油基泥漿電成像儀器的研制與應(yīng)用

劉耀偉，于增輝，廖勝軍，王芝江，王 蕙

(中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201)

0 引 言

在頁巖氣開發(fā)與高溫深井鉆探中，油基泥漿應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的水基電成像儀器無法在油基泥漿中使用。為滿足現(xiàn)場需求，國際大公司迅速研制出油基泥漿電成像儀器投入工業(yè)應(yīng)用，典型儀器包括：斯倫貝謝的OBMI[1]、貝克休斯的Earth Imager[2]、哈利伯頓的OMRI[3]與威德福的OMI[4]。與水基電成像圖像相比，這四種儀器測得的圖像清晰度相對較差，僅能顯示出較為明顯的地層特征，難以滿足精細地質(zhì)評價需求。在2014年，斯倫貝謝公司在油基泥漿電成像測量方法方面取得突破，研制出了在油基泥漿井中可以測得高清晰井壁圖像的儀器NGI[5]，為這項技術(shù)在現(xiàn)場的規(guī)?；瘧?yīng)用創(chuàng)造了條件。我國在二十一世紀初開始研究油基泥漿電成像測井技術(shù)，并逐步取得突破。本文介紹了國產(chǎn)油基泥漿電成像測井儀器OGIT的測量原理、儀器設(shè)計與應(yīng)用效果。

1 工作原理

1.1 基本介紹

OGIT儀器可以在油基泥漿體系中測得井壁電導率圖像，直觀顯示出井壁地層特征，資料可以應(yīng)用于地層巖性識別、沉積構(gòu)造分析、縫洞識別評價、電阻率譜分析[6]、古水流方向判斷等。除了油基泥漿外，OGIT還可以在其它非導電介質(zhì)井中應(yīng)用，如合成基泥漿和空氣。儀器主要技術(shù)指標見表1。

表1 主要技術(shù)指標

(1 in=25.4 mm,下同)

1.2 測量原理

在水基泥漿體系中，由于泥漿是導電的，電成像儀器發(fā)射的電流可以直接穿透泥漿進入地層。在油基泥漿體系中，油基泥漿幾乎是不導電的，電成像儀器只能發(fā)射高頻電流，以位移電流的方式穿透泥漿進入地層。水基電成像儀器通過儀器上部的金屬外殼來接收回流的電流信號，油基泥漿電成像儀器增加了專用的回流電極，須接觸井壁用以接收回流的電流信號。

OGIT儀器主要由三部分構(gòu)成：儀器體、測量極板與回流電極。儀器在井下工作時，測量極板與井壁之間的間隙內(nèi)會被高阻的油基泥漿充填，這樣測量極板、間隙流體與井壁就可以等效為一個電容，測量極板上的電極可以發(fā)射高頻電流，以電容耦合原理穿透高阻的油基泥漿。電極周圍的極板會發(fā)射同極性的電流，使電極電流聚焦穿透間隙中的高阻泥漿，進入地層一定深度后發(fā)散，電流到達上部地層后再穿透高阻泥漿回到回流電極，形成一個完整的電流回路。測量極板上每個電極的電流信號主要受其接觸的局部地層的電阻率影響，記錄每個電極的電流、電壓與二者相位差，經(jīng)電路系統(tǒng)處理后上傳地面軟件，通過算法處理就可以生成井壁電阻率圖像，直觀顯示出地層特征。儀器井下工作示意圖如圖1所示。

圖1 儀器工作示意圖

假設(shè)U為儀器的發(fā)射電壓，根據(jù)歐姆定律，油基泥漿電成像測量電流I可表示為：

(1)

其中Zi是儀器內(nèi)部阻抗，Zg是測量電極與井壁之間的間隙流體阻抗，Zf是地層阻抗，Zr是回流電極與井壁之間的間隙流體阻抗。儀器內(nèi)部阻抗Zi很小，可以忽略不計。間隙流體阻抗Zr可以等效為電阻Rr與容抗Cr的并聯(lián)，表達式為：

(2)

