（测试计量技术及仪器专业论文）过套管技术在深井地层探测系统中的应用研究.pdf

摘要 长期以来，电法测井一直是地层勘探技术的一个重要分支。当今，地球可 开采油气资源越来越稀少，很多油井已开采多年，早已打下了很深的金属套管。 过金属套管地层电阻率测量方法能对已开采的套管井周围地层进行探测，在寻 找剩余的含油层和其它矿物层方面具有其独特的优势。该方法作为电法测井方 式之一，具有技术相对成熟、测量成本相对较低等优势。 然而，由于早期的技术条件限制，该方法存在一些固有的局限性。直到上 世纪末，随着电子技术的发展，一些关键点才得以突破。 本文通过对已有地层过套管电阻率测量技术的研究，结合目前比较成熟的 测井仪器设计经验，利用现有测控技术及相应的器件，设计了过套管电阻率深 井地层探测系统。内容包括过金属套管电阻率测量方案、系统总体结构的设计、 测量部分硬件和软件的设计和实现等几个方面。 该设计采用了一个以p c 机作为主控机、多个单片机作为从控机、以r s 4 8 5 作为现场总线的远程测控系统。上位机作为主要计算和控制设备，井上和井下 测控装置采用基于a t m e g a 系列高速单片机的嵌入式系统，以有效控制成本和体 积；由于通常传输距离非常远，为保证数据传输的准确性和效率，采用基于曼 彻斯特编译码的数字化传输方式。文中涉及到的某些功能组件以及数据传输方 式的设计，将为过套管测量仪的研制提供一定程度的借鉴。 关键词：套管井，测量仪器，曼彻斯特码，r s 4 8 5 a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，e l e c t r i cw e l l l o g g i n gi sa l w a y sa l li m p o r t a n tb r a n c ho fs t r a t u m e x p l o r a t i o nt e c h n o l o g y n o w a d a y s ，m i n a b l eh y d r o c a r b o nr e s o u r c ei nt h ew o r l di sl e s s a n dl e s s p l e n t yo fo i lw e l l sh a v eb e e nm i n i n gf o rm a n yy e a r s ，a n dv e r yl o n gs t e e l e a s i n gh a db e e nr u n e di nt h e m t h e r e f o r e ，h o wt os e a r c hf o rr e r n a n e n to i ll a y e ra n d o t h e rd e p o s i t st h r o u g hs t e e lc a s i n g ? t h ef o r m a t i o nr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n tm e t h o d t h r o u g hs t e e lc a s i n gg e t st h eu n i q u ee d g ei n t h i sa s p e c t t h em e t h o d ，a so n eo fe l e c t r i c w e l l l o g g i n gw a y s ，h a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a r a t i v e l ym a t u r et e c h n o l o g y a n dl o w e rm e a s u r e m e n tc o s t h o w e v e r , t h em e t h o dh a ss o m ei n h e r e n tl i m i t a t i o nd u e t ot h el i m i t e dt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , s o m ep r o b l e mo ft h em e t h o dh a db e e ns o l v e da tt h ee n do ft h el a s tc e n t u r y b yr e s e a r c h i n gt h ek n o w nm e a s u r i n gt e c h n o l o g i e s o fc a s e dh o l ef o r m a t i o n r e s i s t i v i t y , c o m b i n i n gw i t he x i s t i n ga d v a n c e dd e s i g n i n ge x p e r i e n c eo fl o g g i n gt o o l ， u s i n ga v a i l a b l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l l i