存储式阵列感应测井仪数据处理方法研究与实现

尹国平，游 畅，刘 赟，潘 勇，金建勋，汪 益，王孝忠

(川庆钻探工程有限公司测井公司 重庆 400021)



·开发设计·

存储式阵列感应测井仪数据处理方法研究与实现

尹国平，游 畅，刘 赟，潘 勇，金建勋，汪 益，王孝忠

(川庆钻探工程有限公司测井公司 重庆 400021)

简述了传统感应测井仪在数据处理上的局限性，提出了存储式阵列感应测井仪数据处理方法，并简单介绍了存储式阵列感应测井仪工作原理和响应特性。数据处理是存储式阵列感应测井仪的核心之一，该仪器利用多个不同间距的子阵列和多个工作频率采集井下丰富的地层信息，送入地面系统进行数据处理，可聚焦出不同分辨率和不同探测深度的测井曲线。数据存储和坏区管理是该仪器另一核心技术，用于对测井原始数据的管理。实际应用表明，该仪器能准确地测量地层电阻率，真实反应地质构造，数据处理方法先进。

存储式测井；感应测井；趋肤效应；软件聚焦；坏区管理

0 引 言

随着测井技术的发展，为满足页岩气等复杂长水平井开采需要，出现了新的测井技术和工艺“过钻具存储式测井”[1]。由于页岩气井地层的特殊性，要求除常规资料之外，还应能获取阵列感应、阵列声波等资料，以便于对页岩气井进行更准确、全面的储层评价，因此对存储式阵列感应仪器的研制是必要的。目前对于感应信号的处理，国内石油感应测井仪器的模拟信号提取都是依靠模拟电路或半模拟电路(模拟电路和一部分软件)，并且没有进行实时校正[2]。由于模拟器件本身的电特性(温度等环境变化会影响增益和相位偏移)和印制板布线的影响，再加上感应信号非常微弱，电路增益很大(30 000倍)，这样会带来模拟信号的失真和其他噪声信号的混入，不能很真实地反应地层测井信息的真实性。而存储式阵列感应测井仪的外径为60 mm，直径小，其研制难度更加大，数据处理需要一种更好的方法来实现。

1 存储式阵列感应仪器测量原理

存储式阵列感应线圈系阵列基于简单的三线圈系结构，即一个发射线圈、一个主接收线圈、一个屏蔽接收线圈。发射信号为多频(12 kHz、36 kHz和72 kHz)合成信号，因此接收信号也是一个多频的。为了便于电路设计和实现，发射线圈采用直接数字合成技术产生发射波形，其表达式为：

(1)

式(1)中： U_Txk，k=1、2 、3为3个输出频率分量电压的有效值；fk为3个频率分量的频率；ψk为3个频率初始相位值。

图1 信号采集电路原理框图

感应接收信号是3频率混频信号，其信号采集电路原理框图如图1所示[3]，包括多路可控模拟信号通道模块、模拟信号滤波放大模块，A/D数据采集模块，FPGA(可编程逻辑阵列)控制模块，基于DSP(数字信号处理器)的信号处理模块以及通讯模块。其中多路可控通道模块用于选择控制3道模拟信号和参考信号的通断，并将它们分时送入滤波放大模块；滤波放大模块用于对模拟信号带通滤波与放大；A/D数据采集模块用于将滤波放大后的模拟信号转化成数字信号；FPGA控制模块与DSP信号处理模块在同一个电路板上，但其功能是独立的，用于电路信号时序控制。它的一个功能是控制多路模拟信号通道模块把需要采集的模拟信号源送入模拟信号滤波放大模块，另一个功能是控制A/D采集；DSP信号处理模块用于数字信号的处理；通讯模块用于将处理后的数字信号发送。仪器采集的模拟信号共有6道，需两个该种电路同时进行处理，每个电路处理3道模拟信号。

2 存储式阵列感应仪器响应特性

在阵列感应测井中，测井响应特性受井眼(二维空间)、围岩等环境影响较大，测量信号不能有效地反映原状地层信息。通常用几何因子来描述仪器的响应特性，包括一维特性和二维特性[4]。一维特性用纵向微分几何因子、径向微分几何因子描述，用以分析仪器的纵向分辨能力和径向探测特性；二维特性用二维几何因子描述，可以反映井眼、冲洗带、侵入、围岩等环境因素对测井响应的影响。

