陣列感應(yīng)測(cè)井儀MIT溫度影響校正方法與應(yīng)用

李夢(mèng)春, 王魯, 李玉寧, 羅開(kāi)平, 李西寧, 鄧明

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司, 陜西 西安 710077;2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司測(cè)井實(shí)驗(yàn)基地, 陜西 西安 710077)

0 引 言

測(cè)井儀器工作在井下高溫高壓環(huán)境,溫度性能是儀器的重要技術(shù)指標(biāo)[1],不同儀器采用不同的補(bǔ)償技術(shù)[2]消除溫度影響。陣列感應(yīng)測(cè)井儀采用多頻率多子陣列線圈探頭,測(cè)量井下復(fù)雜的地層信息[3],探頭工作在玻璃鋼套筒內(nèi)的硅油環(huán)境,其溫度穩(wěn)定性要求更高。溫度校正是陣列感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量數(shù)據(jù)刻度的重要環(huán)節(jié)[4-5]。在3 000 m以上的深井測(cè)井時(shí),井溫從地面的幾十度到井底100 ℃以上,如果沒(méi)有有效的溫度校正方法,測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)將偏離實(shí)際數(shù)據(jù)。溫度校正的精確性決定了測(cè)井曲線重復(fù)性、穩(wěn)定性,以及測(cè)井曲線質(zhì)量。如果溫度校正精度不高,在電阻率大于200 Ω·m的地層將出現(xiàn)錯(cuò)誤的處理結(jié)果。傳統(tǒng)雙感應(yīng)測(cè)井儀通過(guò)在線圈系外部纏繞銅鎳絲進(jìn)行溫度影響補(bǔ)償,效果較差,穩(wěn)定性誤差大于±5 mS/m。Halliburton公司的陣列感應(yīng)測(cè)井儀AcRt中,通過(guò)復(fù)雜的校正方法實(shí)現(xiàn)溫度校正[4],穩(wěn)定性誤差小于1 mS/m。Baker Atlas公司的陣列感應(yīng)測(cè)井儀HDIL通過(guò)使用陶瓷線圈骨架結(jié)構(gòu)和采用溫度影響數(shù)據(jù)庫(kù)等方法有效實(shí)現(xiàn)了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的溫度校正。中海油服油田技術(shù)事業(yè)部在其研制的陣列感應(yīng)儀EAIL中采用了線性擬合方法進(jìn)行溫度影響校正[5]。本文詳細(xì)介紹了中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司陣列感應(yīng)測(cè)井儀MIT的溫度影響特征和影響因素,提出了有效的溫度影響校正方案。

1 溫度影響分析

1.1 陣列感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量信號(hào)刻度方法

陣列感應(yīng)測(cè)井儀的第j個(gè)子陣列測(cè)量電壓Vj的刻度公式為

(1)

圖1 某陣列感應(yīng)測(cè)井儀MIT的2個(gè)子陣列的4次加溫曲線

在生產(chǎn)儀器時(shí),利用刻度環(huán)刻度確定電導(dǎo)率的乘因子;通過(guò)半空間刻度確定儀器固有誤差和大地影響;溫度影響通過(guò)溫度影響數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行校正,該數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)對(duì)儀器加溫獲取。

1.2 陣列感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量信號(hào)溫度影響分析

陣列感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量信號(hào)的溫度影響因素十分復(fù)雜,每支儀器的各子陣列的溫度曲線的變化特性很難完全一樣,有時(shí)差別很大。圖1是1支陣列感應(yīng)測(cè)井儀MIT的2個(gè)子陣列的4次加溫曲線,大小和變化趨勢(shì)完全不一樣。經(jīng)過(guò)研究分析,將陣列感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量信號(hào)的溫度影響歸結(jié)為2個(gè)方面:電子線路溫漂和線圈系基值溫漂。測(cè)量信號(hào)隨溫度變化特性是2個(gè)方面因素的綜合體現(xiàn)。

