CN109209354A - 一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,属于石油勘探开发领域,包括以下步骤:步骤1:建立地层模型,设计发射接收天线组合模式;步骤2:选择瞬变电磁波测井脉冲源激励模式,向地层中发射电流;进行激励后关断电流源,测量关断后地层中的纯二次场;步骤3:获取时间域感应电动势;步骤4:构建瞬变电磁信号定义方式,提取地层电导率、地层边界等信息;步骤5:进行不同距离、倾角、地层电阻率条件下的瞬变电磁波测井对边界的探测。本发明方法与现有的时谐源电磁波测井方法相比,测量期间不受一次场的干扰,脉冲源包含了宽频域的丰富信息,具有时域提取地层信息等优点,可以用较短源距实现地层边界的远距离探测,进行随钻测井的地质导向。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探开发领域,属于电测井方法范畴,具体地说是涉及一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法。
背景技术
随钻地质导向的关键在于实现地层边界的方位探测,随着复杂油气勘探及高效开发技术的发展,对随钻地质导向提出了更高要求,需要对井周数米到数十米范围内的边界(地层边界、断层)进行探测。电磁波类测井仪器因其具有较大的探测深度、较强的方位探边能力等优势,成为地质导向与储层评价的关键技术之一。
目前国内外广泛使用的随钻电磁波类测井仪器通常采用特定频率时谐激励及测量模式:传统电磁波测井发射接收天线同轴布置,探测范围2m左右,不具备方位探边能力;随钻方位电磁波测井,采用同轴/倾斜/正交的测量模式,同时增加了低频模式,探测深度可达5m,可同时获取界面的方位信息;近年来Schlumberger推出的超深探测随钻储层成像测井仪Geosphere,通过多分量信号的组合实现了油藏尺度的地质导向,探测范围可达数十米,但存在源距过长及信号同步困难等问题。时谐源激励的电磁波测井的探测深度局限于发射和接收线圈的几何关系,即为了增加探测深度,必须降低频率,增大源距,对施工工艺和现场应用要求很高。
瞬变电磁波包含了宽频域和时间域的丰富信息,当脉冲源关断时,在地层中产生感应电动势,进而产生感应涡流,涡流的扩散产生二次场,当井周存在地质构造时,其散射场会造成接收天线测量信号在时域中的差异,因而具有边界远探测能力。结合多分量的发射与接收天线耦合布置测量手段,有利于提高瞬变电磁波测井对边界的方位敏感性。
因此,研究瞬变电磁波井下脉冲激励信号的选取,发射及接收天线的组合布置关系、时间域测井信号的获取、信号定义方式以及瞬变电磁波对地质构造的响应特性,对利用瞬变电磁波进行时间域测井边界的远探测有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题,本发明提出了一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,设计合理,克服了现有技术的不足,具有良好的效果。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,包括以下步骤:
步骤1:建立地层模型,设计发射接收天线组合模式;
步骤2:选择瞬变电磁波测井脉冲源激励模式,向地层中发射电流;进行激励后关断电流源,测量关断后地层中的纯二次场;
步骤3:获取时间域感应电动势;
步骤4:构建瞬变电磁波测井边界探测信号定义方式,提取地层电导率和地层边界位置信息;
步骤5:进行不同距离、倾角、地层电阻率条件下瞬变电磁波测井对边界的探测。
优选地,步骤1中,采用单发双收的发射接收模式,该天线由一组发射线圈和两组接收线圈组成,发射线圈同轴布置,两个接收线圈距离发射线圈距离相同,分别采用同轴和正交的布置方式,一次发射能够同时测得层状介质zz和zx分量。
