于增輝

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，河北 燕郊 065201）

0 引 言

地層微電阻率掃描（FMS）和全井眼地層微電阻率成像測井儀（FMI）［1］采用多個極板，每個極板上鑲嵌多個鈕扣電極，在保持鈕扣電極和回流電極一定電位條件下，對各個鈕扣電極的發(fā)射電流進(jìn)行平衡補償和標(biāo)準(zhǔn)化處理，可以獲得井壁電阻率圖像。隨著鉆進(jìn)工藝的改進(jìn)以及勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，深水測井需要采用非導(dǎo)電泥漿（如油基泥漿和合成泥漿）。采用非導(dǎo)電泥漿能使鉆井速度更快，井壁更穩(wěn)定、更規(guī)則。然而采用油基泥漿鉆井液，使得泥漿導(dǎo)電性能變差，常規(guī)成像測井儀鈕扣電極的電流難以從井眼進(jìn)入地層，成像效果遇到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，需要開展油基泥漿電成像測井裝備的研究。

在非導(dǎo)電泥漿中有2種方法可用于電阻率成像。一是四點測量法［1］。該方法用電流注射電極發(fā)射電流，測量電極之間的電位降。因為泥漿和地層之間的高電阻率差異，電流傾向于沿著井壁在地層中流動，等位線大約垂直于井壁。因此，在井壁與極板間存在油基（高電阻率）泥漿的情況下，測量電極之間的電位降與井壁測量值近似相同。用注入電流歸一化這些電位降，得到地層阻抗信息。四終端測量沒有降低接觸阻抗，它理想地除去了接觸阻抗對測量的影響。二是電容耦合法，它直接降低接觸阻抗。電流在高頻驅(qū)動下，由極板和導(dǎo)電地層作為電容器，交流電就能夠越過非導(dǎo)電泥漿層流動，它主要是位移電流。一旦電流穿越泥漿障礙，就符合常規(guī)的成像測井原理。這種方法使用電容耦合“驅(qū)趕”電流穿越非導(dǎo)電泥漿障礙并進(jìn)行測量。

本文利用有限元法［2－3］模擬仿真了基于電容耦合法的油基泥漿電成像測井儀，主要從儀器探測深度和分辨率2個方面研究了儀器探測特性，并考察了極板上各鈕扣電極尺寸及間距、儀器工作頻率、絕緣短節(jié)長度、回流電極長度和位置等因素對儀器測井響應(yīng)的影響。

1 儀器結(jié)構(gòu)描述和仿真方法

1.1 基于電容耦合原理的儀器結(jié)構(gòu)

基于電容耦合原理的油基泥漿電成像測井儀的測量電極主流在極板外殼和周圍電極的屏蔽作用下垂直進(jìn)入地層一定深度后發(fā)散，回到回流電極。各電極尺寸、分布以及儀器各部分的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計對于儀器探測特性有重要影響。

電容耦合法油基泥漿電成像測井儀內(nèi)部有6個極板，每個極板包含2排測量電極共15個，上排8個下排7個并彼此絕緣，6個回流電極放在距離鈕扣電極較遠(yuǎn)處。每個極板使用可伸展的支撐架連接儀器，儀器中有一段絕緣短節(jié)隔開回流電極和測量電極。極板上排鈕扣電極為 U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8；下排鈕扣電極為 D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。選擇鈕扣電極D4作為主要研究對象。

1.2 模擬仿真方法

采用有限元法進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究油基泥漿電成像測井儀的測井響應(yīng)。有限元方法是近似求解數(shù)理邊值問題的一種數(shù)值技術(shù)，利用有限元法模擬油基泥漿電成像測井［4－7］之所以可行，一方面是由于有限元是一門已經(jīng)發(fā)展的相對比較成熟的理論，有一套比較完善的理論體系；另一方面是由于有限元法能很好地模擬幾何外型比較復(fù)雜的物體，特別適用于油基泥漿電成像測井及復(fù)雜的地質(zhì)特征。

2 儀器探測特性分析

2.1 儀器探測深度考察

主要從2個方面考察了油基泥漿電成像測井儀的探測深度［8］：①標(biāo)準(zhǔn)模型下各測量電極的偽幾何因子；②儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時的偽幾何因子。

