用磁流源并矢Green函数的递推矩阵方法计算层状各向异性地层中多分量感应测井响应

采用递推矩阵方法计算各向异性介质的磁流源并矢Green函数,并利用上述并矢Green函数对层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井的响应进行数值模拟,分析了线圈距、层厚、倾角和围岩对多分量感应测井响应的影响.计算发现,共面视电导率比共轴视电导率变化规律复杂,不能反映地层电导率的真实情况.各向异性地层共轴视电导率随井眼相对倾角的增加而减小,而共面视电导率随井眼相对倾角的增加而增加.仪器的垂向分辨率、围岩各向异性对目的层响应的影响程度取决于线圈距,围岩各向异性对高电导率目的层中测井响应的影响大于对高电阻率目的层中测井响应的影响.     

倾斜各向异性地层中多分量电磁波测井响应三维时域有限差分(FDTD)算法

利用三维时域有限差分技术（FDTD）研究建立倾斜各向异性地层中多分量电磁测井响应的数值模拟算法.首先,利用Yee氏交错差分格式和线性内插公式对各向异性介质中时域Maxwell方程进行离散化,得到各向异性介质中各个交错节点上电磁场的时域递推公式,同时将面积加权平均与旋转矩阵技术相结合确定各个网格节点的等效电导率张量,此外,单轴各向异性吸收边界条件（UPML）被用于降低求解区域外边界反射.在此基础上,利用单频正弦磁偶源计算时域电磁场空间分布以及特殊的双方程算法（2E2U）从数值结果中快速提取电磁场幅度和相位,确定多分量电磁测井仪器的三维响应.最后,通过数值结果证明该算法的有效性,并系统考察不同层厚、地层倾角以及侵入带半径等变化对多分量电磁测井响应的影响.     

三维各向异性裂缝介质正演模拟的三种交错网格适应性比较及Lebedev方法的改进

研究了三维各向异性裂缝介质的正演模拟的三种不同有限差分法,即标准交错网格（SSG）、旋转交错网格（RSG）和Lebedev方法（LS）,详细对比分析这三种交错网格方法在模拟复杂各向异性介质的优势与局限.提出一种新的改进方法,简化了LS有限差分法在任意各向异性介质中的正演模拟.为了模拟三维大规模复杂各向异性介质的地震响应,提出一个优化的正演模拟计算流程：将模型参数分为模型介质参数和模型构造参数.该计算流程适用于三种有限差分法中的任何一种.使用LS方法实现任意三维各向异性裂缝介质地震响应的三维全波场模拟,通过使用三种不同的有限差分模拟方法进行二维和三维模型数值模拟试验,验证了所提出方法有效.

     

电性各向异性地层频率域电磁响应模拟

在现有计算机内存和运算速度条件下,电性各向异性地层中频率域电磁响应的数值模拟是一个难点. 为探索各向异性介质模型电磁响应的有效算法,同时为进一步研究各向异性地层测量响应的校正方法奠定基础,从Maxwell电磁响应方程出发,使用由三个彼此垂直的发射线圈和三个彼此垂直的接收线圈组成的线圈结构模型,应用交错网格有限差分法推导了三维频率域电磁响应的差分计算格式,采用预条件双共轭梯度法对所形成的复系数矩阵进行了迭代求解,从而得到电性各向异性地层模型下的线圈测量响应. 应用这些方法进行了多种条件下电磁响应的计算,计算结果表明,所形成的计算方法是准确可靠的,预条件双共轭梯度法的运算效率也较高;电性各向异性地层的电磁响应与地层倾角（或井斜角）、仪器测量方位、地层的水平电阻率和垂直电阻率有关;根据水平方向磁场强度分量可以确定地层界面;在电磁响应计算过程中,背景电导率的取值要尽量接近整个计算区域的平均电导率.     

用矢量有限元方法模拟随钻测井仪在倾斜各向异性地层中的电磁响应

用矢量有限元法模拟和分析了电各向异性倾斜沉积岩层的随钻测井电磁响应,为很好地模拟钻铤、井眼和激励线圈等,采用了基于圆柱坐标下的六面体剖分;同时采用了高阶叠层矢量基函数来描述每个剖分单元内的场,有利于减少剖分单元数和未知量.三维有限元程序采用数值模式匹配(当处于简单地层时)以及时域有限差分法计算的结果进行了验证,显示吻合非常好.最后仿真了不同各向异性系数和不同倾角的各向异性地层的随钻电阻率测井响应,有助于对各向异性及地层倾角的校正,以及对储层作出正确评价.     

