CN108049865B - 随钻感应测井电场刻度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻感应测井电场刻度方法，采用电场刻度方法获得的随钻感应测井电导率近似为地层真电导率，与真电导率之间的误差小于刻度环刻度获得的视电导率与真电导率之间的误差，提高了随钻感应电阻率测井仪器的测量精度；该方法既可适用于随钻感应电阻率测井仪刻度，也可用于电缆感应电阻率测井仪器刻度。

Description

随钻感应测井电场刻度方法

技术领域

本发明属于石油天然气钻探领域，具体涉及随钻感应测井电场刻度方法。

背景技术

感应测井直接测量不是电导率而是感应电动势，把电动势转化为视电导率并消除包括线圈系和电子线路等系统误差的过程称为感应测井仪器刻度。

感应测井刻度方法一般可分为实体刻度和模拟刻度。早期使用实体刻度，即在地层或等效地层的实体中刻度，其刻度条件难以得到满足，且成本较高。随着感应测井几何因子理论的提出和应用，感应测井仪器的刻度一般采用模拟刻度，即刻度环刻度。刻度环刻度方法就是：用刻度环模拟均匀地层对仪器进行刻度，即采用串接纯电阻R的刻度环，按照Doll几何因子理论，令刻度环在空气中产生的感应电动势与线圈系在忽略趋肤效应(或传播效应)的均匀介质(电导率为σ)中产生的感应电动势相等，求出感应电动势转换为均匀介质电导率的转换因子(即刻度因子)，用该刻度因子将仪器测井测量的感应电动势转换为视电导率。

传统的感应测井仪器刻度一般采用模拟刻度方法，即基于Doll几何因子理论的刻度环刻度方法。具体方法如下：

将纯电阻R串接于刻度环中，令刻度环在空气中产生的感应电动势与线圈系在忽略趋肤效应(或传播效应)的均匀介质(电导率为σ)中产生的感应电动势相等(田子力等，1984，《感应测井理论及应用》，石油工业出版社)，即

式中：左边是刻度环产生的感应电动势，右边是仪器在忽略趋肤效应的均匀介质中产生的感应电动势。在(8)式中，r为刻度环半径；Z为刻度环的电抗，包含金属环(线)电阻、串接电阻R、容抗(刻度环分布电容产生)、感抗(刻度环分布电感产生)等；m、n分别为发射、接收线圈个数；i、j分别为发射、接收线圈序号；g_ij为第i发射、第j接收线圈构成双线圈系的Doll几何因子；K_ij为对应双线圈系仪器常数(张庚骥，1984，《电法测井》上册，石油工业出版社)。

刻度环等效的均匀介质电导率可表达为：

通过(9)式可以看出，刻度环串接不同电阻R可以等效不同电导率σ的均匀介质，这就是刻度环刻度的理论基础。

除电动势转化为地层视电导率外，刻度还有一个目的，即消除线圈系误差和电子线路误差。为此目的，传统感应测井仪器刻度环刻度一般采用两点刻度，即低刻(空气介质，电导率为0，刻度环开路)和高刻(某一均匀介质，电导率为σ，用刻度环串一电阻R闭合来模拟)。用刻度环电动势测量值和对应的介质电导率值，确定仪器刻度因子K(乘因子)、B(加因子)，如图附1所示，刻度因子计算用公式(10)。

式中：σ_CL、σ_CH、V_mL、V_mH分别为低、高刻点介质真电导率(或刻度环模拟介质电导率)及测量电动势。

在实际测井中，利用K、B将仪器测量电动势转换为视电导率，获得视电导(阻)率曲线。

从(9)式也可以看出，刻度环等效的均匀介质电导率也与刻度环本身的电阻、分布电感和分布电容有关。在理想情况下，消除刻度环本身的电阻、分布电感和分布电容的影响，(9)式变为：

