本發(fā)明涉及石油測(cè)井工程方法領(lǐng)域中的一種針對(duì)裸眼井地層電阻率的瞬態(tài)測(cè)量方法，特別是一種對(duì)不同徑向深度地層電阻率參數(shù)進(jìn)行有效測(cè)量、徑向探測(cè)深度比較深的瞬態(tài)測(cè)井方法。

背景技術(shù)：

在石油勘探和開發(fā)的過程中，為了評(píng)價(jià)地層的含油飽和度，需要對(duì)地層電阻率進(jìn)行有效測(cè)量。目前的現(xiàn)有技術(shù)采用感應(yīng)、雙感應(yīng)、陣列感應(yīng)和雙側(cè)向等方法，其激發(fā)波形分別為正弦波(或者方波)與直流電。其激發(fā)頻率單一，激發(fā)功率比較小，徑向探測(cè)深度有限，原始信號(hào)中攜帶地層電阻率信息的方式單一，記錄過程以正弦波的幅度強(qiáng)弱來表征地層電阻率數(shù)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明專利針對(duì)傳統(tǒng)感應(yīng)測(cè)井技術(shù)中存在的激發(fā)頻率單一、徑向探測(cè)深度淺、原始信號(hào)攜帶地層電阻率信息方式簡(jiǎn)單等問題，提出一種利用瞬變電磁法實(shí)現(xiàn)裸眼井地層電阻率瞬態(tài)測(cè)量方法。

本發(fā)明的總體技術(shù)路線是：發(fā)射信號(hào)采用瞬態(tài)激發(fā)方式，即利用電流突變產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，將各種頻率成分的信號(hào)激發(fā)出來，這些信號(hào)幅度不同，經(jīng)過地層以后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在接收線圈均產(chǎn)生一次場(chǎng)和二次場(chǎng)響應(yīng)波形，這些響應(yīng)按照激發(fā)的幅度疊加以后構(gòu)成呈現(xiàn)指數(shù)衰減的電壓波形。這些瞬態(tài)響應(yīng)波形包含各種頻率成分的一次場(chǎng)和二次場(chǎng)響應(yīng)，在裸眼井里記錄不同源距的瞬態(tài)響應(yīng)波形，可以獲得這些一次場(chǎng)和二次場(chǎng)響應(yīng)信息，然后借助刻度信息，將響應(yīng)中與地層電阻率無關(guān)的一次場(chǎng)響應(yīng)去掉，便可得到直接反應(yīng)地層電阻率的二次場(chǎng)信號(hào)。對(duì)這些二次場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理便可以獲得不同頻率的地層電 阻率。

本發(fā)明的原理是：采用非接觸測(cè)量方法，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，在井中放置激發(fā)線圈，用大電流的突變激發(fā)瞬變電磁場(chǎng)(一次場(chǎng))。大功率管突然關(guān)斷(或開通)瞬間使得發(fā)射線圈的電流隨時(shí)間有一個(gè)突然的變化，這時(shí)在發(fā)射線圈上會(huì)感應(yīng)出很高的電壓脈沖，裸眼井內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電磁感應(yīng)強(qiáng)度。這些瞬變電磁場(chǎng)能夠有效進(jìn)入地層，在地層中激發(fā)出二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(二次場(chǎng))，該二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與地層的電導(dǎo)率有關(guān)，該二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能夠有效地進(jìn)入接收線圈，此時(shí)，接收線圈上感應(yīng)出比較強(qiáng)的感應(yīng)電壓，隨著時(shí)間此響應(yīng)波形指數(shù)衰減。儀器在關(guān)斷或開通時(shí)刻為起始時(shí)刻記錄接收線圈的響應(yīng)電壓波形，通過測(cè)量二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)獲得地層的電阻率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

將感應(yīng)測(cè)井儀器的發(fā)射和接收線圈同軸安置在裸眼井測(cè)試地層中，并且線圈內(nèi)部填充磁性材料；

發(fā)射電源為穩(wěn)定的直流電，發(fā)射線圈通過全橋電路中的大功率管控制，在發(fā)射線圈上產(chǎn)生大功率、低頻率的雙極性矩形波形，在電流斷開和導(dǎo)通瞬間為觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)接收電路，記錄接收線圈上所感應(yīng)的瞬變電壓響應(yīng)波形；

依據(jù)測(cè)井時(shí)對(duì)電阻率測(cè)試范圍需求，將測(cè)試地層接收到的瞬變響應(yīng)波形與一組標(biāo)準(zhǔn)地層的接收信號(hào)進(jìn)行刻度(減法)運(yùn)算，運(yùn)算后僅剩下反應(yīng)測(cè)試地層電阻率差異率的二次場(chǎng)；

