套后电阻率测井仪大功率发射技术研究及应用

包德洲，陈 涛，刘 杰，彭慧琴，贺 飞，李 科

(1.中国石油集团 测井有限公司，陕西 西安 710077； 2.中国石油天然气集团公司 测井实验基地，陕西 西安 710077)

套后电阻率测井仪大功率发射技术研究及应用

包德洲1,2，陈 涛1,2，刘 杰1,2，彭慧琴1，贺 飞1,2，李 科1

(1.中国石油集团 测井有限公司，陕西 西安 710077； 2.中国石油天然气集团公司 测井实验基地，陕西 西安 710077)

套后电阻率测井技术能有效地用于油气藏动态监测和剩余油分布监测，确定含油饱和度。介绍了自主研制的套后电阻率测井仪的平衡聚焦测量方法、电极系探测特性及性能特点；重点阐述了基于DDS合成的大功率发射控制电路的技术构成及性能指标、仪器的微弱信号检测及刻度检测等。在青海花土沟油田的现场试验表明，仪器电阻率测井数值准确，性能稳定可靠。

套后电阻率测井仪；探测特性；大功率发射；信号检测；测井应用

套管井电阻率测井仪用于开发测井中的储集层剩余油监测。通过套后地层电阻率测量结果与裸眼井感应或侧向电阻率测井数值的比较，分析油气运移情况，确定剩余油水淹状态和开采价值，为油田动态监测提供一种新的方法[1]。介绍了自主研发的套后电阻率测井仪的技术构成、电极系探测性能、nV级套管信号采集与检测、套管直径自适应式硬质合金液压电极系设计、仪器的刻度技术和线性检测、大功率发射模块开发等方面的研制及试验情况。

1 仪器技术构成

1.1 平衡聚焦测量方法

在地面测井时，套管井电阻率测井仪的发射装置通过电缆向井下仪器顶部电极或底部电极发射电流(图1)。仪器共有6组电极，其中2组为电流注入的顶部电极T和底部电极B，4组测量电极分别为R、U、M、D，其中R为参考电极，U为上部测量电极，M为中间测量电极，D为下部测量电极，参考电压电极N和发射电流回路电极G置于井口套管上。仪器测井时采用上、下交替发射模式，利用平衡聚焦测量方法处理，即可得到二阶电位差的稳定极值(图2)。下发时，可测得发射电流IB、M点电位UM(IB)、DU间的一阶电位差ΔUDU(IB)、D和U相对于M的二阶电位差Δ2UDU(IB)及参考电极相对于井口的电位VR。若套管处于真空绝缘状态下，则VR呈线性关系，如图2(a)所示的实线， 若套管处于井下地层介质中，就会有漏失电流存在，此时，VR值会出现图2(a)所示的点画线偏差，偏差大小取决于周围地层电阻率，电阻率越小，偏差越大。上发时，可测得发射电流IT、M点电位UM(IT)、DU间的一阶电位差ΔUDU(IT)和D、U相对于M的二阶电位差Δ2UDU(IT)；参考电极相对于井口的电位为VR，如图2(b)所示。同样，在套管处于真空绝缘状态下，VR呈线性关系，处于井下地层介质中，VR值会出现偏差，偏差大小取决于周围地层电阻率的大小。通过调节式(1)中Q值来平衡发射电流，使上发和下发的VR值线性叠加时，在U、D电极间形成零电位差，即满足式(1)要求，从而得到图2(c)所示的点画线VR，在M点处形成表征漏电流的二阶电位差稳定的极值，为求解地层电阻率得到理想的边界条件。

图1 仪器结构示意图

图2 平衡聚焦测量处理方法

QΔVDU(IT)+ΔVDU(IB)=0。

(1)

在电极T发射时，测量记录IT、UM(IT)、ΔUDU(IT)和Δ2UDU(IT)值；在电极B发射时，测量记录IB、UM(IB)、ΔUDU(IB)和Δ2UDU(IB)值，在满足上述边界条件的同时，可导出如下的地层视电阻率Ra值[2-4]:

(2)

其中:K=πx/4ln(b/a)，为仪器常数，与仪器本身尺寸和形状有关，可以通过数值模拟或试验确定；a为套管半径；b为套管到电位零之间距离；x为电极U到电极D之间的距离。