1.2.1 電子儀電路溫漂

在空氣測(cè)量環(huán)境,陣列感應(yīng)測(cè)井儀的接收信號(hào)很小,刻度后的電導(dǎo)率應(yīng)該為穩(wěn)定的0 mS/m。但是隨溫度變化,電阻、電感、電容、運(yùn)算、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線電阻等元器件以及接地和屏蔽、連線之間干擾等因素均發(fā)生變化,電導(dǎo)率不再是0 mS/m。電子儀部分的溫度影響分2種,一種是信號(hào)放大增益隨溫度的變化;另一種是電子儀與線圈系組裝后,對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的影響。前者通過(guò)內(nèi)刻和內(nèi)零實(shí)時(shí)刻度法進(jìn)行消除,后者將寄生到最終的測(cè)量信號(hào)中。

1.2.2 線圈系基值的溫漂

陣列感應(yīng)測(cè)井儀的線圈系由金屬芯軸、玻璃鋼、線圈、線圈的內(nèi)外屏蔽、引線、接地、組合部件等部分組成。線圈骨架置于玻璃鋼套筒內(nèi)的硅油環(huán)境里,當(dāng)溫度變化時(shí),材料的幾何尺寸和導(dǎo)電性能將發(fā)生變化,同時(shí)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)發(fā)生變化。幾何尺寸的變化對(duì)短子陣列影響最顯著。

圖2(a)是某陣列感應(yīng)測(cè)井儀的A12MR測(cè)量信號(hào)與溫度變化的一段曲線。顯然,測(cè)量信號(hào)與溫度之間不是簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。

1.3 溫度測(cè)量誤差

儀器的溫度是通過(guò)溫度傳感器采集的。MIT采用高精度的熱敏電阻溫度傳感器,其電阻值隨溫度的升高而同步增大。熱敏電阻接在測(cè)量線路中,溫度傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)運(yùn)放電路放大后輸出。正常工作時(shí),溫度電路在數(shù)據(jù)采集板控制信號(hào)的控制下輸出溫度測(cè)量信號(hào)和溫度刻度信號(hào)。溫度測(cè)量使用8位模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換。圖2(b)是對(duì)應(yīng)圖2(a)子陣列A12MR溫度從106 ℃到127 ℃時(shí)測(cè)量溫度與記錄點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系。由于A/D轉(zhuǎn)換精度低,存在量化誤差。

圖2 某陣列感應(yīng)測(cè)井儀的子陣列A12MR的測(cè)量信號(hào)與記錄點(diǎn)、溫度之間的關(guān)系

1.4 測(cè)量信號(hào)的遲滯和非單調(diào)性

陣列感應(yīng)測(cè)井儀MIT的線圈纏繞在陶瓷骨架上,外面是用膠粘的屏蔽皮。組裝時(shí),1個(gè)發(fā)射和8組(16個(gè))接收線圈組裝在金屬芯棒上,中間放置多個(gè)陶瓷或玻璃鋼連接材料,連線后整個(gè)骨架置于玻璃鋼筒內(nèi)。筒內(nèi)充滿用于壓力平衡的硅油。由于這些復(fù)雜的組裝工藝,以及使用了玻璃鋼、硅油和膠等非線性材料。剛組裝好的線圈系的溫度特性不穩(wěn)定,前幾次加溫,溫度曲線不一樣。當(dāng)線圈系老化后,2次加溫的曲線將重合,此時(shí)的溫度曲線才能作為儀器的溫度校正曲線。如果材料的溫度非線性嚴(yán)重,加溫方式不正確,曲線存在嚴(yán)重的遲滯現(xiàn)象。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)介紹了陣列感應(yīng)測(cè)井儀溫度曲線的遲滯問(wèn)題與解決方法。目前的MIT測(cè)井儀器通過(guò)采用無(wú)感液體加溫新技術(shù),有效地解決了遲滯問(wèn)題。溫度曲線的非線性問(wèn)題是很難有效解決的。圖3中實(shí)線是信號(hào)A15MR隨溫度的變化關(guān)系,開(kāi)始時(shí)是微小波動(dòng),然后平直線,之后非線性下降,大于105 ℃時(shí)又發(fā)生變化。

