定于中间；固定架内部镶有聚四氟乙烯衬套；下刻度架底部装有锁紧装置，防止刻度架旋转脱落；由连杆合为一体的两个刻度椭圆盘轴向距离固定为1m或者0.8m～3m的其他值，且相互平行；其短轴、长轴尺寸不变，安装于固定架上，中间通过连接杆将导线联调；刻度环装置在仪器沿轴滑动。

两个刻度椭圆盘上各设计有刻度环，刻度环由高电导率的金属制成，并可外接电阻或电感，用以提供刻度系统所需的电导与电感，刻度装置支架由非金属材料构成，整个刻度装置应远离金属物体、高压电线或其他电磁设备。

一种随钻远探测电磁波电阻率测井仪器刻度方法，通过数值模拟，建立刻度环形状、尺寸、位置与等效地层界面的关系，从而实现地质信号的精确刻度以及建立刻度装置与刻度流程以消除或评估地层影响的设计思想和刻度方法，仪器在距地面1-10米的高度上水平放置，并将上述仪器刻度装置穿套在仪器上，在刻度过程中，仪器刻度环装置可以与仪器坐标系的各轴成一定的角度关系，定义刻度环的法线与仪器轴的z轴夹角位γ，与x轴夹角位θ，仪器可在支架上旋转，即可测量不同方位信号，刻度环也可以绕仪器旋转，从而调整刻度环与仪器的耦合方位。

依据所述刻度流程，测量确定仪器的电压刻度系数、偶极矩刻度系数、相位差与幅度比信号刻度系数等相关参数，以及依此进一步确定电压地质信号的幅度与地层电阻率之间的单一关系。

确定电压刻度系数、偶极矩刻度系数、相位差与幅度比信号刻度系数的流程及相关参数，确定其刻度方位的方法是将仪器放置于刻度台上，保持z’轴不变，旋转仪器，测量电压地质信号，得到正弦曲线，拟合得到最大值、最小值、平均值b0(后续测量结果均需减掉b0)，及b0对应的方位(理论上该方位为y方向)，其中最大值与最小值差为地面产生的地质信号，最大值与最小值应出现在仪器接收线圈指向地面与背向地面的方位。

确定电压刻度系数、偶极矩刻度系数、相位差与幅度比信号刻度系数的详细流程及相关参数，确定地层电阻率的方法是将刻度环放置于仪器上，刻度环中心穿过仪器轴，仪器指向y-方向，旋转刻度环，并测量电压地质信号，此时，亦可以得到一条正弦曲线，曲线最大值所对应方位，为刻度环设置方位，此时刻度环朝向y方向，刻度环朝向不变，拉动刻度装置在仪器轴上移动，可以测量得到如附图10所示曲线关系。

确定电压刻度系数、偶极矩刻度系数、相位差与幅度比信号刻度系数的详细流程及相关参数，确定电压刻度系数的方法是再次调整刻度环的外接电阻与电感，测量得到不同电阻与电感条件下电压地质信号，与理论计算信号进行对比，即可获得电压地质信号电压校正系数，不同接入电阻与电容值如表2所示。

本发明中提出的随钻远探测电磁波电阻率测井仪器刻度方法是全新的，在仪器样机设计调试过程中进行了充分验证。所提出的刻度装置设计巧妙新颖、易制作、易操作，且通过外接电阻与电容，可以简单、准确地调整刻度环的复阻抗，从而产生标准的仪器测量环境，方便仪器调试和测量参数的标准建立，使仪器精确得到所需的各参数刻度系数。

通过对仪器刻度主要达到两个效果：(1)消除系统误差，即由仪器电子线路、机械结构、环境因素等造成的系统误差；(2)对测量信号进行标定，即：将原始测量信号在特定刻度标准环境下标定为标准响应，这有利于仪器对界面距离的准确测量和界面两侧电阻率定量反演，从而为仪器的研发与使用提供保障。

