專利名稱：一種過金屬套管磁聲電阻率成像測井方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種石油勘探領(lǐng)域中測量井周電阻率分布的方法，特別涉及金屬套管井的井周地層電阻率成像測井方法。
背景技術(shù)：
石油勘探測井被稱為“石油エ業(yè)的眼睛”，借助測井技術(shù)，石油地質(zhì)學(xué)家和石油開發(fā)工程師能夠了解井筒周圍地層的孔隙度、滲透率和含油氣飽和度等重要信息。為了實(shí)現(xiàn)油田的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)，各個(gè)油田都面臨著有效的金屬套管井中的剰余油評(píng)價(jià)和流體動(dòng)態(tài)檢測這ー難題。金屬套管的電阻率通常是被測試地層電阻率的IO7 IOltl倍，磁滲透率是被測試地層磁滲透率的10 200倍，金屬套管與地層在電磁屬性上的巨大反差，造成金屬套管井中電阻率測井和裸眼井中電阻率測井在物理上存在著巨大的差異金 屬套管本身就是ー個(gè)巨大的導(dǎo)電電扱。在嘗試通過金屬套管把電流傳導(dǎo)到地層中去吋，由于電流會(huì)沿著電阻率最小的路徑完成電流回路，導(dǎo)致在低電阻率的金屬套管和地層之間，大部分電流會(huì)沿套管流動(dòng)而僅有非常微弱的地層漏失電流；另ー方面，井眼周圍的電流泄漏發(fā)生在整個(gè)套管長度上，每米長度上的泄漏量非常少。上述事實(shí)導(dǎo)致過金屬套管電阻率測量難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在裸眼井中測量地層電阻率，各種有效的裸眼井電阻率測量方法在金屬套管井中不再適用。前蘇聯(lián)在上世紀(jì)三十年代末最早提出了“過鋼套管測地層電阻率”的設(shè)想，希望能夠基于電法測井原理透過金屬套管測量地層的電阻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬套管井中油層剩余油飽和度評(píng)價(jià)。國際上幾大測井服務(wù)公司在上世紀(jì)末先后基于該思想開發(fā)出各自的過套管電阻率測井儀。過金屬套管電阻率測井在理論上較為簡單，主要是基于傳輸線理論，通過測定通過金屬套管泄漏到鄰近地層中的電流來獲取套管外地層的電阻率。由于微弱的地層電磁信號(hào)會(huì)被巨大的套管信號(hào)屏蔽掉，這給過金屬套管電阻率測井的實(shí)現(xiàn)帶來諸多困難，包括納伏級(jí)微弱信號(hào)的檢測、各種干擾信號(hào)對(duì)微弱有效信號(hào)的影響、后期資料處理和解釋困難等等。上述困難造成現(xiàn)有過金屬套管電阻率測井儀器的使用效果不盡如人意，主要體現(xiàn)在測量誤差較大、地層電阻率有效測量范圍受限、測量效果受地層水礦化度影響嚴(yán)重(在地層水礦化度低于5KPPM的情況下不宣使用)、垂直分辨率和測量精度不理想、水泥環(huán)對(duì)地層電阻率測量結(jié)果的影響較大、測井資料解釋方法不成熟等方面。盡管電法、聲波這兩大類測井技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可是單ー的電法成像或聲波成像還不能很好地實(shí)現(xiàn)過金屬套管的電阻率成像，現(xiàn)有的套管井剰余油評(píng)價(jià)技術(shù)不能滿足測井工程的要求和油田開發(fā)的現(xiàn)實(shí)需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有過金屬套管電阻率測井方法的缺點(diǎn)，提出ー種高空間分辨率的過金屬套管地層電阻率成像測井方法。本發(fā)明主要針對(duì)金屬套管井的地層電阻率測量過程中，金屬套管對(duì)于所發(fā)射和接收電磁信號(hào)的巨大屏蔽作用，提出一種新的套管井電阻率成像測井方法一過金屬套管磁聲電阻率成像測井方法。本發(fā)明測井方法利用布置在井中的磁體在井周地層產(chǎn)生靜磁場，利用井中的聚焦超聲發(fā)射探頭激發(fā)井周地層目標(biāo)區(qū)域按一定頻率的振動(dòng)，在超聲激勵(lì)和已知靜磁場共同作用下產(chǎn)生洛倫茲力，在地層中形成電流場。測量該電流場的電壓信號(hào)，同時(shí)測量超聲回波信號(hào)確定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，進(jìn)ー步重建獲得地層電阻率分布。本發(fā)明方法根據(jù)以下建立的電壓信號(hào)與電阻率的非線性關(guān)系，重建地層的電阻率圖像。