n gt e c h n i q u ea n dr e l a t e dd e v i c e ，as e to f d e s i g nt h o u g h ta n ds c h e m ea r ep u tf o r w a r di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ec o n t e n ti n c l u d e s t h ei n t r o d u c t i o na b o u tt h er e s i s t i v i t ym e a s u r 豇n e n tm e t h o dt h r o u g hs t e e lc a s i n g ，t h e s t r u c t u r a ld e s i g no ft h ew h o l es y s t e m ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o na n ds oo i l ar e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1s y s t e m ，w h i c ha d o p t so n ep ca sm a s t e r , m u l t im c u sa ss l a v e s ，r s 4 8 5a s t h ef i e l db u s ，h a sb e e nd e s i g n e d t h eh o s t c o m p u t e rp ci su s e da st h em a i nc a l c u l a t i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e t h eg r o u n da n d u n d e r g r o u n dm e a s u r e m e n te q u i p m e n ta d o p t e dt h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do na v r s e r i a lh i g h - s p e e ds c mi no r d e rt oc o n t r o lc o s ta n ds i z ee f f e c t i v e l y b e c a u s eo fv e r y l o n gt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，ak i n do fe n c o d i n ga n dd e c o d i n gd i g i t a lt r a n s m i s s i o n m e t h o da r eu s e dt oa s s u r et h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo fd a t at r a n s m i s s i o n f u r t h e r m o r e ，f u n c t i o n a lm o d u l e sa n dd a t at r a n s m i s s i o nm e t h o dm e n t i o n e di nt h e d i s s e r t a t i o nw i l lp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h ed e v e l o p m e n to fc a s e dh o l ef o r m a t i o n l o g g i n gi n s t r u m e n t k e yw o r d s ：c a s e dh o l e ，m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，m a n c h e s t e re n c o d i n g ，r s 4 8 5 u 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：量盈日期：垒翌2 ：三 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 习禾 导师( 签名) 色 日期：跏肛2 l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 电阻率测井，一般是在未下油层套管之前进行的，受环空和泥浆等因素限 制，对油层难以进行百分之百的解释。已投产或经过长期开采的油井，早已下 了套管，而常规的电阻率测井仪是无法透过套管跟踪油藏、流体饱和度变化的， 故难以摸清油藏流体界面的移动情况。采用过套管技术的电阻率测井是一种侧 向测井方法，其原理是测量泄漏到地层中的微小电流来求出地层电阻率，以此 来确定油水分布状况，能有效解决这一难题。我在研究生阶段的研究工作，主 要是与武汉海阔科技公司合作开发基于过套管技术的地层电阻率测量仪。