方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測(cè)井儀地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模擬研究

陳剛,陳思嘉,尤嘉祺,陽(yáng)質(zhì)量,許月晨,唐章宏

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710077;2.北京唯智佳辰科技發(fā)展有限責(zé)任公司,北京100089)

0 引 言

隨著斷層、裂縫、薄層、低孔隙度低滲透率等復(fù)雜油氣藏的開(kāi)發(fā),常規(guī)隨鉆測(cè)井技術(shù)與裝備已不能滿足生產(chǎn)需求,迫切需要隨鉆成像測(cè)井技術(shù)。在隨鉆成像測(cè)井技術(shù)中,隨鉆側(cè)向電阻率成像是研發(fā)最早、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù),是解決復(fù)雜儲(chǔ)層實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向和地層評(píng)價(jià)問(wèn)題不可缺少的重要手段。它不但可以探測(cè)不同方向地層巖性和邊界,還可以用于斷層、裂縫、薄層的解釋評(píng)價(jià),以及低孔隙度、低滲透率、各向異性等復(fù)雜儲(chǔ)層的解釋評(píng)價(jià)[1]。

由中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司自主研發(fā)的方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測(cè)井儀(Azimuth Lateral Resistivity Imaging Logging While Drilling Tool,RIT)具有地層評(píng)價(jià)、實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向及井周地層成像功能,一次入井可獲取多條不同探測(cè)深度方位電阻率曲線、平均電阻率曲線、方位伽馬曲線、平均伽馬曲線,以及井周地層電阻率和伽馬成像圖[1]。該儀器電阻率最大探測(cè)深度為0.5 m,適用于水基鉆井液環(huán)境。研發(fā)的新型方位聚焦電極,在原有方位電極的基礎(chǔ)上增加了測(cè)量電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極監(jiān)督電極,使得測(cè)量電極和監(jiān)督電極相互獨(dú)立,在提高電極聚焦能力基礎(chǔ)上,有效減少了電極表面極化電位對(duì)儀器測(cè)量值的影響,提高了儀器測(cè)量精度,適用于高電阻率地層測(cè)井。

為了更準(zhǔn)確地刻度儀器測(cè)量值與地層電阻率及井眼環(huán)境之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,需要建立復(fù)雜的地層環(huán)境刻度網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)井儀器進(jìn)行刻度[2-3]。采用復(fù)雜地層刻度網(wǎng)絡(luò)模擬地層電阻率及井眼環(huán)境,可解決由于刻度裝置功能簡(jiǎn)單無(wú)法滿足測(cè)試功能需求以及建立實(shí)際刻度井群價(jià)格昂貴等問(wèn)題,在室內(nèi)模擬井下地層環(huán)境,極大方便驗(yàn)證儀器測(cè)量性能[4]。

該文介紹了新型方位聚焦電極結(jié)構(gòu)及工作原理,闡述了地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)電阻的計(jì)算原理并給出詳細(xì)的計(jì)算表達(dá)式。通過(guò)構(gòu)造不同的井眼、鉆井液和地層模型,模擬儀器實(shí)際工作環(huán)境,設(shè)計(jì)了新型方位聚焦電極監(jiān)控電路,搭建實(shí)際電路模型進(jìn)行測(cè)量功能驗(yàn)證,有效節(jié)約了儀器設(shè)計(jì)成本,提高了研發(fā)效率。

1 新型方位聚焦電極結(jié)構(gòu)

方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測(cè)井儀的方位電極可實(shí)現(xiàn)地層方位電阻率測(cè)量,舊版方位電極由測(cè)量電極和鉆鋌電極組成,測(cè)量電極既用來(lái)監(jiān)控電極電壓、又用來(lái)測(cè)量流入電極的電流。在井下工作時(shí),測(cè)量電極上會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)效應(yīng),形成接觸阻抗,影響儀器測(cè)量精度;舊版方位電極聚焦能力弱,受井眼尺寸和鉆井液電阻率影響大,導(dǎo)致高電阻率測(cè)量性能差。為了提高儀器高電阻率測(cè)量性能,降低井眼尺寸及鉆井液電阻率對(duì)儀器測(cè)量值的影響,設(shè)計(jì)了新型方位聚焦電極。