偽幾何因子［9］的計算方法為

式中，Ra為變化侵入半徑時計算的視電阻率；Rt為無侵入時原狀層對應(yīng)的視電阻率；Rx為侵入半徑為無窮大時計算的視電阻率。

地層模型參數(shù)：井眼直徑8.875 in＊＊ 非法定計量單位，1 in＝25.4 mm，下同；泥漿電阻率1 000Ω·m；泥漿與地層介電常數(shù)10；侵入帶電阻率200Ω·m；原狀地層電阻率20Ω·m；頻率1 MHz；儀器緊貼井壁。

（1）標(biāo)準(zhǔn)模型下的偽幾何因子。圖1為在標(biāo)準(zhǔn)模型下D1至D7電極偽幾何因子曲線。從圖1可以看出，若定義偽幾何因子為0.5時所對應(yīng)的侵入深度為儀器的探測深度，該地層模型下，儀器探測深度為17.5 cm左右。

（2）儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時的偽幾何因子。圖2為儀器結(jié)構(gòu)中玻璃鋼厚度、玻璃鋼相對介電常數(shù)、絕緣短節(jié)長度變化時（見表1），D4電極隨侵入深度變化時的偽幾何因子曲線。

圖1 D1至D7電極偽幾何因子曲線

表1 儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下D4電極的偽幾何因子曲線

從圖2可以看出，①玻璃鋼相對介電常數(shù)對儀器探測深度的影響較大，隨著相對介電常數(shù)變大，探測深度也相應(yīng)變深，但是隨著玻璃鋼厚度的增加，介電常數(shù)對探測深度的影響變小。②隨著玻璃鋼厚度增加，儀器探測深度變小，但是玻璃鋼厚度對探測深度的影響相對較小。③當(dāng)絕緣短節(jié)長度增加時，儀器探測深度會有變小的趨勢，但是，當(dāng)絕緣短節(jié)長度在0.1～0.5 m間變化時，探測深度變化幅度很小。

2.2 儀器分辨率考察

從2個方面考察儀器的分辨率。一是不同的玻璃鋼厚度、絕緣短節(jié)長度、玻璃鋼介電常數(shù)下儀器的分辨率；二是紐扣電極的高度對儀器分辨率的影響。

地層模型參數(shù)：井眼直徑8.875 in；泥漿電阻率1 000Ω·m；目的層電阻率200Ω·m；圍巖電阻率20Ω·m；泥漿與地層介電常數(shù)10；頻率1 MHz；儀器緊貼井壁。

圖3為D4電極在不同層厚時的響應(yīng)曲線。從左至右目的層厚度依次為10、5、4、3、2、1、0.8、0.6、0.5 cm，儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。當(dāng)薄層為0.5 cm時還可以識別，說明其能識別的最小薄層厚度小于鈕扣電極高度；玻璃鋼厚度、玻璃鋼相對介電常數(shù)及絕緣短節(jié)長度等因素幾乎不會影響儀器的分辨能力。

圖3 不同目的層厚時D4電極的響應(yīng)曲線

圖4為D4電極在不同電極高度下，不同層厚時的響應(yīng)曲線。減小鈕扣電極高度可以明顯提高分辨率。但是，減小鈕扣電極高度的同時，視阻抗值會相應(yīng)增加。

圖4 不同目的層厚時D4電極的響應(yīng)曲線

3 儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

地層模型參數(shù)：井眼直徑8.875 in；泥漿與泥餅電阻率1 000Ω·m；泥漿與地層介電常數(shù)10；Standoff為0.5 mm；泥餅厚度0.5 mm；頻率1 MHz。

3.1 紐扣電極高度

鈕扣電極高度分別為6.04、8.04、10.04 mm 時D4電極視阻抗值隨地層電阻率變化的響應(yīng)曲線見圖5。在該儀器結(jié)構(gòu)下，隨著鈕扣電極高度的增加，視阻抗減小，且敏感度受地層電阻率的影響較小。

