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在油气资源领域，测井被誉为地质家的“眼镜”，帮助地质家回答油气勘探开发中的６个基本问题，即：地下是否有油气？有多少油气？是否可开采？能开采多久？开采效率如何？下一口井应该布在哪里？测井的应用贯穿油气勘探开发的全过程，成为石油工程技术服务的主干技术之一。
针对岩石的电、声、放射性、光等物理特性，发展了一项又一项测井技术，主要包括自然电位、自然伽马、感应、侧向、声波、密度、中子等常规测井技术系列。
随着勘探开发的逐步深入，面对页岩、致密砂岩、碳酸盐岩等复杂储层，阵列感应、阵列侧向、微电阻成像、超声成像、多极子阵列声波、核磁共振等成像测井技术系列成为主导。
国外代表性公司有斯伦贝谢的ＭＡＸＩＳ－５００成像测井系统、贝克休斯的ＥＣＬＩＰＳ－５７００成像测井系统、哈里伯顿的ＥＸＣＥＬＬ－２０００成像测井系统。
国内有中国石油测井的ＥＩＬＯＧ快速成像测井系统。
什么是侧向测井在上述诸多测井方法中，电法测井是确定地质参数的重要手段之一。
电法测井主要有感应、侧向两大类，本文重点介绍一下侧向测井的发展历程。
在高矿化度泥浆和高阻地层的井中，由普通电极系供电电极流出的电流，几乎全部在井内、低阻围岩中流动，很少流入目的层。
为了减小泥浆的分流作用和低阻围岩的影响，提出了侧向测井。
52侧向测井与方位阵列测井仪■ 姜黎明侧向测井又叫聚焦式电法测井。
它的电极系中除了主电极之外，上下各有一个屏蔽电极，从主电极和屏蔽电极流出同极性电流。
由于电流极性相同，它们之间有相互排斥作用，主电极流出的电流被“挤压”成近似垂直于井壁的盘状流入地层。
这就大大降低了井筒和低阻围岩对视电阻率测量的影响。
侧向测井有起初的三侧向、七侧向发展为目前的双侧向、阵列侧向、方位阵列侧向。
方位阵列测井仪器研制成功从２０世纪９０年代开始，感应测井仪器有了重大进展，推出了阵列感应测井仪器，这促进了侧向测井仪器的进步和更新。
国内外投入了大量的人力物力进行研发。
１９９８年，斯伦贝谢推出了高分辨率阵列侧向测井仪器（ＨＲＬＡ），并设计出试验仪器用于现场测井，加快了阵列侧向的实用进程。
侧向测井原理
侧向测井是一种电法测井技术，其原理是通过测量地层中的电场分布来确定地层的电阻率。
在侧向测井中，使用三侧向测井电极系进行测量，该电极系由主电极A0和屏蔽电极A1、A2构成，电极呈圆棒状。
测量时，A0电极通以恒定电流I0，A1和A2电位通以屏蔽电流，通过自动调节，使得A1、A2电极的电位与A0电位相等。
这样，I0电流呈圆盘状沿径向流入地层，减小了井和围岩的影响，提高了纵向分层能力。
三侧向测井视电阻率曲线对地层中点呈对称形状，视电阻率极大值恰好位于地层中点。
为了能够进行组合测量，探测侵入带和原状地层的电阻率，又提出浅探测三侧向测井（简称浅三侧向）。
在实际操作时，通常采用组合测量方式，即将浅三侧向和微球形聚焦测井（简称微球）进行组合。
这种组合方式可以同时测量地层的真电阻率、侵入带电阻率和原状地层电阻率。
总之，侧向测井是一种有效的电法测井技术，能够提供地层的电阻率信息，为地质勘探和石油开发提供重要的帮助。
阵列侧向测井响应正演研究的开题报告
一、研究背景
随着油气勘探与开发的不断深入，地球物理勘探技术越来越成为一种必不可少的方法。
其中，测井技术是地震勘探和岩石物理勘探的重要手段之一，它可以提供有关井周地层的岩性、结构、物性等信息，为油气开采提供重要的数据支撑。
传统测井技术主要是通过单井测井来获取地层信息，但是由于单井测井具有空间局限性，无法反映地层空间连续性。
为了解决单井测井不能反映地层空间连续性的问题，阵列测井技术应运而生。
阵列测井采用多通道同时观测同一地层，能够提供更为完整的地层信息，能够较好地反映地层空间分布情况。
二、研究内容
