随钻侧向电阻率仪器钮扣电极扫描成像影响因素分析

尤嘉祺,陈刚,陈思嘉,阳质量,许月晨,唐章宏

(1.中国石油集团测井有限公司国际合作处,陕西西安710021;2.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710077;3.北京唯智佳辰科技发展有限责任公司,北京100089)

0 引 言

随钻侧向电阻率仪器[1]通常采用方位测量电极加钮扣电极设计,方位测量电极可实现地层视电阻率测量,钮扣电极实现电阻率井周全方位扫描采集,利用钮扣电极提供的成像测井图像,提高满足裂缝、薄层、低孔隙度、低渗透率等复杂高电阻率储层的地质导向、精细评价和电阻率成像需要。在现场应用过程中,钮扣电极排布、井周扫描数据采集速度等,都将影响扫描成像分辨率。针对随钻侧向电阻率仪器钮扣电极成像问题,李安宗等[2]分析了RIT仪器2个钮扣电极、周向相差180°径向探测特性。倪卫宁等[3]提出了一种周向排布8个圆形钮扣电极、纵向分为2排、且每排钮扣电极直径不同的随钻侧向电阻率仪器,通过理论研究验证了该结构有较好的纵向分辨率。

本文针对随钻侧向电阻率仪器钮扣电极的采样点分布及成像效果进行了深入讨论。通过建立随钻侧向电阻率仪器单钮扣、多钮扣电极模型,在不考虑钮扣电极尺寸及形状、仪器发射电流工作频率及转速,在钻速非均匀性的条件下,分析钮扣电极采样频率和钻铤转速、前进速度的关系。通过提出电极采样点坐标求解计算方式,进而得到随钻侧向电阻率仪器在旋转前进过程中采样点的分布规律表达式,并进行数值仿真计算,分析钮扣电极视电阻率成像的特点,这对仪器钮扣电极采样点频率设计、视电阻率成像等具有指导意义。

1 理论模型

1.1 单钮扣电极采样点模型

假设钻铤旋转角速度为ω,r/s;前进速度为v,m/s;钮扣电极直径为D,m;仪器半径为R,m;则钮扣电极周向分辨率x为旋转过程中前后两次采样点的周向距离,m;轴向分辨率y为旋转过程中前后两次采样点的轴向距离,m。如图1所示,钻铤旋转1周单钮扣电极运动轨迹为1条螺旋线[4-5]。

图1 钮扣电极周向分辨率示意图

1.2 多钮扣电极采样点模型

为了保证扫描成像的轴向分辨率,仪器通常采用多个钮扣电极设计[4-5],其模型见图2,其中2个轴向相邻的钮扣电极距离为s,m;轴向所有钮扣电极沿钻铤的总间距为l,m。与图1类似,多个钮扣电极旋转1周后的图像为多条螺旋线。

图2 多钮扣电极轴向分辨率示意图

1.3 钮扣电极采样点坐标求解

仪器在前进过程中,假设钮扣电极的起始纵坐标为z0,周向角度为0,在钻铤前进过程中,钮扣电极的位置z(t)表达式

z(t)=z0+vt

(1)

θ(t)=ωt

(2)

式中,t为时间,s;θ为周向方位角度,(°)。

(3)

(4)

2 单钮扣电极成像分辨率影响因素分析

(5)

利用式(3)和式(4)求解单钮扣电极采样点的坐标。计算模型:仪器转速为1/6 r/s,采样频率分别为1/5 Hz和1/5.3 Hz。仪器采样点轨迹展开图见图3和图4。

图3 1/5 Hz采样点轨迹展开示意图

图4 1/5.3 Hz采样点轨迹展开示意图

在该计算模型下,当采样频率f=1/5 Hz时,钮扣电极第1个采样点和第7个采样点周向重合,即可获得周向6个方位角度的测量信息;采样频率f=1/5.3 Hz时,钮扣电极第1个采样点和第61个采样点周向重合,即可获得周向60个方位角度的测量信息,相对1/5 Hz采样频率,周向分辨率大大提高。通过归纳分析,得到采样频率f、仪器转速ω及可获得的周向方位个数m的关系表达式为

(6)