圖5 電極高度不同地層電阻率變化時D4電極的視阻抗值

3.2 紐扣電極寬度

鈕扣電極寬度分別為5.36、6.36、7.36 mm 時，D4電極阻抗值隨地層電阻率變化的響應(yīng)曲線見圖6。類似于紐扣電極高度對測井響應(yīng)的影響，隨著鈕扣電極寬度的增加，視阻抗減小，并且敏感度受地層電阻率的影響較小。圖5、圖6表明，無論是低電阻率層還是高電阻率層，紐扣電極的面積大小會直接影響紐扣電極響應(yīng)。隨著地層電阻率的增加，視阻抗增加，但是當(dāng)?shù)貙与娮杪市∮?Ω·m或大于6 000Ω·m時，視阻抗響應(yīng)對地層電阻率變化不敏感。

圖6 電極寬度不同地層電阻率變化時D4電極的視阻抗值

3.3 紐扣電極間距

鈕扣電極間距分別為1.12、2.12、3.12 mm 時，D4電極的阻抗值隨地層電阻率變化的響應(yīng)曲線見圖7。圖7表明隨著鈕扣電極間距的增加，視阻抗減小，并且敏感度受地層電阻率的影響較小。隨著地層電阻率的增加，視阻抗增加，但是在地層電阻率小于1Ω·m或大于6 000Ω·m時，阻抗響應(yīng)對地層電阻率變化不敏感。

圖7 電極間距不同地層電阻率變化時D4電極的視阻抗值

3.4 發(fā)射電極與回流電極的距離

發(fā)射電極與回流電極間距分別為5、7、9.032 m時，D4電極的阻抗值隨地層電阻率變化時的響應(yīng)曲線見圖8。隨著極板間距的增加，阻抗值變大，但在低電阻率層（Rt＜10Ω·m），視阻抗值對電極對間距的變化不敏感。

圖8 發(fā)射與回流電極間距不同地層電阻率變化時D4電極的視阻抗值

3.5 回流電極尺寸

回流電極高度分別為0.05、0.07、0.1 m 時，D4電極的視阻抗值隨地層電阻率變化的響應(yīng)曲線見圖9。在該儀器結(jié)構(gòu)下，回流電極高度對正演響應(yīng)的影響相對較小，尤其是在高電阻率層；地層電阻率小于1Ω·m或大于6 000Ω·m時，儀器響應(yīng)對地層不敏感。

3.6 儀器工作頻率

儀器工作頻率分別為500 k Hz、1、3 MHz時，D4電極的視阻抗值隨地層電阻率變化的響應(yīng)曲線見圖10。從圖10中可以看出，頻率變化對正演響應(yīng)的影響較大，隨著頻率的增加，視阻抗減小。

圖9 電極高度不同地層電阻率變化時D4電極的視阻抗值

圖10 不同工作頻率下地層電阻率變化D4電極的視阻抗值

3.7 絕緣短節(jié)長度

絕緣短節(jié)長度分別為0.2、0.5、1 m 時，D4電極的視阻抗值隨地層電阻率變化的響應(yīng)曲線見圖11。圖11表明，當(dāng)絕緣短節(jié)長度在0.2～1 m范圍變化時，正演響應(yīng)變化不明顯。

圖11 不同絕緣長度下地層電阻率變化D4電極的視阻抗值

4 結(jié) 論

（1）該油基泥漿電成像測井儀探測深度約為17.5 cm；隨玻璃鋼介電常數(shù)增加，探測深度變深；隨著絕緣短節(jié)長度增加，探測深度變淺。

（2）該油基泥漿電成像儀器能識別的最小薄層厚度小于鈕扣電極高度；玻璃鋼厚度、玻璃鋼相對介電常數(shù)及絕緣短節(jié)長度等因素幾乎不會影響儀器的分辨能力；減小鈕扣電極高度可以明顯提高分辨率。

（3）隨紐扣電極的尺寸和間距的增加，視阻抗減小；回路電極高度對正演響應(yīng)的影響相對較?。浑S著頻率的增加，視阻抗減小；當(dāng)絕緣短節(jié)長度在0.2～1 m范圍變化時，儀器正演響應(yīng)變化不明顯。

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