從二次場(chǎng)響應(yīng)波形中獲取測(cè)試地層電阻率。

從二次場(chǎng)響應(yīng)波形中獲取測(cè)試地層電阻率的方法包括以下三種，一是：直接將二次場(chǎng)響應(yīng)波形的極大值和極小值取出，用該極大值和極小值作為地層電阻率的指示值，通過理論計(jì)算結(jié)果和模型井實(shí)驗(yàn)，建立該極大值、極小值與地 層電阻率之間的單調(diào)函數(shù)關(guān)系，最終獲得地層電阻率。

二是：直接將二次場(chǎng)響應(yīng)波形的極大值或極小值取出，用該極大值或極小值乘以不同刻度系數(shù)獲取地層電阻率。

三是：將二次場(chǎng)響應(yīng)波形做傅立葉變換得到相應(yīng)的頻譜，取頻譜中幅度譜的各個(gè)極大值，將這些極大值與標(biāo)準(zhǔn)地層電阻率建立單調(diào)函數(shù)關(guān)系，通過乘以不同的刻度系數(shù)獲得不同頻率的地層電阻率；或者對(duì)頻譜的每個(gè)幅度譜乘以相應(yīng)地刻度系數(shù)，獲得連續(xù)的電阻率隨頻率的變化曲線。

上述方案中接收線圈上所感應(yīng)的瞬變電壓響應(yīng)波形獲取方法是：接收線圈通過串聯(lián)電阻方法進(jìn)行模擬信號(hào)的取樣，然后把取樣信號(hào)送入放大器中，在經(jīng)過濾波、AD芯片數(shù)字轉(zhuǎn)化后，由處理器負(fù)責(zé)采集；處理器對(duì)信號(hào)的采集方法是：分別記錄t₁、t₂…t_n測(cè)道時(shí)間對(duì)應(yīng)的不同電壓值ε₁、ε₂…ε_n，測(cè)道時(shí)間點(diǎn)數(shù)n大于10。

上述方案進(jìn)一步包括：大功率管為MOS管，其耐壓值1000V以上、最大電流150A以上，器件導(dǎo)通內(nèi)阻??；處理器采集電路中設(shè)有穩(wěn)壓隔離電路和基準(zhǔn)電源的穩(wěn)壓電路。

本發(fā)明的有益效果是：

利用電磁感應(yīng)原理，用非接觸方式實(shí)現(xiàn)了地層電阻率的有效測(cè)量。用發(fā)射線圈中的電流突變產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)，其頻率成分豐富，接收到的響應(yīng)是瞬態(tài)波形，經(jīng)過傅立葉變換(FFT)以后，能夠獲得不同頻率的響應(yīng)。用刻度的方法將響應(yīng)中的一次場(chǎng)去掉，僅剩下反映地層電阻率的二次場(chǎng)響應(yīng)，該響應(yīng)直接指示不同頻率的電阻率。本方法通過改進(jìn)激發(fā)方式，可以實(shí)施大功率激發(fā)，激發(fā)的頻率成分豐富，其中的低頻成分可以進(jìn)行徑向比較深的地層電阻率測(cè)量，并能夠獲得不同頻率的地層電阻率。這種方案特別適合在裸眼井實(shí)施。

附圖說明

圖1信號(hào)發(fā)射及控制電路原理圖；

圖2接收信號(hào)的采集過程圖；

圖3信號(hào)記錄示意圖；

圖4電阻率刻度過程圖；

附圖標(biāo)號(hào)說明：1—信號(hào)瞬變發(fā)射 2—信號(hào)接收 3—刻度系統(tǒng) 4—二次場(chǎng)信號(hào)極值信息獲取 5—傅立葉變換后求幅度譜極值 6—不同頻率的刻度系數(shù) 7—刻度系數(shù)。

圖5二次場(chǎng)波形變化示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

參見圖4。信號(hào)發(fā)射1產(chǎn)生發(fā)射信息，信號(hào)接收2得到測(cè)試信號(hào)，經(jīng)過刻度系統(tǒng)3，得到一系列的刻度系數(shù)6和7。其中刻度系統(tǒng)又分為傅立葉變化刻度方法5和二次場(chǎng)取極值的刻度方法4。得到刻度系數(shù)后，完成儀器的刻度，可進(jìn)行地層電阻率的測(cè)試。

