CN105317428B - 确定电磁信道模型的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种确定电磁信道模型的方法及装置，属于钻井领域。该方法将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，并将钻柱和分段均匀的地层组成的电磁信道等效为传输线，其中，不同分段的地层对应不同的地层电阻率，包括：根据分段均匀的地层的地层电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数；根据单位长度的传输参数确定井下地层参数以及钻柱顶端的电压，根据井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。本发明通过将地层等效为分段均匀的地层，将钻柱和分段均匀的地层作为等效传输线，使得在确定电磁信道模型时，可以结合地层的分层特性确定，确定的电磁信道模型的准确性更高。

Description

确定电磁信道模型的方法及装置

技术领域

本发明涉及钻井领域，特别涉及一种确定电磁信道模型的方法及装置。

背景技术

随着随钻测量技术的迅速发展，越来越多的随钻测量技术被应用于钻井领域。电磁随钻测量技术以其信号传输速率高、测量时间短、成本低及不受钻井液质影响的特点，在随钻测量领域得到了越来越广泛地应用。在随钻测量中，为了便于分析和预测随钻测量电磁信道的主要特性，有必要确定一种用于在电磁随钻测量中表征实际物理信道特性的电磁信道模型。

相关技术中在确定电磁信道模型时，往往假设大地为均匀地层，也就是说，假设从井底到井口的地层电阻率相等。因此，确定的电磁信道模型也是根据大地为均匀地层确定的。确定电磁信道模型的具体过程为：首先，将钻柱和地层作为等效传输线，并假设地层为均匀地层，根据均匀地层的电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数；接着，使用确定的传输参数确定井下地层参数以及钻柱顶端的电压，获得井下地层参数、井底发射电压、发射频率、地面接收功率以及钻井深度之间的关系，并根据井下地层参数、井底发射电压、发射频率、地面接收功率以及钻井深度之间的关系确定的电磁信道模型。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：

实际上，地层具有分层特性，地层的不同分层的地层电阻率差别非常大，并不是相等的。因此，根据均匀地层的电阻率确定的等效传输线上单位长度的传输参数不准确，导致确定的电磁信道模型的准确性不高。因此，当使用确定的电磁信道模型来分析和预测电磁随钻测量的钻井数据时，分析结果与根据实际地层获得的电磁随钻测量的钻井数据差别较大，准确性不高。

发明内容

为了解决相关技术的问题，本发明实施例提供了一种确定电磁信道模型的方法及装置。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种确定电磁信道模型的方法，所述方法将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，并将钻柱和分段均匀的地层组成的电磁信道等效为传输线，得到所述电磁信道模型的等效传输线，其中，不同分段的地层对应不同的地层电阻率；所述方法包括：

根据分段均匀的地层的地层电阻率确定所述等效传输线上单位长度的传输参数；

根据所述等效传输线上单位长度的传输参数确定井下地层参数以及所述钻柱顶端的电压，获得所述井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系，并根据所述井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述等效传输线上单位长度的传输参数包括并联电导、串联电阻和串联电感；

所述根据分段均匀的地层的地层电阻率确定所述等效传输线上单位长度的传输参数，包括：

确定所述等效传输线的电流密度线模型为垂直于所述钻柱的柱轴、且沿射径方向形成的外导体环柱的传输线模型；

根据分段均匀的地层的地层电阻率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻柱的钻杆的外半径确定并联电导；

根据所述钻柱的电阻率，钻杆的外半径以及钻杆壁厚确定串联电阻；

根据地层磁导率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻杆的外半径确定串联电感。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述根据分段均匀的地层的地层电阻率确定所述等效传输线上单位长度的传输参数，包括：

根据分段均匀的地层的地层电阻率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻柱的钻杆的外半径通过以下公式确定所述等效传输线上单位长度的传输参数中的并联电导g(z)：

根据所述钻柱的电阻率、钻杆的外半径以及钻杆壁厚通过以下公式确定所述等效传输线上单位长度的传输参数中的串联电阻r_i：

根据地层磁导率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻杆的外半径通过以下公式确定所述等效传输线上单位长度的传输参数中的串联电感l_i：

