張金倩楠1，彭浩2，賈衡天2，艾維平2，高文凱2，范錦輝2，管康2

　　（1.北京郵電大學 信息光子學與光通信研究院，北京 100876；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100083）

    摘要：由于雙側向測量的方式具有更好的聚焦能力，可以同時進行深淺兩種探測深度的電阻率測量，因此其具有更強的分層能力，使得不同巖性的地質剖面更加清楚。為此設計了一套隨鉆雙側向電阻率測量系統，并進行了鉆井實驗。實驗結果證明，該系統能對儲層電阻率進行雙側向測量，能真實反映地層電阻率信息，可以提高隨鉆地質導向鉆井系統的性能，提高油氣田的鉆遇率。

　　關鍵詞：側向電阻率；地質導向；電阻率信息

0引言

　　在勘探開發油氣資源的工程中，評價油氣儲層油氣分布的常規和重要手段是對該儲層電導率的判斷。而隨鉆電阻率測量有較高的實時性和效率，其能夠最大程度降低鉆井液入侵地層后對地層電阻率測量的影響，對儲層評價具有重大意義，能使井眼軌跡保持在要求的儲層內。隨鉆雙側向電阻率測井是聚焦式電法測井中的一種。其與三側向和七側向電阻率測井均屬于電法測井，隨鉆雙側向電阻率測井系統是從三側向和七側向測井系統的基礎上發展起來的，但由于電極系結構不同，在地層的分辨率和探測深度上有很大區別。而隨鉆雙側向電阻率測井系統能夠同時進行淺深兩種探測深度的測量［1］,因此在地層的分辨率和探測深度上均優于三側向和七側向測井系統，其能更大程度地降低低阻圍巖和井眼對地層真實電阻率測量的影響［2］。為滿足隨鉆地質導向時對鉆遇地層電阻率信息的實時分析的需求，本文開發了隨鉆雙側向電阻率測井系統。

1隨鉆雙側向電阻率測量系統結構及測量原理

　　隨鉆雙側向電阻率測井系統的電極系由9個電極構成。主電極AP0、第一屏蔽電極AP1和AP2，第二屏蔽電極AP1’和AP2’,電極形狀為柱狀，主電極較短，屏蔽電極較長。監測電極MP1、MP2和MP1’、MP2’使用環狀電極［3］。各個同名電極之間在鉆鋌內部短接在一起，并以主電極AP0為中心對稱地排列在兩邊，如圖1所示。

　　其中第二屏蔽電極AP1’和AP2’起著雙重作用：對深側向電流，它與第一屏蔽電極間相當于短路狀態，從而增強了屏蔽作用。可以使主電流進入地層深處才會向周圍發散開。對于淺側向電流，它與第一屏蔽電極間相當于絕緣，并用作第一屏蔽電極和主電極的電流回流電極，從而降低了屏蔽作用。

使得主電流在進入地層比較近的地方就發散開。雙側向電極系主電極流入地層路徑如圖1所示。在系統進行工作時，主電極流出的電流I0和從屏蔽電極流出的屏流電流I1應該是相同極性的，這樣才能使主電極電流聚焦。

　　因此在電路系統上采用跟蹤屏蔽電流來產生主電流的方式。在隨鉆雙側向電阻率測量系統中通過實時測量監測電極與無窮遠處的回流電極NP的電壓差和主電流I0，再根據式（1）來計算出被測量地層的電阻率信息［4］。UMP1代表監測電極的電位，I0代表主電極流出的電流，K代表電極系數。

　　AP0的接地電阻為R0，則由式(1)可以推出：

　　公式里的電阻R0應等效為主電流流過的路徑上的各個部分電阻的和，如式(3)：

　　RY代表主電極AP0與鉆井液之間的接觸電阻;RM代表主電流經過鉆井的體電阻;RMC代表主電流流過泥餅的電阻;RI代表主電流流過鉆井液侵入帶地層的電阻;RT代表主電流流過被測原狀地層的電阻;RU代表主電流到回流電極的回路電阻。

