CN108019207A - 一种对称电磁波电阻率的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种对称电磁波电阻率的测量方法，适用于深浅地层电阻率测量，分别适应性采用400KHZ和2MHZ的发射电磁波频率，且所述电磁波采用四发双收模式，两个接收天线居中，四个发射天线对称分布于两个接收天线的两侧；测量时对天线的幅度衰减和相位移进行补偿。本发明采用对称性四发双收天线设计，且对幅度衰减和相位移进行补偿，使得电阻率测量准确，能够满足地质导向和地层解释评价的需要。
Description
技术领域
本发明涉及地层电阻率的测量，尤其是关于利用对称电磁波测量电阻率的方法。
背景技术
提高服务质量，降低服务成本是工程技术服务努力追求的目标。随钻测井相对于电缆测井具有多方面的优势：一是随钻测井资料是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的，能够更真实地反映原状地层的地质特征，提高地层评价精度；二是随钻测井在钻井的同时完成测井作业，减少了井场钻机占用时间，从钻井到测井一体化服务的整体上节省成本；三是在某些大斜度井或特殊地质环境(如膨胀粘土或高压地层)钻井时，电缆测井困难或风险大以致不能进行作业时，随钻测井是唯一可用的测井技术。因此，随钻测井既提高了地层评价测井数据的质量，又减少了钻井时间，降低了成本。
(一)、随钻测井技术发展历史
现代随钻测井技术大致可分为三代：
90年代初以前属于第一代，提供基本的方位测量和地层评价测量，在水平井和大斜度井用作“保险”测井数据。但其主要应用是在井眼附近进行地层和构造相关对比，以及地层评价。随钻测井确保能采集到在确定产能和经济性、减少钻井风险时所需要的测井数据。
90年代初和中期属于第二代，方位测量、井眼成像、自动导向马达及正演模拟软件相继推出，通过地质导向精确地确定井眼轨迹。司钻能用实时方位测量，并结合井眼成像、地层倾角和密度数据，发现目标位置。这些进展导致了多种类型的井，尤其是大斜度井、超长井和水平井的钻井取得很高的成功率。
从90年代中期到目前属于第三代，称为钻井测井(Logging for Drilling)，提供界定地质环境、钻井过程、采集实时信息时所要求的数据。
(二)、随钻测井的一般知识
1、无线随钻测量系统，简称MWD
包括井眼几何形状(井眼尺寸、井斜、方位等)的测量，与钻井工程相关的工程参数(钻压、钻具扭矩、井眼压力、转速、环空压力等钻井参数)的测量，以及对自然伽马、电阻率的测量。主要是测量工程数据，并具有单一性。
2、电磁波无线随钻测量系统，简称LWD
在随钻测量MWD的基础上，增加了识别岩性和孔隙性、判识储层的方法如中子、密度等，能对储层做出基本的评价。其测量数据具有综合性。
3、随钻地质导向测井，简称FEWD
具有了相对完善的随钻测井系列，其数据采集和数据分析具有实时性。地质导向是上世纪90年代发展起来的前沿钻井技术。所谓地质导向，就是使用随钻测量数据和随钻地层评价测井数据，以人机对话方式来控制井眼轨迹的技术。由美国公司生产的地质参数无线随钻测量仪，是近年来在不断改进MWD和LWD工具的结构、性能和可靠性基础上发展起来的一种新型无线随钻测量仪，与LWD随钻测井仪相比，该系统具有测点靠近钻头、探测深度大、垂直分辨率高的优点。它将地质参数测量传感器与工程参数传感器组合在一起，根据设置内容顺序采集最新的工程、地质数据，统一编码后，由脉冲信号发生器以正脉冲的方式，通过钻柱内的钻井液传至地面。地面设备对钻井液脉冲进行检波、编码、处理后，形成数据和测井曲线。FEWD除进行轨迹几何导向(三维导向)外，主要用于地质导向和随钻地层评价。而导向钻井技术在水平井施工中是一项常用的关键技术。