湯天知 陳 濤 白 彥 宋青山 范曉文 史 超

(1 中國石油測井有限公司 西安 710077)

(2 吉林大學(xué)物理學(xué)院 長春 130012)

0 引言

國內(nèi)外大部分油田在地質(zhì)勘探開發(fā)與測井評價過程中，往往遇到薄互層和高陡構(gòu)造地層，該地層存在著電阻率的各向異性測量問題。過去在電阻率測量上，常規(guī)感應(yīng)測井儀器測量的是地層徑向電阻率，參與解釋計算含油飽和度偏低，這給對非均值儲層的評價帶來難題。研究發(fā)現(xiàn)三維感應(yīng)測井技術(shù)為各向異性儲層勘探和評價提供了重要的手段[1]，2000年，Kriegshauser等[2]提出利用5個磁場分量來探測地層各向異性的三軸感應(yīng)測井儀器(3DEX)；2003年，Rosthal 等[3]提出利用9個磁場分量來探測地層各向異性的多分量感應(yīng)測井儀；2004年，Rabinovich等[4]研制出陣列三軸感應(yīng)測井儀器(Rt Scanner)；2013年，Hou 等[5]研究了適用于油基泥漿井眼的三維感應(yīng)測井儀器，與各種常規(guī)電法測井技術(shù)不同，該儀器在測量地層各向異性、傾角及方位角等方面起到了很好的作用。

為此，為了解決砂泥巖薄互層等復(fù)雜儲層測量問題[6?7]，本文提出一種新型的三維感應(yīng)成像測井儀。它由1個三軸發(fā)射器、4個針對井眼校正和數(shù)據(jù)處理的短間距的單軸接收陣列和3個三軸的接收陣列組成，每一對三軸發(fā)射、接收陣列產(chǎn)生9個分量。在垂直井中的水平層里，對于地層電導(dǎo)率，只有XX、Y Y、ZZ正交分量有響應(yīng)，而在斜井或者是有角度的地層中，9個分量都有響應(yīng)，對計算的電阻率都有貢獻(xiàn)。該儀器主要包括三維探測器、測量系統(tǒng)、處理軟件三部分。探測器采用主輔一體化三維線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計，X、Y、Z三個方向布置三維線圈系，利用Z方向線圈系測得地層水平電阻率，X方向和Y方向的線圈系測量地層垂直電阻率。測量系統(tǒng)采用電子儀與線圈系高集成、發(fā)射接收一體化設(shè)計[8]，實現(xiàn)了儀器長度與重量比傳統(tǒng)陣列感應(yīng)儀器縮小一半；通過采用高性能DSP 與FPGA架構(gòu)，采用16通道采集，實現(xiàn)采樣頻率與測量信號采集時間提高，在單位時間內(nèi)來提高測量系統(tǒng)的信噪比[9?11]，實現(xiàn)小信號測量精度提高。為了盡可能降低井眼校正庫的維數(shù)以及校正庫的大小，以便提高井眼環(huán)境校正處理的效率，采用三維感應(yīng)數(shù)值模擬、井眼校正處理及一維多參數(shù)反演處理實現(xiàn)三維感應(yīng)儀器數(shù)值模擬連續(xù)地層響應(yīng)、測井資料的直井校正處理及一維多參數(shù)反演處理功能，增強(qiáng)儀器對井眼、各向異性等復(fù)雜地層的資料處理能力[12?13]。三維感應(yīng)測井儀器除了可以得到5 條不同徑向探測深度和3 種分辨率的水平電阻率曲線外，還可以提供地層垂向電阻率、地層傾角測量，實現(xiàn)了對薄互層儲集層的準(zhǔn)確評價。

1 儀器設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 三維探測器測量方法

三維感應(yīng)測井基于均值化地層電磁場理論[14]，采用三軸發(fā)射線圈向地層中發(fā)射低頻交變電磁場，在地層中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流形成二次交變電磁場，在三維接收線圈陣列中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。圖1為三維感應(yīng)儀器探測器結(jié)構(gòu)。三維感應(yīng)探測器是由1 組三軸發(fā)射線圈T、3 組不同接收位置的三軸接收線圈(A4、A6、A7)組成的測量9個分量的三維探測器陣列，同時增加4 組不同接收位置的單軸接收線圈(A1、A2、A3、A5)測量ZZ分量，共同組成7 組三維陣列感應(yīng)探測器。如圖1(b)所示，三軸X、Y和Z方向發(fā)射與接收線圈結(jié)構(gòu)，其中對稱設(shè)計X和Y方向線圈，尺寸大小與匝數(shù)相同，并與Z方向線圈保持同軸共點。如圖1(c)所示，每組三維子陣列包含1個三軸發(fā)射線圈和1個三軸接收線圈與三軸屏蔽線圈組成的三線圈系結(jié)構(gòu)，LR、LB表示接收線圈與屏蔽線圈到發(fā)射線圈的距離。

