鉆鋌對隨鉆電磁波測井信號的影響分析

岳喜洲

【摘 要】本文采用數值模擬方法仿真隨鉆電磁波測井儀器的鉆鋌對測量信號的影響，仿真結果表明，隨地層電阻率增加，隨鉆電磁波測井接收天線的相位差和幅度比均會減小，鉆鋌的存在會引起接收天線相位差、幅度比和幅值變化，接收信號強度（幅度）減弱，相位差變大，幅度比變小，且源距越小變化越明顯。

【關鍵詞】隨鉆電磁波；鉆鋌；信號強度；幅度比；相位差

【Abstract】IN this paper， we apply finite element method to simulate the response from drill collar With the increase in formation resistivity， both the phase difference and the attenuation of received signal will become smaller. The existence of the drill collar will affect the value of phase difference， attenuation， and amplitude. Specifically， the intensity of the received signal will be stronger， the phase difference will be larger， and the attenuation will be smaller when drill collar exists. The smaller distance between the transmitter and the receiver is， the more variation will be.

【Key words】LWD electromagnetic wave； Drill collar； Ferrite； Signal strength； Phase difference； Attenuation

0 引言

隨鉆電磁波電阻率測井是隨鉆測井技術的核心組成部分之一，在地質導向和實時地層評價中具有重要應用價值[1]。隨鉆電磁測井儀器結構比常規測井儀器復雜，由線圈構成的天線鑲嵌在無磁鉆鋌的內部，通過鉆鋌本體刻出的天線窗口實現電磁信號的發射與接收。研究鉆鋌對于隨鉆電磁波測量信號的影響，對隨鉆電磁波電阻率測量儀器的研制和應用具有指導意義。

1 隨鉆電磁波測井原理

隨鉆電磁波測井儀器是一種利用電磁傳播原理來測量地層電阻率的裝置。儀器線圈系一般由多個發射線圈和兩個接收線圈組成，發射線圈和接收線圈纏繞在無磁鉆鋌上，所有線圈的平面均與鉆鋌軸向垂直。基本的線圈系設計為一發兩收結構，其原理是當給發射線圈T通以一定頻率的交變電流后，發射線圈就會在地層介質中產生交變電磁場并在接收線圈中產生感生電動勢，由于兩個接收線圈與發射線圈的距離不同，兩個接收線圈中的信號幅度和相位就各不相同，測量兩個接收線圈中信號的相位差和幅度比就可計算出地層的電阻率。

2 數值模擬方法

在進行隨鉆電阻率測井儀器響應模擬仿真時，井眼周圍地層的幾何結構和介質組成特性十分復雜，有限元方法可以有效的處理復雜介質條件下的電磁場方程[2]。使用有限元方法進行隨鉆電阻率測井儀器響應模擬研究，其基本思路可歸納為首先根據變分原理和方程余量與權函數正交化原理建立與微分方程初邊值問題等價的求解區域積分表達式。然后對求解區域進行網格剖分，并根據各單元的有限元方程合成總體有限元方程。最后根據邊界條件對總體方程進行修正后，采用適當的計算方法對方程求解，即可獲得井眼周圍電場或者磁場的近似解[3]。

3 鉆鋌對隨鉆電磁波測量的影響

由于金屬鉆鋌的電導率較高，它的存在必將對發射線圈發出的電磁信號產生復雜的影響[4]。首先，分析鉆鋌本體對接收信號相位差、幅度比和幅值的影響，計算時不考慮井眼和侵入因素，取儀器發射頻率為2MHz，鉆鋌直徑為7in，源距分別為36in，22in，接收線圈間距取8in。分別比較有鉆鋌模型和無鉆鋌模型下的計算結果。

無鉆鋌模型：鉆鋌部分電導率取為1.E-30 S/m（空氣電導率），忽略鉆鋌的影響，視為絕緣介質。地層電阻率的變化范圍為0.1Ω·m～1000Ω·m，分別計算接收信號的相位差、幅度比和幅值。

有鉆鋌模型：鉆鋌內徑至儀器中心軸部分介質電導率取為1.E-30 S/m、鉆鋌部分電導率為1.36E+6 S/m，相對磁導率取1。地層電阻率的變化范圍為0.1 Ω·m～1000 Ω·m，分別計算接收信號的相位差、幅度比和幅值。

圖1是兩種模型下計算得到的相位差曲線，圖2是兩種模型下計算得到的幅度比曲線，圖3是計算得到的幅值曲線。

由圖1可以看出，對于相位差曲線，相同源距，有鉆鋌相位差曲線值比無鉆鋌相位差曲線值大，在短源距22in下有鉆鋌模型相位差曲線與無鉆鋌模型相位差曲線略有分離，而在長源距36in下兩條曲線幾乎重合，說明隨著收發間距的增大，鉆鋌對相位差曲線的影響也越來越小。

由圖2可以看出，對于幅度比曲線，相同源距，有鉆鋌幅度比曲線值比無鉆鋌曲線值小，在短源距22in下有鉆鋌模型幅度比曲線與無鉆鋌模型幅度比曲線存在分離，而在長源距36in下兩條曲線幾乎重合，說明隨著收發間距的增大，鉆鋌對幅度比曲線的影響也越來越小。

由于在相同地層電導率的情況下，幅度比的量值遠小于相位差的量值，因而在低地層電導率的情況下，金屬鉆鋌產生的信號對幅度比的影響相對較大，而對相位差的影響相對較小，而且這種影響是非線性的。在幅度比電導率的測量范圍內，金屬鉆鋌對幅度比的影響仍可近似看作恒定。

圖3是有鉆鋌和無鉆鋌下信號幅值曲線的比較，對于幅值曲線，相同源距，隨著地層電阻率的增大，接收信號的幅值越來越大，且有鉆鋌時幅值曲線值比無鉆鋌時幅值曲線值小很多，兩者相差有20～30倍左右，說明鉆鋌對接收信號的幅值有影響，會使信號強度大幅減弱。

4 結論

本文利用有限元法計算鉆鋌對隨鉆電磁波電阻率測井儀器測量值的影響，結論如下：

1）金屬鉆鋌的存在使得接收線圈處的信號強度減弱，幅度值和無鉆鋌時相比要減弱20～30倍。

2）金屬鉆鋌產生的信號對幅度比的影響相對較大，而對相位差的影響相對較小。金屬鉆鋌的影響使幅度比值減小，相位差增大，但隨著源距的增加這種影響減弱。在幅度比測量范圍內，鉆鋌的影響近似為一定值。

【參考文獻】

[1]Bittar M， Klein J， Randy B， et al. A new azimuthal deep reading resistivity tool for geosteering and advanced formation evaluation [J]. SPE Reservoir Evaluation & Engineering， 2009， 12 2 ：270-279.

[2]張庚驥.電法測井（下冊）[M].北京：石油工業出版社，1986.

[3]陳曉暉，劉得軍，等.隨鉆電阻率測量系統響應模擬算法探討[J].電子測量技術，2009，32（6）：21-26.

[4]COOPE D，SHEN L C，HUANG F S C.The theory of 2MHz resistivity tool and its application to measurement-while-drilling.ne Log Analyst， 1984， 25（3）： 1-11.

[責任編輯：楊玉潔]