張金倩楠1，彭浩2，范錦輝2，管康2，賈衡天2
（1.北京郵電大學 信息光子學與光通信研究院，北京 100876；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京 100083）
摘要：近年來隨著工業對石油資源需求的上升，對石油勘探開發技術也提出了更高的要求。在鉆井過程中，應對復雜地層鉆井的隨鉆測井技術逐漸成為人們研究的重點。由于側向電阻率具有聚焦的能力，在高礦化度鉆井液和高阻地層井中要比普通的梯度電極、電位電極電阻率測井更具有優勢。這兩種電阻率測井電極流出的電流基本上全部在井眼和低阻圍巖中流動，很難進入地層深處來反映地層電阻率的變化情況。為此設計一套隨鉆七側向電阻率測量系統。通過鉆井實驗證明該系統能對不同深度的地層電阻率進行測量，因此更加適合于薄層和滲透性地層。其受侵入帶的影響較小，更能反映地層的真實電阻率信息，因此能提升地質導向鉆井系統的性能，提高油氣田的鉆遇率。
關鍵詞：側向電阻率；地質導向；電阻率信息
0引言
隨鉆側向電阻率測井又稱為聚焦式電法測井，其除了主要的地層電阻率測量電極外，還增加了多個屏蔽電極。由于電阻率電極和屏蔽電極流出的電流極性一致，電流極性相同時會相互排斥，因此從電阻率電極流出的電流被“壓迫”成為能近似垂直于井壁的方向，并能流入更深的被測地層［1］，這將極大程度地降低低阻圍巖和井眼對地層真實電阻率測量的影響。為滿足對地層電阻率隨鉆實時評價的要求，開發了隨鉆七側向電阻率測量系統［2］。
1系統結構及測量原理
側向電阻率測井在鉆鋌側面不同位置安裝多個金屬電極，電極之間使用絕緣材料分隔開，在進行隨鉆測井工程時，主電極流出測量電流，電流經過被測地層后流入測量電極，由測量電極進入鉆鋌內的高精度測量電路［3］。電路測量到的電流信號將實時反映出被測地層的電阻率變化情況，而被測地層電阻變化情況將實時反映出油氣儲層的信息［4］。隨鉆七側向電阻率測量系統包括七個小體積的環狀電極，如圖1所示。
圖中AP0是主電極，MP1/MP2和MP1′/MP2′是兩對監督電極，BP1和BP2代表回流電極；AP1、AP2是一對屏蔽電極。以主電極為中心，這三對電極對稱地排列在其上下兩端，每對電極利用導線相連。因此，MP1和MP2具有相同的電位，電極MP1′、MP2′以及電極AP1、AP2也具有相同的特點［5］。當系統隨鉆工作時，主電極和屏蔽電極分別提供極性相同的電流I0和IS，并自動調節屏蔽電流IS，使得兩對監督電極MP1和MP2 、MP1′和MP2′上的電位保持相同，即UMP1=UMP1′或UMP2=UMP2′。由于M1、M1′兩等位面之間以及MP2、MP2′兩等位面之間不可能有電流流動，因此從主電極和屏蔽電極流出的電流都在MP1、MP1′和MP2、MP2′處拐彎，即迫使主電極AP0流出的電流不沿井軸方向流動，而垂直于電極流入地層［6］。因此地層的電阻率RS可以用公式表示為：
式中UMP1代表MP1處的電位，K代表七側向電極系
K=4π1AP0MP1+12ηAP1AP2AP1MP1×AP2MP1+BP1BP2BP1MP1×BP2MP1－BP1BP22×1BP1MP1×BP2MP1(12)的系數。
由式（1）可以知道當主電流I0保持恒定時，監督電極MP1處的電位UMP1的變化情況就能線性地反映出被測地層電阻率的變化。當七側向電阻率進行深探測時回流電極NP處于無窮處［7］。當七側向電阻率進行淺探測時回流電極BP1和BP2就被接入電極系中。將環狀電極等效成點，根據電場疊加原理可以推導電極系系數K。
監督電極的電位UMP1公式為：
其中，AP0MP1、AP1MP1、AP2MP1為監督電極MP1到主電極AP0和屏蔽電極AP1及AP2的距離。與上述相同監督電極MP1′的電位為：