根据 系统的设计组成，在论文中共分为六章分别介绍了各部分的组成和设计思想。 1 1 课题提出的目的和意义 地层电阻率是评价储层含烃量必不可少的要素。地层电阻率主要取决于所 含的液体，含导电盐水的地层电阻率要比充满烃类的低得多，因而电阻率的测 量对于定位烃类矿层具有不可替代的工程价值。 传统的电阻率测量是在裸眼井中进行，受井径的非均匀性和侵入泥浆电阻 率变化的影响，难以得到满意的油层解释。而经过长期开采的油井已经下了套 管，原先的测井环境已经改变；同时油井下过金属套管后，由于金属套管的电 阻率与地层电阻率相比是极微小的( 地层的电阻率在1q m 1 0 0 0q m ，而金 属套管的电阻率的典型值为2 x1 0 - 7q m ) ，传统的电阻率测井仪无法实现对套 管外的地层电阻率进行测量，所以也就无法进行常规测井。 当今的过套管电阻率测井技术，可以穿过套管，精确地测量套管以外的地 层，找出常规测井漏掉的油层或错判的油层。可以利用时间推移测井方法实现 油藏动态监测，为不断提高采收率及时提供决策依据，可以实现复杂井的地层 含油气情况再认识，寻找漏掉或错判的油层。特别是一些高风险的井，可以改 变常规的裸眼测井方式，而在下完套管后，进行过套管电阻率测井，既避免风 险，又保证测井资料的全、准。根据对相关电阻率测量数据的解释分析，可以 提供地层孔隙度、体积密度、岩性、含水饱和度等数据采样，根据这些数据更 有效地评价无裸眼井测井资料或裸眼井测井资料有限的井；在老井中寻找遗漏 武汉理工大学硕士学位论文 的或新增的油气层：在油井报废之前评价潜在油藏：监测流体界面与饱和度及 压力变化：优化完井设计和射孔作业等等工作。 1 9 2 7 年，法国斯伦贝谢兄弟经过技术攻关，首次把电阻率测井运用到过套 管测井中，并于1 9 3 9 年申请了第一批专利，但初期的过套管电阻率测井技术， 由于毫微伏特级电压的测量不过关，曾经困扰世界石油界长达几十年。随着电 子业的发展、制造技术和计算机技术的进步，使得过套管电阻率测井技术面临 的难题迎刃而解，现代的过套管技术不但可以提供更好的剩余油饱和度评价， 而且能够监测油藏，让曾经漏掉或错判的油层起死回生。 随着地球油气资源的持续开采萎缩，寻找新的油层以及准确评价现有油层 储量就变得尤为重要，相信该深井地层探测器极具市场潜力。综上所述，有必 要发展过套管地层电阻率测井仪器。近年来，一些发达国家集中了大量人力物 力进行了此项技术及相关仪器的开发，并已经生产出比较成熟的商业化产品， 在这一领域处于垄断地位。该测井仪的开发研制成功，将从一定程度上打破这 种技术垄断，并可降低我国这一领域石油开发成本，掌握自有知识产权，提高 经济效益。 1 2 国内外的研究现状 2 0 世纪3 0 年代，国外已开始研究过套管地层电阻率测井技术。1 9 3 9 年， 前苏联的a l p i n 发表“在套管井中进行电测的方法”的研究成果并获得苏联专利。 a l p i n 提出在套管内通过三个电极来测量差分电压从而估计泄露到地层的电流， 计算出地层电阻率，达到测井的目的。这种方法最终未能实现主要有以下两个 原因：( 1 ) 由于套管的电阻率很低，其典型值为2 1 0 。7q r n ，因此在合适的电极 距范围内，差分电压的大小是很微弱的，在高电阻地层时电压信号更微弱。例 如1 a 的电流在套管内产生几微伏的差分电压信号。对微伏级信号的测量必须利 用低噪声放大器，然而低噪声放大器直到2 0 世纪8 0 年代后期才被研制出来。 因此，当时是无法测量的。当时也有人提出通过增大电流的方法来使电压信号 变大，但由于测井电缆的限制，电流不能太大，一般在6 a 左右。( 2 ) 井内套管的 不完整性，如腐蚀、变形、接箍，射孔等，后来人们发现套管的不完整性影响 电压信号1 2 个数量级。但是人们仍然继续地研究着这项技术。 1 9 4 7 年e n n i s 等人的“在套管井中划分地层的方法和仪器获得美国专利； 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 4 8 年s t e w a r t 的“电测方法和仪器 获得美国专利；1 9 4 9 年、1 9 5 2 年和1 9 5 6 年美国又陆续公布了三项有关套管井电阻率测井的美国专利。各个专利所提出 的方案存在着一定的缺陷，又受到当时技术水平的限制，最终均未实现。 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，由于低噪声放大器的出现，过套管电阻率测 井技术的研究进入了一个新的阶段。1 9 8 4 在美国能源署d o e ( t h eu s d e p a r t m e n to fe n e r g y ) 支持下p m l ( p a r am a g n e t i cl o g g i n g ) 测井公司开始研究过 套管测井技术的方法。1 9 8 6 年左右, p m l 测井公司在美国芝加哥天然气研究所 g r i ( g 勰r e s e a r c hi n s t i t u t e ) 、美国能源署d o e 和几家石油公司的支持下开始研制 过套管地层电阻率测井仪。1 9 8 8 年第一台测井样机研制成功。