陳剛,陳思嘉,尤嘉祺,陽質(zhì)量,許月晨,唐章宏

(1.中國石油集團測井有限公司測井技術(shù)研究院,陜西西安710077;2.北京唯智佳辰科技發(fā)展有限責任公司,北京100089)

0 引 言

隨著斷層、裂縫、薄層、低孔隙度低滲透率等復雜油氣藏的開發(fā),常規(guī)隨鉆測井技術(shù)與裝備已不能滿足生產(chǎn)需求,迫切需要隨鉆成像測井技術(shù)。在隨鉆成像測井技術(shù)中,隨鉆側(cè)向電阻率成像是研發(fā)最早、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù),是解決復雜儲層實時地質(zhì)導向和地層評價問題不可缺少的重要手段。它不但可以探測不同方向地層巖性和邊界,還可以用于斷層、裂縫、薄層的解釋評價,以及低孔隙度、低滲透率、各向異性等復雜儲層的解釋評價[1]。

由中國石油集團測井有限公司自主研發(fā)的方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀(Azimuth Lateral Resistivity Imaging Logging While Drilling Tool,RIT)具有地層評價、實時地質(zhì)導向及井周地層成像功能,一次入井可獲取多條不同探測深度方位電阻率曲線、平均電阻率曲線、方位伽馬曲線、平均伽馬曲線,以及井周地層電阻率和伽馬成像圖[1]。該儀器電阻率最大探測深度為0.5 m,適用于水基鉆井液環(huán)境。研發(fā)的新型方位聚焦電極,在原有方位電極的基礎(chǔ)上增加了測量電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極監(jiān)督電極,使得測量電極和監(jiān)督電極相互獨立,在提高電極聚焦能力基礎(chǔ)上,有效減少了電極表面極化電位對儀器測量值的影響,提高了儀器測量精度,適用于高電阻率地層測井。

為了更準確地刻度儀器測量值與地層電阻率及井眼環(huán)境之間的對應(yīng)關(guān)系,需要建立復雜的地層環(huán)境刻度網(wǎng)絡(luò)對測井儀器進行刻度[2-3]。采用復雜地層刻度網(wǎng)絡(luò)模擬地層電阻率及井眼環(huán)境,可解決由于刻度裝置功能簡單無法滿足測試功能需求以及建立實際刻度井群價格昂貴等問題,在室內(nèi)模擬井下地層環(huán)境,極大方便驗證儀器測量性能[4]。

該文介紹了新型方位聚焦電極結(jié)構(gòu)及工作原理,闡述了地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)中各個電阻的計算原理并給出詳細的計算表達式。通過構(gòu)造不同的井眼、鉆井液和地層模型,模擬儀器實際工作環(huán)境,設(shè)計了新型方位聚焦電極監(jiān)控電路,搭建實際電路模型進行測量功能驗證,有效節(jié)約了儀器設(shè)計成本,提高了研發(fā)效率。

1 新型方位聚焦電極結(jié)構(gòu)

方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀的方位電極可實現(xiàn)地層方位電阻率測量,舊版方位電極由測量電極和鉆鋌電極組成,測量電極既用來監(jiān)控電極電壓、又用來測量流入電極的電流。在井下工作時,測量電極上會產(chǎn)生電化學效應(yīng),形成接觸阻抗,影響儀器測量精度;舊版方位電極聚焦能力弱,受井眼尺寸和鉆井液電阻率影響大,導致高電阻率測量性能差。為了提高儀器高電阻率測量性能,降低井眼尺寸及鉆井液電阻率對儀器測量值的影響,設(shè)計了新型方位聚焦電極。

新型方位聚焦電極采用方形環(huán)狀結(jié)構(gòu),見圖1。將測量電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極監(jiān)督電極分別置于最內(nèi)環(huán)和最外環(huán),除測量電極監(jiān)督電極之外,其余所有電極均設(shè)計為環(huán)狀,被監(jiān)督的測量電極位于中間,基于場的連續(xù)性原理,這一結(jié)構(gòu)設(shè)計與位置布置保證被監(jiān)測電位相等的電極區(qū)域全覆蓋。

