（测试计量技术及仪器专业论文）过套管电阻率测井刻度工艺研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 测试计量技术及仪器 麦晏等 萎耋；姓汉泽西( 签名)窆i 圣显 摘要 对过套管电阻率测井仪进行刻度，对于保证测量数据的准确性和可靠性具有非常重 要的作用。 本文对课题的背景、意义及国内外研究动态进行了详实的阐述，其后介绍了三电极 法过套管测量地层电阻率的原理，分析了套管井中的电场分布以及金属套管的传输线模 型，并对实际过套管测井时的影响因素进行了研究。 在传统电法测井仪刻度原理的基础上，提出了将过套管电阻率测井刻度系统用于刻 度过套管测井仪的方法。对刻度系统的硬件实现方案进行了分析：主要包括基于d d s 技术的大电流低频率激励信号源，基于c t s 传输系统的地面控制器以及纳伏级微弱信号 的调理与采集电路。 对过套管电阻率测井仪的刻度工艺进行了深入研究，设计了刻度漏电流的精密电阻 阵列以及刻度电阻率的刻度水池，给出了流程步骤及结果的处理和分析方法。通过理论 分析和实验验证，刻度工艺的实现方案是切实可行的。 关键词：过套管电阻率测井刻度系统；过套管电阻率测井刻度工艺；精密电阻阵列；刻 度水池 论文类型：基础研究 一 茎壅垫墅 _ _ _ _ _ p 一一一 s u b j e e t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h ec a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ho ft h r o u g hc a s i n gr e s i s t v i t yl o g g i n g m e a s u r i n g & t e s t i n g t e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t l ig u o d o n g h a nz e x i a b s t l 王a c i i ti sv e r yi m p o r t a tf o rc a l i b r a t i n gt h ee a s e dh o l ef o r m a t i o nr e s i s t i v i t yl o g g i n gt oe n s u r e t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fm e a s u r e m e n td a t a t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h et o p i co ft h eb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c ea n dt h e c u r r e n t d e v e l o p m e n ts t a t u s ，a n dt h e ni n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo ft h ec a s e dh o l ef o r m a t i o nr e s i s t i v i t y l o g g i n g ，a n a l y z e do ft h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ec a s e dh o l ea n dm e t a lc a s i n go ft h e t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ，a n ds t u d i e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r si np r a c t i c a lc a s e dh o l el o g g i n g b a s e do nt h ec a l i b r a t i o nt h e o r yo ft h et r a d i t i o n a le l e c t r i c a ll o g g i n gt o o l s ，t h ep a p e r i n t r o d u c e dt h em e t h o di nc a l i b r a t i n gt h ec h f rl o g g i n gt o o l sb yu s i n gt h ec h f rl o g g i n g c a l i b r a t i o ns y s t e m a n a l y z e dt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h