套后電阻率測井儀大功率發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用

包德洲，陳 濤，劉 杰，彭慧琴，賀 飛，李 科

(1.中國石油集團 測井有限公司，陜西 西安 710077； 2.中國石油天然氣集團公司 測井實驗基地，陜西 西安 710077)

套后電阻率測井儀大功率發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用

包德洲1,2，陳 濤1,2，劉 杰1,2，彭慧琴1，賀 飛1,2，李 科1

(1.中國石油集團 測井有限公司，陜西 西安 710077； 2.中國石油天然氣集團公司 測井實驗基地，陜西 西安 710077)

套后電阻率測井技術(shù)能有效地用于油氣藏動態(tài)監(jiān)測和剩余油分布監(jiān)測，確定含油飽和度。介紹了自主研制的套后電阻率測井儀的平衡聚焦測量方法、電極系探測特性及性能特點；重點闡述了基于DDS合成的大功率發(fā)射控制電路的技術(shù)構(gòu)成及性能指標(biāo)、儀器的微弱信號檢測及刻度檢測等。在青?；ㄍ翜嫌吞锏默F(xiàn)場試驗表明，儀器電阻率測井?dāng)?shù)值準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定可靠。

套后電阻率測井儀；探測特性；大功率發(fā)射；信號檢測；測井應(yīng)用

套管井電阻率測井儀用于開發(fā)測井中的儲集層剩余油監(jiān)測。通過套后地層電阻率測量結(jié)果與裸眼井感應(yīng)或側(cè)向電阻率測井?dāng)?shù)值的比較，分析油氣運移情況，確定剩余油水淹狀態(tài)和開采價值，為油田動態(tài)監(jiān)測提供一種新的方法[1]。介紹了自主研發(fā)的套后電阻率測井儀的技術(shù)構(gòu)成、電極系探測性能、nV級套管信號采集與檢測、套管直徑自適應(yīng)式硬質(zhì)合金液壓電極系設(shè)計、儀器的刻度技術(shù)和線性檢測、大功率發(fā)射模塊開發(fā)等方面的研制及試驗情況。

1 儀器技術(shù)構(gòu)成

1.1 平衡聚焦測量方法

在地面測井時，套管井電阻率測井儀的發(fā)射裝置通過電纜向井下儀器頂部電極或底部電極發(fā)射電流(圖1)。儀器共有6組電極，其中2組為電流注入的頂部電極T和底部電極B，4組測量電極分別為R、U、M、D，其中R為參考電極，U為上部測量電極，M為中間測量電極，D為下部測量電極，參考電壓電極N和發(fā)射電流回路電極G置于井口套管上。儀器測井時采用上、下交替發(fā)射模式，利用平衡聚焦測量方法處理，即可得到二階電位差的穩(wěn)定極值(圖2)。下發(fā)時，可測得發(fā)射電流IB、M點電位UM(IB)、DU間的一階電位差ΔUDU(IB)、D和U相對于M的二階電位差Δ2UDU(IB)及參考電極相對于井口的電位VR。若套管處于真空絕緣狀態(tài)下，則VR呈線性關(guān)系，如圖2(a)所示的實線， 若套管處于井下地層介質(zhì)中，就會有漏失電流存在，此時，VR值會出現(xiàn)圖2(a)所示的點畫線偏差，偏差大小取決于周圍地層電阻率，電阻率越小，偏差越大。上發(fā)時，可測得發(fā)射電流IT、M點電位UM(IT)、DU間的一階電位差ΔUDU(IT)和D、U相對于M的二階電位差Δ2UDU(IT)；參考電極相對于井口的電位為VR，如圖2(b)所示。同樣，在套管處于真空絕緣狀態(tài)下，VR呈線性關(guān)系，處于井下地層介質(zhì)中，VR值會出現(xiàn)偏差，偏差大小取決于周圍地層電阻率的大小。通過調(diào)節(jié)式(1)中Q值來平衡發(fā)射電流，使上發(fā)和下發(fā)的VR值線性疊加時，在U、D電極間形成零電位差，即滿足式(1)要求，從而得到圖2(c)所示的點畫線VR，在M點處形成表征漏電流的二階電位差穩(wěn)定的極值，為求解地層電阻率得到理想的邊界條件。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 平衡聚焦測量處理方法

QΔVDU(IT)+ΔVDU(IB)=0。

(1)

在電極T發(fā)射時，測量記錄IT、UM(IT)、ΔUDU(IT)和Δ2UDU(IT)值；在電極B發(fā)射時，測量記錄IB、UM(IB)、ΔUDU(IB)和Δ2UDU(IB)值，在滿足上述邊界條件的同時，可導(dǎo)出如下的地層視電阻率Ra值[2-4]:

(2)

