ANSYS在電法測(cè)井儀器分析中的應(yīng)用

張健閣 諶海云

(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院 四川成都)

ANSYS在電法測(cè)井儀器分析中的應(yīng)用

張健閣 諶海云

(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院 四川成都)

選用ANSYS的multi-physics模塊對(duì)雙測(cè)井儀器進(jìn)行有限元分析,用APDL編程實(shí)現(xiàn)各種操作。前處理器建立測(cè)井模型,設(shè)置泥漿、侵入帶、圍巖、真實(shí)地層等屬性,分割線單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。處理單元構(gòu)建無(wú)限遠(yuǎn)邊界,分別對(duì)主電極和屏蔽電極施加電流載荷,并保存各個(gè)分場(chǎng)電位。后處理過(guò)程建立電位滿足的線性方程組,通過(guò)命令直接求解得到響應(yīng)結(jié)果。通過(guò)數(shù)值模擬得到雙側(cè)向測(cè)井正演特性,可知LLD探測(cè)深度較大,LLS探測(cè)深度適中,能夠較好的識(shí)別薄互層,在8 in(1 in=25.4 mm)左右的井眼中得到較好的探測(cè)曲線,與油田的實(shí)際測(cè)井結(jié)果相符合。

ANSYS;測(cè)井;數(shù)值模擬;響應(yīng)特性

0 引 言

地層的含油氣飽和度是判斷油氣層和計(jì)算油氣儲(chǔ)量的主要參數(shù),利用電阻率測(cè)井能夠精確地求出地層電阻率與沖洗帶電阻率,是計(jì)算地層的含油氣飽和度的基本方法[1]。雙側(cè)向測(cè)井儀具有較好的探測(cè)地層各向異性的能力,是碳酸鹽巖裂縫地層中使用的基本測(cè)井方法,用它來(lái)識(shí)別裂縫,具有成本低、識(shí)別力強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[2],并且在鹽水泥漿和膏鹽刨面中,能夠減少泥漿分流的影響,得到更加準(zhǔn)確的地層電阻率,因而在實(shí)際的油田測(cè)井中得到廣泛應(yīng)用[3]。ANSYS有限元分析軟件,以麥克斯韋方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn),通過(guò)編程計(jì)算能夠得到雙側(cè)向測(cè)井的響應(yīng)特征,為儀器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和測(cè)井解釋提供更加可靠的資料。

1 雙側(cè)向測(cè)井電極系結(jié)構(gòu)

雙側(cè)向測(cè)井儀電極系結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分,A0為主電流發(fā)射電極,A2、A2′為深側(cè)向屏蔽電極,淺側(cè)向的回流電極,A1、A1′為屏蔽電極,M1、M2和M1′、M2′為監(jiān)督電極。測(cè)井時(shí),主電極A0發(fā)出恒定電流I0,兩對(duì)屏蔽電極發(fā)出與I0極性相同的穩(wěn)定電流I1與I1′。通過(guò)電子線路的自動(dòng)調(diào)節(jié),主電極與屏蔽電極之間的電位相等,監(jiān)督電極上的電位相等,主電流徑向進(jìn)入地層,得到鉆井液、侵入帶和原狀地層的總視電阻率。在鉆井液的導(dǎo)電性相對(duì)好、侵入程度低且地層電阻率很高時(shí),視電阻率近似于地層真電阻率[4]。利用如下公式計(jì)算視電阻率:

式中,U為監(jiān)督電極的電位值,K為電極系系數(shù)。

2 分析原理

簡(jiǎn)化的雙側(cè)向儀器及地層模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化的雙側(cè)向儀及地層模型分布

由于主電極和屏蔽電極發(fā)出的都是恒定電流,所以要確定是一個(gè)穩(wěn)定電流產(chǎn)生的電場(chǎng)電位分布函數(shù)。在二維軸對(duì)稱情況下,采用柱坐標(biāo)系,橫坐標(biāo)為r軸,縱坐標(biāo)為z軸,在每一個(gè)電阻率為常數(shù)的區(qū)域內(nèi)部任一點(diǎn),電位滿足微分方程:2)在對(duì)稱面及電極的絕緣表面Γ2無(wú)電流流過(guò):

