感应测井.ppt

感应测井,1、掌握感应测井原理；2、掌握描述感应线圈系探测特性的横向及纵向 几何因子的含义；3、掌握感应测井曲线的特点及应用。,感应测井的引入,前面的介绍普通电阻率测井和侧向测井都是直流电测井。都有一个供电电极将直流电流导入地层，然后用一个测量电极（可以是供电电极本身，如侧向测井）测出井内某点的电位。这种直流电测井只有在井内有导电钻井液时才能使用。如果井内是油基钻井液、空气或者没有钻井液时，将不能使用，为解决这一问题,教学内容,感应测井的基本原理感应测井的探测特性感应测井的复合线圈系感应测井的刻度原理感应测井视电导率曲线的校正感应测井的应用 阵列感应测井,第一节 感应测井基本原理,基本原理概述：感应测井根据电磁感应机理，即利用交流电的互感原理测量地层的导电性（电导率），进而研究井剖面地层的岩性和油、气、水层。下面就介绍地层电导率是如何求取的。,设在无限均匀介质中有圆柱面坐标系rz，Z轴为井轴。设井轴上有发射线圈T，其上方有一接收线圈R，用来接收电磁感应产生的感应信号。T和R组成一个双线圈系，是感应测井的基本组成部分。设线圈系的轴与井轴一致，T和R中点之间的距离称为线圈距，用L表示，其中心点与坐标原点重合。,一、感应测井原理的解释,Z,设发射线圈T通以固定频率（20kHz）和固定幅度的正弦交流电，它将在周围介质中形成一个交变电磁场。,线圈周围的介质可以看成是无数个截面积为drdz，半径为r的圆环组成，这个圆环称为单元环，这种单元环是种闭合线圈。,Z,Z,这些闭合线圈在发射线圈交变电磁场的作用下产生感应电动势和感应电流。感应电流称为涡流，也是交变的，大小与单元环电导有关即与地层的电导率有关。单元环中感应电流产生的交变磁场将在接收线圈中产生感应电动势。,dH,空间全部但圆环在接收线圈中产生的总感应电动势称为感应测井的有用信号，大小与地层的电导率有关。接收线圈与发射线圈直接耦合产生的电动势与地层电导率无关，称为无用信号。,Z,dH,感应测井的设计就是要尽可能压制无用信号，提高有用信号的比例。通过测量有用信号来达到测量地层电导率的目的。下面就来推导这种地层的电导率。,Z,dH,为了求出地层的是电导率，分三步：第一步：求出发射线圈在地层（即单元环）中产生的感应电动势 和感应电流；第二步：求出地层（即所有单元环）在接收线圈中产生的感应电动势；第三步：求出地层的电导率。,第一步：求取单元环的感应电动势和感应电流,要求取感应电动势或感应电流,单元环的磁通量,单元环的磁场强度,发射线圈的磁偶极距,1、发射线圈通以正弦交流电I，有：I0是常数；i是虚数单位；是交流电的交频率；f是交流电源的频率。,2、单元环的感应电动势根据电磁感应原理，单元环的感应电动势V为 为通过单元环的磁通量。下面就来求单元环的磁通量。,3、单元环磁通量的求取磁通量是表征磁场分布情况的物理量。设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个面积为S且与磁场方向垂直的平面，磁感应强度B与面积S的乘积，叫做穿过这个平面的磁通量，简称磁通。以发射线圈T为球心，做通过半径为r的单元环的部分球面，那么通过该部分球面的磁通就是通过单元环的磁通。,设T在单元环部分球面法线方向（矢径方向）产生的磁场强度为H。而单元环部分球面上单位面积元为dS。则dS为,则通过单元环的磁通量为为矢径方向与M方向的夹角；由于磁感应强度B与磁场强度之比为，于是,为地层的磁导率。下面就求取该磁场强度，而磁场强度与磁偶极距有关，因此先求磁偶极距。