CN112814668A - 一种时间域电磁测井的地层倾角估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间域电磁测井的地层倾角估算方法，包括如下步骤，步骤A、建立地层模型，步骤B、转换坐标系，步骤C、选择线圈放置方式及倾角计算公式，步骤D、获取地层响应并进行倾角计算。本发明充分考虑了电磁散射场对井周界面探测效果的影响,利用三轴发射线圈和接收线圈对地层进行边界远探测，并将得到的响应成图，作为估算视倾角和方位角的原始数据。本发明提出的利用电磁散射对井周进行电磁成像的方法,简单明了,效果明显。本发明利用三轴结构完成信号的测量,而散射波具有更好的刻画地层细节的能力,因此本发明是基于瞬变电磁波的视倾角和方位角估计方法,且估计方法效果明显,可以准确的判断地层的角度。

Description

一种时间域电磁测井的地层倾角估算方法

技术领域

本发明属于电磁波测井技术领域，具体涉及一种时间域电磁测井的地层倾角估算方法。

背景技术

随着复杂油气藏勘探开发的不断深入，为提高测井仪器对地层方位角和倾角等信息的敏感性，三轴感应测井技术得到了快速发展。三轴瞬变电磁波仪器采用同轴/倾斜/共面的发射线圈实现对电磁场各分量的测量，这种感应工具不仅可以获得探测距离和电阻率的信息，而且还能够获得视倾角和方位角的信息，进而对井眼结构成像。

传统频率域电磁测井通过降低频率、增加收发偏移距来实现远距离探测，导致探测器长度和重量的增加，且探测距离有限。相比之下，本专利时域电磁远探测技术通过测量电流脉冲关断过程激励的电磁场信号实现时间域远距离探测，其采用较短的仪器长度就可以达到频率域较长仪器才能实现的远探测。

电磁波在传播过程中遇到井周界面会发生电磁散射，但现阶段较少重视提取视倾角和方位角的信息，弱化了对井周界面电磁成像能力。地层倾角和方位角不仅包含有重要的地层信息,可以直接用于勘探工区的解释,而且也可以用于后续的响应数据处理解释环节。因此准确提取出地层的倾角和方位角信息，对时间域井周电磁成像具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种时间域电磁测井的底层倾角估算方法，是针对电磁波在传播过程中遇到井周界面会发生电磁散射，且现阶段较少重视提取视倾角和方位角的信息，弱化了对井周界面电磁成像能力。因为地层倾角和方位角不仅包含有重要的地层信息,可以直接用于勘探工区的解释,而且也可以用于后续的响应数据处理解释环节，故提出一种基于坐标系之间的转换关系来提取地层倾角和方位角的方法，是基于瞬变电磁测井原理的电性结构成像方法。瞬变电磁法(Transient electromagnetic method,TEM)利用简易的装置向地下发射一次脉冲磁场，再利用对某一时刻的突然断电间隙测量感应二次场，二次场往地层扩散途中遇到电阻率不同的介质会随时间衰减，通过研究接收装置处的响应变化得到大地电性的分布特征，进而分析地下目标体的结构形态等问题。

综上所述，一种时间域电磁测井的底层倾角估算方法，包括如下步骤：

步骤A、建立地层模型

基于一种基于电磁散射原理进行井周电磁成像的三轴收发线圈结构及地层模型，地层参数具体如下：供电电流1A，供电时间1S；仪器所在层的电阻率为10欧姆米，探测层的电阻率为1欧姆米。

步骤B、转换坐标系

利用坐标系之间的转换关系获得瞬变电磁波测井响应，一共需要进行两次坐标变换，首先实现地层坐标系到井眼坐标系的转换，获得井眼坐标系下的响应结果，然后再将其转换到仪器坐标系下，得到最终的测井响应结果；