优选地,在步骤3中,具体包括如下步骤:
步骤3.1:利用矢量位函数法获取层状介质任意方向磁偶极子源的频率域感应电动势V(ω);
步骤3.2:进行时频信息处理,选择时频转换算法,将频率域测井响应V(ω)转换到时间域,获取时间域感应电动势V(t)。
优选地,在步骤4中,具体包括如下步骤:
步骤4.1:均匀地层条件下,感应电动势Vzz的表达式如公式(2)所示:
其中,m为磁偶极矩,μ为磁导率,σ为电导率,r为测量点距源点的距离,ex、ey、ez分别为x、y、z方向的单位向量;
均匀地层测量后期满足感应电动势测量信号与地层电导率线性相关,利用Vzz提取地层电导率;层状地层条件下,利用Vzz提取地层视电导率;
步骤4.2:基于电磁波散射原理,定义层状介质的zz分量总场与天线所在当前层zz分量背景场的感应电动势差值ΔVzz,如公式(3)所示:
ΔVzz=Vzz总场-Vzz背景场 (3);
ΔVzz反映界面对测井响应的贡献;
边界的存在导致交叉分量zx不为0,定义zx分量的感应电动势Vzx为方位地质信号VGeosignal,如公式(4)所示:
VGeosignal=Vzx (4);
根据线圈系位于界面上方或者下方时,时间域感应电动势正负变化情况不同,对边界进行方位探测。
优选地,步骤5中:不同地层倾角情况下,针对随钻地质导向中出现的look ahead地质模型,即发射接收天线位于界面前方,采用ΔVzz探测界面;针对随钻地质导向中出现的look around地质模型,即大斜度井/水平井条件下,采用ΔVzz或者VGeosignal探测界面,指导地质导向。
本发明所带来的有益技术效果:
本发明与现有的时谐源随钻电磁波测井方法相比,在仪器较短的情况下,可以实现地层界面的远距离探测,解决了目前测井深探测中测井仪器过长、应用不便等问题;瞬变电磁波测量过程不受一次场的干扰,包含宽频域和时间域的丰富信息,电磁波传播过程中遇到界面,散射场会造成接收天线测量信号在时域中的差异,具有时域提取目标信息的优点;采用多分量的线圈布置方式,可同时确定地层电导率、界面位置,具备方位探测能力。本发明提出的时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,探测距离远,可应用于随钻地质导向,及时调整井眼轨迹,实现大斜度井水平井的准确着陆,提高油气资源勘探开发的效率。
附图说明
图1为本发明采用的单发双收同轴/正交天线结构示意图;
图2为本发明具体实施例的地层模型示意图,线圈系位于界面以上;
图3为本发明具体实施例的地层模型示意图,线圈系位于界面以下;
图4为本发明采用的脉冲激励源示意图;
图5为本发明具体实施特例的线圈系与地层垂直时界面不同距离的zz分量测井响应示意图;
图6为本发明具体实施特例的线圈系与地层夹角60°时界面不同距离的zz分量测井响应示意图;
图7为本发明具体实施特例的线圈系与地层夹角60°时界面不同距离的zx分量测井响应示意图;
图8为本发明线圈系与地层夹角0°,分别位于界面下方和上方时zx分量测井响应示意图;
图9为本发明线圈系与界面不同夹角的zz分量测井响应示意图;
图10为本发明均匀地层不同电阻率的zz分量测井响应示意图;
图11为本发明层状地层不同电阻率的zz分量测井响应示意图。
具体实施方式
本发明的目的提供一种时间域瞬变电磁波测井边界探测方法,用短源距实现地层边界的远探测。本发明采用单发双收的线圈布置方式,发射线圈同轴布置,两个接收线圈分别同轴、正交布置且源距相同;采用脉冲源作为激励信号源,测量电流关断后地层中的纯二次场;构建瞬变电磁波测井信号定义方式,提取地层电导率,界面位置等信息。与现有的时谐激励源电磁波测井方法相比,瞬变电磁波测井源距小,探测深,对界面方位敏感,显示其应用于随钻地质导向的巨大潜力。
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明:
