姜 明，柯式鎮(zhèn)*，李安宗，康正明，李成遠，張文豪

1中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102200

2中國石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京102200

3中國石油集團測井有限公司隨鉆測井儀器研究中心，西安 710061

3D FEM隨鉆電磁波電阻率測井響應(yīng)影響因素研究

姜 明1,2，柯式鎮(zhèn)1,2*，李安宗3，康正明1,2，李成遠1,2，張文豪1,2

1中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102200

2中國石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京102200

3中國石油集團測井有限公司隨鉆測井儀器研究中心，西安 710061

影響隨鉆電磁波電阻率測井儀器響應(yīng)的因素主要來自兩方面:一方面是自身結(jié)構(gòu)因素，包含線圈、天線凹槽、蓋板、鉆鋌等，這些因素通過影響接收線圈感應(yīng)電動勢的幅度，進而對電阻率測量結(jié)果產(chǎn)生影響；另一方面因素來自外界環(huán)境，包括井眼泥漿、圍巖、侵入、介電常數(shù)以及地層各向異性等，測井過程中的儀器響應(yīng)，是對井下多種不同介質(zhì)的綜合響應(yīng)，為了達到探測原狀地層電阻率的目的，需要扣除其它因素對儀器響應(yīng)的影響。因而研究影響隨鉆電磁波電阻率測井響應(yīng)的因素，對測井資料的解釋與應(yīng)用是十分必要的。本文以隨鉆電磁波電阻率儀器WPR (Wave Propagation Resistivity)為算例，建立真實的3維儀器結(jié)構(gòu)，采用3維有限元3 D FEM (Three-Dimensional Finite Element Model)方法，針對真實儀器自身結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境因素對儀器響應(yīng)造成的影響進行了數(shù)值模擬，并利用解析解對本文的數(shù)值解進行了驗證。感應(yīng)電動勢絕對值隨著線圈半徑、線圈凹槽寬度、天線槽長度、蓋板占空比增大而明顯增大；隨著凹槽深度增加而減小。其中，淺探測模式受以上因素影響較深探測模式更大。此外，感應(yīng)電動勢絕對值受金屬鉆鋌的電導(dǎo)率影響較小。在外界環(huán)境因素方面，井眼與泥漿存在使視幅度比電阻率偏小，視相位差電阻率偏大；泥漿電阻率越大，對儀器響應(yīng)造成的影響越??；各向異性使視幅度比電阻率與視相位差電阻率均偏大；泥漿侵入、圍巖、介電常數(shù)以及各向異性因素使視幅度比電阻率與視相位差電阻率在數(shù)值上差異逐漸增大；泥漿侵入使視相位差電阻率與視幅度比電阻率差異先增大再減小；介電常數(shù)影響在高阻地層中更加明顯，其中視相位差電阻率受影響更大。

