（信号与信息处理专业论文）感应与数字球形聚焦测井系统研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 感应与数字球形聚焦测井系统研究 信号与信息处理 汤小松( 签名) 逝丝i 生 党瑞荣( 签名) 本文在电法测井基本理论的基础上，根据我国各大油田薄油层勘探开发实际需要， 结合高分辨率感应测井仪的研制，对感应和数字球形聚焦测井系统进行了研究。主要研 究内容包括感应和球形聚焦探测性能分析、系统井下电路设计、测井仪器质量控制。 论文在双线圈系感应测井理论的基础上提出一种高分辨率的五线圈系结构，使仪器 有了更深的径向探测深度和更高的纵向分辨率；球形聚焦测井采用了数字聚焦方法，大 大缩小了仪器体积，提高了仪器的稳定性和可维护性；将感应线圈系和聚焦电极系采用 径向重复布局，使仪器长度大为减小，弥补了其他测井仪器结构过长不利于多参数组合 测井和装载运输的不足。整个系统的控制和数据处理以f p g a 和d s p 为核心，采用1 6 位高精度的a d 转换器，实现了井下仪器数字化；完成了感应和球形聚焦测井各单元电 路的设计、仿真。在系统调试的基础上，对测井仪器质量控制中关键的刻度理论和方法 进行了研究分析，完成了球形聚焦测井的模拟地层实验验证。 本文的感应与数字球形聚焦测井系统研究，将f p g a 、浮点型数字信号处理器以及 高精度a d 转换器应用到测井仪器的设计之中，不仅实现了球形聚焦测井的数字聚焦， 也体现了测井技术装备的发展趋势高分辨、集成化、深探测，有利的促进了我国测井 技术装备水平的提高。 关键词：感应数字聚焦测井f p g a d s p 论文类型：应用技术研究 i l 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo fi n d u c t i o na n dd i g i t a ls p h e r i c a lf o c u sl o g g i n gs y s t e m s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：t a n gx i s o s o n g i n s t r u c t o r ：d a n gr u i r o n g a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h ed e m a n do ft h i nr e s e r v o i r s e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n tmm a n y d o m e s t i co i lf i e l d s ，t h i sp a p e rh a ss t u d yt h ei n d u c t i o na n dd i g i t a ls p h e r i c a lf o c u s i n gl o g g i n g s y s t e mc o m b i n e dw i t hd e v e l o p m e n to fh i g h r e s o l u t i o ni n d u c t i o nl o g g i n gt o o lb a s e do n f u n d a m e n t a le l e c t r i cl o g g i n gt h e o r y m a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h r e ep a r t s ：t h ed e t e c t i o n p e r f o r m a n c e o ft h el o g g i n gs y s t e m ，c i r c u i t sd e s i g n ，q u a l i t yc o n t r o lo ft h el o g g i n gt 0 0 1 b a s e do nd u a lc o i l si n d u c t i o nl o g g i n gt h e o r y , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dah i g hr e s o l u t i o n c o i la r r a y , t h i sm a k e st h el o g g i n gt o o lh a v eh i g h e rr a d i a ld e t e c t i o np e r f o r m a n c ea n dv e r t i c a l r e s o l u t i o n ；t h ed i g i t a lf o c u sm e t h o di s i n t r o d u c e di n t os p h e r i c a lf o c u s i n gl o g g i n g ，w h i