0.2 m高分辨率雙側向測井儀器信號幅度仿真

童茂松，張加舉，丁 柱

(中國石油集團測井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

近年來，由于大規(guī)模的勘探開發(fā)和強注強采，國內(nèi)各大油田已近入高含水開發(fā)后期，儲層平面、層間、層內(nèi)非均質性嚴重，剩余油分布呈現(xiàn)“薄、散、小、差、低”的特點，嚴重影響了油田的開發(fā)效果和效益，油田穩(wěn)產(chǎn)壓力急劇增大。為了保障油田穩(wěn)產(chǎn)，需要將區(qū)域內(nèi)剩余油精細描述與剩余油精細挖潛相結合，以大慶長垣油田為例，其開發(fā)對象逐漸轉向薄差層與厚層的薄差部位，薄差層挖潛、厚層細分及成為穩(wěn)產(chǎn)的重要接替手段，提高水淹層解釋精度以滿足油藏精細描述和射孔方案編制要求成為生產(chǎn)急需[1-4]。

現(xiàn)有常規(guī)測井系列的縱向分辨率并不匹配，范圍為0.2～0.9 m，為了獲得薄層參數(shù)，需要進行高分辨率處理，但是也由此帶來不必要的誤差，因此需要開發(fā)統(tǒng)一分辨率的測井系列，直接測量0.2 m薄層參數(shù)。雙側向測井儀器作為常規(guī)主力儀器[5]，測量地層深淺電阻率，為含油飽和度評價提供重要的參數(shù)[6-8]，其縱向分辨率為0.6～0.9 m，需要重新設計儀器，提高縱向分辨率到0.2 m，理論上是可以實現(xiàn)的[9-13]，但是存在三個難題：一是雙側向測井儀器的縱向分辨率和探測深度一直是一對矛盾，難以兼顧[14]；二是在聚焦控制上，由于信號幅度小，硬聚焦控制難度大；三是電極系數(shù)值模擬針對的是測井方法，主要考察電極系特征，并未考慮實際儀器實現(xiàn)難度，需要考察信號測量精度對測量結果的影響，尤其對于數(shù)字聚焦方法。

本文采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化雙側向電極系，在保障探測深度的前提下，實現(xiàn)0.2 m縱向分辨率的目標；采用數(shù)字聚焦方式實現(xiàn)雙側向電阻率測量，以解決硬聚焦難以控制的難題；結合數(shù)值模擬技術和電路仿真技術，得到測量信號的幅度，為儀器設計提供關鍵參數(shù)。

1 數(shù)字聚焦

根據(jù)數(shù)字聚焦電場疊加原理，0.2 m分辨率深側向的工作方式可以分解為三個不同頻率的獨立模式：

模式1：如圖1(a)所示，電流通過電極A1和A2發(fā)射，由處于儀器上方一定遠處的B電極接收，主電極A0不發(fā)射電流，且保證屏蔽電極A1和A2之間針對模式1的頻率等電位。

模式2：如圖1(b)所示，電極A1向A2電極發(fā)射電流，主電極A0不發(fā)射電流。

圖1 0.2 m高分辨率雙側向數(shù)字聚焦供電模式

模式3：如圖1(c)所示，主電極A0向電極A1和A2發(fā)射電流，且保證A1和A2之間針對模式3的頻率等電位。

深側向聚焦由模式1和模式3組合實現(xiàn)，淺側向聚焦由模式2和模式3組合實現(xiàn)，通過計算得到深側向電阻率(RHLLD)、淺側向電阻率(RHLLs)，公式為：

(1)

(2)

式中：

Kd——深側向電極常數(shù)；

Ks——淺側向電極常數(shù)；

2 信號幅度仿真

采用數(shù)值模擬與電路仿真相結合進行信號幅度仿真，二者是一個交互過程：以保障探測深度、縱向分辨率達到0.2 m為目標，設計電極系；通過電路仿真對信號幅度進行分析，以便考慮儀器的理論設計指標實現(xiàn)的可行性，最終得到可實現(xiàn)的最優(yōu)化電極系，同時能夠為儀器調(diào)試裝置提供參數(shù)，以便對儀器進行刻度，也可以檢驗儀器在不同地層條件下測井效果。

圖2所示為0.2 m高分辨率雙側向仿真框圖，主要由電阻網(wǎng)絡、電極系、信號發(fā)射單元和信號測量單元構成。

圖2 0.2 m高分辨率雙側向仿真框圖

電阻網(wǎng)絡是仿真的核心單元，由數(shù)值模擬得到。0.2 m高分辨率雙側向測井儀器在井下工作時時，電極系和地層之間的分布電阻可以用電極系上各電極之間的集中參數(shù)互阻和電極到無限遠處的電阻構成的電阻網(wǎng)絡等價，從測量效果來看儀器對電阻網(wǎng)絡響應完全等同于儀器對地層響應[15]。0.2 m高分辨率雙側向電極系是由7個電極組成的，電阻網(wǎng)絡由28個電阻組成。通過數(shù)值模擬，得到不同電極系在不同地層條件下的電阻網(wǎng)絡。

電路部分包括信號發(fā)射單元與信號測量供電，由電路仿真軟件實現(xiàn)。

改變目的層電阻率及層厚、圍巖電阻率、鉆井液電阻率、井眼半徑、侵入帶半徑及電阻率等參數(shù)時，地層電阻網(wǎng)絡是不同的，由此將不同的電阻網(wǎng)絡的各個電阻值輸入到仿真系統(tǒng)中，可以得到不同條件下0.2 m高分辨率雙側向測量信號的幅度。

