基于瞬变多分量感应测井的前视远探测方法

本发明涉及油气勘探开发领域，属于感应测井方法范畴，具体的说是涉及一种基于瞬变多分量感应测井的前视远探测方法。

背景技术：

1、目前，常规随钻感应测井仪器的地质导向功能主要是在大斜度井/水平井中对仪器上下界面的环视探测，而地质导向另一方面的重要内容在于对钻头前方地质结构的前视探测。前视探测时仪器与界面法向之间的夹角(井斜角)较小，限制了仪器采用“伪前视”探测方法进行探测时的环视能力。

2、基于时谐源激励的随钻感应环视测井和前视测井在储层评价和地质导向中发挥着重要功能，但是这类测井仪器仍面临诸多方面的挑战，主要表现为：

3、(1)必须通过降低工作频率、增大源距的方式提高仪器的探测深度，使得仪器源距过长导致不同发射接收短节之间信号同步困难的问题；

4、(2)基于时谐源激励的感应测井仪对前方空间的敏感性明显小于对周向空间的敏感性，导致前视探测的信噪比低，制约着前视电磁波仪器的发展。

5、banning(2008)首次提出了利用瞬变多分量感应测井确定地层倾角的方法；hagiwara(2012)进一步对利用瞬变多分量感应测井快速计算地层倾角和各向异性进行了研究，同时证明了该方法对地层界面的远探测能力；swidinsky和weiss(2017)提出了既作为发射又作为接收的电缆瞬变电磁测井线圈系结构，并基于烟圈理论研究了二次场在地层中的扩散过程，合理解释了视电阻率曲线的响应规律。综上可得，理论上瞬变感应测井具有前视远探测的能力，但是，目前国内外鲜有关于这方面的报道，缺少对于瞬变感应测井应用于前视远探测的工作原理、发射接收天线的组合布置方式、信号定义方式以及对钻前和井周地质构造的响应特征等方面的基础研究。

6、因此，亟需通过研究瞬变多分量感应测井的前视远探测能力，建立一种基于瞬变多分量感应测井的前视远探测方法，指导随钻地质导向。

技术实现思路

1、针对储层评价和地质导向中前视探测效果差的问题，本发明提出了一种基于瞬变多分量感应测井的前视远探测方法，提高了钻前地层结构的前视远探测能力，具有良好的应用前景。

2、本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

3、基于瞬变多分量感应测井的前视远探测方法，包括如下步骤：

4、步骤1，建立前视远探测随钻地质导向模型，包括地层模型和瞬变多分量感应测井仪器模型，用于模拟瞬变多分量感应测井仪器在地层内测量的响应；

5、步骤2，将前视远探测随钻地质导向模型中的地层模型设置为均匀地层模型，利用前视远探测随钻地质导向模型模拟瞬变多分量感应测井仪器在均匀地层中的测量过程，得到瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势曲线，验证瞬变多分量感应测井仪器具有前视远探测能力；

6、步骤3，将前视远探测随钻地质导向模型的地层模型设置为典型地层电阻率模型，在典型地层电阻率模型中利用瞬变多分量感应测井仪器模型模拟得到不同源距条件下瞬变多分量感应测井仪器的响应后，再将前视远探测随钻地质导向模型的地层模型设置为均匀地层模型，在均匀地层模型中利用瞬变多分量感应测井仪器模型模拟得到不同井斜角、井径和泥浆电阻率条件下瞬变多分量感应测井仪器的响应，分析源距、井斜角、井径和泥浆电阻率对瞬变多分量感应测井仪器响应的影响；

7、步骤4，确定瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势与晚期视电阻率之间的关系，生成瞬变多分量感应测井测试曲线，构建全区视电阻率反演的目标函数，基于晚期视电阻率计算公式和全区视电阻率反演算法，利用瞬变多分量感应测井测试曲线反演得到全区视电阻率，并验证全区视电阻率反演的准确性。

8、优选地，所述步骤1中，根据实际地层参数和瞬变多分量感应测井仪器的仪器结构，建立前视远探测随钻地质导向模型，包括地层模型和瞬变多分量感应测井仪器模型，所述地层模型内设置有井眼和多个层状地层，相邻两个层状地层的接触面为地层界面，井眼内充填有泥浆，所述瞬变多分量感应测井仪器模型置于地层模型的井眼中，用于模拟随钻过程中瞬变多分量感应测井仪器在地层内的响应；