在轨迹控制中，根据实际情况和地层剖面要求，可采用定向造斜和转盘钻交替进行调整井身轨迹，以对井身轨迹进行有效控制，使得实钻轨迹沿设计和预测趋势发展，以达目标点，而且使井眼光滑畅通，有利于携砂、清除岩屑、保证钻进安全。如何进行水平井的井眼轨迹控制，是水平井施工技术的核心，并贯穿于钻井的全过程。其井眼控制工艺技术主要包括：钻具组合选用、测量技术、井底预测技术、影响轨迹控制因素分析和实时综合分析技术等几个方面。井眼轨迹控制技术，随着水平井在不同区块施工、不同区块每口井的地质情况变化、在控制过程中遇到的问题不同等，其表现有以下几个方面：一是实钻地质情况复杂多变，油层埋深与设计深度差异大，井眼轨迹需要随地质情况变化及时进行调整；二是水平段油层埋深在横向上变化不一，有从低部位到高部位的，也有从高部位到低部位的，还有先从低部位到高部位然后再下降的；三是不同区块工具造斜能力和地层对井眼轨迹的影响不同；四是测量数据的相对滞后，对地质导向和井眼轨迹的预测和调整带来的困难；五是老平台钻井的防碰问题，在水平井钻井中更为突出，在水平井的直井段、造斜段及水平段，都存在防碰问题，要特别小心。
地质导向钻井技术的关键，是把以前的几何导向变为地质导向。以前打井，只要钻遇事先确定的几何目标，即使没有发现油层，钻井工作也算大功告成。而随着勘探开发一体化(称为滚动勘探开发)的发展，钻井不再是单纯为了打井，“打井为了出油”的认识被更多人所重视。地质导向钻井让目标不再固定不变，而是根据油层的位置随时调整，并根据预测确定的固定“几何靶”变成了追踪目的层的实际的不确定“移动靶”；同时，部分测井项目，也由原来的完井后进行，变为随钻随测，在钻进中进行，既缩短了钻井周期，又减少了部分测井费用。
地质导向钻井技术，是以油藏为目标点，通过对实时采集的数据进行分析、研究、采用滑动和转动钻井方式，使井眼轨迹在油藏中钻进。在施工前，通过采用RTGS(电阻率数据模拟软件)的软件模拟生成的邻井二维地质电阻率模型图，与实钻的地质资料进行对比，从而及时进行修正井眼轨迹。该系统的关键是对邻井资料及收集处理和实时测井数据的分析判断，确保避水高度及油层最大钻遇率。
对于电阻率的测量，有一种方法叫电磁波随钻测井，也叫电磁波传播测井，分为电磁波传播电阻率测井与介电测井两种。原理是通过对称发射电极或发射线圈向地层发射电磁波，再由二个接收天线接收来自地层的电磁波的相位差和幅度比，测量的相位差和幅度比与地层的电阻率和介电常数之间存在函数关系，这样就可以得到地层的电阻率和介电常数。由相位差得到的电阻率称为相位差电阻率，由幅度比得出的电阻率为幅度比电阻率，介电常数亦同理。地层岩石骨架的介电常数比较稳定，储集层中所含流体的介电常数相差悬殊，因此，利用电磁波资料能够较好地判别油、水层，应用有：确定地层的含水饱和度；判断油水层；判定水淹层，划分水淹等级。介电测井在区分油、水层比电磁波电阻率测井更有效，缺点是探测深度较浅。现有电磁波电阻率测量在机械设计和测量频率上没有具体的特殊要求，往往是测量频率不对称，数据全，但没有针对点，在地质参数分析数据时表现不明确。
发明内容
鉴于上述现有技术所之不足，本发明着力于提供一种对称电磁波电阻率的测量方法，解决电磁波电阻率频率对称性的问题，最大限度的增加探测深度特性，并对深浅测距采取不同频率电磁波。本发明的对称电磁波电阻率测量以2MHz和400KHz为测量频率，400kHz和2MHZ电磁波电阻率测量只与地层的电阻率特性有关，受围岩影响小、探测深度较大、分层能力较强，并且通过对电磁波的衰减幅度和相位移补偿校正，使得电阻率测量更加准确。
本发明解决以上技术问题所采取的技术方案如下：
一种对称电磁波电阻率的测量方法，其特征在于：针对深浅地层，分别适应性采用400KHZ和2MHZ的发射电磁波频率测量，且所述电磁波采用四发双收模式，两个接收天线(R1，R2)居中，四个发射天线(T1，T2，T3，T4)对称分布于两个接收天线的两侧；
