CN109057781B - 一种随钻多分量多探测深度电磁波天线系统及测量方法 - Google Patents

一种随钻多分量多探测深度电磁波天线系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种随钻多分量多探测深度电磁波天线系统及测量方法，包括沿轴向依次设置于钻铤短节上的倾斜发射天线、轴向接收天线及若干组不同源距的相互正交天线；且第一接收天线的法线方向及第二接收天线的法线方向与钻铤短节的轴线同向，各组相互正交天线均包括轴向天线、第一正交天线及第二正交天线，该天线系统布置于同一钻铤短节上，且能够测量不同探测深度的电阻率，并且能够单独测量表征地层平均电阻率的相位差及幅度比、幅度比电阻率信号、相位差地质信号、幅度比地质信号、电压地质信号及各向异性信号。

Description

一种随钻多分量多探测深度电磁波天线系统及测量方法
技术领域
本发明属于石油测井领域，涉及一种随钻多分量多探测深度电磁波天线系统及测量方法。
背景技术
随钻电磁波传播电阻率测井技术按其发展历程可以分为：传统电磁波、方位电磁波、深探测电磁波、远探测方位电磁波等阶段。
传统电磁波以斯伦贝谢ARC、贝克休斯MPR、哈里伯顿EWR等仪器为代表，采用轴向布置的多发双收天线结构，测量相位差/幅度比电阻率，但探测深度较浅，且只能测量沿井眼方向电阻率，无法提供方位电阻率。
方位电磁波以斯伦贝谢PeriScope、贝克休斯AziTrak和哈里伯顿ADR为代表，基于传统电磁波增加方位天线，除传统电磁波测井信息外，还能探测地层界面和方向，更好地地质导向和地层评价，但其探测深度有限。
深探测电磁波以斯伦贝谢DeepVision、贝克休斯DeepTrak为代表，采用轴向布置的双发单收或单发双收天线结构，其天线系统位于不同短节，收发距离长、探测深度深，一般无法单独使用，需与传统电磁波或方位电磁波配合进行地质导向与储层评价。
远探测方位电磁波仅有斯伦贝谢GeoSphere、贝克休斯VisiTrak两种商业化产品。GeoSphere采用1个倾斜发射、2或3组接收短节(每组3个倾斜且相互正交的天线)，发射、接收天线位于不同钻铤短节，根据实际钻铤结构以及仪器挂接情况，发射短节至接收短节的天线距可能发生变化，可以提供地质信号、各向异性地质信号、电阻率、各向异性电阻率4种类型共216条曲线，最远边界探测30m(50:1模型)。VisiTrak采用一个轴向发射、一个正交发射、两个轴向接收的天线结构，发射、接收天线位于不同钻铤短节，能提供4条方位电阻率曲线和4条深电阻率曲线，最远边界探测31.5m(100:1)。
现有随钻远探测方位电磁波测井仪器主要存在以下不足：
1)发射、接收天线分布在至少两个以上钻铤短节上，仪器过长，钻铤结构复杂，测量信号受钻铤弯曲、震动、配接短节角度不对齐等因素影响较大；
2)仪器探测深度较深，不能单独实现从近到远不同探测深度的电阻率测量，需要与其他电磁波仪器组合；
3)正交天线系统测量信息有限，不能单独测量用于表征地层平均电阻率的相位差及幅度比、相位差/幅度比地质信号、电压地质信号和各向异性信号，无法进行综合地质评价。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种随钻多分量多探测深度电磁波天线系统及测量方法，该天线系统布置于同一钻铤短节上，且能够测量不同探测深度的电阻率，并且能够单独测量表征地层平均电阻率的相位差及幅度比、幅度比电阻率信号、相位差地质信号、幅度比地质信号、电压地质信号及各向异性信号。
为达到上述目的，本发明所述的随钻多分量多探测深度电磁波天线系统包括沿轴向依次设置于钻铤短节上的倾斜发射天线、轴向接收天线及若干组不同源距的相互正交天线；
所述轴向接收天线包括第一接收天线及第二接收天线，其中，第一接收天线与第二接收天线的源距不同，且第一接收天线的法线方向及第二接收天线的法线方向与钻铤短节的轴线同向，各组相互正交天线均包括轴向天线、第一正交天线及第二正交天线，其中，轴向天线与钻铤短节的轴线同向，第一正交天线及第二正交天线与钻铤短节的轴线垂直，且轴向天线的法线方向、第一正交天线的法线方向及第二正交天线的法线方向相互正交。
本发明所述的随钻多分量多探测深度电磁波测井方法包括以下步骤：
安装随钻多分量多探测深度电磁波天线系统，并将倾斜发射天线T、轴向接收天线及各组相互正交天线进行旋转，在旋转过程中，第二正交天线的电动势V1包含Vxx、Vyy及Vzx分量，轴向天线的电动势V2为旋转一周轴向天线测量得到的Vzz分量，则用于表征地层平均电阻率的相位差及幅度比信号分别为：
