陣列側(cè)向測井技術(shù)研究

吳玉飛

（杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310012）

陣列側(cè)向測井技術(shù)研究

吳玉飛

（杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310012）

在廣泛的模擬實驗基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種新型陣列側(cè)向儀器，采用一個供電電極和一系列對稱放置的聚焦電極進行測量，可提供多條具有不同探測深度的地層電阻率曲線。根據(jù)陣列側(cè)向測量原理分析了測井模型六種工作模式下的電場分布情況，重點介紹了陣列側(cè)向的電極系構(gòu)造、目的層厚度H變化、侵入半徑ri變化對測井曲線響應(yīng)的影響。

陣列側(cè)向；電極系；目的層厚度；侵入半徑

自然界中不同巖石和礦物的導電能力是不相同的，尤其地層中所含流體性質(zhì)不同時，導電性能差別很大。電阻率測井正是利用這一特點來區(qū)分鉆井剖面的巖層性質(zhì)和油氣性質(zhì)的。雙側(cè)向儀器是常規(guī)電阻率測井的主要方法之一，在油田勘探開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，但隨著油田開發(fā)程度的不斷提高，雙側(cè)向測井儀測量地層獲取信息少，不能詳細描述地層侵入剖面，縱向分辨率低（600 mm），此外，深側(cè)向測量受高阻層影響較大，特別是在測井儀接近套管（格羅寧根效應(yīng)）或鉆桿輸送測井儀（水平測井）情況下，往往不能提供真實的地層信息。為滿足薄層和精細化評價需求，需設(shè)計一種縱向分辨率不低于300 mm、同時具有多種探測深度的電極系來測量地層侵入剖面電阻率變化。

1　測量原理和工作模式分析

1.1測量原理

假設(shè)儀器半徑為rt，在儀器表面形成一個半徑為rt的圓柱形等位面，其電位為VA。等位圓柱面的長度相對于rt而言為無窮大。電流從等位柱面徑向發(fā)射入地層，然后在電位為零、半徑為L的同心電極上回流。模型圖如圖1所示。

圖1　模型圖

設(shè)長度為l的一段圓柱發(fā)出電流I0，并流向零電位的同心電極。假設(shè)兩個同心圓柱之間為均勻介質(zhì)，其電阻率為ρ。電場強度E和電流密度j有如下關(guān)系［1］：

高分辨率側(cè)向測井儀的電場聚焦系統(tǒng)和電極系的設(shè)計目的就是獲取類似模型所描述的電流形狀，即一個從等位圓柱發(fā)出的，經(jīng)地層到達距離為L的同心電極的徑向、平行電流束。

1.2工作模式分析

陣列側(cè)向測井儀共有六種探測模式，第一種為泥漿測量模式AL0，另外5種模式具有不同的徑向探測深度，分別為AL1～AL5。

1.2.1模式AL0

主電流I0由主電極A0流出，返回到電極A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’），測量M1（M1’）與M2（M2’）之間的電位差。由于主電極沒有聚焦，因此AL0主要探測泥漿和井眼影響，該工作方式視電阻率公式為：

1.2.2模式AL1～AL5

主電流I0由A0流出，保持監(jiān)督電極電壓相等，即VM1（M1’）=VM2（M2’）。AL1模式時屏流由A1（A1’）流出，電流返回到A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）電極；AL2模式時屏流由A1（A1’）、A2（A2’）流出，電流返回到A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）電極；AL3模式時屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）流出，電流返回到A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）電極；AL4模式時屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）流出，電流返回到A5（A5’）、A6（A6’）電極；AL5模式時屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）流出，電流返回到A6（A6’）電極。5種模式都保持屏蔽電極電壓相等，主電流I0在屏蔽電流的作用下，以垂直井壁方式進入地層，由于屏蔽電極不斷增加，儀器的探測深度逐步加深，地層的滲透層、非滲透層得到精細劃分。

AL1～AL5等5種工作方式都是測量主電極的電位VA0與電流I0，求解視電阻率的公式為：

1.2.3AL0～AL5方式電場分布

AL0～AL5工作方式有六種不同的電場分布，正因為電場分布的改變，儀器才能獲取不同徑向深度地層信息。6種工作方式電場分布如圖2～7所示（圖中，黑色為電極）。

圖2　Mode 0

圖3　Mode 1

圖4　Mode 2

圖5　Mode 3

圖6　Mode 4

圖7　Mode 6

2　電極系構(gòu)造和測井響應(yīng)分析

2.1電極系結(jié)構(gòu)和二分之一側(cè)向測井模型

陣列側(cè)向測井儀器的基礎(chǔ)是三側(cè)向，中間為發(fā)射主電流電極A0，兩側(cè)分別布置6組對稱電極。對稱電極兩兩短接，每對電極與主電極構(gòu)成一個三側(cè)向電極，在A0和A1電極之間有兩對監(jiān)督電極M1、M2。每個電極均向外發(fā)出具有一定聚焦能力的電流，具體電極組成如圖3所示，圖中畫出的僅為上半電極。當?shù)貙雨P(guān)于井軸旋轉(zhuǎn)對稱時，陣列側(cè)向響應(yīng)的求解區(qū)域簡化為圖8［2］。

圖8　測向測井模型

圖中，rh、ri分別為電極系半徑、侵入帶半徑和侵入半徑，H為目的層厚度，Rm、Rt、Rxo、Rsu、Rsd分別為泥漿電阻率、原狀地層電阻率、侵入帶電阻率、上圍巖電阻率和下圍巖電阻率。