新型方位聚焦電極采用方形環(huán)狀結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。將測(cè)量電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極監(jiān)督電極分別置于最內(nèi)環(huán)和最外環(huán),除測(cè)量電極監(jiān)督電極之外,其余所有電極均設(shè)計(jì)為環(huán)狀,被監(jiān)督的測(cè)量電極位于中間,基于場(chǎng)的連續(xù)性原理,這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與位置布置保證被監(jiān)測(cè)電位相等的電極區(qū)域全覆蓋。

圖1 新型方位聚焦電極結(jié)構(gòu)

通過(guò)控制位于最內(nèi)環(huán)和最外環(huán)的2個(gè)監(jiān)督電極等電位,保證位于其間的測(cè)量電極和鉆鋌電極之間等電位。測(cè)量2個(gè)監(jiān)督電極之間電壓差的電路輸入端分別連接測(cè)量電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極監(jiān)督電極,該電路和調(diào)控測(cè)量電極電流的電路物理隔離,使得測(cè)量電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極監(jiān)督電極上沒(méi)有電流流入,可避免傳統(tǒng)方位電極測(cè)量電壓和調(diào)控電流的電路共用相同電極,導(dǎo)致測(cè)量電壓和調(diào)控電流相互影響產(chǎn)生誤差。

2 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模擬原理

2.1 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)的工作原理

為了深入研究?jī)x器測(cè)量響應(yīng)與地層電阻率及井眼環(huán)境之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了較為完整的地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模型[5](見(jiàn)圖2)。測(cè)量電極(M)、測(cè)量電極監(jiān)督電極(N)、鉆鋌電極及鉆鋌電極監(jiān)督電極之間均有互阻存在,與井眼和地層形成4端網(wǎng)絡(luò)。圖2中Ra為測(cè)量電極和鉆鋌電極之間的等效電阻;Rb為測(cè)量電極與測(cè)量電極監(jiān)督電極之間的等效電阻;Rc為測(cè)量電極監(jiān)督電極與鉆鋌電極監(jiān)督電極之間的等效電阻;Rd為鉆鋌電極監(jiān)督電極與鉆鋌電極之間的等效電阻;Re為測(cè)量電極與鉆鋌電極監(jiān)督電極之間的互阻;Rf為鉆鋌電極與測(cè)量電極監(jiān)督電極之間的互阻;Rs為測(cè)量電極與回流鉆鋌之間的等效電阻;Is為測(cè)量電極電流;GND為儀器回路。

圖2 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法

儀器在實(shí)際工作時(shí),需要保證鉆鋌電極監(jiān)督電極和測(cè)量電極監(jiān)督電極等電位,例如鉆鋌電極監(jiān)督電極和測(cè)量電極監(jiān)督電極不供電,只對(duì)電位進(jìn)行取樣,即通過(guò)二者的等電位實(shí)現(xiàn)測(cè)量電極和鉆鋌電極的近似等電位。由于所有監(jiān)督電極沒(méi)有電流流出,無(wú)法實(shí)際測(cè)量出等電位電極之間的電流流動(dòng)及對(duì)應(yīng)的電阻。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,不同電極形成的等效電阻網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖3。圖3中電極11,7,3,1分別表示測(cè)量電極、測(cè)量電極監(jiān)督電極、鉆鋌電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極,B為回流電極。R1為鉆鋌電極(電極1)與鉆鋌電極監(jiān)督電極(電極3)之間的等效電阻;R2為鉆鋌電極監(jiān)督電極(電極3)與測(cè)量電極監(jiān)督電極(電極7)之間的等效電阻;R3為測(cè)量電極監(jiān)督電極(電極7)與測(cè)量電極(電極11)之間的等效電阻;R4為鉆鋌電極(電極1)與回流電極(電極B)之間的鉆井液等效電阻;R5為鉆鋌電極(電極1)與回流電極(電極B)之間的地層等效電阻;R6為測(cè)量電極(電極11)與回流電極(電極B)之間的地層等效電阻。

圖3 不同電極形成的等效電阻網(wǎng)絡(luò)模型

這些等效電阻大小與地層電阻率、井眼直徑、鉆井液電阻率有關(guān),可通過(guò)數(shù)值計(jì)算法計(jì)算等效電阻大小[5]。利用電路中的節(jié)點(diǎn)電壓電流法,計(jì)算出兩點(diǎn)間的電壓和電流,進(jìn)而計(jì)算出兩點(diǎn)間的等效電阻大小。

