三维频率域随钻电磁波测井数值模拟

在现有的普通计算机的内存和运算速度的条件下,三维频率域电磁波测井数值模拟非常困难,为了研究随钻仪器在复杂测井环境中的响应规律,从Maxwell电磁响应方程出发,针对大斜度井井眼和侵入剖面的几何特点,采用新的网格划分方法,并应用基于交错网格的有限差分得到了三维频率域电磁响应差分计算格式,采用改进的ICCG（不完全乔尔斯基共轭梯度）方法,对一维变带宽存储的大型复稀疏矩阵进行了求解,得到了随钻电磁波测井响应.计算结果表明：一维变带宽存储方法很好地解决了大型稀疏矩阵的存储问题;改进的ICCG方法得到的结果真实可靠并大大提高了求解效率;随钻电阻率曲线随着井斜角度增大会出现“极化角”,低阻侵入会使“极化角”弱化;相位电阻率曲线受围岩影响较小,受侵入影响较大.     

随钻核磁共振测井的地层界面响应特征

随钻核磁共振测井的地层界面响应特征对地质导向和原状地层评价具有重要意义,但钻井轨迹的复杂性决定其响应特征是多重因素综合作用的结果,且较难直接给出统一显式表达式.本文根据仪器在地层内的运动特征,建立了基于敏感区域体积元的随钻核磁共振测井响应方程和离散化计算方法;通过正演、反演结合的数值模拟,研究了单、双界面水平层状地层中,不同井斜角度、天线长度和目标地层厚度等条件下的随钻核磁共振测井响应特征,对关键结果给出了成立条件和定量关系.随钻核磁共振测井在斜井段中的T2分布和孔隙度响应与直井中差异明显;井斜角越大,视地层厚度越大,地层界面在T2分布和孔隙度曲线上的过渡段越长,T2分布过渡起始位置已不能确定界面深度;仪器的最高纵向分辨率与天线长度、井眼条件和仪器参数有关;受围岩作用影响,较薄目的层的测井响应特征上可能出现异常"夹层".基于分析结果,对随钻核磁共振测井资料解释提出了建议.     

三维随钻反射声波成像测井的数值模拟

采用有限差分方法对基于圆弧片状声源和接收器的三维随钻反射声波成像测井进行模拟, 研究了反射信号的幅度、相位等参数随方位和源距的变化规律, 着重分析了利用该方法在水平井中对地层界面进行探测的可行性.研究结果表明, 钻铤的存在使得圆弧片状声源能够向固定方位辐射声场, 其主瓣三分贝角宽窄, 旁瓣级低, 向目的方位辐射的纵波场的幅度约为传统环状声源的0.6倍, 适用于三维随钻反射声波成像测井;对于本文计算的井孔模型, 反射波信号约为井孔导波信号的1/100;随着源距的增加, 反射纵波幅度逐渐减小, 转换波(P-SV、SV-P)的幅度先增加后减小, 反射SV波的幅度增加, 建议在实际应用中, 选择合适源距的波形进行处理, 并对其他非目的波动进行压制, 以期获得更好的成像效果.本文模拟了在水平井中对地层上下界面进行探测的例子, 结果显示, 反射波纵波信号有较好的方位分辨率, 能够准确获得井外波阻抗不连续界面的方位, 而且对上、下界面的成像互不影响.     

随钻方位电磁波地层参数响应敏感性分析

随钻方位电磁波仪器往往采用倾斜或水平天线,使测量结果具备方位特性以满足地质导向需求.不同的天线组合可以测量不同的电磁场分量,不同电磁场分量对地层参数的敏感性不同.通过数学建模,模拟不同电磁场分量对地层界面方位、相对井斜角、电阻率各向异性等地层参数响应的敏感性.模拟结果表明:在可测量的九个电磁场分量中,电磁场分量xx、xy、xz、yx、yy、yz、zx、zy都能准确反应地层界面方位,其中分量xx、xy、yy、yx的层界面方位响应周期为π,xz、yz、zx、zy层界面响应周期为2π;九个分量对电阻率各向异性都有一定敏感性,不同分量在不同相对井斜角条件下的敏感性不同;交叉耦合分量xz、yz、zx、zy在大斜度井水平井中相对井斜角有很好的响应敏感性.模拟分析方位天线对地层参数的响应敏感性可以为方位电磁波仪器设计和资料解释提供理论依据.     

