方位侧向电阻率成像随钻测井仪地层环境电阻网络模拟研究

陈刚,陈思嘉,尤嘉祺,阳质量,许月晨,唐章宏

(1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710077;2.北京唯智佳辰科技发展有限责任公司,北京100089)

0 引 言

随着断层、裂缝、薄层、低孔隙度低渗透率等复杂油气藏的开发,常规随钻测井技术与装备已不能满足生产需求,迫切需要随钻成像测井技术。在随钻成像测井技术中,随钻侧向电阻率成像是研发最早、技术最成熟、应用最广泛的一种技术,是解决复杂储层实时地质导向和地层评价问题不可缺少的重要手段。它不但可以探测不同方向地层岩性和边界,还可以用于断层、裂缝、薄层的解释评价,以及低孔隙度、低渗透率、各向异性等复杂储层的解释评价[1]。

由中国石油集团测井有限公司自主研发的方位侧向电阻率成像随钻测井仪(Azimuth Lateral Resistivity Imaging Logging While Drilling Tool,RIT)具有地层评价、实时地质导向及井周地层成像功能,一次入井可获取多条不同探测深度方位电阻率曲线、平均电阻率曲线、方位伽马曲线、平均伽马曲线,以及井周地层电阻率和伽马成像图[1]。该仪器电阻率最大探测深度为0.5 m,适用于水基钻井液环境。研发的新型方位聚焦电极,在原有方位电极的基础上增加了测量电极监督电极和钻铤电极监督电极,使得测量电极和监督电极相互独立,在提高电极聚焦能力基础上,有效减少了电极表面极化电位对仪器测量值的影响,提高了仪器测量精度,适用于高电阻率地层测井。

为了更准确地刻度仪器测量值与地层电阻率及井眼环境之间的对应关系,需要建立复杂的地层环境刻度网络对测井仪器进行刻度[2-3]。采用复杂地层刻度网络模拟地层电阻率及井眼环境,可解决由于刻度装置功能简单无法满足测试功能需求以及建立实际刻度井群价格昂贵等问题,在室内模拟井下地层环境,极大方便验证仪器测量性能[4]。

该文介绍了新型方位聚焦电极结构及工作原理,阐述了地层环境电阻网络中各个电阻的计算原理并给出详细的计算表达式。通过构造不同的井眼、钻井液和地层模型,模拟仪器实际工作环境,设计了新型方位聚焦电极监控电路,搭建实际电路模型进行测量功能验证,有效节约了仪器设计成本,提高了研发效率。

1 新型方位聚焦电极结构

方位侧向电阻率成像随钻测井仪的方位电极可实现地层方位电阻率测量,旧版方位电极由测量电极和钻铤电极组成,测量电极既用来监控电极电压、又用来测量流入电极的电流。在井下工作时,测量电极上会产生电化学效应,形成接触阻抗,影响仪器测量精度;旧版方位电极聚焦能力弱,受井眼尺寸和钻井液电阻率影响大,导致高电阻率测量性能差。为了提高仪器高电阻率测量性能,降低井眼尺寸及钻井液电阻率对仪器测量值的影响,设计了新型方位聚焦电极。

新型方位聚焦电极采用方形环状结构,见图1。将测量电极监督电极和钻铤电极监督电极分别置于最内环和最外环,除测量电极监督电极之外,其余所有电极均设计为环状,被监督的测量电极位于中间,基于场的连续性原理,这一结构设计与位置布置保证被监测电位相等的电极区域全覆盖。

图1 新型方位聚焦电极结构

通过控制位于最内环和最外环的2个监督电极等电位,保证位于其间的测量电极和钻铤电极之间等电位。测量2个监督电极之间电压差的电路输入端分别连接测量电极监督电极和钻铤电极监督电极,该电路和调控测量电极电流的电路物理隔离,使得测量电极监督电极和钻铤电极监督电极上没有电流流入,可避免传统方位电极测量电压和调控电流的电路共用相同电极,导致测量电压和调控电流相互影响产生误差。