其中，ρ(z)为井下激励源当前所在的地层分段的地层电阻率，b_i为所述传输线模型的外导体半径，b为所述钻杆的外半径，z为以井下激励源为原点并且沿井口方向的坐标，ρ_m所述钻柱的电阻率，μ₀为地层磁导率，τ为所述钻杆的壁厚。

结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述根据所述等效传输线上单位长度的传输参数确定井下地层参数以及所述钻柱顶端的电压，包括：

根据所述等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数，并根据所述等效传输线上单位长度的传输参数以及所述井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到所述钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压；

在距离井口的预设距离处设置一个埋地电极，根据所述井口电压与所述埋地电极之间的电位差确定所述钻柱顶端的电压。

结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述井下地层参数包括传播参数和特性阻抗；

所述根据所述等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数包括通过以下公式计算井下地层参数：

所述根据所述传输线上单位长度的传输参数以及所述井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到所述钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压，包括通过以下公式获得井口电压：

所述根据所述井口电压与所述埋地电极之间的电位差确定所述钻柱顶端的电压，包括：

式中，w为井下发射频率，V(h)为所述井口电压，V_T为井下发射电压，Z₁和Z₂所述钻杆的上半段和下半段的特性阻抗，d为所述钻杆的上半段和下半段之间的绝缘体的长度，γ₁为所述钻杆的上半段的传播参数，h为所述钻杆的上半段的长度，x为所述埋地电极与所述井口的预设距离，且x远远小于h，n为井下激励源至所述井口每间隔预设距离取的点的个数，Vred(x)为所述钻柱顶端的电压。

第二方面，提供了一种确定电磁信道模型的装置，所述装置将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，并将钻柱和分段均匀的地层组成的电磁信道等效为传输线，得到所述电磁信道模型的等效传输线，其中，不同分段的地层对应不同的地层电阻率；所述装置包括：

第一确定模块，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率确定所述等效传输线上单位长度的传输参数；

第二确定模块，用于根据所述等效传输线上单位长度的传输参数确定井下地层参数以及所述钻柱顶端的电压，获得所述井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系；

第三确定模块，用于根据所述井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述等效传输线上单位长度的传输参数包括并联电导、串联电阻和串联电感；

所述第一确定模块，包括：

第一确定单元，用于确定所述等效传输线的电流密度线模型为垂直于所述钻柱的柱轴、且沿射径方向形成的外导体环柱的传输线模型；

第二确定单元，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻柱的钻杆的外半径确定并联电导；

第三确定单元，用于根据所述钻柱的电阻率，钻杆的外半径以及钻杆壁厚确定串联电阻；

第四确定单元，用于根据地层磁导率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻杆的外半径确定串联电感。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述第二确定单元，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻柱的钻杆的外半径通过以下公式确定所述等效传输线上单位长度的传输参数中的并联电导g(z)：

所述第三确定单元，用于根据所述钻柱的电阻率、钻杆的外半径以及钻杆壁厚通过以下公式确定串联电阻r_i：

所述第四确定单元，用于根据地层磁导率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻杆的外半径通过以下公式确定串联电感l_i：

其中，ρ(z)为井下激励源当前所在的地层分段的地层电阻率，b_i为所述传输线模型的外导体半径，b为所述钻杆的外半径，z为以井下激励源为原点并且沿井口方向的坐标，ρ_m所述钻柱的电阻率，μ₀为地层磁导率，τ为所述钻杆的壁厚。

结合第二方面，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述第二确定模块，包括：

计算单元，用于根据所述等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数；

求解单元，用于根据所述等效传输线上单位长度的传输参数以及所述井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到所述钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压；

第五确定单元，用于在距离井口的预设距离处设置一个埋地电极，并根据所述井口电压与所述埋地电极之间的电位差确定所述钻柱顶端的电压。

结合第二方面的第三种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，所述井下地层参数包括传播参数和特性阻抗；

所述计算单元，用于根据所述等效传输线上单位长度的传输参数通过以下公式计算井下地层参数：

所述求解单元，用于根据所述传输线上单位长度的传输参数以及所述井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到所述钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压，包括通过以下公式获得井口电压：