圖1 三維感應(yīng)線圈系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The schematic diagram of 3DIT tools

設(shè)3個正交發(fā)射線圈的磁矩分別為Mx=NT xAT x，My=NT yAT y，Mz=NT zAT z，3個正交主接收線圈的磁矩為Rx=ARxNRx，Ry=ARyNRy，Rz=ARzNRz，3個正交屏蔽接收線圈的磁矩為Bx=ABxNBx，By=AByNBy，Bz=ABzNBz，則三維感應(yīng)主磁通量組成的張量為

正交屏蔽接收線圈系上磁通量組成的張量為

總磁通量組成的張量為

其中，αx=

式(4)中，L是代表發(fā)射線圈T 到接收線圈R 的距離；θ是地層傾角；γ是儀器方位角；kv、kh為電磁傳播系數(shù)，其中kh=kh(x)=x表示是場點地層電導(dǎo)率的場點坐標(biāo)的函數(shù)[14]。

利用文獻(xiàn)[1]中給出低頻近似為khL →0，kvS →0，n1，帶入式(4)得到

由式(5)，解得傾角θ、方位角γ、水平電導(dǎo)率σh、垂直電導(dǎo)率σv四個參數(shù)：

最后，利用式(4)～式(10)及三維感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)，處理得到地層傾角θ、方位角γ、水平電導(dǎo)率σh、垂直電導(dǎo)率σv四個參數(shù)。

1.2 測量系統(tǒng)主控模塊設(shè)計

為了實現(xiàn)本文提出的1 組三軸發(fā)射器、4 組針對井眼校正和數(shù)據(jù)處理的短間距的單軸接收器和3組三軸的接收器測量，如圖2所示，設(shè)計了三維感應(yīng)主控測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電源模塊、三軸發(fā)射驅(qū)動、多通道前置放大、主控和數(shù)據(jù)采集等單元組成。主控和數(shù)據(jù)采集單元產(chǎn)生同步發(fā)射控制波形，分時驅(qū)動(X/Y/Z)三組發(fā)射驅(qū)動電路，再分別連接到對應(yīng)的(X/Y/Z)三軸發(fā)射線圈組進(jìn)行發(fā)射，7 組接收線圈陣列接收經(jīng)過地層后的二次感應(yīng)信號，由前置放大電路進(jìn)行低噪聲放大，送主控和數(shù)據(jù)采集單元完成線圈陣列信號采集、多頻點數(shù)字相敏檢波計算、數(shù)據(jù)打包后通過遙測上傳至地面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 3DIT6531 系統(tǒng)測量框圖Fig.2 The measurement system of 3DIT6531 tools

主控和數(shù)據(jù)采集單元作為系統(tǒng)控制核心，完成三軸分時發(fā)射波形控制、接收線圈微弱信號自動增益控制與校準(zhǔn)、溫度和參考電壓等輔助參數(shù)測量、多通道接收線圈陣列同步采集與處理、系統(tǒng)通訊等功能。三維感應(yīng)主控和數(shù)據(jù)采集單元DSP+FPGA交互工作時，DSP收到遙傳命令啟動FPGA開始采集，F(xiàn)PGA 控制多通道AD 依次完成接收線圈主測量信號預(yù)采樣、PGA 增益設(shè)置、線圈主測量信號采集、發(fā)射監(jiān)控信號采集。FPGA 分時驅(qū)動(X/Y/Z)三組發(fā)射驅(qū)動電路，同時接收所有接收線圈通道信號并累加處理后通知DSP 取走，最后DSP 完成數(shù)據(jù)處理和打包，等待接收遙傳數(shù)據(jù)幀命令后上傳數(shù)據(jù)。

