隨鉆電阻率測(cè)量的方案分析與實(shí)現(xiàn)

隨鉆電阻率測(cè)量的方法的爭(zhēng)論與試驗(yàn)一、課題的背景作的根底上，為了滿足成功石油治理局定向井開(kāi)發(fā)的需要而建立的爭(zhēng)論課題。隨鉆測(cè)量〔MWD—MeasurementWhileDrilling，是一項(xiàng)在鉆井過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)井底的各種參數(shù)進(jìn)展測(cè)量的技術(shù)，MWD的最大優(yōu)點(diǎn)在于它使得司鉆和地質(zhì)1970MWD系統(tǒng)，但由于種種緣由而中斷，1981年連續(xù)開(kāi)展這項(xiàng)爭(zhēng)論。目前有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)技術(shù)鑒定，井下存已經(jīng)完成電磁波傳輸信道可行性爭(zhēng)論。由于可以直接觀測(cè)井下工程參數(shù)，這就為鉆井的進(jìn)一步科學(xué)化供給了有利的條要的意義。目前隨鉆測(cè)量技術(shù)的爭(zhēng)論和應(yīng)用正向縱深進(jìn)展。MWD系統(tǒng)測(cè)量的一個(gè)格外重要的方面就是電阻率地層評(píng)價(jià)測(cè)井和地質(zhì)追蹤〔互式的順層追蹤，把非垂直井眼引導(dǎo)到最優(yōu)化的地質(zhì)目的層。1MHz和2MHzMWD電阻率測(cè)井儀器，目前Sperry-SunDrillingService真正的多探測(cè)深度的電阻率測(cè)井工具。年里，飛速進(jìn)展，取得了巨大的進(jìn)步。目前我國(guó)國(guó)內(nèi)〔如大慶油田和成功油田有著迫切的需求，MWD系統(tǒng)具有格外寬闊的應(yīng)用前景。本課題將在隨鉆電阻率測(cè)量的方法、理論及試驗(yàn)方案上作一些探討。在隨鉆用的聚焦式電阻率測(cè)井〔或稱(chēng)側(cè)向測(cè)井，它包括三側(cè)向、七側(cè)向、雙側(cè)向、鄰10頻較低〔多數(shù)使用1kHz到目前已經(jīng)進(jìn)展的較為成熟，取得了很多成功的應(yīng)用閱歷。率測(cè)量的爭(zhēng)論屬于MWD磁場(chǎng)的響應(yīng)也各不一樣，不同的鉆井環(huán)境〔如油基鉆井液，空氣鉆井〕同樣也會(huì)影調(diào)整鉆井方案，以求得到最正確結(jié)果。二、課題爭(zhēng)論的內(nèi)容課題的主要爭(zhēng)論內(nèi)容包括：1、爭(zhēng)論電阻率測(cè)量的數(shù)學(xué)方法，建立電阻率測(cè)量的數(shù)學(xué)模型。有助于我們進(jìn)展深入全面的爭(zhēng)論，基于Rytov近似的電阻率測(cè)量模型們將據(jù)此導(dǎo)出基于電磁波傳播效應(yīng)測(cè)量電阻率〔EWR〕的靈敏度函數(shù)。樣適用的，由于，在推導(dǎo)過(guò)程中，并沒(méi)有矩形坐標(biāo)系特有的性質(zhì)。A可以表示為：Aax

Aeix0x

aAy

eiyaz

Aeiz0z

〔A-1〕A0

滿足：2A

k2A0

〔A-2〕0 b 0AaA

aA0 x

0zA0kb為其波數(shù)。A滿足：2Ak2A 0 〔A-3〕其中kk(r)A的波數(shù)，是一個(gè)位置的函數(shù)，且有：i—輻射頻率—為磁導(dǎo)率—為地層的介電常數(shù)—為介質(zhì)電導(dǎo)率可以將〔A-2〕式和〔A-3〕式寫(xiě)成標(biāo)量的形式：2A

0 〔A-4〕0x b 0x2(A0x

ex)k2A0x

eix0

〔A-5〕A0A的其他重量也可以寫(xiě)成如上的形式。進(jìn)一步化簡(jiǎn)〔A-5〕式；由于有2(A0x

eix)(A0x

eix)A 2eixeix2A

〔A-6〕xeix

A 0x0xexiex 〔A-〕x2exex)x x x將〔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〕式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)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將〔A-10〕式兩邊同乘以i，利用〔A-11〕式可以消退x到：