,磁偶极距M等于发射线圈的面积S0乘以电流I即：M=S0I假设发射线圈有nT匝，则磁偶极距为 M=nTS0I磁偶极距的方向与井轴方向一致。,4、磁偶极距,5、磁场强度,磁偶极距在面积元drdz中心产生的磁场强度在矢径方向的分量是为矢径方向与M方向的夹角。,于是,MT为发射线圈和单元环的互感。,于是，发射线圈在单元环中产生的感应电动势为:,设地层的电导率为，则单元环的电导G为：于是，单元环的感应电流（涡流）为,第二步：求取地层在接收线圈中产生的感应电动势,单元环在接收线圈处产生的磁场强度,单元环在接收线圈处产生的磁通量,单元环在接收线圈处产生的感应电动势,1、单元环在接收线圈处产生的磁场强度,单元环中的感应电流（涡流）在空间产生电磁场。根据毕-沙定理，单元环上线元dl在接收线圈处产生的磁场强度为,dH,Z,dH在Z轴和R组成的平面上，且垂直于R。,当dl沿单元环移动时，dH与Z轴的夹角不变，则整个单元环在R处产生磁场强度在Z轴的分量为,dH,Z,dH,Z,由于：,、单元环在接收线圈处产生的磁通量,设接收线圈的匝数为nR，面积为S0，则单元环在接收线圈处产生的磁通量为,MR为接收线圈与单元环的互感(发生在两个相邻靠近电路之间的电磁感应现象)，它与发射线圈与单元环的互感表达式相似。,3、单元环在接收线圈处产生的感应电动势,与前面类似，单元环在接收线圈中产生的感应电动势为：,设,就是感应测井的仪器常数。,定义半径为r，距原点为z，截面积为drdz的单元环微分几何因子g为：,gdrdz称为单元环的几何因子。,这样一个截面积为drdz单元环在接收线圈中产生的有用信号为：由于地层由无数个这样的单元环组成，这样这个地层在单元环中产生的感应电动势为,上述公式成立的前提是地层的电导率无限均匀，此时均匀介质的有用信号与其电导率成正比。,第三步：地层视电导率的求取,在实际测井条件下，地层是非均匀介质，但我们仍按上式计算得到的电导率称为视电导率,用于感应测井记录视电导率,用于研究总的视电导率与井眼周围各部分介质视电导率的关系,设仪器周围的介质分别为井眼、侵入带、原状地层、围岩几部分，各部分几何因子分别为Gm、Gi、Gt、Gs，电导率分别为m、i、t、s。,这表明：感应测井的视电导率是仪器周围各部分介质电阻并联的结果，在数值上等于各部分介质电导率的加权平均值，几何因子就是加权系数。因此，感应测井用于淡水泥浆、高侵、电阻率中到低的地层比较好，因为此时m、i 对a的贡献小，t的贡献大。,可见：截面积为drdz单元环几何因子gdrdz是它的有用信号占整个均匀介质有用信号的百分数。对非均匀介质，gdrdz则是其对a相对贡献大小。电导率的单位是s/m（西门子每米），1S=1/1。,以上就是感应测井的原理，归纳如下,线圈系周围的介质是由无数个截面积drdz、半径不同、中心在井轴上的单元环组成；发射线圈在每个单元环中引起涡流，这些涡流又在接收线圈中产生感应电动势（有用信号）；认为这些单元环是独立存在的，这些电磁感应过程是互不影响，并且接收线圈总的有用信号是这些单元环独立产生的有用信号之和；单元环的几何因子gdrdz是单元环和线圈系的尺寸及其相对位置函数，它决定该单元环对总有用信号或视电导率贡献的大小；测量的视电导率是仪器周围各部分电导率与其几何因子乘积之和。,二、无用信号及与有用信号关系,1、发射线圈在接收线圈出产生的磁场强度2、在接收线圈中产生的磁通量,MTR是接收线圈与发射线圈的互感。,3、发射线圈在接收线圈中产生的感应电动势：因为上式没有任何与地层性质有关的参数，故该感应电动势为无用信号。感应测井时，为了测量有用信号，必须尽可能压制和消除无用信号。