基于电容耦合原理的油基泥浆电成像测井仪特性考察

于增辉

（中海油田服务股份有限公司油田技术研究院，河北 燕郊 065201）

0 引 言

地层微电阻率扫描（FMS）和全井眼地层微电阻率成像测井仪（FMI）［1］采用多个极板，每个极板上镶嵌多个钮扣电极，在保持钮扣电极和回流电极一定电位条件下，对各个钮扣电极的发射电流进行平衡补偿和标准化处理，可以获得井壁电阻率图像。随着钻进工艺的改进以及勘探开发技术的发展，深水测井需要采用非导电泥浆（如油基泥浆和合成泥浆）。采用非导电泥浆能使钻井速度更快，井壁更稳定、更规则。然而采用油基泥浆钻井液，使得泥浆导电性能变差，常规成像测井仪钮扣电极的电流难以从井眼进入地层，成像效果遇到严重挑战。因此，需要开展油基泥浆电成像测井装备的研究。

在非导电泥浆中有2种方法可用于电阻率成像。一是四点测量法［1］。该方法用电流注射电极发射电流，测量电极之间的电位降。因为泥浆和地层之间的高电阻率差异，电流倾向于沿着井壁在地层中流动，等位线大约垂直于井壁。因此，在井壁与极板间存在油基（高电阻率）泥浆的情况下，测量电极之间的电位降与井壁测量值近似相同。用注入电流归一化这些电位降，得到地层阻抗信息。四终端测量没有降低接触阻抗，它理想地除去了接触阻抗对测量的影响。二是电容耦合法，它直接降低接触阻抗。电流在高频驱动下，由极板和导电地层作为电容器，交流电就能够越过非导电泥浆层流动，它主要是位移电流。一旦电流穿越泥浆障碍，就符合常规的成像测井原理。这种方法使用电容耦合“驱赶”电流穿越非导电泥浆障碍并进行测量。

本文利用有限元法［2－3］模拟仿真了基于电容耦合法的油基泥浆电成像测井仪，主要从仪器探测深度和分辨率2个方面研究了仪器探测特性，并考察了极板上各钮扣电极尺寸及间距、仪器工作频率、绝缘短节长度、回流电极长度和位置等因素对仪器测井响应的影响。

1 仪器结构描述和仿真方法

1.1 基于电容耦合原理的仪器结构

基于电容耦合原理的油基泥浆电成像测井仪的测量电极主流在极板外壳和周围电极的屏蔽作用下垂直进入地层一定深度后发散，回到回流电极。各电极尺寸、分布以及仪器各部分的结构和尺寸设计对于仪器探测特性有重要影响。

电容耦合法油基泥浆电成像测井仪内部有6个极板，每个极板包含2排测量电极共15个，上排8个下排7个并彼此绝缘，6个回流电极放在距离钮扣电极较远处。每个极板使用可伸展的支撑架连接仪器，仪器中有一段绝缘短节隔开回流电极和测量电极。极板上排钮扣电极为 U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8；下排钮扣电极为 D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。选择钮扣电极D4作为主要研究对象。

1.2 模拟仿真方法

采用有限元法进行三维数值模拟，研究油基泥浆电成像测井仪的测井响应。有限元方法是近似求解数理边值问题的一种数值技术，利用有限元法模拟油基泥浆电成像测井［4－7］之所以可行，一方面是由于有限元是一门已经发展的相对比较成熟的理论，有一套比较完善的理论体系；另一方面是由于有限元法能很好地模拟几何外型比较复杂的物体，特别适用于油基泥浆电成像测井及复杂的地质特征。

2 仪器探测特性分析

2.1 仪器探测深度考察

主要从2个方面考察了油基泥浆电成像测井仪的探测深度［8］：①标准模型下各测量电极的伪几何因子；②仪器结构参数改变时的伪几何因子。

伪几何因子［9］的计算方法为

式中，Ra为变化侵入半径时计算的视电阻率；Rt为无侵入时原状层对应的视电阻率；Rx为侵入半径为无穷大时计算的视电阻率。

地层模型参数：井眼直径8.875 in＊＊ 非法定计量单位，1 in＝25.4 mm，下同；泥浆电阻率1 000Ω·m；泥浆与地层介电常数10；侵入带电阻率200Ω·m；原状地层电阻率20Ω·m；频率1 MHz；仪器紧贴井壁。

（1）标准模型下的伪几何因子。图1为在标准模型下D1至D7电极伪几何因子曲线。从图1可以看出，若定义伪几何因子为0.5时所对应的侵入深度为仪器的探测深度，该地层模型下，仪器探测深度为17.5 cm左右。

（2）仪器结构参数改变时的伪几何因子。图2为仪器结构中玻璃钢厚度、玻璃钢相对介电常数、绝缘短节长度变化时（见表1），D4电极随侵入深度变化时的伪几何因子曲线。

图1 D1至D7电极伪几何因子曲线

表1 仪器结构参数

图2 不同结构参数下D4电极的伪几何因子曲线

从图2可以看出，①玻璃钢相对介电常数对仪器探测深度的影响较大，随着相对介电常数变大，探测深度也相应变深，但是随着玻璃钢厚度的增加，介电常数对探测深度的影响变小。②随着玻璃钢厚度增加，仪器探测深度变小，但是玻璃钢厚度对探测深度的影响相对较小。③当绝缘短节长度增加时，仪器探测深度会有变小的趋势，但是，当绝缘短节长度在0.1～0.5 m间变化时，探测深度变化幅度很小。

