隨鉆電阻率測量方法研究

錢德儒

(中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究，北京，100020)

0 引言

隨鉆測量（MWD-Measurement While Drilling）是一種在鉆孔過程中實時測量井底各種參數(shù)的技術，MWD的最大優(yōu)點是可使鉆探人員和地質(zhì)學家實時查看井下發(fā)生的事情，從而可以大大改善決策[1-3]。MWD系統(tǒng)測量的一個非常重要的方面是電阻率地層表征的測井和地質(zhì)跟蹤，地質(zhì)追蹤是指在鉆探過程中使用地層評估數(shù)據(jù)來評估水平井和大角度斜井，可提供實時交互式層理跟蹤，從而將非垂直井引向最優(yōu)化的地質(zhì)目標層[4]。目前，與國外先進技術相比，我國的電阻率測量和定向鉆井仍存在較大差距[5]。然而，在我國的大型石油生產(chǎn)基地，定向井和大位移井的數(shù)量每天都在增加，迫切需要在定向鉆井中開發(fā)電阻率測量技術，因此MWD系統(tǒng)具有非常廣泛的應用前景[6]。

本文介紹了鉆井過程中電阻率測量的方法，微電阻率測井通常用于淺層測量，由于其電極尺寸小，電極之間的距離短且檢測深度淺，因此它主要用于測量井眼和沖洗區(qū)域的電阻率，這些都是直流電測井。在直流測井中，井中必須充滿導電性泥漿或水以及其他井中液體，以使測得的電流可以進入地層并達到測量地層的目的。但是，在某些情況下，通常使用油基泥漿和空氣鉆井來準確了解地層的原始油飽和度并維持地層的原始滲透率。感應測井使用交變電磁場來測量地層的電阻率，它不受井中缺少電介質(zhì)的限制。常規(guī)感應測井使用低頻（通常為1kHz），并且通過測量接收器的感應電動勢并分析地層的電阻率。

1 隨鉆電阻率測量方法

1.1 基于相位差的測量方法

根據(jù)兩個接收器檢測電磁波的相位差來測量電阻率。如圖1所示，近處接收器到發(fā)射器的距離為z1，遠處接收器到發(fā)射器的距離為z2。則波數(shù)可以表示為：

圖1 相位差的測量方法示意圖

其中：f表示場頻，v表示傳播速度。

1.2 基于幅度比值的測量方法

1.3 基于相位差和幅度比值組合的測量方法

假設最大相位為90°，最大幅度比為1，于是有：

基于相位差和幅度比值的兩種測量方法都是可行的，基于幅度比值的測量方法具有較深的探測深度，基于相位差測量方法具有較高的縱向分辨率。同時兩種測量的精度要求也有很大的不同[7]。對于z1=20in，z2=24in，在2MHz的工作頻率下，最大誤差為10%，并且對ΔΦr和ΔAr的測量精度要求為：

可以看出，ΔAr的測量精度高于ΔΦr的測量精度，并且隨著地層電阻率的增加，對測量精度的要求也更高。當ΔAr/ΔΦr達到1.57的極限時，幅度比值和相位差測量精度要求是等效的。同時，幅度比值測量方法不能覆蓋整個電阻率測量范圍（0.5Ω·m～50000Ω·m），因此適用于低電阻率，而相位差測量方法則適合于高電阻率。

2 多探測深度方案分析

2.1 可用的頻帶區(qū)間劃分

研究不同場頻和不同源距的測量點處電磁場分布的變化，分析并補償不同的干擾因素。隨著震源距離的增加，絕緣作用增加，井眼和穿透區(qū)的影響逐漸減弱。通常，光源距離越短，探測深度越淺。光源距離應根據(jù)實際情況合理調(diào)整，利用多發(fā)射器結(jié)構(gòu)，不同的光源距離可以提供多個探測深度。地層中電阻率的動態(tài)范圍約為0.5Ω·m～50000Ω·m，因此對接收器的動態(tài)范圍有嚴格的要求，但是在擴展動態(tài)范圍時也必須考慮接收器的靈敏度，這兩種選擇是相互限制的，需要尋找最佳范圍。因此，通常根據(jù)鉆井系統(tǒng)中電阻率測量的要求來選擇場頻，不同的場頻將導致不同的工作環(huán)境，可用的頻帶的區(qū)間劃分見圖2所示。

圖2 可用的頻帶內(nèi)的區(qū)間劃分

對于隨鉆電阻率測量系統(tǒng)，場頻通常為2MHz。頻率太高會增加接收器測量的動態(tài)范圍，并對工具的隔離性能提出很高的要求；頻率太低，天線效率將降低，需要設備的長度和到信號源的距離來滿足相位測量的靈敏度要求，并顯著增加相應的發(fā)射機功率。

2.2 多探測深度方案

在實際的鉆井操作中，鉆井液滲透地層，根據(jù)鉆井液滲透到地層的深度分為四個不同區(qū)域（見圖3）：井眼、過渡帶、沖洗帶和原狀地層。其中：Rxo是沖洗帶的電阻率，Rm是井中泥漿的電阻率，p是測得的地層的真實電阻率，Rs是圍巖的電阻率，Di是沖洗帶的直徑，Rmc是泥餅的電阻率。

圖3 地層劃分

多個探測深度的電極分布方案如圖4所示。由1個接收器和4個發(fā)射器組成，使用兩個發(fā)射場頻率，發(fā)射器1測量超淺層電阻率，發(fā)射器2測量淺層電阻率，發(fā)射器3用于測量中間深度電阻率，它們都使用2MHz的發(fā)射頻率來測量電阻率，發(fā)射器4測量深層的電阻率，所用的傳輸頻率為1MHz，可以獲得地層的真實電阻率。通過上述的探測深度方案，可以獲得4個基于振幅比測量值和4個相位差測量值的電阻率，幅度比值測量具有更高的探測深度，相位差測量具有更好的縱向分辨率。

圖4 多探測深度的電極分布方案

3 結(jié)論

MWD系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)代表鉆孔過程的一個數(shù)據(jù)源，將所有數(shù)據(jù)集成到數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫可以在鉆井工程的優(yōu)化設計中用作輸入數(shù)據(jù)源，該計算可以確定實現(xiàn)最大經(jīng)濟效益的鉆井參數(shù)。另外，可以及時進行鉆井決策的下一步，以實現(xiàn)對地層數(shù)據(jù)的智能解釋。測量隨鉆電阻率的基本原理是電磁波傳播效應，在電磁場不變的情況下，由于地層參數(shù)的差異，對電磁場的響應取決于地層和鉆井環(huán)境（油基鉆井液，空氣鉆井）的不同。通過檢測電磁場的變化，可以獲得有關地層和鉆井環(huán)境的相關信息，隨鉆的含義是在鉆井過程中對井下鉆井參數(shù)進行實時測量和跟蹤。MWD的優(yōu)勢在于，可以獲得鉆孔周圍地層的最原始的地質(zhì)數(shù)據(jù)，從而使工程師能夠及時調(diào)整鉆探計劃以獲得最佳結(jié)果。