隨鉆電磁波電阻率測井曲線分離關系研究

岳喜洲，馬明學，李國玉

(中海油田服務股份有限公司　北京　101149)

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隨鉆電磁波電阻率測井曲線分離關系研究

岳喜洲，馬明學，李國玉

(中海油田服務股份有限公司北京101149)

摘要：隨鉆電磁波電阻率測井儀器受圍巖、相對介電常數、泥漿侵入、電阻率各向異性等不同因素影響時，多條電阻率測量曲線之間會呈現復雜的分離關系。文章采取數值計算的方法，模擬各種環境因素對隨鉆電阻率曲線分離關系的影響。研究表明，圍巖影響使目的層電阻率曲線值降低，對幅度比電阻率的影響大于相位差電阻率；介電參數的影響使幅度比電阻率大于相位差電阻率；低阻泥漿侵入的影響使長源距測量值大于短源距測量值；在電阻率各向異性地層中，隨著相對傾角的增大，相位差電阻率大于幅度衰減電阻率。不同的影響因素會導致電阻率曲線出現不同的分離次序，根據曲線分離規律，可定性分析儀器測量時受到的具體影響因素，對儀器環境校正和隨鉆地層評價有指導意義。

關鍵詞：隨鉆電阻率測井；圍巖；相對介電常數； 泥漿侵入； 各向異性

0引言

隨鉆電磁波電阻率測井儀在隨鉆地層評價和鉆井地質導向方面已獲得廣泛應用。目前商用儀器均采用多源距、多頻率的測量方式，產生多條隨鉆電阻率測井曲線[1]。均勻無限大地層中，多條隨鉆電磁波電阻率的曲線應該重合，但實際測井時，多條視電阻率測量曲線會出現不同的分離關系，主要原因是測量環境和地層因素的影響。復雜的曲線分離關系會對隨鉆電阻率測井資料的數據處理和地層評價帶來一定的困難。王偉[2]分析了在大斜度井和水平井中隨鉆測井曲線受到井斜、地層產狀、測井儀探測范圍、鉆井等因素的影響而出現的形態異常，但未分析井下復雜的測量環境及地層因素對隨鉆電阻率曲線的分離關系造成的影響。本文采用數值仿真方法，計算儀器在地層中的響應，重點考察圍巖、介電常數、泥漿侵入、電阻率各向異性等隨鉆測井常見的環境因素對曲線分離關系的影響。根據曲線之間不同的分離關系，可以定性分析造成隨鉆電阻率測量曲線出現分離的原因，進一步進行針對性校正。正確認識這些現象對儀器環境校正和隨鉆地層評價具有指導意義。

1計算模型

隨鉆電磁波電阻率測井儀器是一種利用電磁傳播原理來測量地層電阻率的裝置。基本的天線系由一個發射天線和兩個接收天線組成，測量兩個接收天線中信號的相位差和幅度比就可計算出地層的電阻率[3]。目前的隨鉆電阻率一般均采用陣列對稱補償設計來降低電路誤差和井眼的影響。

隨鉆電阻率儀器結構示意圖如圖1所示。其中T1-T2-T1′-T2′為發射線圈，R1-R2為接收線圈。發射線圈至兩個接收線圈中點的距離分別為22 in(1in=25.4 mm)、36 in，發射頻率為400 kHz、2 MHz。該儀器通過對稱補償可得到4條相位差曲線。命名為P36H、P22H、P36L、P22L。P代表相位差曲線，22、36為源距，H代表2MHz，L代表400 kHz。4條幅度比曲線，命名為A36H、A22H、A36L、A22L。A代表幅度比曲線，22、36為源距，H代表2 MHz，L代表400 kHz。

