随钻测井技术.doc

随钻测井技术发展水平引 言据统计，近十年来，世界上有关随钻测井（LWD）技术和应用的文献呈现出迅速增多的趋势。这反映了西方国家开始越来越多地重视LWDMWD。这是两个方面的原因产生的结果。一方面石油工业界强烈需要勘探和开发业降低成本，减少风险，增加投资回报率。另一方面，MWD/LWD有许多迎合石油工业需要的优势，如随钻测井时，钻机不必停钻就能获得大量地层评价信息，节省了宝贵的钻井时间，从而降低了钻井成本。MWD提供的实时信息可即时使用，如可用于预测钻头前方地层的超常压力、预测复杂危险的构造，给钻井工程师警报提示，迅速采取措施，减少事故发生率。近几年里，大斜度井和水平井迅速发展，海上石油的开发受到重视。在这样的井中测井，常规电缆测井难以进行，挠性管输送测井和钻杆传送测井成本十分高，现场操作困难。LWD是在这类井中获取地层评价测井资料的最佳方法，此外，LWD信息还能指导钻头钻进的方向，引导钻井井迹进入最佳的目标地层。随钻测井（LWD）技术是在钻井的同时用安装在钻铤上的测井仪器测量地层电、声、核等物理性质，并将测量结果实时地传送到地面或部分存储在井下存储器中的一种技术。该技术要求测井仪器应能够安装在钻铤内较小的空间里，并能够承受高温高压和钻井震动；安装仪器的专用钻铤应具有同实际钻井所用的钻铤同样的强度；还应具有用于深井的足够功率和使用时间的电源。LWD是随钻测量技术的重要组成部分。MWD除了提供LWD信息外，还提供井下方位信息（井斜、方位、仪器面方向）和钻井动态和钻头机械的监测信息。MWD探头组合了LWD探头、方位探头、电子遥测探头，一般放在钻头后50100英尺的范围内，一般来说，MWD探头越靠近钻头越好。LWD探头提供地层评价信息，用于识别层面、地层对比、评价地层岩石和流体性质，确实取心和下的点。方位数据用于精确引导井迹向最理想的储层目标。钻井效率和安全性通过连续监测钻井而达到最佳。目前的随钻测井技术已达到比较成熟的阶段，能进行电、声、核随钻测量的探头系列十分丰富，各种型号的、适用于各种环境的随钻电阻率、密度、中子测井仪器进入MWD市场。哈里伯顿的PathFinder随钻测井系统包括自然伽马、电磁波电阻率、密度、中子孔隙度、井径和声波等。斯仑贝谢公司的VISION475测井系统包括声波（SI）、电阻率（RAB）、阵列电磁波电阻率（ARC5）及密度中子（ADN）等。Sperry Sun公司的三组合测井系统包括SLIM PHASE4电阻率仪、SLIM稳定岩性密度仪及补偿热中子仪，还测量伽马射线。在地层评价的许多方面LWD已经可以取代常规电缆测井。世界各地的MWD作业实践已经表明，随钻测井对于经济有效的测井评价，相对于常规电缆地层评价有明显优势。发展MWDLWD技术，应用MWDLWD成果已是西方钻井测井相关公司的热点研究领域。必须承认我国自行研究和开发随钻测井技术是一片空白。本报告将深入地调查国外随钻测井技术的发展历程，技术水平现状，应用情况，预测发展趋势，分析LWD市场，分析LWD风险，供管理决策和研究人员参考。（二）发展历程LWD技术的初始发展是和钻井、电测井的发展伴生的。勘探钻井的基本目的是发现新的油气储层，获得岩石物理学家进行油气层评价的重要信息，钻井是获得这些信息的手段之一。在钻井的过程中，一口勘探井钻遇到无先验资料的地质条件和潜在储层。显然，获得这些新钻井地层的信息的最佳时间是当这类地层刚被钻井、受到泥浆滤液干扰最小时。如果预先时间知道钻进地层性质的变化特征，就可以制定最佳钻井速度和使用最小的钻井成本，基于这些考虑，人们对在钻井的同时而不是在钻后获得这样信息的可靠的诊断方法，即随钻测井技术的探索和研究和钻井工业的历史一样长。LWD的发展可追溯到1930年前后，当时电缆测井技术开始出现和发展，这是识别和评价地层的手段之一。但它有一个重要缺陷，即所有测量都是在钻井施工完成并将钻头拔出井眼之后进行的，朝着解决随钻测量问题发展的重要一步是在1930年迈出的，这时泥浆录井首次在石油工业界推广，对岩屑进行荧光和含气分析为地质家提供一种在钻井进行的过程中确定被钻地层特征的方法。尽管录井技术的出现是朝着随钻地层评价这一最终目标迈出的重要一步，但还是存在不利之处。就是对泥浆的分析是在地层被钻开30多分钟后开始的。这一障碍在快速钻井地区使得钻井工程师必须暂停钻井和进行泥浆循环，在停钻的间隙寻找泥浆分析结果，这样消耗了大量的、昂贵的钻机在用时间。进行常规测井时，大量的钻井时间也在井眼调整和停钻过程中被耗掉了。为了克服常规测井这种要推几天才进行测量的不足，工业界开始积极寻找一种方法，要求能在钻井的同时提供有关岩性和地层组分的理想信息。大都分努力在很长时间里都花在获得连续的电参数测井上，这证明在常规电缆测井上是极其成功的。井眼环境和泥浆滤液的侵入严重地影响了常规电测井的质量，人们自然地想到在钻头处进行测量。实现这种测量要解决两个独立问题。首先，必须开发一种简单、实用和可靠的通信系统，在钻井的同时将信息从井底传到地面，第二，必须开发能承受钻井条件并能精确测量理想参数的设备和仪器。