过套管地层电阻率测井仪的研发设计

魏学良，李俊杰，曹卫东，曹旭东，曹生彪

（中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249）

过套管地层电阻率测井仪的研发设计

魏学良，李俊杰，曹卫东，曹旭东，曹生彪

（中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249）

为了解决以往过套管地层电阻率测井仪器在生产测井中的局限性，通过对电阻率测井原理以及技术特点的研究，结合目前国内外测井仪器的设计经验，研发设计新一代测井仪。仪器利用四连杆式机械推靠装置，实现电极探针与套管内壁的良好接触和脱离，保证了探针采集信号的准确性和稳定性；设计超低频极微弱信号的检测与处理技术，使仪器的最高测量分辨率达到50 nV。实验室的测量精度和地面测试试验以及油田现场的测试结果表明，测量的地层电阻率曲线与裸眼井测试数据有很好的一致性，仪器可实现0～150欧姆米电阻率的可靠测量。

过套管电阻率测井；地层电阻率；微弱信号检测；四连杆装置

在油田开采原油的过程中，油井开采一段时间后，地下油层总会有一定偏移和异动，开采初期对油层的监测结果已不再准确[1]。在此阶段，如何动态监测油藏，准确定位剩余油分布是当前油田开发中极为关注的问题。

在实际生产中，油田都进入了注水开采期，而开采地层因长时间的注水而显示出非常强的非均质性，特别是在渗透性好的地层中，其含水量会非常大，由于水中含有杂质和离子，这样，其电阻率相对于含油量大的地层来说会比较低，岩性非常致密的层段相对来说电阻率也比较高[3]。确定含油储层最重要的手段就是测量地层的电阻率。过去在裸眼井测量了地层电阻率之后，下过钢套管的井无法测量地层电阻率的动态情况。而过套管电阻率测井仪的出现解决了在套管井中测量地层电阻率的问题，为油田开发的中、后期油藏动态监测、剩余油分布监测提供了一种重要手段[4]。

本仪器设计采用四连杆式推靠装置，推靠装置与套管内壁的脱离或推靠装置的完全收回；选用超低噪声、低漂移的元器件设计前置信号放大和滤波电路，解决了超低频、极微弱信号的精确采集的技术难点，使仪器的最高测量分辨率达到50 nV。测试表明，可实现0～150欧姆米电阻率的可靠测量。

1 系统总体结构设计

过套管电阻率测井仪，结构上主要由绞车电缆接头、上扶正器、上电子舱短节、A1短节、U短节、A2短节、动力短节和下扶正器组成，如图1所示。

图1 过套管电阻率测井仪结构组成图

上电子单元被安放在上电子舱短节；电极A1被设置在A1短节；电位电极U、M1电极、N电极、M2电极和下电子单元都被设置在U短节；电极A2被设置在A2短节；电机和液压泵组成的液压式动力系统被设置在动力短节。其中，电极A1与M1，电极A2与M2的间距都是1 950 mm；电极U、M1、N、M2的相邻间距都是610 mm。

这样的测量系统设计是充分考虑了套管的非均匀性，采用在所测点处两个供电电极交替供电的工作模式，通过3个测量电极直接测量套管壁上3个电位和供电电流，可求得地层电阻率，因此测量结果受套管影响小。

2 过套管电阻率测井的基本原理

过套管电阻率测井的基本原理如图2所示。在测量过程中，井上大电流源提供的6 A大电流，分别从电极A1或A2依次加到油井的套管上，利用测量油井的邻井套管作为回流电极，使电流返回到回流电极B[7]。利用公式计算出地层电阻率值。

其中，K为电极系的系数，根据测定M1、M2、U的电位，分别计算出第一差分、第二差分，并测定电流I。通过电极A1供电时，M1和M2电极电位差的第一差分，作为中点测定电极与钢套管接触处的电位；M1和M2电极电位差的第二差分，作为电极A1与钢套管接触处的电流。通过电极A2供电时，M1和M2电极电位差的第一差分，作为中点测定电极与钢套管接触处的电位；M1和M2电极电位差的第二差分，作为电极A2与钢套管接触处的电流。当仪器上、下供电电极交替供电一次后，分别将上述8个参数代入公式，即可计算出仪器测量电极N点所在的地层电阻率值。

图2 过套管电阻率测井基本原理图

3 过套管电阻率测井仪系统组成

3.1 外部机械系统

过套管电阻率测井仪，采用液压作为动力源，能够提供驱动18组四连杆式推靠装置同时动作的强大驱动力，同时设有安全阀组，能够实现故障等导致的过压保护：其液压油通过电机和液压泵作用加压后，被输送、贯穿A1、U、A2和动力短节，作用在6个独立的小型液压缸上 （每个小型液压缸同时驱动同一截面上的3组四连杆式推靠装置）。