由于鉆鋌電極1發(fā)射的電流會(huì)沿井眼鉆井液、地層回流到電極B中,因此,其測(cè)量的是井眼鉆井液電阻率和地層電阻率的并聯(lián)電阻,鉆鋌電極1流經(jīng)地層的等效電阻無(wú)法精確確定。本文假設(shè)R5與R6的電阻值近似相等;測(cè)量電極11由于監(jiān)督電極的屏蔽原因,其發(fā)射的電流會(huì)垂直于地層流入進(jìn)而回流到電極B中,其主要測(cè)量地層電阻率。

在實(shí)際仿真時(shí),由于電極1、3、7、11的電位近似相等,電阻R1、R2和R3可以為任意數(shù)值,通過(guò)軟件計(jì)算在地層模型下電極1、電極11和回流電極B的電位、電流,則電阻的表達(dá)式為

(1)

(2)

式中,U11為測(cè)量電極的電位,V;U1為鉆鋌電極的電位,V;UB為回流電極的電位,V;I11為測(cè)量電極的電流,A;I1為鉆鋌電極的電流,A;R4為鉆井液等效電阻R4的電阻值大小,Ω;R5為地層等效電阻R5的電阻值大小,Ω;R6為地層等效電阻R6的電阻值大小,Ω。通過(guò)仿真計(jì)算得到電極1、11、B的電位和電流,即可得到鉆井液等效電阻R4的電阻值R4和地層等效電阻R5的電阻值R5。

儀器在工作時(shí)有4個(gè)發(fā)射天線,對(duì)應(yīng)4種工作模式,4種探測(cè)模式所對(duì)應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)模型相同,但對(duì)應(yīng)的源距不同,最終計(jì)算得到不同的阻值。因此,在構(gòu)建地層電阻網(wǎng)絡(luò)時(shí),首先通過(guò)軟件給出不同模式下各電極的電位、電流大小,進(jìn)而通過(guò)表達(dá)式計(jì)算每種模式下對(duì)應(yīng)的鉆井液等效電阻R4的電阻值R4和地層等效電阻R5的電阻值R5。

2.3 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

按照2.2節(jié)所述各電極電位條件,計(jì)算新型方位聚焦電極各電極的電壓電流,通過(guò)三維地質(zhì)軟件構(gòu)造縱向3層地層,其中間為目的層,上下為圍巖,各層徑向不分層,計(jì)算模型輸入?yún)?shù)包括井眼直徑、鉆井液電阻率、3層地層電阻率。

為了得到不同模型下各電極的電壓電流,需要構(gòu)造不同的地層模型:井眼直徑為5.85、6.00、6.50、7.00、7.50、8.00 in(1)非法定計(jì)量單位,1 in=25.4 mm,下同;鉆井液電阻率為0.01、0.05、0.07、0.10、0.15、0.20、0.30 Ω·m;目的層電阻率為20 000 Ω·m;上下圍巖電阻率為500 Ω·m。儀器的測(cè)量電極中心與目的層中心坐標(biāo)重合,發(fā)射天線位于下圍巖區(qū)。

3 新型方位聚焦電極監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控電路的作用是通過(guò)調(diào)整測(cè)量電極監(jiān)督電極及鉆鋌電極監(jiān)督電極的電位差來(lái)控制測(cè)量電極流出的電流大小(見(jiàn)圖4)。設(shè)計(jì)的監(jiān)控電路必須滿足高輸入阻抗,運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益大于90 db,電壓轉(zhuǎn)換速率大于20 V/μs,電壓噪聲為nV級(jí),輸出驅(qū)動(dòng)能力大于10 mA,以此來(lái)保證電位調(diào)整效果及速度,采集到nA級(jí)的電流信號(hào)。

圖4 新型方位聚焦電極監(jiān)控電路

圖4中,運(yùn)算放大器為跨阻抗放大器,其反向輸入端為測(cè)量電極監(jiān)督電極(7號(hào)電極),正向輸入端為鉆鋌電極監(jiān)督電極(3號(hào)電極),整個(gè)電路需要工作在虛短狀態(tài),從而保證測(cè)量電極和鉆鋌電極等的電位。電容C1起隔直作用,用于消除井下電化學(xué)反映在電極上產(chǎn)生的直流電位,其與電阻R7組成微分放大電路,C1和R7的大小需要滿足在儀器工作頻率為2 kHz處閉環(huán)增益最大,同時(shí)相位接近-180°。圖4和圖3中R1～R6一致,R8用于采樣當(dāng)2個(gè)監(jiān)督電極電位差調(diào)整到最低時(shí),從測(cè)量電極流出的電流信號(hào)。

