CN107944159B - 一种随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明的随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法，其包括：步骤1，建立完备模型库；步骤2，建立与模型库对应的随钻仪器测井响应数据库；步骤3，选取最优维度组合，进行曲面拟合；步骤4，固定其他维度参量不变，在步骤3选取的最优曲面维度上利用函数关系代替测井响应本身，将函数关系数学表达式输出；步骤5，按特定序列存储步骤4的数学表达式，将步骤2的测井响应数据库转换成数学关系式数据库，并对新数据库进行二进制压缩；步骤6，计算还原随钻仪器测井响应。本发明模拟多维复杂地质模型随钻测井响应，对得到的正演仿真数据库进行曲面拟合，将测井影响与模型参数间的关系用曲面方程表示，大大减少了数据存储量，起到数据压缩的效果。

Description

一种随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法

技术领域

本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩技术。

背景技术

随着水平井和大斜度井钻井技术广泛应用，电缆测井应用受到一定制约，测井数据采集广泛采用随钻测量方式。随钻电阻率由于钻开时间短，测量点受泥浆侵入影响较小，且能够提供不同探测深度的测井曲线。随钻电阻率数据能反映地层真实的参数，因此随钻测井仪器有着广阔的应用前景。随着复杂油气田勘探开发的不断深入，大斜度井、水平井等复杂工艺井的广泛应用，随钻测井技术研究与随钻测井仪器研发得到足够的重视，并得到了快速的发展。

随钻电磁波电阻率类仪器电阻率测量与电缆侧向类仪器有很大不同，侧向类仪器利用直流电模式进行测量，通过一定的仪器常数进行刻度，即可把测量采集的信号转换成地层电阻率信号；随钻电磁波电阻率仪器是利用距发射源不同距离的两个接收线圈获得感应电磁波的相位移和幅度衰减变化来描述地层电阻率。相位移和幅度衰减与地层电阻率是一种非线性关系，没有固定的刻度系数，通常利用相位移-电阻率转换关系将相位移转换成相位移电阻率，利益幅度衰减-电阻率转换关系将幅度衰减转换成幅度衰减电阻率。不同仪器、不同源距、不同工作频率所对应的电阻率转换关系不同。

传统的随钻电磁波测井仪器发射线圈与接收线圈共轴，测量得到的地层信号为地层信息的平均值；近年来三大石油测井服务公司相继推出了具有方位探测能力的随钻方位电磁波测井仪器。2005年斯伦贝谢公司推出了PeriScope方位电阻率测量仪，2006年贝克休斯公司推出了随钻方位电磁波测井仪APR，2007年哈里伯顿公司推出了方位深电阻率测量仪ADR。方位电磁波测量仪器均采用轴向，倾斜或横向线圈混合，能够更好地提供有关地层方位的信息，指示地层的各向异性，识别地层边界。

针对随钻电磁波电阻率测井仪器的井场实时反演、地质导向、钻后资料快速反演均需要查询正演仿真数据库，在水平井复杂环境中，数据库变量维度较多，每个维度上变化范围较大时，完备的数据库将会非常巨大。这给实时处理、快速处理软件应用、安装带来诸多不便，同时，正演仿真数据库只能是对离散数据点对应的数据库，而地层特性是有顺延性和连续性，单靠离散的数据库无法完全涵盖所有的地质模型。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是，井场快速反演软件因地层参数复杂、影响变量多导致数据库庞大，严重制约快速反演井场应用。利用随钻电磁波电阻率响应随地层参数变化特征，选择若干维度进行图像绘制和曲面拟合，将测井响应值转换成函数关系式，进行数据库降维达到压缩正演仿真数据库的目的。同时，利用连续曲面代替离散点源，能够解决正演仿真数据库模型数有限，不能完全涵盖所有地质模型的问题。

