相控雷达成像测井仪器中收发天线系统设计

2022-02-05李国英嵇成高于刚刚关浩

测井技术 2022年6期

李国英，嵇成高，于刚刚，关浩

（1.中国石油集团测井有限公司物资装备公司，天津 300280；2.中国石油集团测井有限公司天津分公司，天津 300280；3.中国石油集团测井有限公司长庆分公司，陕西西安 723507）

0 前言

随着石油开采的深入，碳酸盐岩勘探力度也在逐步加大[1]。利用现有测井技术可对碳酸盐岩储层类型、非均质性、展布情况等进行综合评价，但都很难给出井周远距离范围内精细的、定量的、多维几何空间的地层信息[2]。中国的碳酸盐岩勘探覆盖面广，西部塔里木碳酸盐岩油气藏、西南的滩相碳酸盐岩油气藏、北部鄂尔多斯的奥陶系碳酸盐岩气藏及东部大港油田千米桥潜山凝析气藏都有很不错的勘探前景[3]。随着中国油气资源开采难度越来越大，勘探对象已经逐步由传统构造性油气藏过渡到岩性油气藏、非常规油气藏，因此，测井技术的发展必须适应勘探开发需求。相控雷达测井成像技术可以利用雷达反射波成像来探测裂缝带的空间展布，可以从雷达波中提取地层介电常数、电导率信息来识别复杂油气层[4]。

雷达测井在应用初期工作频率不超过1 000 MHz，频率较低。它主要是对井周较远范围内的地质体进行探测，分辨率较高，通过数据成像实现对井周地质体结构的评价分析[5]。2002年，斯伦贝谢公司的首席顾问Chen等验证了井中雷达可用于油气资源勘探的可行性，初步估计单孔井中雷达在油井中的径向探测深度为0.5 ～10.0 m[1-2]。相应地也开发了一些商业化的雷达测井仪器，但是这些仪器只适用于浅地层探测，井下探测器部分尚不能承受油井下的高温高压环境。2012年，中国研发出瞬态脉冲雷达成像测井原理样机，并在作业井中进行了首次试验测试，测井深度达1 596 m，径向探测深度达5.0 m，初步实现了对井周异常目标体的定位[5]。但是，由于钻井液和井周地层的衰减作用，限制了该原理样机的径向探测深度。本文设计的相控雷达成像测井仪器是基于时域脉冲技术，通过控制各天线元件的相位，保证天线的非色散特性，有效减小时域脉冲信号通过天线接收或发射的失真，提高系统的分辨率和瞬时功率。该仪器能够获取更丰富的井周原状地层信息，为复杂储层地质评价提供更精细的数据，具有广阔的市场空间。

1 瞬态脉冲波传输特性理论分析

1.1 工作频率的选取

雷达波在损耗型介质中传播时，会发生幅度和相位的衰减。其幅度和相位的衰减与雷达波在损耗介质中传播时衰减常数、介质的磁导率、电导率、介电常数有关。瞬态脉冲是一种时域正演，具有快速、准确的特点，可满足测井快速分析需求。岩层中，瞬态脉冲的速度表达式为

式中，υ为传播速度，m/s；μ为介质磁导率，H/m；σ为点电导率，S/m；ε为介电常数，F/m；ω为角频率，rad** 非法定计量单位，1 rad=（180/π）（°）/s。

衰减常数α和速度υ的简化表达式为

式中，η0为自由空间的波阻抗，通常取377；εr为相对介电常数；c0为自由空间中的波速，通常取3×108[5]。

因此，对于大多数地质材料而言，在高频或低电导率的情况下，瞬态脉冲的波速仅取决于介质的相对介电常数。把常见地质材料的相对介电常数和电导率值代入雷达波衰减公式分析发现，雷达波频率在100 MHz时，其相位和幅度的衰减随着频率的增加可以减小到一定数值。而在较低频段，相位离散却非常严重[6]。如果工作频率高于100 MHz，在σ/ωε＜＜1的岩层中，瞬态脉冲的衰减量（ATT）和相位离散值（PHerr）与频率无关（ATT= 343.4σ，PHerr= 1），雷达脉冲的传输没有离散，而且其衰减量基本达到一个固定值。因此，σ/ωε＜＜1是雷达测井正常工作的前提条件[5]。

本文利用雷达波探测高速岩层，分析石灰石和花岗岩等典型岩石的介电常数、电导率、波速和衰减系数与工作频率的关系特性[7]。从图1 ～图4可以看出，在频率低于1 GHz时，这2种介质的有效相对介电常数近似为常数。工作频率在500 MHz以下时，相对导电率近似为常数。由于弛豫效应，当工作频率大于1 GHz时，电磁波在花岗岩和石灰石中的衰减急剧增加；但工作频率小于1 GHz时，电磁波在花岗岩和石灰石中的衰减很小。工作频率在100 MHz ～1 GHz时，波速近似为常数；而工作频率低于100 MHz时，波速的变化会导致脉冲轻微色散。综合考虑系统的中心频率、工作带宽与地质特征等，地层对电磁波的衰减与色散特性决定了工作频率适合100 MHz ～500 MHz。为尽量增大径向探测距离，应选择较低的中心频率，但探头的尺寸与所辐射电磁信号的波长相关，受到井下空间限制，同时兼顾系统分辨率，并考虑在高温高压环境下过高的发射脉冲及接收频率会对系统的散热带来较大的负担，因此，按照中心频率230 MHz对雷达测井仪器进行设计。

