夏濟(jì)根 高成名 李智強(qiáng) 張晉榮 馮玉森

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003;2.西部鉆探工程有限公司測(cè)井公司 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

微電阻率與巖性密度組合測(cè)井儀能夠測(cè)量沖洗帶電阻率，對(duì)儲(chǔ)集層與非儲(chǔ)集層進(jìn)行劃分，并且可以確定復(fù)雜巖性的孔隙度，地層信息量豐富，是石油勘探開發(fā)過程中的常用測(cè)井組合方式。隨著新技術(shù)、新工藝、新材料的出現(xiàn)和發(fā)展，井下儀器串的可靠性與集成度不斷提高，儀器串的體積和重量向小而輕方向發(fā)展［1］。目前傳統(tǒng)的微電阻率(微球、微電極)與巖性密度組合測(cè)井儀器存在縱向分辨率低、探測(cè)深度差別大、深度不一致、采用兩支推靠器增加井下遇卡風(fēng)險(xiǎn)以及橡膠極板易磨損等缺點(diǎn)，已不能滿足油田在復(fù)雜井況下的測(cè)井需求。研制新型微電阻率與巖性密度組合測(cè)井儀可以解決當(dāng)前組合測(cè)井儀在油田油氣藏勘探開發(fā)中存在的問題。針對(duì)以上情況，研制了一種微柱形聚焦電阻率與三探測(cè)器巖性密度組合測(cè)井儀器，采用新的關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)形式，確保了密度與微電阻率測(cè)量兼容及深度匹配，并提高了儀器的測(cè)量精度和分辨率。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

微柱形電阻率與三探測(cè)器巖性密度組合測(cè)井儀器由組合探頭、推靠和電子線路等組成。其中，組合探頭由微柱極板和三探測(cè)器巖性密度滑板等構(gòu)成(“微柱狀”金屬極板嵌在密度探頭殼體上)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，如圖1 所示。

圖1 三探測(cè)器巖性密度-微柱極板組合探頭

1.2 功能與用途

微柱聚焦測(cè)井儀(MCFL)是一種淺探測(cè)電阻率測(cè)井儀器［2］，測(cè)量沖洗帶電阻率Rxo，用來代替微球形聚焦測(cè)井儀，可以提高沖洗帶電阻率的測(cè)量準(zhǔn)確度，更好地估算泥餅參數(shù)，從而有助于探測(cè)滲透性地層，同時(shí)反演提供微電位曲線(HMNO)和微梯度曲線(HMIN)。

三探測(cè)器巖性密度在離源附近增加了第三個(gè)探測(cè)器—反散射探測(cè)器，利用反散射探測(cè)器的高計(jì)數(shù)率改善測(cè)量的統(tǒng)計(jì)起伏，提高了在低孔隙地層的測(cè)量精度，增強(qiáng)了儀器的縱向分辨率，并對(duì)泥餅進(jìn)行定量補(bǔ)償，更好地反映井眼和井壁的狀況［3］。

1.3 工作原理

微柱形聚焦測(cè)井為半圓柱形聚焦，其極板中心前沿的等位面為半圓柱形，這種聚焦方式適合井眼和泥餅的幾何形狀，可以提供更好的沖洗帶電阻率測(cè)量值。微柱極板面設(shè)計(jì)參見圖2(由于極板是對(duì)稱的，只顯示了其左上四分之一)。3 個(gè)小的鈕扣測(cè)量電極B0、B1 和B2 位于大電極A0 中，2 個(gè)聚焦電極A1 位于極板邊緣，由2 個(gè)M 電極監(jiān)督。電流同時(shí)返回到極板的后面以及上部和下端。2 個(gè)橫向延伸的A0 電極對(duì)靈敏的監(jiān)督電極進(jìn)行“屏蔽”。這種特殊的形狀可避免電流在這些電極之間流動(dòng)。B0 的測(cè)量電流以細(xì)的水平射束形狀流動(dòng)，在其探測(cè)深度內(nèi)沿方位分散。B1 和B2 發(fā)射出的電流束由于極板的邊緣受到A0 的聚焦作用較小，數(shù)量較少，因而探測(cè)深度變淺。因此，該儀器可提供具有不同探測(cè)深度的3種電阻率測(cè)量值:B0 主要反應(yīng)沖洗帶電阻率(Rxo)特性;B1、B2 主要用來反應(yīng)泥餅性質(zhì)［4］。