9、所述瞬变多分量感应测井仪器模型采用多分量发射接收模式测量，瞬变多分量感应测井仪器模型内部设置有由发射线圈系和接收线圈系组成的发射接收天线结构，其中，发射线圈系由三个相互正交的发射线圈组成，接收线圈系由三个相互正交的接收线圈组成，发射线圈系与接收线圈系之间距离为瞬变多分量感应测井仪器模型的源距；以瞬变多分量感应测井仪器模型中发射线圈系的中心作为坐标原点，沿平行于地层界面方向设置x轴、沿垂直于地层界面方向设置z轴，构建三维空间坐标系(x，y，z)，将前视远探测随钻地质导向模型置于三维空间坐标系中，所述瞬变多分量感应测井仪器模型的发射接收天线结构能够同时测量得到各方向上感应电动势的分量，包括感应电动势在xx方向、yy方向、zz方向、xy方向、xz方向、yx方向、yz方向、zx方向和zy方向上的分量。

10、优选地，所述实际地层参数包括地层厚度、地层电阻率、泥浆电阻率以及井斜角、井径尺寸。

11、优选地，所述步骤2中，具体包括以下步骤：

12、步骤2.1，将前视远探测随钻地质导向模型中的地层模型设置为均匀地层模型，确定地层模型中井眼内的泥浆电阻率和地层电阻率，设置前视远探测随钻地质导向模型中瞬变多分量感应测井仪器模型的源距；

13、步骤2.2，将前视远探测随钻地质导向模型中瞬变多分量感应测井仪器模型的源距设置为固定值，改变地层模型的地层电阻率，利用前视远探测随钻地质导向模型分别模拟各地层电阻率条件下瞬变多分量感应测井仪器在均匀地层中的测量过程，得到不同地层电阻率条件下瞬变多分量感应测井仪器的响应，计算瞬变多分量感应测井仪器模型中发射接收天线结构所测量感应电动势在zz方向上的分量vzz(t)，确定瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势曲线；

14、步骤2.3，将地层模型的地层电阻率设置为固定值，改变瞬变多分量感应测井仪器模型的源距，利用前视远探测随钻地质导向模型分别模拟各源距条件下瞬变多分量感应测井仪器在均匀地层中的测量过程，得到不同源距条件下瞬变多分量感应测井仪器的响应，根据瞬变多分量感应测井仪器模型中发射接收天线结构所测量感应电动势在zz方向上的分量vzz(t)，确定瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势曲线；

15、步骤2.4，通过分析不同地层电阻率条件和不同源距条件下瞬变多分量感应测井仪器模型中发射接收天线结构所测量的zz分量感应电动势曲线，验证瞬变多分量感应测井仪器具有前视远探测能力。

16、优选地，利用前视远探测随钻地质导向模型模拟瞬变多分量感应测井仪器在地层中的测量过程时，瞬变多分量感应测井仪器模型中发射线圈系采用下阶跃信号源作为激励源，模拟得到均匀地层中瞬变多分量感应测井仪器的响应，基于频时转换方法和逆拉普拉斯变换法求解瞬变多分量感应测井仪器的响应，计算瞬变多分量感应测井仪器中发射接收天线结构所测量感应电动势在zz方向上的分量vzz(t)，得到瞬变多分量感应测井仪器所测量的zz分量感应电动势曲线。

17、优选地，所述步骤3中，具体包括以下步骤：

18、步骤3.1，将前视远探测随钻地质导向模型中的地层模型设置为典型地层电阻率模型，设置地层模型中各层状地层的电阻率值、地层厚度、井径和泥浆电阻率，将井斜角设置为0°后，设置前视远探测随钻地质导向模型中瞬变多分量感应测井仪器模型距离地层模型底面之间的距离dtb，改变瞬变多分量感应测井仪器模型的源距，利用前视远探测随钻地质导向模型模拟获取不同源距下瞬变多分量感应测井仪器的响应，得到不同源距下瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势曲线，分析源距对瞬变多分量感应测井仪器所测量zz分量感应电动势的影响，确定瞬变多分量感应测井仪器的最优源距；

19、步骤3.2，将步骤3.1所构建前视远探测随钻地质导向模型中瞬变多分量感应测井仪器模型的源距设置为最优源距，设置前视远探测随钻地质导向模型中瞬变多分量感应测井仪器模型距离地层模型底面之间的距离dtb、地层模型中各层状地层的电阻率值、井径和泥浆电阻率，改变地层模型中井眼的井斜角，利用前视远探测随钻地质导向模型模拟获取不同井斜角条件下瞬变多分量感应测井仪器的响应，得到不同井斜角条件下瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势曲线，分析井斜角对瞬变多分量感应测井仪器所测量zz分量感应电动势的影响；

20、步骤3.3，将前视远探测随钻地质导向模型中的地层模型设置为均匀地层模型，设置前视远探测随钻地质导向模型中瞬变多分量感应测井仪器模型的源距设置为最优源距，将地层模型的地层电阻率和井径设置为固定值，改变地层模型中井眼内的泥浆电阻率，利用前视远探测随钻地质导向模型模拟获取不同泥浆电阻率下瞬变多分量感应测井仪器的响应，得到不同泥浆电阻率条件下瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势曲线，分析泥浆电阻率对瞬变多分量感应测井仪器所测量zz分量感应电动势的影响；

