張曉彬, 戴永壽, 倪衛(wèi)寧, 孫偉峰, 李立剛, 李荷鑫

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東), 山東 青島 266580; 2.中石化石油工程技術(shù)研究院, 北京 100101)

0 引 言

地層電阻率是開(kāi)展地層含油、含氣、含水或是油水同層定性評(píng)價(jià)的依據(jù),同時(shí)也是進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆井[1]和定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含油氣飽和度的重要參數(shù)之一。準(zhǔn)確可靠地獲得地層電阻率參數(shù)是隨鉆測(cè)井研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[2]。

國(guó)內(nèi)外主流的隨鉆電阻率測(cè)量技術(shù)主要可以分為3類(lèi),即隨鉆側(cè)向電阻率測(cè)量、隨鉆感應(yīng)電阻率測(cè)量和隨鉆電磁波電阻率測(cè)量。隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)基本原理,通過(guò)采用多發(fā)射-接收線圈系結(jié)構(gòu)以及不同的工作頻率,可得到不同徑向深度的地層電阻率參數(shù),且隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)不受鉆井液的限制,可以對(duì)復(fù)雜鉆井液侵入的測(cè)井剖面進(jìn)行油氣解釋和滲透層劃分。本文詳細(xì)介紹了隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及測(cè)量系統(tǒng)中電磁波信號(hào)的處理方法,重點(diǎn)總結(jié)了測(cè)量系統(tǒng)中線圈系的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)以DSP數(shù)字信號(hào)處理器為核心,主要包括發(fā)射-接收線圈系結(jié)構(gòu)、電磁波信號(hào)發(fā)射模塊、電磁波信號(hào)接收模塊、供電單元、時(shí)鐘電路、溫度采集電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及通訊電路等。本文重點(diǎn)介紹了隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)中的線圈系結(jié)構(gòu)、電磁波信號(hào)發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)以及電磁波信號(hào)接收模塊的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。

圖1 隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

1.1 測(cè)量系統(tǒng)的線圈系結(jié)構(gòu)

隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)線圈系的結(jié)構(gòu)直接影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的徑向探測(cè)深度、縱向分辨率及地層方位電阻率探測(cè)特性。常規(guī)的隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)采用多發(fā)射-接收線圈,利用等源距或不等源距補(bǔ)償方式的線圈排列結(jié)構(gòu)[3-5]可以得到具有井眼補(bǔ)償作用的隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng),使儀器在井眼垮塌等具有不對(duì)稱(chēng)因素的井段中仍能夠得到正確的測(cè)量結(jié)果,但其均采用軸向線圈,電阻率測(cè)量結(jié)果并不具備方位特性[6-8]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外各大測(cè)井公司所推出的隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)采用水平或傾斜發(fā)射、接收線圈實(shí)現(xiàn)方位地層電阻率的測(cè)量[9-10],斯倫貝謝公司的PeriScope15、貝克休斯公司的AziTrak以及哈里伯頓公司的InSite ADR的線圈系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 PeriScope15、AziTrak以及InSite ADR的線圈系結(jié)構(gòu)圖

由PeriScope15、AziTrak以及InSite ADR的線圈系結(jié)構(gòu)圖可以看出,在進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意:

(1) 合理設(shè)置線圈間的源距(發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離)和間距(相鄰接收線圈之間的距離)以滿足測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)深度及分辨率的要求。源距的選擇決定了測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)深度,源距太大,電磁波信號(hào)在地層中傳播時(shí)的衰減過(guò)大會(huì)導(dǎo)致接收線圈處無(wú)法接收電磁波信號(hào);源距太小則探測(cè)深度較淺。間距的選擇決定了測(cè)量系統(tǒng)的分辨率,間距太大會(huì)降低測(cè)量系統(tǒng)的分辨率,不利于薄層的探測(cè);間距太小,幅度及相位差的變化太小也不利于精確測(cè)量。

(2) 合理選用傾斜接收線圈和水平接收線圈,測(cè)量系統(tǒng)若采用傾斜接收線圈可反演獲得所測(cè)地層的水平電阻率Rh、垂直電阻率Rv及儲(chǔ)集層傾角,但其對(duì)電阻率反演方法的要求較高;若測(cè)量系統(tǒng)采用水平接收線圈則對(duì)電阻率反演方法的要求較低,但無(wú)法獲得所測(cè)地層的水平電阻率Rh。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)中電磁波信號(hào)發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)組成

隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的電磁波信號(hào)發(fā)射模塊承擔(dān)著提供高精度發(fā)射信號(hào)的任務(wù),其輸出精度及穩(wěn)定度直接決定著整套測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量效果,其核心為高頻信號(hào)發(fā)生器。電磁波信號(hào)發(fā)射模塊的工作流程:電路主控制器DSP控制高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的信號(hào),經(jīng)過(guò)多路分配與功率驅(qū)動(dòng)電路將高頻信號(hào)送到相應(yīng)的發(fā)射線圈。

傳統(tǒng)的高頻信號(hào)發(fā)生器受模擬器件的限制,產(chǎn)生的信號(hào)精度不高,溫度及時(shí)間穩(wěn)定性差,相位難以控制[11]。采用高穩(wěn)定性、大功率、頻率相位可調(diào)的直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)作為高頻信號(hào)發(fā)生器,具有較高的頻率分辨率和轉(zhuǎn)換速度,控制靈活,可靠性高,能夠滿足電磁波電阻率測(cè)量?jī)x器發(fā)射模塊的要求。

1.3 測(cè)量系統(tǒng)中電磁波信號(hào)接收模塊的結(jié)構(gòu)組成

接收線圈處接收到的信號(hào)頻率較高,直接進(jìn)行數(shù)字化對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度和精度指標(biāo)要求很高,并且接收信號(hào)十分微弱,信號(hào)幅度在微伏數(shù)量級(jí),無(wú)法直接進(jìn)行處理[12-13],需要電磁波信號(hào)接收模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的接收模塊主要包括前置低噪聲放大電路、混頻電路、低通濾波器、可編程放大器、抗混疊濾波器、DDS高頻信號(hào)發(fā)生器以及ADC數(shù)字采樣電路[14-15]。其工作流程:利用DDS直接數(shù)字頻率合成器作為信號(hào)源,以保證混頻器輸入的本振信號(hào)擁有足夠的穩(wěn)定度,2路接收線圈處接收到的微弱的電磁波信號(hào)首先經(jīng)前置低噪聲放大電路將其放大,為后級(jí)混頻器提供射頻輸入信號(hào),混頻器采用超外差的工作方式將放大后的高頻電磁波信號(hào)下混頻至較低的中頻信號(hào),再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除不必要的頻率成分,經(jīng)過(guò)放大濾波送至ADC數(shù)字采樣電路進(jìn)行數(shù)字量化。

在進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意:①井下環(huán)境惡劣,需要確保測(cè)量系統(tǒng)可以適應(yīng)高溫、高壓及高振動(dòng)的隨鉆測(cè)量環(huán)境;②測(cè)量系統(tǒng)要具備高可靠性的大容量存儲(chǔ)功能,以便于在隨鉆測(cè)量過(guò)程中對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ);③為確保測(cè)量系統(tǒng)在井下具有較長(zhǎng)的工作時(shí)間,需要通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)以降低測(cè)量系統(tǒng)的功耗。

2 測(cè)量系統(tǒng)中電磁波信號(hào)的處理方法

接收到的電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的接收模塊進(jìn)行預(yù)處理后,需要對(duì)其進(jìn)行幅度比和相位差的檢測(cè)以及測(cè)井響應(yīng)的反演才能夠準(zhǔn)確得到所測(cè)地層的電阻率參數(shù)[16-17],電磁波接收信號(hào)的處理方法直接影響地層電阻率的測(cè)量精度。

2.1 電磁波信號(hào)幅度比和相位差檢測(cè)

在進(jìn)行電磁波信號(hào)幅度比和相位差檢測(cè)時(shí),首先要檢測(cè)出相鄰接收線圈處的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),若接收線圈R1的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為V1,接收線圈R2的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為V2,則實(shí)際測(cè)量得到的幅度比EATT和相位差Δφ分別可表達(dá)為

(1)

Δφ=φ1-φ2

(2)

式中,|V1|、|V2|分別為接收線圈R1和R2處感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V1和V2的幅值;φ1和φ2分別為接收線圈R1和R2處感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V1和V2的相位角。

2.1.1 電磁波信號(hào)的幅度比檢測(cè)

對(duì)于電磁波信號(hào)幅度比的檢測(cè)可以通過(guò)采用Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)的采樣和量化,并通過(guò)DSP數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算得到2路電磁波信號(hào)的幅度比[18]。

2.1.2 電磁波信號(hào)的相位差檢測(cè)

