于其蛟

（中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營257096）

0 引 言

中國石油儲量90%以上來自陸相沉積為主的砂巖油藏，天然氣來自非砂巖氣藏，地質(zhì)條件十分復(fù)雜［1］。油田總體規(guī)模小，儲層條件差，類型多，巖性復(fù)雜，儲層非均質(zhì)性嚴(yán)重，薄層、薄互層及低滲儲層普遍存在。砂泥巖薄互層儲層的有效劃分、裂縫性油藏的裂縫和儲集性能分析及復(fù)雜巖性油藏的參數(shù)評價仍然是當(dāng)前常規(guī)測井技術(shù)面臨的三大地質(zhì)難題［2］。

1988年斯倫貝謝公司在微電阻率掃描成像測井技術(shù)上獲得突破，研發(fā)出FMS，1991年又推出了全井眼微電阻率成像測井儀FMI［3］，20世紀(jì)90年代中期哈里伯頓公司和貝克休斯公司也相繼推出了EMI和1022。20世紀(jì)90年代后期微電阻率掃描成像測井在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為直觀獲取井壁地層信息的測井方法。成像測井資料直觀，可用來對裂縫的分布特征、類型、層理、儲層有效厚度、沉積粒序的變化、礫石顆粒的大小做出正確的分析，尤其在砂泥巖薄互層儲層的有效劃分、裂縫性油藏的裂縫和儲集性能分析及復(fù)雜巖性油藏的參數(shù)評價方面具有常規(guī)測井不可替代的作用。

國外三大測井公司的新一代FMI、XRMI、1025微電阻率掃描成像測井儀成像質(zhì)量進一步提高，仍然以FMI最佳。中石化研制的HRMI測井儀器采用新的電路設(shè)計思路，提高測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，盡可能使每個電極獲取的數(shù)據(jù)在生成圖像時都是有效數(shù)據(jù)，增加有效像素的數(shù)量，最終反映為井壁成像分辨率的顯著提升。

1 儀器組成及測量原理

1．1 測量原理

電成像測井技術(shù)是由地層傾角測井技術(shù)發(fā)展而來，其測量原理和地層傾角測井原理基本相同。推靠器極板上的紐扣電極作為測量電極，推靠器下部裸露的金屬部分和極板的金屬殼體作為屏蔽電極，測量過程中形成與井壁平行的等勢面，將紐扣電極的電流聚焦，并迫使其流向地層，每個紐扣電極發(fā)射電流的幅度反映了地層電阻率的大小。馬龍頭和電纜作為電位參考電極，馬龍頭和電成像電子線路之間的儀器串外殼作為回流電極，因此整個儀器串中間包括了2個絕緣短節(jié)，把參考電極和回流電極以及屏蔽電極部分隔離。同時電子線路和推靠器上部外殼采用玻璃鋼使其和井眼流體絕緣，可以使電流流向地層，而不是通過泥漿直接形成回路。通過測量發(fā)射電壓和每個紐扣電極流向地層的電流確定地層電阻率。該儀器的輔助測量部分提供井眼直徑和井斜方位的測量，用于確定井眼幾何形狀、井斜方位和校正圖像資料。

1．2 儀器組成

該儀器主要由電子線路部分和推靠器部分組成。推靠器為6個測量極板提供機械支撐，確保測井時能夠?qū)y量極板比較理想地貼合到井壁上。推靠器上安裝了6塊測量極板，每個極板鑲嵌了25個與極板金屬殼體絕緣的紐扣電極，機械殼體內(nèi)部放置了極板前置放大器電路板。電子線路部分主要包括導(dǎo)航傳感器和所有電子線路模塊。電子線路外殼上的玻璃鋼絕緣層和上部的絕緣短節(jié)在發(fā)射和回流電極之間提供電氣絕緣隔離。

2 主要技術(shù)特點

該儀器采用了發(fā)射器輔助直流供電技術(shù)、極板內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字相敏檢波技術(shù)和歸一化技術(shù)，提高測量信號和數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減少測量數(shù)據(jù)中的壞數(shù)據(jù)，提高成像時有效像素的數(shù)量，而非通過改變極板陣列的設(shè)計提升井壁成像圖片單位面積上的像素數(shù)量實現(xiàn)。在電子線路設(shè)計過程中，采用DSP、FPGA、CPLD等可編程器件及其開發(fā)技術(shù)，系統(tǒng)更加可靠和易于升級，能夠隨時對可編程器件的邏輯功能進行修改和系統(tǒng)在線遠程升級［6］。