為實現對隨鉆電阻率測井響應的快速模擬，將儀器發射線圈簡化為磁偶極子，將地層模型簡化為雙界面三層平行地層、雙界面三層同軸地層，依據電磁波傳播理論，采用磁偶極子解析解的方法[4]，得到兩個接收線圈處的電動勢，進而計算出二者之間的相應差和幅度衰減，通過電阻率工程轉換圖版得到對應的隨鉆電阻率測井曲線[5]。

圖1　隨鉆電阻率儀器結構示意圖

2不同影響因素下的曲線分離關系

2.1圍巖

隨鉆電阻率測井儀器的響應主要來自井眼及周圍地層的貢獻，由于采用了多源距、多頻的儀器設計，所對應測量到的相位差電阻率和幅度比電阻率有著不同的測量范圍，圍巖對于目的層電阻率曲線影響明顯。圍巖對電阻率曲線的影響主要為圍巖電阻率、目的層電阻率、目的層厚度等因素。

選取圍巖電阻率1 Ω·m，目的層電阻率為1～50 Ω·m，層厚為2 m時，計算層中間的電阻率曲線值。計算地層模型采用雙界面三層平行地層，其第一層和第三層地層為圍巖，中間層為目的層。儀器垂直于地層，兩個接收線圈的中點位于目的層的中點。根據偶極子源電磁傳播理論，計算出目的層中點處的電阻率曲線值，根據上述儀器結構說明，共得到8條曲線。計算結果如圖2所示。圖2(a)為不同目的層電阻率時，相位差電阻率曲線的分離關系。圖2(b)為不同目的層電阻率時，幅度比電阻率曲線的分離關系。由圖2(a)可以看出，存在圍巖影響時，相位差電阻率曲線的分離關系為P22H>P36H>P22L>P36L，隨著目的層電阻率的增大，相位差電阻率增大。由圖2(b)可以看出，存在圍巖影響時，幅度比電阻率曲線的分離關系為A22H>A36H>A22L>A36L。隨著目的層電阻率的增大，幅度比電阻率增大。綜合圖2(a)和圖2(b)，明顯可以看出，相位差電阻率值更接近于地層真實值，即相位差電阻率受到圍巖的影響要小于幅度比電阻率，并且高頻測量值大于低頻測量值，短源距測量值大于長源距測量值。

選取圍巖電阻率1 Ω·m，目的層電阻率為20 Ω·m，層厚為0.5～5 m時，計算層中間處的電阻率值，計算結果如圖3所示。圖3(a)為不同層厚時，相位差電阻率的分離關系，圖3(b)為不同層厚時，幅度比電阻率的分離關系。由圖3(a)可以看出，當層厚小于2.5 m時，相位差電阻率的分離關系為P22H>P36H>P22L>P36L，當層厚大于2.5 m時，P36H>P22H。層厚大于4 m時，相位差電阻率曲線基本重合。由圖3(b)可以看出，不同層厚時，幅度比電阻率的分離關系為A22H>A36H>A22L>A36L。而且，400 kHz幅度比電阻率受到圍巖的影響比較嚴重，即使層厚5 m時，也難以測到地層電阻率真值。

綜合來看，圍巖對目的層的幅度比、相位差視電阻率值均有影響。影響程度與目的層厚度、層間電阻率差異有直接關系，目的層越薄，影響越大，層間電阻率差異越大，影響也越大。相位差視電阻率所受影響小于幅度比視電阻率，高頻短源距相位差電阻率值更接近于地層真實值。相同測量頻率時，對于相位差和幅度比電阻率，短源距測量值均大于長源距測量值。相同源距時，對于相位差和幅度比電阻率，高頻測量值均大于低頻測量值。

2.2相對介電常數

隨鉆電阻率測井儀器測量得到的幅度比和相位差，在轉換為地層電阻率時，需要對相對介電常數做出假設，一般可取為10。當假定的介電常數與地層真值不同時，計算出的視電阻率就會出現偏差，從而呈現不同的分離關系。