图1 频率与介电常数关系图

图2 频率与电导率关系图

图3 频率与衰减系数关系图

图4 频率与波速关系图

1.2 超宽带电磁波与油气水的响应机理分析

为了解超宽带电磁波在油、气、水中的传播衰减情况，建立一种数值模型，分析其在碳酸盐岩裂缝结构中的响应机理。

图5分别显示了在碳酸盐岩层裂缝结构中填充空气、油和淡水时的测量信号，图5中可以看到模拟测量处不同介质的成像，其中淡水最明显，其次是空气，最后是油。

图5 碳酸盐岩裂缝充填淡水、空气、油的回波信号

2 相控雷达测井仪器天线设计

天线是相控雷达测井仪器中最重要的组成部分之一，其在雷达设备中主要有能量转换功能和定向辐射（或接收）功能[8]。雷达波在地层中传播、衰减后被接收探头所接收，通过对接收信号的处理分析，可获得雷达波所经过储层的信息，进而实现对储层的精细评价。

2.1 发射天线设计

根据相控雷达成像测井仪器的径向探测深度及方位探测性能，设计采用全向偶极子天线作为发射天线。设计的全向偶极子发射天线具有2个臂，同时臂间有加载电阻；外围设计介质套层以实现与钻孔环境介质的匹配（见图6）。

图6 发射天线模型图

综合分析探头的内外径变化，以及不同馈电点缝隙宽度对反射系数S11和辐射电磁脉冲幅度的影响情况（见图7、图8），设计探头半径为16 mm，探头长度为70 cm，馈电点间距为18 mm。设计发射天线的电路控制采用高幅值、低抖动、小拖尾的纳秒级瞬时脉冲激励信号。该激励信号的产生采用雪崩管Marx电路的方式，形成多路双极性脉冲子源，经过宽带的相干功率合成器将多路脉冲子源进行功率叠加，叠加后的瞬时功率增大。大功率瞬时脉冲最终经匹配网络馈入天线。

图7 不同外径（r2）对探头S11参数的影响

图8 馈电点缝隙宽度（L3）对S11参数影响

2.2 接收天线设计

接收天线设计为定向的单极子天线阵。每个单极子天线的辐射片为1个水滴型金属片，反射板底端与金属地相连，上端通过一定数值的电容和电阻与辐射片相连。分析230 MHz单极子接收天线在模型井中频率与S11参数的变化情况。模型井内的井液设置为泥浆，相对介电常数为78，直径为200 mm；井周岩层的相对介电常数为8、相对磁导率为1。其衰减变化特性见图9，S11参数-6 dB的频率范围为100 ～261 MHz，与设计主频230 MHz相符合。接收天线共设计3个，均匀分布在不同的轴向上，角度相差120°。

图9 天线在模型井中S11参数随频率的衰减变化关系

2.3 收发天线组合仿真分析

根据设计的收发天线特性，仿真模拟单发三收组合天线在模型井中的信号收发情况。设计二号天线正对目标体，分析每个不同方位单极子信号波形。二号天线接收到波形幅度最大，因其正对目标体，信号最强。一号天线与三号天线接收到信号强度相等，仿真结果与预期结果一致。

对单发双收和单发三收的接收波形进行对比，得到结果大致相同，表明单极子定向接收天线之间间距为200 mm（一号天线与二号天线、二号天线与三号天线之间间距均为200 mm）时能够实现最小的耦合。确定单极子定向接收天线的最佳组阵间距为200 mm。接收天线阵列中一号天线主辐射方向为0°，二号天线主辐射方向为120°，三号天线主辐射方向为240°。采用算法矫正的3个不同平面的天线可等效于同一平面主辐射方向不同的3个天线。因此，可根据回波的相位信息和幅度信息，利用相控技术反推目标的角度信息，进而实现目标的三维定位。

3 应用效果

相控雷达成像测井仪器研制完成后，在大港油田的双X井中进行下井试验。该井目的层为潜山奥陶系，完钻井深3 318.0 m。从雷达成像图和能量曲线分析可以看出在2 950.0 ～2 958.0 m处存在井旁裂缝，径向距离在4.0 ～5.0 m。从介电常数曲线看，在均匀碳酸盐岩层段其平均值约为9，在裂缝段增大，而裂缝段的相对电导率也增大，反映裂缝内存在介电常数大而电阻率低的填充物。在同深度段常规自然伽马值较高，而无铀伽马值较低（与该井段上下地层基本一致），说明铀含量相对较高，在这段厚度较大且岩性较均质的碳酸盐岩地层中出现铀含量较高的地层，反映该地层发育裂缝或孔洞，曾有流体活动（见图10）。