CN110644970A - 一种基于侧面波探测的过套管感应测井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于侧面波探测的过套管感应测井方法。在套管井中布置探测装置，探测装置包括一个发射线圈、两个主接收线圈和两个补偿接收线圈，两个主接收线圈、两个补偿接收线圈和发射线圈分别上下同轴布置在套管井中，用正弦波电流激励发射线圈在套管井内部和外部产生感应电磁场，使用主接收线圈测量套管井内部多个不同位置的磁场；采集套管井内轴向不同位置处的两个主接收线圈磁场测量结果的比值，将比值输入无套管井内发射线圈的反演模型获得地层电导率。本发明的测量线圈无需接触套管内壁，消除了基于电极法的过套管测井仪在套管腐蚀严重的情况下因接触不良导致测量效果差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及井中地球物理探测技术领域，尤其是涉及了在存在金属套管的油气井内激发和测量电磁场，从而获得井外周围地层电导率分布信息的过套管测井装置和方法。
背景技术
在石油工业中，在油井内部测量井外地层的电导率是剩余油评价的重要手段。然而多数生产井内都存在金属套管，导致过套管电导率测井十分困难。
过套管电导率测量的实现可分为电极法和感应法两种。电极法通过测量电极将准静态电流注入套管和地层中，由于套管电导率比地层高7～10个数量级，几乎所有的注入电流都被限制在套管中，通过优化设计多个差分接收电极，可提取出微弱的地层信号。目前基于电极法的过套管测井仪器已研制成功，然而其有效性严重依赖于井况。电极法需要测量电极与套管内壁有良好的电接触，在套管腐蚀严重的油井中测量效果极差。
感应测井可实现非接触的测量，发射和主接收线圈都无需接触套管，可在地层中激发出感应电流。传统的裸眼井感应测井工作于10kHz～100kHz频段，在套管井中传统的感应测井仪器已失效。金属套管对电磁波具有极强的屏蔽作用，导致接收信号中携带地层信息的有用信号极其微弱。同时，套管内的强大涡流对有用信号产生极大的干扰，导致极低的信噪比，并且套管特性的变化容易被错误地判断为地层电导率的变化。上述套管干扰需要使用某种方式进行补偿，以获得准确的地层电导率。现有补偿方法是使用另外的仪器测量套管参数(外径、厚度、电导率和磁导率)，通过数学模型计算套管干扰，在后期数据处理中消除套管干扰，此种方法需要准确测量套管的四个参数，难以实现。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种在金属套管井内部探测套管外地层电导率的过套管感应测井方法。该方法的测量线圈无需接触套管内壁，消除了基于电极法的过套管测井仪在套管腐蚀严重的情况下因接触不良导致测量效果差等问题。
如图4所示，本发明采用的具体技术方案是：
1)在套管井内部布置探测装置，探测装置包括一个发射线圈和两个主接收线圈，两个主接收线圈和发射线圈分别上下沿套管井的深度/轴向方向同轴布置在套管井中，发射线圈位于两个主接收线圈的下方，用正弦波电流激励发射线圈在套管井内部和外部产生感应电磁场，使用主接收线圈测量套管井内部多个不同位置的磁场；
2)使用两个主接收线圈测量套管井内部的磁场H1、H2，而采集获得套管井内轴向不同位置z1、z2处的两个主接收线圈磁场测量结果H1、H2，并计算获得比值H1/H2，比值能消除套管干扰，利用无套管井内发射线圈所产生磁场的计算模型建立反演模型，将比值H1/H2输入反演模型获得地层电导率，从而进行测量得到地层电导率。
所述的一个发射线圈和两个主接收线圈的线圈绕向相同。
所述步骤1)中，主接收线圈布置在发射线圈所产生的感应电磁场的侧面波模式主导区域，侧面波模式主导区域的含义是该区域的侧面波模式远大于波导模式，使得发射线圈和最近的主接收线圈之间的中心间距z1满足z1>d，其中d 满足：