实际上，刻度环的电抗(电阻、分布电感和分布电容)是很难准确测量，因此，采用刻度环刻度就会引起电导率测量误差。

从(9)、(10)、(11)式可以看出，在刻度环刻度过程中，无论是刻度因子的求取，还是测量信号转换为电导率，均是线性处理过程，即测量信号与地层电导率成线性关系，这是基于Doll几何因子理论。实际上，根据电磁波传播理论，感应仪器测量信号(感应电压或电动势)与地层电导率是非线性关系，Doll几何因子理论是一种近似理论，通过刻度环刻度获得的电导率为视电导率，即含有趋肤效应的影响，无法直接得到真电导率。

在刻度环刻度中至少需要选取高、低电导率(电阻率)两个点，一般以空气(电导率为零)作为低刻点(刻度环串接电阻为无限大，即刻度环开路)，高刻点为刻度环串接某一固定电阻值(模拟某一地层电导率)。刻度时将刻度环置于线圈系测量点上，测量高低刻度点的感应电动势，通过计算求出的刻度因子，即乘因子和加因子。刻度因子求取过程实际上也是解两个线性方程组过程，即感应电动势与刻度环电阻是线性关系，刻度因子与刻度环串接电阻所代表的地层电导率也是线性关系。

采用刻度环模拟刻度主要存在两个不足：(1)该刻度方法基于Doll几何因子理论，感应电动势与地层电导率为线性关系，刻度转换后为视电导率，包含有趋肤效应的影响。(2)刻度环各电气参数并不是纯电阻，还有电容、电感等电抗参数会影响刻度精度。因此刻度环刻度无法消除趋肤效应的影响，也难以消除刻度环电抗参数的影响。

自从感应测井诞生以来，其理论不断地发展，一是Doll几何因子理论发展到传播效应(趋肤效应)几何因子理论；二是感应测井响应计算从快速二维模拟到快速三维精确模拟；三是感应测井仪器从二维平均电导率测井仪器发展到能探测方位和各向异性的三轴多分量测井仪器。感应测井仪器的刻度方法随之不断地改进和发展。为了克服传统刻度环刻度方法的不足，本发明提出了一种新的刻度方法，即电场刻度方法或叫电动势刻度方法。该方法基于论文“感应测井视电导率和真电导率关系的积分方程”(李剑浩，2014，中国科学：地球科学，第5期)中的感应电场测井理论，该理论建立了电动势(或电场强度)与电导率的关系，并可用于电磁波类测井仪器中，如感应测井和电磁波测井。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种随钻感应测井电场刻度方法，克服传统刻度方法中刻度环参数的影响和趋肤效应的影响等问题，以提高随钻感应测井电导率的测量精度和扩展电导率的测量范围。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种随钻感应测井电场刻度方法，包括：

1)感应测井响应数值模拟与实际测量相结合，将在两种不同电导率介质作为标准刻度介质中仪器测量的电场强度或电动势转换为数值模拟的电场强度或电动势，建立包含刻度因子的方程组并求取刻度因子；

2)用刻度因子将实际测井获得的电场强度或电动势转换为标准电场强度或电动势，并采用迭代法求取地层电导率。

选取两种不同电导率介质为高低电导率介质，分别叫高刻点、低刻点，其选取原则为：

1)选择低刻点，以干燥空气介质作为低刻点，空气电导率近似为0mS/m；

2)选择高刻点，以较高电导率即较低电阻率水的较大水池，相当于无线大均匀介质作为高刻点，用电导率测量工具测量出水的电导率。

进一步，模拟计算感应测井仪器在高、低刻点介质中的电场强度或电动势，以此作为标准值。

进一步，将感应测井仪器置于高、低刻点介质中，测量和记录仪器在这两种介质中的电场强度或电动势，该测量值包含了钻铤、线圈系结构及材料电磁特性参数的影响；

刻度场地水池要求：(1)空气要求干燥；(2)周围一定范围内没有金属、铁磁性物质，没有电磁干扰源；

在低刻点空气刻度时，若仪器竖直上吊，仪器下端应距离水面不低于5米；若仪器水平上吊，仪器应距离水面不低于10米。

进一步，利用在高、低刻介质中测量的电场强度E_mL、E_mH或电动势V_mL、V_mH和数值模拟的电场强度E_CL、E_CH或电动势V_CL、V_CH，建立刻度因子线性关系，并求取刻度因子，刻度因子包括乘因子K、加因子B；

