随钻远探测电磁波测井技术问题分析与探讨

金鼎，朱军，周强

（1.中国石油天然气集团有限公司科技管理部，北京 100007；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.中国石油天然气集团有限公司测井技术试验基地，陕西 西安 710077；4.美国麦氏技术公司，美国 德克萨斯 休斯敦 77074）

0 引 言

20世纪80年代中后期，随钻电磁波电阻率测井方法与仪器进入商业化应用阶段[1]，现已逐步发展成为大斜度井/水平井随钻地质导向和储层评价的重要工具。作为最新随钻测井技术，随钻远探测电磁波电阻率成像测井技术经历了从不带方位测量能力的远探测电磁波测井[2-3]，到方位电磁波测井[4-6]、远探测方位电磁波测井[7-9]，再到前探测方位电磁波测井[10-11]的发展历程。以斯伦贝谢公司为例，其在2003年推出不带方位远探测电磁波测井仪器DeepVision[2]，2005年推出了方位电磁波测井仪器PeriScope[4]，2010年推出了远探测方位电磁波测井仪器GeoSphere[7]，2016年、2019年推出前探方位电磁波测井仪器EMLA[10]、IriSphere[11]。经过近20年发展，随钻远探测电磁波的最大远探测距离可达75 m、最大前探距离可达30 m，具备远地层界面探测和油藏成图功能，在精确地质导向和地层构造评价方面发挥越来越重要的作用，具有良好的应用前景。

随钻远探测电磁波成像测井技术已成为当今国内外油气服务公司研发应用的热点，它不但能测量电压、相位差、幅度比等多分量信号与地质信号，而且能够提供地层电阻率、各向异性、井周围地层界面位置及方位的信息。该技术想要实现几十米甚至百米探测距离指标和高清晰识别远处地层界面，在研发、数据处理中面临多方面的技术难题。本文从天线排列方式、测量功能和测量信号出发，讨论远探测电磁波测量方法和新的专业术语，分析仪器研发中纳伏级微弱信号检测及处理、正交/倾斜方位天线设计及制作工艺等关键技术，阐述数据处理中快速实时反演精度、稳定和多解性问题，并针对这些关键技术或难点问题，提出了研究思路或解决措施。

1 测量功能与信号

随钻远探测电磁波成像测井仪器是随钻方位电磁波最新发展的技术装备，其测量功能包括地层电阻率测量、界面探测、三维油藏成像、各向异性测量，其中界面探测主要反映界面探测能力，主要技术指标为探边距离、前探距离、界面分辨率。仪器测量信号包括相位差、幅度衰减、电压（含实部和虚部）、地质信号等。地层电阻率、探边距离、前探距离、界面分辨率及各向异性是从这些信号中求取。在方位电磁波仪器中，地质信号是一个新的术语，定义为一种反映地层界面方位、距离等信息的测量信号，可以是电压（包括实部、虚部或幅度）、幅度衰减和相位差，分别称为电压地质信号、幅度衰减地质信号和相位差地质信号。

仪器的测量功能和测量信号主要由天线系统及其排列方式决定[12]。目前随钻远探测电磁波仪器的天线系统排列方式可归纳为5种：轴向发射-轴向接收（简写为ZZ）、轴向发射-垂向接收（简写为ZX）或垂向发射-轴向接收（简写为XZ）、垂向发射-垂向接收（简写为XX）、轴向发射-倾斜接收（简写为TZR45）、倾斜发射-倾斜接收（简写为T45R45）（见图1）。前4种天线系统排列方式测量电压、幅度衰减和相位差等地质信号，第5种天线系统排列方式测量幅度衰减和相位差等地质信号。

图1 随钻远探测电磁波天线排列方式

目前不同远探测仪器的天线系统各不相同，地质信号的具体表达式也不一样，探测能力指标也不相同，对探边距离、前探距离以及界面分辨率的描述和判别标准不尽相同。下面探讨探测能力指标概念、主要参数及其影响因素。

2 探测能力及其影响因素

与常规电磁波传播测井原理相同，远探测电磁波仪器的探边距离、前探距离和界面分辨率主要取决于发射-接收天线距离（天线距）、工作频率、发射信号强度以及地层导电特性等因素。

