Logging while drilling electromagnetic wave responses in inclined bedding formation

For real-time inversion and fast reconstruction of formation true resistivity, the forward modeling of electromagnetic wave logging while drilling is usually based on the transversely isotropic formation model with vertical symmetry axis(VTI medium), but it only considers the horizontal and vertical resistivity. It has certain limitation during practical application. This paper presents a forward calculation method of electromagnetic wave logging while drilling in transversely isotropic(TTI) strata with inclined symmetry axis based on the Dyadic Green’s function. Anisotropic angle and azimuth are used to characterize TTI formation. The proposed algorithm is verified by numerical examples, the half-space electromagnetic wave reflection and transmission characteristics with different media are analyzed, and the necessity to use the new algorithm is pointed out. Numerical simulation also shows that there exist a critical borehole dip and critical anisotropic angle in TTI formation. Electromagnetic wave logging while drilling responses follows opposite rule before and after these two critical angles. Besides, the 'horns' at the interface are not only related to well deviation, resistivity contrast, but also related to anisotropic angle and anisotropic azimuth.

模块化随钻电磁波测井仪器结构对测量信号的影响

常规的随钻电磁波测井是一种重要的地层流体评价方法,但其不具有方位特性。为此,提出了一种具有较好方位探测特性的新型模块化随钻电磁波测井仪器结构。为准确了解模块化随钻电磁波测井仪器结构对测量电压信号的影响情况,采用有限元法建立了三维模型,探究了仪器各部分的影响规律。研究得出:随着钻铤和天线槽填充物电阻率增大,接收电压信号出现了突变区间且与仪器的频率和几何尺寸密切相关;盖板材料的电阻率对接收信号强度的影响较大,盖板应选择电阻率比金属稍低的材料,而测量信号随传感器本体电阻率增大而增大,因此传感器本体应选择非金属材料;钻铤和填充物的电阻率较小时,接收电压信号有明显的衰减,填充物电阻率较大时其影响可以忽略;通过扣除空气介质中的仪器响应,可以较好地消除仪器结构的影响,扣除仪器结构影响后线圈中磁通量减小,导致仪器信号低于扣除前。该研究结果可为实际测井仪器的设计制造提供理论依据。

无线电磁波随钻测量系统的发展与展望

无线电磁波随钻测量系统是煤矿地质透明、智能钻孔探测的重要组成部分。无线电磁波随钻测量、随钻数据传输技术能够将孔内的数据传输到孔外,有效解决煤矿钻孔探查信号传输“最后一公里”的技术难题。中长距离碎软煤层定向钻进及在钻孔中开展地球物理探测是未来煤矿井下物探技术发展的方向。孔中探测能够极大地减少外界干扰,也能够简化解释地质模型。本文介绍了无线电磁波测量系统的构成、技术性能、应用场景和技术发展现状,列举了技术装备存在的一些不足,重点分析了无线传输系统中发射部分的绝缘短节和基础单元轨迹测量短节的稳定性,并对无线电磁波随钻测量系统的未来测量短节类型及技术发展趋势、高速率数据传输,多学科协同创新等方面进行了展望。

用并矢Green函数的矢量本征函数展开式评价偏心对随钻电磁波电阻率测井响应的影响

采用圆柱坐标系下径向成层介质中磁流源并矢Green函数的矢量本征函数展开式计算电磁波电阻率的测井响应,考察井眼内仪器偏心对测井响应的影响。计算时采用径向成层圆柱形地层模型并假设在每一圆柱层内地层是均匀各向同性的,这样每层介质内的电磁波是对称的柱面波和各阶非对称波的叠加。计算结果表明:仪器偏心的影响随频率的升高而增加;对于电阻性(电导性)钻井液,地层电阻率越低(越高)越需要对仪器偏心的影响进行校正。

随钻方位电磁波电阻率测量系统发展进展

随钻电磁波电阻率测量系统采用多线圈、多角度及多补偿的线圈系结构,实现不同径向深度及方位地层电阻率的测量,其在地质导向钻井和油田地层评价中占据着至关重要的地位。在常规随钻电磁波电阻率测量系统的基础上,斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿及长城钻探分别研制和推出了具有方位特性的随钻电磁波电阻率测量系统并广泛地应用于水平井和大斜度井的开发与探测。介绍了随钻电磁波电阻率测量系统的结构组成及电磁波信号的处理方法,并通过对比和分析国内外主流随钻电磁波电阻率测量系统的优缺点,对其发展趋势进行了展望,为中国随钻电磁波电阻率测量系统的进一步发展提供借鉴经验。

