第11讲阵列感应测井

z2.物理基础与方法原理
常规感应测井仪线圈系 z各种浅探测测量结果都受到井眼不规则和井眼 附近的其它因素影响。所带来的后果，特别是由 于一系列井眼不规则导致的测量噪声，常常影响 处理后的深电阻率读值。 z针对常规感应测井中深感应探测特性和纵向分 辨率的不足，1987年HES在常规感应线圈系的基 础上对线圈系进行了重新设计，研制出高分辨率 感应测井HRI（High Resolution Induction）。
z1.发展历程
z感应测井先后经历：常规感应测井（包括简单 的双线圈系、复合六线圈系、双感应组合测井 等）、高分辨率感应测井、高分辨率阵列感应测 井等几个阶段。 z1985年，SLB推出相量双感应测井仪器，能测 量感应测井中的虚部信号。 z1985年，英国BPB公司首次实现“软件聚焦”思 想，推出了商用的阵列感应测井仪器AIS（Array Induction Sonde），线圈系为一个发射线圈和四 个接收线圈。
z1.发展历程
z1957年，A.Poupon提出了阵列感应和“软件聚焦” 的思想，由于技术的限制，当时在测井仪器上未 能实现。 z感应测井最初设计是应用在不能使用直流电测 井的环境，如油基泥浆井、没有泥浆的井、塑料 套管井等。 z生产实践逐渐证实，在淡水泥浆井、原状地层 电阻率较低的地层也有非常好的应用价值。
z2.物理基础与方法原理
z1949年，Doll把电磁感应现象引入测井中，阐述 了感应测井的基本原理。 z发射线圈中的交流电流在接收线圈中产生一次 感应电动势。发射线圈和接收线圈均在井内，线 圈周围的介质可看成是由无数个小单元环组成。 z发射线圈的交流电流必然要在井周围闭合的小 单元环中感应出涡流，此涡流产生的二次交变电 磁场在接收线圈中也必然产生二次感应电动势； 二次感应的电动势与地层的电导率有关。
= σmGm +σiGi +σtGt +σsGs G m + G i + G t + G s = 1
z感应测井视电导率是各部分电导率与其几何因 子乘积之和；在数值上等于各部分介质电导率的 加权平均值，各部分的几何因子是其权系数。
z2.物理基础与方法原理
地层视电导率和几何因子
z感应测井适合应用在淡水泥浆、围岩电导率相对 较低的地层、高侵和地层电导率中到低的地层， 对 σ 贡m ,献σ 小i , σ，s σ贡a献大。 σ t z高分辨率阵列感应测井采用软件聚焦法优化合 成多种分辨率和多种探测深度的测井响应。 z有效地消除或减少了泥浆滤液、围岩、侵入情 况的影响。 z也适合应用于咸水泥浆井等。
z1.发展历程
z1996年，Atlas经过几年努力的研究正式推出了 多 道 全 数 字 频 谱 感 应 测 井 仪 HDIL （ High Definition Induction Log）。
z2002年左右，Atlas推出了研制了三分量感应测 井仪3DEX（3D Explorer Induction），该仪器采 用了3个相互垂直的发射接收线圈系阵列，可以用 来评价地层中电阻率的各向异性，求取地层的方 向渗透率。
z2.物理基础与方法原理
几何因子理论
z感应测井几何因子理论是感应测井仪器设计、 仪器标定的理论依据，数据处理的基础。
z线圈系优选、探测特性、软件聚焦、电阻率实 时求解与反演等，均基于几何因子理论。
z各单元环的几何因子是单元环和线圈系尺寸及 其相对位置的函数，它决定该单元环对总的有用 信号或视电导率贡献的相对大小。
z2.物理基础与方法原理
z阵列感应测井的主要特点：线圈型仪器；软件 聚焦合成曲线；提供不同分辨率和探测深度的多 条曲线。 z感应测井利用电磁感应原理测量地层电导率。 z1831法拉第认为：变化的磁场可使存在其中的 导体回路产生感应电流，感应电流又能够在另一 个导体回路中产生感应电流（电磁感应现象）。
z1.发展历程