圖1 新型方位聚焦電極結(jié)構(gòu)

通過控制位于最內(nèi)環(huán)和最外環(huán)的2個監(jiān)督電極等電位,保證位于其間的測量電極和鉆鋌電極之間等電位。測量2個監(jiān)督電極之間電壓差的電路輸入端分別連接測量電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極監(jiān)督電極,該電路和調(diào)控測量電極電流的電路物理隔離,使得測量電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極監(jiān)督電極上沒有電流流入,可避免傳統(tǒng)方位電極測量電壓和調(diào)控電流的電路共用相同電極,導致測量電壓和調(diào)控電流相互影響產(chǎn)生誤差。

2 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模擬原理

2.1 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)的工作原理

為了深入研究儀器測量響應(yīng)與地層電阻率及井眼環(huán)境之間的對應(yīng)關(guān)系,建立了較為完整的地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模型[5](見圖2)。測量電極(M)、測量電極監(jiān)督電極(N)、鉆鋌電極及鉆鋌電極監(jiān)督電極之間均有互阻存在,與井眼和地層形成4端網(wǎng)絡(luò)。圖2中Ra為測量電極和鉆鋌電極之間的等效電阻;Rb為測量電極與測量電極監(jiān)督電極之間的等效電阻;Rc為測量電極監(jiān)督電極與鉆鋌電極監(jiān)督電極之間的等效電阻;Rd為鉆鋌電極監(jiān)督電極與鉆鋌電極之間的等效電阻;Re為測量電極與鉆鋌電極監(jiān)督電極之間的互阻;Rf為鉆鋌電極與測量電極監(jiān)督電極之間的互阻;Rs為測量電極與回流鉆鋌之間的等效電阻;Is為測量電極電流;GND為儀器回路。

圖2 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)計算方法

儀器在實際工作時,需要保證鉆鋌電極監(jiān)督電極和測量電極監(jiān)督電極等電位,例如鉆鋌電極監(jiān)督電極和測量電極監(jiān)督電極不供電,只對電位進行取樣,即通過二者的等電位實現(xiàn)測量電極和鉆鋌電極的近似等電位。由于所有監(jiān)督電極沒有電流流出,無法實際測量出等電位電極之間的電流流動及對應(yīng)的電阻。

在實際測量過程中,不同電極形成的等效電阻網(wǎng)絡(luò)見圖3。圖3中電極11,7,3,1分別表示測量電極、測量電極監(jiān)督電極、鉆鋌電極監(jiān)督電極和鉆鋌電極,B為回流電極。R1為鉆鋌電極(電極1)與鉆鋌電極監(jiān)督電極(電極3)之間的等效電阻;R2為鉆鋌電極監(jiān)督電極(電極3)與測量電極監(jiān)督電極(電極7)之間的等效電阻;R3為測量電極監(jiān)督電極(電極7)與測量電極(電極11)之間的等效電阻;R4為鉆鋌電極(電極1)與回流電極(電極B)之間的鉆井液等效電阻;R5為鉆鋌電極(電極1)與回流電極(電極B)之間的地層等效電阻;R6為測量電極(電極11)與回流電極(電極B)之間的地層等效電阻。

圖3 不同電極形成的等效電阻網(wǎng)絡(luò)模型

這些等效電阻大小與地層電阻率、井眼直徑、鉆井液電阻率有關(guān),可通過數(shù)值計算法計算等效電阻大小[5]。利用電路中的節(jié)點電壓電流法,計算出兩點間的電壓和電流,進而計算出兩點間的等效電阻大小。

由于鉆鋌電極1發(fā)射的電流會沿井眼鉆井液、地層回流到電極B中,因此,其測量的是井眼鉆井液電阻率和地層電阻率的并聯(lián)電阻,鉆鋌電極1流經(jīng)地層的等效電阻無法精確確定。本文假設(shè)R5與R6的電阻值近似相等;測量電極11由于監(jiān)督電極的屏蔽原因,其發(fā)射的電流會垂直于地層流入進而回流到電極B中,其主要測量地層電阻率。