　　由于鉆井液的電阻率非常低，主電流流過鉆井液和泥餅的路徑很短，因此RY、RM、RMC可以忽略，主電流I0的回流電極回路路徑等效截面積非常大，所以RU也可以忽略不計。式（3）變為：

　　隨鉆雙側向電阻率測量系統測量的數據主要反映了被測地層的原狀地層電阻率和鉆井液入侵帶電阻率，采用隨鉆測量方式，在地層被打開的同時就進行了電阻率的測量，鉆井液尚未來得及入侵原狀地層太深，因此鉆井液入侵帶電阻率也可以忽略不計［5］。

　　隨鉆雙側向電阻率深電極系數K可表示為：

2隨鉆雙側向電阻率測量系統電路

　　隨鉆雙側向電阻率測量系統如圖2所示，其包括：直流穩壓單元、控制信號發生器單元、深側向屏流源單元、淺側向屏流源單元、平衡放大混合電路單元、深淺側向電流檢測電路單元和深淺側向電壓檢測電路單元。直流穩壓電源單元為整個測量系統提供+15 V和-15 V的工作電源。控制信號發生器單元包括振蕩器和分頻器，其可以產生32 Hz和128 Hz的方波信號，為系統中的斬波器、相敏檢波器提供相位參考信號［6］。這個信號的頻率同時也是深淺側向測量時給電極上的功率信號頻率。該系統在進行測量時，由深淺屏流源電路通過屏流電極系向被測地層發射32 Hz和128 Hz屏蔽電流信號，該電流將會流入監測電極MP1、MP1’和MP2、MP2’,并在監測電級系上形成電位差，這個電位差信號包括了深淺側向電流的頻率，該電位差信號經過平衡放大混合電路放大，放大后的信號控制主電流發生電路來產生包含上述兩種頻率的主電流［7］。這樣主電流I0時鐘就能跟隨屏蔽電流I1的極性和相位變化了。同時，主電流也將造成監測電極間的電位差動態趨于零。屏蔽電流I1同時也動態地聚焦了主電流I0。

　　深側向屏流電流源電路由頻率受控的32 Hz電流源構成，控制信號為U2D。控制信號U2D來自于深側向電壓監測器并與深側向電壓監測器監測到的電壓成正比。深側向屏流源輸出的電流加載到屏流電極AP1和AP1’上，屏蔽電流從無限遠處的NP電極返回［8］。深側向屏流源電路由差動放大器、斬波式調制器、深側向帶通濾波器和功率放大器構成。

　　差動放大器主要利用U2D來控制屏蔽電流幅度，其正比于(U2-2U2D),U2是參考信號。是由直流電源經過精密電阻R1和R2分壓得到，如圖3所示。斬波式調制器將與(U2-2U2D)成正比的直流信號變換成32 Hz的交流信號，然后其通過帶通濾波器將其變成幅度正比于(U2-2U2D)、頻率為32 Hz的正弦波，最后經過功率放大電路將其加載到屏蔽電極A1和A2上。深側向屏蔽電流經過電阻R10加載到屏蔽電極AP1上，經由變壓器T8的次級加載到屏蔽電極AP1’上。這意味著AP1和AP1’是短路在一起的，所以具有相同的電位［9］。

淺側向屏流源的信號輸出接在變壓器T8的初級，從初級看過去電極AP1’是電級AP1的回流電極。AP2’是AP2的回流電極，而淺側向屏流源電路產生一個頻率為128 Hz的交流電流信號，其控制電壓還是U2D。其電路組成結構與深側向屏流源電路類似，只是斬波調制器的控制頻率不同。

