长源距随钻定向电磁波测井仪器频率和源距选择方法
中国科学院电工研究所、中国科学院大学、河北工业大学电气工程学院的研究人员张超、刘国强等，在2018年第20期《电工技术学报》上撰文指出，长源距远探测是随钻定向电磁波测井的发展趋势。如何在提高探测深度的同时拓宽地层探测范围是仪器设计需考虑的重要问题。
本文基于磁流源并矢格林函数法研究了测井仪器接收线圈感应电动势对地层电阻率的敏感性，提出频率和源距的选择方法。在此基础上研究仪器界面距离和电阻率对比度对接收线圈感应电动势旋转变化特性的影响。
搭建长源距定向测井缩比模型实验平台，开展不同电阻率对比度时接收信号旋转变化特性实验研究，验证了频率和源距选择方法的正确性。该方法可为针对不同地层合理选择线圈系参数并拓宽地层电阻率探测范围提供依据。
21世纪初，随着油田勘探开发程度越来越高，储层分布日益复杂，水平井和大斜度井增多。为了在钻井时避免仪器穿出储层，造成钻井失败，具有地质导向功能的定向测井仪器应运而生[1]。定向测井仪器借鉴三分量感应测井的思想[2]，在常规仪器上增加倾斜线圈，测量交叉耦合分量，从而具有定向性和对地层各向异性的敏感性[3-5]。
国外随钻定向电磁波测井仪器已经商业化，代表性的仪器有斯伦贝谢公司的Periscope、哈里伯顿公司的ADR以及贝克休斯公司的APR。2015年，中国石油长城钻探工程有限公司研制成功随钻定向电磁波测井仪器BWR。这类定向探测仪器源距2～3m，探测深度最高约5m[6]。仪器探测深度越大，对未钻地层界面位置的钻前预测能力越强，钻井成功率越高。
国外测井公司通过采用多分量测量、增大源距、降低频率等方式，大大提高了随钻电阻率测井仪器的探测能力，可实现最高30m的超深探测，代表性的仪器有斯伦贝谢公司的DDR[7]和贝克休斯公司的EDAR[8]。
国外测井技术对国内封锁，而且测井服务昂贵。所以，具有自主知识产权的长源距随钻定向测井仪器的研制具有重要意义。线圈系参数的选择是长源距定向电磁波测井仪器设计的关键部分之一，已有学者开展了大量有价值的研究工作[9,10]。
关于线圈系频率和源距的选择方法，一般是根据忽略位移电流影响的条件给出频率和源距的选择范围，并未将频率、源距、地层参数这些制约接收信号幅度、定向衰减信号强度和探测深度的主要参量统一考虑，寻找相互之间的联系和变化规律，给出定量的分析结果。
本文研究仪器响应对地层电阻率的敏感性，提出可以拓宽地层电阻率探测范围的线圈系频率和源距的选择方法，并用实验验证方法的正确性。
本文基于磁流源并矢格林函数法和坐标变换，计算仪器任意位置、线圈任意倾角时接收线圈的感应电动势，为接收线圈感应电动势对地层参数的敏感性分析和旋转特性分析奠定理论基础；然后研究仪器频率和源距不同时，归一化感应电动势幅度对地层电阻率的敏感性；基于敏感性分析选择仪器和地层参数，研究感应电动势的旋转变化特性；最后开展不同电阻率对比度时接收信号旋转变化特性实验，验证基于敏感性分析的频率源距选择方法的正确性。
图7 实验系统图
针对随钻定向远探测测井问题，本文开展了基于仪器响应敏感性的频率和源距选择方法研究，实验验证了方法的正确性。
1）定向测井理论研究。基于磁流源并矢格林函数理论，通过坐标变换，推导了任意仪器倾角、线圈倾角、仪器方位角和仪器旋转角下的接收线圈开路感应电动势的解析表达式。
2）仪器响应敏感性研究。分析了仪器接收线圈感应电动势与频率、源距和地层电阻率的关系。感应数0.5～5时，接收线圈感应电动势随地层电阻率变化敏感。针对特定地层，依据响应敏感性合理选择线圈系的源距和频率，可以拓宽地层电阻率的探测范围。
3）仪器响应旋转变化特性研究。根据响应敏感性分析，选择仪器参数和敏感区地层电阻率参数。研究响应敏感区仪器界面距离和层界面两侧地层电阻率的对比度对接收线圈感应电动势旋转变化特性的影响。
4）长源距随钻定向测井实验研究。搭建长源距定向测井缩比实验系统，实测不同电阻率对比度时接收线圈感应电动势幅度随仪器旋转角的变化。选定仪器和地层参数下，接收线圈感应电动势幅度呈余弦变化。在响应敏感区，地层电阻率对比度越大，定向信号越强。在响应不敏感区，定向信号非常小。实验与理论分析一致，验证了基于仪器响应对地层电阻率的敏感性选择频率和源距方法的正确性。