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随钻电磁波传播电阻率测量工具探测深度研究

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电磁波 传播 电阻率 测量 工具 探测 深度 研究
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随钻电磁波传播电阻率测量工具探测深度研究史晓锋 李 铮 蔡志权(北京航空航天大学电子工程系 )摘   要史晓锋 ,李铮 ,蔡志权 . 随钻电磁波传播电阻率测量工具探测深度研究 . 测井技术 ,2002 ,26 (2) :113~ 117在随钻电阻率测井中 ,基于相位的电阻率测量曲线和基于衰减的电阻率曲线在地层中经常出现彼此分离的现象 ,对电磁波电阻率测井的探测深度进行了详细的研究 ,研究表明这种分离与电阻率换算方法有关。同时指出基于 义的探测深度有一定的局限性 ,只能用于定性分析。而且 ,后对导致电阻率曲线分离的因素进行了归纳 ,并指出利用随钻电阻率测量数据进行地层侵入评价是更为可靠的方法。关键词 :电磁波传播测井   电阻率   探测深度   随钻测井   侵入带 2002 , 26( 2) : 113 - 117WD in WD is in of is to to of is at in to At WD is       用于测量地层电阻率的测量工具的工作频率被限制在几 内 ,例如常规的感应测井所使用的工作频率为 20 但由于技术和测量环境的限制感应测井工具无法应用于随钻测量 ,因此 ,2 电磁波传播电阻率测量是随钻电阻率测量的主要方法。随钻电磁波电阻率测量工具使用多线圈系设计 ,在不同的源距下测量 2 个接收线圈间的相位差和幅度衰减 ,并由此换算电阻率。多探测深度的测量数据可以用来解释侵入状况 ,通常认为相位电阻率的探测深度较浅 ,衰减电阻率具有较大的探测深度 \[1 ,2\]。本文对随钻电磁波电阻率测量的探测深度问题进行了详细的讨论 ,分析了导致衰减电阻率和相位电阻率曲线分离的主要因素 ,指出现行随钻电磁波电阻率测量探测深度的定义有一定的局限性 ,并说明利用电磁波电阻率测量数据进行侵入带评价是更为可靠的方法。电磁波传播电磁场电阻率测量方法图 1 是三线圈系测量模型 ,其中 2 为相距 Δ z 的 2 个接收线圈 ,源距为 z。当 z m 线圈可以简化为磁偶极子。·311· 第 26 卷·第 2 期                测  井  技  术图 1   三线圈系模型电磁波在介质中的传播可以用 程组描述 ,即满足波动方程A + A = 0 (1)式中 , A 为磁势矢量 ,即 E = A ; k 为波数。在均匀介质中 ,电磁场的柱坐标分量表达式为ρ , z) = ∞03λ 0 λ ρ ) - λ 0 | z | ) (2)ρ , z) = ∞0 2 λ ρ ) - λ 0 | z | ) (3)ρ , z) = ∞02λ 0 λ ρ ) - λ 0 | z | )(4)式中 ,λ 0 = λ 2 - 发射线圈矩幅度 , 0 , I 为电流强度 , 发射线圈的截面积 , 发射线圈的匝数。场与介质参量的关系由波数 k 来确定 ω 2ε μ + ω (5)式中 ,ε 为介电常数 ;σ 为电导率 ;μ 为磁导率。波数 k = a + i b。我们最为关心的是磁偶极子轴上的场 ,由于电磁波电阻率测量以测量场的相对特性为基础 [3] ,因此将场强磁偶极子轴上的场写为 ei 1 - i (6)式中 , 介质中场的 z 向分量 ; z 向分量 ; 相对场强。相对场幅度可以写为| = e - 1 + 2 + ( 2 (7a)相位等于φ = (1 + ] (7b)实部为Re e- (1 + az (8a)虚部为Im e- (1 + az (8b)工程实际证明 ,当场频为 1~ 3 ,对于绝大多数地层而言 ,都可以满足 ωε /σ n 1 ,因而有p = a = b = σ μ ω / 2 (9)这种情况下介质的 ε 对场无影响。