无线随钻测量技术的应用现状与发展趋势

目前,无线随钻测量技术是石油工程技术发展的一个主要方向。详细介绍了无线随钻测量仪器的传输方式、国内外无线随钻测量技术的主要进展和应用现状,指出了国内外无线随钻测量仪器的优缺点和应用范围,分析了无线随钻测量技术的发展趋势,并提出我国应在借鉴国外先进的无线随钻测量技术的基础上,研制具有自主知识产权的无线随钻测量仪器,以加快我国无线随钻测量技术的发展,缩短与国际先进水平的差距。

随钻电磁波电阻率测井仪器响应影响因素数值模拟

介绍了随钻电磁波电阻率测井仪器的响应原理及计算模型。通过数值模拟不同地层模型仪器响应,分析了随钻电阻率测井中仪器精度、井眼、井斜与层厚、各向异性、介电常数以及泥浆侵入等因素对电阻率的影响。对于目前数据处理和解释中地层模型不够准确、应用软件都无法同时处理各种影响因素、同时考虑到各种环境因素进行资料的反演几乎不可能、对地层反演结果的不确定性等问题提出建议。为正确利用随钻电磁波测井资料提供理论依据。

随钻电磁波测井中极化角的形成机理及其影响因素模拟分析

在大斜度井和水平井环境中,由于井斜、地层产状以及测量模式等因素的影响,随钻电磁波测井资料在地层界面上容易出现极化角。极化角有助于储层界面的判断,但对电阻率的定量评价带来困难。通过分析指出极化角是由于穿过地层界面的电场不连续造成的。极化角的产生及其幅度受井斜、地层电阻率、泥浆滤液侵入及仪器精度等因素影响。考虑井斜、泥浆滤液侵入等因素的影响,据此建立随钻电磁波测井响应数学模型。井斜角越大、地层电阻率对比度越高,越容易出现极化角;同样电阻率对比度地层,低电阻率地层极化角更明显;低电阻率泥浆滤液侵入对极化角有弱化作用。该研究有助于正确认识复杂环境中随钻电磁波测井响应特征。

倾斜线圈随钻电磁波电阻率测量仪器的响应模拟及应用

采用各向异性水平层状介质磁偶极子源并矢格林函数计算接收线圈倾斜的随钻电磁波电阻率仪器的响应,利用新的方式定义出定向相位差及幅度比信号。分析视电阻率以及定向信号的探测特性,总结出地层边界、地层对比度、相对倾角、各向异性、线圈倾斜角度对仪器响应的影响规律。结果表明,倾斜线圈仪器不但可以利用视电阻率进行地层评价,还可以利用新的定向信号探测出地层上下界面,相比传统的电磁波电阻率仪器具有更好的地层评价和地质导向功能,是一种应用前景广阔的仪器。

随钻声波测井FDTD模拟及钻铤波传播特性研究

幅度大的钻铤波掩盖地层信号是困扰随钻声波测井技术的难题,认识钻铤波特性对于消除或有效降低钻铤波至关重要.记录岩石动电效应引起电磁场的随钻动电测井,被认为有望彻底解决钻铤波干扰问题.本文采用有限差分法,模拟不同钻铤、不同井孔结构的随钻声场,对比分析了单极源钻铤波的传播特性,阐明存在伴随钻铤波动电信号的原因.结果表明:钻铤声波在沿钻铤传播时向外部介质辐射能量,透过井壁进入地层的具有视钻铤波速度的声波,与地层纵横波一样可发生动电转化,因而可导致随钻动电测井时产生钻铤波速度的电磁信号.计算还表明,高频情况下,随钻声波测井钻铤波呈现两阶模式:具有低频截止频率的高阶钻铤波幅度较小,其速度略低于钻铤纵波速度;无截止频率的低阶钻铤波幅度较大,其波速在高频时甚至低于钻铤横波速度.这种频散特性和多阶模式特性,是径向多分层开波导结构的导波属性.