本发明为一种随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法，包括如下步骤：

步骤1，结合针对性油田区块特征，确定地层模型参数维度，将多维模型参数在不同维度上变化，建立完备正演仿真模型库；

步骤2，利用数值仿真算法模拟随钻测井仪器在正演仿真模型库中对应模型参数下的测井响应，建立与正演仿真模型库对应的随钻仪器测井响应数据库；

步骤3，考察随钻仪器测井响应数据库在任意两维度上形成曲面空间分布形态，选取最优维度组合，进行曲面拟合；

步骤4，固定其他维度参量不变，在步骤3选取的最优曲面维度上利用函数关系代替测井响应本身，将函数关系数学表达式输出；

步骤5，按特定序列存储步骤4的数学表达式，将步骤2的测井响应数据库转换成数学关系式数据库，并对数学关系式数据库进行二进制压缩，减少库占用内存空间；

步骤6，正演仿真数据库应用时根据正演仿真模型库索引，查询压缩后二进制的测井响应曲面数学表达式，通过二进制解压，获取曲面函数关系，再通过函数关系计算还原随钻仪器测井响应。

优选的，在步骤1中包含：

步骤11：针对正演仿真数据库所应用的区块，收集该区块地质参数，用区块地质参数指导设置正演仿真模型库；

步骤12：设置仪器半径、线圈半径、收发线圈源距、钻铤磁导率、钻铤电导率、仪器工作频率等仪器参数；设置井眼尺寸、泥浆电阻率、井斜角等井眼参数；设置地层模型电阻率、各向异性、层厚、边界距、介电常数等地层参数；

步骤13：将正演仿真模型库按照一定的规则排序。

优选的，在步骤2中包含：

步骤21：根据仪器结构和工作模式，建立仪器测井响应正演仿真算法；

步骤22：遍历整个正演仿真模型库，将模型参数转换成仪器所在环境的地层参数，对模型进行正演，获得仪器测井响应；

步骤23：根据仪器工作模式，对测井响应进行信号转换、井眼补偿等预处理操作；

步骤24：对预处理操作后的信号，通过电阻率-测井信号转换关系，将测井信号标定成电阻率值；

步骤25：对标定后的电阻率值进行井眼环境校正，获得校正后的电阻率值，该值即为模型对应的测井电阻率响应，将测井电阻率响应按照一定次序保存到正演仿真数据库中。

优选的，在步骤3中包含：

步骤31：选定两个维度变量以其中一个作为横坐标，另一个作为纵坐标，以测井响应为函数值，绘制测井响应曲面，考察随钻仪器测井响应数据库在任意两维度上形成曲面空间分布形态；

步骤32：更换不同维度，重新绘制测井响应曲面，对比不同维度下的响应曲面，选取最优维度组合，进行曲面拟合。

优选的，在步骤4中包含：

步骤41：利用数据拟合方法，建立最小误差回归方程，通过求解方程系数获得步骤3中拟合曲面的数学关系表达式；

步骤42：按照正演仿真模型库参数排列次序，对拟合的曲面数学关系表达式进行存储。

优选的，在步骤6中包含：

步骤61：根据实际模型参数取值，对比正演仿真模型库，计算模型测井响应压缩后对应函数关系在正演仿真数据库中的位置；

步骤62：通过二进制读取查到位置的磁盘记录；

步骤63：将查询记录转换成十进制数据，并还原其十进制所表达的数学函数关系；

步骤64：利用数学函数关系，以模型值作为变量，计算模型测井响应；

步骤65：计算得到的模型测井响应即为正演仿真数据库查询得到的模型响应。

本发明有益效果：水平井复杂环境中测井响应受环境影响复杂，牵涉的地层变量较多，井场实时处理、快速反演等类似基于查询正演仿真数据库算法面临着数据库庞大、数据库中有限离散点不能代表整个区块连续地层参数变化点的情况。本发明可以有限的减少数据库大小，同时可以保证利用有限离散数据点拟合连续函数，解决离散数据库无法覆盖整个区块地层参数连续变化的问题。

