吳玉飛

（杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310012）

陣列側(cè)向測(cè)井技術(shù)研究

吳玉飛

（杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310012）

在廣泛的模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種新型陣列側(cè)向儀器，采用一個(gè)供電電極和一系列對(duì)稱放置的聚焦電極進(jìn)行測(cè)量，可提供多條具有不同探測(cè)深度的地層電阻率曲線。根據(jù)陣列側(cè)向測(cè)量原理分析了測(cè)井模型六種工作模式下的電場(chǎng)分布情況，重點(diǎn)介紹了陣列側(cè)向的電極系構(gòu)造、目的層厚度H變化、侵入半徑ri變化對(duì)測(cè)井曲線響應(yīng)的影響。

陣列側(cè)向；電極系；目的層厚度；侵入半徑

自然界中不同巖石和礦物的導(dǎo)電能力是不相同的，尤其地層中所含流體性質(zhì)不同時(shí)，導(dǎo)電性能差別很大。電阻率測(cè)井正是利用這一特點(diǎn)來區(qū)分鉆井剖面的巖層性質(zhì)和油氣性質(zhì)的。雙側(cè)向儀器是常規(guī)電阻率測(cè)井的主要方法之一，在油田勘探開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，但隨著油田開發(fā)程度的不斷提高，雙側(cè)向測(cè)井儀測(cè)量地層獲取信息少，不能詳細(xì)描述地層侵入剖面，縱向分辨率低（600 mm），此外，深側(cè)向測(cè)量受高阻層影響較大，特別是在測(cè)井儀接近套管（格羅寧根效應(yīng)）或鉆桿輸送測(cè)井儀（水平測(cè)井）情況下，往往不能提供真實(shí)的地層信息。為滿足薄層和精細(xì)化評(píng)價(jià)需求，需設(shè)計(jì)一種縱向分辨率不低于300 mm、同時(shí)具有多種探測(cè)深度的電極系來測(cè)量地層侵入剖面電阻率變化。

1　測(cè)量原理和工作模式分析

1.1測(cè)量原理

假設(shè)儀器半徑為rt，在儀器表面形成一個(gè)半徑為rt的圓柱形等位面，其電位為VA。等位圓柱面的長度相對(duì)于rt而言為無窮大。電流從等位柱面徑向發(fā)射入地層，然后在電位為零、半徑為L的同心電極上回流。模型圖如圖1所示。

圖1　模型圖

設(shè)長度為l的一段圓柱發(fā)出電流I0，并流向零電位的同心電極。假設(shè)兩個(gè)同心圓柱之間為均勻介質(zhì)，其電阻率為ρ。電場(chǎng)強(qiáng)度E和電流密度j有如下關(guān)系［1］：

高分辨率側(cè)向測(cè)井儀的電場(chǎng)聚焦系統(tǒng)和電極系的設(shè)計(jì)目的就是獲取類似模型所描述的電流形狀，即一個(gè)從等位圓柱發(fā)出的，經(jīng)地層到達(dá)距離為L的同心電極的徑向、平行電流束。

1.2工作模式分析

陣列側(cè)向測(cè)井儀共有六種探測(cè)模式，第一種為泥漿測(cè)量模式AL0，另外5種模式具有不同的徑向探測(cè)深度，分別為AL1～AL5。

1.2.1模式AL0

主電流I0由主電極A0流出，返回到電極A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’），測(cè)量M1（M1’）與M2（M2’）之間的電位差。由于主電極沒有聚焦，因此AL0主要探測(cè)泥漿和井眼影響，該工作方式視電阻率公式為：

1.2.2模式AL1～AL5

主電流I0由A0流出，保持監(jiān)督電極電壓相等，即VM1（M1’）=VM2（M2’）。AL1模式時(shí)屏流由A1（A1’）流出，電流返回到A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）電極；AL2模式時(shí)屏流由A1（A1’）、A2（A2’）流出，電流返回到A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）電極；AL3模式時(shí)屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）流出，電流返回到A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）電極；AL4模式時(shí)屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）流出，電流返回到A5（A5’）、A6（A6’）電極；AL5模式時(shí)屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）流出，電流返回到A6（A6’）電極。5種模式都保持屏蔽電極電壓相等，主電流I0在屏蔽電流的作用下，以垂直井壁方式進(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，地層的滲透層、非滲透層得到精細(xì)劃分。