通過(guò)地層模型計(jì)算出不同地層電阻率、井眼尺寸和鉆井液電阻率環(huán)境下,鉆井液等效電阻R4的電阻值R4和地層等效電阻R5的電阻值R5及其電流大小,將模擬得到的電阻值R4、R5輸入設(shè)計(jì)的監(jiān)控電路,計(jì)算監(jiān)控電路中電阻R5中的電流大小,與數(shù)值模擬計(jì)算得到的電流大小結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,從而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路是否可以滿足不同地層環(huán)境應(yīng)用需求。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬的結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬構(gòu)造的地層模型完成地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻值計(jì)算[6]。鉆鋌電極1供電,調(diào)節(jié)測(cè)量電極11的供電電流,保證電極3、7等電位,計(jì)算得到各電極的電位、電流,通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算電阻值R4、R5,得到各電阻與不同井眼尺寸、鉆井液電阻率和地層電阻率之間的響應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)圖5～圖7)。從圖5～圖7可以看出,縱向3層地層模型結(jié)構(gòu)下各等效電阻的規(guī)律。

圖5 井眼尺寸6.75 in、地層電阻率20 000 Ω·m時(shí),等效電阻R4的電阻值與鉆井液電阻率關(guān)系

圖6 地層電阻率20 000 Ω·m、鉆井液電阻率0.05 Ω·m時(shí),等效電阻R4的電阻值和井徑的關(guān)系

圖7 井眼尺寸5.85 in、鉆井液電阻率0.3 Ω·m時(shí),等效電阻R5的電阻值和井徑的關(guān)系

由圖5可見(jiàn),在同一井眼尺寸和地層電阻率條件下,鉆井液等效電阻R4的電阻值隨著井眼中鉆井液電阻率增大而增大,其阻值呈現(xiàn)線性變化,說(shuō)明鉆井液電阻率對(duì)等效電阻的影響較大。由于R5為地層的等效電阻,其與鉆井液的對(duì)比度較大,因此,其數(shù)值受井眼鉆井液電阻率的影響較小。

由圖6和圖7可見(jiàn),在同一地層電阻率和鉆井液電阻率條件下,井徑變大,鉆井液等效電阻R4和地層等效電阻R5的電阻值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì);其中井徑變大,使得井眼鉆井液物理尺寸占比變大,地層的物理尺寸占比變小,進(jìn)而影響等效鉆井液和地層阻值的大小,且由于井眼鉆井液電阻率較低,使得電路中等效的鉆井液電阻和地層電阻隨之減小,符合電路中等效的規(guī)律。

由圖6和圖7可見(jiàn),鉆井液等效電阻和地層等效電阻下降方式不同,其中鉆井液等效電阻R4的電阻值曲線斜率逐漸減小,是由于隨著井徑的增加,井眼鉆井液的占比逐漸增大,其增大的部分替代了原有目的層的影響,使得等效后鉆井液阻值影響逐漸減小,即斜率逐漸降低為零;等效地層電阻R5的電阻值曲線的斜率逐漸增大,是由于井徑變大,地層物理尺寸占比逐漸減小,且由于井眼增大的部分為低阻鉆井液,使得等效后的地層電阻R5的電阻值受鉆井液的影響快速變小,即斜率逐漸增大。因此,電阻網(wǎng)絡(luò)可以反映井下環(huán)境變化,可用于室內(nèi)模擬井下環(huán)境,驗(yàn)證儀器測(cè)量功能。

4.2 監(jiān)控電路功能驗(yàn)證

對(duì)隨鉆側(cè)向類儀器而言,井眼直徑越大,鉆井液電阻率越低,儀器的高電阻率測(cè)量性能就越差。在電阻網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型中,由于不同井眼尺寸、鉆井液電阻率和目的層電阻率組合計(jì)算結(jié)果太多,該研究?jī)H對(duì)最惡劣井下環(huán)境下,即井眼直徑為6.75 in、鉆井液電阻率為0.01和0.05 Ω·m、地層電阻率為20 000 Ω·m、上下圍巖電阻率為500 Ω·m時(shí),數(shù)值模擬結(jié)果和設(shè)計(jì)的監(jiān)控電路測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比,以此驗(yàn)證接收系統(tǒng)能否滿足最惡劣工作環(huán)境要求。

