一種新型微球聚焦測(cè)量極板設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

竇錦愛，廖勝軍，閆玉濤，馬歡波，于增輝，萬 琦

(中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201)

0 引 言

微球形聚焦測(cè)井是微電阻率測(cè)井方法之一，它通過改變電極系的排列和供電方式，使測(cè)量的沖洗帶電阻率既不受低阻泥餅的影響，又不受原地層電阻率的影響，能更準(zhǔn)確地測(cè)量出地層沖洗帶電阻率。在組合測(cè)井中，它與陣列側(cè)向測(cè)井組成深、淺、微的探測(cè)深度，獲得的視電阻率曲線能協(xié)助判斷油、氣、水層。其中微球形聚焦測(cè)量極板是微球聚焦測(cè)井儀的關(guān)鍵部件，目前國(guó)內(nèi)的微球極板主要是橡膠材質(zhì)，耐磨性差，下井變形磨損嚴(yán)重且不能恢復(fù)，長(zhǎng)井段測(cè)井存在橡膠極板撕裂的情況，不能滿足高溫井及長(zhǎng)裸眼段測(cè)量；而國(guó)外微球聚焦測(cè)井儀中普遍使用的PEEK極板，在長(zhǎng)時(shí)間使用后由于井下液體的腐蝕也會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，并且多次使用后磨損也較為明顯，影響測(cè)量效果。針對(duì)目前微球形聚焦測(cè)井儀極板存在的不足，設(shè)計(jì)了一種新型橡膠與PEEK復(fù)合材料結(jié)合的微球形聚焦測(cè)量極板，以提高微球形聚焦測(cè)井極板的耐磨性與絕緣性，滿足高溫井及長(zhǎng)裸眼段的測(cè)量。

1 微球形聚焦測(cè)井儀電極系結(jié)構(gòu)及工作原理

微球形聚焦測(cè)井儀電極系結(jié)構(gòu)及電流分布如圖1所示。

圖1 微球形聚焦測(cè)井電極系結(jié)構(gòu)及電流分布

主電極A0呈矩形，其它電極以矩形環(huán)狀的形式分布于主電極四周。測(cè)量時(shí)，主電極A0發(fā)射主電流I0和屏蔽電流Ia，Ia經(jīng)過泥餅流動(dòng)到A1，I0主要在沖洗帶中流動(dòng)，其產(chǎn)生的電場(chǎng)使監(jiān)督電極M1、M2之間產(chǎn)生電位差。同時(shí)，儀器通過自動(dòng)調(diào)節(jié)屏蔽電流Ia，從而抵消I0在監(jiān)督電極之間產(chǎn)生的電位差，使得ΔVM1M2=0。在儀器下井測(cè)量的整個(gè)過程中，電極系都將保持著這個(gè)狀態(tài)[1，2]。測(cè)量M0電極與M1、M2中點(diǎn)之間的電位差VM0O，其視電阻率曲線計(jì)算公式為：

(1)

式中:電極系系數(shù)K可以由物理模型或者理論仿真計(jì)算得到。

2 新型微球形聚焦測(cè)井儀極板研制

2.1 微球形聚焦測(cè)井儀極板現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)的微球形聚焦測(cè)井儀所用極板主要是橡膠材質(zhì)(圖2(a))，存在耐磨性差，下井后受損嚴(yán)重且不能恢復(fù)(圖2(b))，長(zhǎng)井段測(cè)井時(shí)容易撕裂(圖2(c))等情況。橡膠極板一般最多下井3次就需更換，不僅增加了儀修工程師的工作量，也增加了成本。

圖2 橡膠極板及其下井后磨損、變形情況

國(guó)外微球聚焦測(cè)井儀中普遍使用PEEK極板。PEEK是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料(英文名稱Polyetheretherketone，簡(jiǎn)稱PEEK；中文名稱聚醚醚酮)，具有耐高溫(250 ℃)、耐磨損、高強(qiáng)度、高純度等諸多優(yōu)異性能，但也存在長(zhǎng)時(shí)間使用后由于井下液體的腐蝕而導(dǎo)致的絕緣性能下降，影響測(cè)量效果。

2.2 新型極板的設(shè)計(jì)制作

針對(duì)國(guó)內(nèi)外微球形聚焦測(cè)井儀極板存在的問題，將橡膠與PEEK相結(jié)合研制新型微球聚焦測(cè)量極板。新型微球聚焦測(cè)量極板包括極板托架、復(fù)合極板和電極組件，如圖3所示。

