Файл: Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.06.2024
Просмотров: 94
Скачиваний: 0
быстро. Это приводит к необходимости интегрирования с мелким постоянным шагом. Наличие осциллирующего множителя cos Яг не вносит здесь каких-либо осложнений, и интегрирование можно проводить обычным методом с заменой всей подынтегральной функции трехчленом. Однако применение мелкого постоянного шага на всем интервале интегрирования привело бы к весьма большим затратам машинного времени. Поэтому при достаточно больших значениях Я, при которых изменение функции Яус] стано
вится медленным, применялся прием, впервые использованный при расчетах геофизических задач Л. Л. Баньяном [21]. Сущность приема сводится к следующему. Интервал интегрирования делится на отрезки неравной длины. Поскольку по мере увеличения Я подынтегральная функция убывает, увеличивается длина отрезков. Степенным полиномом интерполируется уже не вся подынтеграль ная функция, а только медленно меняющийся сомножитель AfcJ *
Пусть Я,-, Я,-+ь Я,-+2 — три значения переменной интегрирования, ко торым соответствуют значения функции Л(Яі),
F(hi-и), Л(Я,-+2). Разность Я,-+2—Я,- выбирается такой, чтобы Л(Я)
на данном |
интервале |
удовлетворительно |
аппроксимировалась |
||||||
трехчленом: |
|
F (Я) = öq -(- оуЯ -}- а2Х~. |
|
|
|||||
|
|
|
|
||||||
Интеграл на участке Я,+2—Я,- |
|
|
|
|
|
|
|||
h = |
?‘іу2 |
|
|
|
|
|
}'І+2 |
cos Яг dl -f |
|
1 (ао + |
°іЯ + а.,Хг) cos Яг dl — a0 |
Г |
|||||||
|
X£+2 |
Я cos Яг dX -j- a2 |
И+2 |
|
|
||||
|
~r ßi |
J |
J |
Я2cos Xz dX. |
|||||
|
h |
|
|
" |
h |
|
|
|
|
Интегралы от cos Яz являются |
табличными |
и выражаются в |
|||||||
элементарных функциях. |
|
|
|
|
|
|
|||
Значения ао, а ь а2 находятся из системы уравнений |
|||||||||
ао+ аіЯ/ "Ь сіпХі = F (Я,-); |
а0+ |
оуЯң,! -j- а2ЯП_і = F (Я^і); |
|||||||
|
ao |
|
ai^i+ 2 |
ОоЯгч-з = |
F (Яь‘_}_2). |
|
Практически интегрирование осуществлялось следующим об разом. Весь интервал интегрирования разделен на две части. На участке О^Я^бО интегрирование осуществлялось с равномерным шагом по формуле Симпсона. Путем сравнения результатов рас
чета, проведенных |
с разным шагом, здесь был |
принят шаг 0,1 Я. |
На участке 60^ Я |
^200 интегрирование велось |
с неравномерным |
шагом, определяющимся из выражения Я;+і = 3]"' 2Я Значение верхнего предела интегрирования, равное 150—200,
обеспечивает минимальную погрешность из-за отбрасывания «хво ста» интеграла. Аналитические оценки по (46) и (5 3) показывают,
6 д. с. Даев
81
что эта погрешность не превышает 10-п —ІО-12. Погрешность, воз никающая при интерполировании, оценивалась экспериментально путем уменьшения шага интегрирования. Сравнение результатов расчета с разным шагом показывает, что при реальных границах изменения параметров (sm, ут, от и др.) ошибка вычисления ин теграла, зависящая от шага интегрирования, по абсолютной вели чине не превышает ІО-5 при указанных выше значениях постоян ного и переменного шага.
При отладке программ для исключения случайных ошибок и оценки точности вычисления интеграла применялись следующие способы: 1) сравнение результатов интегрирования со значениями поля в однородной среде, вычисленными с большой точностью; 2) сравнение результатов расчета по программам, составленным разными авторами; 3) сравнение с результатами расчета задач индукционного каротажа.
