随钻双感应测井仪背景影响研究

·试验研究·

随钻双感应测井仪背景影响研究

仵杰1叶雨1白茹宝1牒勇2

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室陕西西安710065；

2.中国石油集团测井有限公司随钻测井中心陕西西安710054)

摘要：分析随钻双感应测井仪背景影响对仪器研制具有重要的实际意义。本文通过COMSOL有限元软件数值计算分析背景参数(金属钻铤、反射层和磁芯)在不同地层电导率下对随钻双感应测井响应特性的影响，揭示了响应机理。当钻铤电导率大于107S/m时，钻铤对深感应响应的影响很小，对浅感应的影响不能忽略。钻铤长度变化对仪器的响应影响可以忽略。视电导率与钻铤半径近似线性关系。在地层电导率小于1S/m时，钻铤对深、浅感应的响应影响不大。反射层改变了钻铤对基值的非线性影响，随地层电导率增加，深感应的基值影响非线性减小，浅感应的非线性增加。深、浅感应的响应随着磁芯相对磁导率的增加非线性增加，相对磁导率在100至200之间时，对信号增强最明显。深、浅感应在磁芯实心与磁芯空心作用下的响应的比值约为固定值1.2。

关键词：随钻双感应测井；金属钻铤；反射层；磁芯；COMSOL有限元软件

作者简介：第一仵杰，男，1965年生，教授，博士，从事电磁测井理论、仪器设计、数值模拟和阵列感应测井信号处理方面的教学与研究。E-mail：mxs0725@163.com

文章编号：中图法分类号：P631.4+3

收稿日期：(2014-06-26编辑：屈忆欣)

The Background Influence Research of LWD Dual-induction Logging InstrumentWU Jie1YE Yu1BAI Rubao1DIE Yong2

(1.Xi’anShiyouUniversity,KeyLaboratoryofEducationMinistryforPhotoelectricLoggingandDetection,Xi’an,

Shaanxi710065,China；2.LWDLoggingCenter,ChinaPetroleumLoggingCO.LTD.,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Abstract：There is important practical significance of analysing the background influence of LWD dual-induction logging tool. In this article, the influences on the response feature of LWD dual-induction logging is computed and analyzed using COMSOL software when the formation conductivity is changed. The effect mechanism of mental drill collar and high permeability magnetic core on the dual-induction logging while drilling are revealed. The effect of drill collar conductivity on the deep induction is a little when the conductivity is greater than 107S/m, shallow induction can’t be ignored. The influence of drill collar length on the response can be neglected and the apparent conductivity is approximately proportional to the drill collar radius. The effect of drill collar on the deep and shallow induction is a little when the formation conductivity is less than 1S/m. reflector has changed the nonlinear influence of drill collar on the base value. The influence of the deep induction has a nonlinear decrease with the increase of the formation conductivity. But the shallow induction increases. The responses of the deep and shallow induction have a nonlinear increase with the increase of the relative magnetic core permeability. The signal intensity is boosted obviously when the relative magnetic core permeability is between 100 and 200. The ratio of response of the deep and shallow induction under the action of solid magnet core and hollow magnet core approximates a fixed value(1.2).

Key word：：dual-induction logging while drilling, mental drill collar, reflector, magnetic core, COMSOL finite-element software

0引言

随钻双感应测井仪器是在TRIM[1、2]的基础上增加了探测深度浅、分辨率高的浅感应。与原深感应组合，不但反应地层的渗透性，而且提高了分层能力。马欢波[3]研究了TRIM中金属钻铤对均匀地层响应特性的影响以及井眼影响等。魏宝君[4、5]等采用并矢Green函数的矢量本征函数展开式计算了仪器槽开口角度变化对电磁场不同分量的影响规律以及线圈系置于一侧稍扁金属钻铤外侧的一种新型随钻测井仪器的响应特性和刻度方法。以上文献均没有考虑磁芯影响。近年来，许多学者对随钻双感应测井仪器进行一些研究[6、7]，分析了有无磁芯、反射层和钻铤对仪器响应信号的比值随地层电阻率变化的关系，井眼、泥浆和围岩等对仪器响应的影响。主要是固定材料参数情况下对响应特性的影响研究，并没有对材料参数如何选取做进一步的分析。本文应用COMSOL软件[8]研究背景参数(反射层、金属钻铤和磁芯)在不同地层电导率时对随钻双感应测井响应的影响规律，揭示响应机理，得到与工程应用一致的结论。

1随钻双感应测井仪器线圈系结构和测量原理

1.1随钻双感应测井仪器线圈系结构

随钻双感应测井仪器的线圈系偏心放置在钻铤侧面带有反射层的V型槽内，线圈骨架比常规双感应小，为了增大信号强度，线圈系内部嵌套多个高磁导率磁芯。随钻双感应线圈系由两组三线圈组成，共用一个发射，相当于阵列感应的两个子阵列，仪器工作频率接近常规双感应的20 kHz。