隨鉆測井；隨鉆電磁波測井；儀器結(jié)構(gòu)；環(huán)境校正；有限元

0 引言

相比傳統(tǒng)電纜測井，隨鉆測井在水平井測量以及實時地質(zhì)導(dǎo)向方面具有巨大優(yōu)勢，已經(jīng)成為未來測井發(fā)展方向。隨鉆電磁波電阻率測井儀器響應(yīng)不僅與地層電導(dǎo)率相關(guān)，還受自身儀器結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境因素影響，其中自身結(jié)構(gòu)因素主要包括線圈、天線凹槽、蓋板、鉆鋌、填充材料等因素；環(huán)境因素主要包括井眼泥漿、圍巖、侵入、介電常數(shù)以及各向異性等因素。目前有關(guān)隨鉆電磁波電阻率測井的數(shù)值模擬研究工作，主要圍繞著儀器自身結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境這兩方面展開。但大多數(shù)研究成果是基于簡化二維儀器模型，基于三維儀器結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究較少，因而儀器結(jié)構(gòu)影響因素往往被簡化或忽視，無法準確地考察真實儀器結(jié)構(gòu)對儀器響應(yīng)的影響[1-19]。楊震計算了二維儀器模型下不同環(huán)境因素造成的影響[9,12]；范宜仁完成了基于時域有限差分的隨鉆電磁波儀器偏心條件下響應(yīng)模擬與分析[10]；陳愛新采用基于加權(quán)余量法的矢量有限元方法，計算得到了水平地層環(huán)境對儀器測量結(jié)果影響趨勢[13]；吳寶玉、夏宏泉等比較分析了斯倫貝謝等公司的隨鉆電磁波測井儀器的環(huán)境校正圖版，并分析了環(huán)境影響的主次因素[14-16]；魏寶君在三維條件下采用并矢Green函數(shù)方法考察了通訊槽以及儀器偏心對儀器響應(yīng)的影響[18-19]；文藝通過傅里葉-漢克爾變換法研究了層厚-井斜因素對隨鉆電磁波電阻率儀器響應(yīng)的影響，考察了不同井斜條件下層厚與儀器響應(yīng)的關(guān)系。本文以電磁波電阻率隨鉆測井儀WPR為算例，建立3D FEM模型，相比二維模型可以更加真實地反映儀器三維結(jié)構(gòu)對測井響應(yīng)的影響，系統(tǒng)地模擬了線圈、鉆鋌電阻率、天線槽、蓋板等儀器自身結(jié)構(gòu)因素對感應(yīng)電動勢絕對值大小的影響，并給出了合理的儀器設(shè)計參數(shù)；模擬了井徑-泥漿、圍巖-層厚、侵入、各向異性等對儀器響應(yīng)的影響，給出了具有代表性的環(huán)境校正圖版。

1 隨鉆電磁波測井儀器結(jié)構(gòu)與3D FEM建模

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

電磁波電阻率測井儀器WPR采用四發(fā)雙收的線圈系結(jié)構(gòu)。T1、T2為上發(fā)射線圈，T3、T4為下發(fā)射線圈，接收線圈為R1、R2。線圈繞制在鉆鋌上的6個環(huán)形凹槽，并蓋有天線蓋板，蓋板周向上開一系列貫穿的矩形槽口。WPR工作頻率為2 MHz和400 kHz，有淺探測(T2-R1-R2，T3-R1-R2)和深探測(T1-R1-R2，T4-R1-R2)兩種探測模式，其中，淺探測線圈系的發(fā)射到接收線圈的源距L=0.463 6 m，深探測線圈系的發(fā)射到接收線圈的源距L=0.806 5 m。當工作頻率為2 MHz時，深探測模式下幅度比電阻率探測深度為1.12 m，相位差電阻率探測深度為0.71 m。淺探測模式下幅度比電阻率探測深度為0.87 m，相位差電阻率探測深度為0.53 m。該工作頻率下垂直分辨率均為0.2 m。當目的地層電阻率為0.1～50 Ω·m時，儀器探測精度為1％，當目的地層電阻率大于50 Ω·m時，儀器探測精度為0.5 S/m。

設(shè)接收線圈R1中的感應(yīng)電動勢為V1，接收線圈R2中的感應(yīng)電動勢為V2，則實際測量記錄的幅度衰減EATT和相位差φΔ分別為：

1.2 3D FEM建模與方法驗證

從經(jīng)典Maxwell方程、本構(gòu)方程以及庫侖規(guī)范出發(fā)，令：

得到如下方程：

邊界條件為：

根據(jù)有限元的變分原理，泛函表達式為：

泛函(6)用離散單元可以表示為：

其中，每個單元的泛函表達式為：

將整個求解空間的所有單元的所有節(jié)點合起來形成有限元求解問題矩陣方程為：

文中計算時假設(shè)所有線圈匝數(shù)均為1匝，發(fā)射電流幅度為1 A。為了驗證算法的正確性，將均勻介質(zhì)的數(shù)值模擬結(jié)果與解析解進行對比，計算條件為測量頻率2 MHz，線圈半徑0.08 m，井眼半徑8.5 inch，源距0.806 5 m。結(jié)果如圖1至圖2所示，圖中Rt是地層真電阻率。由圖可以看出幅度比信號有限元解與解析解基本吻合，相位差信號有限元解與解析解基本一致，這與文獻21的計算結(jié)果也能較好地吻合，證明了本文數(shù)值算法的正確性。