Поле вертикального магнитного диполя при наличии пласта ограниченной мощности
Решение задачи о поле магнитного диполя при наличии пла ста конечной мощности рассматривалось в работах ряда авторов [46, 53 и др.]. Не воспроизводя деталей, ограничимся постанов кой задачи, кратким описанием хода решения и записью оконча тельных выражений для двухкатушечного зонда при разных его положениях относительно пласта. Примем следующую модель среды: пространство разделено двумя горизонтальными поверхно стями на три области: вмещающую среду с удельной проводи мостью уі и диэлектрической проницаемостью еі и пласт с пара метрами уз и гг- Параметры вмещающей среды по обе стороны пласта одинаковы. Магнитная проницаемость всех сред одинако ва и равна проницаемости вакуума — 4я-10-7 Г/м. Источником поля является магнитный диполь. Будем использовать цилиндри ческую систему координат, ось которой перпендикулярна поверх ностям раздела. Начало координат совпадает с источником поля. Момент диполя ориентирован по оси z и меняется во времени по закону е~1ш . Требуется определить поле при различных положе ниях источника и точки наблюдения относительно пласта.
Введем следующие обозначения: h — расстояние от генератор ного диполя до верхней границы пласта; z — расстояние от гене раторного диполя до точки измерения (длина зонда); Н — мощ ность пласта.
В случае гармонически меняющегося поля от системы уравне ний Максвелла можно перейти к волновому уравнению. Вводя вектор Герца магнитного типа
Е = £0)(л rot П,
имеем'
Ѵ2П + k2Ü = 0.
82
Вид источника и симметрия задачи позволяют утверждать, что вектор Герца имеет только вертикальную компоненту Пг, прини мающую разные значения в каждой из трех сред.
В цилиндрических координатах волновое уравнение для П с учетом независимости от ср запишется в виде
Решение должно удовлетворять следующим граничным ус ловиям.
1. При R = У r2+ z 2—>0 значение вектора Герца стремится к вы ражению поляризационного потенциала магнитного диполя в од нородной среде:
ПM0eikR/4nR.
2.На поверхностях раздела между пластом и вмещающими породами тангенциальные .компоненты магнитного и электриче ского полей меняются непрерывно. Компоненты поля опреде
ляются выражениями
£ф = —/сор. dWjdr; Нг = d2Uz/drdz; Hz =■ k2Uz-{-d2n z/dz2. (3.56)
Отсюда граничные условия для вектора Герца будут при h = z:
Пг = |
Пе; <ЗП |
-Jdz = dUjdz, |
(3.57) |
где П; и Пе — значения |
вектора |
Герца в пласте |
и вмещающей |
среде. |
|
|
|
3. При R-*-оо функция П стремится к нулю.
Решение волнового уравнения осуществляется способом разде ления переменных. Представляя решение в виде произведения П =
= Г(/') • G(г), получаем |
систему двух |
обыкновенных дифференци |
альных уравнений |
|
|
од2Р/дг2) + |
+ k2F = 0; |
(d23/dz2) — (к2— k2)G =* 0. |
Решением первого уравнения являются функции Бесселя пер
вого |
и второго |
рода — Jo(kr) и У0(кг). |
Решением |
второго явля |
ются |
показательные функции |
и |
. Поскольку |
|
У (кг) |
при г= 0 |
принимает бесконечно |
большие |
значения, эта |
функция не может использоваться при построении решения. Об щее решение записывается в виде интеграла
ОО |
_________ |
_ _ _ _ _ _ |
(3.58) |
П = \ |
{Се^-**г + |
De- ™ 2-* 22}J0 (kr) dk. |
|
b |
|
|
|
Поле в среде, в которой находится источник, выражается в виде суммы двух функций — функции первичного возбуждения и функции, описывающей влияние неоднородности среды и имею щей структуру общего решения. Первичное возбуждение может
6* 83
быть записано в виде разложения сферической волны |