人们对连续随钻测井的实际尝试从20世纪三十年代早期就已开始，当时Dallas地球物理公司的JCKaraher用一个一段长4-5英尺，将钻头与钻柱绝缘，通过在钻杆的每部分嵌绝缘导棒，提供通向地面的导电，用这种方法得到了令人鼓午的结果，提供了连续的电阻率曲线。这是用电连接方式，传输数据的第一条LWD曲线。二十世纪40年代和50年代仅有的几个专利文献表明，许多发明家和研究组织继续致力于实时的、可靠的随钻系统的研究，遗憾的是，LWD数据传输技术的发展非常缓慢，技术上难以有突破。在测井技术发展开始的50年时间里，在石油工业界许多人的眼里，LWD是难以实现的理想的技术。在二十世纪60年代以前，LWD的发展几乎是停滞不前，少有的几项值得一提的事件是，如前所述的JCKarther等人的连续传输数据的LWD。三十年代美国注册了第一个MWD专利；五十年代，J.J.Arpj发明的泥浆遥测系统首次在技术上获得成功；六十年代，埃克森公司和德士古公司作随钻的井下记录试验，由于缺乏高强度电子线路密封壳和合理的储存介质及系统的结实性能等问题，这种井下记录无广泛应用的吸引力，在SNEA和RAYMOEND工程公司的共同努力及美国能源署的资助下，TELE公司于1978年首次推出了具有商业用途的LWD仪器。这标志着LWD技术已经可行，是LWD技术开始加速发展的里程碑。八十年代初期，吉尔哈特公司的LWD服务居领先水平，已在全世界测几千口井。当时的LWD测量只能测电阻率和伽马射线，更多地用于地层的相关对比。八十年代初期，工业界对LWD在准确性、可靠性和稳定性方面初步建立了标准，并不断进行改进。与此同时，先进的地层评价和井控技术也逐渐成熟。八十年代中后期至九十年代初，MWD井下探头组合的内容不断丰富，能进行电、声、核随钻测井的探头逐步增多，方向测量探头得到发展，综合利用LWD探头和方向探头测量信息的地质导向技术开始发展。尤其是在90年代后，钻大科度井、水平井和小直径多分枝井已成为油气开发的一种常规方法，在这样的井中，常规电缆测井仪器很难下到目标地层，通常借助于挠性管传送测井和钻杆传送测井，这些方法费用高，操作困难。由于LWD的经济吸引力和技术可行性，LWD开始在这些新型井中广泛使用，关于LWD技术成功应用和经济回报的例子及减少钻井事故的例子成功通报出来，LWD研究和应用热点逐步形成。LWD技术现状1 随钻测井数据传输技术现状 随钻测井数据可以在液体(钻井液)侵入周围地层之前采集, 因此数据质量相当于或优于常规电缆测井数据。同电缆测井数据相比，随钻测井数据的特点是： 1）随钻测井与时间有关，与深度无关； 2）数据采集是在动态的而不是静态的井眼环境中进行； 3）由于钻井速率是变化的，所以数据采样不规则。 这些深度间隔不规则的数据在定量（相关对比）和定性（确定岩性和流体饱和度）使用前经数据转换后，变成间隔规则的数据。随钻测井中所有的数据应该都可以从井下实时地传输到地面，但是受传输量和传输速率的限制，现场只将部分必须的用于实时钻井决策和地层评价的数据进行实时传输，而将另一部分数据存储在井下存储器中。根据现场的实际情况，可以选择不同的实时传输数据。 提高有效数据传输率是随钻数据传输的重点。目前使用的数据传输方式有泥浆脉冲遥测和电磁波遥测，另外一种有发展前途的传输方式是声波遥测，正处于研制和开发阶段。 泥浆脉冲遥测是普遍使用的一种数据传输方式，大多数随钻测量都采用泥浆脉冲遥测方式传输数据。它最早由J.J.Arps于50年代提出，主要是通过钻井液在井下传输信号，不需要电缆，因此它不受钻杆旋转的影响。数据传输被转换成一系列的压力脉冲。一般是仪器下井前，在仪器内部设定信号序列和传输速率。有些服务公司可以在泥浆脉冲装置中储存几个传输序列和程序，按连续次序用泥浆循环开始/停止来激活。泥浆脉冲遥测技术的数据传输率较低，为310比特/秒，而电缆的传输率为550660比特/秒。预计通过提高信噪比和优化调制解调，新一代的泥浆脉冲遥测系统的传输率可望提高到50比特/秒。 电磁波数据传输是将低频的EM信号从地下传到地面，它是双向传输的，可以在井中上下传输，不需要泥浆循环。数据传输能力与泥浆脉冲遥测相近。EM传输的最大优点是不需要机械接收装置，缺点是低的电磁波频率接近于地频率，从而使信号的探测和接收变得较困难，目前只能在6000英尺内的井眼中传输数据。EM遥测同小井眼随钻环空压力装置一起使用，成为近距离(60米)无电缆随钻测量装置中的数据传输部分，能传输靠近钻头的测量探头和井眼中的泥浆遥测探头之间的数据。 声波或地震信号通过钻杆传输是另外一种传输方法。声波遥测能显著提高数据传输率，使随钻数据传输率提高一个数量级，达到100比特/秒。声波遥测和电磁波遥测一样，不需要泥浆循环，但是井眼产生的低强度信号和由钻井设备产生的声波噪声使探测信号非常困难。沿钻杆传输的声波遥测最早是四十年代提出的，由于信号损失很大，研制遇到很大的困难。七十年代，Sun 石油公司也做过此类研究，因技术条件的限制未能成功。直到1994年，随着弹性波传播和磁致伸缩技术的发展，人们又开始研制声波遥测装置。 