2．1 發(fā)射器輔助直流供電技術(shù)

采用發(fā)射器輔助直流供電的設(shè)計方式，可在高電導(dǎo)率泥漿和高電阻率地層井眼環(huán)境下提高發(fā)射功率和發(fā)射信號的幅度，拓展電阻率測量范圍；能在測量端獲得更好的信噪比，獲得更高質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)，最終體現(xiàn)在成像分辨率的提升。

圖1是發(fā)射器功能框圖，發(fā)射器模塊主要包括2個部分，發(fā)射器驅(qū)動電源路由電路和正弦波發(fā)射信號的產(chǎn)生、濾波、驅(qū)動以及發(fā)射電壓、電流監(jiān)測電路。

圖1 發(fā)射器功能框圖

電源路由電路主要接收地面指令，并根據(jù)指令選擇使用輔助直流或儀器內(nèi)部±15V電源。當(dāng)?shù)貙与娮杪瘦^高或者泥漿電阻率較低時，可以通過地面發(fā)送指令，切換繼電器狀態(tài)，地面輔助直流經(jīng)濾波后提供給發(fā)射驅(qū)動電路，此時發(fā)射器的輸出可達到64W，輸出發(fā)射電壓可達21V。當(dāng)然如果地層及井眼流體情況允許也可選擇儀器內(nèi)部的±15V電源作為發(fā)射器驅(qū)動電源（儀器設(shè)計的缺省工作模式），此時發(fā)射輸出功率較小，小于8W，發(fā)射電壓也只有4V。內(nèi)部±15V或輔助直流驅(qū)動電源一旦選定后，就可經(jīng)濾波后提供給發(fā)射信號驅(qū)動電路，且同時微控制器監(jiān)測發(fā)射電壓和電流，實時監(jiān)視發(fā)射功率的變化。

經(jīng)試驗室驗證，發(fā)射器模塊在使用輔助直流供電方式時，電阻率測量值可達10000Ω·m，能在泥漿電阻率和地層電阻率比值高達百萬的條件下獲得清晰的圖像資料。

2．2 極板內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

極板前置放大器電路中不但包括了增益放大電路，而且內(nèi)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將接收到的正弦波模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字時間序列，每50ms內(nèi)對每個紐扣電極的正弦波信號進行連續(xù)3個信號周期的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中每個正弦波周期進行20次采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并得到相應(yīng)的數(shù)字時間序列。模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字時間序列以串行方式通過極板線高速傳送給電子線路中的信號處理模塊。極板前置放大電路采用雙通道設(shè)計使其能夠同時對2個紐扣電極進行采樣以增加每次采樣時間。通過將測量信號以數(shù)字信號傳輸，消除了模擬信號在傳輸過程中產(chǎn)生的串?dāng)_和漂移。

2．3 數(shù)字相敏檢波技術(shù)

該儀器信號處理器模塊采用了數(shù)字信號處理器DSP和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA進行設(shè)計。DSP負責(zé)接收和處理測量數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA通過硬件描述語言Verilog編程，實現(xiàn)DSP和測量極板之間通訊接口及數(shù)據(jù)檢錯功能。

傳統(tǒng)的模擬相敏檢波硬件電路復(fù)雜，精度低，而數(shù)字相敏檢波硬件電路簡單，頻率選擇性強，響應(yīng)速度快［4］。為了簡化硬件電路設(shè)計，提高測量準(zhǔn)確性，利用DSP實現(xiàn)數(shù)字相敏檢波功能。由A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字時間序列，經(jīng)FPGA串并轉(zhuǎn)換后，DSP接收并進行數(shù)字濾波和相敏檢波，最終計算獲得信號幅值。該模塊中的DSP主要進行數(shù)值積分和數(shù)字信號的處理與幅值計算。這里很難用牛頓—萊布尼茲公式求取積分值，而是通過數(shù)值方法求取，因此選擇合適的求積方法非常重要，以獲得較小的截斷誤差、較高的代數(shù)精度［5］。計算公式為

