瞬变电磁测井实验研究

文章给出瞬变电磁测井原理的实验验证。用外径为113 mm、壁厚6 mm、长1 m的有机玻璃管模拟裸眼井井眼、用外径350 mm、壁厚10 mm的粗有机玻璃管模拟地层,粗有机玻璃内放置盐水模拟地层的电阻率,用长1 m的5.5 in(1 in=25.4 mm)套管制作套管模型井,同样,用直径300 mm、壁厚10 mm的粗有机玻璃管模拟地层。自制发射和接收线圈,用间距150 ms的方波激发,测量不同源距的接收波形,获得了瞬变电磁响应随源距的衰减规律。改变盐水的电阻率重新测量,用不同地层电阻率的响应相减抵消瞬变电磁激发响应的一次场,获得了直接反映地层电阻率的二次场响应波形。实验发现:理论计算的二次场响应波形特征与实验结果一致,即裸眼井的二次场在瞬变激发的两侧(通断前后)均有极值,而且符号相反;套管井的二次场仅仅在一侧有极值。但是,由于激发电路衰减常数的影响,实际测量的二次场波形在电流突变一侧的幅度大,在指数衰减一侧的幅度小。裸眼井的二次场幅度远远大于套管井的二次场幅度,套管井地层电阻率测量的原始信号很小。

瞬变电磁测井原理研究Ⅲ:电磁波

瞬变电磁测井满足Maxwell方程,包含电磁波传播过程及其影响。从Maxwell方程出发,分析了无限大均匀介质电导率对电磁波传播速度的影响,与空气中的电磁波传播速度是常数不同,一般介质的电磁波传播速度随频率改变,低频时变化很大。利用裸眼井模型对井内的电磁波传播特征进行研究,给出了描述井内电磁波传播的二维谱及其频散曲线。在高频段(大于100 MHz)与声波测井相似,井内传播的电磁波也具有频散效应,速度随着频率的增加从地层的电磁波速度连续改变到井内液体的电磁波速度,在有些频率段,其速度与地层的电磁波速度一致。在这些频率测量电磁波能够得到地层的电磁波速度,从中获得地层的介电常数,这是由井的圆柱形边界导致的。与声波测井不同,在低频段地层的电磁波传播速度随频率改变,在井中所测量的电磁波速度也随频率改变,这种现象主要由电磁感应引起,与地层的电导率有关。这一部分的响应特征构成了瞬变电磁测井电阻率测量的基础。

瞬变电磁测井原理研究I:Doll几何因子

瞬变电磁测井是一种通过井内大功率瞬变电磁激发测量井内电磁感应电动势的方法。与电极、侧向与感应等电测井方法不同,瞬变电磁激发的电磁场频率是连续的,采集到的感应电动势也是连续波形,测量的原始数据量大、所携带的地层信息丰富。瞬变电磁激发的电磁场在地层中会产生二次场,该二次场可以用Doll几何因子进行描述。给出瞬变电磁激发信号为阶跃函数时井内二次感应电动势的响应曲线。从曲线上发现,在激发波形发生突变的位置,井内电磁感应电动势响应信号的幅度最大,当激发波形恒定后,响应信号从最大值连续变化到0。二次感应电动势曲线的幅度与地层电导率成正比。实际的瞬变激发波形不会突变,会有一定的延迟和过渡过程,用一阶网络的指数衰减模拟激发波形后发现,其响应波形的幅度减小,指数衰减越慢,其二次场响应幅度越小。

瞬变电磁测井原理研究Ⅵ:过套管电阻率

为在套管井瞬变电磁测井响应中获得地层电阻率信息,用套管井模型和实轴积分方法对线圈激发的瞬变电磁场进行研究。用不同地层电导率的响应差将直接耦合场(一次场)去掉,剩下反映地层电导率的二次场。将裸眼井和套管井的一次场和二次场对比后发现,套管井和裸眼井的一次场响应形状固定,幅度随套管尺寸改变。裸眼井的二次场响应波形在突变激发的两侧分布着正负2个峰值,套管井则仅在一侧有峰值,另外一侧的峰值被套管屏蔽。裸眼井的二次场随时间单调衰减很快,而套管井的二次场响应则随时间衰减比较慢,在200ms以后还会出现峰值。这样,便有2个区域可以用于地层电导率的测量,一个在激发的突变位置附近,另外一个在激发结束200ms以后,俄罗斯的过套管测井选择了第2个测量区域。在这个区域内,一次场幅度已经很小,并且是单调减小,而二次场则有形状变化,采用频谱分析等手段获得这些形状信息即可获得二次场,该信息与地层电阻率有直接关系,可以构建工程量,将电阻率信息放大,对其刻度即可实现过套管电阻率测量。

瞬变电磁测井原理研究Ⅳ:二维谱

在井条件下解Mexwell方程研究裸眼井的瞬变电磁测井低频响应及其二维谱,频率范围为1～30 Hz.低频段的响应主要受地层电导率影响;电磁波传播速度很低,传播过程不明显,满足电磁感应原理,其二维谱主要刻画电磁感应现象.二维谱的实部很大,虚部很小,对应的测井响应中与地层电导率参数无关的直接耦合信号幅度很大,反映地层电导率的响应幅度很小.将不同地层电阻率的响应波形相减得到的响应差与地层电阻率有关,电阻率越大,响应差的峰值越大;响应差的峰值偏离激发波形突变位置,接收线圈距离发射线圈越远,响应差的峰值偏离波形突变位置的时间越大.这些差别刻画了瞬变电磁测井的主要特征是由地层的电导率产生的.

瞬变电磁测井原理研究Ⅱ:精确解的响应

Doll几何因子没有考虑地层的集肤效应和单元环之间的相互影响,所得到的响应在高电导率地层误差比较大。用Doll几何因子计算瞬变电磁测井响应的误差也相应比较大。用无限大均匀介质响应的精确解势函数计算瞬变电磁测井响应。与Doll几何因子不同,精确解势函数的实部和虚部都参与了计算,其响应的频谱总体变化趋势比较平稳,没有像Doll几何因子那样随频率线性增加,响应波形的实部与激发波形相似,虚部在激发波形突变处也呈脉冲形状。设计了含正负幅度值的方波激发波形,用这样的波形激发,其响应的实部与激发波形相近,虚部则在方波的突变处最大,随着时间的推移,幅度连续减小。进一步用势函数计算瞬变电磁感应电动势后发现,在激发波形的突变处,电磁感应电动势比较大,容易测量。