或是：

也是：

进一步，针对实际感应测井资料，利用刻度因子包括乘因子K、加因子B，将实际测井的感应电场强度E_m或电动势V_m利用下面的公式转换为刻度后的电场强度E_C或电动势V_C；

V_C＝K×V_m+B (4)

或者是：

E_C＝K×V_m+B (5)

也可以是：

E_C＝K×E_m+B (6)

进一步，利用下列公式并采用迭代法将实际测井的感应电场强度E_m或电动势V_m转换为地层电导率σ_t；

式中σ_t为均匀介质的真电导率，K₀为仪器常数，a为线圈半径；用感应测井的电场强度E_m或电动势V_m/2πa取代上式左端。

本发明的随钻感应测井电场刻度方法，采用电场刻度方法获得电导率与水标准电导率误差均小于刻度环刻度获得的视电导率，获得近似真电导率，提高感应电阻率测井仪器的测量精度，既可适用于随钻感应电阻率测井仪刻度，也可用于电缆感应电阻率测井仪器刻度。

附图说明

图1传统刻度方法

图2地层模型

图3电场刻度方法

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

电场刻度或电动势刻度与传统刻度环刻度主要差别是：电场刻度或电动势刻度是实体刻度，而刻度环刻度用刻度环模拟地层刻度；电场刻度或电动势刻度在刻度过程中计算和测量采用物理量是电场强度或电动势，而刻度环刻度计算和测量的物理量是电导率和电动势；在实际测井数据刻度转换时，电场刻度或电动势刻度需要先将仪器测量值用刻度因子转换为标准电场强度或电动势，然后用反演方法求取地层电导率，而刻度环刻度直接用刻度因子将仪器测量值转换为地层视电导率。

本发明旨在提高随钻感应电阻率测井仪器测量精度和刻度精度主要包括以下几点内容：

1.建立感应电阻率测井仪器的电场强度(或电动势)与地层电导率(电阻率)关系，形成随钻感应测井电场(或电动势)刻度方法。

基于“感应测井视电导率和真电导率关系的积分方程”(李剑浩，2014，中国科学：地球科学，第5期)的感应电场测井理论，电场与地层介质关系如式(12)所示，这种关系能更准确应电场与地层介质的关系。

对于石油测井中最常遇到的轴对称的水平层状非均质地层，感应测井仪器一般位于井轴位置(附图2)，地层中感应电场的分布是轴对称的，即与极角φ无关，式(12)中变量

无e_φ方向分量，式(12)则可简化为式(13)。

式中，x₁＝r₁cosφ₁e_x+r₁sinφ₁e_y+ze_z，e_x,e_y,e_z是直角坐标系下的三个正交单位矢量，

J为电流密度，ω为角频率。

式(12)或(13)建立了电场强度与地层介质电导率的关系，电场刻度方法基于此。在感应仪器刻度时，选取均匀介质，上述公式还可进一步简化。需要注意的是，感应测井仪接收线圈的电动势与电场强度仅差一个常数项2πa(a为线圈半径)，因此本发明提出电场刻度又可称为电动势刻度。

2.建立随钻感应电阻率测井仪器两点电场(或电动势)刻度法的计算公式。利用两点标准介质(相当于无限大均匀介质)测量得到的电压信号和模拟计算获得的标准电场强度(或标准电动势)，建立包含刻度因子(即乘因子K、加因子B)的线性方程组，求解得到刻度因子，如附图3所示。求解刻度因子的方程组为：

式中：E_CL、E_CH、E_mL、E_mH分别为低、高刻点介质标准电场强度和测量的电场强度。因为接收线圈中的电动势与电场强度仅差一个常数项，(1)式左端可用电动势V_CL、V_CH、V_mL、V_mH分别替换电场强度E_CL、E_CH、E_mL、E_mH，该方程组同样成立，所以电场刻度又可称为电动势刻度。