如圖1所示，發(fā)射電路采用了四個(gè)大功率管，功率管的通斷由控制電路和驅(qū)動(dòng)電路控制，使得發(fā)射線圈的電流進(jìn)行正向和反向流動(dòng)，從而進(jìn)行信號(hào)的正反向發(fā)射。發(fā)射電源采用了直流電，通過開關(guān)單元的閉合和斷開使得發(fā)射線圈有電流通過。開關(guān)單元用大功率管MOS管，器件選型的耐壓值為1000V、最大電流為150A，另外，要求開關(guān)器件導(dǎo)通后的內(nèi)阻非常小?？刂齐娐酚煽刂破魍ㄟ^總線傳遞開通信號(hào)和關(guān)斷信號(hào)，輸入到驅(qū)動(dòng)電路來控制MOS管的開通或斷開。驅(qū)動(dòng)電路考慮了MOS管PN結(jié)電容效應(yīng)的影響，可通過電路設(shè)計(jì)滿足了MOS管PN結(jié)電容快速充電和放電的需求，使得MOS管的開通和關(guān)閉持續(xù)時(shí)間非常短。

如圖2所示，控制總線的通、斷信號(hào)同時(shí)作為接收波形采集電路的觸發(fā)信號(hào)，從開關(guān)單元斷開的瞬間開始采集響應(yīng)波形。電路設(shè)計(jì)中，接收線圈通過串聯(lián)電阻方法進(jìn)行模擬信號(hào)的取樣，然后把取樣信號(hào)送入放大器中，在經(jīng)過濾波、AD芯片數(shù)字轉(zhuǎn)化后，由處理器負(fù)責(zé)采集。采集電路中通過穩(wěn)壓隔離電路和基準(zhǔn)電源的穩(wěn)壓功能使得模擬信號(hào)采集后的失真度較小。

處理器對(duì)信號(hào)的記錄過程如圖3所示。接收信號(hào)的變化規(guī)律是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢(shì)。信息記錄的方法是分別記錄t₁、t₂…t_n等測(cè)道時(shí)間對(duì)應(yīng)的不同電壓值ε₁、ε₂…ε_n。記錄過程，測(cè)道時(shí)間點(diǎn)數(shù)越多越能真實(shí)反映衰減曲線的變化趨勢(shì)，采集過程依據(jù)需求一般是設(shè)為十幾個(gè)采集點(diǎn)。

綜上，總體過程可如下所述。在井中同軸放置發(fā)射線圈1和接收線圈2，對(duì)圖4中的發(fā)射線圈1施加直流電，穩(wěn)定以后，用大功率管(MOS管耐壓值最高可達(dá)1000V、通過的最大電流高達(dá)150A)將該直流電流突然斷開(或開通)，此時(shí)，發(fā)射線圈1在井中激發(fā)出瞬態(tài)電磁場(chǎng)，在接收線圈2感應(yīng)出瞬態(tài)電壓波形，即接收到瞬態(tài)響應(yīng)波形。該瞬態(tài)響應(yīng)波形被記錄后進(jìn)入刻度系統(tǒng)3，刻度過程可分兩部分實(shí)施。

刻度過程需對(duì)一組標(biāo)準(zhǔn)地層測(cè)試，地層的電阻率已標(biāo)定，且各不相同，對(duì)這組地層進(jìn)行測(cè)試得到不同的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，測(cè)試的信號(hào)變化特征都與圖3所示的形狀一致。依據(jù)測(cè)井時(shí)對(duì)電阻率測(cè)試范圍需求，選擇兩組數(shù)據(jù)(V_R1、V_R2)，進(jìn)行減法運(yùn)算，如ΔV＝V_R1-V_R2，可將響應(yīng)中(與地層電阻率無關(guān))的一次場(chǎng)去掉，減法運(yùn)算后僅剩下反應(yīng)地層電阻率差異率的二次場(chǎng)(ΔV)，響應(yīng)波形曲線形狀如圖5所示，這種曲線具有極值點(diǎn)。

刻度方法1：對(duì)二次場(chǎng)響應(yīng)波形(ΔV)做傅立葉變換(FFT)獲得其頻譜，取頻譜中幅度譜的各個(gè)極大值，這些極大值與電阻率的差值(ΔR＝R₁-R₂)建立 關(guān)系，得到不同頻率下的刻度系數(shù)K_ωi。

測(cè)井時(shí)，地層電阻率數(shù)值變化，測(cè)試的信息與刻度過程的V_R2相減，得到新的二次場(chǎng)(ΔV)，再進(jìn)行傅立葉變換，不同頻譜的極大值乘以刻度系數(shù)后便得到不同頻率連續(xù)測(cè)試地層的電阻率值與標(biāo)準(zhǔn)電阻率R₂的差(R₂已知)，也即得到測(cè)試地層的不同頻率的電阻率值；

