李安宗，李啟明，朱軍，孔亞娟，周強(qiáng)，李傳偉

（1.中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心，陜西 西安710054；2.美國Oliden技術(shù)有限公司，美國 德克薩斯77478）

0 引 言

隨鉆電阻率測井技術(shù)是最早發(fā)展和應(yīng)用的隨鉆測井技術(shù)之一，國內(nèi)外隨鉆感應(yīng)、隨鉆電磁波、隨鉆側(cè)向電阻率測井技術(shù)與儀器均投入生產(chǎn)應(yīng)用，其中隨鉆電磁波和隨鉆側(cè)向測井得到了更廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，國外隨鉆電磁波電阻率成像、隨鉆側(cè)向電阻率成像測井技術(shù)相繼成熟并進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，主要用于復(fù)雜儲(chǔ)層的地質(zhì)導(dǎo)向和地層評(píng)價(jià)。隨鉆電磁波電阻率及其成像測井技術(shù)具有探測深度大、低電阻率靈敏、適用于各種泥漿類型等優(yōu)點(diǎn)，但難以適用于高電阻率地層測井和進(jìn)行井壁電阻率成像。為此，國外多家服務(wù)公司均推出了隨鉆側(cè)向電阻率成像儀器［1－5］，如斯倫貝謝公司的 RAB、GVR、MicroScope，哈里伯頓公司的AFR，貝克休斯公司的StarTrak等，但這些儀器的探測深度較淺，不具備地層邊界探測功能。為滿足裂縫、薄層、低孔隙度、低滲透率等復(fù)雜高電阻率儲(chǔ)層的大斜度井／水平井地質(zhì)導(dǎo)向、地層評(píng)價(jià)和電阻率成像需要，研發(fā)一種新的方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀（RIT，Resistivity Imaging Tool），并已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)場試驗(yàn)。

本文采用有限元方法對(duì)6.75in＊非法定計(jì)量單位，1ft＝12in＝0.304 8m，下同外徑RIT儀器的響應(yīng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其中二維問題求解同時(shí)使用了側(cè)向二維有限元方法軟件［6］和成熟的COMSOL商業(yè)軟件，以便相互驗(yàn)證；三維問題求解使用COMSOL軟件。介紹了該儀器的電極系排列和測量原理，并通過數(shù)值模擬計(jì)算，分析該儀器的探測深度、地層邊界探測能力、軸向分辨率、井眼影響等探測特性。

1 RIT電極系及測量原理

方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀RIT的設(shè)計(jì)考慮了方位電阻率測量、地層邊界探測和井壁成像等功能，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬計(jì)算分析確定了電極系排列及相關(guān)距離參數(shù)（見圖1）。儀器電極系由4個(gè)發(fā)射線圈（T1、T2、T3和 T4）、4個(gè)相隔90°的方位電阻率象限測量電極（方位象限電極）和鈕扣測量電極組成，并安裝在鉆鋌本體上；4個(gè)發(fā)射線圈（T1～T4）到方位象限電極中點(diǎn)的距離分別為15、30、45、60in；2個(gè)鈕扣電極（B1、B2）到方位象限電極中點(diǎn)的距離分別為25、30in。鉆鋌作為4個(gè)方位象限電極和鈕扣電極的聚焦電極（屏蔽電極），4個(gè)方位象限電極主要用于地質(zhì)導(dǎo)向和地層評(píng)價(jià)，鈕扣電極主要用于電阻率成像。

圖1 方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀RIT電極系

方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀RIT的螺繞環(huán)發(fā)射線圈T通以恒定頻率的交流電在發(fā)射線圈兩側(cè)的鉆鋌上產(chǎn)生恒定電壓VT，在鉆鋌上形成以T為中心的渦流IT，并從鉆鋌一側(cè)流入井眼、地層，返回到鉆鋌另一側(cè)［7］。監(jiān)控電路產(chǎn)生方位象限電極電流IRazj和鈕扣電極電流IBk，流入井眼、地層，返回到鉆鋌一側(cè)。IT對(duì)IRazj、IBk起聚焦作用，調(diào)節(jié)方位象限電極、紐扣電極與鉆鋌等電位，測量此時(shí)的電流IRazj、IBk，如果VT恒定，電流IRazj、IBk與地層電阻率有關(guān)，地層視電阻率Ra可通過式（1）求取。