3.发明将标准电场强度或标准电动势(用刻度因子将感应仪器测量的感应电压转换获得)反演获得地层介质电导率方法。在均匀介质中，标准电场强度从(13)式简化为：

式中σ_t为均匀介质的真电导率，K₀为仪器常数。通过该式反演求得的电导率不是视电导率，而是真电导率，因此该刻度方法获得电导率不需要再做趋肤效应校正。

趋肤效应影响是感应测井中测量误差的重要来源之一，在感应测井信号处理中必须消除。电磁波在有耗介质(电导率大于零)中传播时，由于能量损耗，必然存在幅度误差和相位移，在感应测井中表现为复视电导率，其实部低于真电导率。一般用趋肤深度表示趋肤效应的程度δ，可表达为：

4.提出电场(或电动势)刻度方法中高低电导率两点介质选取原则和刻度场地要求。

选择刻度场地和两个稳定的刻度点(低刻点和高刻点)。刻度场地要求：(1)空气要求干燥；(2)周围一定范围内没有金属、铁磁性物质，没有电磁干扰源。低刻点一般选择空气，空气电阻率较高，且均匀、稳定。高刻点选择水池，要求水质均匀，电阻率较低，水域面积足够大，足够深，如果水域面积或深度不足时，应该进行校正，等效为无限大均匀介质。

5.提出随钻感应测井电场(或电动势)刻度方法的具体实施步骤，并应用实例进行验证，下面将会详细阐述。

下面采用一支双感应电阻率随钻测井仪进行刻度测试，并对比电场刻度和刻度环刻度两种方法的结果。具体操作步骤如下：

1.选择刻度场地和两个稳定的刻度点(低刻点和高刻点)。

刻度场地要求：50米以内不应有发电设置及强电设备，10米内无导磁，导电物质，空气干燥。空气作为低刻点，电导率为0S/m。高刻点选择电导率较高(一般0.03S/m以上)的大水池视为均匀无限大介质，直径(圆柱体水池)大于20米或长宽(长方体水池)大于20米，深度大于10米。如果水的电导率较高，水池直径或长宽可以小一些。如果水池体积不能满足要求，可选择直径大于3米，深度大于仪器长度的水池通过校正计算出等效无限大均匀介质电导率。

某城市郊区大水池及附近场地满足上述要求，其低刻点(空气)电导率为0S/m，大水池水的电导率(高刻点)为44.0mS/m(刻度时电导率计测量值)。

2.准备好需要刻度的双感应电阻率随钻测井仪器、刻度测试用设备及工具和长臂吊车(如果有专门的刻度测试场地，且有起吊设施，则不需要长臂吊车)。

3.计算双感应电阻率随钻测井仪低、高刻点均匀无限大介质的仪器响应(电场强度E_CL、E_CH，或感应电动势V_CL、V_CH)。计算时要用该仪器的实际线圈系各线圈匝数、线圈半径、线圈距等。双感应电阻率随钻测井仪器在空气和水中感应电动势V_CL、V_CH计算结果，如表1所示。注意理论计算时不考虑钻铤结构和线圈系结构影响，其感应电动势为复数值，包括实部和虚部。

表1双感应电阻率随钻测井仪器在空气和大水池中理论计算值

4.测量低刻点和高刻点电动势。把仪器悬空吊起离地面(水面)5米以上，测量仪器在低刻点(空气)中的响应(电动势V_mL)；再把仪器放入水池中央，测量仪器在高刻点的响应(电动势V_mH)，测量结果如表2所示。注意在表2中，电动势测量值包含了钻铤和线圈结构等影响。

表2双感应电阻率随钻测井仪器在空气和大水池中测量数据

为了便于对比电动势刻度(或电场刻度)与刻度环刻度的效果，对该支双感应仪器在水池附近空旷处进行了刻度环刻度。

5.计算刻度因子。从步骤3、4得到的数据，利用(2)式计算出刻度因子K和B，即：

将表1和表2数据带入(2)式，求得该双感应仪器刻度因子，见表3所示。

表3电动势刻度因子

6.在实际测井中，将地层感应测井响应刻度为地层电导率需要两个步骤。

首先用刻度因子K、B对测井采集的感应电动势V_m(也叫感应电压)转换为标准电动势V_C，转换公式为：

V_C＝K×V_m+B (4)

