ANSYS在电法测井仪器分析中的应用

张健阁 谌海云

(西南石油大学电气信息学院 四川成都)

ANSYS在电法测井仪器分析中的应用

张健阁 谌海云

(西南石油大学电气信息学院 四川成都)

选用ANSYS的multi-physics模块对双测井仪器进行有限元分析,用APDL编程实现各种操作。前处理器建立测井模型,设置泥浆、侵入带、围岩、真实地层等属性,分割线单元划分网格。处理单元构建无限远边界,分别对主电极和屏蔽电极施加电流载荷,并保存各个分场电位。后处理过程建立电位满足的线性方程组,通过命令直接求解得到响应结果。通过数值模拟得到双侧向测井正演特性,可知LLD探测深度较大,LLS探测深度适中,能够较好的识别薄互层,在8 in(1 in=25.4 mm)左右的井眼中得到较好的探测曲线,与油田的实际测井结果相符合。

ANSYS;测井;数值模拟;响应特性

0 引 言

地层的含油气饱和度是判断油气层和计算油气储量的主要参数,利用电阻率测井能够精确地求出地层电阻率与冲洗带电阻率,是计算地层的含油气饱和度的基本方法[1]。双侧向测井仪具有较好的探测地层各向异性的能力,是碳酸盐岩裂缝地层中使用的基本测井方法,用它来识别裂缝,具有成本低、识别力强和经济效益高等优点[2],并且在盐水泥浆和膏盐刨面中,能够减少泥浆分流的影响,得到更加准确的地层电阻率,因而在实际的油田测井中得到广泛应用[3]。ANSYS有限元分析软件,以麦克斯韦方程组作为电磁场分析的出发点,通过编程计算能够得到双侧向测井的响应特征,为仪器的优化设计和测井解释提供更加可靠的资料。

1 双侧向测井电极系结构

双侧向测井仪电极系结构主要包括以下几个部分,A0为主电流发射电极,A2、A2′为深侧向屏蔽电极,浅侧向的回流电极,A1、A1′为屏蔽电极,M1、M2和M1′、M2′为监督电极。测井时,主电极A0发出恒定电流I0,两对屏蔽电极发出与I0极性相同的稳定电流I1与I1′。通过电子线路的自动调节,主电极与屏蔽电极之间的电位相等,监督电极上的电位相等,主电流径向进入地层,得到钻井液、侵入带和原状地层的总视电阻率。在钻井液的导电性相对好、侵入程度低且地层电阻率很高时,视电阻率近似于地层真电阻率[4]。利用如下公式计算视电阻率:

式中,U为监督电极的电位值,K为电极系系数。

2 分析原理

简化的双侧向仪器及地层模型如图1所示。

图1 简化的双侧向仪及地层模型分布

由于主电极和屏蔽电极发出的都是恒定电流,所以要确定是一个稳定电流产生的电场电位分布函数。在二维轴对称情况下,采用柱坐标系,横坐标为r轴,纵坐标为z轴,在每一个电阻率为常数的区域内部任一点,电位满足微分方程:2)在对称面及电极的绝缘表面Γ2无电流流过:

根据线性叠加原理,仅需考虑只有1个发射电极,而其余电极均不发射电流的情形。

3)等位面边界,电位连续,电流的法向连续:

3 ANSYS分析

ANSYS基于有限元分析理论[5],ANSYS有 GUI(图形操作界面)和APDL两种操作方式,都能完成分析过程,对于大型有限元模型的分析,采用APDL语言能够利用循环控制实现智能化分析减少工作量[6],具体仿真计算过程如下。

1)启动ANSYS应用程序,进入multi-physics电场分析模块,进行前处理。

2)定义单元类型:选择二维实体单元plane67,作为仿真计算单元。

2)定义材料属性,设置井径、围岩、地层电阻率的数值。

4)建立有限元模型。

5)网格划分。

网格划分的原则是在仪器附件的网格最密,而距离仪器较远处的网格逐渐稀疏。对一个形状不规则且包含的边界线多余4条的面,需要使用命令“lccat”将某些相邻的线连结起来,再进行映射网格划分,针对本文的模型,网格划分方式见表1。

表1 网格划分方式

6)耦合自由度

由于井眼中的仪器已经被挖去,为模拟仪器表面的电压相等的性质,应将井眼中代表仪器各电极表面的面上所有节点的电压自由度进行耦合,强制该面上的所有节点电压值相等。

7)进入处理器/solu

lsel,s,loc,x,50!施加无限远边界条件

lsel,a,loc,y,-51

lsel,a,loc,y,51

dl,all,,volt,0

8)加载与求解

给主电极和屏蔽电极施加电流载荷,保存各个电极上的电位值。

9)进入后处理模块

将分场电位值进行叠加,求解电位满足的线性方程组,得到电极的总体响应。

4 结果分析

通过对模型设置不同的地层参数,可以得到侧向测井响应曲线。

1)探测半径

探测深度可用伪几何因子来描述,它反映侵入带对测量视电阻率的相对贡献,一般按照伪几何因子等于0.5时对应的侵入半径来描述。模拟条件为:Rt=50Ω·m,Rxo=10Ω·m,Rm=1Ω·m,dh=8 in(1 in=25.4 mm),伪几何因子示意图如图2所示。

