《地球物理测井方法》第5章感应测井课件

1、第5章 感应测井（Induction Logging）1（北京）本科生课程地球物理测井方法第1页，共110页。2第2页，共110页。Cement AnnulusCementing Quality InformationBorehole Wall Texture/Fracture Geological InformationInvaded Zone Formation Parameters DistributionUndisturbed Zone Formation Parameters DistributionBorehole Fluids 3-D/3-Phase/Dynamic Inform

2、ationCasing WallCasing Quality/Engineering InformationFluids Identification and Evaluation 第3页，共110页。感应测井普通电阻率测井、侧向测井方法只有在井内介质导电时才能使用感应测井用交流电的互感原理(电磁场）测量地层的电导率感应测井对淡水泥浆、电阻率中到低的地层有较好的应用价值，在淡水砂泥岩剖面得到广泛的应用4第4页，共110页。法拉第（Faraday）电磁感应定律磁通量与磁感应强度的关系Maxwell方程组中电磁感应定律微分形式SJ电磁感应定律知识回顾 M. Faraday 1791-1867J.

3、C. Maxwell 1831-1879 5本构关系第5页，共110页。1 感应测井原理电磁感应现象6第6页，共110页。一、井下仪器下井仪 线圈系 发射线圈T 接收线圈R 振荡器（20kHz ）放大器相敏检波器7第7页，共110页。二、原理的定性描述1. 给 T 供正弦交变电流IT 3. 1在R中产生一次感应电动势Vx 在地层中产生涡流IL 4.交变电流IL产生二次交变电磁场2 5.2在R中产生二次感应电动势VR 2. 在周围产生一次交变电磁场1126.VR与地层电导率有关8第8页，共110页。一次感应电动势Vx与二次感应电动势VR相差90oVR与VX的相位关系9第9页，共110页。10H.

4、G. Doll（19021991）第10页，共110页。三、Doll几何因子理论1.单元环的概念：将地层分割成无数个以井轴为中心，截面积很小，半径不同的圆环，这些圆环的平面与井轴垂直，可把这些圆环看成导电线圈，称之为地层单元环（Ground Loop）11第11页，共110页。2.Doll几何因子理论概述(1)线圈系周围介质由无数个单元环组成(2)发射线圈引起的涡流分别在单元环中流动 (3)每个单元环都单独存在，且在接收线圈中产生感应电动势de（二次电动势）(4)接收线圈中感应电动势VR是所有单元环的de之和 ：假设单元环的电磁场之间互不发生作用假设电磁波瞬间便可通过地层(即时场)12第12页

5、，共110页。3. 用Doll几何因子理论导出VR 在通过z的子午面上，用drdz面积元表示单元环以线圈中点为坐标原点，井轴为z轴，建柱坐标系r z 设介质关于z轴旋转对称取一个半径为r的单元环，在柱坐标系中，r=常数，z=常数，=常数13第13页，共110页。（1）单元环中感应电动势de、涡流dI（磁通量） H（磁场强度） 磁偶极子14第14页，共110页。1) 磁偶极子的偶极距MM的方向为载流线圈平面法线方向，即井轴方向 式中：nT发射线圈匝数 sT发射线圈面积 I发射电流的电流强度 15第15页，共110页。HRPO2)M在部分球面上任一点的磁场强度矢径方向的分量HR为： 3)通过部分球

6、面的磁通：球面上面积元 ：16第16页，共110页。17第17页，共110页。4)单元环的感应电动势de：18第18页，共110页。5)单元环中涡流dI：由欧姆定律： 单元环的电阻r环： 19第19页，共110页。毕奥萨伐尔定律：圆形电流上电流元dl在轴线上任一点P处（离电流元距离为R）的磁感应强度dB为： (2)接收线圈中感应电动势de dB20第20页，共110页。1)接收线圈处磁场强度Hz（z方向的）单元环上的dl，在R处的磁场强度 dH 的值为： dH的方向：在Z轴与R的平面上，且垂直于R 21第21页，共110页。整个单元环中涡流在P点的磁场强度z分量为： 22第22页，共110页。

7、2)接收线圈中磁通（磁通链数nR） (一匝线圈的) 接收线圈是串联的nR匝线圈，磁通总和 ：23第23页，共110页。3)接收线圈中感应电动势de 24第24页，共110页。K 线圈系系数g单元环几何因子（Doll微分几何因子）25第25页，共110页。根据三角形的正弦定律 :26第26页，共110页。 微分几何因子的三维图 通过T中心和R中心的圆弧上,由于不变,g值保持不变,即等“g”线是通过T和R的圆弧。g的最大值在以L为直径的半圆上:27第27页，共110页。4)接收线圈中总的电动势VR若介质是均匀无限大的,则可以证明： 28第28页，共110页。Operating Principle

