电磁随钻测量系统的适应性分析方法

摘要

本发明属于石油钻井、矿产开发及地质勘探领域。本发明建立了一种电磁随钻测量系统的适应性分析方法，系统地分析了地层特性、井筒环境、井眼轨迹、地面环境对电磁信号传输的影响，从而对一个地区或一口井进行电磁随钻测量系统的适应性分析。随着气体钻井和充气钻井等低压欠平衡钻井技术推广应用，本发明具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

主权项

电磁随钻测量系统的适应性分析方法，所述分析方法用于通过地层特性、井筒环境、井眼轨迹、地面环境对电磁信号传输的影响，从而对一个地区或一口井进行电磁随钻测量系统的适应性评估；所述分析方法包括：⑴理想条件下电磁随钻测量系统的适应性影响分析步骤：所述理想条件为在不考虑地层的不均匀性，套管，钻井液条件下，取地层为均匀有耗介质；可得：地表面上钻杆与距离钻杆x处两点的接收电压为： V r ( x ) = - ∫ b 1 x E ρ dρ = ω μ 0 γ 01 V 12 2 a Z 01 k 2 e - γ 01 h 1 [ H 0 ( 1 ) ( kb ) - H 0 ( 1 ) ( kx ) ] 其中：r，l和g，c分别表示传输线单位长度的串联电阻、串联电感、并联电导和并联电容；k为复波数，b为钻杆半径，b1，b2为传输线模型的等效半径；x为地面接收电极间距；ρ为地面上两点在径向的距离；μ0,ε0,σ0分别为磁导率、介电常数和电导率；ω为时谐电磁场的角频率,τ为金属钻杆的壁厚，ρf，ρm分别为地层和钻杆的电阻率；Z01为特征阻抗，γ01为传播常数，a为常系数；下标1和下标2分别表示钻杆的井下电极；⑵钻井液对电磁随钻测量系统的适应性的影响分析步骤：在实际钻井中存在着钻井液，所述钻井液对电磁随钻测量系统的工作存在一定的影响；可得，地面上钻杆与距离钻杆x处两点的接收电压为 V r ( x ) = - ∫ b 1 x E ρ dρ = ω μ 0 γ 01 V 12 2 c Z 01 k 2 2 e - γ 01 h 1 [ H 0 ( 1 ) ( k 2 b 1 ) - H 0 ( 1 ) ( k 2 x ) ] 式中， k 2 2 = ω 2 ω 0 ( ϵ 2 + j σ 2 ω ) 其中，b为钻杆半径，(b1‑b)为泥浆层厚度，d为上段等效传输线的等效半径，d′为下段等效传输线的等效半径；σm，ρm钻杆电阻率和电导率；σ1，ρ1，ε1，μ1分别为钻井液的电阻率，电导率，介电常数，磁导率；c为常系数；⑶套管对电磁随钻测量系统的适应性的影响分析步骤：在实际钻井过程中不仅存在钻井液的形成的柱面分层，而且还存在套管的影响；分析步骤中分电磁随钻测量工具在套管内、外两种情况；c1为常系数；a，当所述电磁随钻测量工具中的激励源在套管内时可得，地面上钻杆与距离钻杆x处两点的接收电压： V r ( x ) = - ∫ b 1 x E ρ dρ = ω μ 0 γ 01 V 12 2 c 1 Z 01 k 2 2 e - γ 01 h 1 [ H 0 ( 1 ) ( k 2 b 1 ) - H 0 ( 1 ) ( k 2 x ) ] b，当所述电磁随钻测量工具中的激励源在套管外时所述套管外的钻杆天线等效电路为串联电路,激励源产生的激励电流经过上部钻杆及套管流入大地,再经过下部钻杆回到激励源负极；将套管段和大地构成的等效传输线作为第一等效传输线（1）,套管外部钻杆和大地构成的等效传输线作为第二等效传输线（2）；分别计算等效传输线参数,得到特征常数z0i和γ0i；i=1,2分别表示第一和第二等效传输线（1,2）;可得，地面接收电压为： v