丁志輝 (中國石油集團測井有限公司吐哈分公司，新疆 吐魯番 838202)

黎晗，陳碧亭 (中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710201)

熊齊國 (中國石油集團測井有限公司吐哈分公司，新疆 吐魯番 838202)

王家敏 (中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710201)

目前，我國大多數(shù)油氣田已進入開發(fā)后期，傳統(tǒng)測井方法難以得到有效使用，一種精度高、可靠性強的隨鉆測井技術應運而生。但是，該種測井儀器的影響因素較多，很難得到精確的測井響應時間[1]。

隨鉆測井技術于20世紀80年代得到了大規(guī)模發(fā)展，很多國際公司都開發(fā)出自己的隨鉆測井儀器，并得到了大規(guī)模的商業(yè)推廣[2]。20世紀90年代中期，Anadrill公司開發(fā)出新型的RAB隨鉆測井儀器[3]；21世紀初，Geolink公司開發(fā)出TRIM隨鉆測井儀器[4]。在我國，隨鉆測井技術的研發(fā)始于21世紀初期，中國石油天然氣股份有限公司在2008年開發(fā)出基于伽馬單感應的設備樣機，在2010年開發(fā)出FELWD隨鉆測井設備樣機，并于2014年得到了應用[5]。在隨鉆測井儀器響應規(guī)律研究方面，魏寶君等[4]利用并矢Green函數(shù)對響應特性進行了深入研究；劉福平等[3]在對隨鉆測井儀器結構進行深入研究的前提下，分析了儀器內(nèi)電磁場的分布情況；張?zhí)鹛餥5]分析了地層電阻率對響應特性的影響；許巍等[6，7]對隨鉆雙感應測井設備在非均勻地層內(nèi)的響應特點進行了深入分析；馬歡波等利用COMSOL軟件分析了儀器內(nèi)外因素對隨鉆測井響應特性的影響[8]。

COMSOL軟件是一款基于有限元分析的仿真軟件，目前已在各個領域得到了廣泛應用，該軟件主要用于工程數(shù)值計算和科學模擬領域，可以實現(xiàn)各種物理過程的模擬[9～11]。該軟件具有性能高效、可用于多項耦合的特點，在進行模擬仿真時，計算結果高度精確，可用于測井儀器分析。因此，筆者采用COMSOL軟件對隨鉆雙感應測井設備[12]的半空間響應規(guī)律進行了系統(tǒng)分析。

1 隨鉆雙感應測井儀器半空間響應模型

圖1 隨鉆雙感應測井儀器模型簡圖

圖1為用于半空間響應規(guī)律分析的隨鉆雙感應測井儀器模型簡圖，該模型主要由4部分構成，其中包含有大自然中的空氣部分和大地部分以及儀器中的儀器棒部分和刻度架部分[12]。假設儀器所處環(huán)境的空氣電導率為10-5S/m(與實際空氣電導率大體相似)；地層電導率不恒定，在一定范圍內(nèi)變動；假設儀器棒等原件的磁導率與真空環(huán)境相似。在該模型中，通過儀器槽的開口方向變化、儀器高度變化以及地層電導率變化，即可模擬出該測井儀器的半空間響應規(guī)律，從而準確獲得該儀器線圈系的誤差。

2 基于 COMSOL軟件的模型建立和網(wǎng)格剖分

2.1 水平響應模型建立

在用于半空間響應規(guī)律分析的隨鉆雙感應測井儀器模型中，水平方向上的線圈系中會存在一定的環(huán)形渦流，但該環(huán)形渦流在測井儀器中不具有關于儀器軸旋轉的軸對稱特點，因此很難確定該模型的解析解，必須使用三維建模的方式進行求解，求解過程更加復雜[13]。在應用COMSOL軟件的前提下，根據(jù)圖1中儀器的簡化模型，建立測井儀器常見的水平響應模型。在模型求解時，假設測井儀器所處地層的電導率在0.001～10S/m，儀器所處環(huán)境的空氣電導率為10-5S/m。

