裸眼井地层电阻率瞬态测量方法与流程

本发明涉及石油测井工程方法领域中的一种针对裸眼井地层电阻率的瞬态测量方法，特别是一种对不同径向深度地层电阻率参数进行有效测量、径向探测深度比较深的瞬态测井方法。

背景技术：

在石油勘探和开发的过程中，为了评价地层的含油饱和度，需要对地层电阻率进行有效测量。目前的现有技术采用感应、双感应、阵列感应和双侧向等方法，其激发波形分别为正弦波(或者方波)与直流电。其激发频率单一，激发功率比较小，径向探测深度有限，原始信号中携带地层电阻率信息的方式单一，记录过程以正弦波的幅度强弱来表征地层电阻率数值。

技术实现要素：

本发明专利针对传统感应测井技术中存在的激发频率单一、径向探测深度浅、原始信号携带地层电阻率信息方式简单等问题，提出一种利用瞬变电磁法实现裸眼井地层电阻率瞬态测量方法。

本发明的总体技术路线是：发射信号采用瞬态激发方式，即利用电流突变产生的瞬态电磁场，将各种频率成分的信号激发出来，这些信号幅度不同，经过地层以后，根据电磁感应原理，在接收线圈均产生一次场和二次场响应波形，这些响应按照激发的幅度叠加以后构成呈现指数衰减的电压波形。这些瞬态响应波形包含各种频率成分的一次场和二次场响应，在裸眼井里记录不同源距的瞬态响应波形，可以获得这些一次场和二次场响应信息，然后借助刻度信息，将响应中与地层电阻率无关的一次场响应去掉，便可得到直接反应地层电阻率的二次场信号。对这些二次场信号进行数据处理便可以获得不同频率的地层电 阻率。

本发明的原理是：采用非接触测量方法，依据电磁感应原理，在井中放置激发线圈，用大电流的突变激发瞬变电磁场(一次场)。大功率管突然关断(或开通)瞬间使得发射线圈的电流随时间有一个突然的变化，这时在发射线圈上会感应出很高的电压脉冲，裸眼井内产生一个很强的电磁感应强度。这些瞬变电磁场能够有效进入地层，在地层中激发出二次感应电动势(二次场)，该二次感应电动势与地层的电导率有关，该二次感应电动势能够有效地进入接收线圈，此时，接收线圈上感应出比较强的感应电压，随着时间此响应波形指数衰减。仪器在关断或开通时刻为起始时刻记录接收线圈的响应电压波形，通过测量二次感应电动势获得地层的电阻率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

将感应测井仪器的发射和接收线圈同轴安置在裸眼井测试地层中，并且线圈内部填充磁性材料；

发射电源为稳定的直流电，发射线圈通过全桥电路中的大功率管控制，在发射线圈上产生大功率、低频率的双极性矩形波形，在电流断开和导通瞬间为触发信号触发接收电路，记录接收线圈上所感应的瞬变电压响应波形；

依据测井时对电阻率测试范围需求，将测试地层接收到的瞬变响应波形与一组标准地层的接收信号进行刻度(减法)运算，运算后仅剩下反应测试地层电阻率差异率的二次场；

从二次场响应波形中获取测试地层电阻率。

从二次场响应波形中获取测试地层电阻率的方法包括以下三种，一是：直接将二次场响应波形的极大值和极小值取出，用该极大值和极小值作为地层电阻率的指示值，通过理论计算结果和模型井实验，建立该极大值、极小值与地 层电阻率之间的单调函数关系，最终获得地层电阻率。

二是：直接将二次场响应波形的极大值或极小值取出，用该极大值或极小值乘以不同刻度系数获取地层电阻率。

三是：将二次场响应波形做傅立叶变换得到相应的频谱，取频谱中幅度谱的各个极大值，将这些极大值与标准地层电阻率建立单调函数关系，通过乘以不同的刻度系数获得不同频率的地层电阻率；或者对频谱的每个幅度谱乘以相应地刻度系数，获得连续的电阻率随频率的变化曲线。