圖2 左上四分之一微柱極板面示意圖

三探測(cè)器巖性密度長、短源距探測(cè)器與普通雙源距巖性密度測(cè)井儀器類似，第三個(gè)反散射探測(cè)器放置在離放射源很近的位置上，主要探測(cè)地層中散射1 次或2 次的伽馬光子，使用的是具有快速響應(yīng)時(shí)間的GSO 晶體。反散射探測(cè)器和長、短源距探測(cè)器都由鈹窗探測(cè)地層，提供不同探測(cè)深度的Pe 測(cè)量結(jié)果。

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

2.1 數(shù)字聚焦原理及應(yīng)用

圖3 微柱數(shù)字聚焦合成

微柱形測(cè)井的聚焦方式采用數(shù)字聚焦原理，如圖3所示。數(shù)字聚焦方式是一種有別于傳統(tǒng)硬聚焦方式的先進(jìn)方法，它通過疊加兩個(gè)獨(dú)立的未聚焦測(cè)量值來計(jì)算聚焦測(cè)量電流。通過疊加未聚焦的測(cè)量值，來抵消監(jiān)督電位，以滿足聚焦條件［5］。因?yàn)榫劢箺l件被無條件滿足，所以避免了硬聚焦反饋監(jiān)控環(huán)路對(duì)剩余電位的影響，提高了聚焦精度。另外，這種方法可以增加靈活性，可以在不須改動(dòng)硬件的情況下獲得不同的聚焦條件。根據(jù)聚焦邊界條件(A0、M 之間的電位差為0)，即

可得到三鈕扣上的視電阻率計(jì)算公式為

為了對(duì)比數(shù)字聚焦電路的原理及精度，在試驗(yàn)中利用硬件反饋電路方式實(shí)現(xiàn)了電極A0 與M 等電位。通過硬聚焦方式和數(shù)字聚焦方式對(duì)不同濃度水溶液電阻率實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比(見表1、表2)，可以看出數(shù)字聚焦電阻率測(cè)量精度優(yōu)于硬聚焦測(cè)量結(jié)果。

表1 硬聚焦不同溶液測(cè)試結(jié)果

表2 數(shù)字聚焦不同溶液測(cè)試結(jié)果

2.2 梯形濾波成形算法

一般老式巖性密度測(cè)井儀器核脈沖信號(hào)的處理與采集采用先處理再采集的方法，即先采用模擬濾波成形(包括峰值展寬與保持電路)、極零相消和基線恢復(fù)等處理，再由低速ADC 完成脈沖采集。這種做法不僅增加了電路的復(fù)雜性還增大了電路帶來的死時(shí)間［6］。本設(shè)計(jì)采用一種先采集再處理的新方法，對(duì)核脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理［7、8］，消除了模擬處理電路因采樣保持而產(chǎn)生脈沖處理死時(shí)間的局限，提高了核脈沖計(jì)數(shù)率，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率。

梯形濾波成形算法是目前數(shù)字核信號(hào)脈沖幅度分析與提取的一種常用方法，與模擬濾波成形相比，算法簡單快速，具有較好的抗噪性和抗堆積性［9、10］。梯形成形算法是將輸入指數(shù)衰減的信號(hào)濾波成形為同幅度的等腰梯形脈沖，如圖4 所示，設(shè)成形后的梯形上升沿寬為ta，平頂寬為D，底邊寬為tc，其在時(shí)域的表達(dá)式可寫作［11］

圖4 梯形成形示意圖

其中，y1=Au(t)/ta，y2= -A(t -ta)u(t -ta)/ta，y3= -A(t-tb)u(t-tb)/ta，y4=A(t-tc)u(t-tc)/ta，tb=ta+D，tc=ta+tb，A 為信號(hào)幅度，u(t)為階躍函數(shù)。設(shè)Ts為采樣周期，令na=ta/Ts，nb=tb/Ts，nc=tc/TS，對(duì)V0進(jìn)行Z 變換可得:

單指數(shù)信號(hào)Vi(t)=Ae-t/τ，幅度為A，時(shí)間常數(shù)為τ，進(jìn)行Z 變換可得Vi(z)=Az/(z-e-Ts/τ)，令a =e-Ts/τ，則單指數(shù)信號(hào)梯形成形的傳遞函數(shù)為:

由于tc=ta+tb，na=ta/Ts，nb=tb/Ts，nc=tc/Ts，可得nc=na+nb，式(7)可變?yōu)?