2.2目的層厚度H變化響應(yīng)分析

目的層厚度和圍巖電阻率變化對目的層測量值的影響反映了儀器的分層能力和圍巖影響特性，根據(jù)低阻圍巖地層模型（Rsu，Rsd）和低阻圍巖（Rsu，Rsd）、高阻地層（Rt）模型，分析

目的層厚度的變化對讀數(shù)的影響，得出如下結(jié)論：陣列側(cè)向測井在層厚小于0.5 m時，不同探測深度曲線分辨率基本匹配，在層厚大于0.5 m后，不同探測深度曲線交替上升，較厚地層才達到不同的穩(wěn)定值，不同探測深度曲線隨目的層厚度的變化特性由電極系尺寸和聚焦模式?jīng)Q定。

2.3侵入半徑ri變化響應(yīng)分析

陣列側(cè)向測井儀的優(yōu)點之一是提供比雙側(cè)向測井儀更多的不同探測深度曲線，可以反映滲透性地層的侵入特性。根據(jù)低侵低阻圍巖地層模型、低侵低阻圍巖高阻地層模型和高侵低阻圍巖地層三種模型分析，總結(jié)出各種地層情況下的侵入半徑變化對不同探測深度曲線的影響。

（1）低侵地層中，侵入半徑為0.1～0.3 m時不同探測深度曲線受侵入影響嚴重；0.3～1 m時不同探測深度曲線非線性變化；大于1 m 時，曲線達到穩(wěn)定值。陣列側(cè)向測井的5個探測深度曲線AL1、AL2、AL3、AL4和AL5中，只有AL1有變化，在100 ?m的高阻層變化明顯，其余探測深度曲線之間的分離變化很小，探測深度接近。

（2）高侵地層中，侵入半徑為0.1～0.6 m時，不同探測深度曲線受侵入影響嚴重，非線性變化快速上升；大于0.6 m 時，曲線逐漸達到不同的穩(wěn)定值，不同探測深度曲線的穩(wěn)定值不同，相互關(guān)系與正常的情形相反，最深值接近侵入電阻率，最淺值接近地層電阻率。

（3）地層模型不同時，陣列側(cè)向測井的儀器常數(shù)不一樣，與井徑、泥漿電阻率、地層電阻率、圍巖電阻率、侵入電阻率和目的層厚度的組合有關(guān)。

3　儀器實現(xiàn)和測井效果對比

3.1儀器實現(xiàn)

陣列側(cè)向原理框圖如圖9所示。陣列側(cè)向電子部分主要包括聚焦和驅(qū)動放大電路、主控和信號處理電路兩大部分。

圖9　陣列側(cè)向原理框圖

3.2測井效果對比

3.2.1遼河油田實井試驗情況

遼河油田完成1口試驗井和5口實井對比試驗。數(shù)解中心對3口實井出具了《陣列側(cè)向質(zhì)量評價報告》，具體情況如表1。3口井的泥漿性質(zhì)都是水基。

表1　測井對比試驗數(shù)據(jù)

通過對3口井的實際測井資料對比分析：（1）儀器重復性好；（2）儀器一致性較好；（3）陣列側(cè)向測井曲線形態(tài)和雙側(cè)向一致，在泥巖地層、砂巖地層及特殊巖性地層中，陣列側(cè)向深探測HLA5與深側(cè)向電阻率數(shù)值相近，陣列側(cè)向中探測HLA3與淺側(cè)向電阻率數(shù)值相近；（4）陣列側(cè)向電阻率曲線縱向分辨率高于雙側(cè)向。

圖10　遼河油田測井資料對比

3.2.2新疆克拉瑪依油田試驗情況

2015年5月，高分辨率陣列側(cè)向儀器在新疆油田模擬井與Schlumberger公司MAX-500陣列側(cè)向儀器進行了對比試驗［3］。儀器重復性、一致性良好，與MAX-500陣列側(cè)向?qū)Ρ龋ㄈ鐖D11所示），曲線形態(tài)基本一致，幅度大小基本一致，技術(shù)性能達到了國外同類儀器水平。

圖11　新疆克拉瑪依油田測井資料對比

4　結(jié)束語

陣列側(cè)向把改善的地層模型與數(shù)學反演技術(shù)結(jié)合在一起，采集地層高質(zhì)量的有效信息，可以得到更準確的地層真電阻率Rt。優(yōu)點是把不利因素的影響降至最小，不受參考電壓、格羅寧根和鉆桿效應(yīng)的影響。該儀器在薄層中有良好的縱向分辨率，改善了侵入剖面描述，這使得經(jīng)過反演得到的Rt更準確。以二維地層模型為基礎(chǔ)反演技術(shù)對陣列電阻率數(shù)據(jù)進行反演，可以得到更準確的地質(zhì)參數(shù)，尤其是薄層含油飽和度的計算。由于陣列側(cè)向不需要加長電極，在大滿貫測井中組合靈活，大大提高了測井時效，同時提高了測井安全性，因此，陣列側(cè)向的研究已經(jīng)成為目前國內(nèi)外電法測井的主要方向之一。

［1］ 馮啟寧. 測井儀器原理［M］. 北京： 石油工業(yè)出版社.2010.

［2］ 忤杰，謝尉尉. 陣列側(cè)向測井儀器的正演響應(yīng)分析［J］. 西安石油大學學報：自然科學版，2008，23（1）：73-76.

［3］ Schlumberger. HALT High-Resolution Laterolog Array Tool Schlumberger［Z］. 2000.