高分辨率双侧向测井仪的影响因素分析

钮 宏,赵养真,区广宇

(中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710021)

0 引 言

组合测井中,由于高分辨率双侧向的测量原理和电极系结构的特性,要获得良好的测量效果,不仅需要其自身保持正常的工作状态,还需要防止来自外部的影响和干扰。同时,对其电压测量参考点N电极的放置、以及同串组合中其他测井仪器的使用方法也有一定的规范要求,从而有效地排除一切可能影响测井效果的因素,获得准确的测井数据。

根据近年来在仪修技术服务中所遇到的有关高分辨率双侧向测井仪的问题和现象,以及所采取解决方法,进行概要归总与分析探讨,为野外测井小队的操作和仪修人员提供参考。

1 电极系特点和基本测量原理简述

高分辨率双侧向测井仪的电极系上分别设有A0、A0′主电极;M2、M2′主监控电极;A1、A1′浅屏流电极;A1＊、A1＊′辅监控电极;A2、A2′深屏流电极各1对,它们以另一端主监控电极M1为中心,依次对称排列分布于电极系上(见图1)。

测井时,由DSP程控器产生控制命令,控制仪器工作状态和屏流源产生35 Hz深屏流与280 Hz浅屏流。浅屏流由电极A1(A1′)、A0(A0′)发向地层,由电极 A2(A2′)返回。同时,深屏流由电极A1、A2(A1′、A2′)、A0(A0′)发向地层,由B电极(电缆鱼雷处)返回。当深屏流在A1与A2之间的电位不相等时,在A2与A1＊间形成的电位差ΔVA,被辅监控器放大并用来调节A1的电位,迫使A1与A2形成等电位,以增强深侧向的聚焦效果。同时,当深、浅屏流在电极M1与M2(M2′)之间的电位不相等时,所形成的电位差ΔV会被主监控器分别进行放大,用以调节主电极A0(A0′)的电位,使ΔV趋于0,形成聚焦电场,迫使由A0(A0′)发出的主电流呈圆盘状进入地层深处再返回B。

DSP根据Vd、Vs、Id、Is的实时测值范围,产生相应的功控信号,调节深、浅屏流,从而形成井下闭环测量控制,并且可按照地面指令,控制仪器的内刻、外刻、测井3种工作状态,以及控制 KN开关进行地面N或井下N电极的设置选择。

图1 高分辨率双侧向原理框图

2 主要现象与解决方法

2.1 偶然出现测值混乱现象

在组合配车或测井过程中,双侧向的工作电压、电流正常,却偶然出现深、浅侧向测量值混乱的现象,用内刻档自检仍然如此,在重新供电后,仪器的工作状态又恢复了正常。

影响因素:经检测验证,这种现象主要是原先的DSP数据采集控制电路中的单片机电路匹配及抗干扰能力较差所致。当电路中的地线(公共点)受到意外干扰,或者测量数据出现频繁剧烈波动时,单片机对测量数据的运算处理反应易进入死循环状态。

解决方法:对原DSP数据采集程控电路(简称为DSP程控板)进行重点改进,用型号TMS320LF2407APGES 控 制 器 和 型 号EPM7256AETI100-7逻辑译码器电路,分别取代了原板的 PIC17C756A单片机处理器、PIC16C761/ J W逻辑译码器电路,增加了64 kB×16 bit的高速静态RAM、三态缓冲器74HC244、仿真口J TAG等外扩和适配电路,不仅保证了系统全速可靠地运行,显著改善了系统的抗干扰性能,还可对DSP控制程序进行现场调试和修改。在新的A/D采集转换电路中,除仍保持对Vd、Vs、Id、Is、VGND等5道测量信号采集外,还增加了对500 mV参考电压、+12 V电源电压和0～150℃控制板的温度等3道信号进行实时采集,为地面窗口提供实时监控数据(目前该项功能已在EIlog-06双侧向中启用)。新程控板不仅有效地解决了双侧向测井中的死循环和跳尖现象,也显著提升了可靠性和抗高温性能,在实际应用中效果良好。由于新DSP程控板与原程控板输入、输出信号、引线及插接方式完全一致,互换方便,因此自2008年6月份开始,原控制板已陆续被取代。