1.2 仪器性能

套后电阻率测井仪设计有专门的液压伸缩缸电极系，将电极推靠到套管内壁，仪器通过发射电路提供大功率低频电流，液压伸缩缸电极测量套管上的电位分布，确定上下被测电极间的泄漏电流，进而求出金属套管外地层电阻率。仪器电阻率测量精度高，探测器伸缩电极贴井壁推靠力大，测井前不需清洗套管，工作可靠,时效高，工程施工安全。仪器主要性能指标:电阻率 1～120Ω·m，耐温155 ℃，耐压100MPa，长度8 200mm，直径90mm，测量误差±7% ，径向深度范围2～11m，纵向分辨率1.10m，点测速度3min/dot，套管直径范围112～212mm。

2 探测特性与信号检测

2.1 仪器探测特性

在研究套管井电阻率电磁场测井模型的基础上，针对不同地层模型，综合考察了仪器探测器的测井响应，制定了仪器的测量处理方案[2-4]，分析了发射电流信号频率在套管上引起的趋肤效应的影响，确定了仪器发射频率范围及电极距离。在研究仪器测井响应、探测深度及分层能力的基础上，研究了围岩厚度、套管接箍等因素对测量结果的影响[5-8]，优化了仪器电极系特性参数设计。图3是根据仪器参数确定的径向探测深度，低侵(RxoRT)条件下，仪器探测深度较小，当RT/Rxo=1/10时，仪器径向探测深度为2 m。

图3 仪器的径向探测深度

2.2 液压探测器

液压探测器由4组伸缩缸探针测量电极组成。伸缩缸探针采用多层铜套筒复合活塞结构设计，层间设有专用的包氟密封圈，以减小伸缩缸的伸缩阻力，防止液压油的泄露。每组测量电极在探测器轴线的两端对称分布，中部为液压油，在液压动力系统作用下，驱动活塞体反向分开，双向输出动力，活塞体上固定的伸缩缸探针电极推靠套管内壁，推靠力在30kg·f左右，探针电极在伸缩过程中可任意位置定位，以便测量油井套管上的电位信号[4]。

2.3 大功率发射控制

为了避免趋肤效应及直流电流的激化对测量的不利影响，发射电流采用低频大电流发射控制方式。利用DDS合成技术，提高发射信号的幅度和相位精度，设计了由DSP芯片组成的数字信号源。应用负反馈技术，跟踪各状态下的发射电流变化，确保发射和测量的幅度稳定和相位关系稳定，提高了泄漏电流测量的信噪比。PFC矫正技术提高了大功率发射功率因数。阶梯波发生器软件设置上升和下降沿的过程时间，有效抑制感性负载产生的尖峰干扰。面板主要技术参数:输入交流电压185～245V，输出电压±450V，输出电流≥9A，输出功率大于4 000W，软件程控实现参数自动设置，自动提取同步信号。输出纹波小于0.1%，功率因数≥90%，功率信号周期1～100s可调，频率稳定度为±0.003%，二次谐波抑制比≥40dB。应用多通道热交换温度补偿技术，提高大功率发射系统的温度稳定性。面板结构采用抗震设计，适应于EILOG05测井车载系统安装。

