CN108019206B - 一种高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法 - Google Patents
一种高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法包括：步骤1，测井获得随钻电磁波电阻率仪器采集的测井响应，转换成相位移、幅度衰减信号；步骤2，利用低频信号相位移电阻率和幅度衰减电阻率组合，建立相对介电常数‑电阻率快速反演关系式；步骤3，步骤1的测量信号与步骤2转换关系结合，快速计算地层介电常数；步骤4，计算步骤3获得介电常数下电阻率转换链表偏移量；步骤5，利用步骤4结果对步骤1采集的相位移、幅度衰减信号进行偏移量补偿及电阻率工程转换，获得视电阻率；步骤6，对获得的视电阻率进行环境校正，获得随钻电磁波电阻率仪器测量电阻率。本发明能提高随钻电磁波电阻率类仪器在高介电常数地层测量量程和适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，尤其涉及随钻电磁波电阻率仪器量程的扩展方法。
背景技术
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-电阻率转换链表将相位移转换成相位移电阻率，利用幅度衰减-电阻率转换链表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链表不同。
随钻电磁波电阻率仪器采集到的幅度衰减和相位移容易受地层介电常数影响。介电常数对测量值影响有以下规律：
(1)地层电阻率相同时，相对介电常数越大，测量值偏移越大；
(2)相对介电常数相同时，地层电阻率越大，测量值偏移幅度越大；
(3)对幅度衰减影响大于对相位移影响，对高频影响大于对低频影响。
在高阻、高介电地层，仪器采集信号计算得到的幅度衰减和相位移会超出电阻率转换链表范围，导致计算不准或无法计算对应的地层电阻率。目前常用的方法是利用经验介电常数，通过传统图版法对测量的视电阻率进行校正。
但是，传统的介电常数校正方法首先介电常数是通过经验公式获得，有一定误差；其次，校正只对介电常数影响较小的情况有效，当相对介电常数影响导致测量值超出电阻率转换链表范围时，依然无法获得地层电阻率；第三，介电常数校正只是对转换后的电阻率进行有限范围内的修正，并非从源头解决介电常数对测量响应的影响。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是，提供一种随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法以有效解决上述现有技术因高介电常数对随钻电磁波电阻率测量影响大，而导致在高介电常数情况下随钻电磁波电阻率仪器电阻率误差大、甚至无法测量的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法，其包括如下步骤：
步骤1，利用随钻电磁波电阻率仪器测井，获得所述随钻电磁波电阻率仪器采集的测井响应电信号，将获得的所述测井响应电信号转换成对应的相位移信号和幅度衰减信号；
步骤2，通过数值仿真模拟，考察所述随钻电磁波电阻率仪器在不同介电常数、不同地层电阻率环境下的测井响应，总结规律并利用低频信号相位移电阻率和幅度衰减电阻率组合，建立相对介电常数-电阻率快速反演关系式；
步骤3，利用步骤1的所述相位移信号和幅度衰减信号，结合对应环境条件下步骤2给出的所述相对介电常数-电阻率快速反演关系式，快速反演计算地层相对介电常数；
步骤4，计算步骤3获得相对介电常数下电阻率转换链表，与相对介电常数为1情况下电阻率转换链表对比，求取当前测量环境下介电常数导致测井信号偏移量；
步骤5，利用步骤4所述偏移量对步骤1采集数据转换形成的相位移信号、幅度衰减信号进行偏移量补偿及电阻率工程转换，从而获得视电阻率；
步骤6，对获得的视电阻率进行井眼环境校正，获得所述随钻电磁波电阻率仪器环境校正后测量电阻率。
优选的，所述步骤2具体包含以下几个步骤：
步骤21：通过数值仿真算法模块，考察不同频率、源距情况下相位差、幅度测量值比受地层电阻率、相对介电常数影响情况，分析并统计仪器响应规律；
步骤22：固定介电常数，逐渐增大地层电阻率，通过数值仿真模拟考察不同源距、不同频率下测井曲线分异特征及大小，利用数学归纳和非线性拟合，建立测井曲线与介电常数数学关系；