2 地层环境电阻网络模拟原理

2.1 地层环境电阻网络的工作原理

为了深入研究仪器测量响应与地层电阻率及井眼环境之间的对应关系,建立了较为完整的地层环境电阻网络模型[5](见图2)。测量电极(M)、测量电极监督电极(N)、钻铤电极及钻铤电极监督电极之间均有互阻存在,与井眼和地层形成4端网络。图2中Ra为测量电极和钻铤电极之间的等效电阻;Rb为测量电极与测量电极监督电极之间的等效电阻;Rc为测量电极监督电极与钻铤电极监督电极之间的等效电阻;Rd为钻铤电极监督电极与钻铤电极之间的等效电阻;Re为测量电极与钻铤电极监督电极之间的互阻;Rf为钻铤电极与测量电极监督电极之间的互阻;Rs为测量电极与回流钻铤之间的等效电阻;Is为测量电极电流;GND为仪器回路。

图2 地层环境电阻网络模型

2.2 地层环境电阻网络计算方法

仪器在实际工作时,需要保证钻铤电极监督电极和测量电极监督电极等电位,例如钻铤电极监督电极和测量电极监督电极不供电,只对电位进行取样,即通过二者的等电位实现测量电极和钻铤电极的近似等电位。由于所有监督电极没有电流流出,无法实际测量出等电位电极之间的电流流动及对应的电阻。

在实际测量过程中,不同电极形成的等效电阻网络见图3。图3中电极11,7,3,1分别表示测量电极、测量电极监督电极、钻铤电极监督电极和钻铤电极,B为回流电极。R1为钻铤电极(电极1)与钻铤电极监督电极(电极3)之间的等效电阻;R2为钻铤电极监督电极(电极3)与测量电极监督电极(电极7)之间的等效电阻;R3为测量电极监督电极(电极7)与测量电极(电极11)之间的等效电阻;R4为钻铤电极(电极1)与回流电极(电极B)之间的钻井液等效电阻;R5为钻铤电极(电极1)与回流电极(电极B)之间的地层等效电阻;R6为测量电极(电极11)与回流电极(电极B)之间的地层等效电阻。

图3 不同电极形成的等效电阻网络模型

这些等效电阻大小与地层电阻率、井眼直径、钻井液电阻率有关,可通过数值计算法计算等效电阻大小[5]。利用电路中的节点电压电流法,计算出两点间的电压和电流,进而计算出两点间的等效电阻大小。

由于钻铤电极1发射的电流会沿井眼钻井液、地层回流到电极B中,因此,其测量的是井眼钻井液电阻率和地层电阻率的并联电阻,钻铤电极1流经地层的等效电阻无法精确确定。本文假设R5与R6的电阻值近似相等;测量电极11由于监督电极的屏蔽原因,其发射的电流会垂直于地层流入进而回流到电极B中,其主要测量地层电阻率。

在实际仿真时,由于电极1、3、7、11的电位近似相等,电阻R1、R2和R3可以为任意数值,通过软件计算在地层模型下电极1、电极11和回流电极B的电位、电流,则电阻的表达式为

(1)

(2)

式中,U11为测量电极的电位,V;U1为钻铤电极的电位,V;UB为回流电极的电位,V;I11为测量电极的电流,A;I1为钻铤电极的电流,A;R4为钻井液等效电阻R4的电阻值大小,Ω;R5为地层等效电阻R5的电阻值大小,Ω;R6为地层等效电阻R6的电阻值大小,Ω。通过仿真计算得到电极1、11、B的电位和电流,即可得到钻井液等效电阻R4的电阻值R4和地层等效电阻R5的电阻值R5。

仪器在工作时有4个发射天线,对应4种工作模式,4种探测模式所对应的电阻网络模型相同,但对应的源距不同,最终计算得到不同的阻值。因此,在构建地层电阻网络时,首先通过软件给出不同模式下各电极的电位、电流大小,进而通过表达式计算每种模式下对应的钻井液等效电阻R4的电阻值R4和地层等效电阻R5的电阻值R5。

2.3 地层环境电阻网络模型构建

按照2.2节所述各电极电位条件,计算新型方位聚焦电极各电极的电压电流,通过三维地质软件构造纵向3层地层,其中间为目的层,上下为围岩,各层径向不分层,计算模型输入参数包括井眼直径、钻井液电阻率、3层地层电阻率。

