解茜草，孫　超， 仵　杰

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072； 2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

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定向電磁波測(cè)井儀雙傾斜線圈系結(jié)構(gòu)研究*

解茜草1,2，孫超1， 仵杰2

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072； 2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

摘要:采用水平層狀各向異性介質(zhì)中的磁流源并矢Green函數(shù)數(shù)值模擬了傾斜線圈系隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀的電磁波傳播特性。分析了采用傾斜線圈系時(shí)電壓的幅值衰減和相位移，兼顧信號(hào)強(qiáng)度和定向方位信號(hào)敏感性兩方面因素，理論上給出線圈系方位角和線圈傾角的選擇方法。研究結(jié)果與現(xiàn)有兩種國外定向隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀的參數(shù)一致，為國內(nèi)定向測(cè)井儀器的研發(fā)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：定向電磁波傳播； 傾斜線圈系； 并矢Green函數(shù)

0引言

在石油鉆井領(lǐng)域，隨著油氣田勘探程度的不斷提高，勘探對(duì)象由簡(jiǎn)單構(gòu)造過渡到復(fù)雜構(gòu)造，定向井成為油氣田生產(chǎn)的重要手段，準(zhǔn)確控制井眼軌跡是定向井鉆井成功的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電磁波傳播隨鉆測(cè)量采用共軸線圈作為發(fā)射和接收線圈，缺乏定向性和方位靈敏特性[1～5]。含傾斜線圈的電磁波傳播隨鉆測(cè)量?jī)x器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多分量電磁信號(hào)的測(cè)量，將三分量感應(yīng)測(cè)井技術(shù)結(jié)合到隨鉆測(cè)量中[6]，增加了隨鉆電阻率測(cè)井資料的信息量，具有定向探測(cè)能力、方位靈敏特性和更豐富的信息量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未鉆地層界面位置和方位的鉆前預(yù)測(cè)、改進(jìn)地質(zhì)導(dǎo)向能力，并實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜油氣儲(chǔ)集層的高精度對(duì)比評(píng)價(jià)。傾斜線圈對(duì)各向異性地層的響應(yīng)更加敏感，在各向異性地層的評(píng)價(jià)中有好的應(yīng)用[7]。

目前，國內(nèi)沒有自主研發(fā)的定向隨鉆電磁波測(cè)井儀，國外具有定向隨鉆電磁波測(cè)量能力的儀器主要集中在Schlumberger,Halliburton和Baker Hughes三家公司。許多文獻(xiàn)對(duì)儀器的性能和實(shí)際測(cè)井效果進(jìn)行了報(bào)道，但很少分析儀器線圈系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文數(shù)值模擬研究雙傾斜線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所得結(jié)論可以為國內(nèi)新一代定向測(cè)井儀器的開發(fā)設(shè)計(jì)及其相關(guān)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋提供參考依據(jù)。

1定向電磁波測(cè)井基本理論

圖1中xyz為儀器直角坐標(biāo)系，發(fā)射線圈和接收線圈磁矩方向與儀器軸向z之間的夾角分別為θT和θR，磁矩平面方位角分別為φT和φR，發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離即源距為L(zhǎng)TR。當(dāng)儀器繞z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)射線圈在接收線圈處產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將隨著方位角的變化而變化。

將發(fā)射線圈看作一個(gè)振動(dòng)的磁偶極子,方位角為φT、傾斜角為θT、磁矩大小為MT(MT=ITATNT，其中,IT,AT,NT分別為電流強(qiáng)度、發(fā)射線圈匝數(shù)和面積)的磁偶極源可分解為3個(gè)互相垂直的磁偶極子源。

圖1　傾斜線圈系示意圖Fig 1　Diagram of tilted coil system

由GHM可求出接收線圈處磁場(chǎng)強(qiáng)度的x,y,z分量分別為

Hx=MT(GxxsinθTcosφT+GyxsinθTsinφT+GzxcosθT),

Hy=MT(GxysinθTcosφT+GyysinθTsinφT+GzycosθT),

Hz=MT(GxzsinθTcosφT+GyzsinθTsinφT+GzzcosθT).