重建過程包括五個(gè)步驟I、利用互易定理建立實(shí)際測量過程與假想過程物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系(I)實(shí)際測量過程為在超聲激勵(lì)和靜磁場共同作用聚焦區(qū)中，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為 Ver,靜磁場為_Bez，所述的靜磁場由磁體系統(tǒng)產(chǎn)生，其對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是已知的，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V是通過超聲回波測定的。測量線圈測量到的電壓信號(hào)為U，er和ez分別為圓柱坐標(biāo)系下r和z方向的單位矢量。(2)假想過程為去除超聲激勵(lì)和靜磁場，將實(shí)際測量過程中的測量線圈，改為激勵(lì)線圈，并通入單位電流，設(shè)此時(shí)在聚焦區(qū)的電流密度的小分量為J，聚焦區(qū)很小，則根據(jù)
互易定理有U = / S-Jeljl (VerXBez) ds (I)這里e<i)為直角坐標(biāo)系下小方向的單位矢量。2、根據(jù)測得的電壓重建聚焦區(qū)內(nèi)假想過程的電流密度的小分量；實(shí)際上聚焦區(qū)面積S很小，可以假定聚焦區(qū)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、靜磁場、電流密度均勻，則根據(jù)公式(1)，有J=--(2)
VBS公式(2)中I I表示絕對(duì)值。3、通過控制系統(tǒng)控制超聲探頭陣列，依次在徑向上掃描移動(dòng)所述的聚焦區(qū)的位置，重復(fù)步驟I和步驟2，直到聚焦區(qū)由井外一定深度移動(dòng)到徑向探測深度(圖3中Rmax)的位置，從而獲得掃描路徑內(nèi)假想過程的電流密度小分量分布J。4、對(duì)井中的測井裝置整體縱向上提離，重復(fù)步驟I、步驟2和步驟3，從而獲得縱向提離位置處沿徑向由井外一定深度移動(dòng)到徑向探測深度的掃描路徑內(nèi)的假想過程的電流密度小分量分布J。5、根據(jù)井外地層內(nèi)假想過程的電流密度小分量分布J重建電阻率分布，重建公式為パ急公式中，Blr為線圈中通入I安培角頻率為《的交變電流時(shí)激發(fā)的一次磁場的磁通密度的r分量， = 2 Ji f，f超聲波主頻。本方法的直接激勵(lì)源是磁體和聚焦超聲發(fā)射探頭陣列，間接激勵(lì)源是在地層中產(chǎn)生的等效電流源。直接激勵(lì)信號(hào)是靜磁場和超聲波，這兩種信號(hào)均可以穿過金屬套管進(jìn)入地層。因此，間接激勵(lì)信號(hào)為由目標(biāo)區(qū)域洛倫茲力激發(fā)的等效電流源形成的似穩(wěn)電流場。直接激勵(lì)源位于井中，而間接激勵(lì)源位于井外一定區(qū)域的地層里，即靜磁場和超聲激發(fā)目標(biāo)共同覆蓋的區(qū)域。接收裝置為井中測量線圈，接收信號(hào)為電壓。從成像參數(shù)上看，獲取井外電阻率信息，因此具有電成像測井方法的特點(diǎn)。磁聲電成像測井方法綜合了電成像和聲成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是ー種基于多物理場耦合的成像測井新方法，它不僅能很好地實(shí)現(xiàn)過金屬套管的地層電阻率成像測井，而且在裸眼井、油基泥漿等情況下均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地層的電阻率成像測量，具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明過金屬套管磁聲電阻率成像測井裝置(以下簡稱“所述測井裝置”)主要包括超聲驅(qū)動(dòng)激勵(lì)源、超聲探頭陣列，測量線圈，信號(hào)檢測與處理系統(tǒng)，磁體系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。所述的超聲驅(qū)動(dòng)激勵(lì)源、超聲探頭陣列、信號(hào)檢測處理系統(tǒng)三者依次順序連接，所述的測量線圈和信號(hào)檢測處理系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)和超聲探頭陣列連接。所述的磁體系統(tǒng)由ー對(duì)圓柱形永磁體組成，所述的ー對(duì)永磁體同軸，第一永磁體和第二永磁體之間相隔一段距離，第一永磁體和第二永磁體充磁方向均沿著軸向；所述的超聲探頭陣列置于第一永磁體和第二永磁體之間；超聲探頭陣列的軸線與一對(duì)永磁體的軸線垂直；所述的測量 線圈與超聲探頭陣列同軸，通過控制系統(tǒng)使超聲探頭陣列處于發(fā)射或測量兩種模式。本發(fā)明所述測井裝置的工作過程如下所述的超聲驅(qū)動(dòng)激勵(lì)源發(fā)射脈沖超聲激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)通過超聲驅(qū)動(dòng)電纜發(fā)送至超聲探頭陣列。超聲探頭陣列通過井中液體耦合，發(fā)射聚焦超聲，透過金屬套管，在地層內(nèi)部一定深度的局部區(qū)域中激發(fā)聲輻射力，引起局部聚焦區(qū)處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。