此时 ,2 个接收线圈中的相位差为Δ φ = p ( (10)幅度比可以表示为 1 - z 11)由式 (10) 和 (11) 可以分别求解视电阻率。由相位差计算的视电阻率称为相位电阻率 ,由幅度比计算的视电阻率称为衰减电阻率。通常电阻率的换算是通过图版来完成的 ,制作图版时所使用的参考地层因测量方法而异。对感应电阻率测量而言 ,参考地层为各向同性的均匀介质 ;对于侧向或球聚焦测井 ,参考地层为带有特定尺寸井眼且厚度足够大的地层 ,井眼中充满特定电阻率的泥浆 ;而对于随钻电阻率测量而言 ,参考地层为不带井眼的无限厚均匀介质。按照石油工业惯例 ,在进行图版计算时 ,认为地层的介电常数是一个特定的数值 (ε r = 10) 。探测深度的研究在理想情况下 ,探测深度反映了测量工具对径向地层参数变化的敏感度 ,利用不同探测深度的电阻率测量数据可以表述侵入带的电阻率剖面 ,对侵入带进行评价 [4]。11 探测深度的定义精确地定义随钻电阻率测量工具的探测深度十分困难 ,因为工具的响应是地层参数和侵入半径的非线性函数。随钻电阻率测量的探测深度是从感应测井中几何因子的概念演化而来的。感应工具的视电导率可以表示为σ a =∫ d r∫ r , z) g ( r , z) (12)其中 σ ( r , z) 为地层电导率 ,它是径向距离 r 和轴向距离 z 的函数 ; g ( r , z)为几何因子 ,与地层电导率无关。当地层电导率很小且地层厚度足够大时 ,式 (12) 可以很好地表述测量结果与地层的关系 ,在此条件下 ,式(12)可以表述为·411· 测  井  技  术                     2002 年  图 2   侵入地层模型σ a =∫ d rσ r ( r) r) (13)式中 , r) 为径向几何因子。考虑到在无限大均匀介质中 ,测量得到的视电阻率与地层真电阻率一致 ,因而有 ∫∞0d r) = 1 成立。考虑如图 2 所示的测量模型 ,内层为冲洗带 ,电导率为 σ 外层为地层 ,其电导率为 σ t ,两者之间的电导率逐渐变化 ,则σ a = σ ( d) +σ t [1 - G( d) ] (14)式中   d 为侵入半径 ;G( d) = ∫d/ 20d r) 。 (15)G( d)称为积分径向几何因子 ,在此基础上 ,探测深度 义为G( = 1/ 2 (16)注意式 (16) 成立的条件是地层电导率很小且地层厚度足够大。在这个假设条件下 , 以对仪器的探测深度进行定量计算。当地层电导率增大时 ,上面的计算将出现很大的误差 ,此时侧向测井、球聚焦测井和随钻测井仪器的视电阻率不能由式 (12)和式 (13) 表示 ,但石油工业惯例仍然以式 (14)的形式作为随钻电阻率测量工具探测深度的定义 , 称 之 为 数 ( 即有σ a = σ d ,σ σ t) +σ t [1 - d ,σ σ t) ](17)需要注意的是 , 是在数学形式上沿袭了感应工具几何因子的定义 ,其物理含义是十分有限的 ,而且 因为它与地层电阻率和泥浆电阻率有关。与式 (16) 类似 ,此时的探测深度 义为σ σ t) = 1/ 2 (18)随钻电阻率测量中称为 测深度或简称为探测深度。在不满足前提条件时 , 能用于定性分析或量级的估计。由式 (17)可以得到σ σ t) = σ a - σ σ t(19)式中 ,σ a 为视电导率 (衰减电导率或相位电导率 ) ,即视电阻率 倒数 ,它与 σ t 和侵入深度有关。21 影响探测深度的因素随钻电阻率工具的探测深度表明了在地层中实际测量区域。电磁波电阻率测量的探测深度主要由以下 3个方面的因素决定。· 发射线圈到测量点的距离起主要的作用 ,源距越大 ,探测深度越大。