1995年，用磁致伸缩材料制作井下发射器的声波遥测装置样机投入现场应用，并取得了初步成功。但是，样机还有待进一步完善，如缩小井下仪器的尺寸，降低井下仪器的电压，提高仪器的传播距离以便能应用于井的延伸部分。2LWD技术现状1）随钻电测井技术随钻电阻率测井是本世纪八十年代初期为大斜度井、水平井发展起来的技术,广泛应用于钻井地质导向和复杂地层的岩石物理分析。随钻电阻率测井分为高频的电磁波传播电阻率测井和低频的侧向电阻率测井，它们分别与电缆感应测井和电缆侧向测井类似。高频的随钻测井仪测量电磁波的相位和幅度，测量结果中有对垂向电阻率敏感的相移电阻率和对水平电阻率敏感的衰减电阻率，因此能探测到电阻率各向异性，更适合水平井。低频的随钻电阻率测井仪采用了圆柱聚焦技术和测量钻头处的电阻率，能最及时地了解地层的真实信息，有利于钻井施工。高频随钻电阻率测井仪与电缆感应测井仪都发射电磁波,在地层中感应出环行涡流，用一对接收器监测地层信号，都适合在导电和非导电泥浆井眼以及低至中等电阻率地层环境中工作。但高频随钻电阻率测井仪以2MHz频率工作，远高于电缆感应仪10100KHz的频率，而且它安装在坚固的钻铤上，能适应钻井引起的剧烈振动；而电缆式感应仪基本上安装在绝缘性能好的玻璃钢园棒上，不能适应如此恶劣的工作条件,不适合在随钻测井环境中应用。低频随钻测井也与电缆侧向测井类似，均测量地层的聚焦电阻率，都适合在导电泥浆、高阻地层和高阻侵入的环境中工作。随钻电阻率测井仪主要是为水平井测井而设计的，这些仪器能充分探测到地层各向异性、地层倾角以及大斜度角等因素的影响，从而得到与实际地层一致的结论。随钻电阻率成象图是一种更直观、更有效的测量数据，它能覆盖100%的井周，能识别大的地质现象，并能进行时间推移测井，观察到泥浆侵入地层的过程。相比电缆电阻率测井，它具有及时性、准确性和全面性等优点。 LWD电阻率测井发展前景: a随钻电阻率成象仪的发展将是一种趋势,采样率更高,分 辨率更高的随钻电阻率图象将与高质量的电缆测井成象图媲美,它不仅能识别大的地质构造，还能辨别微小的地质现象。 b. 混合补偿技术、多频发射技术以及两者的综合既能达到减小发射器/天线数目，又能增加不同探测深度的电阻率读数，改善LWD地层评价。 c. 现代数字信号处理和直接的数字合成技术不仅能给出准确的电阻率测量值，还能简化电路。 d随钻电阻率测井仪能识别地层边界和分析泥浆滤液对地的侵入，因而能用于地质导向中，保证钻头导向产层，最终获得最大的油气产量。随钻电阻率仪在地质导向中的应用必将越来越重要。 e随钻电阻率测井仪比电缆测井仪更适合在大斜度井、 定 向井以及水平井中使用，这是因为随钻仪能处理各向异性对电阻率测量的影响，能识别被电缆测井仪漏掉的砂泥岩产层，提高储层的产量，所以它将在地层评价中发挥极大的作用。 目前，Sperry Sun公司正在研制一种新仪器随钻核磁共振仪，该仪器正在试验之中。 总之，随钻电阻率测井正在代替水平井中的大部分电缆测井，但随钻电阻率测井在解释一些微小的地质现象以及完善测井成果方面还存在一些困难，它必须与电缆测井相结合才能得到最佳的地层评价结果。 （1）随钻侧向测井技术最早的侧向测井仪是短电位仪（Short Normal）,其原理相当简单：使电流由源电极通过地层回到返回电极，测量电极间的电流和电压降，用欧姆定律求出地层电阻率。然而，对于复杂地层的准确岩石物理分析来说，需要更复杂的仪器测量地层的真电阻率。对短电位仪的改进是普遍使用了电缆测井中的侧向测井技术。1987年勘探测井（Exploration Logging）公司在五十年代早期的三侧向测井的基础上推出了随钻侧向电阻率测井仪。这种聚焦电流电阻率仪在测量电极两侧分别排列了一个电流电极，从而产生了屏蔽电流，迫使主电流进入更深的地层，以测量真电阻率。同时，Gearhart Geodata服务公司研究了另一种方法，它使用一个圆环线圈发射器在钻铤内产生电压差，导致轴向电流沿钻铤流动。在发射器下面，一部分电流径向地流入地层，另一部分电流在钻头处轴向流出。因此可测量两种电阻率：聚焦的侧向电阻率和钻头处的方位电阻率。钻铤上方任意点的电流大小取决于产生的电压和局部地层电阻率,由这种原理发展起来的测井仪是Anadrill公司的钻头电阻率仪（RAB）。RAB是Anadrill公司推出的测量钻头处的电阻率以及多个聚焦电阻率的LWD钻头电阻率仪。该仪器不同于2MHz传播测井仪，它与电缆测井仪中的侧向电阻率仪相似，采用低频（1500Hz）发射，在侧向环境中测量地层电阻率，这样的环境具有中高地层电阻率、盐水泥浆和低阻侵入带等特征。RAB仪测量5种电阻率，3种是纽扣电极电阻率，一种是圆环电极电阻率，这4种聚焦电阻率是靠圆柱聚焦技术（CFT）实现的，通过软件综合上部和下部发射器产生的电流模式，在圆环监督电极处产生一个零轴向流动条件完成聚焦，这确保圆环电流聚焦进入地层，而没有电流沿井眼流动；第5种电阻率测量按非聚焦方式提供钻头处地层电阻率。