瞬變電磁測井原理研究Ⅳ-二維譜

1、第39卷第1期測井技術(shù)v0139no12015年2月well i，()gging technoi。ogyfeb2015文章編號：10041338(2015)o卜0015一06爿長瞬又 電磁測井原理研究 ：二 維譜臧德福1，朱留方1，沈洪楚1，沈永進(jìn)2，沈建國2(1中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東東營257096；2天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院功率超聲實(shí)驗(yàn)室，天津300072)摘要：在井條件下解mexwell方程研究裸眼井的瞬變電磁測井低頻響應(yīng)及其二維譜，頻率范圍為130 hz。低頻段的響應(yīng)主要受地層電導(dǎo)率影響；電磁波傳播速度很低，傳播過程不明顯，滿足電磁感應(yīng)原理，其二維譜主要刻畫電磁感應(yīng)現(xiàn)

2、象。二維譜的實(shí)部很大，虛部很小，對應(yīng)的測井響應(yīng)中與地層電導(dǎo)率參數(shù)無關(guān)的直接耦合信號幅度很大，反映地層電導(dǎo)率的響應(yīng)幅度很小。將不同地層電阻率的響應(yīng)波形相減得到的響應(yīng)差與地層電阻率有關(guān)，電阻率越大，響應(yīng)差的峰值越大；響應(yīng)差的峰值偏離激發(fā)波形突變位置，接收線圈距離發(fā)射線圈越遠(yuǎn)，響應(yīng)差的峰值偏離波形突變位置的時間越大。這些差別刻畫了瞬變電磁測井的主要特征是由地層的電導(dǎo)率產(chǎn)生的。關(guān)鍵詞：瞬變電磁測井；二維譜；電磁波；電磁感應(yīng)；電導(dǎo)率；差值中圖分類號：p63183文獻(xiàn)標(biāo)識碼：adoi：1016489-issn 10041338201501004thry study for tr鋤si蚰t elect嗍la

3、齟etic lo鸛ing：2d spect刪mzangdeful，zhu liufan91，shen hongchul，shen yon畫in2，shen jiangu02(1logging company of shen91i petroieum engineering c0ltd，sinopec，dongying，shandong 257096，china；2power sonic lab oftianjin university，tianjin 300072，china)abstract：togettransientelectromagneticloggingresponse，itisn

4、ecessarytosolve maxwellequation under the condition of boreh01e its solution and twodimensional spectrum describing the characteristics of logging responses can be obtained by analysis method the lo、卜frequency response and two_dimensional spectrum of transient electromagnetic 1099ing of borehole in

5、frequency range of 1，、30 hz are given the lo、，_frequency response describes the principle of electromagnetic induction and is mainly affected by stratum conductivity it is not obvious to display the process of propagation of the electromagnetic wave the real part of the two-dimensional spectrum is l

6、arger，yet the imaginary part is smallerso the response amplitude is consisted by direct induction which is not affected by stratum conductivity subtracting the response waveforms of the different stratum conductivity， it is found that the 1arger the resistivity is，the larger the peak value of the re

7、sponse difference the peak value of the response difference apart from the position of the excitation current， the closer receiving coil is totransmitting co訂，the greater peak value of the response difference these differences describe the main characteristics of transient electromagnetic loggingkey

8、 words：transient electromagnetic 1099ing；twodimensional spectrum；electromagnetic wave；electromagnetic induction；conductivity；logging difference作者簡介：臧德福，男，1968年生，高級工程師，從事測井工程技術(shù)工作。萬方數(shù)據(jù)16測井技術(shù)0引言晶島瞬變電磁測井主要測量激發(fā)電流突變時在井中仉仉產(chǎn)生的瞬變電磁感應(yīng)電動勢。突變電流激發(fā)的波形中低頻成分比較多，幅度比較大，因此，利用的主要l d是低頻段的電磁感應(yīng)現(xiàn)象14。低頻電磁感應(yīng)強(qiáng)度圖1裸眼并柱狀模型比較小，與地

9、層電阻率有關(guān)的二次響應(yīng)信號幅度也相應(yīng)很小，并且淹沒在幅度比較大的直接耦合信號中。為了了解地層電阻率對響應(yīng)的影響或者地層電為z，k。(z。r)+bj，(z，r)，它是波數(shù)尼和頻率廠的函數(shù)，以波數(shù)尼和頻率廠為自變量構(gòu)成志一廠平面，將表達(dá)式z。k。(z。r)+bj，(z。r)的值繪制在忌_廠平面阻率信息的分布位置和特征，本文用不同地層電阻上得到二維譜。率的響應(yīng)相減，這樣獲得的響應(yīng)差波形與地層的電設(shè)井半徑口為o108 m，井內(nèi)液體的電阻率為阻率有關(guān)；電阻率越大，該響應(yīng)差波形的幅度越大。1qm，井內(nèi)液體的相對介電常數(shù)為50，地層的電有井條件下的解還包含了瞬變電磁場在井與地阻率為20 qm，地層的相對介電