附图说明

图1是远探测电磁波电阻率仪器天线系统结构示意图

图2是远探测电磁波电阻率仪器天线系统结构简化图

图3是远探测电阻率仪器刻度装置示意图

图4是刻度装置结构图

图5是刻度环外接电阻与电感

图6是刻度环与仪器坐标系下各坐标轴角度关系

图7是地层电阻率确定关系图

图8是地质信号随方位角响应变化

图9是给定线圈距-频率条件下仪器刻度流程图

图10是仪器响应随刻度装置中心位置在仪器上移动响应图

图11是远探测仪器刻度装置在仪器上安装刻度示意图

图中序号说明：1、刻度盘，2、固定架，3、紧固手柄，4、限位杆，5、连杆，6、紧固螺母，7、套筒。

具体实施方式

该发明主要是针对随钻远探测电磁波电阻率测井仪器提出的刻度方法与装置。参照图1所示，远探测电磁波电阻率仪器/探测器是在专用特定钻铤上设计确定出一个倾斜发射线圈、三组接收天线的天线系统结构。仪器/探测器共有一个发射天线和八个接收天线。其中，T为倾斜发射天线(倾斜45°布置)，R1、R2为两组不同源距的x、y、z三个方向、彼此垂直的接收天线组(系)，R3为一组两个轴向布置的接收天线组(系)。这样的结构可以满足仪器分别对浅、中、深、超深不同探测深度的地层电阻率、相位差/幅度比地质信号、电压地质信号和各向异性信息的测量。

远探测仪器的刻度至关重要，特别是电压地质信号，其测量为绝对幅度，必须进行刻度才能使用。在上述探测器仪器结构中，R3接收线圈组合与传统随钻传播电阻率测量结构一致，其仪器制作与刻度方法均与以往方法相同。而R1与R2接收天线组合的三分量结构、测量原理一致，仅线圈距与频率存在差异，因此，在下列论述中，仅以一组接收天线组合R为例进行讨论，如附图2所示，给出了上述随钻远探测电磁波电阻率仪器/探测器天线系统结构的简化图。

定义该结构为一组发射-接收天线系组合，发射天线为45°倾斜线圈T，接收天线组(系)包括三个接收线圈，朝向y方向的正交线圈Ra，轴向线圈Rb，朝向x方向的正交线圈Rc。发射与接收天线组中心之间的距离定义为L。

由于远探测仪器发射与接收天线间的线圈距较大、频率较低，受影响范围较大，因此以下内容提出了远探测仪器的刻度方法，并给出仪器刻度装置及刻度流程，其关键技术问题在于：(1)建立刻度环形状、尺寸、位置与等效地层界面的关系，从而实现地质信号的精确刻度；(2)建立巧妙的刻度装置与刻度流程，消除或评估地层的影响。设计的仪器刻度装置如附图3和附图4所示。

在刻度过程中，仪器水平放置，距地面高度为H，并穿过一套圆形的刻度环，刻度环由高电导率的金属制成，并可外接电阻或电感，用以提供刻度系统所需的电导与电感，如附图5所示。刻度装置支架由非金属材料构成，整个刻度装置应远离金属物体、高压电线或其他电磁设备。

刻度环可以与仪器坐标系的各轴成一定的角度关系，定义刻度环的法线与仪器轴的z轴夹角位γ，与x轴夹角位θ。如附图6所示。为操作方便，刻度环可以设计为45°倾斜，或标准圆形刻度环45°倾斜放置。

刻度时在排除非刻度环造成的其它影响后，便可通过改变外接电阻与电容，产生多个标准测量环境，通过仪器测量，便可得到多个测量响应，通过与理论计算结果对比，即可获得刻度系数。