同理，得到測量電極與地層之間的間隙阻抗表達式：

(3)

其中Rg=ρ·d/S，ρ是泥漿電阻率，CgRg就可以近似為一個常數(shù)，Zg主要受Rg影響。由于發(fā)射電極面積恒定，所以Zg的主要隨著間距d的大小線性變化。在實際測量中，發(fā)射電壓和電極接收到電流信號后，計算得到的是地層阻抗和發(fā)射電極與井壁間隙阻抗之和，即：

(4)

定義常數(shù)α=RgCg，可以得到式(5)。

(5)

其中σm是泥漿電導率，εm是泥漿介電常數(shù)，ε0是真空介電常數(shù)，ω是發(fā)射角頻率，則推導出測量阻抗為：

(6)

Rf=A-α|B|

(7)

A和B分別是測量的總阻抗Z的實部和虛部。Z可以通過測量并計算得到。若α是已知常數(shù)，則可以得到地層電阻大小。在實際測量中，需要測量的參數(shù)是發(fā)射電壓U，電極接收到的電流I，以及電流信號與電壓信號的相位差φ，即：

(8)

由式(7)與(8)可以推導出：

(9)

由此就得出油基泥漿環(huán)境下測量地層電阻率的數(shù)學公式，除了生成地層電導率圖像外，還可以得到電阻率圖像。

1.3 測量信息

除了記錄每個電極的電流值、電壓值、電流與電壓的相位差外，儀器還會記錄加速度計三分量、磁力計三分量、各極板半徑、采樣時間間隔等曲線信息，用以評估測斜質(zhì)量、判斷井眼方位與形狀、分析儀器運動狀態(tài)等。

2 儀器設(shè)計與研制

油基泥漿電成像儀器的技術(shù)性能主要由成像測量極板與核心測量電路決定，成像測量極板負責采集井壁地層的成像數(shù)據(jù)，核心測量電路負責信號發(fā)射與處理、儀器工作控制等。電成像儀器控制復雜，且測量的數(shù)據(jù)量龐大，通過集成FPGA、DSP、PIC、DPSD、PWM等技術(shù)，實現(xiàn)了儀器的操作控制、電流激勵信號發(fā)射、大數(shù)據(jù)處理等功能。

2.1 成像測量極板

OGIT的測量極板由極板體、測量電路與極板底蓋三部分組成。為增強電流信號，極板體外側(cè)設(shè)計了15個面積相對較大的長方形發(fā)射電極，可以向地層發(fā)射高頻電流，在縱向與周向分別可以達到0.2～0.33 in的測量分辨率。

測量極板內(nèi)置信號采集電路，可以記錄每個電極的電流計數(shù)值。為提高采集電路的耐溫性能，設(shè)計了一種基于陶瓷基板的厚膜集成電路，具有高溫條件下穩(wěn)定、散熱效率高與抗干擾性能力強的優(yōu)點，能在有限物理空間內(nèi)集成大量器件，實現(xiàn)了多通道大動態(tài)范圍微弱信號的調(diào)理、放大和數(shù)字化。陶瓷基片與電路芯片的硅片熱膨脹系數(shù)非常接近，保證了采集電路具有較好的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 如圖2和圖3所示。

圖2 測量極板電極系設(shè)計圖

圖3 厚膜集成成像采集電路

2.2 核心測量電路

除了采集電路模塊外，儀器核心電路還包括主控模塊、處理模塊、發(fā)射模塊與電源模塊等。主控模塊起到“承上啟下”的作用，將地面系統(tǒng)下發(fā)的命令進行解碼，實現(xiàn)對儀器的控制，同時采集方位磁力加速度信息、輔助監(jiān)控數(shù)據(jù)等，再將儀器采集到的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息進行組合打包，通過EDIB總線傳回地面系統(tǒng)。處理模塊接收主控模塊的命令，通過控制極板電源監(jiān)控板板達到對采集模塊供電，按照一定時序發(fā)送命令給采集模塊并接收采集到的數(shù)據(jù)，同時對發(fā)射電壓和相位等信號進行采集，將所有測得數(shù)據(jù)處理后傳送給主控板。發(fā)射模塊的主要功能是產(chǎn)生高頻載波、低頻調(diào)制波，最后生成功率調(diào)幅信號，用于激勵地層。這些電路模塊實現(xiàn)了油基泥漿井況下的井壁電阻率信息測量，通過軟件處理即可得到井壁地層的電阻率圖像，如圖4所示。