c h m a k e st h el o g g i n gs y s t e mh a v es m a l ls i z e ，h i g hs t a b i l i z a t i o na n dm a i n t a i n a b i l i t y t h e d i g i t a l i z a t i o n o ft h e l o g g i n gs y s t e m i sr e a l i z e d b yu s i n gf p g a ，d s pa n d 16b i t a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ，a n dt h ef p g aa n dd s p i su s e da st h ec o r ep a r t so ft h es y s t e m s c o n t r o la n dd a t ap r o c e s s i n gu n i t m o r e o v e r ，t h ec i r c u i t sd e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h el o g g i n g s y s t e mi sc o m p l e t e d ，a n dt h es y s t e mi st e s t e d a st h ek e ya s p e c t so fl o g g i n gq u a l i t yc o n t r o l ， t h ec a l i b r a t i o nt h e o r ya n dm e t h o do fs p h e r i c a lf o c u s i n gl o g g i n ga r es t u d i e d t h ea p p l i c a t i o no ff p g a ，f l o a t p o i n td s pa n dh i g h p r e c i s i o na d ci n t ot h ed e s i g no f l o g g i n ge q u i p m e n t si si m p o r t a n tn o to n l yt or e a l i z ed i g i t a lf o c u so fs f l ，b u ta l s or e f l e c tt h e l o g g i n ge q u i p m e n t s d e v e l o pt e n d e n c i e s ：h i g hr e s o l u t i o n ，i n t e g r a t e d a n dg o o dd e t e c t i o n p e r f o r m a n c e a l lm e n t i o n e d a b o v eh a v eg o o de f f e c t st ot h ed e v e l o p m e n to fl o g g i n g e q u i p m e n t s k e y w o r d s ：i n d u c t i o n ，d i g i t a lf o c u s e d ，l o g g i n g ，d s p , f p g a t h e s i s ： a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ys t u d y i i l 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：谚酽硅隰牡 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：选2 塑生粤 导师签名：f - nvw 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 研究背景、目的及意义 石油是重要的战略资源，也是是当代最重要的能源和化工原料。随着世界和我国经 济的持续增长，油气等资源的需求量和价格等纪录不断被刷新。虽然在当前世界经济危 机的情况下对能源的需求有所缓解，但从长远来看，石油作为一种不可再生的自然资源 其储量正日益减少，其经济、战略意义更加凸显出来。因此世界各国都在集中高科技力 量研究如何加大油气田的开发力度。在我国，尤其是石油天然气的需求面临着严峻的挑 战，加大现有油田剩余油储层和薄交互储层的勘探开发就显得尤为重要了。 测井技术起源于法国，世界上第一条测井曲线是1 9 2 7 年由法国人斯仑贝谢兄弟玛塞 耳( m a r c e ls c h l u m b e r g e r ) 和孔瑞得( c o n r a ds c h l u m b e r g e r ) 在一个叫做皮切尔布朗 ( p e c h e l b r o n n ) 的小油田的一口井内通过点测测得的，然后由手工根据测量数据在绘图 纸上逐点绘出，这在电法测井技术中具有划时代的意义【l 】。