瞬变电磁测井原理研究Ⅳ-二维谱

1、第39卷第1期测井技术v0139no12015年2月well i，()gging technoi。ogyfeb2015文章编号：10041338(2015)o卜0015一06爿长瞬又 电磁测井原理研究 ：二 维谱臧德福1，朱留方1，沈洪楚1，沈永进2，沈建国2(1中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东东营257096；2天津大学电子信息工程学院功率超声实验室，天津300072)摘要：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130 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

2、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。关键词：瞬变电磁测井；二维谱；电磁波；电磁感应；电导率；差值中图分类号：p63183文献标识码：adoi：1016489-issn 10041338201501004thry study for tr锄si蚰t elect嗍la

3、龃etic lo鹳ing：2d spect删mzangdeful，zhu liufan91，shen hongchul，shen yon画in2，shen jiangu02(1logging company of shen91i petroieum engineering c0ltd，sinopec，dongying，shandong 257096，china；2power sonic lab oftianjin university，tianjin 300072，china)abstract：togettransientelectromagneticloggingresponse，itisn

4、ecessarytosolve maxwellequation under the condition of boreh01e its solution and twodimensional spectrum describing the characteristics of logging responses can be obtained by analysis method the lo、卜frequency response and two_dimensional spectrum of transient electromagnetic 1099ing of borehole in

5、frequency range of 1，、30 hz are given the lo、，_frequency response describes the principle of electromagnetic induction and is mainly affected by stratum conductivity it is not obvious to display the process of propagation of the electromagnetic wave the real part of the two-dimensional spectrum is l

6、arger，yet the imaginary part is smallerso the response amplitude is consisted by direct induction which is not affected by stratum conductivity subtracting the response waveforms of the different stratum conductivity， it is found that the 1arger the resistivity is，the larger the peak value of the re

7、sponse difference the peak value of the response difference apart from the position of the excitation current， the closer receiving coil is totransmitting co订，the greater peak value of the response difference these differences describe the main characteristics of transient electromagnetic loggingkey

8、 words：transient electromagnetic 1099ing；twodimensional spectrum；electromagnetic wave；electromagnetic induction；conductivity；logging difference作者简介：臧德福，男，1968年生，高级工程师，从事测井工程技术工作。万方数据16测井技术0引言晶岛瞬变电磁测井主要测量激发电流突变时在井中仉仉产生的瞬变电磁感应电动势。突变电流激发的波形中低频成分比较多，幅度比较大，因此，利用的主要l d是低频段的电磁感应现象14。低频电磁感应强度图1裸眼并柱状模型比较小，与地

9、层电阻率有关的二次响应信号幅度也相应很小，并且淹没在幅度比较大的直接耦合信号中。为了了解地层电阻率对响应的影响或者地层电为z，k。(z。r)+bj，(z，r)，它是波数尼和频率厂的函数，以波数尼和频率厂为自变量构成志一厂平面，将表达式z。k。(z。r)+bj，(z。r)的值绘制在忌_厂平面阻率信息的分布位置和特征，本文用不同地层电阻上得到二维谱。率的响应相减，这样获得的响应差波形与地层的电设井半径口为o108 m，井内液体的电阻率为阻率有关；电阻率越大，该响应差波形的幅度越大。1qm，井内液体的相对介电常数为50，地层的电有井条件下的解还包含了瞬变电磁场在井与地阻率为20 qm，地层的相对介电

10、常数为10，井内层之间的相互作用，即井中发射的瞬变电磁场在井液体和地层的相对磁导率均为l。图2为裸眼井内壁的反射和透射特征。这些影响在二次场中表现明半径，为o054 m处响应的二维谱的实部和虚部；显。与感应测井的精确解和d011几何因子的解相图3是二维谱的模以及横坐标放大以后的虚部。图比，裸眼井条件下的响应波形与实际情况更接近。3中，颜色越蓝(深)对应的幅度越小，颜色越黄(浅)对应的幅度越大。1裸眼井的二维谱用图1所示的裸眼井柱状模型其井半径为口，井内液体电阻率为叮，介电常数为e。，井外固体电阻率为盯z，介电常数为e。井内液体和井外固体均没有铁磁介质，磁导率均为口，发射线圈中心位于坐标原点，激