2.1 探边距离及其影响因素

2.1.1 探边距离

探边距离指仪器在径向上能够探测到的从井眼到最远处地层界面的距离。探边距离的定义基于仪器地质信号和单界面地层模型（见图2）。仪器位于电阻率为Rt2的地层中并平行于地层界面，邻层电阻率为Rt1，发射天线到接收天线距离为L（等同于仪器长度），随着仪器逐渐远离地层界面，地质信号逐渐减小（即界面或邻层的影响逐渐减小），当地质信号减小到仪器所能检测到最小地质信号时，仪器到界面的距离就定义为探边距离。一般，最小地质信号分别为相位差0.1°、幅度衰减0.02 dB、电压50 nV/10 nV。

图2 探边距离模型及定义

2.1.2 探边距离的主要影响因素

电压、幅度衰减和相位差等不同地质信号所反映的探边距离不一样，仪器探边距离的大小主要取决于仪器地质信号类型及其影响因素和自身最小地质信号的检测能力。前面提到了多种不同类型的地质信号，尽管其表达式不一样，但均来自于接收天线的感应电压，其数值与天线的排列方式、发射-接收天线距离、发射电流、工作频率、天线参数（如匝数、半径、磁芯等）、仪器所在地层电阻率及界面上下地层电阻率比值相关。

（1）不同天线排列方式及地质信号类型、工作频率、天线距的影响。研究表明[12,14-16]：高频短天线距的探边能力较弱，低频长天线距的探边能力强；幅度衰减的探边能力大于相位差的探边能力；相同天线距、相同频率，T45R45天线比ZX天线的探边距离小。如对于T45R45天线，通过增大天线距与降低频率，可提高相位差、幅度衰减地质信号的探边距离；与T45R45天线距相同、工作频率相同，ZX天线电压地质信号可获得更大的探边距离。因此，将ZX天线制作在同一钻铤短节上，用较短的天线距能实现30 m的探边距离。

（2）地层电阻率及其对比度的影响。图3为轴向Z发射天线-X接收天线在单界面地层中的响应，图3 （a）为实部电压地质信号，图3 （b）为虚部电压地质信号，工作频率f3为40 kHz，天线距为5.8 m。图3中色标为探边距离最小地质信号为50 nV。

图3 ZX天线在不同电阻率及对比度时的探边距离

从图3可以看出，从高阻看低阻层，探边能力较强，从低阻看高阻层，探测能力较弱；虚部电压地质信号的探边能力强于实部电压地质信号的探边能力；电导率的差异或电阻率比值越大，探边能力越强。

（3）最小地质信号检测能力的影响。根据探边距离定义，仪器所能检测的最小地质信号直接影响该仪器的探边能力，这里仅讨论最小电压地质信号，相位差、幅度衰减地质信号与此类似。下面以ZX天线系统为例，天线距为5.8 m，工作频率为4、10、40 kHz，通过数值模拟计算研究探边距离与最小地质信号之间的关系。以最小电压地质信号A=100、50、10、5 nV定义探边距离，不同工作频率不同电阻率对比度对应的探边距离见表1。

表1 不同电压地质信号数值的探边距离

从表1看出：相同频率、相同电阻率背景及对比度，仪器所能检测到的地质信号越小，探边距离就越大；不同最小电压地质信号检测能力，对应的探边距离差异很大。如对于工作频率4 kHz、电阻率对比度为50∶1的地层，A=5 nV最小电压地质信号对应的探边距离为53 m，远大于A=100 nV对应的探边距离25 m。

2.2 前探距离及主要影响因素

2.2.1 前探距离

基于图4所示的单界面地层模型，当仪器逐渐远离地层界面，地质信号受界面或围岩Rt1的影响逐渐减小，并逐渐接近均匀地层的响应，即电阻率为Rt2的均匀无限大地层的地质信号。

图4 前探距离模型及定义

当仪器地质信号与均匀空间响应的差别等于某个截止值即仪器能测量的最小地质信号时，此时界面或围岩的影响几乎为零，该位置距界面的距离为该仪器的前探距离。

2.2.2 前探距离主要影响因素

（1）工作频率、电阻率及其对比度对前探距离的影响。图5为ZZ分量（Z发射-Z接收）、XX分量（X发射-X接收）在工作频率4 kHz和40 kHz时计算的前探距离分布。假设发射接收天线距L为5.8 m，图5中颜色图标在0 ～15 m，因此，从颜色上可观察到前探距离最远约达2L（ZZ）或更远（XX）。

图5 前探距离与地层电阻率及其对比度关系

分析表明：XX分量前探能力比ZZ分量强；高频（40 kHz）和低频（4 kHz）前探范围是不同的，在高电阻率地层中，高频更合适，在低电阻率地层中，低频有优势；当仪器所在层电阻率较低时，前探能力减弱；电阻率对比度越大，前探距离越大。