1.3 三維感應(yīng)數(shù)據(jù)處理方法

三維感應(yīng)測井資料中包含著十分豐富的地層和井眼信息，可以用于解決多種復(fù)雜的地質(zhì)問題。但是，三維感應(yīng)測井儀受到井眼半徑、泥漿、層厚、地層電導(dǎo)率、井眼傾角、偏心距以及偏心角等多種因素的影響，必須配套一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方法與相關(guān)軟件，消除井眼環(huán)境對測量結(jié)果的影響，有效獲取地層水平和垂直電導(dǎo)率以及各向異性系數(shù)，來解決薄交互儲層以及各向異性地層中油氣評價的問題。圖3 為三維感應(yīng)測井資料綜合處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程，實現(xiàn)從原始測井?dāng)?shù)據(jù)采集輸入，經(jīng)過預(yù)處理單元、趨膚效應(yīng)校正單元、井眼環(huán)境影響校正處理單元、聚焦合成和匹配處理單元、一維多參數(shù)反演處理單元，最終輸出不同探測深度的電阻率地層水平電阻率、地層垂直電阻率、地層傾角以及方位角曲線。

三維感應(yīng)數(shù)據(jù)處理流程具體包括以下內(nèi)容：

(1)從原始測井?dāng)?shù)據(jù)采集輸入，三維感應(yīng)資料首先經(jīng)過溫度校正、偏心角提取與偏心角校正，以消除儀器溫度變化、儀器偏心旋轉(zhuǎn)的影響；

(2)在進(jìn)行偏心角提取與偏心角校正的基礎(chǔ)上，輸入趨膚效應(yīng)校正處理單元，消除數(shù)據(jù)不同頻率的趨膚效應(yīng)影響；

(3)通過井眼校正庫、多維非線性擬合以及自適應(yīng)正則化迭代實現(xiàn)井眼環(huán)境影響的校正，盡可能消除井徑、井眼泥漿、儀器偏心以及偏心角的影響；

(4)環(huán)境校正完成后，利用聚焦處理算法對去除井眼影響的數(shù)據(jù)曲線中的ZZ分量的數(shù)據(jù)，輸入聚焦合成和匹配處理處理模塊，通過聚焦濾波數(shù)據(jù)庫進(jìn)行真分辨率聚焦處理，得到不同探測深度的電阻率曲線；

圖3 3DIT6531 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Data processing flow of 3DIT6531 tools

(5)利用井眼校正后的處理數(shù)據(jù)和初始模型，從井眼環(huán)境校正水平和垂直電導(dǎo)率曲線中提取出各個地層上電導(dǎo)率的初值，結(jié)合正則化自適應(yīng)一維迭代反演算法：

根據(jù)測井響應(yīng)資料mi(x)=mi(x1,x2,···,xN)，i=1,2,··· ,M(M為測井采集數(shù)據(jù)點數(shù))，定義目標(biāo)函數(shù)O(x)。x=x(σh,σv,θ,γ)是待反演參數(shù)，mi(x)為x的非線性函數(shù)[1]。

設(shè)參數(shù)空間位置矢量xk，得

方程(12)寫成矢量的形式，

式(13)中，p=[x ?xk]，J=?(xk)。

將式(13)代入式(12)，目標(biāo)函數(shù)為

其中，W和I是對角矩陣，W是權(quán)因子矩陣，I是正則化因子矩陣。使得目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)滿足條件：

將式(14)代入式(13)得

由方程(16)結(jié)合方程式(4)～(10)，利用高斯-牛頓迭代反演地層水平電阻率、垂直電阻率、地層傾角及方位角四個參數(shù)。

2 系統(tǒng)測試

為了驗證本文提出的三維感應(yīng)測井儀及配套數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過理論模型數(shù)值模擬和系統(tǒng)測試驗證配套數(shù)據(jù)處理軟件合理性；通過系統(tǒng)室內(nèi)測試儀器的線性驗證測量精度，與標(biāo)準(zhǔn)井測井資料重復(fù)性對比，驗證儀器的穩(wěn)定性；最后，結(jié)合實際井場測量資料的處理結(jié)果，考察了設(shè)計的三維感應(yīng)測井儀器對解決各向異性砂泥巖薄互層的地質(zhì)問題。

