高分辨率雙側向測井儀的影響因素分析

鈕 宏,趙養真,區廣宇

(中國石油集團測井有限公司技術中心,陜西西安710021)

0 引 言

組合測井中,由于高分辨率雙側向的測量原理和電極系結構的特性,要獲得良好的測量效果,不僅需要其自身保持正常的工作狀態,還需要防止來自外部的影響和干擾。同時,對其電壓測量參考點N電極的放置、以及同串組合中其他測井儀器的使用方法也有一定的規范要求,從而有效地排除一切可能影響測井效果的因素,獲得準確的測井數據。

根據近年來在儀修技術服務中所遇到的有關高分辨率雙側向測井儀的問題和現象,以及所采取解決方法,進行概要歸總與分析探討,為野外測井小隊的操作和儀修人員提供參考。

1 電極系特點和基本測量原理簡述

高分辨率雙側向測井儀的電極系上分別設有A0、A0′主電極;M2、M2′主監控電極;A1、A1′淺屏流電極;A1＊、A1＊′輔監控電極;A2、A2′深屏流電極各1對,它們以另一端主監控電極M1為中心,依次對稱排列分布于電極系上(見圖1)。

測井時,由DSP程控器產生控制命令,控制儀器工作狀態和屏流源產生35 Hz深屏流與280 Hz淺屏流。淺屏流由電極A1(A1′)、A0(A0′)發向地層,由電極 A2(A2′)返回。同時,深屏流由電極A1、A2(A1′、A2′)、A0(A0′)發向地層,由B電極(電纜魚雷處)返回。當深屏流在A1與A2之間的電位不相等時,在A2與A1＊間形成的電位差ΔVA,被輔監控器放大并用來調節A1的電位,迫使A1與A2形成等電位,以增強深側向的聚焦效果。同時,當深、淺屏流在電極M1與M2(M2′)之間的電位不相等時,所形成的電位差ΔV會被主監控器分別進行放大,用以調節主電極A0(A0′)的電位,使ΔV趨于0,形成聚焦電場,迫使由A0(A0′)發出的主電流呈圓盤狀進入地層深處再返回B。

DSP根據Vd、Vs、Id、Is的實時測值范圍,產生相應的功控信號,調節深、淺屏流,從而形成井下閉環測量控制,并且可按照地面指令,控制儀器的內刻、外刻、測井3種工作狀態,以及控制 KN開關進行地面N或井下N電極的設置選擇。

圖1 高分辨率雙側向原理框圖

2 主要現象與解決方法

2.1 偶然出現測值混亂現象

在組合配車或測井過程中,雙側向的工作電壓、電流正常,卻偶然出現深、淺側向測量值混亂的現象,用內刻檔自檢仍然如此,在重新供電后,儀器的工作狀態又恢復了正常。

影響因素:經檢測驗證,這種現象主要是原先的DSP數據采集控制電路中的單片機電路匹配及抗干擾能力較差所致。當電路中的地線(公共點)受到意外干擾,或者測量數據出現頻繁劇烈波動時,單片機對測量數據的運算處理反應易進入死循環狀態。

解決方法:對原DSP數據采集程控電路(簡稱為DSP程控板)進行重點改進,用型號TMS320LF2407APGES 控 制 器 和 型 號EPM7256AETI100-7邏輯譯碼器電路,分別取代了原板的 PIC17C756A單片機處理器、PIC16C761/ J W邏輯譯碼器電路,增加了64 kB×16 bit的高速靜態RAM、三態緩沖器74HC244、仿真口J TAG等外擴和適配電路,不僅保證了系統全速可靠地運行,顯著改善了系統的抗干擾性能,還可對DSP控制程序進行現場調試和修改。在新的A/D采集轉換電路中,除仍保持對Vd、Vs、Id、Is、VGND等5道測量信號采集外,還增加了對500 mV參考電壓、+12 V電源電壓和0～150℃控制板的溫度等3道信號進行實時采集,為地面窗口提供實時監控數據(目前該項功能已在EIlog-06雙側向中啟用)。新程控板不僅有效地解決了雙側向測井中的死循環和跳尖現象,也顯著提升了可靠性和抗高溫性能,在實際應用中效果良好。由于新DSP程控板與原程控板輸入、輸出信號、引線及插接方式完全一致,互換方便,因此自2008年6月份開始,原控制板已陸續被取代。

