随钻电阻率测量的方案分析与实现

随钻电阻率测量的方法的争论与试验一、课题的背景作的根底上，为了满足成功石油治理局定向井开发的需要而建立的争论课题。随钻测量〔MWD—MeasurementWhileDrilling，是一项在钻井过程中，实时对井底的各种参数进展测量的技术，MWD的最大优点在于它使得司钻和地质1970MWD系统，但由于种种缘由而中断，1981年连续开展这项争论。目前有线随钻测量系统已经通过技术鉴定，井下存已经完成电磁波传输信道可行性争论。由于可以直接观测井下工程参数，这就为钻井的进一步科学化供给了有利的条要的意义。目前随钻测量技术的争论和应用正向纵深进展。MWD系统测量的一个格外重要的方面就是电阻率地层评价测井和地质追踪〔互式的顺层追踪，把非垂直井眼引导到最优化的地质目的层。1MHz和2MHzMWD电阻率测井仪器，目前Sperry-SunDrillingService真正的多探测深度的电阻率测井工具。年里，飞速进展，取得了巨大的进步。目前我国国内〔如大庆油田和成功油田有着迫切的需求，MWD系统具有格外宽阔的应用前景。本课题将在随钻电阻率测量的方法、理论及试验方案上作一些探讨。在随钻用的聚焦式电阻率测井〔或称侧向测井，它包括三侧向、七侧向、双侧向、邻10频较低〔多数使用1kHz到目前已经进展的较为成熟，取得了很多成功的应用阅历。率测量的争论属于MWD磁场的响应也各不一样，不同的钻井环境〔如油基钻井液，空气钻井〕同样也会影调整钻井方案，以求得到最正确结果。二、课题争论的内容课题的主要争论内容包括：1、争论电阻率测量的数学方法，建立电阻率测量的数学模型。有助于我们进展深入全面的争论，基于Rytov近似的电阻率测量模型们将据此导出基于电磁波传播效应测量电阻率〔EWR〕的灵敏度函数。样适用的，由于，在推导过程中，并没有矩形坐标系特有的性质。A可以表示为：Aax

Aeix0x

aAy

eiyaz

Aeiz0z

〔A-1〕A0

满足：2A

k2A0

〔A-2〕0 b 0AaA

aA0 x

0zA0kb为其波数。A满足：2Ak2A 0 〔A-3〕其中kk(r)A的波数，是一个位置的函数，且有：i—辐射频率—为磁导率—为地层的介电常数—为介质电导率可以将〔A-2〕式和〔A-3〕式写成标量的形式：2A

0 〔A-4〕0x b 0x2(A0x

ex)k2A0x

eix0

〔A-5〕A0A的其他重量也可以写成如上的形式。进一步化简〔A-5〕式；由于有2(A0x

eix)(A0x

eix)A 2eixeix2A

〔A-6〕xeix

A 0x0xexiex 〔A-〕x2exex)x x x将〔A-〔A-〕和〔A-〕式代入〔A-〕

〔A-8〕A (i20x

x

x

)2A0x

iexA0x

k2A0x

0 〔A-9〕有由〔A-4〕式可得2A

，因此〔A-9〕式可以进一步简化得到：0x b 0xA (i20x x x 又

)ieixA (k2k2)A0x b

0 (A-10)2(A)2A

2

A A2

〔A-11〕0x x

0x

x 0x 0x x将〔A-10〕式两边同乘以i，利用〔A-11〕式可以消退x到：

A0x

项，可以得2(A)k2A

i(k2k2)A

〔A-12〕0x x

b 0x

b x x 0x〔A-12〕式中由于x xx

k2k2 〔A-13〕b〔A-12〕式可以近似为线性，这就是Rytov近似。在这样的近似条件下，〔A-12〕式可以简化为：2(A)k2A

i(k2k2)A

〔A-14〕0x x

b 0x

b 0x解〔A-14〕式的方程就可以得到相位扰动量 ，用格林〔Green〕函数解得x〔A-14〕式的解为：A (r) (r)idV”g(r,r”)A (r”)(k2(r”)k2(r”))0x x V” 0x b其中