z1989年，MPI公司研制出一种大功率感应测井 仪器（XHR），该仪器有一个发射和两个接收线 圈，发射线圈发射宽频脉冲信号，将所有接收信 号传送到地面，通过解Maxwell方程进行地层电 导率反演。 z1990年，SLB推出AIT-B型阵列感应测井仪器 （Array Induction Imager Tool – AIT ）。AIT 采用1个发射线圈和8个接收器，使用软件聚焦。 1992年AIT开始商业服务。1995年SLB推出新一 代阵列感应测井仪器AIT-H。
z2.物理基础与方法原理
z发射电流，涡流，感生电流，涡流产生的电流 存在相位差。接收线圈电流（R信号）与发射电 流的相位差为180º。 z两个线圈直耦产生的感应电流（X信号）与发射 电流的相位差为90º。
z2.物理基础与方法原理
感应测井的有用信号 z理论和实验证明：感应测井中的一个或多个发 射线圈和一个或多个接受线圈可以被看作磁偶极 子，并假设线圈系周围的介质是由无数个小单元 环组成，且在空间上相互独立，彼此不影响，则 接收线圈总的有用信号是所有这些单元环贡献的 总和，表示如下：
z2.物理基础与方法原理
感应测井原理
z发射线圈发射的交变电 流具有恒定的频率和幅 度；在地层中感生的涡流 强度正比于地层电导率。
z接收线圈中接收的感生 电动势也就正比于地层电 导率。
z2.物理基础与方法原理
z感应测井原理也是阵列感应测井的基本原理。 z在接收线圈中除了由介质中环形电流造成的感 应电动势以外，还包括由发射线圈直接在接收线 圈中造成的感应电动势，该电动势与地层性质无 关，称为无用信号（直藕信号，X信号）。 z和地层导电性直接有关的感应电动势，叫做有 用信号（R信号）。
12
Lower R
3
4
5
T
Upper R
5
4
3
21
13’
z2.物理基础与方法原理
HRAI线圈系探测特性
z高分辨率阵列感应采用软件聚焦法，摒弃了应 用效果不好的硬件聚焦法。 z对每一个测量点采集到的40个原始信号进行处 理得到3种纵向分辨率(1ft、2ft、4ft)的6种探测深 度(10in、20in、30in、60in、90in、120in)的多条 曲线。
12
Lower R 34
5T
Upper R
54 3
21
13’
z2.物理基础与方法原理
HRAI线圈系探测特性 z内侧八个探测深度较浅的接收线圈阵列中每个 线圈系都由3个线圈组成：一个主线圈，两个屏蔽 线圈。最外侧两个探测深度最深的测量接收线圈 系由两个线圈组成：1个主线圈和1个屏蔽线圈。
z屏蔽线圈主要用来消除发射和接收线圈直接产 生的直耦信号。线圈阵列系之间的距离大体上按 指数律排列。
z1.发展历程
z1987 年 ， HES 研 制 了 高 分 辨 率 感 应 测 井 仪 器 HRI，采用了井眼校正、围岩校正和趋肤效应校 正等技术，其最大优点是测量精度高，探测深度 更深，能有效划分薄层。HRI同常规感应测井仪 一样，在径向上仅能提供三种探测深度的信息， 不能定量描述复杂侵入地层。 z1989年，Atlas推出了可同时测量实部和虚部信 号的双相位感应测井仪器（Dual Phase Induction Log-DPIL），该仪器仍然是传统的双感应聚焦线 圈系，有3个工作频率。
z2.物理基础与方法原理
HRI线圈系 zHRI线圈系由7个线圈构成：两端对称排列两个 中感应发射线圈MT和两个深感应发射线圈DT， 中间为三个接收线圈，其中一个主接收线圈位于 正中，两个辅助接收线圈、对称地排列在主接收 线圈的两侧。
z2.物理基础与Βιβλιοθήκη 法原理HRAI线圈系z发射线圈位于线圈系中部，发射线圈上、下各 设计有5个接收线圈阵列。 z外侧8个测量线圈阵列（线圈1—线圈4），相对 于发射线圈呈对称排列。 z内侧两个测量线圈阵列（线圈5），与发射线圈 不是对称排列。
z2.物理基础与方法原理
常规感应测井仪线圈系 z复合线圈系中，任一发射线圈与任一接收线圈 都构成一个双线圈系，其总的探测特性是这些双 线圈系探测特性叠加的结果，可通过复合线圈系 横向和纵向几何因子来讨论其探测特性。 z用常规感应线圈的排列方式，设计具有理想响 应的感应测井仪器不可避免地涉及垂直分辨率和 探测深度折中问题，即必须考虑纵向分辨率和径 向探测深度成反比关系的问题（径向探测深度越 深，垂直分辨率就越差）。
