存储式微电阻率成像测井仪关键技术研究与设计*

尹国平，阳成军，张雄辉，蔡志明，陈 超

(中国石油测井有限公司西南分公司 重庆 400021)

0 引 言

目前，过钻具存储式测井(全文简称“存储式测井”)及类似工艺的测井是解决页岩气等复杂长水平井、大斜度井的主要工艺技术方案，具有高时效、低风险等技术优势[1]。由于页岩气井地层的特殊性，为了对页岩气井进行更准确、全面的精细储层评价[2]，除常规测井资料之外，还需要获取阵列声波、微电阻率成像等资料。目前国内存储式测井仪器主要有自然伽马、井斜方位、补偿声波、双侧向、中子、密度、阵列感应等，无电阻率成像、阵列声波、自然伽马能谱等高端仪器；国外公司的存储式测井除了常规测井仪器外，电阻率成像、阵列声波、自然伽马能谱已陆续投入使用。为了减小与国外同行的差距，提升产品竞争力，打破国外公司在高端测井服务项目的垄断地位，研制存储式微电阻率成像测井仪是非常必要的。由于存储式微电阻率成像测井仪的直径小，仅60 mm，采用电池供电，发射信号弱，其研制难度大，仪器机械结构设计和信号处理是研发的关键。

1 工作原理

1.1 仪器测量原理

存储式微电阻率成像测井仪井下仪器串主要包括释放短节、扶正器、成像主电路短节、绝缘短节、成像探头和伽马短节等，测量原理与传统电缆成像测井原理相同，利用多极板上的多排钮扣状的小电极向井壁地层发射电流[3]。仪器测量原理和井下仪器串组合如图1所示。由于电极接触的岩石成分、结构及所含流体的不同，由此引起电流的变化，电流的变化反映井壁各处的岩石电阻率的变化。在处理时通常把电流电平转换成灰度显示，不同级别的灰度表示不同的电流电平，这样就可用灰度图来显示井壁电阻率的变化，从而实现电阻率的井壁成像[4]。

图1 仪器测量原理和井下仪器串组合

1.2 井下仪器模块框图

整串存储式微电阻率成像井下仪包括发射模块、极板模块、主控制板、线路电源板、极板电源板、存储板和电池7个部分，如图2所示。其中发射模块产生4 kHz正弦波，发射入地层；极板模块采集13个极豆的电流送至采集板进行数字采集的运算处理，结果发送到主控制板；主控制板负责各模块数据流，汇总打包后发送至存储板；电源管理板控制仪器所用模块的加电时序、电流监控和过流保护等；存储板存储所有数据，并负责地面数据读出；电池给井下仪器供电，允许最小功率28 W。

图2 井下仪器模块框图

2 机械结构设计

2.1 仪器串结构

如图3所示，存储式微电阻率成像井下仪器串结构主要由成像主电路短节、探头电子线路、极板主件、探头主体和绝缘短节5部分组成。

2.2 井眼覆盖率

仪器采用双层极板错位设计以实现小直径仪器井眼高覆盖率目的。仪器配接两个探头且可以互换，每个探头包含4个极板，每个极板包含13个测量电极发射测量电流，共获得104条曲线以生成微电阻率图像。井眼尺寸与覆盖率如图4所示。该仪器在6 in(1 in=25.4 mm)井眼的覆盖率达55%，优于某国外公司的微电阻率成像仪器的47%[5]。

图4 井眼覆盖率

2.3 极板耐高压设计

仪器极板采用自承压技术，即外壳本身既做承压保护壳体，同时也兼做屏蔽电极，用来聚焦发射电流，聚焦电流和测量电流一同在推靠器上端的电子线路外壳返回。如图5所示，极板外壳选用高强度耐磨损合金材料，外部均布镶嵌耐磨豆，极大地提高了极板的使用寿命。极板采用电路整体注塑工艺，提高极板承压问题，极板封装后经高压测试，耐压超过120 MPa，远高于某国外公司微电阻率成像仪器的86 MPa，同时该极板还具有安装拆卸方便和检测维修简单等优点。

图5 极板结构示意图

2.4 推靠设计

仪器的推靠采用板簧设计，纯机械结构，无需电动或者液压辅助，仪器泵出后能紧贴井壁，安全性和可靠性高。基于60 mm外径的严苛需求，推靠系统结构尽可能小型化。推靠器小型化设计在考虑优化结构的同时，采用高屈服强度弹簧钢，在板簧上设计有耐磨块确保板簧不会与井壁接触损伤板簧，仪器工作时板簧一端固定，滑动块根据井径变化移动，最大开腿尺寸280 mm，确保极板与井壁贴合，满足测井要求，其推靠结构如图6所示。

图6 推靠结构示意图

3 微弱信号处理

对于高阻地层，发射信号被极大衰减，极端情况有效测量信号仅有微伏级别，不仅如此，仪器为了满足测井速度还要求快速测量，这对电路的微弱信号处理提出极端的要求。一方面，采用最精密的模拟电路器件，并在设计中避免电路自身热噪声、散粒噪声，低频噪声等的影响；第二方面，微弱信号处理部分高度集成，避免分散的电路受到来自外部的辐射干扰；第三方面，增加精密低漂的模拟带通滤波器及数字滤波器，以最大限度滤出无用信号，提高信噪比。存储式微电阻率成像极板电路信号流程如图7所示。

图7 极板电路信号流程

仪器极板前放电路具备18BITs的分辨能力。通过芯片的高集成度降低电路板的密度，进而提高可靠性，同时对采集数据本地运算后上传至线路。微弱的发射电流信号经过IV变换器转换成电压信号，该信号放大后经滤波处理，滤除不需要的干扰信号，之后再做模数转换生成数字的测量数据，同时增加4 kHz频率的滤波处理；然后测得的信号为矢量信号，经过计算其模与相位最终求得真实信号的有效值。

图7中的极豆规一化的目的是处理不同钮扣电极通过不同模拟采集通道存在的采集误差。规一化处理就是能通过数字的办法，出厂前测量极板前放每个通道的零点偏移参数，线性误差参数，存储在FLASH中，在测量时调出相应的参数换算最终的测量值。

由于发射的正弦4 kHz信号做不到纯净正弦波，存在三次谐波12 kHz信号干扰测量，利用FFT(快速傅里叶变换)频率抽取算法[6]的目的就是剔除干扰信号，提取有用的频率分量。

4 结 论

存储式微电阻率成像测井仪通过极板自承压设计技术保证了极板承压指标；通过配接多个探头提高了测量覆盖率；通过灯笼型板簧解决小尺寸成像推靠问题；通过IV转换、信号调理、数字滤波、归一化和FFT处理等信号处理措施获得有效的地层信息。样机室内测试证明，机械结构设计合理，该仪器的推靠系统在模拟井下环境中工作正常，信号调理方法可解决微弱信号处理难题，可进入现场测试。