et h ec h f rl o g g i n g c a l i b r a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h eh i g hc u r r e n tu l t r al o wf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yb a s e do nd d s t e c h n o l o g y ，t h eg r o u n d b a s e dc o n t r o l l i n gt o o l so f t h ec t s t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h en a n o m e t e r v o l tl e v e ls i g n a lc o n d i t i o n i n ga n da c q u i s i t i o nc i r c u i t d e t a i l e dt h ec a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ec h f rl o g g i n gt o o l s ，d e s i g n e dt h ep r e c i s i o n r e s i s t o ra r r a y so ft h ec a l i b r a t i o nl e a k a g ec u r r e n t s ，t h ec a l i b r a t i o np o o lo ft h ec a l i b r a t i o n r e s i s t i v i t y ，b r o u g h to u tt h ep r o c e s s i n gs t e p sa n d t h ew a yo fr e s u l t sp r o c e s s i n ga n d a n a l y s i s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n ，t h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m e o ft h ec a l i b r m i o nt e c h n o l o g yi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：c h f rl o g g i n gc a l i b r a t i o ns y s t e m c h f rl o g g i n gc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y p r e c i s i o nr e s i s t o ra r r a y s c a l i b r a t i o np o o l t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y m 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：刎夕 日期：2 0 l o 5 乒。 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：屋稍) 导师签名：i 汐 日期：2 0 l o 5 3 0 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 以往人们把探测更深的地层作为发现大油气储集层的手段，往往忽视了井口附近的 含油气层，正因如此，大量的死油气仍存在于金属套管后面【l 】。随着精细化测井工作的 开展，人们开始重视这些被忽略的油气资源。 地层电阻率是测定储集岩孔隙空间里烃类和含水饱和度的最重要参数，通常在完井 之前，用裸眼井测井技术可得到含水饱和度所必需的电阻率。然而在油井下过套管之后， 由于金属套管电阻率远小于地层电阻率，裸眼井电阻率仪器就无法在套管中实现对地层 电阻率的测量。虽然目前广泛使用的非弹性散射碳氧能谱测井法和中子寿命测井法可以 实现套管井的含油饱和度监测，但是放射性测井的探测深度小，并且受井眼、套管、地 层非均质性等因素的影响较大，因此研发过套管地层电阻率测井技术对解决油田的实际 问题是一个很好的方案。 斯伦贝谢公司已经推出了c h f r 系列过套管地层电阻率测井仪的商业测井服务，目 前已经成功地测试了世界上几百口套管油井，包括国内的上百口油井，取得了非常好的 效果，是油田紧迫需要的技术。但是由于技术的垄断性，使用c h f r 的费用非常昂贵， 因此急需研究开发该项技术。 