本次研究的主要目的是探索阵列侧向测井响应正演模拟方法，在模拟阵列侧向测井响应时，融合了其它地球物理技术的数值模拟方法。
具体而言，研究内容包括以下两个方面：
1. 阵列侧向测井的响应正演方法研究
通过建立地质模型和阵列测井的物理模型，采用数值模拟方法进行阵列侧向测井响应的正演模拟。
并通过对模拟结果的比对和分析，探究与理论结果的一致性及模拟效果。
2. 地球物理技术融合模拟方法研究
在阵列侧向测井的响应正演模拟过程中，将其它地球物理技术引入模拟，包括地震勘探、电磁勘探等，研究融合方法对于阵列侧向测井响应正演的影响。
三、研究意义
阵列侧向测井是一种较新的地球物理探测技术，对于油气勘探开发
有着重要的意义。
本研究将阵列侧向测井响应正演模拟和地球物理技术
的融合方法相结合，有助于深入了解该技术的响应特性和优缺点，为阵
列侧向测井技术的应用提供科学依据和理论指导。
同时，本研究所采用
的数值模拟方法，可以为地质岩石物理学等领域的研究提供参考和支持。
第三章侧向测井在地层厚度较大、地层电阻率和泥浆电阻率相差不大的情况下,可以采用普通电阻率测井来求地层电阻率；但在电阻率很高的薄地层,或者在盐水泥浆的情况下,由于泥浆电阻率很低,使得电极流出的电流大部分都在井和围岩中流过,进入测量层的电流很少。
测量的视电阻率曲线变化平缓,不能用来划分地层岩性,无法确定岩层的真电阻率。
为了减小泥浆的分流作用和低阻围岩的影响,提出了侧向测井〔聚焦测井〕。
它的电极系中除了主供电电极之外,上、下还装有两个极性相同屏蔽电极。
主电流受上下屏蔽电极流出的电流的排斥作用,使得测量电流线垂直于电极系,成为沿水平方向的层状电流流入地层,这就大大降低了井和围岩对视电阻率的影响。
侧向测井的种类较多,有三侧向、七侧向、双侧向及微侧向、邻近侧向、微球形聚焦测井等。
第一节三侧向测井一、三侧向测井电极系不同电阻率测井法的区别,主要反映在它们的电极系上,所以研究侧向测井的原理,主要讨论这种电极系的工作原理。
三电极侧向测井简称三侧向测井,根据探测深度不同可以分为深三侧向电极系和浅三侧向电极系。
两种电极系的工作原理相同,以深三侧向为例介绍三侧向测井的工作原理。
1. 深三侧向电极系及其电场分布深三侧向测井电极系由三个金属圆柱体组成,它被绝缘材料分隔成三部分,中间的A0为主电极,两端的A1、A2为屏蔽电极,它们对称地排列在主电极两侧,且相互短路。
在电极系上方较远处设有对比电极N和回路电极B。
测量时,主电极A0和屏蔽电极A1、A2分别通以相同极性的电流I0和Is ,保持I0为一常数。
通过装置调节,使A1、A2的电位始终保持和A0的电位相等,沿纵向的电位梯度为零。
这就保证了电流不会沿井轴方向流动,而绝大部分呈水平层状进入地层,这样大大减小了井和围岩的影响,使三侧向具有较高的分层能力。
2. 浅三侧向电极系及其电场分布在三侧向测井中,为了准确了解径向电阻率〔如侵入带电阻率和原状地层电阻率〕的变化,提出了浅三侧向测井。
阵列感应测井方法和技术进展前言：就目前而言，测井的方法种类繁多，并且趋于系列化。
其基本的方法有电、声、放射性测井三种。
此外还有特殊方法，如电缆地层测试、地层倾角、成像、核磁共振测井。
当然还存在其他形式的测井方法，如随钻测井。
然而每种方法都只能反映岩层地质特性的某一侧面。
在实际运用中应当综合地应用多种测井方法。
[1] 阵列感应测井技术始于20世纪90年代初。
阵列感应测井技术的原理是利用阵列在接受线圈集中在一侧的好处可大大缩短仪器长度。
目前广泛应用的阵列感应测井有斯仑贝谢的AIT-A和AIT-H、Baker Altas的HDIL以及哈里伯顿的HRIA等。
与传统的双感应和双侧向相比，具有测量信息多、分辨率高、探测深度大、反映侵入直观等优点。
一、国内外研究及应用现状感应测井仪器经历了双感应测井、聚焦感应测井、阵列感应测井仪器等几个发展阶段[2]。