〔A-15〕g(r,r”) eikbr

〔A-16〕A的其他重量也可以得到相像的解。以矢量形式来表示这个解：D(r)idV”g(r,r”)A

(r”)(k2(r”)k2(r”))

〔A-17〕V”其中DaA

aA

0x baA

〔A-18〕x 0x 且有：

0y

0z z2Dk2Di(k2k2)A

〔A-19〕b b 0zA位可以表示为： Da A0i dV”g(r,r”)V”

A (r”)0A (r)0

cos(”)(k2(r”)k2(r”))b

〔A-20〕AD下背景的表达式如下：A (r)0

meikbr(1ikb4r3b

mIa2a为源的半径。在〔A-20〕式中因式ig(r,r”)

A (r”)0A (r)0

cos(”)k2(rk2(r实际上代表了在背景介质中的扰b动量。依据假设条件，并对积分得到扰动相位的表达式为： i

d”

dz”(k2(r”)k2(r”))

0 b

〔A-21〕”3L3

eikb(r”r“L)

ikb

r”)(1ikb

r“)r”3r“3其中：

(1ikL)bra”azz”空间一点为到放射机的位置矢量r”r”r”L 为放射机到接收机的距离(z”L)2(z”L)2”2其中传播的微波信号的相位会产生相应的转变，两者之间存在着肯定的数学关数进展测量。一般状况下，工具由多个放射机和多个接收机组成，通过放射机天线向地层〕的影响，其传播的速度和信号的衰减均有所不同，因而不2MHz的场频。可以有三种方法来测量地层电阻率：、由两个接收机检测电磁波的到达时间的差异测量电阻率，即求相位差；2z2z1FarReceiver

NearReceover1

Transmitterz1z2，如图1所示。由放射机产生的就可以获得地层电阻率的相关信息。波数的定义为：kf/v 〔B-1〕fv为电磁场的传播速度。z0zz轴方向上的重量为：AAeikz(1z z3

ik) 〔B-2〕z2由于源的对称性，极角重量明显减弱，极径重量在这里不起主要的作用，k可以表示为：kk(b r

)1/2 〔B-3〕00其中k 0b〔B-3〕式：1 1 1 k[(12 r0 )i(12 r0 )] 〔B-4〕又由于：12

1 〔B-5〕所以得到：k1i1 〔B-6〕由于在井眼四周的地层中，随着地层空隙度的不同而变化，0于 ，所以EWR工具的响应主要取决于。r

和均独立、通过两个接收机信号的幅度比值求电阻率设经由地层的电磁波到达两个接收机处时其幅度分别为：AA AA1 zz 21

zzA2Aδδ2δz22z2δ22δz2z2112 2A 1exp{i[(zz)/δ](zA

z)/δ}z23

〔B-7〕A 1 22

1 2 z1tan()δ(z-z)/[δ2δ(zz)2zz]2 1 2 1 12和

〔B-8〕(z-z)/δ 〔B-9〕2 1其中为非线性因子。对于平面波而言，有如下的简化公式： Aexp{i[(zA 2

z)/δ](z2

z)/δ}2

〔B-10〕(z-z)/δ2 1、相位差和幅度比值组合

〔B-11〕1.57ra〔90℃1.0，那么单位电阻率的相位变化为，相应的幅度比的变化为rA。那么我们可以得到：r A exp[( 2 r

z)]1

〔B-12〕该公式适用于全部的可行的电极分布。测量的精度要求者的测量结果是不具备可比性的，文献【2】说明，基于幅度比的测量方法具有度的要求也有较大的差异。依据文献【9】的争论结果说明，在z1＝30in;z2=24in；工作频率为2MHz时，10%，对r

