CN102865071B - 一种过金属套管磁声电阻率成像测井方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种过金属套管磁声电阻率成像测井方法和装置，利用布置在井中的磁体在井周地层产生静磁场，超声探头阵列向井周地层的一定区域发射超声波。由超声激励和静磁场共同作用激发洛伦兹力和交变电压，在目标区域形成等效电流源，进而在井周地层产生电磁场。测量经过地层传播到井中的电压信号，以及超声回波信号，基于电磁互易定理对所获得的信息进行处理并求得目标区域的电阻率，进而实现井周的电阻率图像重建。应用本发明方法的装置中，磁体系统、超声探头阵列和测量线圈作为井下仪器的一部分置于井筒之中。利用超声探头阵列、电子控制技术及仪器在井筒中的整体纵向提离，实现超声聚焦区在径向、纵向的移动，从而实现过金属套管的地层电阻率成像。

Description

一种过金属套管磁声电阻率成像测井方法和装置

技术领域

本发明涉及一种石油勘探领域中测量井周电阻率分布的方法，特别涉及金属套管井的井周地层电阻率成像测井方法。

技术背景

石油勘探测井被称为“石油工业的眼睛”，借助测井技术，石油地质学家和石油开发工程师能够了解井筒周围地层的孔隙度、渗透率和含油气饱和度等重要信息。

为了实现油田的稳产和高产，各个油田都面临着有效的金属套管井中的剩余油评价和流体动态检测这一难题。金属套管的电阻率通常是被测试地层电阻率的10⁷～10¹⁰倍，磁渗透率是被测试地层磁渗透率的10～200倍，金属套管与地层在电磁属性上的巨大反差，造成金属套管井中电阻率测井和裸眼井中电阻率测井在物理上存在着巨大的差异：金属套管本身就是一个巨大的导电电极。在尝试通过金属套管把电流传导到地层中去时，由于电流会沿着电阻率最小的路径完成电流回路，导致在低电阻率的金属套管和地层之间，大部分电流会沿套管流动而仅有非常微弱的地层漏失电流；另一方面，井眼周围的电流泄漏发生在整个套管长度上，每米长度上的泄漏量非常少。上述事实导致过金属套管电阻率测量难度远远高于在裸眼井中测量地层电阻率，各种有效的裸眼井电阻率测量方法在金属套管井中不再适用。

前苏联在上世纪三十年代末最早提出了“过钢套管测地层电阻率”的设想，希望能够基于电法测井原理透过金属套管测量地层的电阻率，从而实现对金属套管井中油层剩余油饱和度评价。国际上几大测井服务公司在上世纪末先后基于该思想开发出各自的过套管电阻率测井仪。过金属套管电阻率测井在理论上较为简单，主要是基于传输线理论，通过测定通过金属套管泄漏到邻近地层中的电流来获取套管外地层的电阻率。由于微弱的地层电磁信号会被巨大的套管信号屏蔽掉，这给过金属套管电阻率测井的实现带来诸多困难，包括纳伏级微弱信号的检测、各种干扰信号对微弱有效信号的影响、后期资料处理和解释困难等等。上述困难造成现有过金属套管电阻率测井仪器的使用效果不尽如人意，主要体现在测量误差较大、地层电阻率有效测量范围受限、测量效果受地层水矿化度影响严重（在地层水矿化度低于5KPPM的情况下不宜使用）、垂直分辨率和测量精度不理想、水泥环对地层电阻率测量结果的影响较大、测井资料解释方法不成熟等方面。

尽管电法、声波这两大类测井技术已经非常成熟，可是单一的电法成像或声波成像还不能很好地实现过金属套管的电阻率成像，现有的套管井剩余油评价技术不能满足测井工程的要求和油田开发的现实需要。

发明内容

本发明的目的是克服现有过金属套管电阻率测井方法的缺点，提出一种高空间分辨率的过金属套管地层电阻率成像测井方法。

本发明主要针对金属套管井的地层电阻率测量过程中，金属套管对于所发射和接收电磁信号的巨大屏蔽作用，提出一种新的套管井电阻率成像测井方法——过金属套管磁声电阻率成像测井方法。

本发明测井方法利用布置在井中的磁体在井周地层产生静磁场，利用井中的聚焦超声发射探头激发井周地层目标区域按一定频率的振动，在超声激励和已知静磁场共同作用下产生洛伦兹力，在地层中形成电流场。测量该电流场的电压信号，同时测量超声回波信号确定质点振动速度，进一步重建获得地层电阻率分布。

本发明方法根据以下建立的电压信号与电阻率的非线性关系，重建地层的电阻率图像。

重建过程包括五个步骤：

1、利用互易定理建立实际测量过程与假想过程物理量的对应关系

（1）实际测量过程为：在超声激励和静磁场共同作用聚焦区中，质点振动速度为Ve_r，静磁场为-Be_z，所述的静磁场由磁体系统产生，其对应的磁感应强度B是已知的，质点振动速度V是通过超声回波测定的。测量线圈测量到的电压信号为U，e_r和e_z分别为圆柱坐标系下r和z方向的单位矢量。

