随钻测井电阻率仪器工作原理与常见问题分析

林业青 余文钦

（中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部湛江基地，广东 湛江 524057）

随钻测井电阻率仪器工作原理与常见问题分析

林业青 余文钦

（中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部湛江基地，广东 湛江 524057）

随钻测井电阻率仪器在南海西部地区已使用3年，作为维修人员从保养角度对此进行总结与问题探究。论文从工作原理、刻度原理、刻度数据对比使用分别进行分析，由电阻率测量结果不匹配的常见问题对测量方法进行精度研究。

相位差；振幅比；衰减；电阻率；悬挂刻度；加温冷却刻度；精度

一 工作原理及测量方法

随钻测井电阻率仪器主要通过测量射频电磁波在地层中传播后物理特性变化量的方法来计算电阻率（以下简称“随钻测井电阻率仪器”为“仪器”）。

由图1所示，可知仪器包括2MHz 的发射极3 个，由上向下为中发射极、浅发射极、超浅发射极；1MHz 的发射极1 个，为深发射极。接收极2 个，由上向下为近接收极、远接收极。

图1.随钻测井电阻率仪器外观结构图

测量方法分为相位差测量方法（Phase Shift）和振幅比测量方法（Amplitude Ratio），可以通过图2简要表示。

图2.相位差测量方法和振幅比测量方法

（一）相位差测量方法

电磁波在真空或空气中通常都认为以光速传播（30 万公里每秒），但对于有电导的介质，其传播速度都会因为电导率的不同,速度而有所不同。电磁波的波长λ、频率f及传播速度V存在以下关系：

V = λ∙f

对于仪器相位差的产生是由于近接收极和远接收极之间的6 英寸的间距导致的。

图3.相位差测量方法

由于电磁波在各种介质中的传播速度不一样，在真空中传播相当于光速，通过媒介时电磁波传播的速度小于真空中，那么，真空的电阻率为无穷，电磁波在其他媒介传播就相对慢些，也就是说低电阻率导致传播速度低。由公式V = λ∙f得到，当频率f一定，v低导致λ低，低电阻率导致波长短。再由相位差产生的式子得到，波长短导致相移大，最后推出，电阻率越小，相位差越大。反之，电阻率无穷大，则两个接收极之间得相位差随之变得非常小。

综上所述，速度、相位差和波长作为电阻率和导电率的函数有以下关系：

表1.速度、相位差、波长、电阻率的关系

（二）振幅比测量方法

电磁波在地层中的衰减用振幅比来表示。振幅比是由两个接收器中所检测到信号的振幅的比率计算得来的。仪器计算幅度衰减电阻率是解出远近接收极的电磁波“振幅比”。计算公式为：

振幅比（dB）＝20 X log (A远/A近)

其中，量化衰减程度的单位是分贝dB，A的单位是伏特。

图4.振幅比测量方法

在近接收器的信号振幅一般大于远接收器的大，如以上所述方程式所定义的，振幅比通常是一个负数。衰减越大，这个负数（就绝对值而言）就变得越大。

低电阻率导致高衰减，可以想象一下真空中电磁波传播不会有衰减，而在空气中，相对真空电阻率变大，故衰减变大，振幅比增大。电阻率高时，发送器信号衰减较少，远接收器振幅将只比近接收器振幅小一点点。下表概述了这些参数的相关性。

表2.电阻率、衰减、振幅比的关系

二 刻度原理以及刻度方式说明

（一）刻度原理

对于相位差测量,我们假设电磁波的速度在空气中是光的速度,因而,在空气或真空中所观测到的相位应该是一个非常小的恒定值。我们把仪器悬挂于空中，至少离地面5英尺（1.524米）远，周围无金属物质干扰，观察在空气中的读值，我们假设所有观测到的相移，由0°起始的偏移量，是由于仪器的缺陷所导致的。这悬挂测试的值，也即相移的度数值，在随后是用于调校由仪器产生的原始测量值。在仪器软件中，在数据传送到地面或记录到内存之前，这个值会从原始的相位差测量值减去。此外，这些从属于硬件的“缺陷”对温度也有相应的敏感性，所以我们描述它们的特性是从19°C到141°C温度函数。

简而言之，对于相位差测量和衰减测量的刻度，都是为了消除零漂和温漂的影响。

图 5可以解释怎么使用相位差测量的刻度来消除影响的。

图5.相位差测量方法刻度

刻度时，对仪器进行加温后（仪器井下最高操作温度为140℃，刻度时一般加温从141℃开始），悬于空中对四组发射做冷却采样，由此得到横坐标为温度，轴坐标为相位的关系曲线Air Hang Phase Shift (degrees) vs. Temp (deg C)。曲线中，在常温21℃，phase shift应该为0，但实际却是有数值。