所述第四确定单元，用于根据所述井口电压与所述埋地电极之间的电位差通过以下公式确定所述钻柱顶端的电压：

式中，w为井下发射频率，V(h)为所述井口电压，V_T为井下发射电压，Z₁和Z₂所述钻杆的上半段和下半段的特性阻抗，d为所述钻杆的上半段和下半段之间的绝缘体的长度，γ₁为所述钻杆的上半段的传播参数，h为所述钻杆的上半段的长度，x为所述埋地电极与所述井口的预设距离，且x远远小于h，n为井下激励源至所述井口每间隔预设距离取的点的个数，Vred(x)为所述钻柱顶端的电压。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，从而将钻柱和分段均匀的地层作为等效传输线，使得在确定电磁信道模型时，可以结合地层的分层特性确定，确定的电磁信道模型的准确性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种确定电磁信道模型的方法的实施环境示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种确定电磁信道模型的方法的流程图；

图3是本发明实施例二提供的一种确定电磁信道模型的方法的流程图；

图4是本发明实施例二提供的一种将理论数据与实测实据进行比较的示意图；

图5是本发明实施例三提供的一种确定电磁信道模型的装置的结构示意图；

图6是本发明实施例三提供的另一种确定电磁信道模型的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，其示出了本发明实施例提供的确定电磁信道模型的方法的实施环境示意图，本发明实施例提供的方法适用于钻井领域的井下地层中。如图1所示，在本发明实施例中，将钻柱和地层作为等效传输线，并将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，且不同分段的地层对应不同的地层电阻率。直径为2b的钻柱被长度为d的绝缘体分成上下两段，用于形成天线，从而实现收发井下信号。其中，上半段的长度为h，下半段的长度为Δh。V_T为井下激励源，作为向地面发送电磁信号的激励电压。在距离井口x处设置有一个埋地电极，在确定电磁信道模型时，可以结合该埋地电极与井口电压V(h)之间的关系Vred(x)来确定电磁信道模型。

另外，如图1所示，在本发明实施例中，确定等效传输线的电流密度线模型为垂直于钻柱的柱轴、且沿射径方向形成的外导体环柱的传输线模型。在由井下向井口传输信号时，通过该传输线模型来传输信号。

具体的确定电磁信道模型的方法详见下述实施例一和实施例二：

实施例一

本发明实施例提供了一种确定电磁信道模型的方法，该方法将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，并将钻柱和分段均匀的地层组成的电磁信道等效为传输线，得到电磁信道模型的等效传输线。其中，不同分段的地层对应不同的地层电阻率。参见图2，本发明实施例提供的方法流程包括：

201：根据分段均匀的地层的地层电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数。

其中，等效传输线上单位长度的传输参数包括并联电导、串联电阻和串联电感；

根据分段均匀的地层的地层电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数，包括：

确定等效传输线的电流密度线模型为垂直于钻柱的柱轴、且沿射径方向形成的外导体环柱的传输线模型；

根据分段均匀的地层的地层电阻率、传输线模型的外导体半径以及钻柱的钻杆的外半径确定并联电导；

根据钻柱的电阻率，钻杆的外半径以及钻杆壁厚确定串联电阻；

根据地层磁导率、传输线模型的外导体半径以及钻杆的外半径确定串联电感。

优选地，根据分段均匀的地层的地层电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数，包括：

根据分段均匀的地层的地层电阻率、传输线模型的外导体半径以及钻柱的钻杆的外半径通过以下公式确定等效传输线上单位长度的传输参数中的并联电导g(z)：

根据钻柱的电阻率、钻杆的外半径以及钻杆壁厚通过以下公式确定等效传输线上单位长度的传输参数中的串联电阻r_i：

根据地层磁导率、传输线模型的外导体半径以及钻杆的外半径通过以下公式确定等效传输线上单位长度的传输参数中的串联电感l_i：

其中，ρ(z)为井下激励源当前所在地层的地层电阻率，b_i为传输线模型的外导体半径，b为钻杆的外半径，z为以井下激励源为原点并且沿井口方向的坐标，ρ_m钻柱的电阻率，μ₀为地层磁导率，τ为钻杆的壁厚。

202：根据等效传输线上单位长度的传输参数确定井下地层参数以及钻柱顶端的电压，获得井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系。

203：根据井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。

其中，根据等效传输线上单位长度的传输参数确定井下地层参数以及钻柱顶端的电压，包括：

根据等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数，并根据等效传输线上单位长度的传输参数以及井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压；

