CN102121374A - 一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，步骤为：1)井下构建大功率脉冲发射源；接收记录系统记录磁场垂直分量Bz产生的感应电动势ε随时间变化的数据；对发射波形和接收信号同时进行记录；2)进行多次发射-接收，将信号叠加，提高信噪比；3)按套管参数和记录的发射源电流波形计算套管响应，获得套管外地层相对感生电动势Δε_f；4)对相对感生电动势值进行校正；5)进行一维反演，将随时间变化的观测信号转换成井周地层电阻率的径向变化信息；6)由反演电阻率值获得井段套管外地层电阻率纵向与径向分布的二维图像；7)按完井时的测量资料和解释结果，由套管外储层电阻率的分布可确定储层中剩余油的分布状况。

Description

一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法

技术领域

本发明涉及井中地球物理测量和油田开发技术领域，特别是一种通过在套管井中激发和观测电磁场的变化获得套管外井周地层电阻率的分布信息，进而可评价开发油藏储层中剩余油分布状态的井中电磁探测方法。

背景技术

由于储层介质的电性参数与储层孔隙度、孔隙流体性质和饱和度都有密切关系，储层中含油气时与含地层水时的电性差异很大，储层介质的电性参数是判定与评价储层含油气性的一个主要参数，因而电法或电磁法一直是定量评价储层含油气性的重要方法。由于可以直接在井中通过靠近或在储层中间进行测量，测井是所有地球物理探测方法中分辨率最高的一类方法。

用于裸眼井地层电阻率测量的电测井方法有直流电阻率测井和感应测井两类方法。直流电阻率法通过在井中或靠井壁给地中供一直流电流，在一定偏移距处测量电位差来获得地层的电阻率；而感应测井是基于电磁感应原理，在发射线圈中供一交流电流，产生交流磁场激发，在一定偏移距处测量在地层中感应出的涡流产生的二次场来获得地层电导率。

近年来，借助于信息技术的发展，国内外地球物理界研究和发展了井间电磁波层析成像(CT)技术用于井间电阻率分布的测量和成像，与常规电测井相比具有更深更大的探测范围；与地面电磁法相比，它具有更高的精度和分辨能力且不受井深的影响。井中电磁波CT面临的挑战之一是探测距离和分辨能力的矛盾。有利于油气储集的地层对电磁波来讲一般为强损耗介质，欲增加探测距离，必须增加发射功率，降低发射信号的频率，而降低频率又会影响到分辨率。在油田开发中应用还面临金属套管的强衰减问题。理论研究表明，用一个垂直磁偶极源在套管井中发射，在另一口裸眼井中接收，如果发射源的频率为数百赫兹时，信号能穿透套管而辐射到地层中。而对于双边均为套管井时，则信号的探测就几乎不可能。当套管接箍为绝缘连接时，每节套管可以作为发射天线，其效果更好，但这样在实际的石油钻井施工中也是不现实的。

对于开发油藏中储层电阻率的测量问题，面对的主要挑战仍是开发油井的金属套管对电磁场的强烈屏蔽作用，使得无论是直流场还是感应场的测量都非常困难。随着电子技术的发展，弱信号检测技术的提高，国外学者研究和实现了在套管管壁上供电，在管壁上测量超弱的电位梯度信号，然后转换成直流电阻率曲线，获得套管外地层的电阻率信息。美国的几大测井技术服务公司，如Schlumberger，Haliburton，Baker Atlas都已研制出基于直流电位测量的过套管电阻率测井的仪器。这种过套管地层电阻率测井方法在实际应用中仍受许多因素的影响导致推广困难。首先，由于供电和测量都必须紧贴井壁进行，在进行测量前，需对套管壁进行清洁处理。这种清洁工作成本高，如果清洁不彻底还会导致接触不好而产生很大的测量误差，这一问题是由于观测方法的局限性造成的。直接接触管壁的测量更易受到套管接箍和射孔点的影响，造成资料解释上的困难。再者，该方法采用直流电流供电通过套管向地层中扩散，直流扩散场本身没有测深的能力，只能靠电极距的变化来识别不同深度地层的电阻率；由于测井电缆的限制，供电电流也不可能很大(＜6A)，故该方法的探测深度非常有限。这样，固井水泥环对观测数据有重要影响，需要在解释中进行精细的处理和校正，而对距井壁一定距离内储层的电阻率分布信息更是无从获取。

发明内容

本发明的目的是提供一种在金属套管井中采用大功率脉冲源激发，在井中观测磁感应电动势随时间的变化，通过资料处理获取套管外地层电阻率的径向分布信息，进而评价开发油藏储层中剩余油分布情况的井中电磁方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明采用的设备由地面设备和井下装置两部分组成，地面设备通过电缆对井下装置进行供电和控制(本发明中所用的设备或装置可参阅同日申请的另一件案子)。本发明的具体操作步骤为：

