用柱状成层各向异性介质的并矢Green函数模拟偏心对多分量感应测井响应的影响

采用偏心状态下柱状成层各向异性(横向各向同性)介质中并矢Green函数的解析表达式高效模拟多分量感应测井仪器在井眼中偏心时的响应.为提高精度,在模拟时考虑到了金属心轴、绝缘保护层的存在以及各分量线圈系的具体形状.数值模拟结果表明,当井眼内钻井液电导率相对较高、地层电导率相对较低时,偏心对仪器响应的影响较大,尤其是对短线圈距线圈系的影响更为明显,必须进行偏心效应校正.当钻井液电导率相对较低时,偏心对线圈系响应的影响可忽略不计.对位于相对低电导率井眼中的线圈系而言仪器方位角的影响可忽略不计,而当线圈系位于相对高电导率井眼中时仪器方位角的影响极为明显.当仪器偏心率较小时线圈系的响应随仪器方位角的变化较小,仪器偏心率越大线圈系的响应随仪器方位角的变化越明显.     

利用2.5维数值模式匹配算法高效高精度建立垂直井眼中多分量阵列感应井眼校正库

本文将应用2.5维数值模式匹配算法研究建立柱状横向同性地层中偏心条件下磁流源并矢Green函数的高效算法,并利用该算法高效计算多分量阵列感应井眼校正库.首先,通过Fourier展开技术将偏心条件下磁流源并矢Green函数的数值模拟转化为一系列的轴对称问题;然后利用模式匹配算法求解轴对称问题,得到柱状介质中偏心条件下磁流源并矢Green函数的半解析解;最后,结合中国石油集团测井有限公司开发的三维感应测井仪器(TDIT)的结构参数,推导出复合线圈系视电导率张量的计算公式.在此基础上,根据井场实际地层资料归纳出理论地层模型相应参数的变化范围,高效高精度建立一套直接应用于工业生产的多分量阵列感应井眼校正库,并利用井眼校正库详细地分析考察各模型参数对TDIT响应的影响.     

定向电磁波传播随钻测量基本理论及其在地层界面预测中的应用

采用水平层状各向异性介质中的磁流源并矢Green函数计算定向电磁波传播随钻测量的幅度衰减和相位移.分析了定向电磁测量的探测范围和对地层界面的灵敏性,研究了地层各向异性、地层相对倾角和接收天线倾角对定向测量的影响.计算结果表明,频率越低、线圈距越大、目的层和围岩层电阻率对比度越大,定向电磁测量的探测范围越大.随着接收天线倾角的增加,定向幅度衰减在接近地层界面时的变化更加明显,对地层界面的灵敏性增加.采用对称天线结构可消除定向测量信号在远离地层界面处对地层各向异性和地层相对倾角的依赖,实现对地层界面的准确预测.     

层状各向异性地层中含环状天线槽随钻方位电磁波测井几何因子算法

本文基于感应测井中的几何因子与一阶Born近似理论,通过柱坐标系下耦合势Helmholtz方程三维有限体积法研究建立了各向异性地层中含环状天线槽的随钻方位电磁波测井几何因子.首先,通过引入环状电流源与径向磁偶极子源电磁场Green函数,并结合Green第二积分公式,推导出随钻方位电磁波测井仪器中环形电场和横向磁场微小变化与各向异性地层中水平和垂直电导率相对摄动量之间的关系,得到轴向和横向感应电动势微小变化量计算方法与柱坐标系中轴向和横向分量空间灵敏度函数(三维几何因子)表达式.在此基础上,进一步给出径向和纵向微分几何因子计算公式.然后,应用耦合势三维有限体积法确定发射线圈产生的感应电磁场以及环状电流源与径向磁偶极子源电磁场Green函数的数值解.最后,给出不同频率、不同倾角、不同各向异性系数等多种情况下该仪器的空间灵敏度函数与微分几何因子的数值结果,用于分析考查仪器的响应特征与空间探测能力.     

