CN104408228B - 提取地层介电常数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提取地层介电常数的方法，该方法包括：步骤1，建立介电常数数据库也称为交汇图版；步骤2，测井获得多个钮扣电极的原始地层电流响应值；步骤3，将步骤2得到的钮扣电极的原始地层电流响应值，根据介电常数数据库进行查库反演；步骤4，输出对应的模型参数值即地层介电常数值；步骤5，将步骤4得到的地层介电常数值进行异常值判断，剔除其中的异常值；以及步骤6，根据步骤5处理得到的地层介电常数值进行地层介电常数成像。该提取地层介电常数的方法提取到地层介电常数信息和地层电阻率信息，完善了现有测井评价资料，可得到全面的地层信息，进行更为真实有效的岩石物性定量图像解释。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种提取地层介电常数的方法。
背景技术
目前多数的油基成像测井数据处理软件都以测量得到的阻抗模值或者阻抗实部数据进行成像解释。前者包含了地层介电常数信息，在受介电常数影响的地层中进行成像并不代表真实的地层电阻率；而后者仅用实部信息进行成像，则完全摒弃了地层介电常数信息，不利于地质解释人员对储层进行全面的评价解释。现有技术中，联合反演得到地层电阻率是目前效果最好的反演技术
电测井响应的反演属于非线性问题，单一测井信息的片面性与反演的多解性，增加了测井反演、测井解释与评价的难度。联合反演为解决这一问题提供了有效途径。联合反演是指利用不同物理机制的两种或两种以上测井数据进行地质模型参数反演。联合反演在本质上是通过增加特定探测目标的有效信息量(增加约束)，来达到更准确反映地质目标体的目的。
物性同源是联合反演增加该源有效信息量的基本条件。同一口井不同测井系列的随钻电阻率测井与电缆电阻率测井，针对相同原状地层具有相同的目标物性测量项目，使其联合反演成为可能。随钻测井与电缆测井由于时间的推移具有不同的泥浆侵入深度(侵入半径)及侵入带电阻率，且随钻测井仪器与电缆测井仪器两者间探测特性及各自不同测井曲线间的探测特性存在差异，因此随钻电缆测井联合反演较单一反演具有相当丰富的测井信息。
随钻电缆联合反演以阻尼最小二乘法为基础，将随钻与电缆测井响应、随钻与电缆测井时刻地层模型参数有机统一起来进行反演。
首先建立二维快速反演所需的数据库。随钻和电缆的反演数据库的建立，都是以它们的正演程序为基础，计算不同井径、泥浆电阻率、围岩电阻率、目的层电阻率、侵入带电阻率、层厚和侵入半径等因素下的视电阻率值，并将各个模型下计算得到的结果保存成数据库(但是在此过程中，认为地层的介电常数是不变的常量，不考虑地层介电常数的影响。)；数据库建立好后，可进行二维快速反演为联合反演赋初值。二维快速反演过程中，由于库中数据量非常大，若先读取整个数据然后进行查询，花费的时间和内存将非常大，所以一般使用定位读取某段数据库的方法，不仅使得读取的库变小，也加快了查询的速度。利用二维快速反演得到联合反演初值(得到径向侵入剖面模型，包括侵入半径、侵入带电阻率和地层电阻率)后即可进行联合反演。流程如下：
(1)将随钻与电缆测井数据进行深度对齐(实际的随钻与电缆测井数据往往存在深度上的差异)，读入随钻与电缆测井数据文件，加载随钻与电缆测井数据；
(2)对测井曲线进行自动分层，导入自动分层结果文件，定义层界面位置；
(3)按照二维快速反演程序对测井数据进行查库反演，导入查库反演结果文件，给联合反演初始地层模型参数赋初值；
(4)分别调用随钻、电缆正演程序，计算设置的地层模型下的随钻、电缆仪器响应；
(5)判断计算出的响应值是否充分逼近实测数据，若是，则输出该模型值作为反演结果，若否，则使用最小二乘迭代法计算模型参数改变量，重置地层模型参数，重复步骤(4)、(5)，直至输出反演结果(地层电阻率等)。