步骤23：在上一步基础上，通过变化相对介电常数，建立更多测井曲线与介电常数数学关系，形成相对介电常数-测井响应数学关系式数据库。
优选的，所述步骤3具体包含以下几个步骤：
步骤31：以低频长源距相位差电阻率测量值为电阻率、根据曲线分离特征预估相对介电常数，建立初始模型；
步骤32：通过查询相对介电常数-测井响应数学关系式数据库获得初始模型正演响应，对比初始模型正演响应和实测数据，建立残差最小目标函数；
步骤33：通过梯度下降方法求解目标函数雅可比矩阵，形成雅可比线性方程组，求解方程组计算目标函数最速下降方向和最优改变步长；
步骤34：根据求得最速下降方向和改变步长，确定模型改变量，改变模型，完成一次迭代计算；
步骤35：设置迭代终止条件，循环调用迭代计算过程，直至满足迭代终止条件，得到地层相对介电常数。
优选的，所述步骤4具体包括以下几个步骤：
步骤41：应用数值仿真算法模块计算当前地层相对介电常数下测井响应-地层电阻率对应关系；
步骤42：对比相对介电常数为1情况下测井响应-电阻率对于关系，计算介电常数导致电阻率转换链表偏移量。
优选的，所述步骤5具体包括以下几个步骤：
步骤51：利用步骤4求得的偏移量，对测量信号进行偏移量校正；
步骤52：对校正后的测量值，利用测量信号对应源距和频率下的相位移-电阻率转换链表和幅度衰减-电阻率转换链表，转换电阻率。
一方面，本发明可以提高介电常数校正的精度；另一方面，本发明能够扩大随钻电磁波电阻率仪器电阻率测量量程，增加仪器适用范围；第三，本发明相对介电常数校正过程中的反演计算模块，可以通过电阻率测量值快速反演计算地层介电常数，避免了经验值的误差。
附图说明
图1为本发明的一种高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法具体实施例的流程图。
图2为本发明的介电常数影响下相位移-电阻率转换链表图。
图3为本发明的介电常数影响下幅度衰减-电阻率转换链表图。
图4为本发明的介电常数影响下曲线分离特征图。
图5为本发明的不同介电常数下曲线分离随电阻率变化特征图。
图6为本发明的曲线分离特征满足直线的斜率随电阻率变化图。
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，本发明的一种高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法具体实施例包括如下步骤：
步骤1井下信号采集及相位移、幅度衰减转换：利用随钻电磁波电阻率仪器测井，获得所述随钻电磁波电阻率仪器采集的测井响应电信号，将获得的所述测井响应电信号转换成对应的相位移信号和幅度衰减信号；
步骤2相对介电常数与测量信号数学关系建立：通过数值仿真模拟，考察所述随钻电磁波电阻率仪器在不同介电常数、不同地层电阻率环境下的测井响应，不同电阻率环境下相位移和幅度衰减测井响应如图2、图3所示，总结规律并利用低频信号相位移电阻率和幅度衰减电阻率组合，建立相对介电常数-电阻率快速反演关系式；
图2中横坐标表示地层真电阻率，由小变大变化，纵坐标表示相位差，图中的曲线即为横坐标电阻率所对应的相位移值(相位移-电阻率转换链表)。图中不同的曲线表示不同相对介电常数下的相位移-电阻率转换关系。
图3中横坐标表示地层真电阻率，由小变大变化，纵坐标表示相位差，图中的曲线即为横坐标电阻率所对应的幅度衰减(幅度衰减-电阻率转换链表)。图中不同的曲线表示不同相对介电常数下的幅度衰减-电阻率转换关系。
步骤3地层介电常数反演：利用步骤1的所述相位移信号和幅度衰减信号，结合对应环境条件下步骤2给出的所述相对介电常数-电阻率快速反演关系式，快速反演计算地层相对介电常数；
步骤4仪器测量模式下介电常数偏移量计算：计算步骤3获得相对介电常数下电阻率转换链表，与相对介电常数为1情况下电阻率转换链表对比，求取当前测量环境下介电常数导致测井信号偏移量；
步骤5信号补偿及电阻率工程转换：利用步骤4所述偏移量对步骤1采集数据转换形成的相位移信号、幅度衰减信号进行偏移量补偿及电阻率工程转换，从而获得视电阻率；
步骤6环境校正和结果格式化输出：对获得的视电阻率进行井眼环境校正，获得所述随钻电磁波电阻率仪器环境校正后测量电阻率。
步骤1具体包含以下几个步骤：