2.2 深侧向在高电阻率层测值偏低或出现负差异

采用井下N电极的方式或连接硬电极棒测井时,在低电阻率泥浆高电阻率地层井段出现深侧向测值明显降低、甚至出现负差异的现象。

影响因素:井下N电极不利于中高电阻率地层低电阻率泥浆条件测井;深侧向回流电极B与双侧向A2电极之间的间距不够,或者B电极与井下仪器外壳之间的绝缘不良,也会引起深侧向的测值偏低的现象。

实验结果表明,高分辨率双侧向在测井时,将电压测量参考点N电极设置于地面或井下,虽然对于浅侧向的测值无明显影响,但是采用井下N电极测井方式,将有可能引起深侧向测值变低、双轨甚至出现负差异的现象,特别是在高阻层与低阻泥浆的测量井段,其现象较为明显。主电极A0、深、浅屏流电极A1、A2及回流B以及井下N电极之间的大致间距见图2。

图2 各相关电极的大约间距示意图

在测井过程中,由浅屏流电极A1和主流电极A0发出的浅屏、主流的回流电极都是A2,对于电压测量参考点N电极而言,无论是设在地面或是井下,N与A0、A1的间距都远大于A0与A2的间距,所以在浅侧向回路中,N电极的电位几乎不受泥浆分流的影响,因此对其测值影响甚微。然而在深侧向的探测回路中,分别由A1、A2和A0发出的深屏、主流的回流电极则是井下电缆外皮终端鱼雷B电极。井下N电极位于B的下端约5.5 m处,在测井过程中,当A2进入高电阻率层后,较低电阻率的井筒泥浆对深屏流 IA和深主流 Id的分流增大,由于N较B距离A0更近一些,泥浆的分流将先经井下N至B,会使N电极处的电位VN升高,出现VN>0增大的情况。

例如,在8 in＊＊非法定计量单位,1 in=25.4 mm,下同井径、泥浆电阻率 Rm分别为0.2、0.6Ω·m和1.2Ω·m的条件下,地层电阻率Rt从10Ω·m到5 kΩ·m时,有关井眼泥浆分流对井下N与M2电位影响的实验数据趋势见图3。

实验数据表明,在泥浆电阻率 Rm相同的情况下,VN随着地层电阻率Rt增高而增大,就会造成原本为Vd=VM2-VN≈VM2(取VN=0)的计算值因VN的增大而减小,进而使由公式 Rd=Kd(Vd/Id)计算出的深侧向视电阻率Rd测值降低(式中,Kd为深侧向的仪器常数)。特别是当泥浆电阻率 Rm= 0.2Ω·m时,在Rt=10Ω·m与Rt=5 kΩ·m的地层中,VN/VM2比值由1.1%上升至8.6%。由此可见,在高电阻率层、低电阻率泥浆的测量井段,井下N电极会造成Rd明显降低的现象。而采用地面N电极的方式测井时,由于地面N电极与主电极A0之间的距离无穷远,N电极处的电位VN不受井筒泥浆分流的影响而始终保持VN=0,因此可有效避免井筒泥浆分流而造成的上述现象。

图3 8 in井径泥浆分流对井下N的VN/VM2影响趋势

同样,如果深侧向回流电极B与双侧向A2电极之间的间距不够,或者B电极与井下仪器外壳之间的绝缘不良,都将会造成深屏流的实际回路缩短,聚焦效果降低,泥浆和冲洗带的分流增大、主电流的探测深度减小,也会出现深侧向测值降低的现象。如果使用的是井下N电极方式,其情况会愈加严重。

解决方法:①测井时,特别是使用硬电极棒做为双侧向的加长电极时,应确保回流电极B与主电极A0之间有足够的间距(参考间距一般约为≥45 m),并且应正确选用地面N电极的测井方式。②检查B电极与组合测井仪外壳之间绝缘是否良好。③应保证加长电极或硬电极棒、双侧向顶部的绝缘短节的绝缘性良好。④在装配双侧向电子仪时,应确保其骨架下端的A1＊弹片与外壳接触良好,使深侧向工作时电极A1、A2具有良好的等电位调节效应,从而达到良好的深侧向屏流聚焦效果。