8、- PhysicsThe AC current sent through transmitter coil generates an alternating magnetic fieldThe field induces currents in the formation, which flow in circular ground-loop paths coaxial with the transmitter coil. These ground-loop currents, in turn, create magnetic fields that induce signals in the

9、 receiver coil. The induced receiver signals are proportional to the formation conductivity.29第29页，共110页。. 视电导率（非均匀介质）30第30页，共110页。5. g (Doll微分几何因子)的物理意义 均匀介质： 一个单元环在R中产生的电动势全空间的所有单元环在R中产生的全部电动势31第31页，共110页。非均匀介质： g是截面积为1的单元环真电导率对视电导率贡献的百分比（相对贡献大小） 如截面积（单元环）drdz=1，则： g是截面积为1的单元环的电动势占均匀无穷介质全空间电动势的百分比

10、 ，单元环的位置不同， g的大小不同32第32页，共110页。（1）接收线圈处一次磁场的磁场强度（z方向）: （2）接收线圈中磁通x :4. 用Doll几何因子理论导出VX 33第33页，共110页。（3） Vx信号:（互感电动势）由几何因子理论得到Vx与电导率无关VR与Vx相位相差900L=1m,f=20kHz, =1S/m,双线圈34第34页，共110页。一、双线圈系的探测特性1.横向微分几何因子grgr的物理意义：半径为r、厚度为dr=1的无限长圆筒状介质对测量结果的相对贡献2 感应测井仪(线圈系)探测特性定义:数学表达式K(k)、 E(k)为第一及第二类完全椭圆积分35第35页，共11

11、0页。0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 =r/LLgr0.80.70.60.50.40.30.20.1a.半径不同的圆筒介质对测量结果的相对贡献不同b.=r/L=0.45 达到极大值，说明=0.45 处介质对测量结果贡献最大=0.45c.要增大探测深度，需增大线圈距 L36第36页，共110页。（2）横向积分几何因子定义：物理意义：表示半径为r的无限长圆柱介质对测量结果相对贡献探测深度(半径)定义：Gr=0.5时的圆柱体半径37第37页，共110页。横向积分几何因子曲线0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Gr 1.00.90.80.70.60.5

12、0.40.30.20.1r(m)a. 因 gr0，故Gr是随r单调递增的 b.当r=0,Gr=0;r,Gr=1,即全空间几何因子为1 Gr=0.5的圆柱体半径约0.8m（探测半径)38第38页，共110页。2.纵向探测特性（1）纵向微分几何因子（z轴原点在线圈系中点）定义：物理意义：表示纵坐标为z，厚度为dz=1的无限延伸的水平状介质对测量结果相对贡献39第39页，共110页。（a）T,R之间地层gz最大(1/2L),之外的介质贡献按1/z2 减小；（b）gz决定纵向分辨率，要提高纵向分辨率,使 gZ 曲线的峰窄而且高，要求L要小。(=z/L)40第40页，共110页。（2）纵向积分几何因子定

13、义：物理意义：表示厚度为2z的无限延伸的平板状介质对测量结果的相对贡献，及围岩的影响（如Gz=80%，说明厚度为2z的地层贡献占80%，围岩影响占20% ）。41第41页，共110页。 Gz曲线与Gr相似，单调递增，z,Gz10 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Gz1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1Z(m)纵向积分几何因子曲线42第42页，共110页。 探测深度浅（r=0.8m) 分辨率低(h=2m，Gz=0.7) 无用信号比有用信号幅度高几十甚至上千倍3.双线圈探测特性结论：双线圈系不是实用的线圈系43第43页，共110页。44第44页，共110页。发

14、射接收 -7-7R3R2R1T325002000400600+/-3 59320.80.9T1T2800R3R2R1T325002000400600+/-3 5932T1T2800R3R2R1T325002000400600+/-3 5932T1T2800R3R2R1T325002000400600+/-3 5932+100-25+100-25二、复合线圈系设计原理0.8米六线圈系有Lm个双线圈系，复合线圈系的VR是Lm个双线圈系VR的叠加45第45页，共110页。T1R1主线圈对，各100匝T2R2补偿线圈对，各25匝，减小井影响，增加探测深度T3R3聚焦线圈对，各7匝,提高分层能力，减小围