1 2 过套管电阻率测井资料的应用【2 】 ( 1 ) 原始地层含油气识别 同裸眼井中利用电阻率相对大小识别油气层相同，在地层水矿化度较高的地层条件 下，利用油气层同水层的电阻率之差可以识别出油气层( 相对高阻层为油层，相对低阻为 水层) 。 ( 2 ) 识别水淹层 过套管地层电阻率测井所测得的电阻率同裸眼井电阻率对比可以识别出水淹层【3 1 。 储层开发过程中发生水淹时，低电阻率的水驱使高电阻率的油，使得储层电阻率升高， 最终使得过套管地层电阻率测井所测得的电阻率比裸眼井测量电阻率小，且水淹的程度 越严重，电阻率差异就越大。因此可以利用裸眼井地层电阻率曲线和套管井地层电阻率 曲线差异来定性判断水淹层及水淹程度。 ( 3 ) 定位油水界面 一般来说，油具有高阻特征，水具有低阻特征，油的密度小于水，因此油层在水层 上面，电阻率曲线突出的高阻段一般对应油层，其下面的低阻段为水层，油水分界 面在高阻向低阻变化的拐点处。这样利用裸眼井深电阻率曲线和套管井地层电阻率曲线 很容易划分裸眼井和套管井的油水界面，两个界面对比很直观地就能看出油水界面的变 化。这种变化在衰竭指数曲线上表现得也很明显。 两安石油大学硕士学位论文 根据a r c h i e 公式【4 j s 阮h 嚷2 s 吣h2 ( 1 1 ) ( 1 - 2 ) 当m = n = l ，a = b = l 时，假设孔隙度不变，则有俾删d 矽加= s 降饼裕陟吼微 式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 中：r c h f r 为过套管测井测量的电阻率，欧姆米；r o n 为饱和地层 水电阻率，欧姆米；s w c n r r 为原始含水饱和度；s w o n 为c h f r 测井时地层含水饱和度； r 矿为含油气岩石中的地层水电阻率；痧为含油气岩石的有效孔隙度；a 和b 为岩性系数； 聊为胶结指数；万为饱和指数；定义上式中的( r c n f # r o z ) 加为衰竭指数。 从式( r c a f r r o h ) 怩= s w o h s w c m - r 可知，衰竭指数可以反映出产层含水饱和度的变 化，能够用来监测地层含烃饱和度变化、判断油水界面变化、评价驱油效果。当衰竭指 数小于1 时，含水地层的含水饱和度增加，地层水替代油，含烃饱和度减少，注水前缘 已经到达地层，这时该方法的判别结果相对不受过套管地层电阻率测井的几何因子影响， 不需要地层水电阻率和地层孔隙度资料，但存在a r c h i e 公式的固有缺陷，如只适用于纯 砂岩层等。 ( 4 ) 计算剩余油饱和度 在砂泥岩地层中，利用裸眼井资料或套管井核测井资料计算地层有效孔隙度，利用 试水、裸眼井侵入带电阻率资料或自然电位曲线可得到地层水电阻率，利用a r c h i e 公式 就能定量计算套管井地层的剩余油饱和度，实现过套管地层电阻率测井资料的定量解释 【5 】 o 1 3 过套管电阻率测井的国内外研究动态【3 6 ，7 8 9 】 国外关于过套管电阻率测井的研究工作可以追溯到上世纪三十年代： 1 9 3 9 年，前苏联学者l m a l p i n 公布了“在套管井中进行电测井的方法 的研究成 果，并在美国申请了专利( u s n o 5 6 0 2 6 ) ，这是关于过套管电阻率测井的最早报道，同 时也引发了人们对过套管电阻率测井进行研究的兴趣；1 9 4 7 年，g h e n n i s 等人获得了 “在套管井中划分地层的方法和仪器”的美国专利( u s n o 2 4 1 4 1 9 4 ) ；次年，w h s t e w a r t 获得了“电测方法和仪器 的美国专利( u s n o 2 4 5 9 1 5 8 ) ；此后的数十年，美国等国不 断进行相关的研究工作，陆续有多项重要专利问世。早期的研究为过套管测井技术的发 展奠定了必要基础，遗憾的是因为方法研究的不完善以及相关测井技术的制约，一直未 能有产品问世。 1 9 8 4 年，p m l ( 原美国顺磁测井公司) 开始了套管井电阻率测井技术及仪器的研制， 分别于1 9 8 8 年和1 9 9 3 年研制出第一代和第二代样机，并在油井内进行了一系列的试验， 2 雁辱 第一章绪论 获得了良好的效果；1 9 9 0 年起，a a k a u f m a n 陆续发表了的“套管井中的电磁场 以及 “电法测井的传输线模型 等文章，提出了基于传输线方程的套管井电阻率测井的近似 理论模型、测量理论；1 9 9 1 年，p m l 公司的v a i l 获得了“套管井中电测仪器的移动和 不同电阻套管的补偿 专利，在实际测量方面提出了解决方案：1 9 9 4 年，c j s c h e n k e l 和h e m o r d s o n 发表的基于积分方程的理论模型奠定了套管井电阻率测井的理论基础： l a t a b a r o v s k y 也于同年发表了“通过套管进行电阻率测井( t c r ) ，物理现象，分辨率 及三维影响 一文，分析了过套管测井的各种影响因素；1 9 9 7 年，b a k e ra t l a s ( 阿特拉 斯) 公司收购了p m l 公司，于2 0 0 0 年研制出现场测试样机t c r t 。 