基于ANSYS随钻双感应测井三维响应模拟软件开发及应用

林小稳, 柯式镇, 许巍, 李安宗, 陈鹏, 朱军, 贺秋丽

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249; 2.中国石油大学(北京)地球物理与信息工程学院, 北京 102249; 3.中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710021)

0 引 言

随钻双感应测井仪器是一种偏心仪器,地层相对于井轴不具有旋转对称性,因此,无法使用解析法和二维轴对称模式进行数值模拟,需要使用三维数值计算的方法计算其测井响应。2010年,高杰等[1]对电法数值模拟作了分析并指出,有限元方法在三维数值模拟中应用较好[2]。针对随钻电阻率测井仪器在非均匀地层模型中的响应模拟非常复杂和困难,不仅需要考虑仪器结构自身的影响[3],还需要考虑测量环境的影响[4-6],仪器的刻度设计将直接影响仪器测量精度[7]。在实际的工作中,针对随钻电阻率测井响应的三维有限元数值模拟需要借助大型有限元分析软件,如ANSYS、COMSOL等,但这些软件在测井数值模拟中缺乏友好的支持,计算程序编制工作量和参数输入量很大,数值模拟技术在应用过程中要针对不同的参数值进行计算以获得规律性认识。使用上述软件进行计算时调整参数十分困难,给非数值模拟研究人员的使用带来了很大困扰。

本文以ANSYS有限元计算分析软件为基础,利用Tcl/Tk与APDL语言混合编程,进行了随钻双感应测井响应三维数值模拟软件开发,利用开发的软件可以方便地改变仪器参数、地层参数、刻度参数等并计算仪器的响应。

1 随钻双感应测井仪器

随钻双感应测井仪器的工作频率为20 kHz,与电缆感应测井仪器的工作频率相同[9]。图1是仪器的线圈系结构示意图。仪器线圈系是由1个发射线圈(T)、2个接收线圈(R1、R2)和2个补偿线圈(B1、B2)组成。线圈系放置在钻铤上带有反射层的V型槽内,避免了钻井过程线圈系的磨损,同时线圈系便于安装和替换,提高了现场的工作效率;图2是传感器阵列横向截面图,高导反射层屏蔽了钻铤对仪器的影响。线圈是在钻铤中偏心放置的,整个响应回路不对称,使得仪器响应具有方向性。

图1 线圈系结构示意图

图2 传感器阵列横截面图

双感应测井仪器的线圈放置在钻铤一侧的V型槽内,线圈与地层相对于井轴不具有旋转对称性,二维轴对称模式无法计算仪器的测井响应,需要使用三维数值模拟方法。

2 随钻双感应测井响应计算软件开发

通用有限元分析软件ANSYS具有强大的建模功能,内嵌多种形式的单元库和材料库,能够进行人工和自适应剖分,求解方便,具有强大、丰富的后处理功能[10]。通用有限元软件的主要特点在于通用性,但对测井数值模拟缺乏友好支持,在计算测井响应时参数过多并且调整困难,设置选项相对复杂。ANSYS软件向用户提供了多种二次开发工具,例如Tcl/Tk语言,根据用户的需求结合APDL语言(即命令流),开发各种模块,方便高效地解决各种专业问题[11]。

2.1 Tcl/Tk与APDL语言

Tcl是工具语言Tool command language的缩写,它是一种脚本语言,可以很容易地添加到其他应用程序中[12-13]。Tk是基于Tcl的图形开发工具箱,是Tcl的重要扩展部分。利用Tcl/Tk可以构建出满足用户要求的界面。从ANSYS 5.5开始,Tcl/Tk就被编译到经典ANSYS环境中并被应用到ANSYS界面开发当中。

APDL是ANSYS Parametric Design Language的缩写,即ANSYS参数化设计语言,它是一种类似于FORTRAN的解释性语言,提供一般程序语言的功能,如参数、宏、标量、向量及矩阵计算、分支、循环等。利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及后处理结果的显示,从而实现参数化有限元分析的全过程。使用APDL命令编制有限元分析程序可以简单地修改其中的参数达到反复分析不同设计方案的目的,极大提高了分析效率,减少了工作量。

在进行随钻双感应测井响应计算软件开发时,将软件分为3层,即用户层(或界面层)、执行层和数据层。用户层给用户提供可视化界面,用户可以通过界面层输入数据或获取数据;执行层是用户层和数据层的桥梁,响应用户层的调用,执行用户要求;数据层定义和存储数据,可以访问数据。利用脚本语言Tcl/Tk可以方便地制作针对专业问题的人机交互界面。软件的执行层利用APDL的程序语言和宏技术组织管理有限元分析命令,可以实现有限元分析的全过程。软件的数据层由Tcl/Tk语言和ANSYS数据库的交互以及数据文件的读写部分组成。

