生產(chǎn)井瞬變電磁探測(cè)理論與方法研究.pdf

1、近些年來(lái)，由于石油價(jià)格不斷飄升并持續(xù)高位振蕩，使得能源供需問(wèn)題引起了全世界的普遍關(guān)注。鑒于老油田與正開(kāi)采油田中現(xiàn)有套管井的龐大數(shù)量，開(kāi)展有關(guān)套管外地層電阻率特性識(shí)別技術(shù)的研究具有相當(dāng)重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)，電阻率測(cè)井多采用諧變電磁場(chǎng)，但這種方法存在一些固有缺陷。如感應(yīng)測(cè)井混疊在二次場(chǎng)中的直耦信號(hào)，需要采取多項(xiàng)措施加以消除，從而增加了儀器設(shè)計(jì)的難度與復(fù)雜性。過(guò)套管電阻率測(cè)井中由于電極系與套管壁接觸不良而造成信噪比偏低，使得儀器分辨率不佳、工

2、作效率不高。頻域電磁測(cè)井中由于金屬套管對(duì)電磁波強(qiáng)烈的屏蔽作用，造成接收線圈難以獲取來(lái)自地層的響應(yīng)信號(hào)，限制了該方法在生產(chǎn)井測(cè)井領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用。
　　瞬變電磁法利用階躍波或脈沖電流場(chǎng)源作為激勵(lì)，在一次場(chǎng)的間歇期，測(cè)量響應(yīng)信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律。該方法具有對(duì)電阻率敏感、不存在直接耦合、探測(cè)距離與時(shí)間特性相對(duì)應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因而對(duì)目標(biāo)體的分辨率明顯優(yōu)于頻域電磁法。另外，瞬變電磁信號(hào)中的低頻成分還能夠有效提高信號(hào)對(duì)套管的穿透能力。因而可以較好

3、解決傳統(tǒng)電阻率測(cè)井中的諸多問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于瞬變電磁法的研究成果主要集中于地?zé)崤c地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查、物探與工程勘察等領(lǐng)域。這些應(yīng)用中的發(fā)射裝置通常采用沿地面布設(shè)的大回線框，有效探測(cè)范圍為地下半空間。與此不同，油氣生產(chǎn)井測(cè)井儀器的響應(yīng)受到井眼周圍有效探測(cè)范圍內(nèi)所有地層導(dǎo)電性的綜合影響，因而是全空間地球物理場(chǎng)問(wèn)題。本文針對(duì)油氣生產(chǎn)井的實(shí)際工作環(huán)境與特點(diǎn)，提出了基于瞬變電磁法的生產(chǎn)井電阻率測(cè)井方法。研究了油氣生產(chǎn)井瞬變電磁探測(cè)基礎(chǔ)理論、方法及關(guān)

4、鍵技術(shù)。在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目的支撐下，對(duì)生產(chǎn)井瞬變電磁探測(cè)裝置實(shí)施了室內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)研究。取得的主要研究成果如下：
　　1.電磁波在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，在導(dǎo)電媒質(zhì)的交界面處會(huì)產(chǎn)生傳播效應(yīng)。針對(duì)傳統(tǒng)分析方法缺乏對(duì)其直觀描述這一問(wèn)題，本文深入研究了電磁波在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的傳播效應(yīng)，并給出了其形象化表述，為進(jìn)一步揭示生產(chǎn)井中電磁波的傳播特性提供了理論依據(jù)。采用幾何因子理論、趨膚效應(yīng)幾何因子理論以及電磁波傳播理論，計(jì)算了縱向分層導(dǎo)電介

5、質(zhì)的視電導(dǎo)率曲線。結(jié)果表明，電磁波傳播理論既考慮電磁波的幅度衰減和相位移動(dòng)，又考慮電磁波在媒質(zhì)交界面發(fā)生的反射與折射，因而是分析非均勻介質(zhì)問(wèn)題時(shí)精度最高的一種方法。該方法為油氣生產(chǎn)井中電磁響應(yīng)的理論計(jì)算提供了方法和依據(jù)。
　　2.基于電磁感應(yīng)原理，提出了生產(chǎn)井瞬變電磁電阻率測(cè)井方法，避免了過(guò)套管電阻率儀器由于電極系與套管壁接觸不良，而造成信噪比偏低、分辨率不佳等問(wèn)題。該方法采用非接觸方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)井測(cè)井，以瞬態(tài)信號(hào)作為激勵(lì)源，接收信

