小直徑陣列感應(yīng)測井儀設(shè)計

王漢彬，劉瑞府

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453000；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司天津分公司 天津 300280)

0 引 言

在發(fā)射線圈所造成的交變電磁場作用下，地層中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，稱為渦流，地層中的渦流強(qiáng)度近似與地層電導(dǎo)率成正比。渦流又會形成二次交變電磁場。在二次交變電磁場的作用下，接收線圈中會產(chǎn)生感生電動勢，感生電動勢和渦流強(qiáng)度有關(guān)，即與地層電導(dǎo)率有關(guān)，這便是感應(yīng)測井理論的基礎(chǔ)。有時為了獲取地層原始含油氣飽和度信息，需要油基鉆井液鉆井，甚至空氣鉆井，井內(nèi)沒有導(dǎo)電介質(zhì)，不能用直流電法測井，感應(yīng)測井理論的使用很好的解決了這一矛盾[1-2]。近年來，為了應(yīng)對油田對薄層油氣的開發(fā)及評價，以及復(fù)雜井況、水平井和小井眼測井的需求，陣列感應(yīng)以其測量信息豐富、分辨率高、探測深度深、地層電阻率測量準(zhǔn)確、油氣水侵入關(guān)系反映明顯、適用條件寬、長度短等優(yōu)勢，被越來越多的油田所認(rèn)可[3]。

為了提高水平井及復(fù)雜井況測井的施工安全，縮短了陣列感應(yīng)長度為4.5 m，并且設(shè)計了可以使用泵出式和鉆具輸送的存儲式數(shù)據(jù)記錄方式。由于水平井測井時間都比較長，電路采用高溫、高集成化器件，無保溫瓶設(shè)計。線圈采用陶瓷結(jié)構(gòu)及壓力平衡裝置，熱穩(wěn)定性更好，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

1 線圈系設(shè)計

1.1 線圈系參數(shù)設(shè)計

線圈采用單邊形式，共五個三線圈系，每個線圈系均為一個發(fā)射T、一個主接收R、一個輔助屏蔽B。線圈排列結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1線圈排列結(jié)構(gòu)圖

任意兩個線圈之間的距離太近，不僅調(diào)整難度較大，而且工藝上很難實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)烈的互感也會淹沒有用的地層信號，帶來較大的噪聲。根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，線圈之間距離大于4 cm后都可以滿足要求。主間距近，信號大，主間距遠(yuǎn)，信號小，所以主間距越遠(yuǎn)，設(shè)計采用的匝數(shù)也越大，以確保信號水平在一個數(shù)量級上，確保等誤差分布，有利于后期的曲線合成。

設(shè)計發(fā)射線圈的匝數(shù)TN=100，發(fā)射線圈、接收線圈、屏蔽線圈均采用線徑d=0.3 mm的漆包線。根據(jù)三線圈系感應(yīng)測井理論[3]，儀器總的直耦信號(Vm)為接收線圈直耦信號(VmTR)與屏蔽線圈直耦信號(VmTB)的和，即:

Vm=VmTR+VmTB

(1)

ω為電流變化的角頻率，rad/s;μ為磁導(dǎo)率，H/m;IT為發(fā)射電流，A;AT為發(fā)射線圈橫截面積，m2;NT為發(fā)射線圈匝數(shù)；AR為接收線圈截面積，m2;AB為屏蔽線圈截面積，m2;NR和NB是接收和屏蔽線圈的匝數(shù)；LTR是發(fā)射到接收線圈的距離，m;LTB是發(fā)射到屏蔽線圈的距離，m。由于三線圈均繞在同一芯棒上，所以三線圈截面積相同，取LTR=L,LTB=αL，主屏比α=LTB/LTR，因此式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

