張金倩楠1，彭浩2，賈衡天2，艾維平2，高文凱2，范錦輝2，管康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.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100083）
摘要：由于雙側(cè)向測(cè)量的方式具有更好的聚焦能力，可以同時(shí)進(jìn)行深淺兩種探測(cè)深度的電阻率測(cè)量，因此其具有更強(qiáng)的分層能力，使得不同巖性的地質(zhì)剖面更加清楚。為此設(shè)計(jì)了一套隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了鉆井實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能對(duì)儲(chǔ)層電阻率進(jìn)行雙側(cè)向測(cè)量，能真實(shí)反映地層電阻率信息，可以提高隨鉆地質(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
在勘探開發(fā)油氣資源的工程中，評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層油氣分布的常規(guī)和重要手段是對(duì)該儲(chǔ)層電導(dǎo)率的判斷。而隨鉆電阻率測(cè)量有較高的實(shí)時(shí)性和效率，其能夠最大程度降低鉆井液入侵地層后對(duì)地層電阻率測(cè)量的影響，對(duì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有重大意義，能使井眼軌跡保持在要求的儲(chǔ)層內(nèi)。隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)井是聚焦式電法測(cè)井中的一種。其與三側(cè)向和七側(cè)向電阻率測(cè)井均屬于電法測(cè)井，隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)井系統(tǒng)是從三側(cè)向和七側(cè)向測(cè)井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但由于電極系結(jié)構(gòu)不同，在地層的分辨率和探測(cè)深度上有很大區(qū)別。而隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)井系統(tǒng)能夠同時(shí)進(jìn)行淺深兩種探測(cè)深度的測(cè)量［1］,因此在地層的分辨率和探測(cè)深度上均優(yōu)于三側(cè)向和七側(cè)向測(cè)井系統(tǒng)，其能更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［2］。為滿足隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向時(shí)對(duì)鉆遇地層電阻率信息的實(shí)時(shí)分析的需求，本文開發(fā)了隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)井系統(tǒng)。
1隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理
隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)井系統(tǒng)的電極系由9個(gè)電極構(gòu)成。主電極AP0、第一屏蔽電極AP1和AP2，第二屏蔽電極AP1’和AP2’,電極形狀為柱狀，主電極較短，屏蔽電極較長。監(jiān)測(cè)電極MP1、MP2和MP1’、MP2’使用環(huán)狀電極［3］。各個(gè)同名電極之間在鉆鋌內(nèi)部短接在一起，并以主電極AP0為中心對(duì)稱地排列在兩邊，如圖1所示。
其中第二屏蔽電極AP1’和AP2’起著雙重作用：對(duì)深側(cè)向電流，它與第一屏蔽電極間相當(dāng)于短路狀態(tài)，從而增強(qiáng)了屏蔽作用?？梢允怪麟娏鬟M(jìn)入地層深處才會(huì)向周圍發(fā)散開。對(duì)于淺側(cè)向電流，它與第一屏蔽電極間相當(dāng)于絕緣，并用作第一屏蔽電極和主電極的電流回流電極，從而降低了屏蔽作用。
使得主電流在進(jìn)入地層比較近的地方就發(fā)散開。雙側(cè)向電極系主電極流入地層路徑如圖1所示。在系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，主電極流出的電流I0和從屏蔽電極流出的屏流電流I1應(yīng)該是相同極性的，這樣才能使主電極電流聚焦。
