專利名稱：一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及井中地球物理測(cè)量和油田開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種通過(guò)在套管井中 激發(fā)和觀測(cè)電磁場(chǎng)的變化獲得套管外井周地層電阻率的分布信息，進(jìn)而可評(píng)價(jià)開發(fā)油藏儲(chǔ) 層中剩余油分布狀態(tài)的井中電磁探測(cè)方法。
背景技術(shù)：
由于儲(chǔ)層介質(zhì)的電性參數(shù)與儲(chǔ)層孔隙度、孔隙流體性質(zhì)和飽和度都有密切關(guān)系， 儲(chǔ)層中含油氣時(shí)與含地層水時(shí)的電性差異很大，儲(chǔ)層介質(zhì)的電性參數(shù)是判定與評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含 油氣性的一個(gè)主要參數(shù)，因而電法或電磁法一直是定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含油氣性的重要方法。由 于可以直接在井中通過(guò)靠近或在儲(chǔ)層中間進(jìn)行測(cè)量，測(cè)井是所有地球物理探測(cè)方法中分辨
率最高的一類方法。用于裸眼井地層電阻率測(cè)量的電測(cè)井方法有直流電阻率測(cè)井和感應(yīng)測(cè)井兩類方 法。直流電阻率法通過(guò)在井中或靠井壁給地中供一直流電流，在一定偏移距處測(cè)量電位差 來(lái)獲得地層的電阻率；而感應(yīng)測(cè)井是基于電磁感應(yīng)原理，在發(fā)射線圈中供一交流電流，產(chǎn)生 交流磁場(chǎng)激發(fā)，在一定偏移距處測(cè)量在地層中感應(yīng)出的渦流產(chǎn)生的二次場(chǎng)來(lái)獲得地層電導(dǎo)率。近年來(lái)，借助于信息技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外地球物理界研究和發(fā)展了井間電磁波層 析成像(CT)技術(shù)用于井間電阻率分布的測(cè)量和成像，與常規(guī)電測(cè)井相比具有更深更大的 探測(cè)范圍；與地面電磁法相比，它具有更高的精度和分辨能力且不受井深的影響。井中電 磁波CT面臨的挑戰(zhàn)之一是探測(cè)距離和分辨能力的矛盾。有利于油氣儲(chǔ)集的地層對(duì)電磁波 來(lái)講一般為強(qiáng)損耗介質(zhì)，欲增加探測(cè)距離，必須增加發(fā)射功率，降低發(fā)射信號(hào)的頻率，而降 低頻率又會(huì)影響到分辨率。在油田開發(fā)中應(yīng)用還面臨金屬套管的強(qiáng)衰減問(wèn)題。理論研究表 明，用一個(gè)垂直磁偶極源在套管井中發(fā)射，在另一口裸眼井中接收，如果發(fā)射源的頻率為數(shù) 百赫茲時(shí)，信號(hào)能穿透套管而輻射到地層中。而對(duì)于雙邊均為套管井時(shí)，則信號(hào)的探測(cè)就幾 乎不可能。當(dāng)套管接箍為絕緣連接時(shí)，每節(jié)套管可以作為發(fā)射天線，其效果更好，但這樣在 實(shí)際的石油鉆井施工中也是不現(xiàn)實(shí)的。對(duì)于開發(fā)油藏中儲(chǔ)層電阻率的測(cè)量問(wèn)題，面對(duì)的主要挑戰(zhàn)仍是開發(fā)油井的金屬套 管對(duì)電磁場(chǎng)的強(qiáng)烈屏蔽作用，使得無(wú)論是直流場(chǎng)還是感應(yīng)場(chǎng)的測(cè)量都非常困難。隨著電子 技術(shù)的發(fā)展，弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的提高，國(guó)外學(xué)者研究和實(shí)現(xiàn)了在套管管壁上供電，在管壁上 測(cè)量超弱的電位梯度信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成直流電阻率曲線，獲得套管外地層的電阻率信息。美 國(guó)的幾大測(cè)井技術(shù)服務(wù)公司，如khlumberger，Haliburton, Baker Atlas都已研制出基于 直流電位測(cè)量的過(guò)套管電阻率測(cè)井的儀器。這種過(guò)套管地層電阻率測(cè)井方法在實(shí)際應(yīng)用中 仍受許多因素的影響導(dǎo)致推廣困難。首先，由于供電和測(cè)量都必須緊貼井壁進(jìn)行，在進(jìn)行測(cè) 量前，需對(duì)套管壁進(jìn)行清潔處理。