王青艷，余衛(wèi)東，劉鑫，鮑廣泉，張昊

（中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器的重要特點(diǎn)在于探測(cè)深度大，并且可以適用于不同孔隙度和地層水礦化度的地層。這種測(cè)井方法除了能夠監(jiān)測(cè)油藏和確定死油層，還可以測(cè)量高風(fēng)險(xiǎn)井地層電阻率。

過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器與EILog系統(tǒng)配接的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器組件開(kāi)發(fā)。ACME采集系統(tǒng)作為EILog成套測(cè)井裝備[1]的軟件子系統(tǒng)，采用靈活的多層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以COM組件為組件模型，能夠支持包括前端和儀器的二次開(kāi)發(fā)擴(kuò)展[2]。本文中的儀器組件處理軟件采用 Visual Studio.net環(huán)境設(shè)計(jì)，可運(yùn)行于 Windows XP操作系統(tǒng)，軟件功能可以顯示監(jiān)控井下儀器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示各測(cè)量電極的波形，通過(guò)自動(dòng)及人機(jī)交互2種方式獲取各測(cè)量電極有效采樣數(shù)據(jù)，并以LDF及文本文件2種格式記錄該點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)儀器進(jìn)行室內(nèi)模擬盒線性測(cè)試，同自然伽馬（GR）、套管節(jié)箍（CCL）等儀器自由組合，實(shí)現(xiàn)深度自動(dòng)校正。針對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)，軟件實(shí)現(xiàn)中特別加入了均值、方差、FIR濾波器濾波數(shù)據(jù)處理方法。

1 儀器原理

過(guò)套管電阻率測(cè)井本質(zhì)上屬于側(cè)向類測(cè)井方法范疇[3]。它是在油井下過(guò)金屬套管后實(shí)現(xiàn)對(duì)地層電阻率的測(cè)量。過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器的測(cè)量部分由上、下電流電極、3個(gè)探測(cè)電極和1個(gè)電位電極組成。測(cè)井時(shí)通過(guò)向套管發(fā)射大功率的電流，測(cè)量緊貼在套管壁上3個(gè)電極間的微小電壓降計(jì)算地層的漏電流，進(jìn)而計(jì)算出地層的視電阻率。

1939年Aplin提出三電極法進(jìn)行過(guò)套管電阻率的測(cè)井方法。在此測(cè)量方法基礎(chǔ)上，各國(guó)科學(xué)家和測(cè)井技術(shù)研究人員經(jīng)過(guò)多年的研究，逐步將過(guò)套管電阻率測(cè)井方法發(fā)展成熟[4]。如果有電流被注入套管，由于金屬套管的電阻率要比井眼流體電阻率低得多，所以大部分電流會(huì)沿套管向上或向下流動(dòng)，只有小部分電流通過(guò)金屬套管泄露到周圍地層。如果能夠監(jiān)測(cè)到儀器測(cè)量電極與地面回路電極之間的電位差，并且能夠檢測(cè)流入地層的電流，就可以得到地層的電阻率信息。過(guò)套管電阻率測(cè)量原理如圖1所示，如果在長(zhǎng)度為Δz的套管上泄露到地層的電流大小ΔI，可以通過(guò)式（1）計(jì)算出地層的視電阻率。

圖1 過(guò)套管電阻率測(cè)量原理圖

式中，k、Δz為儀器系數(shù)；V 為套管測(cè)量電極處相對(duì)地面參考點(diǎn)的電位；ΔI為流入地層的泄露電流。

2 儀器刻度及數(shù)據(jù)處理方法

儀器刻度的目的是求取測(cè)井儀器的k值，確定儀器的輸入輸出關(guān)系，從而消除系統(tǒng)誤差，提高儀器的精確度。

2.1 刻度方法

過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器采用現(xiàn)場(chǎng)刻度方法，應(yīng)用泥巖層或含水純砂巖層作為刻度層，測(cè)量出2個(gè)深度點(diǎn)的電阻率分別是R1、R2；與裸眼井電阻率測(cè)井資料對(duì)比，找出該2個(gè)深度點(diǎn)的電阻率分別是R′1、R′2；按照2點(diǎn)刻度方法，確定儀器刻度系數(shù)。計(jì)算k系數(shù)方法如公式（2）所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集過(guò)程中常因干擾產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。如何剔除掉異常數(shù)據(jù)是正確計(jì)算過(guò)套管電阻率的關(guān)鍵。

在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法中經(jīng)常使用均方差判斷異常數(shù)據(jù)。均方差表示1組數(shù)據(jù)中各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離的平均數(shù)。反映數(shù)據(jù)集離散程度的均方差函數(shù)公式為

式中，M為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；Ni為第i個(gè)數(shù)據(jù)；為M個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

對(duì)于過(guò)套管電阻率測(cè)井采集到的1組數(shù)據(jù)，計(jì)算該組數(shù)據(jù)的均方差值，如果每個(gè)數(shù)據(jù)與該組數(shù)據(jù)平均值的差的絕對(duì)值大于2倍均方差值，就判定該數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。

