一种高分辨率侧向测井仪的设计

郁爱霞 周齐志

（1.杭州瑞利声电技术公司，杭州，310023）

（2.中国石油集团测井有限公司西南分公司，重庆，401147）

随着石油测井技术不断的发展，侧向测井技术已经从双侧向发展到阵列侧向。在水平井测井中，双侧向和八侧向仪器需要进行组合测井，才能获取三条电阻率曲线，仪器串长、施工效率低。阵列侧向测井技术可以在数控测量记录的基础上，在地面系统上实现成像化显示，纵向分辨率高，但仪器成本相对也较高。部分油田地区由于实际情况的限制，需要一种新型的侧向测井仪器，既要弥补双侧向测井仪探测性能的不足也要易于现场施工。

根据这一特殊需求，我们设计了一种新型的高分辨率侧向测井仪器。高分辨率侧向测井是在双侧向测井基础上发展起来的一种新型侧向测井技术，电路在设计中添加套管保护功能，可以在套管内关闭侧向发射，适用于电缆、泵出两种测井模式。一次测井能同时提供三条不同深度的地层电阻率曲线，同时大幅降低井眼和低阻围岩对视电阻率的影响，可用于分析和解决以下问题[1-2]：

（1）估计侵入情况。分析高分辨率侧向三条曲线及冲洗带电阻率的差别，可以有效判断侵入状况。

（2）划分岩性剖面。高分辨率侧向的分辨率比普通侧向提高一倍，因此其分层能力强于双侧向。在视电阻率曲线上，不同岩性的地质剖面显示清楚。一般厚度在0.3 m以上的高致密层、薄层在曲线上都有明显显示。

（3）判断油（气）水层。在油（气）层段，地层视电阻率常出现正差异；而在水层，地层视电阻率常出现负差异。利用三条曲线的差异情况，可以初步判断油（气）层、水层及油水界面等情况，精确判定还应结合其他测井资料。

（4）判断裂缝性地层。高分辨率侧向测井曲线对非均匀各向异性的裂缝性地层有明显差异。

1 仪器结构和工作原理

1.1 仪器结构

高分辨率侧向测井仪由上绝缘短节、上电子线路、电极系和下绝缘短节构成。其中电极系以 A0电极为中心，4对供电电极和2对聚焦电极对称分布，共由 17个电极组成，该电极系结构在理论上保证了高分辨率的要求。仪器结构分布如图1所示。

图1 仪器结构分布

1.2 仪器工作原理

高分辨率侧向测井仪由主电极A0、屏蔽电极或回流电极 A1～A4（A'1～A'4）、监督电极 M0～M3（M'0～M'3）及测控电路组成，能同时提供三条不同探测深度的电阻率曲线，其探测模式共有三种，对应不同的电场，具有不同的径向探测深度[3]。改变电场分布，可以使仪器获取不同径向深度的地层信息。三种探测模式的工作原理如下文所述。

MODEL1，如图2所示。测井时，主电流I0由主电极 A0发出，通过主监督电路保持主监督电极等电位，即VM0(M0′)=VM1(M1′)。屏蔽电流由 A1（A'1）流出，电流返回至 A2（A'2）、A3（A'3）、A4（A'4）电极。

MODEL2，如图3所示。测井时，主电流I0由主电极A0发出，通过主监督电路保持主监督电极等电位，即VM0(M0′)=VM1(M1′），同时增加辅助监督电路保持辅助监督电极等电位，即VM2(M2′)=VM3(M3′）。屏蔽电流由 A1（A'1）、A2（A'2）流出，电流返回至A3（A'3）、A4（A'4）电极。

图2 MODEL 1

图3 MODEL2

MODEL3，如图4所示。测井时，主电流I0由主电极A0发出，通过主监督电路保持主监督电极等电位，即VM0(M0′)=VM1(M1′)，同时增加两组辅助监督电路保持辅助监督电极等电位，即VM2(M2′)=VM3(M3′）、VA2(A2′)=VA3(A3′）。屏蔽电流由 A1（A'1）、A2（A'2）、A3（A'3）流出，电流返回至A4（A'4）电极。

图4 MODEL3

三种模式都保持屏蔽电极等电位，屏蔽电极发出与I0极性相同的屏蔽电流，主电流I0在屏蔽电流的作用下，被迫不沿井轴方向流动，而是以垂直井壁的方式进入地层，由于屏蔽电极不断增加，仪器的探测深度逐步加深。这三种工作模式都是通过测量主电极的电位VA0与主电流I0，求解视电阻率的其公式为[4]：

式中，KALi为仪器电极系系数。这样就可以完成从地层侵入带到原状地层电阻率三种不同探测深度的视电阻率测量，与其它测井资料配合，可直观准确地划分渗透层，判断油水层，确定和评价地层含油特性[5]。