含洞穴地层随钻电阻率测井响应自适应hp有限元数值模拟(英文)

含洞穴的碳酸盐岩地层具有强烈的非均质性及储集空间预测难度大的特点,利用随钻电阻率测井方法对井眼环境含洞穴的储层进行准确识别和划分,是当前研究的一个焦点问题。本文使用一种新型的高效和高精度自适应有限元方法(hp—FEM)模拟和分析了含洞穴地层随钻电阻率测井仪器响应。本文所提的hp-FEM与传统h-FEM相比,其结果具有网格自适应的特点,并且计算能够以指数速率收敛于较高的精度。数值实例使用自适应有限元方法研究地层中洞穴的大小、洞穴距离井眼的远近和仪器发射频率改变对测井响应的影响,并提供了识别含洞穴地层的方法。研究结果可以为实际测井中遇到的各种地层洞穴的准确识别和定量评价提供理论依据。     

含环状天线槽正交方位随钻电磁波测井仪器三维有限体积法数值模拟

针对由多环状天线槽构成的方位随钻电磁波测井仪器真实结构,基于柱坐标系下耦合势Helmholtz方程和三维有限体积法研究建立一套相应的三维电磁响应数值模拟算法.首先,采用柱坐标系下三维不规则Yee氏交错网格对计算区域进行剖分,保证了钻铤表面附近的剖分网格与非光滑刻槽钻铤表面同形;并利用电场延拓边界条件逼近钻铤表面的理想电导体边界条件,保证非光滑刻槽钻铤表面耦合势方程离散精度.在此基础上,应用标准均质化技术确定非均质网格的等效电导率和磁导率,并借助三维有限体积法对柱坐标系中耦合势方程以及环状天线槽内的发射天线进行离散,得到一个大型非对称稀疏代数方程,通过PARDISO直接求解器求解离散方程.最后,通过与柱状均匀地层中模式匹配算法所得的数值结果的对比验证该三维算法的有效性,并进一步通过数值结果研究考察金属钻铤和天线槽对方位随钻电磁响应的影响,以及层状TI地层模型中该仪器的响应特征.

     

自适应hp-FEM在随钻电阻率测井仪器响应数值模拟中的应用

随钻电阻率测井仪器响应数值模拟在电法测井仪器研制和资料处理与解释中具有重要的意义.本文利用自适应hp有限元算法(hp-FEM)模拟和分析了地层各向异性以及相对倾斜对仪器接收信号幅值比和相位差的影响,并对仪器响应特性进行了评价;同时,利用HERMES有限元软件包与VC++开发平台相结合,可以对随钻电阻率测井仪器响应数值模拟过程中,仪器产生的感应电场在地层中和地层分界面处的分布进行显示,从而为钻井地质导向提供有效的信息.计算结果表明,自适应hp-FEM算法收敛速度快且计算精度高,非常适合于对随钻电阻率测井仪器响应进行数值模拟计算.     

自适应hp-FEM在随钻电阻率测井仪器响应数值模拟中的应用

随钻电阻率测井仪器响应数值模拟在电法测井仪器研制和资料处理与解释中具有重要的意义.本文利用自适应hp有限元算法(hp-FEM)模拟和分析了地层各向异性以及相对倾斜对仪器接收信号幅值比和相位差的影响,并对仪器响应特性进行了评价;同时,利用HERMES有限元软件包与VC++开发平台相结合,可以对随钻电阻率测井仪器响应数值模...     