式中，C為比例常數(shù)，根據(jù)信號增益確定；f0為發(fā)射頻率；T＝n／f0（n是發(fā)射信號的周期數(shù)）；S（t）為紐扣電極信號。

可通過數(shù)值積分公式（1）和幅度計算公式（2）計算獲得紐扣電極的幅度值。

采用數(shù)字相敏檢波技術(shù)省掉了硬件相敏檢波電路的設(shè)計，減少了硬件相敏檢波電路中信號瞬變和漂移引起的誤差，測井?dāng)?shù)據(jù)更加真實。

2．4 歸一化技術(shù)

為了避免由于紐扣電極之間、不同極板之間因為電路參數(shù)差異導(dǎo)致的成像色差，對極板紐扣電極信號進行了歸一化處理。這樣，使得所有的紐扣電極測量相同信號時具有相同的響應(yīng)，實現(xiàn)成像圖上各像素的對比度一致，消除了不同紐扣電極之間的成像色差。在試驗室對極板前置放大器總成進行信號歸一化分析，獲取每個紐扣電極的歸一化因子，將其存放在極板前置放大器板的存儲器里，極板上電時會自動把歸一化因子讀出來，在進行幅度計算時，利用歸一化因子進行幅度值校正，測量數(shù)據(jù)更真實，從而消除不同紐扣電極以及不同極板間成像色差。

3 資料對比及應(yīng)用效果

HRMI高分辨率微電阻率掃描成像測井儀自研制成功以來，進行了孤古8、鹽104、龍深2、梨5等90井次現(xiàn)場測井實驗，最大井深4830m，最高溫度161℃，測井資料符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。

在勝利孤古8試驗井與哈里伯頓公司的XRMI進行了對比測試（見圖2）。圖2（a）為XRMI的動態(tài)和靜態(tài)圖像，圖2（b）為HRMI圖像資料。對比發(fā)現(xiàn)XRMI圖像略顯模糊，而HRMI圖像對比度明顯、地層特征非常清晰。

圖2 HDMI與XRMI資料對比

如圖3所示，在勝利油田某井中與斯倫貝謝公司的FMI進行了對比測試。圖3（a）為FMI的動態(tài)和靜態(tài)圖像，圖3（b）為HRMI的動態(tài)和靜態(tài)圖像。從圖3中可以看出HRMI與FMI圖像特征吻合，均能清晰反映地層特征。

圖3 HDMI與FMI資料對比

圖4所示是HRMI在西北油氣分公司采集的成像測井資料，根據(jù)圖像資料進行了裂縫和孔洞型儲層類型識別，并劃分了儲層發(fā)育段。

圖4 裂縫及孔洞型儲層類型識別

根據(jù)勝利西部探區(qū)HRMI成像資料進行了井旁構(gòu)造分析，有助于認(rèn)知山前帶復(fù)雜構(gòu)造。

通過對HRMI成像測井資料的誘導(dǎo)縫和井徑崩落分析，確定了勝利油田西部某探區(qū)的地應(yīng)力方向。

應(yīng)用HRMI對4口中國科學(xué)院汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探井進行了10井次現(xiàn)場測井作業(yè)（見圖5），通過圖像破碎特征并結(jié)合其他測井資料確定了主斷裂帶位置。

圖5 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探井HDMI圖像

4 結(jié) 論

（1）HRMI的設(shè)計沒有從提高井壁成像單位面積上的像素數(shù)量方面入手，而是采用獨特的電路設(shè)計方案，拓寬電阻率測量范圍，提升測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減少測量數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)，最終表現(xiàn)為成像分辨率的提高。

（2）通過儀器的開發(fā)設(shè)計將新的思路進行實踐檢驗，經(jīng)過90余口井的測井驗證，井壁成像分辨率顯著提高。

（3）在井眼覆蓋率方面該儀器成像井眼覆蓋率方面仍然與FMI存在一定的差距，今后可以通過優(yōu)化機械設(shè)計、增加測量極板數(shù)量的方法得到進一步提升。

［1］方朝亮，吳銘德，馮啟寧．測井關(guān)鍵技術(shù)展望［J］．石油科技論壇，2005（2）：32－35．

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［5］黃金奎．計算方法［M］．東營：中國石油大學(xué)出版社，1993．

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