Figure BDA0001744934420000031
Figure BDA0001744934420000032
获取第二正交天线在工具面两个相对方向的相位差GP1及幅度比GA1，获取轴向天线在工具面两个相对方向的相位差GP2及幅度比GA2，得相位差地质信号GP及幅度比地质信号GA，其中，GP＝GP1-GP2，GA＝GA1-GA2；
地层的电压地质信号为第一正交天线电动势的实部VR及虚部VI，即
VR＝real(Vzx) (11)
VI＝imag(Vzx) (12)
当工具面指向x方向时，第二正交天线测得的电动势V1为Vxx+Vzx，当工具面指向y方向时，第二正交天线测得的电动势V2为Vyy+Vzy，将V1与V2的相位差AP与幅度比AA作为地层的各向异性信号，其中，
Figure BDA0001744934420000041
Figure BDA0001744934420000042
第二正交天线在工具面两个相对方向的相位差GP1及幅度比GA1分别为：
Figure BDA0001744934420000043
Figure BDA0001744934420000044
轴向天线在工具面两个相对方向的相位差GP2及幅度比GA2分别为：
Figure BDA0001744934420000045
Figure BDA0001744934420000046
地层的相位差地质信号GP及幅度比地质信号GA分别为：
Figure BDA0001744934420000051
Figure BDA0001744934420000052
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的随钻多分量多探测深度电磁波天线系统及测量方法在具体操作时，将倾斜发射天线、轴向接收天线及若干组相互正交天线集成于同一钻铤短节上，保证在远探测深度情况下缩短天线距，节省空间，省去装配短节的步骤，避免因配接短节时角度没有对齐造成的影响。另外，各组相互正交天线的源距不同，轴向接收天线包括第一接收天线及第二接收天线，第一接收天线与第二接收天线的源距不同，因此能够测量不同探测深度的电阻率，另外，本发明通过增加接收天线的数量，能够与传统电磁波传播仪器相匹配，使得利用本发明所述的天线系统即可分别测量表征地层平均电阻率的相位差及幅度比、幅度比电阻率信号、相位差地质信号、幅度比地质信号、电压地质信号及各向异性信号，为综合地质评价提供数据支撑。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2为本发明中轴向接收天线R0及相互正交天线R的结构示意图；
图3为本发明中电阻率信号的测量原理图；
图4a为本发明中相位差地质信号的测量原理图；
图4b为本发明中幅度比地质信号的测量原理图；
图5为本发明中电压地质信号的测量原理图；
图6为本发明中各向异性信号的测量原理图；
图7a为实施例一中测量得到的相位差电阻率曲线图；
图7b为实施例一中测量得到的幅度比电阻率曲线图；
图8a为实施例一中测量得到的相位差地质信号曲线图；
图8b为实施例一中测量得到的幅度比地质信号曲线图；
图9为实施例一中测量得到的电压地质信号曲线图；
图10a为实施例一中测量得到的幅度比各向异性信号曲线图；
图10b为实施例一中测量得到的相比差各向异性信号曲线图；
图11a为实施例一中各向异性电阻率的反演结果图；
图11b为实施例一中相对倾角的反演结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1至图3，本发明所述的随钻多分量多探测深度电磁波天线系统包括沿轴向依次设置于钻铤短节上的倾斜发射天线T、轴向接收天线R0及若干组不同源距的相互正交天线R；所述轴向接收天线R0包括第一接收天线R01及第二接收天线R02，其中，第一接收天线R01与第二接收天线R02的源距不同，且第一接收天线R01的法线方向及第二接收天线R02的法线方向与钻铤短节的轴线同向，各组相互正交天线R均包括轴向天线Rb、第一正交天线Ra及第二正交天线Rc，其中，轴向天线Rb与钻铤短节的轴线同向，第一正交天线Ra及第二正交天线Rc与钻铤短节的轴线垂直，且轴向天线Rb的法线方向、第一正交天线Ra的法线方向及第二正交天线Rc的法线方向相互正交。
在测量过程中，第一正交天线Ra单独测量Vzx电动势，轴向天线Rb与第二正交天线Rc的组合可等效为45度倾斜线圈，用于测量相位差及幅度比信号。