A0x

項(xiàng)，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〕式可以近似為線性，這就是Rytov近似。在這樣的近似條件下，〔A-12〕式可以簡(jiǎn)化為：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擾動(dòng)量 ，用格林〔Green〕函數(shù)解得x〔A-14〕式的解為：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。以矢量形式來(lái)表示這個(gè)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位可以表示為： Da A0i dV”g(r,r”)V”

A (r”)0A (r)0

cos(”)(k2(r”)k2(r”))b

〔A-20〕AD下背景的表達(dá)式如下：A (r)0

meikbr(1ikb4r3b

mIa2a為源的半徑。在〔A-20〕式中因式ig(r,r”)

A (r”)0A (r)0

cos(”)k2(rk2(r實(shí)際上代表了在背景介質(zhì)中的擾b動(dòng)量。依據(jù)假設(shè)條件，并對(duì)積分得到擾動(dòng)相位的表達(dá)式為： 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”空間一點(diǎn)為到放射機(jī)的位置矢量r”r”r”L 為放射機(jī)到接收機(jī)的距離(z”L)2(z”L)2”2其中傳播的微波信號(hào)的相位會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，兩者之間存在著肯定的數(shù)學(xué)關(guān)數(shù)進(jìn)展測(cè)量。一般狀況下，工具由多個(gè)放射機(jī)和多個(gè)接收機(jī)組成，通過(guò)放射機(jī)天線向地層〕的影響，其傳播的速度和信號(hào)的衰減均有所不同，因而不2MHz的場(chǎng)頻?？梢杂腥N方法來(lái)測(cè)量地層電阻率：、由兩個(gè)接收機(jī)檢測(cè)電磁波的到達(dá)時(shí)間的差異測(cè)量電阻率，即求相位差；2z2z1FarReceiver

NearReceover1

Transmitterz1z2，如圖1所示。由放射機(jī)產(chǎn)生的就可以獲得地層電阻率的相關(guān)信息。波數(shù)的定義為：kf/v 〔B-1〕fv為電磁場(chǎng)的傳播速度。z0zz軸方向上的重量為：AAeikz(1z z3

ik) 〔B-2〕z2由于源的對(duì)稱(chēng)性，極角重量明顯減弱，極徑重量在這里不起主要的作用，k可以表示為：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層中，隨著地層空隙度的不同而變化，0于 ，所以EWR工具的響應(yīng)主要取決于。r

和均獨(dú)立、通過(guò)兩個(gè)接收機(jī)信號(hào)的幅度比值求電阻率設(shè)經(jīng)由地層的電磁波到達(dá)兩個(gè)接收機(jī)處時(shí)其幅度分別為：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其中為非線性因子。對(duì)于平面波而言，有如下的簡(jiǎn)化公式： Aexp{i[(zA 2

z)/δ](z2

z)/δ}2

〔B-10〕(z-z)/δ2 1、相位差和幅度比值組合

〔B-11〕1.57ra〔90℃1.0，那么單位電阻率的相位變化為，相應(yīng)的幅度比的變化為rA。那么我們可以得到：r A exp[( 2 r

z)]1

〔B-12〕該公式適用于全部的可行的電極分布。測(cè)量的精度要求者的測(cè)量結(jié)果是不具備可比性的，文獻(xiàn)【2】說(shuō)明，基于幅度比的測(cè)量方法具有度的要求也有較大的差異。依據(jù)文獻(xiàn)【9】的爭(zhēng)論結(jié)果說(shuō)明，在z1＝30in;z2=24in；工作頻率為2MHz時(shí)，10%，對(duì)r

和Ar

的測(cè)量精度的要求如下：A當(dāng)0.20m

0.030 A 0.018 r 0.60err

err rA當(dāng)20m時(shí)，

0.0027 A 0.000r 1.43err

err r可見(jiàn)Ar

的測(cè)量精度要大于r

的測(cè)量精度，而且隨著地層電阻率的增加，A測(cè)量精度的要求越來(lái)越高。當(dāng)

時(shí)， r到達(dá)極限1.57，在極限狀況下，r度比測(cè)量方法無(wú)法掩蓋整個(gè)電阻率的測(cè)量范圍〔0.5m～50000m小電阻率的狀況，而相位差測(cè)量方法更適合于測(cè)量大電阻率。電阻率測(cè)量前向推測(cè)模型〔電阻率測(cè)量數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)〕到目前為止，有關(guān)隨鉆電阻率測(cè)量的爭(zhēng)論都是側(cè)重于測(cè)量點(diǎn)〔工具接收機(jī)的處的電阻率的計(jì)算問(wèn)題，實(shí)際上，從測(cè)量點(diǎn)到鉆頭還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x，能否依據(jù)測(cè)量點(diǎn)處的電磁場(chǎng)的變化對(duì)測(cè)量點(diǎn)之前的地層電阻率進(jìn)展推測(cè)呢？這作進(jìn)一步的改進(jìn)。中形成的電磁場(chǎng)由于電阻率的差異而有所不同，其波數(shù)可以分別表示為：22i1 1122i2 22當(dāng)工具接近界面時(shí)，兩個(gè)相鄰介質(zhì)的電阻率不同，必將引起測(cè)量相位差的變層之間電阻率的的過(guò)渡是緩變的，可近似為線性過(guò)渡。因而設(shè)k2k2(1)k21 2x其中為位置系數(shù)，它由工具所處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