上述方案中接收线圈上所感应的瞬变电压响应波形获取方法是：接收线圈通过串联电阻方法进行模拟信号的取样，然后把取样信号送入放大器中，在经过滤波、AD芯片数字转化后，由处理器负责采集；处理器对信号的采集方法是：分别记录t₁、t₂…t_n测道时间对应的不同电压值ε₁、ε₂…ε_n，测道时间点数n大于10。

上述方案进一步包括：大功率管为MOS管，其耐压值1000V以上、最大电流150A以上，器件导通内阻小；处理器采集电路中设有稳压隔离电路和基准电源的稳压电路。

本发明的有益效果是：

利用电磁感应原理，用非接触方式实现了地层电阻率的有效测量。用发射线圈中的电流突变产生瞬态电磁场，其频率成分丰富，接收到的响应是瞬态波形，经过傅立叶变换(FFT)以后，能够获得不同频率的响应。用刻度的方法将响应中的一次场去掉，仅剩下反映地层电阻率的二次场响应，该响应直接指示不同频率的电阻率。本方法通过改进激发方式，可以实施大功率激发，激发的频率成分丰富，其中的低频成分可以进行径向比较深的地层电阻率测量，并能够获得不同频率的地层电阻率。这种方案特别适合在裸眼井实施。

附图说明

图1信号发射及控制电路原理图；

图2接收信号的采集过程图；

图3信号记录示意图；

图4电阻率刻度过程图；

附图标号说明：1—信号瞬变发射 2—信号接收 3—刻度系统 4—二次场信号极值信息获取 5—傅立叶变换后求幅度谱极值 6—不同频率的刻度系数 7—刻度系数。

图5二次场波形变化示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图4。信号发射1产生发射信息，信号接收2得到测试信号，经过刻度系统3，得到一系列的刻度系数6和7。其中刻度系统又分为傅立叶变化刻度方法5和二次场取极值的刻度方法4。得到刻度系数后，完成仪器的刻度，可进行地层电阻率的测试。

如图1所示，发射电路采用了四个大功率管，功率管的通断由控制电路和驱动电路控制，使得发射线圈的电流进行正向和反向流动，从而进行信号的正反向发射。发射电源采用了直流电，通过开关单元的闭合和断开使得发射线圈有电流通过。开关单元用大功率管MOS管，器件选型的耐压值为1000V、最大电流为150A，另外，要求开关器件导通后的内阻非常小。控制电路由控制器通过总线传递开通信号和关断信号，输入到驱动电路来控制MOS管的开通或断开。驱动电路考虑了MOS管PN结电容效应的影响，可通过电路设计满足了MOS管PN结电容快速充电和放电的需求，使得MOS管的开通和关闭持续时间非常短。

如图2所示，控制总线的通、断信号同时作为接收波形采集电路的触发信号，从开关单元断开的瞬间开始采集响应波形。电路设计中，接收线圈通过串联电阻方法进行模拟信号的取样，然后把取样信号送入放大器中，在经过滤波、AD芯片数字转化后，由处理器负责采集。采集电路中通过稳压隔离电路和基准电源的稳压功能使得模拟信号采集后的失真度较小。

处理器对信号的记录过程如图3所示。接收信号的变化规律是随着时间的延长，呈现指数衰减趋势。信息记录的方法是分别记录t₁、t₂…t_n等测道时间对应的不同电压值ε₁、ε₂…ε_n。记录过程，测道时间点数越多越能真实反映衰减曲线的变化趋势，采集过程依据需求一般是设为十几个采集点。

综上，总体过程可如下所述。在井中同轴放置发射线圈1和接收线圈2，对图4中的发射线圈1施加直流电，稳定以后，用大功率管(MOS管耐压值最高可达1000V、通过的最大电流高达150A)将该直流电流突然断开(或开通)，此时，发射线圈1在井中激发出瞬态电磁场，在接收线圈2感应出瞬态电压波形，即接收到瞬态响应波形。该瞬态响应波形被记录后进入刻度系统3，刻度过程可分两部分实施。