1.2随钻双感应测井仪器测量原理

随钻双感应测井仪器利用电磁感应原理测量地层电导率。发射、屏蔽和接收线圈缠绕在同一个绝缘芯棒上，给发射线圈通以频率约20 kHz的交变电流，交变电流在仪器槽周围钻铤、井眼和地层中产生交变磁场(称为一次磁场)，为了消除金属钻铤的影响，增加适当厚度的反射层，将金属钻铤和仪器槽之间隔开。交变磁场在导电地层感应出与仪器轴不同心、复杂空间形状的涡流，涡流所建立的二次交变磁场又在屏蔽和接收线圈中产生感应电动势。由于涡流的大小是周围地层电导率的函数，所以它在屏蔽和接收线圈中产生的电动势也是周围地层电导率的函数。线圈中的高电导率磁芯，直接增强一次磁场和二次磁场，增大发射和接收信号。一次磁场的增大导致涡流增大，间接增大了测量信号的灵敏度。通常认为金属钻铤的影响是固定值，通过基值刻度消除钻铤的影响。磁芯影响是固定放大倍数，通过调整放大倍数或乘因子刻度来消除。本文通过理论计算分析揭示其机理。当忽略钻铤和磁芯的影响时，随钻双感应测井的基本理论与常规感应一致，可以用从均匀地层导出的视电导率公式计算实际情况下的测井响应。均匀地层时，双线圈系的感应电动势为[9]

(1)

式(1)中，ω=2πf，f是线圈工作频率；μ是地层的磁导率；IT是发射线圈中的电流强度；AT和AR分别是发射和接收线圈面积；NT和NR分别是发射和接收线圈匝数；L是发射与接收间距；k2=iωμσ，k是地层媒质的波数。

利用式(1)定义的视电导率[9]为

(2)

式(2)中，K为仪器常数

(3)

Vm为发射信号直接耦合到接收线圈的电压，称为直耦电压，与地层无关，等于式(1)中电导率为0时的电压。 本文中用式(2)计算随钻双感应的视电导率。计算的视电导率有实部分量和虚部分量，由于实际测井中只用到电导率实部，因此以下分析中仅考虑实部分量。

2基于COMSOL的模型建立和网格剖分

随钻双感应测井中，地层关于仪器轴没有旋转对称特性，由于高电导率反射层和钻铤以及高磁导率磁芯的存在，很难建立解析解，必须进行复杂的数值求解。在计算中，取地层电导率为0.001 S/m~10 S/m，空气电导率为10-5S/m。由于线圈系内部存在磁芯，加源方式选择线电流源，接收电压计算选择磁通面积分。

由于随钻双感应测井仪各区域电导率对比度高。因此交界面处网格要剖分合理。反射层、钻铤、磁芯和仪器槽交界面采用分区域逐步过渡剖分，空气与大地交界面处采用逐渐过渡的三角形网格特殊处理，使计算更加精确。在仪器轴中心添加辅助线，选择较多的固定单元数，网格剖分进行加密处理。通过加无限源的方式，扩大求解区域，以达到计算精度的要求。图1(a)和(b)为随钻双感应测井仪器径向网格剖分图与发射源附近网格剖分图。

图1　随钻双感应测井仪器的网格剖分

通过比较COMSOL数值计算结果与均匀地层(所有区域填充地层)的解析解验证模型网格剖分的合理性，以保证实际计算的正确性。假设发射电流为1A。表1和表2分别是均匀地层时深、浅感应的数值解、解析解和相对误差。两个表显示：深感应的最大相对误差小于0.045%，浅感应的最大相对误差小于0.04%，说明网格剖分合理，计算区域足够大。

表1　 均匀地层时深感应数值解与解析解比较

表2　均匀地层时浅感应数值解与解析解比较

3背景影响分析

3.1钻铤影响分析

金属钻铤一般采用无磁高强度材料，既可以避免电磁影响淹没有用信号，同时也满足钻井过程中高强度的要求。钻铤的电导率、长度和半径的不同对随钻双感应测井仪器响应产生一定的影响。下面分别进行计算分析。

(1)钻铤电导率的影响。钻铤电导率取10 S/m~1010S/m，仪器槽填充空气，地层电导率σ=0.1 S/m。图2表明：在10 S/m~4 000 S/m钻铤电导率范围，深浅感应的响应随钻铤电导率的增加而非线性增加，在电导率为4 000 S/m时达到最大，然后逐渐非线性减小。当钻铤电导率大于107S/m时，深感应的视电导率接近无钻铤时的值，可忽略钻铤的影响，而浅感应的仍大于无钻铤时的值，钻铤影响不能忽略。当钻铤电导率大于107S/m时，可以忽略钻铤电导率对深浅感应响应的影响。