消除温漂的影响：我们在测井时，在100℃得到一个原始数据，为了消除温漂的影响，我们认为 20℃的相移为标准，使用Air Hang Phase Shift (degrees) vs. Temp (deg C) 曲线中20℃与100℃之间相移所产生的变化，也即需要原始数据减去变化值得到消除温漂影响的温度校正值。Air Hang Phase Shift (degrees) vs. Temp (deg C)温度刻度数据存于仪器的EEPROM中，a点和b点数据是由此得到的。所得到的相移数值都是取两度之间的相移平均值得到的，譬如 21℃代表的是，大于19摄氏度，小于21摄氏度之间的相移平均值。

消除零漂的影响：在常温 20℃的情况下，仪器悬挂于空气中，周围无磁性介质，相移本应该为0，但由于仪器零漂的影响，Air Hang Phase Shift (degrees) vs. Temp (deg C)曲线中在20℃的相位差为图上a点所示，那么用温度校正值减去零漂影响的数值，即为我们希望得到的，原始数据经过刻度校正得到的值，还原为真实的值，也即还原为实际情况。

图6是解释振幅比测量的刻度是怎么消除影响，与相移同样道理，消除温漂和零漂的影响。

图6.振幅比测量方法刻度

（二）刻度的方式与说明

由刻度原理可知，仪器刻度包括为悬挂刻度和加温冷却刻度，目的分别是为了消除零漂和温漂的影响。一般说来，悬挂刻度在其中有 90%的影响，加温冷却刻度有 10%的影响。

仪器在钻井过程中，难以避免的会受到地层的影响，导致仪器表面或天线肋条磨损、外径变小，从而导致悬挂测试的值与以前对比，也即测前与测后的数值有差别。

在实际的保养工作中，会使用测后悬挂测试的数值跟最近一次的刻度数值和最原始的刻度数值做比较，来确定仪器的稳定性。

三 常见问题分析

仪器自2009年投入使用以来，下井次数110次左右，出现曲线分离明显20次左右。有时相差几欧姆米到几十欧姆米甚至上百欧姆米。

图7.仪器曲线分离情况

以下从两个方面对曲线分离问题进行分析：

（一）仪器本身固有系统误差理论分析

我们所使用的仪器原始模型如图8所示，其是电阻率仪器发展的第一代产品，目前湛江在用的是第三代产品。

图8.仪器原始模型

在仪器的基本理论模型研究中，有以下图9和图10的基本理论曲线。图9为相移与电阻率关系曲线，当发射电磁波频率为2 MHz，曲线i是z1 = 30" 和 z2 = 24"的响应曲线，曲线ii是平面波曲线，z1 和 z2趋向于无穷。

图9.相移-电阻率基本理论曲线

图10显示的是振幅比与电阻率的关系曲线，同相移曲线一样，发射电磁波频率为2 MHz，曲线i是z1 = 30" and z2 = 24"的响应曲线，曲线ii是z1 = 54" and z2 = 48"的响应曲线，曲线iii的z1 和 z2趋向于无穷。

图1 0.振幅比-电阻率基本理论曲线

以上两图能用于计算所要求的灵敏度，从而得到在确定地层电阻率ρ的情况下的给定精度。假设在这些计算中，相位探头的测量范围是90°，振幅比测量范围是1，也即通常所说的量程。设相位测量的精度为AP，振幅比测量精度为AR， ρ△ 为电阻率所要求的精度。由精度=最大允许误差/量程 这一公式得到，相位探测的精度就是， ρ△ 所对应的相位误差除以90°，AP=phase error/90°，AR=amplitude ratio error/1。

从上两图的曲线i可以计算发现，当使用频率为2 MHz，单发双收距离分别为24"和30"的数值来计算，并且电阻率的最大允许误差为10%时，可以得到下表：

表3.不同电阻率的精度要求对比

附：AP是由在 ρ=0.2Ω m 时，最大允许误差为0.2x10%=0.02Ω m，所对应的phase error（即电阻率轴对应到相位轴上）除以90°所得到的，同理，AR如此。

由上表可以看出，在0.2Ωm，振幅比测量所需精度比相移测量所需精度稍高。在20Ω m，振幅比是相移的5倍。在大于20Ω m的情况下，使用振幅比测量电阻率的精度要求会比相移大很多，并且以指数的方式增长。

然而，通过对比图9的曲线ii和图10的曲线iii，可以发现2 MHz的平面波在z1 和 z2 趋向于无穷，距离相差6" ，并且电阻率最大允许误差为10%的情况下，

当ρ=0.2Ω m，AR/AP=0.6

当ρ=20Ω m，AR/AP=1.43

因此，可以看出，当ρ趋向于无穷，则 AR/AP趋向于1.57，接近于1，所以使用振幅比测量电阻率的精度要求与相移差不多（如果AR/AP接近于1，那么所要求的精度接近，当ρ趋向于无穷，才增加到1.57）。所以出现，精度需求的研究不能很清晰的确认相位和振幅测量哪一个是最优选择。