倾斜发射天线T与一对常规接收天线相配合测常规电阻率信号，所述电阻率信号PS及Att为第一接收天线R01与第二接收天线R02的相位差及幅度比，V01和V02为第一接收天线R01与第二接收天线R02的电压，其中，
Figure BDA0001744934420000071
Figure BDA0001744934420000072
将倾斜发射天线T、轴向接收天线R0及各组相互正交天线R进行旋转，在旋转过程中，能够测量不同方位的方位电阻率信号，将方位电阻率取平均，得到平均电阻率信号。
所述平均深电阻率信号为轴向天线Rb及第二正交天线Rc旋转一周取平均得到的相位差RP及幅度比RA。
具体的测量方法，如图3所示，在旋转过程中，第二正交天线Rc的电动势V1包含Vxx、Vyy及Vzx分量，旋转一周平均后，V1为Vxx与Vyy分量的平均。轴向天线Rb的电动势V2为旋转一周测量得到的Vzz分量，取第二正交天线Rc与轴向天线Rb的相位差及幅度比，即可获得表征平均电阻率的相位差RP及幅度比信号RA。
Figure BDA0001744934420000073
Figure BDA0001744934420000081
地质信号作为随钻方位电磁波或随钻多分量多探测深度电磁波的测量输出曲线，地质信号包含地质界面方位等信息，一般采用相位差、幅度比或电压作为表征形式。
定义在转动过程中，工具面两个相对方向上的电场相位差GP与幅度比GA作为相位差地质信号及幅度比地质信号，轴向天线Rb与第二正交天线Rc的组合可以等效成为一个倾斜接收天线。
如图4a及图4b所示，对于第二正交天线Rc，在仪器工具面向上时，测量V1＝Vxx+Vzx，在仪器工具面向下时，测量V3＝Vxx-Vzx分量，以获取第二正交天线Rc在工具面两个相对方向的相位差GP1及幅度比GA1为：
Figure BDA0001744934420000082
Figure BDA0001744934420000083
对于轴向天线Rb，在仪器工具面向x方向时，测量V2＝Vzz+Vxz，在仪器工具面向-x方向时，测量V4＝Vzz-Vzx分量，轴向天线Rb在工具面两个相对方向的相位差GP2及幅度比GA2为：
Figure BDA0001744934420000084
Figure BDA0001744934420000085
则相位差地质信号GP及幅度比地质信号GA为：
Figure BDA0001744934420000086
Figure BDA0001744934420000091
对于正交天线系统，一般定义接收天线的电动势为电压地质信号。倾斜发射天线T与第一正交天线Ra构成了一组正交天线对，可用于测量电压地质信号。
如图5所示，当仪器工具面朝向y方向时，第一正交天线Ra测量得到Vzx信号，当仪器工具面朝向-y方向时，第一正交天线Ra测量得到-Vzx信号，将两者作差即可得到电压地质信号，在测量过程中，分别记录信号相位与幅度，得到实部电压地质信号VR与虚部电压地质信号VI。
VR＝real(Vzx) (11)
VI＝imag(Vzx) (12)
在垂直井中，由于场的分布形态，往往只能测量地层的水平或者垂直的单一方向信息，而大斜度井、水平井测井环境下，由于仪器与地层相对倾角的存在，地层电阻率各向异性成为影响测井响应的重要因素，可能导致测井响应复杂，难以反映地层真实物理参数。
Hxx及Hyy分量对各向异性较为敏感，在相对倾角条件下，能够反演获得地层电阻率各向异性参数，因此定义仪器转动过程中工具面面向x方向及y方向的电场相位差AP及幅度比AA作为各向异性信号。
如图6所示，当仪器工具面指向x方向时，第二正交天线Rc测得的电动势V1为Vxx+Vzx，在仪器工具面指向y方向时，第二正交天线Rc测得的电动势V2为Vyy+Vzy。取V1与V2的相位差与幅度比为各向异性信号，即
Figure BDA0001744934420000101
Figure BDA0001744934420000102
实施例一
以一组倾斜发射天线T及一组相互正交天线R为例，选取三种工作频率F1、F2及F3，在单界面地层，界面两侧电阻率分别为50Ω·m及1Ω·m的地层条件下测量得到以下曲线。
图7a及图7b为50:1单界面地层中测量得到相位差电阻率与幅度比电阻率曲线。其中，RP代表相位差电阻率曲线，RA代表幅度比电阻率曲线。图7a及图7b中，相位差曲线受界面影响更为明显，在界面处出现较大犄角，且相位差曲线探测深度相对较浅，幅度比曲线探测深度较深；RAF1曲线在距离界面40米处，仍受围岩的影响。
