随钻方位电磁波电阻率测量系统发展进展

张晓彬, 戴永寿, 倪卫宁, 孙伟峰, 李立刚, 李荷鑫

(1.中国石油大学(华东), 山东 青岛 266580; 2.中石化石油工程技术研究院, 北京 100101)

0 引 言

地层电阻率是开展地层含油、含气、含水或是油水同层定性评价的依据,同时也是进行地质导向钻井[1]和定量评价储层含油气饱和度的重要参数之一。准确可靠地获得地层电阻率参数是随钻测井研究中的一项重要内容[2]。

国内外主流的随钻电阻率测量技术主要可以分为3类,即随钻侧向电阻率测量、随钻感应电阻率测量和随钻电磁波电阻率测量。随钻电磁波电阻率测量系统利用电磁感应基本原理,通过采用多发射-接收线圈系结构以及不同的工作频率,可得到不同径向深度的地层电阻率参数,且随钻电磁波电阻率测量系统不受钻井液的限制,可以对复杂钻井液侵入的测井剖面进行油气解释和渗透层划分。本文详细介绍了随钻电磁波电阻率测量系统的结构组成及测量系统中电磁波信号的处理方法,重点总结了测量系统中线圈系的设计准则,并通过对比现有测量系统的优缺点对其发展趋势进行了展望。

1 测量系统的结构组成

随钻电磁波电阻率测量系统以DSP数字信号处理器为核心,主要包括发射-接收线圈系结构、电磁波信号发射模块、电磁波信号接收模块、供电单元、时钟电路、温度采集电路、数据存储器及通讯电路等。本文重点介绍了随钻电磁波电阻率测量系统中的线圈系结构、电磁波信号发射模块的结构以及电磁波信号接收模块的结构(见图1)。

图1 随钻电磁波电阻率测量系统结构组成图

1.1 测量系统的线圈系结构

随钻电磁波电阻率测量系统线圈系的结构直接影响整个测量系统的径向探测深度、纵向分辨率及地层方位电阻率探测特性。常规的随钻电磁波电阻率测量系统通过采用多发射-接收线圈,利用等源距或不等源距补偿方式的线圈排列结构[3-5]可以得到具有井眼补偿作用的随钻电磁波电阻率测量系统,使仪器在井眼垮塌等具有不对称因素的井段中仍能够得到正确的测量结果,但其均采用轴向线圈,电阻率测量结果并不具备方位特性[6-8]。近年来,国内外各大测井公司所推出的随钻方位电磁波电阻率测量系统通过采用水平或倾斜发射、接收线圈实现方位地层电阻率的测量[9-10],斯伦贝谢公司的PeriScope15、贝克休斯公司的AziTrak以及哈里伯顿公司的InSite ADR的线圈系结构见图2。

图2 PeriScope15、AziTrak以及InSite ADR的线圈系结构图

由PeriScope15、AziTrak以及InSite ADR的线圈系结构图可以看出,在进行测量系统的线圈系结构设计时应注意:

(1) 合理设置线圈间的源距(发射线圈与接收线圈之间的距离)和间距(相邻接收线圈之间的距离)以满足测量系统探测深度及分辨率的要求。源距的选择决定了测量系统的探测深度,源距太大,电磁波信号在地层中传播时的衰减过大会导致接收线圈处无法接收电磁波信号;源距太小则探测深度较浅。间距的选择决定了测量系统的分辨率,间距太大会降低测量系统的分辨率,不利于薄层的探测;间距太小,幅度及相位差的变化太小也不利于精确测量。

(2) 合理选用倾斜接收线圈和水平接收线圈,测量系统若采用倾斜接收线圈可反演获得所测地层的水平电阻率Rh、垂直电阻率Rv及储集层倾角,但其对电阻率反演方法的要求较高;若测量系统采用水平接收线圈则对电阻率反演方法的要求较低,但无法获得所测地层的水平电阻率Rh。

1.2 测量系统中电磁波信号发射模块的结构组成

随钻电磁波电阻率测量系统的电磁波信号发射模块承担着提供高精度发射信号的任务,其输出精度及稳定度直接决定着整套测量系统的测量效果,其核心为高频信号发生器。电磁波信号发射模块的工作流程:电路主控制器DSP控制高频信号发生器产生相应频率的信号,经过多路分配与功率驱动电路将高频信号送到相应的发射线圈。