相对介电常数对电磁波电阻率测量值的影响及校正方法

在精度要求较高和频率较高的随钻电磁波电阻率测量值的计算中,相对介电常数的影响通常不能被忽略。介绍了相对介电常数求取的常用方法——特殊值法、近似计算法和均值法,并对各方法的特点进行了对比分析。比较了贝克休斯、哈里伯顿等国际五大油田技术服务公司的相对介电常数取值方法,进行了相对介电常数的选择。实例分析表明,相对介电常数的选取和测量仪器有密切关系,应根据实际的仪器参数进行计算获得相对介电常数的估计值,并在实验室建立相对介电常数校正图版,以供现场校正需要。

随钻电磁波电阻率测井之电阻率转化方法与研究

根据幅度衰减(EATT)和相位差(ΔΦ)转换得到电阻率是随钻电磁波电阻率测井信号处理的必然环节。根据电磁场理论,给出均匀介质中EATT和ΔΦ的磁偶极子解(将线圈近似为磁偶极子)和严格解的理论结果。介绍了根据EATT和ΔΦ转化得到电阻率的方法。根据电阻率的转化结果发现,将ΔΦ转换为相位差电阻率的误差很小,可以将线圈近似为磁偶极子,还可以达到简化计算和保证转化的电阻率与真实电阻率一致的目的。但是,在将EATT转换为衰减电阻率时,在高电阻率地层条件下,磁偶极子解的表达式存在明显的电阻率转换误差,因此,建议采用严格解的EATT表达式进行衰减电阻率的转换,以提高信号质量。

随钻电磁波电阻率测井实时井眼影响校正

在井眼半径较大和钻井液电阻率较低的情况下,随钻电磁波电阻率受井眼和电阻率影响较大,为了得到更准确的电阻率转换结果,在目前常用的电阻率转换模型基础上,引入井眼半径和钻井液电阻率两个参数,建立考虑井眼影响的三维转换模型,提出了电阻率实时井眼影响校正方法。实际应用中可以针对特定仪器计算得到电阻率转换数据库,通过三维插值查找技术实时校正得到地层电阻率信息。数值模拟及模型验证结果表明:提出的电阻率实时井眼影响校正方法得到的电阻率转换结果与图版校正值吻合,可以在很大程度上消除井眼的影响;该方法还可以降低正反演模拟的计算维度,提高大斜度井、水平井测井资料反演效率。

随钻电磁波测井响应函数理论及探测特性

为研究随钻电磁波测井响应探测特性,基于Born几何因子近似方法,推导各向异性介质中随钻电磁波测井响应函数,用于刻画各向异性地层中信号空间分布特征,以有效分析幅度比和相位差信号的敏感性。在此基础上定义径向及纵向积分几何因子,分析信号频率、地层电阻率及线圈距对探测能力的影响。结果表明幅度比和相位差信号空间分布规律相似,幅度比信号分布相对发散,具有更大的探测范围,而相位差信号分布更为聚焦,纵向分层能力更强;井斜角的加大导致响应函数的旋转对称性消失,对各向异性的敏感性增高;随着各向异性系数的加大,响应函数空间分布受水平电阻率的影响逐渐增强;径向及纵向积分几何因子能够表征仪器的探测能力,随着信号频率的增加,仪器的径向探测深度减小,纵向分辨能力增强;仪器径向探测深度及纵向分辨率,随着线圈距均匀改变而出现规律性的变化;在电阻率逐渐减小的过程中,随钻电磁波测井空间响应会出现负贡献区域。

随钻方位电磁波电阻率测井技术与地质导向应用

随钻方位电磁波电阻率测井可在地层中预测电阻率界面,指导钻井轨迹实时调整以钻遇储层甜点,在大斜度井和水平井油藏勘探开发中的应用日益广泛。介绍了新型随钻方位电磁波电阻率测井仪器(DWPR)的研制和应用情况。基于电磁全分量测量设计理念,该仪器采用倾斜发射倾斜接收的双斜正交线圈系测量结构进行地层边界探测和地层评价。DWPR仪器在典型地层模型下的响应表明,该测量方式下的方位电阻率、地质信号及成像信息,可有效反映地层电阻率、方位及各向异性等特征。针对DWPR仪器特有的电阻率信号、方位信号,基于阻尼最小二乘原理,开发了实时边界反演地质导向软件。新型随钻方位电磁波电阻率测井技术在中国近海进行了50余口井的地质导向应用,实时地层边界反演结果均符合油藏地质认识,有效指导水平井钻进过程,大幅度提高了储层钻遇率。