附图说明

图1为本发明的随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法一具体实施例的流程图。

图2A、图2B为本发明的正演仿真模型库中包含模型示意图。

图3为本发明的幅度衰减-电阻率转换链表和相位移-电阻率转换链表。

图4是本发明模型库中模型正演仿真得到的仪器响应曲线示意图。

图5表示16in源距相位差电阻率真实的曲面图。

图6表示根据拟合的曲面函数绘制的16in源距相位差电阻率曲面图。

图7表示真实曲面和拟合曲面函数的误差曲面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明的随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法一具体实施例的流程图。

步骤1建立模型库：结合针对性油田区块特征，确定地层模型参数维度，将多维模型参数在不同维度上变化，建立完备正演仿真模型库，其具体步骤如下：

步骤11，针对正演仿真数据库所应用的区块，收集该区块地质参数(如下表)，用区块地质参数指导设置正演仿真模型库；

步骤12，设置正演仿真模型库包含仪器参数：如仪器半径7in、线圈半径6.75in、5发2收线圈结构，发射线圈距仪器中点距离分别16in、22in、28in、34in、40in，接收线圈间距6in，钻铤相对磁导率1，钻铤为良导体，仪器工作频率2MHz和400KHz；设置井眼参数，如井眼尺寸6in～17in变化，步长间隔0.5in；泥浆电阻率0.02Ω·m～3Ω·m变化，步长间隔0.01Ω·m；设置模型库地层参数，如电阻率0.1Ω·m～2000Ω·m变化，步长间隔0.1Ω·m；各向异性系数1～4，间隔0.2；层厚变化0.1m～20m，步长间隔0.2m；边界距变化0m～10m，步长间隔0.1m；相对介电常数变化1～300，步长间隔1；模型库参数要完备，不遗漏、不冗余，每一维度变量取值范围覆盖整个区块该参数取值范围；

步骤13，将正演仿真模型库按照井径-泥浆-层厚-边界距-各向异性系数-介电常数-地层电阻率维度顺序排列，每一维度数据按升序排序，排序完成后，正演仿真模型库索引建立完成。

在实施例中，模型库中模型如图2A、图2B所示，模型设置充分考虑地层特点和仪器探测范围，在仪器能够探测到上下边界的较薄地层，设置模型参数包括上下围岩电阻率、中间目的层电阻率、目的层各向异性系数、层边界距离和层厚度，大斜度井中考虑井眼-地层相当倾角。在地层较厚地层，仪器能够探测到唯一边界情况下，建立两层模型，考虑目的电阻率、围岩电阻率(上围岩或下围岩)、层边界距离和目的层各向异性系数，大斜度井考虑井眼-地层相对倾角。对于均匀无限厚地层，仪器探测不到地层上下界面，考虑地层电阻率、地层各向异性系数和井眼-水平面相对倾角。进入步骤2。

如图2A、图2B所示，本发明的正演仿真模型库中包含模型示意图。其中图2A是大斜度井模型，模型参数包含层厚、井斜、泥浆电阻率、侵入深度、侵入带电阻率、原状地层电阻率等参数；图2B是水平井地层模型示意图，模型参数包括层厚、边界距、泥浆电阻率、侵入深度、侵入带电阻率、原状地层电阻率、各向异性系数等参数。

步骤2数值仿真将模型库转换成测井响应库：利用数值仿真算法模拟随钻测井仪器在模型库中对应模型参数下的测井响应，建立与模型库对应的随钻仪器测井响应数据库。

步骤21：根据仪器结构和工作模式，建立仪器测井响应正演仿真算法；

步骤22：遍历整个正演仿真模型库，将模型参数转换成仪器所在环境的地层参数，对模型进行正演，获得仪器测井响应；

步骤23：根据仪器工作模式，对测井响应进行信号转换、井眼补偿等预处理操作；

步骤24：对预处理操作后的信号，通过电阻率-测井信号转换关系，将测井信号标定成电阻率值；

步骤25：对标定后的电阻率值进行井眼环境校正，获得校正后的电阻率值，该值即为模型对应的测井电阻率响应，将测井电阻率响应按照一定次序保存到正演仿真数据库中。

在本实施例中，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)求解给定边界条件下麦克斯韦Maxwell方程的问题，将Maxwell方程转化为波动方程：

