油气井雷达成像测井仪改进及试验

赵永刚

油气井雷达成像测井仪改进及试验

赵永刚

(中石化华北石油工程有限公司测井分公司，河南 郑州 450006)

传统的测井仪器探测深度基本在3 m以内，大多也没有方位分辨能力，无法实现油气井周围较大范围地层结构与构造的成像，故不能解决隐蔽构造与油气储层的探测问题。针对上述问题，将地表地质雷达成像技术移植到测井中，研发了雷达成像测井仪。为提高雷达成像测井仪探测深度、方位分辨率和下井深度，采用纳秒脉冲源与定向接收天线对井周地层进行探测和成像，在增大探测距离的同时，兼顾了分辨率；采用磁环和光耦对脉冲板做隔离，有效地压制了噪声；通过在电路外增加保温瓶和优选耐高温元器件提高了仪器的耐高温性能；最后利用模型井对仪器进行了测试和标定，并在3口油井中进行了现场应用。改进后的雷达成像测井仪下井深度可达6 000 m，最大探测深度可达12 m，能够对井周5 m以外孔洞、裂缝进行定位和成像，大大地拓宽了测井技术的横向预测能力。测试与应用结果表明：该仪器能够耐受油井下的高温高压环境，探测深度大且分辨率高，对钻孔周围地层界面、裂缝和孔洞构造成像效果较好。

雷达成像测井；仪器研发；仪器测试；现场应用；裂缝探测

常规测井方法要么侧向探测深度不够深，要么没有方位探测能力，一些复杂缝洞型油气藏的识别面临很大困难，利用常规测井技术很难判别[1]。为了解决这些问题，借鉴把医学核磁共振技术“嫁接”到测井行业的核磁共振测井技术，科研人员一直努力把基于高频电磁波的雷达成像技术应用到测井行业，希望在油气井中开展雷达成像测井工作。

雷达技术在地球物理领域多用于探地雷达和钻孔雷达[2-3]，二者广泛应用于水文地质勘察、工程勘察等领域[4-8]。目前的钻孔雷达技术仅适用于较浅的井和地质情况较简单的环境[9-10]，不适用于油气井的复杂地质环境，也不能承受井深大于2 000 m的高温高压环境，所以还不能将普通的钻孔雷达仪器直接应用于油气资源勘探。因此，需要开发新的适用于油气勘探的钻孔雷达测井技术和装备。

20世纪60年代人们就开始对电磁波测井技术进行研究和开发，但是进展一直比较缓慢。在国外，荷兰的T&A 探测公司最早开展了雷达测井的研究[11]。在国内，刘四新等[12]对电磁波测井有关资料进行了综述，对雷达测井的基本原理进行了介绍；大庆测井公司、吉林大学、中国石油大学和电子科技大学等单位都开展了雷达成像测井的研究工作，但是公开发表的资料还较少。近几年，中石化华北石油工程有限公司测井分公司与电子科技大学联合研发了一套雷达成像测井仪器(HB-RILT)[13]，但是该仪器的探测深度和方位分辨率均比国外的仪器差一些，也未在模型井中进行标定，在野外油井中的应用效果也不理想(耐高温性能较差)。基于此，笔者对仪器HB-RILT的发射和接收装置进行了改进，提高了原仪器的探测深度和方位分辨率，同时提高了仪器的耐高温性能。并且利用模型井对仪器进行了标定，成功地将改进后的仪器应用于野外实际油井的测量，获得了优质的雷达图像。

1 雷达成像测井原理

雷达成像测井是一种新型的测井技术，它根据电磁波在地层中的传播特性来获取地层参数，具有较高的分辨率和较大的探测范围。由于地层中水的介电常数比石油的介电常数高出很多倍，根据地层的介电常数大小就可判断地层孔隙中的流体性质[13-14]，还可以判别井周围的地层构造，能为准确评价储层提供技术支持。雷达成像测井工作的理论基础是雷达方程[15]。雷达成像测井有跨孔–层析成像模式和单孔–反射成像两种工作模式[1, 16]。跨孔–层析成像模式可以获取2个井眼间的地层信息，单孔–反射成像模式主要可以获取井周围地层参数信息。单孔–反射模式与跨孔–层析成像模式相比，面临信号在地层中来回减弱的问题，但能够获取更多的地层参数信息。单孔–反射成像模式性价比高，应用前景更广泛。

单孔反射成像测井时，井下探测器由发射天线和接收天线组成，收发天线被隔开一定的距离，在井眼中同时移动[17-18]。发射天线发射电磁波，接收天线接收井周围地层产生的反射电磁波(图1)。雷达测井的3种目标模式：点目标(洞)——双曲线；不穿过井眼的面目标体(裂缝)——直线；穿过井眼的面目标体(裂缝)——V字形线[18-19]。

图1 雷达成像测井工作原理

2 雷达成像测井仪器系统

2.1 仪器结构与功能

雷达成像测井系统由地面和井下2部分设备构成，地面为数据收发模块和信号处理模块；井下为收发系统、探测电路模块(含电源、信号控制模块、信号传输模块等)，雷达成像测井系统结构组成如图2所示。

