一种新型微球聚焦测量极板设计及应用*

窦锦爱，廖胜军，闫玉涛，马欢波，于增辉，万 琦

(中海油田服务股份有限公司 河北 三河 065201)

0 引 言

微球形聚焦测井是微电阻率测井方法之一，它通过改变电极系的排列和供电方式，使测量的冲洗带电阻率既不受低阻泥饼的影响，又不受原地层电阻率的影响，能更准确地测量出地层冲洗带电阻率。在组合测井中，它与阵列侧向测井组成深、浅、微的探测深度，获得的视电阻率曲线能协助判断油、气、水层。其中微球形聚焦测量极板是微球聚焦测井仪的关键部件，目前国内的微球极板主要是橡胶材质，耐磨性差，下井变形磨损严重且不能恢复，长井段测井存在橡胶极板撕裂的情况，不能满足高温井及长裸眼段测量；而国外微球聚焦测井仪中普遍使用的PEEK极板，在长时间使用后由于井下液体的腐蚀也会导致绝缘性能下降，并且多次使用后磨损也较为明显，影响测量效果。针对目前微球形聚焦测井仪极板存在的不足，设计了一种新型橡胶与PEEK复合材料结合的微球形聚焦测量极板，以提高微球形聚焦测井极板的耐磨性与绝缘性，满足高温井及长裸眼段的测量。

1 微球形聚焦测井仪电极系结构及工作原理

微球形聚焦测井仪电极系结构及电流分布如图1所示。

图1 微球形聚焦测井电极系结构及电流分布

主电极A0呈矩形，其它电极以矩形环状的形式分布于主电极四周。测量时，主电极A0发射主电流I0和屏蔽电流Ia，Ia经过泥饼流动到A1，I0主要在冲洗带中流动，其产生的电场使监督电极M1、M2之间产生电位差。同时，仪器通过自动调节屏蔽电流Ia，从而抵消I0在监督电极之间产生的电位差，使得ΔVM1M2=0。在仪器下井测量的整个过程中，电极系都将保持着这个状态[1，2]。测量M0电极与M1、M2中点之间的电位差VM0O，其视电阻率曲线计算公式为：

(1)

式中:电极系系数K可以由物理模型或者理论仿真计算得到。

2 新型微球形聚焦测井仪极板研制

2.1 微球形聚焦测井仪极板现状

目前国内的微球形聚焦测井仪所用极板主要是橡胶材质(图2(a))，存在耐磨性差，下井后受损严重且不能恢复(图2(b))，长井段测井时容易撕裂(图2(c))等情况。橡胶极板一般最多下井3次就需更换，不仅增加了仪修工程师的工作量，也增加了成本。

图2 橡胶极板及其下井后磨损、变形情况

国外微球聚焦测井仪中普遍使用PEEK极板。PEEK是一种性能优异的特种工程塑料(英文名称Polyetheretherketone，简称PEEK；中文名称聚醚醚酮)，具有耐高温(250 ℃)、耐磨损、高强度、高纯度等诸多优异性能，但也存在长时间使用后由于井下液体的腐蚀而导致的绝缘性能下降，影响测量效果。

2.2 新型极板的设计制作

针对国内外微球形聚焦测井仪极板存在的问题，将橡胶与PEEK相结合研制新型微球聚焦测量极板。新型微球聚焦测量极板包括极板托架、复合极板和电极组件，如图3所示。

图3 新型极板结构示意图

具体制作方法为：

1)将电极触头穿过第一绝缘体(PEEK)并与第一绝缘体固定；

2)将安装有电极触头的第一绝缘体(PEEK)与第二绝缘体(氟橡胶)硫化固定，形成复合极板；

3)将电极组件安装在复合极板上；

4)将安装有电极组件的复合极板安装在极板托架上。

该极板PEEK材料敷在表层，与井壁直接接触，提高极板耐磨性；橡胶嵌在底层，提高各电极的密封、绝缘性。橡胶和PEEK采用特殊工艺，压制融成一体。极板托架、极板护翼进行特殊设计，提高极板的耐磨性能与绝缘性能，增加了极板的使用寿命及工作可靠性。图4(a)为设计的新型极板实物，图4(b)为新型极板使用10井次后情况。对比图2(b)、图2(c)的橡胶极板，磨损情况明显降低，证明了该设计有效地提高了极板耐磨性和耐温性，能够满足高温井及长裸眼段测量对微球极板的要求。

图4 新型极板结构及其使用后的情况

3 新型极板的探测特性分析

之前使用的微球形聚焦测井仪极板是橡胶材质(下文称为软极板)，外形尺寸有8.5 in(1 in=25.4 mm)和12.25 in两种，现场测井时在不同的井眼要挑选不同尺寸极板，给操作工程师带来不便。针对此种问题，在极板外形尺寸上做了改进，综合8.5 in和12.25 in两种极板尺寸，分别设计了三种尺寸新型极板：1)在12.25 in软极板基础上等比例减小各个电极尺寸(下文称为等比例减小极板)；2)考虑到机械制作工艺，不改变12.25 in软极板中间主电极尺寸，减小四周屏蔽电极(下文称为非等比例减小极板)；3)按照机械工艺和实际测井需求，综合8.5 in和12.25 in两种极板尺寸，设计一种新型尺寸极板，能够同时应用于8.5 in和12.25 in井眼(下文称为硬极板)。