在距离井口的预设距离处设置一个埋地电极，根据井口电压与埋地电极之间的电位差确定钻柱顶端的电压。

优选地，井下地层参数包括传播参数和特性阻抗；

根据等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数包括通过以下公式计算井下地层参数：

根据传输线上单位长度的传输参数以及井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压，包括通过以下公式获得井口电压：

根据井口电压与埋地电极之间的电位差确定钻柱顶端的电压，包括：

式中，w为井下发射频率，V(h)为井口电压，V_T为井下发射电压，Z₁和Z₂钻杆的上半段和下半段的特性阻抗，d为钻杆的上半段和下半段之间的绝缘体的长度，γ₁为钻杆的上半段的传播参数，h为钻杆的上半段的长度，x为埋地电极与井口的预设距离，且x远远小于h，n为井下激励源至井口每间隔预设距离取的点的个数，Vred(x)为钻柱顶端的电压。

优选地，方法还包括：

获取钻柱顶端的电压与钻井深度之间的关系的实测数据；

根据确定的电磁信道模型计算钻柱顶端的电压与钻进深度之间的关系的理论数据；

在同一坐标系下绘制实测数据与理论数据的曲线，并在曲线中比较实测数据与理论数据。

本发明实施例提供的方法，通过将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，从而将钻柱和分段均匀的地层作为等效传输线，使得在确定电磁信道模型时，可以结合地层的分层特性确定，确定的电磁信道模型的准确性更高。

实施例二

本发明实施例提供了一种确定电磁信道模型的方法，该方法将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，并将钻柱和分段均匀的地层组成的电磁信道等效为传输线，得到电磁信道模型的等效传输线。其中，不同分段的地层对应不同的地层电阻率。参见图3，本发明实施例提供的方法流程包括：

301：根据分段均匀的地层的地层电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数。

由于等效传输线上单位长度的传输参数与井下地层的电阻率有关，而不同的地层中地层电阻率并不相同。因此，在本发明实施例中，在将地层沿钻柱水平切割后，得到分段均匀的地层，从而将地层等效为分层地层。如图1所示，以将地层沿钻柱水平切割为三层进行了举例说明。此时，可以根据分段均匀的地层的地层电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数。

其中，本发明实施例不对等效传输线上单位长度的传输参数的具体类型进行限定，具体实施时，等效传输线上单位长度的传输参数包括但不限于可以有并联电导、串联电阻和串联电感。

另外，由于当从井下向井口发射电磁信号时，电磁信号沿着钻柱和地层构成的等效传输线向上传输，因此，需要先构建一定的电磁信号的传输线模型。在本发明实施例中，结合电流密度线在地层中的分布特性，如图1所示，将传输线模型确定为电流密度线模型垂直于钻柱的柱轴、且沿射径方向形成的外导体环柱的传输线模型。

关于根据分段均匀的地层的地层电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数的方式，可以结合等效传输线上单位长度的传输参数的类型而有不同的确定方式。具体如下：

(1)当等效传输线上单位长度的传输参数为并联电导g(z)时，确定等效传输线上单位长度的传输参数的方式包括但不限于可根据分段均匀的地层的地层电阻率、传输线模型的外导体半径以及钻柱的钻杆的外半径确定并联电导g(z)。

其中，根据分段均匀的地层的地层电阻率、传输线模型的外导体半径以及钻柱的钻杆的外半径包括但不限于通过以下公式确定等效传输线上单位长度的传输参数中的并联电导g(z)：

式中，ρ(z)为井下激励源当前所在的分段地层的地层电阻率，b_i为传输线模型的外导体半径，b为钻杆的外半径，z为以井下激励源为原点并且沿井口方向的坐标，b₁＝2h，b₂＝2Δh。

(2)当等效传输线上单位长度的传输参数为串联电阻r_i时，确定等效传输线上单位长度的传输参数的方式包括但不限于可以根据钻柱的电阻率、钻杆的外半径以及钻杆壁厚确定串联电阻。