传统的高频信号发生器受模拟器件的限制,产生的信号精度不高,温度及时间稳定性差,相位难以控制[11]。采用高稳定性、大功率、频率相位可调的直接数字式频率合成器(DDS)作为高频信号发生器,具有较高的频率分辨率和转换速度,控制灵活,可靠性高,能够满足电磁波电阻率测量仪器发射模块的要求。

1.3 测量系统中电磁波信号接收模块的结构组成

接收线圈处接收到的信号频率较高,直接进行数字化对模数转换器的速度和精度指标要求很高,并且接收信号十分微弱,信号幅度在微伏数量级,无法直接进行处理[12-13],需要电磁波信号接收模块对信号进行预处理。随钻电磁波电阻率测量系统的接收模块主要包括前置低噪声放大电路、混频电路、低通滤波器、可编程放大器、抗混叠滤波器、DDS高频信号发生器以及ADC数字采样电路[14-15]。其工作流程:利用DDS直接数字频率合成器作为信号源,以保证混频器输入的本振信号拥有足够的稳定度,2路接收线圈处接收到的微弱的电磁波信号首先经前置低噪声放大电路将其放大,为后级混频器提供射频输入信号,混频器采用超外差的工作方式将放大后的高频电磁波信号下混频至较低的中频信号,再经过低通滤波器滤除不必要的频率成分,经过放大滤波送至ADC数字采样电路进行数字量化。

在进行测量系统的结构设计时应注意:①井下环境恶劣,需要确保测量系统可以适应高温、高压及高振动的随钻测量环境;②测量系统要具备高可靠性的大容量存储功能,以便于在随钻测量过程中对测井数据进行实时存储;③为确保测量系统在井下具有较长的工作时间,需要通过优化系统的电路结构以降低测量系统的功耗。

2 测量系统中电磁波信号的处理方法

接收到的电磁波信号经过测量系统的接收模块进行预处理后,需要对其进行幅度比和相位差的检测以及测井响应的反演才能够准确得到所测地层的电阻率参数[16-17],电磁波接收信号的处理方法直接影响地层电阻率的测量精度。

2.1 电磁波信号幅度比和相位差检测

在进行电磁波信号幅度比和相位差检测时,首先要检测出相邻接收线圈处的感应电动势,若接收线圈R1的感应电动势为V1,接收线圈R2的感应电动势为V2,则实际测量得到的幅度比EATT和相位差Δφ分别可表达为

(1)

Δφ=φ1-φ2

(2)

式中,|V1|、|V2|分别为接收线圈R1和R2处感应电动势V1和V2的幅值;φ1和φ2分别为接收线圈R1和R2处感应电动势V1和V2的相位角。

2.1.1 电磁波信号的幅度比检测

对于电磁波信号幅度比的检测可以通过采用Σ-ΔA/D转换器实现电磁波信号的采样和量化,并通过DSP数字信号处理器计算得到2路电磁波信号的幅度比[18]。

2.1.2 电磁波信号的相位差检测

测量2路信号间的相位差需要排除信号幅值及其他因素不一致对测量结果的影响,相位差的数字化测量主要方法:过零检测法、相关函数分析法以及FFT谱分析法。其优缺点如表1所示。

过零检测法是数字化测量中基于硬件实现的传统检测方法,其测量结果易受信号幅度、硬件电路性能以及噪声等因素的影响,在高精度相位差检测中的应用受到限制;相关函数分析法和FFT谱分析法是基于软件的数字化检测方法,有很好的噪声抑制能力,因此通常选取相关函数分析法或FFT谱分析法进行电磁波信号的相位差检测。

表1 电磁波信号的相位差检测方法

2.2 测量系统中测井响应的反演方法

在地层电阻率测量过程中,所得到的实际测井响应往往会受到井眼、围岩、泥浆侵入及地层各向异性等因素的影响,因此需要对测井响应曲线进行反演才能够准确获得所测地层的电阻率信息[21]。

测井响应的反演方法主要有基于经典解释图版的人工反演校正、基于解释图版的曲线拟合法以及基于测井响应理论的数值迭代反演法[22]。基于经典解释图版的人工反演校正是以国外三大测井公司针对不同随钻测井仪器所制作的解释校正图版为依据进行人工读值;基于解释图版的曲线拟合法[23]是以图版曲线为依据,对图版曲线进行合理采样读值并利用最小三乘法和神经网络法进行最优拟合,以标准化公式(或模型)代替大量的图版曲线,实现测井响应的自动校正;基于测井响应理论的数值迭代反演法是根据实测曲线划分明确的地层界面,建立相应的地层模型,通过反复调整地层模型的电阻率参数进行反演。其优缺点如表2所示。