其中第一次坐标变换可以表示为

第二次坐标变换可以表示为

两个变换可以整体写为

步骤C、选择线圈放置方式及倾角计算公式

1.同轴放置方式可以得到发射线圈和接收线圈都平行于z轴时的响应，共面放置方式则可以得到发射线圈和接收线圈彼此平行排列但方向垂直于z轴时的响应，当收发线圈之间互相倾斜旋转形成一定的倾角时，就会形成交叉线圈放置方式。

2.根据坐标系之间的转换关系、公式原理和响应数值估计视倾角。

接收线圈处的磁场瞬态响应[R_x R_y R_z]分别沿井眼坐标系[x y z]的轴方向,记为

[M_x M_y M_z]为来自每个轴方向上的磁偶极子源。

磁场瞬态响应也可以在仪器坐标系中得到。接收线圈处的磁场瞬态响应[R_a R_bR_c]分别沿仪器坐标系的[a b c]轴方向,记为

[M_a M_b M_c]为来自每个轴方向上的磁偶极子源。

当电阻率异常A到发射线圈的距离远大于收发距时，可以暂时忽略收发距的影响，并且可以用发射线圈附近的接收线圈的瞬态响应来近似总场瞬态响应。该方法假设c轴存在轴向对称性，在这种轴向对称的构造中进行时域测量时，仪器坐标系中的交叉分量响应也为零。

根据式(3),仪器坐标系中的磁场瞬态响应通过由倾角和方位角指定的简单坐标变换P与井眼坐标系中的瞬态响应相关：

我们把从原点开始的异常方向定义为目标方向，当假设异常坐标系为轴向对称性时，可以通过三轴响应的组合来确定两个方向角。

就每个三轴响应而言：

V_xx＝(V_aacos²θ+V_ccsin²θ)cos²φ+V_aasin²φ (8)

V_yy＝(V_aacos²θ+V_ccsin²θ)sin²φ+V_aacos²φ (9)

V_zz＝(V_aasin²θ+V_cccos²θ) (10)

V_xy＝V_yx＝-(V_aa-V_cc)sin²θcosφsinφ (11)

V_zx＝V_xz＝-(V_aa-V_cc)cosθsinφcosφ (12)

V_yz＝V_zy＝-(V_aa-V_cc)cosθsinφsinφ (13)

关系式为：

V_xx+V_yy+V_zz＝2V_aa+V_cc (14)

V_xx-V_yy＝(V_cc-V_aa)sin²θ(cos²φ-sin²φ) (15)

V_yy-V_zz＝-(V_cc-V_aa)(cos²θ-sin²θsin²φ) (16)

V_zz-V_xx＝-(V_cc-V_aa)(cos²θ-sin²θcos²φ) (17)

在第一种情况下，当交叉分量均不为零，即V_xy≠0，V_xy≠0，V_xy≠0，且方位角φ不为零也不为90°时，φ由下式确定：

通过以下关系式：

可得倾角的计算公式为：

步骤D、获取地层响应并进行倾角计算

通过交叉线圈装置测得三个分量的电磁波响应，得到交叉分量的响应数据，依据步骤C中的倾角计算公式进行实际地层角度估算。

有益效果：

1、本发明基于瞬变电磁波的视倾角和方位角估计方法,充分考虑了电磁散射场对井周界面探测效果的影响,利用三轴发射线圈和接收线圈对地层进行边界远探测，并将得到的响应成图，作为估算视倾角和方位角的原始数据。

2、本发明提出的利用电磁散射对井周进行电磁成像的方法,简单明了,效果明显。与现有技术相比,本发明利用三轴结构完成信号的测量,而散射波具有更好的刻画地层细节的能力,因此本发明基于瞬变电磁波的视倾角和方位角估计方法,估计方法效果明显,可以准确的判断地层的角度。