其中，AP0MP1′、AP1MP1′、AP2MP1′為監督電極MP1′到主電極AP0和屏蔽電極AP1及AP2的距離［8］。
當進行隨鉆測量時，電路系統自動調節屏蔽電極的電流，使得UMP1=UMP1′。此時屏流比將確定下來，即：η=2AP1MP1×AP1MP1′×AP2MP1×AP2MP1′AP0MP1×AP0MP1′(AP2MP1×AP2MP1′－AP1MP1×AP1MP1′)(5)由于監控電極MP1與MP1′、MP2與MP2′在鉆鋌上的位置十分接近，OP1和OP2為它們的中點［9］，因此可以得到如下近似等式：
AP0MP1≈AP0MP1′≈AP0OP1(6)
AP1MP1≈AP1MP1′≈AP1OP1(7)
因此可以將隨鉆七側向電阻率電極系數K用下式表示：
而淺七側向電極系數的計算公式為:
2系統電路設計
系統電路結構如圖2所示 。主電流產生系統以500 Hz頻率對主電極AP0供電，并維持從主電極A0流出的電流恒定不變。采用反饋電路來進行屏蔽電流的自動調節［10］。由式（1）可知監督電極的電壓值將隨著地層電阻率的變化而發生變化。這樣就會出現UMP1不等于UMP1′的情況，此時MP1和MP1′之間的電位不為0。當這種情況發生時，如果UMP1>UMP1′,則監督電極MP1和MP1′上的電壓會經過變壓器T2耦合到放大器的輸入端，該電壓值被放大后，由相敏檢波器將其變為直流的脈動電壓信號，再經由濾波器濾除其高頻成分后，變成放大后的直流電平信號。該信號在經過調制電路、功率放大電路和變壓器T3后耦合到屏蔽電極AP1和AP2上，使得AP1和AP2上的屏蔽電流增加，從而使得電極MP1′上的電壓上升，一直到與MP1上的電壓相等為止。而當UMP1<UMP1′時,由上述反饋電路系統調節可使得屏蔽電極AP1和AP2的電流下降從而使得MP1′上的電壓下降，直到與MP1上的電壓相等。在這種動態平衡條件下測量UMP1或者UMP1′與流入電極點之間的電壓差，即UMP就可以被認為反映了被測地層的電阻率。為了減少系統在測量地層電阻率時受到的干擾，遠回流電極NP和近回流電極BP都應處于井下。電極NP和電極BP應保持一定的距離，而且需要遠離主電極AP0和屏蔽電極AP1和AP2。
3部分電路設計
隨鉆七側向電阻率測量系統屏蔽電極電流源產生電路由前置差動放大電路、斬波調制放大電路、帶通放大電路和功率放大器構成。隨鉆七側向電阻率測量系統部分電路前置放大,電路如圖3(a)所示，由運放OP3的同相端連接由監測電極相敏整流后反饋回來的電圖2隨鉆七側向電阻率測量系統電路結構圖3隨鉆七側向電阻率測量系統部分電路壓。反向輸入端連接由精密電阻構成分壓電路，前置放大器的放大倍數可由下式得出：
隨鉆七側向電阻率測量系統部分電路的斬波調制放大器如圖3(b)所示，其由運算放大器和集成電路構成，當方波信號輸入到該集成電路的輸入引腳后,當方波信號為高電平時，集成電路芯片將16、14腳與15、13、11、9腳接通，并連接到電路的數字地上。當方波信號為低電平時，12、10腳與15、13、11、9腳接通，并連接到電路的數字地上［11］。這樣就可以將運放的輸入端b點和c點輪流接地，當c點接地，b點懸空時，運放的增益為：
由此可見，斬波調制放大電路將前置放大器輸出的直流電壓調制成為相同幅度的方波電壓信號。該信號加入帶通濾波器的輸入端。帶通濾波電路如圖3(c)所示，由兩條反饋路徑構成,頻率信號通過C43和R46產生負反饋。將濾波信號的頻率固定在500 Hz。其傳遞函數為：
其中，ω0為帶通中心角頻率，Q為品質因數，K為通帶增益。
由帶通濾波后的交流信號經由功率放大電路加載到屏蔽電極AP1和AP2上，產生屏蔽電流。