z目 前 感 应 测 井 使 用 的 几 何 因 子 主 要 有 Doll 、 Moran、Gianzero和Born等4种几何因子。
z2.物理基础与方法原理
探测特性
z感应测井仪器探测特性（探测深度和纵向分辨 率）是评估感应测井仪器的重要指标，与地层参 数（如冲洗带电导率、围岩电导率）分布有关。
z现在流行径向探测深度和纵向分辨率的定义是 基于道尔（Doll）的几何因子理论发展起来。
z1.发展历程
z2000年，HES又推出了新一代感应测井仪高分 辨率阵列感应成像测井仪HRAI。 z该 仪 器 是 在 HRI 基 础 上 发 展 起 来 的 ， 吸 收 了 HRI和常规感应测井方法的优点。 z摒弃应用效果不好的硬件聚焦（线圈系聚焦） 思想，采用软件聚焦思想，能提供井周径向电阻 率分布、泥浆侵入剖面图，实时井眼环境校正等。
∫ ∫ VR
=K
+∞ 0
+∞ gσdzdr
-∞
g
=
L 2
r3
R
3 T
R
3 R
z2.物理基础与方法原理
地层视电导率和几何因子 z地层视电导率为有用信号和仪器常数之比：
∫ ∫ σa
= VR K
=
+∞ 0
+∞gσdzdr
-∞
+∞ +∞
∫ ∫ gdzdr =1
0 −∞
z全空间几何因子的积分和为1。
z视电导率是空间各单元环电导率加权平均值。 z其权系数就是几何因子。 z几何因子代表空间中各单元电导率对视电导率 相对贡献的大小。
z1.发展历程
目前，阵列感应测井的代表性仪器主要有： zSLB：AIT（Array Induction Imager Tool） zHES：HRAI（High Resolution Array Induction tool） zBaker Hughes ： HDIL （ High-Definition Induction Log） zCPL：MIT（Multi-frequency Induction Tool） z俄 罗 斯 ： HIL （ High-frequency Induction Logging）
z《测井新方法》
第11讲 阵列感应测井
张元中 地球物理与信息工程学院测井系
z《测井新方法》
主要内容
1、感应测井发展历程 2、物理基础与方法原理 3、HRAI仪器结构 4、采集的信息及用途
z1.发展历程
z1949年Doll提出感应测井几何因子理论。 z在此基础上，1956年SLB推出了5FF40感应测井 仪。 z1959年SLB又研制出了6FF40双感应测井仪，提 出了深浅感应电阻率测量，扩大了应用范围。 z自世界上第一支感应测井仪器问世以来，感应 测井已有近60年的发展历史。
z通常定义径向积分几何因子等于0.5时的侵入半 径为径向探测深度。
z定义纵向积分几何因子等于0.5时对应的厚层为 纵向分辨率。
z2.物理基础与方法原理
常规感应测井仪线圈系 z常规感应测井线圈系包括单一双线圈系和复合 线圈系两种结构。 z单一双线圈系结构受井眼和围岩的影响很大， 不能满足实际测井的需要。 z为了满足测井要求的受井眼和围岩影响小，径 向探测深度深，纵向分层能力高。通常使用复合 线圈系，即以一个主双线圈系为基础，然后适当 增加一些辅助线圈（可以有多个发射线圈和多个 接收线圈），也称聚焦线圈系。
z2.物理基础与方法原理
地层视电导率和几何因子 z把仪器周围介质分成井眼、侵入带、原状地层、 围岩等几部分，几何因子分别是 G m , G i , G t , G s ，电 导率分别为σ m ,σ i ,σ t ,σ s ，地层视电导率表示为：
σ a = σ m ∫∫m gdzdr + σ i ∫∫i gdzdr + σ t ∫∫tgdzdr + σ s ∫∫sgdzdr
z2.物理基础与方法原理
z无用信号强度远远大于有用信号强度（在简单 的双线圈系中有用信号约为无用信号的8%）。
z实际应用时，必须设法剔除或大量减少无用信 号，应用相位检波技术或改善线圈系设计（如增 设补偿线圈）实现这一目的（硬件聚焦）。
z软件聚焦：将采集到地层原始信号（包含无用 信号）用计算机最优化地选择权系数，并进行加 权处理，即可获得不同纵向分辨率、不同径向探 测深度的测井响应曲线。