图8a及图8b为50:1单界面地层中测量得到相位差地质信号与幅度比地质信号曲线。其中，GP代表相位差地质信号曲线，GA代表幅度比地质信号曲线，由图8a及图8b可知，系统在高阻地层中(50Ω·m)较在低阻地层(1Ω·m)中探测深度明显大很多，探测深度最大达到30.0米。
图9中，仪器的电压地质信号随着仪器距界面距离的增大而减小，选择合适的最小测量信号幅度，探测范围能够达到30.0米的范围。
图10a及图10b为水平地层电阻率为5Ω·m，垂直电阻率为20Ω·m，相对倾角Dip为0°到90°条件下，仪器方位角变化时的相位差、幅度比各向异性信号响应特征。
为进一步考察各向异性曲线对地层电阻率各向异性的敏感性，采用某一组各向异性曲线与电阻率曲线，反演地层各向异性参数。在图11a及图11b中，Rh、Rv及Dip分别指水平电阻率、垂直电阻率及相对倾角，Rh_Inv、Rv_Inv及Dip_Inv分别指反演得到的水平电阻率、垂直电阻率及相对倾角，由图11a及图11b可以看出，利用各向异性曲线进行反演，可以精确得到地层各向异性电阻率与相对倾角等信息。

Claims (4)

1.一种随钻多分量多探测深度电磁波测井方法，其特征在于，基于随钻多分量多探测深度电磁波天线系统，所述随钻多分量多探测深度电磁波天线系统包括沿轴向依次设置于钻铤短节上的倾斜发射天线(T)、轴向接收天线(R0)及若干组不同源距的相互正交天线(R)；
所述轴向接收天线(R0)包括第一接收天线(R01)及第二接收天线(R02)，其中，第一接收天线(R01)与第二接收天线(R02)的源距不同，且第一接收天线(R01)的法线方向及第二接收天线(R02)的法线方向与钻铤短节的轴线同向，各组相互正交天线(R)均包括轴向天线(Rb)、第一正交天线(Ra)及第二正交天线(Rc)，其中，轴向天线(Rb)与钻铤短节的轴线同向，第一正交天线(Ra)及第二正交天线(Rc)与钻铤短节的轴线垂直，且轴向天线(Rb)的法线方向、第一正交天线(Ra)的法线方向及第二正交天线(Rc)的法线方向相互正交；
包括以下步骤：
安装所述的随钻多分量多探测深度电磁波天线系统，并将倾斜发射天线(T)、轴向接收天线(R0)及各组相互正交天线(R)进行旋转，以大地坐标系为参考，仪器轴指向方向为z方向，垂向向上为x方向，在旋转过程中，第二正交天线(Rc)的电动势V1包含Vxx、Vyy及Vzx分量，轴向天线(Rb)的电动势V2为旋转一周轴向天线(Rb)测量得到的Vzz分量，则用于表征地层平均电阻率的相位差RP及幅度比信号RA分别为：
Figure FDA0003346009920000011
Figure FDA0003346009920000012
获取第二正交天线(Rc)在工具面两个相对方向的相位差GP1及幅度比GA1，获取轴向天线(Rb)在工具面两个相对方向的相位差GP2及幅度比GA2，得相位差地质信号GP及幅度比地质信号GA，其中，GP＝GP1-GP2，GA＝GA1-GA2；
地层的电压地质信号为第一正交天线(Ra)电动势的实部VR及虚部VI，即
VR＝real(Vzx) (11)
VI＝imag(Vzx) (12)
当工具面指向x方向时，第二正交天线(Rc)测得的电动势V1为Vxx+Vzx，当工具面指向y方向时，第二正交天线(Rc)测得的电动势V2为Vyy+Vzy，将V1与V2的相位差AP与幅度比AA作为地层的各向异性信号，其中，
Figure FDA0003346009920000021
Figure FDA0003346009920000022
2.根据权利要求1所述的随钻多分量多探测深度电磁波测井方法，其特征在于，第二正交天线(Rc)在工具面两个相对方向的相位差GP1及幅度比GA1分别为：
Figure FDA0003346009920000023
Figure FDA0003346009920000024
3.根据权利要求2所述的随钻多分量多探测深度电磁波测井方法，其特征在于，轴向天线(Rb)在工具面两个相对方向的相位差GP2及幅度比GA2分别为：
Figure FDA0003346009920000031
Figure FDA0003346009920000032
4.根据权利要求3所述的随钻多分量多探测深度电磁波测井方法，其特征在于，地层的相位差地质信号GP及幅度比地质信号GA分别为：
Figure FDA0003346009920000033
Figure FDA0003346009920000034
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