其中:K=πx/4ln(b/a)，為儀器常數(shù)，與儀器本身尺寸和形狀有關(guān)，可以通過數(shù)值模擬或試驗確定；a為套管半徑；b為套管到電位零之間距離；x為電極U到電極D之間的距離。

1.2 儀器性能

套后電阻率測井儀設(shè)計有專門的液壓伸縮缸電極系，將電極推靠到套管內(nèi)壁，儀器通過發(fā)射電路提供大功率低頻電流，液壓伸縮缸電極測量套管上的電位分布，確定上下被測電極間的泄漏電流，進而求出金屬套管外地層電阻率。儀器電阻率測量精度高，探測器伸縮電極貼井壁推靠力大，測井前不需清洗套管，工作可靠,時效高，工程施工安全。儀器主要性能指標(biāo):電阻率 1～120Ω·m，耐溫155 ℃，耐壓100MPa，長度8 200mm，直徑90mm，測量誤差±7% ，徑向深度范圍2～11m，縱向分辨率1.10m，點測速度3min/dot，套管直徑范圍112～212mm。

2 探測特性與信號檢測

2.1 儀器探測特性

在研究套管井電阻率電磁場測井模型的基礎(chǔ)上，針對不同地層模型，綜合考察了儀器探測器的測井響應(yīng)，制定了儀器的測量處理方案[2-4]，分析了發(fā)射電流信號頻率在套管上引起的趨膚效應(yīng)的影響，確定了儀器發(fā)射頻率范圍及電極距離。在研究儀器測井響應(yīng)、探測深度及分層能力的基礎(chǔ)上，研究了圍巖厚度、套管接箍等因素對測量結(jié)果的影響[5-8]，優(yōu)化了儀器電極系特性參數(shù)設(shè)計。圖3是根據(jù)儀器參數(shù)確定的徑向探測深度，低侵(RxoRT)條件下，儀器探測深度較小，當(dāng)RT/Rxo=1/10時，儀器徑向探測深度為2 m。

圖3 儀器的徑向探測深度

2.2 液壓探測器

液壓探測器由4組伸縮缸探針測量電極組成。伸縮缸探針采用多層銅套筒復(fù)合活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計，層間設(shè)有專用的包氟密封圈，以減小伸縮缸的伸縮阻力，防止液壓油的泄露。每組測量電極在探測器軸線的兩端對稱分布，中部為液壓油，在液壓動力系統(tǒng)作用下，驅(qū)動活塞體反向分開，雙向輸出動力，活塞體上固定的伸縮缸探針電極推靠套管內(nèi)壁，推靠力在30kg·f左右，探針電極在伸縮過程中可任意位置定位，以便測量油井套管上的電位信號[4]。

2.3 大功率發(fā)射控制

為了避免趨膚效應(yīng)及直流電流的激化對測量的不利影響，發(fā)射電流采用低頻大電流發(fā)射控制方式。利用DDS合成技術(shù)，提高發(fā)射信號的幅度和相位精度，設(shè)計了由DSP芯片組成的數(shù)字信號源。應(yīng)用負反饋技術(shù)，跟蹤各狀態(tài)下的發(fā)射電流變化，確保發(fā)射和測量的幅度穩(wěn)定和相位關(guān)系穩(wěn)定，提高了泄漏電流測量的信噪比。PFC矯正技術(shù)提高了大功率發(fā)射功率因數(shù)。階梯波發(fā)生器軟件設(shè)置上升和下降沿的過程時間，有效抑制感性負載產(chǎn)生的尖峰干擾。面板主要技術(shù)參數(shù):輸入交流電壓185～245V，輸出電壓±450V，輸出電流≥9A，輸出功率大于4 000W，軟件程控實現(xiàn)參數(shù)自動設(shè)置，自動提取同步信號。輸出紋波小于0.1%，功率因數(shù)≥90%，功率信號周期1～100s可調(diào)，頻率穩(wěn)定度為±0.003%，二次諧波抑制比≥40dB。應(yīng)用多通道熱交換溫度補償技術(shù)，提高大功率發(fā)射系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。面板結(jié)構(gòu)采用抗震設(shè)計，適應(yīng)于EILOG05測井車載系統(tǒng)安裝。