21、步骤3.4，将步骤3.3所构建前视远探测随钻地质导向模型中地层模型的地层电阻率和井眼内的泥浆电阻率设置为固定值，改变地层模型内的井眼尺寸，利用前视远探测随钻地质导向模型模拟获取不同井径下瞬变多分量感应测井仪器的响应，得到不同井径下瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势曲线，分析井径对瞬变多分量感应测井仪器所测量zz分量感应电动势的影响。

22、优选地，所述均匀地层模型中所有层状地层的电阻率相同，且均匀地层模型中井眼垂直于层状地层，井斜角设置为0°。

23、优选地，所述典型地层电阻率模型设置为d型地层电阻率模型，d型地层电阻率模型由上层水平地层和下层水平地层构成，其中，上层水平地层和下层水平地层的厚度均设置为无限大，且上层水平地层的电阻率值大于下层水平地层的电阻率值。

24、优选地，所述步骤4中，具体包括以下步骤：

25、步骤4.1，根据瞬变多分量感应测井仪器的结构，确定均匀同向地层中所测量的zz分量感应电动势为：

26、

27、式中，vzz(t)为瞬变多分量感应测井仪器所测量的感应电动势在zz方向上的分量，n为线圈匝数，s为线圈面积，m为磁矩，m＝is，i为通电电流，l为瞬变多分量感应测井仪器的源距，μ为磁导率，t为时间，θ为中间参数；

28、基于泰勒展开，当时间t为无穷大时，得到瞬变多分量感应测井仪器所测量的感应电动势为：

29、

30、式中，v(t)为时间t时瞬变多分量感应测井仪器所测量的感应电动势；

31、步骤4.2，根据瞬变多分量感应测井仪器所测量的感应电动势，确定晚期视电阻率与瞬变多分量感应测井仪器所测量感应电动势之间的关系为：

32、

33、式中，rlate-time为晚期视电阻率；

34、步骤4.3，设置前视远探测随钻地质导向模型中地层模型的地层参数和瞬变多分量感应测井仪器模型的源距，利用前视远探测随钻地质导向模型模拟得到瞬变多分量感应测井仪器的zz分量感应电动势，并输入公式(1)中计算得到瞬变多分量感应测井测试曲线；

35、步骤4.4，根据均匀同向地层中瞬变多分量感应测井仪器所测量的zz分量感应电动势，令将公式(1)改写为：

36、

37、式中，为优化参数，y为核函数，

38、根据公式(4)，结合瞬变多分量感应测井仪器所测量感应电动势的观测值，构建全区视电阻率反演的目标函数，如公式(5)所示：

39、

40、式中，va(t)为瞬变多分量感应测井仪器实际测量的感应电动势，为全区视电阻率反演的目标函数；

41、由于全区视电阻率反演的目标函数为非线性函数，基于全区视电阻率反演的目标函数的单调性，采用halley方法进行迭代优化，根据瞬变多分量感应测井测试曲线反演全区视电阻率；

42、所述迭代优化过程中，每次迭代计算时更新优化参数为：

43、

44、式中，为第n+1次迭代计算后的优化参数，为第n次迭代计算后的优化参数；

45、每次迭代更新后，若全区视电阻率反演的目标函数值不为零，则将全区视电阻率反演的目标函数值与预设精度值进行比较，若全区视电阻率反演的目标函数值为零，则进入步骤4.5中；

46、当全区视电阻率反演的目标函数值不为零时，若全区视电阻率反演的目标函数值小于预设精度值，则进入步骤4.5中，否则，则继续更新优化参数；

47、步骤4.5，停止反演计算，结束对优化参数的更新，并根据各时间所对应的优化参数，结合晚期视电阻率与瞬变多分量感应测井仪器所测量感应电动势之间的关系，确定全区视电阻率，如公式(7)所示：

48、

49、步骤4.6，将步骤4.5中反演计算的全区视电阻率与地层参数中设置的地层电阻率进行比较，验证瞬变多分量感应测井仪器应用于指导前视远探测的准确性。

50、本发明具有如下优点：

51、本发明提出了一种基于瞬变多分量感应测井的环视远探测方法，基于瞬变多分量感应测井仪器内同轴的发射线圈系和接收线圈系，利用瞬变多分量感应测井所测量的感应电动势，基于全区视电阻率反演将时域感应电动势转换为时域视电阻率，实现了对地层不同时刻瞬变多分量感应测井仪器所处地层空间处地层电阻率的准确获取，克服了现有技术中利用时谐源激励的随钻电磁波前视测井仪在储层评价和地质导向中存在信号同步困难、敏感性差、信噪比的问题，实现了对钻前地层结构的前视远探测。