因此,在已知仪器旋转速度的条件下,可以通过式(6)求解采样频率,通过式(5)确定写入仪器占空比的大小,确保钮扣电极周向分辨率满足测量要求。再由轴向分辨率计算公式,评估采样频率是否满足钮扣电极轴向成像需求。

3 实钻过程中钮扣电极扫描成像分辨率模拟分析

通过前面的理论分析,发现采样频率是决定钮扣电极成像质量的关键参数,下面将构造不同的钻井环境,包括钻井速度、仪器旋转速度、钮扣采样频率等参数,综合分析以上参数在不同电阻率对比度、不同层厚的地层模型中对钮扣电极扫描成像分辨率的影响。

3.1 周向成像模拟分析

为了分析钮扣电极的周向分辨率,构造周向存在裂缝的地层模型,地层纵向分为3层,上、下为围岩层,中间为目的层,目的层的周向存在4条裂缝,从第1象限到第4象限裂缝张开角度分别为5°、10°、20°和30°,裂缝中心方位依次为42.5°、125.0°、210.0°、315.0°。上、下围岩和目的层电阻率为1 000 Ω·m,裂缝的电阻率为10 Ω·m,目的层厚度为2 m,层界面坐标分别为[-1,1],钮扣电极的源距为1.1 m。假设仪器旋转角速度为1/6 r/s,采样频率分别为1/5 Hz、1/5.03 Hz,视电阻率成像效果见图5和图6。

图5 1/5 Hz模型钮扣电极视电阻率图像

图6 1/5.03 Hz模型钮扣电极视电阻率图像

通过上图分析可以得到采样频率为1/5.03 Hz的图像效果最好,1/5 Hz的成像效果差,主要原因是1/5.03 Hz的周向采样点个数较多,使得在存在周向角度为5°的裂缝时也可以识别。1/5 Hz只在6个方位存在采样点,使得其不能有效识别裂缝。由于井眼及目的层电阻率的影响,钮扣电极的成像范围比实际的裂缝尺寸大。因此,通过上述图像可以分析得出结论:对于给定的仪器旋转速度,需要依据公式得出比较合适的采样频率,以保证周向的采样点个数足够多,达到最优的成像效果。

在实际测量时,采样时间为t0,通常需要采集多个点,该文定义的采样时间仅采取1个点,假设在采样时间t0时间内采取m个点,则在周向的采样点个数扩大m倍,例如m=10,相比图3中采样点的分布周向数量提高10倍。因此,在固定采样时间t0内,提高采样次数同样可以提高周向分辨率。

3.2 纵向钮扣电极成像模拟分析

为分析钮扣电极的纵向成像效果,构造多层地层模型,仪器旋转速度、钮扣电极的采样频率、钻铤前进速度参数设置见表1。搭建的地层模型为薄互层,电阻率分别为10 Ω·m和100 Ω·m,薄层厚度分别为1、2、3、4、5、8、10 mm,薄层间距为0.5 m。不同作业环境下,钮扣电极成像仿真结果见图7和图8。

表1 单钮扣电极计算模型参数

图7 模型1钮扣电极视电阻率成像

图8 模型2钮扣电极视电阻率成像

依据所构造的地层模型,计算得到钮扣电极的视电阻率图像。

从图7和图8中可以看出,所有模型都可以识别6条裂缝,其中模型1的成像效果最好,原因是该模型下仪器前进速度慢,采样周期短,轴向采样点分布较多,其可以很好地识别2 mm的裂缝;对于模型2可以看出其与模型1周向采样点个数相同,区别在于前进速度,该模型下仪器前进速度较快,使得其轴向相邻采样点距离较大,成像图像中识别的裂缝厚度不准确,且裂缝成像相对模糊,视电阻率受地层背景电阻率的影响较大。

4 结 论

(1)钻铤的转速和测量时间不受控制,因此,选择合适的采样频率可以提高周向方位测量的精度,建议采样周期T为5.03、2.33、1.67 s等带2位小数的质数。

(2)在实际测量时间t0内,建议采取多次采样方法,提高视电阻率成像效果。

(3)对于轴向分辨率的识别,在相同的采样周期T内,仪器前进速度越快,轴向的采样点分布越稀疏,层界面的识别能力越差,裂缝成像不清晰,识别的裂缝厚度较宽,与实际尺寸误差较大;同时周向采样点的多少影响层界面的识别情况,采样点较多的层界面识别清晰。