为了得到不同模型下各电极的电压电流,需要构造不同的地层模型:井眼直径为5.85、6.00、6.50、7.00、7.50、8.00 in(1)非法定计量单位,1 in=25.4 mm,下同;钻井液电阻率为0.01、0.05、0.07、0.10、0.15、0.20、0.30 Ω·m;目的层电阻率为20 000 Ω·m;上下围岩电阻率为500 Ω·m。仪器的测量电极中心与目的层中心坐标重合,发射天线位于下围岩区。

3 新型方位聚焦电极监控电路设计

监控电路的作用是通过调整测量电极监督电极及钻铤电极监督电极的电位差来控制测量电极流出的电流大小(见图4)。设计的监控电路必须满足高输入阻抗,运放开环增益大于90 db,电压转换速率大于20 V/μs,电压噪声为nV级,输出驱动能力大于10 mA,以此来保证电位调整效果及速度,采集到nA级的电流信号。

图4 新型方位聚焦电极监控电路

图4中,运算放大器为跨阻抗放大器,其反向输入端为测量电极监督电极(7号电极),正向输入端为钻铤电极监督电极(3号电极),整个电路需要工作在虚短状态,从而保证测量电极和钻铤电极等的电位。电容C1起隔直作用,用于消除井下电化学反映在电极上产生的直流电位,其与电阻R7组成微分放大电路,C1和R7的大小需要满足在仪器工作频率为2 kHz处闭环增益最大,同时相位接近-180°。图4和图3中R1～R6一致,R8用于采样当2个监督电极电位差调整到最低时,从测量电极流出的电流信号。

通过地层模型计算出不同地层电阻率、井眼尺寸和钻井液电阻率环境下,钻井液等效电阻R4的电阻值R4和地层等效电阻R5的电阻值R5及其电流大小,将模拟得到的电阻值R4、R5输入设计的监控电路,计算监控电路中电阻R5中的电流大小,与数值模拟计算得到的电流大小结果进行对比,从而验证所设计电路是否可以满足不同地层环境应用需求。

4 测试结果

4.1 地层环境电阻网络数值模拟的结果

根据数值模拟构造的地层模型完成地层环境电阻网络各电阻值计算[6]。钻铤电极1供电,调节测量电极11的供电电流,保证电极3、7等电位,计算得到各电极的电位、电流,通过式(1)和式(2)计算电阻值R4、R5,得到各电阻与不同井眼尺寸、钻井液电阻率和地层电阻率之间的响应关系(见图5～图7)。从图5～图7可以看出,纵向3层地层模型结构下各等效电阻的规律。

图5 井眼尺寸6.75 in、地层电阻率20 000 Ω·m时,等效电阻R4的电阻值与钻井液电阻率关系

图6 地层电阻率20 000 Ω·m、钻井液电阻率0.05 Ω·m时,等效电阻R4的电阻值和井径的关系

图7 井眼尺寸5.85 in、钻井液电阻率0.3 Ω·m时,等效电阻R5的电阻值和井径的关系

由图5可见,在同一井眼尺寸和地层电阻率条件下,钻井液等效电阻R4的电阻值随着井眼中钻井液电阻率增大而增大,其阻值呈现线性变化,说明钻井液电阻率对等效电阻的影响较大。由于R5为地层的等效电阻,其与钻井液的对比度较大,因此,其数值受井眼钻井液电阻率的影响较小。

由图6和图7可见,在同一地层电阻率和钻井液电阻率条件下,井径变大,钻井液等效电阻R4和地层等效电阻R5的电阻值呈现逐渐下降的趋势;其中井径变大,使得井眼钻井液物理尺寸占比变大,地层的物理尺寸占比变小,进而影响等效钻井液和地层阻值的大小,且由于井眼钻井液电阻率较低,使得电路中等效的钻井液电阻和地层电阻随之减小,符合电路中等效的规律。