各向异性地层随钻方位电磁波测井探测特性分析（英文）

随钻方位电磁波测井仪器已广泛应用于大斜度井/水平井钻井,但地层各向异性使得地质导向及储层评价更为困难。为定量分析地层各向异性对随钻方位电磁波测井响应及资料处理影响,本文借助正反演技术,详细考察了测井响应对各向异性的敏感性及测井数据反演精度。首先,定义了敏感因子,定量分析了不同磁场分量、合成信号对各向异性的敏感性;然后,模拟了层状各向异性地层中的随钻方位电磁波测井仪器响应,对比分析了对称设计和非对称设计仪器的响应特征及对地层参数的敏感性;最后,探讨了反演模型的选取对各向异性地层界面反演精度的影响。数值模拟及反演结果表明:随钻方位电磁波测井响应受各向异性影响严重,通过对称补偿设计可降低地质信号对各向异性的敏感性,进而增强对地层界面的探测能力;各向异性地层中,视电阻率曲线出现分离及"犄角"等现象,界面附近方位信号则可能出现复杂非线性变化;反演中若不考虑各向异性的影响,难以获取准确的地层界面和电阻率信息,进而可能导致地质导向决策的失误。     

随钻方位电磁波测井多参数快速反演

大斜度井/水平井随钻测井技术已被广泛的应用于各种复杂油气藏中,但传统随钻电磁波测井仅提供仪器轴向磁场分量,井斜和各向异性对测井响应影响耦合在一起,难以剥离,无法基于反演同时获取多个参数,进行相应的地层评价,且不能提供方位信息,难以实现地质导向功能.随钻方位电磁波测井在提供仪器轴向磁场分量的基础上,还提供了仪器横向磁场分量,其提取的地质导向信号,对地层界面非常敏感,受井斜、地层电阻率对比度和各向异性影响弱,可以反演得到准确的界面位置.此外,额外的磁场分量信息,有效降低了井斜与各向异性的耦合程度,可基于反演算法实现多参数联合反演,满足电阻率测井精细解释评价需求.

     

裂缝性地层方位侧向测井响应数值模拟

为研究井周裂缝发育特征,本文提出一种新型方位侧向测井方法,利用三维有限元法,模拟裂缝的方位侧向测井响应.结果显示,深浅侧向电阻率幅度差异受裂缝倾角的控制,低角度缝为负差异,高角度缝为正差异;倾斜裂缝张开度的增大使测井响应值减小,方位电阻率差异增大;井周方位电阻率可反映裂缝方位产状,单一缝或裂缝密度较小时,沿裂缝走向的方位电阻率小,沿裂缝倾向的方位电阻率大;裂缝发育地层的测井响应显示宏观各向异性特征,但方位电阻率的差异显示发生反转现象,即沿裂缝走向/层理方向的方位电阻率大,沿裂缝倾向/垂直层理方向的方位电阻率小;对方位电阻率测井响应进行井周成像,直观显示了裂缝的产状和发育特征.

     

随钻方位电磁波测井响应快速正演方法与地质导向应用

随钻方位电磁波测井解析快速正演是实现仪器响应特征分析、结构优化设计以及地层参数精确反演的基础.本文基于赫兹势函数法求解水平层状各向异性介质中的电磁场, 通过引入地层界面位置, 改造解势函数中的指数增大项, 提取溢出因子, 消除了势函数系数递推法中的数值溢出, 实现了频率-波数域电磁场收敛计算.将算法应用于新型随钻方位电磁波测井技术, 分析自主研发的Directional Wave Propagation Resistivity (DWPR)仪器原始响应信号特征, 提取地质信号、电阻率信号.结果表明: DWPR新型仪器结构对地层界面及电阻率敏感, 可提供准确的实时地质导向信息; 水槽实验和实际地质导向应用结果进一步验证了本文算法的实用性和高效性.

     

缝洞型储层随钻测井自适应有限元法数值模拟

缝洞型碳酸盐岩储层具有强烈的非均质性及储集空间预测难度大的特点,利用随钻电阻率测井方法对缝洞进行准确识别和划分,是当前研究的热点问题.利用一种先进的高精度自适应有限元方法和几何精确的曲边单元造型技术可以模拟缝洞型储层的随钻测井响应.本文通过研究仪器在不同半径缝洞的模拟测井响应及缝洞填充与坍塌导致的机械填充对测井结果的影响,给出了用于识别缝洞大小和填充程度的缝洞型储层的测井响应特征.研究结果为缝洞型碳酸盐岩储层的识别与划分提供了理论依据.     