其中，E表示电场强度；μ表示振幅；ω表示角频率；ε表示介电常数；

2)结合边界条件波动方程归结为场能量泛函：

其中，表示目标函数；μ₀表示初始振幅；V表示求解区域；ω表示角频率；ε表示介电常数；J表示电流密度；

3)应用有限单元剖分场域，并选取相应的插值基函数，对能量泛函进行空间离散，得到如下离散化泛函形式：

其中，A^e表示函数离散形成系数矩阵；B^e表示等式右端项离散矩阵；C^e表示函数值离散矩阵；E^e表示自变量矩阵；M表示自变量个数；上标T表示矩阵的转置；

4)求解公式(3)得到接收线圈电压值，将电压实部虚部转换成幅度和相位，电压与幅度、相位关系为：

其中PS表示相位，AT表示幅度，为复电压，电压虚部信号，电压实部信号。

5)利用两线圈得到的相位相减得到相位差，利用两线圈得到的幅度比值得到幅度比，通过电阻率-相位差、电阻率-幅度比转换关系，图3，将测量信号转换成电阻率信号。

图3是本发明的相位差电阻率转换链表和幅度比电阻率转换链表，图中横轴表示电阻率，纵轴表示相位差或幅度比。电阻率转换时已知纵轴值，通过左与横轴平行直线，与图中曲线相交，交点对应的横轴值即为对应相位差或幅度比转换后的电阻率值。

在实施例中，利用上述有限元方法，对步骤1设计的水平井各向同性、水平井各向异性地层模型，大斜度井各向同性、大斜度井各向异性模型。利用有限元方法对建立的模型进行正演，计算模型对应的测井响应，单个模型计算结果如图4，建立模型正演库。流程进入步骤3。

图4是本发明模型库中模型正演仿真得到的仪器响应曲线，在固定模型参数情况下，横坐标是模型深度变化，纵坐标为模型正演电阻率曲线，不同名称曲线表示不同探测深度下仪器对应的测井曲线。

步骤3，响应库维度优选和曲面拟合：考察随钻仪器测井响应数据库在任意两维度上形成曲面空间分布形态，选取最优维度组合，进行曲面拟合，包括以下步骤：

步骤31，选定两个维度变量以其中一个作为横坐标，另一个作为纵坐标，以测井响应为函数值，绘制测井响应曲面，考察随钻仪器测井响应数据库在任意两维度上形成曲面空间分布形态；

步骤32，更换不同维度，重新绘制测井响应曲面，对比不同维度下的响应曲面，选取最优维度组合，进行曲面拟合，本实例中选择侵入带电阻率(Rxo)、地层电阻率(Rt)两个维度为最优维度组合，进行曲面拟合，进入步骤4。

步骤4求解拟合曲面函数关系数学表达式：固定其他维度参量不变，在步骤3选取的最优曲面维度上利用函数关系代替测井响应本身，将函数关系数学表达式输出，包含以下步骤：

步骤41：利用数据拟合方法，建立最小误差回归方程，通过求解方程系数获得步骤3中拟合曲面的数学关系表达式；

步骤42：按照正演仿真模型库参数排列次序，对拟合的曲面数学关系表达式进行存储，将数学表达式安顺序写入磁盘。

假设第一个维度上取n个点，第二个维度上取m个点，那么在已知矩形区域内形成一个n×m矩阵，结合在取样点上的模型响应作为函数值，该问题即成为一个纯粹数学方面的问题了。设矩形区域内n×m个网点(x_i，y_j)(i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m)上的函数值z_ij，求最小二乘拟合多项式