,如果去L=1m，=4104rad/s（感应测井常用频率20kHz），=410-7H/m，得：,磁导率的单位H/m（亨利每米）。角频率的单位是rad/s(弧度每秒)。,压制或消除无用信号的方法：,方法一：改善线圈系设计，使总的无用信号减至最低；方法二：在电子线路中设置相敏检波器来压制无用信号,第二节 感应测井探测特性,横向探测特性（双线圈系）纵向探测特性（双线圈系）感应测井的复合线圈系,一、横向探测特性（横向几何因子）,将半径为r，面积为drdz的单元环微分几何因子g对z求积分，就得到半径为r，壁厚为dr的圆筒形介质的横向微分几何因子，记作gr,1、横向微分几何因子,第一类完全椭圆积分,第二类完全椭圆几分,表示横向微分几何因子与线圈距的乘积Lgr随的变化曲线，即是双线圈系的横向微分几何因子。当电导率不随z变化时，表示为因此，上图可表示一个半径为r、厚度为dr的无限长空心圆柱形介质对视电导率的相对贡献。,从图中可以看出：当较小时，gr几乎直线上升；当=0.45时，曲线到达最大值，然后下降，直至相当大时曲线趋于0。表明=0.45附近的介质对双线圈系的影响结果最大，也就是说要增加双线圈系感应测井的探测深度(r)，就需要增加线圈距L。,将横向微分几何因子gr对r，可得出半径为r的无限长圆柱体介质的几何因子，就得出横向积分几何因子。,2、横向积分几何因子,可见：Gr是随r单调递增的函数；当r=0时，Gr=0;当r，Gr=1，即全空间几何因子为1。,横向积分几何因子Gr表示半径为r的无限长圆柱体介质对测量结果的相对贡献。如，r=0.5L时，Gr=0.225，则表示，r=0.5L的无限长圆柱体对测量结果的相对贡献为22.5%，圆柱体外全部介质相对贡献为77.5%。通常用Gr=0.5的圆柱体半径作为线圈系的探测半径（探测深度）。,二、纵向探测特性（纵向几何因子）,将纵坐标为z，半径为r，面积为drdz的单元环微分几何因子g对r求积分，就得到纵坐标为z，厚度为dz的水平层状介质的纵向微分几何因子，记作gz,1、纵向微分几何因子,当不随r变化时，视电导率表示为可见，纵坐标为z，厚度为dz无限延伸的水平层状介质对测量结果的相对贡献为gzdz。,=z/L,该图说明：在双线圈系附近的那部分水平层状介质对测量结果的贡献最大，而其上、下两侧的水平层状介质，其相对贡献按1/z2的规律迅速减小。因此，纵向微分几何因子决定线圈系的纵向分辨能力（分层能力）和围岩影响的大小。,一个好的线圈系的gz曲线，其峰应当窄和高，两侧值很接近于零。这就要求减小L，但这一要求刚好与增加探测深度的要求相反。因此，简单的双线圈系结构不符合生产要求，必须设计复合线圈系来改善感应测井的探测特性。,将纵向微分几何因子gz对z积分，就得到厚度为2z的无限延伸的水平层状介质的纵向积分几何因子Gz。,2、纵向积分几何因子,纵向积分几何因子Gz的性质与Gr相似，也是单调递增函数，当z，Gz=1。纵向积分几何因子Gz说明有限厚度地层对测量结果的相对贡献和围岩的影响。例如Gz=0.8，说明地层的相对贡献是80%，围岩的相对贡献是20%,第三节 感应测井复合线圈系,单一双线圈系的无用信号过大，大到为有用信号的几十倍甚至上千倍。纵向和横向探测特性不能满足要求：井眼影响大，探测深度浅，分层能力弱，围岩影响大。,一、复合线圈系提出的原因,复合线圈系也称聚焦线圈系；是由串联在一起的多个发射线圈和串联在一起的多个接收线圈组成。任意一发射线圈与任一接收线圈都可构成一个双线圈系。设有l个发射线圈，m个接收线圈，则可以组成lm个双线圈系。复合线圈总的探测特性就是这些双线圈系探测特性叠加的结果。