随钻电磁波测井仪天线结构设计数值模拟

岳喜洲 马明学 李国玉

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院 北京 101149)



·开发设计·

随钻电磁波测井仪天线结构设计数值模拟

岳喜洲 马明学 李国玉

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院 北京 101149)

文章采用矢量有限元方法仿真随钻电磁波测井仪器的天线结构对信号测量的影响。天线关键结构主要包括环周向布置与轴向平行的天线罩和置于其中的铁氧体。模拟结果表明，随着天线罩的长度、宽度、数目的增加，信号强度增加，相位差、幅度比减小。铁氧体会显著增强信号强度，但不影响幅度衰减和相位差。

随钻电磁波；天线结构；天线罩；铁氧体；信号强度

0 引 言

随钻电磁波电阻率测井是随钻测井技术的核心组成部分，在地质导向和实时地层评价中具有重要应用价值[1]。随钻电磁测井仪器结构比常规测井仪器复杂，天线镶嵌在无磁钻铤的内部，通过天线窗口实现信号的发射与接收。天线罩的长度、宽度、数目都会影响到有用电场分量的衰减程度。为增强发射信号和测量信号，在发射、接收天线与钻铤之间，有时需要填充磁性材料。磁性材料的相对磁导率对测量信号也有一定的影响。Wang，T采用有限差分方法计算了槽数和信号的关系[2]。魏宝君采用径向成层格林函数计算了发射天线有通讯槽时对信号的影响[3]。本文采用三维矢量有限元方法研究天线结构对于随钻电磁波测量的影响，其中发射天线和接收天线均有天线罩，计算槽数、槽宽、槽长以及对应有铁氧体时对信号强度和测量值的影响，对实际随钻仪器的结构设计和信号影响因素分析具有重要意义。

1 计算模型

随钻电磁波电阻率测井仪器是一种利用电磁传播原理来测量地层电阻率的装置。基本的天线系由一个发射天线和两个接收天线组成，测量两个接收天线中信号的相位差和幅度比就可计算出地层的电导率或电阻率。

计算模型所采用的天线结构如图1所示。

图1 天线结构横截面

图1为天线处的截面图。其中由内向外依次为钻铤、铁氧体、天线、绝缘填充材料、屏蔽罩。图1中天线位于铁氧体和屏蔽罩之间的绝缘介质中，并缠绕在钻铤上。计算时，2个接收天线和发射天线距离分别为25 in(1 in=25.4 mm)，33 in，天线直径为152.1 mm，仪器外径为172.1 mm，内径为142.1 mm，屏蔽罩厚度为5 mm。钻铤和屏蔽罩均为良导体，相对磁导率为1。仪器在均匀地层中，地层电导率为1 s/m。

2 矢量有限元方法

随钻电磁波测井问题满足如下的矢量波动方程：

×(

根据变分原理，满足方程和约束条件的电场的解，等效于下面方程变分公式取极值时的解。

针对随钻测井环境，径向考虑钻铤、铁氧体、天线、绝缘胶、天线罩、地层的位置，纵向考虑发射和接收天线的位置，采用柱坐标下的四面体网格剖分。

3 数值计算

3.1 数值方法验证

在利用三维矢量有限元计算随钻电磁测井响应前，必须测试均匀地层中测井响应计算与解析解的一致性。将地层填充电阻率设为0.1Ω·m、1Ω·m、10Ω·m、100Ω·m、1 000Ω·m，计算其测井响应，然后与解析解计算结果比较，求解区域半径为25m时的结果，如表1所示。幅度比计算相对误差小于0.03%，相位差计算相对误差小于0.11%。对比结果表明，三维矢量有限元方法能够很好地满足计算精度，计算数据可靠有效。