圖1 幅度比信號有限元解與解析解對比Fig. 1 Amplitude ratio signal comparison between finite element and analytical solutions

圖2 相位差信號有限元解與解析解對比Fig. 2 Phase shift signal comparison between fnite element and analytical solutions

2 儀器結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果分析

隨鉆電磁波電阻率儀器線圈放置在無磁鉆鋌外部的環(huán)形凹槽里，外面有金屬蓋板保護。金屬蓋板周向開貫穿的天線槽，以保證電磁波信號的傳播。為了防止鉆井過程中泥漿巖屑侵入天線槽內(nèi)，內(nèi)部填充了高阻、無磁、低介電常數(shù)材料，其電學(xué)特性接近真空的電學(xué)特性，對電磁波傳播影響很小，因此，對填充材料影響不展開介紹。由于幅度比EATT和相位差φΔ較難直觀地反映儀器結(jié)構(gòu)對電磁波信號的影響程度，因此采用接收線圈電動勢絕對值對不同儀器結(jié)構(gòu)影響進行評價。

2.1 線圈半徑

在均勻地層模型中，分析了不同線圈半徑對儀器響應(yīng)的影響。淺探測與深探測模式計算結(jié)果如圖3所示。圖中縱坐標為儀器測得的感應(yīng)電動勢絕對值信號，橫坐標為均勻地層電阻率。由圖可知，線圈半徑越大，感應(yīng)電動勢信號越大，即線圈接收到的電磁場能量越大。線圈半徑不僅取決于鉆鋌尺寸，更需要考慮儀器電子線路對信號幅度的探測能力。在背景噪聲一定的情況下，信噪比正比于信號幅度大小，信噪比越大對電路的要求越低。由于隨鉆測井環(huán)境惡劣，目前被廣泛采用的信號幅度范圍為μV級。由于淺探測比深探測感應(yīng)電動勢大，因而在選取儀器線圈半徑時，應(yīng)以滿足深探測信號檢波要求為準。在圖3中，當線圈半徑取0.068 m，不考慮鉆鋌影響時即可滿足要求。

2.2 鉆鋌

金屬鉆鋌采用低磁材料，可以較大程度上減少鉆鋌對電磁波信號的干擾。由于鉆鋌電導(dǎo)率較高，鉆鋌內(nèi)部仍然會感生微弱的渦流，從而對接收線圈感應(yīng)電動勢產(chǎn)生影響。選取線圈半徑為0.068 m，數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示，隨著鉆鋌電阻率增大，接收線圈電動勢絕對值信號增大；當鉆鋌電阻率大于1 Ω·m或小于10-5Ω·m時，接收線圈感應(yīng)電動勢信號趨于穩(wěn)定。一般情況下，隨鉆電磁波儀器鉆鋌均采用金屬材料(電阻率小于10-5Ω·m)，因而接收線圈的感應(yīng)電動勢幾乎不受儀器鉆鋌電阻率變化的影響。

2.3 天線凹槽

線圈放置在鉆鋌外部環(huán)形天線凹槽中，凹槽深度與寬度對電磁波信號的傳播造成了一定影響。選取線圈半徑為0.068 m，鉆鋌電阻率為10-5Ω·m，基于均勻地層的計算結(jié)果如圖5與圖6所示。由結(jié)果可以看出，當固定凹槽寬度為0.14 m時，隨著線圈凹槽深度變大，深淺探測感應(yīng)電動勢絕對值均減小，其中淺探測幅度下降更快；當固定凹槽深度為0.022 m時，隨著線圈凹槽寬度增加，深淺探測感應(yīng)電動勢絕對值均隨凹槽寬度增大而增大，其中淺探測增大幅度大于深探測?？梢钥闯霭疾凵疃刃∮?.03 m，寬度大于0.08 m時，感應(yīng)電動勢信號幅度大于10 μV，滿足儀器設(shè)計要求。