经过以上分析，可以看出，如要达到振幅比所要求的测量精度，在硬件实现方面是有限制的。用上述表格来说明，所造出仪器的硬件方面如果在电阻率为20Ω m的情况下，能实现0.0027的相位测量精度，但却难以实现0.0005的振幅比测量精度。其次，在两个接收与发射的距离为无穷大时，才能实现振幅比测量电阻率的精度要求与相移接近，但在实际，却是难以实现的。振幅比测量不能用于电阻率的整个无穷范围，仪器制造者希望的是，不用付出很大成本来设计电子部分，就能使仪器对一定范围的电阻率做出反应。

简而言之，是仪器的系统误差，即所制造的仪器达不到振幅比所要求的测量精度，导致电阻率在大于一定值的情况下，振幅比所测电阻率是不精确的。

（二）相移电阻率和衰减电阻率测量精度分析

根据手册，仪器的组合相位和衰减（CPA）电阻率测量范围是：0.1到100Ω m。

图11是根据实验结果得到的电磁波振幅衰减与地层电阻率的关系曲线：

图1 1.电磁波振幅衰减与地层电阻率的关系曲线

从曲线可以看出，振幅衰减电阻率在电阻率较低的情况下，振幅衰减和介质电阻率成较好的线性关系，在介质电阻率大于10Ω m以上，曲线加速下降，斜率很大。此时，电阻率测量的精度快速降低。由文章第1点原理提到的公式，振幅比（dB）＝20 X log (A远/A近)，将上面图中深电阻率的曲线值代入上式计算分析，得到：

表4.不同电阻率的振幅比对比

从计算可以看出，此时，远近接收极的电磁波“振幅比”非常接近于1，即电磁波幅度衰减非常小，在10Ω m时，远近接收极之间幅度的差只有 0.2%，这种非常小的变化，很容易被噪声、干扰等所淹没。即在大于10Ω m的情况下，振幅衰减电阻率的测量精度就快速降低，不适用于定量测量。

在图12所示电磁波相移与地层电阻率的关系曲线中，大于10Ω m的情况下，曲线的斜率仍然基本稳定，相移大于3度。在大于400Ω m时，相移才小于0.1度，可以用于定量测量。

图1 2.相移与地层电阻率的关系曲线

经过对比分析，在电阻率较低的情况下，振幅比和相移都与介质电阻率成较好的线性关系，都有较高的精度。其次，振幅比电阻率的测量范围小于相移电阻率，在大于 10Ω m的情况下，幅度衰减电阻率的测量精度就快速降低。而相移电阻率在400Ω m以下都可以用于定量测量。

四 结 论

（一）此随钻测井电阻率仪器使用的是2MHz 和1MHz频率的电磁波对地层进行测量，采用的测量方法分为相位差测量方法和振幅比测量方法。当所测电阻率越小，则相移就越大，电阻率大，则相移就小。在振幅比测量中，低电阻率导致高衰减，高电阻率高导致低衰减。

（二）仪器刻度的目的为了消除零漂和温漂的影响。随钻测井电阻率仪器在钻井过程中，难以避免的会受到地层的影响，导致仪器表面或天线肋条磨损、外径变小，在测井数据处理流程里，所使用的刻度数据是最近一次仪器的刻度值，故在保养过程中，测前测后尽量多做悬挂刻度，把对电阻率的测量影响，降到最低。

（三）由于仪器固有特性的影响，衰减电阻率在大于20Ωm的情况下，衰减测量精度是不高的，所以导致电阻率曲线分离的情况。在测井过程中，应按照手册要求，向客户提供相移电阻率和 CPA组合相位和衰减电阻率测量数据（相移电阻率测量范围是0.05-2000Ωm，CPA电阻率测量范围是0.1-100Ωm）。

[1]吴兴方.EWR测量精度研究[J].中海油田服务股份有限公司.

[2][美]HALLIBURTON公司.EWR Phase 4 Calibration Theory[M].

[3][美]HALLIBURTON公司.Electromagnetic Wave Resistivity (EWR) Phase 4 Sensor Manual[M].

[4][美]HALLIBURTON公司.LWD Log Quality Control guide for EWR P4[M].

[5]P.F.Rodney,NL Information Services Group;M.M.Wisler, Adams&Rountree Technology Inc.;L.W. Thompson,NL Information Services Group;and R.A Meador,Petroleum Measurement Corp.The Electromagnetic Wave Resistivity MWD Tool[M].1983.

（责任编校：京华，俊华）

F42/TE2

A

1673-2219（2012）09-0118-05

2012－07－30

林业青(1984－)，男，广东湛江人，中海油田服务股份有限公司助理工程师，从事测井技术与理论研究。