感应测井解决了淡水和油基泥浆井中的电阻率测量问题，由于早期的普通电阻率测井、侧向测井，只能在导电的泥浆中进行测量，有时为了获取地层原始含油饱和度信息，需要用油基泥浆或空气钻井，针对这个问题，1949年Doll提出了感应测井及其在油基泥浆井中的应用理论，该理论的根据是电磁感应原理。
如果忽略趋肤效应的影响，则依据电磁场Maxwell方程就可以推导出Doll几何因子表达式。
1962年研制出具有商用价值的双感应测井仪器，但是该测井仪器在实际应用中出现了很多问题，例如不能进行薄层分析，分辨率低，受井眼、侵入、围岩以及趋肤效应环境影响严重等，这些不足导致测井曲线不能反映实际的地层信息。
作为一维的测量和处理方法，传统的聚焦感应测井方法不能有效地消除二维的井眼、围岩，侵入等环境影响以及趋肤效应的影响。
为了解决测井方面遇到的问题，二十世纪九十年代出现了新的测井方法和测井仪器——阵列感应测井方法和阵列感应测井器。
该测井方法在测井过程中易于获取丰富的井下地层信息。
这种测井方法不仅能有效地消除二维的环境影响，获取地层的真电导率[3]，而且使感应测井的应用范围更广泛，进行薄层分析和复杂的侵入解释，对油气储藏的准确评价具有重要的作用。
第26卷第4期2003年8月 勘探地球物理进展Progress in Exploration G eophysicsVol.26,No.4Aug.,2003文章编号:167128585(2003)0420305204阵列侧向测井的正反演杨 韦华(石油大学,北京100083)摘要:在二维地层模型条件下,应用有限元方法模拟了阵列侧向测井的响应,通过与双侧向测井的响应进行对比,发现阵列侧向测井曲线能详细描述侵入剖面,且分辨率高。
利用阵列侧向测井提供的4条探测深度不同的曲线,联合反演侵入半径、侵入带电阻率和原状地层电阻率,具有很好的效果。
关键词:阵列侧向测井;双侧向测井;正反演;原状地层电阻率;侵入半径中图分类号:P63118 文献标识码:AFor w ard and inversion of array laterolog logging dataYang Wei(University of Petroleum,Beijing102249,China)Abstract:In22D formation model,finite element method(FEM)was used to simulate the res ponses of array laterolog (ALL).These responses can characterize the invasion section more clearer than dual laterolog(DLL).ALL can pro2 vide4logs that have different investigation depth.They can be used to inverse invasion radius,invasion zone resistivity and virgin zone resistivity.K ey w ords:array laterolog(ALL);dual laterolog(DLL);forward and inversion;virgin zone resistivity;invasion ra2 dius 由于受到井眼 侵入和围岩的影响电法测井的电阻率读数常常与地层真实的电阻率相差很大,在咸水泥浆侵入和薄互层中尤为严重。
为同时消除这些影响因素,恢复地层的真电阻率,电法测井反演方法成为首要的选择。
但该方法所需要的曲线往往不够或不匹配,由于双侧向测井只能提供两条电阻率曲线,假如要用双侧向测井响应反演侵入半径、侵入带电阻率和原状地层电阻率3个参数,就需要再输入至少一条浅探测的电阻率曲线,经常用的是微球或微侧向,而这些曲线的分辨率比双侧向的高得多。