10、常數(shù)為10，井內(nèi)層之間的相互作用，即井中發(fā)射的瞬變電磁場在井液體和地層的相對磁導(dǎo)率均為l。圖2為裸眼井內(nèi)壁的反射和透射特征。這些影響在二次場中表現(xiàn)明半徑，為o054 m處響應(yīng)的二維譜的實(shí)部和虛部；顯。與感應(yīng)測井的精確解和d011幾何因子的解相圖3是二維譜的模以及橫坐標(biāo)放大以后的虛部。圖比，裸眼井條件下的響應(yīng)波形與實(shí)際情況更接近。3中，顏色越藍(lán)(深)對應(yīng)的幅度越小，顏色越黃(淺)對應(yīng)的幅度越大。1裸眼井的二維譜用圖1所示的裸眼井柱狀模型其井半徑為口，井內(nèi)液體電阻率為叮，介電常數(shù)為e。，井外固體電阻率為盯z，介電常數(shù)為e。井內(nèi)液體和井外固體均沒有鐵磁介質(zhì)，磁導(dǎo)率均為口，發(fā)射線圈中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，激

11、發(fā)的電磁場在圓柱內(nèi)、外的分布軸對稱。結(jié)合徑向電磁感應(yīng)強(qiáng)度連續(xù)、z方向的磁場強(qiáng)度連續(xù)得到井內(nèi)液體中的響應(yīng)節(jié)節(jié)a(r，z)一iiv(cj)z1k1(zlr)+jjb(忌：，)工l(z1r)e“6z一”出：d甜(1)式中，第1項(xiàng)為直達(dá)波；第2項(xiàng)是廣義反射波；v()是發(fā)射線圈激發(fā)的頻譜；系數(shù)b為dz1z1ko(zln)kl(z2口)一z2ko(z2口)kl(z1口)一zl工o(z1口)k1(z2倪)+z2j1(z1口)ko(z2口)(2)井內(nèi)液體波數(shù)忌。一i叩。+。掣2，蹭一忌：一是；，一孫廠是角頻率，廠是頻率，hz；井外固體波數(shù)忌。一i叫府2+2叫2，踞一是：一愚；ko、l是。階bessel函數(shù)，k

12、1、jl是1階bessel函數(shù)；志：一2稚是z方向的傳播角波數(shù)，忌一忌。27c，忌是波數(shù)，1m。直達(dá)波不包含井外固體(地層)的電參數(shù)(電導(dǎo)率、介電常數(shù))信息，地層信息包含在廣義反射波內(nèi)，即式(1)的第2項(xiàng)。描述井內(nèi)電磁場特性的表達(dá)式將圖2、圖3中的二維譜從o05 hz開始，以o5hz為步長，分別取o05、055、905 hz等19個頻率，將這19個頻率的幅度隨波數(shù)志的變化繪出得到圖4。圖4中，這19個頻率的幅度隨波數(shù)的變化曲線中實(shí)部差別很小，基本上重疊到了一起；虛部在o02以下有比較大的差別，大于o2以后基本趨于o，其中，最上邊的曲線是頻率為o05 hz時的曲線，最下邊的曲線是905 hz時的

13、曲線。將圖2、圖3中的二維譜從。開始，每o02為步長，分別取10個波數(shù)；將這10個波數(shù)的幅度隨頻率的變化繪出得到圖5。圖5(a)是其虛部隨頻率的變化曲線，波數(shù)為0的曲線位于最上面，波數(shù)為o2的曲線位于最下面，虛部的數(shù)值很小，不同波數(shù)之間幅度相差比較大；圖5(b)是實(shí)部隨頻率的變化曲線，實(shí)部隨頻率變化比較小，在該頻率段基本上呈直線變化。從圖4、圖5的縱坐標(biāo)可以看到，實(shí)部與虛部之間幅度相差5個數(shù)量級。這表明，反映地層電導(dǎo)率的虛部信號很小，與地層電導(dǎo)率無關(guān)的直接耦合信號的幅度很大，兩者相差至少5個數(shù)量級。從上述二維譜圖像和曲線中還可以知道，在低頻和低波數(shù)區(qū)域，二維譜的虛部變化比較大，實(shí)部變化比較小，