其中，(1 -z-na)因子用于產(chǎn)生上升沿，(1 -z-nb)因子用于產(chǎn)生平頂，z-1為延遲因子，用于時(shí)間上的匹配。由于梯形的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，下降沿等于上升沿，算法中的反饋部分(1 -z-1)-2在本質(zhì)上相當(dāng)于兩次累加，正是通過該累加工程生成了梯形輪廓。

在傳遞函數(shù)法實(shí)現(xiàn)梯形成形過程中，其梯形上升沿時(shí)間和平頂寬度可通過簡單的參數(shù)調(diào)整而得到不同的形狀，因此可根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象，測(cè)量條件，改變相應(yīng)的成形參數(shù)，得到滿足系統(tǒng)要求的成形輸出形狀。

利用Matlab 對(duì)該算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。用指數(shù)信號(hào)Vi(t)=Ae-t/τ來模擬巖性密度核脈沖信號(hào)，通過梯形濾波成形算法后，輸出梯形脈沖信號(hào)如圖5 所示。從圖中可看出，對(duì)于核脈沖信號(hào)的梯形變換結(jié)果還是較理想的，梯形幅度值與指數(shù)脈沖最大值嚴(yán)格相等。

圖5 梯形濾波成形效果圖

3 實(shí)際測(cè)井效果

三探測(cè)器巖性密度-微柱組合測(cè)井儀器研制完成后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其測(cè)量精度、縱向分辨率、重復(fù)性和一致性都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，得到了用戶的肯定。圖6 是XX 井的實(shí)際測(cè)井綜合曲線圖。為了對(duì)比儀器的測(cè)井質(zhì)量，本井還測(cè)量了自然伽馬、高分辨率聲波、高分辨率雙側(cè)向、高分辨率感應(yīng)等資料。從該井測(cè)井資料分析，該地層薄層發(fā)育明顯，微柱、高分辨率聲波、高分辨率側(cè)向以及高分辨率感應(yīng)對(duì)薄層均有較好的反應(yīng)，可以識(shí)別0.2 mm的薄層，分層能力較好。在2 244 m ～2 246 m 儲(chǔ)層中含有小于0.2 m 的低阻薄層，其他高分辨率儀器薄層反應(yīng)不明顯，而微柱能很好地反應(yīng)出低阻薄層，說明微柱在縱向分辨率上略高于其他高分辨率測(cè)井儀器，可以較好地分辨薄互層。

圖6 XX 井測(cè)井綜合曲線圖

4 結(jié) 論

1)“微柱狀”金屬極板具有很好的耐溫性和耐磨性，并且圓柱狀等勢(shì)面是圓柱形井眼、泥餅的最佳形狀，受泥餅厚度和井眼的幾何形狀影響較小。

2)通過不同濃度溶液電阻率測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，數(shù)字聚焦方式較傳統(tǒng)硬件聚焦方式有更高的測(cè)量精度，消除了剩余電位的影響。

3)通過實(shí)際上井驗(yàn)證，梯形濾波成形算法符合巖性密度數(shù)字核脈沖成形要求，提高了儀器脈沖計(jì)數(shù)率，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率。

4)通過實(shí)際測(cè)井資料分析，微柱形聚焦測(cè)井儀縱向分辨率略高于其他高分辨率測(cè)井儀器，可以識(shí)別小于0.2 m的薄層，解決了傳統(tǒng)儀器縱向分辨率低、探測(cè)深度差別大和深度不一致等缺點(diǎn)。

5)微柱形電阻率與三探測(cè)器巖性密度測(cè)井儀的高度集成，具有測(cè)量精度高、縱向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在探測(cè)復(fù)雜巖性、評(píng)價(jià)特殊層位油氣藏方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，非常有助于測(cè)井解釋。

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