首先，固定y，对x构造m个最小二乘拟合多项式

其中各φ_k(x)(k＝1，2，…，p)互为正交的多项式，并有下列递推公式构造：

φ₁(x)＝1

φ₂(x)＝x-α₁

φ_k+1(x)＝(x-α_k)φ_k(x)-β_kφ_k-1(x)，k＝2，3，…，p-1

若令

则有

根据最小二乘原理可得

然后再构造y的最小二乘多项式

其中各ψ_i(y)(i＝1，2，…，q)也为互为正交的多项式，并由下列递推公式构造：

ψ₁(x)＝1

ψ₂(x)＝x-α₁

ψ_k+1(x)＝(x-α_k)ψ_k(x)-β_kψ_k-1(x)，k＝2，3，…，q-1

若令

则有

根据最小二乘原理可得

最后可得二元函数的拟合多项式为

再转换成标准的多项式

在实际计算过程中，为了防止运算溢出，x_i与y_i分别用

代替。其中

此时，二元拟合多项式的形式为：

图5表示16in源距相位差电阻率真实的曲面图，图6表示根据拟合的曲面函数绘制的16in源距相位差电阻率曲面图，从两者对比可知，两者相态是一致的。图7表示真实曲面和拟合曲面函数的误差曲面图，由图可知整个曲面的相对误差绝对值在0.01％以下，进一步验证了拟合曲面的正确性。进入步骤5。

图5为本发明的模型库正演响应以侵入带电阻率、原状地层电阻率两个维度变化，以响应视电阻率值为函数值形成的三维空间中响应曲面。曲面Rxo坐标为侵入带电阻率变化，Rt坐标为原状地层电阻率变化，曲面上的点是对应Rxo、Rt坐标下的测井响应值。

图6为本发明以侵入带电阻率、地层电阻率两个维度变化拟合曲面，曲面Rxo坐标为侵入带电阻率变化，Rt坐标为原状地层电阻率变化，曲面上的点是对应Rxo、Rt坐标下的测井响应值。

图7是本发明拟合电阻率曲面与原始计算形成电阻率曲面相对误差统计。图中Rxo坐标为侵入带电阻率变化，Rt坐标为原状地层电阻率变化，曲面上的点是对应模拟曲面和拟合曲面取值相对误差。

步骤5按模型索引保存数学关系式系数：按特定序列存储步骤4的数学表达式，将步骤2的测井响应数据库转换成数学关系式数据库，并对新数据库进行二进制压缩，减少库占用内存空间。进入步骤6。

步骤6对获得的关系式数据库进行二进制存储：正演仿真数据库应用时根据模型库索引，查询压缩后二进制的测井响应曲面数学表达式，通过二进制解压，获取曲面函数关系，再通过函数关系计算还原随钻仪器测井响应，包含以下步骤：

步骤61，根据实际模型参数取值，对比模型库，计算模型测井响应压缩后对应函数关系在正演仿真数据库中的位置；

步骤62，通过二进制读取查到位置的磁盘记录；

步骤63，将查询记录转换成十进制数据，并还原其十进制所表达的数学函数关系；

步骤64，利用获得的数学函数关系，以模型值作为变量，计算模型测井响应；

步骤65，计算得到的模型测井响应即为正演仿真数据库查询得到的模型响应。

本发明的数据压缩手段不同于传统意义上的数据压缩，本发明的压缩手段是利用数学关系来记录原有数据，第一，可以大大减小数据存储量，第二，由于函数关系的连续性，通过曲面拟合可以弥补原始数据库离散点不连续的缺陷，第三，使用函数拟合压缩方法，存储的数据是对应函数关系的常数项，在不知道函数关系情况下，数据库不存在破解的可能性，数据安全更有保障。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1，结合针对性油田区块特征，确定地层模型参数维度，将多维模型参数在不同维度上变化，建立完备正演仿真模型库；