　　平衡放大混合電路單元有兩個作用：(1)測量監測電極上的電位差;(2)平衡放大電路單元輸出的不平衡信號、控制產生主電流I0。主電流I0與屏蔽電流I1相互作用，當監測電極間電位差為零時，主電流被聚焦沿著水平方向深入地層中。平衡放大混合電路單元由差動放大電路、選頻放大器和功率放大器組成。監測電極之間的電位差信號非常微弱，而且是浮動的。因此平衡放大電路單元的前置放大器為了檢測到監測電極上的微弱信號，需要具有很高的輸入阻抗、較高的放大倍數和較高的共模抑制比。差動放大后的信號經過選頻放大電路來選頻放大與屏流電流相同的頻率信號，最后通過功率放大電路供給主電極［10］，使得主電極流出主電流I0。

　　電壓檢測電路用于檢測深淺側向兩個通道。其由前置差動放大器和相敏檢波器組成。前置差動放大器監測電極MP1與回流電極NP之間的電位差，淺側向電壓檢測電路除了前置差動放大器和相敏檢波器外還需要帶通濾波器。由于淺側向電壓檢測電路中的測量信號中還會混合入深側向頻率的信號，因此需要一個帶通濾波器將深側向頻率信號濾除，這樣就可以去掉不需要的干擾。深淺側向電壓相敏檢波器工作在同相檢波狀態下，被監測的信號與參考信號相位相同，因此可以提高檢波效率壓制干擾信號，深淺側向電壓檢測電路經過相敏檢波器后的信號經由低通濾波器被轉換成為直流信號輸出。

　　電流檢測電路與電壓檢測電路類似。其由深淺前置差動放大器、深淺側向帶通濾波器和深淺側向相敏檢波器構成。但電路的輸入信號是主電流采樣電阻上的電壓信號。

　　隨鉆雙側向電阻率測量系統的各電極信號采集處理電路單元,其主要功能包括:監測深淺側向檢測電極電壓的狀態（圖2中US和UD），檢測主電極電流的狀態（圖2中ID和IS），并根據測量的結果實時計算出被測底層的電阻率信息。

　　系統包括4路耐高溫可變增益差分放大器、24位高精度耐高溫Δ─Σ多路AD轉換器、DSP控制器、恒溫晶振和電源控制芯片。4路可變增益差分放大器可對輸入信號進行多種增益控制，滿足對被測量信號的測量動態范圍控制。24位高精度耐高溫Δ─Σ多路AD轉換器采用TI公司的ADS1278HT芯片，它是專為石油鉆井高溫工作環境研制的，其可以在200℃的高溫環境下工作，充分滿足復雜深井的高溫工作環境。在本系統將其設置為4路信號同時采集狀態，在同一時刻將深淺側向檢測電極電壓（圖2中US和UD）和主電極的電流信號（圖2中ID和IS）轉換成24 bit數字信號，其內置數字濾波器信號的信噪比可達111 dB。DSP控制器采用微芯公司的32位高性能DSP處理器，其負責控制可變增益差動放大器進行增益控制，并控制ADS1278HT對4路被測量信號進行AD轉換。其還需對ADS1278HT采樣的信號進行數字處理，并存儲到3Dplus公司的高溫8 GB NANDFlash存儲器中。DSP控制器對AD轉換完成的數據先進行數字濾波處理，數字濾波器采用的是小波濾波器，對被測信號進行小波分析后，由小波函數推演出一組濾波器系數，該組濾波器系數與ADS1278HT采樣之后的信號進行卷積運算，分解成高頻和低頻兩個分量信息，再分別對這兩個高低頻分量利用這組小波濾波器系數進行濾波，分解出下一級4組高頻和低頻分量，依次類推，再通過選擇合理的閾值算法將信號中的噪聲和高頻強干擾信號的信息去掉，然后通過小波逆變換濾波器系數組的重構算法將所需要的信號提取出來。采集信號被小波分解后的低頻分量和高頻分量分別為Ckn和Dkn，其計算公式為：

小波重構算法:

　　對小波逆變換后的信號還要進行數字處理才能得到被測信號的幅值信息，該數字處理的計算過程為：首先對小波濾波后的被測信號與一個正弦和余弦信號分量進行乘積求和，該正弦和余弦信號分量分別為：

