竇錦愛，廖勝軍，閆玉濤，馬歡波，于增輝，萬 琦

(中海油田服務股份有限公司 河北 三河 065201)

0 引 言

微球形聚焦測井是微電阻率測井方法之一，它通過改變電極系的排列和供電方式，使測量的沖洗帶電阻率既不受低阻泥餅的影響，又不受原地層電阻率的影響，能更準確地測量出地層沖洗帶電阻率。在組合測井中，它與陣列側向測井組成深、淺、微的探測深度，獲得的視電阻率曲線能協(xié)助判斷油、氣、水層。其中微球形聚焦測量極板是微球聚焦測井儀的關鍵部件，目前國內的微球極板主要是橡膠材質，耐磨性差，下井變形磨損嚴重且不能恢復，長井段測井存在橡膠極板撕裂的情況，不能滿足高溫井及長裸眼段測量；而國外微球聚焦測井儀中普遍使用的PEEK極板，在長時間使用后由于井下液體的腐蝕也會導致絕緣性能下降，并且多次使用后磨損也較為明顯，影響測量效果。針對目前微球形聚焦測井儀極板存在的不足，設計了一種新型橡膠與PEEK復合材料結合的微球形聚焦測量極板，以提高微球形聚焦測井極板的耐磨性與絕緣性，滿足高溫井及長裸眼段的測量。

1 微球形聚焦測井儀電極系結構及工作原理

微球形聚焦測井儀電極系結構及電流分布如圖1所示。

圖1 微球形聚焦測井電極系結構及電流分布

主電極A0呈矩形，其它電極以矩形環(huán)狀的形式分布于主電極四周。測量時，主電極A0發(fā)射主電流I0和屏蔽電流Ia，Ia經(jīng)過泥餅流動到A1，I0主要在沖洗帶中流動，其產生的電場使監(jiān)督電極M1、M2之間產生電位差。同時，儀器通過自動調節(jié)屏蔽電流Ia，從而抵消I0在監(jiān)督電極之間產生的電位差，使得ΔVM1M2=0。在儀器下井測量的整個過程中，電極系都將保持著這個狀態(tài)[1，2]。測量M0電極與M1、M2中點之間的電位差VM0O，其視電阻率曲線計算公式為：

(1)

式中:電極系系數(shù)K可以由物理模型或者理論仿真計算得到。

2 新型微球形聚焦測井儀極板研制

2.1 微球形聚焦測井儀極板現(xiàn)狀

目前國內的微球形聚焦測井儀所用極板主要是橡膠材質(圖2(a))，存在耐磨性差，下井后受損嚴重且不能恢復(圖2(b))，長井段測井時容易撕裂(圖2(c))等情況。橡膠極板一般最多下井3次就需更換，不僅增加了儀修工程師的工作量，也增加了成本。

圖2 橡膠極板及其下井后磨損、變形情況

國外微球聚焦測井儀中普遍使用PEEK極板。PEEK是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料(英文名稱Polyetheretherketone，簡稱PEEK；中文名稱聚醚醚酮)，具有耐高溫(250 ℃)、耐磨損、高強度、高純度等諸多優(yōu)異性能，但也存在長時間使用后由于井下液體的腐蝕而導致的絕緣性能下降，影響測量效果。