在實際仿真時,由于電極1、3、7、11的電位近似相等,電阻R1、R2和R3可以為任意數(shù)值,通過軟件計算在地層模型下電極1、電極11和回流電極B的電位、電流,則電阻的表達式為

(1)

(2)

式中,U11為測量電極的電位,V;U1為鉆鋌電極的電位,V;UB為回流電極的電位,V;I11為測量電極的電流,A;I1為鉆鋌電極的電流,A;R4為鉆井液等效電阻R4的電阻值大小,Ω;R5為地層等效電阻R5的電阻值大小,Ω;R6為地層等效電阻R6的電阻值大小,Ω。通過仿真計算得到電極1、11、B的電位和電流,即可得到鉆井液等效電阻R4的電阻值R4和地層等效電阻R5的電阻值R5。

儀器在工作時有4個發(fā)射天線,對應(yīng)4種工作模式,4種探測模式所對應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)模型相同,但對應(yīng)的源距不同,最終計算得到不同的阻值。因此,在構(gòu)建地層電阻網(wǎng)絡(luò)時,首先通過軟件給出不同模式下各電極的電位、電流大小,進而通過表達式計算每種模式下對應(yīng)的鉆井液等效電阻R4的電阻值R4和地層等效電阻R5的電阻值R5。

2.3 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

按照2.2節(jié)所述各電極電位條件,計算新型方位聚焦電極各電極的電壓電流,通過三維地質(zhì)軟件構(gòu)造縱向3層地層,其中間為目的層,上下為圍巖,各層徑向不分層,計算模型輸入?yún)?shù)包括井眼直徑、鉆井液電阻率、3層地層電阻率。

為了得到不同模型下各電極的電壓電流,需要構(gòu)造不同的地層模型:井眼直徑為5.85、6.00、6.50、7.00、7.50、8.00 in(1)非法定計量單位,1 in=25.4 mm,下同;鉆井液電阻率為0.01、0.05、0.07、0.10、0.15、0.20、0.30 Ω·m;目的層電阻率為20 000 Ω·m;上下圍巖電阻率為500 Ω·m。儀器的測量電極中心與目的層中心坐標重合,發(fā)射天線位于下圍巖區(qū)。

3 新型方位聚焦電極監(jiān)控電路設(shè)計

監(jiān)控電路的作用是通過調(diào)整測量電極監(jiān)督電極及鉆鋌電極監(jiān)督電極的電位差來控制測量電極流出的電流大小(見圖4)。設(shè)計的監(jiān)控電路必須滿足高輸入阻抗,運放開環(huán)增益大于90 db,電壓轉(zhuǎn)換速率大于20 V/μs,電壓噪聲為nV級,輸出驅(qū)動能力大于10 mA,以此來保證電位調(diào)整效果及速度,采集到nA級的電流信號。

圖4 新型方位聚焦電極監(jiān)控電路

圖4中,運算放大器為跨阻抗放大器,其反向輸入端為測量電極監(jiān)督電極(7號電極),正向輸入端為鉆鋌電極監(jiān)督電極(3號電極),整個電路需要工作在虛短狀態(tài),從而保證測量電極和鉆鋌電極等的電位。電容C1起隔直作用,用于消除井下電化學反映在電極上產(chǎn)生的直流電位,其與電阻R7組成微分放大電路,C1和R7的大小需要滿足在儀器工作頻率為2 kHz處閉環(huán)增益最大,同時相位接近-180°。圖4和圖3中R1～R6一致,R8用于采樣當2個監(jiān)督電極電位差調(diào)整到最低時,從測量電極流出的電流信號。