但是，联合反演得到地层电阻率的方法忽略或完全摒弃地层介电常数信息对地层进行评价，并不能完全反应真实地层信息；其使用不真实地层电阻阻抗模值或地层响应实部进行地层成像，得到的地层评价信息也必然是不全面的。为此我们发明了一种新的提取地层介电常数的方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以进行更为真实有效的岩石物性定量图像解释的提取地层介电常数的方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：提取地层介电常数的方法，该提取地层介电常数的方法包括：步骤1，建立介电常数数据库也称为交汇图版；步骤2，测井获得多个钮扣电极的原始地层电流响应值；步骤3，将步骤2得到的钮扣电极的原始地层电流响应值，根据介电常数数据库进行查库反演，根据交汇图版进行地层介电常数与地层电阻率的提取；步骤4，输出对应的模型参数值即地层介电常数值；步骤5，将步骤4得到的地层介电常数值进行异常值判断，剔除其中的异常值；以及步骤6，根据步骤5处理得到的地层介电常数值进行地层介电常数成像。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
步骤1包括：
设计不同介电常数和地层电阻率的地层模型；
利用有限元方法计算上述建立的地层模型响应；以及
得到不同地层模型响应数据库即交汇图版。
在步骤1中，利用有限元方法计算建立的地层模型响应的步骤，包含以下几个步骤：
1)给出与待求边值问题等价的变分问题，成像测井满足的等效方程为：
式中：Ω为求解域，σ为复电导率，UE为电极电压，IE为电极电流；
2)应用有限单元剖分场域，并选取相应的插值基函数，把变分问题离散化为一个多元函数求极值的问题，导出一组联立的代数方程；采用四面体元素进行剖分，在每个元素中，任一点电位U可以表示为：
式中：为插值基函数的展开系数；为元素e的节点基函数；n为组成单元顶点数；将(2)式代入(1)式，可以得到如下离散化泛函形式：
其中：Φe为单元泛函，Ge为单元电导阵，Ue为单元节点电位，Ie为单元节点电流；
3)将求解域中各个单元矩阵组装成总体矩阵，并对泛函求极值可得：
{G}{U}＝{I} (4)
4)求解这个线性方程组得到所需的参数。
在步骤2中，通过井下电成像测井仪器将地层响应传输到地面数据处理系统，可以得到仪器上多个钮扣电极的原始地层电流响应值，根据原始地层电流响应值进行地层的原始信息成像。
在步骤3中，采用角度和判断法进行查库，将测井点与交汇图版中四点方格中每个点连线；计算相邻连线之间角度；计算得到的四个角度和是否为360°；若为360°则测井点落在所属方格内，后续进行5点曲面拟合提取到拟合系数，即得到地层介电常数与地层电阻率。
在步骤3中，使用查库法查到测量点在交汇图版坐标系中位置，s5为测量点，s1、s2、s3、s4为交汇图版中围绕s5的四个交汇点；坐标系中x轴代表的是响应值的实部，y轴代表的是响应值的虚部，i，j表示坐标点横纵坐标在交汇数据中的位置，s1的横纵坐标x，y分别用c1(i，j)和c2(i，j)表示；且s1点对应的地层介电常数和地层电阻率用c3(i，j)和c4(i，j)表示；
用IR、IX表示s5点响应值的实虚部，也即为其在交汇图版中的横纵坐标；并由s1、s2、s3、s4、s5处于同一曲面上，根据曲面拟合公式：
推出本算法所需方程，并建立方程组：
解上述方程组，分别求得在地层介电常数和地层电阻率时的拟合系数；将系数，分为地层介电常数下计算系数和地层电阻率下计算系数，分别与测量点坐标(IR，IX)代入：
f(x,y)＝ω1·xy+ω2·x+ω3·y+ω4 (7)
求得测量点地层介电常数与地层电阻率。
在步骤3中，在进行查库时，采用先确认横/纵坐标再确认纵/横坐标的方法确定测井点的位置。
在步骤3中，采用大于5个点的曲面拟合方法，或采用插值法包括线性插值、非线性插值、面积插值，或者数据搜索方法进行地层介电常数与地层电阻率的提取。
在步骤5中，依据所测地层的介电常数值的真实分布范围进行异常值判断，如果地层介电常数值不在此范围则认定为异常值，则剔除该异常值并将上一测量点的地层介电常数值赋给该测量点。
利用有限元方法进行油基泥浆成像仪器的数值仿真，研究了仪器的电流复数信号同地层介电常数和地层电阻率的关系，研究结果表明一些特殊地层中的介电常数会引起响应信号实部与虚部的变化，且虚部变化明显大于实部变化，得出了虚部信号变化的不可忽略性。此时，综合使用地层介电常数和地层电阻率成像图进行地层与油气藏的评价比单独使用地层电阻率图像来进行地层评价更加行之有效。因此，本发明提出利用仪器测量得到的电流响应实部与虚部的交汇图版同时提取地层介电常数和地层电阻率的方法，并给出电阻率和介电常数成像图，节省了额外的介电常数测井成本。本发明在不增加现有测井技术成本的前提下完成对地层介电常数与地层电阻率的提取，更为行之有效的反应地层真实信息，完善了现有测井评价资料；本发明使用同时提取到的地层介电常数与地层电阻率进行地层成像，更加贴近真实地层状况，得到全面地层图像解释信息，进行更为真实有效的岩石物性定量图像解释。