钻头处电阻率用于地质导向，便于及时了解钻头前的电阻率。3种纽扣电阻率的探测深度各不相同，因此称为深、中、浅纽扣电阻率，它们是通过仪器内部的磁力计来定向的。三个纽扣电极电阻率是方位电阻率，当仪器在井眼中旋转时，能产生电阻率剖面图。RAB仪在油田现场的应用获得了很大的商业价值。三个纽扣电极产生的电阻率成象图是100%覆盖面的全井眼成象图，能得到诸如裂缝、断层和地层倾角等大量的地质信息，在某些方面能与电缆成象图相媲美。该仪器的新系列是扩展电阻率测量范围，并改进了图象质量的地质视象电阻率仪（GVR）。（2） 随钻电磁波传播电阻率测井技术 随钻电磁波传播电阻率测井的基本原理是：绕在钻铤上的发射线圈发射高频电磁波，电磁波在被钻铤上的两个接收线圈探测之前在井眼和地层中传播，两个接收器探测到的电磁波的相位差和幅度衰减与井眼附近地层的电阻率有关，测量点是两接收器的中点。由相位差产生的电阻率称为相移电阻率Rps,幅度衰减产生的电阻率称为衰减电阻率Rad。相移电阻率对垂向电阻率很敏感，而衰减电阻率对水平电阻率很敏感，因而随钻电阻率测井能探测到电阻率各向异性，更适合于水平井；而电缆电阻率测井只能探测到水平电阻率，更适合于垂直井。随钻电磁波电阻率仪器不同于电缆测井仪,它涉及到几个矛盾因素。出于机械强度的考虑，仪器必须牢固地安装在不锈钢（或高强度材料）制成的钻铤上；电子线路必须坚固，并能在温度变化的大井眼中保持稳定。另外，仪器要有好的探测深度，能在各种泥浆中使用，地层分辨率要好。感应仪能满足大部分所要求的性质，但是感应仪不能在剧烈的震动环境下工作，因而不能安装在钻铤上，这使得设计者只能选择接触技术或非常规技术。该技术就是EWR（Elctromagnetic Wave Resistivity ），即电磁波电阻率。随钻电磁波电阻率仪也不同于电位仪、感应仪以及介电仪。由电磁波谱显示出传导电阻率仪的工作频率是1KHz，感应仪的操作频率是20KHz，这两种仪器的共同特征是：其设计的目的都是使波传播的影响最小。然而，感应仪的传播校正通常称为“趋肤效应”校正，这种校正相当复杂，所以不能采用这样的仪器。但在许多情况下，使用传播效应比补偿传播效应更为有利。EWR仪在0.5MHz4MHz范围内能有效。在15100MHz范围内，能测量电阻率和介电常数，在300MHz2GHz范围内，介电影响控制了电阻率影响，因而能直接测量介电常数。高于2GHz，探测深度很浅，不能测量到地层的电阻率。当频率增加时，介质的介电常数的影响很明显。尽管介电常数随频率增加而减小，但它对传播电阻率仪器的响应还是会产生一些影响，在高阻地层中，介电常数会导致视电阻率小于真电阻率。随钻电磁波传播电阻率测井技术按仪器的类型分为单阵列LWD技术和多阵列LWD技术。单阵列LWD 技术. 1983年, NL产业公司(Baroid 技术公司)首次推出了解决感应类环境的LWD仪电磁波电阻率仪(Electromagnetic Wave Resistivity，EWR),并成为该行业的标准。该仪器有一个2MHz发射器和两个接收器,发射器与近接收器的距离为24英寸,两接收器间距为6英寸，发射器在接收器的下面。接收器测量发射信号的相位移和幅度衰减，并通过电阻率转换产生相移电阻率。EWR仪一经推出，就在油田现场应用中发挥出了较好的作用BakerHughes INTEQ公司于1986年底推出了双传播电阻率仪（Dual Propagation Resistivity，DPR），这是一种与EWR相似的随钻电阻率仪器。它也有一个发射器和两个接收器，其源距分别是27.5英寸和34.5英寸，接收器间距为7英寸。发射器发射2MHz电磁波进入地层，接收器测量电磁波的相移和衰减，并将之转化为相移电阻率Rps和衰减电阻率Rad。DPR仪能探测到和发射器间距同等厚的地层。由于短电位仪和电缆感应仪不能提供准确的电阻率测量，因而研制了DPR仪。短电位仪尽管能探测薄层，但受到泥浆中的中高浓度的氯的影响，并且不能在油基泥浆中使用。电缆感应仪有时不能在大角度井、不规则井和不光滑的井中使用。而DPR仪能在油基、盐饱和泥浆中使用。相移电阻率的探测深度比衰减电阻率的探测深度要浅一些,但都能消除大部分井眼影响。对于典型地层，相移电阻率的探测深度为2350英寸，衰减电阻率的探测深度为3950英寸。尽管这两种电阻率测量的探测深度没有深感应仪的深，但它们是在钻后立即测量，能给出准确的地层真电阻率。DPR仪的接收器间距是7英寸，这使之能探测到6英寸的薄层，但地层太薄时不能得到准确的真电阻率，其影响因素是围岩的电阻率。DPR仪基本上与EWR仪类似,其油田应用效果也与EWR仪相似,但其测量结果中有两条电阻率曲线,因而它还有一项独特应用,即利用两种电阻率曲线的重合和分离可以区分侵入和油气的影响。在泥岩层，两条曲线重合；而受到侵入影响时，两条曲线通常会分离。 1988年，斯仑贝谢公司推出了井眼补偿双电阻率仪（Compensated Dual Resistivity,CDR）。这种补偿双电阻率仪有两个发射器对称分布在接收器的两侧，每一发射器交替发射电磁波，测量接收器间电磁波的相移和衰减并平均。 