rec = I 0 { z 11 [ ch ( γ 02 l 2 ) ch ( γ 01 ( h 1 - l 2 ) ) + z 01 z 02 sh ( γ 02 l 2 ) sh ( γ 01 ( z - l 2 ) ) ] - z 02 [ sh ( γ 02 l 2 ) ch ( γ 01 ( h 1 - l 2 ) ) + z 01 z 02 ch ( γ 02 l 2 ) sh ( γ 01 ( z - l 2 ) ) ] } ln ( x b 2 ) ln ( 2 h 1 b 2 ) 其中l2＝h1‑h0；b2为套管半径；X为地面接收天线间距；根据等效传输线方程求得上部钻杆得输入阻抗z11和下部钻杆阻抗z21这样可以得到传输线上任意点电流和电压值；⑷地层不均匀性对电磁随钻测量系统的适应性影响分析步骤：实际地层具有不均匀性，将不均匀性地层分层；取每个分层为均匀地层，建立模型实际地层；所述分层根据地层电阻率测井数据进行分层，用于模拟实际地层的不均匀性；且所述地层电阻率在0～10Ωm内；即根据探测到的地层电阻率分层，将地层分为N层，i为第1～N层；计算钻杆天线的输入阻抗和钻杆天线的电流分布，其公式为 I 1 ( z ) = I 0 1 - e - 2 γ 01 h 1 [ e - γ 01 z - e - γ 01 ( 2 h 1 - z ) ] ; 分层计算每层的等效传输线参数：串联电阻ri，串联电感li，并联电导gi和并联电容ci；后根据等效传输线参数计算每层的传播常数γ0i和特性阻抗z0i；根据等效传输线方程，激励源和末端的边界值，推导出分段均匀有损传输线的输入阻抗，电流和电压分布；当钻杆上电流分布得到后，计算钻杆天线在地面上产生的场，即地面接收系统的接收场；可得，地面接收电压为: φ 0 ( ρ ) = - j ω k 0 2 B ∫ - ∞ ∞ J 0 ( λa ) H 0 ( 2 ) ( λρ ) [ S 0 γ 0 e - Σ m = i + 1 n γ m d m - γ i ( Z i - z ′ ) ] λdλ 其中，ki为复波数，zdi为分层界面距离坐标原点的距离；其中，坐标原点在激励源处；在第i层的总电场将由界面ZI和Zi‑1传播过来的激励场，表示传输系数si和反射系数Ri，而所述每个分层地层中的传输系数si和反射系数Ri根据分界面上场的边界条件计算得出；⑸电磁随钻测量系统适应性综合分析步骤：电磁随钻测量系统适应性综合分析步骤，即总体分析电磁随钻测量系统参数，地层电阻率，实际钻井中存在的套管，钻井液，地层不均匀性这些因素对电磁随钻测量系统的适应性影响步骤；本分析步骤在处理钻井液时，利用等效传输线法将钻井液电阻率、介电常数、磁导率引入传输线参数中，本分析步骤将分析钻井液对电磁随钻测量系统适应性的影响；本分析步骤在处理存在套管时，分钻柱在套管内与套管外两种情况，利用等效传输线法将套管电阻率引入传输线参数中，本分析步骤能够分析套管对电磁随钻测量系统适应性的影响；本分析步骤在处理不均匀地层时，根据地层电阻率分层，将不均匀地层分为N层，i为第1～N层；计算钻杆天线的输入阻抗和钻杆天线的电流分布；分层计算每层的等效传输线参数：串联电阻ri，串联电感li，并联电导gi和并联电容ci；后根据等效传输线参数计算每层的传播常数γ0i和特性阻抗z0i；根据等效传输线方程，激励源和末端的边界值，推导出分段均匀有损传输线的输入阻抗，电流和电压分布；当钻杆上电流分布得到后，计算钻杆天线在地面上产生的场，即地面接收系统的接收场。