存儲式陣列感應測井儀數據處理方法研究與實現

尹國平，游 暢，劉 赟，潘 勇，金建勛，汪 益，王孝忠

(川慶鉆探工程有限公司測井公司 重慶 400021)

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·開發設計·

存儲式陣列感應測井儀數據處理方法研究與實現

尹國平，游 暢，劉 赟，潘 勇，金建勛，汪 益，王孝忠

(川慶鉆探工程有限公司測井公司 重慶 400021)

簡述了傳統感應測井儀在數據處理上的局限性，提出了存儲式陣列感應測井儀數據處理方法，并簡單介紹了存儲式陣列感應測井儀工作原理和響應特性。數據處理是存儲式陣列感應測井儀的核心之一，該儀器利用多個不同間距的子陣列和多個工作頻率采集井下豐富的地層信息，送入地面系統進行數據處理，可聚焦出不同分辨率和不同探測深度的測井曲線。數據存儲和壞區管理是該儀器另一核心技術，用于對測井原始數據的管理。實際應用表明，該儀器能準確地測量地層電阻率，真實反應地質構造，數據處理方法先進。

存儲式測井；感應測井；趨膚效應；軟件聚焦；壞區管理

0 引 言

隨著測井技術的發展，為滿足頁巖氣等復雜長水平井開采需要，出現了新的測井技術和工藝“過鉆具存儲式測井”[1]。由于頁巖氣井地層的特殊性，要求除常規資料之外，還應能獲取陣列感應、陣列聲波等資料，以便于對頁巖氣井進行更準確、全面的儲層評價，因此對存儲式陣列感應儀器的研制是必要的。目前對于感應信號的處理，國內石油感應測井儀器的模擬信號提取都是依靠模擬電路或半模擬電路(模擬電路和一部分軟件)，并且沒有進行實時校正[2]。由于模擬器件本身的電特性(溫度等環境變化會影響增益和相位偏移)和印制板布線的影響，再加上感應信號非常微弱，電路增益很大(30 000倍)，這樣會帶來模擬信號的失真和其他噪聲信號的混入，不能很真實地反應地層測井信息的真實性。而存儲式陣列感應測井儀的外徑為60 mm，直徑小，其研制難度更加大，數據處理需要一種更好的方法來實現。

1 存儲式陣列感應儀器測量原理

存儲式陣列感應線圈系陣列基于簡單的三線圈系結構，即一個發射線圈、一個主接收線圈、一個屏蔽接收線圈。發射信號為多頻(12 kHz、36 kHz和72 kHz)合成信號，因此接收信號也是一個多頻的。為了便于電路設計和實現，發射線圈采用直接數字合成技術產生發射波形，其表達式為：

(1)

式(1)中： U_Txk，k=1、2 、3為3個輸出頻率分量電壓的有效值；fk為3個頻率分量的頻率；ψk為3個頻率初始相位值。

圖1 信號采集電路原理框圖

感應接收信號是3頻率混頻信號，其信號采集電路原理框圖如圖1所示[3]，包括多路可控模擬信號通道模塊、模擬信號濾波放大模塊，A/D數據采集模塊，FPGA(可編程邏輯陣列)控制模塊，基于DSP(數字信號處理器)的信號處理模塊以及通訊模塊。其中多路可控通道模塊用于選擇控制3道模擬信號和參考信號的通斷，并將它們分時送入濾波放大模塊；濾波放大模塊用于對模擬信號帶通濾波與放大；A/D數據采集模塊用于將濾波放大后的模擬信號轉化成數字信號；FPGA控制模塊與DSP信號處理模塊在同一個電路板上，但其功能是獨立的，用于電路信號時序控制。它的一個功能是控制多路模擬信號通道模塊把需要采集的模擬信號源送入模擬信號濾波放大模塊，另一個功能是控制A/D采集；DSP信號處理模塊用于數字信號的處理；通訊模塊用于將處理后的數字信號發送。儀器采集的模擬信號共有6道，需兩個該種電路同時進行處理，每個電路處理3道模擬信號。

2 存儲式陣列感應儀器響應特性

在陣列感應測井中，測井響應特性受井眼(二維空間)、圍巖等環境影響較大，測量信號不能有效地反映原狀地層信息。通常用幾何因子來描述儀器的響應特性，包括一維特性和二維特性[4]。一維特性用縱向微分幾何因子、徑向微分幾何因子描述，用以分析儀器的縱向分辨能力和徑向探測特性；二維特性用二維幾何因子描述，可以反映井眼、沖洗帶、侵入、圍巖等環境因素對測井響應的影響。

