一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法、装置及介质

技术领域

本发明实施例涉及井下探测技术领域，尤其涉及一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法、装置及介质。

背景技术

随着油气田的多年开发，在化学、热力、微生物以及注水、注聚、注气等混合因素驱替的作用下，储层的孔隙度、渗透率、电阻率等特性将会发生变化。此外，油气套管都存在不同程度的损伤，如缩径、变形腐蚀和破裂等。这些损伤都将直接影响到油气井的产量及使用寿命；因此，及时精确了解套管的损伤情况和储层的动态变化，对于评价开采效果、调整开采策略和提高采收率有重要的意义。

瞬变电磁探测技术是在发射线圈中通以交变电流时，在周围岩层中由交变电磁场感应出与线圈同轴的涡流；随后，涡流引起的二次磁场在接收线圈中引起二次感应电动势，其大小与涡流大小成正比，并且涡流的大小与岩层电阻率成正比。基于此，由于电阻率信息可用于有效识别套管的剩余壁厚以及评价地层含油气性，因此，瞬变电磁测井技术受到了国内外的高度重视，逐渐成为勘探开发领域的前沿课题。

当前，常规的瞬变电磁探测方案多采用单发多收的阵列结构，对各阵元接收信号进行加权处理，以提高钻孔瞬变电磁系统的信噪比；此外，与之类似的，也存在采用基于辅助探头的双层套管损伤检测方法，通过一个小的辅助探头来缩小纵向扩散范围，提高纵向探测精度。但该检测方法虽然采用了两个探头，却只是对两个探头的数据进行了联合解释，并没有对两个探头的数据进行进一步分析和联合处理。因此，研究多阵元组成的瞬变电磁阵列信号处理来提高纵向分辨率是瞬变电磁井下探测的一大难点。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法、装置及介质；能够实现瞬变电磁发射磁场聚焦，将涡流场聚焦在感兴趣的探测区域内，缩小瞬变电磁涡流场的纵向扩散范围，提高瞬变电磁井下探测的纵向分辨率，为实现瞬变电磁井下的高精度储层探测和套管损伤的精确评价提供重要依据。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法，所述方法包括：

基于发射阵列模型获取所有发射阵元在设定位置处的涡流场的磁场强度叠加值；

在目标半径的纵向设置多个位置采样点，基于所述磁场强度叠加值以及所述位置采样点获取所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布；

根据期望的磁场强度分布以及所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布，基于加权最小均方误差准则求解获得每个发射阵元所对应的最优权。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测装置，所述装置包括：第一获取部分、第二获取部分以及求解部分；其中，

所述第一获取部分，经配置为基于发射阵列模型获取所有发射阵元在设定位置处的涡流场的磁场强度叠加值；

所述第二获取部分，经配置为在目标半径的纵向设置多个位置采样点，基于所述磁场强度叠加值以及所述位置采样点获取所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布；

所述求解部分，经配置为根据期望的磁场强度分布以及所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布，基于加权最小均方误差准则求解获得每个发射阵元所对应的最优权。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测程序，所述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测程序被至少一个处理器执行时实现第一方面所述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法步骤。

本发明实施例提供了一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法、装置及介质；采用瞬变电磁发射阵列，通过加权最小均方误差准则，来求解各发射阵元的最优发射加权，并依据加权参数调整各发射阵元的发射电流的大小和方向，从而调整瞬变电磁的涡流场分布，实现瞬变电磁发射磁场聚焦，将涡流场聚焦在感兴趣的探测区域内，缩小瞬变电磁涡流场的纵向扩散范围，进而提高瞬变电磁井下探测的纵向分辨率，为实现瞬变电磁井下的高精度储层探测和套管损伤的精确评价提供重要依据。

附图说明

图1为能够实施本发明实施例的一种井下探测系统组成示意图；

图2为本发明实施例提供的驱动流程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法流程示意图；

图4为本发明实施例提供的井下柱状多层介质瞬变电磁发射阵列模型示意图；

图5为本发明实施例提供的发射扩散的涡流场分布示意图；

图6为本发明实施例提供的选取M个采样点的磁场强度示意图；

图7为本发明实施例提供的发射聚焦的涡流场分布示意图；

图8为本发明实施例提供的一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测装置组成示意图；

图9为本发明实施例提供的一种计算设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，其示出了能够实施本发明实施例的一种井下探测系统1，该系统可以包括：基于瞬变电磁的井下探测设备10、电缆11、地面机箱12以及上位机13。

