一种基于电磁散射的井周界面探测方法与流程
本发明涉及电磁波测井技术领域，具体地说是一种基于电磁散射的井周界面探测方法。
背景技术：
地质导向钻井是油气高效开发重要手段，及早探得和预测井周界面是导向钻井的关键。传统电磁波测井仪器发射接收天线同轴布置，探测范围仅为2～3m，且不具有方位探测能力。方位电磁波仪器，在多频、多源距基础上，采用同轴/倾斜/共面天线，实现对电磁场各分量的测量，边界探测范围可达到5～6m。目前，电磁波测井一般根据发射和接收天线的几何关系分辨地层，即为了增加探测深度，须降低工作频率、增大天线源距，以致具有远探测边界能力的仪器过长，并信号同步困难，对施工工艺和现场应用要求很高。
电磁波在传播过程中遇到井周界面会发生电磁散射，但现阶段较少重视提取井周界面的电磁散射信息，而采用电磁波测井通常利用接收信号的相位变化或幅度衰减刻画介质宏观电学属性，弱化了对井周界面远距离探测能力。
井中测量信号是一次场和散射场的叠加，散射信号相对一次场弱很多，因此，研究如何优化天线结构和参数，压制井眼地层背景一次场，提高异常体散射信噪比，对井周界面探测具有重要意义。
技术实现要素：
本发明针对现有井周界面探测方法存在的电磁散射信号利用不充分等不足，提供一种基于电磁散射的井周界面探测方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种基于电磁散射的井周界面探测方法，包括以下步骤：
(1)建立地层模型及界面信息提取方式
采用单发双收同轴天线结构，该天线结构由一个发射天线和两组接收天线组成，其中一组接收天线倾斜布置，每组接收天线均包括两个接收天线，该两个接收天线对称分布在发射天线两侧且到发射天线距离相等；求取两组接收天线信号差异强度，将其作为井周界面的识别标志；
(2)优化天线参数
根据步骤(1)中求取接收天线信号差异来探测界面的方法，研究不同因素对该方法探边能力的影响，所述因素包括发射频率、源距和倾角；分析不同因素下数值模拟结果，找到井周界面探测的最优参数；
(3)根据步骤(2)中得到的井周界面探测的最优参数进行模拟，针对不同倾角和距离条件下的地层模型进行数值模拟，建立同轴天线和倾斜天线的交会图，横坐标为同轴天线信号差异强度，纵坐标为倾斜天线信号差异强度；根据交会数据落点位置，确定界面的相对位置。
优选的，步骤(1)中：发射天线的发射频率选取400khz，发射天线到倾斜接收天线的源距为1m，地层模型包括介质i和介质ii，介质i电阻率为100ω·m，介质ii电阻率为10ω·m。
优选的，步骤(1)中，接收天线信号差异强度的求取方法如下：利用矢量电位法进行一维层状介质正演模拟算法研究，将线圈等效为磁偶极子源，界面在坐标原点处，其电磁场空间分布可看成由水平磁偶极子源和垂直磁偶极子源单独产生场的叠加；
式(1)中，fi为第i层的矢量电位，
根据感应电动势和矢量电位关系求得：
式(2)中，e为感应电动式，▽为哈密顿算符。
优选的，步骤(2)中频率的优化方法为：使用源距为1m的单发双收天线结构，天线结构与界面垂直，针对各向同性地层，探讨多频率下天线系统的探边特性；介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率分别选取200khz、400khz、800khz和1mhz，采用步骤(1)的方法提取差异信号，分析不同频率条件下的探测特性，确定探边能力与发射频率的关系，从而找到最优的探测频率。
优选的，步骤(2)中源距的优化方法为：使用单发双收天线结构源距分别选取0.5m、1m、1.2m和2m，天线结构与界面垂直，针对各向同性地层，探讨不同源距下天线系统的探边特性；介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率选用800khz发射信号；采用步骤(1)的方法提取差异信号，分析不同源距条件下的探测特性，确定探边能力与源距的关系，从而找到最优的源距。
优选的，步骤(2)中倾角的优化方法为：使用源距为1m的单发双收天线结构，天线结构与界面夹角变化，针对各向同性地层，探讨不同倾角下天线系统的探边特性；介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率选用800khz发射信号，采用步骤(1)的方法提取差异信号，分析不同倾角条件下的探测特性，确定探边能力与倾角的关系，从而找到最优的倾角。
优选的，步骤(3)中：连接不同倾角曲线上同一深度点的差异信号数据点，将交会图分为若干区域，每一区域代表井周界面的不同位置。
本发明的有益技术效果是：