為工具欲進(jìn)入介質(zhì)產(chǎn)生的相位變化。推測(cè)示意圖如下：11介質(zhì)1介質(zhì)221 01 2 3 4當(dāng)位置系數(shù)1

時(shí)〔工具距離界面較遠(yuǎn)2的影響不易覺(jué)察，推測(cè)誤2

1

2的電阻率的變化趨勢(shì)了，而當(dāng)近端接收機(jī)穿越地層界面時(shí)〔 ，工具響應(yīng)進(jìn)入過(guò)渡帶，當(dāng)3 2時(shí)，反響了介質(zhì)1對(duì)介質(zhì)2的后向影響?？梢?jiàn)，模型的推測(cè)應(yīng)在4 32

區(qū)間內(nèi)完成，也就是說(shuō)，推測(cè)模型的推測(cè)距離是有限的。各個(gè)區(qū)間的主要取決于工具的縱向區(qū)分率〔或工具的靈敏度，從另一個(gè)角度說(shuō)，就是要求工具的薄層響應(yīng)要好。(C-4)式的定義，應(yīng)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，基于推測(cè)模型的地層分解點(diǎn)對(duì)應(yīng)于f點(diǎn)，可見(jiàn)傳統(tǒng)資料解釋中取時(shí)候。2、爭(zhēng)論測(cè)量工具在不同場(chǎng)頻，不同源距下，測(cè)量點(diǎn)處電磁場(chǎng)分布的變化，分析各種干擾因素，進(jìn)展補(bǔ)償。6in〔15c2MHz的場(chǎng)頻下獲得接近1.57rad的最大相位差。放射機(jī)到接收機(jī)的距離由放射機(jī)的功率和接收機(jī)的，源距越小，探測(cè)深度也就越淺。應(yīng)當(dāng)依據(jù)實(shí)際狀況的需要合理調(diào)整源距，在多放射機(jī)構(gòu)造中，利用不同的源距可以供給多種探測(cè)深度。地層電阻率的動(dòng)態(tài)范圍很大約100dB〔0.5m～50000m，因而對(duì)接收內(nèi)依據(jù)如下區(qū)間劃分：工作頻率ConductionResistivityConductionResistivityInductionResistivity2kInductionResistivity200kPropagationPropagationRisistivityPropagationPropagationDielectricResistivityPropagationPropagationDielectric2G2機(jī)的功率也會(huì)因此而大大提高。在鉆井過(guò)程中，有很多實(shí)際的因素直接影響電阻率測(cè)量結(jié)果，因此在計(jì)算電償各種因素的綜合影響，還需要有大量的分析工作。3pRmc原狀地層didjRs圍巖在實(shí)際的鉆井作業(yè)中，鉆井液會(huì)向地層中滲透，依據(jù)鉆井液侵入地層深度的Rm為井眼中的泥漿電阻率；Rxo為沖洗帶電阻率；RspRmc原狀地層didjRs圍巖泥餅RmRxo沖洗帶過(guò)度帶3能夠供給多探測(cè)深度的電極分布方案如下：4它由一對(duì)接收機(jī)和四個(gè)放射機(jī)構(gòu)成，使用兩個(gè)放射場(chǎng)頻，其中放射機(jī)1可以23用于測(cè)量中間4用于測(cè)量深層的電阻率，其使用的放射頻率為1MHz，它可以在為發(fā)生任何侵入之前獲得地層的真電阻率。依據(jù)上述的多探測(cè)深度方案，我們可以得到8個(gè)電阻率測(cè)量值，其中四個(gè)是基于幅度比測(cè)量的，四個(gè)是基于相位差測(cè)量的。依據(jù)文獻(xiàn)【3】的爭(zhēng)論結(jié)果，幅度比測(cè)量具有更高的探測(cè)深度，而相位測(cè)量則具有較好的縱向分辯率。在設(shè)計(jì)電極分布時(shí)，可以接收機(jī)為中心，將放射機(jī)對(duì)稱(chēng)放置，如圖5所示，這種的工具。5探測(cè)的范圍可以依據(jù)放射機(jī)和接收機(jī)的距離而定。4驗(yàn)，分析其真實(shí)的性能。為此，我們將建立兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?：PC〔ProfileCollar〕模型。考慮天線槽對(duì)測(cè)量的影響。假設(shè)在鉆鋌〔鉆鋌不完全絕緣，分析可能造成的影響。正圖表。尺，14英尺高的圓柱形試驗(yàn)罐中進(jìn)展。5無(wú)線傳輸方案有鉆井液脈沖遙測(cè)系統(tǒng)和鉆柱/大地電磁波數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。