郁愛霞 周齊志

（1.杭州瑞利聲電技術公司，杭州，310023）

（2.中國石油集團測井有限公司西南分公司，重慶，401147）

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

根據(jù)這一特殊需求，我們設計了一種新型的高分辨率側向測井儀器。高分辨率側向測井是在雙側向測井基礎上發(fā)展起來的一種新型側向測井技術，電路在設計中添加套管保護功能，可以在套管內關閉側向發(fā)射，適用于電纜、泵出兩種測井模式。一次測井能同時提供三條不同深度的地層電阻率曲線，同時大幅降低井眼和低阻圍巖對視電阻率的影響，可用于分析和解決以下問題[1-2]：

（1）估計侵入情況。分析高分辨率側向三條曲線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。高分辨率側向的分辨率比普通側向提高一倍，因此其分層能力強于雙側向。在視電阻率曲線上，不同巖性的地質剖面顯示清楚。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)負差異。利用三條曲線的差異情況，可以初步判斷油（氣）層、水層及油水界面等情況，精確判定還應結合其他測井資料。

（4）判斷裂縫性地層。高分辨率側向測井曲線對非均勻各向異性的裂縫性地層有明顯差異。

1 儀器結構和工作原理

1.1 儀器結構

高分辨率側向測井儀由上絕緣短節(jié)、上電子線路、電極系和下絕緣短節(jié)構成。其中電極系以 A0電極為中心，4對供電電極和2對聚焦電極對稱分布，共由 17個電極組成，該電極系結構在理論上保證了高分辨率的要求。儀器結構分布如圖1所示。

圖1 儀器結構分布

1.2 儀器工作原理

高分辨率側向測井儀由主電極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）及測控電路組成，能同時提供三條不同探測深度的電阻率曲線，其探測模式共有三種，對應不同的電場，具有不同的徑向探測深度[3]。改變電場分布，可以使儀器獲取不同徑向深度的地層信息。三種探測模式的工作原理如下文所述。

MODEL1，如圖2所示。測井時，主電流I0由主電極 A0發(fā)出，通過主監(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。測井時，主電流I0由主電極A0發(fā)出，通過主監(jiān)督電路保持主監(jiān)督電極等電位，即VM0(M0′)=VM1(M1′），同時增加輔助監(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。測井時，主電流I0由主電極A0發(fā)出，通過主監(jiān)督電路保持主監(jiān)督電極等電位，即VM0(M0′)=VM1(M1′)，同時增加兩組輔助監(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，而是以垂直井壁的方式進入地層，由于屏蔽電極不斷增加，儀器的探測深度逐步加深。這三種工作模式都是通過測量主電極的電位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深度的視電阻率測量，與其它測井資料配合，可直觀準確地劃分滲透層，判斷油水層，確定和評價地層含油特性[5]。

2 電路設計

高分辨率側向測井儀電路由監(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。測井時，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)督電路用于實現(xiàn)這一功能。監(jiān)督電路通過自動調節(jié)可以保持監(jiān)督電極之間的殘余電位差接近零，也就標志著主電流處于聚焦狀態(tài)，這時自動平衡系統(tǒng)達到平衡，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。功率控制電路通過分析采樣信號，可實時掌握地層電阻率的動態(tài)變化范圍，根據(jù)變化量產生三種頻率不同、功率近似的信號。經比較處理后形成的穩(wěn)定電流源信號作為最終的發(fā)射源經變壓器發(fā)射至地層。采樣電路由電壓測量、電流測量電路組成，該部分電路用于檢測電路中電壓和電流信號的變化，信號經過各自頻率的帶通濾波、相敏檢波器、低通濾波，將交流信號變成直流信號。接口電路負責測量數(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經多路信號選通電路、增益自動控制電路處理后，以數(shù)字形式上傳至信號處理芯片，最終經通訊接口芯片傳送至通訊短節(jié)。

圖5 高分辨率側向電路框圖

3 理論驗證

3.1 儀器技術參數(shù)及指標

工作溫度范圍，-25～175℃；耐壓140 MPa；外徑73 mm；測量范圍（8 in 井眼，1 in=0.025 4 m），0.2～40 000 ?·m；測量精度（對無限、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；最大探測深度，1270 mm；最高測井速度，1000 m/h；有效長度，7.4 m；直流供電電源，48 V±10%。

3.2 理論模型

高分辨率側向測井是在雙側向測井的基礎上發(fā)展起來的，其電極系與雙側向類似，不同的是儀器電極系系數(shù)不同。電極系系數(shù)K可以通過實驗和理論計算求得，其理論模型需建立在均勻介質基礎之上，模型如圖6所示。

圖6 側向探測理論模型

假設電極系表面形成一個半徑為r的圓柱形等位面，其電位為VA。圓柱形等位面的長度l相對于r而言為無窮大。電流從等位面徑向發(fā)射入地層，在V=0、半徑為L的電極上回流。長度為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)假設柱狀電極之間為均勻介質，其電阻率為ρ，電場強度E和電流密度j關系如下：

于是得到：

若VL為零，可得電阻率Rt、電極系系數(shù)K為：

高分辨率側向測井儀三種探測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計的。式中的K值只是近似值，為了獲得準確的K值，還需要和實驗結果進行比對，最后獲得較精確的結果。

3.3 樣機驗證

高分辨率側向測井儀樣機在山東孤古 8#井完成了與雙側向測井儀的對比試驗，具體數(shù)據(jù)如表 1所示。對比表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：（1）在1966～2037 m泥巖段地層，高分辨率側向RGD、RGM數(shù)據(jù)和雙側向RSD、RSS數(shù)據(jù)在同一深度基本一致，高分辨率側向樣機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，同時對比陣列側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三條電阻率曲線的試驗結果和理論設計完全一致，將三條曲線重疊繪制，通過其幅度的相對變化，可以快速、直觀判斷油、氣、水層。

表1 對比試驗數(shù)據(jù)

4 結束語

高分辨率側向測井儀經理論分析和樣機試驗，能夠同時獲取原狀地層、侵入帶和沖洗帶三種探測深度的電阻率曲線，可以解決雙側向儀器在測井泵出施工作業(yè)時缺少沖洗帶電阻率曲線的難題，具有一定的實用價值。儀器目前已具備實井驗證條件，理論計算和樣機驗證可行，但儀器本身未能開展試驗井和實井測試比對工作，重復性和一致性有待驗證，后續(xù)需要繼續(xù)開展設計優(yōu)化工作，在設計定型后，將會有廣泛的應用前景。