,二、什么是复合线圈系,设有l个发射线圈，m个接收线圈，分别用符号T0、T1、Tl和R0、R1、Rm表示。其匝数分别为nT0、nT1、nTl和nR0、nR1、nRl。设任意发射线圈j和接收线圈k组成的线圈对的有用信号为VRjk则，复合线圈的有用信号VR是全部线圈对有用信号的和。即,三、复合线圈系的电导率,由前面的公式，第j个发射线圈和第k个接收线圈产生的有用信号按下式计算其对应的视电导率为,则整个线圈系的有用信号线圈对的仪器常数为复合线圈系的仪器常数为,则复合线圈系的视电导率,复合线圈系单元环的微分几何因子,六、复合线圈系的探测特性,1、0.8m六线圈系（我国曾广泛使用）,该线圈系主要参数为：,R3 0.6T1 0.2T2 0.4R2 0.2R1 0.6T3,-7 100-25-25 100-7,横向探测特性,1、2为整个线圈系的横向几何因子；3、4为主线圈对的横向几何因子。,当r0.2m时，gr远比gr00低，而且出现负值；gr的最大值出现在r=0.58m处，而gr00的最大值出现在r=0.36m；因此，采用六线圈系达到了把微分几何因子推向地层深处的目的。,r=0.2m时，Gr=-0.0027，而Gr=0.067。因此，井眼的影响由主线圈对的6.7%下降到几乎为0，达到了降低井眼影响的目的。,当Gr=0.5时，r=1.3m，即六线圈系的横向探测深度为1.3m，当地层侵入不太深，可以探测原状地层的电阻率Rt。,纵向探测特性,1、2为整个线圈系的纵向几何因子；3、4为主线圈对的纵向几何因子。,gz的尖峰和gz00相比，显得更高更窄，这说明六线圈系的分层能力比双线圈系提高了；gz曲线的尖峰变高变窄现象称为“聚焦”想象；在z=1m附近，gz为负值，这种现象称为“过聚焦”。,由于在这一小间隔内gz为负，造成了Gz曲线略有降低，形成了所谓的“耳朵”。gz有两个过零点，分别在z=0.89m和1.05m，的曲线在这两点上出现局部极值。,当目的层厚度达到1.5m时，Gz接近0.8，且出现一段平直线，说明分层厚度约为1.5m，此时围岩的影响为20%。,第四节 感应测井刻度原理,实际仪器在测量之前都需要用统一的标准进行刻度也称为标定。对常规的感应测井，刻度的方法有两种：实体刻度和模拟刻度。通常利用刻度环进行刻度。就是人为造成一个已知的视电导率a值，然后用这个值来刻度仪器。,1、取一个半径为r的金属导线环，称为刻度环。在环内接入一个电阻p，这样一个刻度环相当于一个电导率为,截面积为drdz的相同半径的单元环。令单元环的电导等于刻度环电导：,2、为了造成一个视电导率a值，则有3、可见，为造成给定的视电导率，刻度环内应接入的电阻p的大小为：,把g带入,例如，对0.8m六线圈系，如采用半径为0.3m刻度环，当刻度环位于线圈系中点时，有常取a=200ms/m、100ms/m、50ms/m（Ra分别为5.m、10.m、20.m）三个数值来刻度仪器，根据上式得出刻度环的电阻分别为2.25、4.5、9。,p=0.45/a=0.45Ra,一、感应测井视电导率曲线的计算,为了便于研究视电导率曲线的形态，通常假设空间介质的电导率只与深度z有关，与径向深度r无关，即地层是由无限均匀的水平层状介质组成。,第五节 感应测井视电导率曲线及校正,这样，可以用复合线圈系纵向微分几何因子gz来计算给定地层的视电导率曲线。一般z表示为大地坐标系的坐标，仪器的记录点（主线圈对中点）在给定位置的深度；原点为井口或某一固定点。,z变化，a值变化，故a可表示为z的函数a(z)。为了对每一给定的z值计算出a(z)，还需要一个仪器坐标系，设其纵坐标为，原点在记录点处，此时纵向微分几何因子是的函数gz()。