其后，把V_C除以2πa，获得标准电场强度E_C，利用(7)式通过迭代计算出地层电导率σ_t，可计算出地层电阻率R_t＝1/σ_t。

电场刻度与刻度环刻度方法对比验证

为了对比两种刻度方法的效果，用该双感应电阻率随钻测井仪在XXX单位室内水池(长方体水池，近似为无限大均匀介质)进行了测试验证。仪器竖直放于水中测量。测量结果如表4所示，注意水的电导率用标准电导率(电阻率)计测量得到。

表4两种刻度方法在某水池测试验证结果

从表4，不难看出：

(1)电场刻度方法正确、可行，在测井中可通过地面软件或井下DSP实现刻度处理过程。

(2)与传统刻度环刻度方法相比，电场刻度方法处理结果精度高，如：在电导率为69.20mS/m时，电场刻度方法处理误差小于4％，而传统刻度环刻度方法处理误差大于7％。

(3)采用电场刻度方法不用再对感应测井数据进行趋肤效应校正处理，消除了传统趋肤效应校正带来的误差。

采用电场刻度方法获得电导率与水标准电导率误差均小于刻度环刻度获得的视电导率，这证明了电场刻度可获得近似真电导率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种随钻感应测井电场刻度方法，其特征在于包括：

1)感应测井响应数值模拟与实际测量相结合，将在两种不同电导率介质作为标准刻度介质中仪器测量的电场强度或电动势转换为数值模拟的电场强度或电动势，建立包含刻度因子的方程组并求取刻度因子；

2)用刻度因子将实际测井获得的电场强度或电动势转换为标准电场强度或电动势，并采用迭代法求取地层电导率。

2.根据权利要求1所述的随钻感应测井电场刻度方法，其特征在于：所述两种不同电导率介质为高低电导率介质，分别叫高刻点、低刻点，其选取原则为：

1)选择低刻点，以干燥空气介质作为低刻点，空气电导率近似为0mS/m；

2)选择高刻点，以较高电导率即较低电阻率水的较大水池，相当于无线大均匀介质作为高刻点，用电导率测量工具测量出水的电导率。

3.根据权利要求1所述的随钻感应测井电场刻度方法，其特征在于：模拟计算感应测井仪器在高、低刻点介质中的电场强度或电动势，以此作为标准值。

4.根据权利要求1所述的随钻感应测井电场刻度方法，其特征在于：将感应测井仪器置于高、低刻点介质中，测量和记录仪器在这两种介质中的电场强度或电动势，该测量值包含了钻铤、线圈系结构及材料电磁特性参数的影响；

刻度场地水池要求：(1)空气要求干燥；(2)周围一定范围内没有金属、铁磁性物质，没有电磁干扰源；

在低刻点空气刻度时，若仪器竖直上吊，仪器下端应距离水面不低于5米；若仪器水平上吊，仪器应距离水面不低于10米。

5.根据权利要求1所述的随钻感应测井电场刻度方法，其特征在于：利用在高、低刻介质中测量的电场强度E_mL、E_mH或电动势V_mL、V_mH和数值模拟的电场强度E_CL、E_CH或电动势V_CL、V_CH，建立刻度因子线性关系，并求取刻度因子，刻度因子包括乘因子K、加因子B；

或是：

或是：

6.根据权利要求1所述的随钻感应测井电场刻度方法，其特征在于：针对实际感应测井资料，利用刻度因子包括乘因子K、加因子B，将实际测井的感应电场强度E_m或电动势V_m利用下面的公式转换为刻度后的电场强度E_C或电动势V_C；

V_C＝K×V_m+B (4)

或是：

E_C＝K×V_m+B (5)

或是：

E_C＝K×E_m+B (6)。

7.根据权利要求6所述的随钻感应测井电场刻度方法，其特征在于：利用下列公式并采用迭代法将实际测井的感应电场强度E_m或电动势V_m转换为地层电导率σ_t；

式中，E_(x)为计算电场强度，r为场点到线圈轴距离，x为场点到线圈距离，σ_t为均匀介质的真电导率，K₀为仪器常数，a为线圈半径；用感应测井的电场强度E_m或电动势V_m/2πa取代上式左端，ω为角频率，j为电流密度。

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