水平井随钻电磁波测井与双侧向测井响应差异及其解释应用（英文）

大斜度井/水平井中,随钻电磁波电阻率测井与双侧向测井由于测量原理不同,引起的测井响应特征有着较大差别。首先依据积分方程法模拟了随钻电磁波电阻率测井在大斜度井/水平井中的测井响应特征,采用三维有限元素法模拟了双侧向测井在大斜度井/水平井中的测井响应特征,然后对比分析了二者在水平地层中的测井响应差异和产生的原因。结果表明,水平井中随钻电磁波电阻率测井和双侧向测井响应差异的主要影响因素有:不同井斜角、地层各向异性、地层界面以及泥浆侵入等。随着相对井斜角的增大,随钻电磁波电阻率测井在地层界面处的测井响应异常大,而双侧向测井在地层界面附近受围岩影响逐渐变得平滑;随着相对井斜角的增加,各向异性的影响逐渐增大,但各向异性对双侧向测井的影响程度要小于对随钻电磁波电阻率的影响。这些差异如不能正确认识将导致水平井解释过程中出现偏差。最后根据实际资料,分析如何这些差异进行水平井测井解释。     

层状各向异性地层中含环状天线槽随钻方位电磁波测井几何因子算法

本文基于感应测井中的几何因子与一阶Born近似理论,通过柱坐标系下耦合势Helmholtz方程三维有限体积法研究建立了各向异性地层中含环状天线槽的随钻方位电磁波测井几何因子.首先,通过引入环状电流源与径向磁偶极子源电磁场Green函数,并结合Green第二积分公式,推导出随钻方位电磁波测井仪器中环形电场和横向磁场微小变化与各向异性地层中水平和垂直电导率相对摄动量之间的关系,得到轴向和横向感应电动势微小变化量计算方法与柱坐标系中轴向和横向分量空间灵敏度函数（三维几何因子）表达式.在此基础上,进一步给出径向和纵向微分几何因子计算公式.然后,应用耦合势三维有限体积法确定发射线圈产生的感应电磁场以及环状电流源与径向磁偶极子源电磁场Green函数的数值解.最后,给出不同频率、不同倾角、不同各向异性系数等多种情况下该仪器的空间灵敏度函数与微分几何因子的数值结果,用于分析考查仪器的响应特征与空间探测能力.

     

基于随钻电磁波电阻率测井数据的地层电阻率自适应约束反演（英文）

随钻电磁波测井传统电阻率反演方法受反演目标函数约束方式影响,随钻电磁波测井幅度比电阻率曲线及相位差电阻率曲线径向及纵向探测特性存在明显差异,从而影响了随钻电磁波测井数据实际应用效果。本文提出了一种基于随钻电磁波电阻率测井数据的地层电阻率自适应约束反演方法,该方法通过在随钻电磁波测井电阻率反演目标函数中引入一个自适应加权表达式平衡了相位差和幅度比数据的相对贡献,并引入粒子群算法来消除反演精度及收敛性对反演初始值的依赖性。基于多组理论地层模型的随钻电磁波测井电阻率反演结果,详细讨论了文中自适应约束反演电阻率曲线与传统幅度比电阻率曲线及相位差电阻率曲线探测特性的差异。反演结果表明,文中自适应电阻率曲线兼顾了传统幅度比电阻率曲线径向探测深度及相位差电阻率曲线纵向分辨率两方面的优势,在应用于划分纵向薄层及评价径向侵入特征时明显优于单一的幅度比电阻率曲线及相位差电阻率曲线,可为随钻电磁波测井电阻率反演新方法研究提供理论参考。     

