电磁随钻测量系统的适应性分析方法技术方案

本发明专利技术属于石油钻井、矿产开发及地质勘探领域。本发明专利技术建立了一种电磁随钻测量系统的适应性分析方法，系统地分析了地层特性、井筒环境、井眼轨迹、地面环境对电磁信号传输的影响，从而对一个地区或一口井进行电磁随钻测量系统的适应性分析。随着气体钻井和充气钻井等低压欠平衡钻井技术推广应用，本发明专利技术具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

Adaptive analysis method of electromagnetic MWD system

The invention belongs to the field of petroleum drilling, mineral exploitation and geological exploration. The invention relates to an electromagnetic measurement while drilling system established the adaptability analysis method, the influence of formation characteristics, borehole environment, well trajectory and ground environment on the electromagnetic signal transmission system analysis, analysis of electromagnetic adaptation of an area or a well drilling measurement system. With the popularization and application of low pressure underbalanced drilling technology such as gas drilling and gas drilling, the invention has important practical significance and broad application prospect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油钻井、矿产开釆及地质勘探领域，本专利技术尤其涉及一种电 磁随钻测量系统的适应性评价方法。
技术介绍
目前，在定向钻井施工中普遍釆用钻井液脉冲方式的随钻测量系统(MWD)。 然而，对于气体钻井及充气钻井，由于流体的可压缩性强，无法产生有效的脉 冲信号。电;兹随钻测量系统(EM-MWD)是一种实现井下和地面信息通信的新技术， 基本上不受钻井液介质的影响，具有信号传输速率高、测量时间短、结构简单 、成本低等诸多优势，适用于在气体、泡沫、雾化、充气等钻井液中使用。 20世纪70年代初，实用型EM-丽D系统研制成功后，在钻井工程中并未得到广 泛的应用，其主要原因是EM-MWD系统的适应性受到一定的限制。由于地层是 EM-MWD系统的信道组成部分，而地层是不均匀的，地层电阻率的分布近乎于随 机，大地水平分层及钻井液、套管层次的存在及地面井场存在的电磁干扰导致 电磁随钻测量系统处于非常复杂的电磁环境中，给确定电磁随钻测量系统的适 应性带来了极大的困难。由于电磁随钻测量系统受多方面因素的影响，电磁随 钻测量系统的适应性很难确定。当决策者考虑是否使用电磁随钻测量系统时， 很难确定准备钻井的地区或是准备开钻的一 口井是否能够使用电磁随钻测量系 统来进行随钻测量井底信息。因此，必须研究电》兹随钻测量系统的适应性评价 方法。目前，只有一些电磁随钻测量系统中有关电磁信号传输理论的研究成果， 分析了电磁随钻测量的基本原理，缺少对于复杂环境下电磁随钻测量系统的适 应性评〗介方法。现有技术其中1.《随钻测量电》兹信道分析的等效传输线法》(电波科学学报95年10巻第 3期)只考虑了均匀地层，没有考虑钻井实际工况下钻井液，套管，地层不均匀 性对电磁随钻测量的影响。只是电磁传输理论的分析，没有对电磁随钻测量的 适应性的评价。不能用来评价电磁随钻测量系统的适应性。2. 《随钻测量电磁传输信道研究》(电波科学学报97年5月第40巻第3期) 也是只考虑了均匀地层，没有考虑钻井实际工况下钻井液，套管，地层不均勻性对电磁随钻测量的影响。只是电磁传输理论的分析，没有对电磁随钻测 量的适应性的评价。不能用来评价电磁随钻测量系统的适应性。3. 《Electromagnetic field due to a loop antenna in a borehole》 IEEE 96, 34巻。分析地层中环形天线。