张金倩楠1，彭浩2，范锦辉2，管康2，贾衡天2

　　（1.北京邮电大学 信息光子学与光通信研究院，北京 100876；2.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京 100083）

　　摘要：近年来随着工业对石油资源需求的上升，对石油勘探开发技术也提出了更高的要求。在钻井过程中，应对复杂地层钻井的随钻测井技术逐渐成为人们研究的重点。由于侧向电阻率具有聚焦的能力，在高矿化度钻井液和高阻地层井中要比普通的梯度电极、电位电极电阻率测井更具有优势。这两种电阻率测井电极流出的电流基本上全部在井眼和低阻围岩中流动，很难进入地层深处来反映地层电阻率的变化情况。为此设计一套随钻七侧向电阻率测量系统。通过钻井实验证明该系统能对不同深度的地层电阻率进行测量，因此更加适合于薄层和渗透性地层。其受侵入带的影响较小，更能反映地层的真实电阻率信息，因此能提升地质导向钻井系统的性能，提高油气田的钻遇率。

　　关键词：侧向电阻率；地质导向；电阻率信息

0引言

　　随钻侧向电阻率测井又称为聚焦式电法测井，其除了主要的地层电阻率测量电极外，还增加了多个屏蔽电极。由于电阻率电极和屏蔽电极流出的电流极性一致，电流极性相同时会相互排斥，因此从电阻率电极流出的电流被“压迫”成为能近似垂直于井壁的方向，并能流入更深的被测地层［1］，这将极大程度地降低低阻围岩和井眼对地层真实电阻率测量的影响。为满足对地层电阻率随钻实时评价的要求，开发了随钻七侧向电阻率测量系统［2］。

1系统结构及测量原理

　　侧向电阻率测井在钻铤侧面不同位置安装多个金属电极，电极之间使用绝缘材料分隔开，在进行随钻测井工程时，主电极流出测量电流，电流经过被测地层后流入测量电极，由测量电极进入钻铤内的高精度测量电路［3］。电路测量到的电流信号将实时反映出被测地层的电阻率变化情况，而被测地层电阻变化情况将实时反映出油气储层的信息［4］。随钻七侧向电阻率测量系统包括七个小体积的环状电极，如图1所示。

　　图中AP0是主电极，MP1/MP2和MP1′/MP2′是两对监督电极，BP1和BP2代表回流电极；AP1、AP2是一对屏蔽电极。以主电极为中心，这三对电极对称地排列在其上下两端，每对电极利用导线相连。因此，MP1和MP2具有相同的电位，电极MP1′、MP2′以及电极AP1、AP2也具有相同的特点［5］。当系统随钻工作时，主电极和屏蔽电极分别提供极性相同的电流I0和IS，并自动调节屏蔽电流IS，使得两对监督电极MP1和MP2 、MP1′和MP2′上的电位保持相同，即UMP1=UMP1′或UMP2=UMP2′。由于M1、M1′两等位面之间以及MP2、MP2′两等位面之间不可能有电流流动，因此从主电极和屏蔽电极流出的电流都在MP1、MP1′和MP2、MP2′处拐弯，即迫使主电极AP0流出的电流不沿井轴方向流动，而垂直于电极流入地层［6］。因此地层的电阻率RS可以用公式表示为：

　　式中UMP1代表MP1处的电位，K代表七侧向电极系

　　K=4π1AP0MP1+12ηAP1AP2AP1MP1×AP2MP1+BP1BP2BP1MP1×BP2MP1－BP1BP22×1BP1MP1×BP2MP1(12)的系数。

　　由式（1）可以知道当主电流I0保持恒定时，监督电极MP1处的电位UMP1的变化情况就能线性地反映出被测地层电阻率的变化。当七侧向电阻率进行深探测时回流电极NP处于无穷处［7］。当七侧向电阻率进行浅探测时回流电极BP1和BP2就被接入电极系中。将环状电极等效成点，根据电场叠加原理可以推导电极系系数K。

　　监督电极的电位UMP1公式为：

　　其中，AP0MP1、AP1MP1、AP2MP1为监督电极MP1到主电极AP0和屏蔽电极AP1及AP2的距离。与上述相同监督电极MP1′的电位为：

　　其中，AP0MP1′、AP1MP1′、AP2MP1′为监督电极MP1′到主电极AP0和屏蔽电极AP1及AP2的距离［8］。

　　当进行随钻测量时，电路系统自动调节屏蔽电极的电流，使得UMP1=UMP1′。此时屏流比将确定下来，即：η=2AP1MP1×AP1MP1′×AP2MP1×AP2MP1′AP0MP1×AP0MP1′(AP2MP1×AP2MP1′－AP1MP1×AP1MP1′)(5)由于监控电极MP1与MP1′、MP2与MP2′在钻铤上的位置十分接近，OP1和OP2为它们的中点［9］，因此可以得到如下近似等式：

　　AP0MP1≈AP0MP1′≈AP0OP1(6)

　　AP1MP1≈AP1MP1′≈AP1OP1(7)

　　因此可以将随钻七侧向电阻率电极系数K用下式表示：

　　而浅七侧向电极系数的计算公式为:

