井间电磁刻度方法研究

臧德福, 晁永胜, 李智强, 姬勇力

(1.中石化胜利石油工程有限公司测井公司, 山东 东营 257096; 2.中国电子科技集团公司第22研究所, 河南 新乡 453003)

0　引　言

井间电磁测井是在单井电磁波测井基础上发展起来的测井方法[1-3]。它将发射器置于一口井中,采用10 Hz～10 kHz的频率向地层发射电磁波,而将接收器置于邻近的另一口或多口井中接收电磁波,采用计算机层析(CT)技术,对测量数据进行反演[4-6],可提供反映油、气、水分布的二维乃至三维的电阻率成像,从而以较高的精度和分辨率实现对井间地层导电特性的直接测量和描述,大大提高描述油藏特性的能力。常规测井仪器单井测量具有精细描述井眼以及井眼周围地质特性的优势,然而横向探测能力不足,三维精细地震勘探虽然横向探测能力强,但分辨率低,只能达到几十米,而且无法直接探测油水特性。高分辨率探测技术有助于地下精细构造研究,从而能更详细地了解地层的构造与分布。井间电磁测井技术的应用,将从根本上改变测井技术横向探测能力不足的弱点,并能有效解决“井孔”与“井间”所采集到的信息类型和信息量极不平衡的问题,从而能加深人们对地下地质情况的认识和了解。

20世纪90年代以来,美国EMI公司和加州伯克利大学的研究人员对井间电磁成像系统进行了大量的理论方法研究和实验论证,中国许多学者也积极开展了该项工作[7-9]。斯伦贝谢公司先后研制了XBH2000、X2C以及Deep-look井间电磁仪器。目前,中石化胜利石油工程有限公司测井公司开始研制井间电磁仪器,但是该仪器的探测范围广,无法采用刻度环的方式进行刻度,本文寻找一种新的刻度方法对井间电磁仪器进行刻度。

1　方法原理

1.1　地层模型

井间成像测井刻度系统是将发射器和接收器分别置于广阔的空间中,接收器接收由发射器发射并经地层与空间传播的电磁波,获得地层电阻率响应。从而实现对井间电磁仪器的刻度。在广阔地层中需要保证仪器移动的便利,一般在仪器下方增加1个非金属支架。

考虑到发射机、接收机平行放在地面上,地面以上为空气,地面以下为地层介质,地层介质为均匀各向同性介质,模型中存在地层(电导率σ1,介电常数ε1,磁导率μ1)与空气2种介质,发射线圈半径为aT,发射线圈的位置可以定位坐标原点,接收线圈半径为aR,接收线圈纵坐标位置为zR。

1.2　地层平面计算模型

在y轴方向上,地层是无限延伸且地层的电阻率相同,在每个xoz平面上,地层的电阻率相同,且发射与接收之间的距离要远大于发射天线与接收天线的长度,地层模型可以简化为在xoz平面上进行求解计算。以发射机中心位置为原点,将地层模型进行简化,简化后的地层平面模型见图1。

图1　地层平面模型示意图

1.3　纵向分层地层电磁场计算推导

电场强度E和磁场强度H满足麦克斯韦方程组

(1)

M=Mhcosθeρ-Mhsinθeρ+Mvez

(2)

式中,M为磁矢矢量;Mv=Msinα,Mh=Mcosα分别为磁偶极子源的垂直分量和水平分量;ρ为接收点与发射源水平方向的距离;α为发射线圈与地层垂直方向之间的夹角;θ为水平面上发射线圈与接收线圈之间的夹角,在该刻度中α=0,θ=0。

接收线圈的面积

(3)

sinαez)(Hm ρeρ+Hm θeθ+Hm zez)=εm ρ+εm θ+εm z

(4)

直接给出3层介质下的接收电压公式

(5)

2　纵向分层地层井间电磁响应模拟

利用式(5)可以计算得到不同地层电导率下的接收线圈的幅度与相位,由图2至图4可知,随着地层电导率的增大,相位与幅度也变大,随着发射频率的增大,相位与幅度也逐渐变大。由图5可知,在不同的发射频率下,幅度比与相位差存在极大值。在实际应用中可以根据外场的试验环境,增加不同接收距离下接收线圈相位与幅度的数据库。文中仅给出了15、30、45 m的接收线圈幅度与相位的关系(见图5、图6)。