图3 四连杆式推靠装置图

每段电极测量点的截面处，其周向都均布着3个电极探针，且每个电极探针，均依靠四连杆式推靠装置来实现其与套管内壁的接触和脱离 （如图3所示），以充分保证探针采集信号的准确性和稳定性。

3.2 电气控制系统

过套管电阻率测井仪电气控制系统分为井上和井下两大部分，电气原理结构框图见图4。井上部分主要包括地面遥测通讯系统、供电系统以及上位机操作软件，井下模块主要有数据采集、曼码通讯和电源转换模块[8]。

图4 电气原理结构框图

1）井上供电系统

供电系统主要负责为整个系统工作供电，同时产生周期是12 s的双极性方波电流信号（幅值为7 A），通过电缆在井下注入套管壁并且通过大地形成回路。

2）井下电源转换模块

电源转换模块为井下各模块提供稳定合适的电源。

3）井下数据采集模块

数据采集模块主要负责同步采集井下各参量，通过485总线传至曼码通讯模块，曼码通讯模块对接收到的数据进行编码，使其通过电缆可靠上传。在数据采集电路设计中，DU1和DU2设计是整只仪器设计中技术关键环节。通过DU1和DU2的测量，计算出流向地层的微弱漏电流，从而计算出套管周围的电阻率分布。由于金属套管和地层电阻率存在较大差异，因此，流向地层的电流非常微弱，因此，需要设计的DU1和DU2数据采集板具有极高的分辨率，分辨率达到30～50 nV。

设计中，研制了超低噪声放大滤波电路，应用高性能DSP处理器控制24位模数转换器，采用内嵌于DSP芯片中的先进的自适应锁定消噪技术，完成对信号的高精度采集，实现了对微弱信号的纳伏级分辨，试验表明，可实现0～150欧姆电阻率的可靠测量。

3.3 地面测控软件系统

地面测控软件系统实现了上位机与接收机之间的指令和数据的交互，满足了系统参数设置、采集控制、波形显示、数据处理等功能。

系统软件结构采用模块化设计，分为人机交互模块、数据通信模块和数据处理模块，其中最重要的是数据处理模块。数据处理模块是对测量数据进行相应运算和处理，以得到地层视电阻率曲线[9]。数据处理过程主要分为以下几个步骤。

第一步，对原始测量数据△UNM1、△U NM2、Iup/Ilow和U进行处理，获取视电阻率计算所需要的参数。测量所得到的△UNM1、△U NM2、Iup/Ilow和U均为低频方波信号，计算所需要的是信号的峰-峰值，依据预先设置好的供电参数，提取峰-峰值的算法流程如图5所示。

图5 提取峰-峰值的算法流程

测量数据为含有直流分量的归零方波。为了能精确计算信号的峰峰值，必须剔除无效点和干扰点，确定有效数据的范围。首先对某一测量数据计算正半周期的平均值，以此点作为正半周期零点的标识，再对正半周期的测量点逐点检测，找出距离此零点最近的数据点，标记此数据点为检测到的参考点，每半周期可以检测出两个参考点，即上升沿参考点和下降沿参考点[10]。对于正半周期根据参考点的标识，采用左、右各让开特定点数的方法，选取中间幅度最为平坦的数据点作为计算幅值的有效点，剔除无效点和干扰点。再通过递推平均滤波法，平滑方波中的纹波，并求取两有效点之间数据点的均值，最大限度确保计算的精确度。同理，对于负半周也采用此操作，根据正、负半周的数据可以计算出一个周期的峰-峰值。依次类推，对所有周期的峰-峰值求取平均值，该值即为所求测量信号的峰-峰值。

通过此算法，能有效地去除信号中的干扰脉冲，平滑信号中的纹波，最终得到精确的结果，实现纳伏级信号的分辨。且该算法具有很强的抗干扰能力，实现了峰峰值提取过程的智能化。

第二步，将处理后的△UNM1、△U NM2、Iup/ Ilow和U代入视电阻率计算公式，即可得出某一深度的地层视电阻率计算结果。

第三步，设定拟合曲线，由视电阻率计算结果计算地层视电阻率计算结果。

第四步，保存处理、计算所得各结果。数据保存是通过OleDb技术把数据栏中的各参数数据以.xls的形式保存到用户指定的Excel目录中，便于后续的处理和解释工作。

4 技术创新

4.1 超低频极微弱信号的检测与处理

在过套管电阻率测井仪的研发设计中，最关键也是最难攻克的技术就是对井下微弱信号的精确测量[12]。过套管地层电阻率测井仪的发射信号是频率约为0.1 Hz的超低频方波，由漏电流产生的△U1、△U2的变化量可能小至30～50 nV，而放大器的短路噪声大小是和频率开方成反比的，因此，基于上述指标的超低频极微弱信号采集是信号采集的极限情况，属于世界性难题，能否实现对超低频极微弱信号的精确采集是影响整个系统性能的至关重要指标。