在一些示例中，继续如图1所示，基于瞬变电磁的井下探测设备10包括：瞬变电磁发射阵列101、瞬变电磁接收探头102、发射信号驱动电路103、信号采集电路104、数据传输电路105和主控电路106。在一些示例中，瞬变电磁发射阵列101由多个缠绕在磁芯上的发射线圈组成；瞬变电磁接收探头102由缠绕在磁芯上的接收线圈组成，置于发射阵列101期望聚焦的位置，优选为发射阵列101的中心位置，也可以是其他需要的位置，本发明实施例对此不做限定。通过给瞬变电磁发射阵列101中的发射阵元进行通电，可在井下各层介质中感应出涡流场，在发射激励关断的间歇，利用瞬变电磁接收探头102接收地层中随时间变化衰减的二次涡流场信息，通过分析二次场感应电动势可以反演井下介质的电阻率。在一些示例中，发射信号驱动电路103用于产生周期性双极性阶跃信号或斜阶跃信号；信号采集电路104用于采集接收线圈接收到的井下二次磁场信息；数据传输电路105用于将数据通过电缆11发送至地面机箱12；主控电路106用于响应地面机箱12的控制命令，并控制井下各模块有序运行，具体的驱动流程如图2所示；以发射阵列的发射阵元数目是N为例，主控电路 106可以控制发射信号驱动电路103向各发射阵元施加发射电流。

在一些示例中，电缆11可为潜油电泵/智能完井系统已有电缆，也可是测井绞车的电缆，用于为瞬变电磁井下探测系统供电，也可实现双向通信。上位机13通过电缆11可以给下位机发送控制命令，下位机也能实时回传信号，数据传输速度快，通信实时性更高。地面机箱12和上位机13一般置于测井绞车内，其中，地面机箱12用于实现测井数据的格式转换和井下测量信号的多通道采集和处理，并将探测信号传输至上位机13系统。具体来说，上位机13模块通过USB与地面机箱12连接，用于接收地面机箱12采集的井下监测数据，包括仪器参数、运行时间、仪器所处深度、接收线圈感应电动势等，并完成数据的存储、处理、回放和显示。

在具体实施井下探测的过程中，主控电路106通过控制发射信号驱动电路 103给瞬变电磁发射阵列101的各个发射阵元施加周期性的双极性阶跃信号或斜阶跃信号，各发射阵元的涡流场叠加聚集在一起形成一个叠加涡流场，通过控制各发射阵元施加电流的大小和方向就可以控制这个叠加涡流场的分布形态，从而即可以将大部分涡流场聚集在一个很小的探测区域，又可以尽量缩减其他非探测区域的涡流场。如此，利用接收探头102的接收线圈接收探测区域的介质中随时间变化的聚焦涡流场信息，具体来说，涡流场信息随时间变化呈指数衰减趋势，衰减规律与探测介质的电阻率和体积规模有关，因此，可通过多个测量周期由接收线圈所感应的感应电动势曲线早晚期的变化趋势判断探测区域介质电阻率的相对变化；并利用信号采集电路104对储层监测信号进行采集，通过电缆11传输至地面机箱12，完成数据的模数转换、多通道采集、存储和处理后再发送给上位机13系统用于曲线显示和后期的数据回放。

此外，在基于瞬变电磁的井下探测过程中，涡流场的覆盖区域内的介质都会影响到接收信号，因此涡流场的覆盖范围即为无损检测的探测范围。涡流场随时间扩散，这种扩散特性可以使涡流场径向扩散至套管，从而实现套管的无损检测。但是涡流场在径向扩散的同时，纵向也会有一定的扩散。纵向扩散范围对无损检测性能影响很大，一方面，纵向扩散会增大纵向探测范围，仪器在纵向移动测量中，可以采用较少的点数完成井段测量；然而另一方面，这种纵向扩散也会降低纵向分辨率，同时增大套管不均匀的可能性，若套管不均匀，会存在模型失配，探测的套管为不均匀套管的等效壁厚，探测结果会有一定的偏差。比较理想的方法是，在套管壁厚变化不大的区域，采用大的纵向探测范围实现快速探测，而在套管损伤比较严重的区域，采用小的纵向探测范围实现精细扫描。采用早期信号或者降低功率可以达到缩小纵向探测范围的目的，但是缩小的程度有限，且会严重降低涡流场的强度，降低探测性能。