14、這些變化是低頻電磁感應(yīng)現(xiàn)象在二維譜中的表現(xiàn)，描述了低頻電磁感應(yīng)中一次電磁場和二次電磁場的主要特征，這些特征能夠引起響應(yīng)波形的變化。萬方數(shù)據(jù)第39卷第1期臧德福，等：瞬變電磁測井原理研究：二維譜172462468k試1m。(a)實(shí)部虛部圖2裸眼井內(nèi)(半徑為()f)酬n1)響應(yīng)的二維譜(1)24681012005女血。tm(a)模虛部圖3裸眼井內(nèi)(半徑為o()j_n1)響應(yīng)的二維譜(2)名呂、弋弋量蠱km1(a)虛部(b)實(shí)部圖4取19個頻率二維譜中隨波數(shù)的變化曲線實(shí)部圖5取lo個波數(shù)。二維譜隨頻率的變化曲線萬方數(shù)據(jù)測井技術(shù)2裸眼井的響應(yīng)波形將式(1)分別對和是：積分得到瞬變電磁測井響應(yīng)波形，用圖

15、6至圖8中所示的正、負(fù)階躍(長虛線)組成的方波作為激發(fā)波形，裸眼井中4個不同源距的瞬變電磁測井響應(yīng)波形如圖6至圖9所示。源距為。的響應(yīng)波形中(見圖6)，響應(yīng)的實(shí)部(實(shí)線)的形狀像脈沖，在階躍突變的位置幅度最大，響應(yīng)的極性隨激發(fā)階躍的突變極性改變；虛部(虛線)則在階躍突變位置出現(xiàn)極性突變；隨著時間的增加，響應(yīng)值逐漸減小。在源距為o893 m處其響應(yīng)波形(見圖7)的虛部(虛線)形狀像脈沖在階躍突變的位置附近幅度取極大值，實(shí)部(藍(lán)線)則在階躍突變位置附近改變極性；隨著時間的推移，幅度減小。i騅：譬三：糕：|：害：=il飛1l、l。吣眈。眥舭舶椰 ：j睪氍：毒：|二善孓；0!一：!o200400600

16、80010001200140016001800200071ms圖6距離發(fā)射線圈0 m的響應(yīng)波形(幅度5)慧【|乏媳：-04；翼：圣l芝o；：。0三咔!l；靠s0； ；飛-0-2廠l一 71|i鬈li-08l一o200400600800100012001400160018002000r圖7距離發(fā)射線圈0893 m的響應(yīng)波形(幅度20)在1785 7 m處(見圖8)和268 m處(見圖9)響應(yīng)的幅度減小，并且其實(shí)部與虛部在突變位置均出現(xiàn)極性的突變，在極性突變的兩側(cè)極大值的幅度不同。圖8的實(shí)部和虛部中幅度比較大的極大值極性相同，圖9則極性相反。3地層電阻率的響應(yīng)我們的目的是通過上述響應(yīng)獲得地層的電阻

17、圖8距離發(fā)射線圈1785 7 m的響應(yīng)波形(幅度1()o)j；一崎卜=iii；：蝻1磚ll；簟塔|鏟。拿 襄i，il” 聲刊li|譽(yù)罩i疆二二i二0 2()0 4i)o600 800 lo()o 1200 1400 1600 18()()20()0 ，111s圖9距離發(fā)射線圈268 m的響應(yīng)波形(幅度loo)率。為此，保持其他參數(shù)不變，僅僅改變地層的電阻率重新計(jì)算瞬變電磁測井的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，不同地層電阻率的測井響應(yīng)沒有變化，基本重合。為了突出電阻率的響應(yīng)，以地層電阻率為2 qm的響應(yīng)為基礎(chǔ)，分別用電阻率為20、200 qm的響應(yīng)減去2 qm的響應(yīng)得到兩者響應(yīng)的差如圖10所示。源距為1785 7 m

18、，圖10中地層電阻率為200 qm的響應(yīng)與2 qm的響應(yīng)差為虛線，20 qm的響應(yīng)與2 qm的響應(yīng)差為實(shí)線。圖10中，電阻率差別越大，其響應(yīng)差別越大，并且這些響應(yīng)的差在激發(fā)波形突變位置附近幅度比較大。為了進(jìn)一步顯示上述響應(yīng)在電流突變位置的差別，僅僅繪出響應(yīng)中開始位置的部分(見圖10、圖11)。從圖10上可以看到，實(shí)部的幅度差別很明顯，實(shí)部、虛部的差異最大值位置均離開起始位置(激發(fā)波形突變位置)：實(shí)部離開得最遠(yuǎn)。圖11中，實(shí)部和虛部的響應(yīng)中，源距越小、響應(yīng)差的幅度越大；源距越大，響應(yīng)差峰值越小，離開瞬變波形突變位置(o時刻)的時間越遠(yuǎn)。4分析與討論以地層電阻率為2 qm的瞬變電磁測井響應(yīng)為基礎(chǔ)，