这种仪器改进了EWR和DPR仪，它不仅能得到两种电阻率，还能利用两个对称分布的发射器完成井眼补偿。一般情况下,井眼影响取决于井壁是否光滑或凹凸不平。在平滑的井眼中，井眼直径和泥浆电阻率对视电阻率几乎没有影响；而在凹凸不平的井眼和导电的泥浆中，井眼影响则很大。上、下发射器分别单独地发射，并把向上行和向下行的电磁波的相移和幅度衰减进行平均。井眼补偿也抵消了探测器和电子线路的误差，改善了仪器的精度，并给出对称的纵向响应。CDR仪相对于EWR和DPR仪的最大优势是能准确地确定地层的厚度。由于两种电阻率是由井眼补偿得到的，因而它们的纵向响应是对称的；另外，它们的测量点正好位于接收器的中点，这产生了一个有意义的结果：两种电阻率曲线在层界面处互相交叉。在侵入较浅时，两条电阻率曲线交叉，这能提供一种确定层厚的方法；而在侵入较深时，两曲线则不互相交叉。单阵列型仪器在解决比较简单的地质问题和地层评价问题上的确迈出了可喜的一步，在处理大斜度井和各向异性问题上比电缆仪器更胜一筹。但由于这些仪器的发射器数目偏少，导致探测深度的范围较小，因而在某些特殊或复杂地层时，不能准确直观地反映地层被泥浆滤液侵入的具体情况，漏失掉一些重要的地层信息，地层评价能力也受到了局限。有时甚至会导致对地层真电阻率的误解释。主要有三个原因： a.因为明显的快速泥浆滤液侵入会对常规的LWD测量产生巨大影响；由于井底钻具组合的限制使探测器远离钻头时也会产生误解释。 b.尝试增加衰减电阻率来证实“真电阻率”的测量也很难。尽管对于相同的源距，衰减电阻率的视探测深度要大于相移电阻率。然而在一些情况下，相移电阻率比衰减电阻率更接近于真电阻率。 c.认为相移和衰减电阻率曲线在渗透层的分离是由于侵入 造成的未免过于简单。衰减电阻率的垂直分辨率比相移电阻率要差，而且其固有准确度比相移电阻率随电阻率的增加而减小得更快。而且由于地层介电常数的不确定性导致的潜在误差对衰减电阻率的影响更大。在非侵入地层，两条曲线分离的原因是仪器偏心、井眼影响、高地层介电常数以及围岩大“相对倾角”。 因此，研制多阵列随钻电阻率仪成为一种必然趋势。 多阵列LWD仪.选择多阵列的目的是为了能提供多个探测深度,来具体分析泥浆滤液侵入的动态变化,利用最深的探测深度确定地层真电阻率,并在大量侵入发生的情况下测量冲洗带的电阻率。另外，根据相移电阻率曲线和衰减电阻率曲线的重合和分离，以及随钻和钻后两种模式电阻率曲线的分离和重合可以定性分析油气类型和判断渗透率的变化，区分可动油和重油，以及改善薄层分析等。Sperry Sun 钻井服务公司于1992年推出了多阵列型EWR4相位仪（EWRPHASE 4）,它有四个发射器和两个相距6英寸的接收器, 除了最长的源距使用1MHz外,其余的工作频率均为2MHz ,它能测量到4个相移电阻率Rps和4个衰减电阻率Rad,总共有8种不同的探测深度和8条电阻率曲线。4个发射器到近接收器的距离分别为6、12、24和36英寸（24英寸的源距是原始的 EWR仪的源距），并分别与超浅、浅、中和深对应。EWR4相位仪在墨西哥湾应用得很成功，其具体应用如下： a.确定地层的真电阻率。超浅和浅相移电阻率由于受到淡水泥浆滤液的侵入会减小，而中和深相移电阻率的重合证明了它们的值是地层的真电阻率。 b.定性分析油气类型。在含有不同类型油气的砂岩中，能观察到侵入模式的差异，含气砂岩有一个明显、快速的侵入剖面，而含油或水的砂岩显示出对快速侵入的较强的阻碍性，这种现象被认为是在很大程度上由于流体流动的差异造成，与岩石性质或压力差异无关。 c.确定渗透率的相对变化。 利用时间推移测井技术能确定渗透率变化。实时测量某一地层后，操作者需要钻后测量，通过比较随钻测井侵入剖面和钻后测井侵入剖面，能得到渗透率变化的定性结论，如果井壁岩心分析证实侵入剖面的差异与渗透率的变化有关，那么EWR4相位仪能反映渗透率的变化。 d.了解侵入动态。 泥浆滤液侵入含油气地层使地层评价过程变复杂，随着多探测深度的随钻电阻率探测器出现，定量确定侵入过程成为可能。但由EWR4相位仪产生的测井数据好象并不支持环状或台阶状侵入模型，因而提出了一种新的矿化度过渡模型。 e.犄角的应用。 犄角并不表示地层真电阻率，它由地层边界积累的电荷产生，并以发射的电磁波的频率产生振荡。井眼对倾斜地层的方位以及相邻地层电阻率的反差能确定犄角的大小，因此犄角的出现能提供对相对倾角和地层沉积特征的了解，以及在高度倾斜的井中给出地层边界的位置。 f.井眼不稳定性指示器验证水解泥岩。 根据较浅与较深的电阻率曲线的分离能观察到泥岩的膨胀和跨塌，这能作为泥岩不稳定性沉积或矿化度地质环境变化的指示，有利于有效地确定钻井和泥浆施工。 哈里伯顿公司于1993年推出了多阵列补偿型电阻率仪（Compensated Wave Resistivity,CWR），它有4个发射器和两个接收器。它有两种源距（70英寸和40英寸），能得到4条电阻率曲线，即深相移和中相移以及深衰减和中衰减电阻率曲线。