基于多分量感应测井的地层水平电阻率快速提取方法及应用

获取地层水平电阻率Rb和识别低电阻率对比度薄互层对裂缝性油气藏、页岩油气藏勘探开发至关重要,本文基于层状各向异性介质多分量感应测井响应解析解,研究了不同井斜条件下的磁场交叉分量Hxz、Hzx响应特征,通过组合交叉分量,定义了一种能指示地层层理方向电阻率大小的函数Pha,再建立Pha与地层Rh的对应刻度图版,用于快速提取...     

用于固体矿床多分量感应测井响应模拟的矢量有限元法

本文开发了基于非结构化四面体网格的三维矢量有限元法,实现了固体矿床井眼中多分量感应测井响应的数值模拟,并分析了多分量感应测井仪器在复杂矿床模型中的响应特征.本文通过采用几何因子背景场,有效地避免了源的奇异性问题;同时,在井眼边界采用非均质网格并用Gauss-Legendre积分计算四面体单元的等效电导率.利用LU分解求解线性方程组,实现了一次网格划分多点的数值计算,提高了计算效率,从而实现快速连续的多分量感应测井模拟.非结构化的四面体网格确保了该方法可以模拟实际问题中所能遇到的复杂的矿体模型.基于水平三层分层和径向分层模型,验证了算法在各向同性和各向异性介质中的可靠性.我们还以三个不同的矿床模型为例,研究了多分量感应测井仪的不同分量的探测特性,结果表明,结合九个分量的信息,可以探测矿体的深度,也可以识别矿体的方位和走向,为精确地描述矿体的三维分布特征打下了基础.     

双轴各向异性介质多分量感应测井响应快速计算

为研究双轴各向异性介质多分量感应测井响应特征,本文基于三重傅里叶变换,推导任意方向偶极子源的谱域电磁场解析式;采用围线积分方法,自适应截断积分区间,结合谱域电磁场周期特性,实现三重傅里叶变换的精确快速积分;进而,针对双轴各向异性倾斜地层,模拟研究不同纵横向各向异性条件多分量感应测井响应特征.结果表明：利用谱域内电磁场在周向的周期特性简化解析式,可将计算速度提高4倍;自适应截断积分区间方法保证了计算精度,并极大地减少了积分节点数.对于倾斜双轴各向异性介质,倾角较大时,共面分量可反映地层横向各向异性,同轴分量可反映地层纵向各向异性;倾角较小时,同轴分量可反映地层横向各向异性,共面分量可反映地层纵向各向异性.

     

基于数值模拟的双感应测井裂缝参数定量评价方法

为厘清裂缝性地层双感应测井响应特征,建立裂缝参数评价方法,本文建立了含基岩、裂缝、井眼、双感应测井仪器的裂缝性地层双感应测井正演模型,以Gianzero几何因子理论为基础,结合阿特拉斯公司1503双感应测井仪器开展了高阻背景下低阻裂缝测井响应数值模拟.首先计算了1503双感应测井仪器几何因子,然后根据该几何因子求解不同裂缝开度、裂缝充填流体电导率、基岩电导率条件下双感应测井响应特征,分析了裂缝开度、裂缝充填流体电导率、基岩电导率对双感应测井响应的影响,归纳了裂缝性地层双感应测井响应规律.采用深感应视电阻率及深、中感应视电阻率比值作为横纵坐标,结合裂缝充填流体电阻率绘制了一套双感应裂缝开度评价图版.通过对图版数据进行拟合,建立了裂缝开度评价模型.在采用岩心、成像资料对评价模型刻度以减小几何因子理论计算非均质裂缝产生的误差后该模型可用于求取裂缝参数.最后将该方法应用于镇泾油田致密砂岩裂缝性储层进行裂缝参数定量评价,评价结果与成像测井评价结果吻合较好.     

用模式匹配算法研究层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应

利用数值模式匹配技术,研究并建立层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应的快速数值模拟算法.首先将位于井轴上的三个相互正交磁偶极子转化成关于极角θ的三个谐变分量的叠加,以便将三个正交磁偶极子电磁场的正演问题完全简化成三个谐变分量电磁场的轴对称定解问题,并给出电磁场各个谐变分量在井轴上满足的边界条件,保证电磁场在井轴附近仍然可解.然后利用数值模式匹配技术建立电磁场各个谐变分量的正演过程,得到层状各向异性地层中磁流源并矢Green函数的半解析表达式,给出计算层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应的具体方法,最后通过数值计算结果证明该算法的有效性并考察几种不同情况下多分量感应测井响应特征.     