测量时对天线的幅度衰减和相位移进行补偿，其中，幅度衰减表达式为：
ATT1F2＝-20log10(AR2T1F2/AR1T1F2)；
ATT2F2＝-20log10(AR1T2F2/AR2T2F2)；
ATT3F2＝-20log10(AR2T3F2/AR1T3F2)；
ATT4F2＝-20log10(AR1T4F2/AR2T4F2)；
ATT1F2表示发射天线(T1)信号幅度衰减变量；
ATT2F2表示发射天线(T2)信号幅度衰减变量；
ATT3F2表示发射天线(T3)信号幅度衰减变量；
ATT4F2表示发射天线(T4)信号幅度衰减变量；
AR2T1F2表示接收天线(R2)测量的发射天线(T1)的幅度；
AR1T1F2表示接收天线(R1)测量的发射天线(T1)的幅度；
AR1T2F2表示接收天线(R1)测量的发射天线(T2)的幅度；
AR2T2F2表示接收天线(R2)测量的发射天线(T2)的幅度；
AR2T3F2表示接收天线(R2)测量的发射天线(T3)的幅度；
AR1T3F2表示接收天线(R1)测量的发射天线(T3)的幅度；
AR1T4F2表示接收天线(R1)测量的发射天线(T4)的幅度；
AR2T4F2表示接收天线(R2)测量的发射天线(T4)的幅度。
其中，相位移表达式为：
PST1F2＝PR2T1F2-PR1T1F2；
PST2F2＝PR1T2F2-PR2T2F2；
PST3F2＝PR2T3F2-PR1T3F2；
PST4F2＝PR1T4F2-PR2T4F2；
PST1F2表示两个接收天线对应发射天线(T1)测量的相位差值；
PST2F2表示两个接收天线对应发射天线(T2)测量的相位差值；
PST3F2表示两个接收天线对应发射天线(T3)测量的相位差值；
PST4F2表示两个接收天线对应发射天线(T4)测量的相位差值。
位于接收天线同侧的两个发射天线距离在35-45cm；
两个接收天线的距离在15-25cm；
接收天线与最接近的发射天线的距离在75-85cm。
对于幅度衰减的补偿，可根据井眼尺寸进行分段补偿，按井眼由细到粗补偿方式分别如下：
BHC-ATAN-10H＝0.75ATT1F2+0.5ATT2F2-0.25ATT3F2；
BHC-ATAN-16H＝0.25ATT1F2+0.5ATT2F2+0.25ATT3F2；
BHC-ATAN-22H＝0.25ATT2F2+0.5ATT3F2+0.25ATT4F2；
BHC-ATAN-28H＝0.25ATT2F2+0.5ATT3F2+0.25ATT4F2；
BHC-ATAN-10H代表最细井眼尺寸对应的补偿值；
BHC-ATAN-16H代表次细井眼尺寸对应的补偿值；
BHC-ATAN-22H代表次粗井眼尺寸对应的补偿值；
BHC-ATAN-28H代表最粗井眼尺寸对应的补偿值。
与现有技术相比，本发明显著的有益效果体现在：
1、电磁波天线对称性设计，测井曲线一致性和重复性较好，能够满足地质导向和地层解释评价的需要。
2、测量受围岩影响小、探测深度较大、分层能力较强。
3、测量数据分频显示直观。
4、采集同步数据系统误差小。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为收发天线布局图；
图2为在实际工程不同频率电磁波所测的电阻率数值曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
在勘探、开发过程中钻井后进行测井，但是在超过65度的大斜度井或水平井，电缆很难将仪器放入测量，所以在钻井过程中同时进行随钻测井，仪器穿过地层时各种岩石物理量的电磁波响应称之为电磁波随钻测井(LWD)。