計算模型為均勻無限大地層，改變地層相對介電常數，計算出8條隨鉆電阻率曲線的分離關系。選擇兩組地層背景電阻率值，分別為10 Ω·m、30 Ω·m，改變相對介電常數值，計算儀器的響應，并采用相對介電常數為10時的轉換關系轉換成視電阻率值，計算結果如圖4所示，其中圖4(a)為不同介電常數時，相位差電阻率曲線的分離關系，圖4(b)為不同介電常數時，幅度比電阻率曲線的分離關系。

由圖4(a)可以看出，隨鉆電阻率儀器受到介電常數影響時，相位差電阻率曲線的分離關系為P22L>P36L>P22H>P36H。由圖4(b)可以看出，介電常數改變時，幅度比電阻率曲線的分離關系為A22H>A36H>A22L>A36L。綜合圖4(a)和圖4(b)可以看出，隨著介電常數的增大，幅度比電阻率值整體大于相位差電阻率值。幅度比電阻率值隨著地層電阻率的增大，受到介電常數的影響增大，甚至超出了測量范圍。

圖2　目的層電阻率對曲線的影響

圖3　層厚對隨鉆電阻率曲線的影響

圖4　介電常數對隨鉆電阻率曲線的影響

2.3泥漿侵入

隨鉆電阻率值在進行起、下鉆復測(Trip-log)時，由于地層長時間受到低阻泥漿的浸泡，視電阻率值往往會受到泥漿侵入的而發生變化。

地層模型采用雙界面三層同軸地層，中間層為侵入帶，兩側層為原狀地層。儀器位于侵入帶的中心位置，儀器軸向地層界面平行。根據該地層模型下的電磁傳播理論，計算出隨鉆電阻率儀器的8條曲線值。地層模型中，選取地層侵入帶電阻率值、原狀地層電阻率值分別為為1 Ω·m、10 Ω·m，改變侵入帶深度，計算儀器響應值，結果如圖5所示。其中，圖5(a)為泥漿侵入時，相位差電阻率曲線的分離關系。圖5(b)為泥漿侵入時，幅度比電阻率曲線的分離關系。

從圖5(a)中可以看出，當侵入深度小于0.5 m時，相位差電阻率曲線的分離關系為P36L>P36H>P22L>P22H，侵入深度大于0.5后，相位差曲線分離關系變得更為復雜，次序關系如圖5(a)所示。從圖5(b)中可以看出，當侵入深度小于0.6m時，幅度比電阻率曲線的分離關系為A36L>A36H>A22L>A22H。綜合圖5(a)和圖5(b)，泥漿侵入的影響對高頻短源距的測量曲線更為明顯。換一個角度講，長源距低頻曲線的探測深度更大。但當侵入較深時，曲線分離關系會出現P22L>P36H,A22L>A36H等情況，說明曲線的分離關系是和侵入深度相關的。侵入帶半徑越大，曲線分離關系越復雜。

圖5　泥漿侵入對隨鉆電阻率的影響

2.4傾角-各向異性

在大斜度井/水平井中，地層電阻率的各向異性會對相位差電阻率和幅度比電阻率曲線造成不同的影響，形成曲線分離。數值仿真時，選取地層模型為均勻無限大各向異性地層，地層參數為水平電阻和垂直電阻率，儀器與地層之間具有不同的相對傾角，從0°～90°改變相對傾角，計算對應的隨鉆電阻率曲線值，研究8條曲線之間的分離關系。

圖6為水平電阻率10 Ω·m，垂直電阻率值為40 Ω·m，不同地層傾角下的儀器響應。圖7為為水平電阻率10 Ω·m，垂直電阻率值為90 Ω·m，不同地層傾角下的儀器響應。綜合圖6、圖7可以看出，相位差電阻率曲線的分離關系為P36H>P22H>P36L>P22L。幅度比電阻率的分離關系為A36H>A22H>A36L>A22L。地層存在各向異性時，相位差電阻率值整體大于幅度比電阻率值。隨著相對傾角的增加，電阻率值增大，且相位差電阻率值增加的趨勢更大，即相位差電阻率值對相對傾角的變化更敏感。