1 9 8 9 年2 月开始 在油田进行测试，获得初步成功。同年，k a u f m a n ( 来自美国科罗拉多州采矿学 校地球物理系) 申请了美国专利，之后国外共有2 7 项专利在此基础上发展起来。 1 9 9 0 年在美国地球物理学报( g e o p h y s i c s ) 发表题为“套管井眼中的电场”以及 1 9 9 1 年v a i l 申请的美国专利“在套管中电子测量仪器的移动以及电阻不同套管 的补偿 成为这项技术发展的转折点。这两篇文章提出了关于测量时的理论和 实际方面应注意的问题，包括由套管不完整引起畸变的消除和校正。1 9 9 3 年阿 特拉斯( b a k e r a t l a s ) 和天然气研究所g 一起研究过套管电阻率测井技术具体实 现问题。这个时候新的计算方法相继出现，由于传统的算法模型不能处理电阻 率相比( 地层电阻率与套管电阻率相比) 为1 0 8 数量级，1 9 9 4 年t a b a r o v s k y 等人 将其研究成果发表。这个研究成果帮助人们更好地理解过套管地层电阻率的物 理模型以及影响这种测量的所有因素。1 9 9 5 年1 月，阿特拉斯( w e s t a t l a s ) 和p m l 签定专利使用权转让协定，又重新获得天然气研究所g r i 的支持。1 9 9 7 年阿特 拉斯( w e s ta t l a s ) 收购p m l 测井公司，并改名为b a k e ra t l a s 。1 9 9 8 年阿特拉斯 开始油田测试，测试结果和裸眼井感应测试的结果比较，在一定地层范围内曲 线吻合得较好。2 0 0 0 年阿特拉斯( b a k e ra t l a s ) 研制出现场测试样机 t c r t ( t h r o u g hc a s i n gr e s i s t i v i t yt 0 0 1 ) 过套管电阻率测井仪。随后阿特拉斯不断 完善t c i 玎仪器。 同时1 9 9 5 年斯伦贝谢( s c h l u m b e r g e r ) 在评价p m l 技术的基础上继续开发过 套管地层电阻率测井仪器c h f r ( c a s e dh o l ef o r m a t i o nr e s i t i v i t y ) 。1 9 9 8 年设计为 双信道的第二代试验样机投入现场试验。并很快在全球开展c h f r 测量服务。 2 0 0 0 年斯伦贝谢公司推广c h f r 仪器，同年在我国申请三项专利。2 0 0 2 年该公 司又推出c h f r - p l u s ，对第一代仪器做了改进。目前c h f r 测量服务已经覆盖 武汉理工大学硕士学位论文 我国。2 0 0 2 年国内部分油田利用斯伦贝谢公司的过套管地层电阻率测井( c h f r ) 仪器进行了3 7 口井的测量，取得了比较明显的地质应用效果，但是使用费用相 当昂贵。【6 】 我国对这项技术一直处于理论研究阶段，至今还没有个人或单位进行实质 的研究开发。1 9 9 6 年江汉石油学院申请了总公司青年基金项目并立项。1 9 9 6 年 西安石油大学发表了关于采用纯电阻网络法模拟过套管电阻率测井方法的文 章，并完成对相关资料的调研工作。1 9 9 7 年北京石油大学和江苏油田进行了简 易物理模型试验，在测井技术上发表文章。1 9 9 8 年原江汉测井研究所( 现c p l 技 术中心) 开展了部分调研工作，2 0 0 5 年c n p c 基础项目开始立项研究。因此我国 该项技术急需研究开发。 1 3 课题完成的主要任务 在当今地下资源日益匮乏的今天，很多已开采数十年的油井均打下了很深 的钢制套管( 油井深度多超过l 千米以上) 。由于钢制套管的特殊性，主要是其 电阻相对来说非常小，用电法测井时大量的电流通过钢套管传走了，故很多传 统的电法测井方式均没办法透过钢套管来探测套管外地层，再加上井下的环境 恶劣，与井上通讯距离非常长，因此更难起到应有的作用。 基于过套管技术的深井地层探测系统也是采用电法测井的方式，但它能够 通过测量泄露到套管外的很小的电流来计算套管外地层的电阻率参数，进而通 过对电阻率的分析和解释，得知套管外地层的矿藏状态。 该系统采用上下位机的组成方式，分井上和井下两个部分。对于井下部分 几块测量板，和井上部分的遥测装置中均采用r s 4 8 5 协议组成现场总线监控系 统。 由于需要采集的电压和电流信号非常小( 电势差为微伏级、电流毫安级) ， 因此单片机自带的a d 转换的分辨率是远远不够的，因此要外接独立的a d 转 换芯片，设计相应的硬件电路。 针对井上井下部分之间相隔太长，且下位机及相应的执行机构本身很重， 因此需要采用铠装电缆来连接，并且需要采用数字化的传输方式，避免长距离 传输信号衰减、以及井下电磁干扰导致的信号失真。