表2 测井响应反演方法的优缺点对比

3 测量系统应用现状及优缺点分析

随钻电磁波电阻率测量系统由单频单深度逐步向多频多深度及方位多频多深度方向发展,获得不同径向探测深度及有方位特性的地层电阻率参数[24]。

3.1 常规随钻电磁波电阻率测量系统应用现状

国外三大测井公司推出了其随钻电磁波电阻率测量系统,包括贝克休斯公司的MPR、斯伦贝谢公司的ARC475[25]及哈里伯顿公司的EWR M5[26]等。胜利油田成功研制出随钻电磁波补偿电阻率测井仪SLBF MRC[27],可以同时得到4种不同径向探测深度的12条补偿电阻率曲线;胜利油田钻井院的多参数近钻头电磁波电阻率测量系统SLBF-MPR研制成功实现了工程参数与地质参数近钻头一体化测量[28];中国石油集团测井有限公司的随钻电磁波电阻率测量系统WPR利用对称补偿的方法提高电阻率测量精度,能同时提供8条不同探测深度的电阻率曲线,可以精确判断油/气/水层,详细描述地层径向剖面,准确求取地层真电阻率。中国石油集团测井有限公司在随钻测井的解释方法研究和测井数据处理方面具有较大的优势。各测量系统的主要参数如表3所示。

3.2 随钻方位电磁波电阻率测量系统应用现状

常规的随钻电磁波电阻率测量系统不能进行方位地层电阻率的测量,无法精确的实现地质导向功能。随钻方位电磁波电阻率测量系统逐渐取代了常规的测量系统。国外三大测井公司的随钻方位电磁波电阻率测量系统主要有[29-30]斯伦贝谢公司的随钻方位电磁波电阻率测井仪PeriScope15[31]、贝克休斯公司的随钻方位电磁波电阻率测井仪器AziTrak以及哈里伯顿公司的随钻方位深探测电磁波电阻率测井仪InSite ADR[32]。近年来中国随钻方位电磁波电阻率测量系统也得到了不断发展,主要包括中石化胜利油田钻井工艺研究院研发的AMR随钻多频电磁波电阻率测量仪器[33]、中国石油集团长城钻探工程有限公司的随钻方位电磁波电阻率测量仪器GW-LWD(BWR)[34]以及中国石油集团测井有限公司推出的带井眼压力的方位成像电磁波电阻率随钻测井仪[35]。各测量系统的主要参数见表4。

表3 常规随钻电磁波电阻率测量系统主要参数表

注:发射、接收线圈均为轴向线圈

3.3 随钻电磁波电阻率测量系统优缺点分析

对比表3和表4,常规电磁波电阻率测量系统的测量结果并不具备方位特性,无法深入开展未钻地层预测及储层边界的实时判定,不能满足随钻地质导向及复杂油气藏导航的要求[36]。随钻方位电磁波电阻率测量系统共同的优势:

(1) 通过改变线圈系中发射、接收线圈的设置方式以及采用不同的电磁波信号发射频率实现多深度、多方位地层电阻率的测量,能够提供360°全方位地层电阻率二维成像,实时显示边界的距离及走向从而达到地质导向的目的[37-39]。

(2) 与常规测量系统相比,随钻方位电磁波电阻率测量系统均具有更大的径向探测深度,其中PeriScope15的径向探测深度可达15 ft*非法定计量单位,1 ft=0.304 8 m,下同,AziTrak的径向探测深度可达17 ft,InSite ADR的径向探测深度可达18 ft,可及时地判断钻遇地层的性质,提前避免高倾角储集层、断层、裂缝层、各向异性地层等复杂地层所带来的影响,保证钻井的顺利高效实施[40]。

表4 随钻方位电磁波电阻率测量系统主要参数表

4 总结与展望

随钻电磁波电阻率测量系统适用于电阻率对比度比较明显、边界过渡带电阻率变化非缓慢的地层,尤其适用于构造和地层不确定性较大、存在油水界面、对轨迹在储层中的位置有很高要求的油藏。在实际应用过程中,随钻电磁波电阻率测量系统仍有一定的局限性及需要进一步完善的地方。

