一种裸眼井地层z方向电阻率测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种裸眼井地层z方向电阻率测量装置及方法：装置包括发射电极和N个接收线圈，发射电极位于接收线圈下方，发射电极沿井轴设置裸眼井中，各接收线圈骨架和发射电极同轴设置于裸眼井中；各接收线圈漆包线均沿上、下方向绕制在骨架上，沿圆周方向均匀绕制，接收圆周方向磁场的磁通量变化；用脉冲信号或阶跃信号激发发射电极，发射电极产生瞬变电磁信号；各接收线圈均接收瞬变电磁信号；提取瞬变电磁信号处理，得到响应幅度；根据响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，确定地层z方向的电阻率。本发明利用电极或电偶极子在裸眼井中激发的瞬变电磁场，通过测量z方向的电场强度变化，获得z方向地层的电阻率。

说明书

技术领域

本发明涉及石油勘探施工中裸眼井的地层物理参数测量领域，更具体的说，是涉及一种裸眼井地层z方向电阻率测量装置及方法。

背景技术

油气含量不同的地层的电阻率不同，电阻率是油气储层评价的重要依据之一，通过测量地层电阻率可以达到勘探的目的。在石油勘探和开发过程中，通常采用直流电法对地层电阻率进行测量，利用0频率的响应测量地层电阻率。或者采用正弦交流电激发的方法测量单个频率的稳态响应，获得裸眼井地层的电阻率。瞬变电磁法信号频率成分丰富，具有独特优势，通过测量瞬态波形可以获得一个频带内的地层电阻率，但目前此方法的应用较少，也没有针对z方向地层电阻率的测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种裸眼井地层z方向电阻率测量装置及方法，利用电极或电偶极子在裸眼井中激发的瞬变电磁场，通过测量z方向的电场强度变化，获得z方向地层的电阻率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明裸眼井地层z方向电阻率测量装置，包括发射电极和接收线圈，所述发射电极作为发射源，所述接收线圈作为接收源，所述接收线圈的数量为N个，所述发射电极位于所有接收线圈的下方，且所述发射电极沿井轴设置于裸眼井中，各所述接收线圈的圆形骨架和发射电极同轴，平行设置于裸眼井中；各所述接收线圈的漆包线均沿上、下方向绕制在接收线圈的骨架上，沿圆周方向均匀绕制，绕满整个接收线圈的骨架，接收圆周方向磁场的磁通量变化。

各所述接收线圈等间距分布。

所述发射电极由单电极或电偶极子构成，电偶极子的方向为z方向，激发的瞬变电场主要沿z方向分布。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明裸眼井地层z方向电阻率测量方法，包括以下过程：

S1用脉冲信号或阶跃信号激发发射电极，发射电极产生瞬变电磁信号；

S2各接收线圈均接收瞬变电磁信号；

S3提取瞬变电磁信号进行处理，得到瞬变电磁信号的响应幅度；

S4根据所述响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，确定地层z方向的电阻率。

步骤S3中所述提取瞬变电磁信号进行处理，得到瞬变电磁信号的响应幅度，具体包括：

方法1，直接提取所测量到的瞬变电磁信号的最大值作为响应幅度；

方法2，对测量到的瞬变电磁信号进行快速傅里叶变换，得到电磁信号的频谱，提取频谱的峰值，得到响应幅度。

步骤S4中所述响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，如下：

其中，σ表示地层电导率，与地层电阻率互为倒数关系，

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明利用实轴积分方法，在深入分析和理解单电极和电偶极子在裸眼井激发的瞬变电磁场数值计算结果的基础上，提供一种裸眼井地层z方向电阻率测量装置及方法。在裸眼井内通过测量电极激发的瞬变电磁场，观测沿z方向的电场强度的瞬态变化获得z方向的地层电阻率。因为该电场强度与地层电阻率在一定的范围内具有单调变化关系，本发明获得了这个刻度关系，利用该关系将瞬态的电场强度变化特征转换为地层电阻率的变化特征。为地层评价增加了一种全新的电阻率资料解释方法，有利于对地层的各向异性进行评价。

