随钻电阻率测量方法研究

钱德儒

(中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究，北京，100020)

0 引言

随钻测量（MWD-Measurement While Drilling）是一种在钻孔过程中实时测量井底各种参数的技术，MWD的最大优点是可使钻探人员和地质学家实时查看井下发生的事情，从而可以大大改善决策[1-3]。MWD系统测量的一个非常重要的方面是电阻率地层表征的测井和地质跟踪，地质追踪是指在钻探过程中使用地层评估数据来评估水平井和大角度斜井，可提供实时交互式层理跟踪，从而将非垂直井引向最优化的地质目标层[4]。目前，与国外先进技术相比，我国的电阻率测量和定向钻井仍存在较大差距[5]。然而，在我国的大型石油生产基地，定向井和大位移井的数量每天都在增加，迫切需要在定向钻井中开发电阻率测量技术，因此MWD系统具有非常广泛的应用前景[6]。

本文介绍了钻井过程中电阻率测量的方法，微电阻率测井通常用于浅层测量，由于其电极尺寸小，电极之间的距离短且检测深度浅，因此它主要用于测量井眼和冲洗区域的电阻率，这些都是直流电测井。在直流测井中，井中必须充满导电性泥浆或水以及其他井中液体，以使测得的电流可以进入地层并达到测量地层的目的。但是，在某些情况下，通常使用油基泥浆和空气钻井来准确了解地层的原始油饱和度并维持地层的原始渗透率。感应测井使用交变电磁场来测量地层的电阻率，它不受井中缺少电介质的限制。常规感应测井使用低频（通常为1kHz），并且通过测量接收器的感应电动势并分析地层的电阻率。

1 随钻电阻率测量方法

1.1 基于相位差的测量方法

根据两个接收器检测电磁波的相位差来测量电阻率。如图1所示，近处接收器到发射器的距离为z1，远处接收器到发射器的距离为z2。则波数可以表示为：

图1 相位差的测量方法示意图

其中：f表示场频，v表示传播速度。

1.2 基于幅度比值的测量方法

1.3 基于相位差和幅度比值组合的测量方法

假设最大相位为90°，最大幅度比为1，于是有：

基于相位差和幅度比值的两种测量方法都是可行的，基于幅度比值的测量方法具有较深的探测深度，基于相位差测量方法具有较高的纵向分辨率。同时两种测量的精度要求也有很大的不同[7]。对于z1=20in，z2=24in，在2MHz的工作频率下，最大误差为10%，并且对ΔΦr和ΔAr的测量精度要求为：

可以看出，ΔAr的测量精度高于ΔΦr的测量精度，并且随着地层电阻率的增加，对测量精度的要求也更高。当ΔAr/ΔΦr达到1.57的极限时，幅度比值和相位差测量精度要求是等效的。同时，幅度比值测量方法不能覆盖整个电阻率测量范围（0.5Ω·m～50000Ω·m），因此适用于低电阻率，而相位差测量方法则适合于高电阻率。

2 多探测深度方案分析

2.1 可用的频带区间划分

研究不同场频和不同源距的测量点处电磁场分布的变化，分析并补偿不同的干扰因素。随着震源距离的增加，绝缘作用增加，井眼和穿透区的影响逐渐减弱。通常，光源距离越短，探测深度越浅。光源距离应根据实际情况合理调整，利用多发射器结构，不同的光源距离可以提供多个探测深度。地层中电阻率的动态范围约为0.5Ω·m～50000Ω·m，因此对接收器的动态范围有严格的要求，但是在扩展动态范围时也必须考虑接收器的灵敏度，这两种选择是相互限制的，需要寻找最佳范围。因此，通常根据钻井系统中电阻率测量的要求来选择场频，不同的场频将导致不同的工作环境，可用的频带的区间划分见图2所示。

图2 可用的频带内的区间划分

对于随钻电阻率测量系统，场频通常为2MHz。频率太高会增加接收器测量的动态范围，并对工具的隔离性能提出很高的要求；频率太低，天线效率将降低，需要设备的长度和到信号源的距离来满足相位测量的灵敏度要求，并显着增加相应的发射机功率。

2.2 多探测深度方案

在实际的钻井操作中，钻井液渗透地层，根据钻井液渗透到地层的深度分为四个不同区域（见图3）：井眼、过渡带、冲洗带和原状地层。其中：Rxo是冲洗带的电阻率，Rm是井中泥浆的电阻率，p是测得的地层的真实电阻率，Rs是围岩的电阻率，Di是冲洗带的直径，Rmc是泥饼的电阻率。

图3 地层划分

多个探测深度的电极分布方案如图4所示。由1个接收器和4个发射器组成，使用两个发射场频率，发射器1测量超浅层电阻率，发射器2测量浅层电阻率，发射器3用于测量中间深度电阻率，它们都使用2MHz的发射频率来测量电阻率，发射器4测量深层的电阻率，所用的传输频率为1MHz，可以获得地层的真实电阻率。通过上述的探测深度方案，可以获得4个基于振幅比测量值和4个相位差测量值的电阻率，幅度比值测量具有更高的探测深度，相位差测量具有更好的纵向分辨率。

图4 多探测深度的电极分布方案

3 结论

MWD系统提供的数据代表钻孔过程的一个数据源，将所有数据集成到数据库中，该数据库可以在钻井工程的优化设计中用作输入数据源，该计算可以确定实现最大经济效益的钻井参数。另外，可以及时进行钻井决策的下一步，以实现对地层数据的智能解释。测量随钻电阻率的基本原理是电磁波传播效应，在电磁场不变的情况下，由于地层参数的差异，对电磁场的响应取决于地层和钻井环境（油基钻井液，空气钻井）的不同。通过检测电磁场的变化，可以获得有关地层和钻井环境的相关信息，随钻的含义是在钻井过程中对井下钻井参数进行实时测量和跟踪。MWD的优势在于，可以获得钻孔周围地层的最原始的地质数据，从而使工程师能够及时调整钻探计划以获得最佳结果。