套管對(duì)井間電磁測(cè)井的影響規(guī)律研究

吳 瑤，毛劍琳，唐 俊，楊軍峰

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明 650500;2.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065)

近年來，隨著世界油氣勘探新區(qū)的減少，油氣勘探的發(fā)展方向逐漸由新區(qū)勘探轉(zhuǎn)向老區(qū)勘探，以發(fā)現(xiàn)剩余油氣[1]。隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步和高效開采油氣資源需求的增加，對(duì)測(cè)井技術(shù)要求越來越高[2]，單井電磁測(cè)井由于橫向探測(cè)能力不足且較難發(fā)現(xiàn)井下的剩余油層和死油層，已不能適應(yīng)生產(chǎn)和研發(fā)的需要。為了提高油田的產(chǎn)量，延長(zhǎng)油田的壽命，增加可采儲(chǔ)量，井間電磁測(cè)井已成為現(xiàn)今主流的電磁測(cè)井技術(shù)，它從根本上改變了單井測(cè)井技術(shù)橫向探測(cè)能力不足的弱點(diǎn)，極大提高了其油藏描述特性的能力，是當(dāng)今地球物理學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要前沿，并成為目前測(cè)井領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

自1989年Kaufman發(fā)表基于傳輸線方程的套管井電阻率測(cè)井的近似理論模型和測(cè)量技術(shù)[3－4]，討論了地層視電導(dǎo)率的定義、垂直響應(yīng)、套管電導(dǎo)率和長(zhǎng)度的影響，奠定了套管電阻率測(cè)量的基礎(chǔ)，突破了金屬套管井中不能進(jìn)行電測(cè)井的傳統(tǒng)束縛[5]。1994年 Kchenkel和 Morrison發(fā)表了基于積分方程的理論模型，討論了充滿流體的有限長(zhǎng)套管在徑向非均勻介質(zhì)中測(cè)井響應(yīng)，分析了套管厚度、水泥環(huán)等對(duì)測(cè)量的影響，豐富和完善了套管井電阻率測(cè)井的理論[6－8]。目前，套管井電阻率測(cè)井已逐漸成為解決重點(diǎn)老井和開發(fā)過程中油藏監(jiān)測(cè)的重要手段[9]。與受廣泛關(guān)注和重視的套管井電阻率測(cè)量相比，對(duì)套管井中的電磁測(cè)井響應(yīng)的研究相對(duì)較少，主要原因是電磁場(chǎng)受金屬套管衰減吸收極強(qiáng)，套管中接收的信號(hào)十分微弱[10－11]。由于發(fā)射電流、頻率、井間距離、地層電導(dǎo)率對(duì)套管接收到的電勢(shì)有很大影響，本文對(duì)這些因素對(duì)套管接收電勢(shì)的大小影響作了研究，利用comsol軟件仿真在均勻地層中4m長(zhǎng)的金屬套管發(fā)射和接收信號(hào)的情況。根據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，得到了一些結(jié)論，可為井間電磁測(cè)井儀器的研制及實(shí)際的測(cè)井解釋提供重要的理論依據(jù)。

1 套管井井間電磁測(cè)井的原理

井間EM成像測(cè)井系統(tǒng)是將發(fā)射器和接收器分別置于相鄰的兩口井中，接收器接收由發(fā)射器發(fā)射并經(jīng)地層傳播的電磁波，反演后獲得有關(guān)井間地層電阻率的分布信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井間電阻率的直接測(cè)量[12]，以較高的精度和分辨率實(shí)現(xiàn)對(duì)井間地層巖石的導(dǎo)電性的直接測(cè)量和描述。

兩個(gè)套管在均勻地層中，給發(fā)射套管施加交變電流，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電磁波將通過均勻地層傳播，在接收套管上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):

ε =f(D，I，σ，f，…)

由于影響接收套管上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素有很多，本文著重研究套管間距離(d)、發(fā)射電流大小(I)、發(fā)射頻率大小(f)、地層電導(dǎo)率(σ)對(duì)接收套管上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的影響規(guī)律。本文仿真所用的軟件COMSOL Multiphysics是一個(gè)用于模擬基于偏微分方程(PDEs)(科學(xué)原理的基本方程)的科學(xué)和工程應(yīng)用的人機(jī)交互式平臺(tái)，可以對(duì)多耦合物理場(chǎng)問題進(jìn)行模擬，并使用最新的求解器快速而精準(zhǔn)的求解復(fù)雜的問題，使得抽象的物理現(xiàn)象變成直觀的圖像，目前已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

2 套管對(duì)井間電磁測(cè)井的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)探究

利用comsol軟件建立的全空間模型如圖1所示。在半徑為10m的球體內(nèi)進(jìn)行模擬仿真，該球體內(nèi)的介質(zhì)設(shè)置為空氣，球內(nèi)放置兩根4m長(zhǎng)的銅管，模擬間隔距離為10m時(shí)在空氣中發(fā)射與接收的情況。

圖1 全空間模型Fig.1 Full－space model

具體參數(shù)為:銅套管長(zhǎng):4m;內(nèi)徑:24mm;外徑:30mm;相對(duì)磁導(dǎo)率:1;電導(dǎo)率:5.998e7[s/m];全空間介質(zhì)(空氣):相對(duì)磁導(dǎo)率:1;電導(dǎo)率:0.000 01[S/m];相對(duì)介電常數(shù):1;給發(fā)射套管施加的激勵(lì):20A，頻率為1 000Hz。得到電場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 均勻地層電場(chǎng)分布Fig.2 Uniform electric field distribution stratum