图2 伪几何因子示意图

由图可得:LLD的探测半径为1.5 m,LLS的探测半径为0.43 m。

2)受层厚影响

对Rt=100Ω·m,Rs=10Ω·m,Rm=1Ω·m,dh=8 in的无侵入地层模型,目的层厚度为H,测井响应受层厚的影响如图3所示。

图3 测井响应受层厚的影响

由图可得,目的层厚度高于0.7 m时,能够得到真实的地层电阻率。

3)测井响应受侵入的影响

模拟条件为:Rm=1Ω·m,Rxo=10Ω·m,Rt=50 Ω·m,dh=8 in时,测井响应与侵入半径的关系如图4所示。

图4 测井响应与侵入半径关系图

可知:侵入影响随着侵入半径的增加而增加,对于低阻入侵,LLD和LLS的视电阻率测量值均下降,即从原状地层电阻率Rt逐渐变为侵入带电阻率Rxo,并且LLS受侵入带影响更大。对于LLD,侵入半径小于0.5 m时,能够测得Rt;对于LLS,侵入半径大于1.5 m时,只能得到Rxo。

4)测井响应受井眼影响

测井响应与井眼直径关系图如图5所示。

图5 测井响应与井眼直径关系图

地层模型:Rm=1Ω·m,井外是电阻率为30Ω·m的无限大均匀介质时。由图可知,随着井径的增加,视电阻率单调下降,井径越大,视电阻率偏离真电阻率越远;井径小于8 in(0.2 m)时,视电阻率值均大于地层真电阻,LLS电阻率高于LLD,井径大于8 in时,视电阻率均低于真电阻率,LLS电阻率小于LLD。

5)DLL在实际测井中的应用

图6为某井油层段的常规测井曲线。

对2 813 m～2 829 m层段,深浅侧向电阻率的半幅度划分的地层界面与自然伽马测井曲线及三孔隙度测井曲线的地层界面一致;对2 829～2 831 m薄层段,双侧向测井曲线所划分的地层顶底界面与其他测井曲线的结论也基本一致,从而证明了双侧向具有较好的分辨薄层的能力。

图7为某井水层段的测井响应曲线,地层水的矿化度小于钻井液的矿化度,所以在渗透层段有泥浆侵入时,冲洗带的电阻率低于原状地层的电阻率,在测井曲线上显示为深侧向电阻率高于浅侧向的电阻率,说明深侧向电阻率反映了原状地层的电阻率,而浅侧向电阻率反映了冲洗带地层的电阻率,并且深侧向的探测深度大于浅侧向的探测深度。

图6 某井油层曲线

图7 某井水层曲线

5 结 论

利用ANSYS有限元分析得到的测井仪器响应曲线与实际测井中的响应基本一致,说明数值模拟具有一定的准确性和可靠性。ANSYS采用智能化分析的手段,自动完成有限元分析的过程,已经在石油仪器设计方面得到应用。它能够分析仪器在模拟测井环境中得到的测井结果,用最佳化和参数确认做设计上的修改,并借助模型的修正重新分析以得到最好的结构,再通过实验测量来确认分析的误差同时得出分析的可靠度。本文所讨论的双侧向测井仪器结构,可以有效地计算多电极系的响应特性,在数值模拟和实际的测井中,都能够获得较为准确的地层电阻率,为测井解释提供可靠的资料。

[1] Suau J,Grimaldi P,et al.The Dual Laterolog-Rxo Tool[A].Paper SPE4018,Richardson,Texas USA,1972

[2] Towel G H.Electric log modeling with finite difference method[J].The Log Analyst,1988,l6(3)

[3] Davies DH,et al.Azimuthal Resistivity Imaging[A].Paper SPE24676,1992.2004,47(2)

[4] 聂在平,陈思渊.复杂介质环境中双侧向测井响应的高效数值分析[J].电子学报,1994,22(6)

[5] 罗水亮,陶 果.用大型有限元软件ANSYS处理电法测井的电磁场问题[J].测井技术,2004,28(6)

[6] 孙明礼,胡仁喜.ANSYS10.0电磁学有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007

P631.8+11

B

1004-9134(2011)05-0062-03

本文由国家重点基础研究发展计划(973计划)资助,项目名称:中国陆块海相成钾规律及预测研究,项目编号:2011CB403005。

张健阁,男,1987年生,硕士研究生,油气测控工程专业,主要进行电法测井仪器及控制理论应用研究,发表学术论文2篇。邮编:610500

2011-04-18编辑高红霞)

·经验交流·