劉耀偉，于增輝，廖勝軍，王芝江，王 蕙

(中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201)

0 引 言

在頁巖氣開發(fā)與高溫深井鉆探中，油基泥漿應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的水基電成像儀器無法在油基泥漿中使用。為滿足現(xiàn)場需求，國際大公司迅速研制出油基泥漿電成像儀器投入工業(yè)應(yīng)用，典型儀器包括：斯倫貝謝的OBMI[1]、貝克休斯的Earth Imager[2]、哈利伯頓的OMRI[3]與威德福的OMI[4]。與水基電成像圖像相比，這四種儀器測得的圖像清晰度相對較差，僅能顯示出較為明顯的地層特征，難以滿足精細(xì)地質(zhì)評價(jià)需求。在2014年，斯倫貝謝公司在油基泥漿電成像測量方法方面取得突破，研制出了在油基泥漿井中可以測得高清晰井壁圖像的儀器NGI[5]，為這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)場的規(guī)?；瘧?yīng)用創(chuàng)造了條件。我國在二十一世紀(jì)初開始研究油基泥漿電成像測井技術(shù)，并逐步取得突破。本文介紹了國產(chǎn)油基泥漿電成像測井儀器OGIT的測量原理、儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果。

1 工作原理

1.1 基本介紹

OGIT儀器可以在油基泥漿體系中測得井壁電導(dǎo)率圖像，直觀顯示出井壁地層特征，資料可以應(yīng)用于地層巖性識(shí)別、沉積構(gòu)造分析、縫洞識(shí)別評價(jià)、電阻率譜分析[6]、古水流方向判斷等。除了油基泥漿外，OGIT還可以在其它非導(dǎo)電介質(zhì)井中應(yīng)用，如合成基泥漿和空氣。儀器主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

(1 in=25.4 mm,下同)

1.2 測量原理

在水基泥漿體系中，由于泥漿是導(dǎo)電的，電成像儀器發(fā)射的電流可以直接穿透泥漿進(jìn)入地層。在油基泥漿體系中，油基泥漿幾乎是不導(dǎo)電的，電成像儀器只能發(fā)射高頻電流，以位移電流的方式穿透泥漿進(jìn)入地層。水基電成像儀器通過儀器上部的金屬外殼來接收回流的電流信號(hào)，油基泥漿電成像儀器增加了專用的回流電極，須接觸井壁用以接收回流的電流信號(hào)。

OGIT儀器主要由三部分構(gòu)成：儀器體、測量極板與回流電極。儀器在井下工作時(shí)，測量極板與井壁之間的間隙內(nèi)會(huì)被高阻的油基泥漿充填，這樣測量極板、間隙流體與井壁就可以等效為一個(gè)電容，測量極板上的電極可以發(fā)射高頻電流，以電容耦合原理穿透高阻的油基泥漿。電極周圍的極板會(huì)發(fā)射同極性的電流，使電極電流聚焦穿透間隙中的高阻泥漿，進(jìn)入地層一定深度后發(fā)散，電流到達(dá)上部地層后再穿透高阻泥漿回到回流電極，形成一個(gè)完整的電流回路。測量極板上每個(gè)電極的電流信號(hào)主要受其接觸的局部地層的電阻率影響，記錄每個(gè)電極的電流、電壓與二者相位差，經(jīng)電路系統(tǒng)處理后上傳地面軟件，通過算法處理就可以生成井壁電阻率圖像，直觀顯示出地層特征。儀器井下工作示意圖如圖1所示。

圖1 儀器工作示意圖

假設(shè)U為儀器的發(fā)射電壓，根據(jù)歐姆定律，油基泥漿電成像測量電流I可表示為：

(1)

其中Zi是儀器內(nèi)部阻抗，Zg是測量電極與井壁之間的間隙流體阻抗，Zf是地層阻抗，Zr是回流電極與井壁之間的間隙流體阻抗。儀器內(nèi)部阻抗Zi很小，可以忽略不計(jì)。間隙流體阻抗Zr可以等效為電阻Rr與容抗Cr的并聯(lián)，表達(dá)式為：

(2)

同理，得到測量電極與地層之間的間隙阻抗表達(dá)式：

(3)

