小直徑雙模式陣列感應測井儀設計

王漢彬,劉瑞府

(1.中國電子科技集團公司第二十二研究所,河南新鄉453000；2.中國石油集團測井有限公司天津分公司,天津300280)

0 引 言

在發射線圈所造成的交變電磁場作用下,地層中產生交變的感應電流,稱為渦流,地層中的渦流強度近似與地層電導率成正比。渦流又會形成二次交變電磁場。在二次交變電磁場的作用下,接收線圈中會產生感生電動勢,感生電動勢和渦流強度有關,即與地層電導率有關,這是感應測井理論的基礎。有時為了獲取地層原始含油氣飽和度信息,需要油基鉆井液鉆井,甚至空氣鉆井,井內沒有導電介質,不能用直流電法測井,感應測井理論的使用很好地解決了這一矛盾[1-2]。近年來,為了滿足油田對薄層的油氣開發及評價,以及復雜井況、水平井和小井眼測井的需求,陣列感應以其測量信息豐富、分辨率高、探測深度深、地層電阻率測量準確、油氣水侵入關系反映明顯、適用條件寬、儀器長度短等優勢,越來越多地被油田所認可[3]。

為提高水平井及復雜井況測井的施工安全,陣列感應測井儀器長度縮短為4.5 m,并且設計了使用泵出式和鉆具輸送的存儲式數據記錄方式。由于水平井測井時間都比較長,電路采用高溫、高集成化器件,無保溫瓶設計。線圈采用陶瓷結構及壓力平衡裝置,熱穩定性更好,保證了數據的可靠性。

1 線圈系設計

1.1 線圈系參數設計

線圈采用單邊形式,共5個三線圈系,每個線圈系均為1個發射T、1個主接收R、1個輔助屏蔽B。線圈排列結構圖見圖1。

圖1 線圈排列結構圖

如果任意2個線圈之間的距離太近,不僅調整難度較大,而且工藝上很難實現,強烈的互感也會淹沒有用的地層信號,帶來較大的噪聲。根據前期的實驗經驗,線圈之間距離大于4 cm都可以滿足要求。主間距近,信號大,主間距遠,信號小,所以主間距越遠,設計采用的匝數也越大,以確保信號水平在一個數量級上,確保等誤差分布,有利于后期的曲線合成。

設計發射線圈的匝數NT=100,發射線圈、接收線圈、屏蔽線圈均采用直徑d=0.3 mm的漆包線。根據三線圈系感應測井理論[3],儀器總的直耦信號(Vm)為接收線圈直耦信號(VmTR)與屏蔽線圈直耦信號(VmTB)的和,即

Vm=VmTR+VmTB=

(1)

式中,ω為電流變化的角頻率;μ為磁導率;IT為發射電流;AT為發射線圈橫截面積;NT為發射線圈匝數;AR為接收線圈截面積;AB為屏蔽線圈截面積;NR和NB分別為接收和屏蔽線圈的匝數;LTR為發射到接收線圈的距離;LTB為發射到屏蔽線圈的距離;由于三線圈均繞在同一芯棒上,所以三線圈截面積相同,取LTR=L,LTB=αL;主屏比α=LTB/LTR,因此式(1)變為

(2)

要使直耦分量為0,即Vm=0,式(2)變為NB=-αNR,根據公式,線圈具體設計參數見表1。

表1 線圈設計參數表

線圈系的主間距(T—R)為:12、19、28、41 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同和63 in,主間距的設計主要考慮最終合成電阻率曲線的探測深度均在2個線圈系的原始探測深度之間或附近,減小曲線合成帶來的誤差。12 in的短陣列提供高分辨率和淺探測信息,改善井眼校正。63 in加大探測深度,提高遠探測信息的合成精度。根據儀器設計的目標,儀器原始的分辨率特性和探測深度特性,經過數字聚焦、分辨率匹配后得到縱向分辨率為1、2、4 ft,徑向探測深度為10、20、30、60、90 in。

1.2 線圈系的探測特性分析

Doll幾何因子是Doll(1949)在提出感應測井方法的同時,為了描述地層各部分對測量信號貢獻,即感應測井測量信號來源而提出的。被用于分析感應儀器的理想徑向和縱向探測特性[4]。它將地層看作由很多小的導電環組成,不考慮導電環之間的相互影響。其表達式為

(3)

式中,Z為單元環的縱向坐標;ρ為單元環的徑向坐標;rT為單元環與發射線圈的距離;rR為單元環與接收線圈的距離;L為發射線圈與接收線圈的距離。

1.2.1原始探測深度

根據Doll幾何因子理論,其徑向積分幾何因子表現的是半徑為R無限長圓柱狀地層對測量信號的相對貢獻。表達式為

(4)

根據式(4)得到徑向積分幾何因子圖(見圖2)

圖2 儀器徑向積分幾何因子圖

根據徑向積分響應函數的50%點為探測深度的定義[5],所設計儀器5個陣列原始探測深度依次為0.35、0.61、0.90、1.30、1.90 m。原始探測深度均分布在合成探測深度的附近,保證了合成數據的可靠性。