步骤11，在地层介质中，接收线圈测得感应电动势的实部和虚部可以表示为以下形式：
其中：
为J方向接收线圈对于I方向发射线圈的复电压信号；aIJ为复系数；指数I,J表示坐标系的x，y，z方向；β为工具面角，接收线圈磁矩方向相对于井眼高边的方位角或相对于磁北极方向的方位角；θt表示发射线圈磁矩方向与仪器轴向的夹角，θr表示接收线圈磁矩方向与仪器轴向的夹角；
步骤12，利用距发射线圈不同距离接受线圈感应电动势，计算出两接收线圈相位(式2)和幅度(式3)：
步骤13，用两个接收线圈得到的相位做差，两个接收线圈得到的幅度做比值，得到相位移和幅度衰减。
步骤2具体包含以下几个步骤：
步骤21：通过数值仿真算法模块，考察不同频率、源距情况下相位差、幅度测量值比受地层电阻率、相对介电常数影响情况，如图4所示，分析并统计仪器响应规律；
图4中，左图横坐标表示相对介电常数，纵坐标表示视电阻率值，每条曲线表示不同探测深度相位差电阻率曲线；右图横坐标表示相对介电常数，纵坐标表示视电阻率值，每条曲线表示不同探测深度幅度衰减电阻率曲线。
步骤211：有限元方法计算建立的地层模型响应实质归结为求解给定边界条件下麦克斯韦(Maxwell)方程的问题，Maxwell方程转化为波动方程：
步骤212：结合边界条件波动方程归结为场能量泛函：
步骤213：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，可以得到如下离散化泛函形式：
步骤214：求解这个线性方程组得到所需的参数。
步骤215：设置不同模型，通过步骤211～步骤214计算模型响应，分析归纳模型响应特征。
步骤22：固定介电常数，逐渐增大地层电阻率，通过数值仿真模拟考察不同源距、不同频率下测井曲线分异特征及大小，利用数学归纳和非线性拟合，建立测井曲线与介电常数数学关系；
步骤221：定义曲线分离特征值
步骤222：如图5所示，固定相对介电常数，改变背景电阻率，获得不同背景电阻率情况下曲线分离特征值曲线；
Diff＝a(x-10) (8)
图5中横坐标表示相对介电常数变化，纵坐标表示本发明定义的分离系数，图中曲线表示不同电阻率下曲线分离系数水介电常数变化。
步骤23：在上一步基础上，通过变化相对介电常数，建立更多测井曲线与介电常数数学关系，形成相对介电常数-测井响应数学关系式数据库。
步骤3具体包含以下几个步骤：
步骤31：以低频长源距相位差电阻率测量值为电阻率、根据曲线分离特征预估相对介电常数，建立初始模型；
步骤311：利用低频相位差电阻率测量的电阻率作为地层电阻率初值；
步骤312：利用步骤23拟合数学公式，结果如图6所示，计算得到曲线分离特征斜率a及曲线分离特征值Diff，速算相对介电常数：
图6中横坐标表示电阻率，纵坐标表示本发明定义的曲线分离系数所满足方程斜率的变化，图中实线表示实际数据数值仿真得到的分离系数与斜率对应关系，虚线表示通过多项式拟合获得的分离系数满足直线的斜率对应关系。
步骤32：通过查询相对介电常数-测井响应数学关系式数据库获得初始模型正演响应，对比初始模型正演响应和实测数据，建立残差最小目标函数通过最小二乘法求解实际测量值与模拟值的残差：
其中r:Rn→Rm是x的非线性函数,把非线性最小二乘问题看作为无约束极小化的特殊情形；
步骤33：通过梯度下降方法求解目标函数雅可比矩阵，形成雅可比线性方程组，求解方程组计算目标函数最速下降方向和最优改变步长，
设J(x)是r(x)的雅可比矩阵：
则目标函数的梯度为：
令方程组(12)等0，即可求解目标函数最速下降方向；
步骤34：根据求得最速下降方向和改变步长，确定模型改变量，改变模型，完成一次迭代计算；
步骤341：利用黄金分割方法，在最速下降方向上确定步长；
步骤342：根据求得模型改变方向和改变步长，确定模型改变量，改变模型，完成一次迭代反演
步骤35：设置迭代终止条件，循环调用迭代计算过程，直至满足迭代终止条件，得到地层相对介电常数。
步骤4具体包括以下几个步骤：
步骤41：应用数值仿真算法模块计算当前地层相对介电常数下测井响应-地层电阻率对应关系；
步骤42：对比相对介电常数为1情况下测井响应-电阻率对于关系，计算介电常数导致电阻率转换链表偏移量。
步骤5具体包括以下几个步骤：
步骤51：利用步骤4求得的偏移量，对测量信号进行偏移量校正；
步骤52：对校正后的测量值，利用测量信号对应源距和频率下的相位移-电阻率转换链表和幅度衰减-电阻率转换链表，转换电阻率。