纳秒脉冲源与定向接收天线的研发和在高温高压环境下采集数据是雷达成像测井系统的技术难点。

为了提高原有仪器的探测深度和方位分辨率，改进发射天线为柱状偶极子天线(中心频率200 MHz)，改进接收天线为定向单极子天线。采用一发三收天线系统能有效接收目标物的反射信号并表现出了良好的定向功能。在时域波形图上，正对目标物的接收天线有着最大的信号幅度；在频域谱上，正对目标物的接收天线有着更高的低频功率成分。不论从时域波形分析还是从频域功率谱分析，都能分辨出正对目标物天线所接收的信号，再与连续井斜方位测量系统旋转角度对应则可以得到目标物的真方位。因此，提高了仪器的方位分辨能力。

图2 雷达成像测井系统结构

脉冲板首先采用磁环做隔离，消除高压脉冲信号对采集端触发信号的影响，然后再采用光耦做隔离，能很好地隔离触发信号，同时改善布线，这样可以有效地压制噪声，提高信号质量。最后，脉冲板采用继电器自动控制的双路可调脉冲源，提高了仪器的探测深度和分辨率。

通过在数据采集与控制电路外增加保温瓶，利用高温实验箱优选耐高温元器件，选择温度系数较低的反射线(同轴线)制作发射源，提高原有雷达成像测井系统的耐温耐压指标，满足油气井测井的要求。

改进后的雷达成像测井仪器由发射短节、信号源、隔离短节、接收短节、方位短节、自然伽马短节组成，仪器总长为10.7 m，外径108 mm(图3)。改进后的雷达成像测井系统与国外钻孔雷达测井系统主要技术参数的对比见表1。最明显的一点是该仪器比目前国外同类产品的测井深度都要大很多。

图3 雷达成像测井仪样机结构与实物

2.2 数据处理解释软件

根据雷达成像测井数据采集的特点，雷达成像测井数据采集软件需要具备系统参数设置、数据显示以及工作状态监测等功能。数据采集软件包含了自检设置、串口设置、显示模式设置、触发模式设置、数据记录设置、采样设置、增益设置、延时和状态灯控制和显示、方位仪数据显示、二维图像显示等功能。另外，借鉴地震勘探数据处理方法，依据波动成像理论，结合雷达成像测井资料的特点，还开发了具有处理与解释功能的软件，主要模块有：数据输入输出、预处理(坏道剔除、直流消除、零时刻矫正、滤波去噪、增益等)、成像处理(偏移成像)、各种显示(单道显示、频谱分析、波形显示和井轴对称显示等)、解释(裂缝和孔洞)、帮助等功能，处理与解释软件操作界面如图4所示。

表1 改进后的雷达成像测井仪器系统与国外产品性能比较

3 模型井测试

3.1 测试方案

采用模型井对测井仪器进行刻度和标定是比较常用的方法。模型井是在实验室条件下人工建立的井筒物理模型，用来刻度和标定测井仪器。为验证雷达成像测井仪器的性能，建立了一口包含孔洞和裂缝的模型井，背景介质为石灰岩。雷达成像测井仪器在模型井中进行测试的方案如下：

①在模型井中充填空气，仪器放入模型井中，沿着钻孔移动仪器，采集背景数据，并且重复测量；

②在模型井中充填其他介质(如水、煤、油等)，沿着钻孔移动仪器，采集数据，并且可以重复测量；

③以不同速度移动仪器，采集波形数据；

④对比不同回次测量数据，计算重复误差，对比背景数据和充填其他介质后雷达数据的变化。

3.2 测试结果

在井眼和目标体内分别填充空气和水时，雷达成像测井仪器测量的重复性、相关性和一致性都较好，误差率小于8%，说明采集到的数据有效、可靠。

雷达成像测井仪器系统在模型井中的测试以井眼充填水，目标体充填空气时为例，孔洞1、孔洞2都为“双曲线”状点目标，孔洞3、裂缝1、裂缝2为“直线”状不穿过井眼的面目标体，其中孔洞3因为直径大，可认为是裂缝，标准测试井模型和测试结果如图5所示。

图5 雷达成像测井仪器系统在模型井的测试结果及模型井的结构

经过模型井测试实验的验证，雷达成像测井仪器系统工作性能良好，稳定可靠；雷达成像测井仪器采集到的回波信号中包含目标体的有效回波信号；模型井中界面的反射波对小目标体的回波信号影响较为显著，能识别径向距离5.3 m处直径10 cm的孔洞(孔洞1)。

4 雷达成像测井应用效果

为了验证雷达成像测井仪器系统的性能，并为仪器后期改进积累经验，以及为下一步工业化推广应用做准备，在多口油气田作业井中进行了现场测井试验。经入井测试，碎屑岩地层中实测径向探测距离达到6.9 m，碳酸盐岩地层中实测径向探测距离达到9.4 m，能有效识别油气井旁5 m的裂缝发育带。该雷达成像测井仪器已在大牛地气田、东胜气田、西北油田、河南油田等油气田的6口井中进行了试验，最深下井深度6 568 m，测井速度600 m/h，成功完成雷达成像测井各项数据采集，雷达成像测井资料与电成像测井资料对应性好。为展示雷达成像测井的效果，本文列出了部分井的测井结果。

