過套管地層電阻率測井儀的研發設計

魏學良，李俊杰，曹衛東，曹旭東，曹生彪

（中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

過套管地層電阻率測井儀的研發設計

魏學良，李俊杰，曹衛東，曹旭東，曹生彪

（中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

為了解決以往過套管地層電阻率測井儀器在生產測井中的局限性，通過對電阻率測井原理以及技術特點的研究，結合目前國內外測井儀器的設計經驗，研發設計新一代測井儀。儀器利用四連桿式機械推靠裝置，實現電極探針與套管內壁的良好接觸和脫離，保證了探針采集信號的準確性和穩定性；設計超低頻極微弱信號的檢測與處理技術，使儀器的最高測量分辨率達到50 nV。實驗室的測量精度和地面測試試驗以及油田現場的測試結果表明，測量的地層電阻率曲線與裸眼井測試數據有很好的一致性，儀器可實現0～150歐姆米電阻率的可靠測量。

過套管電阻率測井；地層電阻率；微弱信號檢測；四連桿裝置

在油田開采原油的過程中，油井開采一段時間后，地下油層總會有一定偏移和異動，開采初期對油層的監測結果已不再準確[1]。在此階段，如何動態監測油藏，準確定位剩余油分布是當前油田開發中極為關注的問題。

在實際生產中，油田都進入了注水開采期，而開采地層因長時間的注水而顯示出非常強的非均質性，特別是在滲透性好的地層中，其含水量會非常大，由于水中含有雜質和離子，這樣，其電阻率相對于含油量大的地層來說會比較低，巖性非常致密的層段相對來說電阻率也比較高[3]。確定含油儲層最重要的手段就是測量地層的電阻率。過去在裸眼井測量了地層電阻率之后，下過鋼套管的井無法測量地層電阻率的動態情況。而過套管電阻率測井儀的出現解決了在套管井中測量地層電阻率的問題，為油田開發的中、后期油藏動態監測、剩余油分布監測提供了一種重要手段[4]。

本儀器設計采用四連桿式推靠裝置，推靠裝置與套管內壁的脫離或推靠裝置的完全收回；選用超低噪聲、低漂移的元器件設計前置信號放大和濾波電路，解決了超低頻、極微弱信號的精確采集的技術難點，使儀器的最高測量分辨率達到50 nV。測試表明，可實現0～150歐姆米電阻率的可靠測量。

1 系統總體結構設計

過套管電阻率測井儀，結構上主要由絞車電纜接頭、上扶正器、上電子艙短節、A1短節、U短節、A2短節、動力短節和下扶正器組成，如圖1所示。

圖1 過套管電阻率測井儀結構組成圖

上電子單元被安放在上電子艙短節；電極A1被設置在A1短節；電位電極U、M1電極、N電極、M2電極和下電子單元都被設置在U短節；電極A2被設置在A2短節；電機和液壓泵組成的液壓式動力系統被設置在動力短節。其中，電極A1與M1，電極A2與M2的間距都是1 950 mm；電極U、M1、N、M2的相鄰間距都是610 mm。

這樣的測量系統設計是充分考慮了套管的非均勻性，采用在所測點處兩個供電電極交替供電的工作模式，通過3個測量電極直接測量套管壁上3個電位和供電電流，可求得地層電阻率，因此測量結果受套管影響小。

2 過套管電阻率測井的基本原理

過套管電阻率測井的基本原理如圖2所示。在測量過程中，井上大電流源提供的6 A大電流，分別從電極A1或A2依次加到油井的套管上，利用測量油井的鄰井套管作為回流電極，使電流返回到回流電極B[7]。利用公式計算出地層電阻率值。

其中，K為電極系的系數，根據測定M1、M2、U的電位，分別計算出第一差分、第二差分，并測定電流I。通過電極A1供電時，M1和M2電極電位差的第一差分，作為中點測定電極與鋼套管接觸處的電位；M1和M2電極電位差的第二差分，作為電極A1與鋼套管接觸處的電流。通過電極A2供電時，M1和M2電極電位差的第一差分，作為中點測定電極與鋼套管接觸處的電位；M1和M2電極電位差的第二差分，作為電極A2與鋼套管接觸處的電流。當儀器上、下供電電極交替供電一次后，分別將上述8個參數代入公式，即可計算出儀器測量電極N點所在的地層電阻率值。