其中，根据钻柱的电阻率、钻杆的外半径以及钻杆壁厚包括但不限于通过以下公式确定等效传输线上单位长度的传输参数中的串联电阻r_i：

式中，ρ_m钻柱的电阻率，τ为钻杆的壁厚。其中，关于ρ_m的具体数值，本发明实施例不作具体限定，例如，ρ_m可以为7*10^-7欧米。

(3)当等效传输线上单位长度的传输参数为串联电感l_i时，确定等效传输线上单位长度的传输参数的方式包括但不限于可以根据地层磁导率、传输线模型的外导体半径以及钻杆的外半径确定串联电感l_i。

其中，根据地层磁导率、传输线模型的外导体半径以及钻杆的外半径包括但不限于通过以下公式确定等效传输线上单位长度的传输参数中的串联电感l_i：

式中，μ₀为地层磁导率。其中，关于μ₀的具体数值，本发明实施例不作具体限定，例如，μ₀可以为4π*10^-7。

302：根据等效传输线上单位长度的传输参数确定井下地层参数以及钻柱顶端的电压，获得井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系。

其中，根据等效传输线上单位长度的传输参数确定井下地层参数以及钻柱顶端的电压，包括但不限于可以通过如下步骤来实现：

第一步：根据等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数，并根据等效传输线上单位长度的传输参数以及井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压。

关于井下地层参数的具体内容，本发明实施例不作具体限定。具体实施时，可以结合影响井下电磁信号传输的因素来确定井下地层参数的具体内容。在本发明实施例中，井下地层参数包括但不限于可以有传播参数γ_i(z)和特性阻抗Z_0i。

其中，当井下地层参数为传播参数γ_i(z)和特性阻抗Z_0i时，根据等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数包括但不限于通过以下公式实现：

式中，w为井下电磁信号的发射频率。由公式(4)和公式(5)可得，井下地层参数与井下电磁信号的发射频率w有关，而井下地层参数是表明电磁信号在由井下向地面传输时的衰减和相移等特性的主要影响参数。因此，确定的电磁信道模型与井下电磁信号的发射频率w有关。根据公式(4)和公式(5)可以获得井下电磁信号的发射频率w与井下地层参数传播参数中的γ_i(z)和特性阻抗Z_0i之间的关系。

关于根据传输线上单位长度的传输参数以及井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压的方式，本发明实施例不作具体限定。

其中，由于在本发明实施例中，当电磁信号从井下向地面传输时，通过的地层为非均匀地层，也就是说，本发明实施例涉及的问题为非均匀传输问题。因此，预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型可以通过如下公式来表示：

式中，Y₁(z)和Z₁(z)分别为单位长度的导纳与阻抗，V(z)和I(z)为钻柱上各点的电压和电流。

由公式(6)和公式(7)可得，钻柱上各点的电压和电流与单位长度的导纳Y₁(z)和阻抗Z₁(z)有关，而单位长度的导纳Y₁(z)和阻抗Z₁(z)又与井下电磁信号的发射频率w以及钻柱上半段对应的等效传输线上单位长度的并联电导g₁(z)、串联电阻r₁和串联电感l₁有关。因此，通过公式(6)和公式(7)即可获得钻柱上各点的电压V(z)和电流与I(z)与井下电磁信号的发射频率w以及井下地层参数之间的关系。

通过求解公式(6)和公式(7)的预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，可以获得的井口电压V(h)为：

式中，V_T为井下发射电压，Z₁和Z₂钻杆的上半段和下半段的特性阻抗，h为钻杆的上半段的长度，x为埋地电极与井口的预设距离，且x远远小于h，n为井下激励源至井口每间隔预设距离取的点的个数，γ₁为钻杆的上半段的传播参数。

由公式(8)可得，井口电压V(h)与井下地层参数中的钻杆的上半段和下半段的特性阻抗Z₁和Z₂、钻杆的上半段的传播参数γ₁以及井下发射电压V_T有关，而各个井下地层参数又与井下电磁信号的发射频率w有关。因此，通过井口电压V(h)建立了井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压之间的关系。

第二步：在距离井口的预设距离处设置一个埋地电极，根据井口电压与埋地电极之间的电位差确定钻柱顶端的电压。

其中，根据井口电压V(h)与埋地电极之间的电位差确定钻柱顶端的电压Vred(x)，包括但不限于通过以下公式实现：

由公式(9)可得，钻柱顶端的电压Vred(x)与钻井深度h和井口电压V(h)有关，而通过井口电压V(h)的表达式建立了井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压之间的关系。因此，通过钻柱顶端的电压Vred(x)获得了井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系。