隨鉆七側向電阻率測量系統監控電極的監測電路，主要用來監測監督電極間的電位差，并產生控制屏蔽電極AP1、AP2的電壓。其電路系統的主要單元為相敏檢波器，如圖3(d)所示。
參考信號UF(t)被放大器OP2和二極管VF整形后產生一個方波信號，該信號的占空比為1∶1，并且該信號與監測電極監測到的信號US(t)為相同頻率。該電壓信號將控制MOSFET開關管K1的導通和關閉［12］。當開關管K1關閉時，運算放大器OP2工作在電壓跟隨器狀態，將直接輸出US(t)的信號。當開關管K1導通時，運算放大器OP2工作在反相器狀態，它將輸入US(t)進行反相后輸出。這樣就將輸入的US(t)轉換成正脈動信號，再經后續的低通濾波器轉換成直流信號，該直流信號用于控制在AP1和AP2上產生的屏蔽電流信號。
4隨鉆七側向電阻率測量系統實驗
隨鉆七側向電阻率測量系統在華北油田任平19井進行了下井實驗，并在鉆具組合中安裝在鉆頭上方。該區域地面海拔5.7 m，為冀中坳陷饒陽凹陷北部任北潛山構造帶。設計井深3 050 m（垂深），井別為開發井，井型為定向井。隨鉆七側向電阻率測量系統在井深2 000 m的位置開始進行測量工作。系統在井下隨鉆累計工作55小時，系統工作環境溫度為120℃，整個系統工作正常。隨鉆七側向電阻率測量系統測量數據與該井的感應電阻率測井數據和近鉆頭電阻率測井數據對比一致性非常好，系統的隨鉆測井數據如圖4所示，達到了井隊對目的層電阻率進行隨鉆測錄的要求。
5結論
隨鉆七側向電阻率測量為評價油氣儲層巖性提供重要參數，能在石油勘探和開發領域發揮重要作用。因此研制隨鉆七側向電阻率測量系統，其由主電極發射電流信號，屏蔽電極對電流信號進行聚焦，監測電極測量目的油氣儲層的電阻率信息。對該系統進行了下井實驗，實驗結果滿足井隊對目的地層電阻率測量的要求，提高了國內隨鉆測井技術研究和應用的水平，縮小了與國外測井技術間的差距，具有廣闊的應用前景。
參考文獻
［1］ 包德洲,陳濤,劉杰,等.套后電阻率測井儀大功率發射技術研究及應用［J］. 西安石油大學學報(自然科學版),2015，30(5):101105.［2］ 夏濟根,高成名,李智強,等.微柱形電阻率與三探測器巖性密度組合測井儀器的設計和應用［J］. 石油管材與儀器，2015(4) :1114.
［3］ 尹成芳,柯式鎮,許巍,等.三維側向測井電極系設計及其響應模擬［J］. Applied Geophysics，2014，11(2):223234.
［4］ 尹成芳,柯式鎮,張雷潔.電極型復電阻率掃頻系統響應數值模擬［J］. 測井技術, 2014(3) :273278.
［5］ 江滟洲.薄層電阻率測井技術應用研究［J］. 中國石油和化工標準與質量， 2014，34(8):158159.
［6］ 李會銀,蘇義腦,盛利民,等.多深度隨鉆電磁波電阻率測量系統設計［J］. 中國石油大學學報(自然科學版), 2010，34(3):3842.
［7］ 陳愛新.微電阻率成像儀數值模擬與分析［J］. 天然氣工業，2006，26(12):8385.
［8］ 徐錦繡,王永利,曹樹春,等.成像測井在地質油藏研究中的應用［J］. 海洋石油,2009，29(1):100104.
［9］ 朱文娟.成像測井資料在裂縫識別中的應用［J］. 石油儀器, 2009，23(3):4547.
［10］ 艾維平,鄧樂,宋延淳.近鉆頭電阻率隨鉆測量系統中電流激勵源的設計［J］. 通信電源技術, 2012，29(1):4143.
［11］ 王從政,胡松,高椿明,等.一種小型雙路水下電視驅動系統設計［J］.電子技術應用,2015，41(12):5860.
［12］ 嚴正國,黎偉,馬龍.一種分布式無線同步數據采集系統設計［J］.電子技術應用，2014，40(10):4952.