要使直耦分量為0即Vm=0，式(2)變?yōu)镹B=-αNR，根據(jù)公式，線圈具體設(shè)計參數(shù)見表1。

線圈系的主間距(T-R為): 12、19、28、41、63 in，主間距的設(shè)計主要考慮最終合成電阻率曲線的探測深度均在兩個線圈系的原始探測深度之間或附近，減小曲線合成帶來的誤差。12 in的短陣列提供高分辨率和淺探測信息，改善井眼校正。63 in加大探測深度，提高遠(yuǎn)探測信息的合成精度。根據(jù)儀器設(shè)計的目標(biāo)，儀器原始的分辨率特性和探測深度特性，經(jīng)過數(shù)子聚焦、分辨率匹配后得到縱向分辨率為1、2、4ft，徑向探測深度為10、20、30、60、90 in。

表1 線圈設(shè)計參數(shù)表

注：1 in=25.4 mm,1 ft=304.8 mm

1.2 線圈系的探測特性分析

Doll幾何因子是Doll(1949)在提出感應(yīng)測井方法的同時，為了描述地層各部分對測量信號貢獻(xiàn)，即感應(yīng)測井測量信號來源而提出的。被用于分析感應(yīng)儀器的理想徑向和縱向探測特性[4]。它將地層看作由很多小的導(dǎo)電環(huán)組成，不考慮導(dǎo)電環(huán)之間的相互影響。其表達(dá)式為：

(3)

Z為單元環(huán)的縱向坐標(biāo)，ρ單元環(huán)的徑向坐標(biāo)，rT為單元環(huán)與發(fā)射線圈的距離，rR為單元環(huán)與接收線圈的距離，L為發(fā)射線圈與接收線圈的距離。

1.2.1 原始探測深度

根據(jù)Doll幾何因子理論，其徑向積分幾何因子表現(xiàn)的是半徑為R無限長圓柱狀地層對測量信號的相對貢獻(xiàn)。表達(dá)式為見式(4):

(4)

根據(jù)表達(dá)式(4)得到徑向積分幾何因子圖見圖2 。

圖2 儀器徑向積分幾何因子圖

根據(jù)徑向積分響應(yīng)函數(shù)的50%點(diǎn)為探測深度的定義[5]，所設(shè)計儀器五個陣列原始探測深度依次為0.35、0.61、0.90、1.30、1.90 m。原始探測深度均分布在合成探測深度的附近，保證了合成數(shù)據(jù)的可靠性。

1.2.2 原始分辨率

根據(jù)Doll幾何因子理論，縱向微分幾何因子表現(xiàn)的是單位厚度水平薄層對測量信號的相對貢獻(xiàn)大小。表達(dá)式為:

(5)

根據(jù)表達(dá)式(5)得到縱向微分幾何因子圖見圖3。

圖3 縱向微分幾何因子圖

根據(jù)縱向微分響應(yīng)函數(shù)90%貢獻(xiàn)量為原始分辨率的定義[5]，可得到五個陣列的原始分辨率依次為0.35、0.55、0.75、1.15、1.75 m。 不同分辨率的曲線經(jīng)過匹配后得到統(tǒng)一的1、2、4三種分辨率的曲線。

2 硬件設(shè)計

硬件電路的設(shè)計采用了以高速FPGA和DSP為核心模塊電路，F(xiàn)PGA選用Actel公司的A3P1000，DSP選用ANALOG DEVICES公司ADSP-BF506。FPGA模塊集成了發(fā)射控制、A/D數(shù)據(jù)采集、刻度控制、以及SPI 通訊等功能。DSP模塊主要包含了數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)上傳等功能[6]。

FPGA模塊中，發(fā)射控制主要是給發(fā)射電路提供多頻發(fā)射邏輯，刻度控制主要是實(shí)現(xiàn)儀器內(nèi)刻與外刻的切換。FPGA還負(fù)責(zé)將A/D采集的信號通過SPI總線發(fā)送給DSP模塊。DSP模塊中，主要功能是將FPGA發(fā)送來的感應(yīng)信號進(jìn)行數(shù)字濾波和傅里葉變換。直傳模式下，DSP模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控儀，由主控儀將感應(yīng)數(shù)據(jù)和其它儀器的數(shù)據(jù)打包，通過電纜發(fā)送到地面計算機(jī)。在存儲模式下，儀器數(shù)據(jù)會分別存儲在DSP模塊和主控儀的Flash中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙備份，儀器完成測井后，再由地面系統(tǒng)讀取Flash中的數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計框圖如圖4所示。