步骤1:建立地层模型,设计发射接收天线组合模式。
图1为本发明提供的时间域瞬变电磁波测井进行边界远探测的天线结构示意图,采用单发双收的天线结构,发射天线(线圈)T到接收天线(线圈)R1、R2的源距相同,发射线圈T同轴布置,接收线圈R1同轴布置,接收线圈R2正交布置,源距相同,为40in,所以一次发射可同时测得zz、zx分量。
对随钻地质导向中遇到的向前看(look ahead)、向远看(look around)地质情况进行简化,同时将随钻过程中仪器自上而下或自下而上由泥岩层钻进砂岩层的情况考虑在内,建立瞬变电磁波测井边界探测地质模型,如图2、3所示:地层模型包括介质I和介质II,介质I电阻率10Ω·m,介质II电阻率1Ω·m,线圈系位于介质I中,分别位于界面上方和下方。
步骤2:选择瞬变电磁波测井脉冲源激励模式,向地层中发射电流;进行激励后关断电流源,测量关断后地层中的纯二次场;
选择脉冲源作为激励源,如图4所示,分别为下阶跃电流源、高斯脉冲、锯齿波,向地层中发射电流,激励足够长的时间以消除电流接通引起的瞬变效应,测量电流关断后地层中的纯二次场,本发明其余计算内容以下阶跃电流源为例。
步骤3:进行时频信息处理,选择合适的时频转换算法,将不同频率ω的频率域测井响应转换到时间域,获取时间域感应电动势。
步骤3.1:利用矢量位函数法获取层状介质任意方向磁偶极子源的频率域感应电动势V(ω);
步骤3.2:进行时频信息处理,选择时频转换算法,将频率域测井响应V(ω)转换到时间域,获取时间域感应电动势V(t)。
以Gaver-Stehfest逆拉普拉斯变换法为例,获得V(ω)后,令V(t)可表示为:
其中,J为滤波系数,m是的整数部分。
步骤4:构建瞬变电磁波测井边界探测信号定义方式,提取地层电导率,地层界面位置信息。
步骤4.1:均匀地层条件下,感应电动势Vzz的表达式为:
其中,m为磁偶极矩,μ为磁导率,σ为电导率,r为测量点距源点的距离,ex、ey、ez分别为x、y、z方向的单位向量;
均匀地层测量晚期满足感应电动势测量信号与地层电导率线性相关,利用Vzz提取地层电导率;层状地层条件下,利用Vzz提取地层视电导率。
步骤4.2:基于电磁波散射原理,定义层状介质zz分量总场与线圈系所在当前层zz分量背景场的感应电动势差值ΔVzz:即(Δzz总场-Δzz背景场)反映邻层对测井响应的贡献;边界的存在导致交叉分量zx不为0,定义zx分量的感应电动势Vzx为方位地质信号VGeosignal,反映地层边界位置,根据线圈系位于界面上方或者下方时,时间域感应电动势正负变化情况不同,对地层边界进行方位探测。
步骤5:进行不同距离、倾角、地层电阻率条件下的瞬变电磁波测井对边界的探测
上述不同距离情况下,针对随钻地质导向中出现的look ahead地质模型,即发射接收天线位于界面前方,与界面夹角较大,此时用层状介质的zz分量总场与天线所在当前层zz分量背景场的感应电动势差值ΔVzz探测界面,如图5所示,天线与地层界面的夹角为90°,时间域中曲线与x轴的交点反映边界距离DTB,界面距离越近,测量信号ΔVzz出现时间越早;
针对随钻地质导向中出现的look around地质模型,即大斜度井/水平井条件下,此时可用ΔVzz探测界面,如图6所示,天线与地层界面的夹角为30°;或者用zx分量的方位地质信号VGeosignal探测界面,如图7所示,天线结构与地层界面的夹角为30°,ΔVzz和VGeosignal与x轴的交点位置基本一致,对界面距离的探测效果相同;
但是,与ΔVzz相比,VGeosignal包含方位探测特性,如图8(a)、8(b)所示,天线位于介质I中,与边界距离10m且与界面平行,分别位于界面下方和上方。两种情况下,时间域内的感应电动势数值相同,但是当天线位于界面上方时,极值点前期感应电动势为正(实线),晚期为负(虚线);当天线位于界面下方时,极值点两侧感应电动势的正负变化恰好相反。根据Vzx的这种变化特征判断天线与界面的相对位置。