2系统电路设计

　　系统电路结构如图2所示 。主电流产生系统以500 Hz频率对主电极AP0供电，并维持从主电极A0流出的电流恒定不变。采用反馈电路来进行屏蔽电流的自动调节［10］。由式（1）可知监督电极的电压值将随着地层电阻率的变化而发生变化。这样就会出现UMP1不等于UMP1′的情况，此时MP1和MP1′之间的电位不为0。当这种情况发生时，如果UMP1>UMP1′,则监督电极MP1和MP1′上的电压会经过变压器T2耦合到放大器的输入端，该电压值被放大后，由相敏检波器将其变为直流的脉动电压信号，再经由滤波器滤除其高频成分后，变成放大后的直流电平信号。该信号在经过调制电路、功率放大电路和变压器T3后耦合到屏蔽电极AP1和AP2上，使得AP1和AP2上的屏蔽电流增加，从而使得电极MP1′上的电压上升，一直到与MP1上的电压相等为止。而当UMP1<UMP1′时,由上述反馈电路系统调节可使得屏蔽电极AP1和AP2的电流下降从而使得MP1′上的电压下降，直到与MP1上的电压相等。在这种动态平衡条件下测量UMP1或者UMP1′与流入电极点之间的电压差，即UMP就可以被认为反映了被测地层的电阻率。为了减少系统在测量地层电阻率时受到的干扰，远回流电极NP和近回流电极BP都应处于井下。电极NP和电极BP应保持一定的距离，而且需要远离主电极AP0和屏蔽电极AP1和AP2。

3部分电路设计

　　随钻七侧向电阻率测量系统屏蔽电极电流源产生电路由前置差动放大电路、斩波调制放大电路、带通放大电路和功率放大器构成。随钻七侧向电阻率测量系统部分电路前置放大,电路如图3(a)所示，由运放OP3的同相端连接由监测电极相敏整流后反馈回来的电图2随钻七侧向电阻率测量系统电路结构图3随钻七侧向电阻率测量系统部分电路压。反向输入端连接由精密电阻构成分压电路，前置放大器的放大倍数可由下式得出：

　　随钻七侧向电阻率测量系统部分电路的斩波调制放大器如图3(b)所示，其由运算放大器和集成电路构成，当方波信号输入到该集成电路的输入引脚后,当方波信号为高电平时，集成电路芯片将16、14脚与15、13、11、9脚接通，并连接到电路的数字地上。当方波信号为低电平时，12、10脚与15、13、11、9脚接通，并连接到电路的数字地上［11］。这样就可以将运放的输入端b点和c点轮流接地，当c点接地，b点悬空时，运放的增益为：

　　由此可见，斩波调制放大电路将前置放大器输出的直流电压调制成为相同幅度的方波电压信号。该信号加入带通滤波器的输入端。带通滤波电路如图3(c)所示，由两条反馈路径构成,频率信号通过C43和R46产生负反馈。将滤波信号的频率固定在500 Hz。其传递函数为：

　　其中，ω0为带通中心角频率，Q为品质因数，K为通带增益。

　　由带通滤波后的交流信号经由功率放大电路加载到屏蔽电极AP1和AP2上，产生屏蔽电流。

　　随钻七侧向电阻率测量系统监控电极的监测电路，主要用来监测监督电极间的电位差，并产生控制屏蔽电极AP1、AP2的电压。其电路系统的主要单元为相敏检波器，如图3(d)所示。

　　参考信号UF(t)被放大器OP2和二极管VF整形后产生一个方波信号，该信号的占空比为1∶1，并且该信号与监测电极监测到的信号US(t)为相同频率。该电压信号将控制MOSFET开关管K1的导通和关闭［12］。当开关管K1关闭时，运算放大器OP2工作在电压跟随器状态，将直接输出US(t)的信号。当开关管K1导通时，运算放大器OP2工作在反相器状态，它将输入US(t)进行反相后输出。这样就将输入的US(t)转换成正脉动信号，再经后续的低通滤波器转换成直流信号，该直流信号用于控制在AP1和AP2上产生的屏蔽电流信号。

4随钻七侧向电阻率测量系统实验

　　随钻七侧向电阻率测量系统在华北油田任平19井进行了下井实验，并在钻具组合中安装在钻头上方。该区域地面海拔5.7 m，为冀中坳陷饶阳凹陷北部任北潜山构造带。设计井深3 050 m（垂深），井别为开发井，井型为定向井。随钻七侧向电阻率测量系统在井深2 000 m的位置开始进行测量工作。系统在井下随钻累计工作55小时，系统工作环境温度为120℃，整个系统工作正常。随钻七侧向电阻率测量系统测量数据与该井的感应电阻率测井数据和近钻头电阻率测井数据对比一致性非常好，系统的随钻测井数据如图4所示，达到了井队对目的层电阻率进行随钻测录的要求。

5结论

　　随钻七侧向电阻率测量为评价油气储层岩性提供重要参数，能在石油勘探和开发领域发挥重要作用。因此研制随钻七侧向电阻率测量系统，其由主电极发射电流信号，屏蔽电极对电流信号进行聚焦，监测电极测量目的油气储层的电阻率信息。对该系统进行了下井实验，实验结果满足井队对目的地层电阻率测量的要求，提高了国内随钻测井技术研究和应用的水平，缩小了与国外测井技术间的差距，具有广阔的应用前景。

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