非均质各向异性地层中方位随钻电磁测井响应三维有限体积法数值模拟算法

方位随钻电磁测井是一种能够实时探测地层边界、实现地质导向与井眼成像的新型测井技术.本文根据方位随钻电磁测井仪器的典型线圈系结构,首先引入柱坐标系下非均质完全各向异性地层中电流源并矢Green函数,并利用电磁场叠加原理给出倾斜发射线圈激发的电场以及倾斜接收线圈上感应电动势的计算公式;然后应用电流源电场并矢Green函数的混合势克服非均质地层中电磁数值模拟的低感应数问题,通过ρ和z方向上Lebedev网格设法降低网格节点个数,并且利用标准化算法确定柱坐标系下非均质单元上的等效电导率.在此基础上,用三维有限体积法建立柱坐标系电场混合势的离散方法,得到一个交错网格上电场矢势和标势大型代数方程,并用不完全LU分解以及稳定双共轭梯度法确定数值解.最后,通过数据模拟结果对算法的有效性进行检验,并考察钻铤、线圈倾斜角度以及地层各向异性等参数对仪器响应的影响.数值结果表明:在柱坐标系下用三维有限体积法的数值模拟算法处理非均质各向异性层中方位随钻电磁测井响应可以得到很好的结果.钻铤、电导率各向异性、层边界均对方位随钻电磁波测井响应产生较大的影响;在电阻率较大的地层,幅度比和相位差响应越小;发射线圈和接收线圈同时倾斜时,幅度比和相位差响应受地层的影响更灵敏.

倾斜线圈随钻电磁波电阻率测量仪器基本原理及其在地质导向中的应用

采用各向异性水平层状介质的磁偶极源并矢Green函数计算倾斜线圈随钻电磁波电阻率测量仪器的响应,分析井眼相对倾角和接收线圈倾斜角对接收信号幅度比和相位差的影响,以及传统仪器和新型仪器响应曲线角峰的性质。计算实例结果表明,与传统仪器相比,含有倾斜线圈的随钻电磁波电阻率测量仪器在定向钻井中能够更早地指示出地层边界的存在,从而可以更容易地调整钻井仪器使井眼保持在期望的地层内,因而具有更好的地质导向能力。

利用积分方程的加速迭代算法计算随钻电磁波电阻率测量仪器的响应

采用改进型逐次逼近解法(MSAM)和Aitken加速技术相结合的迭代算法计算二维积分方程.该算法将纵向成层原状地层作为背景地层,将计算区域限制在井眼和侵入带内,具有未知量数目少、收敛速度快、计算精度高的优点.利用该算法对随钻电磁波电阻率测量仪器在轴对称二维地层中的响应进行数值模拟.模拟结果显示,幅度衰减曲线和相位移曲线受井眼、侵入和围岩的影响程度不同,二者径向探测深度和垂向分辨率也有差异,利用补偿后的幅度衰减电阻率曲线和相位移电阻率曲线交叉点的坐标可精确确定地层层界面位置.

随钻电磁波测井仪器结构影响的三维有限元模拟

利用三维有限元方法模拟钻铤、线圈衬底、天线槽、天线槽填充物及屏蔽罩等仪器结构对随钻电磁波测井响应的影响。结果表明:实际仪器结构中低阻的钻铤、线圈衬底和屏蔽罩导致电磁信号明显衰减,而高阻的天线槽填充物对仪器信号无明显影响。在兼顾仪器机械强度的条件下,通过减小天线槽深度、增大天线槽长度和占空比可以降低电磁信号衰减。仪器结构影响导致仪器响应随地层电阻率非线性变化,扣除仪器结构影响后,仪器响应恢复了随地层电阻率在较宽范围内线性变化的关系,可以满足仪器线性刻度需要。由于扣除仪器结构影响后线圈中磁通量减小,仪器响应略小于无仪器结构影响时的响应。

径向成层介质的Green函数及其在随钻电磁波电阻率测量中的应用

采用递推矩阵方法计算径向成层介质的Green函数,根据圆柱形层界面处电场和磁场的连续性条件得到确定待定系数的矩阵方程组,并通过递推方法快速求解。采用将变型Bessel函数的指数项单独列出的方式有效地解决了Green函数计算中的上溢问题。用得到的Green函数对随钻电磁波电阻率测量仪器进行数值模拟,分析钻铤的影响规律、井眼校正方法和仪器的径向探测深度。结果表明,只须改变方程组中源项元素的位置,可以方便地得到源点和场点在任意层时的Green函数,形式简洁,易于编程。在仪器测量范围内金属钻铤对随钻电磁波电阻率测量仪器的影响可近似视为恒定,在井眼直径较小且钻井液电导率较低的情况下无须对随钻电磁波电阻率测量仪器进行井眼校正,仪器的径向探测深度并非只取决于仪器参数,也与侵入带电导率、地层电导率以及井眼因素有关。所得到的结论可为随钻电磁波电阻率测量仪器的研制和使用提供理论指导。