附图说明

图1为本发明采用三轴收发结构及所建立地层模型示意图；

图2为本发明实施例的井眼坐标系图；

图3为本发明实施例的仪器坐标系图；

图4为本发明实施例的线圈放置方式图；

图5a为本实施例的总场的同轴层状介质瞬变电磁波响应；

图5b为本实施例的异常场的同轴层状介质瞬变电磁波响应；

图6a为发明实施例的总场的共面层状介质瞬变电磁波响应；

图6b为本实施例的异常场的共面层状介质瞬变电磁波响应；

图7为发明实施例的发射线圈为X方向、接收线圈为Y方向的瞬变电磁波响应；

图8为发明实施例的发射线圈为X方向、接收线圈为Z方向的瞬变电磁波响应；

图9为发明实施例的发射线圈为Y方向、接收线圈为Z方向的瞬变电磁波响应；

图10为本发明实施例的角度估计。

具体实施方式

下面结合本发明的一种实施例和附图，对本发明做进一步详细的说明。

一种基于瞬变电磁波的视倾角和方位角估计方法，包括以下步骤：

其中：瞬变电磁波的总场：

电阻率相异的双层介质中进行边界远探测时，得到的瞬变电磁波响应，

相异：仪器层电阻率为10欧姆米，探测层电阻率为1欧姆米，

瞬变电磁波的背景场：

电阻率相同的双层介质中进行边界远探测时，得到的瞬变电磁波响应，

相同：仪器层电阻率与探测层电阻率均为10欧姆米，

瞬变电磁波的异常场：

异常场数据＝总场数据—背景场数据，

步骤A、建立地层模型

图1为本发明提供的一种基于电磁散射进行井周电磁成像的三轴收发线圈结构及地层模型示意图。如图1所示，倾角θ为预估角度，供电电流1A，供电时间1S；仪器所在层的电阻率为10欧姆米，探测层的电阻率为1欧姆米。

步骤B、转换坐标系，根据图2和图3分别为本发明具体实施例的井眼坐标系和仪器坐标系：

如图2所示，其中A为电阻率异常体，T和R分别为发射线圈和接收线圈，θ为井眼与地层的相对倾角，本次实施例中为30°。如图3所示，φ为仪器旋转过程中线圈法向指向与仪器x方向的夹角。

为获得仪器坐标系下的响应,一共需要进行两次坐标变换，首先实现地层坐标系到井眼坐标系的转换，获得井眼坐标系下的响应结果，然后再将其转换到仪器坐标系下，得到最终的测井响应结果。

其中第一次坐标变换可以表示为

第二次坐标变换可以表示为

两个变换可以整体写为

步骤C、选择线圈放置方式及倾角计算公式

首先，图4为本发明具体实施例的线圈放置方式

如图4所示，L为发射线圈与接收线圈之间的距离，D为接收线圈到异常体A的距离,同轴响应V_zz(t)是当发射线圈和接收线圈都平行于z轴时的响应，共面响应V_xx(t)和V_yy(t)是当发射线圈和接收线圈彼此平行排列但方向垂直于z轴时的响应。

接收线圈处的磁场瞬态响应[R_x R_y R_z]分别沿井眼坐标系[x y z]的轴方向,记为

[M_x M_y M_z]为来自每个轴方向上的磁偶极子源。

磁场瞬态响应也可以在仪器坐标系中得到。接收线圈处的磁场瞬态响应[R_a R_bR_c]分别沿仪器坐标系的[a b c]轴方向,记为

[M_a M_b M_c]为来自每个轴方向上的磁偶极子源。

当电阻率异常A到发射线圈的距离远大于收发距时，可以暂时忽略收发距的影响，并且可以用发射线圈附近的接收线圈的瞬态响应来近似总场瞬态响应。该方法假设c轴存在轴向对称性，在这种轴向对称的构造中进行时域测量时，仪器坐标系中的交叉分量响应也为零。

根据式(3),仪器坐标系中的磁场瞬态响应通过由倾角和方位角指定的简单坐标变换P与井眼坐标系中的瞬态响应相关：

我们把从原点开始的异常方向定义为目标方向，当假设异常坐标系为轴向对称性时，可以通过三轴响应的组合来确定两个方向角。

就每个三轴响应而言：

V_xx＝(V_aacos²θ+V_ccsin²θ)cos²φ+V_aasin²φ (8)