通過不同發(fā)射線圈和接收電極的組合，該儀器可獲得多個(gè)不同方位、不同探測深度的視電阻率測量值，并通過處理獲得多種不同探測深度偽對(duì)稱視電阻率曲線，用上述視電阻率測量值進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向、地層評(píng)價(jià)和井壁成像。

2 RIT探測深度及地層邊界探測距離

2.1 探測深度及侵入影響

RIT的探測深度及侵入影響可以用偽幾何因子G表達(dá)，定義偽幾何因子等于0.5所對(duì)應(yīng)的侵入半徑為探測深度。圖2、圖3分別給出了地層低侵和高侵時(shí)的偽幾何因子曲線，其中歸一化后的G15、G30、G45、G60（與發(fā)射線圈和方位象限電極距離LTi為15、30、45、60in相對(duì)應(yīng)）分別是T1～T4發(fā)射、方位象限電極測量的偽幾何因子；G90（與發(fā)射線圈與鈕扣電極B1之間距離為90in對(duì)應(yīng)）是T4發(fā)射、鈕扣電極B1測量的偽幾何因子?？梢钥闯?，RIT的探測深度在0.19～0.60m之間，并且在高侵時(shí)，探測深度要深一些。

圖2 地層低侵時(shí)RIT偽幾何因子曲線

圖3 地層高侵時(shí)RIT偽幾何因子曲線

圖4 RIT在地層中對(duì)不同侵入深度的響應(yīng)

圖4給出了T1～T3發(fā)射、方位象限電極測量（分別對(duì)應(yīng)圖中的R15、R30、R45）的測井響應(yīng)，其中地層電阻率Rt＝100Ω·m，侵入帶電阻率Rxo＝10Ω·m，侵入半徑Ri為0～30in。從圖4可以看出，當(dāng)無侵入時(shí)，3條電阻率響應(yīng)近似為100Ω·m，基本重合。當(dāng)侵入半徑增加時(shí)，3條電阻率曲線出現(xiàn)分離，當(dāng)侵入半徑為30in時(shí)，測井響應(yīng)降至為20Ω·m左右。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著侵入深度的增加，RIT視電阻率曲線分離非常明顯，能夠準(zhǔn)確反映泥漿的侵入特征。

2.2 地層界面探測距離

與國外同類儀器相比，RIT增加了地層界面探測功能。將T4發(fā)射、上下2個(gè)方位象限電極（LT4＝60in）測量的電阻率響應(yīng)相差10%變化確定的地層界面距離定義為RIT的地層界面探測距離。圖5中，R1是儀器所在地層的電阻率，R2是地層界面另一側(cè)的地層電阻率，探測距離DTB用彩色表達(dá)。從圖5中可以看出，R1／R2反差達(dá)到10倍以上時(shí)，地層界面探測距離DTB可達(dá)1m以上。

RIT在探測深度、測量范圍具有明顯優(yōu)勢(shì)。模擬結(jié)果顯示，RIT具有地層界面探測功能，該功能是國外同類儀器所不具備的。需要說明的是，邊界探測功能對(duì)儀器測量的低噪音要求很高，還需在現(xiàn)場測試中進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 RIT方位電阻率地層界面探測距離示意圖（LT4＝60in）

3 RIT軸向分層能力

為了考察RIT的分層能力，模擬了RIT圍巖影響校正曲線和在Oklahoma模型地層中的測井響應(yīng)。圖6、圖7分別是T1（LT1＝15in，近發(fā)射）和T4（LT4＝60in，遠(yuǎn)發(fā)射）發(fā)射、方位電象限極測量的圍巖影響曲線，圖6和圖7中模型為3層介質(zhì)，中間目的層電阻率為Rt，上下圍巖電阻率為Rs，井眼直徑8in、Rs＝1Ω·m固定不變，Rt和層厚發(fā)生變化?？梢钥闯?，RIT具有很高的分辨率，在層厚大于0.3m時(shí)，測量誤差一般不超過20%；隨著Rt／Rs增加，圍巖影響增大，分辨率降低；當(dāng)層厚大于1m時(shí)，近發(fā)射響應(yīng)的圍巖影響小于遠(yuǎn)發(fā)射響應(yīng)的圍巖影響；當(dāng)層厚小于1m時(shí)，近發(fā)射響應(yīng)的圍巖影響大于遠(yuǎn)發(fā)射響應(yīng)的圍巖影響。需要注意：在圖7和圖8中，沒有消除井眼影響，如果消除井眼影響，層厚校正系數(shù)Rt／Ra會(huì)更接近1，即真實(shí)的圍巖影響比這2個(gè)圖中給出的還會(huì)小一些。