將接收線圈處3個(gè)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度投影到接收線圈磁矩方向后可得接收線圈處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

HR=HxsinθRcosφR+HysinθRsinφR+HzcosθR.

設(shè)發(fā)射源隨時(shí)間的變化關(guān)系為ejωt，由此可得接收線圈處的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

V=-jωμHRARNR=|V|ejωφ.

其中，ω=2πf為發(fā)射頻率，|V|和φ分別為接收線圈處感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值和相位。

2線圈系中的線圈傾斜角度研究

圖2(a)所示為采用傾斜線圈系時(shí)磁場(chǎng)傳播示意圖，θT固定，當(dāng)θR不同時(shí)垂直穿過接收線圈的磁通量不同，則接收線圈上電壓大小也不同，如圖2(b)所示，接收線圈傾角θR變化時(shí)電壓幅值大小發(fā)生變化。

圖2　傾斜線圈系時(shí)磁場(chǎng)傳播示意圖與電壓幅值特性Fig 2　Diagram of magnetic field spread and voltageamplitude characteristics

電壓幅值最大值和對(duì)應(yīng)的接收線圈傾角分別記為|V|m和θRm，|V|m的位置與地層參數(shù)無關(guān)，只與線圈系參數(shù)(θT,θR,φT及φR)有關(guān)，因此，本文研究?jī)A斜線圈系參數(shù)如何設(shè)計(jì)使得在接收線圈處接收信號(hào)最強(qiáng)，接收電壓幅值最大。

如圖2(b)所示，有耗媒質(zhì)中，場(chǎng)振幅隨著源距的增加按指數(shù)規(guī)律衰減，且接收線圈傾角θR變化不改變電壓幅值的衰減規(guī)律，可任取源距研究接收線圈傾角變化時(shí)接收電壓幅值的變化。

發(fā)射頻率f=100 kHz～2 MHz，源距LTR=0.2～5 m，θT=0°～90°，θR=0°～180°，發(fā)射線圈AT=AR=πa2，隨鉆電阻率測(cè)井儀鉆鋌直井為171.45 mm，即a=0.085 725 m，地層電導(dǎo)率σ=0.001～10.0 S/m，計(jì)算接收線圈處電壓的幅值和相位。

頻率分別為100,400,2 000 kHz，θT分別為30°與45°，LTR=0.2 m時(shí)電壓幅值最大值|V|m和對(duì)應(yīng)的接收線圈傾角θRm結(jié)果分別列于表1和表2中，分析可知:

表1　θT=30°時(shí)|V|與θRm

1)傾斜線圈系設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇發(fā)射線圈與接收線圈具有相同的磁矩平面方位角，即φT=φR。此時(shí)，接收電壓幅值最大值|V|m比采用不同磁矩平面方位角時(shí)的值大，但磁矩平面方位角不影響θRm。

2)考慮不同電導(dǎo)率和不同發(fā)射頻率時(shí)趨膚效應(yīng)影響程度不同，發(fā)射線圈傾角與接收線圈傾角應(yīng)滿足θR=180°-θT+Δ，余量Δ=10°～20°，按該關(guān)系設(shè)置傾斜線圈系時(shí)接收電壓幅值最大，信號(hào)最強(qiáng)。

3)線圈傾角的設(shè)計(jì)要兼顧信號(hào)強(qiáng)度和定向方位信號(hào)敏感性兩方面因素。發(fā)射線圈傾角θT增大，電壓幅值降低，從接收信號(hào)強(qiáng)度方面考慮，應(yīng)選擇較小的發(fā)射線圈傾角；但線圈傾斜角度對(duì)定向信號(hào)有影響，發(fā)射線圈傾角越大，對(duì)層界面的敏感性越大，有利于定向測(cè)井，因此,要折中選擇線圈傾斜角度。國外Halliburton公司推出的ADR方位深探測(cè)隨鉆電阻率測(cè)井儀器和Schlumberger公司推出的深探測(cè)定向隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀器PeriScope15都采用了45°的傾斜接收線圈。