2.1 一维响应特性

1)纵向微分几何因子

图2 纵向微分几何因子响应函数

2)径向微分几何因子

图3 径向微分几何因子响应函数

2.2 二维响应特性

二维几何因子反映空间各点对测量信号的相对贡献大小，用来描述二维环境对测井响应的影响。由于存储式阵列感应的子阵列较多，其真分辨率聚焦的二维响应函数探测深度分别为10 in(1 in=25.4 mm)、20 in、30 in、60 in、90 in和120 in，而不同探测深度的曲线，分辨率是不同的。为使分辨率一致，其数据处理方法是在真分辨率聚焦基础上设计一维纵向分辨率匹配，用信息补偿原理来实现分辨率匹配。图4为用此原理合成的二维响应函数，纵向分辨率均为2 ft(1 ft=304.8 mm)。

图4 分辨率为2 ft的二维响应函数

3 存储式阵列感应数据处理

存储式阵列感应测井仪器测量的地层信息丰富，除了可以得出原状地层和侵入带电阻率外，还可以研究侵入带的变化。其数据处理主要是信号合成聚焦、滤波器设计、分辨率匹配和校正等处理方法，目的是通过二维信号处理消除不必要的井眼、侵入、围岩等二维环境影响和趋肤效应影响，将这些信号合成为测井解释人员所需的曲线。存储式阵列感应地面软件通过温度影响补偿、测井数据刻度、趋肤校正、井眼校正、软聚焦合成[6]和分辨匹配等处理，最终输出纵向分辨率为1 ft、2 ft和4 ft的探测深度为10 in、20 in、30 in、60 in、90 in和120 in等的18条测井曲线。

3.1 温度影响补偿

在仪器实际测井过程中，随着井深增加，温度逐渐升高，需要考虑仪器的温度影响。温度影响补偿反映出该仪器所测电导率与温度变化所产生漂移的关系如图5所示。

存储式阵列感应仪采用多次拟合算法来做温度校正计算，如式(2):

ΔT=a0+a1(TA)+a2(TA)2+a3(TA)3

(2)

式(2)中，ΔT是温度校正量；a0、a1、a2、a3是由温度实验获得的温度系数；TA是测量温度值。

根据温度实验数据及上式，可以拟合系数a0、a1、a2、a3，得到温度校正值，根据实际的温度测量以及式(2)计算当前温度的测量校正量。

图5 电导率随温度变化所产生漂移

3.2 趋肤效应校正处理

交变电磁场在导电介质中传播时，当频率趋于0所得到的电导率与依据Doll理论得到的视电导率相同。然而实际测井中，用于感应交变电磁场的频率不可能趋于0，是需要有一定频率的。我们把这个频率f下的视电导率与零频率视电导率之差定义为趋肤影响。

图6 视电导率和频率平方根之间的关系

通过多项式计算，可以获得不同频率的视电导率，对于存储式阵列感应而言，由于发射是3频率的混频信号，因此取3个频率值即可满足需求，那么就可以通过解线性方程组：

得到系数A0、A1、A2、A3、A4，其中A0就是我们所需要子阵列的趋肤效应校正后的结果σ[5]，它和频率无关。

3.3 自适应井眼校正处理

存储式阵列感应与高分辨率阵列感应类似，采用“软件聚焦”方法反演不同探测深度的地层电阻率[7]。由于存储式阵列感应短子阵列测量信号受井眼形状和仪器偏心等因素影响严重，为了校正外部测量值和不规则井眼带来的不确定性，采用先进的自适应井眼校正算法。该算法需要确定参数(σm，cal，d)的值，计算出适当的校正量并应用在实际的参数测量值上，对每个电阻率测量值进行校正以消除井眼影响。其中σm为泥浆电导率，由仪器本身自带的泥浆电阻率传感器实际测量得到，cal为井径，由井径仪器实际测量得到，d为仪器外径。井眼校正模型图如图7所示。

图7 井眼校正模型图

另外，要准确地求出仪器校正量还需要确定一个参数，即仪器相对偏心ecc，可通过下式求出：

3.4 数据存储处理及坏区管理

存储式阵列感应仪器需在井底高温环境下存储测井数据，因此必须采用高温的数据采集存储板，该存储板是以高温单片机为核心设计的直接存储体系结构。存储器采用分页式存储管理，把内存空间分为4 096块，每一块分128页，当数据操作时，以页为单位，每次都是存储一页或读取一页的数据。存储电路板采用被动接收数据的方式，每间隔500 ms接收一次数据，其他各电路按照约定时序依次发送数据，当接收的数据达到一页的容量即4K字节时，通过“页写”命令把这4K字节一次写入存储器内，然后页地址加1，如此依次循环直到仪器测井结束。存储电路与其它各电路采用CAN总线传输数据，波特率1 Mbps。各电路板定义有固定的ID，为11位的地址码，具体格式定义如下：