刻度方法2：對(duì)二次場(chǎng)響應(yīng)波形(ΔV)取極大值或者極小值，將該極大值或者極小值與電阻率的差值(ΔR＝R₁-R₂)建立關(guān)系，得到刻度系數(shù)K。

測(cè)井時(shí)，地層電阻率數(shù)值變化，測(cè)試的信息與刻度過程的V_R2相減，得到新的二次場(chǎng)，乘以刻度系數(shù)K后便得到測(cè)試地層的電阻率與標(biāo)準(zhǔn)電阻率R₂的差(R₂已知)，也即得到測(cè)試地層的電阻率。

實(shí)施例2

感應(yīng)測(cè)井儀器的發(fā)射和接收線圈同軸安裝，并且線圈內(nèi)部填充磁性材料，放置在裸眼井中。

發(fā)射電源為穩(wěn)定的直流電，通過全橋電路中的大功率管控制，在發(fā)射線圈上產(chǎn)生低頻率的雙極性矩形波形，頻率范圍在0.1～100Hz。合理的配置發(fā)射電源的電壓值和發(fā)射線圈電阻值，使得通過的直流電流強(qiáng)度較大，實(shí)現(xiàn)較大功率的發(fā)射。

接收電壓有兩部分組成，一部分是直接耦合的一次場(chǎng)，與地層電阻率無關(guān)，另外一部分是二次場(chǎng)，與地層電阻率直接相關(guān)。通過刻度方法將一次場(chǎng)去掉，僅剩下二次場(chǎng)信號(hào)。二次場(chǎng)提?。喝《螆?chǎng)波形的極大值乘以刻度系數(shù)以后便得到地層的電阻率；或者將二次場(chǎng)做傅立葉變換(FFT)，將其頻譜中幅度的極大值提取出來，分別乘以不同頻譜的刻度系數(shù)得到不同頻率的裸眼井地層電阻率；或者對(duì)每個(gè)頻率的幅度譜乘以相應(yīng)的刻度系數(shù)獲得連續(xù)的地層電阻率隨頻 率的變化曲線。

本發(fā)明的電阻率獲取過程是：

發(fā)射線圈通以直流電，用大功率器件將該直流電突然斷開(或?qū)?，此時(shí)，發(fā)射線圈中的電流也被突然斷開(或?qū)?，其電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)很大，發(fā)射線圈兩端的感應(yīng)電壓很高，向裸眼井和地層發(fā)射瞬態(tài)電磁場(chǎng)，這些瞬態(tài)電磁場(chǎng)包含各種頻率成分，是瞬態(tài)波形。同時(shí)，在接收線圈中感應(yīng)出瞬態(tài)電磁場(chǎng)，即瞬態(tài)波形。這些瞬態(tài)波形也同樣包含各種頻率的響應(yīng)，這些響應(yīng)中，既有與地層電阻率無關(guān)的一次場(chǎng)(直接耦合信號(hào))、又有與地層電阻率有關(guān)的二次場(chǎng)信號(hào)，并且，頻率越高，二次場(chǎng)響應(yīng)越明顯。借助于刻度方法，用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)將一次場(chǎng)信息去掉，只剩下二次場(chǎng)響應(yīng)，二次場(chǎng)響應(yīng)與地層電阻率有直接關(guān)系，二次場(chǎng)響應(yīng)在不同的時(shí)刻幅度差異比較大。

1直接將二次場(chǎng)響應(yīng)的極大值和極小值取出，用該極大值和極小值作為地層電阻率的指示值，通過理論計(jì)算結(jié)果和模型井實(shí)驗(yàn)，建立該極大值、極小值與地層電阻率之間的單調(diào)函數(shù)關(guān)系，或者通過不同刻度系數(shù)將該極大值、極小值轉(zhuǎn)變成地層的電阻率值(測(cè)井的視電阻率)；

2將二次場(chǎng)的瞬態(tài)波形做傅立葉變換(FFT)得到相應(yīng)的頻譜，取頻譜中幅度模的各個(gè)極大值，將這些極大值與地層電阻率建立單調(diào)函數(shù)關(guān)系，這樣，便可以通過乘以不同的刻度系數(shù)獲得不同頻率的地層電阻率?；蛘邔?duì)頻譜的每個(gè)幅度譜乘以相應(yīng)地刻度系數(shù)，獲得連續(xù)的電阻率隨頻率的變化曲線。