圖3 不同線圈半徑下地層電阻率與接收線圈電動勢的關(guān)系Fig. 3 Relations between induced voltage and radius of the coil at different coil radius

圖4 鉆鋌電阻率影響Fig. 4 Effects of metal mandrel resistivity

圖5 凹槽深度影響Fig. 5 Effects of groove depth

圖6 凹槽寬度影響Fig. 6 Effects of groove width

2.4 蓋板

線圈蓋板采用金屬材料，高電導(dǎo)率材料對電磁波信號屏蔽效果明顯，為此在蓋板周向上開一系列天線槽。假設(shè)線圈半徑為0.068 m，鉆鋌電阻率為10-5Ω·m，凹槽深度為0.022 m，寬度為0.14 m，蓋板結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7到8所示。其中圖7表示當固定占空比為50％時，天線槽長度對感應(yīng)電動勢的影響，圖8表示當固定天線槽長度為0.1 m時，占空比對感應(yīng)電動勢的影響。由圖中結(jié)果可以看出，當分別固定占空比或天線槽長度時，隨著天線槽長度或占空比增加，感應(yīng)電動勢絕對值均增大，其中占空比因素對信號幅度影響較大，天線槽長度影響較小。實際應(yīng)用時，在滿足機械強度與電子線路檢波要求下，占空比應(yīng)在15％～50％之間，天線槽長度應(yīng)在0.08 m以上。

3 外界環(huán)境數(shù)值模擬分析

外界環(huán)境因素主要包括井眼泥漿、圍巖、侵入、偏心以及各向異性。以下計算時假設(shè)所有線圈匝數(shù)均為1匝，發(fā)射電流強度為1 A，線圈半徑均取0.068 m，鉆鋌電阻率為10-5Ω·m，儀器直徑為0.178 m，凹槽深度為0.022 m，凹槽寬度為0.14 m，天線槽長度為0.15 m，蓋板占空比為30％。

圖7 天線槽長度影響Fig. 7 Effects of slot length

圖8 蓋板占空比影響Fig. 8 Effects of space proportion of cover

圖9 井眼泥漿影響(深探測幅度比電阻率，Rm=0.5 Ω·m, f=2 MHz)Fig. 9 Effects of borehole-mud (amplitude ratio deep resistivity, Rm=0.5 Ω·m, f=2 MHz)

圖10 井眼泥漿影響(深探測相位差電阻率，Rm=0.5 Ω·m, f=2 MHz)Fig. 10 Effects of borehole-mud (phase shift deep resistivity, Rm=0.5 Ω·m, f=2 MHz)

3.1 井徑與泥漿

井眼直徑以及泥漿電阻率變化，對電磁波電阻率儀器響應(yīng)造成影響。在均勻地層模型中，計算了泥漿電阻率{0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5 Ω·m}范圍內(nèi)時，井徑變化對視電阻率的影響。其中探測頻率為2 MHz，泥漿電阻率為0.5 Ω·m時，深探測視電阻率計算結(jié)果如圖9與圖10所示。圖中橫坐標為視幅度比電阻率或視相位差電阻率，縱坐標為真電阻率與視電阻率比值。圖中，Dh為井眼直徑，單位為英寸。可以看出，泥漿電阻率與地層電阻率對比度越大，泥漿影響越明顯。井眼因素使視幅度比電阻率偏小，視相位差電阻率偏大，但在井徑較大時，視相位差電阻率開始偏小。當泥漿電阻率增大時，井徑與泥漿對視電阻率影響變小，原因是較高電阻率的泥漿對電磁波的衰減能力減弱，因而幅度衰減與相位移也較小，所以高阻泥漿對視電阻率影響較小。

