一种方位电磁波探头及确定其等效磁偶极矩角度的方法

技术领域

本发明属于石油测井领域，具体涉及一种方位电磁波探头及确定其等效磁偶极矩角度的方法。

背景技术

现有的商用随钻方位电磁波电阻率测井仪器大多采用倾斜线圈天线实现地层方位信息的测量。方位线圈的倾斜角度越大，天线辐射的方向性越强。由于钻铤尺寸的限制，工业界普遍采用45度倾斜线圈直接绕制在钻铤上，该线圈的等效磁偶极矩的角度也在45度左右。如需增大线圈的法线方向与仪器轴向的相对角度以增强方向性，必须增加线圈绕制的倾斜角度，导致线圈尺寸增大。尤其在近钻头测量仪器中，仪器本体长度局限在1米左右，线圈尺寸受到整机尺寸的限制，线圈倾斜绕制的角度较小，导致其等效磁偶极矩的方向与仪器轴向的相对角度较小，难以获得优良的方位性能。

发明内容

为解决现有技术中的倾斜线圈的方向性和物理尺寸正相关，增强方向性就会增大线圈尺寸的缺点，有必要提出一种方位电磁波探头及确定其等效磁偶极矩角度的方法。

本发明的方位电磁波探头相比现有技术可有效缩短方位电磁波探头的尺寸，不增加线圈尺寸只需增大天线罩开口的角度即可增强发射线圈的方向性特征。

为实现上述目的，本发明提供了一种方位电磁波探头及确定其等效磁偶极矩角度的方法。所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度是指所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩的方向和所述方位电磁波探头的轴向之间的相对夹角。

根据本发明的第一方面，提供了一种方位电磁波探头，其包括：

芯棒，其具有从其外表面沿非零的预设角度延伸以其特定一个纵截面为对称面呈镜像对称排列的多个刻槽且由无磁性导电材料制成；

线圈天线，其环绕所述芯棒设置；

磁性件，其设于所述刻槽内；以及

天线罩，其套设于所述线圈天线的外侧且开设有与所述磁性件相对应的贯通开口且由无磁性导电材料制成，且天线罩和芯棒保持良好导电连接。

进一步地，还包括，骨架，其中，所述芯棒套设于所述骨架上。

进一步地，所述线圈天线为环形线圈天线或方形线圈天线，用以施加一定频率的交变电流。

进一步地，所述芯棒和所述天线罩由电导率高于1000S/m的非磁性材料制成。

进一步地，包括多个所述磁性件，多个所述磁性件沿所述芯棒的周向间隔设置。

进一步地，所述芯棒的外表面开设有刻槽，所述刻槽内填充所述磁性件，所述刻槽的分布与所述天线罩的贯通开口一致。

进一步地，所述天线罩上的所述开口按照预设角度以其特定一个纵截面为对称面呈镜像对称排列，即所述纵截面一侧的天线罩的开口角度为预设角度，所述纵截面另一侧的天线罩的开口角度为预设角度负值。所述预设角度为所述位于芯棒上的刻槽的长边方向和芯棒轴向之间的相对夹角。所述预设角度为非零值。

线圈天线环绕所述芯棒设制，其法线和所述芯棒的用做刻槽对称面的特定纵截面共面。

可选地，可以通过调整环绕所述方位电磁波探头的芯棒上的刻槽角度及对应天线罩上的开口的角度，以改变所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度。所述芯棒上的刻槽角度指所述刻槽长边的方向和芯棒轴向之间的相对角度，所述天线罩上的开口的角度是指所述开口长边的方向和所述天线罩的轴向之间的相对角度。刻槽和天线罩开口的走向和芯棒轴向之间的相对角度越大，探头的方位性能越好。一般来说，方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度大于刻槽和天线罩开口走向和芯棒轴向之间的相对角度。

根据本发明的第二方面，提供了一种确定如上所述的方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度的方法，包括：

S1：将所述方位电磁波探头水平置于与所述方位电磁波探头间隔第一预设距离的金属板上的非导电性旋转支架上并将所述方位电磁波探头沿其轴向旋转预设角度；

S2：在所述方位电磁波探头的轴向间隔第二预设距离放置线圈天线，接收所述方位电磁波探头某一旋转角度的感应信号，记录旋转角度和相应的电动势；

S3：调整所述方位电磁波探头和所述金属平面板之间的所述第一预设距离，并重复步骤S1和步骤S2预设次数；

S4：采用磁偶极子源电磁响应数值仿真程序计算间隔金属板不同第一预设距离时接收线圈天线处信号的理想值，改变发射磁偶极子的磁偶极矩角度，直至所述理想值和实测值之间的均方误差最小，与所述均方误差最小相对应的发射磁偶极子的磁偶极矩角度为所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度。

优选地，所放置的接收线圈天线的等效磁偶极矩方向和所述方位电磁波探头的轴向一致。

进一步地，将所述方位电磁波探头沿其轴向旋转的预设角度为360度。

进一步地，通过调整环绕所述线圈天线的芯棒上的刻槽的角度及对应天线罩上的开口的角度，以改变所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度。所述方位电磁波探头的芯棒上的刻槽角度及对应天线罩上的开口的角度直接决定所述方位电磁波探头所产生的电磁场的方向性。