步骤2，利用数值仿真算法模拟随钻测井仪器在正演仿真模型库中对应模型参数下的测井响应，建立与正演仿真模型库对应的随钻仪器测井响应数据库；

步骤3，考察随钻仪器测井响应数据库在任意两维度上形成曲面空间分布形态，选取最优维度组合，进行曲面拟合；

步骤4，固定其他维度参量不变，在步骤3选取的最优曲面维度上利用函数关系代替测井响应本身，将函数关系数学表达式输出；

步骤5，按特定序列存储步骤4的数学表达式，将步骤2的测井响应数据库转换成数学关系式数据库，并对数学关系式数据库进行二进制压缩，减少库占用内存空间；

步骤6，正演仿真数据库应用时根据正演仿真模型库索引，查询压缩后二进制的测井响应曲面数学表达式，通过二进制解压，获取曲面函数关系，再通过函数关系计算还原随钻仪器测井响应。

2.根据权利要求1所述的随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法，其特征在于，在步骤1中包含以下几个步骤：

步骤11：针对正演仿真数据库所应用的区块，收集该区块地质参数，用区块地质参数指导设置正演仿真模型库；

步骤12：设置正演仿真模型库包含的仪器参数：仪器钻铤尺寸、钻铤磁导率、钻探电导率、线圈半径、线圈匝数、收发线圈间距、线圈个数、发射频率，设置正演仿真模型库包含的井眼参数：井眼直径、井斜角、泥浆电阻率，设置正演仿真模型库包含的地层参数:地层电阻率、侵入带电阻率、地层各向异性系数、地层介电常数、泥浆侵入深度、层厚、地层倾角；

步骤13：将正演仿真模型库按照一定的规则排序。

3.根据权利要求1所述的随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法，其特征在于，在步骤2中包含以下几个步骤：

步骤21：根据仪器结构和工作模式，建立仪器测井响应正演仿真算法；

步骤22：遍历整个正演仿真模型库，将模型参数转换成仪器所在环境的地层参数，对模型进行正演，获得仪器测井响应；

步骤23：根据仪器工作模式，对测井响应进行信号转换、井眼补偿预处理操作；

步骤24：对预处理操作后的信号，通过电阻率-测井信号转换关系，将测井信号标定成电阻率值；

步骤25：对标定后的电阻率值进行井眼环境校正，获得校正后的电阻率值，该值即为模型对应的测井电阻率响应，将测井电阻率响应按照一定次序保存到正演仿真数据库中。

4.根据权利要求1所述的随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法，其特征在于，在步骤3中包含以下几个步骤：

步骤31：选定两个维度变量以其中一个作为横坐标，另一个作为纵坐标，以测井响应为函数值，绘制测井响应曲面，考察随钻仪器测井响应数据库在任意两维度上形成曲面空间分布形态；

步骤32：更换不同维度，重新绘制测井响应曲面，对比不同维度下的响应曲面，选取最优维度组合，进行曲面拟合。

5.根据权利要求1所述的随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法，其特征在于，在步骤4中包含以下几个步骤：

步骤41：利用数据拟合方法，建立最小误差回归方程，通过求解方程系数获得步骤3中拟合曲面的数学关系表达式；

步骤42：按照正演仿真模型库参数排列次序，对拟合的曲面数学关系表达式进行存储。

6.根据权利要求1所述的随钻电磁波正演仿真数据库高精度压缩方法，其特征在于，在步骤6中包含以下几个步骤：

步骤61：根据实际模型参数取值，对比正演仿真模型库，计算模型测井响应压缩后对应函数关系在正演仿真数据库中的位置；

步骤62：通过二进制读取查到位置的磁盘记录；

步骤63：将查询记录转换成十进制数据，并还原其十进制所表达的数学函数关系；

步骤64：利用获得的数学函数关系，以模型值作为变量，计算模型测井响应；

步骤65：计算得到的模型测井响应即为正演仿真数据库查询得到的模型响应。