（2）假想过程为：去除超声激励和静磁场，将实际测量过程中的测量线圈，改为激励线圈，并通入单位电流，设此时在聚焦区的电流密度的φ分量为J，聚焦区很小，则根据互易定理有：

U＝∫_s-Je_φ·(Ve_r×Be_z)ds    （1）

这里e_φ为直角坐标系下φ方向的单位矢量。

2、根据测得的电压重建聚焦区内假想过程的电流密度的φ分量；

实际上聚焦区面积S很小，可以假定聚焦区内质点振动速度、静磁场、电流密度均匀，则根据公式（1），有

$J=\left|\frac{U}{\mathrm{VBS}}\right|---\left(2\right)$

公式（2）中||表示绝对值。

3、通过控制系统控制超声探头阵列，依次在径向上扫描移动所述的聚焦区的位置，重复步骤1和步骤2，直到聚焦区由井外一定深度移动到径向探测深度（图3中Rmax）的位置，从而获得扫描路径内假想过程的电流密度φ分量分布J。

4、对井中的测井装置整体纵向上提离，重复步骤1、步骤2和步骤3，从而获得纵向提离位置处沿径向由井外一定深度移动到径向探测深度的扫描路径内的假想过程的电流密度φ分量分布J。

5、根据井外地层内假想过程的电流密度φ分量分布J重建电阻率分布，重建公式为：

$\mathrm{\ρ}\≈\frac{{\mathrm{\ωB}}_{1r}}{\∂J/\∂z}$

公式中，B_1r为线圈中通入1安培角频率为ω的交变电流时激发的一次磁场的磁通密度的r分量，ω＝2πf，f超声波主频。

本方法的直接激励源是磁体和聚焦超声发射探头阵列，间接激励源是在地层中产生的等效电流源。直接激励信号是静磁场和超声波，这两种信号均可以穿过金属套管进入地层。因此，间接激励信号为由目标区域洛伦兹力激发的等效电流源形成的似稳电流场。直接激励源位于井中，而间接激励源位于井外一定区域的地层里，即静磁场和超声激发目标共同覆盖的区域。接收装置为井中测量线圈，接收信号为电压。从成像参数上看，获取井外电阻率信息，因此具有电成像测井方法的特点。磁声电成像测井方法综合了电成像和声成像技术的优点，是一种基于多物理场耦合的成像测井新方法，它不仅能很好地实现过金属套管的地层电阻率成像测井，而且在裸眼井、油基泥浆等情况下均能够实现对地层的电阻率成像测量，具有广泛的应用前景。

本发明过金属套管磁声电阻率成像测井装置（以下简称“所述测井装置”）主要包括超声驱动激励源、超声探头阵列，测量线圈，信号检测与处理系统，磁体系统和控制系统。所述的超声驱动激励源、超声探头阵列、信号检测处理系统三者依次顺序连接，所述的测量线圈和信号检测处理系统连接，控制系统和超声探头阵列连接。所述的磁体系统由一对圆柱形永磁体组成，所述的一对永磁体同轴，第一永磁体和第二永磁体之间相隔一段距离，第一永磁体和第二永磁体充磁方向均沿着轴向；所述的超声探头阵列置于第一永磁体和第二永磁体之间；超声探头阵列的轴线与一对永磁体的轴线垂直；所述的测量线圈与超声探头阵列同轴，通过控制系统使超声探头阵列处于发射或测量两种模式。

本发明所述测井装置的工作过程如下：

所述的超声驱动激励源发射脉冲超声激励信号，激励信号通过超声驱动电缆发送至超声探头阵列。超声探头阵列通过井中液体耦合，发射聚焦超声，透过金属套管，在地层内部一定深度的局部区域中激发声辐射力，引起局部聚焦区处质点振动。磁体系统在聚焦区处产生静磁场，质点振动速度和静磁场方向垂直。由质点振动速度和静磁场共同作用引起聚焦区内产生洛伦兹力，由于洛伦兹力的作用，引起聚焦区电荷分离，产生库仑电场，在地层内产生电流分布。利用测量线圈以非接触的方式测量电压信号，由信号检测处理系统记录电压信号。通过控制系统，超声探头阵列切换到测量模式，通过超声回波测量获得聚焦区的位置坐标以及质点振动速度，并通过信号检测与处理系统记录。利用测量到的电压信号、聚焦区位置信息、聚焦区质点振动速度，可以重建获得电阻率图像。

