一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置、方法及系统与流程

本发明涉及石油工程测井施工中裸眼井地层物理参数测量领域，特别是涉及一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置、方法及系统。

背景技术：

在石油勘探和开发过程中，对地层电阻率进行测量，获得裸眼井地层的电阻率资料非常重要。因为地层的电阻率直接显示了地层的含油量变化，用其可以分析砂岩地层是否含油。目前，有感应测井方法和侧向测井方法，分别测量了地层圆周方向和半径方向的电阻率。但是测量的电阻率的精确度都特别低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置、方法及系统，能够提高电阻率的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置，包括：声波发射探头、声波接收探头，所述声波接收探头的数量为n个，所述声波发射探头位于各所述声波接收探头的下方，且所述声波发射探头和各所述声波接收探头同轴平行设置在裸眼井中，所述声波发射探头和各所述声波接收探头的轴向平行于所述裸眼井的轴向，且与地层方向垂直。

可选的，各所述声波接收探头等间距分布。

可选的，所述声波发射探头和各所述声波接收探头采用压电管制作。

一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量方法，其特征在于，包括:

激发声波发射探头，得到电磁信号；

通过多个声波接收探头接收所述电磁信号；

提取最前面的电磁信号进行处理，得到电磁信号的响应幅度；

根据所述响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，确定地层垂直方向电阻率。

可选的，所述提取最前面的电磁信号进行处理，得到电磁信号的响应幅度，具体包括：

提取最前面的电磁信号进行快速傅里叶变换处理，得到电磁信号的频谱；

对所述频谱进行提取，得到响应幅度。

可选的，所述激发声波发射探头，得到电磁信号，具体包括:

采用瞬变激发方式激发声波发射探头，得到电磁信号。

一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量系统，包括:

激发模块，用于激发声波发射探头，得到电磁信号；

接收模块，用于通过多个声波接收探头接收所述电磁信号；

响应幅度确定模块，用于提取最前面的电磁信号进行处理，得到电磁信号的响应幅度；

电阻率确定模块，用于根据所述响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，确定地层垂直方向电阻率。

可选的，所述响应幅度确定模块，具体包括：

傅里叶变换处理单元，用于提取最前面的电磁信号进行快速傅里叶变换处理，得到电磁信号的频谱；

响应幅度确定单元，用于对所述频谱进行提取，得到响应幅度。

可选的，所述激发模块，具体包括:

激发单元，用于采用瞬变激发方式激发声波发射探头，得到电磁信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置，包括:声波发射探头、声波接收探头，声波接收探头的数量为n个，声波发射探头位于各声波接收探头的下方，且声波发射探头和各声波接收探头同轴平行设置在裸眼井中，声波发射探头和各声波接收探头的轴向平行于裸眼井的轴向，且与地层方向垂直。在裸眼井内通过测量声波发射探头激发振动时产生的电磁响应波形，实现了地层垂直方向电阻率的测量(同时不影响声学参数的测量)，提高了电阻率测量的精度，为地层评价增加了一种全新的电阻率资料，有利于对地层的各向异性进行评价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置组成示意图；

图2为本发明裸眼井地层垂直方向电阻率测量方法流程图；

图3为本发明裸眼井地层垂直方向电阻率测量系统结构图。

图4为电磁响应波形与声波波形示意图；

图5为不同源距处电场强度波形示意图；

图6为源距1.2m电场强度波形示意图；

图7为源距2.0m电场强度波形示意图；

图8为源距1.2m处电场强度最大值随地层电阻率的变化示意图；

图9为源距2.0m处电场强度最大值随地层电阻率的变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置、方法及系统，能够提高电阻率的测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置组成示意图。如图1所示，一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量装置，包括：声波发射探头1、声波接收探头2，所述声波接收探头2的数量为n个，所述声波发射探头1位于各所述声波接收探头2的下方，且所述声波发射探头1和各所述声波接收探头2同轴平行设置在裸眼井中，所述声波发射探头1和各所述声波接收探头2的轴向平行于所述裸眼井3的轴向，且与地层方向垂直。各所述声波接收探头2等间距分布。所述声波发射探头1和各所述声波接收探头2采用压电管制作。