1 9 2 9 年，电阻率测井开始作 为商业性服务引入委内瑞拉、美国和前苏联。中国于1 9 3 9 年开始将电测井应用于油气的 勘探，由中国地球物理学家翁文波先生在中国四川l 隆昌的一口井中测得中国第一条电阻 率测井曲线。1 9 5 1 年，道尔提出侧向测井，研制了利用聚焦电流控制测量电流路径的聚 焦型电阻率测井仪器，随后又发展出了七侧向、八侧向、双侧向等测井仪。1 9 6 2 年，根 据法国人d o l l 之前( 1 9 4 9 年) 提出的感应测井理论，研制出双感应测井仪器。感应型测 井仪器是依据线圈与地层之间的电磁感应原理来测量地层电导率。侧向、感应或两者之 一，是测井的必测项目。通常电阻率测井是把感应型和电流型( 双侧向、阵列侧向、横 向等) 测井方法组合起来进行测井，组合测井中的各种仪器可以优势互补，以充分反映 目的层性态。 球形聚焦测井属于传导电流法测井，传导电流法测井也称直流电法测井，它是利用 供电电极把电流注入地层，通过测量周围地层中电场或电位的分布来确定地层的电阻率。 这就要求井内有导电泥浆提供电流通道。普通电阻率测井和侧向测井都属于传导电流型 测井。但是普通电阻率测井仪器属于非聚焦电极，它受井眼和邻层的影响很大，对于薄 层、低电阻率地层以及侵入较严重的地层，测量精度会受到影响。尤其在盐水泥浆井中， 供电电极发出的电流大部分被井内导电泥浆所分流，因此测出的视电阻率曲线难以反映 地层真电阻率。为了减少这些影响，道尔提出了侧向测井，研制了利用聚焦电流控制测 量电流路径的聚焦型电阻率测井仪器，也称为聚焦测井。球形聚焦测井就是在此基础上 发展起来的，传统的侧向测井和球形聚焦测井都是利用硬件聚焦，通过测量电机的电位， 经过计算得到地层的视电导率。本文所采用的数字球形聚焦测井采用软件实现理论聚焦， 这样在达到球形聚焦电极系的探测性能的同时，不仅使球形聚焦测井系统的电路更加简 两安石油人学硕士学位论文 单，而且调试维修更加方便。 感应测井仪器最初是为了适应油基泥浆和空气钻井的井眼中电阻率测量的需要而发 展起来的，在实际应用中很快发现，感应测井在水基泥浆尤其是淡水泥浆井中也比普通 电阻率测井优越。感应型测井发展至今，已成为一种用来测量低到中等电阻率地层的基 本电阻率仪器。早期的石油勘探主要是探明厚油层的储量，对感应测井精度要求低，不 必考虑仪器的分辨率和井眼附近的影响。随着石油工业的发展，测井的重要性逐渐增强， 测井分析家希望能够提供地层的丰富信息，以便精确评价地下油气储藏，了解复杂的侵 入剖面，精确求出地层真电阻率，揭示产油能力。在精细评价和进一步开采油气进行薄 层分析方面，传统双感应测井仪器中的问题日益暴露出来，分辨率低，分层能力不够理 想。因此，许多测井公司纷纷推出高分辨率测井仪器，如h a l l i b u r t o n 公司于1 9 9 2 推出 的高分辨率感应测井仪( h p d ) ，1 9 9 6 年b a k e ra t l a s 公司推出新型的阵列感应测井仪器 h d i l ，2 0 0 0 年h a l l i b u r t o n 公司又推出了一种新型测井仪器高分辨率阵列感应测井 仪器( h r a i ) 。国内中国石油测井有限公司( c p l ) 也研制成功了国产第一代阵列感应 测井仪( m i t ) 。胜利测井公司也在h r i 高分辨率感应测井仪的基础上新研发的s l 6 5 0 4 高分辨率多任务测井系统，可探测出距井壁不同深处的地层电阻率，从而提供估计泥浆 滤液对地层侵入影响程度的数据，以判断地层的含水含油性质。在地层电阻率小于 1 0 0 2 m ，泥浆滤液大于地层水的电阻率情况下能较好地测得地层真电阻率。一次下井能 同时取得多条测井曲线，提高了测井时效。虽然它用速度快、位数高的c p u 代替了哈里 伯顿原有处理芯片8 2 c 5 5 ，在数据处理速度和精度上有显著提高。但是数据采集单元还 是以速度慢、位数低的压频转换芯片实现，井下电路仍然以模拟体制为主，从根本上限 制了系统的性能；新型的阵列感应测井仪m i t 由于成本较高还未能大面积推广使用。为 此，开发一种价格适中，各方面探测性能介于阵列感应和传统双感应之间的仪器，提高 复杂油气开采效益，对提升我国测井技术水平意义重大。在这种情况下，本课题感应与 数字球形聚焦测井系统研究，利用现代电子技术的飞速发展，将f p g a 、d s p 以及高精 度a d 转换器引入到测井仪器的设计当中，在其性价比较高的优势下，对推动我国石油 工业的发展，促进测井装备的更新换代就有其重大意义。同时高分辨率感应测井仪的感 应线圈系和聚焦电极系采用径向重复布局大大缩短了仪器长度，弥补了其他测井仪器结 构过长不利于多参数组合测井和装载运输的不足。 1 2 国内外测井仪器现状及其发展趋势 现代测井是石油工业中高技术含量最多的产业部门之一。而测井仪器的更新换代最 能反映测井学科的发展和进步。测井技术经过8 0 多年的发展，已经经历了5 次更新换代。 以斯伦贝谢兄弟测量第一条自然电位曲线为代表的手工记录系统为测井发展的第一 代，这一时期从1 9 2 7 年持续到1 9 3 2 年。 