1 9 9 5 年s c h l u m b e r g e r ( 斯伦贝谢公司) 在评价p m l 技术的基础上开发出过套管地 层电阻率测井仪器c h f r ，并于2 0 0 0 年开始商业使用，2 0 0 2 年推出改进型的第二代仪 器c h f r - p l u s ，提高了测井速度。 相对于国外过套管测井技术的数十年发展，我国对过套管测井技术的研究起步较晚， 最早始于1 9 9 6 年江汉石油学院申请的中石油集团公司( q 旧c ) 青年基金项目。随后西 安石油大学发表了关于采用纯电阻网格法模拟过套管电阻率测井方法的文章，对相关资 料进行了调研。次年，石油大学( 北京) 和江苏油田在实验模型井中进行了信号仿真和 实验测量，完成了对通过金属套管测量地层电阻率可行性的探讨。1 9 9 8 年江汉测井研究 所( 现c p l 技术中心) 开展了部分调研工作，分析了利用套管井测井传输线模型和曲面 积分方程模型的特点，考察了测井响应，为过套管测井仪的参数设计提供了依据。随后， 陆续有多篇文章对过套管测井进行了研究探讨。2 0 0 5 年c n p c 储备基础项目开始立项研 究。 与此同时，西安石油大学也一直对该项技术给予关注和研究，在大电流发射装置， 微弱信号采集系统及相关算法等方面取得了多项研究成果。同时还进行着过套管电阻率 测井刻度系统和刻度工艺的研究，这项研究对于实现过套管电阻率测井仪器的刻度标定， 提供仪器性能指标，保证仪器测量数据的可信度，对仪器刻度准确度进行检验等方面有 着非常重要作用。但是过套管电阻率测井仪的刻度比一般电阻率测井仪的刻度复杂，这 是由过套管测量地层电阻率的原理所决定的。必须构建针对于过套管电阻率测井仪的刻 度系统，设计专门的刻度工艺来实现对过套管电阻率测井仪的刻度。这也正是本文所重 点研究的内容。 1 4 过套管电阻率测井的原理 通过套管测量地层电阻率的原理如图1 1 所示，当电流被注入套管后，电流沿着电 阻率最小的路径完成电流回路。金属套管电导率远大于地层的电导率( 约1 07 - 1 0 9 倍) ， 因此大部分电流将沿着套管向上或向下流动。但地层对于套管并不是完全绝缘，仍会有 一小部分电流漏入地层，这部分电流称为漏电流。漏电流的大小与套管电导率对地层电 导率的比值成反比。漏电流进入地层后，会沿着垂直于套管的方向前进。如果能够测量 西安石油大学硕士学位论文 出a z 长度范围内漏电流的大小a ，就可以计算出地层的视电阻率【1 0 】： 成“z 茜 ( 1 - 3 ) 式中：扛无量纲常数；u r _ 套管测量电极处的参考电位。 图卜1 过套管测量地层电阻军的原理 过套管测量电阻率的原理与裸眼井的侧向测井相类似，不同的是，侧向测井是将电 流直接注入地层，而过套管电阻率测井是通过测量套管漏电流来计算地层的视电阻率。 因此，二者的测量方法是有区别的。过套管测量地层电阻率的方法是基于a l p i n 提出的 三电极法【7 】，具体是通过参考电位模式、套管电阻测量模式和泄漏电流测量模式来测量 地层电阻率，如图1 2 ，l 一3 ，1 _ 4 所示。 电流湄 l 、lji f i - d l a c d e 伽i j lf i 图1 - 2 参考电位测量模式图1 - 3 套管电阻测量模式图卜4 泄漏电流测量模式 参考电位测量模式( 阻抗测量模式) 如图l - 2 所示，激励电流l 从电极a 注入，从 地面的回路电极b 返回，这时测量套管上j 点对应于地面零电位参考电极g 的电位玑， 4 第一章绪论 于是套管和地层通电部分的总电阻为： q 专 c 4 ， 套管电阻测量模式( 刻度模式) 如图1 3 所示，用做测量电极c 、d 以及d 、e 间 的套管电阻。在这种测量模式下，由电极a 注入激励电流l ，由电极f 返回，此时电极 ， 之间泄漏到地层的电流可以忽略不计。通过测量电极c 、d 间的电压巧，电极d 、e 间 ， 的电压圪，就能计算出电极问套管的电阻。设c 、d 间套管电阻为r i ，d 、e 间套管电 阻为飓，有： 耻等，恐= 鲁 m 5 ， 泄漏电流测量模式( 测量模式) 如图1 - 4 所示，激励电流l 9 , e g 极a 注入，回路电 极是地面的电极b 。通过测量电极c 、d 间的电压k ，电极d 、e 间的电压虼来计算沿 套管流动的电流。套管上电极c 、d 间的电流为k 墨，电极d 、e 间的电流为v 2 r 2 ， 两电流之差就是泄漏到地层的电流： ：丘一生 ( 1 6 ) k尺2 套管电压可以表示为既，将式( 1 5 ) 和( 1 - 6 ) 代入式( 1 - 3 ) ，可得地层的视电阻 率为： 成= 磁船玎 7 ， 这里k = k a x z 为仪器系数，a z 为测量电极距，等于c 、d 和d 、e 之间的距离。套 管电阻测量模式和泄漏电流测量模式在同一点测量，即静态测量。