图2为本发明裸眼井地层垂直方向电阻率测量方法流程图。如图2所示，一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量方法，其特征在于，包括:

步骤101：激发声波发射探头，得到电磁信号，具体包括:

采用瞬变激发方式激发声波发射探头，得到电磁信号。在产生振动的同时产生瞬变电磁信号。瞬变电磁信号和声波信号同时在井中传播，电磁信号传播的快，位于接收波形的最前面(接近激发时刻)，声波信号传播的慢，一段时间之后，声波信号与电磁信号是分开的。

改变激发波形，用不同的导通时间激发，重复上述地层电阻率生成过程可以得到不同频率区间的地层电阻率。因为导通时间不同，其激发的主频不同，以此获得不同频率时的地层电阻率。

步骤102：通过多个声波接收探头接收所述电磁信号。

与声波发射探头同轴安装并且离开一段距离的各个声波接收探头既接收到声波信号也接收到电磁信号。其中电磁信号的传播时间短，相位变化不明显。声波信号的传播时间长，相位变化明显，延迟多。两者没有重叠。该实施例中仅考虑电磁信号。

步骤103：提取最前面的电磁信号进行处理，得到电磁信号的响应幅度，具体包括：

提取最前面的电磁信号进行快速傅里叶变换处理，得到电磁信号的频谱；

对所述频谱进行提取，得到响应幅度。

步骤104：根据所述响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，确定地层垂直方向电阻率。

具体在处理时包含以下几种情况：

对于每个源距的波形，用最前面的波形中第一个峰的幅度(最大幅度)指示地层电阻率，通过刻度得到地层垂直方向的电阻率。该电阻率是激发探头主频所对应的电阻率。

对于不同源距的波形，用相邻源距的波形相减得到电场强度的响应波形，取其极大值作为测量值，根据该测量值刻度，得到地层垂直方向的电阻率。该电阻率是通过响应相减(差分方法)得到的，去掉了响应中那些直接耦合(所有源距共有的)响应，地层垂直方向的分辨率比较高。

将波形中前面的电磁信号做快速傅里叶变换处理，用频谱的极大值指示地层电阻率，通过刻度得到地层z方向的电阻率。该电阻率包含了响应波形中所有的主频成分，不论该响应分布在波形的哪个时刻。

将波形中前面的电磁信号做快速傅里叶变换处理，取其频谱的面积作为测量值，对其刻度得到地层z方向的电阻率。该电阻率包含了所有频率成分，是综合的电阻率值。

测量的瞬态波形包含了连续的频率成分，每个频率对应的幅度都与地层的电阻率成正比。这样，用反褶积方法去掉激发声波波形的频谱，可以获得连续频率的电阻率值，得到地层电阻率随频率的变化曲线。

图3为本发明裸眼井地层垂直方向电阻率测量系统结构图。如图3所示，一种裸眼井地层垂直方向电阻率测量系统，包括:

激发模块201，用于激发声波发射探头，得到电磁信号；

接收模块202，用于通过多个声波接收探头接收所述电磁信号；

响应幅度确定模块203，用于提取最前面的电磁信号进行处理，得到电磁信号的响应幅度；

电阻率确定模块204，用于根据所述响应幅度与地层电阻率之间的刻度关系，确定地层垂直方向电阻率。

所述响应幅度确定模块203，具体包括：

傅里叶变换处理单元，用于提取最前面的电磁信号进行快速傅里叶变换处理，得到电磁信号的频谱；

响应幅度确定单元，用于对所述频谱进行提取，得到响应幅度。

所述激发模块201，具体包括:

激发单元，用于采用瞬变激发方式激发声波发射探头，得到电磁信号。

本发明具有下列优点：

1、地层垂直方向地层电阻率测量和声波参数测量在相同的条件下同时进行，用同一个激发探头，相同的接收探头接收。有利于声电测量方法互补，自动实现了仪器集成，便于缩短仪器长度，从而提高电阻率的精确测量。

