（测试计量技术及仪器专业论文）随钻电磁波传播测井井下电路研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 随钻电磁波传播测井井下电路研究 测试计 袁阿明 王东旭 党瑞荣 随钻测井是近几年来迅速崛起的先进测井技术。随钻测井资料是在泥浆滤液侵入地 层之前或侵入很浅时测得，与常规测井资料相比，其更为客观真实地反映了原状地层的 实际地质特征，可提高地层评价的准确性。另外，对于大斜度井和一些有着特殊地层的 井，随钻测井有着电缆测井无法比拟的优势。 本文研究的随钻电磁波电阻率测井系统主要包括信息采集、信号处理、数据处理和 存储及通讯四部分内容。信息采集部分主要完成相位信息的采集和幅度信息的采集；信 号处理部分主要完成对接收信号的放大滤波；数据处理部分从软件的角度对数据进行软 件滤波、求平均等处理；存储及通讯部分主要研究数据和程序的存储和读取，以及仪器 采集完成后与上位机通讯等问题。 该系统基于高性能数字信号处理芯片和可编程逻辑器件设计而成，提高了整个测量 系统的集成度、测量精度、可靠性和高效性。在幅度采集中，分时采样方法的提出使速 度和精度同时得到保障。用测量时间差的方法来获取相移信息降低了硬件结构的复杂程 度，提高了测量精度。试验表明，本文中所提出的相位和幅度采集方法以及信号处理电 路设计是切实可行的，该技术为今后随钻电磁波测井提供了一种重要的参考。 关键词：电磁波电阻率相位测量幅度测量 论文类型：应用研究 l i 英文摘要 s u b j e c t ：c r i r c u i td e s i g no fe i e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o nl o g g i n g s p e c i a l t y ：t e c h n o l o g y & i n s t r u m e n to f t e s ta n dm e a s u r e n a m e ：y u a na m i n g ( s i g n a t u r e ) 拯纽鱼幽 i n s t r u c t o r ：w a n gd o n g x u ( s i g n a t u r e d a n gr u i r o n g ( s i g n a t u r e l w di san e wk i n dw e l ll o g g i n g ty e a r s i n f o r m a t i o no f l w da r eu s u a l l ya c q u i r e db e f o r em u d - f i l t r a t ei n v a d i n gs t r a t ao rw h e nf i l t r a t e - i n v a d e dz o n ei s s h a l l o w c o m p a r e dw i t ht h er o u t i n ew e l ll o g g i n gd a t a , l w dh a sr e f l e c t e dt h ep r i m o r d i a l f o r m a t i o n so fg e o l o g i c a ls t r a t ao b j e c t i v e l ya n dh a si m p r o v e dt h ea c c u r a c yo fs t r a t ae v a l u a t i o n d a t a m o r e o v e r , l w dh a st h es u p e r i o r i t yt h a tw i r e l i n el o g g i n gd o e sn o th a v e ，e s p e c i a l l ya t d e a l i n gw i t hh i g ha n g l ed e v i a t e dw e l l sa n d s o m ew e l l sw i t hs p e c i a ls t r a t af e a t u r e s t h i sd i s s e r t a t i o nd e r i v e df r o ma ne l e c t r o m a g n e t i cw a v er e s i s i t i v i t yw e l ll o g g i n gs y s t e m h a si l l u s t r a t e dt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t so fl w d ：i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，s i g n a la n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，d a t as t o r a g ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o n t h ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n p a r th a sc o m p l e t e dt h et a s k so fp h a s ea n da m p l i t u d ei n f o r m a t i o nd e t e c t i o n t h es i g n a la n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp a r th a sm a i l l l ya c c o m p l i s h e dd a t aa m p l i f y i n ga n df i l t e r i n gt h e r e c e i v e ds i g n a lt om e e tt h es a m p l i n gr e q u i r e m e n t s i td i s c o u r s e st h em e t h o d so fd a t af i l t e r i n g a n da v e r a g i n gw i t hs o f t w a r ei m p l e m e n t d a t as t o r a g ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o nm a i n l y r e s e a r c ho nt h ea c c e s so fd a t aa n dp r o g r a m ，a n dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nw i mc o m p u t e ri nt h e p r o c e d u r eo fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n t h i ss y s t e mb a s e do nh i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra n dc o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c eh a si m p r o v e dt h ei n t e g r a t i o n ，t h ea c c u r a c y , t h er e l i a b i l i t ya n dt h e e f f i c i e n c yo ft h em e a s u r es y s t e m a m p l i t u d e d e t e c t i o nw h i c hh a sm e tt h ed e m a n d so fs p e e d a n da c c u r a c yi sc o n d u c t e di nd i f f e r e n tt i m ep e r i o da n dh a so b t a i n e di n f o r m a t i o ni nr e a lt i m e t h em e t h o do fd i f f e r e n t i a li nt i m ed o m a i nu s e dt od e t e c tp h a s ei n f c i r m a t i o nh a sl o w e r e dt h e c o m p l e x i t yo fh a r d w a r eo b v i o u s l ya n di m p r o v e dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t si ne x p e r i m e n t s t h ea m p l i t u d ea n dp h a s ed e t e c t i o nm e t h o d si nt h i sd i s s e r t a t i o na n dt h ed e s i g n e dc i r c u i t so f s i g n a lp r o c e s s i n ga r ef e a s i b l e t h i st e c h n o l o g yr e l e a s e sa l li m p o r t a n tr e f e r e n c ei nt h ef i e l do f iw d k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，e l e c t r o n i cr e s i s t i v i t y , p h a s em e a s u r e m e n t ，s c o p e t h e s i s ： s u r v e y a p p l i c a t i o ns t u d y l l i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：袁煎绸日期：金丑! 