3 過(guò)套管電阻率儀器組件開(kāi)發(fā)

3.1 功能需求分析

過(guò)套管電阻率儀器測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在測(cè)井傳輸系統(tǒng)中按照幀傳輸，每幀數(shù)據(jù)由600B組成，1個(gè)有效數(shù)據(jù)由2B或4B組成，每幀數(shù)據(jù)給4個(gè)通道的參數(shù)各上傳25個(gè)數(shù)據(jù)。儀器采用上、下交替供電電極供電模式工作，主要測(cè)量4個(gè)通道的參數(shù)，分別是電位差V1、電位差V2、發(fā)射電流I、參考電壓Vref。用上發(fā)射測(cè)量得到的4個(gè)參數(shù)和下發(fā)射測(cè)量得到的4個(gè)參數(shù)計(jì)算地層電阻率。

儀器上傳數(shù)據(jù)是設(shè)定周期的方波波形數(shù)據(jù)。為了得到某道采樣數(shù)據(jù)的工程數(shù)據(jù)，在1個(gè)周期的方波上，首先選取工程數(shù)據(jù)的計(jì)算范圍AB和CD段，然后剔除掉AB和CD段異常的數(shù)據(jù)后，分別計(jì)算AB和CD段正常數(shù)據(jù)的平均值為E和F，用E減去F的差的絕對(duì)值，就得到了某一道采樣數(shù)據(jù)的工程數(shù)據(jù)。計(jì)算工程數(shù)據(jù)取值范圍選取如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)取值范圍選取圖

測(cè)井時(shí)將井下儀器停止在給定深度，保證測(cè)量電極同套管接觸可靠條件下，按照時(shí)間驅(qū)動(dòng)定點(diǎn)測(cè)量模式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)。為保證測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量，要求在同一深度上多次測(cè)量。每一深度測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一個(gè)單獨(dú)的工程數(shù)據(jù)文件，通過(guò)專門的測(cè)后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)文件處理后，形成1口井的測(cè)井資料圖。

3.2 組件實(shí)現(xiàn)

使用ACME系統(tǒng)的儀器組件開(kāi)發(fā)向?qū)DK設(shè)計(jì)過(guò)套管儀器組件系統(tǒng)框架。該組件軟件默認(rèn)支持測(cè)井接口和儀器屬性接口，為客戶程序提供統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)。ACME主控程序按約定的接口標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用組件中成員函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。該組件由儀器類、輔助窗口類、曲線動(dòng)態(tài)顯示類及測(cè)量數(shù)據(jù)顯示類4個(gè)功能模塊構(gòu)成。

3.2.1 儀器類功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

儀器類中封裝了儀器組件接口的成員函數(shù)。實(shí)現(xiàn)打開(kāi)儀器組件、關(guān)閉儀器組件、測(cè)井初始化、加載輔助窗口、加載儀器資產(chǎn)、采集數(shù)據(jù)解碼、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)工程化處理成員函數(shù)功能。其中采集數(shù)據(jù)解碼處理、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)工程化處理是過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器類實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

打開(kāi)儀器組件主要是傳入主控組件對(duì)象及相關(guān)參數(shù)初使化；關(guān)閉儀器組件是實(shí)現(xiàn)釋放相關(guān)窗口指針；測(cè)井初始化方法是傳入測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)輸入輸出地址；加載儀器資產(chǎn)方法是加載儀器資產(chǎn)號(hào)，讀取刻度相關(guān)參數(shù)。

采集數(shù)據(jù)解碼處理按照儀器上傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)篩選及解碼。解碼時(shí)在約定地址按字節(jié)讀取后，數(shù)據(jù)通過(guò)高低8B的移位進(jìn)行運(yùn)算。數(shù)據(jù)篩選時(shí)先讀取數(shù)據(jù)有效標(biāo)志字，如果滿足約定條件，則該幀數(shù)據(jù)有效；否則舍棄掉該幀不合理的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)有效時(shí)，對(duì)V1、V2、I、Vref的4個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)逐一解碼后，利用先進(jìn)先出（FIFO）[5]原理放入各自數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)工程化處理將解碼后的數(shù)據(jù)換算成有實(shí)際意義的參數(shù)，并進(jìn)行濾波、乘加因子運(yùn)算，作為儀器的顯示、輸出、存盤數(shù)據(jù)。

3.2.2 輔助窗口類功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

輔助窗口類主要實(shí)現(xiàn)井下及地面儀器下發(fā)命令控制和測(cè)井質(zhì)量監(jiān)控功能。該組件軟件運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)加載輔助窗口及刻度窗口。根據(jù)過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器上傳數(shù)據(jù)模式及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井施工流程，將輔助窗口作為一個(gè)橋梁，曲線實(shí)時(shí)顯示類和測(cè)量數(shù)據(jù)顯示類作為屬性頁(yè)，加載到輔助窗口上。