（2）天线排列方式、天线距离对前探距离的影响。ZZ、ZX、XX、T45R45等4种不同天线排列的空间响应研究表明[13-14]：天线距越大，天线系统的空间响应分布灵敏度范围越大，即前探能力越强；在轴向灵敏度上，ZZ分量的前探能力

2.3 界面分辨率及其主要影响因素

2.3.1 界面分辨率

地质导向的主要目标是精确探测地层界面的存在与位置，判断界面是否存在相对容易一些，要准确获得井眼距离界面的位置难度大。本文所阐述的界面分辨率就是指界面识别的精度或误差。下面采用单界面地层模型的数值模拟响应来探讨界面分辨率。

仪器平行或垂直于界面，距界面距离为ΔTB，假设当前地层及围岩电阻率已知，针对某道地质信号（电压实部、电压虚部、电压幅度、相位差、幅度衰减），在理想条件下，产生的信号强度为A，而受测量精度限制，实际测量信号为A*，实际反演得到界面距离为ΔTB*，将两者之差异定义为地层界面分辨率即ΔTB= |ΔTB*–ΔTB|。

按照上述定义和数值模拟结果可见，地层界面分辨率应是针对某道地质信号而言，应注意以下3点：分辨率是针对距仪器一定距离的界面而言的；假设界面两侧电阻率已知，若电阻率值为未知，则地层界面分辨率还受电阻率反演的不确定性影响；地层界面分辨率是相对仪器测量精度（误差）而言的，假若仪器测量不存在误差，与理论结果一致，则分辨率是完美的。

2.3.2 主要影响因素

按照上述定义，通过数值模拟讨论界面分辨率影响因素。以天线距L1为5.8 m的ZX分量、工作频率f3为40 kHz的电压幅度地质信号为例，仪器在100 Ω・m地层中探测1 Ω・m地层界面，假设测量误差为（2%A±10） nV（10 nV为背景噪声）、（5%A±50） nV（50 nV为背景噪声），分别进行数值模拟考察不同界面距离时的地层界面分辨率（见图6、图7）。

图6 ZX天线系统电压地质信号的界面分辨率（2%A±10） nV

图7 ZX天线系统电压地质信号的界面分辨率（5%A±50） nV

从图6看出，当测量误差为（2%A±10） nV时：真实界面距离为10 m，反演距离为9.92 ～10.08 m，地层界面分辨率约为±0.1 m；真实界面距离为30 m，反演距离为29.20 ～30.90 m，界面分辨率约为±1.0 m。从图7看出，当测量误差为（5%A±50） nV时：10 m界面距离测量距离为9.83 ～10.13 m，界面分辨率约为±0.2 m；30 m界面距离测量距离为26.20 ～41.60 m，界面分辨率约为±11.6 m。

数值模拟分析表明：界面分辨率受仪器探测距离（包括探边距离和前探距离）的影响，即与测量信号类别、界面上下地层电阻率、工作频率、天线距密切相关；界面分辨率受制于仪器测量精度，仪器测量精度越高，分辨率越高；仪器离界面越近，界面分辨率越高；界面两侧电导率差异越大，分辨率越高。

3 仪器研发的关键技术难点及解决措施

仪器研发中存在多项关键技术，本文从电路、机械2个方面探讨了2个重要的关键技术难点及解决措施，即纳伏级微弱信号精确检测和正交-倾斜天线设计制作。

3.1 纳伏级微弱信号精确检测

3.1.1 难点分析

仪器测量的原始地层界面响应信号主要存在以下4个特点或难点。

（1）信号微弱。数值模拟表明地层界面感应电压信号微弱，远边界信号常为微伏级信号，30 m远边界信号为纳伏级或纳伏级以下。

（2）信噪比低。电子线路安放在底部钻具组合中，剧烈的振动、冲击和高温高压会产生强大背景噪声，噪声可达100 dB以上，需在大噪声背景下检测纳伏级信号。

（3）稳定性差。在高温高压、振动、冲击等恶劣环境下，弱信号稳定性变差，特别是低频信号稳定性更差。如川渝页岩气区块，仪器振动力可达70g、冲击力可达500g以上；在深层超深层中，仪器要长时间工作在150 ℃以上。

（4）高精度实时处理。微弱信号与噪声信号相混合，在大噪声背景下准确处理提取来自地层的微弱信号难度大；远探测电磁波仪器工作频率多、测量信号种类多，每个深度点的测量信号数量甚至可达百个甚至几百个；数据采集处理时间需适应机械钻速，即快速实时处理应满足实时上传和精确导向的要求。