2.1 一維響應特性

1)縱向微分幾何因子

圖2 縱向微分幾何因子響應函數

2)徑向微分幾何因子

圖3 徑向微分幾何因子響應函數

2.2 二維響應特性

二維幾何因子反映空間各點對測量信號的相對貢獻大小，用來描述二維環境對測井響應的影響。由于存儲式陣列感應的子陣列較多，其真分辨率聚焦的二維響應函數探測深度分別為10 in(1 in=25.4 mm)、20 in、30 in、60 in、90 in和120 in，而不同探測深度的曲線，分辨率是不同的。為使分辨率一致，其數據處理方法是在真分辨率聚焦基礎上設計一維縱向分辨率匹配，用信息補償原理來實現分辨率匹配。圖4為用此原理合成的二維響應函數，縱向分辨率均為2 ft(1 ft=304.8 mm)。

圖4 分辨率為2 ft的二維響應函數

3 存儲式陣列感應數據處理

存儲式陣列感應測井儀器測量的地層信息豐富，除了可以得出原狀地層和侵入帶電阻率外，還可以研究侵入帶的變化。其數據處理主要是信號合成聚焦、濾波器設計、分辨率匹配和校正等處理方法，目的是通過二維信號處理消除不必要的井眼、侵入、圍巖等二維環境影響和趨膚效應影響，將這些信號合成為測井解釋人員所需的曲線。存儲式陣列感應地面軟件通過溫度影響補償、測井數據刻度、趨膚校正、井眼校正、軟聚焦合成[6]和分辨匹配等處理，最終輸出縱向分辨率為1 ft、2 ft和4 ft的探測深度為10 in、20 in、30 in、60 in、90 in和120 in等的18條測井曲線。

3.1 溫度影響補償

在儀器實際測井過程中，隨著井深增加，溫度逐漸升高，需要考慮儀器的溫度影響。溫度影響補償反映出該儀器所測電導率與溫度變化所產生漂移的關系如圖5所示。

存儲式陣列感應儀采用多次擬合算法來做溫度校正計算，如式(2):

ΔT=a0+a1(TA)+a2(TA)2+a3(TA)3

(2)

式(2)中，ΔT是溫度校正量；a0、a1、a2、a3是由溫度實驗獲得的溫度系數；TA是測量溫度值。

根據溫度實驗數據及上式，可以擬合系數a0、a1、a2、a3，得到溫度校正值，根據實際的溫度測量以及式(2)計算當前溫度的測量校正量。

圖5 電導率隨溫度變化所產生漂移

3.2 趨膚效應校正處理

交變電磁場在導電介質中傳播時，當頻率趨于0所得到的電導率與依據Doll理論得到的視電導率相同。然而實際測井中，用于感應交變電磁場的頻率不可能趨于0，是需要有一定頻率的。我們把這個頻率f下的視電導率與零頻率視電導率之差定義為趨膚影響。

圖6 視電導率和頻率平方根之間的關系

通過多項式計算，可以獲得不同頻率的視電導率，對于存儲式陣列感應而言，由于發射是3頻率的混頻信號，因此取3個頻率值即可滿足需求，那么就可以通過解線性方程組：

得到系數A0、A1、A2、A3、A4，其中A0就是我們所需要子陣列的趨膚效應校正后的結果σ[5]，它和頻率無關。

3.3 自適應井眼校正處理

存儲式陣列感應與高分辨率陣列感應類似，采用“軟件聚焦”方法反演不同探測深度的地層電阻率[7]。由于存儲式陣列感應短子陣列測量信號受井眼形狀和儀器偏心等因素影響嚴重，為了校正外部測量值和不規則井眼帶來的不確定性，采用先進的自適應井眼校正算法。該算法需要確定參數(σm，cal，d)的值，計算出適當的校正量并應用在實際的參數測量值上，對每個電阻率測量值進行校正以消除井眼影響。其中σm為泥漿電導率，由儀器本身自帶的泥漿電阻率傳感器實際測量得到，cal為井徑，由井徑儀器實際測量得到，d為儀器外徑。井眼校正模型圖如圖7所示。

圖7 井眼校正模型圖

另外，要準確地求出儀器校正量還需要確定一個參數，即儀器相對偏心ecc，可通過下式求出：

3.4 數據存儲處理及壞區管理

存儲式陣列感應儀器需在井底高溫環境下存儲測井數據，因此必須采用高溫的數據采集存儲板，該存儲板是以高溫單片機為核心設計的直接存儲體系結構。存儲器采用分頁式存儲管理，把內存空間分為4 096塊，每一塊分128頁，當數據操作時，以頁為單位，每次都是存儲一頁或讀取一頁的數據。存儲電路板采用被動接收數據的方式，每間隔500 ms接收一次數據，其他各電路按照約定時序依次發送數據，當接收的數據達到一頁的容量即4K字節時，通過“頁寫”命令把這4K字節一次寫入存儲器內，然后頁地址加1，如此依次循環直到儀器測井結束。存儲電路與其它各電路采用CAN總線傳輸數據，波特率1 Mbps。各電路板定義有固定的ID，為11位的地址碼，具體格式定義如下：