主要的电阻率测量是衰减电阻率测量和相位差电阻率测量。由于钻井过程中测井及地层倾斜的情况下，会对测井产生测井响应的“提前”、“延迟”、“变形”、“跳跃”等现象。倾角和地层各向异性影响电阻率的值，是由于地层厚度小于测量仪器的分辨率或地层倾斜引起水平电阻率Rh与垂直电阻率Rv不一致而引起的。地层存在各向异性时，Rh的值不等于Rv的值。常规电缆测井评价中使用的地层真电阻率常指地层水平电阻率Rh。由于各向异性和井斜角或地层倾角的存在，常使电测曲线偏离水平电阻率，偏离程度严重时会导致地层评价结果可靠性变差。在大斜度井和水平井测井中，大部分仪器的测量会受到井斜或地层倾角的影响，在穿过电阻率差变化较大的地层时使所测量的测井曲线“异常”和“变形”。在垂直井中，如果地层是水平的，则仪器测量的是水平电阻率。但如果仪器在钻开同样地层的水平井中，则测量电流会流过地层的水平面和垂直面，视总的电阻率Ra是水平电阻率Rh和垂直电阻率Rv的合成。近年来，随钻电磁波电阻率测井理论及其相关技术发展迅速，应用领域不断扩大，特别是在钻井工程及储层评价领域，前景十分广阔。随钻电磁波电阻率测井响应的数值模拟方法，分析了各种影响因素对测井响应的影响，对随钻电磁波电阻率测量仪器的研究发展有重要意义。采用改进型逐次逼近解法(MSAM)和Aitken加速技术相结合的迭代算法计算二维积分方程，并对随钻电磁波电阻率测井响应进行了具体研究，包括理论计算推导、物理模型建立，编程计算、响应分析等。取得了以下成果：(1)推导并改进了逐次逼近解法来计算随钻电磁波电阻率测井响应，该算法将纵向成层原状地层作为背景地层，将计算区域限制在井眼和侵入带内，具有未知量数目少、收敛速度快、计算精度高的优点。(2)采用Fortran power station4.0平台编写了上述算法来计算随钻电磁波电阻率测井响应，绘制了不同地层条件下的测井响应的幅度衰减与相位移的视电阻率曲线。(3)在2MHz和400KHz源频率和特定源距情况下，分析并讨论了井眼环境，围岩状况以及泥浆滤液的侵入对随钻电磁波测井响应的影响规律，对进一步地层解释及评价有重要的参考价值。
本发明提供的一种对称电磁波电阻率测量方法，是采用对称性天线设计，采用四发双收电磁波收发原理。如图1所示，发射天线与接收天线水平安装在钻铤上，与钻铤绝缘胶封装。设置四个发射天线，记为发射天线T1、T2、T3、T4，设置两个接收天线，记为接收天线R1、R2；两个接收天线居中，四个发射天线对称分布于两个接收天线的两侧，同侧的两个发射天线距离大约在35-45cm，优选40cm，如图1中的发射天线T1与发射天线T3的距离；两个接收天线的距离大约在15-25cm，优选20cm；接收天线与最接近的发射天线的距离大约为75-85cm，优选80cm，如图1中的发射天线T3与接收天线R1的距离。
测量过程中，采用四发双收模式，一个接收天线同时接收四个发射天线的信号，进行相位、幅度、电压、电流测量，用于计算电阻率。
测量时，采用两个发射天线发射400KHz的频率，两个发射天线发射2MHz的频率，分别对深浅地层电阻率采取400KHZ和2MHZ频率电磁波进出测量。
为了使电阻率测量更加准确，就要对天线的幅度衰减和相位移进行补偿，利用每个发射天线的两个幅度测量值计算一个幅度衰减值(AT)，单位为dB，计算衰减的通用公式为：
ATT1F2＝-20log10(AR2T1F2/AR1T1F2)
ATT2F2＝-20log10(AR1T2F2/AR2T2F2)
ATT3F2＝-20log10(AR2T3F2/AR1T3F2)
ATT4F2＝-20log10(AR1T4F2/AR2T4F2)
这4个公式分别表达四发双收天线测量幅度的衰减值特性。
公式中，
ATT1F2：发射天线T1信号幅度衰减变量
ATT2F2：发射天线T2信号幅度衰减变量
