1、测 井 技 术WELL LOGGING TECHNOLOGYVol.46 No.6 Dec 2022第46卷 第6期 2022年12月文章编号：10041338（2022）06066907随钻方位电磁波成像快速反演 算法研究及应用陈鹏1，2，王珺1，2，耿尊博3，和丽真1，2，杨国华1，2，祝环芬1，2（1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院，陕西 西安710077；2.中国石油天然气集团有限公司测井技术试验基地，陕西 西安 710077；3.中国石油集团测井有限公司地质研究院，陕西 西安710077；）摘要：传统电磁波仪器只能测量地层电阻率，为弥补传统电磁波仪器方位探测能力的不足，研制了
2、随钻方位电磁波成像测井仪。随钻方位电磁波成像测井仪能够探测距离井眼10 m以内的储层边界，为了快速高效地测出边界位置以及计算仪器与边界之间的探边距离，研发了一种在主动地质导向中进行地层边界预测的快速反演算法。快速反演算法的计算速度参考地面数据采集软件所需的最快速度，反演参数的地质约束也内置于反演过程中，采取4个方面的措施来实现计算效率。现场应用表明，快速反演算法可获取轨迹上方和下方的地层电阻率剖面，以及储层的岩性和流体类型信息。快速反演算法能够通过正确映射井筒周围的储层边界，根据倒置的窗帘图和其他测量结果优化钻井轨迹，实现主动的地质导向，满足测井需求。关键词：随钻测井；方位电磁波电阻率成像测井
3、仪；快速反演；边界探测；地质导向中图分类号：P631.84 文献标识码：ADoi:10.16489/j.issn.10041338.2022.06.005Research and Application of Fast Inversion Algorithm for MWD Azimuth Electromagnetic Wave ImagingCHEN Peng1,2,WANG Jun1,2,GENG Zunbo1,2,HE Lizhen1,2,YANG Guohua1,2,ZHU Huanfen1,2(1.Logging Technology Research Institute,Chin
4、a National Logging Corporation,Xian,Shaanxi 710077,China;2.Well Logging Technology Pilot Test Center,China National Petroleum Corporation,Xian,Shaanxi 710077,China;3.Geological Research Institute,China National Logging Corporation,Xian,Shaanxi 710077,China;)Abstract:The traditional electromagnetic w
5、ave instrument can only measure the formation resistivity.In order to make up for the lack of azimuth detection ability,an azimuth electromagnetic wave imaging logging instrument while drilling is developed.The MWD azimuth electromagnetic wave imaging logging tool can detect the reservoir boundary w
6、ithin 10 m from the borehole.In order to quickly and efficiently determine the boundary and calculate the edge detection distance between the tool and the boundary,a fast inversion algorithm for predicting the formation boundary in the active geosteering is developed.The calculation speed of the fas
7、t inversion algorithm refers to the fastest speed required by the surface data acquisition software,and the geological constraints of inversion parameters are also built into the inversion process.In order to achieve computational efficiency,four measures are taken.Field application shows that the f
8、ast inversion algorithm can obtain the formation resistivity profile above and below the track,and obtain the lithology and fluid type information of the reservoir.The fast inversion algorithm can correctly map the reservoir boundary around the wellbore,optimize the drilling trajectory according to