上述不同地层倾角条件下,电极系到边界的距离为10m,电极系与地层界面的夹角分别为90°、60°、45°、30°、15°、5°、0°,进行不同地层倾角条件下对边界的探测,如图9所示。地层倾角越大,ΔVzz的绝对值越大;同时由于地层视厚度增加,边界距离增大,曲线的极值点左移。
上述不同电阻率条件下:均匀地层条件下,电阻率分别为1、5、10和20Ω·m,如图10所示;当地层界面存在时,电极系与地层界面的夹角为90°,地层边界的距离分别为5m,10m,界面两侧电阻率对比度分别为:10:1、10:5,进行不同电阻率对比度条件下的边界探测,地层电阻率相同时,不同边界距离情况下测量晚期曲线重合。本发明层状地层不同电阻率的zz分量测井响应如图11所示。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1:建立地层模型,设计发射接收天线组合模式;
步骤2:选择瞬变电磁波测井脉冲源激励模式,向地层中发射电流;进行激励后关断电流源,测量关断后地层中的纯二次场;
步骤3:获取时间域感应电动势;
步骤4:构建瞬变电磁波测井边界探测信号定义方式,提取地层电导率和地层边界位置信息;
步骤5:进行不同距离、倾角、地层电阻率条件下瞬变电磁波测井对边界的探测。
2.根据权利要求1所述的时间域瞬变电磁测井边界远探测方法,其特征在于:步骤1中,采用单发双收的发射接收模式,该天线由一组发射线圈和两组接收线圈组成,发射线圈同轴布置,两组接收线圈距离发射线圈距离相同,分别采用同轴和正交的布置方式,一次发射能够同时测得层状介质zz和zx分量。
3.根据权利要求1所述的时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,其特征在于:在步骤3中,具体包括如下步骤:
步骤3.1:利用矢量位函数法获取层状介质任意方向磁偶极子源的频率域感应电动势V(ω);
步骤3.2:进行时频信息处理,选择时频转换算法,将频率域测井响应V(ω)转换到时间域,获取时间域感应电动势V(t)。
4.根据权利要求1所述的时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,其特征在于:在步骤4中,具体包括如下步骤:
步骤4.1:均匀地层条件下,感应电动势Vzz的表达式如公式(2)所示:
其中,m为磁偶极矩,μ为磁导率,σ为电导率,r为测量点距源点的距离,ex、ey、ez分别为x、y、z方向的单位向量;
均匀地层测量后期满足感应电动势测量信号与地层电导率线性相关,利用Vzz提取地层电导率;层状地层条件下,利用Vzz提取地层视电导率;
步骤4.2:基于电磁波散射原理,定义层状介质的zz分量总场与天线所在当前层zz分量背景场的感应电动势差值ΔVzz,如公式(3)所示:
ΔVzz=Vzz总场-Vzz背景场 (3);
ΔVzz反映界面对测井响应的贡献;
边界的存在导致交叉分量zx不为0,定义zx分量的感应电动势Vzx为方位地质信号VGeosignal,如公式(4)所示:
VGeosignal=Vzx (4);
根据线圈系位于界面上方或者下方时,时间域感应电动势正负变化情况不同,对边界进行方位探测。
5.根据权利要求1所述的时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,其特征在于:步骤5中:不同地层倾角情况下,针对随钻地质导向中出现的look ahead地质模型,即发射接收天线位于界面前方,采用zz分量的信号差ΔVzz探测界面;针对随钻地质导向中出现的lookaround地质模型,即大斜度井/水平井条件下,采用ΔVzz或者VGeosignal探测界面,指导地质导向。
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