ID(標準幀)D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0主從幀信息命令數據電路板型號類別

位D10：0代表主站，1代表從站；位D9：0代表中間幀，1代表結束幀；位D8：0代表命令，1代表數據；D7-D0自定義。

對于高溫存儲式儀器來說，由于井內工作環境惡劣，存儲器容易出現壞區，因此壞區管理是數據存儲處理的一個重要部分。存儲式陣列感應儀的壞區管理采用壞塊數據映射和壞點動態檢測的方法，如圖8所示，把1～4 000塊定義為數據存儲區，4 000塊后面的定義為壞塊備用區，在信息保留區建立一個壞區映射表(Maptable)，存儲器格式化時，將檢測到的壞塊塊號n存入壞區映射表，同時把備用區的一個塊號k(加上偏移量4 000)對應的存入該映射表，用于取代壞塊來存儲數據。當數據存儲時，如果當前塊是壞塊n,則根據映射表將當前塊替換成4 000+k塊，然后往塊內存入數據，數據讀取時亦然。壞點動態檢測可直接把信息區映射表內的壞塊信息動態地顯示出來。

圖8 壞區管理數據映射方法原理圖

4 應用實例及效果

存儲式陣列感應測井儀樣機研制完成后，在長寧H11-X井和5700陣列感應測井儀進行了資料對比測井。如圖9所示，左邊為存儲式陣列感應測井曲線，右邊

圖9 長寧H11-X井存儲式陣列感應與1515陣列感應資料對比圖

為1515陣列感應測井曲線。由圖9可以看出，存儲式陣列感應所測曲線基本與1515陣列感應一致，表明存儲式陣列感應測井儀器能準確地測量地層電阻率，真實反應地質構造，具備測井能力。另外，該儀器數據處理方法先進，地面軟件根據井內實時存儲的數據作溫度、井眼、趨膚校正，并對深度、分辨率的匹配和信號合成自動處理，操作方便。

該儀器的優勢在于，應付疑難復雜井、超長水平井和小井眼井時，一般的陣列感應測井儀因無法下到井底，不能獲得地層資料，而存儲式陣列感應測井儀受鉆桿保護，能順利隨鉆桿下到井底，并能安全、高效、可靠地獲得這些復雜井況的地層資料。

5 結 論

存儲式陣列感應儀器數據處理，先是通過讀取存儲器內的原始測量信號，再利用地面軟件進行溫度校正、井眼校正、趨膚效應校正和信號合成等處理，聚焦出不同分辨率和不同探測深度的測井曲線，提取用戶所需要的信息。實際應用證明該儀器能通過感應數據處理，消除井眼影響，正確地反演出地層真電導率。

[1] 程建國，劉星普，李俊舫，等.存儲式測井技術在油田開發中的應用[J].斷塊油氣田，2005，12(5)：84-85.

[2] 馬火林.AIL陣列感應測井原理方法及應用研究[D].北京：中國地質大學,2007.

[3] 劉春雅.新型陣列感應測井信號處理研究[D].西安：西安石油大學，2007.

[4] 仵 杰，龐巨豐，徐景碩.感應測井幾何因子理論及其應用研究[J].測井技術，2001，25(6)：417-422.

[5] 郭 華，曹衛東，朱宣國.感應測井趨服效應校正方法[J].石油儀器，2004，18(1):58-59.

[6] 仵 杰，胡 啟，汪文秉.陣列感應測井測量信號聚焦的研究及應用[J].測井技術，1997，21(5):310-317.

[7] Randy Beste, T.Hagiwara, George King, etc. A new high resolution array induction logging tool[C].Dallas: Society of Petrophysicists and Well-Log Analysts,2000.

Research on Data Processing Method for Memorized Array Induction Instrument

YIN Guoping，YOU Chang，LIU Yun，PAN Yong，JIN Jianxun，WANG Yi，WANG Xiaozhong

(WellLoggingCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,Chongqing400021，China)

The limitation of the traditional induction logging tool in data processing is introduced, and new demand for data processing for the memorized array induction logging tool is presented, and the tool′s working principle and response characteristics are also simply introduced. Data processing is one of the core technolog of the memorized array induction logging tool. Several sub arrays with different spacing and several different working frequency are utilized to collect underground formation information, which is sent to the ground system for data processing and is focused into logging curves of different resolution and different detection depth. Data storage and bad area management is another key technology of the tool, which is used to manage the original data of well logging. The practical application shows that the tool can measure the formation resistivity accurately and reflect the geological structure correctly. The data processing method is advanced.

memorized logging; induction logging; skin effect; software focus; bad area management

尹國平，男，1966年生，高級工程師，1989年畢業于西安石油大學測井專業，目前主要從事測井技術管理和研究工作。E-mail：youchang007@yeah.net

P631.8+1

A

2096-0077(2016)05-0010-05

2015-12-23 編輯：姜 婷)