深相移和中相移曲线的分辨率几乎相等，因此它们的分离能可靠地指示侵入，这一点是设计此仪器的关键。此外，深衰减曲线和中衰减曲线能作为辅助测量，它们在厚的渗透性地层中确定地层真电阻率有特殊的作用。该仪器的另一个重要特征是能解决所谓的孔洞影响，井眼补偿的主要优势是使井眼冲刷对电阻率的影响最小，其次是使仪器响应对称。用电磁波传播仪测量高阻地层通常很难，产生误差的原因是到达接收器的信号的相移和衰减很小，CWR仪通过高质量的电子线路以及井眼补偿技术使此问题得到解决。比较深相移和中相移电阻率曲线能正确地指示侵入。当侵入存在时，较深的源距在LWD环境下能较好地估算出地层真电阻率。在厚地层，两个辅助的衰减电阻率可用于进一步改进地层电阻率评价，并确定钻井时的侵入带范围。围岩对高阻地层比对低阻地层的影响更明显，衰减电阻率比相移电阻率更容易受围岩影响。但有时相移和衰减电阻率的差异却能错误地指示侵入，在许多情况下，薄层响应的差异导致了它们的分离。除非地层至少有15英寸厚，并且电阻率反差不大时，它们之间的分离能作为侵入指示。本世纪八十年代中期石油价格波动较大，通过减小井眼和套管改进操作，提高钻井效率的要求很迫切。因此小井眼LWD 仪的发展成为一种必然趋势。最早的小井眼随钻电阻率测井仪是由Sperry Sun 公司1993年底推出的SLIM PHASE 4仪，该仪器长22.5英尺,外径为4.75英寸,装有EWR4相位探测器,DGR(双伽马射线)探测器和DDS(钻柱动态)探测器。仪器的最大旋转曲率为14度/100英尺,最大的滑动曲率为30度/100英尺。SLIM PHASE 4仪保持了EWR 4相位仪的坚固性和可靠性，包括使用高强度合金钢、补偿耐磨带以及不锈钢天线棱和分离的井下处理器。但数据处理与EWR4却有些不同。电阻率曲线根据均质各向同性地层的非线形转换关系，由相移和相位幅度组合（CPA）计算得到，因而最终的测量结果中既有相移电阻率，还有组合的相位/幅度（CPA）电阻率，后面的探测深度略微比前面深。而EWR4相位仪的测量结果中没有相位/幅度（CPA）电阻率。哈里伯顿公司于1995年也推出了小井眼多阵列补偿型电磁波电阻率仪(Slim Compensated Wave Resistivity,SCWR)，它在CWR仪的基础上改进的,测量效果更佳。其标称直径是4.75英寸，发射器和接收器的上下部分是5英寸直径的耐磨带，能在所有类型的泥浆中使用。SCWR与CWR仪的最大区别是源距和接收器间距不同。源距选为35和15英寸。SCWR的接收器间距定为10英寸，略长于接收器间距为6或8英寸的其它2MHz仪。仪器响应模拟显示，接收器间距由6英寸增加到10英寸，轴向分辨率没有明显减弱，较长的接收器间距只在地层小于1英尺厚时才明显影响轴向分辨率。另外，选择10英寸的间距是因为它能使井眼凹凸不平对电阻率测量的影响减小到最小，从而获得更准确的电阻率测量值。多阵列型小井眼测井仪还有BakerHughes INTEQ公司的多传播电阻率仪（MPR）。它也是一种补偿型电阻率仪,采用两种频率（2MHz和400KHz）发射，测量电磁波的相移和衰减，共有8种不同的探测深度。测量目的一是增大探测深度，二是提供多种探测深度的测量。它有两对发射器，对称分布在一对接收器的两侧，发射器到接收器中点的距离分别是35英寸和23英寸。由于采用改进的数字信号处理技术，在频率远低于2MHz的条件下，能根据相位差和幅度比获得准确的电阻率。该公司研制了一种新的31/8英寸的电磁波传播测井仪，这是到目前为止直径最小的随钻传播电阻率仪器。仪器设计了一种对称的井眼补偿天线结构，其间距和频率与该公司的MPR一样。 ARC5和RAB仪. 最新的LWD 电磁波传播仪是Anadrill公司推出的规格为4.75英寸的2MHz阵列式混合补偿型电阻率仪(ARC5),这一多深度探测仪器是为在5.756.75英寸小井眼中进行随钻电阻率测量而研制的。它有5个发射器和两个接收器,其中三个发射器在接收器之上，另两个发射器在接收器之下。该仪器的井眼补偿由独特的方式完成，标准的井眼补偿是在接收器阵列上对称分布的发射器来完成补偿测量，而ARC5仪省却了第二个对称发射器，它是依赖于三个顺序分布的发射器的线性组合提供混合的井眼补偿，在仪器的额定温度范围内，使得电路精度高，测量具有稳定性。 ARC5仪具有以前的LWD电磁波传播技术不具备的优点:(1) 改进了地层真电阻率的估算；(2) 改进了渗透率指数的估算；(3) 通过提高分辨率更好地评价薄层；(4) 反演复杂的径向侵入剖面；(5) 更好地解释一些复杂问题,如侵入、电阻率各向异性和同时出现的倾角；(6) 基于时间推移测井对储层进行描述。ARC5和RAB仪的共同特点是能够产生井眼周围的地层电阻率图象，得到更直观、更方便的测井结果。井眼电阻率成象图为石油地质学家和岩石物理学家提供了丰富的地层信息。这些图象是通过测量井眼周围的地层方位电阻率，并对电阻率范围规定刻度的颜色级别产生。井眼成象图由磁力仪确定方位，并参照井眼上部或正北方向将之绘制出来。通常这些成象测量只能由电缆测井仪完成。