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本论文的工作内容 本论文通过介绍当今主要的测井技术，分析过套管电阻率测量技术原理和 研究现状，对基于过套管技术的地层探测系统提出了总体的方案设计，包括整 个部件机构和电气结构；采用a v r 公司的a t m e g a 系列单片机作为微控制器， 设计了包括数据采集、基于r s 4 8 5 协议的现场总线监控系统等电路；采用a n a l o g d e v i c e 公司的c s 5 3 2 1 和c s 5 3 2 2 组成2 4 位高精度a d 转换系统，对前面提到的 微弱信号进行采集，设计了单片机与该系统的接口电路；对r s 4 8 5 协议进行了 阐述，并给出软件构思以及部分源代码，同时分析了该总线监控系统设计上需 要注意的问题；对曼彻斯特编码和解码原理进行了分析，具体描述了地面井下 通讯的过程；用l a b v i e w 作为开发工具设计上位机软件，分析其工作流程。 1 5 本章小结 本章节主要介绍了课题研究的目的和意义、国内外研究现状、课题研究的 任务以及本论文的工作内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章测井技术简述及过套管技术 2 1 测井技术简述 2 1 1 测井的基本概念 测井，也叫地球物理测井或石油测井，简称测井，是利用岩层的电化学特 性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法， 属于应用地球物理方法( 包括重、磁、电、震、测井) 之一。 石油钻井时，在钻到设计井深深度后都必须进行测井，又称完井电测，以 获得各种石油地质及工程技术资料，作为完井和开发油田的原始资料。这种测 井习惯上称为裸眼测井。而在油井下完套管后所进行的二次测井，习惯上称为 生产测井或开发测井。 在油田勘探与开发过程中，测井是确定和评价油、气层的重要手段之一， 也是解决一系列地质问题的重要手段。它能直接为石油地质和工程技术人员提 供各项资料和数据。测井技术起源于2 0 世纪2 0 年代，在油井第一次测量地层 电阻率获得成功。其发展大体经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测 井四个阶段。 测井方法众多。电、声、放射性是三种基本方法。特殊方法( 如电缆地层 测试、地层倾角测井、成像测井、核磁共振测井) ，其他形式如随钻测井。 各种测井方法基本上是间接地、有条件地反映岩层地质特性的某一侧面。 要全面认识地下地质面貌，发现和评价油气层，需要综合使用多种测井方法， 并重视钻井、录井第一性资料。【l 】 2 1 2 世界测井技术的运用发展 根据地质和地球物理条件，合理地选用综合测井方法，可以详细研究钻孔 地质剖面、探测有用矿产、详细提供计算储量所必需的数据，如油层的有效厚 度、孔隙度、含油气饱和度和渗透率等，以及研究钻孔技术情况等任务。此外， 井中磁测、井中激发激化、井中无线电波透视和重力测井等方法还可以发现和 研究钻孔附近的盲矿体。测井方法在石油、煤、金属与非金属矿产及水文地质、 6 武汉理工大学硕士学位论文 工程地质的钻孔中，都得到广泛的应用。特别在油气田、煤田及水文地质勘探 工作中，已成为不可缺少的勘探方法之一。 应用测井方法可以减少钻井取心工作量，提高勘探速度，降低勘探成本。 在油田有时把测井称为矿场地球物理勘探、油矿地球物理或地球物理测井。 测井作为勘探与开发油气田的重要方法技术，至今已近8 0 年的历史。随着 科技进步和测井技术本身的发展，它在油气勘探、开发和生产的全过程中发挥 着更大的作用，为油气工业带来更高的经济效益。 近十几年来的测井技术，特别是2 0 世纪9 0 年代后，取得了重大进展。按 照传统的观点，测井技术在油气勘探与开发中，仅仅对油气层做些储层储集性 能和含油气性能( 孔隙度、渗透率、含油气饱和度和油水的可动性) 定量或半定量 的评价工作，这已远远跟不上油气工业迅猛发展的需要。而当今测井工作中评 价油气藏的理论、方法技术有了长足的发展，解决地质问题的领域也在逐步扩 大。目前，地球物理测井研究和解决油气勘探与开发问题，有以下几方面。 1 ) n 用地球物理测井信息解释评价油、气、水层，计算含油气岩系的孔隙度、 渗透率和含油( 气) 饱和度。 2 ) 利用测井信息研究生油层、盖层及油气的生、储、盖组合。 3 ) n 用测井信息研究油储储量参数、地下流体性质、分布状况。 此外，测井工作还可用于现代地应力场定量分析，预测和监测地层压力、 破裂压力，为合理开发油气和科学钻探提供依据。 地球物理测井是解决有关矿产资源地质、工程地质、灾害地质、生态环境 等问题的手段和依据，是对钻井内实际地质情况有条件地间接反映，必须将测 井信息进行深加工，转换成地质信息、工程信息以及灾害地质、生态环境等信 息，才能达到认识问题和解决问题的目的。 地球物理测井是- - f 3 仍在迅速发展的技术学科，伴随着油气等矿产资源开 发的难度加大和科学技术的快速发展，测井新理论、新方法、新技术也在不断 出现和发展。【1 4 】 2 1 3 电法测井 不同的岩石和岩石孔隙中所含的流体不同，他们的导电性也不同。利用这 一特点认识岩石性质的测井方法，叫电法测井，包括自然电位测井、电阻率测 井、感应测井等。 7 武汉理工太学硕士学位论文 电法测井是发展最早的地球物理测井方法，它主要用于测量井眼周围岩石 电性参数。电法测井主要讨论井眼附近人工电磁场产生和变化的规律( 如常规 的侧向测井和感应测井等电阻率测井方法) 同时也讨论井下自然电场产生和变 化的规律( 如自然电位测井) 。