11、发的电磁场在圆柱内、外的分布轴对称。结合径向电磁感应强度连续、z方向的磁场强度连续得到井内液体中的响应节节a(r，z)一iiv(cj)z1k1(zlr)+jjb(忌：，)工l(z1r)e“6z一”出：d甜(1)式中，第1项为直达波；第2项是广义反射波；v()是发射线圈激发的频谱；系数b为dz1z1ko(zln)kl(z2口)一z2ko(z2口)kl(z1口)一zl工o(z1口)k1(z2倪)+z2j1(z1口)ko(z2口)(2)井内液体波数忌。一i叩。+。掣2，蹭一忌：一是；，一孙厂是角频率，厂是频率，hz；井外固体波数忌。一i叫府2+2叫2，踞一是：一愚；ko、l是。阶bessel函数，k

12、1、jl是1阶bessel函数；志：一2稚是z方向的传播角波数，忌一忌。27c，忌是波数，1m。直达波不包含井外固体(地层)的电参数(电导率、介电常数)信息，地层信息包含在广义反射波内，即式(1)的第2项。描述井内电磁场特性的表达式将图2、图3中的二维谱从o05 hz开始，以o5hz为步长，分别取o05、055、905 hz等19个频率，将这19个频率的幅度随波数志的变化绘出得到图4。图4中，这19个频率的幅度随波数的变化曲线中实部差别很小，基本上重叠到了一起；虚部在o02以下有比较大的差别，大于o2以后基本趋于o，其中，最上边的曲线是频率为o05 hz时的曲线，最下边的曲线是905 hz时的

13、曲线。将图2、图3中的二维谱从。开始，每o02为步长，分别取10个波数；将这10个波数的幅度随频率的变化绘出得到图5。图5(a)是其虚部随频率的变化曲线，波数为0的曲线位于最上面，波数为o2的曲线位于最下面，虚部的数值很小，不同波数之间幅度相差比较大；图5(b)是实部随频率的变化曲线，实部随频率变化比较小，在该频率段基本上呈直线变化。从图4、图5的纵坐标可以看到，实部与虚部之间幅度相差5个数量级。这表明，反映地层电导率的虚部信号很小，与地层电导率无关的直接耦合信号的幅度很大，两者相差至少5个数量级。从上述二维谱图像和曲线中还可以知道，在低频和低波数区域，二维谱的虚部变化比较大，实部变化比较小，

14、这些变化是低频电磁感应现象在二维谱中的表现，描述了低频电磁感应中一次电磁场和二次电磁场的主要特征，这些特征能够引起响应波形的变化。万方数据第39卷第1期臧德福，等：瞬变电磁测井原理研究：二维谱172462468k试1m。(a)实部虚部图2裸眼井内(半径为()f)酬n1)响应的二维谱(1)24681012005女血。tm(a)模虚部图3裸眼井内(半径为o()j_n1)响应的二维谱(2)名吕、弋弋量蛊km1(a)虚部(b)实部图4取19个频率二维谱中随波数的变化曲线实部图5取lo个波数。二维谱随频率的变化曲线万方数据测井技术2裸眼井的响应波形将式(1)分别对和是：积分得到瞬变电磁测井响应波形，用图

15、6至图8中所示的正、负阶跃(长虚线)组成的方波作为激发波形，裸眼井中4个不同源距的瞬变电磁测井响应波形如图6至图9所示。源距为。的响应波形中(见图6)，响应的实部(实线)的形状像脉冲，在阶跃突变的位置幅度最大，响应的极性随激发阶跃的突变极性改变；虚部(虚线)则在阶跃突变位置出现极性突变；随着时间的增加，响应值逐渐减小。在源距为o893 m处其响应波形(见图7)的虚部(虚线)形状像脉冲在阶跃突变的位置附近幅度取极大值，实部(蓝线)则在阶跃突变位置附近改变极性；随着时间的推移，幅度减小。i骓：譬三：糕：|：害：=il飞1l、l。吣眈。眦舭舶椰 ：j睾氍：毒：|二善孓；0!一：!o200400600

