存儲式微電阻率成像測井儀關鍵技術研究與設計*

尹國平，陽成軍，張雄輝，蔡志明，陳 超

(中國石油測井有限公司西南分公司 重慶 400021)

0 引 言

目前，過鉆具存儲式測井(全文簡稱“存儲式測井”)及類似工藝的測井是解決頁巖氣等復雜長水平井、大斜度井的主要工藝技術方案，具有高時效、低風險等技術優(yōu)勢[1]。由于頁巖氣井地層的特殊性，為了對頁巖氣井進行更準確、全面的精細儲層評價[2]，除常規(guī)測井資料之外，還需要獲取陣列聲波、微電阻率成像等資料。目前國內(nèi)存儲式測井儀器主要有自然伽馬、井斜方位、補償聲波、雙側(cè)向、中子、密度、陣列感應等，無電阻率成像、陣列聲波、自然伽馬能譜等高端儀器；國外公司的存儲式測井除了常規(guī)測井儀器外，電阻率成像、陣列聲波、自然伽馬能譜已陸續(xù)投入使用。為了減小與國外同行的差距，提升產(chǎn)品競爭力，打破國外公司在高端測井服務項目的壟斷地位，研制存儲式微電阻率成像測井儀是非常必要的。由于存儲式微電阻率成像測井儀的直徑小，僅60 mm，采用電池供電，發(fā)射信號弱，其研制難度大，儀器機械結構設計和信號處理是研發(fā)的關鍵。

1 工作原理

1.1 儀器測量原理

存儲式微電阻率成像測井儀井下儀器串主要包括釋放短節(jié)、扶正器、成像主電路短節(jié)、絕緣短節(jié)、成像探頭和伽馬短節(jié)等，測量原理與傳統(tǒng)電纜成像測井原理相同，利用多極板上的多排鈕扣狀的小電極向井壁地層發(fā)射電流[3]。儀器測量原理和井下儀器串組合如圖1所示。由于電極接觸的巖石成分、結構及所含流體的不同，由此引起電流的變化，電流的變化反映井壁各處的巖石電阻率的變化。在處理時通常把電流電平轉(zhuǎn)換成灰度顯示，不同級別的灰度表示不同的電流電平，這樣就可用灰度圖來顯示井壁電阻率的變化，從而實現(xiàn)電阻率的井壁成像[4]。

圖1 儀器測量原理和井下儀器串組合

1.2 井下儀器模塊框圖

整串存儲式微電阻率成像井下儀包括發(fā)射模塊、極板模塊、主控制板、線路電源板、極板電源板、存儲板和電池7個部分，如圖2所示。其中發(fā)射模塊產(chǎn)生4 kHz正弦波，發(fā)射入地層；極板模塊采集13個極豆的電流送至采集板進行數(shù)字采集的運算處理，結果發(fā)送到主控制板；主控制板負責各模塊數(shù)據(jù)流，匯總打包后發(fā)送至存儲板；電源管理板控制儀器所用模塊的加電時序、電流監(jiān)控和過流保護等；存儲板存儲所有數(shù)據(jù)，并負責地面數(shù)據(jù)讀出；電池給井下儀器供電，允許最小功率28 W。

圖2 井下儀器模塊框圖

2 機械結構設計

2.1 儀器串結構

如圖3所示，存儲式微電阻率成像井下儀器串結構主要由成像主電路短節(jié)、探頭電子線路、極板主件、探頭主體和絕緣短節(jié)5部分組成。

2.2 井眼覆蓋率

儀器采用雙層極板錯位設計以實現(xiàn)小直徑儀器井眼高覆蓋率目的。儀器配接兩個探頭且可以互換，每個探頭包含4個極板，每個極板包含13個測量電極發(fā)射測量電流，共獲得104條曲線以生成微電阻率圖像。井眼尺寸與覆蓋率如圖4所示。該儀器在6 in(1 in=25.4 mm)井眼的覆蓋率達55%，優(yōu)于某國外公司的微電阻率成像儀器的47%[5]。