其中Rg=ρ·d/S，ρ是泥漿電阻率，CgRg就可以近似為一個(gè)常數(shù)，Zg主要受Rg影響。由于發(fā)射電極面積恒定，所以Zg的主要隨著間距d的大小線性變化。在實(shí)際測量中，發(fā)射電壓和電極接收到電流信號(hào)后，計(jì)算得到的是地層阻抗和發(fā)射電極與井壁間隙阻抗之和，即：

(4)

定義常數(shù)α=RgCg，可以得到式(5)。

(5)

其中σm是泥漿電導(dǎo)率，εm是泥漿介電常數(shù)，ε0是真空介電常數(shù)，ω是發(fā)射角頻率，則推導(dǎo)出測量阻抗為：

(6)

Rf=A-α|B|

(7)

A和B分別是測量的總阻抗Z的實(shí)部和虛部。Z可以通過測量并計(jì)算得到。若α是已知常數(shù)，則可以得到地層電阻大小。在實(shí)際測量中，需要測量的參數(shù)是發(fā)射電壓U，電極接收到的電流I，以及電流信號(hào)與電壓信號(hào)的相位差φ，即：

(8)

由式(7)與(8)可以推導(dǎo)出：

(9)

由此就得出油基泥漿環(huán)境下測量地層電阻率的數(shù)學(xué)公式，除了生成地層電導(dǎo)率圖像外，還可以得到電阻率圖像。

1.3 測量信息

除了記錄每個(gè)電極的電流值、電壓值、電流與電壓的相位差外，儀器還會(huì)記錄加速度計(jì)三分量、磁力計(jì)三分量、各極板半徑、采樣時(shí)間間隔等曲線信息，用以評估測斜質(zhì)量、判斷井眼方位與形狀、分析儀器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。

2 儀器設(shè)計(jì)與研制

油基泥漿電成像儀器的技術(shù)性能主要由成像測量極板與核心測量電路決定，成像測量極板負(fù)責(zé)采集井壁地層的成像數(shù)據(jù)，核心測量電路負(fù)責(zé)信號(hào)發(fā)射與處理、儀器工作控制等。電成像儀器控制復(fù)雜，且測量的數(shù)據(jù)量龐大，通過集成FPGA、DSP、PIC、DPSD、PWM等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了儀器的操作控制、電流激勵(lì)信號(hào)發(fā)射、大數(shù)據(jù)處理等功能。

2.1 成像測量極板

OGIT的測量極板由極板體、測量電路與極板底蓋三部分組成。為增強(qiáng)電流信號(hào)，極板體外側(cè)設(shè)計(jì)了15個(gè)面積相對較大的長方形發(fā)射電極，可以向地層發(fā)射高頻電流，在縱向與周向分別可以達(dá)到0.2～0.33 in的測量分辨率。

測量極板內(nèi)置信號(hào)采集電路，可以記錄每個(gè)電極的電流計(jì)數(shù)值。為提高采集電路的耐溫性能，設(shè)計(jì)了一種基于陶瓷基板的厚膜集成電路，具有高溫條件下穩(wěn)定、散熱效率高與抗干擾性能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能在有限物理空間內(nèi)集成大量器件，實(shí)現(xiàn)了多通道大動(dòng)態(tài)范圍微弱信號(hào)的調(diào)理、放大和數(shù)字化。陶瓷基片與電路芯片的硅片熱膨脹系數(shù)非常接近，保證了采集電路具有較好的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 如圖2和圖3所示。

圖2 測量極板電極系設(shè)計(jì)圖

圖3 厚膜集成成像采集電路

2.2 核心測量電路

除了采集電路模塊外，儀器核心電路還包括主控模塊、處理模塊、發(fā)射模塊與電源模塊等。主控模塊起到“承上啟下”的作用，將地面系統(tǒng)下發(fā)的命令進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)對儀器的控制，同時(shí)采集方位磁力加速度信息、輔助監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等，再將儀器采集到的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息進(jìn)行組合打包，通過EDIB總線傳回地面系統(tǒng)。處理模塊接收主控模塊的命令，通過控制極板電源監(jiān)控板板達(dá)到對采集模塊供電，按照一定時(shí)序發(fā)送命令給采集模塊并接收采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)對發(fā)射電壓和相位等信號(hào)進(jìn)行采集，將所有測得數(shù)據(jù)處理后傳送給主控板。發(fā)射模塊的主要功能是產(chǎn)生高頻載波、低頻調(diào)制波，最后生成功率調(diào)幅信號(hào)，用于激勵(lì)地層。這些電路模塊實(shí)現(xiàn)了油基泥漿井況下的井壁電阻率信息測量，通過軟件處理即可得到井壁地層的電阻率圖像，如圖4所示。