鉆井液脈沖遙測(cè)系統(tǒng)鉆井液脈沖遙測(cè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換為壓力脈沖，然后以1200~1500m/s的處在于傳輸?shù)乃俾事?，一般不?huì)超過(guò)3bit/s，與現(xiàn)代鉆井技術(shù)的高數(shù)據(jù)密度構(gòu)成種實(shí)現(xiàn)方式：正脈沖方式、負(fù)脈沖方式和連續(xù)波方式：的壓力脈沖傳輸?shù)降孛妗５呢?fù)脈沖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。壓力變化，這實(shí)際上是一個(gè)駐波，當(dāng)要發(fā)送信息時(shí)，轉(zhuǎn)變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速〔反向，使得載波的相位發(fā)生變化，載波被調(diào)制，從而進(jìn)展數(shù)據(jù)的傳輸。都較為簡(jiǎn)單，限制了它的使用。鉆柱/大地電磁波傳輸系統(tǒng)鉆柱/阻抗匹配范圍較窄，放射功率較低，構(gòu)造強(qiáng)度弱。利用匹配饋電點(diǎn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)率放射力量。鉆柱/大地傳輸方式相當(dāng)于一個(gè)雙線傳輸線路，即鉆柱是一根導(dǎo)線，大地是另一根導(dǎo)線。其特點(diǎn)為：隨著傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速率和地層電導(dǎo)率的增加，能量衰減增大。鉆柱/大地電磁波傳播是非彌散的，在有關(guān)的試驗(yàn)中，曾經(jīng)成功的獲得了數(shù)百赫茲的頻帶寬度，在井深較大的狀況下，帶寬也可以超過(guò)20Hz。電磁波的傳輸時(shí)間在微秒量級(jí)，而且其雙向通訊不受水力因素的影響。試驗(yàn)證明鉆柱/大地電磁波傳輸方法可以在9000ft深度內(nèi)，以大大超過(guò)8bit/s的2萬(wàn)英尺深度實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。6、數(shù)據(jù)處理與資料解釋井下儀器采樣到的數(shù)據(jù)只有經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理才具有應(yīng)用的價(jià)值，MWD系機(jī)界面，顯示給用戶(hù)。由于井下地層構(gòu)造極其簡(jiǎn)單，影響測(cè)量結(jié)果的因素很多，的干擾，提取更細(xì)致的地層信息，如提高測(cè)量的縱向區(qū)分率，薄層識(shí)別等。MWD系統(tǒng)供給的數(shù)據(jù)只代表了鉆井過(guò)程的一種數(shù)據(jù)來(lái)源，其他數(shù)據(jù)來(lái)源，鉆井參數(shù)，準(zhǔn)時(shí)對(duì)正在鉆進(jìn)的井作出下一步的決策，實(shí)現(xiàn)地層資料的智能解釋。三、課題爭(zhēng)論中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)對(duì)于課題的爭(zhēng)論主要集中在以下幾個(gè)方面：1、建立并改進(jìn)電阻率測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，模型應(yīng)具有前向推測(cè)的功能。2、多探測(cè)深度工具的電極分布及其幾何因數(shù)確實(shí)定。3、改進(jìn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，建立試驗(yàn)環(huán)境。4、數(shù)據(jù)處理，利用數(shù)學(xué)方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)展分析運(yùn)算，得到最正確的測(cè)量結(jié)果；建立鉆井資料解釋數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)展智能分析。四、時(shí)間進(jìn)度2023.1～2023.72023.8～2023.102023.12～2023.92023.9縱深爭(zhēng)論五、參考文獻(xiàn)

完成隨鉆電阻率測(cè)量模型及其前向推測(cè)模型的爭(zhēng)論何因數(shù)；設(shè)計(jì)多探測(cè)深度工具的試驗(yàn)方案。具樣品，完成相關(guān)試驗(yàn)。撰寫(xiě)論文。其實(shí)現(xiàn)?！?、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