Hz,lat(d)＝Hz,wav(d)
其中，Hz,lat(d)表示与发射线圈距离为d位置侧面波模式z方向的磁场， Hz,wav(d)表示与发射线圈距离为d位置波导模式z方向的磁场，z方向为沿套管井的深度/轴向方向；计算套管井内轴向不同位置的侧面波模式和波导模式的磁场强度，二者相等的位置即为侧面波模式主导区域与波导模式主导区域的交界点，利用交界点设置发射线圈和最近的主接收线圈之间的中心间距。
侧面波模式Hz,lat(d)和波导模式Hz,wav(d)的计算为：
Hz,wav(d)＝Hz(d)-Hz,lat(d)
其中，Hz,lat(d)表示与发射线圈距离为d位置侧面波模式z方向的磁场， Hz,wav(d)表示与发射线圈距离为d位置波导模式z方向的磁场，Hz(d)表示与发射线圈距离为d位置z方向的总磁场，
表示0阶第1类汉克尔函数，J0表示0阶贝塞尔函数，M是磁偶极子的偶极矩，
是套管内壁的广义反射系数， k1ρ、k3ρ和kz分别是套管井内部媒质(泥浆)的径向传播常数、套管井外部媒质 (地层)的径向传播常数和整个空间的轴向传播常数。
套管井内部媒质为泥浆，套管井外部媒质为地层。
所述步骤2)中，反演模型具体为：
其中，σ是套管井外部地层的电导率，ω是电磁波的角频率，μ是套管井外部地层的相对磁导率，z1是位于较下方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z2是位于较上方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，H1是位于较下方的主接收线圈的磁场测量强度，H2是位于较上方的主接收线圈的磁场测量强度。
还包括两个补偿接收线圈(7、8)，两个补偿接收线圈(7、8)布置于两个主接收线圈上方，所有线圈沿套管井的深度/轴向方向同轴布置，发射线圈和各个接收线圈(包括主接收线圈和补偿接收线圈)的间距z1均满足z1>d，其中 d满足：
Hz,lat(d)＝Hz,wav(d)
其中，Hz,lat(d)表示与发射线圈距离为d位置侧面波模式z方向的磁场， Hz,wav(d)表示与发射线圈距离为d位置波导模式z方向的磁场，z方向为沿套管井的深度/轴向方向。
两个补偿接收线圈均和主接收线圈绕向相反，线圈匝数正比于空气中发射线圈对两个主接收线圈产生的感应电压，两个补偿接收线圈分别两个主接收线圈串联接入接收电路，即一个补偿接收线圈和一个主接收线圈串联，另一个补偿接收线圈和另一个主接收线圈串联；通过补偿接收线圈的设计和实施能够减小一次场干扰。
采用补偿接收线圈后，测量方法中的反演模型为：
其中，σ是套管井外部地层的电导率，ω是电磁波的角频率，μ是套管井外部地层的相对磁导率，z1是位于较下方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z2是位于较上方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z3是位于较下方的补偿接收线圈与发射线圈之间的间距，z4是位于较上方的补偿接收线圈与发射线圈之间的间距，H1是位于较下方的主接收线圈和位于较下方的补偿接收线圈串联后的磁场测量强度，H2是位于较上方的主接收线圈和位于较上方的补偿接收线圈串联后的磁场测量强度。
由此能够通过反向绕制的补偿发射线圈或补偿接收线圈抵消一次场。
本发明利用线圈发射正弦波激励，将测量线圈置于侧面波模式主导区域，在侧面波主导区域利用多个主接收线圈测量套管内的磁场，通过补偿线圈降低一次场影响，通过多个不同源距的测量线圈对侧面波的测量结果的比值消除套管影响，利用无套管井测井的模型对测量结果进行反演得到地层电导率。
本发明的主接收线圈和补偿接收线圈均位于侧面波主导区域，消除了波导模式的干扰；本发明采用了反向绕制的补偿接收线圈，消除了一次场的干扰。