柱状成层地层中仪器偏心对阵列感应测井响应的影响

采用柱状成层介质的并矢Green函数高效计算井眼中偏心发射源产生的电磁波,并利用该算法模拟了阵列感应测井仪器在井眼中偏心时的响应.在模拟时既考虑到了金属心轴的存在也考虑到了线圈系所处绝缘层的存在,并重点分析了绝缘层的影响.数值模拟结果表明,对相对低泥浆电导率情况而言,无论线圈距长短,线圈系所处绝缘层对仪器响应的影响均较小,可忽略不计.而对于相对高泥浆电导率情况,线圈系所处绝缘层对仪器响应的影响明显,不可忽略,且线圈距越短影响越大,仪器偏心距越大影响越大.另由数值模拟结果可以看出,在相同泥浆电导率情况下,仪器线圈距越短偏心对线圈系响应的影响越大.     

用传播矩阵法研究层状交错地层中的多分量感应测井

为了实现交错沉积等复杂环境中的电磁场数值模拟,本文在常规横向同性模型的基础上引入了电导率主轴坐标系相对地层坐标系的层理方位角和倾角,建立了交错地层模型.并利用传播矩阵法建立了一维层状交错地层模型中的多分量感应测井仪器响应的正演模拟算法.首先将频率-波数域中的电磁场分解为上行和下行模式波,给出了任意朝向的磁偶极子在无限大地层中模式波的解析解.进一步通过引入地层界面上的透射、局部反射以及广义反射系数矩阵,推导了一维层状地层中的模式波表达式.在此基础上,利用二维Gauss-Legendre积分实现了Fourier逆变换,得到了可用于多分量感应测井模拟的频率-空间域磁场并矢格林函数.最后,通过多个数值模拟结果考察了井眼倾角、层理方位角和倾角变化对多分量感应测井响应的影响.     

张量感应测井视值解释方法的改进

三轴张量感应测井可探测地层电导率各向异性,Zhdanov et al.利用在横向各向同性均匀介质中测井响应的低频渐近式给出了由张量感应测井响应提取地层各向异性电导率和井孔倾角与方位角信息的解析公式,为张量感应测井资料解释奠定了基础.但是,他们给出的井孔倾角公式存在双值解的不确定性,其各向异性电导率解也不是最佳近似解.本文以更为简洁的推导和分析方法,给出了单值的井孔倾角解以及近似程度更好的各向异性电导率解,并通过数值模拟实例加以说明.本文的结果可为张量感应测井资料的视值解释提供更好的选择.     

垂直井眼中三维阵列感应测井资料自适应井眼校正

三维感应测井受井眼环境影响很大,如何消除这些不利影响是有效获取各向异性地层电导率真值并提高资料处理和解释质量的一项重要工作.本文以一维柱状各向异性地层模型为基础,通过最小平方反演技术从实际测量资料中快速反演井径、偏心距、泥浆电导率、地层水平电导率和各向异性系数等模型参数,设法减小井眼环境对测量结果的影响.首先,利用仪器偏心情况下不同旋转角电导率张量的关系方程,建立旋转角提取与校正方法,获取无旋转角三维感应测井数据.在此基础上,根据事先计算好的井眼校正库并结合多维非线性有限元逼近技术,建立快速计算三维感应测井响应以及Jacobi导数矩阵的插值公式,并利用自适应正则化迭代反演技术不断修改模型参数,实现理论合成资料与输入资料的最佳拟合.最后,通过反演出的模型参数计算三维感应测井资料所有分量的校正量,实现三维感应资料的井眼校正.理论模型和实际资料的处理结果均证实,在低阻井眼泥浆情况下,一维柱状模型中的反演方法仍然可以提取出较可靠的地层水平和垂直电导率,且井眼环境校正对于受井眼环境影响相对较小的测井曲线具有非常好的校正效果.     