圖6 RIT近發(fā)射響應(yīng)圍巖影響校正曲線（LT1＝15in）

圖7 RIT遠(yuǎn)發(fā)射響應(yīng)圍巖影響校正曲線（LT1＝60in）

圖8是RIT在Oklahoma地層模型中的響應(yīng)。圖8中，井眼直徑為8in，泥漿電阻率Rm為1Ω·m；3條電阻率曲線（45＋15、45＋30、45＋60）是將方位象限測量電極一側(cè)的T3（LT3＝45in）發(fā)射的響應(yīng)與方位象限測量電極另一側(cè)的T1（LT1＝15in）、T2（LT2＝30in）、T4（LT4＝60in）發(fā)射的響應(yīng)分別疊加（偽對(duì)稱補(bǔ)償處理）獲得。從圖8中看出，RIT具有很高的分辨率，它能將深度在68～70m之間0.2m薄層清楚地分辨出來。

圖8 RIT在Oklahoma地層模型中的響應(yīng)

4 井眼影響

RIT是為8.5in井眼設(shè)計(jì)的儀器。在9in和10in井眼情況下的井眼影響曲線如圖9、圖10所示。圖9和圖10分別給出了4個(gè)發(fā)射、方位電極測量的平均電阻率的井眼影響。對(duì)于9in井眼，隨著發(fā)射線圈與測量電極的距離增加，井眼影響減??；在地層電阻率大于泥漿電阻率時(shí)，除LT1＝15in曲線外，井眼影響均比較小，在10%左右；在地層電阻率小于泥漿電阻率時(shí)，井眼影響急劇增大。實(shí)際上在隨鉆測井時(shí)井眼擴(kuò)大到10in的情況很少出現(xiàn)。對(duì)比圖9、圖10可看出，9in井眼的井眼影響明顯小于10in井眼的井眼影響。另外，如果將8.5in的井眼響應(yīng)作為基線，9in和10in的井眼影響會(huì)進(jìn)一步減少。

圖10 RIT在10in井眼中井眼影響曲線

5 結(jié) 論

（1）方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀RIT能夠提供不同方位、不同探測深度的視電阻率曲線，具有地質(zhì)導(dǎo)向、地層評(píng)價(jià)和電阻率成像等功能。

（2）該儀器具有較大的探測深度，當(dāng)?shù)颓諶t／Rxo為10時(shí)，探測深度可達(dá)0.53m，當(dāng)高侵Rxo／Rt為10時(shí)，探測深度可達(dá)0.60m。

（3）該儀器具有地層界面探測能力，在上下方位電極測井響應(yīng)相差10%時(shí)，探測距離DTB可達(dá)1m以上，更有利于地質(zhì)導(dǎo)向。

（4）該儀器具有良好的軸向分層能力，能夠分辨0.2～0.3m的薄層，有利于薄層識(shí)別和評(píng)價(jià)。

（5）該儀器測井響應(yīng)受井眼影響較小，當(dāng)用于9in左右井眼、地層電阻率大于泥漿電阻率時(shí)，井眼影響在10%左右。

［1］ Gianzero S Chemali，et al.A New Resistivity Tool for Measurement－While－Drilling［C］∥SPWLA 26th Annual Logging Symposium，June：17－20，1985.

［2］ Grupping T I F，Harrel J W，Dickinson R T.Performance Update of a Dual－resistivity MWD Tool with some Promising Results in Oil－based Mud Applications［C］∥SPE 18115，1988.

［3］ Bonner S，Burgess T，et al.Measurements at the Bit：A New Generation of MWD Tools［J］.Oilfield Review，April／July，1993：44－54.

［4］ Bonner S，Bagersh A，et al.A New Generation of Electrode Resistivity Measurements for Formation Evaluation While Drilling［C］∥SPWLA 35th Annual Logging Symposium，June：17－20，1994.

［5］ Li Qiming，Ted Bornemann，et al.Real－time Logging While Drilling Image：Techniques and Applications［C］∥SPWLA 42nd Annual Logging Symposium，June：17－20，2001.

［6］ 朱軍，馮林偉.高分辨率雙側(cè)向測井響應(yīng)數(shù)值模擬分析 ［J］.石油地球物理勘探，2007，42（4）：457－462.

［7］ Arps J J.Inductive Resistivity Guard Logging Apparatus Including Toroidal Coils Mounted on a Conductive Stem：USA，3，305，771［P］.February 1967.