图3 随钻双感应测井软件框架图

2.2 软件设计及界面开发

在进行随钻双感应测井响应数值模拟时,主要计算仪器结构影响、仪器刻度影响、环境影响及斜井、水平井响应等,同时软件要具有计算结果的输出与显示等常用功能,因此软件主要有4个计算模块和2个功能模块,即软件界面中的一级菜单,每个模块下有若干个选项构成界面中的二级菜单和三级菜单,软件的整体框架见图3。

软件的各个计算模块使用APDL命令流编写,通过由Tcl/Tk编写的界面调用,使用Tcl/Tk编写的界面文件通常以tcl为扩展名,在ANSYS中可以通过“～tcl,source filename.tcl”命令行方式运行程序。在编写界面程序时要在tcl文件第1行加上“encoding system euc-cn”语句,对话框界面中的中文字符才能正常显示,否则显示为乱码。Tcl/Tk开发界面时遵循图4所示的层次结构。

图4 Tcl/Tk的层次结构

首先要建立顶层窗口,然后才可以添加各种组件,如菜单、按钮对话框等,可以使用toplevel命令创建窗口,命令如下

toplevel.mainwindow

wm title.mainwindow "随钻双感应测井响应计算"

这2条命令创建了名为“.mainwindow”的窗口,将这个窗口的标题命名为随钻双感应测井响应计算,窗口还可以设置大小、背景颜色等属性。建立主窗口后,可以根据需要添加组件,Tcl/Tk提供了建立多种组件的命令(见表1)。每个组件都有很多的属性,如果在创建时用户不具体指定,则以默认值创建[14]。

根据图3所示的软件框架图,利用Tcl/Tk语言设计出主界面,由菜单组件、文本组件及按钮组件组成。其中一级菜单包括文件及所要考察的影响因素,每个一级菜单包括多个次级菜单,点击次级菜单可以弹出对应的对话框。主界面中的文本组件主要用于查看之前计算的结果,可以选择文件中的打开文件选项,点击弹出文件选择框,选择要查看的文件,可以在主界面显示计算结果。

2.3 输入参数与ANSYS的通讯

在利用APDL命令进行有限元计算时,通过主界面对话框输入的参数只有传递到ANSYS的数据库中才能进行计算得到正确的结果[15]。输入参数与ANSYS的通讯可以通过如下命令实现

ans_sendcommand “*set,ansVar,＄tkVar”

表1 Tcl/Tk创建顶部窗口和添加组件常用命令

这条命令将对话框中的变量tkVar赋给ANSYS数据库中变量ansVar。通过这种方式,可以直观方便地利用可视化界面改变计算过程中的参数,提高了效率。

ANSYS数据库中的数据也可以传输给界面,命令如下

settkVar[ans_getvalue PARM,ansVar,VALUE]

将ANSYS数据库中变量ansVar赋给界面中的变量tkVar,这样利用命令可以直接在主界面的文本组件中显示计算结果。

2.4 软件算法正确性验证

为了验证软件算法的正确性,将该仪器模型退化为普通感应(即把除了线圈之外的所有介质均设为地层介质),分别利用有限元软件ANSYS建立二维模型和三维模型,分别计算仪器响应随地层电导率的变化,并与解析解进行对比,结果见表2和图5;图6为计算结果的误差曲线。从对比的结果看,总体误差控制在5%以内,满足工程计算要求,同时也证明了算法的正确性。

表2 双感应随钻电阻率数值解与解析解对比

图5 感应电动势信号有限元解与解析解对比

图6 感应电动势信号有限元解相对误差

3 软件功能及应用

3.1 软件数据管理

软件的数据管理实现数据的输入、输出、显示等相关操作。使用软件计算时所需的大部分参数通过对话框输入,与ANSYS数据库进行实时通信。在开始计算之前,需要进行参数的初始化,包括地层、仪器的基本参数等,这部分数据通过文件的形式保存,可以方便地进行反复调用。软件计算结果以数据文件的形式进行保存并输出,输出数据包括中感应和深感应线圈的电动势及转换电导率、屏蔽线圈电动势以及仪器常数等参数。软件可以读取这些数据文件并且显示在主界面中,方便用户查看。

3.2 数值模拟模块

数值模拟模块是软件的主体模块,这一部分采用APDL命令编写;计算过程中为模拟仪器真实的地层情况,建立了如图7所示的三维非均匀地层模型,模型包括上下围岩层和目的层,计算结果具有实用性。在软件的初始化参数对话框中可以设计模型的一系列参数。

软件的数值模拟模块包含4个子模块:仪器参数影响计算模块、刻度响应计算模块、环境影响计算模块及斜井、水平井计算模块。利用这些模块可以模拟随钻双感应测井仪器在不同情况下的仪器响应,分析仪器结构、测量环境等对仪器的影响,讨论仪器在刻度环和刻度水池中的刻度响应特性以及仪器在倾斜地层或水平井中的响应特性等。这4个子模块分别对应于软件主界面中的4个一级菜单,每个一级菜单下有不同的二级菜单,通过这些二级菜单可以调用对应的对话框更改参数进行计算。