2.2 深側向在高電阻率層測值偏低或出現負差異

采用井下N電極的方式或連接硬電極棒測井時,在低電阻率泥漿高電阻率地層井段出現深側向測值明顯降低、甚至出現負差異的現象。

影響因素:井下N電極不利于中高電阻率地層低電阻率泥漿條件測井;深側向回流電極B與雙側向A2電極之間的間距不夠,或者B電極與井下儀器外殼之間的絕緣不良,也會引起深側向的測值偏低的現象。

實驗結果表明,高分辨率雙側向在測井時,將電壓測量參考點N電極設置于地面或井下,雖然對于淺側向的測值無明顯影響,但是采用井下N電極測井方式,將有可能引起深側向測值變低、雙軌甚至出現負差異的現象,特別是在高阻層與低阻泥漿的測量井段,其現象較為明顯。主電極A0、深、淺屏流電極A1、A2及回流B以及井下N電極之間的大致間距見圖2。

圖2 各相關電極的大約間距示意圖

在測井過程中,由淺屏流電極A1和主流電極A0發出的淺屏、主流的回流電極都是A2,對于電壓測量參考點N電極而言,無論是設在地面或是井下,N與A0、A1的間距都遠大于A0與A2的間距,所以在淺側向回路中,N電極的電位幾乎不受泥漿分流的影響,因此對其測值影響甚微。然而在深側向的探測回路中,分別由A1、A2和A0發出的深屏、主流的回流電極則是井下電纜外皮終端魚雷B電極。井下N電極位于B的下端約5.5 m處,在測井過程中,當A2進入高電阻率層后,較低電阻率的井筒泥漿對深屏流 IA和深主流 Id的分流增大,由于N較B距離A0更近一些,泥漿的分流將先經井下N至B,會使N電極處的電位VN升高,出現VN>0增大的情況。

例如,在8 in＊＊非法定計量單位,1 in=25.4 mm,下同井徑、泥漿電阻率 Rm分別為0.2、0.6Ω·m和1.2Ω·m的條件下,地層電阻率Rt從10Ω·m到5 kΩ·m時,有關井眼泥漿分流對井下N與M2電位影響的實驗數據趨勢見圖3。

實驗數據表明,在泥漿電阻率 Rm相同的情況下,VN隨著地層電阻率Rt增高而增大,就會造成原本為Vd=VM2-VN≈VM2(取VN=0)的計算值因VN的增大而減小,進而使由公式 Rd=Kd(Vd/Id)計算出的深側向視電阻率Rd測值降低(式中,Kd為深側向的儀器常數)。特別是當泥漿電阻率 Rm= 0.2Ω·m時,在Rt=10Ω·m與Rt=5 kΩ·m的地層中,VN/VM2比值由1.1%上升至8.6%。由此可見,在高電阻率層、低電阻率泥漿的測量井段,井下N電極會造成Rd明顯降低的現象。而采用地面N電極的方式測井時,由于地面N電極與主電極A0之間的距離無窮遠,N電極處的電位VN不受井筒泥漿分流的影響而始終保持VN=0,因此可有效避免井筒泥漿分流而造成的上述現象。

圖3 8 in井徑泥漿分流對井下N的VN/VM2影響趨勢

同樣,如果深側向回流電極B與雙側向A2電極之間的間距不夠,或者B電極與井下儀器外殼之間的絕緣不良,都將會造成深屏流的實際回路縮短,聚焦效果降低,泥漿和沖洗帶的分流增大、主電流的探測深度減小,也會出現深側向測值降低的現象。如果使用的是井下N電極方式,其情況會愈加嚴重。

解決方法:①測井時,特別是使用硬電極棒做為雙側向的加長電極時,應確保回流電極B與主電極A0之間有足夠的間距(參考間距一般約為≥45 m),并且應正確選用地面N電極的測井方式。②檢查B電極與組合測井儀外殼之間絕緣是否良好。③應保證加長電極或硬電極棒、雙側向頂部的絕緣短節的絕緣性良好。④在裝配雙側向電子儀時,應確保其骨架下端的A1＊彈片與外殼接觸良好,使深側向工作時電極A1、A2具有良好的等電位調節效應,從而達到良好的深側向屏流聚焦效果。