測(cè)量2路信號(hào)間的相位差需要排除信號(hào)幅值及其他因素不一致對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,相位差的數(shù)字化測(cè)量主要方法:過(guò)零檢測(cè)法、相關(guān)函數(shù)分析法以及FFT譜分析法。其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

過(guò)零檢測(cè)法是數(shù)字化測(cè)量中基于硬件實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)檢測(cè)方法,其測(cè)量結(jié)果易受信號(hào)幅度、硬件電路性能以及噪聲等因素的影響,在高精度相位差檢測(cè)中的應(yīng)用受到限制;相關(guān)函數(shù)分析法和FFT譜分析法是基于軟件的數(shù)字化檢測(cè)方法,有很好的噪聲抑制能力,因此通常選取相關(guān)函數(shù)分析法或FFT譜分析法進(jìn)行電磁波信號(hào)的相位差檢測(cè)。

表1 電磁波信號(hào)的相位差檢測(cè)方法

2.2 測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)井響應(yīng)的反演方法

在地層電阻率測(cè)量過(guò)程中,所得到的實(shí)際測(cè)井響應(yīng)往往會(huì)受到井眼、圍巖、泥漿侵入及地層各向異性等因素的影響,因此需要對(duì)測(cè)井響應(yīng)曲線進(jìn)行反演才能夠準(zhǔn)確獲得所測(cè)地層的電阻率信息[21]。

測(cè)井響應(yīng)的反演方法主要有基于經(jīng)典解釋圖版的人工反演校正、基于解釋圖版的曲線擬合法以及基于測(cè)井響應(yīng)理論的數(shù)值迭代反演法[22]?；诮?jīng)典解釋圖版的人工反演校正是以國(guó)外三大測(cè)井公司針對(duì)不同隨鉆測(cè)井儀器所制作的解釋校正圖版為依據(jù)進(jìn)行人工讀值;基于解釋圖版的曲線擬合法[23]是以圖版曲線為依據(jù),對(duì)圖版曲線進(jìn)行合理采樣讀值并利用最小三乘法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行最優(yōu)擬合,以標(biāo)準(zhǔn)化公式(或模型)代替大量的圖版曲線,實(shí)現(xiàn)測(cè)井響應(yīng)的自動(dòng)校正;基于測(cè)井響應(yīng)理論的數(shù)值迭代反演法是根據(jù)實(shí)測(cè)曲線劃分明確的地層界面,建立相應(yīng)的地層模型,通過(guò)反復(fù)調(diào)整地層模型的電阻率參數(shù)進(jìn)行反演。其優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 測(cè)井響應(yīng)反演方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)分析

隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)由單頻單深度逐步向多頻多深度及方位多頻多深度方向發(fā)展,獲得不同徑向探測(cè)深度及有方位特性的地層電阻率參數(shù)[24]。

3.1 常規(guī)隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外三大測(cè)井公司推出了其隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng),包括貝克休斯公司的MPR、斯倫貝謝公司的ARC475[25]及哈里伯頓公司的EWR M5[26]等。勝利油田成功研制出隨鉆電磁波補(bǔ)償電阻率測(cè)井儀SLBF MRC[27],可以同時(shí)得到4種不同徑向探測(cè)深度的12條補(bǔ)償電阻率曲線;勝利油田鉆井院的多參數(shù)近鉆頭電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)SLBF-MPR研制成功實(shí)現(xiàn)了工程參數(shù)與地質(zhì)參數(shù)近鉆頭一體化測(cè)量[28];中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司的隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)WPR利用對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣唠娮杪蕼y(cè)量精度,能同時(shí)提供8條不同探測(cè)深度的電阻率曲線,可以精確判斷油/氣/水層,詳細(xì)描述地層徑向剖面,準(zhǔn)確求取地層真電阻率。中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司在隨鉆測(cè)井的解釋方法研究和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。各測(cè)量系統(tǒng)的主要參數(shù)如表3所示。

3.2 隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

常規(guī)的隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)不能進(jìn)行方位地層電阻率的測(cè)量,無(wú)法精確的實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向功能。隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)逐漸取代了常規(guī)的測(cè)量系統(tǒng)。國(guó)外三大測(cè)井公司的隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)主要有[29-30]斯倫貝謝公司的隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井儀PeriScope15[31]、貝克休斯公司的隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井儀器AziTrak以及哈里伯頓公司的隨鉆方位深探測(cè)電磁波電阻率測(cè)井儀InSite ADR[32]。近年來(lái)中國(guó)隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)也得到了不斷發(fā)展,主要包括中石化勝利油田鉆井工藝研究院研發(fā)的AMR隨鉆多頻電磁波電阻率測(cè)量?jī)x器[33]、中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司的隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量?jī)x器GW-LWD(BWR)[34]以及中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司推出的帶井眼壓力的方位成像電磁波電阻率隨鉆測(cè)井儀[35]。各測(cè)量系統(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 常規(guī)隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)主要參數(shù)表