和Ar

的测量精度的要求如下：A当0.20m

0.030 A 0.018 r 0.60err

err rA当20m时，

0.0027 A 0.000r 1.43err

err r可见Ar

的测量精度要大于r

的测量精度，而且随着地层电阻率的增加，A测量精度的要求越来越高。当

时， r到达极限1.57，在极限状况下，r度比测量方法无法掩盖整个电阻率的测量范围〔0.5m～50000m小电阻率的状况，而相位差测量方法更适合于测量大电阻率。电阻率测量前向推测模型〔电阻率测量数学模型的改进〕到目前为止，有关随钻电阻率测量的争论都是侧重于测量点〔工具接收机的处的电阻率的计算问题，实际上，从测量点到钻头还有相当的一段距离，能否依据测量点处的电磁场的变化对测量点之前的地层电阻率进展推测呢？这作进一步的改进。中形成的电磁场由于电阻率的差异而有所不同，其波数可以分别表示为：22i1 1122i2 22当工具接近界面时，两个相邻介质的电阻率不同，必将引起测量相位差的变层之间电阻率的的过渡是缓变的，可近似为线性过渡。因而设k2k2(1)k21 2x其中为位置系数，它由工具所处的位置及工具的源距打算。 i

d”

dz”(k

2(r”)k2(r”))

0 x b”3L3 (1ikr”)(1ikr“)eikb(r”r“L) b b r”3r“3i

b

”3L3

(1ikr”)(1ikr“) ”dz”[

2(r”)k2(r”)]}

eik(r”r“L) b b 40 i

1 b r”3r“3

b”3L3

L)r”)(1ik

r“) ”dz”{1)[

2(r”)k2(r”)]} eik

(r”r“L) b b b40 b

2 b r”3r“3

1

(1)2

b〔C-4〕(1)2

为工具欲进入介质产生的相位变化。推测示意图如下：11介质1介质221 01 2 3 4当位置系数1

时〔工具距离界面较远2的影响不易觉察，推测误2

1

2的电阻率的变化趋势了，而当近端接收机穿越地层界面时〔 ，工具响应进入过渡带，当3 2时，反响了介质1对介质2的后向影响。可见，模型的推测应在4 32

区间内完成，也就是说，推测模型的推测距离是有限的。各个区间的主要取决于工具的纵向区分率〔或工具的灵敏度，从另一个角度说，就是要求工具的薄层响应要好。(C-4)式的定义，应有：k2(1k2(1)k2f 1 f 22