2.3 使用地面N電極測井時測值混亂現象

使用地面N電極無法正常測井、測值混亂異常。但使用井下 N電極或內刻檢時,儀器工作正常。

影響因素:地面N電極回路與地表接觸不良或被外部漏電干擾。地面N電極作為雙側向測井時的一個電壓測量參考點,必須與大地保持良好的接觸,形成一個良好的閉合回路,才能達到良好的測井效果。地面模擬測試證明,在配接7 000 m模擬電纜盒的條件下,當N電極與地面接觸電阻 RN>120Ω以后,深、淺側向的測量值 Rd、Rs隨著 RN的增大開始出現正差異,即 Rd>Rs>標稱值。尤其是在模擬5Ω·m以下的低電阻率地層時,Rd增大的趨勢更為明顯。因此,在地表干旱嚴重或地表下有非導電地質層的地區進行測井時,都可能會造成地面N電極回路導通不良或虛地現象。同樣,當地面N電極回路受到外部漏電干擾時,也將出現測值異常的現象,影響測井質量。

解決方法:①應盡可能選擇比較潮濕的地方,或采用深埋注水方法來改善地面N電極棒與地表的良好接觸。切勿將其放置在具有防滲漏絕緣層的泥漿池中。②檢測馬籠頭的2號纜芯至地面供電面板的9號插孔與N電極棒構成的地面N回路的導通性是否良好。③在確保無漏電干擾N電極回路的前提下,N電極棒的埋放點應遠離發電機房。④在地表干旱嚴重或有非導電地質層的地區,如采用地面N電極無法正常測井時,可參考將地面系統供電面板的9號與10號輸出插孔短接,以形成地面N電極回路與地面纜皮連接的方式測井。有關測試證明,該種連接方法的測量效果要優于采用井下N電極的方式測井。

2.4 組合測井中深側向易受干擾現象

高分辨率雙側向在與微球或其它帶推靠器的測井儀組合測井時,深側向易受干擾。例如:深側向曲線明顯偏低、不穩定或時有異常波動。

影響因素與排查處理:該問題較為復雜,應根據具體情況進行具體分析和排查處理。如果排除了雙側向自身問題,或地面系統、井場漏電干擾到了雙側向N電極的因素后,那么這種現象大多是由于在組合測井時與其同串測井儀中的推靠器供電電源波動較大干擾到了雙側向的N電極回路;儀器或井徑電路與外殼、10號纜芯之間有漏電現象;硬加長電極棒或絕緣短節絕緣不良等。

當雙側向的回流電極B回路受到干擾時,會引起深屏流和深主流 Id發生異常變化。當電壓測量參考點N回路受到干擾時,會因VN≠0或有波動而使Vd發生變化。上述幾種因素都對深側向的干擾尤為敏感。遇到實際情況,要根據具體問題逐一進行分析排查解決。還應注意,在雙側向和微球等帶推靠器的測井儀都參與的組合測井中,雙側向的地面N電極回路與推靠馬達電源共享2號纜芯。2號纜芯的分配由微球電路中繼電器開關的狀態來控制。因此,一定要準確使用操作指令及其操作順序,從而保證組合儀器處在正常的工作狀態中。

3 測井實例

高分辨率雙側向與CLS5700的1239雙側向在唐海某探井的1段測井資料對比效果見圖4。其中, RLLd,C2、RLLs,C2與 Rd57、Rs57分別為高分辨率和CLS5700雙側向的深、淺測井曲線。

EIlog測井組合儀為:加長電極馬籠頭+三參數+遙傳/伽馬+微球(加鉸鏈)+絕緣短節+雙側向(加扶正器)+聲波。N電極設于地面。

圖4 高分辨率雙側向實測效果

由測井對比資料和曲線圖4可以驗證,在井眼環境相同的組合測井中,高分辨率雙側向不僅與CLS5700雙側向的測井曲線整體復合良好,并且在井深1 167、1 177 m上下等多處的測量井段,具有較明顯的薄層分辨優勢。

4 結 論

由于高分辨率雙側向測井儀的測量和結構特點,在組合測井中,其相關電極從地面至井下,幾乎貫穿于每支組合測井儀,如果使用不當或被干擾,就可能會影響到正常的測量效果。通過對測量中出現的問題和現象的分析處理,證明這些影響因素是完全可以避免和克服的。通過測井實例對比,也證明了只要措施得當有效、作業標準規范,就能夠消除影響因素,獲得滿意的測量效果。

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