圖4 井眼覆蓋率

2.3 極板耐高壓設計

儀器極板采用自承壓技術，即外殼本身既做承壓保護殼體，同時也兼做屏蔽電極，用來聚焦發(fā)射電流，聚焦電流和測量電流一同在推靠器上端的電子線路外殼返回。如圖5所示，極板外殼選用高強度耐磨損合金材料，外部均布鑲嵌耐磨豆，極大地提高了極板的使用壽命。極板采用電路整體注塑工藝，提高極板承壓問題，極板封裝后經(jīng)高壓測試，耐壓超過120 MPa，遠高于某國外公司微電阻率成像儀器的86 MPa，同時該極板還具有安裝拆卸方便和檢測維修簡單等優(yōu)點。

圖5 極板結構示意圖

2.4 推靠設計

儀器的推靠采用板簧設計，純機械結構，無需電動或者液壓輔助，儀器泵出后能緊貼井壁，安全性和可靠性高?；?0 mm外徑的嚴苛需求，推靠系統(tǒng)結構盡可能小型化。推靠器小型化設計在考慮優(yōu)化結構的同時，采用高屈服強度彈簧鋼，在板簧上設計有耐磨塊確保板簧不會與井壁接觸損傷板簧，儀器工作時板簧一端固定，滑動塊根據(jù)井徑變化移動，最大開腿尺寸280 mm，確保極板與井壁貼合，滿足測井要求，其推靠結構如圖6所示。

圖6 推靠結構示意圖

3 微弱信號處理

對于高阻地層，發(fā)射信號被極大衰減，極端情況有效測量信號僅有微伏級別，不僅如此，儀器為了滿足測井速度還要求快速測量，這對電路的微弱信號處理提出極端的要求。一方面，采用最精密的模擬電路器件，并在設計中避免電路自身熱噪聲、散粒噪聲，低頻噪聲等的影響；第二方面，微弱信號處理部分高度集成，避免分散的電路受到來自外部的輻射干擾；第三方面，增加精密低漂的模擬帶通濾波器及數(shù)字濾波器，以最大限度濾出無用信號，提高信噪比。存儲式微電阻率成像極板電路信號流程如圖7所示。

圖7 極板電路信號流程

儀器極板前放電路具備18BITs的分辨能力。通過芯片的高集成度降低電路板的密度，進而提高可靠性，同時對采集數(shù)據(jù)本地運算后上傳至線路。微弱的發(fā)射電流信號經(jīng)過IV變換器轉(zhuǎn)換成電壓信號，該信號放大后經(jīng)濾波處理，濾除不需要的干擾信號，之后再做模數(shù)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字的測量數(shù)據(jù)，同時增加4 kHz頻率的濾波處理；然后測得的信號為矢量信號，經(jīng)過計算其模與相位最終求得真實信號的有效值。

圖7中的極豆規(guī)一化的目的是處理不同鈕扣電極通過不同模擬采集通道存在的采集誤差。規(guī)一化處理就是能通過數(shù)字的辦法，出廠前測量極板前放每個通道的零點偏移參數(shù)，線性誤差參數(shù)，存儲在FLASH中，在測量時調(diào)出相應的參數(shù)換算最終的測量值。

由于發(fā)射的正弦4 kHz信號做不到純凈正弦波，存在三次諧波12 kHz信號干擾測量，利用FFT(快速傅里葉變換)頻率抽取算法[6]的目的就是剔除干擾信號，提取有用的頻率分量。

4 結 論

存儲式微電阻率成像測井儀通過極板自承壓設計技術保證了極板承壓指標；通過配接多個探頭提高了測量覆蓋率；通過燈籠型板簧解決小尺寸成像推靠問題；通過IV轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理、數(shù)字濾波、歸一化和FFT處理等信號處理措施獲得有效的地層信息。樣機室內(nèi)測試證明，機械結構設計合理，該儀器的推靠系統(tǒng)在模擬井下環(huán)境中工作正常，信號調(diào)理方法可解決微弱信號處理難題，可進入現(xiàn)場測試。