3 模擬井測試

3.1 模擬井簡介

模擬井是采用野外天然巖石建造的油基泥漿試驗井，用于測試油基泥漿電成像儀器的成像效果。在井眼內(nèi)壁上雕刻了各種圖案，用以模擬井下的裂縫、孔洞等地層特征。根據(jù)雕刻圖案的深度、方位與面積制作了井壁

圖4 儀器核心測量電路

特征圖，用以判斷儀器測量圖像與井壁特征的一致性。

3.2 測試效果

使用OGIT儀器在模型井進行了測試，截取典型圖像與設(shè)計圖進行對比，如圖5所示，圖像上清晰顯示了井壁的各種圖案特征，與設(shè)計圖基本一致，驗證了儀器可以在油基泥漿井況下測得井壁電阻率圖像。

圖5 設(shè)計圖與實測圖像

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 XX井簡介

XX井是一口巖性以砂泥巖為主的油基泥漿探井，井深約6 000 m，井底溫度150 ℃。在本井使用OGIT作業(yè)的目的是識別裂縫與層理，進行裂縫定量評價與地層沉積構(gòu)造分析，同時檢驗儀器在高溫高壓真實井況下的成像效果。

4.2 應(yīng)用效果

在通常的水基泥漿井中，由于泥漿侵入影響，張開裂縫在圖像上呈暗色特征，在油基泥漿井中，由于侵入泥漿是高電阻率，所以張開裂縫在圖像上呈亮色特征。張開裂縫的產(chǎn)狀一般沒有規(guī)律性，既有低角度裂縫，也有高角度裂縫，經(jīng)常會與地層層理交叉，誘導縫通常在圖像上表現(xiàn)為一組平行的正弦線特征。張開縫與誘導縫圖像分別如圖6與圖7所示。

圖6 張開縫

圖7 誘導縫

層理是巖石在垂向上巖性變化產(chǎn)生的層狀構(gòu)造，是沉積巖的重要成因標志。層理在圖像上一般表現(xiàn)為一組近似平行的正弦特征，類型包括水平層理、平行層理、交錯層理等，典型層理特征如圖8所示。在圖像上也識別出一些高阻礫巖，表現(xiàn)為亮色團塊狀特征，如圖9所示。

圖8 層理

圖9 礫巖

4.3 與同類儀器對比

為了檢驗OGIT與國際商業(yè)儀器成像效果的差異，在該井同時使用進口商業(yè)儀器進行成像測量，兩種儀器測得的全境段圖像特征基本相當，均能顯示出井壁地層的裂縫與層理等特征，典型對比圖像如圖10所示。

圖10 與同類儀器圖像對比

在6 606～6 607.5 m深度段內(nèi)，兩個圖像均存在一條清晰的亮色正弦線特征，這是典型的張開裂縫，由于被高阻的油基泥漿充填所致。在6 608～6 609 m深度段內(nèi)，可以觀察到一組層理發(fā)育，在圖像上表現(xiàn)為一組近似平行的正弦特征。

5 結(jié)束語

在油基泥漿鉆井日漸增多的背景下，研制出了國產(chǎn)油基泥漿電成像儀器，在模擬井中測得了清晰的井壁圖像，在隨后的現(xiàn)場作業(yè)中取得了合格的成像資料，并與國際同類儀器的測井資料進行了對比分析。兩次測量結(jié)果表明研制的儀器能對井壁地層特征進行清晰成像，并且能適用于現(xiàn)場高溫高壓測量環(huán)境，成像效果與國際同類商業(yè)化儀器基本相當。