圖2 過套管電阻率測井基本原理圖

3 過套管電阻率測井儀系統組成

3.1 外部機械系統

過套管電阻率測井儀，采用液壓作為動力源，能夠提供驅動18組四連桿式推靠裝置同時動作的強大驅動力，同時設有安全閥組，能夠實現故障等導致的過壓保護：其液壓油通過電機和液壓泵作用加壓后，被輸送、貫穿A1、U、A2和動力短節，作用在6個獨立的小型液壓缸上 （每個小型液壓缸同時驅動同一截面上的3組四連桿式推靠裝置）。

圖3 四連桿式推靠裝置圖

每段電極測量點的截面處，其周向都均布著3個電極探針，且每個電極探針，均依靠四連桿式推靠裝置來實現其與套管內壁的接觸和脫離 （如圖3所示），以充分保證探針采集信號的準確性和穩定性。

3.2 電氣控制系統

過套管電阻率測井儀電氣控制系統分為井上和井下兩大部分，電氣原理結構框圖見圖4。井上部分主要包括地面遙測通訊系統、供電系統以及上位機操作軟件，井下模塊主要有數據采集、曼碼通訊和電源轉換模塊[8]。

圖4 電氣原理結構框圖

1）井上供電系統

供電系統主要負責為整個系統工作供電，同時產生周期是12 s的雙極性方波電流信號（幅值為7 A），通過電纜在井下注入套管壁并且通過大地形成回路。

2）井下電源轉換模塊

電源轉換模塊為井下各模塊提供穩定合適的電源。

3）井下數據采集模塊

數據采集模塊主要負責同步采集井下各參量，通過485總線傳至曼碼通訊模塊，曼碼通訊模塊對接收到的數據進行編碼，使其通過電纜可靠上傳。在數據采集電路設計中，DU1和DU2設計是整只儀器設計中技術關鍵環節。通過DU1和DU2的測量，計算出流向地層的微弱漏電流，從而計算出套管周圍的電阻率分布。由于金屬套管和地層電阻率存在較大差異，因此，流向地層的電流非常微弱，因此，需要設計的DU1和DU2數據采集板具有極高的分辨率，分辨率達到30～50 nV。

設計中，研制了超低噪聲放大濾波電路，應用高性能DSP處理器控制24位模數轉換器，采用內嵌于DSP芯片中的先進的自適應鎖定消噪技術，完成對信號的高精度采集，實現了對微弱信號的納伏級分辨，試驗表明，可實現0～150歐姆電阻率的可靠測量。

3.3 地面測控軟件系統

地面測控軟件系統實現了上位機與接收機之間的指令和數據的交互，滿足了系統參數設置、采集控制、波形顯示、數據處理等功能。

系統軟件結構采用模塊化設計，分為人機交互模塊、數據通信模塊和數據處理模塊，其中最重要的是數據處理模塊。數據處理模塊是對測量數據進行相應運算和處理，以得到地層視電阻率曲線[9]。數據處理過程主要分為以下幾個步驟。

第一步，對原始測量數據△UNM1、△U NM2、Iup/Ilow和U進行處理，獲取視電阻率計算所需要的參數。測量所得到的△UNM1、△U NM2、Iup/Ilow和U均為低頻方波信號，計算所需要的是信號的峰-峰值，依據預先設置好的供電參數，提取峰-峰值的算法流程如圖5所示。

圖5 提取峰-峰值的算法流程

測量數據為含有直流分量的歸零方波。為了能精確計算信號的峰峰值，必須剔除無效點和干擾點，確定有效數據的范圍。首先對某一測量數據計算正半周期的平均值，以此點作為正半周期零點的標識，再對正半周期的測量點逐點檢測，找出距離此零點最近的數據點，標記此數據點為檢測到的參考點，每半周期可以檢測出兩個參考點，即上升沿參考點和下降沿參考點[10]。對于正半周期根據參考點的標識，采用左、右各讓開特定點數的方法，選取中間幅度最為平坦的數據點作為計算幅值的有效點，剔除無效點和干擾點。再通過遞推平均濾波法，平滑方波中的紋波，并求取兩有效點之間數據點的均值，最大限度確保計算的精確度。同理，對于負半周也采用此操作，根據正、負半周的數據可以計算出一個周期的峰-峰值。依次類推，對所有周期的峰-峰值求取平均值，該值即為所求測量信號的峰-峰值。