這種清潔工作成本高，如果清潔不徹底還會(huì)導(dǎo)致接觸不好 而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，這一問(wèn)題是由于觀測(cè)方法的局限性造成的。直接接觸管壁的測(cè)量 更易受到套管接箍和射孔點(diǎn)的影響，造成資料解釋上的困難。再者，該方法采用直流電流供電通過(guò)套管向地層中擴(kuò)散，直流擴(kuò)散場(chǎng)本身沒(méi)有測(cè)深的能力，只能靠電極距的變化來(lái)識(shí)別 不同深度地層的電阻率；由于測(cè)井電纜的限制，供電電流也不可能很大(< 6A)，故該方法 的探測(cè)深度非常有限。這樣，固井水泥環(huán)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)有重要影響，需要在解釋中進(jìn)行精細(xì)的 處理和校正，而對(duì)距井壁一定距離內(nèi)儲(chǔ)層的電阻率分布信息更是無(wú)從獲取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在金屬套管井中采用大功率脈沖源激發(fā)，在井中觀測(cè)磁 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化，通過(guò)資料處理獲取套管外地層電阻率的徑向分布信息，進(jìn)而評(píng) 價(jià)開發(fā)油藏儲(chǔ)層中剩余油分布情況的井中電磁方法。本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明采用的設(shè)備由地面設(shè)備和井下裝置兩部分組成，地面設(shè)備通過(guò)電纜對(duì)井下 裝置進(jìn)行供電和控制(本發(fā)明中所用的設(shè)備或裝置可參閱同日申請(qǐng)的另一件案子)。本發(fā) 明的具體操作步驟為1)在含有金屬套管的目標(biāo)井段中，給井下裝置大功率脈沖發(fā)射源的發(fā)射線圈通以 脈沖電流，產(chǎn)生瞬時(shí)大功率的脈沖磁場(chǎng)激發(fā)；井下裝置的接收記錄系統(tǒng)在距發(fā)射源一定距 離處用接收線圈記錄磁場(chǎng)垂直分量Bz產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)；對(duì)發(fā)射波 形和接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行全時(shí)段數(shù)字記錄；所述的井下裝置的大功率脈沖發(fā)射源包括
脈沖波形為擬高斯脈沖；脈沖瞬時(shí)電流最大值> 30Α ；脈沖瞬時(shí)功率最大值> IOOkW ；脈沖寬度<IOOms ；所述的井下裝置的接收記錄系統(tǒng)包括多道磁感應(yīng)傳感器接收，道間距離0. 25m ；收-發(fā)距最小1.0m;接收信號(hào)時(shí)間序列記錄長(zhǎng)度Is ；2)在同一深度點(diǎn)進(jìn)行多次發(fā)射-接收，將多次接收信號(hào)疊加，提高信噪比；所述的多次發(fā)射的次數(shù)為30-100個(gè)脈沖；3)根據(jù)已知的套管(內(nèi)徑、厚度、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)等參數(shù)和記錄的發(fā)射源電流波 形計(jì)算相應(yīng)的套管響應(yīng)，獲得套管外地層的相對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)△ Mf =(1)式中ε。為觀測(cè)的感生電動(dòng)勢(shì)，ε。為計(jì)算得到的套管的響應(yīng)；所述的金屬套管響應(yīng)的計(jì)算由軸對(duì)稱徑向分層模型磁偶極源響應(yīng)的數(shù)值解獲 得；所述的金屬套管參數(shù)的典型值為套管內(nèi)徑0. 08-0. 12m ；套管壁厚0. 006-0. 02m ；套管電導(dǎo)率105-107S/m ；