最近，技术进步能使定量电阻率成象图在随钻测量过程中产生。尽管这些成象图在垂向分辨率上不及一些电缆成象仪，但随钻成象图有许多应用，包括识别构造倾斜，辨别一些断层，岩性指示以及薄层分析。钻头电阻率仪RAB和多阵列混合补偿仪ARC5以及全井眼地层微扫描成象仪FMI分别在随钻过程中和钻后测量了某口井，结果表明穿过井眼的构造特征在RAB和ARC5以及FMI成象图上都能容易区别。更详细研究电阻率成象图能获得地层沉积环境的信息。在好的环境下，对沉积轴、古水流方向以及沉积能量都能解释，高分辨率成象图能用于裂缝识别。电阻率成象图甚至能作为岩性指示器。区分薄层砂岩与泥岩是成象图的典型应用。尽管RAB仪的分辨率在目前的LWD仪中是最高的，但并不是所有的沉积特征都可根据RAB成象图解释，RAB仪上的单一圆环产生的电流会沿最导电的路径离开钻柱，其结果是在电阻率曲线上产生犄角，在成象图上产生“假”象。另外，美中不足的是存在一些采样限制。RAB仪是以固定时间间隔（通常每10秒钟一次）记录，而不是以固定深度间隔记录，如果钻井速度（ROP）过大，那么将导致时间/深度数据记录不一致而产生“假”象，这要求钻柱的旋转速度高于30RPM（转/每分钟）。尽管如此，RAB和ARC5成象图仍能显示出很明显的优越之处。(3) 随钻电测井解释技术 井眼影响. 在随钻电阻率测井的过程中，井眼影响不可忽视，这包括井眼直径和泥浆矿化度的影响.假定井眼流体为第一介质，地层为第二介质，不考虑侵入，那么在接收器上的信号有三种成分：1）直接成分，2）反射成分，3）折射成分。如果仪器的源距和井眼直径相比足够大，那么只有折射波对接收器信号的贡献最大，因而井眼影响较小；如果源距相比井眼直径较小，那么井眼影响则较大。如果井眼直径和仪器外径相差不大，那么井眼影响则很小。另外井眼泥浆矿化度也会给电阻率测量造成一定的影响。根据电磁波在导电介质中传播慢，在高阻介质中传播快的特性，导电泥浆的影响较大，而淡水泥浆的影响较小。以上两种影响是在井眼光滑时的情况，如果井眼凹凸不平，而且井眼泥浆导电，那么井眼影响将很大。 介电影响. 所谓介电影响就是介电常数对电阻率测量的影响，仪器一般会随地层介电常数的不同表现出不同的响应特征，而介电常数又与仪器的频率和地层的电阻率有关。介电常数总是导致地层真电阻率高于相移电阻率，低于衰减电阻率，这是因为介电常数增加了相移，降低了幅度比。而且，相移电阻率比衰减电阻率受介电影响小。介电常数在低频时较小，其影响也小；在高频时较大，其影响也大。在高阻地层，介电常数较小，相移电阻率比衰减电阻率在高阻时更准确。在低阻时，介电常数较大，一般情况下，两种电阻率对其影响不敏感；但如果低阻时的介电常数很高，其影响则不能忽视。 探测深度. 随钻电阻率仪器的探测深度与三个因素有关，即源距大小、趋肤效应和测量性质。仪器的探测深度一般随源距的增加而增大，趋肤效应使电磁波很难进入导电介质，而进入高阻介质则相对容易，并随电阻率增加其深度也增加，但到达某一值时，其深度则保持不变。一般情况下，衰减电阻率比相移电阻率的探测深度要大。由电磁场理论可知，波在各个方向都以相同速度传播，其等相位面是球面，而波在径向比在纵向强，所以等幅度面为超环面，这是磁偶极子天线的特征。发射线圈类似磁偶极子，大量的理论证明衰减电阻率比相移电阻率的探测深度要大。根据这一点，可判断侵入情况。侵入较浅时，相移和衰减电阻率相等；当相移电阻率小于衰减电阻率时，表明有低阻侵入，地层真电阻率大于冲洗带电阻率；当相移电阻率大于衰减电阻率时，表明有高阻侵入，地层真电阻率小于冲洗带电阻率。 轴向分辨率. 轴向分辨率是仪器能在垂直方向上探测最薄地层的能力，探测到的地层越薄，其分辨率越高。分辨率一般由四个因素决定。首先是接收器间距限定了仪器的标称分辨率，间距越小，分辨率越高。其次是井眼大小，当井眼变大时，观察到的分辨率变差。第三个因素是仪器周围地层的电阻率，介质的电阻率越低，其分辨率越高。最后是测量性质本身，相移电阻率一般比衰减电阻率的分辨率要高。 地层响应. 当仪器由相对高阻的介质到达导电介质时，相位差达到了90度，而从导电介质到达高阻介质时，相位差为0度，因此利用相位差异能预测即将穿过的地层。假定仪器在导电弱的介质中，要穿过导电强的介质，当仪器远离边界时，其测量电阻率是介质的真值，当仪器接近边界时，相位移明显增大，当远接收器在边界上时，相位会快速过渡，这是由于两种介质中的波长不同。这种趋势会持续到近接收器也穿过边界，因为此时波长不再改变。接着，相位会慢慢改变，直到发射器也穿过边界。这是两种介质厚度较大时的情况。另一种情况是有限厚度地层的电导率大于它周围介质的电导率。厚地层的相位响应与上面的情况类似，但薄地层的响应却有些不同。到达边界前的响应与层的厚度无关，当远接收器进入薄地层时，相位开始快速下降，这是由于地层的另外一边的反射导致的。直到远接收器穿过地层，这种趋势才变慢，此时相位保持不变。由导电介质包围的薄高阻地层的响应有时更复杂，当远接收器到达此地层时，会受到地层边界的两边反射影响，从而产生犄角。