2.1 頻率變化對(duì)接收電勢(shì)的影響

由于給發(fā)射套管施加的發(fā)射電流頻率大小對(duì)套管接收電勢(shì)影響較大。當(dāng)給套管施加20A的電流且套管間距為10m時(shí)，電流頻率由1Hz逐漸增加到3 000Hz，套管接收的電勢(shì)值如表1所示。其中，V是接收套管所接收到的總電壓，Vmax是接收套管所接收到的最大電壓。

由表1可知，套管接收的電勢(shì)隨著頻率的增大而減小，當(dāng)頻率大于1 000Hz時(shí)，套管接收的電勢(shì)基本不變趨近于零，說明套管對(duì)高頻電磁波有屏蔽作用，在高頻段可以接收到的信號(hào)能量很小。

2.2 井間距變化對(duì)接收電勢(shì)的影響

當(dāng)給套管施加20A的電流，頻率為1 000Hz時(shí)，井間距由0.1m變化至10m時(shí)，套管接收電勢(shì)值如表2所示。

表1 頻率與電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Frequency correspondence between the electrical potential

圖3 頻率變化對(duì)接收電勢(shì)的影響Fig.3 Frequency change of the received electric potential

表2 井間距與電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Well spacing and the corresponding relationship between the potential

由表2可知，隨著井間距離的增加，套管接收到的最大電勢(shì)值隨之減小。且當(dāng)井間距離小于5m時(shí)，套管接收電勢(shì)值急劇減小，當(dāng)井間距離大于5m時(shí)，套管接收電勢(shì)基本不變且趨近于零。因此在實(shí)際井間電磁測(cè)井時(shí)，盡量縮小井間距來獲得較大的套管接收電勢(shì)值。

圖4 井間距變化對(duì)接收電勢(shì)的影響Fig.4 Well distance change of the received electric potential

2.3 電流變化對(duì)接收電勢(shì)的影響

當(dāng)井間距為10m，施加電流頻率為1 000Hz時(shí)，當(dāng)電流由1A變化至20A時(shí)，套管接收的電勢(shì)變化如表3所示。

表3 電流與電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.3 Current correspondence between potential

由此可知，在井間距和頻率都不變的情況下，隨著發(fā)射套管施加電流的增大，套管接受的最大電勢(shì)值也單調(diào)增大。電流變化對(duì)接收電勢(shì)的影響如圖5所示。

圖5 電流變化對(duì)接收電勢(shì)的影響Fig.5 Current changes the potential of the receiving

顯然，給套管施加的電流越大，接受套管得到的電勢(shì)值就越大，在實(shí)際井間電磁測(cè)井中，增加發(fā)射套管電流大小以獲得較大的電勢(shì)值。

2.4 地層電導(dǎo)率變化對(duì)接收電勢(shì)的影響

當(dāng)頻率為1 000Hz，施加電流為20A時(shí)，當(dāng)?shù)貙与妼?dǎo)率由0.000 5 S/m變化至6 S/m時(shí)，套管接收的電勢(shì)值如表4所示。

表4 地層電導(dǎo)率與電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.4 Formation conductivity corresponding relationship with potential

由表4可知，在給發(fā)射套管施加的電流大小 和頻率都不變的情況下，隨著地層電導(dǎo)率的增大，套管能接收到的最大電勢(shì)值也隨之減小。尤其在低電導(dǎo)率的情況下，對(duì)套管接收的電勢(shì)影響尤為明顯，接收電勢(shì)的變化率也最大。因此在實(shí)際電磁測(cè)井中，應(yīng)選擇電導(dǎo)率相對(duì)較小的地層，以便獲得較大的套管接收電勢(shì)值。

圖6 地層電導(dǎo)率對(duì)接收電勢(shì)的影響Fig.6 Formation conductivity potential impact on the receiving

3 結(jié)論

1)當(dāng)發(fā)射頻率大于一定頻率時(shí)，套管中的電磁場(chǎng)幾乎完全被套管吸收，電磁波信號(hào)無法穿過套管進(jìn)入地層。在低頻段進(jìn)行測(cè)井工作將獲得較大的套管接收電勢(shì)值。

2)套管接收電勢(shì)隨著井間距的增大而急劇減小，大于一定值時(shí)，套管接收電勢(shì)值幾乎為零?？s短井間距離將獲得更大的套管接收電勢(shì)值。

3)套管接收電勢(shì)隨著給發(fā)射套管接收電流的大小而單調(diào)增大。提高發(fā)射電流的大小即可以得到較大的套管接收電勢(shì)值。

4)接收電勢(shì)隨著地層電導(dǎo)率的增大而減小，大于一定值時(shí)，接收套管幾乎接收不到發(fā)射套管發(fā)來的電磁波。應(yīng)盡量選擇地層電導(dǎo)率較小的地層進(jìn)行測(cè)井工作。

致謝:本文在實(shí)驗(yàn)過程中，得到了西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黨瑞榮教授的悉心指導(dǎo)，在此表示誠(chéng)摯的感謝。

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