阵列侧向测井技术研究

吴玉飞

（杭州瑞利声电技术公司，杭州，310012）

阵列侧向测井技术研究

吴玉飞

（杭州瑞利声电技术公司，杭州，310012）

在广泛的模拟实验基础上开发出了一种新型阵列侧向仪器，采用一个供电电极和一系列对称放置的聚焦电极进行测量，可提供多条具有不同探测深度的地层电阻率曲线。根据阵列侧向测量原理分析了测井模型六种工作模式下的电场分布情况，重点介绍了阵列侧向的电极系构造、目的层厚度H变化、侵入半径ri变化对测井曲线响应的影响。

阵列侧向；电极系；目的层厚度；侵入半径

自然界中不同岩石和矿物的导电能力是不相同的，尤其地层中所含流体性质不同时，导电性能差别很大。电阻率测井正是利用这一特点来区分钻井剖面的岩层性质和油气性质的。双侧向仪器是常规电阻率测井的主要方法之一，在油田勘探开发中发挥了重要作用，但随着油田开发程度的不断提高，双侧向测井仪测量地层获取信息少，不能详细描述地层侵入剖面，纵向分辨率低（600 mm），此外，深侧向测量受高阻层影响较大，特别是在测井仪接近套管（格罗宁根效应）或钻杆输送测井仪（水平测井）情况下，往往不能提供真实的地层信息。为满足薄层和精细化评价需求，需设计一种纵向分辨率不低于300 mm、同时具有多种探测深度的电极系来测量地层侵入剖面电阻率变化。

1　测量原理和工作模式分析

1.1测量原理

假设仪器半径为rt，在仪器表面形成一个半径为rt的圆柱形等位面，其电位为VA。等位圆柱面的长度相对于rt而言为无穷大。电流从等位柱面径向发射入地层，然后在电位为零、半径为L的同心电极上回流。模型图如图1所示。

图1　模型图

设长度为l的一段圆柱发出电流I0，并流向零电位的同心电极。假设两个同心圆柱之间为均匀介质，其电阻率为ρ。电场强度E和电流密度j有如下关系［1］：

高分辨率侧向测井仪的电场聚焦系统和电极系的设计目的就是获取类似模型所描述的电流形状，即一个从等位圆柱发出的，经地层到达距离为L的同心电极的径向、平行电流束。

1.2工作模式分析

阵列侧向测井仪共有六种探测模式，第一种为泥浆测量模式AL0，另外5种模式具有不同的径向探测深度，分别为AL1～AL5。

1.2.1模式AL0

主电流I0由主电极A0流出，返回到电极A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’），测量M1（M1’）与M2（M2’）之间的电位差。由于主电极没有聚焦，因此AL0主要探测泥浆和井眼影响，该工作方式视电阻率公式为：

1.2.2模式AL1～AL5

主电流I0由A0流出，保持监督电极电压相等，即VM1（M1’）=VM2（M2’）。AL1模式时屏流由A1（A1’）流出，电流返回到A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）电极；AL2模式时屏流由A1（A1’）、A2（A2’）流出，电流返回到A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）电极；AL3模式时屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）流出，电流返回到A4（A4’）、A5（A5’）、A6（A6’）电极；AL4模式时屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）流出，电流返回到A5（A5’）、A6（A6’）电极；AL5模式时屏流由A1（A1’）、A2（A2’）、A3（A3’）、A4（A4’）、A5（A5’）流出，电流返回到A6（A6’）电极。5种模式都保持屏蔽电极电压相等，主电流I0在屏蔽电流的作用下，以垂直井壁方式进入地层，由于屏蔽电极不断增加，仪器的探测深度逐步加深，地层的渗透层、非渗透层得到精细划分。

AL1～AL5等5种工作方式都是测量主电极的电位VA0与电流I0，求解视电阻率的公式为：

1.2.3AL0～AL5方式电场分布

AL0～AL5工作方式有六种不同的电场分布，正因为电场分布的改变，仪器才能获取不同径向深度地层信息。6种工作方式电场分布如图2～7所示（图中，黑色为电极）。

图2　Mode 0

图3　Mode 1

图4　Mode 2

图5　Mode 3

图6　Mode 4

图7　Mode 6

2　电极系构造和测井响应分析

2.1电极系结构和二分之一侧向测井模型

阵列侧向测井仪器的基础是三侧向，中间为发射主电流电极A0，两侧分别布置6组对称电极。对称电极两两短接，每对电极与主电极构成一个三侧向电极，在A0和A1电极之间有两对监督电极M1、M2。每个电极均向外发出具有一定聚焦能力的电流，具体电极组成如图3所示，图中画出的仅为上半电极。当地层关于井轴旋转对称时，阵列侧向响应的求解区域简化为图8［2］。

