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 信息光子學與光通信研究院，北京 100876；2.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院,北京 100083）

　　摘要：近年來隨著工業(yè)對石油資源需求的上升，對石油勘探開發(fā)技術(shù)也提出了更高的要求。在鉆井過程中，應(yīng)對復雜地層鉆井的隨鉆測井技術(shù)逐漸成為人們研究的重點。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、電位電極電阻率測井更具有優(yōu)勢。這兩種電阻率測井電極流出的電流基本上全部在井眼和低阻圍巖中流動，很難進入地層深處來反映地層電阻率的變化情況。為此設(shè)計一套隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(tǒng)。通過鉆井實驗證明該系統(tǒng)能對不同深度的地層電阻率進行測量，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電阻率信息，因此能提升地質(zhì)導向鉆井系統(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)導向；電阻率信息

0引言

　　隨鉆側(cè)向電阻率測井又稱為聚焦式電法測井，其除了主要的地層電阻率測量電極外，還增加了多個屏蔽電極。由于電阻率電極和屏蔽電極流出的電流極性一致，電流極性相同時會相互排斥，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地層［1］，這將極大程度地降低低阻圍巖和井眼對地層真實電阻率測量的影響。為滿足對地層電阻率隨鉆實時評價的要求，開發(fā)了隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(tǒng)［2］。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量原理

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

　　圖中AP0是主電極，MP1/MP2和MP1′/MP2′是兩對監(jiān)督電極，BP1和BP2代表回流電極；AP1、AP2是一對屏蔽電極。以主電極為中心，這三對電極對稱地排列在其上下兩端，每對電極利用導線相連。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［5］。當系統(tǒng)隨鉆工作時，主電極和屏蔽電極分別提供極性相同的電流I0和IS，并自動調(diào)節(jié)屏蔽電流IS，使得兩對監(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，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，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）可以知道當主電流I0保持恒定時，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地層電阻率的變化。當七側(cè)向電阻率進行深探測時回流電極NP處于無窮處［7］。當七側(cè)向電阻率進行淺探測時回流電極BP1和BP2就被接入電極系中。將環(huán)狀電極等效成點，根據(jù)電場疊加原理可以推導電極系系數(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］。

　　當進行隨鉆測量時，電路系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)屏蔽電極的電流，使得UMP1=UMP1′。此時屏流比將確定下來，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［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)的計算公式為:

2系統(tǒng)電路設(shè)計

　　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。采用反饋電路來進行屏蔽電流的自動調(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。這樣就會出現(xiàn)UMP1不等于UMP1′的情況，此時MP1和MP1′之間的電位不為0。當這種情況發(fā)生時，如果UMP1>UMP1′,則監(jiān)督電極MP1和MP1′上的電壓會經(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}動電壓信號，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。該信號在經(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UMP1<UMP1′時,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。在這種動態(tài)平衡條件下測量UMP1或者UMP1′與流入電極點之間的電壓差，即UMP就可以被認為反映了被測地層的電阻率。為了減少系統(tǒng)在測量地層電阻率時受到的干擾，遠回流電極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，而且需要遠離主電極AP0和屏蔽電極AP1和AP2。

3部分電路設(shè)計

　　隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(tǒng)屏蔽電極電流源產(chǎn)生電路由前置差動放大電路、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)向電阻率測量系統(tǒng)部分電路前置放大,電路如圖3(a)所示，由運放OP3的同相端連接由監(jiān)測電極相敏整流后反饋回來的電圖2隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖3隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(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，其由運算放大器和集成電路構(gòu)成，當方波信號輸入到該集成電路的輸入引腳后,當方波信號為高電平時，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。當方波信號為低電平時，12、10腳與15、13、11、9腳接通，并連接到電路的數(shù)字地上［11］。這樣就可以將運放的輸入端b點和c點輪流接地，當c點接地，b點懸空時，運放的增益為：

　　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。該信號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,頻率信號通過C43和R46產(chǎn)生負反饋。將濾波信號的頻率固定在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)向電阻率測量系統(tǒng)監(jiān)控電極的監(jiān)測電路，主要用來監(jiān)測監(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UF(t)被放大器OP2和二極管VF整形后產(chǎn)生一個方波信號，該信號的占空比為1∶1，并且該信號與監(jiān)測電極監(jiān)測到的信號US(t)為相同頻率。該電壓信號將控制MOSFET開關(guān)管K1的導通和關(guān)閉［12］。當開關(guān)管K1關(guān)閉時，運算放大器OP2工作在電壓跟隨器狀態(tài)，將直接輸出US(t)的信號。當開關(guān)管K1導通時，運算放大器OP2工作在反相器狀態(tài)，它將輸入US(t)進行反相后輸出。這樣就將輸入的US(t)轉(zhuǎn)換成正脈動信號，再經(jīng)后續(xù)的低通濾波器轉(zhuǎn)換成直流信號，該直流信號用于控制在AP1和AP2上產(chǎn)生的屏蔽電流信號。

4隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(tǒng)實驗

　　隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(tǒng)在華北油田任平19井進行了下井實驗，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，為冀中坳陷饒陽凹陷北部任北潛山構(gòu)造帶。設(shè)計井深3 050 m（垂深），井別為開發(fā)井，井型為定向井。隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(tǒng)在井深2 000 m的位置開始進行測量工作。系統(tǒng)在井下隨鉆累計工作55小時，系統(tǒng)工作環(huán)境溫度為120℃，整個系統(tǒng)工作正常。隨鉆七側(cè)向電阻率測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)與該井的感應(yīng)電阻率測井數(shù)據(jù)和近鉆頭電阻率測井數(shù)據(jù)對比一致性非常好，系統(tǒng)的隨鉆測井數(shù)據(jù)如圖4所示，達到了井隊對目的層電阻率進行隨鉆測錄的要求。

5結(jié)論

　　隨鉆七側(cè)向電阻率測量為評價油氣儲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)向電阻率測量系統(tǒng)，其由主電極發(fā)射電流信號，屏蔽電極對電流信號進行聚焦，監(jiān)測電極測量目的油氣儲層的電阻率信息。對該系統(tǒng)進行了下井實驗，實驗結(jié)果滿足井隊對目的地層電阻率測量的要求，提高了國內(nèi)隨鉆測井技術(shù)研究和應(yīng)用的水平，縮小了與國外測井技術(shù)間的差距，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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