2、测量的瞬态波形包含了连续的频率成分，每个频率对应的幅度都与地层的电阻率成正比。这样，去掉激发波形的频谱，可以获得连续频率的电阻率值，得到地层电阻率随频率的变化曲线。将电阻率测量从一个值变成一段曲线。大幅度地增加了原始测量信息量。

实施例1：

本发明基于声波测井探头在裸眼井中激发的瞬变电磁场严格解的数值计算结果：裸眼井内沿z方向的电场强度与地层的电阻率成正比。其物理机理是：井内的z方向与井壁平行，z方向的电场强度相对于井壁来讲是切向分量，与地层内z方向的电场强度在井壁连续。而在地层内，z方向的电场强度与地层的水平分层界面垂直，在水平分层界面上电流密度连续，电场强度不连续与地层的电阻率有关，因此，井内z方向的电场强度便携带地层电阻率信息。在源距比较短时，井眼影响比较小，声波探头所激发的瞬变电磁响应的波形幅度与地层的电阻率成正比，源距加长，两者近似成正比。由于被测量的物理量是ez，因此，所得到的电阻率是地层z方向的电阻率。本发明所指的z方向是指与地层垂直的方向。

利用这一理论研究结果，本发明给出了一种新的裸眼井地层z方向电阻率测井方法。采用如下技术方案：

一种裸眼井地层z方向电阻率测井方法，用于裸眼井地层z方向电阻率的测量，包括如下的步骤：

1)将压电管制作的声波发射探头和接收探头阵列(不同源距的接收探头)同轴安装在一起构成探头结构，放在裸眼井中。用瞬变激发方式激励发射探头，产生探头固有频率的振动，与此同时产生瞬变电磁信号。瞬变电磁信号和振动信号同时在井中传播，电磁信号传播速度快，位于接收波形的最前面(激发时刻)，声波信号传播速度慢，一段时间之后，声波信号与电磁信号是分开的。

2)与发射探头同轴安装并且离开一段距离的各个接收探头既接收到声波信号也接收到电磁响应信号。其中电磁响应波形的传播时间短，相位变化不明显。声波信号的传播时间长，相位变化明显，延迟多。两者没有重叠。将最前面的电磁信号取出进行处理。

3)对于每个源距的波形，将最前面的波形中第一个峰的幅度(最大幅度)取出，用于指示地层电阻率，由理论研究获得的响应幅度与地层电阻率之间存在的线性关系建立刻度方法，将幅度转化为地层z方向的电阻率。对每个深度点的波形进行同样的处理得到电阻率曲线。该电阻率是激发探头主频所对应的电阻率。

4)对于不同源距的波形，用相邻源距的波形相减得到z方向电场强度的响应波形，取其极大值作为测量值，利用井内z方向的电场强度与地层的电导率之间的线性关系建立刻度方法，将测量值转化为地层电阻率，根据该测量值刻度，得到地层z方向的电阻率。该电阻率是通过响应相减(差分方法)得到的，去掉了响应中那些直接耦合(所有源距共有的)响应，z方向的分辨率比较高。

5)将波形中前面的电磁信号取出构成一个序列，对该序列做fft得到其频谱，用频谱的幅度谱的极大值作为测量值指示地层电阻率，借助于所获得的响应幅度与地层电阻率成线性关系建立刻度方法，将测量转换为地层的电阻率，即通过刻度得到地层z方向的电阻率。该电阻率包含了响应波形中所有的主频成分，不论该响应分布在波形的哪个时刻。

6)将波形中前面的电磁响应信号取出得到一个随时间变化的序列，对该序列做fft得到频谱，取其频谱的幅度谱，将幅度谱所包围的面积作为测量值，该测量值是所测量波形中所有频率的幅度的叠加，包含了所有频率成分对测量值的贡献。同样，借助于所获得的响应幅度与地层电阻率成线性关系建立刻度方法，将测量值转换为地层的电阻率，即对测量值进行刻度得到地层z方向的电阻率。该电阻率是综合了所有频率的电阻率值。