圖3 子陣列A15MR非線性溫度曲線與擬合

2 溫度影響校正方法

2.1 溫度測(cè)量誤差校正

(1) 增加模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù),位數(shù)多,測(cè)量精度高[7-8]。該方法的缺點(diǎn)是需要重新設(shè)計(jì)溫度采集電路。

(2) 針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)提出一種可行的方案。仔細(xì)分析圖2(b)中的溫度記錄曲線知,溫度變化是有一定規(guī)律的。加溫時(shí),從整體趨勢(shì)看,溫度是上升的,溫度數(shù)值不連續(xù),只有有限個(gè)臺(tái)階變化。先前的方法沒(méi)有注意到該現(xiàn)象,溫度每隔3 ℃等間隔分段。有的溫度有測(cè)量值,有的溫度沒(méi)有。沒(méi)有時(shí),取最近溫度對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。溫度與測(cè)量信號(hào)不對(duì)應(yīng)導(dǎo)致校正出現(xiàn)誤差。根據(jù)溫度記錄數(shù)據(jù)有限,且整體趨勢(shì)一致的特點(diǎn),提出直接選擇離散溫度作為記錄溫度,這樣就消除了溫度測(cè)不準(zhǔn)以及溫度與測(cè)量值不對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的誤差。我們稱為逐點(diǎn)溫度校正法。

2.2 信號(hào)測(cè)量誤差校正

圖2(c)表明,測(cè)量信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)多,測(cè)量精度滿足要求,不存在量化誤差,測(cè)量誤差來(lái)源于隨機(jī)噪聲和異常脈沖干擾。消除隨機(jī)噪聲的最有效方法就是平均值濾波,而消除異常脈沖干擾的有效方法是中值濾波[9]。將兩者結(jié)合起來(lái)消除測(cè)量信號(hào)中的隨機(jī)和異常噪聲。

具體方法:①找出同一個(gè)離散溫度對(duì)應(yīng)的所有測(cè)量值;對(duì)所有測(cè)量值進(jìn)行從小到大排序;②計(jì)算所有測(cè)量值的平均值;③根據(jù)測(cè)量精度確定信號(hào)變化范圍,剔出變化范圍之外的異常數(shù)據(jù);④對(duì)剩余數(shù)據(jù)重新計(jì)算平均值,得到測(cè)量溫度對(duì)應(yīng)的信號(hào)測(cè)量值。

設(shè)計(jì)程序,對(duì)每個(gè)離散溫度點(diǎn)自動(dòng)處理就可得到所有離散溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)測(cè)量值,這些測(cè)量值消除了隨機(jī)噪聲和異常脈沖干擾的影響。

圖4 某支陣列感應(yīng)測(cè)井儀溫度數(shù)據(jù)的2種方法校正效果比較

2.3 測(cè)量信號(hào)變化趨勢(shì)校正

儀器加溫時(shí),記錄了大量測(cè)量信號(hào)與溫度數(shù)據(jù),采用線性擬合法進(jìn)行測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)校正[5]。當(dāng)測(cè)量信號(hào)與溫度的關(guān)系是線性時(shí),這種方法簡(jiǎn)單。實(shí)際上,圖1表明,測(cè)量信號(hào)與溫度的關(guān)系經(jīng)常不是線性關(guān)系。先前采用函數(shù)擬合法,用多項(xiàng)式擬合測(cè)量信號(hào)與溫度關(guān)系曲線,得到擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。實(shí)際測(cè)井時(shí),只需將溫度帶入多項(xiàng)式公式,得到溫度影響偏移基值量,測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)減去該偏移量就可實(shí)現(xiàn)溫度影響校正。當(dāng)測(cè)量信號(hào)與溫度之間是近似線性關(guān)系或者曲線變化簡(jiǎn)單時(shí),這種方法誤差較小。如果關(guān)系復(fù)雜(如圖3所示的子陣列A15MR),擬合函數(shù)不能表達(dá)復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系,溫度校正誤差較大,尤其是測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在加溫范圍之外需要外延時(shí)。圖3中給出了線性擬合(長(zhǎng)點(diǎn)劃線)和二次多項(xiàng)式擬合(短點(diǎn)劃線)結(jié)果。線性擬合誤差大于二次多項(xiàng)式擬合,但二次多項(xiàng)式擬合仍不能準(zhǔn)確反映溫度影響特性。針對(duì)目前MIT溫度測(cè)量值有限的特點(diǎn),采用分段線性溫度影響校正方法。首先通過(guò)無(wú)感液體加溫裝置多次加溫試驗(yàn),得到穩(wěn)定的溫度曲線。其次,找出記錄的所有離散溫度,將其作為溫度分段端點(diǎn),同時(shí)計(jì)算離散溫度對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào),建立溫度影響數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)際使用時(shí),根據(jù)測(cè)量溫度所在的溫度區(qū)間,用區(qū)間兩端點(diǎn)線性插值計(jì)算溫度對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)。

