一種高分辨率側(cè)向測(cè)井儀的設(shè)計(jì)

郁愛(ài)霞 周齊志

（1.杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310023）

（2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司，重慶，401147）

隨著石油測(cè)井技術(shù)不斷的發(fā)展，側(cè)向測(cè)井技術(shù)已經(jīng)從雙側(cè)向發(fā)展到陣列側(cè)向。在水平井測(cè)井中，雙側(cè)向和八側(cè)向儀器需要進(jìn)行組合測(cè)井，才能獲取三條電阻率曲線(xiàn)，儀器串長(zhǎng)、施工效率低。陣列側(cè)向測(cè)井技術(shù)可以在數(shù)控測(cè)量記錄的基礎(chǔ)上，在地面系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)成像化顯示，縱向分辨率高，但儀器成本相對(duì)也較高。部分油田地區(qū)由于實(shí)際情況的限制，需要一種新型的側(cè)向測(cè)井儀器，既要彌補(bǔ)雙側(cè)向測(cè)井儀探測(cè)性能的不足也要易于現(xiàn)場(chǎng)施工。

根據(jù)這一特殊需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的高分辨率側(cè)向測(cè)井儀器。高分辨率側(cè)向測(cè)井是在雙側(cè)向測(cè)井基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型側(cè)向測(cè)井技術(shù)，電路在設(shè)計(jì)中添加套管保護(hù)功能，可以在套管內(nèi)關(guān)閉側(cè)向發(fā)射，適用于電纜、泵出兩種測(cè)井模式。一次測(cè)井能同時(shí)提供三條不同深度的地層電阻率曲線(xiàn)，同時(shí)大幅降低井眼和低阻圍巖對(duì)視電阻率的影響，可用于分析和解決以下問(wèn)題[1-2]：

（1）估計(jì)侵入情況。分析高分辨率側(cè)向三條曲線(xiàn)及沖洗帶電阻率的差別，可以有效判斷侵入狀況。

（2）劃分巖性剖面。高分辨率側(cè)向的分辨率比普通側(cè)向提高一倍，因此其分層能力強(qiáng)于雙側(cè)向。在視電阻率曲線(xiàn)上，不同巖性的地質(zhì)剖面顯示清楚。一般厚度在0.3 m以上的高致密層、薄層在曲線(xiàn)上都有明顯顯示。

（3）判斷油（氣）水層。在油（氣）層段，地層視電阻率常出現(xiàn)正差異；而在水層，地層視電阻率常出現(xiàn)負(fù)差異。利用三條曲線(xiàn)的差異情況，可以初步判斷油（氣）層、水層及油水界面等情況，精確判定還應(yīng)結(jié)合其他測(cè)井資料。

（4）判斷裂縫性地層。高分辨率側(cè)向測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)非均勻各向異性的裂縫性地層有明顯差異。

1 儀器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

高分辨率側(cè)向測(cè)井儀由上絕緣短節(jié)、上電子線(xiàn)路、電極系和下絕緣短節(jié)構(gòu)成。其中電極系以 A0電極為中心，4對(duì)供電電極和2對(duì)聚焦電極對(duì)稱(chēng)分布，共由 17個(gè)電極組成，該電極系結(jié)構(gòu)在理論上保證了高分辨率的要求。儀器結(jié)構(gòu)分布如圖1所示。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)分布

1.2 儀器工作原理

高分辨率側(cè)向測(cè)井儀由主電極A0、屏蔽電極或回流電極 A1～A4（A'1～A'4）、監(jiān)督電極 M0～M3（M'0～M'3）及測(cè)控電路組成，能同時(shí)提供三條不同探測(cè)深度的電阻率曲線(xiàn)，其探測(cè)模式共有三種，對(duì)應(yīng)不同的電場(chǎng)，具有不同的徑向探測(cè)深度[3]。改變電場(chǎng)分布，可以使儀器獲取不同徑向深度的地層信息。三種探測(cè)模式的工作原理如下文所述。

MODEL1，如圖2所示。測(cè)井時(shí)，主電流I0由主電極 A0發(fā)出，通過(guò)主監(jiān)督電路保持主監(jiān)督電極等電位，即VM0(M0′)=VM1(M1′)。屏蔽電流由 A1（A'1）流出，電流返回至 A2（A'2）、A3（A'3）、A4（A'4）電極。