磁體系統(tǒng)在聚焦區(qū)處產(chǎn)生靜磁場，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和靜磁場方向垂直。由質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和靜磁場共同作用引起聚焦區(qū)內(nèi)產(chǎn)生洛倫茲力，由于洛倫茲カ的作用，引起聚焦區(qū)電荷分離，產(chǎn)生庫侖電場，在地層內(nèi)產(chǎn)生電流分布。利用測量線圈以非接觸的方式測量電壓信號(hào)，由信號(hào)檢測處理系統(tǒng)記錄電壓信號(hào)。通過控制系統(tǒng)，超聲探頭陣列切換到測量模式，通過超聲回波測量獲得聚焦區(qū)的位置坐標(biāo)以及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，并通過信號(hào)檢測與處理系統(tǒng)記錄。利用測量到的電壓信號(hào)、聚焦區(qū)位置信息、聚焦區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，可以重建獲得電阻率圖像。


圖I本發(fā)明過金屬套管磁聲電阻率成像測井裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明過金屬套管磁聲電阻率成像測井裝置在井中分布示意圖；圖3本發(fā)明過金屬套管磁聲電阻率成像測井裝置在井中測量過程示意圖；圖4本發(fā)明測量線圈和超聲探頭陣列的側(cè)視圖；圖中10超聲驅(qū)動(dòng)激勵(lì)源，20超聲探頭陣列，30控制系統(tǒng)，40磁體系統(tǒng)，50信號(hào)檢測與處理系統(tǒng)，60測量線圏，140由10、20、30、40、50、60組成過金屬套管磁聲電阻率成像測井裝置，70金屬套管，80地層，100井，401和402組成磁體系統(tǒng)40的兩個(gè)同軸永磁體，110聚焦區(qū)，120聚焦區(qū)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，130磁體系統(tǒng)在聚焦區(qū)110處產(chǎn)生的靜磁場，151超聲探頭陣列在地層中第一個(gè)聚焦區(qū)中心距離井軸的徑向距離Rmin，152徑向探測深度。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
進(jìn)ー步說明本發(fā)明。
如圖I所示，本發(fā)明所述測井裝置主要包括超聲驅(qū)動(dòng)激勵(lì)源10，超聲探頭陣列20，控制系統(tǒng)30，磁體系統(tǒng)40，信號(hào)檢測與處理系統(tǒng)50和測量線圈60。磁體系統(tǒng)40由一對(duì)圓柱形永磁體401和402組成。所述的永磁體401和402同軸，所述的ー對(duì)永磁體401和402之間相隔一段距離，所述的ー對(duì)永磁體401和402的充磁方向均沿著軸向。超聲探頭陣列20置于第一永磁體401和第二永磁體402之間，超聲探頭陣列20的軸線與第一永磁體401和第二永磁體402的軸線垂直。超聲探頭陣列20中的超聲探頭垂直指向金屬套管70的管壁，測量線圈60布置在超聲探頭所指向的管壁和超聲探頭陣列20之間，測量線圈60與超聲探頭陣列20同軸。測量線圈60和超聲探頭陣列20的橫截面形狀都是任意的，可以為圓形、橢圓形、正方形等。如圖4所示，超聲探頭陣列20的橫截面的軸向投影落在測量線圈的橫截面的軸向投影范圍內(nèi)。本發(fā)明所述測井裝置在井中分布如圖2所示。超聲探頭陣列20垂直非接觸指向金屬套管70的管壁，金屬套管70和地層80接觸。地層中聲輻射カ聚焦區(qū)110，聚焦區(qū)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度120，磁體系統(tǒng)40在聚焦區(qū)110處產(chǎn)生靜磁場130。
本發(fā)明工作過程如下所述的超聲驅(qū)動(dòng)激勵(lì)源10發(fā)射脈沖超聲激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)通過超聲驅(qū)動(dòng)電纜發(fā)送至超聲探頭陣列20。處于發(fā)射模式的超聲探頭陣列20通過井100中液體耦合，發(fā)射聚焦超聲，聚焦超聲透過金屬套管70，在地層80內(nèi)部一定深度的局部區(qū)域中激發(fā)聲輻射力，引起局部聚焦區(qū)110處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為120。磁體系統(tǒng)40在聚焦區(qū)110處產(chǎn)生靜磁場130，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度120和靜磁場130方向垂直。