微柱形电阻率与三探测器岩性密度组合测井仪器的设计和应用

夏济根 高成名 李智强 张晋荣 冯玉森

(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453003;2.西部钻探工程有限公司测井公司 新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

微电阻率与岩性密度组合测井仪能够测量冲洗带电阻率，对储集层与非储集层进行划分，并且可以确定复杂岩性的孔隙度，地层信息量丰富，是石油勘探开发过程中的常用测井组合方式。随着新技术、新工艺、新材料的出现和发展，井下仪器串的可靠性与集成度不断提高，仪器串的体积和重量向小而轻方向发展［1］。目前传统的微电阻率(微球、微电极)与岩性密度组合测井仪器存在纵向分辨率低、探测深度差别大、深度不一致、采用两支推靠器增加井下遇卡风险以及橡胶极板易磨损等缺点，已不能满足油田在复杂井况下的测井需求。研制新型微电阻率与岩性密度组合测井仪可以解决当前组合测井仪在油田油气藏勘探开发中存在的问题。针对以上情况，研制了一种微柱形聚焦电阻率与三探测器岩性密度组合测井仪器，采用新的关键技术和结构形式，确保了密度与微电阻率测量兼容及深度匹配，并提高了仪器的测量精度和分辨率。

1 系统概述

1.1 系统组成

微柱形电阻率与三探测器岩性密度组合测井仪器由组合探头、推靠和电子线路等组成。其中，组合探头由微柱极板和三探测器岩性密度滑板等构成(“微柱状”金属极板嵌在密度探头壳体上)，是整个系统的核心组成部分，如图1 所示。

图1 三探测器岩性密度-微柱极板组合探头

1.2 功能与用途

微柱聚焦测井仪(MCFL)是一种浅探测电阻率测井仪器［2］，测量冲洗带电阻率Rxo，用来代替微球形聚焦测井仪，可以提高冲洗带电阻率的测量准确度，更好地估算泥饼参数，从而有助于探测渗透性地层，同时反演提供微电位曲线(HMNO)和微梯度曲线(HMIN)。

三探测器岩性密度在离源附近增加了第三个探测器—反散射探测器，利用反散射探测器的高计数率改善测量的统计起伏，提高了在低孔隙地层的测量精度，增强了仪器的纵向分辨率，并对泥饼进行定量补偿，更好地反映井眼和井壁的状况［3］。

1.3 工作原理

微柱形聚焦测井为半圆柱形聚焦，其极板中心前沿的等位面为半圆柱形，这种聚焦方式适合井眼和泥饼的几何形状，可以提供更好的冲洗带电阻率测量值。微柱极板面设计参见图2(由于极板是对称的，只显示了其左上四分之一)。3 个小的钮扣测量电极B0、B1 和B2 位于大电极A0 中，2 个聚焦电极A1 位于极板边缘，由2 个M 电极监督。电流同时返回到极板的后面以及上部和下端。2 个横向延伸的A0 电极对灵敏的监督电极进行“屏蔽”。这种特殊的形状可避免电流在这些电极之间流动。B0 的测量电流以细的水平射束形状流动，在其探测深度内沿方位分散。B1 和B2 发射出的电流束由于极板的边缘受到A0 的聚焦作用较小，数量较少，因而探测深度变浅。因此，该仪器可提供具有不同探测深度的3种电阻率测量值:B0 主要反应冲洗带电阻率(Rxo)特性;B1、B2 主要用来反应泥饼性质［4］。

图2 左上四分之一微柱极板面示意图

三探测器岩性密度长、短源距探测器与普通双源距岩性密度测井仪器类似，第三个反散射探测器放置在离放射源很近的位置上，主要探测地层中散射1 次或2 次的伽马光子，使用的是具有快速响应时间的GSO 晶体。反散射探测器和长、短源距探测器都由铍窗探测地层，提供不同探测深度的Pe 测量结果。

2 关键技术与创新

2.1 数字聚焦原理及应用

图3 微柱数字聚焦合成

微柱形测井的聚焦方式采用数字聚焦原理，如图3所示。数字聚焦方式是一种有别于传统硬聚焦方式的先进方法，它通过叠加两个独立的未聚焦测量值来计算聚焦测量电流。通过叠加未聚焦的测量值，来抵消监督电位，以满足聚焦条件［5］。因为聚焦条件被无条件满足，所以避免了硬聚焦反馈监控环路对剩余电位的影响，提高了聚焦精度。另外，这种方法可以增加灵活性，可以在不须改动硬件的情况下获得不同的聚焦条件。根据聚焦边界条件(A0、M 之间的电位差为0)，即

可得到三钮扣上的视电阻率计算公式为

为了对比数字聚焦电路的原理及精度，在试验中利用硬件反馈电路方式实现了电极A0 与M 等电位。通过硬聚焦方式和数字聚焦方式对不同浓度水溶液电阻率实际测量结果对比(见表1、表2)，可以看出数字聚焦电阻率测量精度优于硬聚焦测量结果。

表1 硬聚焦不同溶液测试结果

表2 数字聚焦不同溶液测试结果

2.2 梯形滤波成形算法

一般老式岩性密度测井仪器核脉冲信号的处理与采集采用先处理再采集的方法，即先采用模拟滤波成形(包括峰值展宽与保持电路)、极零相消和基线恢复等处理，再由低速ADC 完成脉冲采集。这种做法不仅增加了电路的复杂性还增大了电路带来的死时间［6］。本设计采用一种先采集再处理的新方法，对核脉冲信号进行数字信号处理［7、8］，消除了模拟处理电路因采样保持而产生脉冲处理死时间的局限，提高了核脉冲计数率，改善了系统的稳定性和分辨率。