本发明依据瞬变电磁响应，充分利用了变化的电场激发磁场，变化的磁场激发电场这样的瞬态响应规律，通过瞬态波形的激发和测量实现对地层z方向电阻率的测量，具有下列优点：

1)用单电极和电偶极子激发，两种激发电极的结构不一样，所激发的电场具有不同的指向性，所测量的地层z方向电阻率受井眼影响不一样。

2)通过电极测量的感应电动势仅反映地层z方向的电场强度。

3)测量的瞬态波形包含连续的频率成分，每个频率对应的幅度都与地层的电阻率成正比。

4)通过去掉激发波形频谱的处理，可以获得电阻率随频率的连续变化曲线。将测量的电阻率从一个电阻率值变成一段电阻率变化曲线。

附图说明

图1为本发明裸眼井地层z方向电阻率测量装置的组成示意图；

图2为不同源距处z方向电场强度波形示意图；

图3为源距1.2m时井内z方向电场强度波形计算结果示意图；

图4为源距2.0m时井内z方向电场强度波形计算结果示意图；

图5为源距1.2m处电场强度最大值随地层电阻率的变化示意图；

图6为源距2.0m处电场强度最大值随地层电阻率的变化示意图。

附图标记：1-发射电极，2-接收线圈，3-裸眼井。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明裸眼井地层z方向电阻率测量装置，包括发射电极1和接收线圈2，所述发射电极1作为发射源，所述接收线圈2作为接收源。所述接收线圈2的数量为N个，所述发射电极1位于所有接收线圈2的下方，且所述发射电极1沿井轴设置于裸眼井3中，各所述接收线圈2的圆形骨架和发射电极1同轴，平行设置于裸眼井3中，各所述接收线圈2等间距分布。所述发射电极1的数量为一个，由单电极或电偶极子构成，单电极发射时，激发电源一端接发射电极，另一端接回路电极，回路电极插在离发射电极1较远的地面，相当于接地；电偶极子发射时，电偶极子的两个电极分别接激发电源的正负极，电偶极子沿z方向发射，激发的瞬变电场主要沿z方向(纵向)分布。各所述接收线圈2的漆包线均沿上、下方向绕制在接收线圈2的骨架上，沿圆周方向均匀绕制，绕满整个接收线圈2的骨架，接收圆周方向磁场的磁通量变化。其中，各接收线圈2的骨架可以用非金属材料制作，也可以用圆环状的磁芯材料制作，增加接收灵敏度。

图2是在裸眼井内用单电极激发时，不同源距z方向的电场强度波形图(高斯源激励)，随着源距的增加，波形幅度减小，形状基本不变。即在任意源距处，z方向的电场强度均是可以测量的，其波形形状基本一致。

图3指示源距为1.2米时，z方向电场强度随地层电阻率的变化曲线，最下面的波形电阻率最高，最上面的波形电阻率最小。从图上可以看到：随着电阻率增加，波形幅度逐渐增加。

图4是源距为2米时，z方向的电场强度随地层电阻率的变化曲线，同样，电阻率越高，电场强度波形的幅度越大。电场强度的波形幅度与地层电阻率具有单调关系。

图5是源距为1.2米时，z方向电场强度的最大幅度与地层电阻率之间的关系，两者是单调变化关系，接近线性。

图6是源距为2米时，z方向电场强度的最大幅度与地层电阻率之间的关系，两者也是单调变化，但非线性关系。

从上述图中可以看到：在裸眼井内，不同源距测量的z方向的电场强度与地层电阻率之间存在确定的关系，测量到z方向的电场强度，通过该关系刻度即可获得地层的电阻率。其中，所述响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，如下：

其中，σ表示地层电导率，与地层电阻率互为倒数关系，

图1所示的接收线圈的骨架是圆环状，轴线与井轴一致。在圆环状骨架上绕制线圈，所测量的是圆周方向磁场强度变化产生的感应电动势，该电动势与圆环内半径所包围的面积内z方向电场强度的通量成正比。当源距固定、圆环面积固定时，电场强度的通量只与z方向的电场强度成正比。因此，接收线圈测量的感应电动势与z方向的电场强度随时间的变化率成正比。所以用接收线圈可以测量到不同源距的z方向电场强度的瞬态响应波形(即瞬变电磁信号)。