16、80010001200140016001800200071ms图6距离发射线圈0 m的响应波形(幅度5)慧【|乏媳：-04；翼：圣l芝o；：。0三咔!l；靠s0； ；飞-0-2厂l一 71|i鬈li-08l一o200400600800100012001400160018002000r图7距离发射线圈0893 m的响应波形(幅度20)在1785 7 m处(见图8)和268 m处(见图9)响应的幅度减小，并且其实部与虚部在突变位置均出现极性的突变，在极性突变的两侧极大值的幅度不同。图8的实部和虚部中幅度比较大的极大值极性相同，图9则极性相反。3地层电阻率的响应我们的目的是通过上述响应获得地层的电阻

17、图8距离发射线圈1785 7 m的响应波形(幅度1()o)j；一崎卜=iii；：蝻1砖ll；簟塔|铲。拿 襄i，il” 声刊li|誉罩i疆二二i二0 2()0 4i)o600 800 lo()o 1200 1400 1600 18()()20()0 ，111s图9距离发射线圈268 m的响应波形(幅度loo)率。为此，保持其他参数不变，仅仅改变地层的电阻率重新计算瞬变电磁测井的响应发现，不同地层电阻率的测井响应没有变化，基本重合。为了突出电阻率的响应，以地层电阻率为2 qm的响应为基础，分别用电阻率为20、200 qm的响应减去2 qm的响应得到两者响应的差如图10所示。源距为1785 7 m

18、，图10中地层电阻率为200 qm的响应与2 qm的响应差为虚线，20 qm的响应与2 qm的响应差为实线。图10中，电阻率差别越大，其响应差别越大，并且这些响应的差在激发波形突变位置附近幅度比较大。为了进一步显示上述响应在电流突变位置的差别，仅仅绘出响应中开始位置的部分(见图10、图11)。从图10上可以看到，实部的幅度差别很明显，实部、虚部的差异最大值位置均离开起始位置(激发波形突变位置)：实部离开得最远。图11中，实部和虚部的响应中，源距越小、响应差的幅度越大；源距越大，响应差峰值越小，离开瞬变波形突变位置(o时刻)的时间越远。4分析与讨论以地层电阻率为2 qm的瞬变电磁测井响应为基础，

19、将地层电阻率为20、200 qm的响应分别减去2 qm的响应所获得的差，将响应中地层电万方数据第39卷第1期臧德福，等：瞬变电磁测井原理研究：二维谱lool 0-”irxi 7r一l、-17眨一l7”frrj!瓣j。|100 1加140 160 180 200020柏6080100 120 140 160 180 200rnlsrrns(a)虚部(b)实部图10距离发射线圈1785 7 m、地层电阻率分别为200 qm和20 qm的响应与地层电阻率为2 qm的响应的虚部(a)、实部(b)之差1矿燕|l：趸；f、劣蚕71m8实部图11距离发射线圈分别为0(幅度最大)、0893 m、1785 7

20、m(幅度最小)、地层电阻率分别为2qm和20 qm的响应与地层电阻率为2 qm的响应的虚部(a)、实部(b)之差。实线是地层电阻率为20 qm的响应与2 qm的响应差，虚线是2qm的响应与2qm的响应差阻率的信息充分展现了出来。从其变化上可以看阻率无关的信息处理掉，只剩下与地层电阻率有关到，地层电阻率越高，其响应差越大；源距越长，与地的信息。上述相减的方法是一种最简单的刻度方层电阻率有关的二次场响应中最大值偏离起始点法。用上述方法刻度以后发现，地层电阻率信号主(激发突变时刻)的时间越长(图11中达到25 ms)；要分布在瞬变电磁发射(电流突变)以后2030 ms与声波测井波形相比(到达时间小于

21、1“m)，二次场位置。其他时间所包含的地层信息比较少。电磁感应峰值的到达时间很晚。用电磁场传播的概从电磁感应机理上分析，低频信号的电磁感应念理解电磁感应，可以认为其传播速度很慢。瞬变强度低，因此，与地层电阻率有关的二次场信号幅度电磁测井响应波形有极大值，并且幅度与地层电阻率小。与现有的感应和阵列感应测井(20 khz)相比，有关，位置离开突变时刻等这些结果展现了用瞬变电其频率低了3个数量级，因为与地层电阻率有关的磁测井实现地层电阻率测量所面临的机遇和挑战。感应信号与频率的平方成正比，因此，瞬变电磁测井机遇是用瞬变电磁方法可以激发出响应，而且的信号幅度比感应测井小6个数量级。但是，低频其幅度比较