6、號(hào)不僅對(duì)電阻率敏感，而且信號(hào)的時(shí)間延遲特性與探測(cè)深度相對(duì)應(yīng)。詳細(xì)分析了井中電偶源的頻域電磁響應(yīng)特征，結(jié)果表明，芯棒內(nèi)的渦流損耗與發(fā)射信號(hào)頻率和芯棒電導(dǎo)率均成正比。只有低頻電磁波甚至超低頻電磁波才能有效穿透套管進(jìn)入地層。為使電磁波信號(hào)穿透套管進(jìn)入地層，應(yīng)根據(jù)套管厚度，及時(shí)調(diào)整發(fā)射信號(hào)頻率。這些結(jié)論為進(jìn)一步研究生產(chǎn)井瞬變電磁響應(yīng)特征奠定了良好基礎(chǔ)。
　　3.針對(duì)典型油氣生產(chǎn)井的實(shí)際工作環(huán)境與特點(diǎn)，建立了生產(chǎn)井瞬變電磁測(cè)井計(jì)算模型。目前

7、，國(guó)內(nèi)外有關(guān)生產(chǎn)井瞬變電磁法數(shù)值模擬方面的報(bào)道仍接近空白。為此，本文推導(dǎo)了包含井液、套管、水泥環(huán)和地層的徑向非均勻介質(zhì)中，瞬態(tài)磁偶源的時(shí)域電磁響應(yīng)表達(dá)式，研究了各介質(zhì)層的瞬變電磁響應(yīng)特征。結(jié)果表明，在套管厚度變化端點(diǎn)處，瞬變電磁響應(yīng)存在明顯異常，由此可以識(shí)別套管接箍與套管厚度變化。套管內(nèi)徑越小，瞬變電磁響應(yīng)幅度越高，衰減時(shí)間越長(zhǎng)。套管相對(duì)磁導(dǎo)率的瞬變電磁響應(yīng)特征與此正好相反。對(duì)于低導(dǎo)地層，低阻水泥環(huán)會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差；而對(duì)高導(dǎo)地層，水

8、泥環(huán)厚度的影響則可忽略不計(jì)。井中瞬變電磁響應(yīng)信號(hào)幅度比過(guò)套管電阻率儀器的nV級(jí)信號(hào)高出3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。從而為井中瞬變電磁探測(cè)裝置參數(shù)設(shè)計(jì)及測(cè)井信號(hào)解釋提供了理論依據(jù)。
　　4.根據(jù)理論研究結(jié)果，構(gòu)建了井中瞬變電磁探測(cè)裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了仿真研究，確定了井中探測(cè)裝置發(fā)射參數(shù)設(shè)計(jì)原則，并給出了取值范圍。明確了生產(chǎn)井中最佳觀測(cè)裝置形式與發(fā)射信號(hào)波形。理論分析了發(fā)射線圈導(dǎo)線、發(fā)射線圈匝數(shù)以及發(fā)射電流幅度對(duì)激勵(lì)信號(hào)關(guān)斷時(shí)間的影響

9、。通過(guò)對(duì)接收線圈等效電路的理論分析，詳細(xì)討論了斜階躍波激勵(lì)下接收線圈上全程感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的過(guò)渡過(guò)程。為縮短線圈的固有過(guò)渡過(guò)程，確定應(yīng)采用接入匹配電阻并增大阻尼系數(shù)的方法，使接收線圈工作于臨界阻尼狀態(tài)。給出了匹配電阻和接收線圈分布電容的估算方法。為井中瞬變電磁探測(cè)裝置參數(shù)研究與井下實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　5.研制了生產(chǎn)井瞬變電磁探測(cè)裝置原理樣機(jī)，開(kāi)展了大量室內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)研究。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法對(duì)金屬套管外不同電導(dǎo)率介質(zhì)具有較好的探測(cè)效

10、果。人工異常體探測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，探測(cè)裝置對(duì)套管外不同人工異常體的響應(yīng)存在明顯差異，表明該裝置能夠有效探測(cè)低阻異常體。室內(nèi)水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)套管外液體電導(dǎo)率改變時(shí)，響應(yīng)信號(hào)具有較強(qiáng)的判斷能力。通過(guò)模擬井實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)比研究了生產(chǎn)井瞬變電磁探測(cè)裝置對(duì)套管外介質(zhì)的探測(cè)性能。通過(guò)理論建模、數(shù)值模擬以及室內(nèi)、外探測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了瞬變電磁法線圈參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性以及正演模型與計(jì)算方法的正確性。
　　本文的研究成果為瞬變電磁法在我國(guó)油氣生產(chǎn)井資源勘探