Two triaxial induction tools: sensitivity to radial invasion profile‡

I study the responses of two different triaxial induction tools to invaded dipping anisotropic formations. I show that the triaxial measurements have generally higher sensitivity to the radial invasion profile, compared to the conventional induction measurements. This enables accurate interpretation of both the anisotropic formation properties and the invasion parameters. Multi‐spacing and single‐spacing multi‐frequency triaxial induction tools can both be used for this purpose. Failure to take the invasion properties into account may lead to misinterpretation of the vertical formation resistivity. Symmetrization of the apparent conductivity matrix opens ways for a visual interpretation of triaxial induction logs for the formation and the invasion zone properties. This technique enables simpler and faster inversion algorithms. I study how the effect of a conductive annulus forming around the invasion zone couples with effects of the dipping anisotropy and the dipping boundaries and show when these effects are additive. Thus, a visual detection of log parts affected by a conductive annulus becomes possible. The key tool for interpretation in complex 3D scenarios is efficient modelling software. I use a 3D finite‐difference modelling approach to simulate responses of induction logging tools of the new generation. Its high efficiency enables simultaneous multi‐spacing and multi‐frequency computing of the tool responses to arbitrary 3D anisotropic formations that made the study possible.     

一维电阻率各向异性对海洋可控源电磁响应的影响研究

地下介质的电阻率常常表现为各向异性, 海底裂隙地层和层状沉积序列可能形成宏观电阻率各向异性.在解释海洋电磁资料时, 电阻率各向异性的影响不应该被忽略, 否则可能会得到错误的海底地电模型.作者编写了电阻率任意各向异性一维层状介质海洋可控源电磁场计算程序, 计算了电阻率各向异性层状模型的海洋可控源电磁响应, 讨论了覆盖层和高阻储层分别具有电阻率各向异性时的电磁场响应特征.     

基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维约束反演

近年来,海洋可控源电磁法（MCSEM）被引入油气勘探领域以降低勘探风险.在海洋环境中,受沉积因素所造成的电阻率各向异性的影响,地电模型往往会非常复杂.为更好地反映地下电性结构,本文实现了基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维反演.其中,正演采用基于Yee氏交错网格的三维有限差分算法,所形成的离散线性系统通过大规模并行矩阵直接求解器（MUMPS）进行求解.反演采用基于不等式约束的有限内存BFGS（L-BFGS）算法.最后,利用VTI各向异性介质合成数据,分别进行了电阻率各向异性覆盖层和电阻率各向异性高阻层的三维反演,结果表明：（1）基于并行直接法的MCSEM非常适用于海洋电磁所特有的多场源问题;（2）针对各向异性覆盖层模型进行三维各向异性约束反演,提高了解的可靠性;（3）针对电阻率各向异性高阻层,Inline和broadside数据覆盖的反演结果对异常体位置有很好的反映.

     

各向异性层状介质中视电阻率与磁场响应研究

针对任意各向异性地层,利用极向型和环向型标量位函数,导出相应的直流电视电阻率和磁电阻率的磁场响应关系.计算了各向异性地层的直流电视电阻率和磁电阻率响应特征,重点分析了电阻率测深方法与磁电阻率探测方法对地下各向异性介质的探测能力.文中采用状态矩阵的分析方法,首先采用极向型和环向型标量位构造了各向异性层状介质电场与磁场的通解,利用各层界面电场、磁场的连续性及地面激励源的耦合条件,推导了不同层之间电磁场的状态矩阵,建立了空间电场与磁场的递归计算关系.其次,针对递归计算中指数项数值计算的不稳定性,借用状态矩阵的性质,导出了将不稳定指数计算项转化为稳定的指数项的转换关系.针对横向各向同性(TI)介质中极向位与环向位解耦的特点,导出了电磁场的直接积分解.最后,采用解析解验证了算法的正确性,给出了多层各向异性地层模型的视电阻率和磁场响应曲线,分析了直流电法探测裂缝性地层、估计裂缝分布性状的可能性.     