9、the inverted curtain map and other measurement results,achieve active geological guidance,and meet the logging requirements.Keywords:logging while drilling;azimuth electromagnetic wave imaging logging tool;fast inversion;boundary detection;geosteering基金项目：中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“高温高压随钻方位电磁波成像测井技术研究
10、”（2015B-4016）；中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“高温高压随钻成像测井仪器研制”（2021DJ3902）第一作者：陈鹏，男，1963 年生，教授级高级工程师，硕士，从事随钻测导系统研究工作。E-mail：chenp_2022年测 井 技 术670 0 引 言随钻电磁波电阻率测井是钻井作业中获取地层电阻率资料的一种重要手段，该方法利用电磁波在地层中传播幅度的衰减和相位的变化来反映地层电阻率1。传统电磁波测井仪器只能测量地层电阻率，为弥补方位探测能力的不足，实现主动的地质导向与储层评价，国内外公司基于倾斜线圈或正交线圈的仪器结构，推出了随钻方位电磁波测井仪器，如斯伦贝谢
11、公司的Periscope仪器、贝克休斯公司的Azitrak仪器以及哈里伯顿公司的ADR仪器。本文研究的随钻方位电磁波成像测井仪是中国石油集团测井有限公司和中国科学院共同研制的6 m探边仪器，该仪器通过测量电磁波在地层边界产生的反射强度、相位变化来反映地层边界参数，通过方位天线接收地层边界的反射电磁波实现边界探测2。随钻方位电磁波成像测井仪因具有方向敏感性，且探测范围广，而被广泛应用于地质导向中，其为钻井施工、储层评价提供了丰富、精确的信息。本文介绍随钻方位电磁波成像测井仪，并研究了与其相关的快速反演算法。该仪器能够同时响应来自多个薄层的贡献，具有良好的薄层分辨率和较深的探测范围，可以观察和确定
12、距仪器10 m以外的围岩或油水界面。数据反演算法不但能够在4个界面进行薄层分辨，还能兼顾数据处理的速度。而且数据处理时可以在移动计算设备上实现快速反演，以满足钻井进尺进度。1 仪器介绍1.1 测量原理随钻方位电磁波成像测井仪可同时提供电磁波能量和到达的方向信息。发射天线发射电磁波能量的传播方向分为2部分：能量沿井孔方向传播，经测量处理后，得到常规的电磁波电阻率测井响应，这部分能量没有方向信息，不能给出远地层边界相对井孔的方位；能量沿井周方向传播，当仪器逼近地层边界时，该部分能量经地层边界反射后，以一定夹角穿过仪器所在位置，这部分反射能量中的径向分量（垂直于仪器轴线方向），其传播方向取决于地层边
13、界相对于仪器的方位。当地层边界位于仪器上方时，反射能量中的径向分量自上而下穿过仪器；当地层边界位于仪器下方时，反射能量中的径向分量自下而上穿过仪器；当地层边界位于其他方位时，反射能量中的径向分量也作相应变化。因此，通过测量反射能量中的径向分量，并结合仪器的测量信息，可准确判断地层边界相对于仪器的距离和方位3。1.2 测量方式随钻方位电磁波成像测井仪的天线系统示意图见图1。该仪器包含5组发射天线（T1、T2、T3、T4、T5）、5组接收天线（R1、R2、R3、R4、R5）。方位天线采用正交组合模式，共有4种工作频率，从低到高分别为f1、f2、f3、f4。该仪器的测量方式分为电阻率测量与地质信号测
14、量方式。钻x z T5 T1 R3 T2 R1 R2 T3 R4 T4 R5图1 仪器天线系统示意图1.2.1 电阻率测量电阻率测量提供地层电阻率参数，该参数是储层物性评价的基础。随钻方位电磁波成像测井仪的基本测量天线为一发双收的天线，发射天线发射单频时谐信号 4，接收天线接收信号的相位与幅度，相位差与幅度比定义为PVVDR1R2=-argarg（1）AVVTTR1R2=20lg/（2）式中，PD为相位差，rad*；ATT为幅度比，无量纲；VR1为接收天线R1的电动势，V；VR2为接收天线R2的电动势，V。1.2.2 地质信号测量仪器旋转过程中，通过测量不同井周方位的信号响应获得地质信号。地质
15、信号反映地层界面距离和方位的测量信号，测量值主要受邻层相关属性对比度的影响。在常规天线基础之上，增加正交天线，可以同时测量接收天线处电磁场zz分量与zx（xz）分量（见图2）。图2 正交发射接收天线示意图对于正交型天线结构，z为仪器轴向方向，x为正交接收天线法线方向，一般定义仪器测量得到的电压Vzx为地质信号。VHzxzx=i（3）式中，Vzx为电压，V；为角频率，rad/s；为导磁率，H/m；Hzx为磁场强度，T。*非法定计量单位，1 rad=（180/）（）陈鹏，等：随钻方位电磁波成像快速反演算法研究及应用第46卷 第6期671 1.3 响应特性通过数值模拟得到相位差、幅度比与地层电阻率的
16、转换图版（见图3）。利用转换图版，可得相位差电阻率、幅度比电阻率。图3中，T1T4AH为发射天线T1和T4补偿后的高频相位差信号，T2T3PM为发射天线T2和T3补偿后的中频幅度比信号。其中，T1T4代表长源距、T2T3代表短源距、P代表相位差、A代表幅度比、H代表高频、M代表中频。随着地层电阻率的增加，相位差和幅度比的信号均逐渐减小，幅度比降至固定值后趋于平稳。将相位差0.1、幅度比0.02 dB作为测量截止值，则相位差电阻率最大测量范围为0.13 000.0 m，幅度比电阻率最大测量范围为0.1100.0 m。0.11101001 00010 0000.010.1110100 T1T4PH T1T4PM T2T3PH T2T3PM0.11101001 00010 000051015202530 T1T4AH T1T4AM T2T3AH T2T3AM电阻率/（m）电阻率/（m）幅度比/dB相位差/（）图3 相位差、幅度比与地层电阻率的转换图版（a）相位差与电阻率的转换图版（b）幅度比与电阻率的转换图版10310210110010310210110010-110-110-110-110
