軟聚焦側向儀器三種模式的實現

作者簡介：張森峰（1980—），男，山西，碩士，工程師，從事測井儀器研發工作，E-mail：zsflyn@163.com。

0   引言

軟聚焦側向儀器通過對主發射功率的調整使其適用于不同的地層電阻率測量，相對于傳統的側向儀器能夠提高儀器測量效果、擴大儀器測量動態范圍。軟聚焦模式的側向儀器取消了傳統側向中的主監控回路，并且提高了精度。其通過改變聚焦條件允許同時計算出標準的和高分辨率的曲線，能夠更快速、清晰地反映出地層電阻率信息，更適合于小隊海外的快速作業，提高生產效率。

圖1 儀器物理原理

1   側向儀器的物理原理

軟聚焦儀器探頭就是側向探頭。這個排列相對于探頭中心是對稱的（A0 測量電極的中心）^[1]。探頭包括一套安裝在絕緣軸芯上的電極系。上半部探頭從上到下有：電極A2 在深側向中用作屏蔽電極，而在淺側向中用作回流電極。電壓電極A1* 靠近A1 電極且電位近似相等。電極A1 用作屏蔽，在兩種測量方式中，M1 和M2 是兩個監控電極，A0 作為復合測量電極。設計上要求M1’、M2’、A1’、A1*’、A2’ 電極相對上面的電極是對稱的（A0 電極是對稱面的中點）。不同深度的兩種探測曲線（深、淺）是基于在三種不同的頻率下，三種操作模式同時采集計算的結果，分別是mode 1 (35 Hz)，mode 2 (288 Hz)，modes 3 (162 Hz)。其中深側向測量電流I0 由A0 電極發射，被A1 和A2電極發射的屏蔽電流聚焦進入地層。這里要調整保持監控電極M1 和M2 等電位。這個監控條件的目的是防止I0 和Ib 在泥漿中存在軸向電流^[2]。這樣迫使測量電流放射狀的離開儀器進入地層。總電流It = I0 + Ib，進入很深的地層后返回到地面。儀器馬籠頭運動的工作方式同雙側向一樣^[3]。一個參考電極魚雷放置在馬籠頭上方的纜皮上用做參考電位，假定是無限遠的^[4]。儀器的電壓測量是測量監控電極和地面之間的電位差，其公式如下。

淺側向，屏蔽電流由A1 和A1' 發射，然后返回到A2 和A2'^[5]。監控條件和上面的一樣。儀器電壓再次相對地面來測量。

2   聚焦三種模式聚焦組合

三種模式如圖2 所示。

圖2 軟聚焦側向原理模式組合

通過對這三種不同測量模式中的電壓和電流進行求和，可以對聚焦深側向和淺側向進行計算，深側向的計算推導如下。

監測電壓差值dVm 和儀器相對于馬龍頭的電壓Vt是 A0 電流和總電流It (It = IA0 + IA1+IA2)乘以傳輸阻抗（關于井眼和地層的阻抗）a、b、c 和d 的一個函數式。如果我們把這個方程中的監測條件dVm 替換為0，可以發現用傳輸阻抗表示的深側向電阻率：

現在，由于在模式 1 中 IA0 = 0，所以傳輸阻抗 b和d 可以直接測量：

同樣的方法，模式3 給了我們a 和c，由于在這種狀態下 It = 0：

把這些測量的傳輸阻抗帶入HLLD的表達式，得到：

式(6) 是深側向電阻率根據測量信號的表達式。這種用于獲得聚焦電阻率的方法被稱為軟聚焦，因為聚焦條件是在測量方程中被取代，而不是在硬件中實現。它充分使用了電磁場疊加理論。

軟聚焦電流方案是通過2 個未聚焦的測量模式1 和模式3 在一定的比例下相加來組成的。淺側向電阻率的測量可以用類似的方法來計算，使用模式2 代替模式1。這樣改變了電流曲線的彎曲度，給出了更淺深度的測量。

3   三模式電路設計原理

這種模式與傳統深側向模式相似，不同的是沒有電流從A0 電極發射，以及這里沒有主監控回路^[6]。通過發射一個35 Hz 的電流送到A1 和A2 電極，并且返回到地面的魚雷。輔監控回路通過保持A1* 和A2 電極具有相同的電位來控制送到A1 電極上電流的大小。特征條件如下：

這種模式與傳統淺側向模式相似，不同的是沒有電流從A0 電極發射。一個288 Hz 的電流被注入到輔監回路，輔監回路根據A1* 和A2 電極之間的電位差來調整A1 到A2 的電流，以確保A1* 和A2 的電位相同。特征條件如下：

在這種模式下，電流從A0 流向A1，其中一小部分流向A2。輔助監測回路保持A1* 和A2 具有相同的電位。特征條件如下：

這么做是為了克服電極接觸阻抗產生的問題^[7]。通過對這三種不同方法的測量模式中的電壓和電流進行求和，就可以對聚焦深側向和淺側向進行計算。

圖6 三種模式仿真

4   仿真數據分析

從圖6 和圖7 可以看到三種模式下的仿真結果，其結論和上面描述的電路設計結果一樣。

圖7 是對模式組和后的深側向形成的地層電場的分布圖

5   實驗結果分析

勝利油田孤古8 號井的測井實驗中，軟聚焦雙側向測井儀器的測井功能和測井指標進行了檢驗。勝利測試井深3 000 m，其中1 800 m上為套管，以下為實際地層，主要測試2 500~2 000 m 深井段，該井段地層復雜，有多種典型地層，井下溫度最高175 ℃。圖8 中紅色為淺側向，藍色為深側向，可見在新的軟聚焦模式下下，能夠很好地反映出地層信息。

圖6 測井數據

6   結語

針對傳統的側向儀器控制速度慢，控制精度低，自適應能力弱等特點，設計了軟聚焦模式的新型側向儀器，該儀器能通過軟聚焦合成出四種曲線，分別是深側向，淺側向，高分辨率深側向，高分辨率淺側。能夠很好地滿足油田作業的要求。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年1月期）