梯形滤波成形算法是目前数字核信号脉冲幅度分析与提取的一种常用方法，与模拟滤波成形相比，算法简单快速，具有较好的抗噪性和抗堆积性［9、10］。梯形成形算法是将输入指数衰减的信号滤波成形为同幅度的等腰梯形脉冲，如图4 所示，设成形后的梯形上升沿宽为ta，平顶宽为D，底边宽为tc，其在时域的表达式可写作［11］

图4 梯形成形示意图

其中，y1=Au(t)/ta，y2= -A(t -ta)u(t -ta)/ta，y3= -A(t-tb)u(t-tb)/ta，y4=A(t-tc)u(t-tc)/ta，tb=ta+D，tc=ta+tb，A 为信号幅度，u(t)为阶跃函数。设Ts为采样周期，令na=ta/Ts，nb=tb/Ts，nc=tc/TS，对V0进行Z 变换可得:

单指数信号Vi(t)=Ae-t/τ，幅度为A，时间常数为τ，进行Z 变换可得Vi(z)=Az/(z-e-Ts/τ)，令a =e-Ts/τ，则单指数信号梯形成形的传递函数为:

由于tc=ta+tb，na=ta/Ts，nb=tb/Ts，nc=tc/Ts，可得nc=na+nb，式(7)可变为:

其中，(1 -z-na)因子用于产生上升沿，(1 -z-nb)因子用于产生平顶，z-1为延迟因子，用于时间上的匹配。由于梯形的对称结构，下降沿等于上升沿，算法中的反馈部分(1 -z-1)-2在本质上相当于两次累加，正是通过该累加工程生成了梯形轮廓。

在传递函数法实现梯形成形过程中，其梯形上升沿时间和平顶宽度可通过简单的参数调整而得到不同的形状，因此可根据不同的测量对象，测量条件，改变相应的成形参数，得到满足系统要求的成形输出形状。

利用Matlab 对该算法进行仿真验证。用指数信号Vi(t)=Ae-t/τ来模拟岩性密度核脉冲信号，通过梯形滤波成形算法后，输出梯形脉冲信号如图5 所示。从图中可看出，对于核脉冲信号的梯形变换结果还是较理想的，梯形幅度值与指数脉冲最大值严格相等。

图5 梯形滤波成形效果图

3 实际测井效果

三探测器岩性密度-微柱组合测井仪器研制完成后，进行现场试验，其测量精度、纵向分辨率、重复性和一致性都达到了设计要求，得到了用户的肯定。图6 是XX 井的实际测井综合曲线图。为了对比仪器的测井质量，本井还测量了自然伽马、高分辨率声波、高分辨率双侧向、高分辨率感应等资料。从该井测井资料分析，该地层薄层发育明显，微柱、高分辨率声波、高分辨率侧向以及高分辨率感应对薄层均有较好的反应，可以识别0.2 mm的薄层，分层能力较好。在2 244 m ～2 246 m 储层中含有小于0.2 m 的低阻薄层，其他高分辨率仪器薄层反应不明显，而微柱能很好地反应出低阻薄层，说明微柱在纵向分辨率上略高于其他高分辨率测井仪器，可以较好地分辨薄互层。

图6 XX 井测井综合曲线图

4 结 论

1)“微柱状”金属极板具有很好的耐温性和耐磨性，并且圆柱状等势面是圆柱形井眼、泥饼的最佳形状，受泥饼厚度和井眼的几何形状影响较小。

2)通过不同浓度溶液电阻率测量对比实验分析，数字聚焦方式较传统硬件聚焦方式有更高的测量精度，消除了剩余电位的影响。

3)通过实际上井验证，梯形滤波成形算法符合岩性密度数字核脉冲成形要求，提高了仪器脉冲计数率，增加了系统的稳定性和分辨率。

4)通过实际测井资料分析，微柱形聚焦测井仪纵向分辨率略高于其他高分辨率测井仪器，可以识别小于0.2 m的薄层，解决了传统仪器纵向分辨率低、探测深度差别大和深度不一致等缺点。

5)微柱形电阻率与三探测器岩性密度测井仪的高度集成，具有测量精度高、纵向分辨率高等优点，在探测复杂岩性、评价特殊层位油气藏方面具有独特的优势，非常有助于测井解释。

［1］杨兴琴.高分辨率组合测井仪器研究［D］.山东:中国石油大学(华东)，2005.

［2］Schlumberger Technology Corporation. Method and apparatus for measuring the resistivity of earth formations using anti -parallel active and passive focusing electrodes［P］. United States Patent:5036283.1991:7 -30.

［3］吴文圣.三探测器密度测井数据处理方法研究［J］.测井技术，2003，27(3):189 -193.

［4］周太柱.微柱形聚焦测井仪器研究［J］. 江汉石油学院学报，2003，25(S1):36 -38.

［5］张建华，刘振华，仵 杰.电法测井原理与应用［M］.西安:西北大学出版社，2002.

［6］刘 易，汤天知，岳爱忠.一种新型岩性密度测井仪数据采集处理电路设计［J］.测井技术，2012，36(4):397 -400.

［7］Valentin T，etal. Digital techniques for real -time pulse shaping in radiation measurements［J］. Nuclear Instruments and Methods，1994，A353:261 -264.

［8］Jordanov V T.Some Digital Techniques for Real Time Processing of Pulses from Radiation Detectors［D］. University of Michigan，1994.

［9］肖无云，魏义祥，艾宪芸.数字化多道脉冲幅度分析中的梯形成形算法［J］. 清华大学学报:自然科学版，2005，45(6):810 -812.

［10］周清华，张软玉，李泰华.数字化核信号梯形成形滤波算法的研究［J］.四川大学学报:自然科学版，2007，44(1):111 -114.

［11］张怀强.数字核谱仪系统中关键技术的研究［D］. 四川:成都理工大学，2011.