ATT3F2：发射天线T3信号幅度衰减变量
ATT4F2：发射天线T4信号幅度衰减变量
AR2T1F2：接收天线R2测量的相对于发射天线T1的幅度
AR1T1F2：接收天线R1测量的相对于发射天线T1的幅度
AR1T2F2：接收天线R1测量的相对于发射天线T2的幅度
AR2T2F2：接收天线R2测量的相对于发射天线T2的幅度
AR2T3F2：接收天线R2测量的相对于发射天线T3的幅度
AR1T3F2：接收天线R1测量的相对于发射天线T3的幅度
AR1T4F2：接收天线R1测量的相对于发射天线T4的幅度
AR2T4F2：接收天线R2测量的相对于发射天线T4的幅度
知道幅度衰减量，就可以增加测量数据修正值，使数据更加准确。
例如对于一眼井，可由细到粗划分为4段井眼尺寸，根据以下公式得到4个补偿校正的衰减(BHC-ATAN)：
BHC-ATAN-10H＝0.75ATT1F2+0.5ATT2F2-0.25ATT3F2
BHC-ATAN-16H＝0.25ATT1F2+0.5ATT2F2+0.25ATT3F2
BHC-ATAN-22H＝0.25ATT2F2+0.5ATT3F2+0.25ATT4F2
BHC-ATAN-28H＝0.25ATT2F2+0.5ATT3F2+0.25ATT4F2
BHC-ATAN-10H代表最细井眼尺寸(最下段)对应的补偿值，BHC-ATAN-16H代表次细井眼尺寸(次下段)对应的补偿值，BHC-ATAN-22H代表次粗井眼尺寸(次上段)对应的补偿值，BHC-ATAN-28H代表最粗井眼尺寸(最上段)对应的补偿值。
同样，对于每个发射天线，远接收天线测量的相位减去近接收天线测量的相位就得到一个相位移(差)测量值(PS)：
PST1F2＝PR2T1F2-PR1T1F2
PST2F2＝PR1T2F2-PR2T2F2
PST3F2＝PR2T3F2-PR1T3F2
PST4F2＝PR1T4F2-PR2T4F2
上述4个公式表示电阻率相位测量特性。
PST1F2：两个接收天线对应发射天线T1测量相位的相位差值
PST2F2：两个接收天线对应发射天线T2测量相位的相位差值
PST3F2：两个接收天线对应发射天线T3测量相位的相位差值
PST4F2：两个接收天线对应发射天线T4测量相位的相位差值
PR2T1F2：接收天线R2测量发射天线T1的相位值
PR1T1F2：接收天线R1测量发射天线T1的相位值
PR1T2F2：接收天线R1测量发射天线T2的相位值
PR2T2F2：接收天线R2测量发射天线T2的相位值
PR2T3F2：接收天线R2测量发射天线T3的相位值
PR1T3F2：接收天线R1测量发射天线T3的相位值
PR1T4F2：接收天线R1测量发射天线T4的相位值
PR2T4F2：接收天线R2测量发射天线T4的相位值
同理，根据相位移，就可以增加测量数据修正值，使数据更加准确。
计算幅度衰减和相位移的目的是校正测量电路的参数，再根据电阻率对称设计，所测到的地质参数就更准确，测量深度范围就更大，为了排除井眼轨迹尺寸对测量的影响，我们做了相应的反演校正分析补偿，这对我们测量电阻率值就更接近地质特性。
在对天线补偿校正以及对称性布局的基础上，计算电阻率，运用如下公式：
式中，Ra为电阻率；K为系数，在盐水池里标刻度，在无磁环境下标零度；UD为发射天线电压值；△为发射天线到接收天线的电压变化值；(IA)为发射天线电流值，(IF)为接收天线电流值；UCD、UDC为两个接收天线分别对应于近距离发射天线的接收电压，UDE、UED为两个接收天线分别对应于远距离发射天线的接收电压。
经过对天线的设计和补偿后，电阻率的测量精度大幅度提高，以下是一实施例效果：
