CN101343999B - 阵列磁声电导率成像测井方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种阵列磁声电导率成像测井方法，其特征在于利用布置在井中的磁体在井周地层产生静磁场，与激励线圈连接的脉冲激励器使激励线圈产生瞬变电流，在井周地层产生感应电流，感应电流在静磁场作用下产生洛仑兹力，从而激发出超声信号；接收并测量经过地层传播到井中的超声信号，根据声压与电导率的非线性关系，通过图像重建，获得井周的电导率图像。应用本发明方法的装置中，磁体、激励线圈和超声接收阵列置于油井之中，脉冲激励器、数据采集器和计算机置于油井周围的地面。超声接收阵列置于磁体和激励线圈之间，磁体和激励线圈上下布置。脉冲激励器通过电缆与激励线圈连接；超声波接收阵列、数据采集器和计算机依次连接。

Description

阵列磁声电导率成像测井方法及装置

技术领域

本发明涉及一种石油勘探领域中测量井周地层不同深度处的电导率分布的方法及装置，特别涉及阵列磁声电导率成像测井方法及装置。

背景技术

石油勘探测井技术的发展在国外始于1927年，在我国始于1939年。随着科学技术的发展和进步，在我国60多年来测井仪器经历了五次更新换代，即：半自动模拟测井仪、全自动模拟测井仪、数字测井仪、数控测井仪和成像测井仪。现代测井是石油工业中高科技含量最多的技术之一，在石油工业中占重要的地位。作为对油气资源进行信息采集主要手段的测井，目前使用的是第四代数控测井仪和第五代成像测井仪。

成像测井是近年来发展起来的测井新技术，其井下仪器采集信息量大分辨率高，测量结果经过处理一般用图像的形式表现出来。成像测井井下仪器系统依据所测物理量的不同，大体可分为电、声、核、力四种。与常规测井技术相比，成像测井对复杂油气藏具有更强的适应能力。其中电成像测井主要包括：地层微电导率扫描成像测井、阵列感应成像测井和方位电导率成像等；声成像测井主要包括：井下声波电视、井周声波成像测井和多极子阵列声波测井等；核成像测井主要包括：碳氧比能谱测井、核磁共振测井等；力成像测井主要包括地层动态测试仪等。

电成像测井的激励源和接收装置为电极或线圈，激励信号为电压或电流，激励源位于井轴或贴放在井壁，接收信号为电压或电流，成像参数为电导率。而声成像测井的激励源和接收装置为换能器，激励信号为声波，激励源位于井轴或贴放在井壁，接收信号为声学参数(幅度、慢度等)电压或电流，成像参数为幅度、传播时间等。对于电成像测井方法而言，为提高分辨率，需要在井中布置大量电极或线圈，它们相互之间存在干扰；对于声成像测井方法来说，不能获得电导率成像信息。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种测量井周地层不同深度处的电导率的阵列磁声电导率测井方法及装置。

本发明方法的直接激励源是永磁体和线圈，间接激励源是在地层中产生的洛仑兹力源。直接激励信号是静磁场、涡流，而间接激励信号为洛仑兹力。直接激励源位于井中，而间接激励源置于在井外一定区域的地层里，即静磁场和脉冲磁场共同覆盖的区域，而声波传播范围则远大于声源区域。接收装置为换能器，接收信号为声压。从成像参数上看，磁声成像获取井外电导率信息，因此具有电成像测井方法的特点。电导率信息在评价油层的含油饱和度方面非常重要，磁声成像测井方法综合了电成像和声成像技术的优点，有广泛的应用前景和潜在的应用价值。

本发明阵列磁声电导率成像测井方法是一种的新的成像方法。阵列磁声电导率成像测井方法的原理为：利用布置在井中的磁体在井周地层产生静磁场，利用连接激励线圈的脉冲激励器使激励线圈产生瞬变电流，在井周地层产生感应电流，感应电流在静磁场作用下产生洛仑兹力，从而激发出超声信号。接收并测量经过地层传播到井中的超声信号声压，通过图像重建得到井周地层电导率图像。