量! ! ! 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：兹豳鲳 导师签名：聋。如够 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 随钻电磁波传播测井技术发展与现状 1 1 1 随钻测井概述 随钻测井是指：在地层刚钻开后，在井眼未扩径、泥浆还未侵入地层时测量地层信 息的一种新型测井技术。随钻测井可实时提供、反映地层真实信息的资料，能对地层做 出快速准确评价和地质导向；随钻测井能真实反映原状地层的地质特征，提高地层评价 测井数据的质量，还能降低作业风险和成本。随钻测井技术是测井、钻井、地质、机械 等专业知识和技术的综合应用，涉及物理、电子信息、通讯、材料自动控制等多学科的 高新技术i l l 。从刚开始的一根导线 2 3 1 到泥浆脉冲遥传，再到电阻率、声波、核磁共振 以及现在的随钻系统s c o p e ，随钻测井发生了翻天覆地的变化。 在过去2 0 多年里，在油公司的需要和钻井技术发展的推动下，各种随钻测井仪器 相继研制成功，l w d 井下探头组合的内容不断丰富，能进行电、声、核随钻测井的探 头逐渐增多，方向测量探头得到发展，综合利用l w d 探头和方向探头测量信息的地址 导向技术开始发展1 3 7 1 。由于电缆测井技术在满足对实时信息需要方面存在不足，随钻 测井技术的应用市场会越来越大，技术发展空间也很大。未来的勘探地质目标将日益复 杂，以地质导向为核心的定向钻井技术的应用会越来越多。定向钻井技术的发展，钻井 自动化程度的提高，对随钻测井技术的依赖会不断加强。从国外测井现状来看，随钻测 井己慢慢成为测井发展的主导方向。但纵观国内随钻测井技术，虽然国内一些油田曾有 过这方面的一些产品，但测试效果差强人意。希望本文中的一些想法和设计能为国内随 钻测井和随钻测井的设计者些许帮助。表1 11 2 1 中描述了随钻测井发展过程中一些里程 碑事件。 1 1 2 随钻电磁波传播测井的发展及国内外现状 电磁波传播测井又称为介电测井。普通电阻率测井，测向测井和感应测井都是利 用地层孔隙流体的导电性质来区分含油、气和含水地层。当地层水是淡水( 或水矿化度 极低) 时，上述测井方法就无法对地层孔隙中的油、气、水含量做出正确的判断，这是 因为地层水的导电性已不再和油气、岩石骨架的导电性存在明显差别。因此，在此情况 下就要用电磁波传播测井了。随钻电磁波测井方法的理论依据是电磁波传播效应，不同 地层的地质参数有差异，对于高频电磁场的响应也各不相同，而且不同的钻井环境( 如 油基钻井液，空气钻井) 也会影响电磁场的分布，通过检测电磁场的变化，可以获得地 层和钻井环境的有关信息。随钻电磁波测井中一个十分重要的方面就是电阻率地层评价 测井和地质导向( 所谓地质导向就是用随钻地层评价数据对水平井或大角度斜井进行实 两安石油大学硕士学位论文 时、交互式顺层追踪，把非垂直井眼引导到最优化的地质目的层) 【5 “】。 表l - 1 随钻测井技术发展 年份早程碑技术 1 9 2 9第一项随钻测量专利 1 9 3 0 电缆传输的随钻电阻率测井 1 9 6 9 第一代泥浆脉冲遥测技术 1 9 7 0 第二代泥浆脉冲遥测技术 1 9 7 8 泥浆遥测系统t e l e c o 商业化 1 9 8 4 随钻电磁波电阻率测井 19 8 6 随钻中子孔隙度测井 1 9 8 7 随钻密度测井 1 9 9 3 电阻率、密度、中子三组合随钻测井 1 9 9 4 硬地层随钻声波测井 1 9 9 5 随钻电阻率、密度成像测井 1 9 9 8 软地层随钻声波测井 2 0 0 1 随钻核磁共振成像测井仪 2 0 0 3随钻地层压力测试器 2 0 0 5 新一代随钻测井系统s c o p e 早在2 0 世纪6 0 年代，苏联已经开始了电磁波测井的研究并取得了一些成果。1 9 6 6 年，达耶夫提出了一种高频测井方法，其原理是测量距发射线圈不同距离的两个线圈电 磁场的相位差，实验发现当测量频率达到几十兆赫兹时，相位差主要取决于岩层的介电 常数。这个发现给电测井提供了新的发展方向。后来莫斯科地质学院、苏联科学院西伯 利亚分院地质和地球物理研究所等一些单位在高频测井领域完成了大量的工作。 由于信息传输技术、处理技术的发展和材料领域技术的进步，随钻测井技术发展 的速度进一步加快。测井技术的发展也将促进有更多的方法加入到随钻测井的行列。随 着随钻技术的发展，随钻测井的成本将大幅度减低，在勘探阶段( 裸眼井) 随钻测井替 代电缆测井的领域会不断扩大。同时随着经济日新月异发展，新的钻井技术层出不穷， 进一步促进了随钻测井技术的发展。二十世纪末期出现的l w d 仪器，能够提供研究井 下地质环境和钻井过程所需的资料。这些l w d 仪器包括高分辨率电阻率、孔隙度、声 波、井眼成像、地层倾角、环空压力、泄漏和地层综合测试仪等。 在石油工业勘探开发中，地层电阻率测量是测井解释评价油气储藏的主要依据。