为了消除误差直接利 用差分放大测出电压： a v = k 一吃，a v = k 一圪 ( 1 - 8 ) 这样，式( 1 7 ) 可表示为： 成= 蚴 a v 钉 9 ， 其怯磋( 卜等) 。 5 西安石油大学硕士学位论文 1 5 测量误差的理论分析 对式( 1 3 ) 求全微分，得： d p o = 斋棚+ 急刎 即： 一d p o ：监坐i - 监丝：型一一d m ( 1 1 0 ) i。po o up n a 挝p o um 由式( 1 1 0 ) 可知，地层视电阻率见的测量误差取决于参考电位u 的测量误差和地 层漏电流的测量误差。 由于u 的测量取决于地层总电阻q 和激励电流厶( u = - q i m ) ，在一定的地层模型下q 为常数，激励电流一般为1 a 6 a ，因此u 的信号幅值较高，比较容易取得较高的测量 准确度。 地层的电阻率远大于套管的电阻率，因此地层漏电流m 很小，对的精确测量非常 困难，测量误差较大，因此，地层电阻率的测量准确度主要取决于地层漏电流址的测量 准确度。 将式( 1 5 ) 代入式( 1 6 ) ，得： 批陪孙 m 对上式求全微分，得： 型：土f 堕一孽1 + 土f 堕一垩1 + 盟 ( 1 1 2 ) a ，巧lkk j 。1 以kl 圪j 。，。 一 砭kk 。圪 由式( 1 1 2 ) 可知，漏电流测量误差来源于直接测量量巧、巧、乃、巧和厶，由于 所、所、均、巧的信号量级较小，通常只有几十微伏，准确度更要达到纳伏级，因此 乃、所、巧、乃的测量误差成为漏电流测量误差的主要来源。 综上所述，乃、乃、场、场等微小电压的测量误差是地层视电阻测量准确度的决 定性因素，因此，过套管电阻率测井信号检测技术的关键是提高圪、巧、巧、乃的检测 准确度，减小直接测量量的测量误差。 1 6 过套管电阻率测井激励信号特性 1 6 1 频率特性 理论上可以使用直流电作为过套管测井的激励信号源，但直流激励在套管上会出现 极化现象，使泄漏进地层的电流信号幅度非常低，淹没在巨大的直流噪声下难以识别。 因此，必须采用交流电作为激励信号源。选取较高的激励频率可以提高测井速度，减少 测量时间。但同时会产生严重的趋肤效应【1 1 】，使得金属套管中的电流主要集中在金属套 6 第一章绪论 管的趋肤深度内，对实际测量产生影响。因此，必须根据趋肤深度来确定激励信号源频 率的上限。 套管的趋肤深度可以表示为： 皖= j 等= 象= 彘 m 式中：成为套管电阻率( q m ) ；为套管磁导率( h m ) ；g o 为真空磁导率，等于 4 万x 1 0 ( h m ) ；肼为相对磁导率；厂为激励信号源频率( h z ) 。 在油井中使用金属套管的典型参数为成= ( 2 5 ) x1 0 。7 q m ，= ( 4 0 - - 1 1 0 ) l o ， 套管壁厚度a a = ( 0 7 5 2 1 1 5 1 ) c n l 。 由式( 1 1 3 ) 可知，使用高电阻率、低磁导率的金属套管可以提高套管井电阻率测 井的工作频率上限。选定套管壁厚度为1 c m ，图1 5 所示为= 7 0 , u o 时，不同套管电阻 率条件下，交流信号趋肤深度与频率之间的关系；图1 6 所示为以= 4 x 1 0 - 7 q m 时，不 同套管磁导率条件下，交流信号趋肤深度与频率之间的关系。 0 2 1 8 1 8 1 4 1 2 0 1 0 8 0 6 0 吨 0 2 0 0 ! z h a = 0 。0 1 mj u = 7 0 4 p 。= 2 x1 旷iq - n l 卜 pc = 4 xl o ：q - 1 1 1 p 。；5 10 q - n l 、 j 飞。 o 、| = 、 甚二。一 、；= 图1 - 5 不同套管电阻率条件下趋肤深度与频率的关系 0 2 1 8 1 6 1 4 1 2 0 1 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 a a - - 0 o pi 卢= 4 0 胁 ： p c - - 4 x 1o 。q n li 芦= 7 0 硒 一t 1n j r 、 。 一。 。 ，二_、心、 。1 _ 嫡 0 10 1l频率h i ，1 0 图1 - 6 不同套管磁导率条件下趋肤深度与频率的关系 根据t a b a r o v s k y 等人的分析1 2 1 ，要获得较好的测量结果，在漏电流测量模式下应选 7 占世鹱餐艘 占恒鹱塔樱 西安石油人学硕士学位论文 取瓯口2 ，套管电阻测量模式下应选取疋曲1 ；在参考电位测量模式，电缆线芯 间存在耦合现象，电缆越长，频率越高，耦合越严重，应根据实际情况采用非常低的激 励信号频率。 1 6 2 幅值特性 在通常的地层和套管电阻率条件下，过套管电阻率测井的信号量级如表1 1 所示。 表1 - 1 过套管电阻率测井的信号量级 测量参数( a ) r ，飓( q )乃，圪a v 信号量级 1 0 3 1 0 五1 0 - 6 l o - 41 0 - 5 1 0 41 0 9 1 0 7 由表1 1 可以看出，过套管地层电阻率测井的测量信号幅值都非常低，二阶电位差 a v 的信号等级只有1 0 。