此外,这些曲线也需要其他的正演程序,甚至需要三维的正演程序(微球的正演),这将使反演的速度很慢,甚至难以实现。
因此,实用的办法是用浅探测的电阻率曲线分层取值作为侵入带电阻率,但这样会带来一定的误差。
阵列侧向测井技术的出现,为这一问题的解决带来了希望。
不论是阿特拉斯公司的HDLL,还是斯仑贝谢公司的HRLA,都能提供多条不同探测深度而分辨率基本相同的曲线,这就为反演提供了匹配的数据[1,2]。
西安石油仪器厂也提出了命名为ALL(Array Laterolog Logging)的仪器设计方案,从响应曲线来看,它具有很好的探测特性[3]。
本文中,正演采用与该仪器相近的方案作为仪器的工作方式。
1 阵列侧向电极系及工作原理本文采用的阵列侧向电极系结构如图1所示。
采用4种工作模式获得4种不同探测深度的测量。
这4种不同探测深度的测量具有基本相同的分辨率,且分辨率较高。
图1 阵列侧向电极系结构1.1 浅探测方式AL1主电流电极为A0,屏蔽电流电极为A1(A1′),电流回路电极为A2(A2′),A3(A3′)和A4(A4′)。
A0和A1(A1′)分别提供同相位的电流,测井时使A0和A1(A1′)等电位,即V AO=V A1(A1′),A0电极的电流I0在A1(A1′)电极电流I1的屏蔽下,以垂直井壁的方向进入地层。
电流返回电极收稿日期:20030512。
作者简介:杨韦华(1967),男,博士,副教授,主要研究方向为电法测井的正反演。
基金项目:国家自然科学基金(40274018);CNPC重点课题。
A2(A2′),A2(A2′)与A0等距离,是与A0距离很近的电极,I 0在进入地层后不远即散开,探测深度浅。
1.2 中浅探测方式AL2主电流I 0由A0流出,屏蔽电流由A1(A1′),A2(A2′)流出,保持V A0=V A1(A1′)=V A2(A2′),屏蔽电流返回到A3(A3′)和A4(A4′)。
由于I 0进入地层较深才发散,故探测深度比AL1方式深。
1.3 中深探测方式AL3主电流I 0由A0流出,屏蔽电流由A1(A1′),A2(A2′),A3(A3′)流出,保持V A0=V A1(A1′)=V A2(A2′)=V A3(A3′),屏蔽电流返回到A4(A4′)。
由于I 0进入地层更深才发散,故探测深度比AL2方式又增加。
1.4 深探测方式AL4主电流I 0由A0流出,屏蔽电流由A1(A1′),A2(A2′),A3(A3′),A4(A4’)流出,保持V A0=V A1(A1′)=V A2(A2′)=V A3(A3′)=V A4(A4′),屏蔽电流返回到无穷远。
由于I 0进入地层更深才发散,故探测深度比AL3方式又增加。
2 正演模拟在二维柱坐标系下,对电场的计算通过用有限元法求如下泛函的极小来实现φ(Φ)=12∫∫Ωσr 5Φ5r 2+5Φ5z 2-∑EI EΦE (1)式中,I E ,ΦE 是各电极上的电流和电位。
对该泛函极小的计算在很多有限元的文献中都有很详尽的叙述[4,5],本文省略该内容。
图2是双侧向测井在无侵地层中的响应,图3是阵列侧向测井在无侵地层中的响应,可以看出,二者的响应基本一致,双侧向测井的两条曲线基本重叠,阵列侧向测井的4条曲线在高阻层中也基本重叠,反映地层有无侵的。
图4是双侧向测井在有图2 双侧向测井在无侵地层中的响应侵地层中的响应,图5是阵列侧向测井在有侵地层中的响应,可以看出,双侧向测井的两条曲线在大部分有侵地层中基本重叠,反映不出地层的侵入特性,而阵列侧向测井的4条曲线在有侵地层中明显分离,反映地层有无侵的。
因此,与双侧向测井相比,阵列侧向测井能详细地描述侵入剖面。
