生產(chǎn)井瞬變電磁探測理論與方法研究.pdf

1、近些年來，由于石油價(jià)格不斷飄升并持續(xù)高位振蕩，使得能源供需問題引起了全世界的普遍關(guān)注。鑒于老油田與正開采油田中現(xiàn)有套管井的龐大數(shù)量，開展有關(guān)套管外地層電阻率特性識別技術(shù)的研究具有相當(dāng)重要的意義。長期以來，電阻率測井多采用諧變電磁場，但這種方法存在一些固有缺陷。如感應(yīng)測井混疊在二次場中的直耦信號，需要采取多項(xiàng)措施加以消除，從而增加了儀器設(shè)計(jì)的難度與復(fù)雜性。過套管電阻率測井中由于電極系與套管壁接觸不良而造成信噪比偏低，使得儀器分辨率不佳、工

2、作效率不高。頻域電磁測井中由于金屬套管對電磁波強(qiáng)烈的屏蔽作用，造成接收線圈難以獲取來自地層的響應(yīng)信號，限制了該方法在生產(chǎn)井測井領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用。
　　瞬變電磁法利用階躍波或脈沖電流場源作為激勵(lì)，在一次場的間歇期，測量響應(yīng)信號隨時(shí)間的變化規(guī)律。該方法具有對電阻率敏感、不存在直接耦合、探測距離與時(shí)間特性相對應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因而對目標(biāo)體的分辨率明顯優(yōu)于頻域電磁法。另外，瞬變電磁信號中的低頻成分還能夠有效提高信號對套管的穿透能力。因而可以較好

3、解決傳統(tǒng)電阻率測井中的諸多問題。目前，國內(nèi)外關(guān)于瞬變電磁法的研究成果主要集中于地?zé)崤c地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查、物探與工程勘察等領(lǐng)域。這些應(yīng)用中的發(fā)射裝置通常采用沿地面布設(shè)的大回線框，有效探測范圍為地下半空間。與此不同，油氣生產(chǎn)井測井儀器的響應(yīng)受到井眼周圍有效探測范圍內(nèi)所有地層導(dǎo)電性的綜合影響，因而是全空間地球物理場問題。本文針對油氣生產(chǎn)井的實(shí)際工作環(huán)境與特點(diǎn)，提出了基于瞬變電磁法的生產(chǎn)井電阻率測井方法。研究了油氣生產(chǎn)井瞬變電磁探測基礎(chǔ)理論、方法及關(guān)

4、鍵技術(shù)。在國家863計(jì)劃項(xiàng)目的支撐下，對生產(chǎn)井瞬變電磁探測裝置實(shí)施了室內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)研究。取得的主要研究成果如下：
　　1.電磁波在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，在導(dǎo)電媒質(zhì)的交界面處會產(chǎn)生傳播效應(yīng)。針對傳統(tǒng)分析方法缺乏對其直觀描述這一問題，本文深入研究了電磁波在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的傳播效應(yīng)，并給出了其形象化表述，為進(jìn)一步揭示生產(chǎn)井中電磁波的傳播特性提供了理論依據(jù)。采用幾何因子理論、趨膚效應(yīng)幾何因子理論以及電磁波傳播理論，計(jì)算了縱向分層導(dǎo)電介

5、質(zhì)的視電導(dǎo)率曲線。結(jié)果表明，電磁波傳播理論既考慮電磁波的幅度衰減和相位移動，又考慮電磁波在媒質(zhì)交界面發(fā)生的反射與折射，因而是分析非均勻介質(zhì)問題時(shí)精度最高的一種方法。該方法為油氣生產(chǎn)井中電磁響應(yīng)的理論計(jì)算提供了方法和依據(jù)。
　　2.基于電磁感應(yīng)原理，提出了生產(chǎn)井瞬變電磁電阻率測井方法，避免了過套管電阻率儀器由于電極系與套管壁接觸不良，而造成信噪比偏低、分辨率不佳等問題。該方法采用非接觸方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)井測井，以瞬態(tài)信號作為激勵(lì)源，接收信