套管的相對(duì)磁導(dǎo)率為IO2-IO5。4)根據(jù)套管的接箍和射孔位置等信息，對(duì)相對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)值進(jìn)行校正；5)進(jìn)行一維反演，將隨時(shí)間變化的觀測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成井周地層電阻率的徑向變化信 息；6)根據(jù)不同測(cè)點(diǎn)的反演電阻率值，獲得測(cè)量井段套管外地層電阻率縱向與徑向分 布的二維圖像；7)根據(jù)完井時(shí)的電測(cè)井資料和解釋結(jié)果，由套管外儲(chǔ)層電阻率的分布可以確定儲(chǔ) 層中剩余油的分布狀況。所述本發(fā)明提出的套管井中電磁激發(fā)與測(cè)量為感應(yīng)方式，發(fā)射和接收裝置均不直 接接觸套管管壁；接收系統(tǒng)記錄磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，具有時(shí)間域測(cè)深的功能， 經(jīng)過(guò)資料處理與反演，可獲得井周地層電阻率的徑向變化信息；利用完井時(shí)的電阻率測(cè)量 數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，可以獲得井周一定徑向距離內(nèi)儲(chǔ)層的含油飽和度分布或變化圖像，實(shí)現(xiàn)開 發(fā)油藏的剩余油評(píng)價(jià)。本發(fā)明工作時(shí)無(wú)需洗井，探測(cè)半徑大。在獲得很大的瞬時(shí)電流的同時(shí)，電源的平均 功率消耗不大，目前大多數(shù)測(cè)井儀器無(wú)法突破鋼套管的束縛，在鋼套管井中無(wú)法使用。而該 發(fā)明可以突破鋼套管的束縛。由于平均功率小，測(cè)井儀器的電纜無(wú)需任何改動(dòng)都可以連接， 降低了使用成本。本發(fā)明采用特殊技術(shù)，將所有的供電與測(cè)量設(shè)備裝在管內(nèi)，勘探人員可以在地面 控制儀器進(jìn)行勘探工作。本發(fā)明大大地減輕了儀器的重量，同時(shí)還節(jié)約了能源，且瞬間功率 巨大。大功率電磁脈沖的響應(yīng)值，用電阻率來(lái)描述井間周圍分布，可以看到與地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān) 的信息，為評(píng)價(jià)開發(fā)油藏儲(chǔ)層中剩余油分布狀態(tài)提供了一種有效的探測(cè)方法。


圖1為本發(fā)明設(shè)計(jì)的套管井中時(shí)域脈沖電磁法觀測(cè)方案示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過(guò)金屬套管探測(cè)地層電阻率的原理示意圖；圖3為本發(fā)明采用的擬高斯脈沖激勵(lì)電流波形示意圖；圖4為本發(fā)明不同套管電導(dǎo)率時(shí)井中觀測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線示意圖；圖5為本發(fā)明不同地層電導(dǎo)率時(shí)井中觀測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差異示意圖；圖6為本發(fā)明由井中觀測(cè)的電動(dòng)勢(shì)差異反演得到的地層電導(dǎo)率曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述過(guò)金屬套管探測(cè)地層電阻率的野外資料采集采用套管井中發(fā)射電磁脈沖、套管井 中接收磁感應(yīng)信號(hào)的時(shí)間域脈沖電磁方法，觀測(cè)方案如圖1所示。由發(fā)電機(jī)1通過(guò)發(fā)射控 制裝置2、通過(guò)井口控制裝置3向井下裝置4的發(fā)射系統(tǒng)供電。井下裝置的接收記錄系統(tǒng)記 錄在電磁脈沖激勵(lì)下井中感生電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。井下裝置的工作原理如圖2所示。開發(fā)油井的金屬套管5由固井水泥6將套管和 地層固結(jié)，地層分為圍巖地層7和具有一定孔隙度的儲(chǔ)集層8，儲(chǔ)集層含有流體(油、水或 氣)。由于儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性，儲(chǔ)層中剩余油的油水分界面可能遠(yuǎn)離井壁且分布狀態(tài)比較復(fù)雜，本發(fā)明的目的就是通過(guò)觀測(cè)電磁脈沖隨時(shí)間的衰變獲取地層電阻率徑向分布的信息， 進(jìn)而推斷儲(chǔ)層中的流體分布情況。為了避免電磁屏蔽影響，井下裝置的外殼9采用非金屬 材料制作。由井下發(fā)射控制裝置給發(fā)射線圈10供給大功率的脈沖電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在 金屬套管中和套管外的地層中感應(yīng)出渦流12。