附图说明
图1为本发明的提取地层介电常数的方法的一具体实施例的流程图；
图2为本发明的一实施例中电流幅度与地层电阻率的关系的示意图；
图3为本发明的一实施例中电流相位与地层电阻率的关系的示意图；
图4为本发明的一实施例中数据对(IR，IX)与(Rt，εr)的关系图版；
图5为本发明的一实施例中测量点在交汇图版中的位置示意图；
图6为本发明的一实施例中对某段实测井资料的成像图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的提取地层介电常数的方法的流程图。
步骤101，介电常数提取算法是基于查库完成的。因此首要的是建立介电常数数据库也称为交汇图版，其建立步骤如下：
(1)设计不同介电常数和电阻率的地层模型；
(2)利用有限元方法计算上述建立的地层模型响应。在一实施例中，利用有限元方法建立正演模型响应数据库，包含以下几个步骤：
1)给出与待求边值问题等价的变分问题，成像测井满足的等效方程为：
式中：Ω为求解域，σ为复电导率，UE为电极电压，IE为电极电流。
2)应用有限单元剖分场域，并选取相应的插值基函数，把变分问题离散化为一个多元函数求极值的问题，导出一组联立的代数方程；采用四面体元素进行剖分，在每个元素中，任一点电位U可以表示为：
式中：为插值基函数的展开系数；为元素e的节点基函数；n为组成单元顶点数。将(2)式代入(1)式，可以得到如下离散化泛函形式：
其中：Φe为单元泛函，Ge为单元电导阵，Ue为单元节点电位，Ie为单元节点电流。
3)将求解域中各个单元矩阵组装成总体矩阵，并对泛函求极值可得：
{G}{U}＝{I} (4)
4)求解这个线性方程组得到所需的参数。
在一实施例中，利用上述有限元方法，在油基泥浆环境无限厚均质地层中考察了地层介电常数、地层电阻率同复数电流信号(IR，IX)的幅度与相位的关系(如图2和图3所示)。从关系曲线图中可知，电流的幅度响应随着地层电阻率的增大而减小，而当地层电阻率较大时介电常数对幅度将产生影响；电流的相位响应在地层电阻率大于10Ω·m时就受介电常数影响，并且相位受地层介电常数的影响更大。通过上述考察可以确认，幅度和相位携带着与地层介电常数和地层电阻率相关的地层信息，在以往的处理过程中，忽略了地层的介电常数信息，这是不可取的，因此提取地层介电常数信息是必要的。
基于油基泥浆电成像仪器正演得到地层介电常数与地层电阻率变化的响应值(IR，IX)的数据库，并根据响应值数据库得到(IR，IX)与地层介电常数(εr)和地层电阻率(Rt)的对应关系，即交汇图版，如图4所示。
(3)得到不同地层模型响应数据库即交汇图版。
a)图版解释：如图4所示，图版中介电常数为50时，响应值(IR，IX)随地层电阻率的变化趋势：随着地层电阻率增加，响应实部减小，虚部增大，且在高阻地层，响应变化趋势更为陡峭；右方纵向黑色圈线表示地层电阻率为3时，响应值(IR，IX)随介电常数变化的趋势：随着介电常数增加，响应实部基本没有变化，虚部增大。
b)图版应用：通过已知响应值(I'R,I'X)，在图版中横轴IR上找到I'R坐标点，再在纵轴IX上找到I'X坐标点，通过两点分别向横轴与纵轴做垂线，在图版上得到一个相交点，即(I'R,I'X)在图版上的位置点，根据图例得到此点对应的地层介电常数与地层电阻率值，即为所要求的地层介电常数与地层电阻率。流程进入到步骤102。
步骤102，获得多个钮扣电极的原始地层电流响应值，根据原始地层电流响应值进行地层的原始信息成像(这个原始信息指的是测井时地层电流响应通过计算得到的地层阻抗信息成像)如图6右图所示。在一实施例中，通过井下电成像测井仪器将地层响应传输到地面数据处理系统，可以得到仪器上90个钮扣电极的原始地层电流响应值，该电流响应值可以进行地层的原始信息成像。流程进入到步骤103。