第二代为模拟测井系统，以自然伽马、中子伽马测井为主的电极系测井在这一时期 2 第一章绪论 内迅速发展。这个时代的标志人物是阿尔奇，他于1 9 4 1 年建立的饱和度方程至今仍是储 层评价的重要公式。 第三代测井系统升级为数字测井，包括感应测井、侧向测井、地层倾角测井、声波 测井、补偿密度、中子寿命。在这一时期中，主要的测井基础理论与方法已经得到实现。 第四代测井发展为数控测井系统。此时测井已经能够完成全波列测井、高分辨率感 应测井及简单的地层测试。特殊工艺条件下的测井技术，如水平井测井技术等也在这一 时期内得到了应用。 1 9 9 0 年至今，第五代成像测井系统开始投入使用，主要包括偶极阵列声波、全井眼 微电阻率成像、阵列感应、方位侧向、过套管电阻率、核磁共振、模块式地层测试、随 钻测井、水平井生产测井等。 国外测井技术领先者是斯仑贝谢、哈罩伯顿、贝克休斯三大测井公司。这三大公司 发展的突出特点是在技术上规模化和一体化，以服务队伍规模化支持研发的高投入，通 过研究、开发和服务一体化的体制，形成了技术和市场的良性循环。在测井市场上也呈 现高度集中态势。2 0 0 7 年国际测井技术服务市场收入约1 1 0 亿美元，在电缆测井市场中， 斯仑贝谢、哈里伯顿、贝克休斯、威德福等4 家公司占据了8 2 的市场份额，其中斯仑 贝谢占据了近一半市场份额；提供随钻测井服务的公司只有7 家，斯仑贝谢、哈里伯顿、 贝克休斯、w - h 能源服务公司、威德福等5 家公司占据了9 8 的市场份额，其中斯仑贝 谢占据近4 0 市场份额，哈里伯顿占据近3 0 市场份额【2 l 。由此可见，国内的测井装备及 技术服务产业还有较大差距，但j 下因为这样，也具有巨大的发展空间。 1 2 1 感应一侧向测井仪器的国内外现状 从2 0 世纪7 0 年代后期改革开放以来，我国测井界主要开展了与s c h l u m b e r g e r 、 d r e s s e ra t l a s 、g e a rh a r t 、以及后来的h a l l i b u r t o n 等几大公司的设备引进和科技合作， 基本上是在走一条引进消化吸收仿制自主创新之路。目前国内仍是中石 油、中石化和中海油“三足鼎立”的局面。通过引进与自主开发，各油田测井公司测井 装备主要有四类：成像测井系统、数控测井系统、国产小数控测井系统以及生产测井系 统，其中高端测井装备均由国外引进。 感应侧向测井作为一种最常用的测井组合方式，在油藏勘探开发领域占有巨大的市 场。虽然新型先进的电法测井仪器层出不穷，但像国产的j s b 8 0 1 双感应八侧向测井仪 仍然是一种在我国油田勘探开发中普遍而大量使用的电法测井仪器。j s b 8 0 1 双感应八 侧向测井仪是s j d 8 0 1 数字测井仪相配套的一种重要的组合下井仪器。它可以同时测量 深感应、中感应、和八侧向三条视电阻率曲线，还可以代测一条自然电位曲线1 3 】。j s b 8 0 1 双感应八侧向测井仪具有能在深、中、浅三种不同的探测深度上探测的能力。其中，深 感应为1 6 历；中感应为0 7 5 m ，八侧向为0 3 5 m 。地层电阻率测量范围为0 2 1 0 0 q m 。 j s b 8 0 1 双感应八侧向测井仪的深感应线圈系采用三发三收六线圈系结构，而中感应采 用的是不对称的八线圈系，由3 个发射，5 个接收线圈组成，实际中深、中感应共用发 两安石油人学硕七学位论文 射线圈t l 、t 2 、t 3 。在多年的应用中发现，由于它的线圈系布局不够合理，有以下几个 缺点： 第一，由于线圈设计不合理，深感应本身分辨率低，并且存在盲频率，无法用现代 信号处理方法提高分辨率。 第二，由于中感应的线圈系结构左右不对称，主线圈对间距与深感应不一致，造成 中感应响应不对称，分辨率和深感应不一致。 第三，深感应和中感应共用一个主发射线圈，而主接收线圈相距一定的距离，如果 仪器在测井时提升速度不够，则可能会产生深度误差。 第四，由于电极筒材料、电极系结构存在缺陷导致电极系绝缘电阻低，维修困剌4 j ； 仪器线圈系和电极系采用轴向依次布局来连接，仪器长度增加的同时导致感应和侧向不 能同时测量同一深度的地层。 近年来国内也研制了几种新型测井仪器，包括胜利测井公司新研发的一种新型数字 化微球测井仪s l 6 1 0 5 数字微球聚焦测井仪，数字聚焦微球测井仪器能够通过对微 球曲线的处理得到反演的微电极曲线，只需要一块微球极板就可得到冲洗带电阻率、微 电位、微梯度等曲线；2 0 0 8 年初，阵列感应测井仪工业化仪器m i t 也由中国石油集团 测井有限公司研制成功【5 】，但目前还未大面积推广。 国外三大测井公司对作业需求量大的常规测井系列进行了系统集成，改进仪器传感 器设计，优化电子线路和机械设计，大大缩短了组合仪器串长度，增强了仪器稳定度， 提高了测量准确度，降低了不确定度，提高了测井作业的时效【6 】。目前市场主导产品是 斯仑贝谢公司的m a x i - - 5 0 0 系统、贝克阿特拉斯公司的e c l i p s - - 5 7 0 0 系统及哈里伯顿 公司的e x c e l l 一2 0 0 0 系统。