2.4 建立溫度校正數(shù)據(jù)庫(kù)與有效性檢驗(yàn)

從式(1)知,溫度校正的目的是消除溫度變化對(duì)刻度基值的影響?？潭仁窃趦x器加溫之后完成的,因此,儀器加溫時(shí)只能得到測(cè)量信號(hào)隨溫度變化關(guān)系的曲線,與刻度無(wú)關(guān)。提出了與刻度相結(jié)合的溫度校正歸零法驗(yàn)證溫度校正結(jié)果。在完成工程刻度得到儀器刻度系數(shù)(乘因子)后,取工程刻度的溫度對(duì)應(yīng)的測(cè)量電導(dǎo)率值為0 mS/m,重新生成加溫?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。這就是最終應(yīng)用于實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)溫度校正的數(shù)據(jù)庫(kù)。

利用溫度校正歸零法可以檢驗(yàn)溫度校正效果。對(duì)加溫?cái)?shù)據(jù)回放,用歸零后的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行溫度校正,檢驗(yàn)校正后的測(cè)量值是否在0 mS/m值附近波動(dòng),如果是,且波動(dòng)在規(guī)定誤差范圍內(nèi),其溫度校正正確,歸零后的數(shù)據(jù)保存作為儀器的溫度校正數(shù)據(jù)庫(kù)。如果誤差較大,分析檢查原因,重新加溫或?qū)x器進(jìn)行返工檢測(cè)。

3 溫度校正效果分析

3.1 建立儀器的溫度影響校正庫(kù)

根據(jù)溫度影響分析和校正方法,總結(jié)出溫度影響校正庫(kù)建立步驟,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序。

(1) 按等深度測(cè)井方式記錄儀器加溫過(guò)程的溫度和信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)。

(2) 提取記錄溫度。從記錄的離散溫度數(shù)據(jù)中通過(guò)設(shè)計(jì)程序自動(dòng)找出所有不同的記錄溫度并保存。

(3) 計(jì)算記錄溫度對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)。找出同一個(gè)記錄溫度對(duì)應(yīng)的所有測(cè)量信號(hào),先進(jìn)行中值濾波,剔出異常數(shù)據(jù)后剩余數(shù)據(jù)的平均值就是離散溫度值對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)。對(duì)所有記錄溫度作同樣處理就可生成儀器的溫度影響數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 某支陣列感應(yīng)測(cè)井儀的新方法溫度校正圖版與校正效果

(4) 建立歸零溫度校正數(shù)據(jù)庫(kù)。在完成工程刻度后,利用正確的刻度系數(shù)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,保證刻度溫度對(duì)應(yīng)的測(cè)量值為零,重新生成溫度影響數(shù)據(jù)庫(kù),這就是溫度影響校正數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)際使用時(shí)要求工程刻度溫度必須在溫度加溫范圍內(nèi)。