19、將地層電阻率為20、200 qm的響應(yīng)分別減去2 qm的響應(yīng)所獲得的差，將響應(yīng)中地層電萬方數(shù)據(jù)第39卷第1期臧德福，等：瞬變電磁測井原理研究：二維譜lool 0-”irxi 7r一l、-17眨一l7”frrj!瓣j。|100 1加140 160 180 200020柏6080100 120 140 160 180 200rnlsrrns(a)虛部(b)實(shí)部圖10距離發(fā)射線圈1785 7 m、地層電阻率分別為200 qm和20 qm的響應(yīng)與地層電阻率為2 qm的響應(yīng)的虛部(a)、實(shí)部(b)之差1礦燕|l：躉；f、劣蠶71m8實(shí)部圖11距離發(fā)射線圈分別為0(幅度最大)、0893 m、1785 7

20、m(幅度最小)、地層電阻率分別為2qm和20 qm的響應(yīng)與地層電阻率為2 qm的響應(yīng)的虛部(a)、實(shí)部(b)之差。實(shí)線是地層電阻率為20 qm的響應(yīng)與2 qm的響應(yīng)差，虛線是2qm的響應(yīng)與2qm的響應(yīng)差阻率的信息充分展現(xiàn)了出來。從其變化上可以看阻率無關(guān)的信息處理掉，只剩下與地層電阻率有關(guān)到，地層電阻率越高，其響應(yīng)差越大；源距越長，與地的信息。上述相減的方法是一種最簡單的刻度方層電阻率有關(guān)的二次場響應(yīng)中最大值偏離起始點(diǎn)法。用上述方法刻度以后發(fā)現(xiàn)，地層電阻率信號主(激發(fā)突變時刻)的時間越長(圖11中達(dá)到25 ms)；要分布在瞬變電磁發(fā)射(電流突變)以后2030 ms與聲波測井波形相比(到達(dá)時間小于

21、1“m)，二次場位置。其他時間所包含的地層信息比較少。電磁感應(yīng)峰值的到達(dá)時間很晚。用電磁場傳播的概從電磁感應(yīng)機(jī)理上分析，低頻信號的電磁感應(yīng)念理解電磁感應(yīng)，可以認(rèn)為其傳播速度很慢。瞬變強(qiáng)度低，因此，與地層電阻率有關(guān)的二次場信號幅度電磁測井響應(yīng)波形有極大值，并且幅度與地層電阻率小。與現(xiàn)有的感應(yīng)和陣列感應(yīng)測井(20 khz)相比，有關(guān)，位置離開突變時刻等這些結(jié)果展現(xiàn)了用瞬變電其頻率低了3個數(shù)量級，因?yàn)榕c地層電阻率有關(guān)的磁測井實(shí)現(xiàn)地層電阻率測量所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。感應(yīng)信號與頻率的平方成正比，因此，瞬變電磁測井機(jī)遇是用瞬變電磁方法可以激發(fā)出響應(yīng)，而且的信號幅度比感應(yīng)測井小6個數(shù)量級。但是，低頻其幅度比較

22、大，響應(yīng)中包含地層電阻率信息；挑戰(zhàn)是信號的穿透能力強(qiáng)，受套管屏蔽影響小，能夠穿過套地層電阻率的信息在所測量的信號中所占的比例非管進(jìn)入地層并且又穿過套管被井中的接收線圈所接常小，完全淹沒在(隨著地層電阻率的改變)幾乎不收。因此，從原理上講，瞬變電磁測井最大的優(yōu)勢在變的響應(yīng)信號中。針對瞬變電磁測井響應(yīng)信號的這于探測深度深并且有可能實(shí)現(xiàn)過套管電阻率測量。些特點(diǎn)，可以這樣設(shè)計(jì)瞬變電磁測井儀器。首先，用與直流電測井不同，這種過套管電阻率測量是非接大功率進(jìn)行激發(fā)，將原始信號幅度盡量提高；其次，觸式的，能夠克服現(xiàn)有接觸式電阻率測井所遇到的用刻度的方法將瞬變電磁測井響應(yīng)信號中與地層電主要問題。萬方數(shù)據(jù)20測井