9 - 1 0 ，在井下干扰和噪声影响下，这样的信号幅度对测量技术 提出了很大的挑战，是研制过套管测井仪必须突破的技术难点。 1 7 论文研究的主要内容及章节安排 过套管电阻率测井刻度工艺是以过套管电阻率测井刻度系统为基础的，而后者又建 立在过套管电阻率测井理论的基础上。在开展刻度工艺的研究之前，必须对过套管测井 理论和过套管刻度系统进行深入研究，才能完善的设计出合理和实用的刻度工艺。因此， 研究内容包括三大部分： ( 1 ) 过套管电阻率测井原理和理论基础的研究 过套管电阻率测井的理论依据是k a u f m a n 提出的套管井传输线方程，具体是通过三 电极法测量套管上的二阶差分电压来求出泄漏电流，进而计算出地层的视电阻率。 ( 2 ) 过套管电阻率测井刻度系统实现方案的研究 该部分主要研究仿真过套管测量地层电阻率过程的方法，即在模拟真实套管的环境 中，模拟过套管测井仪的工作来完成对真实环境中过套管测井整个过程的复现。 ( 3 ) 过套管电阻率测井刻度工艺的研究 研究利用刻度系统刻度过套管测井仪的方法，主要包括对不同地层泄漏电流条件的 模拟、对不同地层介质测试环境的模拟以及具体实验流程的设计等。 根据以上内容，本论文共分为五章： 第一章：绪论。简要阐述了过套管电阻率测井技术的产生背景、意义及实用价值， 回顾了国内、外过套管电阻率测并技术的研究动态，分析了过套管测井的基本原理及信 号特性，最后是本论文的主要研究内容及章节安排。 第二章：过套管电阻率测井的理论基础。对套管井中的电场进行了分析，在一定范 围内，用传输线模型来模拟套管中的电场分布，推导出地层视电阻率的计算公式；对过 套管电阻率测井的各种影响因素进行了分析，以便于测井时消除这些干扰。 8 第一章绪论 第三章：过套管电阻率测井刻度系统的设计。参照过套管电阻率测井仪的测量原理 设计了过套管电阻率测井刻度系统，分析了刻度系统的总体设计方案及刻度系统各组成 部分：包括低频大电流激励信号源、地面控制器以及信号调理和采集电路的硬件实现方 法和关键技术等。 第四章：过套管电阻率测井刻度工艺的研究。根据实际地层模型设计了用于刻度过 套管测井仪漏电流的精密电阻阵列以及刻度过套管测井仪电阻率的刻度水池。详细阐述 了刻度的方法和流程，最后通过模拟刻度实验对刻度结果进行了分析及处理，证明刻度 工艺的设计是完全符合要求的。 第五章：结论。给出研究成果及存在问题，并阐述了该技术研发前景。 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章过套管电阻率测井的理论基础 2 1 套管井中的电场分布 研究过套管电阻率测井的理论，首先应对套管井中的电场进行分析，如图2 - 1 所示 ( 图中只画出了z 轴正半轴的电场分布，负半轴电场分布特性与之相同) 。假设井眼泥浆 电阻率是届，套管电阻率是成，套管半径为a ，厚度为口，该井处在均匀各向同性、 电阻率为p ，的地层里，点电极a 位于井轴上的坐标原点，输出电流i o ，z 是井轴上的一 点，母为单位长度套管的电导，s o = 2 翮口p c 。 图2 - 1 套管井中的电场分布 根据k a u 筋a i l 【1 3 】的分析，套管井内的二阶电位曲线在一定区域内变化非常缓慢，并 将该区域定义为中场区，如图2 2 所示。 图2 - 2 套管井内电位二阶导数分布 1 0 第二章过套管电阻率测井的理论基础 其中：刀：三，d ：鱼：丝，c 2 ：譬量，：生。近场区的范围是h l o a ，上限与地层电阻率与套管电阻率的比值成正比。例如在 p r 成= 1 0 7 ，中场区将在z = 1 0 0 0 a 附近。随着以再次增大，电位的二阶微分加速下降， 这个区域定义为远场区，这里主要研究中场区的性质。 中场区电位的一阶、二阶导数可以用下式来近似表示： 型：e ，土e - z p 瓜i s c ( 2 1 ) 出 。 2 s c 鸳玉r - - - 1 - - - - - e 一：，丽 ( 2 一2 )_ 二”。l z j o z j 2 s c 心p f s c 如果l o a i z i & 乃时，式( 2 2 ) 可简化为： 害毒- u 赤 协3 ， 虿砰而 【玉3 ) 在中场区，套管和井眼的横截面处电场只与距离z 有关，由于套管电导率远高于泥 浆电导率，传导电流主要在套管内流动。套管内壁没有电荷，外壁的电荷在地层内主要 产生沿径向的电场e ，因此地层内的电流密度沿径向方向，而且在离井眼非常大的区域 内电流的方向保持不变，如图2 1 所示。 随着z 距离的增加，泄漏电流将会减少套管横截面上的电流。由于套管外的电场主 要沿径向分布，因此不同电阻率的地层在垂直截面上不会有电荷的累积。该特性使测量 的纵向响应得到很大改善。在中场区，套管可以视为被导电媒质包围的传输线。根据传 输线模型可以进一步研究视电导率、纵向响应以及定长套管的影响等。 