2 电路设计

高分辨率侧向测井仪电路由监督电路、发射电路、采样电路及接口电路等部分组成，其电路框图如图5所示。监督电路由一系列前置放大器、滤波电路、功率放大电路组成。测井时，主电极和屏蔽电极流出极性相同的电流。由于极性相同，互相之间存在排斥的情况，监督电路用于实现这一功能。监督电路通过自动调节可以保持监督电极之间的残余电位差接近零，也就标志着主电流处于聚焦状态，这时自动平衡系统达到平衡，迫使 A0电极发射的主电流I0以垂直于井壁的形式流入地层[6]。

发射电路由有源晶振、分频器、功率放大器、功率控制电路等组成。功率控制电路通过分析采样信号，可实时掌握地层电阻率的动态变化范围，根据变化量产生三种频率不同、功率近似的信号。经比较处理后形成的稳定电流源信号作为最终的发射源经变压器发射至地层。采样电路由电压测量、电流测量电路组成，该部分电路用于检测电路中电压和电流信号的变化，信号经过各自频率的带通滤波、相敏检波器、低通滤波，将交流信号变成直流信号。接口电路负责测量数据的采集和与通讯短节仪器段的通信。采样电路将采集到的模拟信号经多路信号选通电路、增益自动控制电路处理后，以数字形式上传至信号处理芯片，最终经通讯接口芯片传送至通讯短节。

图5 高分辨率侧向电路框图

3 理论验证

3.1 仪器技术参数及指标

工作温度范围，-25～175℃；耐压140 MPa；外径73 mm；测量范围（8 in 井眼，1 in=0.025 4 m），0.2～40 000 Ω·m；测量精度（对无限、非侵入带地层），0.2～1 Ω·m（±20%）、1～2000 Ω·m （±5%）、2000～5000 Ω·m（±10%）、5000～40 000 Ω·m（±20%）；纵向分辨率，300 mm；最大探测深度，1270 mm；最高测井速度，1000 m/h；有效长度，7.4 m；直流供电电源，48 V±10%。

3.2 理论模型

高分辨率侧向测井是在双侧向测井的基础上发展起来的，其电极系与双侧向类似，不同的是仪器电极系系数不同。电极系系数K可以通过实验和理论计算求得，其理论模型需建立在均匀介质基础之上，模型如图6所示。

图6 侧向探测理论模型

假设电极系表面形成一个半径为r的圆柱形等位面，其电位为VA。圆柱形等位面的长度l相对于r而言为无穷大。电流从等位面径向发射入地层，在V=0、半径为L的电极上回流。长度为l的圆柱形等位面发出电流I0，并流向零电位的同心电极。根据假设柱状电极之间为均匀介质，其电阻率为ρ，电场强度E和电流密度j关系如下：

于是得到：

若VL为零，可得电阻率Rt、电极系系数K为：

高分辨率侧向测井仪三种探测模式的聚焦电路及电极系的排列方式就是基于这一理论模型设计的。式中的K值只是近似值，为了获得准确的K值，还需要和实验结果进行比对，最后获得较精确的结果。

3.3 样机验证

高分辨率侧向测井仪样机在山东孤古 8#井完成了与双侧向测井仪的对比试验，具体数据如表 1所示。对比表中的数据可以发现：（1）在1966～2037 m泥岩段地层，高分辨率侧向RGD、RGM数据和双侧向RSD、RSS数据在同一深度基本一致，高分辨率侧向样机获取的侵入带和原状地层的电阻率数据正确；（2）在1750～2065 m砂岩段地层，可以发现RGD＞RGM＞RGS，同时对比阵列侧向该深度层的电阻率数据，可以确定RGS是获取到的冲洗带电阻率数据；（3）在2284～2289 m无侵入灰岩地层，RGD、RGM、RGS、RSD、RSS数据基本一致。RGD、RGM、RGS三条电阻率曲线的试验结果和理论设计完全一致，将三条曲线重叠绘制，通过其幅度的相对变化，可以快速、直观判断油、气、水层。

表1 对比试验数据

4 结束语

高分辨率侧向测井仪经理论分析和样机试验，能够同时获取原状地层、侵入带和冲洗带三种探测深度的电阻率曲线，可以解决双侧向仪器在测井泵出施工作业时缺少冲洗带电阻率曲线的难题，具有一定的实用价值。仪器目前已具备实井验证条件，理论计算和样机验证可行，但仪器本身未能开展试验井和实井测试比对工作，重复性和一致性有待验证，后续需要继续开展设计优化工作，在设计定型后，将会有广泛的应用前景。