3.1.2 解决措施

电路系统需要在抑制干扰、增强信号强度、稳定性和高精度处理等方面采取措施。

（1）在抑制干扰方面，采取抑制干扰源和切断干扰耦合路径方法，如精选元器件，采取滤波，提升信噪比。

（2）在增强信号强度方面，大功率发射，增加高磁导率的磁芯，提升接收信号强度。

（3）在增强高温稳定性方面，采取抗振减振、内刻度电路、精确外刻度、多点温度校正、振动数据采集及校正等措施。

（4）在高精度实时处理方面，采取自相关滤波、数字相敏检波、异常点剔除、发射信号归一化处理、外刻度精确标定、振动影响校正等措施；采用高速DSP，开发高速处理算法，提升测量信号的处理速度和精度。

3.2 正交-倾斜天线设计制作

天线系统是实现仪器指标的关键部件，其制作工艺是关键控制因素，需要制作出抗压、抗振、抗冲刷、耐腐蚀的天线系统。

3.2.1 难点分析

（1）正交和倾斜天线之间角度要求严格。远探测电磁波仪器发射、接收天线排列方式多种，X、Y、Z天线相互正交，天线与磁芯、天线保护罩的窗格之间也正交，45°倾斜天线和正交天线要保证角度准确，否则会产生更为复杂的分量信号。

（2）天线类型和数量多，一致性难以保证。正交/倾斜天线加工、绕制难度大，手工制作保证一致难度大。

（3）天线部分需要耐受压力、振动、冲刷、腐蚀等。首先，在高温、高压、强振动冲击等恶劣环境中，天线易发生机械变形，导致信号变化；其次，整个天线系统工作在冲刷、耐磨、腐蚀环境中，天线经常出现机械性损坏。

3.2.2 解决措施

（1）提高倾斜、X、Y天线槽的加工精度，保证天线槽和天线支撑骨架满足设计要求，特别是角度要求。

（2）设计加工一系列专用工艺工装，用于天线绕制、罐胶、测试和仪器钻铤喷丸、防磨带制作等；建立相关标准或规范，确保天线绕制精度和同类型天线的一致性。

（3）优选高强度天线的骨架、填充、保护等材料，提高天线系统减振、抗压、抗冲击耐磨、抗腐蚀及防形变等能力。

4 多尺度数据处理难点及应对措施

在随钻远探测电磁波测井资料处理中，通过多尺度数据处理获取地层信息，以满足实时地质导向和实时或钻后地层评价需要，其难点主要包括快速反演和弯曲扭曲影响处理。

4.1 多尺度数据反演技术难点及对策

在随钻远探测电磁波测井数据中，储层界面距离、方位、倾角及电阻率等信息不是直接测量得到，而是通过测量数据反演获取。实时地质导向对反演的实时性要求高，也需要保证一定的反演精度，而钻后评价需要更高的反演精度。

4.1.1 难点分析

（1）反演速度需满足机械钻速要求。地层模型复杂，如探测范围内存在多层界面、界面可能倾斜或地层横向变化，甚至是各向异性地层，测量数据为多尺度数据；反演参数多，如多界面地层电阻率（各向异性地层还包括垂直电阻率和水平电阻率）、多个界面距离、井眼与界面相对夹角（包括地层倾角）等；反演速度还受制于正演算法、反演算法的速度。

（2）反演精度的影响。受反演模型影响，反演精度与速度之间是一对矛盾组合，采用简单模型反演速度快，但反演精度较低，而采用复杂模型可以提高精度，但速度慢；受噪声影响，数据本身含有噪声，若不能消除也会影响反演精度，前面界面分辨率数值模拟研究也说明了该问题。

（3）其他因素的影响，如反演算法还存在不收敛、多解和不稳定问题，导致反演无解，甚至反演结果错误。

4.1.2 解决措施

（1）在提高反演速度方面，优化或简化地层模型（如降维处理），优选正反演算法，采用模块数据共享、循环并行嵌套、自动优化并行线程数量、并行云计算等措施，开发出实时快速反演软件和精确反演软件，分别满足现场实时地质导向和钻后评价需求。

（2）在消除反演多解性和提高稳定性方面，优选求解模型，采用全求解域优化求解方法，结合物探和本井/邻井的钻井、录井、地质等信息，采用数据联合建模，消除或避免多解性；强化目标函数约束条件，提高反演收敛性和稳定性。

（3）在提高反演精度方面，充分利用本井全部测井数据，保证充足的信息量；将不同尺度和不同数据源信息作为补充或作为约束条件，并结合物探和邻井的录井、地质、钻井等信息，相互验证，提高反演精度。