随 钻测井是重要的地层电阻率测量方法之一，它诞生于2 0 世纪5 0 年代初，是为了解决淡 水和油及泥浆井中的电阻率测量而提出的。随钻电磁波电阻率测井仪器的产生是以测量 场的相对特性为基础，是电磁波传播测井理论、现代科学技术发展与石油测井需要相结 合的产物。 a 国外随钻电磁电阻率测井技术发展现状 目前随钻测井技术主要被斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿公司所垄断。其中斯伦 贝谢为国际上随钻测井技术的领头羊，服务领域从早期主要集中在海洋钻井平台服务逐 2 第一章绪论 步向陆地钻井服务中推进。在北海、墨西哥湾、中东、南海、渤海、东海、西非等区域， 随钻测井的份额在迅速增加。 在美国以五大石油公司为主，与休斯顿等多个大学的研究单位协作开展了大量的研 究，先后发表了近百篇专利，最具有代表性的是斯伦贝谢测井公司研制的电磁波传播测 井仪( e p t ) ，并很快的推向生产，由于其操作频率为1 1 g h z ，主要能测井壁附近的介 电常数，径向探测深度只有几英寸。另外，斯伦贝谢公司还开发了2 5 m h z 的深传播测 井仪( d p t ) ，在泥浆电阻率和地层电阻率满足一定条件的井中，可以测得原状地层的 电性参数，特拉斯公司推出的4 7 m h z 和2 0 0 m h z 的双频电磁波测井仪器，具有不同的 径向探测深度，由于两个频率的差别太大岩性频闪明显，而无法组合进行有效的解释工 作。斯伦贝谢测井公司以及哈里伯顿等公司还各自开发了自己的用于随钻测量( m w d ) 的操作频率为2 m h z 的电阻率传感器，它可对地层进行实时评价。由于其操作频率较低， 测量的电磁波幅度衰减和相位差主要反映了地层电导率。幅度电阻率和相位电阻率具有 不同的探测特性【7 】。然而，目前国内外几乎所有的主流介电测井仪，因为体积、功耗等 因素的影响都没有被广泛应用1 8 - 9 1 。 随钻电阻率测井侧向类仪器开发较早，它是在电极测井的基础上发展起来的，具有 代表性的实用仪器是s c h l u m b e r g e r 公司在2 0 世纪9 0 年代中期推出的钻头电阻率测井仪 r a b ( r e s i s t i v i t y a t b i t ) ，提供多个探测深度的聚焦电阻率测量，并可以进行电阻率成 像；以及近年在r a b 基础上推出的新一代钻头电阻率测井仪g v r ( g e o v i s i o n ) ，g v r 使用5 6 个方位数据点进行全井眼成像，图像分辨率比r a b 有较大提高，用于探测薄层， 构造倾角和裂缝分析；钻头被用作一个测量电极，真正做到近钻头测量，测量结果直接 反映钻头处的地层信息，用于实时选择下套管和取心位置，增强了地质导向的精度。 随钻电阻率测井感应类仪器是在常规感应测井仪的基础上发展起来的，早期的随钻 测井感应类仪器使用一个2 m h z 的发射器和两个接收器，通过比较两个接收器之间地层 信号相位，进而确定地层电阻率。对于新型的随钻电磁波电阻率测井仪，国外各家公司 在仪器结构和仪器方案上一般都相似，均采用多发射、多接收线圈系结构，两个或多个 发射线圈分放在接收线圈的两端，测量两个接收器之间的相移和衰减，并进行平均处理。 仪器采用两种工作频率，高频一般都使用2 m h z ，低频为：2 0 k h z 、2 5 0 k h z 、4 0 0 k h z 、 5 0 0 k h z 。这些仪器在一些小的方面各有不同，如线圈系数量或排列方式不同，低频的 工作频率不同。吉尔哈特( g i l h e a r t ) 公司正在试验一种独特的随钻c p r t m 电磁波传播 电阻率仪( c o m p a c tp r o p a g a t i o nr e s i s t i v i t y t 0 0 1 ) ，其发射线圈和接收线圈分别放置在 仪器的下端和上端，仪器长度相对较短，采用深度偏移井眼补偿方法，类似于传统长源 距声波测井仪器的结构1 9 1 0 1 。可以看出，这种结构不同于其它公司的仪器：其他公司电 阻率仪的两个( 或多个) 发射线圈分别放在接收线圈的两端。 在介电常数的影响方面，各服务公司一般假设测量结果只与地层电阻率有关，介电 常数是地层电阻率的函数或者为一个已知常数。在高阻地层条件下，地层介电常数变化 西安石油大学硕士学位论文 对测量结果的影响不可忽略，各服务公司使用了不同的介电常数模型( 在后文中说明) ， 对测量结果进行校正。 b 国内随钻测井技术发展现状 目前，我国东部主力油田急需解决剩余油测井和薄层测井的难题，由于高频电磁波 测井能同时提供地层的介电常数占和电阻率p ，其纵向分辨率较好，而具有应用潜力。 2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代初，国内外陆续研制出一些高频电磁波测井仪器，已取得一 定的应用效果，尤其是在判断水淹层方面显示出它的独到之处。 解放初期，当时的机电部2 2 所与石油勘探开发院曾做过“随钻测量电磁波传输信 道可行性研究 的研究，但都未取得可以应用的成果。