钻铤对随钻电磁波测井信号的影响分析

岳喜洲

【摘 要】本文采用数值模拟方法仿真随钻电磁波测井仪器的钻铤对测量信号的影响，仿真结果表明，随地层电阻率增加，随钻电磁波测井接收天线的相位差和幅度比均会减小，钻铤的存在会引起接收天线相位差、幅度比和幅值变化，接收信号强度（幅度）减弱，相位差变大，幅度比变小，且源距越小变化越明显。

【关键词】随钻电磁波；钻铤；信号强度；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

随钻电磁波电阻率测井是随钻测井技术的核心组成部分之一，在地质导向和实时地层评价中具有重要应用价值[1]。随钻电磁测井仪器结构比常规测井仪器复杂，由线圈构成的天线镶嵌在无磁钻铤的内部，通过钻铤本体刻出的天线窗口实现电磁信号的发射与接收。研究钻铤对于随钻电磁波测量信号的影响，对随钻电磁波电阻率测量仪器的研制和应用具有指导意义。

1 随钻电磁波测井原理

随钻电磁波测井仪器是一种利用电磁传播原理来测量地层电阻率的装置。仪器线圈系一般由多个发射线圈和两个接收线圈组成，发射线圈和接收线圈缠绕在无磁钻铤上，所有线圈的平面均与钻铤轴向垂直。基本的线圈系设计为一发两收结构，其原理是当给发射线圈T通以一定频率的交变电流后，发射线圈就会在地层介质中产生交变电磁场并在接收线圈中产生感生电动势，由于两个接收线圈与发射线圈的距离不同，两个接收线圈中的信号幅度和相位就各不相同，测量两个接收线圈中信号的相位差和幅度比就可计算出地层的电阻率。

2 数值模拟方法

在进行随钻电阻率测井仪器响应模拟仿真时，井眼周围地层的几何结构和介质组成特性十分复杂，有限元方法可以有效的处理复杂介质条件下的电磁场方程[2]。使用有限元方法进行随钻电阻率测井仪器响应模拟研究，其基本思路可归纳为首先根据变分原理和方程余量与权函数正交化原理建立与微分方程初边值问题等价的求解区域积分表达式。然后对求解区域进行网格剖分，并根据各单元的有限元方程合成总体有限元方程。最后根据边界条件对总体方程进行修正后，采用适当的计算方法对方程求解，即可获得井眼周围电场或者磁场的近似解[3]。

3 钻铤对随钻电磁波测量的影响

由于金属钻铤的电导率较高，它的存在必将对发射线圈发出的电磁信号产生复杂的影响[4]。首先，分析钻铤本体对接收信号相位差、幅度比和幅值的影响，计算时不考虑井眼和侵入因素，取仪器发射频率为2MHz，钻铤直径为7in，源距分别为36in，22in，接收线圈间距取8in。分别比较有钻铤模型和无钻铤模型下的计算结果。

无钻铤模型：钻铤部分电导率取为1.E-30 S/m（空气电导率），忽略钻铤的影响，视为绝缘介质。地层电阻率的变化范围为0.1Ω·m～1000Ω·m，分别计算接收信号的相位差、幅度比和幅值。

有钻铤模型：钻铤内径至仪器中心轴部分介质电导率取为1.E-30 S/m、钻铤部分电导率为1.36E+6 S/m，相对磁导率取1。地层电阻率的变化范围为0.1 Ω·m～1000 Ω·m，分别计算接收信号的相位差、幅度比和幅值。

图1是两种模型下计算得到的相位差曲线，图2是两种模型下计算得到的幅度比曲线，图3是计算得到的幅值曲线。

由图1可以看出，对于相位差曲线，相同源距，有钻铤相位差曲线值比无钻铤相位差曲线值大，在短源距22in下有钻铤模型相位差曲线与无钻铤模型相位差曲线略有分离，而在长源距36in下两条曲线几乎重合，说明随着收发间距的增大，钻铤对相位差曲线的影响也越来越小。

由图2可以看出，对于幅度比曲线，相同源距，有钻铤幅度比曲线值比无钻铤曲线值小，在短源距22in下有钻铤模型幅度比曲线与无钻铤模型幅度比曲线存在分离，而在长源距36in下两条曲线几乎重合，说明随着收发间距的增大，钻铤对幅度比曲线的影响也越来越小。

由于在相同地层电导率的情况下，幅度比的量值远小于相位差的量值，因而在低地层电导率的情况下，金属钻铤产生的信号对幅度比的影响相对较大，而对相位差的影响相对较小，而且这种影响是非线性的。在幅度比电导率的测量范围内，金属钻铤对幅度比的影响仍可近似看作恒定。

图3是有钻铤和无钻铤下信号幅值曲线的比较，对于幅值曲线，相同源距，随着地层电阻率的增大，接收信号的幅值越来越大，且有钻铤时幅值曲线值比无钻铤时幅值曲线值小很多，两者相差有20～30倍左右，说明钻铤对接收信号的幅值有影响，会使信号强度大幅减弱。

4 结论

本文利用有限元法计算钻铤对随钻电磁波电阻率测井仪器测量值的影响，结论如下：

1）金属钻铤的存在使得接收线圈处的信号强度减弱，幅度值和无钻铤时相比要减弱20～30倍。

2）金属钻铤产生的信号对幅度比的影响相对较大，而对相位差的影响相对较小。金属钻铤的影响使幅度比值减小，相位差增大，但随着源距的增加这种影响减弱。在幅度比测量范围内，钻铤的影响近似为一定值。

【参考文献】

[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]张庚骥.电法测井（下册）[M].北京：石油工业出版社，1986.

[3]陈晓晖，刘得军，等.随钻电阻率测量系统响应模拟算法探讨[J].电子测量技术，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.

[责任编辑：杨玉洁]