4.2 扭曲弯曲的影响及解决措施

传统随钻电磁波传播电阻率仪器的同轴天线在仪器旋转时，其等效的磁偶极子指向不发生变化，均为仪器轴方向。远探测仪器采用了非轴向天线，包括垂直于轴向或与轴向成45°的天线。随着仪器旋转，其等效磁偶极子的指向也不断发生变化，从而拥有方位敏感性。如果在单个钻铤上实现远探测仪器，发射天线与接收天线之间的相对方位角保持不变，弯曲与扭曲造成的影响可以忽略不计。目前随钻远探测电磁波仪器一般由1个发射、2 ～3个接收短节组成，方位角对不齐、扭曲、弯曲均会对测量信号产生复杂影响。

4.2.1 扭曲弯曲的影响

（1）扭曲即方位角无法对齐的影响。对于多短节远探测方位电磁波仪器，天线分布在多个短节上，各短节连接后，它们之间的相对方位角是无法严格对齐的，即每次组装后，天线间的相对方位角都可能不相同；较长的多短节仪器则不能当作一个刚体，钻井过程中，钻具旋转还存在扭曲，相对方位角会进一步发生变化。相对方位角变化，影响正交（X、Y）天线、倾斜天线之间的圆周方向角度关系，且各短节间相位方位角变化大小不一样，导致多分量电磁波信号幅度、相位发生复杂变化，若不准确处理，对地层界面距离和方位及倾角求取影响较大，特别是对远处界面影响更大。

（2）弯曲影响。多短节仪器连接后的总长度达30 m或更长，在造斜段或轨迹调整段，钻井过程中仪器串是弯曲的，弯曲角度最大可达（15 ～20） °/30 m，并且随着井眼曲率变化而变化。按照理论设计，各短节天线分布在同一直线轴上，弯曲不会引起同一短节上各天线间的相对角度变化，但会导致不同短节上各天线间的相对角度变化。从而导致多分量电磁波信号幅度、相位发生复杂变化，导致反演结果的误差。

4.2.2 解决措施

（1）采用方位、井斜传感器测量相对方位角和井斜角。在每一个短节上，增设方位传感器（如磁通门、加速度计），测量、记录各自方位角和工具面及井斜角，用于消除因方位角对不齐、扭曲、弯曲导致电磁波信号分量变化的影响。

（2）开发扭曲弯曲影响处理方法软件并校正其影响。在测井数据处理过程中，将扭曲、弯曲导致各天线的空间指向和相对位置考虑在处理软件（特别是反演处理）中予以处理，消除其影响。

5 结 论

（1）从天线排列方式、测量功能和测量信号出发，采用单界面地层模型，探讨创新了探边距离、前探距离的定义，提出了界面分辨率的定义，并通过数值模拟分析了其影响因素。数值模拟结果表明：探边距离、前探距离、界面分辨率依赖于天线排列方式、地质信号类型、天线距离、工作频率、地层电阻率及其对比度（电导率差异），也与仪器检测微弱信号的能力密切相关；界面分辨率还依赖于仪器的测量精度。

（2）在随钻远探测电磁波测井仪器研发中，主要关键技术难点为纳伏级微弱信号精确检测和正交-倾斜天线制作及工艺。针对纳伏级微弱信号精确检测，建议在抑制干扰、增强信号强度与稳定性、高精度处理等方面采取措施；针对正交-倾斜天线制作及工艺，建议在天线相关机电材料优选、倾斜/正交天线槽的加工、制作工艺等方面采取措施，并建立相关标准或规范，确保天线绕制精度和一致性。

（3）在随钻远探测电磁波测井数据处理中，主要关键技术难点为多尺度快速反演和弯曲扭曲影响校正。针对多尺度快速反演，建议在提高反演速度、精度和消除多解性、提高稳定性等方面采取措施；针对弯曲扭曲影响校正，建议采用方位、井斜传感器测量各短节的相对方位角和井斜角，并在处理中消除其影响。

（4）随钻远探测电磁波成像测井技术日趋成熟。在仪器方面，朝着宽频带、大功率、长源距、发射接收短节模块化方向发展，随着微弱信号检测能力提升，探测距离可达百米以上；在处理方面，与互联网、云计算和数字硬件相结合，实现全三维反演和三维油藏成像技术；在应用方面，从地质导向和构造成像服务发展到360°、3D随钻油藏测绘成像和界面测距服务，为精准地质导向和提高油气产量提供重要支撑。