2.1 理論模型測試

圖4為考察三維數(shù)值模擬計算儀器偏心與居中情況下，低阻泥漿對電場電流密度的空間影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在均勻地層中，當(dāng)儀器居中時，電流密度在井眼附近顯示為均勻分布的渦旋場；當(dāng)儀器偏心時，由于井眼中泥漿介質(zhì)的影響，井眼中產(chǎn)生較強(qiáng)的井眼電流，儀器對偏心影響十分敏感，必須采用井眼校正來消除環(huán)境因素對儀器測量結(jié)果的影響。

圖5 為井眼半徑0.1 m、 泥漿電阻率等于1.0 ?·m 儀器偏心情況下，三維感應(yīng)數(shù)值模擬正演結(jié)果、井眼環(huán)境校正、軟件聚焦以及反演結(jié)果。第1～3 道分別是該模型的ZZ、XX和Y Y分量正演結(jié)果；第4～6道分別是該模型的ZZ、XX和Y Y分量井眼校正后的曲線，第7 道是由ZZ分量經(jīng)過軟件聚焦得到的曲線，最后一道是水平與垂直電阻率反演結(jié)果。結(jié)果顯示，在厚度0.5 m 以上的地層，反演曲線中的水平與垂直電導(dǎo)率的相對大小與真實模型中電導(dǎo)率的相對大小一致；當(dāng)層厚度達(dá)到1.5 m 以上時，水平電導(dǎo)率與其真值一致，而垂直電導(dǎo)率接近模型真值，從理論模型上表明數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)滿足了設(shè)計效果要求。

圖4 低阻泥漿井眼中儀器居中和偏心情況下電流強(qiáng)度空間分布的對比Fig.4 The current intensity’s spatial distribution comparison between the instrument is centered and eccentricity,when the instrument is in the low resistivity mud borehole

圖5 不同層厚各向異性正演模型計算結(jié)果、井眼環(huán)境校正、軟件聚焦以及反演結(jié)果Fig.5 The results of forward modeling,borehole environment correction,software focus and inversion in the anisotropy model with different layer thickness

2.2 儀器室內(nèi)測試

為了測試儀器的整體穩(wěn)定性，通過室內(nèi)刻度環(huán)線性測試，建立測量信號與刻度電阻之間的關(guān)系。圖6 為3DIT 在室內(nèi)使用刻度環(huán)電阻進(jìn)行整機(jī)測試的結(jié)果，考慮到儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對稱性，在分析三維感應(yīng)測井儀器線性刻度響應(yīng)與刻度電阻參數(shù)關(guān)系時，給出了XX、XY、XZ、ZX和ZZ五組分量的測試結(jié)果。從圖6 中可以清晰看出，XX、XZ、ZX分量刻度環(huán)傾角取60?，方位角取0?，而XY、Y X分量刻度環(huán)方位角取45?、刻度電阻取5 ?、10 ?、20 ?、50 ?、100 ?、200 ? 時，XX、XY、XZ、ZX四個分量在200 ? 電阻以內(nèi)線性良好；ZZ分量刻度環(huán)傾角取0?，方位角取0?，刻度電阻取5 ?、10 ?、20 ?、50 ?、100 ?、200 ?、500 ?以內(nèi)線性良好，表明儀器測量的ZZ分量，在刻度電阻200 ? 以內(nèi)線性較好，有效保證了儀器的測量精度。

2.3 實測井資料處理

圖7給出了三維感應(yīng)儀器在實測井的原始曲線重復(fù)性對比，圖中每道包括主測和重復(fù)曲線，左側(cè)為重復(fù)性相對誤差，具體體現(xiàn)在紅綠填充色圖上，第1 道為深度數(shù)據(jù)，第2～8 道為軸向ZZ分量主測與重復(fù)測量對比結(jié)果，綠色表示所采集到的數(shù)據(jù)在2%～5%的重復(fù)性誤差，紅色表示所采集到的數(shù)據(jù)在大于5%情況下的重復(fù)性誤差。從重復(fù)性數(shù)據(jù)對比結(jié)果來看，測量ZZ分量重復(fù)性良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好；第9～17 道為三維接收器9個原始信號在X-Y-Z方向的電導(dǎo)率曲線的重復(fù)性，各個曲線重疊說明數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。從圖7 中左側(cè)重復(fù)性誤差統(tǒng)計結(jié)果可以看出，整段曲線平均相對誤差，相同條件下儀器各原始曲線基值對比，紅色填充越小對應(yīng)測量誤差越小，測量準(zhǔn)確性越高。

