新型自然電位測井儀器設(shè)計

王野梁

【摘 要】本文針對現(xiàn)有的自然電位測井方法，設(shè)計了一種新型的、專用的自然電位測井儀器。該儀器可以單獨的進行自然電位測井，達到降低測井成本的目的。

【關(guān)鍵詞】自然電位測井；新型；單獨；成本

【Abstract】In this paper， a new pattern of spontaneous-potential logging tool is designed according to the existing natural potential logging method. This instrument can be used to spontaneous-potential logging single-handed， to achieve the purpose of reducing the cost of logging.

【Key words】Spontaneous-potential logging； New pattern； Single-handed； Cost

0 引言

在早期的電阻率測井過程中，常發(fā)現(xiàn)在供電電極不供電時，仍可在井內(nèi)測量到電位變化。經(jīng)研究表明這個電位是在鉆開巖層時，在井壁附近產(chǎn)生一系列電化學(xué)活動的結(jié)果，為與人為供電造成的人工電場相區(qū)別，稱其為自然電場。自然電場的分布和巖性有密切的關(guān)系，特別是在砂/泥巖剖面中能以明顯的曲線異常變化顯示出滲透性地層。因此，通過研究井眼內(nèi)的自然電場中的電位變化即可反映井壁巖性，這種測井方法叫自然電位測井。自然電位測井具有方法簡單、實用價值高等特點，是劃分巖性和研究儲集層性質(zhì)、求取測井參數(shù)以及其它地質(zhì)應(yīng)用中不可缺少的基本方法之一[1]。

1 自然電位測井相關(guān)簡述

以砂/泥巖剖面的石油井為例說明自然電位測井原理。鉆井時，一般采用淡水泥漿鉆進，所以在測井時遇到的多為Cw>Cmf的情況。Cw為地層水礦化度，Cmf為泥漿濾液礦化度。因此在砂巖層段井內(nèi)富集有負電荷，而在泥巖層段井內(nèi)富集有正電荷。則在井段內(nèi)不同層位產(chǎn)生了電位差異，最后由擴散電動勢和擴散吸附電動勢形成了自然電場[1]。

進行自然電位測井時，將測量電極N放置于地面，電極M用電纜下放至井下，到達需要測定的地層下方后再上提該儀器，即進行測井時作業(yè)時的“上測”。在沿井軸線提升該儀器的過程中，電極M隨井深的變化實時測得井里該深度的自然電位，并將實時數(shù)據(jù)上傳至地面系統(tǒng)，最后在測井系統(tǒng)里面形成一條自然電位隨井深的變化曲線，如圖1所示，這就是自然電位測井曲線（常稱為SP曲線）[1]。

SP曲線在測井中使用十分普遍，它對判斷巖性，識別滲透層，估計滲透層厚度，定性評估油/水層，進行地層剖面對比等，是十分重要的測井資料，除此之外，它還是各種綜合測井圖、地質(zhì)圖件、綜合錄井圖的重要組成部分[2]。

目前，測量自然電位的儀器有感應(yīng)類和測向類，且都是集成在這兩類儀器中的，并且不能單獨進行自然電位測井，它們在測量自然電位的同時也必須在進行視電阻率測井。筆者本著單獨進行自然電位測井的目的，研發(fā)了該測井儀器，節(jié)約了測井成本。該儀器的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單明了，具有信號幅值穩(wěn)定、測量不易受外界電磁場干擾等特點，并且測量結(jié)果精確。本次設(shè)計的儀器由于儀器長度較短，也可以簡稱為SP短節(jié)（ESPS）。

2 新設(shè)計的自然電位測井儀器結(jié)構(gòu)

2.1 確認儀器的連接方式

由于本次設(shè)計的新型自然電位測井儀器隸屬于中海油田服務(wù)股份有限公司的ELIS測井系統(tǒng)范疇，要與ELIS系統(tǒng)中其它的測井儀器相互掛接形成測井儀器串，同時考慮到該儀器在儀器串中的掛接位置，因此將該儀器的連接方式設(shè)計為ELIS標準儀器系列。