图2　15 m处接收线圈的幅度和相位

图3　30 m处接收线圈的幅度和相位

图4　45 m处接收线圈的幅度和相位

图6　15 m位置和接收线圈的幅度与45 m位置处接收线圈的幅度和相位差

3　刻度测量过程

3.1　刻度准备与记录

(1) 井间电磁仪器置于空旷的大地上,周围100 m内无电磁物质,将接收机仪器置于一固定位置,通过旋转接收机短节的方向,确定50 Hz信号最小的方向为接收机方向。

(2) 将发射机与接收机轴向平行放置且仪器中心连线与轴向垂直,将发射机仪器与接收机仪器中心距离置于A处(例如45 m)进行测试,发射机发射固定频率Fre1,测量记录接收机电压幅度TA与相位TP,电压幅度TA表示为RA45×(1+WRA)、相位WRP表示为RP45+WRP。其中地层引起的接收机电压幅度为RA45、相位为RP45,系统自身引起的接收机电压幅度为WRA、相位为WRP。

(3) 将发射机与接收机轴向平行放置且中心连线与轴向垂直,将发射机仪器与接收机仪器中心距离B处(例如30 m)进行测试,发射机发射固定频率Fre1,测量记录接收机电压幅度TA1与相位TP1,电压幅度TA1表示为RA30×(1+WRA)、相位WRP1表示为RP30+WRP。其中地层引起的接收机电压幅度为RA30、相位为RP30,系统自身引起的接收机电压幅度为WRA、相位为WRP。

3.2　仪器刻度

由麦克斯韦方程出发,建立不同地层电阻率的发射机与接收机位于不同距离时幅度与相位之间的关系。

(1) 通过记录频率Fre1下的不同距离之间的信号(30 m,45 m信号)。幅度比记为DDA=TA1/TA=RA30/RA45,相位差记为DDP=TP1-TP=RA30-RA45;通过幅度比、相位差可以看出通过做差的方式可以有效的消除仪器本身的影响。

(2) 理论计算多个电阻率、该频率下发射机与接收机的信号,幅度记为TTA30、TTA45,相位记为TTP30、TTP45。幅度比记为CDTA=TTA30/TTA45,相位差记为CDPA=TTP30-45。

(3) 通过实际测量计算的DDA、DDP与理论计算出来的CDTA、CDPA进行比较,得到最佳匹配点,确定地层电阻率Rt。

(4) 查找Rt对应的30 m处,理论计算的接收机信号幅度以及相位,FA30、FP30;发射机检测线圈的幅度以及相位,TAA,TAP。计算相位和幅度的刻度系数KA和KP,KA=FA30/(TA1/TAA),KA为仪器幅度刻度系数;KP=FP30-(TP1-TAP),KP为仪器相位刻度系数。

4　实际地层刻度

该仪器在胜利油田测井公司试验时,由于场地较大,将4支接收机放置在45 m和60 m处,改变发射频率,测量接收机的相位与幅度(见图7),横轴表示发射频率,纵轴表示幅度与相位,4支接收机的一致性较好。

利用3.2中的步骤(1)到(3),计算不同的频率、45 m与60 m距离下的相位以及幅度比,确定地层电导率为1.2～1 S/m左右,该地层电导率与胜利油田近地表电导率相符。利用步骤(4)确定接收机的刻度。

图7　4支接收机幅度和相位

5　结　论

(1) 通过分析井间电磁问题,将模型简化为一维纵向地层电磁场计算,推导了纵向地层中电磁场的分布计算公式;计算了不同地层电导率、发射频率以及发射线圈距离下接收线圈的幅度与相位。

(2) 提出了一种井间电磁刻度方法,利用不同位置下的接收线圈的幅度与相位关系,消除仪器电路自身的幅度与相位对接收信号的影响。

(3) 对不同位置下的电磁场进行反演得到地层电导率,利用正演方法确定仪器自身的增益与相移,达到井间电磁刻度的目的,该方法经实际仪器进行测试表明可以有效标定电路本身的影响。