到目前为止，电法测井资料( 尤其是电阻率删井 资料) 是地层流体饱和度定量评价的主要依据，仍然被认为是最重要和有效的 测井方法。 电法测井已经有近8 0 年的发展历史。1 9 2 7 年9 月5 日在法国东部阿尔萨斯 ( a l s a c e ) 地区的佩彻布朗( p e c h e l b r o r m ) ，s h l u m b e r g e r 兄弟与h g d o l l 利用梯度电 极系完成了实际电法测井，得到世界上第一条测井曲线所记录的测井曲线清 楚地指示了井下的含油砂岩，标志着现代地球物理测井的诞生。1 9 2 9 年， s c h l u m b e r g e r 兄弟获得了用自然电位确定渗透性地层的专利，并于1 9 3 1 年实现 了自然电位与电位电极系和梯度电极系一起测量，可以提供连续测井曲线。在 中国，1 9 3 9 年，翁文波和赵仁寿等在四川进行了中国的首次电法测井；1 9 4 8 年， 王日才和刘永年等在玉门油田利用半自动测井技术得到了视电阻率曲线( 点 测) ，并划分出油气储层。1 9 4 2 年，g e a r c h i e 提出a x c h i e ( 阿尔奇) 公式，奠 定了利用测井资料定量评价岩石流体饱和度的基础。1 9 4 9 年，考虑到油基钻井 液的井眼条件，h c 工d o l l 提出了感应测井奠定了常规双感应测井目前仍然是常 用的重要电法测井方法。1 9 5 1 年，出现聚焦的侧向测井，2 0 年后发展了双侧 向电阻率测井仪。一直应用到现在。2 0 世纪8 0 年代初期，国外研制的介电测井 仪器开始应用。 2 0 世纪9 0 年代开始，在常规侧向测井和感应测井的基础上发展起来了阵列 侧向测井、方位侧向测井和阵列感应测井等新方法、新技术：同时，在地层倾 角测井的基础上发展起来井壁电成像测井方法；在随钻测井中2 m h z 的电磁波 测井得到普遍应用：而且，过金属套管电阻率铡井技术出现在2 0 世纪末期，并 得到应用。上述方法和技术的出现增大了电法测井的信息量，拓宽了电法测井 的应用领域，从而促进了测井学科的发展。【1 4 l 自然电位测井。大地本身由于地磁或空间电磁场的作用，地层由于导电性 能的差异，各层中电流大小是不相同的，也就是说地球的电场、磁场是自然存 在的。钻一口井，将一电极放于井中，同时在地面也放一电极，将二电板之间 用一电位差计连接起来，它们之问就有电位差产生，若将井孔中的电极由下向 上移动，可得到一个与岩性及孔中的液体有关的曲线自然电位曲线。自然 武汉理工大学硕士学位论文 电位测井是在不供电的情况下进行的。 电阻率测井。各种物质的导电性能可以用电阻率来表示。电阻率小的物质 导电性好，电阻率大的物质导电性差。地下各种岩石的电阻率不同，相同的岩 石若其孔隙中所含的流体不同( 含油、水、气的比例不同等) ，电阻率也不同。 含油砂岩电阻率高；含水砂岩电阻率低。所以，可以用测量电阻率的方法来了 解地下油层和岩石的性质。电阻率测井必须供电造成人工电场，以激发被测物 质的导电特性，从而测量出激发物质中任意两点的电位差。 感应测井。电阻率测井只有当井内有导电泥浆时，才能使用。有时为了获 得原始含油饱和度资料，要用油基泥浆钻井；有时为了避免破坏地层的原始渗 透性，采用空气钻井。在这样的情况下，井内没有导电介质，不能使用直流电 法测井。为此，研究产生了感应测井，它是在中等和低电阻地层的主要测井方 法。感应测井是利用电磁感应的原理来了解地层的导电特性，仪器所测到的感 应电动势与地层电导率成正比。【l j 大多数的电测井方法均是在裸眼井中进行的，亦即在实际测量时没有金属 套管的影响。但是，监测油气藏的动态和跟踪老油藏中流体饱和度的变化需要 在套管中测井。也就是说套管井电阻率测井技术在应用环境以及使用领域方面 有其特殊性，下面详细来讨论一下。 2 2 过套管电阻率原理 在套管井中进行油、气、水检测，评价饱和度的方法长期以来只能依赖核 测井方法，存在两大问题：第一个是探测深度比较浅，一般只能检查探测源上 下3 0 - - 4 5 c m 处的岩层；第二个是对周围岩层的孔隙度有一定要求，要求大于某 一特定值，所以对核测井的使用有了一定的条件限制。 电阻率测井是评价饱和度行之有效、广泛使用的方法。那么在金属套管井 中能否进行地层电阻率的测量呢? 虽然早期的电阻率测井仪器无法实现这一 点，但科学发展到今天，经过人们六十多年的不断探索与努力，精确可靠地测 量套管井地层电阻率已经成为现实。 1 9 3 9 年前苏联l m a l p i n 提出了测量漏电流方法，并被授予了专利。1 9 4 9 年s t e w a r t 也被授予了美国专利。1 9 7 2 年，一项法国专利授予了六个电极和 两步测量法的测井方法。卡什科等专家研发了五电极测井探头“p 1 型卡什 9 武汉理工大学硕士学位论文 科雷赫林斯基探头，并确定了计算地层电阻率的公式。1 9 8 8 年，美国一家公司 ( 顺磁测井公司- p m l ) 试验成功第一套样机。1 9 9 0 年，k a u f m a n 发表了基 于传输线方程的套管井电阻率测井的近似理论模型和测量理论，奠定了过套管电 阻率测井的基础。此后，套管井电阻率测井技术得到油田公司支持和测井服务 公司的重视，投入了大量人力物力进行开发，相继发展了曲面积分法方程等理 论，充实了过套管电阻率测井的理论研究。 