V_yy＝(V_aacos²θ+V_ccsin²θ)sin²φ+V_aacos²φ (9)

V_zz＝(V_aasin²θ+V_cccos²θ) (10)

V_xy＝V_yx＝-(V_aa-V_cc)sin²θcosφsinφ (11)

V_zx＝V_xz＝-(V_aa-V_cc)cosθsinφcosφ (12)

V_yz＝V_zy＝-(V_aa-V_cc)cosθsinφsinφ (13)

关系式为：

V_xx+V_yy+V_zz＝2V_aa+V_cc (14)

V_xx-V_yy＝(V_cc-V_aa)sin²θ(cos²φ-sin²φ) (15)

V_yy-V_zz＝-(V_cc-V_aa)(cos²θ-sin²θsin²φ) (16)

V_zz-V_xx＝-(V_cc-V_aa)(cos²θ-sin²θcos²φ) (17)

在第一种情况下，当交叉分量均不为零，即V_xy≠0，V_yz≠0，V_zx≠0，且方位角φ不为零也不为90°时，φ由下式确定：

通过以下关系式：

可得倾角的计算公式为：

步骤D、获取地层响应并进行倾角计算

图5a、图5b、图6a、图6b为本发明具体实施例的同轴/共面层状介质瞬变电磁波响应；图7、图8、图9为本发明通过交叉线圈装置所测得的瞬变电磁波响应曲线。

如图5a、图6a所示，通过同轴和共面线圈装置所测得的电磁波响应可以看出，同轴信号响应是一条平滑而下降的曲线，而共面信号则在10^-8s和10^-7s之间存在零交叉的现象。如图5a所示，瞬变电磁波会先经过电阻率较高的10欧米层，进而向1欧米的低阻介质传播，此时产生的散射现象会导致接收线圈附近的瞬变电磁波响应发生变化。可以解释为：本发明所用的瞬变电磁波测井方法属于时间域范畴，因此可以在时间轴上直接刻画出被测介质的数据信息，瞬变电磁波所反馈回来的响应信息与不同的时间点一一对应，瞬变电磁波测井信号随时间向地层边界处传播时，会依次得到该被测介质每一部分的响应结果，随着时间的流逝，信号向地层深处扩散，晚期观测到的测井响应信号数值慢慢衰减。

为了突出界面的贡献，如图5b和图6b所示，利用异常场的绝对值进行边界远探测，响应特征更加明显，分别采用同轴线圈和共面线圈装置获得瞬变电磁波异常场的绝对值，可以看出，共面线圈装置的探测能力略强于同轴线圈装置，水平地层距离接收线圈越远，异常出现的时间越晚，且对异常的探测越不敏感。这是因为，瞬变电磁波测井方法可以更加有效便捷的获得时域响应，当采用此方法进行边界远探测时，瞬变电磁信号的低频分量会随着时间的流逝进入地层，从而与地层介质相互作用，反馈回我们所需要的响应信息；然后由于套管等其他介质的存在，高频分量并不能穿透套管。

如图7，图8，图9所示，交叉线圈装置所测得的响应曲线均存在零交叉的现象，当发射线圈方向为x方向，接收线圈装置为z方向时，在中晚期有两个交叉点的出现。

图10为本发明具体实施例的角度估计

如图10所示，根据坐标系之间的转换关系和响应数值估计视倾角。我们让发射与接收线圈旋转已知的角度，忽略发射线圈与接收线圈之间的距离L。根据瞬变电磁波的传播原理，即接收线圈在晚期时才接收到较为准确的测井响应信号，在早期，由于地层电阻率的影响，接收线圈所得到的信号并未到达第二层，因此包含的方向信息可能不准确。我们可以预测到倾角也会在晚期达到预期值。在10^-6s时，视倾角呈现过渡区；从10^-3s开始，视倾角的值慢慢向真实倾角值靠近，并达到30度的渐近值。