本发明可以有效解决高介电常数对随钻电磁波电阻率测量影响大，现有处理方法电阻率误差大、甚至无法测量的问题，一方面可以提高介电常数校正的精度，另一方面，能够扩大随钻电磁波电阻率仪器电阻率测量量程，增加仪器适用范围，第三，相对介电常数校正过程中的反演计算模块，可以通过电阻率测量值快速计算地层介电常数，避免了经验值的不足。
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。
Claims (4)
1.一种高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤1，利用随钻电磁波电阻率仪器测井，获得所述随钻电磁波电阻率仪器采集的测井响应电信号，将获得的所述测井响应电信号转换成对应的相位移信号和幅度衰减信号；
步骤2，通过数值仿真模拟，考察所述随钻电磁波电阻率仪器在不同介电常数、不同地层电阻率环境下的测井响应，总结规律并利用低频信号相位移电阻率和幅度衰减电阻率组合，建立相对介电常数-电阻率快速反演关系式；
步骤3，利用步骤1的所述相位移信号和幅度衰减信号，结合对应环境条件下步骤2给出的所述相对介电常数-电阻率快速反演关系式，快速反演计算地层相对介电常数；
步骤4，计算步骤3获得相对介电常数下电阻率转换链表，与相对介电常数为1情况下电阻率转换链表对比，求取当前测量环境下介电常数导致测井信号偏移量；
步骤5，利用步骤4所述偏移量对步骤1采集数据转换形成的相位移信号、幅度衰减信号进行偏移量补偿及电阻率工程转换，从而获得视电阻率；
步骤6，对获得的视电阻率进行井眼环境校正，获得所述随钻电磁波电阻率仪器环境校正后测量电阻率；
其中，所述步骤2具体包含以下几个步骤：
步骤21：通过数值仿真算法模块，考察不同频率、源距情况下相位差、幅度测量值比受地层电阻率、相对介电常数影响情况，分析并统计仪器响应规律；
步骤22：固定介电常数，逐渐增大地层电阻率，通过数值仿真模拟考察不同源距、不同频率下测井曲线分异特征及大小，利用数学归纳和非线性拟合，建立测井曲线与介电常数数学关系；
步骤23：在上一步基础上，通过变化相对介电常数，建立更多测井曲线与介电常数数学关系，形成相对介电常数-测井响应数学关系式数据库。
2.根据权利要求1所述的高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法，其特征在于，所述步骤3具体包含以下几个步骤：
步骤31：以低频长源距相位差电阻率测量值为电阻率、根据曲线分离特征预估相对介电常数，建立初始模型；
步骤32：通过查询相对介电常数-测井响应数学关系式数据库获得初始模型正演响应，对比初始模型正演响应和实测数据，建立残差最小目标函数；
步骤33：通过梯度下降方法求解目标函数雅可比矩阵，形成雅可比线性方程组，求解方程组计算目标函数最速下降方向和最优改变步长；
步骤34：根据求得最速下降方向和改变步长，确定模型改变量，改变模型，完成一次迭代计算；
步骤35：设置迭代终止条件，循环调用迭代计算过程，直至满足迭代终止条件，得到地层相对介电常数。
3.根据权利要求1所述的高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下几个步骤：
步骤41：应用数值仿真算法模块计算当前地层相对介电常数下测井响应-地层电阻率对应关系；
步骤42：对比相对介电常数为1情况下测井响应-电阻率对于关系，计算介电常数导致电阻率转换链表偏移量。
4.根据权利要求1所述的高介电常数下随钻电磁波电阻率仪器量程扩展方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下几个步骤：
步骤51：利用步骤4求得的偏移量，对测量信号进行偏移量校正；
步骤52：对校正后的测量值，利用测量信号对应源距和频率下的相位移-电阻率转换链表和幅度衰减-电阻率转换链表，转换电阻率。
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- 2017-11-16 CN CN201711137511.8A patent/CN108019206B/zh active Active
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