一种基于非接触耦合原理的新型随钻微电阻率成像仪器

2020-12-24倪卫宁米金泰康正明闫立鹏宋朝晖

中国石油大学学报（自然科学版） 2020年6期

李新, 倪卫宁, 米金泰, 康正明, 闫立鹏, 宋朝晖

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101； 2.西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710300)

随钻高分辨率电阻率成像系统可以实时提供井筒高清图像，测定地层倾角等特征，帮助地质导向专家将井眼准确控制在优质储层之中，还可以在钻井中实时监测井眼崩落和裂缝，为钻井液漏失点识别和储层压裂提供有价值的信息[1-2]。近年来，中国四川盆地、珠江口盆地、琼东南盆地、北部湾盆地和鄂尔多斯盆地使用国外仪器开展了作业[3-7]，应用需求巨大。随钻高分辨率电阻率成像仪器主要基于螺绕环电极系测量原理[8-9]。国外代表性的仪器有斯伦贝谢公司的RAB[10]、GeoVision(GVR)[11]和MicroScope系列[12]，哈里伯顿公司的AFR[13]，贝克休斯公司的StarTrak[14]，威德福公司的SinWave[15]和奥力登公司的GeoFusion[16]。贝克休斯的StarTrak仪器还包括一种聚焦式成像电极结构的版本[17]。中国石油测井公司与奥力登公司合作推出GeoFusion的中国版本，称为RIT仪器[18]。同时，许多学者针对随钻电阻率成像技术开展了方法研究。路保平等[19]分析了高精度随钻成像测井方法和关键技术进展，Karinski等[20]研究了水平层状地层的侧向电阻率响应；李铭宇等[21]仿真了螺绕环激励式随钻侧向测量的信号强度影响因素及响应特性；Kang等[22]利用三维有限元数值模拟考察了一种随钻电阻率成像测井电极系的响应；倪卫宁等[23]仿真研究了多模式随钻高分辨率电阻率成像仪器的探测特性。笔者研究随钻微电阻率扫描成像原理与井筒条件下的测量电场建立方法，利用有限元方法研究成像仪器的探测特性，设计动态工具面高速检测和采集系统方案，研制出一种新型随钻高分辨率电阻率成像系统—ResImg(resistivity imaging while drilling)，并通过采集随钻地层电阻率图像与电缆测井结果对比，验证仪器的可靠性和高分辨率特性。

1 随钻电阻率扫描成像仪设计原理

1.1 成像电极系结构与原理

随钻高分辨率电阻率的扫描成像原理如图1所示。ResImg仪器电极系由两个发射电极和3个成像电极构成。其中两个发射电极对称布置在仪器两端，成像电极位于发射电极中间位置。发射电极为螺绕环结构，绕制在金属钻铤外侧，在钻铤和地层回路中激发出电流回路。根据变压器原理，发射螺绕环作为主级线圈，钻铤-钻井液-地层为次级线圈。工作时，发射螺绕环发射低频正弦电流，在其上下两侧的钻铤上形成电势差，电流从螺绕环下方的钻铤发出，经钻井液-地层回到螺绕环上方的钻铤形成回路。成像电极镶嵌在钻铤外壁上，且尽可能地靠近井壁，降低钻井液和仪器偏心的影响。由于采用的是低频电流测量回路，该仪器属于侧向类电阻率测井范畴。

ResImg仪器设计两种工作模式：成像模式和滑动模式。在“成像模式”下，成像电极在仪器高速旋转下扫描井壁(采集经成像电极流入地层的电流)，通过动态工具面检测单元同步记录下每次测量时的角度坐标，将旋转一周的数据沿钻井深度展开得到井壁的电阻率图像。随钻电阻率图像的起点为正北方向，其像素分辨率用“扇区(bins)”的数量表示。3个成像电极系呈120°均匀分布，可提高仪器的周向分辨率，并在“滑动模式”下提供3个固定方位的电阻率曲线。随钻电阻率图像或方位数据还可以合成平均电阻率曲线。

