小直徑雙模式陣列感應(yīng)測(cè)井儀設(shè)計(jì)

王漢彬,劉瑞府

(1.中國(guó)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(guó)石油集團(tuán)測(cè)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(chǎng)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(huì)形成二次交變電磁場(chǎng)。在二次交變電磁場(chǎng)的作用下,接收線圈中會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì),感生電動(dòng)勢(shì)和渦流強(qiáng)度有關(guān),即與地層電導(dǎo)率有關(guān),這是感應(yīng)測(cè)井理論的基礎(chǔ)。有時(shí)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(méi)有導(dǎo)電介質(zhì),不能用直流電法測(cè)井,感應(yīng)測(cè)井理論的使用很好地解決了這一矛盾[1-2]。近年來(lái),為了滿足油田對(duì)薄層的油氣開(kāi)發(fā)及評(píng)價(jià),以及復(fù)雜井況、水平井和小井眼測(cè)井的需求,陣列感應(yīng)以其測(cè)量信息豐富、分辨率高、探測(cè)深度深、地層電阻率測(cè)量準(zhǔn)確、油氣水侵入關(guān)系反映明顯、適用條件寬、儀器長(zhǎng)度短等優(yōu)勢(shì),越來(lái)越多地被油田所認(rèn)可[3]。

為提高水平井及復(fù)雜井況測(cè)井的施工安全,陣列感應(yīng)測(cè)井儀器長(zhǎng)度縮短為4.5 m,并且設(shè)計(jì)了使用泵出式和鉆具輸送的存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)記錄方式。由于水平井測(cè)井時(shí)間都比較長(zhǎng),電路采用高溫、高集成化器件,無(wú)保溫瓶設(shè)計(jì)。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(jì)

1.1 線圈系參數(shù)設(shè)計(jì)

線圈采用單邊形式,共5個(gè)三線圈系,每個(gè)線圈系均為1個(gè)發(fā)射T、1個(gè)主接收R、1個(gè)輔助屏蔽B。線圈排列結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 線圈排列結(jié)構(gòu)圖

如果任意2個(gè)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(huì)淹沒(méi)有用的地層信號(hào),帶來(lái)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都可以滿足要求。主間距近,信號(hào)大,主間距遠(yuǎn),信號(hào)小,所以主間距越遠(yuǎn),設(shè)計(jì)采用的匝數(shù)也越大,以確保信號(hào)水平在一個(gè)數(shù)量級(jí)上,確保等誤差分布,有利于后期的曲線合成。

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

Vm=VmTR+VmTB=

(1)

式中,ω為電流變化的角頻率;μ為磁導(dǎo)率;IT為發(fā)射電流;AT為發(fā)射線圈橫截面積;NT為發(fā)射線圈匝數(shù);AR為接收線圈截面積;AB為屏蔽線圈截面積;NR和NB分別為接收和屏蔽線圈的匝數(shù);LTR為發(fā)射到接收線圈的距離;LTB為發(fā)射到屏蔽線圈的距離;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)?/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(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 線圈設(shè)計(jì)參數(shù)表

線圈系的主間距(T—R)為:12、19、28、41 in(1)非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同和63 in,主間距的設(shè)計(jì)主要考慮最終合成電阻率曲線的探測(cè)深度均在2個(gè)線圈系的原始探測(cè)深度之間或附近,減小曲線合成帶來(lái)的誤差。12 in的短陣列提供高分辨率和淺探測(cè)信息,改善井眼校正。63 in加大探測(cè)深度,提高遠(yuǎn)探測(cè)信息的合成精度。根據(jù)儀器設(shè)計(jì)的目標(biāo),儀器原始的分辨率特性和探測(cè)深度特性,經(jīng)過(guò)數(shù)字聚焦、分辨率匹配后得到縱向分辨率為1、2、4 ft,徑向探測(cè)深度為10、20、30、60、90 in。

1.2 線圈系的探測(cè)特性分析

Doll幾何因子是Doll(1949)在提出感應(yīng)測(cè)井方法的同時(shí),為了描述地層各部分對(duì)測(cè)量信號(hào)貢獻(xiàn),即感應(yīng)測(cè)井測(cè)量信號(hào)來(lái)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(cè)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)

式中,Z為單元環(huán)的縱向坐標(biāo);ρ為單元環(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(cè)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(wú)限長(zhǎng)圓柱狀地層對(duì)測(cè)量信號(hào)的相對(duì)貢獻(xiàn)。表達(dá)式為