同时为了满足一些特殊的测井需要，各测井公司又开发了 集成快速测井平台系统1 7 j 。 e c l i p s - - 5 7 0 0 系统采用了双相量感应测井仪( 1 5 0 7d p i l ) 。双相量感应测井仪具 有三种探测深度的电导率和电阻率测量，它能测量9 0 。相移信号和1 8 0 。相移信号；其 深感应探测深度为1 5 7 m ，中感应径向探测深度为o 7 9 m ，球形聚焦的探测深度为0 4 1 m 。 该仪器具有根据目的地层可选取三种工作频率：l o k h z 、2 0 k h z 、4 0 k h z ，能在高阻薄层 的沉积环境中测量，具有较高的精度与稳定性和更大的动态范围峰j 。 e x c e l l 一2 0 0 0 系统采用双侧向和高精度感应测井相结合。双侧向的上下屏蔽电极 采用分离供电模式；用四个箱体的地层模拟器来进行三点刻度；硬马笼头代替软马笼头。 高精度感应测井仪的垂直分辨率为0 6 1 m ；径向最大探测深度为2 5 m ，可以对五种不同 探测深度进行处理，相当于阵列感应的特尉9 j 。 本文正是在对国内大量使用的传统双感应八侧向仪器的缺陷进行研究的基础上，结 合国内外测井技术市场的需求与现状，对高分辨率感应和数字球形聚焦测井系统进行研 究与实现。 4 第一章绪论 1 2 2 测井技术未来的发展趋势 通过以上介绍不难看出，测井技术装备尤其是井下仪器继续向集成化、高分辨、深 探测、高可靠、低成本发展。井下仪器测量探头阵列化，变单点测量为阵列测量以适应 地层非均匀介质的需要，为储层评价的深入提供丰富信息，奠定提高储层饱和度精度的 基础【1 0 1 。各种测井仪器的集成化测量不但提高了测井时效，而且改善了测井综合评价 所需要信息的一致性，提高了测井资料的整体评价水平，同时仪器长度的缩短不但降低 了钻井成本也可以挂接更多的配套仪器。阵列感应测并、阵列侧向测井和阵列声波测井 是测井技术的发展主流。以方位侧向、多分量感应和交叉偶极子声波测井为代表的储层 各向异性测井不但实现了三维测井，也为突破薄储层测井评价的瓶颈技术指明了方向。 1 3 研究内容及主要工作 根据目前测井技术的发展和我国测井仪器市场的现状，在原有感应和聚焦测井理论 的基础上提出一种高分辨率的感应和球形聚焦测井系统。本文在前人理论研究和总体设 计方案基础上，主要研究内容如下： 1 感应线圈系的探测性能及刻度的理论与方法研究。深刻理解感应测井基本原理， 分析了传统双感应线圈系的缺陷，提出高分辨率感应测井仪的线圈系结构，设计原理， 各种参数确定以及相互之间的关系。 2 数字球形聚焦电极系的探测性能研究。高分辨率感应测井仪器采用了感应测井与 数字球形聚焦相结合的测井方法，但其组合方式又不同于传统的感应一聚焦测井仪器，采 用的是感应线圈系与聚焦电极系径向重复布局。另一个特点在于数字球形聚焦不是通过 硬件聚焦，而是通过软件聚焦的。 3 测井仪系统设计与实现。包括感应测井子系统、数字球形聚焦测井子系统以及数 据处理和主控电路的设计、焊接及调试。 4 测井仪器质量控制分析研究。在系统调试的基础上对测井仪器质量控制的关键环 制义器刻度理论与方法进行研究分析，包括感应和球形聚焦测井的刻度理论和方法研 究。 题目来源：西安思坦科技有限责任公司 西安石油大学硕士学位论文 第二章感应线圈系探测性能研究 普通电阻率测井和侧向测井都属于直流电测井的范畴，直流电测井要求井内必须充 满导电的泥浆或水等钻井液体，这样才能使测量电流由井内进入地层，达到测量地层电 阻率的目的【1 。而感应测井可以在井眼不导电的情况下( 如油基泥浆井，空气井) 测量 地层电导率，这种方法对于低阻层反应灵敏，因此更适合区分低阻油、水层和油水过渡 层。近些年随着聚焦感应测井以及阵列感应测井技术的不断发展和完善，感应测井表现 出了良好的纵向和径向探测特性。本文的测井系统研究正是在双线圈系感应测井基本原 理的基础上，提出一种高分辨率的感应线圈系，并对其线圈参数、探测性能进行研究论 证。 2 1 感应测井基本原理 2 1 1 基本原理 r 中z 一； 。 j 发射电路 一i _ - _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。一1 【一f i 一 、 圈尺 j j 发射线圈7 _ ， 、。一， 图2 - 1 感应测井原理图 感应测井原理如图2 1 所示，当交变电流通过发射线圈r 时，除了在接收线圈尺中 产生的感应电动势k 外，在发射线圈周围的地层中还会形成交变磁场。，设想把地层分 成许多以井轴为中心，与井轴垂直的单位圆环，每个圆环相当于一个导电环。在交变场。 作用下，这些圆环就会产生感应电流f ，该电流是以井轴中心的涡流，涡流在地层中流 6 一 ”一 ， 一一 、 夕|、， 一。 ，j， ， 一 4，ii。rhr、p。b。r。11。，1，l 第二章感应线圈系探测性能研究 动，又会形成二次交变磁场，通过接收线圈尺时在接收线圈中产生感应电动势 ( 二次场感应电动势) ，由于二次场感应电动势的产生与感应电流，有关，而感应电流， 与地层的导电能力有关，因此通过对该电动势的记录分析，就可以测量介质的电导达到 区分地层性质的目的【1 2 1 。 