(1) 大部分随钻电磁波电阻率测量系统的测量点距钻头较远(斯伦贝谢公司的PeriScope15测量点距钻头至少30 ft),不能及时发现钻头钻出储层,导致油田薄层砂岩钻遇率低,且地层在泥浆中暴露时间较长,所测地层受泥浆侵入因素的影响也会对测量结果产生误差。加强对近钻头随钻电磁波电阻率测量系统的研制,一方面需要加强对新型的近钻头随钻电磁波电阻率测量系统的壳体结构(中国已有相关专利[41-42])的研究;另一方面需要进一步优化随钻电磁波电阻率测量系统的电路结构,降低电路的功耗并使其占据更小的空间。

(2) 随钻电磁波电阻率测量系统的探测方向与钻头的钻进方向垂直,测量系统仅能够探明地层边界的距离及走向,而无法探测钻头前方的地层电阻率参数。对钻头前方地层电阻率的测量也成为随钻电磁波电阻率测量系统的一个发展方向。

(3) 随钻电磁波电阻率测量系统具有较大的探测深度,利用其电阻率成像可以实现地层边界的探测,有助于优化井眼轨迹,实现地质导向和地层评价的目的。斯伦贝谢公司的PeriScope15、贝克休斯公司的AziTrak、哈里伯顿公司的InSite ADR及长城钻探的GW-LWD(BWR)等多种随钻方位电磁波电阻率测量系统都具备360°电阻率成像的功能,其所提供的二维图像不仅可以实时显示井眼到边界的距离,还能够显示边界的位置及方向。但是,在电阻率成像的过程中,受到测量系统的电阻率测量精度的限制,无法对薄互层及低电阻率储层进行精确的测量及评价,可以通过合理优化和设置接收线圈之间的间距并通过改进和完善电阻率的反演方法提高电阻率成像的分辨率和精确度。

参考文献:

[1] 苏义脑. 井下控制工程学研究进展 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2001: 23-26.

[2] 吕伟国. 水平井中感应测井、电磁波测井测量响应研究 [D]. 长春: 吉林大学, 2009.

[3] 林楠, 张海花. 井眼垮塌对电磁波电阻率测量仪的影响及补偿方法 [J]. 录井工程, 2008, 19(3): 50-54.

[4] 马哲, 林楠, 杨锦舟. 紧凑型随钻电磁波电阻率井眼影响补偿方法 [J]. 录井工程, 2010, 21(1): 7-10.

[5] 赵琳琳, 李康, 孔凡敏, 等. 补偿型随钻电磁波电阻率测井仪的仿真研究 [J]. 系统仿真学报, 2013, 25(4): 635-640.

[6] 杨震, 杨锦舟, 韩来聚. 随钻方位电磁波电阻率成像模拟及应用 [J]. 吉林大学学报: 地球科学版, 2013, 43(6): 2035-2043.

[7] 杨锦舟, 魏宝君, 林楠. 倾斜线圈随钻电磁波电阻率测量仪器基本原理及其在地质导向中的应用 [J]. 中国石油大学学报: 自然科学版, 2009, 33(1): 44-49.

[8] 徐凤玲, 林楠, 杨锦舟, 等. 随钻方位电磁波电阻率未钻地层预测技术 [J].录井工程,2011,22(2):14-17.

[9] David Patrick Murphy. Advances in MWD and Formation Evaluation [J]. World Oil, 2005, 226(3).

[10] 吴意明, 熊书权, 李楚吟, 等. 探边工具AziTrak在开发井地质导向中的应用 [J]. 测井技术, 2013, 37(5): 547-551.

[11] 郭淑会. 基于DDS的随钻电阻率测量仪信号发生器设计 [J]. 内蒙古石油化工, 2013, 39(2): 66-68.

[12] 范存. 随钻电阻率测量技术研究 [D]. 大庆: 东北石油大学, 2010.

[13] 贾衡天, 彭浩, 邓乐, 等. 随钻电磁波电阻率测量系统 [J]. 电子测量技术, 2014, 37(6): 123-126.

[14] 李国玉, 管国云, 马明学. 随钻电磁波电阻率测井仪模拟接收电路设计 [J].电子世界,2012,32(15):67-68.

[15] 刘升虎, 邢亚敏. 随钻电磁波电阻率测井采集系统研究 [J]. 西南石油大学学报, 2007, 29(5): 25-29.

[16] 袁阿明. 随钻电磁波传播测井井下电路研究 [D]. 西安: 西安石油大学, 2009.

[17] 魏宝君, 王颖, 王甜甜. 电磁波电阻率仪器的基本理论及其在随钻测量中的应用 [J]. 地球物理学进展, 2009, 24(2): 774-781.