圖3 新型極板結(jié)構(gòu)示意圖

具體制作方法為：

1)將電極觸頭穿過第一絕緣體(PEEK)并與第一絕緣體固定；

2)將安裝有電極觸頭的第一絕緣體(PEEK)與第二絕緣體(氟橡膠)硫化固定，形成復(fù)合極板；

3)將電極組件安裝在復(fù)合極板上；

4)將安裝有電極組件的復(fù)合極板安裝在極板托架上。

該極板PEEK材料敷在表層，與井壁直接接觸，提高極板耐磨性；橡膠嵌在底層，提高各電極的密封、絕緣性。橡膠和PEEK采用特殊工藝，壓制融成一體。極板托架、極板護(hù)翼進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，提高極板的耐磨性能與絕緣性能，增加了極板的使用壽命及工作可靠性。圖4(a)為設(shè)計(jì)的新型極板實(shí)物，圖4(b)為新型極板使用10井次后情況。對(duì)比圖2(b)、圖2(c)的橡膠極板，磨損情況明顯降低，證明了該設(shè)計(jì)有效地提高了極板耐磨性和耐溫性，能夠滿足高溫井及長(zhǎng)裸眼段測(cè)量對(duì)微球極板的要求。

圖4 新型極板結(jié)構(gòu)及其使用后的情況

3 新型極板的探測(cè)特性分析

之前使用的微球形聚焦測(cè)井儀極板是橡膠材質(zhì)(下文稱為軟極板)，外形尺寸有8.5 in(1 in=25.4 mm)和12.25 in兩種，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井時(shí)在不同的井眼要挑選不同尺寸極板，給操作工程師帶來不便。針對(duì)此種問題，在極板外形尺寸上做了改進(jìn)，綜合8.5 in和12.25 in兩種極板尺寸，分別設(shè)計(jì)了三種尺寸新型極板：1)在12.25 in軟極板基礎(chǔ)上等比例減小各個(gè)電極尺寸(下文稱為等比例減小極板)；2)考慮到機(jī)械制作工藝，不改變12.25 in軟極板中間主電極尺寸，減小四周屏蔽電極(下文稱為非等比例減小極板)；3)按照機(jī)械工藝和實(shí)際測(cè)井需求，綜合8.5 in和12.25 in兩種極板尺寸，設(shè)計(jì)一種新型尺寸極板，能夠同時(shí)應(yīng)用于8.5 in和12.25 in井眼(下文稱為硬極板)。

下面將對(duì)新設(shè)計(jì)的3種極板分別從儀器常數(shù)、分辨率、探測(cè)深度以及侵入等方面與現(xiàn)有的橡膠軟極板進(jìn)行對(duì)比。

3.1 測(cè)井響應(yīng)模型的建立

微球形聚焦測(cè)井儀的測(cè)井響應(yīng)為穩(wěn)流電場(chǎng)，可由微分方程描述該電場(chǎng)。若用u(x,y,z)表示電位，σ表示電導(dǎo)率，在直角坐標(biāo)系(x,y,z)下，電位u滿足微分方程：

(2)

在恒流電極表面滿足

(3)

式中:u為電極的電位；IA為恒流電極電流；σm為泥漿電導(dǎo)率。

根據(jù)上述定解問題構(gòu)造出的泛函數(shù)為:

(4)

滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，故有：

(5)

式中:Ω為儀器表面和無窮遠(yuǎn)邊界所包圍的整個(gè)空間。

根據(jù)上述泛函原理，利用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)儀器常數(shù)和探測(cè)特性進(jìn)行理論計(jì)算。

3.2 儀器常數(shù)對(duì)比分析

儀器常數(shù)計(jì)算模型使用通用標(biāo)準(zhǔn)井計(jì)算模型，如圖5所示。模型參數(shù)為：井眼直徑Dh=8.0 in，泥漿電阻率Rm=0.1 Ω·m；泥餅厚度hmc=0.5 in，泥餅電阻率Rmc=1.0 Ω·m；沖洗帶電阻率RXO=30.0 Ω·m，地層無限厚。

圖5 微球形聚焦測(cè)井儀的儀器常數(shù)計(jì)算地層模型

儀器常數(shù)計(jì)算公式：

K=RXO/(VM0O/I0)

(6)

相對(duì)誤差計(jì)算公式：

相對(duì)誤差=(改造后K-原極板K)/原極板K×100%。

經(jīng)計(jì)算，新舊極板儀器常數(shù)及新極板與原極板儀器常數(shù)相對(duì)誤差見表1。

表1 儀器常數(shù)及相對(duì)誤差

工程上認(rèn)為[3-4]，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，新型極板與原極板的儀器常數(shù)差距可以忽略不計(jì)。因而可直接用新型極板替換原來儀器的極板，且儀器硬件電路勿需改動(dòng)，便于儀器更新改造，大大節(jié)約了成本。由表1可以看出，硬極板和等比例減小的極板在儀器常數(shù)方面符合工程要求。