需要注意的是，若点电极a 紧贴在套管壁上，则近场区消失，中场区的范围改为 o i z l u ( z + z ) ( 2 6 ) 由于注入电流不断地沿着套管漏入地层，因此套管上电流的随着距离z 的增加而减 小。因此在出的间隔内，漏电流d a 等于一a i ( z ) ，相应的电势u 可以表示为： u ：一三刃( 2 7 ) 盘 式中：r 表示当泄漏电流沿径向流动时，厚度z = l 米时的地层电阻。 因此式( 2 4 ) 和( 2 7 ) 可以分别表示为： d u ：- i ( z ) ( 2 8 ) 一= 一 z 一 ， d z s e 和 夏d i = 半 ( 2 - 9 ) 对以上两式分别求导，有： 磐d z = 以和罂d z 崭【， ( 2 - 1 0 ) 2 2 仅是传输线的参数，并且有： 口：l( 2 1 1 ) 口2 ( s e t ) 1 2 l 。2 。 式( 2 1 0 ) 即著名的传输线方程【1 4 】。需要注意的是：罗是非常重要的地层参数，包 含有地层电阻率的信息。如果套管周围是同一介质，有： r p ， ( 2 1 2 ) 由式( 2 1 1 ) 可以看出：套管电导率与口成反比，当套管的电导率较高时，口很小， 范围一般为：1 0 4 m - 1 q 然后考虑采用不同电极距时，对相同厚度的地层时的响应曲线，若z ，z ，止， 分别为三种测量电极距，且满足条件z ， a z ， 1 由于参数仅非常小，只有套管长度超过几千米时才能满足这个条件。利用式( 2 2 3 ) 中的第三个解的形式，求出b = i o ，并得到以下表达式： ，( 力= i o e 咄 a l ( z ) = d o ( c d ) e 吨 u ( z ) = r a l o e 吨 e ( z ) - 蚤产 u = 妻口( c d ) 2 p 吨 ( 2 - 2 9 ) 以上几个参数均随着离彳电极距离的增加而指数衰减。如果o i l 。 l ，可认为套管 为无限长，这个条件也适合非均匀的介质。 可定义套管的导电特征长度g c = 1 a ，在导电长度乙上，6 3 2 的注入电流漏进了地 层。举例来说，若套管电导率为5 x 1 0 6 8 m ，套管半径为0 1 m ，套管厚度为o o l m ，则 导电长度z 。与地层电阻率p ，之间的关系如表2 - l 所示。 表2 1 地层电阻率与套管导电长度之间的关系 地层电阻率( f 2 m ) o 511 02 05 01 0 01 2 0 传输线参数a ( m 1 ) 8 0 x l o 35 6 x 1 0 - 31 s x l o 31 3 1 0 。38 0 x1 0 - 45 6 x 1 0 45 2 x 1 0 4 导电特征长度( m ) 1 2 51 7 75 6 07 9 31 2 5 31 7 7 21 9 4 2 ( 2 ) 当c z l 。 1 时 由表2 - 1 可知，对于比较短的套管，容易满足条件t z l 。 1 ，此时套管电流，随着 距离z 的增加而线性减少，漏电流沿着套管均匀分布，即： 讹m 一等 协3 嘶) = 警 ( 2 - 3 1 ) 1 7 西安石油大学硕十学位论文 此时，漏电流与套管外地层电阻率以及套管电导无关。 套管电位队场强e 以及二阶电位差u 分别为： u 驰，扣6 a u = 壶= 譬 协3 2 ， 从上式可以看出，电位u 基本保持不变，此时套管类似于一个短的接地电极；场强 e ，随着z 的增加而线性减少；二阶电位差u 为一定值，与距离z 无关。因此，对于短 套管，在已知l 的情况下，只要测量出电位u 就能确定地层电阻率。 2 2 5 套管电导变化的影响 以上的讨论是基于套管电导s 。是固定值，实际上相同材料的同一根套管，其电导也 是轻微变化的，因此必须考察套管电导变化对测量结果产生的影响，并进行必要修正。 套管电导的变化会导致测量电极c 、d 和d 、e 间套管电阻的不同，在过套管测量 地层电阻率时，有两个因素决定套管上产生差分电压信号a v 的大小：流进地层的泄 漏电流；测量电极间套管电导的变化。这两者的变化分别与差分电压的变化成正比， 前者与所处地层的电阻率有关，是过套管测量地层电阻率的基础，是有用的；后者引起 噪声，对测量a v 产生影响，必须消除。 为了克服套管电导变化对测量产生的影响，把电极排列成图1 3 的套管电阻测量模 式，三个测量电极和两个电流电极，其中两个电流电极关于d 对称。由a 点注入电流厶， 回路电极在f 点，由于套管电导率远大于地层电导率，并且电极a 、f 之间的距离非常 小，因此基本上没有电流漏入地层，所有的注入电流都将由f 点返回。 当c 、d 与d 、e 之间的套管电阻不相同时，将出现k k ，有下式成立： 嘉2 叁2 协3 3 ， 圪 k 因此，根据注入电流厶，可以分别求出尺，飓，代入漏电流测量模式的计算中，就 可以消除套管电导率变化的影响。 2 3 过套管测井的影响因素 在实际的过套管测量地层电阻率时，会受到很多因素的影响，包括套管的缺陷、套 管尾端和水泥环等。