303：根据井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。

通过上述公式(1)至公式(9)，即确定了井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系，而通过井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系即可分析和预测钻井数据。因此，可以根据井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。例如，可以通过公式(9)确定最大传输深度和钻柱顶端的电压之间的关系。因此，当为钻柱顶端电压设置边界值之后，便可以结合确定的井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系预测钻井的最大传输深度，从而为钻井设计提供相关依据。

通过步骤301至步骤303即完成了确定电磁信道模型的步骤，为了检验确定的电磁信道模型是否适用于实际地层，可以继续执行下面的步骤304。

304：获取钻柱顶端的电压与钻井深度之间的关系的实测数据，根据确定的电磁信道模型计算钻柱顶端的电压与钻进深度之间的关系的理论数据，在同一坐标系下绘制实测数据与理论数据的曲线，并在曲线中比较实测数据与理论数据。

该步骤为优选步骤。其中，参见图4，其示出了一种在同一坐标系下绘制的钻柱顶端的电压与钻井深度之间的关系的实测数据与理论数据之间的关系。通过图4可得，当钻井深度小于500m或者大于1000m时，实测数据与理论数据基本吻合，当钻井深度介于500m到1000m之间时，有略微差别。因此，可以确定通过本发明实施例提供的确定电磁信道模型的方法确定的电磁信道可以用于预测和分析实际地层中的钻井数据，从而为钻井设计提供理论支持。

本发明实施例提供的方法，通过将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，从而将钻柱和分段均匀的地层作为等效传输线，使得在确定电磁信道模型时，可以结合地层的分层特性确定，确定的电磁信道模型的准确性更高。

实施例三

本发明实施例提供了一种确定电磁信道模型的装置，该装置将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，并将钻柱和分段均匀的地层组成的电磁信道等效为传输线，得到所述电磁信道模型的等效传输线，其中，不同分段的地层对应不同的地层电阻率。参见图5，该装置包括：

第一确定模块501，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率确定等效传输线上单位长度的传输参数；

第二确定模块502，用于根据等效传输线上单位长度的传输参数确定井下地层参数以及钻柱顶端的电压，获得井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系；

第三确定模块503，用于根据井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。

优选地，等效传输线上单位长度的传输参数包括并联电导、串联电阻和串联电感；

第一确定模块501，包括：

第一确定单元，用于确定等效传输线的电流密度线模型为垂直于钻柱的柱轴、且沿射径方向形成的外导体环柱的传输线模型；

第二确定单元，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率、传输线模型的外导体半径以及钻柱的钻杆的外半径确定并联电导；

第三确定单元，用于根据钻柱的电阻率，钻杆的外半径以及钻杆壁厚确定串联电阻；

第四确定单元，用于根据地层磁导率、传输线模型的外导体半径以及钻杆的外半径确定串联电感。

优选地，第二确定单元，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率、传输线模型的外导体半径以及钻柱的钻杆的外半径通过以下公式确定等效传输线上单位长度的传输参数中的并联电导g(z)：

第三确定单元，用于根据钻柱的电阻率、钻杆的外半径以及钻杆壁厚通过以下公式确定串联电阻r_i：

第四确定单元，用于根据地层磁导率、传输线模型的外导体半径以及钻杆的外半径通过以下公式确定串联电感l_i：

其中，ρ(z)为井下激励源当前所在的地层分段的地层电阻率，b_i为传输线模型的外导体半径，b为钻杆的外半径，z为以井下激励源为原点并且沿井口方向的坐标，ρ_m钻柱的电阻率，μ₀为地层磁导率，τ为钻杆的壁厚。

优选地，第二确定模块502，包括：

计算单元，用于根据等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数；

求解单元，用于根据等效传输线上单位长度的传输参数以及井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压；

第五确定单元，用于在距离井口的预设距离处设置一个埋地电极，并根据井口电压与埋地电极之间的电位差确定钻柱顶端的电压。

优选地，井下地层参数包括传播参数和特性阻抗；

计算单元，用于根据等效传输线上单位长度的传输参数通过以下公式计算井下地层参数：

求解单元，用于根据传输线上单位长度的传输参数以及井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压，包括通过以下公式获得井口电压：