直到2 0 世纪6 0 年代我国才在电 磁波测井的研究和发展中取得了一些成果。大庆测井公司地球物理研究所与多家单位协 作，在电磁波测井方面作了大量的研究工作。在理论推导、仪器研制、实验室高频岩层 电性等方面与吉林大学理论物理教研室、哈工大、石油大学、黑龙江自动化研究所和中 国电磁波传播研究所等单位开展了大量的协作。先后研制除了多种频率的电磁波测井仪 器。其中包括：测相位差来求解地层介电常数为6 0 m h z 的仪器，试验了测量相位差和 幅度比的2 5 m h z 节点测井仪，研制成功了相当于斯伦贝谢公司的1 1 g h z 电磁波测井 的介电测井仪，试验了用于随钻测井的2 m h z 相位差相位电阻率仪器1 1 0 1 1 1 3 】。 由于多频电磁波测井能够测量不同深度的介电常数和电导率，因而收到广泛的关 注。目前，多频率电磁波测井仪的研究还限于理论研究和试验阶段，还有好多问题有待 研究。佟文琪等在国家自然科学基金资助下进行了多频率电磁波测井资料反演方法和井 壁成像技术研究并已研制出室内的试验样机。沈会松也进行了多频率电磁波测井资料反 演成像的研究。刘四新等在日本研究开发了基于网络分析仪的多频率电磁波测井仪，并 给出了油水层界面以及不同厚度薄层的数值模拟结果和在日本某地的实验结果。该系统 采用具有一定带宽的偶极子天线座位发射和接收天线，能够同时测量4 0 - 9 0 m h z 范围的 介电常数和电导率 1 4 1 。 总之，我国对随钻测井的研究和使用还处于发展阶段，随钻测井的井数不多，即使 是进行了随钻测井的井，测的资料也不全，一般仅有随钻自然伽玛、电阻率资料和孔隙 度资料。所以，利用现有的资料对随钻电磁波电阻率测井技术及资料解释进行一些前沿 性的研究很有必要。 1 2 随钻电磁波传播测井的研究背景、目的及意义 近几年来，随着油气勘探开发对象的日趋复杂，勘探开发的难度越来越大，一些隐 蔽油气藏、复杂油气藏成为勘探开发的重点。在海外石油工程技术服务市场，没有随钻 测井能力，很难参加海上技术服务投标。面对复杂的勘探对象，要有效地识别储层中的 油、气层，使用传统的分辨率较低、直观性较差、解释油气层出现多解性的常规测井技 术和方法，已经不能满足勘探生产的需要，迫切需要深探测、高分辨率和高精度的测井 4 第一章绪论 仪器系列和测井解释方法。随钻电阻率测井是在油气勘探面临十分复杂的地质条件下， 为提高油气田的采收率、油气层的钻遇率、提高钻井的总体效率、降低钻井总成本而发 展起来的一项技术。随着国内勘探开发自身发展的需要，对钻井工程提出的技术也越来 越高，随钻测井技术把地质参数和钻井工程参数紧密结合起来，是地质、钻井、测井等 专业的结合，这项钻井综合技术的广泛应用将使我国的钻井工程技术有质的飞跃。随钻 测井仪能够最大限度地缩短地层从钻开到测量的时间，更准确的反映地层情况并对随钻 测井能实时进行地层评价，及时修正井眼地层的轨迹，对油气层的开发评价具有非常好 的效果。本文对随钻电磁波电阻率测井仪器的研究，有利于促进我国随钻电阻率测井技 术的发展，为随钻测井仪器的研究奠定一定理论基础，以缩短我国测井技术与国际测井 技术的差距，因此，本文的研究在理论和实际应用方面都有着重要的意义。 1 3 本文主要工作及研究内容 本文的目标是进行随钻电磁波传播测井方法研究和采集电路的实现。通过数值模 拟，开展了电磁波传播测井方法研究，确定线圈系结构、工作频率与测井响应之间的关 系，完成随钻电磁波传播测井仪器实施方案的设计，结合现有l w d 技术进行基本随钻 测井系统设计，为下一步研制随钻电磁波传播测井仪器奠定基础。 本文主要是对随钻电磁波传播测井井下电路部分进行分析研究。主要研究内容有： a 随钻电磁波传播测井理论研究及线圈系设计。随钻电阻率测井仪通过发射线圈发 出的电磁波，经过地层介质到达接收线圈，通过接收线圈测量电磁场幅度和相位衰减， 从而反映地下介质的电磁特性，而电磁场的幅度和相位可由介质中电磁波满足波动方程 来确定( 设收、发线圈在同一轴线上) 。在线圈系的设计上，主要参考国外一些仪器线 圈系的设计，并对其测量结果与线圈参数的关系进行分析，并根据相关理论优化线圈参 数与测量结果之间的关系，再根据优化后的结果来设计新的线圈系，从而达到线圈系的 优化设计。 b 相位、幅度信息采集电路研究。在相位信息采集中，本文采用测量时间差的方法 来实现相位信息的采集；这种方法电路简单，测量精度高，可以大幅度缩短仪器开发周 期，减小仪器体积。在幅度信息采集中采用等效采样的方法获取信号的幅度信息；与以 往的e p t 仪器相比，提高了电路的集成度。高速、高精度i c 的应用提高了系统的测量 精度。 c 信号处理电路研究。经过地层后返回的信号，信号衰减及失真( 噪声) 情况严重， 所以需要一套可行的预处理电路进行信号处理。文中主要对前置放大电路，滤波电路进 行了分析和研究。 d 低功耗及抗干扰研究。因为随钻测井本身的特殊性( 环境因素) ，使得低功耗和 抗干扰研究显的必不可少。文中对系统的低功耗，和抗干扰问题进行了初步的分析和研 究。 