图3 阵列侧向测井在无侵地层中的响应图4 双侧向测井在有侵地层中的响应图5 阵列侧向测井在有侵地层中的响应3 快速整体反演方法如图6所示,考虑水平分层的二维地层模型,假设共有M 个层,每个层有一个侵入带电阻率,侵入半径和原状地层的真电阻率3个参数,分别记为R i 1,D i ,R i 2(i =1,2,…,M ),其中假定侵入带电阻603勘探地球物理进展 第26卷图6 整体反演的地层模型率R i 1(i =1,2,…,M )已知(实际资料处理中,可以用微球或微侧向等浅探测的电阻率测井方法分层值近似),每一层待反演的参数是侵入半径和原状地层的真电阻率两个参数,这样M 个层共有2M 个参数。
实际测量的深浅两条视电阻率曲线分别记为R ad (k ),R as (k )(k =1,2,…,n ),反演的目的是用这两条视电阻率曲线求每层的侵入半径和原状地层的真电阻率。
此问题可以归结为如下的最小二乘问题。
即极小化目标函数Q =∑2ni =1ωi[y i-f (x i ;b )]2(2)式中,x =(x 1,x 2,…,x 2n )代表除待反演参数之外的其他所有与正演有关的参数,包括不同位置时源的信息,y 表示可观察到的记录数据,y =(R ad (1),R as (1),……,R ad (n ),R as (n ))T ,b =(D 1,R 12,……,D M ,R M 2)T,是要反演的模型参数,f 表示由模型参数b 生成记录数据y 的正演算子。
由于正演算子是非线性函数,根据最小二乘准则,如下的方程组是非线性的,一般无法直接求解。
5Q5b j =0,(j =1,2,…,2M )(3) 如果根据先验知识给出模型参数b j 的初始猜测值b (k )=(b (k )1,b (k )2,…b (k )n ),将函数f (x ;b )=f (x ;b 1,b 2…b n )在该点附近作Taylor 展开,忽略二次及二次以上的项,得到线性化的函数f (x ;b 1,b 2,…b n )≈ f i +5f i 5b 1Δ1+5f i 5b 2Δ2+…+5f i5b 2M Δ2M(4)将(4)代入(2)中,由(3)可得∑2n i =1ωi 5f i 5b j 5f i 5b 1Δ1+5f i 5b 2Δ2+…+5f i5b 2M Δ2M=∑2ni =1ωi (y i -f i )5f i5b j(j =1,2,…,2M )(5)令a ij =5f i5b j,将式(5)用向量和矩阵表示,有b(k +1)=b(k )-A-1(y -f )(6)式中,A =(a ij )=5f 15b 1,5f 15b 2,……,5f 15b 2M5f 25b 1,5f 25b 2,……,5f 25b 2M …………5f 2n 5b 1,5f 2n5b 2,…,5f 2n5b 2M为Jacobi 矩阵。
显然,求出的解b (k +1)应该是模型参量更好的近似。
在实际计算中,一般并不去求Jacobi 矩阵A 的逆,而是解一个线性方程组来得到待反演参数的一个校正项,令Δb (k )=b (k +1)-b (k ),则有A TA Δb (k )=-A T (y -f )(7)由此得到牛顿法的迭代格式为HΔb (k )=-G b(k +1)=b(k )+Δb(k )H =A TA G =-A T (y -f )(8)式(8)的第一个方程称为法方程。
一般来说,法方程的系数矩阵是严重病态的,因而牛顿法的解是数值不稳定的,这样每步迭代所求的校正量都有很大误差,误差传播与不断积累,以至于不能保证Q (b (l ))单调减小,使校正结果b (k +1)比b (k )更远离b3,从而使迭代发散。
因此为了提高算法的收敛性,必须对牛顿法进行改进。
比较好的一种改进算法是Marquardt 2Levenberg 方法,即本文采用的阻尼最小二乘法。
其迭代格式为(H +λI )Δb (k )=-Gb(k +1)=b(k )+Δb(k )H =A TA G =-A T (y -f )(9)式中,Δb (k +1)为第k 次迭代求得的校正矢量。
随着λ从0到∞的增大,Marquardt 校正矢量由G auss 矢量方向转向负梯度方向,迭代步长逐渐趋于零。