第四确定单元，用于根据井口电压与埋地电极之间的电位差通过以下公式确定钻柱顶端的电压：

式中，w为井下发射频率，V(h)为井口电压，V_T为井下发射电压，Z₁和Z₂钻杆的上半段和下半段的特性阻抗，d为钻杆的上半段和下半段之间的绝缘体的长度，γ₁为钻杆的上半段的传播参数，h为钻杆的上半段的长度，x为埋地电极与井口的预设距离，且x远远小于h，n为井下激励源至井口每间隔预设距离取的点的个数，Vred(x)为钻柱顶端的电压。

优选地，参见图6，装置还包括：

获取模块504，用于获取钻柱顶端的电压与钻井深度之间的关系的实测数据；

计算模块505，用于根据确定的电磁信道模型计算钻柱顶端的电压与钻进深度之间的关系的理论数据；

比较模块506，用于在同一坐标系下绘制实测数据与理论数据的曲线，并在曲线中比较实测数据与理论数据。

本发明实施例提供的装置，通过将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，从而将钻柱和分段均匀的地层作为等效传输线，使得在确定电磁信道模型时，可以结合地层的分层特性确定，确定的电磁信道模型的准确性更高。

需要说明的是：上述实施例提供的确定电磁信道模型的装置在确定电磁信道模型时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的确定电磁信道模型的装置与确定电磁信道模型的方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种确定电磁信道模型的方法，其特征在于，所述方法将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，并将钻柱和分段均匀的地层组成的电磁信道等效为传输线，得到所述电磁信道模型的等效传输线，其中，不同分段的地层对应不同的地层电阻率；所述方法包括：

根据分段均匀的地层的地层电阻率确定所述等效传输线上单位长度的传输参数，所述等效传输线上单位长度的传输参数包括并联电导、串联电阻和串联电感；

根据所述等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数，并根据所述等效传输线上单位长度的传输参数以及井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压，在距离井口的预设距离处设置一个埋地电极，根据所述井口电压与所述埋地电极之间的电位差确定所述钻柱顶端的电压，获得所述井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系；

根据所述井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据分段均匀的地层的地层电阻率确定所述等效传输线上单位长度的传输参数，包括：

确定所述等效传输线的电流密度线模型为垂直于所述钻柱的柱轴、且沿射径方向形成的外导体环柱的传输线模型；

根据分段均匀的地层的地层电阻率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻柱的钻杆的外半径确定并联电导；

根据所述钻柱的电阻率，钻杆的外半径以及钻杆壁厚确定串联电阻；

根据地层磁导率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻杆的外半径确定串联电感。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据分段均匀的地层的地层电阻率确定所述等效传输线上单位长度的传输参数，包括：

根据分段均匀的地层的地层电阻率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻柱的钻杆的外半径通过以下公式确定所述等效传输线上单位长度的传输参数中的并联电导g(z)：

根据所述钻柱的电阻率、钻杆的外半径以及钻杆壁厚通过以下公式确定所述等效传输线上单位长度的传输参数中的串联电阻r_i：

根据地层磁导率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻杆的外半径通过以下公式确定所述等效传输线上单位长度的传输参数中的串联电感l_i：

其中，ρ(z)为井下激励源当前所在地层分段的地层电阻率，b_i为所述传输线模型的外导体半径，b为所述钻杆的外半径，z为以井下激励源为原点并且沿井口方向的坐标，ρ_m所述钻柱的电阻率，μ₀为地层磁导率，τ为所述钻杆的壁厚。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述井下地层参数包括传播参数和特性阻抗；

所述根据所述等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数包括通过以下公式计算井下地层参数：

γ_i(z)＝[(r_i+jwl_i)g_i(z)]^1/2i＝1,2

Z_0i＝[(r_i+jwl_i)/g_i(z)]^1/2i＝1,2

所述根据所述传输线上单位长度的传输参数以及所述井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到所述钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压，包括通过以下公式获得井口电压：