(5) 驗(yàn)證儀器加溫曲線的有效性。利用歸零后的溫度校正數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)儀器加溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行溫度校正,檢查數(shù)據(jù)是否在0值附近波動(dòng),如果是,生成溫度校正數(shù)據(jù)庫(kù)正確,否則檢查可能存在的問(wèn)題,然后重新生成溫度校正數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 實(shí)際儀器溫度校正測(cè)試

圖4中(a)和(b)分別給出了某支陣列感應(yīng)測(cè)井儀的加溫?cái)?shù)據(jù)用新舊2種溫度校正方法校正效果比較。舊方法中,先在記錄溫度范圍內(nèi)對(duì)溫度整數(shù)等間隔劃分,間隔為3 ℃,然后找最接近溫度分段的離散溫度,對(duì)該離散溫度對(duì)應(yīng)所有測(cè)量點(diǎn)的平均值就是溫度分段對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。最后對(duì)測(cè)量值與溫度關(guān)系曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,保存擬合系數(shù)。實(shí)際使用時(shí)將溫度代入擬合多項(xiàng)式快速計(jì)算溫度影響值,實(shí)現(xiàn)溫度影響校正。圖4(a)是用實(shí)際離散溫度值代入擬合函數(shù)后的回放結(jié)果。曲線整體偏離0 mS/m基線(如A27MR),這是由于x軸的測(cè)量溫度與y軸測(cè)量值實(shí)際對(duì)應(yīng)的溫度不一致;曲線出現(xiàn)“S”型波動(dòng)或非線性偏離0 mS/m基線(如A6HR)是由于擬合多項(xiàng)式與實(shí)際曲線趨勢(shì)不一致。

圖4(b)是新方法校正結(jié)果。由于溫度與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的溫度一致,分段足夠多,分段線性插值誤差小,因此,校正后的曲線在0 mS/m基線附近±1 mS/m范圍內(nèi)波動(dòng),溫度校正效果明顯優(yōu)于之前的方法。

圖6 新舊2種校正方法回放溫度校正曲線比較

圖5(a)和圖5(b)是另一支MIT測(cè)井儀器用新方法生成的溫度校正圖版和校正效果檢驗(yàn)。工程刻度溫度為37.859 ℃,在溫度數(shù)據(jù)庫(kù)范圍內(nèi)。采用了溫度校正歸零法,在工程刻度溫度時(shí)校正誤差為0。校正效果表明曲線在0 mS/m基線附近波動(dòng),清楚看出溫度校正誤差小于1 mS/m。

圖6是通過(guò)回放方式檢驗(yàn)校正效果。舊方法回放曲線中[圖6(a)和圖6(b)]在22 ℃時(shí)只有A6HR、A21MR和A21LR有一點(diǎn)偏離0 mS/m基線。在130 ℃時(shí),A6HR明顯偏離0 mS/m基線,A21MR和A21LR接近0 mS/m基線,A27MR、A27LR、A15HR和A15MR偏離0 mS/m基線。新方法回放時(shí),整個(gè)加溫范圍的曲線均在0 mS/m基線附近,表明校正效果良好。

4 結(jié) 論

(1) 詳細(xì)分析了陣列感應(yīng)測(cè)井儀加溫?cái)?shù)據(jù)的測(cè)量溫度和測(cè)量信號(hào)中存在的噪聲與影響因素。信號(hào)測(cè)量中存在隨機(jī)噪聲和脈沖異常干擾影響。溫度測(cè)量中,由于模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)少,除了這2種影響外,還存在量化誤差。

(2) 測(cè)量信號(hào)與溫度關(guān)系復(fù)雜,不是簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。針對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方法和實(shí)現(xiàn)方案。新的溫度影響校正方法,效果直觀,程序調(diào)用方便靈活,在不同的溫度刻度時(shí)產(chǎn)生所對(duì)應(yīng)的溫度圖版,提高了陣列感應(yīng)測(cè)井儀的測(cè)量精度。

(3) 實(shí)際儀器加溫?cái)?shù)據(jù)溫度校正驗(yàn)證了新方法的有效性。本文提出的方法可推廣應(yīng)用于其他類(lèi)型陣列感應(yīng)測(cè)井儀的溫度影響校正。

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