西安石油大学硕十学位论文 总之，本文对随钻电磁波电阻率测井仪器的相关理论进行了较为详细的分析和研 究，根据理论研究和计算结果，选择并确定了具体的仪器参数，包括发射、接收线圈的 结构、间距、匝数、发射频率、发射电流等物理参数和结构参数，进而根据所确定的参 数，分析和计算了接收信号的特性，并依此作为检测电路的依据，设计了以d s p 、c p l d 为主要检测与控制单元的电路系统，进行了仿真和调试，构建了较为完整的随钻电磁波 测井仪器的电路系统，达到了较好的效果。 6 第二章随钻电磁波传播测井理论研究 第二章随钻电磁波传播测井理论研究 结合目前国外的成熟随钻电磁波电阻率测井仪器，根据数值模拟结果和结论，总结 了仪器设计和研制需要重点解决的关键问题；并分析讨论了未来仪器应用时需要注意的 重要问题。根据随钻电磁波电阻率测井响应的解析解结果，分析了频率、线圈结构、激 励信号功率等参数对测量结果的影响，为仪器精度范围和检测信号级别的确定以及仪器 的具体设计等提供了定量依据。 2 1 随钻电磁波测井理论研究 电磁波通过地层时，相位和幅度会随地层介质的不同而不断发生变化。这是因为电 磁波在介质中传播时，介质对电磁波有吸收作用，不同的介质对电磁波的吸收程度也有 所不同，主要体现在电磁波的幅度衰减和相位的偏移上。不同的介质对电磁波的吸收存 在差异，这种差异与介质的电阻率、介电常数和磁导率有关。如图2 1 所示。实线为激 励源，虚线为通过一定介质后所接收到的响应，也就是说，电磁波在传播过程中发生了 衰减和相移。 幅 度 席凇、 一 么 卜以1 ， q 留一盘 图2 - 1 电磁波传播原理 从物理学的角度来看，凡能在电场中被极化的物质被称为电介质。而地层介质的电 磁特性可以用一些物理参数来表述：9 , 巧肜g 。其中p 表征岩石电学性质的参数电 阻率，o r 表征电导率，为电阻率p 的倒数，f 表征地层的介电性质或极化能力。对于沉 积岩来说，除含有较多的铁磁性矿物外，其导磁率和真空导磁率没有什么差别。因此， 在以沉积岩为主要目的层的油、气勘探中，导磁率一般取真空中的导磁率【l h 2 1 。 随钻电磁波电阻率测井是电磁波传播测井的一种，也是本文的主要研究对象，其原 理与感应测井的原理基本相同，探测器的基本结构为单发双收的三线圈系结构，如图 2 2 所示，其中，发射线圈为t ，两个接收线圈分别为r 1 和r 2 ；r 1 和r 2 距t 的距离 分别是l l 和l 2 ，l i l 2 ；两接收线圈匝数相同，均为。测井时测量两接收线圈间的 感应电动势的幅度衰减e a t t ( e l e c t r o m a g n e t i ca t t e n u a t i o n ) 和相位差西，测量这两个 参数的优点为：一、幅度比和相位差为相对测量，可以降低井眼和线圈尺寸的影响；二、 7 两安r i 油大学硕士学位论文 无需去掉直耦信号，简化了仪器结构，降低了仪器实现的复杂程度。 若接收线圈r 1 的电动势为k 而接收线圈i 也的电动势为，则幅度衰减e a l r t 和相位 差分别表达为： i 1 、 图2 2 电磁波传播测井仪结构示意图 e a t t ：2 0 1 9 叫 ( 2 1 ) lkl = l 一2 ( 2 - 2 ) 其中，i k i 、i i 分别为电动势k 和的模值； 。、：分别为电动势k 和圪的相位角。 信号处理电路将采集到的幅度比和相位差转换成相应的电阻率，从而获取地层信 息。从理论上讲，由幅度比和相位差可以准确求出地层的介电常数和电阻率。但是，由 于在随钻测井中受仪器测井数据处理能力的限制，而且由于测量一种参数仪器的存在， 使得这种转换工作是在一种相对简化的处理模型条件下进行的：在均匀介质条件下，用 一个精确的理论模型来计算相位差和幅度比与电阻率的函数关系，以此为依据对仪器在 非均匀介质中的相位差和幅度比进行转换，得到两个独立的视电阻率。在此转换过程中， 为了减少对高阻测量的影响，必须考虑介电常数的贡献，常用的作法是将地层介电常数 取为某油田介电常数分布的几率中值，或采用岩心分析数据得到的介电常数和电阻率的 函数关系来确定介电常数f 5 1 【6 1 。国外公司的作法是建立经验公式或预先设定介电常数 值，构成所谓介电常数模型 1 5 - i s ，如表2 1 所示。 均匀介质中，两接收线圈中的感性电动势为1 1 1 歧。 巧= f c 孚( 1 一f 托，) ，歹= 1 ，2 ( 2 3 ) 8 第二章随钻电磁波传播测井理论研究 表2 - 1 国外不同服务公司使用的介电常数模型 服务公司相对介电常数备注 b a k e rh u g h e s ，= 6 4 + 4 5 2 5 5 4 1 + 4 1 + ( 2 2 7 5 r 。) 用于2 m h z 测量 i n t e q i ；r = 6 4 + 4 5 2 5 5 x 1 + 4 1 + ( 11 3 7 5 r 。) 