· 仪器的工作频率和地层的导电性本身也决定了工具的探测深度 ,由于趋肤效应 ,高频电磁波更难以穿透导电性的介质。· 不同的测量参量具有不同的探测深度。例如衰减电阻率对导电性侵入地层反应不敏感 ,而对电阻性侵入地层的读数接近地层真电阻率 [5]。31 探测深度的计算探测深度由 50 %点确定 ,即探测深度内外介质对测量的贡献各占 50 %。在计算 测深度时 ,按照工业惯例进行如下的假设 \[6\]:·无井眼环境·地层是各向同性的均匀介质·地层厚度无限大·采用阶梯侵入模型· 可以计算不同地层电阻率条件下衰减电阻率和相位电阻率的 测深度。如图2 所示 ,采用对称线圈系 ,2 个接收线圈间距 012 m ,测量点为 2 个接收线圈的中点 ,发射线圈到测量点的距离为112 m。衰减电阻率和相位电阻率的 见图 3 和图 4。图 3 和图 4 的数据对比说明 ,在假设条件成立时 ,衰减电阻率测量的探测深度大于相位电阻率测量的探测深度 ,这一点与经验相吻合。但是 ,上述假设条件在现场应用中是难以满足的 ,因此有些情况下 ,基于 1 探测深度的深入分析通常认为 ,探测深度越大 ,视电阻率越接近于地层·511· 第 26 卷·第 2 期        史晓锋等 :随钻电磁波传播电阻率测量工具探测深度研究图 3   衰减电阻率的探测深度图 4   相位电阻率的探测深度图 5   侵入带地层中的相位电阻率和衰减电阻率 0125Ω · m; ε 180ε 0 ; 100Ω · m; ε t = 28ε 0真电阻率。然而 ,按照 测深度的定义 ,探测深度 大并不等同于可以探测地层更深处的概念 ,应考虑侵入带、井眼泥浆和岩石介电常数对电阻率测量的影响。在实际测井环境中 ,地层真电阻率 冲洗带电阻率 5 为电阻性地层存在电导性侵入时的一种典型情况。从图 5 可以看到 ,当侵入半径 d ,相位电阻率 读数更接近地层真电阻率 ;当侵入半径位于两者之间时 (即 d < ,衰减电阻率 接近地层真电阻率。若地层打开时间很短 ,侵入还没有发生时 ,可以考虑有井眼无侵入的理想情况 (见图 6) 。从图 6 可以看到 ,井眼中充满导电泥浆时 ,相位电阻率 接近地层真电阻率 ,而衰减电阻率的读数小于地层真电阻率。从另一个角度考虑 ,相位和幅度是时谐电磁场的 2个固有属性 ,电磁场也可以用实部和虚部来表示。随钻图 6   井眼影响图 7   侵入带地层中的视电阻率 017Ω · m; ε 125ε 0 ; 4Ω · m; ε t = 65ε 0电阻率测量的原始数据为 2 个接收线圈中的复电压比值 ,继而分解为幅度比和相位差。同样 ,复电压比值也可以分解为实部和虚部 ,两者也都是电阻率的函数。这样在同一源距下 ,可以得到 4 种电阻率 ,即用复电压比的实部、虚部、相位和幅度 4 个参数分别计算视电阻率(见图 7) 。其中 实部电阻率 ; 虚部电阻率 ; 相位电阻率。 4 种视电阻具有不同的 其中实部电阻率探测深度最大 ,相位电阻率的探测深度最小。因而 ,按 测地层更深处参数”的含义。即使在均匀介质中 ,同样可以观察到曲线分离的现象 (见图 8) 。图 5 中地层真电阻率为 50Ω · m ,分为上下2 个厚层 ,上面厚层中地层的介电常数为 18 个相对单位 ,下面地层的介电常数为 6 个相对单位。综上所述 ,当满足下面任一条件时 ,电阻率曲线将彼此分离 :· 存在井眼· 存在侵入带· 介电常数与参考地层不同· 在非均匀介质中测量在实际测量中 ,其它一些因素也会导致电阻率曲线的分离 ,例如围岩、各向异性地层等。总而言之 ,当测量·611· 测  井  技  术                     2002 年  图 8   不同介电常数的厚地层中相位电阻率和衰减电阻率 50Ω · m; ε 1 = 18ε 0 ; ε 2 = 6ε 0地层与电阻率换算的参考地层不一致时 ,相位电阻率和衰 减电阻率曲线将彼此分离。