下面将对新设计的3种极板分别从仪器常数、分辨率、探测深度以及侵入等方面与现有的橡胶软极板进行对比。

3.1 测井响应模型的建立

微球形聚焦测井仪的测井响应为稳流电场，可由微分方程描述该电场。若用u(x,y,z)表示电位，σ表示电导率，在直角坐标系(x,y,z)下，电位u满足微分方程：

(2)

在恒流电极表面满足

(3)

式中:u为电极的电位；IA为恒流电极电流；σm为泥浆电导率。

根据上述定解问题构造出的泛函数为:

(4)

满足旋转对称性，故有：

(5)

式中:Ω为仪器表面和无穷远边界所包围的整个空间。

根据上述泛函原理，利用有限元数值模拟方法对仪器常数和探测特性进行理论计算。

3.2 仪器常数对比分析

仪器常数计算模型使用通用标准井计算模型，如图5所示。模型参数为：井眼直径Dh=8.0 in，泥浆电阻率Rm=0.1 Ω·m；泥饼厚度hmc=0.5 in，泥饼电阻率Rmc=1.0 Ω·m；冲洗带电阻率RXO=30.0 Ω·m，地层无限厚。

图5 微球形聚焦测井仪的仪器常数计算地层模型

仪器常数计算公式：

K=RXO/(VM0O/I0)

(6)

相对误差计算公式：

相对误差=(改造后K-原极板K)/原极板K×100%。

经计算，新旧极板仪器常数及新极板与原极板仪器常数相对误差见表1。

表1 仪器常数及相对误差

工程上认为[3-4]，相对误差在5%以内，新型极板与原极板的仪器常数差距可以忽略不计。因而可直接用新型极板替换原来仪器的极板，且仪器硬件电路勿需改动，便于仪器更新改造，大大节约了成本。由表1可以看出，硬极板和等比例减小的极板在仪器常数方面符合工程要求。

3.3 分辨率对比分析

建立地层模型：目的层电阻率5 Ω·m，围岩电阻率1 Ω·m，目的层厚度为0.01、0.02、0.1、0.05 m，分别仿真原有软极板、硬极板、等比例减小极板和非等比例减小极板4种类型极板在目的层电阻率变化情况。对于同样厚度地层，数值仿真获得的视电阻率越高，代表该种极板的分辨率越高。图6中横坐标表示目的层厚度，纵坐标表示视电阻率，不同颜色曲线表示不同类型极板。从图6可以看出，软极板仿真的视电阻率>硬极板≈等比例减小极板>非等比例减小极板。因此，软极板的分辨率最高，硬极板和等比例减小极板分辨率类似，接近软极板分辨率，非等比例减小分辨率最低。所以，在极板类型选择上考虑使用硬极板和等比例减小极板。

图6 分辨率仿真图

3.4 探测深度及侵入对比分析

建立地层模型：井眼直径8.0 in，泥浆电阻率0.1 Ω·m，侵入带电阻率1.0 Ω·m，地层电阻率30.0 Ω·m，均质无限厚地层。利用伪几何因子考察仪器探测深度[5-6]，定义伪几何因子大小为0.5时的侵入深度为仪器探测深度。伪几何因子计算公式为：

(7)

式中:Jxo为伪几何因子，Ra为不同侵入深度时极板的响应，Rxo为侵入无限深时极板的响应，Rt为无侵入时极板响应。由图7可知，按照仪器探测深度定义，可以看出，软极板仿真的视电阻率<非等比例减小<等比例减小<硬极板。

图8是不同极板受侵入影响仿真图。从图中可以看出，随着侵入深度增加，硬极板、等比例减小、非等比例减小极板在侵入深度<0.015 m时电阻率接近，但是与软极板差距比较大；侵入深度0.015～0.04 m时硬极板>等比例减小>非等比例减小>软极板电阻率；侵入深度大于0.07 m时软极板>硬极板≈等比例减小>非等比例减小电阻率。

图7 探测深度仿真图

图8 侵入影响仿真图

从仪器常数、分辨率、探测深度、侵入影响综合分析认为，硬极板和等比例减小极板与原有软极板总体测量效果比较接近，符合现有仪器测井要求。但是等比例减小极板在制造工艺精度上很难实现，因此最终选择硬极板做为改进后的极板。

4 测井应用效果分析

新型极板首先在某井与微球软极板进行了对比测试，测试结果如图9所示。第2道为深度道，第3道为新型极板重复性对比，第4道为微球软极板重复性对比。从第3道和第4道的对比可以看出，新型极板重复性优于软极板重复性。第5道和第6道是微电阻率和双侧向相关性对比，可以看出，新型极板测量的电阻率和双侧向相关性更好，微电阻率值均低于双侧向电阻率。

图10是使用新型微电阻率极板的微球测井仪在渤海某井的实际测井效果图。1 550～1 569 m、1 574～1 588 m以上井段自然伽马GR测量值105～120 API，为泥岩～泥质砂岩。第3道为电阻率曲线，RD(蓝色虚线)、RS(绿色虚线)为双侧向测量的深、浅电阻率曲线，RMSF为微球测量的电阻率曲线，微球测量的电阻率与双侧向电阻率相关较好。

图9 某井测试结果对比

图10 实际测井效果图

5 结束语

设计了一种新型橡胶与PEEK复合材料结合的微球聚焦测量极板，提高了极板的耐磨性和绝缘性。数值仿真和现场测井作业均表明其具有优异的性能。到目前为止，一块新型微球形聚焦测量极板的最高作业记录是10井次。现有8支微球形聚焦测井仪器使用了新型测量极板，成功作业25井次，测量效果与其他电阻率数据相关性较好，为用户提供了优质的测井资料。