本发明井周界面探测方法，充分考虑了电磁散射场对井周界面探测效果的影响，利用对称接收天线的幅度差表示电磁散射信号，实现了井周界面的快速识别，并利用两组天线结构的组合完成了井周界面相对位置的确定。本发明提出的利用电磁散射识别井周界面的方法，识别方法简单，效果明显。与现有技术相比，本发明利用对称天线结构完成散射场信号的测量，而散射波具有更好的刻画地层细节的能力，因此本发明井周界面探测方法，识别效果简洁，可以准确的判断界面的位置，在相同线圈距条件下，探测范围明显大于传统边界探测方法。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明采用单发双收同轴天线结构及所建立地层模型示意图(图中d为边界探测距离、l为发射天线到仪器前端距离、d为前探距离；图中接收天线r1和r2距发射天线t距离为0.8m；接收天线r3和r4距发射天线t距离为1m)；
图2为本发明具体实施例的两接收天线的幅度和相位信号；
图3为本发明具体实施例的信号的幅度差和相位差曲线；
图4为本发明具体实施例的差异信号与频率关系图；
图5为本发明具体实施例的差异信号与源距关系图；
图6为本发明具体实施例的差异信号与倾角关系图；
图7为本发明具体实施例的识别界面位置交会图。
具体实施方式
本发明的目的是构建一种提取井周界面电磁散射信号，增加探测范围的方法。本发明采用对称天线结构设计，提取井周异常体散射信号，根据不同发射频率、源距、倾角下信号响应特征，利用接收天线信号幅度差获得地层界面信息。本发明实施用于井周界面的探测，根据本发明提供的对称接收的天线结构对散射场进行测量，通过对散射场的分析完成边界探测。本发明的探测方法可以获取界面散射信号，散射信号可以更好的刻画井周界面，因此，该方法物理意义更明确，探边效果更好。相对传统探测方法忽略散射信号的做法，本发明探测方法在一定程度上解决了散射信号的利用问题，更为有效。下面进行详细说明。
一种基于电磁散射的井周界面探测方法，具体包括以下步骤：
(一)建立地层模型及界面信息提取方式
本发明采用单发双收同轴天线结构，该天线结构由一个发射天线和两组接收天线组成，其中一组接收天线倾斜布置，另一组接收天线与发射天线平行布置(同轴天线)，每组接收天线均包括两个接收天线，该两个接收天线对称分布在发射天线两侧且到发射天线距离相等。求取两接收感应电动势的差值，将其作为井周界面的识别标志。当仪器离地层界面较远时，两接收天线的信号幅度和相位完全相同；当仪器靠近地层界面时，两接收天线中信号差异增大。
(二)优化天线参数
根据步骤(一)中求取接收天线信号差异来探测界面的方法，研究不同因素对该方法探边能力的影响，主要包括发射频率、源距和倾角。以数值模拟为手段，找到边界探测的最优参数。
(三)确定界面相对位置
以步骤(二)中得到的井周界面探测最优天线参数为基础，得到不同倾角和距离的地层边界模型，建立对称的同轴天线和倾斜天线差异信号的交会图，横坐标为同轴天线差异信号强度，纵坐标为倾斜天线差异信号强度。连接不同倾角曲线上同一深度点的差异信号数据点，将交会图分为若干区域，每一区域代表井周界面的不同位置，根据交会数据落点位置，确定界面的相对位置。
上述步骤(一)中，发射天线的发射频率选取400khz，发射天线到倾斜天线的源距为1m，介质i和介质ii电阻率别为100ω·m和10ω·m，获得差异信号的方法为：
利用矢量电位法进行一维层状介质正演模拟算法研究，将天线线圈等效为磁偶极子源，界面在坐标原点处，其电磁场空间分布可看成由水平磁偶极子源和垂直磁偶极子源单独产生场的叠加。
式(1)中，fi为第i层的矢量电位，
根据感应电动势和矢量电位关系求得：
上述优化天线参数的方法中，频率的优化方法为：使用发射天线到倾斜天线的源距为1m的单发双收天线结构，仪器与界面垂直，针对各向同性地层，探讨多频率下天线系统的探边特性。介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率分别选取200khz、400khz、800khz和1mhz。采用步骤(一)的方法提取差异信号，分析不同频率条件下的探测特性，确定探边能力与发射频率的关系，从而找到最优的探测频率。
上述优化天线参数的方法中，源距的优化方法为：使用单发双收天线结构源距(发射天线到倾斜天线的距离)分别选取0.5m、1m、1.2m和2m，仪器与界面垂直，针对各向同性地层，探讨多频率下天线系统的探边特性。介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率选用800khz发射信号。采用步骤(一)的方法提取差异信号，分析不同源距条件下的探测特性，确定探边能力与源距的关系，从而找到最优的源距。
上述优化天线参数的方法中，倾角的优化方法为：使用发射天线到倾斜天线的源距为1m的单发双收天线结构，仪器与界面夹角变化，针对各向同性地层，探讨不同倾角下天线系统的探边特性。介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率选用800khz发射信号。采用步骤(一)的方法提取差异信号，分析不同倾角条件下的探测特性，确定探边能力与倾角的关系，优化天线结构。