仪器刻度过程中，所涉及到刻度参数有：电压刻度系数、地质信号刻度系数和偶极矩刻度系数。

地层电阻率的确定：在未刻度时，由于仪器测量存在系统误差，因此，实际关系曲线可能如附图7中红线所示。但即使存在系统误差的测量系统，电压地质信号的幅度与地层电阻率之间，仍存在如附图7中的单一关系。为此，首先设计具有一定等效电阻率的刻度装置，注意，此时的等效电阻率是指，在无地层存在时，刻度环可以产生等效于地层具有某电阻率时地质信号响应。将该刻度装置放置于仪器上，调整刻度环外接电阻，即调整刻度环等效电阻率，从而产生出仪器响应与地层电阻率之间的关系，进而在地层存在，而刻度环不存在时，测量仪器响应，即可确定地层电阻率。以电压地质信号为例，该操作由以下步骤完成：

1)将仪器水平放置于地表上方(注意，地表应尽量为水平面)，距地面高度为H，旋转仪器，并测量地质信号，确定此时地质信号V_zx。地质信号本身又具有很好的响应特征，以V_zx电压地质信号为例，当X线圈指向界面时，其地质信号强度最大，偏转90°后，地质信号为零，指向界面反向时，地质信号反向最大，即地质信号随着方位的旋转，呈余弦变化形态。考虑到信号的测量噪声，地质信号随方位角度的变化可以用附图8表示：

2)将仪器旋转至y方向，即地质信号平均值所对应方位，将刻度环放置于仪器上，旋转刻度环，产生新的地质信号随刻度环方位变化的曲线，并进行拟合，得到某个接入电阻条件下地质信号幅度V_zx1；

3)改变接入电阻，重复步骤2，得到不同接入电阻条件下V_zx2，V_zx3，V_zx4，…，并制作电压地质信号与地层电阻率关系图，即附图6中靠上面的那条曲线所示；

4)由刻度环不存在时的信号，确定地层电阻率；

5)确定地层电阻率后，重新确定不同接入电阻时，等效地层电阻率，从而重新确定转换关系；

6)重复4-5步骤，即可确定地层电阻率。

注意，由于仪器设计的三个接收线圈，均可单独测量地质信号，因此，该方法适用于Ra，Rb与Rc三个天线的刻度。

刻度系数最终确定：在确定地层电阻率后，即可在考虑地层电阻率条件下，将刻度环放置于仪器上，改变刻度环接入电阻与电容，产生多组仪器响应，从而确定各刻度系数。

对电压地质信号，该操作是比较直接的，刻度系数也很容易确定。

对Rb和Rc天线，改变刻度环的接入电阻与电容，产生多个标准响应，利用相关公式求解即可获得全部电压刻度系数与偶极矩刻度系数。

在获得以上刻度系数后，可对Rb和Rc合成其地质信号，进而也可以确定地质信号刻度系数。

远探测仪器刻度流程如附图9所示。

下面详细阐述电压刻度系数、相位差、幅度比信号刻度系数与偶极矩刻度系数在确定过程中的详细流程及相关参数。

建立如附图3所示刻度模型，进行随钻远探测电阻率仪器刻度。仪器水平放置在平台上，该平台可以是在地面上建造的水泥平台，水泥平台无需过高，但应尽量保证水平。仪器放置于非金属支架上，仪器距地面高度(H)为固定值，譬如1.5m。设计刻度环半径为0.6m-0.8m，两刻度环距离为1.0m-1.7m，记两刻度环中间位置为刻度环装置位置Posi_Coil。在对不同频道进行刻度时，该位置需进行调整。仪器可在支架上旋转，即可测量不同方位信号，刻度环也可以绕仪器旋转，从而调整刻度环与仪器的耦合方位。

1、电压刻度系数确定流程与装置参数

1)确定刻度方位

如图3所示，将仪器放置于刻度台上，保持z’轴不变，旋转仪器，测量电压地质信号，即可得到如图8所示正弦曲线，拟合曲线，得到最大值、最小值、平均值b0(后续测量结果均需减掉b0)，及b0对应的方位(理论上该方位为y方向)，其中最大值与最小值差为地面产生的地质信号，记为Vzx1。理论上，最大值与最小值应出现在仪器接收线圈指向地面与背向地面的方位。