интеграла |
Зоммерфельда: |
|
еІШ/р>= “ (V]гІ г — /г2) J0(Л,г) е—VJJ=i* |г| dl. |
(3.59) |
'о |
|
Для получения зависимостей, описывающих поле при разных положениях источника п точки наблюдения относительно пласта, следует выписать соответствующие выражения для вектора Гер ца, что нетрудно сделать, используя (3.58) и (3.59). Исходя из условии сопряжения на поверхностях раздела, можно определить в этих выражениях неизвестные коэффициенты п с помощью фор мул (3.56) перейти от вектора Герца к выражениям для поля. Опуская промежуточные выкладки, выпишем интересующие пас
выражения для двухкатушечного зонда. |
|
в относитель |
|||||
Введем обозначения: а = H/z — мощность пласта |
|||||||
ных |
единицах, a\ = h/z — расстояние от |
источника |
поля |
до |
верх |
||
ней кромки пласта, Я.,= 1/ |
л2—k]z(i= 1,2), где /г, — волновое |
число |
|||||
для |
вмещающих пород; |
к2— волновое |
число для |
пород, |
слагаю |
||
щих |
пласт; k l2= (12—?ч)/О-2 + h ) ■ Возможны следующие |
случаи. |
|||||
1. Зонд находится над пластом, т. е. |
1, |
|
|
|
|||
|
е~х> к12 ’ |
|
!)е—Л, (20, - 1) |
|
(3.60) |
||
|
1 — к212 ее—2?..а |
dl. |
|
||||
|
о |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
2.Датчики зонда находятся по разные стороны верхней гра
ницы |
пласта, т. е. |
І ^ с ц ^ О |
при |
а > 1 |
и І ^ а і ^ І — а при |
а < 1, |
|||||
|
Л, |
()ц |
е~Хг (1 + |
кп е~2Х: (*'+«> е2Ч |
dl. |
|
(3.61) |
||||
|
|
-j- 1°) |
( 1 — k j 2 е |
-Хг!х) |
|
|
|
||||
3. |
Зонд расположен внутри |
пласта, |
т. е. |
0 > а і ^ 1 —а при а ^ І , |
|||||||
|
|
К= і |
|
|
+ kliХ |
|
|
|
|||
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
ех=) dl] |
|
|
|
е_ 2 Х =а [еХз |
+ |
ех= |
|
|
-|- ft12 (е_ х =+ |
| |
, Q |
|||
|
X ----------------------------------- |
|
1 - |
Äf 7 e - 2X=“ ---------------------------------- |
|
|
|
X (СІ' (:,2) |
|||
4. |
Пласт заключен |
между датчиками |
зонда, |
т. е. |
1—а ^ а і ^ О |
||||||
при |
1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h, |
2ЯЛ, е~ (х=-х'> а е_Хі |
dl. |
|
|
(3.63) |
|||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
fii Ч-І-’У’ І1 — kf2 e~2K‘a) |
|
|
|
84
5.Датчики зонда находятся по разные стороны нижней гра
ницы |
пласта, |
т. е. — а^сцг^О |
при а ^ І |
и |
—аг^ аі^ ' 1 —а |
||||||
при |
|
1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X3( I |
+ |
fc12 е 2 ^ а р |
е ~ |
( и + « і ) |
е ~ Ч |
dX. |
|
(3.64) |
|
|
|
|
|
(?ц + Я*) (1 -А ?2 е-2,-,в) |
|
|
|
|
||
|
6. |
Зонд расположен под пластом, |
т. е. — о о ^ с м ^ —а, |
|
|||||||
|
|
со |
|
*1, (е-2^ |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
! ) е 2 ? - <“ + “ <> е “ М |
dX. |
(3.65) |
||||
|
|
о |
|
|
~ к і 2 е—4},2а |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Нетрудно убедиться, |
что выражения (3.64), (3.65) переходят |
||||||||||
в формулы (3.60), (3.61) |
при замене в первых аі на •—(a + cti—1). |
||||||||||
Как видно из приведенных формул, поле магнитного диполя |
|||||||||||
при |
наличии |
пласта |
конечной мощности выражается интеграла |
||||||||
ми |
от |
элементарных |
функций. |
Для |
вычисления |
этих |
функций |
на ЭВМ имеются стандартные программы. Численное интегриро вание проводилось по Гауссу с автоматическим выбором шага ин тегрирования для получения требуемой точности. Разработанная программа позволяет вычислять кривые профилирования для двух- и трехкатушечных зондов, а также проводить расчеты поля при фиксированных положениях зонда и изменяющихся парамет рах пласта пли вмещающих пород.