地層中的感應(yīng)渦流很弱，通常情況下不足套 管中感應(yīng)渦流的萬(wàn)分之一；但套管壁厚越小，脈沖功率越大，脈沖持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則地層中 感應(yīng)渦流的作用越大。地層中的渦流產(chǎn)生的二次感應(yīng)場(chǎng)13又會(huì)影響到套管內(nèi)電磁場(chǎng)的分 布，通過(guò)接收線圈11記錄套管內(nèi)感生電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化，經(jīng)處理后可以獲得套管外地層 電阻率的分布信息。為了能過(guò)突破金屬套管的屏蔽影響，要求發(fā)射功率足夠大，脈沖持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)， 本發(fā)明采用的擬高斯脈沖波形如圖3所示。脈沖14的瞬時(shí)電流峰值發(fā)生在0. Ols左右，最 大值超過(guò)45A，脈沖持續(xù)時(shí)間接近0. Is。當(dāng)發(fā)射線圈10中通以大功率脈沖電流14時(shí)，在套管中距發(fā)射線圈10 —定距離的 接收線圈11中觀測(cè)到的磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖4所示。圖中曲線15、16和17分別是套管電阻 率為7X 10_5、1X 10_6和1. 5 X 10_6 Ω M時(shí)在套管中觀測(cè)得到的垂直磁場(chǎng)的感生電動(dòng)勢(shì)?？梢?不同的套管電阻率對(duì)觀測(cè)的電磁場(chǎng)具有衰減和時(shí)移的作用，套管電阻率對(duì)井中觀測(cè)的響應(yīng) 影響非常突出。當(dāng)套管外地層電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))值不同時(shí)，井中觀測(cè)的電磁響應(yīng)因受到金 屬套管的屏蔽作用僅呈現(xiàn)非常微弱的變化，通過(guò)研究不同地層電導(dǎo)率響應(yīng)的相對(duì)變化可以 提取與地層電導(dǎo)率相關(guān)的微弱響應(yīng)。圖5所示為當(dāng)套管電導(dǎo)率為IOfiSAi時(shí)，根據(jù)式⑴計(jì) 算得到的不同地層電導(dǎo)率的相對(duì)響應(yīng)，曲線18-22分別為地層電導(dǎo)率為1、0. 5,0. 2,0. 1和 0. 04S/m時(shí)的感生電動(dòng)勢(shì)的相對(duì)變化的曲線。可以看出，感生電動(dòng)勢(shì)的相對(duì)響應(yīng)的幅值很 好地反映了地層電導(dǎo)率的變化。據(jù)此反演得到的地層視電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的曲線如圖6所 示，曲線23-27分別對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率為1、0. 5,0. 2,0. 1和0. 04S/m時(shí)的地層，由圖中可以看出， 視電導(dǎo)率曲線的最大值與地層的真電導(dǎo)率值非常接近。
權(quán)利要求
1. 一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，其特征在于具體操作步 驟為1)在含有金屬套管的目標(biāo)井段中，給井下裝置大功率脈沖發(fā)射源的發(fā)射線圈通以脈沖 電流，產(chǎn)生瞬時(shí)大功率的脈沖磁場(chǎng)激發(fā)；井下裝置的接收記錄系統(tǒng)在距發(fā)射源一定距離處 用接收線圈記錄磁場(chǎng)垂直分量Bz產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)；對(duì)發(fā)射波形和 接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行全時(shí)段數(shù)字記錄；2)在同一深度點(diǎn)進(jìn)行多次發(fā)射一接收，將多次接收信號(hào)疊加，提高信噪比；3)根據(jù)已知的套管參數(shù)和記錄的發(fā)射源電流波形計(jì)算相應(yīng)的套管響應(yīng)，獲得套管外地 層的相對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)Δ ￡f 式中ε。為觀測(cè)的感生電動(dòng)勢(shì)，ε。為計(jì)算得到的套管的響應(yīng)；4)根據(jù)套管的接箍和射孔位置信息，對(duì)相對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)值進(jìn)行校正；5)進(jìn)行一維反演，將隨時(shí)間變化的觀測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成井周地層電阻率的徑向變化信息；6)根據(jù)不同測(cè)點(diǎn)的反演電阻率值，獲得測(cè)量井段套管外地層電阻率縱向與徑向分布的 二維圖像；7)根據(jù)完井時(shí)的電測(cè)井資料和解釋結(jié)果，由套管外儲(chǔ)層電阻率的分布可以確定儲(chǔ)層中 剩余油的分布狀況。