7)通过调整导通时间改变激发波形的周期，即用不同的导通时间进行激发，重复上述地层电阻率生成过程可以测量到不同频率区间(由导通时间和关断时间确定)的地层电阻率。因为导通时间不同，其激发的主频不同，获得不同频率时的地层电阻率。

8)本发明中所测量的波形是瞬态的，瞬态波形包含了一个频率段连续的频率成分，每个频率都对应一个幅度，这些幅度都与地层的电阻率成正比。不同的频率其响应的幅度不一样，用反褶积方法去掉激发波形的频谱，可以获得连续的每个频率的响应幅度值，借助于所获得的响应幅度与地层电阻率成线性关系建立刻度方法，将每个频率的测量值转换为地层的电阻率，得到这些频率所对应的地层z方向的电阻率值，以及地层电阻率随频率的变化曲线。

实施例2：

本发明提供一种裸眼井声波测井探头测量地层电阻率的测井方法，包括如下步骤：

1)在裸眼井中用压电管制作的声波发射探头1激发振动，同时产生瞬变电磁场。其频谱与声振动的频谱一致。在裸眼井和地层中产生电磁响应，不同源距的阵列声波探头2均能够接收到瞬态响应波形，用理论模拟得到的波形形状如图4所示。图4为电磁响应波形与声波波形示意图，其中，6为电磁响应波形，7为声波波形。

2)从每个测量的响应波形中取出极大值。

3)对每个极大值，按照响应峰值与地层的电阻率成正比关系进行刻度得到电阻率值。这是最直接的电阻率测量值，反应激发探头主频率的(z方向)电阻率。图5为不同源距处电场强度波形示意图。地层电导率等于5s/m时，裸眼井内不同源距的电磁响应波形，随着源距的增加，幅度减小，电场强度ez的响应形状不变。

4)对于不同源距的响应波形进行处理，相邻源距的波形相减得到响应差，该响应差与z方向的电场强度ez成正比，取其极大值作为测量值，根据该测量值刻度，得到地层z方向的电阻率。该电阻率是通过响应相减(差分方法)得到的，去掉了响应中那些直接耦合(所有源距共有的)响应，z方向的分辨率比较高。图6为源距1.2m电场强度波形示意图；图7为源距2.0m电场强度波形示意图；图6和图7中每一条曲线代表一个地层电导率，从下至上依次为1/15，1/14，1/13，1/12……1/2，1，2，3……25s/m共计39条响应曲线。

图8为源距1.2m处电场强度最大值随地层电阻率的变化示意图；图9为源距2.0m处电场强度最大值随地层电阻率的变化示意图。源距小于1.2m时是直线，大于2m时，直线有一定的弯曲，这是裸眼井存在所造成的影响。

5)对响应波形做fft得到频谱，其中每个频率的幅度均对应一个电阻率值，取最大值进行刻度得到地层z方向的电阻率，该电阻率是波形中所有时刻响应的综合。

6)对电磁响应信号做fft，取其频谱的面积作为测量值，对其刻度得到地层z方向的电阻率。该电阻率包含了所有频率成分，是频率综合的电阻率值。

7)改变激发波形，用不同导通时间进行激发，重复上述地层电阻率生成过程，得到不同频率区间的地层电阻率。因为导通时间不同，其激发的主频不同，获得不同频率区间的地层电阻率。

8)测量的瞬态波形包含了连续的频率成分，每个频率对应的幅度都与地层的电阻率成正比。这样，用反褶积方法去掉激发波形的频谱，可以获得连续频率的电阻率值，得到地层电阻率随频率的变化曲线。

本发明的关键是从理论上发现了声波探头激发时裸眼井瞬变电磁响应的电场强度ez与地层的电阻率成线性关系。以此为基础设计了新的瞬态波形采集方式，完整地记录了电磁响应和声波测井响应波形。用瞬态的电磁响应波形在时间域和频率域进行处理，获得指示地层电阻率的测量值，经过刻度以后变成地层垂直方向的电阻率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。