(4)

根據(jù)式(4)得到徑向積分幾何因子圖(見(jiàn)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(cè)深度的定義[5],所設(shè)計(jì)儀器5個(gè)陣列原始探測(cè)深度依次為0.35、0.61、0.90、1.30、1.90 m。原始探測(cè)深度均分布在合成探測(cè)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(duì)測(cè)量信號(hào)的相對(duì)貢獻(xiàn)大小。表達(dá)式為

(5)

根據(jù)式(5)得到縱向微分幾何因子圖(見(jiàn)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5個(gè)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(guò)匹配后得到統(tǒng)一的1、2、4 ft這3種分辨率的曲線。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)采用了高速FPGA和DSP核心模塊電路,FPGA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(chǔ)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(hào)通過(guò)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(lái)的感應(yīng)信號(hào)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)和其他儀器的數(shù)據(jù)打包,通過(guò)電纜發(fā)送到地面計(jì)算機(jī)。在存儲(chǔ)模式下,儀器數(shù)據(jù)會(huì)分別存儲(chǔ)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(cè)井后,再由地面系統(tǒng)讀取Flash中的數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖4。

圖4 硬件設(shè)計(jì)框圖

發(fā)射電流取樣電路主要通過(guò)取樣變壓器對(duì)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(hào)的幅度和相位會(huì)有變化,通過(guò)取樣發(fā)射信號(hào),對(duì)接收信號(hào)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(hào)、刻度信號(hào)以及取樣信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。信號(hào)經(jīng)過(guò)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。

3 軟件設(shè)計(jì)

FPGA采用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì),主要功能:通過(guò)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;刻度換擋等。

DSP軟件主要功能:通過(guò)SPI總線控制FPGA,完成測(cè)井模式和刻度模式下的工作;通過(guò)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(guò)主控儀,打包其他儀器數(shù)據(jù)上傳到地面系統(tǒng)或進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份。DSP軟件工作流程圖見(jiàn)圖5。

4 試驗(yàn)測(cè)試

儀器對(duì)5個(gè)陣列均使用2 Ω電阻,直徑75 cm刻度盤(pán)進(jìn)行刻度?？潭群?儀器選擇了不同阻值的電阻進(jìn)行了線性驗(yàn)證,1陣列是距離發(fā)射線圈最近的陣列,5陣列是距離發(fā)射線圈最遠(yuǎn)的陣列,其他3個(gè)陣列的誤差等級(jí)均分布在這2個(gè)陣列數(shù)據(jù)之間,這2個(gè)陣列的線性誤差數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。1陣列主要反映了近井眼電阻率情況,5陣列主要反映原狀地層電阻率情況。從表2可見(jiàn),視電導(dǎo)率均達(dá)到±2 mS/m或3%測(cè)量誤差的設(shè)計(jì)要求,儀器整體線性度較好。并且在高電阻率地層(刻度電阻取值500 Ω),均有較高的測(cè)量精度。體現(xiàn)了儀器在高電阻率地層較強(qiáng)的測(cè)量能力。

圖5 DSP軟件工作流程圖

表2 1陣列和5陣列的線性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 電阻率合成及一維反演出圖曲線

儀器完成刻度和溫度校正以后,進(jìn)行了上井試驗(yàn),對(duì)上井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了電阻率合成以及一維反演(見(jiàn)圖6)。

電阻率合成的曲線輸出共得到3種分辨率5種探測(cè)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(duì)侵入深度進(jìn)行約束,然后再重新計(jì)算地層真電阻率、沖洗帶電阻率,結(jié)合井徑、鉆井液電阻率擬合出電阻率侵入剖面。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)設(shè)計(jì)的小直徑陣列感應(yīng)測(cè)井儀主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外引進(jìn)的陣列感應(yīng)儀器接近,但是儀器總長(zhǎng)更短、質(zhì)量更輕。并且采用電纜和存儲(chǔ)式雙模式測(cè)井,選擇更靈活,更加有利于施工的安全,對(duì)復(fù)雜井況和水平井測(cè)量有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

(2)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(hào)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度高,可靠性好。

(3)儀器可與其他儀器組合測(cè)井,提高測(cè)井時(shí)效。具有多種分辨率和探測(cè)深度的出圖曲線,更有利于薄層及薄互層特性識(shí)別。