在本仪器中，设计超低频极微弱信号的检测与处理技术，此技术选用超低噪声、低漂移的元器件设计前置信号放大和滤波电路，降低电路自身产生的系统噪声，并选用高分辨率的24位A/D转换器，采用过采样技术，提高微弱信号的测量精度，采用内嵌于DSP芯片的先进的自适应锁定消噪技术，完成对信号的高精度采集，使仪器的最高测量分辨率达到50 nV。试验表明，可实现0～150欧姆米电阻率的可靠测量。

4.2 四连杆式机械推靠装置设计

过套管电阻率测井仪，依靠四连杆式推靠装置来实现电极探针与套管内壁的接触和脱离，以充分保证探针采集信号的准确性和稳定性。

四连杆式推靠装置，以板弹簧的形变回复力，作为推靠电极探针的作用力，使得测井仪的推靠装置能够适应井径突变的情况。

四连杆式推靠装置的探针总成有绝缘设计，且各组探针都能牢固地扎在套管上（其作用力至少为70 N，足以保证探针与套管内壁的牢固接触），所以能够有效地保证测井仪测量信号的准确性和稳定性。

四连杆式推靠装置，依靠小型液压缸的作用力，同时驱动对应的三组推靠装置，实现推靠装置与套管内壁的脱离或推靠装置的完全收回。

4.3 基于非均匀模型的地层电阻率的算法实现

在上位机电阻率算法实现上，建立过套管电阻率测井解释评价标准，以修正传输线方程法为理论依据[12]，根据多套地层模型数值模拟结果，分析地层、套管、围岩和水泥环等因素影响，研发了相应的校正方法和校正图版，开发出解释处理软件，完成离散数据的编辑处理、深度校正、储层参数计算、剩余油饱和度评价等工作。

5 测试结果分析

5.1 实验室测量精度验证

为验证过套管电阻率测井仪测量精度，对设计的电路板的放大倍数及分辨率进行标定实验，对整支仪器进行地面测试与刻度试验[15]，最后进行下井测试。

用信号发生器产生mV级0.1 Hz的方波，经过衰减器衰减10-5后变成nV级信号VB，送入研制的DU信号放大滤波电路，调整输入信号的幅值，逐次递增1 000、500、300、200、100、50nV。用自行研制的24位AD采集器和FLUKE 8846A分别采集DU信号放大滤波电路输出信号VC，除以放大倍数后，再计算前后两次采集的电压差△VB，所测数据列于表1。

由表1可知，以FLUKE 8846 A作为基准，自行研制的采集器对50 nV变化量的检测误差5.8%，满足设计要求。

表1 分辨率测试数据

5.2 现场试验结果分析

通过油田现场测试，取得了有效的测井数据，并进行了测量数据处理，获得了与裸眼井电阻率相吻合的地层视电阻率曲线。图6中A曲线是裸眼井的部分测试数据，B曲线是过套管电阻率实测曲线。

图6 过套管电阻率实测曲线图

通过实验得到的数据分析，可以得到结论：现场测试的套管地层视电阻率曲线与裸眼井地层电阻率曲线基本吻合；经过多次测量实验，仪器多次测量的套管井视电阻率曲线基本相同。

6 结 论

1）试验证明测井仪及配套软件研制成功，整体系统的稳定性、重复性和可靠性达到设计要求。

2）研制的过套管电阻率测井仪的技术指标完全达到了预定要求，仪器刻度曲线的线性度、一致性非常好，可实现0～150欧姆米电阻率的可靠测量。

3）测试得到的过套管地层视电阻率曲线与裸眼井测试数据吻合得较好，可以明显的得到不同井深地层电阻率的差异，为油井的开采提供可靠数据。

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Design of logging instrument for cased hole formation resistivity logging

WE Xue-liang，LI Jun-jie，CAO Wei-dong，CAO Xu-dong，CAO Sheng-biao
（College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

In order to solve the previous casing formation resistivity logging instrument of logging limitation，through the study of the resistivity logging principle and technology characteristics，combining with the logging instrument design experience of domestic and overseas，research and design a new generation instrument.Through the four-link mechanical backup devices，realize contact between electrode probe and cased，ensure the accuracy and stability of collection signal；Designing of ultra-low frequency signal detection technology，make sure the instrument resolution up to 50 nV.Laboratory measurement precision、ground test and field test results show that the measured formation resistivity curve has a good consistency with barefoot well，instrument can realize reliable measurement of 0～150 ohm meter resistivity.

cased hole resistivity logging；formation resistivity；weak signal detection；four-link device

TN06

A

1674-6236（2017）09-0087-05

2016-08-12稿件编号：201608087

国家发改委下一代互联网技术在智慧油田的应用示范项目（CNGI-12-03-043）

魏学良（1972—），男，山东潍坊人，博士，讲师。研究方向：电力电子在电力系统中的应用、新能源发电、交直流传动、电力电子电路全数字化控制、模块化技术等。