双轴各向异性介质多分量感应测井响应快速计算

为研究双轴各向异性介质多分量感应测井响应特征,本文基于三重傅里叶变换,推导任意方向偶极子源的谱域电磁场解析式;采用围线积分方法,自适应截断积分区间,结合谱域电磁场周期特性,实现三重傅里叶变换的精确快速积分;进而,针对双轴各向异性倾斜地层,模拟研究不同纵横向各向异性条件多分量感应测井响应特征.结果表明:利用谱域内电磁场在周向的周期特性简化解析式,可将计算速度提高4倍;自适应截断积分区间方法保证了计算精度,并极大地减少了积分节点数.对于倾斜双轴各向异性介质,倾角较大时,共面分量可反映地层横向各向异性,同轴分量可反映地层纵向各向异性;倾角较小时,同轴分量可反映地层横向各向异性,共面分量可反映地层纵向各向异性.     

用模式匹配算法研究层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应

利用数值模式匹配技术,研究并建立层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应的快速数值模拟算法.首先将位于井轴上的三个相互正交磁偶极子转化成关于极角θ的三个谐变分量的叠加,以便将三个正交磁偶极子电磁场的正演问题完全简化成三个谐变分量电磁场的轴对称定解问题,并给出电磁场各个谐变分量在井轴上满足的边界条件,保证电磁场在井轴附近仍然可解.然后利用数值模式匹配技术建立电磁场各个谐变分量的正演过程,得到层状各向异性地层中磁流源并矢Green函数的半解析表达式,给出计算层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应的具体方法,最后通过数值计算结果证明该算法的有效性并考察几种不同情况下多分量感应测井响应特征.     

The effect of the electrical anisotropy on the response of helicopter-borne frequency-domain electromagnetic systems

Helicopter electromagnetic (HEM) systems are commonly used for conductivity mapping and the data are often interpreted using an isotropic horizontally layered earth model. However, in regions with distinct dipping stratification, it is useful to extend the model to a layered earth with general anisotropy by assigning each layer a symmetrical 3 × 3 resistivity tensor. The electromagnetic (EM) field is represented by two scalar potentials, which describe the poloidal and toroidal parts of the magnetic field. Via a 2D Fourier transform, we obtain two coupled ordinary differential equations in the vertical coordinate. To stabilize the numerical calculation, the wavenumber domain is divided into two parts associated with small and large wavenumbers. The EM field for small wavenumbers is continued from layer to layer with the continuity conditions. For large wavenumbers, the EM field behaves like a DC field and therefore cannot be sensed by airborne EM systems. Thus, the contribution from the large wavenumbers is simply ignored. The magnetic fields are calculated for the vertical coaxial (VCX), horizontal coplanar (HCP) and vertical coplanar (VCP) coil configurations for a helicopter EM system. The apparent resistivities defined from the VCX, VCP and HCP coil responses, when plotted in polar coordinates, clearly identify the principal anisotropic axes of an anisotropic earth. The field example from the Edwards Aquifer recharge area in Texas confirms that the polar plots of the apparent resistivities identify the principal anisotropic axes that coincide well with the direction of the underground structures.     

一种新型随钻电阻率测井仪器的响应和刻度

对一种新型随钻电阻率测井仪器在均质地层中的电磁场分布和接收线圈的响应特性进行分析，并对仪器在真空中的刻度方法进行研究.推导出了圆柱坐标系下径向成层介质中磁流源并矢Green函数的矢量本征函数展开式，从而得到研究该仪器电磁场分布、接收线圈响应、刻度方法所必需的解析计算式.计算发现，钻铤的存在大大提高了仪器的定向探测性能.计算还发现，不同的钻铤尺寸、线圈系到钻铤不同的距离对线圈系在真空中的响应值具有较大影响.钻铤在地层中产生的实部信号可近似认为恒定，而当地层电导率大于001 S/m时，钻铤在地层中产生的虚部信号亦可近似认为恒定.数值计算表明，仪器偏心程度越大，钻铤半径越大，仪器中刻度环电阻所对应的视电导率值越小.     

用并矢Green函数的矢量本征函数展开式模拟随钻感应测井仪器的响应

采用圆柱坐标系下完纯导电劈模型的磁流源并矢Green函数的矢量本征函数展开式计算钻铤V型槽内随钻感应测井仪器的响应.计算发现,V型槽张角的变化对电磁场不同分量的影响规律不同.若只采用传统的感应测井仪器,V型槽的张角可尽量小一些以最大限度地增加信号强度.若采用多分量感应测井仪器,需对V型槽张角的取值进行折衷考虑.由于在具...     