23、技術(shù)2015年在上述所有的測井響應(yīng)波形中，實(shí)部是能夠測量到的感應(yīng)電動勢波形，虛部和模是理論計(jì)算過程中同時存在的，能夠幫助實(shí)部全面展現(xiàn)測井響應(yīng)波形的特征，使我們更好地理解測井響應(yīng)波形。5結(jié)論(1)瞬變電磁測井的二維譜中實(shí)部信號比較強(qiáng)，虛部信號比較弱，兩者相差5個數(shù)量級。(2)用二維譜所得到的測井響應(yīng)主要由實(shí)部信號組成。實(shí)部信號與地層的電阻率參數(shù)幾乎沒有關(guān)系，瞬變電磁測井響應(yīng)的形狀固定，即不同接收位置的響應(yīng)波形相對固定，幾乎不隨地層電阻率變化。地層電阻率的信息包含在比其大5個數(shù)量級的響應(yīng)信號中，分布在瞬變激發(fā)以后2030 ms范圍內(nèi)。(3)從這些大信號中提取如此微弱的電阻率信號難度比較大，需要借助

24、于刻度和信息處理方法。因此，從裸眼井測井的角度，實(shí)施這種測井方法有一定的難度。但是，瞬變電磁測井主要激發(fā)低頻電磁感應(yīng)，低頻的穿透能力強(qiáng)，探測深度深，能夠穿過套管，這對于井間測井和過套管電阻率測量具有重要意義。(4)瞬變電磁測井是非接觸測量方法，受井眼影響小，值得進(jìn)一步深入研究。參考文獻(xiàn)：1張庚驥電法測井m北京：石油工業(yè)出版社，19842戈革，謝振全宏觀電磁場論m北京：石油工業(yè)出版社，19803grant i s，phillips w r電磁學(xué)m劉岐元，王鳴陽譯北京：人民教育出版社，19824別索諾夫j a電工理論基礎(chǔ)下冊：非線性電路與電磁場m陳偉鑫，沈麗英譯北京：高等教育出版社，1986(收稿

25、日期：20131216本文編輯李總南)中國石油學(xué)會石油測井專業(yè)委員會在京舉辦2015年迎新聯(lián)誼會2015年2月1日上午，中國石油學(xué)會石油測井專業(yè)委員會2015年迎新聯(lián)誼會在北京召開，參會代表60余人，主要是在京的測井界離退休老教授、老專家、老領(lǐng)導(dǎo)以及部分在職的教師、專家。聯(lián)誼會由測井專業(yè)委員會秘書長張辛耘主持。聯(lián)誼會上，測井專業(yè)委員會主任陸大衛(wèi)教授報告了測井專業(yè)委員會2014年的工作，包括成功召開第八屆中俄測井國際學(xué)術(shù)交流會，成功召開第七屆測井高級論壇，組織參加2014年中國國際射孔技術(shù)論壇，組織開展測井科普活動，測井專業(yè)委員會受到中國石油學(xué)會表彰情況等；介紹了2015年測井專業(yè)委員會重點(diǎn)工作

26、安排。陸大衛(wèi)教授希望各位老同志在保持健康身體的同時，多關(guān)心測井行業(yè)的發(fā)展，出謀劃策，出主意想辦法，發(fā)揮余熱。中國石油大學(xué)(華東)邵才瑞教授和中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部余峰總經(jīng)理介紹首屆全國地球物理測井專業(yè)大學(xué)生技能大賽籌備工作進(jìn)展情況；2014年國家科技進(jìn)步獎獲得者李寧教授、喬文孝教授發(fā)表獲獎感言；全國測井科學(xué)傳播首席科學(xué)家楚澤涵教授介紹預(yù)測學(xué)基礎(chǔ)；聯(lián)誼會承辦單位中國石油集團(tuán)測井有限公司油氣評價中心主任孫寶佃教授報告近期油氣解釋評價工作進(jìn)展。聯(lián)誼會上老一代測井工作者們憶過去、送問候，相談甚歡。(中國石油學(xué)會石油測井專業(yè)委員會供稿)新型離抗張力測井電纜提高數(shù)據(jù)采集效率油公司通常依靠關(guān)鍵井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場開發(fā)決策，當(dāng)鉆井能力提高時，數(shù)據(jù)采集也面臨挑戰(zhàn)。深水勘探作業(yè)和復(fù)雜井眼幾何尺寸等問題迫使業(yè)界提高包括電纜作業(yè)等信息采集方面的