3 結果與討論

3.1 探測深度與縱向分辨率

通過數(shù)值模擬得到了0.2 m高分辨率雙側向測井儀器電極系，其徑向幾何因子圖版如圖3所示，圖中橫坐標是侵入帶半徑，縱坐標是幾何因子，由圖3可見深淺側向電阻率的探測深度分別達到1.45 m和0.46 m。

圖3 0.2 m高分辨率雙側向徑向幾何因子圖版

層厚響應分析表明，設計的電極系對孤立的0.2 m薄層以及厚度為0.2 m的薄互層，其響應幅度均達到50%以上，說明其縱向分辨率能夠達到0.2 m。

3.2 信號幅度仿真結果

通過數(shù)值模擬地層電阻網(wǎng)絡，計算條件：8 in井眼，鉆井液電阻率Rm為0.1·m，無侵地層，層厚為無限厚，改變地層電阻率(5種)，得到不同條件下的電阻網(wǎng)絡，仿真得到相應的信號幅度，結果見表1，為三個模式下的信號幅度，為設定的三個模式供電電流。

表1 不同地層電阻率條件下測量信號幅度

由表1可以看出，三個模式下的電位差信號都非常低，尤其是模式1和模式2，在高阻地層情況下，達到微伏級，例如對于2 000·m地層，模式1監(jiān)督電極電位差信號幅度為27.7V，模式2監(jiān)督電極電位差信號低至14V，說明由于雙側向縱向分辨率提高，測量信號的幅度急劇降低，如果信號幅度測量精度不夠，在數(shù)字聚焦時電阻率計算誤差增加，這就要求電路設計上要充分考慮測量精度。

3.3 儀器實現(xiàn)

通過以上結果分析，0.2 m高分辨率雙側向測井儀器不僅受井眼影響大，而且信號幅度低，尤其是在高阻地層中，因此在儀器設計上考慮以下因素：

1)盡量增加三個模式的發(fā)射電流，以提高信號幅度；

2)井下采用數(shù)字濾波，提高測量精度與測井速度；

3)儀器集成泥漿電阻率測量單元，實時得到泥漿電阻率；

4)與井徑測井儀器組合測井，地面數(shù)據(jù)處理中實時井徑校正。

3.4 現(xiàn)場試驗效果

0.2 m高分辨率雙側向測井儀器研發(fā)成功后，在大慶油田進行了10口井現(xiàn)場對比，大慶油田具有典型的薄層以及薄互層，對于該儀器的評價非常有利。

圖4所示為Ta××井的對比測井曲線圖(繪圖比例1:100)，圖中所示曲線說明：微球(MSFL，第一道)、井徑(CAL，第一道)、常規(guī)深淺雙側向電阻率(LLD、LLS，第二道)、0.2 m高分辨率雙側向電阻率(LLD-0.2 m、LLS-0.2 m，第三道)、微電極(RMN、RMG，第五道)，其中微球、微電極測井曲線的分辨率已經(jīng)達到0.2 m。第六道為深度道。

圖4 Ta井對比曲線圖

由圖4可以看出，與常規(guī)雙側向電阻率測井曲線(LLD、LLS)相比，0.2 m高分辨率雙側向測井曲線(LLD-0.2、LLS-0.2 m)的縱向分辨率有明顯提高，與微球、微電極測井曲線有非常好的對應性。在1 075.5～1 076.0 m的厚度為0.5 m的滲透層，微球、微電極測井曲線顯示該層由兩個薄層組成，常規(guī)雙側向并不能區(qū)分，而0.2 m高分辨率雙側向明顯具有兩個層顯示，且深淺電阻率差異也表示了滲透性，在1 082.9、1 083.8、1 087.2 m等深度，該儀器同樣顯示與微球、微電極一致的薄層分辨能力；在1 077～1 082 m深度范圍內(nèi)，微球、微電極測井曲線顯示有多個薄層，常規(guī)雙側向測井曲線非常光滑，而0.2 m高分辨率雙側向的響應與微球、微電極非常一致。從圖中還可以看出，由于縱向分辨率的提高，設計的高分辨率測井儀器的薄層電阻率幅度也有明顯提高，更接近于真值。

以上分析說明該儀器的縱向分辨率達到了0.2 m，通過數(shù)值模擬與電路仿真相結合，形成的高分辨率測井儀器達到了預期的目標。該儀器已經(jīng)在大慶油田和吉林油田測井300多口，與其他0.2 m高分辨率測井系列配套，為薄層分析、儲層參數(shù)計算、厚度劃分提供了準確的資料，水淹層解釋精度較常規(guī)系列提高了10個百分點以上。

4 結 論

1)高分辨率雙側向縱向分辨率達到0.2 m，深淺側向的探測深度分別為1.45 m和0.46 m。

2)高分辨率雙側向在提高分辨率的同時，極大地降低了測量信號的幅度。在高阻層(2 000 Ω·m)情況下，信號低至微伏級。

3)現(xiàn)場應用表明，0.2 m雙側向測井儀器響應與微球、微電極一致，在薄層和薄互層電阻率較常規(guī)雙側向電阻率有提高。

4)數(shù)值聚焦與電路仿真相結合，有助于側向類測井儀器開發(fā)。