介電測井相關數(shù)值計算探究

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1、介電測井相關數(shù)值計算探究  摘要介電測井采用頻散技術,同時測量井眼周圍地層在不同頻率下的介電常數(shù)和電導率,有效地區(qū)分注水測井中高阻淡水層和低阻油層,且不受泥漿和套管導電性的影響,是傳統(tǒng)測井技術的重要補充。文章在總結國內(nèi)外介電掃描成像技術研究進展的基礎上,建立了球面波和改進的平面波模型。通過數(shù)值計算和分析,確定了儀器的工作頻率,給出了四種頻率下幾種地層模型的響應曲線。結果表明:介電響應與介質(zhì)電導率和介電常數(shù)在不同傳播模型下具有相同的響應規(guī)律。但是具體數(shù)值不同,且不同頻率下介電常數(shù)和電導率對響應的影響不同。說

2、明了模型和頻率選擇的重要性。關鍵詞介電測井;球面波;改進平面波;介電響應中圖分類號:P631.8文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2014)03-0056-03介電測井(DielectricLogging)是利用巖石介電常數(shù)區(qū)分不同巖層的一組測井方法的統(tǒng)稱。巖石的介電性質(zhì)只在高頻電磁場下才能明顯地表現(xiàn)出來,所以介電測井采用高頻(由幾十兆赫到1千兆赫左右),歸為電磁波(傳播)測井(ElectromagneticPropagation10Logging)。通過測量不同頻率電磁波在地層中的傳播時間和衰

3、減系數(shù),可同時獲得地層的介電常數(shù)和電導率。介電測井不要求地層水必須是含鹽,且可以應用于油層和水層同為低阻或高阻的情況,也可用于油田開發(fā)過程中注水情況下的測量。國外介電測井發(fā)展已有數(shù)十年歷史,先后開發(fā)出的儀器有電磁波傳播測井儀EPT(斯倫貝謝公司,1977)、深傳播電阻率測井儀DPT(斯倫貝謝公司,2010)、介電測井儀(阿特拉斯公司,型號:1532XC和1532XB,1990)、推靠式高頻介電測井儀HFDT-A(哈里伯頓公司,1993)、推靠極板式高頻介電測井儀LOGIQ?HFDT(哈里伯頓公司,2010

4、)。直到2010年9月斯倫貝謝公司正式發(fā)布了利用頻散效應的多頻介電頻散測井儀-介電掃描成像測井儀(Dielectric10Scanner)。該儀器在全球廣泛開展了現(xiàn)場試驗,取得了極大的成功。國內(nèi)在介電測井研究方面取得了多項研究成果,開發(fā)出一些與國外相當?shù)慕殡姕y試設備。由于經(jīng)費和技術的限制,其應用范圍一直沒有像其他常規(guī)測井方法一樣普遍,其優(yōu)點一直沒有得到充分的發(fā)揮,原因在于有些技術方面的問題沒有很好地解決。主要有:1)寬帶天線問題,由于多頻電磁波的測量需要具有一定帶寬的天線,天線的體積也要考慮,以滿足井下要

5、求;2)寬帶儀器的一致性問題,各個頻率的信號應具有可比性和一致性;3)要有能夠用于實際多頻數(shù)據(jù)的反演方法和軟件;4)解決高頻段電介質(zhì)的頻散測量問題。本文從介電響應特性入手,計算了改進平面波模型和球面波模型在不同頻率下幾種地層模型的響應曲線,為進一步地從介電響應反演地層參數(shù)奠定基礎。1介電測井原理石油和多數(shù)巖石的相對介電常數(shù)通常在2~10之間,水的相對介電常數(shù)為80左右。水的介電常數(shù)比石油和巖石的大一個數(shù)量級,因此巖層的總介電常數(shù)在很大程度上取決于單位體積中水的含量。當儲層的孔隙度一定時,含油氣層的介電常數(shù)

6、與水層的介電常數(shù)有明顯差別,根據(jù)介電測井數(shù)據(jù)就可以劃分油、氣、水層。介電測井的發(fā)射天線向地層中發(fā)射頻率為的電磁波,電磁波與巖層中的介質(zhì)相互作用,電磁波能量發(fā)生衰減,速度發(fā)生變化。能量的變化對應于可測量的振幅變化;速度的變化對應于可測量的相移。振幅變化和相移可在接收器處測量。一般地,在間距確定的情況下,幅值、相移、介電常數(shù)和電導率這些參數(shù)構成復雜的非線性麥克斯韋方程組。傳統(tǒng)上對該非線性方程組的求解常常采用線性迭代方法,計算速度較慢,而且還會出現(xiàn)多解性。在實際中,常常根據(jù)測量的實際情況做一定的簡化,將求解復雜

7、非線性方程組轉化為求解形式簡單的非線性方程,可以快速地由幅值、位相差得到介電常數(shù)和電導率。幅度比和相位差分別定義為:(1)10(2)式中:為幅度比(dB);為兩接收線圈的(復)感應電動勢(V);為相位差;電動勢的幅角。文獻[4]和文獻[5]中給出了改進平面波和球面波的介電響應公式,現(xiàn)直接利用結果。對于改進的平面波模型:(3)對于球面波模型:(4)(5)其中(6)設(7)(8)在中為衰減常數(shù)(或吸收系數(shù)),相當于電磁波傳播單位距離時幅度的衰減;為相位常數(shù),相當于電磁波傳播單位距離時相位發(fā)生的變化。2計算參數(shù)

8、的確定2.1發(fā)射天線與接收天線間距10對于單發(fā)雙收來說,由接收端測量的數(shù)據(jù)計算出的電導率和介電常數(shù)是兩個接收端之間具有一定探測深度的地層參數(shù)平均值。因此,兩個接收端的最小距離也就是該儀器的垂直分辨率。以斯倫貝謝公司的多頻介電掃描成像測井儀為例來說明。該儀器的兩個接收端的最小間距為25mm,其數(shù)值分辨率為1in(25.4mm)。2.2工作頻率的選擇對于式(8)括號里面,在低頻情況下(小于幾十kHz),,的數(shù)量級為而的數(shù)量級介于之

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