3.2 圍巖-層厚

垂直井中，井眼軸向上巖性剖面常由不同巖性和厚度的地層組成。圍巖層和目的層的電阻率差異將會影響視電阻率值，在均勻三層地層模型中，計算了{0.5、1、2、4、6、8、10、15、20、30、40、50 Ω·m}范圍內(nèi)12種不同圍巖電阻率條件下，圍巖對視電阻率的影響。其中圍巖電阻率為10 Ω·m時計算結(jié)果如圖11和圖12所示，圖中目的層厚度變化范圍為0.5～10 m，視電阻率范圍為0.2～500 Ω·m?？梢钥闯鲭S目的層厚度不斷增大，儀器受圍巖影響逐漸減小；視幅度比電阻率受圍巖影響較大，視相位差電阻率受圍巖影響較小，且其薄層響應(yīng)更加接近真電阻率；目的層為高阻薄層時，視電阻率受低阻圍巖影響較大，這使得視電阻率明顯小于真電阻率。

圖11 圍巖-層厚影響(深探測幅度比電阻率，Rs=10 Ω·m, f=2 MHz)Fig. 11 Effects of surrounding rock and thickness (amplitude ratio deep resistivity, Rs=10 Ω·m, f=2 MHz)

圖12 圍巖-層厚影響(深探測相位差電阻率，Rs=10 Ω·m, f=2 MHz)Fig. 12 Effects of surrounding rock and thickness (phase shift deep resistivity, Rs=10 Ω·m, f=2 MHz)

3.3 侵入帶

國內(nèi)外有關(guān)隨鉆電磁波電阻率測井侵入校正圖版研究較少。本文依據(jù)幅度比電阻率與相位差電阻率的差異，以及沖洗帶電阻率3個參數(shù)作為隨鉆電磁波電阻率侵入校正依據(jù)。假設(shè)地層軸向均勻且無井眼影響，地層無限厚。侵入深度Di變化范圍為10～40英寸，地層電阻率Rt變化范圍為0.1～500 Ω·m。計算了{1、2、5、10、20、50 Ω·m}范圍內(nèi)6種不同侵入帶電阻率情況下的侵入校正圖版。其中當侵入帶電阻率Rxo=1 Ω·m時，深探測模式下，2 MHz工作頻率時，計算結(jié)果如圖13所示。

當Rxo/Rt＞1時(即井眼泥漿高侵)，視電阻率大于真實地層電阻率。此時視相位差電阻率大于視幅度比電阻率，隨著侵入半徑的增大，視相位差電阻率與視幅度比電阻率的差異先增大后減小(當侵入深度達到一定程度后，視幅度比與視相位差電阻率受到侵入影響相當)。當Rxo/Rt＜1時(即井眼泥漿低侵)，視電阻率小于真實地層電阻率。此時視相位差電阻率小于視幅度比電阻率，隨著侵入半徑的增大，視相位差電阻率與幅度比視電阻率的差異同樣先增大后減小(當侵入深度達到一定程度后，視幅度比與視相位差電阻率受到侵入影響相當)。

3.4 介電常數(shù)

由于泥漿與地層的介電常數(shù)影響，導(dǎo)致視幅度比電阻率與視相位差電阻率在數(shù)值上散開，其中視幅度比電阻率較真電阻率偏大，視相位差電阻率偏小。實際測量過程中，含水砂巖存在介電頻散現(xiàn)象，在低頻測量段時(主要為10 MHz以下)，由于多種極化機制的疊加導(dǎo)致實際測得的相對介電常數(shù)出現(xiàn)高值[22-23]。