图1 仪器结构和扫描成像原理Fig.1 ResImg tools structure and scanning method

1.2 电流聚焦与电阻率计算方法

螺绕环发射电极安置在钻铤外壁上的凹槽中，其外侧安装含绝缘带的钛合金保护罩。这种结构具有显著优点：①整个钻铤为金属结构，外壁成等电势，起到天然聚焦的作用；②不需将钻铤分隔绝缘产生电势差，钻铤为整体结构保证了强度；③螺绕环具有电流放大作用，适合随钻低功耗应用。

螺绕环发射电极的工作原理如图2所示。利用上下两个螺绕环作为发射电极，在钻铤本体中产生相位相反的电流，电流在钻铤本体轴向相向流动，在两发射电极中点(成像电极处)汇集并流入地层之中，达到聚焦的效果，提高探测深度和纵向分辨率。发射螺绕环还互为电流监督和测量电极，在遇到高阻或低阻夹层时，自动调节和平衡发射功率。此时成像电极上测得的电流信号和地层电阻率R有关：

(1)

式中，R为地层电阻率，Ω·m；V1和V2分别为上下发射电极上的发射电压，V；I1和I2分别为上下发射电极对应的采集电流，A；K为仪器常数，通过标准刻度得到。当I1和I2相等时，式(1)简化为

R=K(V1+V2)/I1.

(2)

图2 螺绕环激励源示意图Fig.2 Schematic of toroidal coils excitation

2 随钻成像采集系统方案

2.1 低功耗成像信号采集设计

随钻高分辨率电阻率成像仪器的采集系统由电阻率测量单元、工具面检测单元和主控单元3部分组成[24]，如图3所示。电阻率测量的作用是构建测量回路，测量经成像电极流入地层的电流；工具面检测单元是获得动态角度坐标；主控单元负责采集时序和数据的操作，例如将地层电阻率数值按角度坐标展布得到图像。

电阻率测量单元包括发射和采集两部分。图3中两侧的绿色大螺绕环代表发射电极，中间绿色小螺绕环代表成像电极。发射部分包括发射控制单元、发射调节单元和功率驱动单元；接收部分包括调谐单元、前置放大单元、采集单元和采集控制单元。发射控制单元发射低能量波形，经发射驱动提升信号功率后，通过调谐模块(用于调整工作频率、带宽，增加发射效率)输送给发射电极。调谐模块尽量靠近发射电极。接收单元与发射单元同时工作，采集流经成像电极进入地层回路的实时电流微弱信号，经过前置放大滤波模块后，由检波采集模块数字化。前置放大尽量靠近成像电极。

图3 采集系统框图Fig.3 Schematic of acquisition system

主控单元包括低功耗MCU(microprogrammed control unit，微程序控制器)、通信单元和存储单元等部分。MCU负责统一协调测量模式的切换、数据的处理/传输和存储。仪器采用RS485串行总线与MWD(measurement while drilling，随钻测量)系统进行数据通信，通过钻井液脉冲或电磁波遥传将8扇区图像实时传至地面。存储单元容量为16 Gb，负责将原始信息保存在仪器内部，待仪器返回地面后进行读取回放。整套采集系统可在150 ℃下长期稳定工作，在地层条件下的系统整体功耗约为3 W。

2.2 转速对扇区分辨率的影响分析

工具面检测单元采用了MEMS(micro-electromechanical systems，微电子机械系统)陀螺仪、MEMS正交磁通门传感器和MEMS加速度计的多传感器组合方案获取动态工具面。

首先根据陀螺仪计算和判断仪器转速，在转速小于15 r/min时进入滑动模式，转速大于等于15 r/min时进入成像模式。在成像模式下利用正交磁通门数据解算128扇区角度坐标。在水平井中无法利用地磁数据求解正北方向，此时利用加速度计计算仪器的高边，定义图像的第1个扇区。