本发明的有益效果是：
相比于电极法过套管测井技术，本发明方法的测量线圈无需接触套管内壁，避免了因接触带来的磨损，消除了在套管腐蚀严重的情况下因接触不良导致测量效果差的问题。相比于其他过套管感应测井的套管影响消除方法，所述方法无需额外仪器测量套管的四个参数，实现方式简单且效果更好。
相比于现有过套管感应测井方法，所述方法的主接收线圈位于侧面波主导区域，消除了波导模式的干扰，提高了信噪比。
同时，本发明方法采用了反向绕制的发射补偿线圈和接收补偿线圈，消除了一次场的干扰，提高了信噪比。
附图说明
图1是套管井结构及测量线圈示意图。图2是套管井中总磁场、波导模式、侧面波模式和无套管井中总磁场随轴向位置的变化曲线图。
图3是不同套管厚度、以及无套管条件下，轴向不同位置z1和z2处磁场的相位差随z1的变化曲线图。
图4是本发明提出的基于侧面波测量的过套管感应测井实现流程示意图。
图5是包含补偿接收线圈的测量线圈示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的一种实施过程。
如图1所示，套管井结构可主要分为套管井内部的泥浆1、套管2和套管2 外部的地层3三部分，过套管感应测井中，通过对发射线圈施加交变电流，使套管井内部和外部建立感应电磁场，通过主接收线圈探测井内的磁场，经过对测量数据的处理获得井外地层的电导率。
实施例1
1)如图1所示，在套管井1中布置探测装置，探测装置包括一个发射线圈 4和两个主接收线圈5和6，发射线圈4和两个主接收线圈5和6的线圈绕向相同，两个主接收线圈5和6与发射线圈4分别上下同轴布置在套管井中，发射线圈2位于两个主接收线圈3的下方，用正弦波电流激励发射线圈4，在套管井内部1和外部3中产生感应电磁场，使用主接收线圈5和6测量套管井内部的磁场；
其中，主接收线圈5和6布置在发射线圈4所产生的感应电磁场的侧面波模式主导区域。侧面波模式主导区域的含义是该区域的侧面波模式大于波导模式，也就是发射线圈(4)和最近的主接收线圈(5)之间的中心间距z1满足z1> d，其中d满足：
Hz,lat(d)＝Hz,wav(d) (1)
其中，Hz,lat(d)表示与发射线圈距离为d位置侧面波模式z方向的磁场， Hz,wav(d)表示与发射线圈距离为d位置波导模式z方向的磁场，z方向为沿套管井(1)的深度/轴向方向。
侧面波模式Hz,lat(d)和波导模式Hz,wav(d)的计算方法为：
Hz,wav(d)＝Hz(d)-Hz,lat(d) (2)
其中，Hz,lat(d)表示与发射线圈距离为d位置侧面波模式z方向的磁场， Hz,wav(d)表示与发射线圈距离为d位置波导模式z方向的磁场，Hz(d)表示与发射线圈距离为d位置z方向的总磁场，
表示0阶第1类汉克尔函数，J0表示0阶贝塞尔函数，M是磁偶极子的偶极矩，
是套管内壁的广义反射系数， k1ρ、k3ρ和kz分别是套管井内部媒质的径向传播常数、套管井外部媒质的径向传播常数和整个空间的轴向传播常数。
根据驻相法，当z足够大时侧面波模式计算公式近似为：
Hz,lat(z)≈αHz,homo(z) (5)
其中：
其中，Hz,homo(z)为无套管井均匀媒质条件下的总磁场。根据公式(5)，套管内的侧面波近似正比于不存在套管的均匀媒质条件下的总磁场，比例系数为α。根据公式(5)，系数α不依赖于z。
发射线圈图2展示了典型套管井中正弦波激励发射线圈(位于坐标原点) 时，井内轴向上的总磁场、波导模式、侧面波模式的磁场强度随轴向坐标的变化曲线。将套管视为嵌入地层中的金属圆波导，套管的直径通常是20cm左右，在低频频段该波导模式处于截止状态，波导模式的强度随轴向距离快速衰减，而侧面波模式衰减较慢。因此图2中z小于0.3米的范围是波导模式主导区域， z大于0.3米的范围是侧面波模式主导区域。