所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度是指所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩的方向和所述方位电磁波探头的轴向之间的相对夹角。

由上述技术方案可知，本发明提供的方位电磁波探头包括：骨架；中空的芯棒，其套设在所述骨架的外部并且具有从其外表面沿预设角度延伸并以其纵截面为对称面呈镜像对称排列的多个刻槽；线圈天线，其环绕所述芯棒设置；以及磁性件，其设于所述刻槽内。以及天线罩，其套设于所述线圈天线的外侧且开设有与所述磁性件相对应的贯通开口。

具有上述特征的本发明的方位电磁波探头可有效缩短方位电磁波探头的尺寸，并增强发射天线的方向性特征。

附图说明

图1为本发明实施例的方位电磁波探头的剖视图；

图2为本发明实施例的方位电磁波芯棒的正视图；

图3为本发明实施例的天线罩的立体图；

图4为本发明另一实施例的天线罩的立体图；

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种方位电磁波探头及确定其等效磁偶极矩角度的方法做进一步详细的描述。

如图1、图2所示，其示为本发明实施例的一种方位电磁波探头。具体地，本发明实施例的方位电磁波探头包括骨架101、芯棒102、磁性件103、线圈天线104、以及天线罩105。其中，芯棒102具有多个从其外表面沿预设角度延伸并以其特定一个纵截面为对称面呈镜像对称排列的多个槽体106(亦可称刻槽)且由无磁性的导电材料制成，线圈天线104环绕芯棒102设置，用以施加一定频率的交变电流。线圈天线104的法线方向和芯棒102的轴向相同，或者线圈天线104的法线方向和芯棒102的轴向呈一定角度且和芯棒102的作为刻槽对称面的特定纵截面共面。磁性件103设于槽体106内。天线罩105套设于线圈天线103的外侧且开设有与磁性件103及槽体106相对应的一系列贯通开口107。槽体106及天线罩开口107的长边方向和芯棒102的轴向方向之间的夹角均为非零的预设夹角108。多个槽体106以芯棒102的特定一个纵截面为对称面呈镜像对称排列。位于芯棒102的特定一个纵截面一侧的槽体106长边的方向和芯棒102的轴向方向之间的夹角为非零的预设夹角108，位于芯棒102的特定一个纵截面的另一侧的槽体106长边的方向和芯棒102的轴向方向之间的夹角为非零的预设夹角109。预设夹角108和预设夹角109的绝对值相等。槽体106及贯通开口107均以芯棒102的特定一个纵截面为对称面呈镜像对称分布且对称面每一侧至少有一个槽体106和对应槽体106的贯通开口107。

具有上述特征的本发明实施例的方位电磁波探头和现有技术相比可有效缩短方位电磁波探头的尺寸，并增强发射天线的方向性特征。

具体地，中空的芯棒102套设在骨架101的外部并且具有从其外表面沿预设角度延伸并以其特定一个纵截面为对称面呈镜像对称排列的槽体106，线圈天线104环绕芯棒102设置，且磁性件103设于槽体106内，磁性件103可优选相对磁导率大于50，电阻率大于1000欧姆米的磁性材料。

芯棒102和天线罩105由电导率高于1000S/m的非磁性材料制成。

天线罩105套设于线圈天线103的外侧，将线圈天线103笼罩，以保护线圈天线。天线罩105由电导率高于1000S/m的非磁性材料制成，外侧开设有一系列与芯棒102上开设的槽体106相对应的贯通开口107。天线罩105整体和芯棒102保持良好的导电连接。天线罩105具有一定的厚度起到电磁屏蔽作用，使得线圈103发射的电磁能量仅通过贯通开口107辐射到探头的外部空间。

方位电磁波探头中的空隙空间，以绝缘非磁性材料填充。槽体106及天线罩上的开口107的空隙中的填充材料均为不导电的非磁性材料，比如环氧树脂，或者玻璃钢等材质。

在一具体实施例中，本发明实施例的芯棒采用无磁不锈钢材料制成，当然也可以为其它导电的无磁性材料，在此不做具体限制。磁性件采用铁氧体材料，相对磁导率大于100，电阻率大于10

如图3，具体地，天线罩105的罩体201上有方形贯通开口202。贯通开口202的长边方向与天线罩105的轴向成45°夹角，以天线罩105的特定一个纵截面203为对称面呈镜像对称阵列分布，并贯通开口202内以绝缘非磁性材料填充；其中，通过贯通开口202辐射线圈天线104的电磁能量。芯棒102上的槽体106和贯通开口102相对应，走向一致。天线罩105和芯棒102保持良好导电连接且其具有一定的厚度，确保线圈天线辐射的电磁能量仅通过天线罩105上的贯通开口202透出方位电磁波探头。

备选地，如图4所示，天线罩105的罩体401上有方形贯通开口402(也可以称为刻槽、空隙)。开口402长边方向与天线罩105的轴向成60°夹角，以天线罩5的特定一个纵截面为对称面呈镜像对称阵列分布，并以绝缘非磁性材料填充；其中，天线罩105的罩体401具有一定的厚度起到电磁屏蔽作用，使得线圈天线104发射的电磁能量仅通过贯通开口402辐射出去。