在中国于1 9 9 5 年张金钟教授对过套管电阻率测井受水泥环影响的研究，随 后分别于1 9 9 7 、1 9 9 8 、1 9 9 9 、2 0 0 3 年由石油大学冯启宁教授，江汉石油学院， 江汉测井研究所分别对过套管电阻率测井方法进行了不同程度的研究，得到了 一些有意义的认识。 2 2 1 过套管电阻率测量原理 过套管电阻率测井本质上属于裸眼井测井中的侧向类测井方法范畴。要测量 套管外地层电阻率，就必须通过井下仪向地层发射一回路在地面的低频电流信 号( 一般频率选择在0 0 1 - - 一1 0 0 h z 之间) 。由于金属套管的电阻率要比井眼流体 电阻率低得多，所以大部分电流在金属套管中流动，但是，仍然有- d , 部分电 流通过金属套管进入地层。如果能够检测到仪器测量电极与地面的回路电极之 t z i b l 户 r n ： 、 f - 一 ：i 乏薰一兰 图2 1 过套管电阻率原理示意图 l o 间的电位差，并 且能够检测流入 地层的电流，则 可以得到地层的 电阻率信息。 图2 1 为过 套管电阻率原理 示意图，注入总 电流i t 进入套管 后部分沿套管 流动，称之为套 管电流；一部分 泄漏到地层中， 称之为泄漏电流 武汉理工大学硕士学位论文 或漏电流。如果在z 处的套管电流为i i = i ( z ) ，在z + a z 处的套管电流1 2 = i ( z + a z ) ， 那么在d z 距离内，泄漏电流i ( z ) = 1 1 1 2 = i ( z ) 一i ( z + az ) 。如果能够测量得到az 中点附近的电位值v o ，则在得到i 后，可以得到地层视电阻率数值： 矿 尺。= k 二旦公式( 2 1 ) 。 刖 式中：v o 一测量点相对地面参考点的电位； i _ 流入地层的泄漏电流； k 仪器系数或称为刻度系数。 在金属套管井中，v o 比较容易测量得到；主要问题变为如何测量得到流入 地层的电流i ，而i 为小信号，于是小信号检测成为过套管电阻率测井的核心 问题。因此，只要实现i 的检测，就可以完成过套管电阻率测量。f 1 4 】 2 2 2 过套管电阻率测量实现方法 过套管测井和裸眼井测井在物理上的显著区别是井眼套管本身即是一个巨 大的导电电极，它把电流传导到地层中去。大部分电流会沿着套管流动。高频 交流电几乎全部留在套管内部，而低频交流电流( 或者是直流电流) 将会有一 小部分泄漏地层中去。在钢套管内壁以极低频率的电流将钢套管视为传输线， 绝大部分电流沿套管流到地面回路电极，由于钢套管周围地层介质可视为导电 介质，所以将有部分电流渗漏到地层，再流回到地面回路电极。 1 、近似的传输线方程 按照电场分析，在套管内的近场如电极接到管壁，电场只有纵向分量；在 中场，套管外地层可视为只有径向电场；套管和井眼对远场的影响很小，在远 场主要由地层电阻率pf 决定。 按照1 9 9 0 年k a u f m a n 的证明，在圆柱体介质内的钢套管和井眼可以视为传 输线，套管壁上的电压满足传输线方程 譬：上_ u 公，- g ( 2 - 2 一) t = 一 公) d z p c p f l 8 其中， pf 为地层电阻率，p 。为套管电阻率，厶= a z l 为无量纲因子。 由此定义地层视电阻率为 ul1u 乃2 万i 。d 2 u d z 22 p c l o a 2 u e l z z 武汉理工大学硕士学位论文 要完成套管周围地层电阻率的测量，必须完成电压的二阶导数的测量，必 须要三个测量电极方能完成，如图2 2 所示c 、d 、e 三个电极。在测量中分三 个阶段完成。 图2 2 过套管电阻率测量方法图 第一阶段：必须测量套管电流和地层漏电流所通过的全部电阻，必须增加 电极u 来完成。 q = v o | i 。 第二阶段：必须测量c 、d 间和d 、e 间的套管电阻率，供电电流由a 电极 注入电流i n ，f 电极回流。 墨= v , 1 恐= v ：i 第三阶段：电流通过电极a 注入i m ，然后回到地表电极b ，测量c 、d 间 的电压差和d 、e 间的电压差来估算沿套管流动的电流。可以得到视电阻率的表 达式 见= 印百i ml ( 万v , 一珂 1 2 公式( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 、曲面积分方程 使用曲面积分方程模型来描述半空间井眼流体、套管和纵向分层的非匀质 地层的套管井电阻率相应。设源在z 轴上，套管和非匀质地层对称于z 轴，因 此，可以使用圆柱坐标，根据套管井电阻率测井采用甚低频( 1 h z ) 的稳恒场工作， 将g r e e n 第二恒等式应用到p o i s s o n 方程及其边界条件上，得到关于电位函数的 第二类f r c d h o l m 积分方程 ( 厂) = ( 厂) + 1 一旦】f ( ，7 ) v 童( 厂，厂7 ) 历( 尸7 ) d s 7 a o 椰 其中，为电位函数，0o 为背景电导率，0l 为扰动体电导率，r 、r 和元分 别是在s 上的场点、源密度点和向外归一化正交向量。 使用在本问题中的轴对称半空间g r e e n 函数表示为 g ( v ) = 石1j c d 厶( 刎山( 兄x ) 札p 。