張金倩楠1，彭浩2，范錦輝2，管康2，賈衡天2

　?。?.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信研究院，北京 100876；2.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院,北京 100083）

　　摘要：近年來隨著工業(yè)對(duì)石油資源需求的上升，對(duì)石油勘探開發(fā)技術(shù)也提出了更高的要求。在鉆井過程中，應(yīng)對(duì)復(fù)雜地層鉆井的隨鉆測(cè)井技術(shù)逐漸成為人們研究的重點(diǎn)。由于側(cè)向電阻率具有聚焦的能力，在高礦化度鉆井液和高阻地層井中要比普通的梯度電極、電位電極電阻率測(cè)井更具有優(yōu)勢(shì)。這兩種電阻率測(cè)井電極流出的電流基本上全部在井眼和低阻圍巖中流動(dòng)，很難進(jìn)入地層深處來反映地層電阻率的變化情況。為此設(shè)計(jì)一套隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)。通過鉆井實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能對(duì)不同深度的地層電阻率進(jìn)行測(cè)量，因此更加適合于薄層和滲透性地層。其受侵入帶的影響較小，更能反映地層的真實(shí)電阻率信息，因此能提升地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的性能，提高油氣田的鉆遇率。

　　關(guān)鍵詞：側(cè)向電阻率；地質(zhì)導(dǎo)向；電阻率信息

0引言

　　隨鉆側(cè)向電阻率測(cè)井又稱為聚焦式電法測(cè)井，其除了主要的地層電阻率測(cè)量電極外，還增加了多個(gè)屏蔽電極。由于電阻率電極和屏蔽電極流出的電流極性一致，電流極性相同時(shí)會(huì)相互排斥，因此從電阻率電極流出的電流被“壓迫”成為能近似垂直于井壁的方向，并能流入更深的被測(cè)地層［1］，這將極大程度地降低低阻圍巖和井眼對(duì)地層真實(shí)電阻率測(cè)量的影響。為滿足對(duì)地層電阻率隨鉆實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)的要求，開發(fā)了隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)［2］。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

　　側(cè)向電阻率測(cè)井在鉆鋌側(cè)面不同位置安裝多個(gè)金屬電極，電極之間使用絕緣材料分隔開，在進(jìn)行隨鉆測(cè)井工程時(shí)，主電極流出測(cè)量電流，電流經(jīng)過被測(cè)地層后流入測(cè)量電極，由測(cè)量電極進(jìn)入鉆鋌內(nèi)的高精度測(cè)量電路［3］。電路測(cè)量到的電流信號(hào)將實(shí)時(shí)反映出被測(cè)地層的電阻率變化情況，而被測(cè)地層電阻變化情況將實(shí)時(shí)反映出油氣儲(chǔ)層的信息［4］。隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)包括七個(gè)小體積的環(huán)狀電極，如圖1所示。

　　圖中AP0是主電極，MP1/MP2和MP1′/MP2′是兩對(duì)監(jiān)督電極，BP1和BP2代表回流電極；AP1、AP2是一對(duì)屏蔽電極。以主電極為中心，這三對(duì)電極對(duì)稱地排列在其上下兩端，每對(duì)電極利用導(dǎo)線相連。因此，MP1和MP2具有相同的電位，電極MP1′、MP2′以及電極AP1、AP2也具有相同的特點(diǎn)［5］。當(dāng)系統(tǒng)隨鉆工作時(shí)，主電極和屏蔽電極分別提供極性相同的電流I0和IS，并自動(dòng)調(diào)節(jié)屏蔽電流IS，使得兩對(duì)監(jiān)督電極MP1和MP2 、MP1′和MP2′上的電位保持相同，即UMP1=UMP1′或UMP2=UMP2′。由于M1、M1′兩等位面之間以及MP2、MP2′兩等位面之間不可能有電流流動(dòng)，因此從主電極和屏蔽電極流出的電流都在MP1、MP1′和MP2、MP2′處拐彎，即迫使主電極AP0流出的電流不沿井軸方向流動(dòng)，而垂直于電極流入地層［6］。因此地層的電阻率RS可以用公式表示為：