圖6　傾角-各向異性對視電阻率的影響

圖7　傾角-各向異性對視電阻率的影響

3結論

隨鉆電阻率儀器在實際測量時會受到圍巖、相對介電常數、泥漿侵入、電阻率各向異性等因素的影響，呈現出不同的曲線分離關系。同時，根據不同的曲線分離關系，也可以定性判斷曲線的影響因素，進行針對性的環境因素校正。

1)低阻圍巖影響時，目的層視電阻率減小，相位差電阻率更接近于真電阻率值。相位差電阻率和幅度比電阻率曲線分離關系為：相同測量頻率時，短源距電阻率大于長源距電阻率；相同源距時，高頻測量值大于低頻測量值。

2)相對介電常數變大時，幅度比電阻率整體大于相位差電阻率。對于相位差電阻率，短源距大于長源距，低頻測量值大于高頻測量值。對于幅度比電阻率，短源距大于長源距，低頻測量值小于高頻測量值。

3)低阻泥漿侵入時，相位差電阻率和幅度比電阻率曲線分離關系為：相同測量頻率時，長源距測量值大于短源距測量值；相同源距時，低頻測量值大于高頻測量值。

4)電阻率各向異性地層中，隨著儀器與地層之間相對傾角增大，相位差電阻率大于幅度比電阻率。相同測量頻率時，長源距電阻率大于短源距電阻率；相同源距時，高頻測量值大于低頻測量值。

參 考 文 獻

[1] 朱桂清，章兆淇.國外隨鉆測井技術的最新進展及發展趨勢[J].測井技術，2008(5):394-397.

[2] 王偉,章凱. 大斜度井和水平井隨鉆測井曲線形態異常分析及在地層劃分中的應用[J].中國海上油氣，2009 (1):27-30.

[3] 岳喜洲，馬明學，李國玉.隨鉆電磁波測井儀天線結構設計數值模擬[J],石油管材與儀器，2015(1)：16-19.

[4] 徐建華.層狀媒質中的電磁場與電磁波[M].北京，石油工業出版社，1997：183-188.

Study on Relationships of the Separated Curves in Resistivity Logging While Drilling

YUE Xizhou，MA Mingxue，LI Guoyu

(ChinaOilfieldServiceCo.Ltd.Beijing101149,China)

Abstract：The curves of resistivity logging while drilling(LWD) present complex separation relationship when the tool is affected by environmental factors such as surrounding rock resistivity, dielectric constant, mud invasion, resistivity anisotropy etc. This paper uses the numerical simulation to investigate the influence of environmental factors on the curves separation relationship. The result shows the effect of shoulder bed leads to the target resistivity measurement values lower, phase difference resistivity is impacted greater than attenuation resistivity; and the effect of the dielectric constant makes measurement result of attenuation resistivity higher than that of phase difference resistivity; Meanwhile, mud invasion also affects the measurement making the long spacing values higher than the short spacing values; in addition, with the relative dip increasing in the resistivity anisotropic formation, phase difference values will increase which is higher than amplitude attenuation values. In conclusion, these factors lead to the separation phenomenon of curves, the rank of which is based on the factors. Using the separation regularities, which is presented in this paper, the specific factors affecting the measurement can be qualitatively analyzed, as has instructive significance to the measurement environmental correction and LWD formation evaluation.

Key words：resistivity logging while drilling, shoulder bed, dielectric constant, mud invasion, anisotropy

(收稿日期：2015-11-21編輯：高紅霞)

中圖法分類號：P631.8+1

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0053-04

第一作者簡介：岳喜洲，男，1983年生，工程師，2009年畢業于中國石油大學(華東)，現在中海油田服務股份有限公司,從事隨鉆電磁波儀器的研發工作。E-mail：yuexzh@cosl.com.cn

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