由图6和图7可见,钻井液等效电阻和地层等效电阻下降方式不同,其中钻井液等效电阻R4的电阻值曲线斜率逐渐减小,是由于随着井径的增加,井眼钻井液的占比逐渐增大,其增大的部分替代了原有目的层的影响,使得等效后钻井液阻值影响逐渐减小,即斜率逐渐降低为零;等效地层电阻R5的电阻值曲线的斜率逐渐增大,是由于井径变大,地层物理尺寸占比逐渐减小,且由于井眼增大的部分为低阻钻井液,使得等效后的地层电阻R5的电阻值受钻井液的影响快速变小,即斜率逐渐增大。因此,电阻网络可以反映井下环境变化,可用于室内模拟井下环境,验证仪器测量功能。

4.2 监控电路功能验证

对随钻侧向类仪器而言,井眼直径越大,钻井液电阻率越低,仪器的高电阻率测量性能就越差。在电阻网络计算模型中,由于不同井眼尺寸、钻井液电阻率和目的层电阻率组合计算结果太多,该研究仅对最恶劣井下环境下,即井眼直径为6.75 in、钻井液电阻率为0.01和0.05 Ω·m、地层电阻率为20 000 Ω·m、上下围岩电阻率为500 Ω·m时,数值模拟结果和设计的监控电路测试结果进行分析对比,以此验证接收系统能否满足最恶劣工作环境要求。

根据2.2节描述的电阻网络中各电阻计算方法,供电电极1的供电电流大小为1 A,规定供电电流方向为正方向。将数值模拟计算得到的最恶劣环境下的各个电阻值应用于图4所示的实际监控电路,将电路仿真电流大小与数值模拟结果进行对比分析(见表1)。由表1可以看出,数值模拟计算结果和电路仿真结果相对误差较小,验证了地层环境电阻网络可用于指导满足用于各种井下环境测量需求的新型方位聚焦电极监控电路设计。

表1 各电阻上电流数值模拟计算与电路仿真结果对比表

5 应用效果

方位侧向电阻率成像随钻测井仪前期应用旧的接收电极及监控电路在塔里木油田开展现场试验,在井下钻井液电阻率0.1 Ω·m条件下,仪器最高测量响应不到2 000 Ω·m。通过重新设计新型方位聚焦电极,同时开展电阻网络研究,在室内优化监控电路设计,在塔里木油田某井成功开展现场应用。XX井深7 380 m,井底压力90 MPa,井底温度153 ℃,钻井液电阻率0.1 Ω·m。该仪器在井下漏失严重、电缆测井仪器获取测井资料风险大的情况下,成功取得测井资料,与电缆双侧向仪器测井曲线对应关系良好,准确反映地层电阻率信息,纵向分辨率高于电缆仪器,电阻率测值最高接近15 000 Ω·m。仪器在钻井液低电阻率环境下高电阻率储层测量质量显著提升,进一步验证了该电阻网络能够实现地层环境模拟,在室内指导优化监控电路设计,仪器与电缆仪器测井曲线对比见图8。

图8 XX井测井曲线图

6 结 论

(1)给出新型方位聚焦电极的结构,在传统的电极基础上增加钻铤电极监督电极和测量电极监督电极,并阐述其测量工作原理,可有效降低高矿化度钻井液对仪器高阻地层测量响应的影响。

(2)依据新型方位聚焦电极结构,设计了一种用于室内模拟井下环境的地层环境电阻网络,并给出等效钻井液电阻和等效地层电阻的计算方法。依据所构造的地层电阻网络计算方法,构造了三维数值仿真计算的地层模型,该模型为带井眼的纵向三层地层。

(3)根据地层环境电阻网络的结构,设计了地层电阻率网络测量的监控电路。通过数值模拟计算,得到了电阻网络各电阻值与井眼尺寸、钻井液电阻率和地层电阻率之间的响应关系,并仿真计算得到电极之间的等效电阻受井眼钻井液的影响关系:随着钻井液电阻率的增大,等效的钻井液电阻增大;井径增大,井眼钻井液占比增大,使得等效的钻井液电阻和地层电阻逐渐下降,且下降的斜率趋势不同。监控电路测试结果验证了该电阻网络能够在室内模拟井下环境,指导监控电路设计,满足井下各种环境应用需求。

(4)开展了仪器现场应用,进一步验证了该电阻网络能够模拟井下环境,优化监控电路设计功能。