瞬变电磁过套管电阻率测井响应模拟及分析

瞬变电磁过套管电阻率测井响应模拟及分析

沈建国;谭刚;朱留方;臧德福;张付明;黄玉科

【摘要】瞬变电磁过套管电阻率测井采用线圈电流的导通和关断方式进行大功率激发,测量套管井内不同源距的瞬态响应波形.现场测井得的瞬态波形有2个响应:一个是脉冲,位于激发时刻;一个是单峰波形——上升沿变化快、下降沿变化慢、位于激发时刻之后.用实轴积分法模拟套管井的瞬变电磁响应,得到的2个响应与所测量的波形特征一致,它们分别对应于位移电流(电磁波)和传导电流(电磁感应)的响应.传导电流密度与地层电导率成正比,过套管电阻率测井主要利用第2个瞬态响应获得地层的电导率.由于瞬变激发的连续谱以低频为主,测井波形中直接耦合的无用信号幅度很大.用同一源距不同深度测量的波形相减可以去掉响应中的无用信号(直接耦合响应和井内液体、套管、水泥环的二次场响应),得到2个深度点所测量地层的二次场差,该二次场差与所测量的不同区域地层电导率成正比,从二次场差波形中任取一点的幅度均可得到1条曲线,对其反褶积并刻度可以得到地层电导率随深度的变化曲线,加上初值便得到地层的电导率,实现过套管地层电阻率的连续测量.

【期刊名称】《测井技术》

【年(卷),期】2019(043)002

【总页数】7页(P111-117)

【关键词】过套管电阻率测井;地层电阻率;测井曲线;传导电流;几何因子;瞬态波形;瞬变电磁测井

【作者】沈建国;谭刚;朱留方;臧德福;张付明;黄玉科

【作者单位】天津大学微电子学院,天津 300072;天津大学微电子学院,天津300072;中石化胜利石油工程有限公司测井公司,山东东营 257096;中石化胜利石油工程有限公司测井公司,山东东营 257096;中石化胜利石油工程有限公司测井公司,山东东营 257096;中石化胜利石油工程有限公司测井公司,山东东营 257096【正文语种】中文

【中图分类】P631.84

0 引言

传统的过套管电阻率测井是直流方法,受套管影响大[1],电流主要沿套管流动,受接触影响大,对井眼条件要求高。本文采用线圈电流导通和关断方式激发大功率瞬变电磁场,发射和接收线圈不与套管接触[2],通过电磁感应,使瞬态的低频电磁能量穿过套管,在地层中形成瞬态涡流,该涡流在套管井内再次激发瞬态电磁感应响应[3-5],测量该响应的波形得到地层电导率[6-7]。具体测量时采用不同源距进行接收。与直流方法不同,瞬变激发的电磁场频谱连续,包含丰富的频率成分,低频幅度较大,高频幅度较小[8],其响应是瞬态波形,地层电导率信息通过瞬态波形携带。

过套管瞬变电磁测井是全空间问题,其响应与地面瞬变电磁均匀半无限大空间有比较大的差别,主要表现为半无限大的空气介质(传播电磁波)变成了有限的井孔圆柱(形状),无限大平面边界变成了套管内边界。井周围的钢管是高电导率和磁导率介质,对套管内线圈激发的瞬变电磁场衰减大。在套管内接收,其幅度随源距快速衰减。文献[8-10]建立了理论模型并进行了实验研究,所得到的响应波形是单调减小的,类似于地面瞬变电磁的近偏移距响应。其地层电阻率处理也类似于地面瞬变电磁,在单调衰减的响应波形上取n个时刻的幅度值构成n条测井曲线，经过刻度后得到地层电导率测井曲线。该方法在套管损伤检测方面取得了成功，在套管变形或者腐