2)确定地层电阻率

将刻度环放置于仪器上，刻度环中心穿过仪器轴，仪器指向y-方向，旋转刻度环，并测量电压地质信号，此时，亦可以得到一条正弦曲线，曲线最大值所对应方位，为刻度环设置方位，理论上，此时刻度环朝向y方向。刻度环朝向不变，拉动刻度装置在仪器轴上移动，可以测量得到如附图10所示曲线关系。可以选取A点或者B点，作为刻度点。这两点处响应对位置的导数为零，便于刻度。例如选取A点，刻度环中心位置Posi_Coil＝2m。

表1电压地质信号刻度确定地层电阻率所需外接电阻与电容

表1是基于发射接收天线间距5.8m、信号频率4kHz的天线组进行电压地质信号刻度时确定地层电阻率所需外接电阻与电容。其中的Rt_Coil为导线电阻与外接电阻之和。

通过改变外接电阻(此时不需外接电容)，即可得到地质信号与地层电阻率关系，即附图7所示关系，将上一步骤中测量得到的Vzx1投到该关系上，即可初步确定地层电阻率。地层电阻率的精确值，可以由数值计算得到。

3)确定电压刻度系数

在确定地层电阻率后，再次调整刻度环外接电阻与电感，测量得到不同电阻与电感条件下电压地质信号，与理论计算信号进行对比，即可获得电压地质信号电压校正系数。不同接入电阻与电容值如表2所示，这三组电阻与电容组合对应于在1:50地层条件下，仪器位于50ohmm地层、平行于地层界面、距界面距离分别是5m，10m，15m条件时的电压地质信号响应。

表2电压地质信号刻度时电压刻度所需外接电阻与电容

对电压地质信号，电压刻度系数确定后，其刻度过程也已完成。

2、相位差、幅度比刻度系数确定流程与装置参数

仍旧以5.8m-4kHz天线组的相位差、幅度比地质信号为例，对于Rb和Rc，每个接收线圈都可以单独测量地质信号。因此，也可以利用其测量得到的相位差、幅度比地质信号确定该频道对应的地层电阻率。

1)确定刻度方位

该步骤与电压地质信号完全一致。

2)确定地层电阻率

该步骤与电压地质信号确定地层电阻率方法一致，所不同的是，用于确定地层电阻率的不是电压地质信号，而是采用幅度比地质信号。而Rb与Rc线圈非常类似，其相应也很接近，原则上，可以采用同一组外接电阻与电容系数。实际上，Ra，Rb与Rc三个接收线圈，在同一频率时，可以采用同一组刻度系数。

3)确定相位差、幅度比刻度系数

在确定地层电阻率后，不同于电压地质信号，相位差、幅度比地质信号通过测量给定的接入电阻与电容条件下相位差与幅度比信号，与理论计算信号对比，即可确定相位差、幅度比刻度系数。

3、偶极矩刻度系数确定流程与装置参数

在对Rb与Rc线圈相位与幅度刻度完成后，即完成了对Rb与Rc线圈的噪声去除，在利用两个线圈合成电阻率信号时，仅需确定偶极矩刻度系数即可。

1)仪器与刻度环放置

该步骤与电压地质信号完全一致。但对Vxx与Vyy电压值的确定，需要仪器旋转一周，测量得到不同方位的电压值，通过拟合得到。

2)确定地层电阻率

实际上该步骤可以采用相位差、幅度比刻度中得到的地层电阻率值。

3)确定偶极矩刻度系数

在无刻度装置条件下，测量V_C＝V_xx-(α_MV_zz+V_yy)，使得该信号幅度为公式(9)给出值，此时确定的α值，即为偶极矩刻度系数。

通过以上分析，对于每个频道(一个线圈距、一个频率)刻度过程，主要需要两组外接电阻与电容，一组用来确定地层电阻率，其中电容可以为零，另一组用来确定标准的仪器响应。

特别声明：以上内容仅为说明本发明结构设计的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。