0.2 m高分辨率双侧向测井仪器信号幅度仿真

童茂松，张加举，丁 柱

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

近年来，由于大规模的勘探开发和强注强采，国内各大油田已近入高含水开发后期，储层平面、层间、层内非均质性严重，剩余油分布呈现“薄、散、小、差、低”的特点，严重影响了油田的开发效果和效益，油田稳产压力急剧增大。为了保障油田稳产，需要将区域内剩余油精细描述与剩余油精细挖潜相结合，以大庆长垣油田为例，其开发对象逐渐转向薄差层与厚层的薄差部位，薄差层挖潜、厚层细分及成为稳产的重要接替手段，提高水淹层解释精度以满足油藏精细描述和射孔方案编制要求成为生产急需[1-4]。

现有常规测井系列的纵向分辨率并不匹配，范围为0.2～0.9 m，为了获得薄层参数，需要进行高分辨率处理，但是也由此带来不必要的误差，因此需要开发统一分辨率的测井系列，直接测量0.2 m薄层参数。双侧向测井仪器作为常规主力仪器[5]，测量地层深浅电阻率，为含油饱和度评价提供重要的参数[6-8]，其纵向分辨率为0.6～0.9 m，需要重新设计仪器，提高纵向分辨率到0.2 m，理论上是可以实现的[9-13]，但是存在三个难题：一是双侧向测井仪器的纵向分辨率和探测深度一直是一对矛盾，难以兼顾[14]；二是在聚焦控制上，由于信号幅度小，硬聚焦控制难度大；三是电极系数值模拟针对的是测井方法，主要考察电极系特征，并未考虑实际仪器实现难度，需要考察信号测量精度对测量结果的影响，尤其对于数字聚焦方法。

本文采用数值模拟方法优化双侧向电极系，在保障探测深度的前提下，实现0.2 m纵向分辨率的目标；采用数字聚焦方式实现双侧向电阻率测量，以解决硬聚焦难以控制的难题；结合数值模拟技术和电路仿真技术，得到测量信号的幅度，为仪器设计提供关键参数。

1 数字聚焦

根据数字聚焦电场叠加原理，0.2 m分辨率深侧向的工作方式可以分解为三个不同频率的独立模式：

模式1：如图1(a)所示，电流通过电极A1和A2发射，由处于仪器上方一定远处的B电极接收，主电极A0不发射电流，且保证屏蔽电极A1和A2之间针对模式1的频率等电位。

模式2：如图1(b)所示，电极A1向A2电极发射电流，主电极A0不发射电流。

图1 0.2 m高分辨率双侧向数字聚焦供电模式

模式3：如图1(c)所示，主电极A0向电极A1和A2发射电流，且保证A1和A2之间针对模式3的频率等电位。

深侧向聚焦由模式1和模式3组合实现，浅侧向聚焦由模式2和模式3组合实现，通过计算得到深侧向电阻率(RHLLD)、浅侧向电阻率(RHLLs)，公式为：

(1)

(2)

式中：

Kd——深侧向电极常数；

Ks——浅侧向电极常数；

2 信号幅度仿真

采用数值模拟与电路仿真相结合进行信号幅度仿真，二者是一个交互过程：以保障探测深度、纵向分辨率达到0.2 m为目标，设计电极系；通过电路仿真对信号幅度进行分析，以便考虑仪器的理论设计指标实现的可行性，最终得到可实现的最优化电极系，同时能够为仪器调试装置提供参数，以便对仪器进行刻度，也可以检验仪器在不同地层条件下测井效果。

图2所示为0.2 m高分辨率双侧向仿真框图，主要由电阻网络、电极系、信号发射单元和信号测量单元构成。

图2 0.2 m高分辨率双侧向仿真框图

电阻网络是仿真的核心单元，由数值模拟得到。0.2 m高分辨率双侧向测井仪器在井下工作时时，电极系和地层之间的分布电阻可以用电极系上各电极之间的集中参数互阻和电极到无限远处的电阻构成的电阻网络等价，从测量效果来看仪器对电阻网络响应完全等同于仪器对地层响应[15]。0.2 m高分辨率双侧向电极系是由7个电极组成的，电阻网络由28个电阻组成。通过数值模拟，得到不同电极系在不同地层条件下的电阻网络。

电路部分包括信号发射单元与信号测量供电，由电路仿真软件实现。

改变目的层电阻率及层厚、围岩电阻率、钻井液电阻率、井眼半径、侵入带半径及电阻率等参数时，地层电阻网络是不同的，由此将不同的电阻网络的各个电阻值输入到仿真系统中，可以得到不同条件下0.2 m高分辨率双侧向测量信号的幅度。