2) 随钻声波测井技术(1) 随钻声速测井技术九十年代初，随着信号处理技术和电子器件的发展，实现了用随钻声波测井仪器在钻井过程中实时测量声波时差，这是随钻测井技术的一个重大进步。它使随钻测井同电缆测井一样能完成电、声、核的测量，更好地综合利用数据进行高质量的地层评价。随钻声波测井的主要应用是：a. 估算地层孔隙度；b. 随钻进行岩石力学性质评价；c. 确定超压泥岩地层；d. 与地震资料进行相关对比，充分发挥地震资料的作用；e. 作为合成地震图的输入。目前投入商业应用的随钻声波测井仪器有斯仑贝谢公司的随钻声波测井仪(ISONIC)和哈里伯顿公司的补偿长源距随钻声波测井仪(CLSS)，两类仪器共五种规格 。这两类仪器通过一些特殊的仪器设计，利用声波波形处理技术消除了钻井噪声和来自钻铤的信号影响。由于受随钻泥浆脉冲遥测技术的限制，现有的泥浆脉冲传输速率不能将声波波形传到地面，仪器只能在钻铤中用高速的数字信号处理器对声波波形进行采集、数字化和处理，在井下计算声波时差，并将剩余的声波波形存储在井下存储器中。1991年斯仑贝谢公司成功地研制出第一支随钻声波测井仪（ISONIC），1994年投入商业应用。仪器能在直井、斜井和水平井，以及软、硬岩石地层中测量地层的声波时差，还能在硬地层中测量横波时差。这种测井仪的工作方式有实时模式和记录模式两种。实时测量的声波数据主要用于探测超压地层，确定地层孔隙压力（与其他随钻测井结果配合），产生合成地震图。ISONIC仪最早版本的声波时差测量范围是55130微秒/英尺；第38届SPWLA年会上介绍了一种扩大了声波时差测量范围的仪器，将声波时差测量范围扩展到40180微秒/英尺。其主要改进在仪器的换能器上，将换能器做成全方位的，就象电缆测井中的单根测井仪。仪器的这种轴对称结构非常适用于进行波形堆叠处理，或称为求波形的平均值，这样可降低波带中由于钻井和泥浆流动所产生的不相关的噪音。 继斯仑贝谢公司之后，哈里伯顿公司于1995年推出了补偿长源距随钻声波测井仪(CLSS)，它由两个发射器和四个接收器组成，两个发射器分上、下对称地安装在阵列接收器两边，发射器接收器的间距分别为4英尺、5英尺、6英尺和7英尺。在阵列接收器中，每个接收器的间距为1英尺。发射器和接收器的工作频率与电缆声波测井仪相同，范围为1020KHz。与电缆测井仪不同的是，发射器和接收器不是环形排列的，而是对称地排列在仪器的一侧，这样设计的原因是为了增加仪器的耐磨性和可靠性。仪器所测量的地层声波时差范围是55170微秒/英尺，能记录硬地层中的横波波形。仪器有实时处理和记录式后处理两种模式。CLSS测量的声波时差值与电缆测量值十分一致。实时处理结果和后处理也能吻合。仪器采用快速激发的数据采集和波形叠加技术，能够在很小的深度间隔内采集很多的数据。目前仪器的规格有三种，其直径分别是4.75、6.75和8英寸。直径为4.75英寸的仪器适用于小井眼，是哈里伯顿公司1996年开发出的新仪器。近期哈里伯顿、Sperry sun钻井服务公司与SensorWise公司联合研制，推出了一种新的双阵列单极/偶极双模式随钻声波测井仪器（BAT），仪器设计为两种模式工作，一是常规纵波声波（相当于传统的单极源模式）；二是增强的横波探测模式（多极源模式）。两个相对的发射器以同相或异相模式被激发。仪器采用了一套独特的隔离技术使钻井噪声和仪器壳体波的影响最小。仪器采用两组各7个接收器阵列，所有接收器进行高频同时采样。此外，系统还给出了标准压缩波、增强的剪切波及传播时间。 (2) 随钻地震技术随钻地震是一种独立的随钻声波测量技术，又被称为钻头地震、地震导向钻井、钻井噪声VSP和TOMEX( 阿特拉斯公司的一种随钻地震设备)。它利用钻头冲击地层为地震震源，进行地震测井，在钻井过程中获得校验炮和垂直地震剖面。随钻地震投入商业应用后，在Brunei、澳大利亚、越南和印度尼西亚海上取得了成功。在某些地区，如越南海上的复杂环境中，没有随钻地震，操作人员就不能钻井，BP-statoil公司的操作人员依赖随钻导向钻头实时地获取了钻头所在的位置和地震图象。随钻地震在钻井操作中变得越来越重要，是因为随钻地震可获得地层深度与地震传播时间的实时数据，这些实时数据对于高效安全的钻井操作十分重要，尤其是钻遇到高压地层时，其重要性更为显著。 随钻地震的时深关系会影响钻井设计和计划，它能排除钻井操作中的不可靠性，预测恶劣环境层段的深度，优化套管设计，确定钻头在井下的位置，极大地减少了钻井的风险，使实时钻井操作更精确、更可靠。随钻声波测井和随钻地震是两种相互补益的随钻测量方法，都能在钻井过程中为关键的钻井决策提供可靠的数据。一种新的MACH-1地震导向钻井服务将随钻声波和随钻地震有效地结合起来，能实时解决与时深有关的一些问题，如确定目的层、预测超压层、选择泥浆比重和下套管点等。随钻地震与垂直地震剖面法正好相反，在随钻地震中，以钻头作为地震震源，震源在井下，接收信号的多个检波器在地面或海上。接收信号的检波器阵列通常由1248个检测点组成，典型的