ID(标准帧)D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0主从帧信息命令数据电路板型号类别

位D10：0代表主站，1代表从站；位D9：0代表中间帧，1代表结束帧；位D8：0代表命令，1代表数据；D7-D0自定义。

对于高温存储式仪器来说，由于井内工作环境恶劣，存储器容易出现坏区，因此坏区管理是数据存储处理的一个重要部分。存储式阵列感应仪的坏区管理采用坏块数据映射和坏点动态检测的方法，如图8所示，把1～4 000块定义为数据存储区，4 000块后面的定义为坏块备用区，在信息保留区建立一个坏区映射表(Maptable)，存储器格式化时，将检测到的坏块块号n存入坏区映射表，同时把备用区的一个块号k(加上偏移量4 000)对应的存入该映射表，用于取代坏块来存储数据。当数据存储时，如果当前块是坏块n,则根据映射表将当前块替换成4 000+k块，然后往块内存入数据，数据读取时亦然。坏点动态检测可直接把信息区映射表内的坏块信息动态地显示出来。

图8 坏区管理数据映射方法原理图

4 应用实例及效果

存储式阵列感应测井仪样机研制完成后，在长宁H11-X井和5700阵列感应测井仪进行了资料对比测井。如图9所示，左边为存储式阵列感应测井曲线，右边

图9 长宁H11-X井存储式阵列感应与1515阵列感应资料对比图

为1515阵列感应测井曲线。由图9可以看出，存储式阵列感应所测曲线基本与1515阵列感应一致，表明存储式阵列感应测井仪器能准确地测量地层电阻率，真实反应地质构造，具备测井能力。另外，该仪器数据处理方法先进，地面软件根据井内实时存储的数据作温度、井眼、趋肤校正，并对深度、分辨率的匹配和信号合成自动处理，操作方便。

该仪器的优势在于，应付疑难复杂井、超长水平井和小井眼井时，一般的阵列感应测井仪因无法下到井底，不能获得地层资料，而存储式阵列感应测井仪受钻杆保护，能顺利随钻杆下到井底，并能安全、高效、可靠地获得这些复杂井况的地层资料。

5 结 论

存储式阵列感应仪器数据处理，先是通过读取存储器内的原始测量信号，再利用地面软件进行温度校正、井眼校正、趋肤效应校正和信号合成等处理，聚焦出不同分辨率和不同探测深度的测井曲线，提取用户所需要的信息。实际应用证明该仪器能通过感应数据处理，消除井眼影响，正确地反演出地层真电导率。

[1] 程建国，刘星普，李俊舫，等.存储式测井技术在油田开发中的应用[J].断块油气田，2005，12(5)：84-85.

[2] 马火林.AIL阵列感应测井原理方法及应用研究[D].北京：中国地质大学,2007.

[3] 刘春雅.新型阵列感应测井信号处理研究[D].西安：西安石油大学，2007.

[4] 仵 杰，庞巨丰，徐景硕.感应测井几何因子理论及其应用研究[J].测井技术，2001，25(6)：417-422.

[5] 郭 华，曹卫东，朱宣国.感应测井趋服效应校正方法[J].石油仪器，2004，18(1):58-59.

[6] 仵 杰，胡 启，汪文秉.阵列感应测井测量信号聚焦的研究及应用[J].测井技术，1997，21(5):310-317.

[7] Randy Beste, T.Hagiwara, George King, etc. A new high resolution array induction logging tool[C].Dallas: Society of Petrophysicists and Well-Log Analysts,2000.

Research on Data Processing Method for Memorized Array Induction Instrument

YIN Guoping，YOU Chang，LIU Yun，PAN Yong，JIN Jianxun，WANG Yi，WANG Xiaozhong

(WellLoggingCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,Chongqing400021，China)

The limitation of the traditional induction logging tool in data processing is introduced, and new demand for data processing for the memorized array induction logging tool is presented, and the tool′s working principle and response characteristics are also simply introduced. Data processing is one of the core technolog of the memorized array induction logging tool. Several sub arrays with different spacing and several different working frequency are utilized to collect underground formation information, which is sent to the ground system for data processing and is focused into logging curves of different resolution and different detection depth. Data storage and bad area management is another key technology of the tool, which is used to manage the original data of well logging. The practical application shows that the tool can measure the formation resistivity accurately and reflect the geological structure correctly. The data processing method is advanced.

memorized logging; induction logging; skin effect; software focus; bad area management

尹国平，男，1966年生，高级工程师，1989年毕业于西安石油大学测井专业，目前主要从事测井技术管理和研究工作。E-mail：youchang007@yeah.net

P631.8+1

A

2096-0077(2016)05-0010-05

2015-12-23 编辑：姜 婷)