1)在含有金属套管的目标井段中，给井下装置大功率脉冲发射源的发射线圈通以脉冲电流，产生瞬时大功率的脉冲磁场激发；井下装置的接收记录系统在距发射源一定距离处用接收线圈记录磁场垂直分量Bz产生的感应电动势ε随时间变化的数据；对发射波形和接收信号同时进行全时段数字记录；

所述的井下装置的大功率脉冲发射源包括：

脉冲波形为拟高斯脉冲；

脉冲瞬时电流最大值＞30A；

脉冲瞬时功率最大值＞100kW；

脉冲宽度＜100ms；

所述的井下装置的接收记录系统包括：

多道磁感应传感器接收，道间距离0.25m；

收-发距最小1.0m；

接收信号时间序列记录长度1s；

2)在同一深度点进行多次发射-接收，将多次接收信号叠加，提高信噪比；

所述的多次发射的次数为30-100个脉冲；

3)根据已知的套管(内径、厚度、电导率、磁导率)等参数和记录的发射源电流波形计算相应的套管响应，获得套管外地层的相对感生电动势Δε_f：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_f=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_o-{\mathrm{\ϵ}}_c}{{\mathrm{\ϵ}}_c}---\left(1\right)$

式中ε_o为观测的感生电动势，ε_c为计算得到的套管的响应；

所述的金属套管响应的计算由轴对称径向分层模型磁偶极源响应的数值解获得；

所述的金属套管参数的典型值为：

套管内径0.08-0.12m；

套管壁厚0.006-0.02m；

套管电导率10⁵-10⁷S/m；

套管的相对磁导率为10²-10⁵。

4)根据套管的接箍和射孔位置等信息，对相对感生电动势值进行校正；

5)进行一维反演，将随时间变化的观测信号转换成井周地层电阻率的径向变化信息；

6)根据不同测点的反演电阻率值，获得测量井段套管外地层电阻率纵向与径向分布的二维图像；

7)根据完井时的电测井资料和解释结果，由套管外储层电阻率的分布可以确定储层中剩余油的分布状况。

所述本发明提出的套管井中电磁激发与测量为感应方式，发射和接收装置均不直接接触套管管壁；接收系统记录磁感应电动势随时间变化的数据，具有时间域测深的功能，经过资料处理与反演，可获得井周地层电阻率的径向变化信息；利用完井时的电阻率测量数据进行标定，可以获得井周一定径向距离内储层的含油饱和度分布或变化图像，实现开发油藏的剩余油评价。

本发明工作时无需洗井，探测半径大。在获得很大的瞬时电流的同时，电源的平均功率消耗不大，目前大多数测井仪器无法突破钢套管的束缚，在钢套管井中无法使用。而该发明可以突破钢套管的束缚。由于平均功率小，测井仪器的电缆无需任何改动都可以连接，降低了使用成本。

本发明采用特殊技术，将所有的供电与测量设备装在管内，勘探人员可以在地面控制仪器进行勘探工作。本发明大大地减轻了仪器的重量，同时还节约了能源，且瞬间功率巨大。大功率电磁脉冲的响应值，用电阻率来描述井间周围分布，可以看到与地质结构有关的信息，为评价开发油藏储层中剩余油分布状态提供了一种有效的探测方法。

附图说明

图1为本发明设计的套管井中时域脉冲电磁法观测方案示意图；

图2为本发明实现过金属套管探测地层电阻率的原理示意图；

图3为本发明采用的拟高斯脉冲激励电流波形示意图；

图4为本发明不同套管电导率时井中观测的感应电动势曲线示意图；

图5为本发明不同地层电导率时井中观测的感应电动势差异示意图；

图6为本发明由井中观测的电动势差异反演得到的地层电导率曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

过金属套管探测地层电阻率的野外资料采集采用套管井中发射电磁脉冲、套管井中接收磁感应信号的时间域脉冲电磁方法，观测方案如图1所示。由发电机1通过发射控制装置2、通过井口控制装置3向井下装置4的发射系统供电。井下装置的接收记录系统记录在电磁脉冲激励下井中感生电动势随时间变化的数据。

井下装置的工作原理如图2所示。开发油井的金属套管5由固井水泥6将套管和地层固结，地层分为围岩地层7和具有一定孔隙度的储集层8，储集层含有流体(油、水或气)。由于储集层的非均质性，储层中剩余油的油水分界面可能远离井壁且分布状态比较复杂，本发明的目的就是通过观测电磁脉冲随时间的衰变获取地层电阻率径向分布的信息，进而推断储层中的流体分布情况。为了避免电磁屏蔽影响，井下装置的外壳9采用非金属材料制作。由井下发射控制装置给发射线圈10供给大功率的脉冲电流，所产生的磁场会在金属套管中和套管外的地层中感应出涡流12。地层中的感应涡流很弱，通常情况下不足套管中感应涡流的万分之一；但套管壁厚越小，脉冲功率越大，脉冲持续时间越长，则地层中感应涡流的作用越大。地层中的涡流产生的二次感应场13又会影响到套管内电磁场的分布，通过接收线圈11记录套管内感生电动势随时间的变化，经处理后可以获得套管外地层电阻率的分布信息。