　　其中，fsingal頻率與小波濾波后的信號頻率相同。fcai為ADS1278HT的采樣頻率。被測信號與上述正弦余弦分量進行乘積求和，公式為：

　　再由式(12)計算出被測信號的幅值信息，再分別求出監電極的電壓UMP1和主電極的電流信號I0之后，就可由式（1）求出被測地層的電阻率信息。監電極的電壓與主電極的電流信號分為淺側向工作狀態和深側向工作狀態，工作在兩種不同狀態下，將公式（1）中的UMP1替換成深側向電壓UD、I0替換成深側向電流ID，可以求出深側向地層電阻率，而將式（1）中的UMP1替換成深側向電壓US、I0替換成深側向電流IS，可以求出淺側向地層電阻率，將二者合成解釋可以推演出被測地層的真實電阻率信息。

3隨鉆雙側向電阻率測量系統實驗

　　隨鉆雙側向電阻率測量系統在華北油田K50-62井進行了下井實驗，并安裝在鉆具組合中鉆頭的上方。設計井深4 750 m（垂深），井別為開發井，井型為定向井。隨鉆雙側向電阻率測量系統在Σ井深3 750 m的位置開始工作進行測量。系統在井下隨鉆累計工作36 h，系統工作環境溫度125℃，整個系統工作正常。隨鉆雙側向電阻率測量系統測量數據與該井的感應電阻率測井數據和近鉆頭電阻率測井數據對比一致性非常好，系統的隨鉆測井數據如圖4所示，達到了井隊對目的層電阻率進行隨鉆測錄的要求。

4結論

　　隨鉆雙側向電阻率測量為評價油氣儲層巖性提供重要參數，能在石油勘探和開發領域發揮重要作用，因此研制了隨鉆雙側向電阻率測量系統，其由主電極發射電流信號，屏蔽電極對電流信號進行聚焦，監測電極測量目的油氣儲層的電阻率信息。對該系統進行了下井實驗，實驗結果滿足井隊對目的地層電阻率測量的要求，提高了國內隨鉆測井技術研究和應用的水平，縮短了與國外測井技術間的差距，具有廣闊的應用前景。

　　參考文獻

　　［1］ 姜景濤.高頻陣列介電測井儀的井下測量電路［J］. 國外測井技術, 2015(5):76 78.

　　［2］ 夏濟根,高成名,李智強,等.微柱形電阻率與三探測器巖性密度組合測井儀器的設計和應用［J］. 石油管材與儀器， 2015，1(4)：11 14.

　　［3］ 潘錦,聶在平.二維平面分層媒質中的數值模式匹配——算子矩陣理論及計算方法的應用［J］. 電子科學學刊， 1994，16(4)：388 401.

　　［4］ 尹成芳,柯式鎮,張雷潔.電極型復電阻率掃頻系統響應數值模擬［J］. 測井技術，2014，38(3)：273 278.

　　［5］ 張慶福.薄層電阻率測井技術的推廣應用［J］. 石油天然氣學報，2005，27(1)：72 73.

　　［6］ 李會銀,蘇義腦,盛利民,等.多深度隨鉆電磁波電阻率測量系統設計［J］. 中國石油大學學報(自然科學版)， 2010，34(3)：38 42.

　　［7］ 劉向友,胡金海,黃春輝.電導式相關流量測井儀測井資料分析［J］. 石油儀器， 2007,21(3)：32 34.

　　［8］ 徐錦繡,王永利,曹樹春,等.成像測井在地質油藏研究中的應用［J］. 海洋石油，2009(1):20 23.

　　［9］ 楊麗兵,李瑞,梁濤.電成像測井在川北地區長興組儲層評價中的應用［J］. 天然氣勘探與開發,2008，31(2)：8 11.

　　［10］ 艾維平,鄧樂,宋延淳.近鉆頭電阻率隨鉆測量系統中電流激勵源的設計［J］. 通信電源技術, 2012，29(1):41 43.