根據(jù)線性疊加原理,僅需考慮只有1個(gè)發(fā)射電極,而其余電極均不發(fā)射電流的情形。

3)等位面邊界,電位連續(xù),電流的法向連續(xù):

3 ANSYS分析

ANSYS基于有限元分析理論[5],ANSYS有 GUI(圖形操作界面)和APDL兩種操作方式,都能完成分析過(guò)程,對(duì)于大型有限元模型的分析,采用APDL語(yǔ)言能夠利用循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)智能化分析減少工作量[6],具體仿真計(jì)算過(guò)程如下。

1)啟動(dòng)ANSYS應(yīng)用程序,進(jìn)入multi-physics電場(chǎng)分析模塊,進(jìn)行前處理。

2)定義單元類型:選擇二維實(shí)體單元plane67,作為仿真計(jì)算單元。

2)定義材料屬性,設(shè)置井徑、圍巖、地層電阻率的數(shù)值。

4)建立有限元模型。

5)網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格劃分的原則是在儀器附件的網(wǎng)格最密,而距離儀器較遠(yuǎn)處的網(wǎng)格逐漸稀疏。對(duì)一個(gè)形狀不規(guī)則且包含的邊界線多余4條的面,需要使用命令“l(fā)ccat”將某些相鄰的線連結(jié)起來(lái),再進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分,針對(duì)本文的模型,網(wǎng)格劃分方式見(jiàn)表1。

表1 網(wǎng)格劃分方式

6)耦合自由度

由于井眼中的儀器已經(jīng)被挖去,為模擬儀器表面的電壓相等的性質(zhì),應(yīng)將井眼中代表儀器各電極表面的面上所有節(jié)點(diǎn)的電壓自由度進(jìn)行耦合,強(qiáng)制該面上的所有節(jié)點(diǎn)電壓值相等。

7)進(jìn)入處理器/solu

lsel,s,loc,x,50!施加無(wú)限遠(yuǎn)邊界條件

lsel,a,loc,y,-51

lsel,a,loc,y,51

dl,all,,volt,0

8)加載與求解

給主電極和屏蔽電極施加電流載荷,保存各個(gè)電極上的電位值。

9)進(jìn)入后處理模塊

將分場(chǎng)電位值進(jìn)行疊加,求解電位滿足的線性方程組,得到電極的總體響應(yīng)。

4 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)模型設(shè)置不同的地層參數(shù),可以得到側(cè)向測(cè)井響應(yīng)曲線。

1)探測(cè)半徑

探測(cè)深度可用偽幾何因子來(lái)描述,它反映侵入帶對(duì)測(cè)量視電阻率的相對(duì)貢獻(xiàn),一般按照偽幾何因子等于0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的侵入半徑來(lái)描述。模擬條件為:Rt=50Ω·m,Rxo=10Ω·m,Rm=1Ω·m,dh=8 in(1 in=25.4 mm),偽幾何因子示意圖如圖2所示。

圖2 偽幾何因子示意圖

由圖可得:LLD的探測(cè)半徑為1.5 m,LLS的探測(cè)半徑為0.43 m。

2)受層厚影響

對(duì)Rt=100Ω·m,Rs=10Ω·m,Rm=1Ω·m,dh=8 in的無(wú)侵入地層模型,目的層厚度為H,測(cè)井響應(yīng)受層厚的影響如圖3所示。

圖3 測(cè)井響應(yīng)受層厚的影響

由圖可得,目的層厚度高于0.7 m時(shí),能夠得到真實(shí)的地層電阻率。

3)測(cè)井響應(yīng)受侵入的影響

模擬條件為:Rm=1Ω·m,Rxo=10Ω·m,Rt=50 Ω·m,dh=8 in時(shí),測(cè)井響應(yīng)與侵入半徑的關(guān)系如圖4所示。