规定向上为正，向下为负。设有一厚度为d 的水平层状介质，它在仪器坐标系中的纵坐标为，而在大地坐标系中的纵坐标为(z-),则其视电导率为(z-)。纵向微分几何因子为gz()，它对视电导率的贡献为,gz()(z-)d,而视电导率是空间全部水平层状介质贡献之和：依次改变z就可以计算出整个地层每个深度点的视电导率曲线。,=gz*,高阻地层的视电导率曲线(1=100ms/m,2=500ms/m),二、感应测井视电导率曲线特点,曲线对称于地层中点，高阻地层为低电导率异常，低阻地层为高电导率异常；地层厚度大于2m以上，可用电导率异常的半幅点确定地层的界面，当地层厚度再小时，地层界面向异常的顶部移动，即半幅点厚度大于地层实际厚度。低电阻率异常的最小值是高阻地层的视电导率代表值，高电阻率异常的最大值是低阻地层的视电导率代表值。但由于围岩的影响，该代表值低于地层真电导率，厚度越小差别越大。,对于有足够厚度的非均质地层，如果感应曲线呈台阶状变化，则应分段取值，分段取值的厚度应大于1.6m。,感应测井曲线,三、感应测井视电导率曲线的校正,一般根据几何因子理论进行井眼校正。由井眼直径的大小，从横向积分几何因子曲线上求得井眼横向积分几何因子。,1、井眼校正,再根据泥浆电导率m,按下式进行井眼校正：,一般Gr很小，只有当m很高时或井眼直径很大时，才做井眼校正。,2、均匀介质的传播效应校正,感应测井是按Doll几何因子理论刻度的，而几何因子理论没有考虑电磁波在地层中传播时的幅度衰减和相位偏移，也就是没有考虑电磁波的传播效应。这一理论对低电导率地层适用，但对高电导率地层则产生较大误差。如对0.8m六线圈系，t=1000s/m的均匀地层，a只有779s/m，误差达22%。、,为什么要做传播效应校正,传播效应校正,为了在均匀介质中考虑传播效应，需要发展均匀介质感应测井传播理论，也就是需要描述电磁场规律的麦克斯韦方程组在均匀介质中的严格解。对于复合线圈系，可以得到几何因子理论电导率a与均匀介质真电导率的关系是,第j个发射线圈与第k个接收线圈间的传播系数,对于双线圈系，可得到,传播效应的影响使a，介质的电导率越高，发射的电磁波频率越高，传播效应系数越大，a 与的差别越大，几何因子理论的误差越大。一般只对厚度较大，电导率高的地层做校正。,0.8m六线圈系传播效应校正图板,第六节 感应测井的应用,感应测井的视电导率相当于井眼、侵入带、原状地层、围岩几部分电阻并联的结果，显然电导率高的部分对测量结果贡献较大；因此适用条件是：淡水泥浆、砂泥岩剖面、储集层为中低阻（通常小于20.m）、中厚层（一般大于2m)。,一、应用感应测井的条件,二、感应测井的应用,这套电阻率组合测井包括深感应ILD、中感应ILM和浅聚焦测井（八测向LL8/FL或球形聚焦测井SFL)。可探测地层深、中、浅三种电阻率也即探测原状地层、侵入带和冲洗带电阻率；作用是定性判断油、气、水层，特别是存在低阻环带的油气层。,1、双感应-聚焦测井,如感应测井与声速测井组合。可以计算地层的孔隙度、含水和含油气饱和度。,2、感应测井与孔隙度测井组合,3、定性判断油气水层4、油田地质研究中油层对比、油层非均质性研究中，感应测井优于侧向测井和普通电阻率测井，因为其界面清楚，层内非均质性显示明显，与自然电位曲线对应较好。,应用双感应-聚焦组合测井。聚焦测井纵向聚焦，电极距很短，对充满低电阻率的垂直裂缝反应灵敏，而感应测井几乎不受影响。这样RLLs明显小于RILM或RILD。如果一个地层，RILM明显低于RLLs和RILD，则说明该地层存在由泥浆侵入引起的低阻环带。,5、划分裂缝或有低阻环带的油气层,