圖4是基于DDS的大功率發(fā)射控制框圖。從上到下依次由PFC功率因素校正模塊、4 000W直流隔離供電電路、DDS信號合成處理、DSP中央控制單元、時鐘及232接口、方波換向模塊、D類高頻放大模塊、正弦反饋調(diào)整環(huán)節(jié)、方波反饋調(diào)整環(huán)節(jié)、方波隔離輸出驅(qū)動、低通濾波輸出驅(qū)動、繼電器控制驅(qū)動、雙刀雙擲繼電器K1K2及K3K4、模式變壓器、井下供電電源變壓器等組成。輸入AC180～250V電壓經(jīng)EMC電磁干擾抑制后，送入PFC功率因數(shù)校正模塊進行校正，之后經(jīng)4 000W直流隔離供電電路，通過整流、濾波、振蕩、隔離、再整流、濾波，形成300V直流開關(guān)電源輸出，提供方波和正弦波的大功率供電。在DSP中央控制單元的控制下，產(chǎn)生DDS信號源,其正弦波形失真度≤3%，低頻信號的頻率范圍在0～10Hz，然后，通過D類高頻放大模塊、低通濾波輸出驅(qū)動和正弦反饋調(diào)整環(huán)節(jié)，形成基準(zhǔn)頻率穩(wěn)定度為±30×10-6的2 400W有效功率輸出。與此同時，在DSP中央控制單元的控制下，方波換向模塊可輸出大小可調(diào)的直流電源，以提供井下液壓電機和測井模式下的大功率發(fā)射。通過方波反饋調(diào)整，輸出電壓的穩(wěn)定度≤1%，時鐘晶振及232接口是DSP中央控制單元的外部電路。繼電器控制驅(qū)動用于驅(qū)動2個雙刀雙擲繼電器，繼電器的K1、K2常閉觸頭連接低通濾波輸出分別至模式變壓器的4、6中心抽頭5和7、9的中心抽頭8，完成井下儀器刻度發(fā)射功能；當(dāng)繼電器的K1、K2連接常開觸頭時，K1的1和2連通，接地面回路電極G，K2的1和2連接，將輸出正極連接到4、6中心抽頭5和7、9中心抽頭8，實現(xiàn)4芯電纜即芯2、芯6、芯3、芯5并聯(lián)的幻象供電，發(fā)射回路的負載電阻減小到原來的1/4即52.5Ω，完成井下測井發(fā)射功能； 繼電器的K3、K4常閉觸頭連接方波大功率輸出到井下交流供電電源變壓器的3、5中心抽頭4和纜芯10外皮，實現(xiàn)液壓電機幻象供電，提供井下液壓直流電機的驅(qū)動電流。繼電器的K3、K4常開觸頭用于方波發(fā)射切換。繼電器控制驅(qū)動由DSP中央控制單元輸出完成控制功能。

圖4 基于DDS的大功率發(fā)射控制框圖

2.4 套管信號檢測采集與線性測試

根據(jù)套管井電阻率測井模擬響應(yīng)、套管井信號檢測試驗結(jié)果，確定套管井電阻率測井儀電極系結(jié)構(gòu)[6-9]，所設(shè)計儀器的套管信號檢測系統(tǒng)主要由遙測短節(jié)、前置放大、預(yù)處理短節(jié)及主控數(shù)據(jù)采集短節(jié)組成。前置放大及預(yù)處理短節(jié)置于底部發(fā)射電極B和下部測量電極D之間，放大來自液壓電極系測量電極上的電位信號，量級為nV，套管信號經(jīng)差分放大，由24位數(shù)模轉(zhuǎn)換后，送至數(shù)字信號處理器進行相敏檢波。然后，經(jīng)CAN總線傳送到主控數(shù)據(jù)采集短節(jié)，在主控數(shù)據(jù)采集短節(jié)同時完成發(fā)射參考電壓信號和電流取樣信號的檢波測量，經(jīng)信號處理編碼后，進入遙傳短節(jié)傳至地面系統(tǒng)[10-12]。

用套管刻度裝置對新研制的儀器進行線性測試，電極探針推靠到刻度套管的管內(nèi)壁，確認電極探針與刻度套管的管壁接觸良好；選定適當(dāng)?shù)哪M圍巖電阻，使得工程轉(zhuǎn)換系數(shù)為1,改變模擬電阻刻度檔位，對小于50 Ω·m的檔位每檔測量3次，大于50 Ω·m的檔位每檔測量5次，取其平均值，可以得出儀器的線性測試結(jié)果。在1～100 Ω·m范圍內(nèi)，儀器測量精度在7%以內(nèi)[11]。

3 儀器試驗與應(yīng)用

研制成功的套后電阻率測井儀在花土溝、鄯善等油田進行了多口井的油田現(xiàn)場測井試驗，均一次成功地測得套管井地層電阻率的測井?dāng)?shù)據(jù)。為了驗證儀器測量的準(zhǔn)確性，選取完井作業(yè)后立即固井的新井，做地層電阻率的套前與套后準(zhǔn)確性對比試驗。圖5是花土溝砂×井套管井電阻率測井曲線圖。該井地面海拔2 926.27 m，補心高度9.0 m，井深4 100 m，套管程序339.70 mm×206.47 m、244.5 mm×25 99.50 m、139.7 mm×4 096.10 m。2014年7月16日完鉆后，經(jīng)過完井測井和固井作業(yè)，進行了磁定位、自然伽馬和聲幅變密度測井，檢測了套后固井質(zhì)量。2014年7月24日，進行了套后電阻率測井試驗。測量井段為3 028～2 992 m，累計測量76個位置點。 通過與裸眼井所測電阻率曲線對比， 可以看出，套后所測地層電阻率與套前裸眼井所測陣列感應(yīng)0.6 m縱向分辨率曲線完全一致。