基于無井眼均勻地層模型，介電常數(shù)影響的計算結(jié)果如圖14與15所示，圖中相對介電常數(shù)變化范圍為1～1 000 F/m。顯然相比400 kHz測量頻率，2 MHz測量頻率更易受到介電影響，僅對儀器測量頻率為2 MHz時，深探測受介電常數(shù)影響的計算結(jié)果進行介紹。由圖中可以看出，當?shù)貙与娮杪试龃髸r，儀器響應(yīng)受介電常數(shù)影響也變大。相對于幅度比電阻率，相位差電阻率受介電常數(shù)影響更大。介電影響使視幅度比偏大，視相位差電阻率偏小。

圖13 侵入影響(Rxo=1 Ω·m, f=2 MHz)Fig. 13 Effects of invasion (deep investigation, Rxo=1 Ω·m, f=2 MHz)

圖14 介電常數(shù)影響(深探測幅度比電阻率，f=2 MHz)Fig. 14 Effects of permittivity (amplitude ratio deep resistivity, f=2 MHz)

圖15 介電常數(shù)影響(深探測相位差電阻率，f=2 MHz)Fig. 15 Effects of permittivity (phase shift deep resistivity, f=2 MHz)

3.5 各向異性

隨鉆測井過程多數(shù)情況會遇到各向異性地層。各向異性是指由于目的地層厚度小于儀器縱向分辨率，或者儀器與地層存在相對夾角導(dǎo)致水平電阻率(RH)與垂直電阻率(RV)不一致的現(xiàn)象。

當目的地層厚度小于儀器縱向分辨率時，視電阻率受水平電阻率與垂直電阻率對比度RV/RH影響。選取水平目的層真電阻率為1 Ω·m，儀器與水平地層相對傾角為65°，視電阻率與RV/RH關(guān)系如圖16與17?？梢钥闯觯琑V與RH的差異使視幅度比電阻率與視相位差電阻率均比水平目的層真電阻率偏大，二者隨著RV/ RH增大而散開。其中視幅度比電阻率受RV/RH影響較小，且不同頻率的視幅度比電阻率受RV/RH影響幾乎相同；而不同頻率的視相位差電阻率受RV/RH影響程度不同，其中2 MHz視相位差電阻率受影響較大。

圖16 各向異性影響(RV/RH，深探測幅度比電阻率，65°)Fig. 16 Effects of anisotropy (RV/RH, amplitude ratio deep resistivity, 65°)

圖17 各向異性影響(RV/RH，深探測相位差電阻率，65°)Fig. 17 Effects of anisotropy (RV/RH, phase shift deep resistivity, 65°)

圖18 各向異性影響(相對傾角，深探測幅度比電阻率，RV/RH=4)Fig. 18 Effects of anisotropy (relative dip angle, amplitude ratio deep resistivity, RV/RH=4)

圖19 各向異性影響(相對傾角，深探測相位差電阻率，RV/RH=4)Fig. 19 Effects of anisotropy (relative dip angle, phase shift deep resistivity, RV/RH=4)

對于由相對傾角引起的各向異性，存在類似規(guī)律，選取水平目的層真電阻率為1 Ω·m，固定RV/RH=4，改變相對傾角，規(guī)律如圖18與19，即視幅度比電阻率與視相位差電阻率均偏大，其中視相位差電阻率受傾角影響更大。不同頻率的視幅度比電阻率受相對傾角影響的差異不明顯，而不同頻率視相位差電阻率差異明顯。

4 結(jié)論

感應(yīng)電動勢絕對值隨著線圈半徑、線圈凹槽寬度、天線槽長度、蓋板占空比增大而明顯增大；隨著凹槽深度增加而減小。其中淺探測模式受以上因素影響較深探測模式更大。此外，感應(yīng)電動勢絕對值受金屬鉆鋌的電導(dǎo)率影響較小。