步骤103，将步骤102得到的原始成像信息(测井得到的钮扣电极电流响应信息)，根据介电常数数据库进行查库反演，根据交汇图版进行地层介电常数与地层电阻率的提取。在一实施例中，根据测井得到的电流响应信息，按照测量深度点逐点输入到介电常数提取处理程序中分别对90个钮扣电极电流响应值进行处理，需要导入介电常数数据库进行查库反演计算。建立数据库是为了对测井响应值进行查库反演计算。本发明采用的是角度和判断法进行查库，还可采用先确认横/纵坐标再确认纵/横坐标的方法确定测井点的位置。
本发明最终要提取到地层介电常数与地层电阻率需要先确认测井点在交汇图版中位置。本发明采用是：1)将测井点与交汇图版中四点方格中每个点连线；2)计算相邻连线之间角度；3)计算得到的四个角度和是否为360°。若为360°则测井点落在所属方格内，后续进行5点曲面拟合提取到拟合系数，即得到地层介电常数与地层电阻率。
在一实施例中，根据交汇图版按如下流程进行地层电阻率与地层介电常数的提取。
a)使用查库法查到测量点在交汇图版坐标系中位置；得到如图5所示结果。
其中，s5为测量点，s1、s2、s3、s4为交汇图版中围绕s5的四个交汇点；坐标系中x轴代表的是响应值的实部，y轴代表的是响应值的虚部，图中i，j表示坐标点横纵坐标在交汇数据中的位置，如s1的横纵坐标x，y可以分别用c1(i，j)和c2(i，j)表示；且s1点对应的地层电阻率和地层介电常数用c3(i，j)和c4(i，j)表示。
b)用IR、IX表示s5点响应值的实虚部，也即为其在交汇图版中的横纵坐标；并由图，s1、s2、s3、s4、s5处于同一曲面上，根据曲面拟合公式：
推出本算法所需方程，并建立方程组：
解上述方程组，于是分别求得在地层介电常数和地层电阻率时的拟合系数；于是将系数(分为地层介电常数下计算系数和地层电阻率下计算系数)分别与测量点坐标(IR，IX)代入：
f(x,y)＝ω1·xy+ω2·x+ω3·y+ω4 (7)
求得测量点地层介电常数与地层电阻率。
提取地层介电常数与地层电阻率的方法：本发明中采用的是5点曲面拟合法；还可以扩充周围点的个数采用多点(大于5个点)曲面拟合方法，或采用插值法(如线性插值，非线性插值，面积插值等)，或者数据搜索方法替代进行地层介电常数与地层电阻率的提取。求得测量点出地层介电常数与地层电阻率。流程进入到步骤104。
在步骤104，输出对应的模型参数值即地层介电常数值。流程进入到步骤105。
在步骤105，根据步骤104中得到的介电常数值进行异常值判断，此时的依据是所测地层的介电常数值的真实分布范围，如果介电常数值不在此范围则认定为异常值，需要剔除该异常值并将上一测量点的介电常数值赋给该测量点。流程进入到步骤106。
在步骤106，根据步骤105处理得到的90个钮扣电极的介电常数值进行地层介电常数成像，如图6左图所示，图6的左图为本发明提取得到的介电常数图像，右图为原始阻抗图像。流程结束。
本发明中的提取地层介电常数的方法，在计算数据库时，就考虑到地层介电常数对于测井响应的影响，因此得到了不同地层介电常数下随地层电阻率变化的响应值。建立的数据库即是一个完整的全面信息的数据库。后面采用查库法对实测井数据进行定位，再根据曲面拟合法进行提取，减少了中间多次计算的误差影响，得到的结果更为贴近真实值。
Claims (6)
1.提取地层介电常数的方法，其特征在于，该提取地层介电常数的方法包括：
步骤1，建立介电常数数据库也称为交汇图版；其中，包括：
设计不同介电常数和电阻率的地层模型；
利用有限元方法计算上述建立的地层模型响应；
以及得到不同地层模型响应数据库即交汇图版；
交汇图版的横轴代表响应值的实部，纵轴代表响应值的虚部，当该交汇图版中的介电常数为某一定值时，随着地层电阻率增加，响应值的响应实部减小，虚部增大，且在高阻地层，响应变化趋势更为陡峭；当地层电阻率为某一定值时，随着介电常数增加，响应实部基本没有变化，虚部增大；
步骤2，测井获得多个钮扣电极的原始地层电流响应值；
步骤3，将步骤2得到的钮扣电极的原始地层电流响应值，根据介电常数数据库进行查库反演，根据交汇图版进行地层介电常数与地层电阻率的提取；其中，包括：采用角度和判断法进行查库，将测井点与交汇图版中四点方格中每个点连线；计算相邻连线之间角度；计算得到的四个角度和是否为360°；若为360°则测井点落在所属方格内，后续进行5点曲面拟合提取到拟合系数，得到地层介电常数与地层电阻率，具体为：