2.3 使用地面N电极测井时测值混乱现象

使用地面N电极无法正常测井、测值混乱异常。但使用井下 N电极或内刻检时,仪器工作正常。

影响因素:地面N电极回路与地表接触不良或被外部漏电干扰。地面N电极作为双侧向测井时的一个电压测量参考点,必须与大地保持良好的接触,形成一个良好的闭合回路,才能达到良好的测井效果。地面模拟测试证明,在配接7 000 m模拟电缆盒的条件下,当N电极与地面接触电阻 RN>120Ω以后,深、浅侧向的测量值 Rd、Rs随着 RN的增大开始出现正差异,即 Rd>Rs>标称值。尤其是在模拟5Ω·m以下的低电阻率地层时,Rd增大的趋势更为明显。因此,在地表干旱严重或地表下有非导电地质层的地区进行测井时,都可能会造成地面N电极回路导通不良或虚地现象。同样,当地面N电极回路受到外部漏电干扰时,也将出现测值异常的现象,影响测井质量。

解决方法:①应尽可能选择比较潮湿的地方,或采用深埋注水方法来改善地面N电极棒与地表的良好接触。切勿将其放置在具有防渗漏绝缘层的泥浆池中。②检测马笼头的2号缆芯至地面供电面板的9号插孔与N电极棒构成的地面N回路的导通性是否良好。③在确保无漏电干扰N电极回路的前提下,N电极棒的埋放点应远离发电机房。④在地表干旱严重或有非导电地质层的地区,如采用地面N电极无法正常测井时,可参考将地面系统供电面板的9号与10号输出插孔短接,以形成地面N电极回路与地面缆皮连接的方式测井。有关测试证明,该种连接方法的测量效果要优于采用井下N电极的方式测井。

2.4 组合测井中深侧向易受干扰现象

高分辨率双侧向在与微球或其它带推靠器的测井仪组合测井时,深侧向易受干扰。例如:深侧向曲线明显偏低、不稳定或时有异常波动。

影响因素与排查处理:该问题较为复杂,应根据具体情况进行具体分析和排查处理。如果排除了双侧向自身问题,或地面系统、井场漏电干扰到了双侧向N电极的因素后,那么这种现象大多是由于在组合测井时与其同串测井仪中的推靠器供电电源波动较大干扰到了双侧向的N电极回路;仪器或井径电路与外壳、10号缆芯之间有漏电现象;硬加长电极棒或绝缘短节绝缘不良等。

当双侧向的回流电极B回路受到干扰时,会引起深屏流和深主流 Id发生异常变化。当电压测量参考点N回路受到干扰时,会因VN≠0或有波动而使Vd发生变化。上述几种因素都对深侧向的干扰尤为敏感。遇到实际情况,要根据具体问题逐一进行分析排查解决。还应注意,在双侧向和微球等带推靠器的测井仪都参与的组合测井中,双侧向的地面N电极回路与推靠马达电源共享2号缆芯。2号缆芯的分配由微球电路中继电器开关的状态来控制。因此,一定要准确使用操作指令及其操作顺序,从而保证组合仪器处在正常的工作状态中。

3 测井实例

高分辨率双侧向与CLS5700的1239双侧向在唐海某探井的1段测井资料对比效果见图4。其中, RLLd,C2、RLLs,C2与 Rd57、Rs57分别为高分辨率和CLS5700双侧向的深、浅测井曲线。

EIlog测井组合仪为:加长电极马笼头+三参数+遥传/伽马+微球(加铰链)+绝缘短节+双侧向(加扶正器)+声波。N电极设于地面。

图4 高分辨率双侧向实测效果

由测井对比资料和曲线图4可以验证,在井眼环境相同的组合测井中,高分辨率双侧向不仅与CLS5700双侧向的测井曲线整体复合良好,并且在井深1 167、1 177 m上下等多处的测量井段,具有较明显的薄层分辨优势。

4 结 论

由于高分辨率双侧向测井仪的测量和结构特点,在组合测井中,其相关电极从地面至井下,几乎贯穿于每支组合测井仪,如果使用不当或被干扰,就可能会影响到正常的测量效果。通过对测量中出现的问题和现象的分析处理,证明这些影响因素是完全可以避免和克服的。通过测井实例对比,也证明了只要措施得当有效、作业标准规范,就能够消除影响因素,获得满意的测量效果。

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