AL1～AL5等5種工作方式都是測(cè)量主電極的電位VA0與電流I0，求解視電阻率的公式為：

1.2.3AL0～AL5方式電場(chǎng)分布

AL0～AL5工作方式有六種不同的電場(chǎng)分布，正因?yàn)殡妶?chǎng)分布的改變，儀器才能獲取不同徑向深度地層信息。6種工作方式電場(chǎng)分布如圖2～7所示（圖中，黑色為電極）。

圖2　Mode 0

圖3　Mode 1

圖4　Mode 2

圖5　Mode 3

圖6　Mode 4

圖7　Mode 6

2　電極系構(gòu)造和測(cè)井響應(yīng)分析

2.1電極系結(jié)構(gòu)和二分之一側(cè)向測(cè)井模型

陣列側(cè)向測(cè)井儀器的基礎(chǔ)是三側(cè)向，中間為發(fā)射主電流電極A0，兩側(cè)分別布置6組對(duì)稱電極。對(duì)稱電極兩兩短接，每對(duì)電極與主電極構(gòu)成一個(gè)三側(cè)向電極，在A0和A1電極之間有兩對(duì)監(jiān)督電極M1、M2。每個(gè)電極均向外發(fā)出具有一定聚焦能力的電流，具體電極組成如圖3所示，圖中畫出的僅為上半電極。當(dāng)?shù)貙雨P(guān)于井軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，陣列側(cè)向響應(yīng)的求解區(qū)域簡化為圖8［2］。

圖8　測(cè)向測(cè)井模型

圖中，rh、ri分別為電極系半徑、侵入帶半徑和侵入半徑，H為目的層厚度，Rm、Rt、Rxo、Rsu、Rsd分別為泥漿電阻率、原狀地層電阻率、侵入帶電阻率、上圍巖電阻率和下圍巖電阻率。

2.2目的層厚度H變化響應(yīng)分析

目的層厚度和圍巖電阻率變化對(duì)目的層測(cè)量值的影響反映了儀器的分層能力和圍巖影響特性，根據(jù)低阻圍巖地層模型（Rsu，Rsd）和低阻圍巖（Rsu，Rsd）、高阻地層（Rt）模型，分析

目的層厚度的變化對(duì)讀數(shù)的影響，得出如下結(jié)論：陣列側(cè)向測(cè)井在層厚小于0.5 m時(shí)，不同探測(cè)深度曲線分辨率基本匹配，在層厚大于0.5 m后，不同探測(cè)深度曲線交替上升，較厚地層才達(dá)到不同的穩(wěn)定值，不同探測(cè)深度曲線隨目的層厚度的變化特性由電極系尺寸和聚焦模式?jīng)Q定。

2.3侵入半徑ri變化響應(yīng)分析

陣列側(cè)向測(cè)井儀的優(yōu)點(diǎn)之一是提供比雙側(cè)向測(cè)井儀更多的不同探測(cè)深度曲線，可以反映滲透性地層的侵入特性。根據(jù)低侵低阻圍巖地層模型、低侵低阻圍巖高阻地層模型和高侵低阻圍巖地層三種模型分析，總結(jié)出各種地層情況下的侵入半徑變化對(duì)不同探測(cè)深度曲線的影響。

（1）低侵地層中，侵入半徑為0.1～0.3 m時(shí)不同探測(cè)深度曲線受侵入影響嚴(yán)重；0.3～1 m時(shí)不同探測(cè)深度曲線非線性變化；大于1 m 時(shí)，曲線達(dá)到穩(wěn)定值。陣列側(cè)向測(cè)井的5個(gè)探測(cè)深度曲線AL1、AL2、AL3、AL4和AL5中，只有AL1有變化，在100 ?m的高阻層變化明顯，其余探測(cè)深度曲線之間的分離變化很小，探測(cè)深度接近。