　　式中UMP1代表MP1處的電位，K代表七側(cè)向電極系

　　K=4π1AP0MP1+12ηAP1AP2AP1MP1×AP2MP1+BP1BP2BP1MP1×BP2MP1－BP1BP22×1BP1MP1×BP2MP1(12)的系數(shù)。

　　由式（1）可以知道當(dāng)主電流I0保持恒定時(shí)，監(jiān)督電極MP1處的電位UMP1的變化情況就能線性地反映出被測(cè)地層電阻率的變化。當(dāng)七側(cè)向電阻率進(jìn)行深探測(cè)時(shí)回流電極NP處于無窮處［7］。當(dāng)七側(cè)向電阻率進(jìn)行淺探測(cè)時(shí)回流電極BP1和BP2就被接入電極系中。將環(huán)狀電極等效成點(diǎn)，根據(jù)電場(chǎng)疊加原理可以推導(dǎo)電極系系數(shù)K。

　　監(jiān)督電極的電位UMP1公式為：

　　其中，AP0MP1、AP1MP1、AP2MP1為監(jiān)督電極MP1到主電極AP0和屏蔽電極AP1及AP2的距離。與上述相同監(jiān)督電極MP1′的電位為：

　　其中，AP0MP1′、AP1MP1′、AP2MP1′為監(jiān)督電極MP1′到主電極AP0和屏蔽電極AP1及AP2的距離［8］。

　　當(dāng)進(jìn)行隨鉆測(cè)量時(shí)，電路系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)屏蔽電極的電流，使得UMP1=UMP1′。此時(shí)屏流比將確定下來，即：η=2AP1MP1×AP1MP1′×AP2MP1×AP2MP1′AP0MP1×AP0MP1′(AP2MP1×AP2MP1′－AP1MP1×AP1MP1′)(5)由于監(jiān)控電極MP1與MP1′、MP2與MP2′在鉆鋌上的位置十分接近，OP1和OP2為它們的中點(diǎn)［9］，因此可以得到如下近似等式：

　　AP0MP1≈AP0MP1′≈AP0OP1(6)

　　AP1MP1≈AP1MP1′≈AP1OP1(7)

　　因此可以將隨鉆七側(cè)向電阻率電極系數(shù)K用下式表示：

　　而淺七側(cè)向電極系數(shù)的計(jì)算公式為:

2系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示 。主電流產(chǎn)生系統(tǒng)以500 Hz頻率對(duì)主電極AP0供電，并維持從主電極A0流出的電流恒定不變。采用反饋電路來進(jìn)行屏蔽電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)［10］。由式（1）可知監(jiān)督電極的電壓值將隨著地層電阻率的變化而發(fā)生變化。這樣就會(huì)出現(xiàn)UMP1不等于UMP1′的情況，此時(shí)MP1和MP1′之間的電位不為0。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，如果UMP1>UMP1′,則監(jiān)督電極MP1和MP1′上的電壓會(huì)經(jīng)過變壓器T2耦合到放大器的輸入端，該電壓值被放大后，由相敏檢波器將其變?yōu)橹绷鞯拿}動(dòng)電壓信號(hào)，再經(jīng)由濾波器濾除其高頻成分后，變成放大后的直流電平信號(hào)。該信號(hào)在經(jīng)過調(diào)制電路、功率放大電路和變壓器T3后耦合到屏蔽電極AP1和AP2上，使得AP1和AP2上的屏蔽電流增加，從而使得電極MP1′上的電壓上升，一直到與MP1上的電壓相等為止。而當(dāng)UMP1<UMP1′時(shí),由上述反饋電路系統(tǒng)調(diào)節(jié)可使得屏蔽電極AP1和AP2的電流下降從而使得MP1′上的電壓下降，直到與MP1上的電壓相等。在這種動(dòng)態(tài)平衡條件下測(cè)量UMP1或者UMP1′與流入電極點(diǎn)之間的電壓差，即UMP就可以被認(rèn)為反映了被測(cè)地層的電阻率。為了減少系統(tǒng)在測(cè)量地層電阻率時(shí)受到的干擾，遠(yuǎn)回流電極NP和近回流電極BP都應(yīng)處于井下。電極NP和電極BP應(yīng)保持一定的距離，而且需要遠(yuǎn)離主電極AP0和屏蔽電極AP1和AP2。

3部分電路設(shè)計(jì)

　　隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)屏蔽電極電流源產(chǎn)生電路由前置差動(dòng)放大電路、斬波調(diào)制放大電路、帶通放大電路和功率放大器構(gòu)成。隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)部分電路前置放大,電路如圖3(a)所示，由運(yùn)放OP3的同相端連接由監(jiān)測(cè)電極相敏整流后反饋回來的電圖2隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖3隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)部分電路壓。反向輸入端連接由精密電阻構(gòu)成分壓電路，前置放大器的放大倍數(shù)可由下式得出：