为了能过突破金属套管的屏蔽影响，要求发射功率足够大，脉冲持续时间足够长，本发明采用的拟高斯脉冲波形如图3所示。脉冲14的瞬时电流峰值发生在0.01s左右，最大值超过45A，脉冲持续时间接近0.1s。

当发射线圈10中通以大功率脉冲电流14时，在套管中距发射线圈10一定距离的接收线圈11中观测到的磁感应电动势如图4所示。图中曲线15、16和17分别是套管电阻率为7×10^-5、1×10^-6和1.5×10^-6ΩM时在套管中观测得到的垂直磁场的感生电动势。可见不同的套管电阻率对观测的电磁场具有衰减和时移的作用，套管电阻率对井中观测的响应影响非常突出。

当套管外地层电导率(电阻率的倒数)值不同时，井中观测的电磁响应因受到金属套管的屏蔽作用仅呈现非常微弱的变化，通过研究不同地层电导率响应的相对变化可以提取与地层电导率相关的微弱响应。图5所示为当套管电导率为10⁶S/m时，根据式(1)计算得到的不同地层电导率的相对响应，曲线18-22分别为地层电导率为1、0.5、0.2、0.1和0.04S/m时的感生电动势的相对变化的曲线。可以看出，感生电动势的相对响应的幅值很好地反映了地层电导率的变化。据此反演得到的地层视电导率随时间变化的曲线如图6所示，曲线23-27分别对应电导率为1、0.5、0.2、0.1和0.04S/m时的地层，由图中可以看出，视电导率曲线的最大值与地层的真电导率值非常接近。

Claims (8)

1.一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，其特征在于：具体操作步骤为：

1)在含有金属套管的目标井段中，给井下装置大功率脉冲发射源的发射线圈通以脉冲电流，产生瞬时大功率的脉冲磁场激发；井下装置的接收记录系统在距发射源一定距离处用接收线圈记录磁场垂直分量B_z产生的感应电动势ε随时间变化的数据；对发射波形和接收信号同时进行全时段数字记录；

2)在同一深度点进行多次发射一接收，将多次接收信号叠加，提高信噪比；

3)根据已知的套管参数和记录的发射源电流波形计算相应的套管响应，获得套管外地层的相对感生电动势Δε_f：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_f=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_o-{\mathrm{\ϵ}}_c}{{\mathrm{\ϵ}}_c}$

式中ε_o为观测的感生电动势，ε_c为计算得到的套管的响应；

4)根据套管的接箍和射孔位置信息，对相对感生电动势值进行校正；

5)进行一维反演，将随时间变化的观测信号转换成井周地层电阻率的径向变化信息；

6)根据不同测点的反演电阻率值，获得测量井段套管外地层电阻率纵向与径向分布的二维图像；

7)根据完井时的电测井资料和解释结果，由套管外储层电阻率的分布可以确定储层中剩余油的分布状况。

2.如权利要求1所述的一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，其特征在于：所述的井中瞬变电磁测量为感应方式，发射和接收装置均不直接接触套管管壁。

3.如权利要求1所述的一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，其特征在于：所述的在套管井中记录磁感应电动势ε随时间变化的数据，具有时间域测深的功能，由此可获得井周地层电阻率的径向变化信息。

4.如权利要求1所述的一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，其特征在于：所述的井下装置的大功率脉冲发射源包括：

脉冲波形为拟高斯脉冲；

脉冲瞬时电流最大值＞30A；

脉冲瞬时功率最大值＞100kW；

脉冲宽度＜100ms。

5.如权利要求1所述的一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，其特征在于：所述的井下装置的接收记录系统包括：

多道磁感应传感器接收，道间距离0.25m；

收-发距最小1.0m；

接收信号时间序列记录长度1s。

6.如权利要求1所述的一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，其特征在于：所述的多次发射的次数为30-100个脉冲。

7.如权利要求1所述的一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，其特征在于：所述的金属套管响应的计算由轴对称径向分层模型磁偶极源响应的数值解获得。

8.如权利要求1所述的一种探测金属套管外地层电阻率的井中时域脉冲电磁法，其特征在于：所述的金属套管参数的典型值为：

套管内径0.08-0.12m；

套管壁厚0.006-0.02m；

套管电导率10⁵-10⁷S/m；

套管的相对磁导率为10²-10⁵。

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