采用等效波数等效简化边界条件，将柱向分层煤质 -钻井液去掉的方法。再利用微扰法和佳点积分法求取环形的场。该方法可以 分析地层中的环形天线，电磁随钻测量系统如果采用环形天线传输距离很短。 实际电磁随钻测量系统采用的是非对称的偶极子天线。因此与本专利技术无关。另 外采用等效波数简化边界条件，简化了问题可精度上受到影响。不能用来评价 电;兹随钻测量系统的适应性。4. 《金属套管中的钻杆天线》(电波科学学4艮92年9月第7巻第3期) 讨论了套管存在情况下钻杆天线的信道，导出了地面测量电位的计算公式。分套管内外套管对钻杆天线传输信道的影响进行了分析。讨论的钻杆天线指的 是穿孔外接金属环形式的钻杆天线，所做的分析研究建立在该种形式的钻杆天 线上。但是该种钻杆天线结构只能在静止状态下在井底进行传输。在石油钻井 过程中，转盘转动，钻具在井底剧烈运动，使该种结构破坏。因此这种结构天 线在石油钻井中没有实用性。而本专利技术所述的电石兹随钻测量系统采用的是绝缘 接头绝缘形成非对称偶极子天线的结构。5. 《E. M. MTO Data Transmission Status and Perspectives》(石油工 程师协会25686 ),介绍了电磁随钻测量系统的原理，建立了对信号衰减进行估 计的快速估算法。介绍了电磁随钻测量系统的大的组成部分，现场应用的情况。 该方法认为信号在油井上的传播如同在同轴电缆的传播，井筒起波导管的作用。 该种估算法没有考虑钻井液的影响。套管对传输的影响非常复杂，该估算法考 虑套管只采用波导管因子，误差大和实际工况差距很远，不能用来评价电磁随 钻测量系统的适应性。6. 《Numerical solution to the current integral equations of a boundarypenetrating antenna》电波科学学报[J]. 2000， 15 (4) 506-511.将地层 分为土层岩层，在已有的三层媒质中透层天线电流积分方程基础上，给出了电 流积分方程中索末菲积分的低频近似解析公式给出了物理解释。利用三项式全 电流域电流基函数，求得了透层天线的输入阻抗。采用静态场近似方法，求出 了透层天线在地面上电场分布。但实际钻井过程中存在的钻井液、套管地层分 层没有考虑和实际工况差距4艮远，不能用来评价电^兹随钻测量系统的适应性。7. 《Electric dri 11-string telemetry》journa 1 of computational physics 2003 ,导出任意分层媒质中垂直偶极子的格林函数的基础上，给出了建立垂直透层天线Hallen积分方程的一般方法。对地下三层媒质进行了数值计算。考 虑了地层分层并对地下三层纟某质进行了数值分析。但是却没有考虑钻井液、套 管。和实际工况差距^f艮远，不能用来评价电^f兹随钻测量系统的适应性。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中存在的技术问题，建立了一套电磁随钻测量系 统的适应性分析方法，系统地分析了地层特性(地层电阻率等)、井筒环境(钻井 液、套管等)、井眼轨迹、地面环境(井场发电机等)等对电磁信号传输的影响， 得到了 一些影响规律，从而可以对一个地区或一 口井进行电磁随钻测量系统的 适应性评价。本专利技术为了实现专利技术目的，
技术实现思路
为，所述分析方法用于通过地层特性、 井筒环境、井眼轨迹、地面环境对电石兹信号传输的影响，/人而对一个地区或一 口井进行电磁随钻测量系统的适应性评估；所述分析方法包括(l)理想条件下电石兹随钻测量系统的适应性影响分析步骤 所述理想条件为在不考虑地层的不均匀性，套管，钻井液条件下，取地层 为均匀有耗介质；可得地表面上钻杆与距离钻杆x处两点的接收电压为<formula>formula see original document page 12</formula>其中。,和g, c分别表示传输线单位长度的串联电阻、串联电感、并 联电导和并联电容；k为复波数，b为钻杆半径，、^为传输线模型的等效 半径；x为地面接收电极间距；P为地面上两点在径向的距离； 〃。， ， 分别为磁导率、介电常数和电导率。为时谐电磁场的角频率，r为金属钻杆的壁厚，&， ^分别为地层和钻杆的电阻率；Z。i为特征阻抗，^'为传播常数，a为常系数；下标1和下标2分别表示钻杆的井下电极；(2)钻井液对电磁随钻测量系统的适应性的影响分析步骤在实际钻井中存在着钻井液，所述钻井液对电磁随钻测量传输系统的工作存在一定的影响；可得，地面上钻杆与距离钻杆x处两点的接收电压为式中，其中，b为钻杆半径，(b「b)为泥浆层厚度，d为上段等效传输线的等效半 径，'为下段等效传输线的等效半径；am , pj占杆电阻率和电导率；c7 p h ， 本文档来自技高网...