注:發(fā)射、接收線圈均為軸向線圈

3.3 隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

對(duì)比表3和表4,常規(guī)電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果并不具備方位特性,無(wú)法深入開(kāi)展未鉆地層預(yù)測(cè)及儲(chǔ)層邊界的實(shí)時(shí)判定,不能滿足隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向及復(fù)雜油氣藏導(dǎo)航的要求[36]。隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)共同的優(yōu)勢(shì):

(1) 通過(guò)改變線圈系中發(fā)射、接收線圈的設(shè)置方式以及采用不同的電磁波信號(hào)發(fā)射頻率實(shí)現(xiàn)多深度、多方位地層電阻率的測(cè)量,能夠提供360°全方位地層電阻率二維成像,實(shí)時(shí)顯示邊界的距離及走向從而達(dá)到地質(zhì)導(dǎo)向的目的[37-39]。

(2) 與常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)相比,隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)均具有更大的徑向探測(cè)深度,其中PeriScope15的徑向探測(cè)深度可達(dá)15 ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=0.304 8 m,下同,AziTrak的徑向探測(cè)深度可達(dá)17 ft,InSite ADR的徑向探測(cè)深度可達(dá)18 ft,可及時(shí)地判斷鉆遇地層的性質(zhì),提前避免高傾角儲(chǔ)集層、斷層、裂縫層、各向異性地層等復(fù)雜地層所帶來(lái)的影響,保證鉆井的順利高效實(shí)施[40]。

表4 隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)主要參數(shù)表

4 總結(jié)與展望

隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)適用于電阻率對(duì)比度比較明顯、邊界過(guò)渡帶電阻率變化非緩慢的地層,尤其適用于構(gòu)造和地層不確定性較大、存在油水界面、對(duì)軌跡在儲(chǔ)層中的位置有很高要求的油藏。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)仍有一定的局限性及需要進(jìn)一步完善的地方。

(1) 大部分隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)距鉆頭較遠(yuǎn)(斯倫貝謝公司的PeriScope15測(cè)量點(diǎn)距鉆頭至少30 ft),不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆頭鉆出儲(chǔ)層,導(dǎo)致油田薄層砂巖鉆遇率低,且地層在泥漿中暴露時(shí)間較長(zhǎng),所測(cè)地層受泥漿侵入因素的影響也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。加強(qiáng)對(duì)近鉆頭隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的研制,一方面需要加強(qiáng)對(duì)新型的近鉆頭隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的殼體結(jié)構(gòu)(中國(guó)已有相關(guān)專(zhuān)利[41-42])的研究;另一方面需要進(jìn)一步優(yōu)化隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu),降低電路的功耗并使其占據(jù)更小的空間。

(2) 隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)方向與鉆頭的鉆進(jìn)方向垂直,測(cè)量系統(tǒng)僅能夠探明地層邊界的距離及走向,而無(wú)法探測(cè)鉆頭前方的地層電阻率參數(shù)。對(duì)鉆頭前方地層電阻率的測(cè)量也成為隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。

(3) 隨鉆電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)具有較大的探測(cè)深度,利用其電阻率成像可以實(shí)現(xiàn)地層邊界的探測(cè),有助于優(yōu)化井眼軌跡,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向和地層評(píng)價(jià)的目的。斯倫貝謝公司的PeriScope15、貝克休斯公司的AziTrak、哈里伯頓公司的InSite ADR及長(zhǎng)城鉆探的GW-LWD(BWR)等多種隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)量系統(tǒng)都具備360°電阻率成像的功能,其所提供的二維圖像不僅可以實(shí)時(shí)顯示井眼到邊界的距離,還能夠顯示邊界的位置及方向。但是,在電阻率成像的過(guò)程中,受到測(cè)量系統(tǒng)的電阻率測(cè)量精度的限制,無(wú)法對(duì)薄互層及低電阻率儲(chǔ)層進(jìn)行精確的測(cè)量及評(píng)價(jià),可以通過(guò)合理優(yōu)化和設(shè)置接收線圈之間的間距并通過(guò)改進(jìn)和完善電阻率的反演方法提高電阻率成像的分辨率和精確度。

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