MODEL2，如圖3所示。測(cè)井時(shí)，主電流I0由主電極A0發(fā)出，通過(guò)主監(jiān)督電路保持主監(jiān)督電極等電位，即VM0(M0′)=VM1(M1′），同時(shí)增加輔助監(jiān)督電路保持輔助監(jiān)督電極等電位，即VM2(M2′)=VM3(M3′）。屏蔽電流由 A1（A'1）、A2（A'2）流出，電流返回至A3（A'3）、A4（A'4）電極。

圖2 MODEL 1

圖3 MODEL2

MODEL3，如圖4所示。測(cè)井時(shí)，主電流I0由主電極A0發(fā)出，通過(guò)主監(jiān)督電路保持主監(jiān)督電極等電位，即VM0(M0′)=VM1(M1′)，同時(shí)增加兩組輔助監(jiān)督電路保持輔助監(jiān)督電極等電位，即VM2(M2′)=VM3(M3′）、VA2(A2′)=VA3(A3′）。屏蔽電流由 A1（A'1）、A2（A'2）、A3（A'3）流出，電流返回至A4（A'4）電極。

圖4 MODEL3

三種模式都保持屏蔽電極等電位，屏蔽電極發(fā)出與I0極性相同的屏蔽電流，主電流I0在屏蔽電流的作用下，被迫不沿井軸方向流動(dòng)，而是以垂直井壁的方式進(jìn)入地層，由于屏蔽電極不斷增加，儀器的探測(cè)深度逐步加深。這三種工作模式都是通過(guò)測(cè)量主電極的電位VA0與主電流I0，求解視電阻率的其公式為[4]：

式中，KALi為儀器電極系系數(shù)。這樣就可以完成從地層侵入帶到原狀地層電阻率三種不同探測(cè)深度的視電阻率測(cè)量，與其它測(cè)井資料配合，可直觀準(zhǔn)確地劃分滲透層，判斷油水層，確定和評(píng)價(jià)地層含油特性[5]。

2 電路設(shè)計(jì)

高分辨率側(cè)向測(cè)井儀電路由監(jiān)督電路、發(fā)射電路、采樣電路及接口電路等部分組成，其電路框圖如圖5所示。監(jiān)督電路由一系列前置放大器、濾波電路、功率放大電路組成。測(cè)井時(shí)，主電極和屏蔽電極流出極性相同的電流。由于極性相同，互相之間存在排斥的情況，監(jiān)督電路用于實(shí)現(xiàn)這一功能。監(jiān)督電路通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)可以保持監(jiān)督電極之間的殘余電位差接近零，也就標(biāo)志著主電流處于聚焦?fàn)顟B(tài)，這時(shí)自動(dòng)平衡系統(tǒng)達(dá)到平衡，迫使 A0電極發(fā)射的主電流I0以垂直于井壁的形式流入地層[6]。

發(fā)射電路由有源晶振、分頻器、功率放大器、功率控制電路等組成。功率控制電路通過(guò)分析采樣信號(hào)，可實(shí)時(shí)掌握地層電阻率的動(dòng)態(tài)變化范圍，根據(jù)變化量產(chǎn)生三種頻率不同、功率近似的信號(hào)。經(jīng)比較處理后形成的穩(wěn)定電流源信號(hào)作為最終的發(fā)射源經(jīng)變壓器發(fā)射至地層。采樣電路由電壓測(cè)量、電流測(cè)量電路組成，該部分電路用于檢測(cè)電路中電壓和電流信號(hào)的變化，信號(hào)經(jīng)過(guò)各自頻率的帶通濾波、相敏檢波器、低通濾波，將交流信號(hào)變成直流信號(hào)。接口電路負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和與通訊短節(jié)儀器段的通信。采樣電路將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)多路信號(hào)選通電路、增益自動(dòng)控制電路處理后，以數(shù)字形式上傳至信號(hào)處理芯片，最終經(jīng)通訊接口芯片傳送至通訊短節(jié)。

圖5 高分辨率側(cè)向電路框圖

3 理論驗(yàn)證

3.1 儀器技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)