（2）高侵地層中，侵入半徑為0.1～0.6 m時(shí)，不同探測(cè)深度曲線受侵入影響嚴(yán)重，非線性變化快速上升；大于0.6 m 時(shí)，曲線逐漸達(dá)到不同的穩(wěn)定值，不同探測(cè)深度曲線的穩(wěn)定值不同，相互關(guān)系與正常的情形相反，最深值接近侵入電阻率，最淺值接近地層電阻率。

（3）地層模型不同時(shí)，陣列側(cè)向測(cè)井的儀器常數(shù)不一樣，與井徑、泥漿電阻率、地層電阻率、圍巖電阻率、侵入電阻率和目的層厚度的組合有關(guān)。

3　儀器實(shí)現(xiàn)和測(cè)井效果對(duì)比

3.1儀器實(shí)現(xiàn)

陣列側(cè)向原理框圖如圖9所示。陣列側(cè)向電子部分主要包括聚焦和驅(qū)動(dòng)放大電路、主控和信號(hào)處理電路兩大部分。

圖9　陣列側(cè)向原理框圖

3.2測(cè)井效果對(duì)比

3.2.1遼河油田實(shí)井試驗(yàn)情況

遼河油田完成1口試驗(yàn)井和5口實(shí)井對(duì)比試驗(yàn)。數(shù)解中心對(duì)3口實(shí)井出具了《陣列側(cè)向質(zhì)量評(píng)價(jià)報(bào)告》，具體情況如表1。3口井的泥漿性質(zhì)都是水基。

表1　測(cè)井對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對(duì)3口井的實(shí)際測(cè)井資料對(duì)比分析：（1）儀器重復(fù)性好；（2）儀器一致性較好；（3）陣列側(cè)向測(cè)井曲線形態(tài)和雙側(cè)向一致，在泥巖地層、砂巖地層及特殊巖性地層中，陣列側(cè)向深探測(cè)HLA5與深側(cè)向電阻率數(shù)值相近，陣列側(cè)向中探測(cè)HLA3與淺側(cè)向電阻率數(shù)值相近；（4）陣列側(cè)向電阻率曲線縱向分辨率高于雙側(cè)向。

圖10　遼河油田測(cè)井資料對(duì)比

3.2.2新疆克拉瑪依油田試驗(yàn)情況

2015年5月，高分辨率陣列側(cè)向儀器在新疆油田模擬井與Schlumberger公司MAX-500陣列側(cè)向儀器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)［3］。儀器重復(fù)性、一致性良好，與MAX-500陣列側(cè)向?qū)Ρ龋ㄈ鐖D11所示），曲線形態(tài)基本一致，幅度大小基本一致，技術(shù)性能達(dá)到了國外同類儀器水平。

圖11　新疆克拉瑪依油田測(cè)井資料對(duì)比

4　結(jié)束語

陣列側(cè)向把改善的地層模型與數(shù)學(xué)反演技術(shù)結(jié)合在一起，采集地層高質(zhì)量的有效信息，可以得到更準(zhǔn)確的地層真電阻率Rt。優(yōu)點(diǎn)是把不利因素的影響降至最小，不受參考電壓、格羅寧根和鉆桿效應(yīng)的影響。該儀器在薄層中有良好的縱向分辨率，改善了侵入剖面描述，這使得經(jīng)過反演得到的Rt更準(zhǔn)確。以二維地層模型為基礎(chǔ)反演技術(shù)對(duì)陣列電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，可以得到更準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)，尤其是薄層含油飽和度的計(jì)算。由于陣列側(cè)向不需要加長電極，在大滿貫測(cè)井中組合靈活，大大提高了測(cè)井時(shí)效，同時(shí)提高了測(cè)井安全性，因此，陣列側(cè)向的研究已經(jīng)成為目前國內(nèi)外電法測(cè)井的主要方向之一。

［1］ 馮啟寧. 測(cè)井儀器原理［M］. 北京： 石油工業(yè)出版社.2010.

［2］ 忤杰，謝尉尉. 陣列側(cè)向測(cè)井儀器的正演響應(yīng)分析［J］. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，23（1）：73-76.

［3］ Schlumberger. HALT High-Resolution Laterolog Array Tool Schlumberger［Z］. 2000.