表2　θT=45°時(shí)|V|與θRm

3結(jié)論

本文數(shù)值模擬單發(fā)單收傾斜線圈系在均質(zhì)地層和兩層地層中的電磁場(chǎng)分布和響應(yīng)特性，研究?jī)A斜線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為保證接收線圈處電壓幅值最大，信號(hào)最強(qiáng)，傾斜線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)線圈的方位角和傾角最好滿足φT=φR,θR=180°-θT+Δ(Δ為余量，Δ=10°～20°)。同時(shí)，從接收信號(hào)強(qiáng)度方面考慮，應(yīng)選擇較小的θT；但θT越大，相位變化越劇烈，信號(hào)靈敏度越高，方位信號(hào)對(duì)層界面的敏感性越大，因此，線圈傾角的設(shè)計(jì)要兼顧信號(hào)強(qiáng)度與定向方位信號(hào)敏感性兩方面因素。

參考文獻(xiàn):

[1]Zhang Z Y,Christophe Gonguet.Directional LWD resistivity tools and their business impacts[C]∥SPWLA 49th Annual Logging Symposium,2008.

[2]Wang T.Real-time formation imaging,dip,and azimuth while drilling from compensated deep directional resistivity[C]∥SPWLA 46th Annual Logging Symposium,2007.

[3]Li Q.Dzevat Omeragic.New directional electromagnetic tool for proactive geosteering and accurate formation evaluation while drilling[C]∥SPWLA 46th Annual Logging Symposium,2005.

[4]Wiig M,Berg E.Geosteering using new directional electromagnetic measurements and a 3D rotary steerable system on the Veslefrikk Field,North Sea[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition,2005.

[5]Bittar M.A new azimuthal deep-reading resistivity tool for geosteering and advanced formation evaluation[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition,2007.

[6]魏寶君.一種新型隨鉆電阻率測(cè)井儀器的響應(yīng)和刻度[J].地球物理學(xué)報(bào)，2007，50(2):632-641.

[7]宋殿光，段寶良，魏寶君，等.傾斜線圈隨鉆電磁波電阻率測(cè)量?jī)x器的響應(yīng)模擬及應(yīng)用[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào),2014,38(2):67-74.

[8]楊震，楊錦舟，韓來聚.隨鉆方位電磁波電阻率成像模擬及應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2013,43(6):2035-2043.

[9]晁立東，仵杰，王仲奕.工程電磁場(chǎng)基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[10] Hue Y K,Teixeira F L.Numerical mode-matching method for tilted-coil antennas in cylindrically layered anisotropic media with multiple horizontal beds[J].Transactions on Geoscience and Romote Sensing,2007,45(8):2451-2462.

[11] 魏寶君，田坤.定向電磁波傳播隨鉆測(cè)量基本理論及其在地質(zhì)層界面預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報(bào)，2010,53(10):2507-2515.

[12] 楊錦舟，魏寶君，林楠.傾斜線圈隨鉆電磁波電阻率測(cè)量?jī)x器基本原理及其在地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,33(1):44-49.

Research on double tilted coils structure for directional electromagnetic wave logger*

XIE Xi-cao1,2, SUN Chao1, WU Jie2

(1.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2.Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

Abstract:Electromagnetic wave propagation characteristics of measurement while drilling(MWD) electromagnetic wave resistivity logger with tilted coil are simulated via magnetic-current-source dyadic Green’s function for horizontally stratified anisotropic media.The amplitude-attenuation and phase-shift characteristics of tilted coil are analyzed,taking into account both signal strength and sensitivity of directional azimuth signal and selection method of azimuth and tilted angle of coil is presented.The research results is consistent with parameters of two kinds of foreign directional MWD electromagnetic wave resistivity logger and is valuable for the research and development of directional well logging instrument and logging data interpretation in China.

Key words:directional electromagnetic wave propagation; tilted coils; dyadic Green’s function

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0036—03

收稿日期：2015—05—08

*基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX05020—004—05);陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(11JK0783)

中圖分類號(hào)：P 631

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0036—03

作者簡(jiǎn)介:

解茜草(1978-)，女，陜西西安人，博士研究生，講師，主要從事電磁方法、理論及信號(hào)處理研究。