3.3 分辨率對(duì)比分析

建立地層模型：目的層電阻率5 Ω·m，圍巖電阻率1 Ω·m，目的層厚度為0.01、0.02、0.1、0.05 m，分別仿真原有軟極板、硬極板、等比例減小極板和非等比例減小極板4種類型極板在目的層電阻率變化情況。對(duì)于同樣厚度地層，數(shù)值仿真獲得的視電阻率越高，代表該種極板的分辨率越高。圖6中橫坐標(biāo)表示目的層厚度，縱坐標(biāo)表示視電阻率，不同顏色曲線表示不同類型極板。從圖6可以看出，軟極板仿真的視電阻率>硬極板≈等比例減小極板>非等比例減小極板。因此，軟極板的分辨率最高，硬極板和等比例減小極板分辨率類似，接近軟極板分辨率，非等比例減小分辨率最低。所以，在極板類型選擇上考慮使用硬極板和等比例減小極板。

圖6 分辨率仿真圖

3.4 探測(cè)深度及侵入對(duì)比分析

建立地層模型：井眼直徑8.0 in，泥漿電阻率0.1 Ω·m，侵入帶電阻率1.0 Ω·m，地層電阻率30.0 Ω·m，均質(zhì)無限厚地層。利用偽幾何因子考察儀器探測(cè)深度[5-6]，定義偽幾何因子大小為0.5時(shí)的侵入深度為儀器探測(cè)深度。偽幾何因子計(jì)算公式為：

(7)

式中:Jxo為偽幾何因子，Ra為不同侵入深度時(shí)極板的響應(yīng)，Rxo為侵入無限深時(shí)極板的響應(yīng)，Rt為無侵入時(shí)極板響應(yīng)。由圖7可知，按照儀器探測(cè)深度定義，可以看出，軟極板仿真的視電阻率<非等比例減小<等比例減小<硬極板。

圖8是不同極板受侵入影響仿真圖。從圖中可以看出，隨著侵入深度增加，硬極板、等比例減小、非等比例減小極板在侵入深度<0.015 m時(shí)電阻率接近，但是與軟極板差距比較大；侵入深度0.015～0.04 m時(shí)硬極板>等比例減小>非等比例減小>軟極板電阻率；侵入深度大于0.07 m時(shí)軟極板>硬極板≈等比例減小>非等比例減小電阻率。

圖7 探測(cè)深度仿真圖

圖8 侵入影響仿真圖

從儀器常數(shù)、分辨率、探測(cè)深度、侵入影響綜合分析認(rèn)為，硬極板和等比例減小極板與原有軟極板總體測(cè)量效果比較接近，符合現(xiàn)有儀器測(cè)井要求。但是等比例減小極板在制造工藝精度上很難實(shí)現(xiàn)，因此最終選擇硬極板做為改進(jìn)后的極板。

4 測(cè)井應(yīng)用效果分析

新型極板首先在某井與微球軟極板進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。第2道為深度道，第3道為新型極板重復(fù)性對(duì)比，第4道為微球軟極板重復(fù)性對(duì)比。從第3道和第4道的對(duì)比可以看出，新型極板重復(fù)性優(yōu)于軟極板重復(fù)性。第5道和第6道是微電阻率和雙側(cè)向相關(guān)性對(duì)比，可以看出，新型極板測(cè)量的電阻率和雙側(cè)向相關(guān)性更好，微電阻率值均低于雙側(cè)向電阻率。

圖10是使用新型微電阻率極板的微球測(cè)井儀在渤海某井的實(shí)際測(cè)井效果圖。1 550～1 569 m、1 574～1 588 m以上井段自然伽馬GR測(cè)量值105～120 API，為泥巖～泥質(zhì)砂巖。第3道為電阻率曲線，RD(藍(lán)色虛線)、RS(綠色虛線)為雙側(cè)向測(cè)量的深、淺電阻率曲線，RMSF為微球測(cè)量的電阻率曲線，微球測(cè)量的電阻率與雙側(cè)向電阻率相關(guān)較好。

圖9 某井測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖10 實(shí)際測(cè)井效果圖

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種新型橡膠與PEEK復(fù)合材料結(jié)合的微球聚焦測(cè)量極板，提高了極板的耐磨性和絕緣性。數(shù)值仿真和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井作業(yè)均表明其具有優(yōu)異的性能。到目前為止，一塊新型微球形聚焦測(cè)量極板的最高作業(yè)記錄是10井次?，F(xiàn)有8支微球形聚焦測(cè)井儀器使用了新型測(cè)量極板，成功作業(yè)25井次，測(cè)量效果與其他電阻率數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，為用戶提供了優(yōu)質(zhì)的測(cè)井資料。