〔C-6〕解之得：

1k 3k 1 2

〔C-7〕f 4k k1 2因此，基于推测模型的地层分解点对应于f点，可见传统资料解释中取时候。2、争论测量工具在不同场频，不同源距下，测量点处电磁场分布的变化，分析各种干扰因素，进展补偿。6in〔15c2MHz的场频下获得接近1.57rad的最大相位差。放射机到接收机的距离由放射机的功率和接收机的，源距越小，探测深度也就越浅。应当依据实际状况的需要合理调整源距，在多放射机构造中，利用不同的源距可以供给多种探测深度。地层电阻率的动态范围很大约100dB〔0.5m～50000m，因而对接收内依据如下区间划分：工作频率ConductionResistivityConductionResistivityInductionResistivity2kInductionResistivity200kPropagationPropagationRisistivityPropagationPropagationDielectricResistivityPropagationPropagationDielectric2G2机的功率也会因此而大大提高。在钻井过程中，有很多实际的因素直接影响电阻率测量结果，因此在计算电偿各种因素的综合影响，还需要有大量的分析工作。3pRmc原状地层didjRs围岩在实际的钻井作业中，钻井液会向地层中渗透，依据钻井液侵入地层深度的Rm为井眼中的泥浆电阻率；Rxo为冲洗带电阻率；RspRmc原状地层didjRs围岩泥饼RmRxo冲洗带过度带3能够供给多探测深度的电极分布方案如下：4它由一对接收机和四个放射机构成，使用两个放射场频，其中放射机1可以23用于测量中间4用于测量深层的电阻率，其使用的放射频率为1MHz，它可以在为发生任何侵入之前获得地层的真电阻率。依据上述的多探测深度方案，我们可以得到8个电阻率测量值，其中四个是基于幅度比测量的，四个是基于相位差测量的。依据文献【3】的争论结果，幅度比测量具有更高的探测深度，而相位测量则具有较好的纵向分辩率。在设计电极分布时，可以接收机为中心，将放射机对称放置，如图5所示，这种的工具。5探测的范围可以依据放射机和接收机的距离而定。4验，分析其真实的性能。为此，我们将建立两个试验模型：1：PC〔ProfileCollar〕模型。考虑天线槽对测量的影响。假设在钻铤〔钻铤不完全绝缘，分析可能造成的影响。正图表。尺，14英尺高的圆柱形试验罐中进展。5无线传输方案有钻井液脉冲遥测系统和钻柱/大地电磁波数据传输系统。钻井液脉冲遥测系统钻井液脉冲遥测系统将数据编码转换为压力脉冲，然后以1200~1500m/s的处在于传输的速率慢，一般不会超过3bit/s，与现代钻井技术的高数据密度构成种实现方式：正脉冲方式、负脉冲方式和连续波方式：的压力脉冲传输到地面。的负脉冲将数据传输到地面。压力变化，这实际上是一个驻波，当要发送信息时，转变马达的转速〔反向，使得载波的相位发生变化，载波被调制，从而进展数据的传输。都较为简单，限制了它的使用。钻柱/大地电磁波传输系统钻柱/阻抗匹配范围较窄，放射功率较低，构造强度弱。利用匹配馈电点技术可以实现率放射力量。钻柱/大地传输方式相当于一个双线传输线路，即钻柱是一根导线，大地是另一根导线。其特点为：随着传输距离、数据传输速率和地层电导率的增加，能量衰减增大。钻柱/大地电磁波传播是非弥散的，在有关的试验中，曾经成功的获得了数百赫兹的频带宽度，在井深较大的状况下，带宽也可以超过20Hz。电磁波的传输时间在微秒量级，而且其双向通讯不受水力因素的影响。试验证明钻柱/大地电磁波传输方法可以在9000ft深度内，以大大超过8bit/s的2万英尺深度实现高速率的数据传输。6、数据处理与资料解释井下仪器采样到的数据只有经过进一步的处理才具有应用的价值，MWD系机界面，显示给用户。由于井下地层构造极其简单，影响测量结果的因素很多，的干扰，提取更细致的地层信息，如提高测量的纵向区分率，薄层识别等。MWD系统供给的数据只代表了钻井过程的一种数据来源，其他数据来源，钻井参数，准时对正在钻进的井作出下一步的决策，实现地层资料的智能解释。三、课题争论中的关键技术和难点对于课题的争论主要集中在以下几个方面：1、建立并改进电阻率测量的数学模型，模型应具有前向推测的功能。2、多探测深度工具的电极分布及其几何因数确实定。3、改进试验模型，设计试验方案，建立试验环境。4、数据处理，利用数学方法对原始数据进展分析运算，得到最正确的测量结果；建立钻井资料解释数据库，对钻井参数进展智能分析。四、时间进度2023.1～2023.72023.8～2023.102023.12～2023.92023.9纵深争论五、参考文献

完成随钻电阻率测量模型及其前向推测模型的争论何因数；设计多探测深度工具的试验方案。具样品，完成相关试验。撰写论文。其实现。【1、Anderson,B.,Bonner,S.,Luling,M.G.And Rosthal,R.,1992,Reponseof 2MHzLWDResistivityandWirelineInductinsToolsinDippingandLaminaedFormation: TheLogAnalyst,V.33,No.5,pp.461-475.【2Habashy,T.AndAnderson,B.,1991,ReconcilingDifferencesinDepthofInvestigationBetween2-MHzPhaseShiftandAttenuationResistivityMeasurements,PaperE,in32thAnnualLoggingSumposiumTransactions:SocietyofProfessionalWellLogAnalysts.【3、Rosthal,R.,Allen,D.,and Bonner,S.,1993VerticalDeconvolutionof2MHz Propagation Tools, Paper W, In 34th Annual Logging Transactions:Societyof ProfessionalWellLogAnalyst.【4、S.Gianzero,G.A.Merchant,M.Haugland,R.strickland1994 NewDevelopmentsin2MHzElectromagneticWaveResistivityMeasurements.June19-22SPWLA35thAnnualLoggingSymposium.【5PaulSinclair,RolamdChemaliandShey-MinSu1993ANewDual-SpacedWaveResisitivityDeviceforMeasurementWhileDrilling.PaperSPWLA15thEuropeanForm