圖5 砂×井套后電阻率測井曲線

4 結(jié) 論

自主研發(fā)的套后電阻率測井儀在伸縮電極系開發(fā)、大功率發(fā)射控制、納伏級微弱信號檢測等方面具有新特點，徑向探測深度大，測量精度高，電極貼靠可靠，動態(tài)范圍寬，可用于套管井電阻率現(xiàn)場測井試驗，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，整體性能穩(wěn)定可靠，滿足套后地層電阻率的測井需求。該儀器在油氣藏評價、剩余油動態(tài)監(jiān)測方面將發(fā)揮重要的作用。

[1] QIANG Zhou.Proper interpretation of casedhole resistivity logs for better reservoir management[C].SPWLA ALS,June 6-9,2004.

[2] 包德洲,程希,吳金云.過套管電阻率測井技術(shù)研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,22(5):25-28. BAO De-zhou,CHENG Xi,WU Jin-yun.Study on through-casing resistivity logging technique[J].Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science Edition,2007,22(5):25-28.

[3] 高杰,劉福平,包德洲,等.過套管電阻率測井?dāng)?shù)值模擬研究[J].中國科學(xué)：D輯:地球科學(xué)，2008,38(1):186-190.

[4] 包德洲,程希,劉杰,等.TCFR-09型過套管電阻率測井探測器研制[J].測井技術(shù),2010,34(5):473-475,486. BAO De-zhou,CHENG Xi,LIU Jie,et al.Development of TCFR-09 cased hole resistivity Logging detector[J].Well Logging Technology,2010,34(5):473-475,486.

[5] 高杰,劉福平,包德洲,等.非均勻套管井中的過套管電阻率測井響應(yīng)[J].地球物理學(xué)報,2008,51(4):1255-1261. GAO Jie,LIU Fu-ping,BAO De-zhou,et al.Responses simulation of through-casing resistivity logging in heterogeneous-casing wells[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(4):1255-1261.

[6] 包德洲,彭慧琴,李妙俠,等.過套管電阻率測井探測器:中國,201273189[P].2009-07-15.

[7] 劉福平,高杰,孫寶佃,等.實際井眼條件下過套管電阻率測井響應(yīng)的傳輸線方程正演算法[J].地球物理學(xué)報,2007,50(6):1905-1913. LIU Fu-ping,GAO Jie,SUN Bao-dian,et al.Forward calculation of the resistivity logging response through casing by transmission line equation for multi-layer formations[J].Chinese Journal of Geophysics,2007,50(6):1905-1913.

[8] 程希,包德洲.過套管電阻率測井微弱信號響應(yīng)模擬及檢測技術(shù)[J].測井技術(shù),2007,31(4):364-366. CHENG Xi,BAO De-zhou.On numerical simulating and measurement for weak signal of through casing resistivity logging[J].Well Logging Technology,2007,31(4):364-366.

[9] 嚴正國,張家田,包德洲,等.過套管電阻率測井模型機模擬井實驗研究[J].測井技術(shù),2011,35(3):215-217. YAN Zheng-guo,ZHANG Jia-tian,BAO De-zhou,et al.Experiment of prototype of cased hole resistivity Logging tool in indoor well model[J].Well Logging Technology,2011,35(3):215-217.

[10] 吳金云,包德洲.過套管電阻率測井儀推靠器液力回路裝置:中國,100356073[P].2007-12-19.

[11] 包德洲,劉杰,王利寧,等.TCFR型過套管電阻率測井儀研制[J].測井技術(shù),2013,37(3):314-321. BAO De-zhou,LIU Jie,WANG Li-ning,et al.Development of TCFR casedhole resistivity logging tool[J].Well Logging Technology,2013,37(3):314-321.

[12] 張家田,嚴正國,包德洲.過套管電阻率測井技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2013.

責(zé)任編輯：王 輝

2015-05-02

“十二五”國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(編號：2011ZX05020-004)資助

包德洲(1963-)，男，高級工程師，中國石油集團高級技術(shù)專家，主要從事測井儀器研發(fā)。 E-mail:Baodezhou@126.com

1673-064X(2015)05-0101-05

TE2;TP73

A