假设整个空间是均匀无限介质，仃为地层电导率，对于一个发射线圈和接收 线圈匝数分别为r ，。，线圈半径均为口，发射线圈与接收线圈间的距离为三的 双线圈系，接收线圈中产生的感应电动势为： y = 糍筹笋七而廊p ( f 七厕， 协1 ， 式中，i r 是发射线圈的电流强度，国是电流变化的角频率，4 ，a r 分别为发射和接收线 圈的面积，2 为地层磁导率，复波数后2 = 国2 1 2 ( 8 + i a c o ) ，由于我们研究的是频率不高的 感应测井，满足a i ( t o e ) 1 的条件，因此可简化为k 2 i c o p a r ，由于口 l ，所以( 2 1 ) 可以化简为 y ：i c ”l a l r a r n r a r n r ( 1 一f 址1 p k l ( 2 2 ) 2 x ? 将上式展开，忽略三次方以上的高次项，可以简化为 y ：一竺：丝：! ! ：丝! ：型e 丝丝墨墨 4 碰 式中比例系数 仃+_io)2irarnrarrr：k口+icotirarnrarrn( 2 3 ) 2 n - l j2 彬 k ：一c 0 2 , u 2 i r a r n r a g n r( 2 4 ) 4 冗l 称为测井仪器的仪器常数，当仪器结构一定，电流强度保持不变时，尺为常数。当电导 率盯= 0 时，七= 0 ，把它代入( 2 3 ) 式得 比：丝堕掣丝 ( 2 5 ) “ 2 彬 从( 2 3 ) 和( 2 5 ) 式可以看出，接收线圈中的感应电动势的实部与测量地层的电 导率仃成正比，这是感应测井需要测量的成分，称为有用信号，其相位与发射电流差 1 8 0 。，而虚部与地层导电性无关，是感应测井不测量的成分，称为无用信号以，即直接 耦合信号，其相位与发射电流差9 0 。在实际的测井过程中，应该把比消除掉，通常采 用补偿线圈的方法，使以降到最小。本文利用有用信号和无用信号相位之间差9 0 。，采 用数字相敏检波的方法来消除无用信号。 2 1 2 视电导率 在感应测井中，直接测量到的信号是电压信号，即感生电动势。为了方便，常定义 7 西安石油人学硕十学位论文 一个测量电导率来表示测量信号。由于实际地层是非均匀地层，测量电导率不等于地层 的真实电导率，故称其为视电导率，而称真实电导率为真电导率。视电导率定义为 ：丘：v-vxo ( 2 6 ) a 2 卫k 2 k l z b ) k 为接收线圈中的有用信号，它与均匀介质的电导率盯之间的关系： = k a ( 2 7 ) 当线圈系轴线与井轴重合，非均匀介质满足分区均匀且旋转对称条件时，感应涡流 就只在一种介质中流动，而不穿越不同介质的分界面。由于几何因子理论不考虑涡流间 的相互作用，也不考虑不同介质电导率差异引起的界面效应。因此非均匀介质全空间信 号就是由各分区信号相加而成，那么非均匀介质的视电导率吒为： o a = g l 仃l + 9 2 仃2 + = g ，o t ( 2 8 ) 仃表示各分区电导率，如图2 2 所示，其中介质1 为井液，介质2 为套管，介质3 为水泥环，介质4 为地层；岛为积分几何因子，表示非均匀介质中第i 区所贡献的有用 信号的权，它是一个无量纲数，常以百分数表示，其值取决于该区截面的大小及相对于 线圈系的位置。( 2 8 ) 式表明非均匀介质的视电导率等于各分区电导率与该区积分几何 因子乘积之和。 1 盯i 图2 2 非均匀介质模型 发射线圈中交变电流源激发的电磁波在导电的地层媒质和井筒内的泥浆中传播，接 收线圈中的接收信号与发射线圈中的激励信号比较振幅和相位都会发生变化。接收信号 与发射信号同相的分量称为实部分量，与发射信号差9 0 。的分量称为虚部分量。虚部分 量中很强的成分为“直接耦合信号。实部与虚部分量中均有反映地层电导率的信息， 但传统的感应测井仪器中，抑止很强的虚部分量，测量实部分量，从而求出地层的视电 导率。而2 0 世纪8 0 年代以后的感应测井仪器除了测量实部信号分量，还准确地测量虚 部信号分量。本文研究的高分辨率感应测井仪系统，也是同时测量实部信号和虚部信号。 8 第二章感应线圈系探测性能研究 2 2 高分辨率感应线圈系的提出 为了改进传统双感应测井仪探测性能不理想和线圈系聚焦不合理的现状，哈里伯顿 公司提出了一种高分辨率的感应测井仪的线圈系设计方案，它是一种聚焦线圈系，采用 对称的五线圈系结构，如图2 3 所示，其中d t 和d t 是深感应的发射线圈，m t 和m t 是 中感应的发射线圈，r b 和r b 是深、中的屏蔽线圈，r 为主接收线圈。由于感应测井的 双线圈只有理论上的意义，因为它的直耦信号太强，使仪器无法测量出比直耦信号弱几 十到几千倍的地层信号，为了消除直耦信号，在双线圈系的基础上，引入屏蔽线圈，屏 蔽线圈的作用是对主信号进行聚焦，使主信号限制在一定的范围，来达到改善线圈系探 测特性的目的，因此也称为聚焦线圈系【1 3 】。 