2.2 新型極板的設計制作

針對國內外微球形聚焦測井儀極板存在的問題，將橡膠與PEEK相結合研制新型微球聚焦測量極板。新型微球聚焦測量極板包括極板托架、復合極板和電極組件，如圖3所示。

圖3 新型極板結構示意圖

具體制作方法為：

1)將電極觸頭穿過第一絕緣體(PEEK)并與第一絕緣體固定；

2)將安裝有電極觸頭的第一絕緣體(PEEK)與第二絕緣體(氟橡膠)硫化固定，形成復合極板；

3)將電極組件安裝在復合極板上；

4)將安裝有電極組件的復合極板安裝在極板托架上。

該極板PEEK材料敷在表層，與井壁直接接觸，提高極板耐磨性；橡膠嵌在底層，提高各電極的密封、絕緣性。橡膠和PEEK采用特殊工藝，壓制融成一體。極板托架、極板護翼進行特殊設計，提高極板的耐磨性能與絕緣性能，增加了極板的使用壽命及工作可靠性。圖4(a)為設計的新型極板實物，圖4(b)為新型極板使用10井次后情況。對比圖2(b)、圖2(c)的橡膠極板，磨損情況明顯降低，證明了該設計有效地提高了極板耐磨性和耐溫性，能夠滿足高溫井及長裸眼段測量對微球極板的要求。

圖4 新型極板結構及其使用后的情況

3 新型極板的探測特性分析

之前使用的微球形聚焦測井儀極板是橡膠材質(下文稱為軟極板)，外形尺寸有8.5 in(1 in=25.4 mm)和12.25 in兩種，現(xiàn)場測井時在不同的井眼要挑選不同尺寸極板，給操作工程師帶來不便。針對此種問題，在極板外形尺寸上做了改進，綜合8.5 in和12.25 in兩種極板尺寸，分別設計了三種尺寸新型極板：1)在12.25 in軟極板基礎上等比例減小各個電極尺寸(下文稱為等比例減小極板)；2)考慮到機械制作工藝，不改變12.25 in軟極板中間主電極尺寸，減小四周屏蔽電極(下文稱為非等比例減小極板)；3)按照機械工藝和實際測井需求，綜合8.5 in和12.25 in兩種極板尺寸，設計一種新型尺寸極板，能夠同時應用于8.5 in和12.25 in井眼(下文稱為硬極板)。

下面將對新設計的3種極板分別從儀器常數(shù)、分辨率、探測深度以及侵入等方面與現(xiàn)有的橡膠軟極板進行對比。

3.1 測井響應模型的建立

微球形聚焦測井儀的測井響應為穩(wěn)流電場，可由微分方程描述該電場。若用u(x,y,z)表示電位，σ表示電導率，在直角坐標系(x,y,z)下，電位u滿足微分方程：

(2)

在恒流電極表面滿足

(3)

式中:u為電極的電位；IA為恒流電極電流；σm為泥漿電導率。

根據(jù)上述定解問題構造出的泛函數(shù)為:

(4)

滿足旋轉對稱性，故有：

(5)

式中:Ω為儀器表面和無窮遠邊界所包圍的整個空間。

根據(jù)上述泛函原理，利用有限元數(shù)值模擬方法對儀器常數(shù)和探測特性進行理論計算。

3.2 儀器常數(shù)對比分析

儀器常數(shù)計算模型使用通用標準井計算模型，如圖5所示。模型參數(shù)為：井眼直徑Dh=8.0 in，泥漿電阻率Rm=0.1 Ω·m；泥餅厚度hmc=0.5 in，泥餅電阻率Rmc=1.0 Ω·m；沖洗帶電阻率RXO=30.0 Ω·m，地層無限厚。

圖5 微球形聚焦測井儀的儀器常數(shù)計算地層模型

儀器常數(shù)計算公式：

K=RXO/(VM0O/I0)

(6)

相對誤差計算公式：

相對誤差=(改造后K-原極板K)/原極板K×100%。

經(jīng)計算，新舊極板儀器常數(shù)及新極板與原極板儀器常數(shù)相對誤差見表1。

表1 儀器常數(shù)及相對誤差

工程上認為[3-4]，相對誤差在5%以內，新型極板與原極板的儀器常數(shù)差距可以忽略不計。因而可直接用新型極板替換原來儀器的極板，且儀器硬件電路勿需改動，便于儀器更新改造，大大節(jié)約了成本。由表1可以看出，硬極板和等比例減小的極板在儀器常數(shù)方面符合工程要求。