t a b a r o v s k y 和s i n g e r 等人分别在1 9 9 4 和1 9 9 5 年的s p w l a 测井年 会上公布了各自的研究成果n 引司，国内的张金钟等人研究了水泥环对于过套管测井的影 响n 射，下面分别进行简要的分析。 2 3 1 套管缺陷的影响 套管接箍是两根套管的连接部件，接箍处电导率低于套管电导率，差别越大，实际 l g 第二章过套管电阻率测井的理论基础 测量漏电流的相对误差也越大。套管接箍电导与套管电导比值为1 8 时，会使测量地层 电阻率的相对误差达到4 0 ，当套管接箍处于测量电极之外时，就不会对测量产生影响。 这也表明了套管接箍的影响范围不仅仅是套管接箍的长度( 约2 5 r a m ) ，而是取决于整个 测量电极之间的长度( c h f r 取1 2 m ) 。 套管材料变化会使套管电导率发生变化，当测量电极跨越不同材料的套管时，测量 结果就会受到影响。在中间测量电极两侧的套管电导之比为1 1 6 时，测量漏电流与真实 漏电流的相对误差可达( 2 5 - - - 3 0 ) ，与套管接箍的影响一样，套管材料的变化发生在 测量电极之间时才会产生影响，影响范围是整个测量电极之间的长度。 此外还包括套管的射孔、氧化、腐蚀、厚度变化等因素的影响，这些因素都是通过 改变套管正常电导率分布的方式对测量产生影响，可以采用相关的校正技术进行补偿。 2 3 2 套管边缘的影响 测量电极接近套管顶部时，由于上半空间的解可以通过下半空间的镜像得到，有了 这个镜像，套管顶部边缘就“消失 了，因此套管顶部边缘不影响测量结果。当测量电 极接近套管尾端时，电阻率测量结果会受到影响，这些影响的特点跟径向流动电流的偏 移有关，套管尾端电流分布的几何特性由套管中部的二维分布变成了套管底部的三维分 布，如图2 8 所示。 zjl 套首 屠电淹 磊电i 场一惑、7 啦赤显由盗 扇 图2 8 套管底部的电流分布 t a b a r o v s k y 等人对测量电极处于套管不同深度时的测量结果与仪器系数的关系进行 了研究，结果表明：在距离套管底部3 0 m 及其他大部分深度处，仪器系数的畸变为5 左右；在靠近套管底部时，仪器系数的畸变高达1 0 0 。 2 3 3 水泥环的影响 水泥环对过套管测量地层电阻率的影响类似于侵入带对裸眼井电阻率测井的影响， 影响的程度取决于两个方面：水泥环的厚度；水泥环的电阻率。下面对其进行分析， 地层模型如图2 - 9 所示。 1 9 墅垫奎堂堡主堂堡笙塞 图2 - g 水泥环存在时的地层模型 水泥环存在时的仪器系数k 与无水泥环时的仪器系数k o 的比值为： k k o = 1 【1 + 笔峥】 协3 4 ) 式中：水泥环半径为口= a + a t ，以为水泥环电阻率，址分别为水泥环厚度，, o r 为 地层电阻率，口为套管半径。 。 水泥环对仪器系数的影响如图2 - 1 0 所示，曲线1 、2 、3 、4 、5 、6 分别对应a 口：1 0 5 、 1 2 、1 4 、1 6 、1 8 、2 0 。从图中可以看出，水泥环的存在对测量各种电阻率地层都有影 响，当地层电阻率小于水泥电阻率时尤为明显；当地层电阻率高于水泥电阻率时，影响 不会超过1 0 。水泥环的影响随水泥环的厚度的增加而增大。在极端情况下，当 p ，化= 0 1 ，出= a 时，误差高达1 0 0 。 图2 1 0 水泥环对仪器系数的影响 此外，水泥环还会导致视电阻率曲线上地层之间的过渡带变大，影响仪器的纵向分 辨率。如图2 - 1 1 ，2 - 1 2 所示，由于水泥环的存在，使得原本要流进电阻层p 门的一部分 电流提前向上偏移进入了导电层乃：，水泥环电阻率越高，这种偏离发生的离地层分界 第二章过套管电阻率测井的理论基础 面越远。 通常水泥环的电阻率都很低，新配置水泥电阻率的变化范围是1 q m - 1 0 1 2 m 。比重 轻的水泥电阻率低，水泥环的电阻率与孔隙压力、施加的电流强度无关，但与水泥环所 包含地层水的矿化度与环境温度有关。高矿化度水会降低水泥环的电阻率，随着温度的 升高，电导率会增加，降低对测量结果的影响。 蟊屯藐 地层分 。 蟊屯藐 界面 地层 , o l l 图2 - 1 1 无水泥环时漏电流的分布 2 l 地层 r r j 地层分界i 水嚣环地层 p m , o , t l 图2 - 1 2 有水泥环时漏电流的分布 西安石油大学硕+ 学位论文 第三章过套管电阻率测井刻度系统的设计 3 1 刻度的基本理论 石油测井仪器的类型比较多，根据测量原理可分为电法测井仪、核测井仪、核磁测 井仪、声波测井仪、生产测井仪以及工程测井仪等。在石油测井行业，石油测井仪器是 广泛使用的专用计量器具，用做测量井下地层、井中流体的物理参数及油气井的技术状 况，如地层电阻率、孔隙度、岩层密度、井径、井温等。为了保证石油测井仪器测量参 数的准确性，维护量值体系的统一，就必须对测井仪器进行刻度，未经刻度标定的测井 资料是不可信的。石油天然气行业标准s 6 1 3 9 - 2 0 0 5 石油测井专