图8　测向测井模型

图中，rh、ri分别为电极系半径、侵入带半径和侵入半径，H为目的层厚度，Rm、Rt、Rxo、Rsu、Rsd分别为泥浆电阻率、原状地层电阻率、侵入带电阻率、上围岩电阻率和下围岩电阻率。

2.2目的层厚度H变化响应分析

目的层厚度和围岩电阻率变化对目的层测量值的影响反映了仪器的分层能力和围岩影响特性，根据低阻围岩地层模型（Rsu，Rsd）和低阻围岩（Rsu，Rsd）、高阻地层（Rt）模型，分析

目的层厚度的变化对读数的影响，得出如下结论：阵列侧向测井在层厚小于0.5 m时，不同探测深度曲线分辨率基本匹配，在层厚大于0.5 m后，不同探测深度曲线交替上升，较厚地层才达到不同的稳定值，不同探测深度曲线随目的层厚度的变化特性由电极系尺寸和聚焦模式决定。

2.3侵入半径ri变化响应分析

阵列侧向测井仪的优点之一是提供比双侧向测井仪更多的不同探测深度曲线，可以反映渗透性地层的侵入特性。根据低侵低阻围岩地层模型、低侵低阻围岩高阻地层模型和高侵低阻围岩地层三种模型分析，总结出各种地层情况下的侵入半径变化对不同探测深度曲线的影响。

（1）低侵地层中，侵入半径为0.1～0.3 m时不同探测深度曲线受侵入影响严重；0.3～1 m时不同探测深度曲线非线性变化；大于1 m 时，曲线达到稳定值。阵列侧向测井的5个探测深度曲线AL1、AL2、AL3、AL4和AL5中，只有AL1有变化，在100 Ωm的高阻层变化明显，其余探测深度曲线之间的分离变化很小，探测深度接近。

（2）高侵地层中，侵入半径为0.1～0.6 m时，不同探测深度曲线受侵入影响严重，非线性变化快速上升；大于0.6 m 时，曲线逐渐达到不同的稳定值，不同探测深度曲线的稳定值不同，相互关系与正常的情形相反，最深值接近侵入电阻率，最浅值接近地层电阻率。

（3）地层模型不同时，阵列侧向测井的仪器常数不一样，与井径、泥浆电阻率、地层电阻率、围岩电阻率、侵入电阻率和目的层厚度的组合有关。

3　仪器实现和测井效果对比

3.1仪器实现

阵列侧向原理框图如图9所示。阵列侧向电子部分主要包括聚焦和驱动放大电路、主控和信号处理电路两大部分。

图9　阵列侧向原理框图

3.2测井效果对比

3.2.1辽河油田实井试验情况

辽河油田完成1口试验井和5口实井对比试验。数解中心对3口实井出具了《阵列侧向质量评价报告》，具体情况如表1。3口井的泥浆性质都是水基。

表1　测井对比试验数据

通过对3口井的实际测井资料对比分析：（1）仪器重复性好；（2）仪器一致性较好；（3）阵列侧向测井曲线形态和双侧向一致，在泥岩地层、砂岩地层及特殊岩性地层中，阵列侧向深探测HLA5与深侧向电阻率数值相近，阵列侧向中探测HLA3与浅侧向电阻率数值相近；（4）阵列侧向电阻率曲线纵向分辨率高于双侧向。

图10　辽河油田测井资料对比

3.2.2新疆克拉玛依油田试验情况

2015年5月，高分辨率阵列侧向仪器在新疆油田模拟井与Schlumberger公司MAX-500阵列侧向仪器进行了对比试验［3］。仪器重复性、一致性良好，与MAX-500阵列侧向对比（如图11所示），曲线形态基本一致，幅度大小基本一致，技术性能达到了国外同类仪器水平。

图11　新疆克拉玛依油田测井资料对比

4　结束语

阵列侧向把改善的地层模型与数学反演技术结合在一起，采集地层高质量的有效信息，可以得到更准确的地层真电阻率Rt。优点是把不利因素的影响降至最小，不受参考电压、格罗宁根和钻杆效应的影响。该仪器在薄层中有良好的纵向分辨率，改善了侵入剖面描述，这使得经过反演得到的Rt更准确。以二维地层模型为基础反演技术对阵列电阻率数据进行反演，可以得到更准确的地质参数，尤其是薄层含油饱和度的计算。由于阵列侧向不需要加长电极，在大满贯测井中组合灵活，大大提高了测井时效，同时提高了测井安全性，因此，阵列侧向的研究已经成为目前国内外电法测井的主要方向之一。

［1］ 冯启宁. 测井仪器原理［M］. 北京： 石油工业出版社.2010.

［2］ 忤杰，谢尉尉. 阵列侧向测井仪器的正演响应分析［J］. 西安石油大学学报：自然科学版，2008，23（1）：73-76.

［3］ Schlumberger. HALT High-Resolution Laterolog Array Tool Schlumberger［Z］. 2000.