3 模擬井測試

3.1 模擬井簡介

模擬井是采用野外天然巖石建造的油基泥漿試驗(yàn)井，用于測試油基泥漿電成像儀器的成像效果。在井眼內(nèi)壁上雕刻了各種圖案，用以模擬井下的裂縫、孔洞等地層特征。根據(jù)雕刻圖案的深度、方位與面積制作了井壁

圖4 儀器核心測量電路

特征圖，用以判斷儀器測量圖像與井壁特征的一致性。

3.2 測試效果

使用OGIT儀器在模型井進(jìn)行了測試，截取典型圖像與設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對比，如圖5所示，圖像上清晰顯示了井壁的各種圖案特征，與設(shè)計(jì)圖基本一致，驗(yàn)證了儀器可以在油基泥漿井況下測得井壁電阻率圖像。

圖5 設(shè)計(jì)圖與實(shí)測圖像

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 XX井簡介

XX井是一口巖性以砂泥巖為主的油基泥漿探井，井深約6 000 m，井底溫度150 ℃。在本井使用OGIT作業(yè)的目的是識(shí)別裂縫與層理，進(jìn)行裂縫定量評價(jià)與地層沉積構(gòu)造分析，同時(shí)檢驗(yàn)儀器在高溫高壓真實(shí)井況下的成像效果。

4.2 應(yīng)用效果

在通常的水基泥漿井中，由于泥漿侵入影響，張開裂縫在圖像上呈暗色特征，在油基泥漿井中，由于侵入泥漿是高電阻率，所以張開裂縫在圖像上呈亮色特征。張開裂縫的產(chǎn)狀一般沒有規(guī)律性，既有低角度裂縫，也有高角度裂縫，經(jīng)常會(huì)與地層層理交叉，誘導(dǎo)縫通常在圖像上表現(xiàn)為一組平行的正弦線特征。張開縫與誘導(dǎo)縫圖像分別如圖6與圖7所示。

圖6 張開縫

圖7 誘導(dǎo)縫

層理是巖石在垂向上巖性變化產(chǎn)生的層狀構(gòu)造，是沉積巖的重要成因標(biāo)志。層理在圖像上一般表現(xiàn)為一組近似平行的正弦特征，類型包括水平層理、平行層理、交錯(cuò)層理等，典型層理特征如圖8所示。在圖像上也識(shí)別出一些高阻礫巖，表現(xiàn)為亮色團(tuán)塊狀特征，如圖9所示。

圖8 層理

圖9 礫巖

4.3 與同類儀器對比

為了檢驗(yàn)OGIT與國際商業(yè)儀器成像效果的差異，在該井同時(shí)使用進(jìn)口商業(yè)儀器進(jìn)行成像測量，兩種儀器測得的全境段圖像特征基本相當(dāng)，均能顯示出井壁地層的裂縫與層理等特征，典型對比圖像如圖10所示。

圖10 與同類儀器圖像對比

在6 606～6 607.5 m深度段內(nèi)，兩個(gè)圖像均存在一條清晰的亮色正弦線特征，這是典型的張開裂縫，由于被高阻的油基泥漿充填所致。在6 608～6 609 m深度段內(nèi)，可以觀察到一組層理發(fā)育，在圖像上表現(xiàn)為一組近似平行的正弦特征。

5 結(jié)束語

在油基泥漿鉆井日漸增多的背景下，研制出了國產(chǎn)油基泥漿電成像儀器，在模擬井中測得了清晰的井壁圖像，在隨后的現(xiàn)場作業(yè)中取得了合格的成像資料，并與國際同類儀器的測井資料進(jìn)行了對比分析。兩次測量結(jié)果表明研制的儀器能對井壁地層特征進(jìn)行清晰成像，并且能適用于現(xiàn)場高溫高壓測量環(huán)境，成像效果與國際同類商業(yè)化儀器基本相當(dāng)。