因此在電路系統(tǒng)上采用跟蹤屏蔽電流來產(chǎn)生主電流的方式。在隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)中通過實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)測(cè)電極與無窮遠(yuǎn)處的回流電極NP的電壓差和主電流I0，再根據(jù)式（1）來計(jì)算出被測(cè)量地層的電阻率信息［4］。UMP1代表監(jiān)測(cè)電極的電位，I0代表主電極流出的電流，K代表電極系數(shù)。
AP0的接地電阻為R0，則由式(1)可以推出：
公式里的電阻R0應(yīng)等效為主電流流過的路徑上的各個(gè)部分電阻的和，如式(3)：
RY代表主電極AP0與鉆井液之間的接觸電阻;RM代表主電流經(jīng)過鉆井的體電阻;RMC代表主電流流過泥餅的電阻;RI代表主電流流過鉆井液侵入帶地層的電阻;RT代表主電流流過被測(cè)原狀地層的電阻;RU代表主電流到回流電極的回路電阻。
由于鉆井液的電阻率非常低，主電流流過鉆井液和泥餅的路徑很短，因此RY、RM、RMC可以忽略，主電流I0的回流電極回路路徑等效截面積非常大，所以RU也可以忽略不計(jì)。式（3）變?yōu)椋?/p>
隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)主要反映了被測(cè)地層的原狀地層電阻率和鉆井液入侵帶電阻率，采用隨鉆測(cè)量方式，在地層被打開的同時(shí)就進(jìn)行了電阻率的測(cè)量，鉆井液尚未來得及入侵原狀地層太深，因此鉆井液入侵帶電阻率也可以忽略不計(jì)［5］。
隨鉆雙側(cè)向電阻率深電極系數(shù)K可表示為：
2隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)電路
隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，其包括：直流穩(wěn)壓單元、控制信號(hào)發(fā)生器單元、深側(cè)向屏流源單元、淺側(cè)向屏流源單元、平衡放大混合電路單元、深淺側(cè)向電流檢測(cè)電路單元和深淺側(cè)向電壓檢測(cè)電路單元。直流穩(wěn)壓電源單元為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供+15 V和-15 V的工作電源?？刂菩盘?hào)發(fā)生器單元包括振蕩器和分頻器，其可以產(chǎn)生32 Hz和128 Hz的方波信號(hào)，為系統(tǒng)中的斬波器、相敏檢波器提供相位參考信號(hào)［6］。這個(gè)信號(hào)的頻率同時(shí)也是深淺側(cè)向測(cè)量時(shí)給電極上的功率信號(hào)頻率。該系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由深淺屏流源電路通過屏流電極系向被測(cè)地層發(fā)射32 Hz和128 Hz屏蔽電流信號(hào)，該電流將會(huì)流入監(jiān)測(cè)電極MP1、MP1’和MP2、MP2’,并在監(jiān)測(cè)電級(jí)系上形成電位差，這個(gè)電位差信號(hào)包括了深淺側(cè)向電流的頻率，該電位差信號(hào)經(jīng)過平衡放大混合電路放大，放大后的信號(hào)控制主電流發(fā)生電路來產(chǎn)生包含上述兩種頻率的主電流［7］。這樣主電流I0時(shí)鐘就能跟隨屏蔽電流I1的極性和相位變化了。同時(shí)，主電流也將造成監(jiān)測(cè)電極間的電位差動(dòng)態(tài)趨于零。屏蔽電流I1同時(shí)也動(dòng)態(tài)地聚焦了主電流I0。
深側(cè)向屏流電流源電路由頻率受控的32 Hz電流源構(gòu)成，控制信號(hào)為U2D?？刂菩盘?hào)U2D來自于深側(cè)向電壓監(jiān)測(cè)器并與深側(cè)向電壓監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)到的電壓成正比。深側(cè)向屏流源輸出的電流加載到屏流電極AP1和AP1’上，屏蔽電流從無限遠(yuǎn)處的NP電極返回［8］。深側(cè)向屏流源電路由差動(dòng)放大器、斬波式調(diào)制器、深側(cè)向帶通濾波器和功率放大器構(gòu)成。