2.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，其特 征在于所述的井中瞬變電磁測(cè)量為感應(yīng)方式，發(fā)射和接收裝置均不直接接觸套管管壁。
3.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，其特 征在于所述的在套管井中記錄磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，具有時(shí)間域測(cè)深的功 能，由此可獲得井周地層電阻率的徑向變化信息。
4.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，其特 征在于所述的井下裝置的大功率脈沖發(fā)射源包括脈沖波形為擬高斯脈沖；脈沖瞬時(shí)電流最大值> 30Α;脈沖瞬時(shí)功率最大值> IOOkW ；脈沖寬度< 100ms。
5.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，其特 征在于所述的井下裝置的接收記錄系統(tǒng)包括多道磁感應(yīng)傳感器接收，道間距離0. 25m ；收-發(fā)距最小1.0m；接收信號(hào)時(shí)間序列記錄長(zhǎng)度Is。
6.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，其特 征在于所述的多次發(fā)射的次數(shù)為30-100個(gè)脈沖。
7.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，其特 征在于所述的金屬套管響應(yīng)的計(jì)算由軸對(duì)稱徑向分層模型磁偶極源響應(yīng)的數(shù)值解獲得。
8.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，其特征在于所述的金屬套管參數(shù)的典型值為 套管內(nèi)徑0. 08-0. 12m ； 套管壁厚0. 006-0. 02m ；套管電導(dǎo)率105-107S/m; 套管的相對(duì)磁導(dǎo)率為102-105。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種探測(cè)金屬套管外地層電阻率的井中時(shí)域脈沖電磁法，步驟為1)井下構(gòu)建大功率脈沖發(fā)射源；接收記錄系統(tǒng)記錄磁場(chǎng)垂直分量Bz產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)；對(duì)發(fā)射波形和接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行記錄；2)進(jìn)行多次發(fā)射-接收，將信號(hào)疊加，提高信噪比；3)按套管參數(shù)和記錄的發(fā)射源電流波形計(jì)算套管響應(yīng)，獲得套管外地層相對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)Δεf；4)對(duì)相對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)值進(jìn)行校正；5)進(jìn)行一維反演，將隨時(shí)間變化的觀測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成井周地層電阻率的徑向變化信息；6)由反演電阻率值獲得井段套管外地層電阻率縱向與徑向分布的二維圖像；7)按完井時(shí)的測(cè)量資料和解釋結(jié)果，由套管外儲(chǔ)層電阻率的分布可確定儲(chǔ)層中剩余油的分布狀況。
文檔編號(hào)E21B49/00GK102121374SQ20111003933
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月17日
發(fā)明者嚴(yán)良俊, 劉迪仁, 向葵, 唐新功, 徐振平, 毛玉蓉, 王軍民, 羅明璋, 胡文寶, 蘇朱劉, 謝興兵, 陳清禮 申請(qǐng)人:長(zhǎng)江大學(xué)