本发明方法根据以下建立的声压与电导率的非线性关系，获得井周的电导率图像。

井周的电导率图像重建原理及过程描述如下：

重建过程包括两个步骤：

步骤1根据测得的声压重建洛仑兹力密度的散度

步骤2根据洛仑兹力密度的散度重建电导率σ分布。

其中步骤1采用滤波反投影算法实现，公式(1)描述了洛仑兹力密度的散度：

$\▿\·(\stackrel{\‾}{J}\×{\stackrel{\‾}{B}}_0)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\stackrel{\‾}{n}\·(\stackrel{\‾}{r}-{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{di}})}{{|\stackrel{\‾}{r}-{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{di}}|}^2}{P}_0({\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{di}},\frac{|{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{di}}-\stackrel{\‾}{r}|}{c_s})---\left(1\right)$

公式(1)中：N代表探头个数，代表第i个探头的位置，

代表所要重建的场点的位置，c_s为声速，p₀为探头测得的声压，

为地层中感应的电流密度，为磁体产生的静磁场的磁通密度。

步骤2，根据洛仑兹力密度的散度重建电导率σ分布的推导过程如下：

根据欧姆定律 $\stackrel{\‾}{J}=\mathrm{\σ}\stackrel{\‾}{E},$ 式中：σ为电导率，

为电场强度，

为地层中感应的电流密度，在柱坐标系下，洛仑兹力密度的散度

可以展开为：

$\▿\·(\stackrel{\‾}{J}\·{\stackrel{\‾}{B}}_0)=\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left({\mathrm{r\σEB}}_{0z}\right)-\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\σEB}}_{0r}\right)---\left(2\right)$

公式(2)中：B_0r、B_0z分别为B₀的r，z分量。

对于二维轴对称问题，矢量磁位

只有圆周方向的分量A_φ，为方便起见，记为A，则A满足的方程为，

$\frac{\∂}{\∂r}\left(\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{rA}\right)\right)+\frac{{\∂}^{2}A}{{\∂z}^2}-\mathrm{\μ\σ}\frac{\∂A}{\∂t}=-{\mathrm{\μJ}}_s---\left(3\right)$

在z轴和无穷远处，A＝0，J_s为放电电流。

电场强度E与矢量磁位A的关系可以表示为

$E=-\frac{\∂A}{\∂t}---\left(4\right)$

首先给定地层电导率的初始分布σ，对公式(3)采用有限元素法，可以求解矢量磁位A，代入公式(4)求出电场强度E。将E代入公式(2)，并对公式(2)采用有限差分方法，可以求解出新的电导率分布。重复上述过程，即可迭代重构出电导率σ的分布。

本发明采用磁声方法用于电法测井，原理上将带来与传统电法测井和声波测井不同的全新概念。从测量手段看，磁声成像通过电磁技术在井外地层营造静磁场和涡流，从而激发洛仑兹力声波源，测量传播到井中的声波，因此具有声成像技术的特点。但磁声成像测井与声成像测井技术最大的不同在于，前者的声源在井轴或井壁，而后者的声源在井外一定区域的地层里，即静磁场和脉冲磁场共同覆盖的区域，而声波传播范围则远大于声源区域。从成像参数上看，磁声成像获取井外电导率信息，因此具有电成像测井方法的特点。磁声成像测井方法综合了电成像和声成像技术的优势，有广泛的应用前景和潜在的应用价值。

本采用上述本发明方法的阵列磁声电导率成像测井系统，其特征在于：

(1)本发明脉冲激励器激励的瞬变电流波形的脉冲宽度范围为10μs以下，峰值电流在50A以下，瞬变电流激发的一次磁通密度在0.01T以下。

(3)利用公式(1)～(4)所揭示的非线性关系重建电导率分布。

应用本发明方法的阵列磁声电导率成像测井系统包括磁体、脉冲激励器、激励线圈、超声接收阵列、数据采集器和计算机。其中磁体、激励线圈、超声接收阵列为一组换能器，置于油井之中；脉冲激励器、数据采集器、计算机置于油井周围的地面。超声接收阵列置于磁体和激励线圈之间，磁体和激励线圈上下布置，磁体处于上部(或下部)，则激励线圈对应处于下部(或上部)。脉冲激励器通过电缆连接激励线圈。超声波接收阵列、数据采集器及计算机依次连接。

附图说明

附图为阵列磁声电导率成像测井系统原理图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明阵列磁声电导率成像测井方法，利用布置在井中的磁体在井周地层产生静磁场，脉冲激励器连接激励线圈，脉冲激励器使激励线圈产生瞬变电流，在井周地层产生感应电流，感应电流在静磁场作用下产生洛仑兹力，从而激发出超声信号。测量经过地层传播到井中的超声信号声压，通过图像重建得到井周地层电导率图像。