m tr m t d tr brbdt 图2 - 3 数字式高分辨感应测井仪线圈系结构 根据双线圈系的直耦信号公式( 2 5 ) ，可得接收线圈上的直耦信号表达式 = v x r r + v x r s + y 南+ 形耵r + 矽耵口+ 形耵w ：堡堕i 生丝丝丝丝+ 丝z ：丝垒丝+ 墨三! 三生：型复l + 2 x l岛i i m g l ri下ar,nr,arnr+tar,nr,abn8+ar,nr，,an,ns,i ( 2 9 ) 2 万【 三；尺三；曰辟冒 j 上式中，丁为发射电流强度，4 和4 为发射线圈面积，幺和a 占、a 占是接收线圈 和屏蔽线圈的面积，所有的线圈均缠绕在相同直径的芯棒上，所以面积均相等，r 、r 为发射线圈匝数，r 和驴口是接收线圈和屏蔽线圈的匝数，豫、l m 是发射线圈 到接收线圈之间的距离，三硒、三m 、工阿、三m 是发射线圈到屏蔽线圈之间的距离。设 计时要使直耦分量等于0 ，即以= 0 ，式( 2 9 ) 中，除了屏蔽线圈的匝数，其他参数都 是已知的，因此可以求出深、中感应的屏蔽线圈匝数，它们和主接收线圈串联，缠绕方 向相反。 深、中感应均为五线圈系结构，所有的线圈均缠绕在同一个玻璃钢芯棒上，共用一 个接收线圈r ，线圈系两边对称布置屏蔽线圈和发射线圈。为了使深、中感应具有同样 的高分辨率信息，屏蔽线圈采用中心抽头的结构，匝数少的是中感应的屏蔽线圈，匝数 多的为深感应的屏蔽线圈，两者的发射线圈和屏蔽线圈的匝数和位置不一样。深、中感 应的发射频率均为2 0 k h z ，分时发射不同强度的电流，为了使深感应有足够大的接收信 号，深感应的发射线圈匝数多，发射电流大。由接收线圈测量到实部和虚部信号后，经 9 西安石油大学硕士学何论文 过数字化后进行归一化刻度，然后传到地面进行信号处理改善测量信号的相应特性【1 4 】。 线圈系缠绕的芯棒材料为玻璃钢，深、中感应共用一组接收线圈，用不同位置的中 间抽头来区分各自的接收线圈。为了使线圈在电感达到谐振要求的同时又具有比较高的 品质因数，采用多股漆包线并联绕制的方法来减小其等效电阻，使得在同样发射条件下， 线圈系的灵敏度较常规感应线圈系有了较大提高，线圈系工作更加稳定。 2 3 高分辨率感应线圈系的探测特性 2 3 1d o l l 几何因子 d o l l ( 1 9 4 9 ) 在提出感应测井方法的同时，为了描述地层各部分对测量信号贡献( 即 感应测井测量信号的来源) 提出了d o l l 几个因子。它将地层看作由很多小的导电环组成， 不考虑导电环之间的相互影响【1 5 】。对于双线圈系，d o l l 几何因子的表达式为 ， 3 g o o # ( p , z ) 5 纛3 3 ( 2 1 0 ) 一 。 ( 2 1 0 ) 式中 2 = ( 2 - 11 ) ( 2 1 2 ) ( 2 “) 式和( 2 1 2 ) 式中，三是发射与接收线圈之间的距离；是发射线圈到地层环 之间的距离；r r 是接收线圈与地层环之间的距离；z 丁是发射线圈的纵向坐标；是接 收线圈的纵向坐标。 二维几何因子真实的反映了测井时井眼、冲洗带、侵入、围岩等环境影响。而在实 际应用中，为了更好的描述感应测井测量信号的来源以及感应测井仪器的纵向分辨能力 和径向探测特性，进一步由二维几何因子定义了一维几何因子。 ( a ) 定义纵向微分几何因子为 g 脚( z ) = 【g ( p ，z ) d p ( 2 1 3 ) ( b ) 在纵向微分几何因子基础上定义纵向积分几何因子为 g w c ；f ( 日) = 二g 肼( z ) d z ( 2 1 4 ) ( c ) 定义径向微分几何因子为 g 脚( 户) = g ( p , z ) d z ( 2 1 5 ) ( d ) 根据径向微分几何因子定义径向积分几何因子为 g 脚( 尺) = g r o f ( p ) d p ( 2 1 6 ) ( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 式中z 是地层的位置、日是地层厚度，p 是地层 环半径，尺为无限长圆柱状地层的半径。 l o 第二章感应线圈系探测性能研究 2 3 2 感应线圈系探测特性 由于高分辨率感应测井仪线圈系采用的是复合聚焦线圈系， 论来分析其探测特性。复合线圈系的视电导率可表示为 u 厶n n r f , n r j 烈a 加卤 厶一厶一l = l ，- l厶” 所以要用复合线圈系理 ( 2 - 1 7 ) 将视电导率改为几何因子g 。，就可得到聚焦线圈系的几何因子 芒芒n t | n 田 弓塑岛 g ( 办力= 专薪 ( 2 - 1 8 ) f v ：翌：丝 厶j f i 厶i = l 厶o g ，即为( 2 一1 0 ) 式的d o l l 几何因子，只是将发射和接收线圈看成多组的双线圈系， f 表示发射线圈个数，接收线圈个数。根据式( 2 1 8 ) 可以算出高分辨率感应测井仪深 感应和中感应的径向探测特性，如图2 4 e ，f 所示。图2 4 a ，b ，c ，d 是用图2 4 e ，f 在 o = 0 时的深中径向微分b o r n 几何因子计算得到的实部和虚部，分别为电导率0 0 ，0 5 ， 1 0 ，5 0 ，9 0 s m 的纵向微分几何因子。