差動(dòng)放大器主要利用U2D來控制屏蔽電流幅度，其正比于(U2-2U2D),U2是參考信號(hào)。是由直流電源經(jīng)過精密電阻R1和R2分壓得到，如圖3所示。斬波式調(diào)制器將與(U2-2U2D)成正比的直流信號(hào)變換成32 Hz的交流信號(hào)，然后其通過帶通濾波器將其變成幅度正比于(U2-2U2D)、頻率為32 Hz的正弦波，最后經(jīng)過功率放大電路將其加載到屏蔽電極A1和A2上。深側(cè)向屏蔽電流經(jīng)過電阻R10加載到屏蔽電極AP1上，經(jīng)由變壓器T8的次級(jí)加載到屏蔽電極AP1’上。這意味著AP1和AP1’是短路在一起的，所以具有相同的電位［9］。
淺側(cè)向屏流源的信號(hào)輸出接在變壓器T8的初級(jí)，從初級(jí)看過去電極AP1’是電級(jí)AP1的回流電極。AP2’是AP2的回流電極，而淺側(cè)向屏流源電路產(chǎn)生一個(gè)頻率為128 Hz的交流電流信號(hào)，其控制電壓還是U2D。其電路組成結(jié)構(gòu)與深側(cè)向屏流源電路類似，只是斬波調(diào)制器的控制頻率不同。
平衡放大混合電路單元有兩個(gè)作用：(1)測(cè)量監(jiān)測(cè)電極上的電位差;(2)平衡放大電路單元輸出的不平衡信號(hào)、控制產(chǎn)生主電流I0。主電流I0與屏蔽電流I1相互作用，當(dāng)監(jiān)測(cè)電極間電位差為零時(shí)，主電流被聚焦沿著水平方向深入地層中。平衡放大混合電路單元由差動(dòng)放大電路、選頻放大器和功率放大器組成。監(jiān)測(cè)電極之間的電位差信號(hào)非常微弱，而且是浮動(dòng)的。因此平衡放大電路單元的前置放大器為了檢測(cè)到監(jiān)測(cè)電極上的微弱信號(hào)，需要具有很高的輸入阻抗、較高的放大倍數(shù)和較高的共模抑制比。差動(dòng)放大后的信號(hào)經(jīng)過選頻放大電路來選頻放大與屏流電流相同的頻率信號(hào)，最后通過功率放大電路供給主電極［10］，使得主電極流出主電流I0。
電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)深淺側(cè)向兩個(gè)通道。其由前置差動(dòng)放大器和相敏檢波器組成。前置差動(dòng)放大器監(jiān)測(cè)電極MP1與回流電極NP之間的電位差，淺側(cè)向電壓檢測(cè)電路除了前置差動(dòng)放大器和相敏檢波器外還需要帶通濾波器。由于淺側(cè)向電壓檢測(cè)電路中的測(cè)量信號(hào)中還會(huì)混合入深側(cè)向頻率的信號(hào)，因此需要一個(gè)帶通濾波器將深側(cè)向頻率信號(hào)濾除，這樣就可以去掉不需要的干擾。深淺側(cè)向電壓相敏檢波器工作在同相檢波狀態(tài)下，被監(jiān)測(cè)的信號(hào)與參考信號(hào)相位相同，因此可以提高檢波效率壓制干擾信號(hào)，深淺側(cè)向電壓檢測(cè)電路經(jīng)過相敏檢波器后的信號(hào)經(jīng)由低通濾波器被轉(zhuǎn)換成為直流信號(hào)輸出。
電流檢測(cè)電路與電壓檢測(cè)電路類似。其由深淺前置差動(dòng)放大器、深淺側(cè)向帶通濾波器和深淺側(cè)向相敏檢波器構(gòu)成。但電路的輸入信號(hào)是主電流采樣電阻上的電壓信號(hào)。
隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)的各電極信號(hào)采集處理電路單元,其主要功能包括:監(jiān)測(cè)深淺側(cè)向檢測(cè)電極電壓的狀態(tài)（圖2中US和UD），檢測(cè)主電極電流的狀態(tài)（圖2中ID和IS），并根據(jù)測(cè)量的結(jié)果實(shí)時(shí)計(jì)算出被測(cè)底層的電阻率信息。
系統(tǒng)包括4路耐高溫可變?cè)鲆娌罘址糯笃鳌?4位高精度耐高溫Δ─Σ多路AD轉(zhuǎn)換器、DSP控制器、恒溫晶振和電源控制芯片。4路可變?cè)鲆娌罘址糯笃骺蓪?duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多種增益控制，滿足對(duì)被測(cè)量信號(hào)的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍控制。24位高精度耐高溫Δ─Σ多路AD轉(zhuǎn)換器采用TI公司的ADS1278HT芯片，它是專為石油鉆井高溫工作環(huán)境研制的，其可以在200℃的高溫環(huán)境下工作，充分滿足復(fù)雜深井的高溫工作環(huán)境。在本系統(tǒng)將其設(shè)置為4路信號(hào)同時(shí)采集狀態(tài)，在同一時(shí)刻將深淺側(cè)向檢測(cè)電極電壓（圖2中US和UD）和主電極的電流信號(hào)（圖2中ID和IS）轉(zhuǎn)換成24 bit數(shù)字信號(hào)，其內(nèi)置數(shù)字濾波器信號(hào)的信噪比可達(dá)111 dB。