(2)钻铤长度的影响。随着钻铤长度的增加，深感应的响应基本不变，浅感应有微小变化。钻杆与钻铤连接后，对仪器响应的影响可以忽略，结果与工程应用吻合。

图2　σ=0.1 S/m时，钻铤电导率变化的影响

(3)钻铤半径的影响。钻铤电导率取107S/m，地层电导率σ=0.1 S/m，钻铤直径取6 in、6.75 in、7 in和8 in。结果表明：深感应的响应随钻铤半径的增加线性减小，浅感应随着钻铤半径的增加线性增加。钻铤半径的变化对浅感应响应影响较大，而对深感应响应影响较小。

图3　σ=0.1 S/m时，钻铤半径变化的影响

(4)钻铤电导率为5×107S/m，地层电导率取0.001S/m~10 S/m。图4为不同地层电导率情况下钻铤的影响。结果表明：浅感应的测量信号随地层电导率的增加非线性增加，深感应非线性减小。在地层电导率小于1 S/m时，深、浅感应变化不大。

图4　不同电导率情况下钻铤的影响

3.2 反射层影响分析

反射层是一层很薄的高电导率金属物质，人们都认为其用来屏蔽金属钻铤对测量信号的电磁干扰。那么反射层到底对仪器的响应有什么样的影响规律？响应机理又是如何呢？下面给出我们的研究结果。

在图4的基础上增加了反射层，固定反射层电导率为3.57×107S/m，其余区域均为均匀地层。图5给出了不同电导率情况下，钻铤和反射层的影响。结果表明：浅感应随地层电导率非线性增加，而深感应非线性减小。

图5　不同电导率情况下钻铤和反射层的影响

图4与图5数值之差列于表3，可以看出：反射层改变了基值，随地层电导率增加，深感应的基值影响非线性减小，浅感应的非线性增加。由于深、浅感应视电导率数值变化相比地层电导率很小，在数值计算中，可以不考虑反射层的影响。

表3　 不同电导率情况下反射层的影响

那么反射层响应机理又是怎样呢？我们可以通过上述两种情况下yoz平面电流面箭头比较，见图6。可以看出：加反射层后，仪器槽开口处的电流流动是不规则的，与只有钻铤的情况下电流流动特性明显不同。

下面通过一维绘图来查看仪器槽开口处电流大小。如图7所示：两种情况下电流的一维绘图趋势相同，大小略有不同。我们通过导出各自的数据大小进行比较(见图8)。浅感应处加了反射层电流高于没加反射层处，但深感应处反射层电流低于没加反射层处。

图6　两种情况yoz平面电流面箭头比较

图7　两种情况一维电流比较

图8　两种情况不同深度电流差值比较

3.3磁芯影响分析

随钻双感应测井仪器的线圈半径很小，在线圈系内部嵌套磁芯，以增强发射和接收信号的强度。应该选多大相对磁导率的磁芯？磁芯影响机理又如何呢？下面分以下二种情况进行分析。

第一种情况是磁芯相对磁导率变化对响应的影响。取磁芯相对磁导率1~1 000，仪器槽填充空气，地层电导率(其余区域)σ=0.1 S/m，图9给出了随钻双感应测井仪器响应随磁芯相对磁导率变化的关系。该图表明：

(1)随相对磁导率增大，深浅感应的响应开始非线性快速增大，超过50后增大缓慢，1000时，基本稳定在200倍左右。相对磁导率在100~200之间时，磁芯信号增大效果最好。

(2)深、浅感应的响应随磁芯相对磁导率增大而增加趋势一致，说明磁芯同时增大深、浅感应的信号强度。

图9　σ=0.1 S/m，磁芯相对磁导率变化的影响

第二种情况是磁芯实心与磁芯空心对响应特性的影响。取磁芯相对磁导率为150。仪器槽填充空气，地层电导率(其余区域)取0.001 S/m~10 S/m，图10给出了随钻双感应测井仪磁芯实心与空心情况下随地层电导率变化的响应规律：

(1)不管是磁芯实心与磁芯空心，深浅感应的响应均随着地层电导率的增加近似线性增加。

(2)深、浅感应在磁芯实心与磁芯空心作用下的响应的比值约为固定值1.2，这说明磁芯实心和磁芯空心对响应影响不大。

图10　磁芯实心与磁芯空心的影响

4结论

(1)深浅感应的响应随钻铤电导率的增加而增加，在电导率为4 000 S/m时达到最大，然后逐渐减小。当钻铤电导率大于107S/m时，深感应的视电导率接近无钻铤时的值，变化很小。浅感应受钻铤的影响不能忽略。在工程应用中，钻铤连接钻杆后使用对仪器的响应影响可以忽略。钻铤半径的变化对浅感应响应影响较大，而对深感应响应影响较小。

(2)反射层改变了钻铤对基值的非线性影响，随地层电导率增加，深感应的基值影响非线性减小，浅感应的非线性增加。由于深、浅感应视电导率数值变化相比地层电导率很小，在数值计算中，可以不考虑反射层的影响。

(3)深、浅感应的响应随着磁芯相对磁导率的增加非线性增加，磁芯相对磁导率在100与200之间，对测量信号的增强最佳。磁芯实心与磁芯空心作用下的响应的比值约为固定值1.2。

参 考 文 献

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