3.2.3 曲線實(shí)時(shí)顯示類功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曲線實(shí)時(shí)顯示類實(shí)現(xiàn)了儀器下發(fā)命令控制、測(cè)井質(zhì)量控制、采樣曲線的放大和縮小功能，軟件使用無(wú)閃爍雙緩沖繪圖[6]技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測(cè)井方波原始曲線的實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示功能，綜合均值、方差、FIR濾波等異常數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)了方波工程數(shù)據(jù)處理計(jì)算功能，使用文件讀寫(xiě)操作等數(shù)據(jù)處理功能，將最終數(shù)據(jù)輸出到LDF和文本文件里以便后期的測(cè)井資料處理。

儀器下發(fā)命令控制包括液壓閥復(fù)位、刻度、上發(fā)射、下發(fā)射和測(cè)量命令。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)根據(jù)提供的命令參數(shù)，按約定的接口協(xié)議和格式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給前端采集軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下儀器的控制[5]。

測(cè)井質(zhì)量控制包括實(shí)時(shí)監(jiān)視井下儀器命令狀態(tài)、壓力及溫度等參數(shù)。動(dòng)態(tài)顯示曲線以點(diǎn)線圖方式實(shí)時(shí)繪制4道測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。繪制曲線時(shí)數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)化為屏幕坐標(biāo)點(diǎn)位置，同時(shí)繪制的過(guò)程中還添加了均值、方差、FIR濾波等數(shù)學(xué)算法，造成繪圖效率低、測(cè)井曲線滾動(dòng)顯示閃爍。使用無(wú)閃爍雙緩沖技術(shù)，把繪制圖形先用內(nèi)存設(shè)備環(huán)境DC繪制在與顯示兼容的位圖中，然后從內(nèi)存環(huán)境把測(cè)井圖形復(fù)制到屏幕客戶區(qū)。這樣，在測(cè)井圖形繪制到屏幕之前，已經(jīng)將圖形繪制在位圖中，然后直接復(fù)制到屏幕上，從而消除了測(cè)井圖形刷新造成的閃爍現(xiàn)象。為了在圖形顯示客戶區(qū)直觀反映實(shí)時(shí)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)坐標(biāo)的刻度尤為重要。通過(guò)分析表明，把采樣數(shù)據(jù)的最大、最小值差作為數(shù)據(jù)分布的區(qū)間，采樣數(shù)據(jù)平均值作為數(shù)據(jù)分布的基準(zhǔn)，數(shù)據(jù)分布的直觀顯示效果最好。實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

圖3 曲線動(dòng)態(tài)顯示效果圖

3.2.4 數(shù)據(jù)顯示類功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

測(cè)量數(shù)據(jù)顯示類主要實(shí)現(xiàn)了儀器線性測(cè)試及測(cè)量有效數(shù)據(jù)顯示功能。

儀器線性測(cè)試是對(duì)儀器及測(cè)量結(jié)果有效性進(jìn)行驗(yàn)證。將測(cè)量的電阻值和實(shí)際的電阻值繪制成圖表直觀的反映了儀器的線性關(guān)系。實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 模擬盒測(cè)試線性統(tǒng)計(jì)圖

測(cè)井有效數(shù)據(jù)顯示是在列表框中實(shí)時(shí)顯示1口井中每次保存的測(cè)量數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、刪除、保存、讀取顯示等功能。

3.2.5 應(yīng)用效果

儀器組件開(kāi)發(fā)是完成儀器配接ACME采集軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器組件與ACME采集平臺(tái)反復(fù)的聯(lián)調(diào)、測(cè)試，完成了現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)井軟件功能需求，實(shí)現(xiàn)了過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器與EILog測(cè)井系統(tǒng)的掛接。將靖邊地區(qū)某口井過(guò)套管電阻率測(cè)井曲線與深側(cè)向電阻率測(cè)井曲線進(jìn)行比較，可看出過(guò)套管電阻率測(cè)井曲線和深側(cè)向電阻率測(cè)井曲線基本一致，測(cè)井資料解釋成果如圖5所示，其結(jié)果驗(yàn)證了過(guò)套管電阻率測(cè)井軟件及其數(shù)據(jù)處理理論的正確。

圖5 測(cè)井資料對(duì)比與解釋成果

4 結(jié) 論

（1）過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器組件庫(kù)是針對(duì)中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司自主研發(fā)的過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器并根據(jù)ACME采集軟件系統(tǒng)框架而設(shè)計(jì)的儀器組件軟件，該軟件系統(tǒng)已在靖邊、華北、吐哈地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)10口井次。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，下發(fā)命令儀器控制有效，采樣數(shù)據(jù)處理、微弱異常信號(hào)的過(guò)濾算法及電阻率計(jì)算方法正確。

（3）該儀器上傳數(shù)據(jù)模式及測(cè)井施工工藝流程比較特殊，ACME采集系統(tǒng)平臺(tái)中的顯示模塊（LogDisplay）不能滿足該儀器的曲線實(shí)時(shí)顯示需求，過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器組件庫(kù)專門設(shè)計(jì)了有效測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)曲線顯示功能模塊。

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