22、大，响应中包含地层电阻率信息；挑战是信号的穿透能力强，受套管屏蔽影响小，能够穿过套地层电阻率的信息在所测量的信号中所占的比例非管进入地层并且又穿过套管被井中的接收线圈所接常小，完全淹没在(随着地层电阻率的改变)几乎不收。因此，从原理上讲，瞬变电磁测井最大的优势在变的响应信号中。针对瞬变电磁测井响应信号的这于探测深度深并且有可能实现过套管电阻率测量。些特点，可以这样设计瞬变电磁测井仪器。首先，用与直流电测井不同，这种过套管电阻率测量是非接大功率进行激发，将原始信号幅度尽量提高；其次，触式的，能够克服现有接触式电阻率测井所遇到的用刻度的方法将瞬变电磁测井响应信号中与地层电主要问题。万方数据20测井

23、技术2015年在上述所有的测井响应波形中，实部是能够测量到的感应电动势波形，虚部和模是理论计算过程中同时存在的，能够帮助实部全面展现测井响应波形的特征，使我们更好地理解测井响应波形。5结论(1)瞬变电磁测井的二维谱中实部信号比较强，虚部信号比较弱，两者相差5个数量级。(2)用二维谱所得到的测井响应主要由实部信号组成。实部信号与地层的电阻率参数几乎没有关系，瞬变电磁测井响应的形状固定，即不同接收位置的响应波形相对固定，几乎不随地层电阻率变化。地层电阻率的信息包含在比其大5个数量级的响应信号中，分布在瞬变激发以后2030 ms范围内。(3)从这些大信号中提取如此微弱的电阻率信号难度比较大，需要借助

24、于刻度和信息处理方法。因此，从裸眼井测井的角度，实施这种测井方法有一定的难度。但是，瞬变电磁测井主要激发低频电磁感应，低频的穿透能力强，探测深度深，能够穿过套管，这对于井间测井和过套管电阻率测量具有重要意义。(4)瞬变电磁测井是非接触测量方法，受井眼影响小，值得进一步深入研究。参考文献：1张庚骥电法测井m北京：石油工业出版社，19842戈革，谢振全宏观电磁场论m北京：石油工业出版社，19803grant i s，phillips w r电磁学m刘岐元，王鸣阳译北京：人民教育出版社，19824别索诺夫j a电工理论基础下册：非线性电路与电磁场m陈伟鑫，沈丽英译北京：高等教育出版社，1986(收稿

25、日期：20131216本文编辑李总南)中国石油学会石油测井专业委员会在京举办2015年迎新联谊会2015年2月1日上午，中国石油学会石油测井专业委员会2015年迎新联谊会在北京召开，参会代表60余人，主要是在京的测井界离退休老教授、老专家、老领导以及部分在职的教师、专家。联谊会由测井专业委员会秘书长张辛耘主持。联谊会上，测井专业委员会主任陆大卫教授报告了测井专业委员会2014年的工作，包括成功召开第八届中俄测井国际学术交流会，成功召开第七届测井高级论坛，组织参加2014年中国国际射孔技术论坛，组织开展测井科普活动，测井专业委员会受到中国石油学会表彰情况等；介绍了2015年测井专业委员会重点工作

26、安排。陆大卫教授希望各位老同志在保持健康身体的同时，多关心测井行业的发展，出谋划策，出主意想办法，发挥余热。中国石油大学(华东)邵才瑞教授和中海油田服务股份有限公司油田技术事业部余峰总经理介绍首届全国地球物理测井专业大学生技能大赛筹备工作进展情况；2014年国家科技进步奖获得者李宁教授、乔文孝教授发表获奖感言；全国测井科学传播首席科学家楚泽涵教授介绍预测学基础；联谊会承办单位中国石油集团测井有限公司油气评价中心主任孙宝佃教授报告近期油气解释评价工作进展。联谊会上老一代测井工作者们忆过去、送问候，相谈甚欢。(中国石油学会石油测井专业委员会供稿)新型离抗张力测井电缆提高数据采集效率油公司通常依靠关键井数据进行现场开发决策，当钻井能力提高时，数据采集也面临挑战。深水勘探作业和复杂井眼几何尺寸等问题迫使业界提高包括电缆作业等信息采集方面的