通過地層模型計算出不同地層電阻率、井眼尺寸和鉆井液電阻率環(huán)境下,鉆井液等效電阻R4的電阻值R4和地層等效電阻R5的電阻值R5及其電流大小,將模擬得到的電阻值R4、R5輸入設(shè)計的監(jiān)控電路,計算監(jiān)控電路中電阻R5中的電流大小,與數(shù)值模擬計算得到的電流大小結(jié)果進行對比,從而驗證所設(shè)計電路是否可以滿足不同地層環(huán)境應(yīng)用需求。

4 測試結(jié)果

4.1 地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬的結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬構(gòu)造的地層模型完成地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻值計算[6]。鉆鋌電極1供電,調(diào)節(jié)測量電極11的供電電流,保證電極3、7等電位,計算得到各電極的電位、電流,通過式(1)和式(2)計算電阻值R4、R5,得到各電阻與不同井眼尺寸、鉆井液電阻率和地層電阻率之間的響應(yīng)關(guān)系(見圖5～圖7)。從圖5～圖7可以看出,縱向3層地層模型結(jié)構(gòu)下各等效電阻的規(guī)律。

圖5 井眼尺寸6.75 in、地層電阻率20 000 Ω·m時,等效電阻R4的電阻值與鉆井液電阻率關(guān)系

圖6 地層電阻率20 000 Ω·m、鉆井液電阻率0.05 Ω·m時,等效電阻R4的電阻值和井徑的關(guān)系

圖7 井眼尺寸5.85 in、鉆井液電阻率0.3 Ω·m時,等效電阻R5的電阻值和井徑的關(guān)系

由圖5可見,在同一井眼尺寸和地層電阻率條件下,鉆井液等效電阻R4的電阻值隨著井眼中鉆井液電阻率增大而增大,其阻值呈現(xiàn)線性變化,說明鉆井液電阻率對等效電阻的影響較大。由于R5為地層的等效電阻,其與鉆井液的對比度較大,因此,其數(shù)值受井眼鉆井液電阻率的影響較小。

由圖6和圖7可見,在同一地層電阻率和鉆井液電阻率條件下,井徑變大,鉆井液等效電阻R4和地層等效電阻R5的電阻值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢;其中井徑變大,使得井眼鉆井液物理尺寸占比變大,地層的物理尺寸占比變小,進而影響等效鉆井液和地層阻值的大小,且由于井眼鉆井液電阻率較低,使得電路中等效的鉆井液電阻和地層電阻隨之減小,符合電路中等效的規(guī)律。

由圖6和圖7可見,鉆井液等效電阻和地層等效電阻下降方式不同,其中鉆井液等效電阻R4的電阻值曲線斜率逐漸減小,是由于隨著井徑的增加,井眼鉆井液的占比逐漸增大,其增大的部分替代了原有目的層的影響,使得等效后鉆井液阻值影響逐漸減小,即斜率逐漸降低為零;等效地層電阻R5的電阻值曲線的斜率逐漸增大,是由于井徑變大,地層物理尺寸占比逐漸減小,且由于井眼增大的部分為低阻鉆井液,使得等效后的地層電阻R5的電阻值受鉆井液的影響快速變小,即斜率逐漸增大。因此,電阻網(wǎng)絡(luò)可以反映井下環(huán)境變化,可用于室內(nèi)模擬井下環(huán)境,驗證儀器測量功能。

4.2 監(jiān)控電路功能驗證

對隨鉆側(cè)向類儀器而言,井眼直徑越大,鉆井液電阻率越低,儀器的高電阻率測量性能就越差。在電阻網(wǎng)絡(luò)計算模型中,由于不同井眼尺寸、鉆井液電阻率和目的層電阻率組合計算結(jié)果太多,該研究僅對最惡劣井下環(huán)境下,即井眼直徑為6.75 in、鉆井液電阻率為0.01和0.05 Ω·m、地層電阻率為20 000 Ω·m、上下圍巖電阻率為500 Ω·m時,數(shù)值模擬結(jié)果和設(shè)計的監(jiān)控電路測試結(jié)果進行分析對比,以此驗證接收系統(tǒng)能否滿足最惡劣工作環(huán)境要求。