發(fā)射電流取樣電路主要通過取樣變壓器對發(fā)射電流進(jìn)行取樣。由于在不同的溫度環(huán)境中，發(fā)射信號的幅度和相位會有變化，通過取樣發(fā)射信號，對接收信號的相位和幅度進(jìn)行修正。前置放大濾波電路是將接收線圈信號、刻度信號以及取樣信號進(jìn)行放大和濾波。信號經(jīng)過放大和濾波后，再進(jìn)入FPGA 模塊中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及后續(xù)處理。

圖4 硬件設(shè)計框圖

3 軟件設(shè)計

FPGA采用Verilog語言描述，主要功能包括：通過SPI總線與DSP通訊；產(chǎn)生發(fā)射電路的輸入邏輯；控制A/D芯片進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換；進(jìn)行刻度換擋等。

DSP軟件主要功能：通過SPI總線控制FPGA，完成測井模式和刻度模式下的工作；通過網(wǎng)絡(luò)接口，使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與主控儀的數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)再通過主控儀，打包其它儀器數(shù)據(jù)上傳到地面系統(tǒng)或進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲備份。DSP軟件工作流程圖如圖5所示。

圖5 DSP軟件工作流程圖

4 試驗(yàn)測試

儀器對5個陣列均使用2 Ω電阻，直徑75 cm刻度盤進(jìn)行刻度。刻度后，儀器選擇了不同阻值的電阻進(jìn)行了線性驗(yàn)證，一陣列是距離發(fā)著線圈最近的陣列,五陣列是距離發(fā)著線圈最遠(yuǎn)的陣列,其它三個陣列的誤差等級均分布在這兩個陣列數(shù)據(jù)之間，這兩個陣列的線性誤差數(shù)據(jù)見表2。一陣列主要反映了近井眼電阻率情況，五陣列主要反映原狀地層電阻率情況。從表中可以看出，視電導(dǎo)率均達(dá)到了±2 mS/m或3%測量誤差的設(shè)計要求，儀器整體線性度較好。并且在高電阻率地層(在刻度電阻取值500 Ω)，均有較高的測量精度。體現(xiàn)了儀器在高阻地層較強(qiáng)的測量能力。

表2 一陣列和五陣列的線性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

儀器在進(jìn)行完刻度和溫度校正以后，進(jìn)行了上井試驗(yàn)，對上井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了電阻率合成以及一維反演。出圖曲線如圖6所示。

電阻率合成的曲線輸出共得到3種分辨率5種探測深度共15條曲線。選取了2 ft分辨率的合成電阻率曲線進(jìn)行一維反演，獲得地層真電阻率、沖洗帶電阻率、侵入深度等參數(shù)。利用泥質(zhì)含量、孔隙度、電阻率比值對侵入深度進(jìn)行約束，然后再重新計算地層真電阻率、沖洗帶電阻率，結(jié)合井徑、泥漿電阻率擬合出電阻率侵入剖面[7]。

圖6 電阻率合成及一維反演出圖曲線

5 結(jié)束語

儀器的主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)與國外引進(jìn)的陣列感應(yīng)儀器接近，但是儀器總長更短、重量更輕。并且采用電纜和存儲式雙模式測井，選擇更靈活，更加有利于施工的安全，對復(fù)雜井況和水平井測量有獨(dú)特的優(yōu)勢。儀器采用陶瓷復(fù)合線圈系，以高集成化數(shù)字電路系統(tǒng)為核心，信號的穩(wěn)定性和測量精度高，可靠性好。設(shè)計了獨(dú)立的、成熟的配套反演解釋軟件，具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。儀器可與其它儀器組合測井，提高測井時效。具有多種分辨率和探測深度的出圖曲線，更有利于薄層及薄互層特性劃分。