如附图所示，本发明方法的阵列磁声电导率成像测井系统，包括磁体、脉冲激励器、激励线圈、超声接收阵列、数据采集器、计算机。其中磁体、激励线圈、超声接收阵列置于油井之中；脉冲激励器、数据采集器、计算机置于油井周围的地面。超声接收阵列置于磁体和激励线圈之间，相对而言，磁体可以处于上部(或下部)，则激励线圈对应处于下部(或上部)。脉冲激励器通过电缆连接激励线圈。超声波接收阵列、数据采集器、计算机依次连接。

磁体在井周的地层中产生静磁场的磁通密度B₀。在本实施例中，磁体采用永磁体，形状为圆柱体，轴向充磁。磁体直径为0.09m，磁体高度为0.6m，B₀为轴对称分布，其中最大值B0max为0.5T。

连接在脉冲激励器上的激励线圈产生瞬变电流，瞬变电流激发的一次瞬变磁通密度为B₁，一次瞬变磁通密度在井周地层中产生感应电流，感应电流激发的二次磁通密度为B_S。在本实施例中，激励线圈的平均半径为5cm，电感为17μH。瞬变电流波形的脉冲宽度为1.2^μs，峰值电流为40A，一次瞬变磁通密度B₁的峰值为0.001T。对于电导率为0.005s/m的均匀地层，二次瞬变磁通密度B_S的峰值远小于一次瞬变磁通密度B₁的峰值，可以看出，一次瞬变磁通密度B₁和二次瞬变磁通密度B_S之和的峰值远小于B0max，因此，可以忽略一次瞬变磁通密度B₁和二次瞬变磁通密度B_S，则地层中的磁通密度可以近似为磁体在井周的地层中产生静磁场的磁通密度B₀。

感应电流在静磁场作用下产生洛仑兹力，激发出超声信号。超声波接收阵列接收和放大超声脉冲信号，测量经过地层传播到井中的超声信号，经由数据采集器将采集到的声压数据存储于计算机中。在本实施例中，超声波接收阵列包含8个接收探头，探头的中心频率为18KHz。它们由上到下依次沿井轴平行分布，最上面的探头与激励线圈的距离为1cm，探头间距为1cm，最下面的探头与永磁体的距离为1cm。对于电导率为0.005s/m的均匀地层，洛仑兹力密度和其散度呈非均匀分布，接收探头处的声压平均为0.09Pa。

将计算机中存储的声压数据根据公式(1)～(4)所示的电导率和声压分布的关系：根据测得的声压重建洛仑兹力密度的散度

，并根据洛仑兹力密度的散度重建电导率σ分布，重建井周的电导率分布图像，在显示器上输出。

Claims (3)

1.一种阵列磁声电导率成像测井方法，其特征在于利用布置在井中的磁体在井周地层产生静磁场，与激励线圈连接的脉冲激励器使激励线圈产生瞬变电流，在井周地层产生感应电流，感应电流在静磁场作用下产生洛仑兹力，从而激发出超声信号；通过布置于井中的超声接收阵列接收并测量经过地层传播到井中的超声信号，根据声压与电导率的非线性关系，通过图像重建，获得井周地层的电导率图像；所述的超声接收阵列置于磁体和激励线圈之间。

2.根据权利要求1所述的阵列磁声电导率成像测井方法，其特征在于图像重建过程包括两个步骤：

步骤1、根据测得的声压重建洛仑兹力密度的散度

式中：

为地层中感应的电流密度，为磁体产生的静磁场的磁通密度；

步骤2、根据洛仑兹力密度的散度重建电导率σ分布。

3.应用权利要求1所述测井方法的装置，其特征在于阵列磁声电导率成像测井系统包括磁体、脉冲激励器、激励线圈、超声接收阵列、数据采集器和计算机；磁体、激励线圈和超声接收阵列置于油井之中；脉冲激励器、数据采集器和计算机置于油井周围的地面；磁体和激励线圈上下布置：磁体处于上部时，则激励线圈对应处于下部，磁体处于下部时，则激励线圈对应处于上部；脉冲激励器通过电缆与激励线圈连接；超声接收阵列、数据采集器和计算机依次连接。