图7 三维非均匀地层模型

3.3 应用实例

图8是利用软件计算的仪器参数影响,考察了钻铤、磁环、反射层及其组合的影响。如图8所示,当无仪器结构影响时,除地层电导率较高时受趋肤效应影响外,仪器视电阻率率与地层电导率呈较好的线性关系。仪器结构的影响导致视电导率增大且在地层电导率低值部分非线性变化;磁环主要起增强信号的功能,反射层主要降低钻铤的非线性影响。对比深感应和中感应,可以看出中感应测井视电导率受仪器结构影响更大。

图8 钻铤、磁环、反射层影响

图9 侵入校正图版

软件可以方便地计算测量环境影响并将计算结果应用到实际工作中,例如利用侵入影响计算对话框可以更改冲洗带电阻率、侵入深度、地层电阻率等参数进行计算中感应视电阻率(RILm)和深感应视电阻率(RILd),结合侵入深度(Di)和地层电阻率(Rt)即可制作如图9所示的侵入校正图版(冲洗带电阻率Rxo=1 Ω·m)。利用侵入校正图版可以进行随钻双感应测井资料的侵入校正,保证资料在进行储层评价时的准确性。

软件可以进行斜井、水平井仪器响应计算,以地层倾斜对仪器响应的影响为例,通过软件对应的对话框输入地层倾角、目的层电阻率(100 Ω·m)、 围岩电阻率(10 Ω·m)、围岩厚度(2 m)、地层倾角θ等参数,即可计算出深感应和中感应的视电阻率,结果见图10。由图10可以看出,随着倾角加大,地层的视厚度变大。

图10 地层倾斜影响

4 结 论

(1) 基于ANSYS通用有限元软件平台,利用APDL和Tcl/Tk语言进行了随钻双感应测井数值模拟软件开发,实现了仪器结构参数影响分析、仪器刻度响应计算、测量环境影响分析等多种数值模拟条件的模块化设计,形成了完整的随钻双感应测井

(2) 数值模拟体系,软件实现了人机交互界面设计,可以轻松完成参数的输入及调整,为非专业测井数值模拟研究人员提供了可轻松掌握的工作平台,完成复杂繁琐的数值模拟工作。

(3) 开发的软件可以为随钻双感应测井的技术研发、仪器制造和技术服务提供帮助,并为随钻电阻率测井数值模拟软件的开发和应用提供参考。

参考文献:

[1] 高杰, 柯式镇, 魏宝君, 等. 电法测井数值模拟现状及发展趋势分析 [J]. 测井技术, 2010, 34(1): 1-5.

[2] Lovell J R. Finite Element Methods in Resistivity Logging [D]. Delft, The Netherlands: Delft University of Technology, 1993.

[3] Hagiwara T, Banning E, et al. Effects of Mandrel, Borehole and Invasion for Tilt-coil Antennas [C]∥80th Annual Technical Conference and Exhibition, paper SPE 84245, Denver, October, 2004, 1-11.

[4] Anderson B, Bonner S, et al. Response of 2-MHz LWD Resistivity and Wireline Induction Tools in Dipping Bed Sand Laminated Formations [J]. The Log Analyst, 1992, 33(5): 461-475.

[5] Zhou Q, Hilliker D J. MWD Resistivity Tool Response in a Layered Medium [J]. Geophysics, 1991, 56(11): 1738-1748.

[6] 张甜甜, 唐章宏, 李安宗, 等. 随钻感应电阻率测井响应影响因素分析 [J]. 测井技术, 2013, 37(3): 239-243.

[7] 魏宝君. 一种新型随钻电阻率测井仪器的响应和刻度 [J]. 地球物理学报, 2007, 50(2): 632-641.

[8] 杨锦舟, 朱军, 马哲, 等. 随钻感应测井探测特性及应用研究 [J]. 测井技术, 2004, 28(6): 543-546.

[9] Xu Wei, Ke Shizhen, Li Anzong, et al. Response Simulation and Theoretical Calibration of a Dualinduction Resistivity LWD Tool [J]. Applied Geophysics 2014, 11(1): 31-40.

[10] 杨磊, 刘更, 郑党党, 等. ANSYS二次开发技术在协同仿真环境中的应用 [J]. 机械设计与制造, 2011(5): 71-73.

[11] 周宁. ANSYS-APDL高级工程应用实例分析与二次开发 [M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2007.

[12] 张元章. Tcl/Tk入门经典 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2010.

[13] Murillo, Alejandro E. DSU: Distributed Parallel Processing with Seismic Unix [C]∥SEG Annual Meeting, Denver, Colorado, 1996: 997-1000.

[14] 崔凯. Tcl/Tk编程权威指南 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2002.

[15] 徐中民, 王纳秀. 基于Tcl/Tk语言的经典ANSYS软件用户界面的二次开发 [C]∥安世亚太用户年会北京, 2006: 1-5.