基于卷积神经网络和MPGA-LM算法的阵列侧向测井快速反演方法

在大斜度井/水平井环境下,阵列侧向测井受钻井液侵入、地层倾角和各向异性等多种因素影响,导致测井响应复杂,需借助反演手段提取地层真实电阻率.然而,阵列侧向测井三维正演效率低,难以满足测井资料快速反演和油气藏快速评价的需求.为此,本文基于深度学习并联合混合多种群遗传(MPGA)与列文伯格马奎特(LM)算法建立了一种快速反演方法.首先从地层参数敏感性出发,基于严格的三维有限元正演算法,依次确定侵入、各向异性和地层倾角的敏感性大小;其次,引入深度学习和模型可视化技术,实现斜井各向异性地层阵列侧向测井响应的快速正演;最后,基于数据集分解技术和混合MPGA-LM算法,实现斜井各向异性地层电阻率剖面快速精确重构.数值模拟结果表明：斜井各向异性地层中,阵列侧向测井响应对侵入深度敏感性最高,各向异性和地层倾角次之;相较于反向传播神经网络(BPNN),二维卷积神经网络(2D-CNN)能够实现阵列侧向测井响应的快速精确计算,计算一个测井点仅需0.36 ms,精度可达99%左右;基于三层反演模型的MPGA-LM混合算法稳定性强,电阻率参数反演精度高的优点,可用于阵列侧向测井资料的快速处理.

     

Investigation of borehole effects on azimuthal resistivity measurements using novel pseudo-analytic formulas

Downhole resistivity measurements provide valuable information for geosteering and formation evaluation. It is important to understand and correct the environmental effects, such as the borehole, the tool eccentricity and the resistivity anisotropy effects, of the measurements based on fast and accurate modelling methods. A new pseudo-analytic solution for eccentric coaxial and tilted-coil antennas in the cylindrically multilayered medium with transverse isotropic conductivity was developed. This method can take the eccentric tool, the borehole, the mud invasion and the resistivity anisotropy into account. These formulas enable us to simulate the responses of the downhole induction logging tools, including induction wireline and azimuthal propagation logging-while-drilling measurements. Instead of using the prior fictitious boundary, the generalized reflection coefficients are proposed to construct the linear matrix functions to deal with the tool eccentricity. The cylindrical functions are reorganized and presented in forms of ratios. Thus, the proposed formulas obviate the overflow issue in the computation and are more stable and efficient. The proposed approach is compared and validated with other well-established methods. Simulations and case studies show that: (1) the responses of azimuthal resistivity logging-while-drilling tool are affected by the tool's eccentricity in both isotropic and anisotropic medium; (2) sine curve behaviours exist for the phase difference and amplitude ratio of azimuthal resistivity measurements along with different eccentricity azimuth.     

Generalized effective medium resistivity model for low resistivity reservoir

With the advancement in oil exploration,producible oil and gas are being found in low resistivity reservoirs,which may otherwise be erroneously thought as water zones from their resistivity.However,the evaluation of low resistivity reservoirs remains difficult from log interpretation.Since low resistivity in hydrocarbon bearing sands can be caused by dispersed clay,laminated shale,conductive matrix grains,microscopic capillary pores and high saline water,a new resistivity model is required for more accurate hydrocarbon saturation prediction for low resistivity formations.Herein,a generalized effective medium resistivity model has been proposed for low resistivity reservoirs,based on experimental measurements on artificial low resistivity shaly sand samples,symmetrical anisotropic effective medium theory for resistivity interpretations,and geneses and conductance mechanisms of low resistivity reservoirs.By analyzing effects of some factors on the proposed model,we show theoretically the model can describe conductance mechanisms of low resistivity reservoirs with five geneses.Also,shale distribution largely affects water saturation predicted by the model.Resistivity index decreases as fraction and conductivity of laminated shale,or fraction of dispersed clay,or conductivity of rock matrix grains increases.Resistivity index decreases as matrix percolation exponent,or percolation rate of capillary bound water increases,and as percolation exponent of capillary bound water,or matrix percolation rate,or free water percolation rate decreases.Rock sample data from low resistivity reservoirs with different geneses and interpretation results for log data show that the proposed model can be applied in low resistivity reservoirs containing high salinity water,dispersed clay,microscopic capillary pores,laminated shale and conductive matrix grains,and thus is considered as a generalized resistivity model for low resistivity reservoir evaluation.     

层状方位各向异性介质的视电阻率计算

从电性各向异性的欧姆定律出发，推导了直流电法层状方位各向异性介质中的电位分布、边界条件及视电阻率计算公式．以四极对称装置系统为例，对具有相同各向异性系数的4层模型采用核函数递推法作了理论数值模拟，得到了不同方向的电阻率测深曲线及其等值线形态．结果表明理论公式是正确的，测深曲线既反映了分层介质的电阻率差异，又反映了各层中电阻率的各向异性特征．