2)采集套管井1内轴向位置为z1、z2处的两个主接收线圈5和6的磁场测量结果H1、H2，并计算获得比值H1/H2，利用无套管井内发射线圈的磁场计算模型建立反演模型，将比值H1/H2输入反演模型获得地层电导率，从而进行反演得到地层电导率。
图3展示了不同套管厚度、以及无套管条件下，轴向不同位置z1和z2处磁场H1和H2比值H1/H2的相位随z1的变化曲线，其中z2＝z1+1m。根据公式(3)，比值：
上式的近似程度随z1的增加而增加。因此图3中不同曲线随z1的增加而趋于重合，说明比值H1/H2基本已摆脱套管影响，在此基础上进行反演计算得到了准确的地层电导率。
无套管条件下井内磁场计算公式为：
其中，第一项和第二项分别被称为一次场和二次场，只有二次场携带地层信息。根据此公式可得反演模型为：
其中，σ是套管井外部地层的电导率，ω是电磁波的角频率，μ是套管井外部地层的相对磁导率，z1是位于较下方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z2是位于较上方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，H1是位于较下方的主接收线圈的磁场测量强度，H2是位于较上方的主接收线圈的磁场测量强度。
图4是本发明提出的基于侧面波测量的过套管感应测井实现流程示意图。第一步，计算侧面波模式主导区域的范围；第二步，将接收线圈布置在发射线圈所产生磁场的的侧面模式波主导区域；第三步，使用两个主接收线圈测量套管井内部的磁场H1和H2；第四步，根据反演模型反演地层电导率。
实施例2
在侧面波主导区域，井内磁场分布与无套管井中的磁场分布相同，只是幅度上减弱了α倍。因此与裸眼井测井相似，可以利用反向绕制补偿接收线圈减弱一次场的干扰。
具体方法为：如图5所示，在套管井1中布置探测装置，探测装置包括一个发射线圈4、两个主接收线圈5和6和两个补偿接收线圈7和8，两个补偿接收线圈、两个主接收线圈和发射线圈分别上下同轴布置在套管井中，用正弦波电流激励发射线圈4，在套管井内部1和外部3中产生感应电磁场。补偿接收线圈7的线圈匝数正比于空气中发射线圈对主接收线圈5产生的感应电压，补偿接收线圈7和主接收线圈5绕向相反，二者串联接入接收电路，测量结果记为 H1。补偿接收线圈8的线圈匝数正比于空气中发射线圈对主接收线圈6产生的感应电压，主接收线圈6和补偿接收线圈8绕向相反，二者串联接入接收电路，测量结果记为H2。计算获得比值H1/H2，利用无套管井内发射线圈的磁场计算模型建立反演模型，将比值H1/H2输入反演模型获得地层电导率，从而进行反演得到地层电导率。反演模型为：
其中，σ是套管井外部地层的电导率，ω是电磁波的角频率，μ是套管井外部地层的相对磁导率，z1是位于较下方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z2是位于较上方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z3是位于较下方的补偿接收线圈与发射线圈之间的间距，z4是位于较上方的补偿接收线圈与发射线圈之间的间距，H1是位于较下方的主接收线圈和位于较下方的补偿接收线圈串联后的磁场测量强度，H2是位于较上方的主接收线圈和位于较上方的补偿接收线圈串联后的磁场测量强度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于侧面波探测的过套管感应测井方法，其特征在于：
1)在套管井内部(1)布置探测装置，探测装置包括一个发射线圈(4)和两个主接收线圈(5、6)，两个主接收线圈(5、6)和发射线圈(4)分别上下同轴布置在套管井中，用正弦波电流激励发射线圈(4)在套管井内部(1)和外部(3)产生感应电磁场；