定向随钻电磁波电阻率测井仪器地质导向方法初探

随着石油勘探开发需要的转变,随钻测井技术的地质导向功能正受到越来越多的使用.本文利用各向异性水平层状地层中的磁流源并矢Green函数对定向随钻电磁波电阻率测井仪器的地质导向方法进行了研究.利用由接收线圈的电压定义的导向向量对低阻围岩的指向性并结合定向地质导向信号的变化,可以确定仪器与地层界面的相对位置.对定向数据进行方位成像可以得到地层方位和井斜角的相关信息,并且不受地层各向异性的影响.数值模拟结果表明:线圈距越长,仪器的探测范围越远且成像的对比度越大;频率越高,目的层与围岩层的电阻率对比度及井斜角越大时,成像的对比度也越大,但井斜角越大,定向信号发生明显变化的深度区间会越窄.利用单界面模型的定向地质导向信号制作出的交会图版可以使用插值法估计仪器到界面距离.所得结果为定向随钻电磁波电阻率测井仪器的地质导向方法提供了参考.     

水平井感应测井响应影响因素数值模拟分析

地层电阻率是影响油气或煤层气评价的重要参数,水平井中常利用感应测井确定地层电阻率,由于水平井与直井测量环境有较大差异,响应方式势必与直井不同.水平井测井响应的环境影响复杂,不能使用基于几何因子的信号处理,必须通过三维正演数值模拟方法研究响应特征.本文利用基于有限元方法的COMSOL Multiphysics软件对三层对称地层模型中的水平井感应测井响应进行了数值模拟分析.通过分析比较源距为0.3m、0.6m、0.9m、1.2m的四个水平线圈系的响应特征发现,不同源距的线圈系测得的电导率值受仪器位置、上下围岩电导率、目的层厚度和仪器偏心的影响规律不同.数值模拟结果对水平井的解释工作及仪器研发具有指导性意义.     

随钻条件下井旁界面声电效应的辐射电磁波响应特征

孔隙地层中存在着动电耦合现象,弹性波作用在声阻抗或者电化学性质差异地层会产生辐射电磁波.本文探讨了随钻条件下,利用孔隙地层中的动电耦合效应探测井旁地质体的可行性.为此模拟了井外存在声阻抗差异和电化学差异界面时声波诱导的辐射电场响应特征.求出柱坐标下介质中声场和电场函数表达式,由此计算并比较了均匀介质和弹性差异界面情况下井中接收到的电场.发现随钻条件下,井外的弹性差异界面会产生以光速传播的辐射电磁波.该电磁波反映了井外地质信息,并先于井中直达声波的伴随电磁场到达接收器,因而可以直接观测到.此外,还发现界面辐射电磁波可以用来探测油、水等电化学性质差异大而弹性阻抗差异小的界面;声源频率以及界面两侧地层性质差异程度是辐射电磁波幅度的影响因素.     

基于电阻率敏感性函数的随钻电磁波测井探测特性研究

为研究地层电性变化时不同区域对电磁波测井响应的贡献分布,从响应信号对地层参数求偏导的角度,给出一种新的电阻率敏感性函数定义,引入模式匹配法对纵向成层、径向非均匀介质敏感性分布进行快速模拟;通过对敏感性函数纵、横向积分给出了单发双收线圈系纵、横向探测范围,研究了井眼、频率、背景地层电阻率等对探测特性的影响.结果表明：敏感性函数能够定量表征响应对地层纵向与径向微观与宏观敏感性,幅度比与相位差敏感性分布形态类似,幅度比较广较深,而相位差分辨率高,敏感范围小;敏感性函数进行径向积分后可表征仪器的探测深度,与伪几何因子对比达到了同样的效果;背景地层电阻率在1~100 Ωm变化时,工作频率2 MHz下幅度比探测深度约为0.6~2.3 m,相位差为0.3~0.8 m,幅度比50%纵向积分敏感性层厚约为0.3~1.6 m,相位差约为0.2~0.6 m;异常体与背景地层电阻率对比度在1~50变化时,引起的探测深度与敏感性层厚差异约为0.1~0.2 m,远小于地层电阻率的影响.