方位側向電阻率成像隨鉆測井儀探測特性數(shù)值模擬分析

李安宗，李啟明，朱軍，孔亞娟，周強，李傳偉

（1.中國石油集團測井有限公司隨鉆測井中心，陜西 西安710054；2.美國Oliden技術有限公司，美國 德克薩斯77478）

0 引 言

隨鉆電阻率測井技術是最早發(fā)展和應用的隨鉆測井技術之一，國內外隨鉆感應、隨鉆電磁波、隨鉆側向電阻率測井技術與儀器均投入生產(chǎn)應用，其中隨鉆電磁波和隨鉆側向測井得到了更廣泛的應用。進入21世紀后，國外隨鉆電磁波電阻率成像、隨鉆側向電阻率成像測井技術相繼成熟并進入商業(yè)應用，主要用于復雜儲層的地質導向和地層評價。隨鉆電磁波電阻率及其成像測井技術具有探測深度大、低電阻率靈敏、適用于各種泥漿類型等優(yōu)點，但難以適用于高電阻率地層測井和進行井壁電阻率成像。為此，國外多家服務公司均推出了隨鉆側向電阻率成像儀器［1－5］，如斯倫貝謝公司的 RAB、GVR、MicroScope，哈里伯頓公司的AFR，貝克休斯公司的StarTrak等，但這些儀器的探測深度較淺，不具備地層邊界探測功能。為滿足裂縫、薄層、低孔隙度、低滲透率等復雜高電阻率儲層的大斜度井／水平井地質導向、地層評價和電阻率成像需要，研發(fā)一種新的方位側向電阻率成像隨鉆測井儀（RIT，Resistivity Imaging Tool），并已經(jīng)進入現(xiàn)場試驗。

本文采用有限元方法對6.75in＊非法定計量單位，1ft＝12in＝0.304 8m，下同外徑RIT儀器的響應特性進行數(shù)值模擬分析，其中二維問題求解同時使用了側向二維有限元方法軟件［6］和成熟的COMSOL商業(yè)軟件，以便相互驗證；三維問題求解使用COMSOL軟件。介紹了該儀器的電極系排列和測量原理，并通過數(shù)值模擬計算，分析該儀器的探測深度、地層邊界探測能力、軸向分辨率、井眼影響等探測特性。

1 RIT電極系及測量原理

方位側向電阻率成像隨鉆測井儀RIT的設計考慮了方位電阻率測量、地層邊界探測和井壁成像等功能，通過優(yōu)化設計和數(shù)值模擬計算分析確定了電極系排列及相關距離參數(shù)（見圖1）。儀器電極系由4個發(fā)射線圈（T1、T2、T3和 T4）、4個相隔90°的方位電阻率象限測量電極（方位象限電極）和鈕扣測量電極組成，并安裝在鉆鋌本體上；4個發(fā)射線圈（T1～T4）到方位象限電極中點的距離分別為15、30、45、60in；2個鈕扣電極（B1、B2）到方位象限電極中點的距離分別為25、30in。鉆鋌作為4個方位象限電極和鈕扣電極的聚焦電極（屏蔽電極），4個方位象限電極主要用于地質導向和地層評價，鈕扣電極主要用于電阻率成像。

圖1 方位側向電阻率成像隨鉆測井儀RIT電極系

方位側向電阻率成像隨鉆測井儀RIT的螺繞環(huán)發(fā)射線圈T通以恒定頻率的交流電在發(fā)射線圈兩側的鉆鋌上產(chǎn)生恒定電壓VT，在鉆鋌上形成以T為中心的渦流IT，并從鉆鋌一側流入井眼、地層，返回到鉆鋌另一側［7］。監(jiān)控電路產(chǎn)生方位象限電極電流IRazj和鈕扣電極電流IBk，流入井眼、地層，返回到鉆鋌一側。IT對IRazj、IBk起聚焦作用，調節(jié)方位象限電極、紐扣電極與鉆鋌等電位，測量此時的電流IRazj、IBk，如果VT恒定，電流IRazj、IBk與地層電阻率有關，地層視電阻率Ra可通過式（1）求取。

通過不同發(fā)射線圈和接收電極的組合，該儀器可獲得多個不同方位、不同探測深度的視電阻率測量值，并通過處理獲得多種不同探測深度偽對稱視電阻率曲線，用上述視電阻率測量值進行地質導向、地層評價和井壁成像。

2 RIT探測深度及地層邊界探測距離

2.1 探測深度及侵入影響

RIT的探測深度及侵入影響可以用偽幾何因子G表達，定義偽幾何因子等于0.5所對應的侵入半徑為探測深度。圖2、圖3分別給出了地層低侵和高侵時的偽幾何因子曲線，其中歸一化后的G15、G30、G45、G60（與發(fā)射線圈和方位象限電極距離LTi為15、30、45、60in相對應）分別是T1～T4發(fā)射、方位象限電極測量的偽幾何因子；G90（與發(fā)射線圈與鈕扣電極B1之間距離為90in對應）是T4發(fā)射、鈕扣電極B1測量的偽幾何因子?？梢钥闯?，RIT的探測深度在0.19～0.60m之間，并且在高侵時，探測深度要深一些。