2)使用两个主接收线圈(5、6)测量套管井内部(1)的磁场H1、H2，并计算获得比值H1/H2，利用无套管井内发射线圈所产生磁场的计算模型建立反演模型，将比值H1/H2输入反演模型获得地层电导率，从而进行测量得到地层电导率。
2.根据权利要求1所述的一种基于侧面波探测的过套管感应测井方法，其特征在于：所述的一个发射线圈(4)和两个主接收线圈(5、6)的线圈绕向相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于侧面波探测的过套管感应测井方法，其特征在于：所述步骤1)中，主接收线圈(5、6)布置在发射线圈(4)所产生的感应电磁场的侧面波模式主导区域，使得发射线圈(4)和最近的主接收线圈(5)之间的中心间距z1满足z1>d，其中d满足：
Hz,lat(d)＝Hz,wav(d)
其中，Hz,lat(d)表示与发射线圈(4)距离为d位置侧面波模式z方向的磁场，Hz,wav(d)表示与发射线圈(4)距离为d位置波导模式z方向的磁场，z方向为沿套管井的深度/轴向方向；
侧面波模式Hz,lat(d)和波导模式Hz,wav(d)的计算为：
Hz,wav(d)＝Hz(d)-Hz,lat(d)
其中，Hz,lat(d)表示与发射线圈距离为d位置侧面波模式z方向的磁场，Hz,wav(d)表示与发射线圈距离为d位置波导模式z方向的磁场，Hz(d)表示与发射线圈距离为d位置z方向的总磁场，
表示0阶第1类汉克尔函数，J0表示0阶贝塞尔函数，M是磁偶极子的偶极矩，
是套管内壁的广义反射系数，k1ρ、k3ρ和kz分别是套管井内部媒质的径向传播常数、套管井外部媒质的径向传播常数和整个空间的轴向传播常数。
4.根据权利要求1所述的一种基于侧面波探测的过套管感应测井方法，其特征在于：所述步骤2)中，反演模型具体为：
其中，σ是套管井外部地层的电导率，ω是电磁波的角频率，μ是套管井外部地层的相对磁导率，z1是位于较下方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z2是位于较上方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，H1是位于较下方的主接收线圈的磁场测量强度，H2是位于较上方的主接收线圈的磁场测量强度。
5.根据权利要求1所述的一种基于侧面波探测的过套管感应测井方法，其特征在于：还包括两个补偿接收线圈(7、8)，两个补偿接收线圈(7、8)布置于两个主接收线圈(5、6)上方，所有线圈沿套管井的深度/轴向方向同轴布置，发射线圈和各个接收线圈的间距z1均满足z1>d，其中d满足：
Hz,lat(d)＝Hz,wav(d)
其中，Hz,lat(d)表示与发射线圈(4)距离为d位置侧面波模式z方向的磁场，Hz,wav(d)表示与发射线圈(4)距离为d位置波导模式z方向的磁场，z方向为沿套管井(1)的深度/轴向方向；两个补偿接收线圈均和主接收线圈绕向相反，线圈匝数正比于空气中发射线圈对两个主接收线圈产生的感应电压，两个补偿接收线圈分别两个主接收线圈串联接入接收电路；采用补偿接收线圈后，测量方法中的反演模型为：
其中，σ是套管井外部地层的电导率，ω是电磁波的角频率，μ是套管井外部地层的相对磁导率，z1是位于较下方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z2是位于较上方的主接收线圈与发射线圈之间的间距，z3是位于较下方的补偿接收线圈与发射线圈之间的间距，z4是位于较上方的补偿接收线圈与发射线圈之间的间距，H1是位于较下方的主接收线圈和位于较下方的补偿接收线圈串联后的磁场测量强度，H2是位于较上方的主接收线圈和位于较上方的补偿接收线圈串联后的磁场测量强度。
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