1.2.2原始分辨率

根據Doll幾何因子理論,縱向微分幾何因子表現的是單位厚度水平薄層對測量信號的相對貢獻大小。表達式為

(5)

根據式(5)得到縱向微分幾何因子圖(見圖3)。

圖3 縱向微分幾何因子圖

根據縱向微分響應函數90%貢獻量為原始分辨率的定義[5],可得到5個陣列的原始分辨率依次為0.35、0.55、0.75、1.15、1.75 m。不同分辨率的曲線經過匹配后得到統一的1、2、4 ft這3種分辨率的曲線。

2 硬件設計

硬件電路的設計采用了高速FPGA和DSP核心模塊電路,FPGA選用Actel公司的A3P1000,DSP選用ANALOG DEVICES公司ADSP-BF506。FPGA模塊集成了發射控制、A/D數據采集、刻度控制、以及SPI通訊等功能。DSP模塊主要包含了數據處理、數據存儲和數據上傳等功能[6]。

FPGA模塊中,發射控制主要是給發射電路提供多頻發射邏輯,刻度控制主要是實現儀器內刻與外刻的切換。FPGA還負責將A/D采集的信號通過SPI總線發送給DSP模塊。DSP模塊中,主要功能是將FPGA發送來的感應信號進行數字濾波和傅里葉變換。直傳模式下,DSP模塊將處理后的數據發送給主控儀,由主控儀將感應數據和其他儀器的數據打包,通過電纜發送到地面計算機。在存儲模式下,儀器數據會分別存儲在DSP模塊和主控儀的Flash中,進行數據的雙備份,儀器完成測井后,再由地面系統讀取Flash中的數據。硬件設計框圖見圖4。

圖4 硬件設計框圖

發射電流取樣電路主要通過取樣變壓器對發射電流進行取樣。由于在不同的溫度環境中,發射信號的幅度和相位會有變化,通過取樣發射信號,對接收信號的相位和幅度進行修正。前置放大濾波電路是將接收線圈信號、刻度信號以及取樣信號進行放大和濾波。信號經過放大和濾波后,再進入FPGA模塊中進行A/D轉換及后續處理。

3 軟件設計

FPGA采用Verilog語言設計,主要功能:通過SPI總線與DSP通訊;產生發射電路的輸入邏輯;控制A/D芯片進行數字轉換;刻度換擋等。

DSP軟件主要功能:通過SPI總線控制FPGA,完成測井模式和刻度模式下的工作;通過網絡接口,使用標準TCP/IP協議,實現與主控儀的數據通訊,數據再通過主控儀,打包其他儀器數據上傳到地面系統或進行數據存儲備份。DSP軟件工作流程圖見圖5。

4 試驗測試

儀器對5個陣列均使用2 Ω電阻,直徑75 cm刻度盤進行刻度。刻度后,儀器選擇了不同阻值的電阻進行了線性驗證,1陣列是距離發射線圈最近的陣列,5陣列是距離發射線圈最遠的陣列,其他3個陣列的誤差等級均分布在這2個陣列數據之間,這2個陣列的線性誤差數據見表2。1陣列主要反映了近井眼電阻率情況,5陣列主要反映原狀地層電阻率情況。從表2可見,視電導率均達到±2 mS/m或3%測量誤差的設計要求,儀器整體線性度較好。并且在高電阻率地層(刻度電阻取值500 Ω),均有較高的測量精度。體現了儀器在高電阻率地層較強的測量能力。

圖5 DSP軟件工作流程圖

表2 1陣列和5陣列的線性實驗數據

圖6 電阻率合成及一維反演出圖曲線

儀器完成刻度和溫度校正以后,進行了上井試驗,對上井數據進行了電阻率合成以及一維反演(見圖6)。

電阻率合成的曲線輸出共得到3種分辨率5種探測深度共15條曲線。選取了2 ft分辨率的合成電阻率曲線進行一維反演,獲得地層真電阻率、沖洗帶電阻率、侵入深度等參數。利用泥質含量、孔隙度、電阻率比值對侵入深度進行約束,然后再重新計算地層真電阻率、沖洗帶電阻率,結合井徑、鉆井液電阻率擬合出電阻率侵入剖面。

5 結束語

(1)設計的小直徑陣列感應測井儀主要參數和技術指標與國外引進的陣列感應儀器接近,但是儀器總長更短、質量更輕。并且采用電纜和存儲式雙模式測井,選擇更靈活,更加有利于施工的安全,對復雜井況和水平井測量有獨特的優勢。

(2)儀器采用陶瓷復合線圈系,以高集成化數字電路系統為核心,信號的穩定性和測量精度高,可靠性好。

(3)儀器可與其他儀器組合測井,提高測井時效。具有多種分辨率和探測深度的出圖曲線,更有利于薄層及薄互層特性識別。