刻度过程需对一组标准地层测试，地层的电阻率已标定，且各不相同，对这组地层进行测试得到不同的标准信号，测试的信号变化特征都与图3所示的形状一致。依据测井时对电阻率测试范围需求，选择两组数据(V_R1、V_R2)，进行减法运算，如ΔV＝V_R1-V_R2，可将响应中(与地层电阻率无关)的一次场去掉，减法运算后仅剩下反应地层电阻率差异率的二次场(ΔV)，响应波形曲线形状如图5所示，这种曲线具有极值点。

刻度方法1：对二次场响应波形(ΔV)做傅立叶变换(FFT)获得其频谱，取频谱中幅度谱的各个极大值，这些极大值与电阻率的差值(ΔR＝R₁-R₂)建立 关系，得到不同频率下的刻度系数K_ωi。

测井时，地层电阻率数值变化，测试的信息与刻度过程的V_R2相减，得到新的二次场(ΔV)，再进行傅立叶变换，不同频谱的极大值乘以刻度系数后便得到不同频率连续测试地层的电阻率值与标准电阻率R₂的差(R₂已知)，也即得到测试地层的不同频率的电阻率值；

刻度方法2：对二次场响应波形(ΔV)取极大值或者极小值，将该极大值或者极小值与电阻率的差值(ΔR＝R₁-R₂)建立关系，得到刻度系数K。

测井时，地层电阻率数值变化，测试的信息与刻度过程的V_R2相减，得到新的二次场，乘以刻度系数K后便得到测试地层的电阻率与标准电阻率R₂的差(R₂已知)，也即得到测试地层的电阻率。

实施例2

感应测井仪器的发射和接收线圈同轴安装，并且线圈内部填充磁性材料，放置在裸眼井中。

发射电源为稳定的直流电，通过全桥电路中的大功率管控制，在发射线圈上产生低频率的双极性矩形波形，频率范围在0.1～100Hz。合理的配置发射电源的电压值和发射线圈电阻值，使得通过的直流电流强度较大，实现较大功率的发射。

接收电压有两部分组成，一部分是直接耦合的一次场，与地层电阻率无关，另外一部分是二次场，与地层电阻率直接相关。通过刻度方法将一次场去掉，仅剩下二次场信号。二次场提取：取二次场波形的极大值乘以刻度系数以后便得到地层的电阻率；或者将二次场做傅立叶变换(FFT)，将其频谱中幅度的极大值提取出来，分别乘以不同频谱的刻度系数得到不同频率的裸眼井地层电阻率；或者对每个频率的幅度谱乘以相应的刻度系数获得连续的地层电阻率随频 率的变化曲线。

本发明的电阻率获取过程是：

发射线圈通以直流电，用大功率器件将该直流电突然断开(或导通)，此时，发射线圈中的电流也被突然断开(或导通)，其电流对时间的导数很大，发射线圈两端的感应电压很高，向裸眼井和地层发射瞬态电磁场，这些瞬态电磁场包含各种频率成分，是瞬态波形。同时，在接收线圈中感应出瞬态电磁场，即瞬态波形。这些瞬态波形也同样包含各种频率的响应，这些响应中，既有与地层电阻率无关的一次场(直接耦合信号)、又有与地层电阻率有关的二次场信号，并且，频率越高，二次场响应越明显。借助于刻度方法，用标准信号将一次场信息去掉，只剩下二次场响应，二次场响应与地层电阻率有直接关系，二次场响应在不同的时刻幅度差异比较大。

1直接将二次场响应的极大值和极小值取出，用该极大值和极小值作为地层电阻率的指示值，通过理论计算结果和模型井实验，建立该极大值、极小值与地层电阻率之间的单调函数关系，或者通过不同刻度系数将该极大值、极小值转变成地层的电阻率值(测井的视电阻率)；

2将二次场的瞬态波形做傅立叶变换(FFT)得到相应的频谱，取频谱中幅度模的各个极大值，将这些极大值与地层电阻率建立单调函数关系，这样，便可以通过乘以不同的刻度系数获得不同频率的地层电阻率。或者对频谱的每个幅度谱乘以相应地刻度系数，获得连续的电阻率随频率的变化曲线。