基于此，本发明实施例期望提供一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方案，利用纵向发射阵列结构，通过控制各阵元的电流方向和发射功率，改变涡流场的纵向分布，实现发射磁场聚焦，从而降低纵向扩散范围，提高纵向分辨率。

基于以上阐述，参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法，该方法可以应用于前述图1所示的系统1，所述方法包括：

S301：基于发射阵列模型获取所有发射阵元在设定位置处的涡流场的磁场强度叠加值；

S302：在目标半径的纵向设置多个位置采样点，基于所述磁场强度叠加值以及所述位置采样点获取所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布；

S303：根据期望的磁场强度分布以及所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布，基于加权最小均方误差准则求解获得每个发射阵元所对应的最优权。

针对图3所示的技术方案以及图1所示的系统，本发明实施例建立如图4 所示的井下柱状多层介质瞬变电磁发射阵列模型，设定井下介质由内到外共有了层，分别为铁芯、空气、仪器外护管、井液、套管、水泥环和地层等，各层介质的电参数和几何参数分别为(μ

基于上述设定，在一些可能的实现方式中，所述基于发射阵列模型获取所有发射阵元在设定位置处的涡流场的磁场强度叠加值，包括：

对于所述发射阵列中的每个发射阵元，根据麦克斯韦方程组，通过求解齐次和非齐次亥姆霍兹方程，可得在设定位置(z，r)处的涡流场的磁场强度为：

其中，r表示所述设定位置与所述发射阵元之间的半径距离，z表示在距离为r处的纵向高度值；ω为角频率；N

将式1通过S级盖弗-斯图夫特Gaver-Stehfest的逆拉普拉斯变换转换到时域如式2所示：

其中，D

根据发射阵列的发射阵元数目N以及发射阵元的间距Δz，基于式2获取所述发射阵列的所有发射阵元在设定位置(z，r)处的涡流场的磁场强度叠加值如式3所示：

其中，I

根据高斯-勒让德Gauss-Legendre求积方程将式3展开为多级勒让德多项式，并表示为矩阵形式如式5所示：

H(I，t，r，z)＝ξI

其中：X(z)＝[Y(z

对于上述示例，参见图5，其示出了式5所仿真的发散涡流场分布情况，从图5中可以看出，其在套管上的纵向扩散范围要大于探头长度，且随着套管内径越大，纵向扩散范围也越大。这种纵向扩散会增大纵向探测范围，降低纵向分辨率；且同时增大套管不均匀的可能性，若套管不均匀，会存在模型失配，探测的套管为不均匀套管的等效壁厚，探测结果会有一定的偏差。基于此，在一些示例中，所述在目标半径的纵向设置多个位置采样点，基于所述磁场强度叠加值以及所述位置采样点获取所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布，包括：

所述在目标半径的纵向设置多个位置采样点，基于所述磁场强度叠加值以及所述位置采样点获取所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布，包括：

为实现发射聚焦，在目标半径r处纵向选取如图6所示的M个采样点；

基于式5获取在所述M个采样点的涡流场的磁场强度如式6所示：

其中，X(z

基于上述示例，具体来说，所述根据期望的磁场强度分布以及所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布，基于加权最小均方误差准则求解获得每个发射阵元所对应的最优权，包括：

设定在半径r处的M个点的期望的磁场强度分为如式7所示：

H

针对式6以及式7，引入加权最小均方误差准则如式8所示：

其中，k

将式8展开获得如式9所示：

其中，K＝[k

基于式9对I进行偏微分，获得式10所示的方程：

求解式10所示的方程获得如式11所示的最优权：

对于以上具体示例，由于在井下探测中，当期望的磁场强度如式12所示：

其中，η为一个常数，用于保证所述期望的磁场强度足够大至能够达到探测的距离要求；此时若令其他点的加权都为1，则有

根据式12所示的期望的磁场强度获得R

此时的发射加权即为使发射磁场聚焦向a点的同时，使其他点的磁场最小。聚焦后的涡流场分布图如图7所示，可以看出涡流场的纵向扩散范围显著降低了，这说明采用前述技术方案所获得的最优权加权约束后可以很好的实现涡流场的聚焦，从而显著提高纵向分辨率。