所述根据所述井口电压与所述埋地电极之间的电位差确定所述钻柱顶端的电压，包括：

式中，w为井下发射频率，V(h)为所述井口电压，V_T为井下发射电压，Z₁和Z₂钻杆的上半段和下半段的特性阻抗，d为所述钻杆的上半段和下半段之间的绝缘体的长度，γ₁为所述钻杆的上半段的传播参数，h为所述钻杆的上半段的长度，x为所述埋地电极与所述井口的预设距离，且x远远小于h，n为井下激励源至所述井口每间隔预设距离取的点的个数，Vred(x)为所述钻柱顶端的电压。

5.一种确定电磁信道模型的装置，其特征在于，所述装置将地层沿钻柱水平切割为分段均匀的地层，等效为分层地层，并将钻柱和分段均匀的地层组成的电磁信道等效为传输线，得到所述电磁信道模型的等效传输线，其中，不同分段的地层对应不同的地层电阻率；所述装置包括：

第一确定模块，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率确定所述等效传输线上单位长度的传输参数，所述等效传输线上单位长度的传输参数包括并联电导、串联电阻和串联电感；

第二确定模块，包括：

计算单元，用于根据所述等效传输线上单位长度的传输参数计算井下地层参数；

求解单元，用于根据所述等效传输线上单位长度的传输参数以及所述井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到所述钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压；

第五确定单元，用于在距离井口的预设距离处设置一个埋地电极，并根据所述井口电压与所述埋地电极之间的电位差确定所述钻柱顶端的电压；

所述第二确定模块还用于获得所述井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系；

第三确定模块，用于根据所述井下地层参数、井下发射电压、井下发射频率、地面接收电压以及钻井深度之间的关系确定电磁信道模型。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块，包括：

第一确定单元，用于确定所述等效传输线的电流密度线模型为垂直于所述钻柱的柱轴、且沿射径方向形成的外导体环柱的传输线模型；

第二确定单元，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻柱的钻杆的外半径确定并联电导；

第三确定单元，用于根据所述钻柱的电阻率，钻杆的外半径以及钻杆壁厚确定串联电阻；

第四确定单元，用于根据地层磁导率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻杆的外半径确定串联电感。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二确定单元，用于根据分段均匀的地层的地层电阻率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻柱的钻杆的外半径通过以下公式确定所述等效传输线上单位长度的传输参数中的并联电导g(z)：

所述第三确定单元，用于根据所述钻柱的电阻率、钻杆的外半径以及钻杆壁厚通过以下公式确定串联电阻r_i：

所述第四确定单元，用于根据地层磁导率、所述传输线模型的外导体半径以及所述钻杆的外半径通过以下公式确定串联电感l_i：

其中，ρ(z)为井下激励源当前所在地层分段的地层电阻率，b_i为所述传输线模型的外导体半径，b为所述钻杆的外半径，z为以井下激励源为原点并且沿井口方向的坐标，ρ_m所述钻柱的电阻率，μ₀为地层磁导率，τ为所述钻杆的壁厚。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述井下地层参数包括传播参数和特性阻抗；

所述计算单元，用于根据所述等效传输线上单位长度的传输参数通过以下公式计算井下地层参数：

γ_i(z)＝[(r_i+jwl_i)g_i(z)]^1/2i＝1,2

Z_0i＝[(r_i+jwl_i)/g_i(z)]^1/2i＝1,2

所述求解单元，用于根据所述传输线上单位长度的传输参数以及所述井下地层参数求解预设的分层地层中钻柱上各点的电压电流模型，得到所述钻柱上各点的电压和电流，获得井口电压，包括通过以下公式获得井口电压：

所述第五确定单元，用于根据所述井口电压与所述埋地电极之间的电位差通过以下公式确定所述钻柱顶端的电压：

式中，w为井下发射频率，V(h)为所述井口电压，V_T为井下发射电压，Z₁和Z₂钻杆的上半段和下半段的特性阻抗，d为所述钻杆的上半段和下半段之间的绝缘体的长度，γ₁为所述钻杆的上半段的传播参数，h为所述钻杆的上半段的长度，x为所述埋地电极与所述井口的预设距离，且x远远小于h，n为井下激励源至所述井口每间隔预设距离取的点的个数，Vred(x)为所述钻柱顶端的电压。