3 结果与讨论

3.1 探测深度与纵向分辨率

通过数值模拟得到了0.2 m高分辨率双侧向测井仪器电极系，其径向几何因子图版如图3所示，图中横坐标是侵入带半径，纵坐标是几何因子，由图3可见深浅侧向电阻率的探测深度分别达到1.45 m和0.46 m。

图3 0.2 m高分辨率双侧向径向几何因子图版

层厚响应分析表明，设计的电极系对孤立的0.2 m薄层以及厚度为0.2 m的薄互层，其响应幅度均达到50%以上，说明其纵向分辨率能够达到0.2 m。

3.2 信号幅度仿真结果

通过数值模拟地层电阻网络，计算条件：8 in井眼，钻井液电阻率Rm为0.1·m，无侵地层，层厚为无限厚，改变地层电阻率(5种)，得到不同条件下的电阻网络，仿真得到相应的信号幅度，结果见表1，为三个模式下的信号幅度，为设定的三个模式供电电流。

表1 不同地层电阻率条件下测量信号幅度

由表1可以看出，三个模式下的电位差信号都非常低，尤其是模式1和模式2，在高阻地层情况下，达到微伏级，例如对于2 000·m地层，模式1监督电极电位差信号幅度为27.7V，模式2监督电极电位差信号低至14V，说明由于双侧向纵向分辨率提高，测量信号的幅度急剧降低，如果信号幅度测量精度不够，在数字聚焦时电阻率计算误差增加，这就要求电路设计上要充分考虑测量精度。

3.3 仪器实现

通过以上结果分析，0.2 m高分辨率双侧向测井仪器不仅受井眼影响大，而且信号幅度低，尤其是在高阻地层中，因此在仪器设计上考虑以下因素：

1)尽量增加三个模式的发射电流，以提高信号幅度；

2)井下采用数字滤波，提高测量精度与测井速度；

3)仪器集成泥浆电阻率测量单元，实时得到泥浆电阻率；

4)与井径测井仪器组合测井，地面数据处理中实时井径校正。

3.4 现场试验效果

0.2 m高分辨率双侧向测井仪器研发成功后，在大庆油田进行了10口井现场对比，大庆油田具有典型的薄层以及薄互层，对于该仪器的评价非常有利。

图4所示为Ta××井的对比测井曲线图(绘图比例1:100)，图中所示曲线说明：微球(MSFL，第一道)、井径(CAL，第一道)、常规深浅双侧向电阻率(LLD、LLS，第二道)、0.2 m高分辨率双侧向电阻率(LLD-0.2 m、LLS-0.2 m，第三道)、微电极(RMN、RMG，第五道)，其中微球、微电极测井曲线的分辨率已经达到0.2 m。第六道为深度道。

图4 Ta井对比曲线图

由图4可以看出，与常规双侧向电阻率测井曲线(LLD、LLS)相比，0.2 m高分辨率双侧向测井曲线(LLD-0.2、LLS-0.2 m)的纵向分辨率有明显提高，与微球、微电极测井曲线有非常好的对应性。在1 075.5～1 076.0 m的厚度为0.5 m的渗透层，微球、微电极测井曲线显示该层由两个薄层组成，常规双侧向并不能区分，而0.2 m高分辨率双侧向明显具有两个层显示，且深浅电阻率差异也表示了渗透性，在1 082.9、1 083.8、1 087.2 m等深度，该仪器同样显示与微球、微电极一致的薄层分辨能力；在1 077～1 082 m深度范围内，微球、微电极测井曲线显示有多个薄层，常规双侧向测井曲线非常光滑，而0.2 m高分辨率双侧向的响应与微球、微电极非常一致。从图中还可以看出，由于纵向分辨率的提高，设计的高分辨率测井仪器的薄层电阻率幅度也有明显提高，更接近于真值。

以上分析说明该仪器的纵向分辨率达到了0.2 m，通过数值模拟与电路仿真相结合，形成的高分辨率测井仪器达到了预期的目标。该仪器已经在大庆油田和吉林油田测井300多口，与其他0.2 m高分辨率测井系列配套，为薄层分析、储层参数计算、厚度划分提供了准确的资料，水淹层解释精度较常规系列提高了10个百分点以上。

4 结 论

1)高分辨率双侧向纵向分辨率达到0.2 m，深浅侧向的探测深度分别为1.45 m和0.46 m。

2)高分辨率双侧向在提高分辨率的同时，极大地降低了测量信号的幅度。在高阻层(2 000 Ω·m)情况下，信号低至微伏级。

3)现场应用表明，0.2 m双侧向测井仪器响应与微球、微电极一致，在薄层和薄互层电阻率较常规双侧向电阻率有提高。

4)数值聚焦与电路仿真相结合，有助于侧向类测井仪器开发。