附图说明

图1本发明过金属套管磁声电阻率成像测井装置结构示意图；

图2本发明过金属套管磁声电阻率成像测井装置在井中分布示意图；

图3本发明过金属套管磁声电阻率成像测井装置在井中测量过程示意图；

图4本发明测量线圈和超声探头阵列的侧视图；

图中：10超声驱动激励源，20超声探头阵列，30控制系统，40磁体系统，50信号检测与处理系统，60测量线圈，140由10、20、30、40、50、60组成过金属套管磁声电阻率成像测井装置，70金属套管，80地层，100井，401和402组成磁体系统40的两个同轴永磁体，110聚焦区，120聚焦区质点的振动速度，130磁体系统在聚焦区110处产生的静磁场，151超声探头阵列在地层中第一个聚焦区中心距离井轴的径向距离Rmin，152径向探测深度。

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。

如图1所示，本发明所述测井装置主要包括超声驱动激励源10，超声探头阵列20，控制系统30，磁体系统40，信号检测与处理系统50和测量线圈60。

磁体系统40由一对圆柱形永磁体401和402组成。所述的永磁体401和402同轴，所述的一对永磁体401和402之间相隔一段距离，所述的一对永磁体401和402的充磁方向均沿着轴向。超声探头阵列20置于第一永磁体401和第二永磁体402之间，超声探头阵列20的轴线与第一永磁体401和第二永磁体402的轴线垂直。超声探头阵列20中的超声探头垂直指向金属套管70的管壁，测量线圈60布置在超声探头所指向的管壁和超声探头阵列20之间，测量线圈60与超声探头阵列20同轴。测量线圈60和超声探头阵列20的横截面形状都是任意的，可以为圆形、椭圆形、正方形等。如图4所示，超声探头阵列20的横截面的轴向投影落在测量线圈的横截面的轴向投影范围内。

本发明所述测井装置在井中分布如图2所示。超声探头阵列20垂直非接触指向金属套管70的管壁，金属套管70和地层80接触。地层中声辐射力聚焦区110，聚焦区质点的振动速度120，磁体系统40在聚焦区110处产生静磁场130。

本发明工作过程如下：

所述的超声驱动激励源10发射脉冲超声激励信号，激励信号通过超声驱动电缆发送至超声探头阵列20。处于发射模式的超声探头阵列20通过井100中液体耦合，发射聚焦超声，聚焦超声透过金属套管70，在地层80内部一定深度的局部区域中激发声辐射力，引起局部聚焦区110处质点振动，质点振动速度为120。磁体系统40在聚焦区110处产生静磁场130，质点振动速度120和静磁场130方向垂直。由质点振动速度120和静磁场130共同作用引起聚焦区110内产生洛伦兹力，由于洛伦兹力的作用，引起聚焦区电荷分离，产生库仑电场，在地层80内产生电流分布。利用测量线圈60以非接触的方式测量电压信号，由信号检测处理系统50记录电压信号。通过控制系统30，超声探头阵列20切换到测量模式，通过超声探头自带的超声回波测量装置测得聚焦区110的位置坐标以及质点振动速度120，并通过信号检测与处理系统50记录。利用测量到的电压信号、聚焦区位置信息、聚焦区质点振动速度120，可以重建获得电阻率图像。

利用控制系统30控制超声探头阵列20，实现聚焦区在径向，即图3中的方向1的移动，利用所述测井装置140在井100中的整体纵向，即图3中的方向2提离，实现聚焦区在径向、纵向的移动，从而实现过金属套管的地层电阻率成像。

Claims (2)

1.一种过金属套管磁声电阻率成像测井方法，其特征在于所述的测井方法利用布置在井中的磁体在井周地层产生静磁场，井中的超声探头阵列激发井周地层目标区域按一定频率的振动，在超声激励和静磁场共同作用下产生洛伦兹力，在地层中形成电流场；测量该电流场的电压信号，同时测量超声回波信号确定质点振动速度和位置信息、质点振动速度，重建出假想过程的电流密度，进一步重建地层的电阻率分布。

2.应用权利要求1所述测井方法的装置，其特征在于，应用所述的测井方法的装置布置在井内，包括超声驱动激励源(10)，超声探头阵列(20)，控制系统(30)，磁体系统(40)，信号检测与处理系统(50)和测量线圈(60)；所述的磁体系统(40)由一对圆柱形永磁体(401、402)组成，一对永磁体(401、402)同轴，第一永磁体(401)和第二永磁体(402)之间相隔一段距离，第一永磁体(401)和第二永磁体(402)充磁方向均沿着轴向；所述的超声探头阵列(20)置于第一永磁体(401)和第二永磁体(402)之间；超声探头阵列(20)的轴线与一对永磁体(401、402)的轴线垂直；所述的超声探头阵列(20)中的超声探头垂直指向金属套管(70)的管壁，测量线圈(60)布置在超声探头所指向的管壁和超声探头阵列(20)之间，测量线圈(60)与超声探头阵列(20)同轴；超声探头阵列(20)的横截面轴向投影落在测量线圈(60)横截面的轴向投影范围内。