从图中可以看出高分辨率感应测井的一维响应 函数具有如下特点【l 】： a 深感应纵向微分几何因子实部 b 深感应纵向微分几何因子虚部 西安石油大学硕士学位论文 铳。一。卿。j 。j 。玩。i 。姑i 纛 c 中感应纵向微分几何因子实部 旬矿可一7 歹气一 证t 。赢；i z 如。慵j 甜。砌n | f j ，。? 书交翮。j蠢矗。皆矗 1 。”一。“”。“? ”“1 。“”一。”豫 - 0 0 5 ：- 3 酝；麓。， 7 矿? 一矿7 7 i 一 。一 j 川，j 。j - 点。j t 巍鹄。i 。j ? ，j 。，。“。j i 。，：。2 ， d 中感应纵向微分几何因子虚部 e 深感应径向微分与积分几何因子 f 中感应径向微分与积分几何因子 图2 4 高分辨率感应测井仪的一维响应函数 ( a ) 径向探测深度为2 5 m ，比传统深感应深；井眼影响小；响应函数对称，主瓣有 一个小尖峰，旁瓣衰减缓慢，只有高电导率时才出现负响应。 ( b ) 中感应径向探测深度约为l m ，与传统中感应相当，井眼影响小；响应函数左 右对称，主瓣有一尖峰，旁瓣衰减缓慢，趋肤效应小，在正常电导率范围内无负响应。 ( c ) 趋肤效应影响与传统的双感应类似，随电导率增加非线性变化，且空间分布， 不同点的趋肤效应影响不一样。 ( d ) 电导率小时，虚部分量的主瓣宽度宽，旁瓣衰减比实部更缓慢；随电导率增加， 信号强度增加，旁瓣衰减加快，但变化仍然是非线性的。 2 4 本章小结 本章从感应测井的基本原理出发，以更深的探测深度和更高的纵向分辨率为目标， 1 2 第二章感应线圈系探测性能研究 用以解决薄油层和剩余油层的勘探开发问题。在此基础上对五线圈系的中、深感应线圈 系的探测性能进行了理论分析和计算，最终通过绘制几何因子曲线得出了以下结论：高 分辨率感应线圈系与传统的双感应线圈系相比具有更加优异的性能，具有更深的探测深 度( 2 5 m ) ；更高的纵向分辨率( o 4 4 m ) ；具有较小的井眼影响；深、中感应线圈测量点 在同一位置，不会引起深度误差。 西安石油人学硕十学位论文 第三章数字球形聚焦电极系探测性能研究 设计球形聚焦测井的目的，是想使在探测深度较浅时测井响应不受井眼影响。它的 出发点是依据在均匀介质中，点电极发出的电流呈辐射状，等电位面是以点电极为球心 的同心球面。但是在油井存在的非均匀介质中，由于井内是导电性好的盐水泥浆，井中 点电极发出的电流主要沿井眼流动，其等位面不是球面。球形聚焦测井就是设法在井眼 内形成辅助电流，把点电极发出的主电流排挤到地层中去，使主电流形成的等位面是圆 球形，这就相当于没有井眼影响的均匀介质一样。所以球形聚焦测井电极系与普通侧向 测井的电极系有较大差别【l9 1 。另外，传统的侧向测井和球形聚焦测井都是利用硬件聚焦， 通过测量电极的电位，经过计算得到地层的视电导率。本文所采用的数字球形聚焦测井 采用软件实现理论聚焦，这样在达到球形聚焦电极系的探测性能的同时，不仅使球形聚 焦测井系统的电路更加简单，而且调试维修更加方便。 3 1 数字球形聚焦测井的工作原理 数字球形聚焦测井电极系的结构和尺寸与通常的球形聚焦测井的电极系完全相同， 它们的区别在与信号形成和处理方法不一样。球形聚焦是本文的数字聚焦方法的理论基 础，在此基础上再分析数字球形聚焦测井的工作原理和信号处理方法。 3 1 1 球形聚焦测井原理 球形聚焦测井是一种探测深度比八侧向更浅，但受井眼影响更小的浅探测电阻率测 井。其应用与八侧向类似，常与感应测井组合使用。 球形聚焦测井由九个电极组成，如图3 1 所示，其中4 为主电极，a ，、a 为屏 蔽电极，m 。( ，、m 。为测量电极，m l ( ，、m 。和m 2 u 、m 2 l 为监督电极。这些电极对称 的排列在主电极4 的两端，每对同名电极用粗导线短路。主电极a 。流出的电流，一部分 经过地层流入回流电极易称为测量电流，用，。表示( 图中虚线) ；另一部分电流流到屏 蔽电极a ”，、a ，称为屏蔽电流，用，。表示( 图中实线) 。在测量时，电极系依靠电路 反馈保持探测电流动态聚焦，自动调节，。和，。，使监督电极之间的电位差等于零。而测 量电极与监督电极之间的电位差等于给定值。由于监督电极m 。和m ，之间的电位差等于 零，因此可以认为，监督电极附近相当于有一“绝缘塞 ，它阻止屏蔽电流沿井轴方向流 动。屏蔽电极4 ”4 ，位于监督电极与主电极之间，所以屏蔽电流，。主要在两对监督电 极之间的井眼内流动。由于。和，。的极性相同，在电场力的作用下，测量电流，。被排 斥而大量地进入冲洗带介质中。假如冲洗带电阻率不变化，则冲洗带可认为是均匀介质， 所以测量电流，。流向回流电极易的电流线向四周均匀散开而呈辐射状，其等位面可近似 看成为圆球形。 1 4 第三章数字球形聚焦电极系探测性能研究 球形聚焦测量方法可采用与七侧向相同的恒流法，也可采用恒压法测量。采用恒压 法所测的视电阻率为： r n = r s f l = ka tvo(3-1) _ fm 式中：k 球形聚焦测井的视电阻率； 测量电极m 。与监督电极m 。、m ：中点d l