圖6 3DIT6531 室內(nèi)刻度環(huán)電阻變化線性測試圖Fig.6 The linear test diagram of the 3DIT6531 indoor scale ring’s resistance

圖7 3DIT6531 XX 標(biāo)準(zhǔn)井原始曲線重復(fù)性對比圖Fig.7 The repeatability comparison diagram of XX standard well original curve of 3DIT6531 tools

圖8 EILog 平臺(3DIT6531)測井資料成果圖Fig.8 The logging data map of EILog platform (3DIT6531)

為了考察砂泥巖薄互地層電阻率準(zhǔn)確測量，圖8 為三維感應(yīng)測井儀3DIT 掛接EILog 平臺在塔X井綜合處理結(jié)果圖，井徑為21.59 cm，井眼泥漿電阻率為1.2 ?·m。第1 道分別為自然伽馬、電位和井徑曲線；第2 道分別為微球聚焦、深側(cè)向和淺側(cè)向曲線；第3道分別為AT90、深感應(yīng)和中感應(yīng)曲線；第4 道分別為AT90、深感應(yīng)和中感應(yīng)曲線；第5 道分別為密度、補(bǔ)償中子和聲波曲線；第6 道顯示深度曲線；第7 道為實測合成6 條不同探測深度的電阻率AT10 ～AT120 曲線；第8 道為垂向電阻率Rv與水平電阻率Rh與AT90曲線對比結(jié)果，其中藍(lán)色表示水平電阻率，紅色表示垂直電阻率，陰影區(qū)域表示各向異性；第9 道為解釋結(jié)論；第10 道為電成像曲線。從圖8 中可以看出，三維感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)對地層的層邊界反映明顯，利用多分量原始數(shù)據(jù)能夠很好地判別砂泥巖薄交互層。從普通雙側(cè)向、雙感應(yīng)和陣列感應(yīng)，其測量結(jié)果都基本與3D 感應(yīng)的水平電阻率一致，而3D 感應(yīng)在這個層段能較好地揭示出地層電阻率的各向異性。此外，本測量段垂直電阻率普遍高于水平電阻率，16 號層按新儀器解釋為油水同層與實際測試結(jié)果相符。另外，在其他層位，通過對比發(fā)現(xiàn)，該井段的聲波、中子比其他層高、密度低，反映儲層物性有所變差，從計算結(jié)果看，垂直電阻率低于16號層垂直電阻率，垂向與水平電阻率之比Rv/Rh略大，反映砂體中的泥質(zhì)薄夾層變多，是儲層物性的變差重要原因。這表明，應(yīng)用該方法處理各向異性介質(zhì)水平地層電導(dǎo)率和垂直地層電導(dǎo)率的正確性。

3 結(jié)論

本文提出一種探測深度深、分辨率高的新型三維感應(yīng)測井儀器，采用發(fā)射接收一體化設(shè)計、電路厚膜集成技術(shù)設(shè)計了16 通道測量硬件采集系統(tǒng)與軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了層狀薄互層中測井響應(yīng)的數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)處理算法，討論了三維感應(yīng)儀器在薄層中受井眼環(huán)境影響的響應(yīng)特征，進(jìn)一步通過系統(tǒng)室內(nèi)測試驗證了儀器的穩(wěn)定性、重復(fù)性和數(shù)據(jù)處理能力。得出以下結(jié)論：

(1)提出3 組三維主輔組合線圈設(shè)計保證線圈系源距同軸共點，解決了三維線圈結(jié)構(gòu)帶來的直耦信號過大和基值漂移技術(shù)難題；

(2)用16通道同步采集，結(jié)合高性能DSP 進(jìn)行大數(shù)據(jù)量處理，有效提升硬件測量系統(tǒng)信噪比，實現(xiàn)小信號測量精度提高；

(3)三維感應(yīng)儀器測量的電阻率曲線能更清楚地顯示層邊界位置，與常規(guī)感應(yīng)合成處理結(jié)果相比，水平和垂直電阻率更接近薄層的真實電阻率；

(4)開發(fā)的適于三維感應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到地層水平電阻率、垂直電阻率、地層傾角以及方位角等地層參數(shù)，有效提高了三維感應(yīng)儀器在砂泥巖薄互層中電阻率測量和儲量計算的精度。

本文研究成果為新型三維陣列感應(yīng)測井儀器的現(xiàn)場推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。