本发明根据电磁波电阻率随钻测井仪的测量原理，从电磁波电阻率计算方法、天线设计，针对如何提取高频微弱接收信号的衰减幅度和相位差信息，进行详细设计。仪器现场试验显示，测井曲线一致性和重复性较好，能够满足地质导向和地层解释评价的需要。图2为在实际工程中400KHZ和2MHZ两种频率下所测的4个发射天线对应的电阻率数值曲线，图示表明曲线拟合一致性好，电阻率测量结果准确。
Claims (4)
1.一种对称电磁波电阻率的测量方法，其特征在于：针对深浅地层，分别适应性采用400KHZ和2MHZ的发射电磁波频率测量，且所述电磁波采用四发双收模式，两个接收天线(R1，R2)居中，四个发射天线(T1，T2，T3，T4)对称分布于两个接收天线的两侧；
测量时对天线的幅度衰减和相位移进行补偿，其中，幅度衰减表达式为：
ATT1F2＝-20log10(AR2T1F2/AR1T1F2)；
ATT2F2＝-20log10(AR1T2F2/AR2T2F2)；
ATT3F2＝-20log10(AR2T3F2/AR1T3F2)；
ATT4F2＝-20log10(AR1T4F2/AR2T4F2)；
ATT1F2表示发射天线(T1)信号幅度衰减变量；
ATT2F2表示发射天线(T2)信号幅度衰减变量；
ATT3F2表示发射天线(T3)信号幅度衰减变量；
ATT4F2表示发射天线(T4)信号幅度衰减变量；
AR2T1F2表示接收天线(R2)测量的发射天线(T1)的幅度；
AR1T1F2表示接收天线(R1)测量的发射天线(T1)的幅度；
AR1T2F2表示接收天线(R1)测量的发射天线(T2)的幅度；
AR2T2F2表示接收天线(R2)测量的发射天线(T2)的幅度；
AR2T3F2表示接收天线(R2)测量的发射天线(T3)的幅度；
AR1T3F2表示接收天线(R1)测量的发射天线(T3)的幅度；
AR1T4F2表示接收天线(R1)测量的发射天线(T4)的幅度；
AR2T4F2表示接收天线(R2)测量的发射天线(T4)的幅度。
2.根据权利要求1所述的对称电磁波电阻率的测量方法，其特征在于：其中，相位移表达式为：
PST1F2＝PR2T1F2-PR1T1F2；
PST2F2＝PR1T2F2-PR2T2F2；
PST3F2＝PR2T3F2-PR1T3F2；
PST4F2＝PR1T4F2-PR2T4F2；
PST1F2表示两个接收天线对应发射天线(T1)测量的相位差值；
PST2F2表示两个接收天线对应发射天线(T2)测量的相位差值；
PST3F2表示两个接收天线对应发射天线(T3)测量的相位差值；
PST4F2表示两个接收天线对应发射天线(T4)测量的相位差值。
3.根据权利要求1或2所述的对称电磁波电阻率的测量方法，其特征在于：
位于接收天线同侧的两个发射天线距离在35-45cm；
两个接收天线的距离在15-25cm；
接收天线与最接近的发射天线的距离在75-85cm。
4.根据权利要求1所述的对称电磁波电阻率的测量方法，其特征在于：对于幅度衰减的补偿，可根据井眼尺寸进行分段补偿，按井眼由细到粗补偿方式分别如下：
BHC-ATAN-10H＝0.75ATT1F2+0.5ATT2F2-0.25ATT3F2；
BHC-ATAN-16H＝0.25ATT1F2+0.5ATT2F2+0.25ATT3F2；
BHC-ATAN-22H＝0.25ATT2F2+0.5ATT3F2+0.25ATT4F2；
BHC-ATAN-28H＝0.25ATT2F2+0.5ATT3F2+0.25ATT4F2；
BHC-ATAN-10H代表最细井眼尺寸对应的补偿值；
BHC-ATAN-16H代表次细井眼尺寸对应的补偿值；
BHC-ATAN-22H代表次粗井眼尺寸对应的补偿值；
BHC-ATAN-28H代表最粗井眼尺寸对应的补偿值。
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