根據(jù)2.2節(jié)描述的電阻網(wǎng)絡(luò)中各電阻計算方法,供電電極1的供電電流大小為1 A,規(guī)定供電電流方向為正方向。將數(shù)值模擬計算得到的最惡劣環(huán)境下的各個電阻值應(yīng)用于圖4所示的實際監(jiān)控電路,將電路仿真電流大小與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析(見表1)。由表1可以看出,數(shù)值模擬計算結(jié)果和電路仿真結(jié)果相對誤差較小,驗證了地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)可用于指導滿足用于各種井下環(huán)境測量需求的新型方位聚焦電極監(jiān)控電路設(shè)計。

表1 各電阻上電流數(shù)值模擬計算與電路仿真結(jié)果對比表

5 應(yīng)用效果

方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀前期應(yīng)用舊的接收電極及監(jiān)控電路在塔里木油田開展現(xiàn)場試驗,在井下鉆井液電阻率0.1 Ω·m條件下,儀器最高測量響應(yīng)不到2 000 Ω·m。通過重新設(shè)計新型方位聚焦電極,同時開展電阻網(wǎng)絡(luò)研究,在室內(nèi)優(yōu)化監(jiān)控電路設(shè)計,在塔里木油田某井成功開展現(xiàn)場應(yīng)用。XX井深7 380 m,井底壓力90 MPa,井底溫度153 ℃,鉆井液電阻率0.1 Ω·m。該儀器在井下漏失嚴重、電纜測井儀器獲取測井資料風險大的情況下,成功取得測井資料,與電纜雙側(cè)向儀器測井曲線對應(yīng)關(guān)系良好,準確反映地層電阻率信息,縱向分辨率高于電纜儀器,電阻率測值最高接近15 000 Ω·m。儀器在鉆井液低電阻率環(huán)境下高電阻率儲層測量質(zhì)量顯著提升,進一步驗證了該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)地層環(huán)境模擬,在室內(nèi)指導優(yōu)化監(jiān)控電路設(shè)計,儀器與電纜儀器測井曲線對比見圖8。

圖8 XX井測井曲線圖

6 結(jié) 論

(1)給出新型方位聚焦電極的結(jié)構(gòu),在傳統(tǒng)的電極基礎(chǔ)上增加鉆鋌電極監(jiān)督電極和測量電極監(jiān)督電極,并闡述其測量工作原理,可有效降低高礦化度鉆井液對儀器高阻地層測量響應(yīng)的影響。

(2)依據(jù)新型方位聚焦電極結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種用于室內(nèi)模擬井下環(huán)境的地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò),并給出等效鉆井液電阻和等效地層電阻的計算方法。依據(jù)所構(gòu)造的地層電阻網(wǎng)絡(luò)計算方法,構(gòu)造了三維數(shù)值仿真計算的地層模型,該模型為帶井眼的縱向三層地層。

(3)根據(jù)地層環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),設(shè)計了地層電阻率網(wǎng)絡(luò)測量的監(jiān)控電路。通過數(shù)值模擬計算,得到了電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻值與井眼尺寸、鉆井液電阻率和地層電阻率之間的響應(yīng)關(guān)系,并仿真計算得到電極之間的等效電阻受井眼鉆井液的影響關(guān)系:隨著鉆井液電阻率的增大,等效的鉆井液電阻增大;井徑增大,井眼鉆井液占比增大,使得等效的鉆井液電阻和地層電阻逐漸下降,且下降的斜率趨勢不同。監(jiān)控電路測試結(jié)果驗證了該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠在室內(nèi)模擬井下環(huán)境,指導監(jiān)控電路設(shè)計,滿足井下各種環(huán)境應(yīng)用需求。

(4)開展了儀器現(xiàn)場應(yīng)用,進一步驗證了該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠模擬井下環(huán)境,優(yōu)化監(jiān)控電路設(shè)計功能。