水平层状非均质TI地层中仪器偏心情况下三维感应测井响应高效数值模拟与响应特征分析

本文针对中国石油集团测井有限公司(CPL)三维阵列感应测井仪器(Three Dimensional Induction Tool,TDIT)的真实结构与参数,利用2.5维数值模式匹配技术研究建立水平层状非均质TI地层中仪器偏心情况下三维感应测井响应的高效数值模拟算法.首先,利用2.5维数值模式匹配技术给出水平层状非均质TI模型中偏心磁流源并矢Green函数的半解析解.在此基础上,结合三维阵列感应测井仪器参数以及测量过程中出现的仪器偏心与旋转等实际情况,通过叠加原理推导出该仪器响应的有效计算公式.最后,通过数值模拟结果分析考察仪器偏心、仪器自旋角等参数对测井响应的影响以及变化特征,为多分量感应资料处理与解释提供理论基础.     

瞬变电磁波测井边界远探测方法研究

随钻地质导向钻井的关键在于对边界的探测,为提高仪器探测深度,时谐源激励的电磁波测井方法通常采用降低频率、增大源距的方式.瞬变电磁波测井信号源的突然关断产生会产生感应涡流,涡流随时间向地层深部扩散,与时谐源激励方式相比,其探测深度更大且测量过程不受信号源的干扰.因此,本文提出一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,采用余弦变换的数值滤波算法,模拟层状地层同轴发射接收线圈的瞬变电磁波测井响应,结果显示,地层电导率越大,电磁波传播速度越慢,测量晚期感应电动势与地层电导率线性相关;通过定义层状介质总场与线圈系所在当前层背景场的差值可方便提取界面信息,对界面的探测距离可达数十米;瞬变电磁波测井响应受源距的影响很小,为利用短源距实现远探测提供了可能.瞬变电磁波测井与时谐源电磁波测井相比优势明显,在电磁波测井领域中应用前景广阔.     

Study on the simulation of acoustic logging measurements in horizontal and deviated wells

The conventional acoustic logging interpretation method, which is based on vertical wells that penetrate isotropic formations, is not suitable for horizontal and deviated wells penetrating anisotropic formations. This unsuitability is because during horizontal and deviated well drilling, cuttings will splash on the well wall or fall into the borehole bottom and form a thin bed of cuttings. In addition, the high velocity layers at different depths and intrinsic anisotropy may affect acoustic logging measurements. In this study, we examine how these factors affect the acoustic wave slowness measured in horizontal and deviated wells that are surrounded by an anisotropic medium using numerical simulation. We use the staggered-grid finite difference method in time domain (FDTD) combined with hybrid-PML. First, we acquire the acoustic slowness using a simulated array logging system, and then, we analyze how various factors affect acoustic slowness measurements and the differences between the effects of these factors. The factors considered are high-velocity layers, thin beds of cuttings, dipping angle, formation thickness, and anisotropy. The simulation results show that these factors affect acoustic wave slowness measurements differently. We observe that when the wavelength is much smaller than the distance between the borehole wall and high velocity layer, the true slowness of the formation could be acquired. When the wavelengths are of the same order (i.e., in the near-field scenarios), the geometrical acoustics theory is no longer applicable. Furthermore, when a thin bed of cuttings exists at the bottom of the borehole, Fermat's principle is still applicable, and true slowness can be acquired. In anisotropic formations, the measured slowness changes with increments in the dipping angle. Finally, for a measurement system with specific spacing, the slowness of a thin target layer can be acquired when the distance covered by the logging tool is sufficiently long. Based on systematical simulations with different dipping angles and anisotropy in homogenous TI media, slowness estimation charts are established to quantitatively determine the slowness at any dipping angle and for any value of the anisotropic ratio. Synthetic examples with different acoustic logging tools and different elastic parameters demonstrate that the acoustic slowness estimation method can be conveniently applied to horizontal and deviated wells in TI formations with high accuracy.