用于4 0 0 k h z 测量 w e a t h e r f o r d r = 2 1 0 x r t 0 4 2用于2 m h z 测量 c o m p u t a l o g & r = 4 8 0 x r t o 4 9 + 8用于4 0 0 k h z 测鼍 e r = 10 8 5 r ，3 5 + 5 ( a w r ) p a t h f i n d e r e r = 1 0 ( c w r ) s c h l u m b e r g e r e r = 10 8 5 r - 0 3 5 + 5 用丁二2 m h z 测量 a n a d r i l l r = 2 7 9 7 x r t - o - 6 4 + 5 用于4 0 0 k h z 测量 式中：c = t c o l t s 2 n r n r i 将k = a + 泸代入( 2 3 ) 式可得： 其中： _ 等k + ，( 1 + 以) 】一1 ，2 则感应电动势的幅度值和相位分别为： ，p = ( 2 4 ) 阱譬厄所可，j f = 啦 ( 2 - 5 ) f ：i r a ( 1 n _ ) ：一a 三f - a r c t a n ( 兰磐) ，j f ：1 ，2 ( 2 - 6 ) 2 n _ ) 一a t 产) ，j f = 1 ，2 2 - 6 ) 从而可得到两接收线圈中的感应电动势的幅度比e a t t 和相位差分别为： e a t t = 2 0 1 9 i f k _ i = 1 0 l g 【( 口厶) 2 + ( 1 + 珈一l g 【( 口厶) 2 + ( 1 + p q ) 2 】 ( 2 7 ) - t - 6 0 ( 1 9l a l g 2 ) + 8 6 8 6 f l ( i a 一厶) 9 两安石油人学硕士学位论文 a o ：。一2 ：口( 厶一厶) + a r c t a n ( 生磐) 一a r c t a n ( 毕) ( 2 8 ) 口l 2a h 由( 2 7 ) 和( 2 8 ) 式，即可由幅度比e a t t 和相位差a o 转换得到衰减电阻率足甜和相 位差电阻率r 。其中口称为幅度衰减系数，称为幅度衰减系数。 关于随钻电阻率测井仪器的幅度比和相位差曲线的探测深度存在两种观点 s l i 6 1 s l ： 一是认为两者具有不同的探测深度，幅度比的探测深度比相位差的探测深度大；二是认 为两者的探测深度具有相同的数量级或相等。 在理论层面上持这两种观点的人仍各持己见，但是，在工程应用上目前普遍的观点 是：幅度比曲线有较大的探测深度，但是纵向分辨率较差；而相位差曲线探测深度较浅， 但是分辨率较好。因此，通常把衰减电阻率作为深电阻率使用，而把相位差电阻率作为 浅电阻率使用。由于衰减电阻率的应用范围较相位差电阻率的应用范围小，避免幅度比 和相位差探测特性争议的重要做法是增加发射线圈的个数从而增加测量信号个数，用不 同源距、同一类型的曲线进行地层评价，目前相位差曲线的应用得到进一步的重视 【1 5 1 8 j 。 2 2 随钻电磁波电阻率测井数值模拟结果及分析 均匀介质中的随钻电磁波电阻率测井响应的解析解，以及非均匀介质中的n m m ( m u m e r i c a lm o d e m a t c h i n gm e t h o d ) 法和f f h t ( h a n k e lf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 法的结 果已经得到直接验证和间接验证，其正确性和效率毋庸质疑。因此，在均匀介质中，主 要针对线圈结构、源频率和介电常数等对测井响应的影响进行了讨论分析；在分层均匀 介质且垂直井眼的地层模型中，利用混合法( n m m ) 进行测井响应模拟；在任意多层 介质和井眼倾斜的地层模型中，利用快速傅立叶汉克尔变换( f f h t ) 算法对测井响应 进行数值模拟，并根据具体数值计算结果进行相应的分析讨论。 2 2 1 频率影响 参考国外同类仪器设计，我们取2 m h z 和4 0 0 k h z 作为发射信号频率。图2 3 为不 同频率条件下( 2 m h z 、4 0 0 k h z ) 不同地层( 油层、水层、泥浆) 接收信号幅值与地层 电阻率( r t ) 的关系曲线。根据图2 3 可以看出，对于2 m h z 频率信号，高阻地层时， 介电常数变化对测量结果的影响较大。接收信号的幅值在微伏级，且对低阻地层敏感， p 1 5 0 q m 时，信号的幅度差减小，地层分辨率降低；对于4 0 0 k h z 频率信号，高阻地 层时，介电常数变化对测量结果的影响不大，接收信号对低阻地层敏感，p 1 0 0 q m 时， 信号的幅度差减小。信号幅度与地层电阻率在低阻的条件下( 0 0 l 几十q m ) 呈线性 关系，在低阻地层接收信号幅值虽然小，但变化率大；p 1 5 0q 所时，信号的幅度差减 小，地层分辨率降低。接收信号的幅值在微伏级。 不同频率条件下( 2 m h z 、4 0 0 k h z ) 不同地层( 油层、水层、泥浆) 接收信号相与 1 0 第二章随钻电磁波传播测井理论研究 地层电阻率( r t ) 的关系曲线如图2 _ 4 所示。在2 m h z 的发射频率时，在一定精度范围 内，介电常数对相位差的影响可忽略不计相位差主要反映地层的电阻率。随着地层电 阻率的增大，接收信号相位差在减小，相位差对地层电阻率的分辨率降低了，也说明相 。：! ! 篓! ! ! ! ! 墨! ! ! ! ! ! ! i ! 地层电阻$ 欧姆米 。 