[18] 李会银, 苏义脑, 盛利民, 等. 多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计 [J]. 中国石油大学学报: 自然科学版, 2010, 34(3): 38-42.

[19] 孔辉, 叶菲, 王杰贵. 一种改进的过零检测分析方法 [J]. 航天电子对抗, 2007, 23(4): 50-52.

[20] 徐闽斌, 李建新, 杨天池. 微弱信号的相位差检测技术研究 [J]. 信息工程大学学报, 2010, 10(1): 40-44.

[21] 康俊佐, 邢光龙, 杨善德. 电磁传播电阻率测井的二维全参数反演方法研究 [J]. 地球物理学报, 2006, 49(1): 275-283

[22] 刘之的. 随钻测井响应反演方法及应用研究 [D]. 成都: 西南石油大学, 2006.

[23] 冯进, 张中庆, 罗虎. 随钻电磁波电阻率和电缆电阻率测井联合反演及应用 [J]. 测井技术, 2015, 39(1): 21-26.

[24] 张辛耘, 王敬农, 郭彦军. 随钻测井技术进展和发展趋势 [J]. 测井技术, 2006, 31(1): 10-15.

[25] 张春华, 刘广华. 随钻测量系统技术发展现状及建议 [J]. 钻采工艺, 2010, 33(1): 31-34.

[26] 刘红岐, 刘建新, 代春明, 等. 渤中地区EWR—Phase4随钻测井异常响应特征 [J]. 西南石油大学学报: 自然科学版, 2015, 37(2): 73-81.

[27] 靳程. 油田降本出利器——MRC新型仪器研制成功 [J]. 中国化工贸易, 2015(15): 96-97.

[28] 刘文龙, 李江辉, 梁子波. 让钻头在地下“随心所欲”——中石化胜利油田钻井院近钻头地质导向技术研发侧记 [J]. 中国科技纵横, 2013: 20-21.

[29] Anselm Okeahialam. Putting the Well in the Best Place in the Least Time [J]. World Oil, 2007, 228(9): 32-37.

[30] 万学鹏, 欧瑾, 钟楚荣, 等. PeriScope随钻成像测井技术在水平井中的应用 [J]. 国外测井技术, 2009, 28(1): 31-33.

[31] Wang T. Dipping Bed Response and INVERSION for Distance to Bed for a New While-drilling Resistivity Measurement [J]. Seg Technical Program Expanded Abstracts, 2006, 25(1): 416.

[32] Chemali R, Hart E, Flynn T, et al. Successful Applications of Azimuthal Propagation Resistivity for Optimum Well Placement and Reservoir Characterization While Drilling [C]∥SPE Annual Technical Conference & Exhibition, 2007.

[33] 杨震, 杨锦舟, 杨涛. 随钻方位电磁波仪器补偿测量方法研究 [J]. 中国石油大学学报: 自然科学版, 2015, 39(3): 62-69.

[34] 董旭霞. 长城钻探国内首创随钻方位电磁波电阻率测井仪 [J]. 国外测井技术, 2014, 34(3): 26-26.

[35] 李安宗, 卫一多, 陈鹏, 等. 一种带井眼压力的方位成像电磁波电阻率随钻测井仪: 中国, CN104594884 A [P]. 2015-05-06.

[36] 王颖. 随钻电磁波测井响应及解释方法的研究 [D]. 东营: 中国石油大学, 2009.

[37] 杨锦舟, 马哲, 林楠. PeriScope 15方位定向电阻率测量仪的功能与特点 [J]. 录井工程, 2009, 20(4): 53-56.

[38] 张卫平, 邓强, 赵国权. PeriScope随钻边界测量仪渤海油田应用状况 [J]. 石油科技论坛, 2011, 30(5): 30-32.

[39] 宋建虎, 高晓飞, 孙言啟. AziTrak深方位电阻率边界探测工具在水平井中的应用 [J]. 录井工程, 2013, 24(1): 37-41.

[40] Bittar M S, Klein J D, Randy B, et al. A New Azimuthal Deep-reading Resistivity Tool for Geosteering and Advanced Formation Evaluation [C]∥SPE Reservoir Evaluation & Engineering, 2009, 12: 270-279.

[41] 杨志坚, 王广新, 杨智光, 等. 电磁波电阻率仪器的壳体: 中国, CN101876245A [P]. 2010-11-03.

[42] 李鹏举. 随钻电磁波电阻率测量仪器的壳体: 中国, CN202417489U [P]. 2012-09-05.