圖2 地層低侵時RIT偽幾何因子曲線

圖3 地層高侵時RIT偽幾何因子曲線

圖4 RIT在地層中對不同侵入深度的響應

圖4給出了T1～T3發(fā)射、方位象限電極測量（分別對應圖中的R15、R30、R45）的測井響應，其中地層電阻率Rt＝100Ω·m，侵入帶電阻率Rxo＝10Ω·m，侵入半徑Ri為0～30in。從圖4可以看出，當無侵入時，3條電阻率響應近似為100Ω·m，基本重合。當侵入半徑增加時，3條電阻率曲線出現(xiàn)分離，當侵入半徑為30in時，測井響應降至為20Ω·m左右。數(shù)值模擬結果表明，隨著侵入深度的增加，RIT視電阻率曲線分離非常明顯，能夠準確反映泥漿的侵入特征。

2.2 地層界面探測距離

與國外同類儀器相比，RIT增加了地層界面探測功能。將T4發(fā)射、上下2個方位象限電極（LT4＝60in）測量的電阻率響應相差10%變化確定的地層界面距離定義為RIT的地層界面探測距離。圖5中，R1是儀器所在地層的電阻率，R2是地層界面另一側的地層電阻率，探測距離DTB用彩色表達。從圖5中可以看出，R1／R2反差達到10倍以上時，地層界面探測距離DTB可達1m以上。

RIT在探測深度、測量范圍具有明顯優(yōu)勢。模擬結果顯示，RIT具有地層界面探測功能，該功能是國外同類儀器所不具備的。需要說明的是，邊界探測功能對儀器測量的低噪音要求很高，還需在現(xiàn)場測試中進行驗證。

圖5 RIT方位電阻率地層界面探測距離示意圖（LT4＝60in）

3 RIT軸向分層能力

為了考察RIT的分層能力，模擬了RIT圍巖影響校正曲線和在Oklahoma模型地層中的測井響應。圖6、圖7分別是T1（LT1＝15in，近發(fā)射）和T4（LT4＝60in，遠發(fā)射）發(fā)射、方位電象限極測量的圍巖影響曲線，圖6和圖7中模型為3層介質，中間目的層電阻率為Rt，上下圍巖電阻率為Rs，井眼直徑8in、Rs＝1Ω·m固定不變，Rt和層厚發(fā)生變化?？梢钥闯?，RIT具有很高的分辨率，在層厚大于0.3m時，測量誤差一般不超過20%；隨著Rt／Rs增加，圍巖影響增大，分辨率降低；當層厚大于1m時，近發(fā)射響應的圍巖影響小于遠發(fā)射響應的圍巖影響；當層厚小于1m時，近發(fā)射響應的圍巖影響大于遠發(fā)射響應的圍巖影響。需要注意：在圖7和圖8中，沒有消除井眼影響，如果消除井眼影響，層厚校正系數(shù)Rt／Ra會更接近1，即真實的圍巖影響比這2個圖中給出的還會小一些。

圖6 RIT近發(fā)射響應圍巖影響校正曲線（LT1＝15in）

圖7 RIT遠發(fā)射響應圍巖影響校正曲線（LT1＝60in）

圖8是RIT在Oklahoma地層模型中的響應。圖8中，井眼直徑為8in，泥漿電阻率Rm為1Ω·m；3條電阻率曲線（45＋15、45＋30、45＋60）是將方位象限測量電極一側的T3（LT3＝45in）發(fā)射的響應與方位象限測量電極另一側的T1（LT1＝15in）、T2（LT2＝30in）、T4（LT4＝60in）發(fā)射的響應分別疊加（偽對稱補償處理）獲得。從圖8中看出，RIT具有很高的分辨率，它能將深度在68～70m之間0.2m薄層清楚地分辨出來。

圖8 RIT在Oklahoma地層模型中的響應

4 井眼影響

RIT是為8.5in井眼設計的儀器。在9in和10in井眼情況下的井眼影響曲線如圖9、圖10所示。圖9和圖10分別給出了4個發(fā)射、方位電極測量的平均電阻率的井眼影響。對于9in井眼，隨著發(fā)射線圈與測量電極的距離增加，井眼影響減??；在地層電阻率大于泥漿電阻率時，除LT1＝15in曲線外，井眼影響均比較小，在10%左右；在地層電阻率小于泥漿電阻率時，井眼影響急劇增大。實際上在隨鉆測井時井眼擴大到10in的情況很少出現(xiàn)。對比圖9、圖10可看出，9in井眼的井眼影響明顯小于10in井眼的井眼影響。另外，如果將8.5in的井眼響應作為基線，9in和10in的井眼影響會進一步減少。

圖10 RIT在10in井眼中井眼影響曲線

5 結 論

（1）方位側向電阻率成像隨鉆測井儀RIT能夠提供不同方位、不同探測深度的視電阻率曲線，具有地質導向、地層評價和電阻率成像等功能。

（2）該儀器具有較大的探測深度，當?shù)颓諶t／Rxo為10時，探測深度可達0.53m，當高侵Rxo／Rt為10時，探測深度可達0.60m。

（3）該儀器具有地層界面探測能力，在上下方位電極測井響應相差10%時，探測距離DTB可達1m以上，更有利于地質導向。

（4）該儀器具有良好的軸向分層能力，能夠分辨0.2～0.3m的薄層，有利于薄層識別和評價。

（5）該儀器測井響應受井眼影響較小，當用于9in左右井眼、地層電阻率大于泥漿電阻率時，井眼影響在10%左右。

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［6］ 朱軍，馮林偉.高分辨率雙側向測井響應數(shù)值模擬分析 ［J］.石油地球物理勘探，2007，42（4）：457－462.

［7］ Arps J J.Inductive Resistivity Guard Logging Apparatus Including Toroidal Coils Mounted on a Conductive Stem：USA，3，305，771［P］.February 1967.