l = 鋈l l lf - = 4 0 0 k h z z = i m ； = 15 a i ll 嗣m 围2 - 3 不周频率条件下接收信号幅度与地层电阻牢的关系曲线 位差对低阻地层敏感。在对4 0 0 k h z 信号的m a t l a b 仿真中也得到了相同的结论， 即在一定精度范围内，介电常数对相位差的影响可忽略不计，相位差主要反映地层的电 阻率。但4 0 0 k h z 的信号在低阻层中的检测精度低于2 m h z 的检测精度。通常相位电阻 率的分辨率优于衰减电阻率。在高阻地层中，相位电阻率读数高于衰减电阻率。相位电 阻率和衰减电阻率在低阻地层中的读数相对高阻地层的读数更接近地层真电阻率。 图2 4 不同频率条件下接收信号相位与地层电阻率的关系曲线 通过以上m a t l a b 计算得出，因为受周围地层的平均电阻率( 围岩) 的影响，在低 阻时，相位差主要反映地层电导率的变化，但只有介质均匀时由相位差求得的电阻率在 介电常数已知时才是介质真实的电阻率。而我们设计的随钻电磁波电阻率采用的是双频 誓馨申靶掣端 西安彳了油大学硕士学位论文 体制，即对同一地层分别用2 m h z 和4 0 0 k h z 的信号进行测量，由相位差和幅度比可准 确求出地层的介电常数和电阻率。低频时，在一定精度范围内，介电常数的影响可忽略 不计，此时只由一个参数( 相位差) 也可求得地层的电阻率。对于相位差而言，地层电阻 率p 在1 2 0 f 2 m 之内时，介电常数的影响小于5 t 儿1 9 1 。单频率电磁波电阻率测井、相 位介电测井和感应测井就是以此原理而忽略介电常数对地层电阻率的影响。 2 2 2 线圈系结构影响 线圈距的影响主要指线圈距对接收信号幅度和相位的影响，主要针对s c h l u m b e r g e ra n a d r i l l 公司的c d r ，b a k e rh u g h e si n t e q 公司的d p r 和n a v i g a t o r ，以及s p e r r y s u n 钻 井服务公司的e w r 的进行数值模拟。表2 2 为上述随钻电磁波电阻率测井仪器的主要 参数。图2 5 分别为不同线圈距条件下，接收信号幅度与地层电阻率( r t ) 的关系曲线； 接收信号相位与地层电阻率( r t ) 的关系曲线。 表2 2 随钻电磁波电阻率测井仪器的主要参数 仪器钻铤尺寸 工作 服务公司 线圈排列数据( i n ) 名称 ( i n ) 频率 4 7 5 ，6 7 5 4 0 0 k h zttr r t t m p r 8 2 52 m h z3 5 6 2 5 2 2 3 7 5 4 0 + 4 o+ 2 2 3 7 5 + 3 5 6 2 5 b a k e rh u g h e s trrt i n t e q 4 0 0 k h z n a v i g a t o r 6 7 5 8 0 03 6 1 5 1 + 5 1 + 3 6 1 2m h z 3 5 0 4 0 + 4 0 + 3 5 0 6 5 0 ， trrt c d r 2 m h z 8 0 0 ，9 5 0 一2 8 o - 3 0 + 3 0 + 2 8 0 s c h l u m b e r g e r ttrrttt a r c 4 7 5 4 7 52 m h z a 1 1 a d r 1 1 2 8一1 63+ 3+ 1 0 + 2 2+ 3 4 6 7 5 ， 2m h ztt rrttt a r c 7 8 9 8 2 5 9 04 0 0 k h z3 4 0 2 2 0 3 o + 3 0 + 1 6 0 + 2 8 0 + 4 0 0 6 7 5 ，8 0 0 ， ttrrtt c w r2m h z h a l l i b u r t o n9 5 05 5 0 2 5 o 5 0 + 5 o + 2 5 0 + 5 5 0 2m h zrrtttt s p e r r y s u ne 、r p h a s e 4 。7 5 ， 1 m h z3 0+ 3 0 + 9 0 + l5 0 + 2 7 0 + 3 9 0 46 7 5 ，8 0 0 6 7 5 ，8 0 0 5 0 0 k h ztttrrttt p a t h f i n d e ra 铷及 9 5 02 m h z4 52 5 1 55+ 5+ 1 5 + 2 5+ 4 5 由图2 - 5 可知，对于2 m h z 频率，接收信号幅度随源距增大而减小，当源距大于 l m 时，信号幅度几乎不发生变化；对于4 0 0 k h z 发射频率，接收信号幅度随源距增大 1 2 第二章随钻电磁被传棰测井理论研究 而减小，源距不宜大于l m ；发射频率越低，接收信号的幅度受源距影响越大。同理， 从图2 - 6 ；中可知：对于2 m i t z 发射频率，接收信号相位随源距增大而增大，但源距大 于1 m 时，相位衰减受介电常数的影响较大，在电阻率一定的情况下，接收信号的相位 随源距减小而减小，所以源距在07 - io m 之内比较合理：对于4 0 0 k h 发射频率，接收 信号相位髓源距增大而增大源距大于1 m 时，介电常数对相位也不敏感；在电阻率一 定的情况下，两接收线圈间的相移随源距减小而