【技术保护点】
电磁随钻测量系统的适应性分析方法，所述分析方法用于通过地层特性、井筒环境、井眼轨迹、地面环境对电磁信号传输的影响，从而对一个地区或一口井进行电磁随钻测量系统的适应性评估；　所述分析方法包括：　（１）理想条件下电磁随钻测量系统的适 应性影响分析步骤：　所述理想条件为在不考虑地层的不均匀性，套管，钻井液条件下，取地层为均匀有耗介质；　可得：地表面上钻杆与距离钻杆ｘ处两点的接收电压为：　Ｖ↓［ｒ］（ｘ）＝－∫↓［ｂ↓［１］］↑［ｘ］Ｅ↓［ρ］ｄρ＝ωμ↓ ［０］γ↓［０１］Ｖ↓［１２］／２ａＺ↓［０１］ｋ↑［２］ｅ↑［－γ↓［０１］ｈ↓［１］］［Ｈ↓［０］↑［（１）］（ｋｂ－Ｈ↓［０］↑［（１）］（ｋｘ）］　其中：ｒ，ｌ和ｇ，ｃ分别表示传输线单位长度的串联电阻、串联电感、并联电导和并联 电容；ｋ为复波数，ｂ为钻杆半径，ｂ↓［１］，ｂ↓［２］为传输线模型的等效半径；ｘ为地面接收电极间距；ρ为地面上两点在径向的距离；μ↓［０］，ε↓［０］，σ↓［０］分别为磁导率、介电常数和电导率。ω为时谐电磁场的角频率，τ为金属钻杆的壁厚，ρ↓［ｆ］，ρ↓［ｍ］分别为地层和钻杆的电阻率；Ｚ↓［０１］为特征阻抗，γ↓［０１］为传播常数，ａ为常系数；下标１和下标２分别表示钻杆的井下电极；　（２）钻井液对电磁随钻测量系统的适应性的影响分析步骤：　在实际钻井中存在着钻井液， 所述钻井液对电磁随钻测量传输系统的工作存在一定的影响；　可得，地面上钻杆与距离钻杆ｘ处两点的接收电压为　Ｖ↓［ｒ］（ｘ）＝－∫↓［ｂ↓［１］］↑［ｘ］Ｅ↓［ρ］ｄρ＝ωμ↓［０］γ↓［０１］Ｖ↓［１２］／２ｃＺ↓［０１］ｋ↓［２ ］↑［２］ｅ↑［－γ↓［０１］ｈ↓［１］］［Ｈ↓［０］↑［（１）］（ｋ↓［２］ｂ↓［１］－Ｈ↓［０］↑［（１）］（ｋ↓［２］ｘ）］　式中，　ｋ↓［２］↑［２］＝ω↑［２］μ↓［０］（ε↓［２］＋ｊσ↓［２］／ω）　其中，ｂ 为钻杆半径，（ｂ↓［１］－ｂ）为泥浆层厚度，ｄ为上段等效传输线的等效半径，ｄ′为下段等效传输线的等效半径；σ↓［ｍ］，ρ↓［ｍ］钻杆电阻率和电导率；σ↓［１］，ρ↓［１］，ε↓［１］，μ↓［１］分别为钻井液的电阻率，电导率，介电常数，磁导率；ｃ为常系数；　（３）套管对电磁随钻测量系统的适应性的影响分析步骤：　在实际钻井过程中不仅存在钻井液的形成的柱面分层，而且还存...

【技术特征摘要】
1电磁随钻测量系统的适应性分析方法，所述分析方法用于通过地层特性、井筒环境、井眼轨迹、地面环境对电磁信号传输的影响，从而对一个地区或一口井进行电磁随钻测量系统的适应性评估；所述分析方法包括(1)理想条件下电磁随钻测量系统的适应性影响分析步骤所述理想条件为在不考虑地层的不均匀性，套管，钻井液条件下，取地层为均匀有耗介质；可得地表面上钻杆与距离钻杆x处两点的接收电压为<maths id=math0001 num=0001 ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>r</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>-</mo><msubsup> <mo>&Integral;</mo> <msub><mi>b</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>x</mi></msubsup><msub> <mi>E</mi> <mi>&rho;</mi></msub><mi>d&rho;</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>&omega;</mi><msub> <mi>&mu;</mi> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>&gamma;</mi> <mn>01</mn></msub><msub> <mi>V</mi> <mn>12</mn></msub> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>a</mi><msub> <mi>Z</mi> <mn>01</mn></msub><msup> <mi>k</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msub> <mi>&gamma;</mi> <mn>01</mn></msub><msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></msup><mrow> <mo>[</mo> <msubsup><mi>H</mi><mn>0</mn><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </msubsup> 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【专利技术属性】
技术研发人员：刘修善，侯绪田，涂玉林，杨春国，高炳堂，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]