图4是基于DDS的大功率发射控制框图。从上到下依次由PFC功率因素校正模块、4 000W直流隔离供电电路、DDS信号合成处理、DSP中央控制单元、时钟及232接口、方波换向模块、D类高频放大模块、正弦反馈调整环节、方波反馈调整环节、方波隔离输出驱动、低通滤波输出驱动、继电器控制驱动、双刀双掷继电器K1K2及K3K4、模式变压器、井下供电电源变压器等组成。输入AC180～250V电压经EMC电磁干扰抑制后，送入PFC功率因数校正模块进行校正，之后经4 000W直流隔离供电电路，通过整流、滤波、振荡、隔离、再整流、滤波，形成300V直流开关电源输出，提供方波和正弦波的大功率供电。在DSP中央控制单元的控制下，产生DDS信号源,其正弦波形失真度≤3%，低频信号的频率范围在0～10Hz，然后，通过D类高频放大模块、低通滤波输出驱动和正弦反馈调整环节，形成基准频率稳定度为±30×10-6的2 400W有效功率输出。与此同时，在DSP中央控制单元的控制下，方波换向模块可输出大小可调的直流电源，以提供井下液压电机和测井模式下的大功率发射。通过方波反馈调整，输出电压的稳定度≤1%，时钟晶振及232接口是DSP中央控制单元的外部电路。继电器控制驱动用于驱动2个双刀双掷继电器，继电器的K1、K2常闭触头连接低通滤波输出分别至模式变压器的4、6中心抽头5和7、9的中心抽头8，完成井下仪器刻度发射功能；当继电器的K1、K2连接常开触头时，K1的1和2连通，接地面回路电极G，K2的1和2连接，将输出正极连接到4、6中心抽头5和7、9中心抽头8，实现4芯电缆即芯2、芯6、芯3、芯5并联的幻象供电，发射回路的负载电阻减小到原来的1/4即52.5Ω，完成井下测井发射功能； 继电器的K3、K4常闭触头连接方波大功率输出到井下交流供电电源变压器的3、5中心抽头4和缆芯10外皮，实现液压电机幻象供电，提供井下液压直流电机的驱动电流。继电器的K3、K4常开触头用于方波发射切换。继电器控制驱动由DSP中央控制单元输出完成控制功能。

图4 基于DDS的大功率发射控制框图

2.4 套管信号检测采集与线性测试

根据套管井电阻率测井模拟响应、套管井信号检测试验结果，确定套管井电阻率测井仪电极系结构[6-9]，所设计仪器的套管信号检测系统主要由遥测短节、前置放大、预处理短节及主控数据采集短节组成。前置放大及预处理短节置于底部发射电极B和下部测量电极D之间，放大来自液压电极系测量电极上的电位信号，量级为nV，套管信号经差分放大，由24位数模转换后，送至数字信号处理器进行相敏检波。然后，经CAN总线传送到主控数据采集短节，在主控数据采集短节同时完成发射参考电压信号和电流取样信号的检波测量，经信号处理编码后，进入遥传短节传至地面系统[10-12]。

用套管刻度装置对新研制的仪器进行线性测试，电极探针推靠到刻度套管的管内壁，确认电极探针与刻度套管的管壁接触良好；选定适当的模拟围岩电阻，使得工程转换系数为1,改变模拟电阻刻度档位，对小于50 Ω·m的档位每档测量3次，大于50 Ω·m的档位每档测量5次，取其平均值，可以得出仪器的线性测试结果。在1～100 Ω·m范围内，仪器测量精度在7%以内[11]。

3 仪器试验与应用

研制成功的套后电阻率测井仪在花土沟、鄯善等油田进行了多口井的油田现场测井试验，均一次成功地测得套管井地层电阻率的测井数据。为了验证仪器测量的准确性，选取完井作业后立即固井的新井，做地层电阻率的套前与套后准确性对比试验。图5是花土沟砂×井套管井电阻率测井曲线图。该井地面海拔2 926.27 m，补心高度9.0 m，井深4 100 m，套管程序339.70 mm×206.47 m、244.5 mm×25 99.50 m、139.7 mm×4 096.10 m。2014年7月16日完钻后，经过完井测井和固井作业，进行了磁定位、自然伽马和声幅变密度测井，检测了套后固井质量。2014年7月24日，进行了套后电阻率测井试验。测量井段为3 028～2 992 m，累计测量76个位置点。 通过与裸眼井所测电阻率曲线对比， 可以看出，套后所测地层电阻率与套前裸眼井所测阵列感应0.6 m纵向分辨率曲线完全一致。

图5 砂×井套后电阻率测井曲线

4 结 论

自主研发的套后电阻率测井仪在伸缩电极系开发、大功率发射控制、纳伏级微弱信号检测等方面具有新特点，径向探测深度大，测量精度高，电极贴靠可靠，动态范围宽，可用于套管井电阻率现场测井试验，测量数据准确，整体性能稳定可靠，满足套后地层电阻率的测井需求。该仪器在油气藏评价、剩余油动态监测方面将发挥重要的作用。

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责任编辑：王 辉

2015-05-02

“十二五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(编号：2011ZX05020-004)资助

包德洲(1963-)，男，高级工程师，中国石油集团高级技术专家，主要从事测井仪器研发。 E-mail:Baodezhou@126.com

1673-064X(2015)05-0101-05

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