6、號不僅對電阻率敏感，而且信號的時(shí)間延遲特性與探測深度相對應(yīng)。詳細(xì)分析了井中電偶源的頻域電磁響應(yīng)特征，結(jié)果表明，芯棒內(nèi)的渦流損耗與發(fā)射信號頻率和芯棒電導(dǎo)率均成正比。只有低頻電磁波甚至超低頻電磁波才能有效穿透套管進(jìn)入地層。為使電磁波信號穿透套管進(jìn)入地層，應(yīng)根據(jù)套管厚度，及時(shí)調(diào)整發(fā)射信號頻率。這些結(jié)論為進(jìn)一步研究生產(chǎn)井瞬變電磁響應(yīng)特征奠定了良好基礎(chǔ)。
　　3.針對典型油氣生產(chǎn)井的實(shí)際工作環(huán)境與特點(diǎn)，建立了生產(chǎn)井瞬變電磁測井計(jì)算模型。目前

7、，國內(nèi)外有關(guān)生產(chǎn)井瞬變電磁法數(shù)值模擬方面的報(bào)道仍接近空白。為此，本文推導(dǎo)了包含井液、套管、水泥環(huán)和地層的徑向非均勻介質(zhì)中，瞬態(tài)磁偶源的時(shí)域電磁響應(yīng)表達(dá)式，研究了各介質(zhì)層的瞬變電磁響應(yīng)特征。結(jié)果表明，在套管厚度變化端點(diǎn)處，瞬變電磁響應(yīng)存在明顯異常，由此可以識別套管接箍與套管厚度變化。套管內(nèi)徑越小，瞬變電磁響應(yīng)幅度越高，衰減時(shí)間越長。套管相對磁導(dǎo)率的瞬變電磁響應(yīng)特征與此正好相反。對于低導(dǎo)地層，低阻水泥環(huán)會產(chǎn)生較大的測量誤差；而對高導(dǎo)地層，水

8、泥環(huán)厚度的影響則可忽略不計(jì)。井中瞬變電磁響應(yīng)信號幅度比過套管電阻率儀器的nV級信號高出3～4個(gè)數(shù)量級。從而為井中瞬變電磁探測裝置參數(shù)設(shè)計(jì)及測井信號解釋提供了理論依據(jù)。
　　4.根據(jù)理論研究結(jié)果，構(gòu)建了井中瞬變電磁探測裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了仿真研究，確定了井中探測裝置發(fā)射參數(shù)設(shè)計(jì)原則，并給出了取值范圍。明確了生產(chǎn)井中最佳觀測裝置形式與發(fā)射信號波形。理論分析了發(fā)射線圈導(dǎo)線、發(fā)射線圈匝數(shù)以及發(fā)射電流幅度對激勵(lì)信號關(guān)斷時(shí)間的影響

9、。通過對接收線圈等效電路的理論分析，詳細(xì)討論了斜階躍波激勵(lì)下接收線圈上全程感應(yīng)電動勢的過渡過程。為縮短線圈的固有過渡過程，確定應(yīng)采用接入匹配電阻并增大阻尼系數(shù)的方法，使接收線圈工作于臨界阻尼狀態(tài)。給出了匹配電阻和接收線圈分布電容的估算方法。為井中瞬變電磁探測裝置參數(shù)研究與井下實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　5.研制了生產(chǎn)井瞬變電磁探測裝置原理樣機(jī)，開展了大量室內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)研究。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法對金屬套管外不同電導(dǎo)率介質(zhì)具有較好的探測效

10、果。人工異常體探測實(shí)驗(yàn)表明，探測裝置對套管外不同人工異常體的響應(yīng)存在明顯差異，表明該裝置能夠有效探測低阻異常體。室內(nèi)水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，當(dāng)套管外液體電導(dǎo)率改變時(shí)，響應(yīng)信號具有較強(qiáng)的判斷能力。通過模擬井實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步對比研究了生產(chǎn)井瞬變電磁探測裝置對套管外介質(zhì)的探測性能。通過理論建模、數(shù)值模擬以及室內(nèi)、外探測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了瞬變電磁法線圈參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性以及正演模型與計(jì)算方法的正確性。
　　本文的研究成果為瞬變電磁法在我國油氣生產(chǎn)井資源勘探