錢德儒

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究，北京，100020)

0 引言

隨鉆測(cè)量（MWD-Measurement While Drilling）是一種在鉆孔過程中實(shí)時(shí)測(cè)量井底各種參數(shù)的技術(shù)，MWD的最大優(yōu)點(diǎn)是可使鉆探人員和地質(zhì)學(xué)家實(shí)時(shí)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(cè)量的一個(gè)非常重要的方面是電阻率地層表征的測(cè)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(píng)估數(shù)據(jù)來評(píng)估水平井和大角度斜井，可提供實(shí)時(shí)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(biāo)層[4]。目前，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，我國(guó)的電阻率測(cè)量和定向鉆井仍存在較大差距[5]。然而，在我國(guó)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(cè)量技術(shù)，因此MWD系統(tǒng)具有非常廣泛的應(yīng)用前景[6]。

本文介紹了鉆井過程中電阻率測(cè)量的方法，微電阻率測(cè)井通常用于淺層測(cè)量，由于其電極尺寸小，電極之間的距離短且檢測(cè)深度淺，因此它主要用于測(cè)量井眼和沖洗區(qū)域的電阻率，這些都是直流電測(cè)井。在直流測(cè)井中，井中必須充滿導(dǎo)電性泥漿或水以及其他井中液體，以使測(cè)得的電流可以進(jìn)入地層并達(dá)到測(cè)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(zhǔn)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(yīng)測(cè)井使用交變電磁場(chǎng)來測(cè)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(yīng)測(cè)井使用低頻（通常為1kHz），并且通過測(cè)量接收器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并分析地層的電阻率。

1 隨鉆電阻率測(cè)量方法

1.1 基于相位差的測(cè)量方法

根據(jù)兩個(gè)接收器檢測(cè)電磁波的相位差來測(cè)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(yuǎn)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(cè)量方法示意圖

其中：f表示場(chǎng)頻，v表示傳播速度。

1.2 基于幅度比值的測(cè)量方法

1.3 基于相位差和幅度比值組合的測(cè)量方法

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

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

2 多探測(cè)深度方案分析

2.1 可用的頻帶區(qū)間劃分

研究不同場(chǎng)頻和不同源距的測(cè)量點(diǎn)處電磁場(chǎng)分布的變化，分析并補(bǔ)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(cè)深度越淺。光源距離應(yīng)根據(jù)實(shí)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(gè)探測(cè)深度。地層中電阻率的動(dòng)態(tài)范圍約為0.5Ω·m～50000Ω·m，因此對(duì)接收器的動(dòng)態(tài)范圍有嚴(yán)格的要求，但是在擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍時(shí)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(cè)量的要求來選擇場(chǎng)頻，不同的場(chǎng)頻將導(dǎo)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(duì)于隨鉆電阻率測(cè)量系統(tǒng)，場(chǎng)頻通常為2MHz。頻率太高會(huì)增加接收器測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍，并對(duì)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(shè)備的長(zhǎng)度和到信號(hào)源的距離來滿足相位測(cè)量的靈敏度要求，并顯著增加相應(yīng)的發(fā)射機(jī)功率。

2.2 多探測(cè)深度方案

在實(shí)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(gè)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(cè)得的地層的真實(shí)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(gè)探測(cè)深度的電極分布方案如圖4所示。由1個(gè)接收器和4個(gè)發(fā)射器組成，使用兩個(gè)發(fā)射場(chǎng)頻率，發(fā)射器1測(cè)量超淺層電阻率，發(fā)射器2測(cè)量淺層電阻率，發(fā)射器3用于測(cè)量中間深度電阻率，它們都使用2MHz的發(fā)射頻率來測(cè)量電阻率，發(fā)射器4測(cè)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(shí)電阻率。通過上述的探測(cè)深度方案，可以獲得4個(gè)基于振幅比測(cè)量值和4個(gè)相位差測(cè)量值的電阻率，幅度比值測(cè)量具有更高的探測(cè)深度，相位差測(cè)量具有更好的縱向分辨率。

圖4 多探測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)源，將所有數(shù)據(jù)集成到數(shù)據(jù)庫(kù)中，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以在鉆井工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)中用作輸入數(shù)據(jù)源，該計(jì)算可以確定實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益的鉆井參數(shù)。另外，可以及時(shí)進(jìn)行鉆井決策的下一步，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地層數(shù)據(jù)的智能解釋。測(cè)量隨鉆電阻率的基本原理是電磁波傳播效應(yīng)，在電磁場(chǎng)不變的情況下，由于地層參數(shù)的差異，對(duì)電磁場(chǎng)的響應(yīng)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(cè)電磁場(chǎng)的變化，可以獲得有關(guān)地層和鉆井環(huán)境的相關(guān)信息，隨鉆的含義是在鉆井過程中對(duì)井下鉆井參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和跟蹤。MWD的優(yōu)勢(shì)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(shí)調(diào)整鉆探計(jì)劃以獲得最佳結(jié)果。