根據(jù)2.2節(jié)描述的電阻網(wǎng)絡(luò)中各電阻計(jì)算方法,供電電極1的供電電流大小為1 A,規(guī)定供電電流方向?yàn)檎较颉?shù)值模擬計(jì)算得到的最惡劣環(huán)境下的各個(gè)電阻值應(yīng)用于圖4所示的實(shí)際監(jiān)控電路,將電路仿真電流大小與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表1)。由表1可以看出,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和電路仿真結(jié)果相對(duì)誤差較小,驗(yàn)證了地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)可用于指導(dǎo)滿足用于各種井下環(huán)境測(cè)量需求的新型方位聚焦電極監(jiān)控電路設(shè)計(jì)。

表1 各電阻上電流數(shù)值模擬計(jì)算與電路仿真結(jié)果對(duì)比表

5 應(yīng)用效果

方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測(cè)井儀前期應(yīng)用舊的接收電極及監(jiān)控電路在塔里木油田開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),在井下鉆井液電阻率0.1 Ω·m條件下,儀器最高測(cè)量響應(yīng)不到2 000 Ω·m。通過(guò)重新設(shè)計(jì)新型方位聚焦電極,同時(shí)開(kāi)展電阻網(wǎng)絡(luò)研究,在室內(nèi)優(yōu)化監(jiān)控電路設(shè)計(jì),在塔里木油田某井成功開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。XX井深7 380 m,井底壓力90 MPa,井底溫度153 ℃,鉆井液電阻率0.1 Ω·m。該儀器在井下漏失嚴(yán)重、電纜測(cè)井儀器獲取測(cè)井資料風(fēng)險(xiǎn)大的情況下,成功取得測(cè)井資料,與電纜雙側(cè)向儀器測(cè)井曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系良好,準(zhǔn)確反映地層電阻率信息,縱向分辨率高于電纜儀器,電阻率測(cè)值最高接近15 000 Ω·m。儀器在鉆井液低電阻率環(huán)境下高電阻率儲(chǔ)層測(cè)量質(zhì)量顯著提升,進(jìn)一步驗(yàn)證了該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)地層環(huán)境模擬,在室內(nèi)指導(dǎo)優(yōu)化監(jiān)控電路設(shè)計(jì),儀器與電纜儀器測(cè)井曲線對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 XX井測(cè)井曲線圖

6 結(jié) 論

(1)給出新型方位聚焦電極的結(jié)構(gòu),在傳統(tǒng)的電極基礎(chǔ)上增加鉆鋌電極監(jiān)督電極和測(cè)量電極監(jiān)督電極,并闡述其測(cè)量工作原理,可有效降低高礦化度鉆井液對(duì)儀器高阻地層測(cè)量響應(yīng)的影響。

(2)依據(jù)新型方位聚焦電極結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種用于室內(nèi)模擬井下環(huán)境的地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò),并給出等效鉆井液電阻和等效地層電阻的計(jì)算方法。依據(jù)所構(gòu)造的地層電阻網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法,構(gòu)造了三維數(shù)值仿真計(jì)算的地層模型,該模型為帶井眼的縱向三層地層。

(3)根據(jù)地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了地層電阻率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的監(jiān)控電路。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,得到了電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻值與井眼尺寸、鉆井液電阻率和地層電阻率之間的響應(yīng)關(guān)系,并仿真計(jì)算得到電極之間的等效電阻受井眼鉆井液的影響關(guān)系:隨著鉆井液電阻率的增大,等效的鉆井液電阻增大;井徑增大,井眼鉆井液占比增大,使得等效的鉆井液電阻和地層電阻逐漸下降,且下降的斜率趨勢(shì)不同。監(jiān)控電路測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠在室內(nèi)模擬井下環(huán)境,指導(dǎo)監(jiān)控電路設(shè)計(jì),滿足井下各種環(huán)境應(yīng)用需求。

(4)開(kāi)展了儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,進(jìn)一步驗(yàn)證了該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠模擬井下環(huán)境,優(yōu)化監(jiān)控電路設(shè)計(jì)功能。