DSP控制器采用微芯公司的32位高性能DSP處理器，其負(fù)責(zé)控制可變?cè)鲆娌顒?dòng)放大器進(jìn)行增益控制，并控制ADS1278HT對(duì)4路被測(cè)量信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。其還需對(duì)ADS1278HT采樣的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，并存儲(chǔ)到3Dplus公司的高溫8 GB NANDFlash存儲(chǔ)器中。DSP控制器對(duì)AD轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)先進(jìn)行數(shù)字濾波處理，數(shù)字濾波器采用的是小波濾波器，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波分析后，由小波函數(shù)推演出一組濾波器系數(shù)，該組濾波器系數(shù)與ADS1278HT采樣之后的信號(hào)進(jìn)行卷積運(yùn)算，分解成高頻和低頻兩個(gè)分量信息，再分別對(duì)這兩個(gè)高低頻分量利用這組小波濾波器系數(shù)進(jìn)行濾波，分解出下一級(jí)4組高頻和低頻分量，依次類推，再通過選擇合理的閾值算法將信號(hào)中的噪聲和高頻強(qiáng)干擾信號(hào)的信息去掉，然后通過小波逆變換濾波器系數(shù)組的重構(gòu)算法將所需要的信號(hào)提取出來。采集信號(hào)被小波分解后的低頻分量和高頻分量分別為Ckn和Dkn，其計(jì)算公式為：
小波重構(gòu)算法:
對(duì)小波逆變換后的信號(hào)還要進(jìn)行數(shù)字處理才能得到被測(cè)信號(hào)的幅值信息，該數(shù)字處理的計(jì)算過程為：首先對(duì)小波濾波后的被測(cè)信號(hào)與一個(gè)正弦和余弦信號(hào)分量進(jìn)行乘積求和，該正弦和余弦信號(hào)分量分別為：
其中，fsingal頻率與小波濾波后的信號(hào)頻率相同。fcai為ADS1278HT的采樣頻率。被測(cè)信號(hào)與上述正弦余弦分量進(jìn)行乘積求和，公式為：
再由式(12)計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的幅值信息，再分別求出監(jiān)電極的電壓UMP1和主電極的電流信號(hào)I0之后，就可由式（1）求出被測(cè)地層的電阻率信息。監(jiān)電極的電壓與主電極的電流信號(hào)分為淺側(cè)向工作狀態(tài)和深側(cè)向工作狀態(tài)，工作在兩種不同狀態(tài)下，將公式（1）中的UMP1替換成深側(cè)向電壓UD、I0替換成深側(cè)向電流ID，可以求出深側(cè)向地層電阻率，而將式（1）中的UMP1替換成深側(cè)向電壓US、I0替換成深側(cè)向電流IS，可以求出淺側(cè)向地層電阻率，將二者合成解釋可以推演出被測(cè)地層的真實(shí)電阻率信息。
3隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)在華北油田K50-62井進(jìn)行了下井實(shí)驗(yàn)，并安裝在鉆具組合中鉆頭的上方。設(shè)計(jì)井深4 750 m（垂深），井別為開發(fā)井，井型為定向井。隨鉆雙側(cè)向電阻率測(cè)量系統(tǒng)在Σ井深3 750 m的位置開始工作進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)在井下隨鉆累計(jì)工作36 h，系統(tǒng)工作環(huán)境溫度125℃，整個(gè)系統(tǒng)工作正常。隨鉆雙側(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。
4結(jié)論
隨鉆雙側(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，因此研制了隨鉆雙側(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，提高了國內(nèi)隨鉆測(cè)井技術(shù)研究和應(yīng)用的水平，縮短了與國外測(cè)井技術(shù)間的差距，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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