基于前述技术方案相同的发明构思，参见图8，其示出了本发明实施例提供的一种基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测装置80，该装置80 包括：第一获取部分801、第二获取部分802以及求解部分803；其中，

所述第一获取部分801，经配置为基于发射阵列模型获取所有发射阵元在设定位置处的涡流场的磁场强度叠加值；

所述第二获取部分802，经配置为在目标半径的纵向设置多个位置采样点，基于所述磁场强度叠加值以及所述位置采样点获取所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布；

所述求解部分803，经配置为根据期望的磁场强度分布以及所述发射阵列在目标半径处磁场强度的纵向分布，基于加权最小均方误差准则求解获得每个发射阵元所对应的最优权。

在一些示例中，所述第一获取部分801，经配置为：

对于所述发射阵列中的每个发射阵元，根据麦克斯韦方程组，通过求解齐次和非齐次亥姆霍兹方程，可得在设定位置(z，r)处的涡流场的磁场强度为：

其中，r表示所述设定位置与所述发射阵元之间的半径距离，z表示在距离为r处的纵向高度值；ω为角频率；N

将式14通过S级盖弗-斯图夫特Gaver-Stehfest的逆拉普拉斯变换转换到时域如式15所示：

其中，D

根据发射阵列的发射阵元数目N以及发射阵元的间距Δz，基于式2获取所述发射阵列的所有发射阵元在设定位置(z，r)处的涡流场的磁场强度叠加值如式16所示：

其中，I

根据高斯一勒让德Gauss-Legendre求积方程将式16展开为多级勒让德多项式，并表示为矩阵形式如式18所示：

H(I，t，r，z)＝ζI

其中：x(z)＝[Y(z

在一些示例中，所述第二获取部分802，经配置为：

为实现发射聚焦，在目标半径r处纵向选取M个采样点；

基于式5获取在所述M个采样点的涡流场的磁场强度如式19所示：

其中，x(z

在一些示例中，所述求解部分803，经配置为：

设定在半径r处的M个点的期望的磁场强度分为如式20所示：

H

针对式19以及式20，引入加权最小均方误差准则如式21所示：

其中，k

将式21展开获得如式22所示：

其中，K＝[k

基于式22对I进行偏微分，获得式23所示的方程：

求解式23所示的方程获得如式24所示的最优权：

在一些示例中，当期望的磁场强度如式25所示：

其中，η为一个常数，用于保证所述期望的磁场强度足够大至能够达到探测的距离要求；

根据式25所示的期望的磁场强度获得R

可以理解地，在本实施例中，“部分”可以是部分电路、部分处理器、部分程序或软件等等，当然也可以是单元，还可以是模块也可以是非模块化的。

另外，在本实施例中的各组成部分可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并非作为独立的产品进行销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM， Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

因此，本实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测程序，所述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测程序被至少一个处理器执行时实现上述技术方案中所述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法步骤。

根据上述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测装置80以及计算机存储介质，参见图9，其示出了本发明实施例提供的一种能够实施上述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测装置80的计算设备90的具体硬件结构，该计算设备90具体可以是图1所示系统1中的上位机13。计算设备90包括：通信接口901，存储器902和处理器903；各个组件通过总线系统904耦合在一起。可理解，总线系统904用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统904除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图9中将各种总线都标为总线系统904。其中，

所述通信接口901，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；

所述存储器902，用于存储能够在所述处理器903上运行的计算机程序；

所述处理器903，用于在运行所述计算机程序时，执行前述技术方案所阐述的基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法步骤。

可以理解，本发明实施例中的存储器902可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本文描述的系统和方法的存储器902旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

而处理器903可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器903中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器903可以是通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器902，处理器903读取存储器902 中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable LogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。

对于软件实现，可通过执行本文所述功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。

可以理解地，上述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测装置 80以及计算设备90的示例性技术方案，与前述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法的技术方案属于同一构思，因此，上述对于基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测装置80以及计算设备90的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见前述基于加权最小均方误差的瞬变电磁发射聚焦的探测方法的技术方案的描述。本发明实施例对此不做赘述。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。