15、岩影响匝数正负规定：绕向与主发射线圈一致的发射线圈，为正，否则为负；绕向与主接收线圈一致的接收线圈，为正，否则为负 0.8米六线圈系46第46页，共110页。1.复合线圈系的视电导率aL个发射线圈，m个接收线圈，共有Lm个双线圈对（1）复合线圈系的 VR47第47页，共110页。(2)复合线圈系的线圈系系数 K为了归一化48第48页，共110页。(3)复合线圈系的视电导率49第49页，共110页。50第50页，共110页。(4)复合线圈系单元环微分几何因子51第51页，共110页。2.复合线圈系设计基本原理(1)确定主线圈（线圈距L、匝数n）a.考虑分辨率，一般 L2m，半幅点对应地层界面；H

16、Rt） 86第86页，共110页。三、感应测井的应用(1)应用条件：淡水泥浆,砂泥岩剖面,储层为中低阻,中厚层(2)双感应-聚焦测井组合仪 包括：ILD（深感应） ILM（中感应） 浅聚焦（八侧向LL8或球形聚焦SFL）87第87页，共110页。a 划分岩性剖面：H2m，半幅点对应地层界面b 确定Rt SwaRt井眼、侵入、围岩-层厚校正88第88页，共110页。89第89页，共110页。实际测井曲线90第90页，共110页。4 阵列感应测井简介阵列感应成像测井仪的主要特点： 采用几种不同的工作频率，以控制探测深度，并扩大了电阻率测量的动态范围 使用阵列线圈系（一个发射，多组接收），同时测量

17、R信号和X信号 采用“软件聚焦”方法获得3-4组具有相同垂直分辨率，5-6条不同探测深度的电阻率曲线 经处理，可得电阻率径向变化的图像 91第91页，共110页。聚焦原理（软件合成） 92第92页，共110页。地层信号、测量信号与处理信号之间的关系合成测井曲线原理93第93页，共110页。阵列感应数据处理 采用软件聚焦，即利用多个线圈阵列在不同井眼深度测量的原始读数进行加权求和，得到阵列感应合成曲线。AIT软件聚焦合成原理示意图94第94页，共110页。阵列感应测井分辨率与探测深度95第95页，共110页。主要阵列感应测井仪器AIT：Array Induction Imager ToolHRA

18、I：High Resolution Array Induction toolHDIL：High-Definition Induction LogMIT：Multi-frequency Induction ToolAFIT：Array Focused Induction Tool主要特点：线圈型仪器；软件聚焦合成曲线；提供不同分辨率和探测深度的多条曲线。96第96页，共110页。阵列感应测井仪器 独立的8组接收线圈共用一个发射线圈 三种工作频率：26.325kHz、52.65kHz和105.3kHz 测量28个原始实分量和虚分量信号 对各信号按不同的权值进行软件聚焦 得到三种纵向分辨率（1ft、

19、2ft、4ft），五种不同探测深度的视电阻率曲线 （10in.、20in.、30in.、60in.、90in.)AIT-B型仪器97第97页，共110页。其后推出H型仪器，长度明显缩短，结构略有变化，仅用一种频率，经过软件聚焦后，同样可以得到三种纵向分辨率和五种探测深度的合成曲线。三种纵向分辨率是1ft、2ft和4ft；五种探测深度为10in.、20in.、30in.、60in.和90in.。AIT-H型仪器98第98页，共110页。HDIL线圈系分布 7个主线圈距分别为： 6in.(0.15m)到94in.(2. 39m) ， 按对数等间距布置； 8种频率：10kHz，30kHz，50kHz

20、，70kHz ，90kHz，110kHz ，130kHz，150kHz；在每个深度点实际测量112个信号；三种纵向分辨率：1ft、2ft和4ft；六种探测深度：10in.、20in.、30in.、60in.、90in.和120in.。99第99页，共110页。 HRAI线圈系分布 主发射线圈在中间，上下各5组接收线圈四线圈系结构2种频率：8kHz和32kHz 三种纵向分辨率：1ft、2ft和4ft；六种探测深度：10in.、20in.、30in.、60in.、90in.和120in.。100第100页，共110页。未处理的阵列信号和经过井眼校和软件聚焦后得到的计算结果101第101页，共110页。阵列感应测井三种分辨率合成曲线的比较102第102页，共110页。AFIT 测井曲线实例 103第103页，共110页。油田AIT应用实例（一个非常薄的泥岩层把高阻薄气层与上面的水层隔开，电阻率降低揭示出该薄泥岩层的存在。） 含气层104第104页，共110页。HRA