圖4 測(cè)井響應(yīng)與侵入半徑關(guān)系圖

可知:侵入影響隨著侵入半徑的增加而增加,對(duì)于低阻入侵,LLD和LLS的視電阻率測(cè)量值均下降,即從原狀地層電阻率Rt逐漸變?yōu)榍秩霂щ娮杪蔙xo,并且LLS受侵入帶影響更大。對(duì)于LLD,侵入半徑小于0.5 m時(shí),能夠測(cè)得Rt;對(duì)于LLS,侵入半徑大于1.5 m時(shí),只能得到Rxo。

4)測(cè)井響應(yīng)受井眼影響

測(cè)井響應(yīng)與井眼直徑關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 測(cè)井響應(yīng)與井眼直徑關(guān)系圖

地層模型:Rm=1Ω·m,井外是電阻率為30Ω·m的無(wú)限大均勻介質(zhì)時(shí)。由圖可知,隨著井徑的增加,視電阻率單調(diào)下降,井徑越大,視電阻率偏離真電阻率越遠(yuǎn);井徑小于8 in(0.2 m)時(shí),視電阻率值均大于地層真電阻,LLS電阻率高于LLD,井徑大于8 in時(shí),視電阻率均低于真電阻率,LLS電阻率小于LLD。

5)DLL在實(shí)際測(cè)井中的應(yīng)用

圖6為某井油層段的常規(guī)測(cè)井曲線。

對(duì)2 813 m～2 829 m層段,深淺側(cè)向電阻率的半幅度劃分的地層界面與自然伽馬測(cè)井曲線及三孔隙度測(cè)井曲線的地層界面一致;對(duì)2 829～2 831 m薄層段,雙側(cè)向測(cè)井曲線所劃分的地層頂?shù)捉缑媾c其他測(cè)井曲線的結(jié)論也基本一致,從而證明了雙側(cè)向具有較好的分辨薄層的能力。

圖7為某井水層段的測(cè)井響應(yīng)曲線,地層水的礦化度小于鉆井液的礦化度,所以在滲透層段有泥漿侵入時(shí),沖洗帶的電阻率低于原狀地層的電阻率,在測(cè)井曲線上顯示為深側(cè)向電阻率高于淺側(cè)向的電阻率,說(shuō)明深側(cè)向電阻率反映了原狀地層的電阻率,而淺側(cè)向電阻率反映了沖洗帶地層的電阻率,并且深側(cè)向的探測(cè)深度大于淺側(cè)向的探測(cè)深度。

圖6 某井油層曲線

圖7 某井水層曲線

5 結(jié) 論

利用ANSYS有限元分析得到的測(cè)井儀器響應(yīng)曲線與實(shí)際測(cè)井中的響應(yīng)基本一致,說(shuō)明數(shù)值模擬具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性。ANSYS采用智能化分析的手段,自動(dòng)完成有限元分析的過(guò)程,已經(jīng)在石油儀器設(shè)計(jì)方面得到應(yīng)用。它能夠分析儀器在模擬測(cè)井環(huán)境中得到的測(cè)井結(jié)果,用最佳化和參數(shù)確認(rèn)做設(shè)計(jì)上的修改,并借助模型的修正重新分析以得到最好的結(jié)構(gòu),再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)確認(rèn)分析的誤差同時(shí)得出分析的可靠度。本文所討論的雙側(cè)向測(cè)井儀器結(jié)構(gòu),可以有效地計(jì)算多電極系的響應(yīng)特性,在數(shù)值模擬和實(shí)際的測(cè)井中,都能夠獲得較為準(zhǔn)確的地層電阻率,為測(cè)井解釋提供可靠的資料。

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P631.8+11

B

1004-9134(2011)05-0062-03

本文由國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助,項(xiàng)目名稱:中國(guó)陸塊海相成鉀規(guī)律及預(yù)測(cè)研究,項(xiàng)目編號(hào):2011CB403005。

張健閣,男,1987年生,碩士研究生,油氣測(cè)控工程專業(yè),主要進(jìn)行電法測(cè)井儀器及控制理論應(yīng)用研究,發(fā)表學(xué)術(shù)論文2篇。郵編:610500

2011-04-18編輯高紅霞)

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