m 仃乖+ z 1 m 其中，j o ( y ) 为零阶b e s s c l 函数。 为了研究半空间有限长的一般套管井模型，需要考虑包括套管接箍、腐蚀、 水泥环带、过渡带、目的层及井眼的复杂模型。 根据单极供电产生的电位沿井轴分布，建立电流平衡方程式： 可d 2 u ( z ) 一_ 1 华。_ d u ( z ) 一石d r , 【，( z ) ：o 公式( 2 4 ) 龙2亿比出m 、 利用如上方程求解地层电阻率是比较困难的，如果取电位沿井轴变化的极 值时，即： 警b = o 方程就变为： 掣一妾地) - o 吼 掣= 叫鼢 娥2 卸 在测量电极所处位置达到电位极值的方法是，利用两个电源，置于中间电 极的两侧，并在这两个电源选择电流的值，使得相对中间电极两个对称电极之 武汉理工大学硕士学位论文 间的电位差等于零，这个电极就是卡希克和雷赫林斯基电极系。 按照这样的方法以及上述的方程可得到地层电阻率公式如下： ? 2 半 一+ 一 蛐2 一回 i 【，( ) ：( 厶) 一【，( ) ：托( ) l 【_ ：( ) 2 ( ，( t ) + ：m ( ) 2 u ( ) j 式中：u ( i a i ) ，u ( i a 2 ) 分别为向电极系的上、下电极供电时，u 电极同套管接 触点套管电场的电位，单位：v 。 a u m 2 - m i ( i a i ) ，u m 2 m 1 ( i a 2 ) 分别为向电极系的上、下电极供电时，三联电极 系的两边测量电极同套管接触点之间套管部分电场电位的第一差分电压；单位： 2 u ( i a l ) ，2 u ( i a 2 ) 分别为向电极系的上、下电极供电时，在三联电极系的 所有三个测量电极同套管接触点之间套管部分电场电位的第二差分电压；单位： i a l ，i a 2 分别为在电极系的上、下发射电极通过套管接触点射入套管的电流， 单位：a 。 2 3 本章小结 本章首先对测井技术的一些基本概念和当今世界测井技术的运用发展作了 简单的介绍。作为过套管电阻率测井技术本身，是属于电法测井的一个分支， 本身又属于裸眼井测井中的侧向类测井方法范畴，其原理和实现方法是基于 1 9 9 0 年k a u f m a n 证明的传输线方程，并考虑到套管接箍、水泥环带等一系列复 杂数学模型，并采用一系列的办法才最终得到套管外地层电阻率的公式。应用 的此公式是过套管电阻率地层探测技术的核心。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章过套管电阻率测量系统总体方案设计 3 1 过套管电阻率测量系统部件结构 该仪器分为井下和地面两个部分 图3 1 过套管电阻率探测系统总体结构图 地面部分负责监视和控制井下仪的工作状态，提供井下仪的工作电源以及 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 测量电流，储存和分析采集到的数据等。井下部分实现数据采集和测量，信号 的传输等功能。地面和井下仪器之间采用铠装7 芯电缆连接。 铠皮电缆 ( 至井上) c、8 ? 壁 ： mi 、： 遥测电系纡 ： i i 、 ( 上电子单员 ! 、 、 ! 、 、 、 i 、 可控推靠自 ： 、 液压传动装 、 1 面 、i l上电极( a 1 9 6 i 6 晨 电位电极( 1 鬲 ( m 1 ) i 、 累 三t 软哇 0 5 m 、 、 、 、 、 、 广： 、 罱 m 2 ) 、 、 o 5 m 、 1r ： 、 、 ： 测量电子单j j 、 、 、 、 i i 、 、 i、 、 i 、 j 电极( 凡 、 i 、 、l 、 1 玎 、 、 、 、 、 ij卜 配重 、 、 、 、 、 r 、 、 i 、 、 i 、 图3 2 探测系统井下部分部件图 3 1 1 井下部分 井下部分主要包括以下几个部 分： ( 1 ) 并下遥测系统，或者称为上 电子单元。作为井下设备的控制中 心，负责给井下部分的仪器和设备 提供稳定的电源，保证井下设备的 供电电压：其内含发送接收器，保 证协调控制井下仪的工作，并负责 把液压传动装置、u 、i a l 、i a 2 等相 关参数传送到地面的供电与控制单 元； ( 2 ) 可控推靠的液压传动装置 每个测量电极系外面有个弹簧 支架做的执行机构( 又叫推靠器) 系 以及液压部分组成的液压系统，这 一系统通过设置剩余( 相对井筒压力) 的工作压力，增加执行机构的行程 ( 在执行机构上安装着测量电极) ，从 而( 象风镐一样) 把测量电极的硬质 合金磨尖的头挤入套管体中，避免 了套管内壁的锈皮和腐蚀层对测量 结果的影响。利用剩余压力传感器 实现对液压系统工作的监测。液压 传动装置以循环方式工作。为了消 除工作压力，需要把这个压力增加 到阈值( 用于切换液压微动开关) ，然 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 后泄放压力。当传动装置通过这个执行机构加压时，执行机构的弹簧被压缩， 从而将周围的支架给撑开，形如灯笼。 所谓“可控推靠 ，即可由井上的操作人员，根据微型转换开关的位置和压 力传感器的模数转换器示值，监督压力的泄放，最终达到控制传