因此 ,在利用随钻电阻率测量数据评价地层侵入时 ,不同类型的测量数据是不能使用的 ,利用不同源距的同类型的测量数据得到的处理结果较为可靠。总 结相位电阻率与衰减电阻率曲线在地层中经常出现彼此分离的情况 ,曲线分离的原因与测量地层和参考地层不一致有关。基于 在随钻测量中只能用于定性分析。衰减电阻率的探测深度大于相位电阻率并不能说明衰减电阻率比相位电阻率接近地层真电阻率。因此 ,当利用随钻电磁波电阻率测量数据进行侵入带评价时 ,相位电阻率和衰减电阻率曲线的分离并不能代表侵入的实际情况 ,应利用不同源距的同转换类型电阻率进行定量分析。参 考 文 献\[1\]  , F , D , et . 2\]  , C F. S. C. 1984 , 5 , 3 : 46\[3\]  [苏 ]Д . С 高频电磁测井方法 石油工业出版社 ,1981\[4\]  D , P N. a 1989\[5\]  S , , . a . 6\]  1987\[7\]  , , G . 1 1990 ,(修改稿收稿日期 :2001212230  本文编辑 高宝善 )《测井技术》杂志 2000 年度论文发表时滞期刊的论文发表时滞是指该刊的论文发表日期与编辑部收到该论文日期之间的时间差 ,简称时滞。通常以月为计量单位。一种刊物时滞的长短 ,关系到论文发表的及时程度 ,甚至关系到科学技术的发现和发明的优先权 ,从而可使刊物吸引较高水平的论文稿源。因此 ,期刊论文发表时滞的长短 ,也成为评价期刊质量的一项重要指标。据中国科技信息研究所 2001 年 11 月出版的《中国科技期刊引证报告 (2001 年版 )》中公布的统计数据表明 ,在 2000 年包括该刊在内的全国 1 412 种入选为该所的中国科技论文统计用期刊中 ,除 66 种期刊因未注明收稿日期而未作统计外 ,其余 1 346 种的论文发表时滞平均为 7189 个月 ,而该刊当年的时滞为 5195 个月 ,较全国平均时滞缩短了 1194 个月 ,从而使该刊 2000 年度论文发表时滞名列全国 1 346 种全国统计用期刊的第 403 位 ,而在能源科技类学科的 37 种有时滞统计的期刊中名列第 12 位。(范文田 供稿 )·711· 第 26 卷·第 2 期        史晓锋等 :随钻电磁波传播电阻率测量工具探测深度研究作 者 简 介王方雄   1973 年生。 1998 年毕业于江汉石油学院石油地质专业。现为江汉石油学院地球科学系硕士研究生。主要从事储层地质学与计算机应用研究。 (地址 :湖北省荆州市江汉石油学院地球科学系 邮编 :434102)赵 亮   博士生 ,1975 年生。从事地球物理探测与信息处理的理论、方法研究。 (地址 :北京市昌平区石油大学资源与信息学院博 99  邮编 : 102249  电话 : 010 恩承   高级工程师 ,1932 年生。 1961 年毕业于莫斯科石油学院。 1992 年离休 ,2001 年 9 月不幸因病去世。柯式镇   副教授 ,1967 年生。 1999 年获得博士学位。从事岩石物理性质和测井仪器与方法研究。 (地址 :北京市昌平区石油大学地科系 邮编 :102200)乔文孝   博士 ,教授 ,1956 年生。现在石油大学 (华东 ) 从事应用地球物理专业教研工作。 (地址 :山东省东营市石油大学资源与信息学院  邮编 :257061  电子邮件 :)赵国瑞   1968 年生。 1991 年毕业于大庆石油学院测井专业。从事低电阻率油层解释研究。 (地址 :河北省任丘市华北油田分公司勘探开发研究院地球物理室  邮编 :062552  电话 :0317 n 2723067 或 2722789)史晓锋   博士研究生 ,1974 年生。现在北京航空航天大学攻读博士学位 ,主要研究通讯与信息系统、石油测井技术等。 (地址 :北京航空航天大学 207 教研室  邮编 :100083  电话 :010 n 82317217)司马立强   高级工程师。现从事测井科研及管理工作 ,任四川石油管理局测井公司副总工程师。 (地址 :重庆市江北区大石坝四川石油管理局测井公司研究所  邮编 :400021  电话 :023 n 6740049)周灿灿   高级工程师 ,1962 年生。现攻读中科院长沙大地构造研究所博士学位。现任冀东油田公司勘探开发研究院院长。 (地址 :湖南省长沙市中科院长沙大地构造研究所 邮编 :410013)谭成仟   副教授 ,1964 年生。从事测井解释与油藏描述。 (地址 :陕西省西安市电子二路东段西安石油学院石油工程系 邮编 :710065)李洪奇   教授 ,博士生导师 ,1960 年生。 1998 年获中国科学院固体地球物理专业理学博士学位。现从事应用地球物理专业的教研工作。 (地址 :山东省东营市石油大学 邮编 :257061)张丽艳   高级工程师。 1984 年毕业于华东石油学院测井专业 ,长期从事测井解释与储量计算研究工作。 (地址 :山东省东营市胜利油田有限公司地质科学研究院  邮编 :257015  电话 :0546 n 8715413)罗菊兰   工程师 ,1967 年生。 1991 年毕业于成都地质学院数学地质专业。现从事测井资料解释与方法研究。 (地址 :甘肃省庆阳长庆石油勘探局测井工程处测井研究所 邮编 :745100  电话 :0934 n 8592381)罗安银   高级工程师 ,1964 年生。 1997 年毕业于石油大学 (北京 )地球科学系 ,获硕士学位。从事测井解释评价工作。 (地址 :河北省任丘市华北石油管理局测井公司解释计算中心 邮编 :062552)李厚义   教授级高级工程师 ,1935 年生。近年研究复电阻率测井及陆相油藏测井解释方法。 (地址 :河北省任丘市华北油田勘探开发研究院地物室 邮编 :062552)侯云福   高级工程师 ,1965 年生。 1999 年在中欧工商管理学院获工商管理硕士学位。从事套管井测井解释、测井方法研究及管理工作。现任大庆石油有限责任公司测试技术服务分公司副经理。 (地址 :黑龙江省大庆市红卫村 邮编 :163412  电话 :0459 n 4962338)胡金海   高级工程师 ,1966 年生。 2001 年获天津大学硕士学位。从事多相流测量传感器的研究。 (地址 :黑龙江省大庆市萨尔图区丰收三村测试技术服务分公司三采实验室 邮编 :163153  电话 :0459 n 5821856(O)  5982650(H)      军  现在江苏大学能源与动力工程学院工作。王 祥   高级工程师 ,1959 年生。现从事测井资料解释与方法研究。 (地址 :河南省濮阳市中原油田测井公司资料解释处理中心 邮编 :457001  电话 :0393 n 4824426)金友春   高级工程师。 1985 年毕业于江汉石油学院 ,现从事油水井和煤层气井测试方法研究。  (地址 :天津市大港油田集团钻采工艺研究院  邮编 :300280  电话 :022 n 25914414)李安宗   高级工程师 ,1967 年生。 1988 年毕业于江汉石油学院电子工程系。主要从事成像测井地面系统的研制开发工作。现任西安石油勘探仪器总厂副总工程师。(地址 :西安市红专南路 8 号西安石油勘探仪器总厂邮编 :710061  电话 :029 n 6265999 转 3023)黄忠富   1976 年生。现为华中科技大学电信系 99 级硕士研究生。 (地址 :湖北省武汉市华中科技大学东 12 舍 405室 邮编 :430074  电话 :027 n 87541604)·671· 测 井 技 术                      2002 年 
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