2.2 網(wǎng)格剖分

根據(jù)實際中磁場分布的特點，在儀器水平放置的情況下，儀器縱向上所劃分的網(wǎng)格一定要密集。同時，由于磁環(huán)的電導率遠大于儀器槽的電導率，測井儀器中鉆鋌的電導率較周圍的介質(zhì)材料大，所以在進行網(wǎng)格剖分時必須采用下列方法：

1)在測井儀器的簡化模型中，增加一條輔助線，輔助線位于軸中心位置;同時，軸中心位置所劃分的網(wǎng)格需要盡可能地密集。由于線圈的電導率較高，所以能量分布較為集中，因此在進行網(wǎng)格剖分時，需要在中心軸位置進行加密處理[14]。同時，為了最終計算結果的準確性，在磁環(huán)與儀器槽之間的過渡位置處，網(wǎng)格的密度也需要呈現(xiàn)出過渡的趨勢。

2)由于鉆鋌的電導率較周圍的介質(zhì)材料大，所以在兩者的過渡位置，需要增加輔助性的圓柱體。該圓柱體的網(wǎng)格劃分需要盡可能地密集，同時在兩者之間的過渡位置，網(wǎng)格的密度分布一定要劃分合理[15]。圖2所示為鉆鋌附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分。

3)由于空氣和地層的電導率有較大區(qū)別，為了使計算更加準確，在兩個過渡區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格的劃分需要進行特殊處理，一般情況下，采用三角形劃分的處理措施[16]。圖3所示為空氣和地層過渡區(qū)域的網(wǎng)格劃分。

4)在地層與空氣的過渡區(qū)域中，網(wǎng)格的劃分要實現(xiàn)從密到疏的漸進效果，應使用控制增長速度的方式來達到合理剖分的要求。

3 模型驗證

在應用COMSOL 軟件模擬測井儀器的半空間響應之前，首先要計算均勻地層的解析解和數(shù)值解，并進行對比，觀察是否達到一致，確保網(wǎng)格劃分合理，同時也保證了最終計算結果的準確性。將儀器所處地層的電導率設置在0.001～10S/m范圍內(nèi)，同時設定用于電流發(fā)射的線圈內(nèi)存在1A的電流。表1、2為在均勻地層中深感應區(qū)和淺感應區(qū)的解析解與數(shù)值解的對比，可以發(fā)現(xiàn)，在深感應區(qū)內(nèi)，兩者的相對誤差不超過0.077%；在淺感應區(qū)內(nèi)，兩者的相對誤差不超過0.18%，說明網(wǎng)格的劃分較為合理，最終的計算結果較為準確。

圖2 鉆鋌附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分 圖3 空氣和地層過渡區(qū)域的網(wǎng)格剖分

表1 均勻地層時深感應區(qū)電導率數(shù)值解與解析解對比

表2 均勻地層時淺感應區(qū)電導率數(shù)值解與解析解對比

4 響應特性分析

當儀器水平放置時，儀器的一側與地層相對，另一側與大氣環(huán)境相對。此時，儀器中的渦流和電流會產(chǎn)生不同心的狀況，因此儀器槽開口方向變化、高度變化以及地層電導率變化都會對儀器的響應規(guī)律產(chǎn)生一定影響。

4.1 儀器槽開口方向變化對儀器半空間響應規(guī)律的影響

設置地層電導率在0.01～1S/m之間變化，儀器槽的方向取3種情況，分別是向上(U)、向下(D)以及水平(H)。圖4為儀器高度在1、2、3m的情況下，隨著儀器所處地層的地層電導率的變化，開口方向的影響規(guī)律變化情況。從圖4可以看出，地層電導率不斷增加時，3種高度條件下，開口方向的響應規(guī)律均明顯增加，且增加趨勢是非線性的；儀器槽的開口方向不同，所受儀器高度變化的影響也不相同，向下(D)時的影響最大，向上(U)時的影響最小，且隨著儀器高度的不斷升高，開口方向?qū)憫?guī)律影響不斷減小。