3.3 分辨率對比分析

建立地層模型：目的層電阻率5 Ω·m，圍巖電阻率1 Ω·m，目的層厚度為0.01、0.02、0.1、0.05 m，分別仿真原有軟極板、硬極板、等比例減小極板和非等比例減小極板4種類型極板在目的層電阻率變化情況。對于同樣厚度地層，數(shù)值仿真獲得的視電阻率越高，代表該種極板的分辨率越高。圖6中橫坐標表示目的層厚度，縱坐標表示視電阻率，不同顏色曲線表示不同類型極板。從圖6可以看出，軟極板仿真的視電阻率>硬極板≈等比例減小極板>非等比例減小極板。因此，軟極板的分辨率最高，硬極板和等比例減小極板分辨率類似，接近軟極板分辨率，非等比例減小分辨率最低。所以，在極板類型選擇上考慮使用硬極板和等比例減小極板。

圖6 分辨率仿真圖

3.4 探測深度及侵入對比分析

建立地層模型：井眼直徑8.0 in，泥漿電阻率0.1 Ω·m，侵入帶電阻率1.0 Ω·m，地層電阻率30.0 Ω·m，均質無限厚地層。利用偽幾何因子考察儀器探測深度[5-6]，定義偽幾何因子大小為0.5時的侵入深度為儀器探測深度。偽幾何因子計算公式為：

(7)

式中:Jxo為偽幾何因子，Ra為不同侵入深度時極板的響應，Rxo為侵入無限深時極板的響應，Rt為無侵入時極板響應。由圖7可知，按照儀器探測深度定義，可以看出，軟極板仿真的視電阻率<非等比例減小<等比例減小<硬極板。

圖8是不同極板受侵入影響仿真圖。從圖中可以看出，隨著侵入深度增加，硬極板、等比例減小、非等比例減小極板在侵入深度<0.015 m時電阻率接近，但是與軟極板差距比較大；侵入深度0.015～0.04 m時硬極板>等比例減小>非等比例減小>軟極板電阻率；侵入深度大于0.07 m時軟極板>硬極板≈等比例減小>非等比例減小電阻率。

圖7 探測深度仿真圖

圖8 侵入影響仿真圖

從儀器常數(shù)、分辨率、探測深度、侵入影響綜合分析認為，硬極板和等比例減小極板與原有軟極板總體測量效果比較接近，符合現(xiàn)有儀器測井要求。但是等比例減小極板在制造工藝精度上很難實現(xiàn)，因此最終選擇硬極板做為改進后的極板。

4 測井應用效果分析

新型極板首先在某井與微球軟極板進行了對比測試，測試結果如圖9所示。第2道為深度道，第3道為新型極板重復性對比，第4道為微球軟極板重復性對比。從第3道和第4道的對比可以看出，新型極板重復性優(yōu)于軟極板重復性。第5道和第6道是微電阻率和雙側向相關性對比，可以看出，新型極板測量的電阻率和雙側向相關性更好，微電阻率值均低于雙側向電阻率。

圖10是使用新型微電阻率極板的微球測井儀在渤海某井的實際測井效果圖。1 550～1 569 m、1 574～1 588 m以上井段自然伽馬GR測量值105～120 API，為泥巖～泥質砂巖。第3道為電阻率曲線，RD(藍色虛線)、RS(綠色虛線)為雙側向測量的深、淺電阻率曲線，RMSF為微球測量的電阻率曲線，微球測量的電阻率與雙側向電阻率相關較好。

圖9 某井測試結果對比

圖10 實際測井效果圖

5 結束語

設計了一種新型橡膠與PEEK復合材料結合的微球聚焦測量極板，提高了極板的耐磨性和絕緣性。數(shù)值仿真和現(xiàn)場測井作業(yè)均表明其具有優(yōu)異的性能。到目前為止，一塊新型微球形聚焦測量極板的最高作業(yè)記錄是10井次?，F(xiàn)有8支微球形聚焦測井儀器使用了新型測量極板，成功作業(yè)25井次，測量效果與其他電阻率數(shù)據(jù)相關性較好，為用戶提供了優(yōu)質的測井資料。