表1 均匀地层计算值与解析解的比较

3.2 天线罩的影响

天线罩是随钻电磁波测井仪信号接收和发射的通道，天线罩的数目、长度、宽度均对信号强度产生重要影响。从理论上讲，开槽越多，信号越强。当一个也没有时，天线完全被屏蔽。当有1个或2个时，外面开始有电磁场，但是由于对称性差，电磁场的分布过于复杂，不利于测量和解释。目前看到的最少有3个开槽(斯伦贝谢的MCR；Freyetal.，2006)[4]和4个开槽(美国科学钻井公司的PRT)。主流的传播电阻率仪器则采用10多个沿圆周均匀分布的开槽。图2为不同槽数时，幅度衰减值和槽长的关系。计算时，天线罩数为8槽、16槽、24槽，固定槽宽3.5mm，槽长50mm-130mm，25in接收天线处的电压值U取20倍的对数，即-20×log(U)，变为幅度衰减值。地层电导率为1S/m，铁氧体相对磁导率取200。

从图2可以看出，随着槽长的增加，幅度衰减减小(信号强度增大)。相同槽长，随着槽数的增加，信号强度增大，而且槽数越多，对信号强度增大的趋势减弱。

图2 不同槽数幅度衰减和槽长的关系

图3为不同槽数幅度衰减和槽宽的关系，固定槽长50mm。可以看出随着槽宽的增加，信号衰减减小，信号强度增大。考虑固定槽数，采用16个槽，计算不同槽长、槽宽时，信号强度的变化规律，如图4所示。随着槽长、槽宽的增加，信号衰减变小，信号强度增大。图4可以用来确定天线罩的具体规格，例如信号强度取81dB，130mm长的槽只需要槽宽1mm，如果槽长50mm，达到相同的信号强度，则需要设计槽宽为20mm。

图3 不同槽数幅度衰减和槽宽的关系

图4 不同槽长幅度衰减和槽长、宽的关系

天线罩的参数会影响到信号强度，由于随钻电磁波测井测量值为幅度比和相位差，需要研究这些参数对测量结果的影响。图5、图6分别显示了相位差和幅度比随槽长和槽宽的变化规律,其中槽宽34mm代表无槽，即没有金属屏蔽罩。

图5 相位差和槽长、槽宽的关系

图6 幅度比和槽长、槽宽的关系

由图5得出，相位差随着槽长和槽宽的增加而减少，槽长越长，减少量越大。槽长130mm时，槽宽为1mm和无槽时相比，减少了5.7%左右。相对应于槽长50mm时，减少量为0.5%左右。实际电阻率工程转换时，特别是槽比较长时应该注意这种影响。从图6可以看出，幅度比的变化和相位差的变化趋势近似，都随着槽长、槽宽的增加而减小。槽长130mm时，槽宽为1mm和无槽时相比，减少了4.5%左右。相对应于槽长50mm时，减少量为0.4%左右。实际电阻率工程转换时，应该注意这种影响。

总之，天线罩数目、长度、宽度会对接收天线处信号强度产生重要影响，对相位差和幅度比的测量也会造成影响。在实际仪器设计时，需要考虑机械强度和电路指标，确定天线结构参数，并且注意考察该结构对应的随钻电磁波仪器的测量值(即幅度比和相位差)的变化。

3.3 铁氧体的影响

实际测井中，根据测量的要求需要将接收信号强度变强，一般采用在空槽底部和天线之间添加铁氧体，以达到增强信号强度的目的。下面就来分析铁氧体的相对磁导率对接收信号相位差、幅度比和幅值的影响。

任取一种天线结构，该结构有16个槽，槽长50mm，槽宽10mm。相对磁导率为1时，对应无铁氧体的情况，改变铁氧体的相对磁导率1～500，得到信号衰减的变化关系，如图7所示。

由图7可以看出，随着铁氧体相对磁导率增加，信号衰减减少，信号强度增大，相对磁导率为1～10时，信号强度增加速度很快，但是增大到100以后，信号强度不再明显增加。工程实际中，铁氧体相对磁导率选取100～200左右即可。随着磁导率的增加，相位差和幅度比均为减小，但变化量微小，可以认为没有影响，如图8、图9所示。