由質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度120和靜磁場130共同作用引起聚焦區(qū)110內(nèi)產(chǎn)生洛倫茲力，由于洛倫茲カ的作用，引起聚焦區(qū)電荷分離，產(chǎn)生庫侖電場，在地層80內(nèi)產(chǎn)生電流分布。利用測量線圈60以非接觸的方式測量電壓信號(hào)，由信號(hào)檢測處理系統(tǒng)50記錄電壓信號(hào)。通過控制系統(tǒng)30，超聲探頭陣列20切換到測量模式，通過超聲探頭自帶的超聲回波測量裝置測得聚焦區(qū)110的位置坐標(biāo)以及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度120，并通過信號(hào)檢測與處理系統(tǒng)50記錄。利用測量到的電壓信號(hào)、聚焦區(qū)位置信息、聚焦區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度120，可以重建獲得電阻率圖像。利用控制系統(tǒng)30控制超聲探頭陣列20，實(shí)現(xiàn)聚焦區(qū)在徑向，即圖3中的方向I的移動(dòng)，利用所述測井裝置140在井100中的整體縱向，即圖3中的方向2提離，實(shí)現(xiàn)聚焦區(qū)在徑向、縱向的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)過金屬套管的地層電阻率成像。
權(quán)利要求
1.ー種過金屬套管磁聲電阻率成像測井方法，其特征在于所述的測井方法利用布置在井中的磁體在井周地層產(chǎn)生靜磁場，井中的聚焦超聲發(fā)射探頭激發(fā)井周地層目標(biāo)區(qū)域按ー定頻率的振動(dòng)，在超聲激勵(lì)和靜磁場共同作用下產(chǎn)生洛倫茲力，在地層中形成電流場；測量該電流場的電壓信號(hào)，同時(shí)測量超聲回波信號(hào)確定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和位置信息、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，重建出假想過程的電流密度，進(jìn)ー步重建地層的電阻率分布。
2.應(yīng)用權(quán)利要求I所述測井方法的裝置，其特征在于，所述的測井裝置布置在井內(nèi)，包括超聲驅(qū)動(dòng)激勵(lì)源(10 )，超聲探頭陣列(20 )，控制系統(tǒng)(30 )，磁體系統(tǒng)(40 )，信號(hào)檢測與處理系統(tǒng)(50)和測量線圈(60);所述的磁體系統(tǒng)(40)由一對(duì)圓柱形永磁體(401、402)組成，所述的一對(duì)永磁體(401、402)同軸，第一永磁體(401)和第ニ永磁體(402)之間相隔一段距離，第一永磁體(401)和第二永磁體(402)充磁方向均沿著軸向；所述的超聲探頭陣列(20)置于第一永磁體(401)和第二永磁體(402)之間；超聲探頭陣列(20)的軸線與一對(duì)永磁體(401,402)的軸線垂直；所述的超聲探頭陣列(20)中的超聲探頭垂直指向金屬套管(70)的管壁，測量線圈(60)布置在超聲探頭所指向的管壁和超聲探頭陣列(20)之間，測量線圈(60)與超聲探頭陣列(200)同軸；超聲探頭陣列(20)的橫截面軸向投影落在測量線圈(60)橫截面的軸向投影范圍內(nèi)。
全文摘要
一種過金屬套管磁聲電阻率成像測井方法和裝置，利用布置在井中的磁體在井周地層產(chǎn)生靜磁場，超聲探頭陣列向井周地層的一定區(qū)域發(fā)射超聲波。由超聲激勵(lì)和靜磁場共同作用激發(fā)洛倫茲力和交變電壓，在目標(biāo)區(qū)域形成等效電流源，進(jìn)而在井周地層產(chǎn)生電磁場。測量經(jīng)過地層傳播到井中的電壓信號(hào)，以及超聲回波信號(hào)，基于電磁互易定理對(duì)所獲得的信息進(jìn)行處理并求得目標(biāo)區(qū)域的電阻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井周的電阻率圖像重建。應(yīng)用本發(fā)明方法的裝置中，磁體系統(tǒng)、超聲探頭陣列和測量線圈作為井下儀器的一部分置于井筒之中。利用超聲探頭陣列、電子控制技術(shù)及儀器在井筒中的整體縱向提離，實(shí)現(xiàn)超聲聚焦區(qū)在徑向、縱向的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)過金屬套管的地層電阻率成像。
文檔編號(hào)E21B49/00GK102865071SQ201210393678
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者劉國強(qiáng), 劉宇, 李艷紅, 夏慧, 夏正武, 李士強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)院電工研究所