圖4 不同儀器高度情況下儀器槽開口方向變化對儀器半空間響應規(guī)律的影響

4.2 儀器高度變化對儀器半空間響應規(guī)律的影響

將儀器高度設置為在0.2～5m范圍內(nèi)變化，研究儀器的響應規(guī)律。圖5為地層電導率取0.01、0.1、0.2S/m時，儀器的響應規(guī)律與儀器高度之間的關系。從圖5可以明顯看出，當儀器高度在0.2～0.4m范圍內(nèi)變化時，隨著儀器高度的不斷升高，深感應區(qū)的響應規(guī)律呈現(xiàn)出增加的趨勢，且增加趨勢也是非線性的；當儀器高度到達0.4m時，深感應區(qū)的響應達到最大值；儀器高度繼續(xù)增加，深感應區(qū)的響應呈現(xiàn)減小的趨勢；深感應區(qū)的響應規(guī)律峰值所在的位置并不隨地層電導率的變化而變化；隨著儀器高度的不斷增大，淺感應區(qū)的響應規(guī)律呈現(xiàn)出減小的趨勢；在儀器高度達到3m時，繼續(xù)增加儀器高度，不管是深感應區(qū)還是淺感應區(qū)，電導率的變化都會減慢。

圖5 不同地層電導率情況下儀器高度變化對儀器半空間響應規(guī)律的影響

4.3 地層電導率變化對儀器半空間響應規(guī)律的影響

將地層電導率設置在0.01～1S/m的范圍內(nèi)變化，研究深感應區(qū)和淺感應區(qū)的半空間響應規(guī)律。圖6為儀器高度在0.2、1、2m時，地層電導率變化對儀器響應規(guī)律的影響。從圖6可以看出，當?shù)貙与妼什粩嗌邥r，儀器的響應規(guī)律也不斷增加，且增加趨勢是線性的；深感應區(qū)所受地層電導率的影響要大于淺感應區(qū)；當儀器高度不斷升高時，對儀器響應的影響會不斷減小。

圖6 不同儀器高度情況下地層電導率變化對儀器半空間響應規(guī)律的影響

5 結論與展望

5.1 結論

在對隨鉆雙感應測井儀器做出大量簡化的前提下，通過建立測井儀器的半空間響應模型，分別模擬了儀器槽開口方向變化、儀器高度變化以及地層電導率變化對儀器半空間響應規(guī)律的影響。

1)當?shù)貙与妼首兓瘯r，儀器槽開口方向不同，所受儀器高度變化的影響也不相同：開口向下時影響最大，開口向上時影響最小，且3種開口方向的響應規(guī)律都呈增加趨勢。

2)在深感應區(qū)內(nèi)，當儀器高度在0.2～0.4m之間變化時，隨著儀器高度的增加，儀器的響應規(guī)律也不斷增加，在0.4m處達到最大值；當儀器高度大于0.4m時，響應規(guī)律不斷減小。在淺感應區(qū)內(nèi)，隨著儀器高度的增加，響應規(guī)律都呈現(xiàn)出減小的趨勢。

3)不管是在深感應區(qū)還是淺感應區(qū)，隨著地層電導率的增加，儀器的響應規(guī)律都會增加，且當儀器高度升高時，兩個感應區(qū)所受地層電導率的影響都會不斷減小，但是深感應區(qū)所受地層電導率的影響要大于淺感應區(qū)。

5.2 展望

1)對隨鉆雙感應測井儀器做了一定的簡化，因此最終結果可能會出現(xiàn)一定的誤差，實際的影響規(guī)律還需要通過實際應用進行驗證及歸納總結。

2)只對儀器槽開口方向變化、儀器高度變化及地層電導率變化3個因素對響應規(guī)律的影響進行了探討，而在實際應用中，隨鉆雙感應測井儀器的影響因素較多，需對所有影響因素進行歸納分類后再進行細致研究。