对测量的瞬态响应波形具体处理时包含以下几种情况：

对于每个源距的波形，用波形中最大幅度指示地层电阻率，通过刻度得到地层z方向的电阻率。该电阻率是激发波形主频所对应的电阻率。

对于不同源距的波形，用相邻源距的波形相减得到电场强度Ez的响应差波形，取其极大值作为测量值，对该测量值刻度分析得到地层z方向的电阻率。该电阻率是通过响应相减(差分方法)得到的，去掉了响应中那些共有的响应，地层z方向的界面灵敏度，曲线的纵向分辨率比较高。

将波形做快速傅里叶变换FFT处理，取频谱的极大值，通过刻度得到地层z方向的电阻率。不论该响应分布在波形的哪个时刻，该电阻率包含了不同时刻的响应波形中的主频成分。

将波形做快速傅里叶变换处理，取其频谱的面积，得到响应幅度，据刻度得到地层z方向的电阻率。该电阻率包含了所有频率成分，是综合的电阻率值。

测量的瞬态波形包含了连续的频率成分，每个频率对应的幅度都与地层z方向的电阻率成正比。用反褶积方法去掉激发声波波形的频谱，可以获得连续频率的电阻率值，得到地层电阻率随频率的变化曲线。

基于上述装置的裸眼井地层z方向电阻率测量方法，包括以下过程：

S1，用脉冲信号或阶跃信号激发发射电极，发射电极产生瞬变电磁信号。

S2，各接收线圈均接收瞬变电磁信号。通过多个接收线圈接收所述井内的瞬变电磁信号，该信号反应井轴附近圆周方向的磁场随时间的变化，该变化表现为线圈骨架内半径所包含面积的z方向电场强度，反映z方向地层的电阻率。

S3，提取所接收的瞬变电磁信号进行处理，得到瞬变电磁信号的响应幅度；具体包括：

方法1，直接提取所测量到的瞬变电磁信号的最大值作为瞬变电磁信号的响应幅度；

方法2，对测量到的瞬变电磁信号进行快速傅里叶变换，得到电磁信号的频谱，提取频谱的峰值，得到瞬变电磁信号的响应幅度。

S4，根据所述响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，确定地层z方向的电阻率。

实施例1：

本发明基于单电极和电偶极子在裸眼井中激发的瞬变电磁场严格解的数值计算结果：裸眼井内沿z方向的电场强度瞬态值与地层的电阻率成正比。通过瞬态响应的测量获得地层的电阻率。物理机理是：井壁边界沿z方向，z方向的电场强度是切向分量，根据电场强度切向连续的条件，井内测量的z方向电场强度与地层内z方向的电场强度在井壁连续，因此，在井内测量的z方向电场强度反映地层电阻率，两者具有内在的关系。与传统的直流电法测量地层电阻率不同，本方法是通过瞬变电磁场的瞬态响应波形进行测量的。

当地层有水平分层时，不同地层的电阻率不同，其z方向的电场强度与地层的水平分层界面垂直，在水平分层界面上电流密度连续，z方向的电场强度不连续，与地层的电阻率有关。因此，井内z方向的电场强度便携带地层电阻率信息。在源距比较短时，井眼影响比较小，瞬变电磁响应Ez的波形幅度与地层的电阻率近似成正比，源距加长，两者近似成正比的关系破坏，逐渐变为非线性关系。由于测量的物理量是圆周方向的瞬态磁场，反映z方向的电场强度Ez，因此，所得到的电阻率是地层z方向的电阻率。