4.1 地层划分

井A位于山西省晋中市榆社县，井深2 300 m，泥浆类型为水基聚合物，泥浆密度为1.23 g/cm3，井底温度50.6℃，1 734 m以下为碳酸盐岩地层，以上为碎屑岩地层。在两层石灰岩处，雷达成像和能量曲线上都有明显的异常反映，从雷达提取的电阻率t也能看出，灰岩段高。井A雷达成像测井试验是一次成功的现场测井试验，利用雷达成像测井资料能有效识别出灰岩和砂泥的岩性界面(图6)。灰岩地层电阻率高于砂岩和泥岩地层，而且灰岩层含水饱和度低，这种情况下对电磁波吸收作用减小，所以灰岩地层中雷达回波幅度明显高于砂岩和泥岩地层。

图6 井A常规测井、雷达成像测井与电成像测井对岩性的识别

井B为清水井，井深2 000 m，井底温度70 ℃，井B的常规测井划分的岩性界面与雷达成像测井划分的岩性界面基本吻合，1 506 m和1 510 m的两段薄泥岩夹层在雷达成像图中有明显的界线(图7)。泥岩地层雷达回波幅度明显减弱，白云岩层段雷达回波幅度明显增强。

4.2 裂缝带延展性预测

井C为一口有裂缝发育的井段，图8为该井雷达成像测井与电成像测井裂缝异常对比。裂缝F1和裂缝F2在雷达成像和电成像测井图上都有异常显示，裂缝F3仅在雷达成像测井图上有异常显示。裂缝F1和裂缝F2比裂缝F3具有更好的延展性(连通性)。电成像测井反映井壁上裂缝的发育情况，雷达成像测井反映井周裂缝延伸情况，两者结合可以对裂缝的延展性进行判断，更好地判断储层有效性，对后期压裂施工有很好的指导意义。

5 结论

a. 采用在数据采集与控制电路外增加保温瓶，利用高温实验箱优选耐高温元器件，选择温度系数较低的反射线(同轴线)制作发射源等方法，可提高雷达成像测井仪器的耐温耐压性能。

b. 采用纳秒脉冲源与定向接收天线对井周地层进行探测和成像，在增大探测距离的同时，兼顾了分辨率。

c. 该仪器在深度1 500 m与3 300 m的油井中均成功采集到高质量数据，表明该仪器能够耐受大多数油井下的高温高压环境。

图7 井B雷达成像测井与常规测井地层划分对比

图8 井C中裂缝在雷达成像测井与电成像测井上的显示

d. 在油井中的应用结果表明：该仪器在孔洞与裂缝带识别和井旁裂缝延伸性预测等方面具有很好的效果，最大探测深度可达12 m，可识别直径10 cm及以上的孔洞。

致谢：感谢雷达成像测井仪器研发团队(冉利民、李功强、赵青、刘四新等)的辛勤工作，感谢审稿人和编辑提出的宝贵意见和建议。

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Improvement and test of radar imaging logging tool for oil and gas wells

ZHAO Yonggang

(Well Logging Company, North China Petroleum Engineering Limited Company of SINOPEC, Zhengzhou 450006, China)

The detection depth of traditional logging tools is basically less than 3 m, and without azimuth resolution, the formation structure in larger area around wells cannot be imaged. Therefore the problems arising in the detection of subtle structure and oil and gas reservoirs can not be solved. In response to such problems, radar imaging logging tool is developed by applying ground penetrating radar imaging technology to logging. In order to improve the detection depth, azimuth resolution and downhole depth of the tool, a nanosecond pulse source and directional receiving antennae are used to detect and image the formation around the well, increasing the detection distance while improving the resolution. Magnetic rings and optocouplers are used to isolate the pulse plate, which effectively suppresses the noise. The high temperature resistance of the tool is improved by adding thermos and selecting high temperature resistant components outside the circuit. Finally, the tool is tested and calibrated by using model wells, and has been applied in three oil wells. The downhole depth of the improved radar imaging logging tool can reach 6 000 m, and its maximum transverse detection depth can reach 12 m. It can locate and image holes and fractures 5 m away from the wellbore, significantly improving the lateral prediction ability of logging technology. The testing results show that as the tool can withstand high temperature and high pressure environment of oil wells with a large detection depth and high resolution, and it has a good imaging effect on the formation interface, fractures and pore structure around the borehole.

radar imaging logging; instrument development; instrument test; field application; fracture detection

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P631

A

1001-1986(2021)05-0253-07

2020-10-14；

2021-05-10

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2013AA064603)；中石化科技项目(JPE19004)

赵永刚，男，1968年生，甘肃平凉人，博士，高级工程师，从事科研管理及测井技术研究工作. E-mail：zhao.y.g@163.com

赵永刚. 油气井雷达成像测井仪改进及试验[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(5)：253–259. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.028

ZHAO Yonggang. Improvement and test of radar imaging logging tool for oil and gas wells[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：253–259. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.028

(责任编辑 聂爱兰)