　　隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)部分電路的斬波調(diào)制放大器如圖3(b)所示，其由運(yùn)算放大器和集成電路構(gòu)成，當(dāng)方波信號(hào)輸入到該集成電路的輸入引腳后,當(dāng)方波信號(hào)為高電平時(shí)，集成電路芯片將16、14腳與15、13、11、9腳接通，并連接到電路的數(shù)字地上。當(dāng)方波信號(hào)為低電平時(shí)，12、10腳與15、13、11、9腳接通，并連接到電路的數(shù)字地上［11］。這樣就可以將運(yùn)放的輸入端b點(diǎn)和c點(diǎn)輪流接地，當(dāng)c點(diǎn)接地，b點(diǎn)懸空時(shí)，運(yùn)放的增益為：

　　由此可見，斬波調(diào)制放大電路將前置放大器輸出的直流電壓調(diào)制成為相同幅度的方波電壓信號(hào)。該信號(hào)加入帶通濾波器的輸入端。帶通濾波電路如圖3(c)所示，由兩條反饋路徑構(gòu)成,頻率信號(hào)通過C43和R46產(chǎn)生負(fù)反饋。將濾波信號(hào)的頻率固定在500 Hz。其傳遞函數(shù)為：

　　其中，ω0為帶通中心角頻率，Q為品質(zhì)因數(shù)，K為通帶增益。

　　由帶通濾波后的交流信號(hào)經(jīng)由功率放大電路加載到屏蔽電極AP1和AP2上，產(chǎn)生屏蔽電流。

　　隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控電極的監(jiān)測(cè)電路，主要用來監(jiān)測(cè)監(jiān)督電極間的電位差，并產(chǎn)生控制屏蔽電極AP1、AP2的電壓。其電路系統(tǒng)的主要單元為相敏檢波器，如圖3(d)所示。

　　參考信號(hào)UF(t)被放大器OP2和二極管VF整形后產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，該信號(hào)的占空比為1∶1，并且該信號(hào)與監(jiān)測(cè)電極監(jiān)測(cè)到的信號(hào)US(t)為相同頻率。該電壓信號(hào)將控制MOSFET開關(guān)管K1的導(dǎo)通和關(guān)閉［12］。當(dāng)開關(guān)管K1關(guān)閉時(shí)，運(yùn)算放大器OP2工作在電壓跟隨器狀態(tài)，將直接輸出US(t)的信號(hào)。當(dāng)開關(guān)管K1導(dǎo)通時(shí)，運(yùn)算放大器OP2工作在反相器狀態(tài)，它將輸入U(xiǎn)S(t)進(jìn)行反相后輸出。這樣就將輸入的US(t)轉(zhuǎn)換成正脈動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)后續(xù)的低通濾波器轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，該直流信號(hào)用于控制在AP1和AP2上產(chǎn)生的屏蔽電流信號(hào)。

4隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

　　隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)在華北油田任平19井進(jìn)行了下井實(shí)驗(yàn)，并在鉆具組合中安裝在鉆頭上方。該區(qū)域地面海拔5.7 m，為冀中坳陷饒陽(yáng)凹陷北部任北潛山構(gòu)造帶。設(shè)計(jì)井深3 050 m（垂深），井別為開發(fā)井，井型為定向井。隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)在井深2 000 m的位置開始進(jìn)行測(cè)量工作。系統(tǒng)在井下隨鉆累計(jì)工作55小時(shí)，系統(tǒng)工作環(huán)境溫度為120℃，整個(gè)系統(tǒng)工作正常。隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)與該井的感應(yīng)電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和近鉆頭電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比一致性非常好，系統(tǒng)的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)如圖4所示，達(dá)到了井隊(duì)對(duì)目的層電阻率進(jìn)行隨鉆測(cè)錄的要求。

5結(jié)論

　　隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量為評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層巖性提供重要參數(shù)，能在石油勘探和開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。因此研制隨鉆七側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)，其由主電極發(fā)射電流信號(hào)，屏蔽電極對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行聚焦，監(jiān)測(cè)電極測(cè)量目的油氣儲(chǔ)層的電阻率信息。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了下井實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足井隊(duì)對(duì)目的地層電阻率測(cè)量的要求，提高了國(guó)內(nèi)隨鉆測(cè)井技術(shù)研究和應(yīng)用的水平，縮小了與國(guó)外測(cè)井技術(shù)間的差距，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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