使用查库法查到测量点在交汇图版坐标系中位置，s5为测量点，s1、s2、s3、s4为交汇图版中围绕s5的四个交汇点；坐标系中x轴代表的是响应值的实部，y轴代表的是响应值的虚部，i，j表示坐标点横纵坐标在交汇数据中的位置，s1的横纵坐标x，y分别用c1(i，j)和c2(i，j)表示；且s1点对应的地层介电常数和地层电阻率用c3(i，j)和c4(i，j)表示；
用IR、IX分别表示s5点响应值的实部和虚部，也即为其在交汇图版中的横纵坐标；并由s1、s2、s3、s4、s5处于同一曲面上，根据曲面拟合公式：
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
解上述方程组，分别求得在地层介电常数和地层电阻率时的拟合系数ω1、ω2、ω3和ω4；将系数，分为地层介电常数下计算系数和地层电阻率下计算系数，分别与测量点坐标(IR，IX)代入：
f(x,y)＝ω1·xy+ω2·x+ω3·y+ω4 (7)
求得测量点地层介电常数与地层电阻率；
步骤4，输出对应的模型参数值即地层介电常数值；
步骤5，将步骤4得到的地层介电常数值进行异常值判断，剔除其中的异常值；以及
步骤6，根据步骤5处理得到的地层介电常数值进行地层介电常数成像。
2.根据权利要求1所述的提取地层介电常数的方法，其特征在于，在步骤1中，利用有限元方法计算建立的地层模型响应的步骤，包含以下几个步骤：
1)给出与待求边值问题等价的变分问题，成像测井满足的等效方程为：
<mrow>
<mi>&Phi;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>U</mi>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：Ω为求解域，σ为复电导率，UE为电极电压，IE为电极电流；
2)应用有限单元剖分场域，并选取相应的插值基函数，把变分问题离散化为一个多元函数求极值的问题，导出一组联立的代数方程；采用四面体元素进行剖分，在每个元素中，任一点电位U可以表示为：
<mrow>
<msup>
<mi>U</mi>
<mi>e</mi>
</msup>
<mo>=</mo>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：为插值基函数的展开系数；为元素e的节点基函数；n为组成单元顶点数；将(2)式代入(1)式，可以得到如下离散化泛函形式：
<mrow>
<msup>
<mi>&Phi;</mi>
<mi>e</mi>
</msup>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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</mfrac>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中：Φe为单元泛函，Ge为单元电导阵，Ue为单元节点电位，Ie为单元节点电流；
3)将求解域中各个单元矩阵组装成总体矩阵，并对泛函求极值可得：
{G}{U}＝{I} (4)
4)求解这个线性方程组得到所需的参数。
3.根据权利要求1所述的提取地层介电常数的方法，其特征在于，在步骤2中，通过井下电成像测井仪器将地层响应传输到地面数据处理系统，可以得到仪器上多个钮扣电极的原始地层电流响应值，根据原始地层电流响应值进行地层的原始信息成像。
4.根据权利要求1所述的提取地层介电常数的方法，其特征在于，在步骤3中，在进行查库时，或采用先确认横坐标再确认纵坐标的方法确定测井点的位置，或采用先确认纵坐标再确认横坐标的方法确定测井点的位置。
5.根据权利要求1所述的提取地层介电常数的方法，其特征在于，在步骤3中，或采用大于5个点的曲面拟合方法，或采用插值法包括线性插值、非线性插值、面积插值，或者数据搜索方法进行地层介电常数与地层电阻率的提取。
6.根据权利要求1所述的提取地层介电常数的方法，其特征在于，在步骤5中，依据所测地层的介电常数值的真实分布范围进行异常值判断，如果地层介电常数值不在此范围则认定为异常值，则剔除该异常值并将上一测量点的地层介电常数值赋给该测量点。
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