使用本发明一种基于瞬变电磁波的视倾角和方位角估计方法,可以准确的估计角度,有助于提高勘探开发效率。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种时间域电磁测井的底层倾角估算方法，包括如下步骤：

步骤A、建立地层模型

基于一种基于电磁散射原理进行井周电磁成像的三轴收发线圈结构及地层模型，地层参数具体如下：供电电流1A，供电时间1S；仪器所在层的电阻率为10欧姆米，探测层的电阻率为1欧姆米，

步骤B、转换坐标系

利用坐标系之间的转换关系获得瞬变电磁波测井响应，一共需要进行两次坐标变换，首先实现地层坐标系到井眼坐标系的转换，获得井眼坐标系下的响应结果，然后再将其转换到仪器坐标系下，得到最终的测井响应结果，

其中第一次坐标变换可以表示为：

第二次坐标变换可以表示为：

两个变换可以整体写为：

步骤C、选择线圈放置方式及倾角计算公式

1.同轴放置方式可以得到发射线圈和接收线圈都平行于z轴时的响应，共面放置方式则可以得到发射线圈和接收线圈彼此平行排列但方向垂直于z轴时的响应，当收发线圈之间互相倾斜旋转形成一定的倾角时，就会形成交叉线圈放置方式。

2.根据坐标系之间的转换关系、公式原理和响应数值估计视倾角

接收线圈处的磁场瞬态响应[R_x R_y R_z]分别沿井眼坐标系的[x y z]轴方向,记为：

[M_x M_y M_z]为来自每个轴方向上的磁偶极子源，

磁场瞬态响应也可以在仪器坐标系中得到，接收线圈处的磁场瞬态响应[R_a R_b R_c]分别沿仪器坐标系的[a b c]轴方向,记为：

[M_a M_b M_c]为来自每个轴方向上的磁偶极子源，

当电阻率异常A到发射线圈的距离远大于收发距时，可以暂时忽略收发距的影响，并且可以用发射线圈附近的接收线圈的瞬态响应来近似总场瞬态响应，该方法假设c轴存在轴向对称性，在这种轴向对称的构造中进行时域测量时，仪器坐标系中的交叉分量响应也为零，

根据式(3),仪器坐标系中的磁场瞬态响应通过由倾角和方位角指定的简单坐标变换P与井眼坐标系中的瞬态响应相关：

我们把从原点开始的异常方向定义为目标方向，当假设异常坐标系为轴向对称性时，可以通过三轴响应的组合来确定两个方向角，

就每个三轴响应而言：

V_xx＝(V_aacos²θ+V_ccsin²θ)cos²φ+V_aasin²φ (8)

V_yy＝(V_aacos²θ+V_ccsin²θ)sin²φ+V_aacos²φ (9)

V_zz＝(V_aasin²θ+V_cccos²θ) (10)

V_xy＝V_yx＝-(V_aa-V_cc)sin²θcosφsinφ (11)

V_zx＝V_xz＝-(V_aa-V_cc)cosθsinφcosφ (12)

V_yz＝V_zy＝-(V_aa-V_cc)cosθsinφsinφ (13)

关系式为：

V_xx+V_yy+V_zz＝2V_aa+V_cc (14)

V_xx-V_yy＝(V_cc-V_aa)sin²θ(cos²φ-sin²φ) (15)

V_yy-V_zz＝-(V_cc-V_aa)(cos²θ-sin²θsin²φ) (16)

V_zz-V_xx＝-(V_cc-V_aa)(cos²θ-sin²θcos²φ) (17)

在第一种情况下，当交叉分量均不为零，即V_xy≠0，V_xy≠0，V_xy≠0且方位角φ不为零也不为90°时，φ由下式确定：

通过以下关系式：

可得倾角的计算公式为：

步骤D、获取地层响应并进行倾角计算

通过交叉线圈装置测得三个分量的电磁波响应，得到交叉分量的响应数据，依据步骤C中的倾角计算公式进行实际地层角度估算。

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