蚀的深度,n条曲线都有明显的变化。但是，对地层电阻率测量时，因为地层电导

率所引起的有用信号幅度很小，处理难度比较大。

本文用实轴积分方法(频谱法)研究套管井中不同源距的瞬变电磁响应。结合微分方程分析了2种响应,因为频率低、集肤深度大,套管对电磁能量的屏蔽比较弱,满足Doll电磁感应原理,以此为基础讨论了无用信号的消除方法和地层电导率处理方法,得到了套管井地层电导率变化曲线。

1 现场实测波形

实验仪器不用贴井壁,采用了一发四收线圈同轴安装在一起构成一个圆柱体,4个不

同源距的接收线圈R1、R2、R3和R4的源距为L1=0.275 m,L2=0.43 m,L3=0.6 m,L 4=0.77 m。在5.5 in[注]非法定计量单位,1 in=25.4 mm,下同的套管井中接

收到的4个波形形状差异比较大(见图1)。其中,发射波形的激发逻辑:延迟60 ms、正向导通60 ms,关断60 ms,反向导通60 ms,关断160 ms。在1个激发周期中,

有2次导通和2次关断过程。这4个时刻,发射线圈中的电流快速变化,在地层和套管井中激发出比较强的瞬变电磁场。4次激发的瞬变电磁场均有相应的瞬态响应,

合在一起构成原始测井波形。

图1 4个源距的原始测井波形(5.5 in*套管)

将4个波形重叠绘制得到图2。从图2可以看出,最近源距的波形在导通或者关断

时刻出现阶跃响应,瞬间达到很大的值,其他源距的3个波形则慢慢地增加,达到极值以后幅度开始减小,随着源距增加,波形的极值明显地向后移动,这说明电磁能量在套管井内具有一定的传播特征。但是,与声波的传播不同,响应波形形状随源距变化,不同源距的响应波形形状不一样。

图2 4个源距的原始测井波形

从图1和图2还可以看到,正向导通(60 ms位置)即发射线圈电流导通瞬间,图1最

上面响应波形即图2的蓝线出现从0～2.3 V的正向阶跃,并伴随有高频震荡,之后,

响应开始慢速上升到极大值,随之开始慢速下降并趋于舒缓。在关断时刻(120 ms 位置)则出现反方向(正0.7～-2 V)突变,并伴随着剧烈震荡,开始平滑地增加,最后接近于0。反向导通和关断时响应也突变,其极性与正向导通、关断相反,响应震荡也非常剧烈。这是近源距的响应特征,与地面瞬变电磁源距的响应有区别:0源距的响应是导通瞬间达到极值,之后幅度单调减小。近源距的波形对激发线圈的导通和关断时刻非常敏感,可以直接显示激发时刻。

源距增加以后,关断时刻的响应变成尖峰,并且随着源距增加,尖峰幅度逐渐减小并最终消失。在图1中,从上到下的第2个波形能够看到明显的尖峰,第3个波形的尖峰幅度很小,第4个波形则完全看不到尖峰了。即该响应随着源距增加,幅度快速衰减,并最终消失。

除了尖峰外,其他时刻的响应波形均连续变化,其特点是先快速变化,达到极值以后慢速变化。源距增加,变化减慢,极值依次向后移动。

图3 不同源距的响应波形

2 响应波形的数值模拟

为理解上述实测波形特征,本文建立套管井模型进行数值模拟。用轴向无限长、径向4层介质(沿径向半径向外依次是井内液体、套管、水泥环、地层)构建套管井模型,选择柱坐标系,井轴与z轴重合。

用分离变量法求解,套管井内的响应为

C(kz,ω)I1(l1r)]ei(kzz-ω t)dkzdω

(1)

式中,V(ω)是瞬变激发线圈的频谱,描述激发波形的形状;其中,分别为井内液体的电导率、介电常数和磁导率;kz是z方向的角波数;ω是角频率;K1(x)、I1(x)分别是虚宗量Bessel函数;C是广义反射系数,通过径向边界条件得到,包含了地层的电导率