利用瞬变电磁场在裸眼井中的响应，本发明给出了一种裸眼井地层z方向电阻率测井方法。采用如下技术方案：

一种裸眼井地层z方向电阻率测井方法，用于裸眼井地层z方向电阻率的测量，包括如下的步骤：

1)将单电极或电偶极子制作的发射电极和阵列接收线圈(不同源距的接收线圈)同轴安装在一起，如图1所示，下面是发射电极，上面是阵列接收线圈，接收线圈的骨架是圆环状，其圆心与与井轴一致，在其上绕制线圈(见图中上下的线段)，将整个圆周绕满。接收线圈的骨架可以用磁芯材料制作，以增加灵敏度。将发射电极和接收线圈放在裸眼井中。用瞬变激发方式激励发射电极产生瞬变电磁场，该瞬变电磁场在井中传播、扩散，形成沿z方向的电场强度和r方向(径向)的电场强度以及沿圆周方向的磁场强度。

2)与发射电极同轴安装的接收线圈的骨架上，沿圆周方向绕制线圈，测量圆周方向磁场变化激发的感应电动势，见图1。

3)图2所示为不同源距所接收到的波形，图3、4为每个源距线圈所接收的波形，取最大幅度用于指示地层电阻率，由理论研究获得的响应幅度与地层电阻率之间关系建立如图5、6所示的刻度方法，将最大幅度转化为地层z方向的电阻率。对每个深度点的波形进行同样的处理得到电阻率曲线。该电阻率是激发波形主频所对应的电阻率。包括以下几种：

对于不同源距的波形，用相邻源距的波形相减得到z方向电场强度Ez的响应差波形，取其极大值，利用井内z方向的电场强度与地层的电导率之间的关系建立刻度方法，将极大值转化为地层电阻率。该电阻率去掉了不同源距的响应中所有源距共有的响应，z方向的分辨率比较高。

将波形做FFT得到其频谱，用频谱的幅度谱的极大值作为测量值，利用理论计算所获得的响应幅度与地层电阻率的关系建立刻度方法，将测量值转换为地层的电阻率。不论该响应分布在波形的哪个时刻，该电阻率包含了响应波形中所有的主频成分。

将波形做FFT得到幅度谱，将幅度谱所包围的面积作为测量值，该测量值是所测量波形中所有频率的幅度的叠加，包含了各频率成分对测量值的贡献。同样，借助于所获得的响应幅度与地层电阻率关系建立刻度方法，将测量值转换为地层的电阻率。该电阻率是综合了所有频率的电阻率值。

通过调整导通时间改变激发波形的周期，即用不同的导通时间进行激发，重复上述地层电阻率计算过程可以测量到不同频率区间(由导通时间和关断时间确定)的地层电阻率。因为导通时间不同，其激发的主频不同，获得不同频率的地层电阻率。

本发明中所测量的波形是瞬态的，瞬态波形包含了一个频率段连续的频率成分，每个频率都对应一个幅度，这些幅度都与地层的电阻率有关系。不同的频率其响应的幅度不一样，用反褶积方法去掉激发波形的频谱，可以获得连续的每个频率的响应幅度值，借助于理论计算所获得的响应幅度与地层电阻率的关系建立刻度方法，将每个频率的测量值转换为地层的电阻率，将得到这些频率所对应的地层z方向的电阻率值，进而得到地层电阻率随频率的变化曲线。

图3为源距1.2m处不同电阻率条件下的电场强度波形示意图；图4为源距2.0m处不同电阻率条件下的电场强度波形示意图；图3和图4中每一条曲线代表一个地层电导率(电导率等于电阻率的倒数)，从下至上依次为1/15，1/14，1/13，1/12……1/2，1，2，3……25S/m共计39条响应曲线。

图5为源距1.2m处电场强度最大值随地层电阻率的变化示意图；图6为源距2.0m处电场强度最大值随地层电阻率的变化示意图。源距小于1.2m时是直线，大于2m时，直线有一定的弯曲，这是裸眼井造成的影响。

本发明的关键是从理论上发现了电极和电偶极子激发的瞬态响应波形中z方向的电场强度Ez的幅度与地层的电阻率有明确的关系。以此为基础设计了基于圆周方向磁场强度随时间变化的瞬态波形采集方式，完整地记录了电磁响应Ez。在时间域和频率域进行处理，通过理论关系获得地层电阻率的测量值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。