成像分辨率越高、仪器转速越快，对采集测量系统的要求越高，即单个扇区内的测量时间要求越短。ResImg仪器采用了FPGA(field programmable gate array,现场可编程门列)快速采集技术，在2 ms内完成3个成像电极和所有传感器信号的高速采样。仪器入井测量前要设定单次连续采样时间和两次采集间隔的时间。在这种模式下仪器的转速将对成像分辨率产生影响。总体来说，成像分辨率与转速成反比，但有最低转速约束。

仪器转速为15 r/min时进入“成像模式”，扫描360°实现全井眼覆盖的单次连续采样时间应大于等于4 s，这时将采集到2 000个扇区数据。此时为最慢转速下获得的极限图像分辨率。以此类推，当转速为83 r/min时，扫描360°井壁刚好采集360个扇区数据，即钻速在小于83 r/min时ResImg仪器能够实现360扇区的成像分辨率。为了实现更宽转速的适应性，设定成像分辨率为128扇区，这时理想情况下允许的最大转速为234 r/min，保证了在几乎所有钻井转速工况条件下实现高分辨率电阻率成像。

仪器固件中植入了二级扇区重排机制，用于将冗余的扇区数据分配到128个扇区中。此外，ResImg仪器设计3个呈120°周向布置的成像电极，理想情况下转速可以提高3倍。

3 随钻成像探测特性

随钻电阻率成像的扇区数量为图像“像素”分辨率，仪器电阻率信号的物理响应范围决定图像清晰度。实际地层组合复杂的非均质性主要表现为：径向上由井眼、侵入带、过渡带和原状地层组成，在纵向上由目的层和围岩组成，轴向上由地层和不同方向的裂缝组成。借助COMSOL有限元仿真平台建立相应的地层模型，考察仪器在复杂地层条件下的响应和探测特性。

3.1 探测深度

利用伪几何因子(pseudo geometric factor,PGF)理论计算了仪器探测深度。模型在径向上依次为21.6 cm井眼(仪器和钻井液)、侵入带和原状地层，假设每层在纵向上为均匀无限延伸。模拟时选取井眼钻井液电阻率Rm=1 Ω·m，侵入带电阻率Rxo=1 Ω·m，原状地层电阻率Rt=10 Ω·m，电极直径d=20 mm，电极系源距L(发射螺绕环到成像电极的距离)从25.4 cm到127.0 cm变化。图4为PGF与侵入带半径的关系，定义PGF为0.5时对应的侵入带半径为仪器的探测深度。电极的探测深度随着源距L的增加而增大，对应的探测深度从6 cm到25 cm变化。当源距大于101.6 cm时，源距L的增大对探测深度的贡献逐渐较小(变化约为2 cm)。当在仪器设计不考虑其他因素时，将成像电极与发射电极距离控制在101.6 cm以内，可以获得较为理想的探测深度，同时有效控制仪器的总长度。综合考虑电流的绝对信号值随源距L增大而减小等因素，选择了L=50.8 cm作为电极系源距，可知此时ResImg仪器的探测深度为13 cm。

图4 不同源距电极探测深度Fig.4 Depth of investigation of button electrode with different spaces

3.2 裂缝分辨能力

建立水平层状单裂缝模型考察成像电极对裂缝地层的分辨能力。模型包括裂缝地层和背景地层两部分组成，裂缝地层电阻率Rm=1 Ω·m，背景地层电阻率Rt=100 Ω·m。假设成像电极半径为10 mm贴井壁垂直运动测量，电极系源距L=50.8 cm。设置裂缝宽度从0.25 mm到2.5 mm变化，考察成像电极在裂缝中心测得的视电阻率变化，如图5所示。

图5 不同水平层状裂缝的视电阻率变化Fig.5 Variation of apparent resistivities of different horizontal fractures openness

随着裂缝宽度的增大，在裂缝中心处测量得到的视电阻率逐渐减小，当裂缝宽度达到与成像直径相当时，视电阻率几乎不再随裂缝宽度增大而变小，且与裂缝地层真实电阻率接近。因此仪器对裂缝地层真电阻率的最优分辨率等于成像电极直径。成像电极直径越小，裂缝分辨能力越强。