工作溫度范圍，-25～175℃；耐壓140 MPa；外徑73 mm；測(cè)量范圍（8 in 井眼，1 in=0.025 4 m），0.2～40 000 ?·m；測(cè)量精度（對(duì)無(wú)限、非侵入帶地層），0.2～1 ?·m（±20%）、1～2000 ?·m （±5%）、2000～5000 ?·m（±10%）、5000～40 000 ?·m（±20%）；縱向分辨率，300 mm；最大探測(cè)深度，1270 mm；最高測(cè)井速度，1000 m/h；有效長(zhǎng)度，7.4 m；直流供電電源，48 V±10%。

3.2 理論模型

高分辨率側(cè)向測(cè)井是在雙側(cè)向測(cè)井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其電極系與雙側(cè)向類(lèi)似，不同的是儀器電極系系數(shù)不同。電極系系數(shù)K可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算求得，其理論模型需建立在均勻介質(zhì)基礎(chǔ)之上，模型如圖6所示。

圖6 側(cè)向探測(cè)理論模型

假設(shè)電極系表面形成一個(gè)半徑為r的圓柱形等位面，其電位為VA。圓柱形等位面的長(zhǎng)度l相對(duì)于r而言為無(wú)窮大。電流從等位面徑向發(fā)射入地層，在V=0、半徑為L(zhǎng)的電極上回流。長(zhǎng)度為l的圓柱形等位面發(fā)出電流I0，并流向零電位的同心電極。根據(jù)假設(shè)柱狀電極之間為均勻介質(zhì)，其電阻率為ρ，電場(chǎng)強(qiáng)度E和電流密度j關(guān)系如下：

于是得到：

若VL為零，可得電阻率Rt、電極系系數(shù)K為：

高分辨率側(cè)向測(cè)井儀三種探測(cè)模式的聚焦電路及電極系的排列方式就是基于這一理論模型設(shè)計(jì)的。式中的K值只是近似值，為了獲得準(zhǔn)確的K值，還需要和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，最后獲得較精確的結(jié)果。

3.3 樣機(jī)驗(yàn)證

高分辨率側(cè)向測(cè)井儀樣機(jī)在山東孤古 8#井完成了與雙側(cè)向測(cè)井儀的對(duì)比試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)如表 1所示。對(duì)比表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：（1）在1966～2037 m泥巖段地層，高分辨率側(cè)向RGD、RGM數(shù)據(jù)和雙側(cè)向RSD、RSS數(shù)據(jù)在同一深度基本一致，高分辨率側(cè)向樣機(jī)獲取的侵入帶和原狀地層的電阻率數(shù)據(jù)正確；（2）在1750～2065 m砂巖段地層，可以發(fā)現(xiàn)RGD＞RGM＞RGS，同時(shí)對(duì)比陣列側(cè)向該深度層的電阻率數(shù)據(jù)，可以確定RGS是獲取到的沖洗帶電阻率數(shù)據(jù)；（3）在2284～2289 m無(wú)侵入灰?guī)r地層，RGD、RGM、RGS、RSD、RSS數(shù)據(jù)基本一致。RGD、RGM、RGS三條電阻率曲線(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果和理論設(shè)計(jì)完全一致，將三條曲線(xiàn)重疊繪制，通過(guò)其幅度的相對(duì)變化，可以快速、直觀判斷油、氣、水層。

表1 對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

高分辨率側(cè)向測(cè)井儀經(jīng)理論分析和樣機(jī)試驗(yàn)，能夠同時(shí)獲取原狀地層、侵入帶和沖洗帶三種探測(cè)深度的電阻率曲線(xiàn)，可以解決雙側(cè)向儀器在測(cè)井泵出施工作業(yè)時(shí)缺少?zèng)_洗帶電阻率曲線(xiàn)的難題，具有一定的實(shí)用價(jià)值。儀器目前已具備實(shí)井驗(yàn)證條件，理論計(jì)算和樣機(jī)驗(yàn)證可行，但儀器本身未能開(kāi)展試驗(yàn)井和實(shí)井測(cè)試比對(duì)工作，重復(fù)性和一致性有待驗(yàn)證，后續(xù)需要繼續(xù)開(kāi)展設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，在設(shè)計(jì)定型后，將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。