井徑與泥漿因素，使得視幅度比電阻率偏小；視相位差電阻率偏大(井徑較大時開始偏小)；當泥漿電阻率增大時，泥漿對視電阻率影響變?。灰暦缺入娮杪适車鷰r影響較大，視相位差電阻率受圍巖影響較??；當泥漿高侵時，視相位差電阻率大于視幅度比電阻率；當泥漿低侵時，視相位差電阻率小于視幅度比電阻率；隨著侵入半徑增大，視相位差電阻率與幅度比視電阻率的差異先增大后減小；當?shù)貙与娮杪试龃髸r，儀器響應(yīng)受介電常數(shù)影響變大；視相位差電阻率受介電常數(shù)影響更大；由地層的各向異性，使得視幅度比電阻率與視相位差電阻率均偏大，其中視幅度比電阻率比相位差電阻率受到的影響較小。各向異性對不同頻率的視相位差電阻率影響差異較大，對不同頻率的視幅度比電阻率影響差異較小。

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Factors effecting simulation of the response of LWD electromagnetic wave resistivity based on 3D FEM

JIANG Ming1,2, KE Shizhen1,2, LI Anzong3, KANG Zhengming1,2, LI Chengyuan1,2, ZHANG Wenhao1,2
1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China university of petroleum, Beijing 102200, China
2 College of Geophysics and Information Engineering, China university of petroleum-Beijing, Beijing 102200, China
3 China Petroleum Logging Co. Ltd., Xi’an 710061, China

Both of the structure of logging tools and environmental factors affect the response of LWD (Logging While Drilling) electromagnetic wave resistivity tools. The structures of the receiver coil, coil groove, coil cover and metal mandrel impact on the amplitude of the induced voltage in the receiver coil, and the measurements of resistivity are affected indirectly. In terms of environment factors, the responses of borehole-mud, surrounding rock, drilling fuid invasion, dielectric properties and anisotropy contribute to the real response of logging tools. These responses corresponding to environment factors should be removed to obtain the real response of the undisturbed formation. Thus, it is indeed imperative to study the effects of tool-structure and environments factors for the interpretation and application of logging information. In this paper, an example of numerical simulation of a wave propagation resistivity tool based on a 3D FEM (Three-dimensional Finite Element Model) method is introduced. We have conducted the numerical simulation of the tool-structure and environments factors based on the real structure of the logging tools. The absolute value of the induced voltage rapidly increases with an increase of coil radius, width of coil groove, length of coil slot, and space proportion of cover. The absolute value decreases with an increase of the depth of the coil groove. The shallow mode is more susceptible than the deep mode to the above factors. Moreover, the absolute value has a weak relation with the conductivity of the metal drill collar. In the respect of environmental factors, the apparent amplitude ratio resistivity decreases while the apparent phase shift resistivity increases due to the borehole-mud while the effects of mud become weaker as the mudresistivity increases; both in the apparent amplitude ratio and the apparent phase shift resistivity increase due to the anisotropy. The value difference between the apparent amplitude ratio and apparent phase shift resistivity increases owing to the effects of the mud invasion, surrounding rock, dielectric or anisotropy. The difference of the two above resistivity values increases at frst, and then decreases due to the effect of mud. The infuence of dielectric properties becomes more signifcant in high resistivity formations. Apparent phase shift resistivity is more sensitive than the apparent amplitude ratio resistivity for dielectric effects.

LWD; electromagnetic propagation resistivity logging; tool structure; environment correction; fnite element model

2016-07-06

國家油氣重大專項(2011ZX05020-002)資助

10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.029

(編輯 付娟娟)

姜明, 柯式鎮(zhèn), 李安宗, 康正明, 李成遠, 張文豪. 3D FEM隨鉆電磁波電阻率測井響應(yīng)影響因素研究. 石油科學(xué)通報, 2016, 03: 342-352

JIANG Ming, KE Shizhen, LI Anzong, KANG Zhengming, LI Chengyuan, ZHANG Wenhao. Factors effecting simulation of the response of LWD electromagnetic wave resistivity based on 3D FEM. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 342-352. doi: 10.3969/ j.issn.2096-1693.2016.03.029

*通信作者, wksz@cup.edu.cn