图7 幅度衰减和相对磁导率的关系

图8 幅度比和相对磁导率的关系

图9 相位差和相对磁导率的关系

4 结 论

本文利用三维矢量有限元方法计算了随钻电磁波仪器的天线结构对信号的影响，结论如下：

1)天线罩数目、长度、宽度对信号强度均有影响，信号强度会随槽数目、长度、宽度增加而增大。

2)天线罩数目、长度、宽度会对相位差和幅度比产生影响，随着槽数目、长度、宽度增加，相位差和幅度比减少。

3)天线内部通过添加铁氧体材料，能够增加信号强度，信号强度随铁氧体相对磁导率增加而增大，相对磁导率增加到100后对信号强度的增加作用不明显。实际工程中，铁氧体相对磁导率取200左右即可。

4)幅度比和相位差随着铁氧体相对磁导率的增加而减少，但变化量微小，不会产生明显影响。

[1]BittarM,KleinJ,RandyB,etal.Anewazimuthaldeepreadingresistivitytoolforgeosteeringandadvancedformationevaluation[J].SPEReservoirEvaluation&Engineering, 2009, 12(2):270-279.

[2]Wang,T.,Signorelli,J. .Finite-differenceModelingofElectromagneticToolResponseforLoggingWhileDrilling[J],Geophysics, 2004,60(1):152-160.

[3] 魏宝君,徐 丹,王莎莎.通讯槽对电磁波传播随钻测量信号的影响[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2011,35(1):56-60.

[4]Frey,M.T.,Argentier,L.,andVarveropoulos,V., 2006,ARetrievableandReseatablePropagationResistivityToolsforLoggingWhileDrillingandLoggingWhileTripping,SPE103066.

·专利技术·

专利名称：测井仪器及系统

专利申请号：CN201320323026.0 公开号：CN203285434U

申请日：2013.06.05 公开日：2013.11.13

申请人：中国电子科技集团公司第二十二研究所

本实用新型公开了一种测井仪器及系统。其中，该测井仪器包括：射线发射器，用于发射第一射线；探测装置包括：第一探测器、第二探测器以及第三探测器，其中，第一探测器、第二探测器以及第三探测器用于获取探测区域内的第一射线的射线信号；测量电路，与探测装置连接，用于根据射线信号获取计数率和谱数据；其中，第一探测器与射线发射器的距离为第一距离，第二探测器与射线发射器的距离为第二距离，第三探测器与射线发射器的距离为第三距离，第一距离、第二距离以及第三距离各不相同。通过本实用新型，获取更为准确的计数率和谱数据，提高了对薄层的测量精度，从而可以准确获取地层的密度值以及光电吸收截面系数。

(王元荪 提供)

Simulation of the Design of Antenna Structure of Electromagnetic Wave Propagation Log While Drilling Tool

YUE Xizhou Ma Mingxue LI Guoyu

(ChinaOilfieldServicesLimited，Beijing101149,China)

In this paper, we applied finite element method to simulate the tool response to analyze the impact of the antenna on LWD measurement. The key structure of antenna includes slots and ferrite. the results showed that the signal strength increased, while the amplitude attenuation and phase difference decreased when the number, length, width of slots increased. The simulation proved that the existence of ferrite did not change the phase difference and the attenuation from receivers, however, the ferrite had significant impact on the signal strength.

LWD electromagnetic wave, antenna structure, slots; ferrite, signal strength

岳喜洲，男，1983年生，工程师，2009年毕业于中国石油大学(华东)地球探测与信息技术专业，目前在中海油服油田技术研究院从事随钻电磁波仪器研发工作。E-mail:yuexzh@cosl.com.cn

TE271

A

2096-0077(2015)01-0016-04

2014-09-04 编辑：姜婷)