建立网状交叉裂缝模型进一步验证上述分析，图6为随钻扫描成像仿真结果。模型中包含5条倾斜裂缝，纵向上以此间隔0.05 m，裂缝宽度lf均为5 mm。从上到下第1、3、5条裂缝为南北向45°，第2、4条裂缝为南北向135°，裂缝互相交叉形成网状。模型中使用直径10 mm成像电极贴井壁扫描，清晰地获得了5条裂缝的正弦形图像。虽然未获得裂缝的真实电阻率，但图像的对比度足够识别比成像电极直径更小的裂缝。随钻图像上的裂缝视宽度取决于电极直径、裂缝宽度、裂缝-地层电阻率差异。电极扫描通过垂直孤立裂缝的过程中，在周向上2d+lf的范围内都能对裂缝有接触，探测到裂缝的贡献。此外，模型中的裂缝倾斜延伸了周向上的长度，故此处裂缝的视宽度约为25 mm。

图6 网状裂缝模拟图像结果Fig.6 Simulation images result of network fractures

仪器钻铤表面上的电势相等，成像电极直径(面积)决定可检测电流强度的大小，小直径成像电极的检测难度也更大。ResImg仪器安装了直径为20 mm(1号和3号电极)和10 mm(2号电极)的成像电极，进行了现场试验。直径5 mm的成像电极也已研制成功，3种尺寸的电极均通过了高温175 ℃、高压140 MPa的试验。

4 现场试验

4.1 通井成像试验

2018年10月，随钻高分辨率电阻率成像仪器在胜利油田X123井进行了首次下井测试，获得首幅随钻地层高清图像和地层高精度电阻率曲线。本次试验井眼直径为24.1 cm，水基钻井液。ResImg仪器位于钻头后方进入井筒。仪器采用自适应采集模式，自动检测钻柱旋转状态，在钻柱下放低转速下进入“滑动模式”采集地层平均电阻率，在高转速下进入“成像模式”进行地层井壁扫描成像。

本次试验仪器连续成像扫描层段67 m，仪器出井口后机械外观完好，机械强度、密封性、抗震性得到验证，仪器发射电极和成像电极等关键工艺通过检验。随钻数据处理后获得了目的层段高清图像[24]，成功识别仪器入层/出层状态，地层界面显示为正弦形态，如图7所示。图中第1道为随钻电阻率静态图像，为直径10 mm的2号成像电极测量结果。可以看出，虽然井眼直径达到了24.1 cm，仪器还是清晰地获得了地层的高分辨率电阻率图像。第2道随钻电阻率图像得到的平均电阻率与第3道的电缆电阻率测井对比趋势高度一致，且具有更高的纵向分辨率，更好地识别出薄层信息，验证了方法的正确性。

图7 X123井随钻电阻率成像数据Fig.7 ResImg LWD resistivity images and logs from well-X123

4.2 实钻成像试验

2018年11月，随钻高分辨率电阻率成像仪器在胜利油田X124井进行实钻测试，主要检验了仪器在实钻条件下的机械可靠性、高转速、高钻速下的测量能力和成像分辨率。本次试验井眼直径为21.6 cm，水基钻井液，电阻率连续测量1 800 m，成像扫描测量270 m，获得了目标井段井眼的高清图像。仪器通过了复合钻井、滑动钻井、划眼等多种工况下的考验。

图8为实钻条件下的随钻电阻率静态图像、曲线及其与电缆测井数据的对比。在钻井高振动和高转速的工况下仍然获得了清晰的地层井壁图像(图8中第1道)。数据显示，仪器可在115 r/min的高转速下实现成像测量。相对于电缆测井来说，图像上没有因覆盖率不足形成的白色条带。该井同样进行了随钻和电缆的电阻率曲线对比，二者波形趋势十分吻合，随钻电阻率具有更高的薄层分辨能力。