在一具体实施例中，罩体401上有多个方形贯通开口402，多个方形开口402沿罩体401的周向设置。多个开口402沿其罩体401的外表面以其特定一个纵截面为对称面按照预设角度呈镜像对称排列，即所述纵截面一侧的天线罩的开口角度为预设角度，所述纵截面另一侧的天线罩的开口角度为预设角度的负值。所述预设角度为所述位于芯棒上的刻槽的长边和芯棒轴向的夹角。

此外，本发明的芯棒102的外表上开设有容纳磁性件103的刻槽，刻槽内填充有磁性材料(磁性材料构成磁性件)，刻槽的分布与天线罩的贯通开口107一致，使得多个磁性件沿芯棒102周向间隔设置。具体地，带有刻槽的芯棒102，刻槽分布、走向与天线罩的开口107一致。

可选的，可以通过调整环绕所述方位电磁波探头的芯棒上的刻槽角度及对应天线罩上的开口的角度，以改变所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度。刻槽和天线罩开口的角度越大，探头的方位性能越好。所述方位电磁波探头的芯棒上的刻槽角度及对应天线罩上的开口的角度可直接决定所述电磁波探头产生的电磁场的方向性。

本发明的方位电磁波探头由内往外依次为带有刻槽的芯棒、磁性材料、线圈、天线罩。所述探头可等效为方向性磁偶极子。采用物理实验验证与数值仿真方法相结合的方式，确定方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度。所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度是指所述方位电磁波探头的等效磁偶极矩的方向和所述方位电磁波探头的轴向之间的夹角。本发明和现有技术相比可有效缩短方位电磁波探头的尺寸，并增强发射天线的方向性特征。

根据本发明的第二方面，本发明还提供了一种确定如上所述的方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度的方法，该方法包括如下步骤：

S1：将方位电磁波探头水平置于与方位电磁波探头间隔第一预设距离的金属板上的非导电性旋转支架上并将方位电磁波探头沿其轴向旋转预设角度；

S2：在方位电磁波探头的轴向间隔第二预设距离放置线圈天线，接收方位电磁波探头某一旋转角度的感应信号，记录旋转角度和相应的电动势；

S3：调整方位电磁波探头和金属平面板之间的第一预设距离，并重复步骤S1和步骤S2预设次数；

S4：采用磁偶极子源电磁响应数值仿真程序计算不同高度时接收线圈天线处信号的理想值，改变发射磁偶极子的磁偶极矩角度，直至理想值和实测值之间的均方误差最小，与均方误差最小相对应的发射磁偶极子的磁偶极矩角度为方位性电磁波探头的等效磁偶极矩角度。

进一步地，所述预设角度为360度。

进一步地，用于接收信号的线圈天线的等效磁偶极矩的方向与仪器轴向成0°夹角。

具体地，本发明的确定方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度的方法包括：

S11：地面上放置具有一定厚度的高电导率金属板，将方位电磁波探头按照固定高度，水平置于高电导率金属平面上的非导电性旋转支架上，高电导率金属平面放置于地面上。并将方位电磁波探头沿其轴向旋转360度；

S12：在方位电磁波探头轴向间隔某一距离放置一个线圈天线，接收对应方位电磁波探头某一旋转角度的感应信号，记录旋转角度、电动势实部、虚部。

S13：改变方位电磁波探头和高电导率金属平面之间的距离，重复S1-S2。

S14：采用磁偶极子源电磁响应数值仿真计算程序计算不同高度时接收天线处信号的理想值，不断改变发射磁偶极子的磁偶极矩角度，以使得计算值和实测值之间的均方误差最小。此时的发射磁偶极子的磁偶极矩角度就是方位电磁波探头的等效磁偶极矩角度。

在一具体实施例中，本发明的方位电磁波探头的等效磁偶极矩的方法包括如下步骤：

获取方位电磁波探头物理实验信号；

所述物理实验信号，其测量步骤包括：

地面上放置具有一定厚度的高电导率金属板，将方位电磁波探头按照固定高度，水平置于高电导率金属平面的非导电性旋转支架上，高电导率金属平面放置于地面上。并将方位电磁波探头沿其轴向旋转360度。

在方位电磁波探头轴向间隔某一距离放置一个线圈天线，接收对应方位电磁波探头某一旋转角度的感应信号，记录旋转角度、电动势实部、虚部。

改变方位电磁波探头和高电导率金属平面之间的距离，重复上述步骤。

获取方位电磁波探头数值仿真信号，并与物理实验信号进行对比。

所述数值仿真信号包括：采用磁偶极子源电磁响应数值计算程序仿真不同高度时接收天线处电动势或者重新定义后的信号的理想值，改变发射磁偶极子的磁偶极矩角度，以使得计算值和实测值之间的均方误差最小。此时的发射磁偶极子的磁偶极矩角度就是方位性电磁波探头的等效磁偶极矩角度。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。