2.2 仪器分辨率考察

从2个方面考察仪器的分辨率。一是不同的玻璃钢厚度、绝缘短节长度、玻璃钢介电常数下仪器的分辨率；二是纽扣电极的高度对仪器分辨率的影响。

地层模型参数：井眼直径8.875 in；泥浆电阻率1 000Ω·m；目的层电阻率200Ω·m；围岩电阻率20Ω·m；泥浆与地层介电常数10；频率1 MHz；仪器紧贴井壁。

图3为D4电极在不同层厚时的响应曲线。从左至右目的层厚度依次为10、5、4、3、2、1、0.8、0.6、0.5 cm，仪器结构参数见表1。当薄层为0.5 cm时还可以识别，说明其能识别的最小薄层厚度小于钮扣电极高度；玻璃钢厚度、玻璃钢相对介电常数及绝缘短节长度等因素几乎不会影响仪器的分辨能力。

图3 不同目的层厚时D4电极的响应曲线

图4为D4电极在不同电极高度下，不同层厚时的响应曲线。减小钮扣电极高度可以明显提高分辨率。但是，减小钮扣电极高度的同时，视阻抗值会相应增加。

图4 不同目的层厚时D4电极的响应曲线

3 仪器结构参数分析

地层模型参数：井眼直径8.875 in；泥浆与泥饼电阻率1 000Ω·m；泥浆与地层介电常数10；Standoff为0.5 mm；泥饼厚度0.5 mm；频率1 MHz。

3.1 纽扣电极高度

钮扣电极高度分别为6.04、8.04、10.04 mm 时D4电极视阻抗值随地层电阻率变化的响应曲线见图5。在该仪器结构下，随着钮扣电极高度的增加，视阻抗减小，且敏感度受地层电阻率的影响较小。

图5 电极高度不同地层电阻率变化时D4电极的视阻抗值

3.2 纽扣电极宽度

钮扣电极宽度分别为5.36、6.36、7.36 mm 时，D4电极阻抗值随地层电阻率变化的响应曲线见图6。类似于纽扣电极高度对测井响应的影响，随着钮扣电极宽度的增加，视阻抗减小，并且敏感度受地层电阻率的影响较小。图5、图6表明，无论是低电阻率层还是高电阻率层，纽扣电极的面积大小会直接影响纽扣电极响应。随着地层电阻率的增加，视阻抗增加，但是当地层电阻率小于1Ω·m或大于6 000Ω·m时，视阻抗响应对地层电阻率变化不敏感。

图6 电极宽度不同地层电阻率变化时D4电极的视阻抗值

3.3 纽扣电极间距

钮扣电极间距分别为1.12、2.12、3.12 mm 时，D4电极的阻抗值随地层电阻率变化的响应曲线见图7。图7表明随着钮扣电极间距的增加，视阻抗减小，并且敏感度受地层电阻率的影响较小。随着地层电阻率的增加，视阻抗增加，但是在地层电阻率小于1Ω·m或大于6 000Ω·m时，阻抗响应对地层电阻率变化不敏感。

图7 电极间距不同地层电阻率变化时D4电极的视阻抗值

3.4 发射电极与回流电极的距离

发射电极与回流电极间距分别为5、7、9.032 m时，D4电极的阻抗值随地层电阻率变化时的响应曲线见图8。随着极板间距的增加，阻抗值变大，但在低电阻率层（Rt＜10Ω·m），视阻抗值对电极对间距的变化不敏感。

图8 发射与回流电极间距不同地层电阻率变化时D4电极的视阻抗值

3.5 回流电极尺寸

回流电极高度分别为0.05、0.07、0.1 m 时，D4电极的视阻抗值随地层电阻率变化的响应曲线见图9。在该仪器结构下，回流电极高度对正演响应的影响相对较小，尤其是在高电阻率层；地层电阻率小于1Ω·m或大于6 000Ω·m时，仪器响应对地层不敏感。

3.6 仪器工作频率

仪器工作频率分别为500 k Hz、1、3 MHz时，D4电极的视阻抗值随地层电阻率变化的响应曲线见图10。从图10中可以看出，频率变化对正演响应的影响较大，随着频率的增加，视阻抗减小。

图9 电极高度不同地层电阻率变化时D4电极的视阻抗值

图10 不同工作频率下地层电阻率变化D4电极的视阻抗值

3.7 绝缘短节长度

绝缘短节长度分别为0.2、0.5、1 m 时，D4电极的视阻抗值随地层电阻率变化的响应曲线见图11。图11表明，当绝缘短节长度在0.2～1 m范围变化时，正演响应变化不明显。

图11 不同绝缘长度下地层电阻率变化D4电极的视阻抗值

4 结 论

（1）该油基泥浆电成像测井仪探测深度约为17.5 cm；随玻璃钢介电常数增加，探测深度变深；随着绝缘短节长度增加，探测深度变浅。

（2）该油基泥浆电成像仪器能识别的最小薄层厚度小于钮扣电极高度；玻璃钢厚度、玻璃钢相对介电常数及绝缘短节长度等因素几乎不会影响仪器的分辨能力；减小钮扣电极高度可以明显提高分辨率。

（3）随纽扣电极的尺寸和间距的增加，视阻抗减小；回路电极高度对正演响应的影响相对较小；随着频率的增加，视阻抗减小；当绝缘短节长度在0.2～1 m范围变化时，仪器正演响应变化不明显。

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