采用单发四收天线结构来确定井周界面的相对位置：使用源距为1m倾斜天线结构以及0.8m的同轴天线结构，针对各向同性地层，采用步骤(一)的方法提取两组差异信号。不断改变仪器与地层的夹角并进行模拟，将模拟的同轴天线差异信号和倾斜天线差异信号制成交会图，把曲线上同一深度点的差异信号数据点相连，根据交会数据落点所在区域来确定界面的相对位置。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种基于电磁散射的井周界面探测方法，包括以下步骤：
步骤一
图1为本发明提供的一种基于电磁散射进行井周界面探测的单发双收同轴天线结构及地层模型示意图。
如图1所示，采用的井周界面单发双收同轴天线结构包括：一个发射天线和四个接收天线，天线匝数均为1，其中一组接收天线与发射天线同轴设置，另一组接收天线与发射天线呈45°夹角，接收天线对称分布在发射天线两侧，且每组内两接收天线到发射天线的距离均相等。地层模型采用各向同性层状地层，仪器与界面呈一定夹角。
图2为本发明所采用单发双收同轴天线结构中接收天线中的接收信号的幅度和相位信号。
如图2所示，发射信号频率为400khz，介质i和介质ii电阻率别为100ω·m和10ω·m，井眼与地层界面垂直。当仪器离地层界面较远时，两接收天线主要受到经过地层发射信号的影响，接收信号幅度和相位完全相同；当仪器靠近地层界面时，两接收天线受到来自界面处电磁散射的影响逐渐增强，导致信号差异逐渐增大。
图3为本发明所采用天线结构中接收天线的幅度差和相位差曲线。
如图3所示，求取图2中两接收天线原始信号的差值，通过幅度差和相位差信号来进行井周界面的识别。发射天线在界面附近时，接收天线的信号差异达到峰值，其中信号幅度差约为7×10-7v，相位差约为4°；界面在仪器之前9m，或界面在仪器之后4.3m，幅度差异降为1×10-9v。目前国外仪器的信号强度分辨能力为10nv，若适当增加天线匝数，该方法对界面探测范围可到达十几米。
步骤二
在相同地层模型不同发射频率条件下，研究该天线结构对边界探测能力的变化规律。线圈距为1m，介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率分别选取200khz、400khz、800khz和1mhz。采用步骤(一)的方法提取差异信号，分析不同频率条件下的探测特性，从而确定探边能力与发射频率的关系。如图4所示，随着信号频率增大，接收天线信号差幅度明显增大，且信号变化率也明显加大，有利于信号检测，但也造成探测范围减小，不利于对界面的远探测。因此，发射信号的频率应该选择800khz较为合适。
在相同地层模型不同源距条件下，研究该天线结构对边界探测能力的变化规律。线圈距分别选取0.5m、1m、1.2m和2m，分别针对高阻地层和低阻地层情况，探讨多源距下天线系统的探边特性。介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率选用800khz发射信号。采用步骤(一)的方法提取差异信号，分析不同源距条件下的探测特性，从而确定探边能力与源距的关系。如图5所示，随着源距增大，幅度差异信号峰值逐渐减小，但源距增大，信号衰减变小，故离开界面位置较远时，接收天线信号差异较大，而使探测范围加大。但探测范围并不随源距成比例的增加，因此，源距应在1m范围内选取。
在相同地层模型不同倾角条件下，研究该天线结构对边界探测能力的变化规律。线圈距为1m，介质i、ii的电阻率分别为100ω·m和10ω·m，供电频率选用800khz发射信号。该天线结构与地层的夹角分别为5度、15度、30度、45度、60度、75度和90度。采用步骤(一)的方法提取差异信号，分析不同倾角条件下的探测特性，从而确定探边能力与倾角的关系。如图6所示，当仪器与地层垂直时，接收天线差异信号幅度最大，随着夹角的减小，信号幅度和探边距离(地层界面到发射天线的距离)都显著降低。因此，增加一对倾斜天线加强对径向信号的测量。
步骤三
根据步骤(二)中得到的井周界面探测的最优参数进行模拟，采用单发四收的天线结构在不同倾角条件下建立井周界面识别交会图。模拟条件为介质i的电阻率为100ω·m、介质ii电阻率为10ω·m，倾斜天线源距取1m、同轴天线源距取0.8m，发射频率选取800khz。为了求取界面位置，分别测量四个接收天线中的感应电动势，并求取两组接收线圈中的差异信号制成交会图，交会图以同轴天线差异信号强度作为横坐标，以倾斜天线差异信号强度为纵坐标。在识别井周界面的相对位置时只需测量同轴线圈和倾斜线圈的信号差异，根据差异信号交会数据落点位置，确定界面与天线结构的夹角和垂直距离。
使用本发明井周界面探测方法进行边界的探测，可以准确的确定界面的相对位置，有助于提高勘探开发效率。
以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。
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