2.2 設(shè)計儀器的整體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計的新型自然電位測井儀器的設(shè)計指標為最高耐溫X00℉，最高耐壓Y0000psi，同時結(jié)合《中海油服油技事業(yè)部儀器外殼設(shè)計規(guī)范》，將儀器的上、下接頭與儀器外殼設(shè)計為一個整體的形式——芯軸，方便使用、拆裝與維保。自然電動勢的采集則設(shè)計為玻璃鋼纏繞鉛絲的電極來實現(xiàn)。

2.3 選擇合適的加工材料

由于本次設(shè)計的新型自然電位測井儀器為短節(jié)類測井輔助儀器，可以單獨測量地層的自然電位，關(guān)鍵的一點就是要方便實用。在儀器長度一定、強度滿足要求的情況下，儀器的重量應(yīng)該越小越好。

根據(jù)《中國航空材料手冊》[4]第四卷，TC4為一種中等強度的α-β型兩相鈦合金，該合金在遇熱時強度性能下降得較快；而TC11為一種綜合性能良好的α-β型熱強鈦合金，在500℃以下有優(yōu)異的熱強性能（高溫強度、蠕變抗力等）。如圖2所示。

最終儀器的外殼材料選擇為TC11型鈦合金。

2.4 校驗儀器設(shè)計強度

根據(jù)《金屬材料力學(xué)手冊》[3]，設(shè)計耐壓驗算公式為：

式中，PO為殼體外表面壓力，Pi為殼體內(nèi)表面壓力，n為安全系數(shù)。取以下參數(shù)進行驗算：

R0=86/2=43mm

Ri=44.7/2=22.35mm

σs=796MPa

n=1.2

將以上參數(shù)帶入Ж式后，經(jīng)計算得到在該設(shè)計下儀器外殼耐壓值P=PO-Pi=279MPa>Y0000psi。說明該設(shè)計的外殼能夠達到設(shè)計的性能指標，是安全的。

2.5 機械結(jié)構(gòu)說明

本次設(shè)計的新型自然電位測井儀如圖3所示。主要組成部件為上護帽、芯軸、蓋板、連接套和下護帽。

上、下護帽保護儀器芯軸的上、下部螺紋。

芯軸為整個儀器的整體。芯軸局部纏繞了一定厚度的玻璃鋼，芯軸中間的縮頸處先纏繞一定厚度的玻璃鋼再纏繞以一層鉛絲，這部分作為該儀器的電極。芯軸上纏繞玻璃鋼的目的是為了達到絕緣的目的，同樣，要達到此目的也可以在芯軸的同樣部位硫化上橡膠，或者吹塑上PEEK以及其他絕緣材料。本設(shè)計采用纏繞玻璃鋼，是因為相同的絕緣材料，玻璃鋼的耐腐蝕性能更好。

芯軸上部設(shè)有母插頭，尾部設(shè)有公插頭。連接公母插頭的是一根貫通線。公、母插頭均被各自的鍵和鋼絲擋圈固定在芯軸上。

芯軸的尾部安裝有連接套，用來連接芯軸與下護帽。芯軸上端還設(shè)有六方扳手的凹槽，下部設(shè)有勾頭扳手的勾頭孔。

連接套上設(shè)有勾頭扳手的勾頭孔。

3 實驗結(jié)果

本次發(fā)明的自然電位測井短節(jié)儀器在中海油服COSL一井的下井試驗中工作狀態(tài)正常，測得的SP曲線與該井標準曲線一致，達到了設(shè)計的預(yù)期目標。

4 結(jié)束語

本次發(fā)明的自然電位測井短節(jié)儀器由芯軸、以玻璃鋼為載體的電極、26芯公母插頭和蓋板等部件組成。其結(jié)構(gòu)簡單明了，能測量出待測地層點的自然電位曲線（SP曲線），具有信號幅值穩(wěn)定、測量不易受外界電磁場干擾等特點，測量結(jié)果精確，降低了測井成本。

【參考文獻】

[1]張庚驥.電法測井.石油大學(xué)出版社.1996.4.

[2]測井學(xué)編寫組.測井學(xué).石油工業(yè)出版社2004.10.

[3]劉鳴放.金屬材料力學(xué)手冊.機械工業(yè)出版社2011.1.

[4]夏恭忱，石玉珍.中國航空材料手冊.中國標準出版社1988.9.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]