通過此算法，能有效地去除信號中的干擾脈沖，平滑信號中的紋波，最終得到精確的結果，實現納伏級信號的分辨。且該算法具有很強的抗干擾能力，實現了峰峰值提取過程的智能化。

第二步，將處理后的△UNM1、△U NM2、Iup/ Ilow和U代入視電阻率計算公式，即可得出某一深度的地層視電阻率計算結果。

第三步，設定擬合曲線，由視電阻率計算結果計算地層視電阻率計算結果。

第四步，保存處理、計算所得各結果。數據保存是通過OleDb技術把數據欄中的各參數數據以.xls的形式保存到用戶指定的Excel目錄中，便于后續的處理和解釋工作。

4 技術創新

4.1 超低頻極微弱信號的檢測與處理

在過套管電阻率測井儀的研發設計中，最關鍵也是最難攻克的技術就是對井下微弱信號的精確測量[12]。過套管地層電阻率測井儀的發射信號是頻率約為0.1 Hz的超低頻方波，由漏電流產生的△U1、△U2的變化量可能小至30～50 nV，而放大器的短路噪聲大小是和頻率開方成反比的，因此，基于上述指標的超低頻極微弱信號采集是信號采集的極限情況，屬于世界性難題，能否實現對超低頻極微弱信號的精確采集是影響整個系統性能的至關重要指標。

在本儀器中，設計超低頻極微弱信號的檢測與處理技術，此技術選用超低噪聲、低漂移的元器件設計前置信號放大和濾波電路，降低電路自身產生的系統噪聲，并選用高分辨率的24位A/D轉換器，采用過采樣技術，提高微弱信號的測量精度，采用內嵌于DSP芯片的先進的自適應鎖定消噪技術，完成對信號的高精度采集，使儀器的最高測量分辨率達到50 nV。試驗表明，可實現0～150歐姆米電阻率的可靠測量。

4.2 四連桿式機械推靠裝置設計

過套管電阻率測井儀，依靠四連桿式推靠裝置來實現電極探針與套管內壁的接觸和脫離，以充分保證探針采集信號的準確性和穩定性。

四連桿式推靠裝置，以板彈簧的形變回復力，作為推靠電極探針的作用力，使得測井儀的推靠裝置能夠適應井徑突變的情況。

四連桿式推靠裝置的探針總成有絕緣設計，且各組探針都能牢固地扎在套管上（其作用力至少為70 N，足以保證探針與套管內壁的牢固接觸），所以能夠有效地保證測井儀測量信號的準確性和穩定性。

四連桿式推靠裝置，依靠小型液壓缸的作用力，同時驅動對應的三組推靠裝置，實現推靠裝置與套管內壁的脫離或推靠裝置的完全收回。

4.3 基于非均勻模型的地層電阻率的算法實現

在上位機電阻率算法實現上，建立過套管電阻率測井解釋評價標準，以修正傳輸線方程法為理論依據[12]，根據多套地層模型數值模擬結果，分析地層、套管、圍巖和水泥環等因素影響，研發了相應的校正方法和校正圖版，開發出解釋處理軟件，完成離散數據的編輯處理、深度校正、儲層參數計算、剩余油飽和度評價等工作。

5 測試結果分析

5.1 實驗室測量精度驗證

為驗證過套管電阻率測井儀測量精度，對設計的電路板的放大倍數及分辨率進行標定實驗，對整支儀器進行地面測試與刻度試驗[15]，最后進行下井測試。

用信號發生器產生mV級0.1 Hz的方波，經過衰減器衰減10-5后變成nV級信號VB，送入研制的DU信號放大濾波電路，調整輸入信號的幅值，逐次遞增1 000、500、300、200、100、50nV。用自行研制的24位AD采集器和FLUKE 8846A分別采集DU信號放大濾波電路輸出信號VC，除以放大倍數后，再計算前后兩次采集的電壓差△VB，所測數據列于表1。

由表1可知，以FLUKE 8846 A作為基準，自行研制的采集器對50 nV變化量的檢測誤差5.8%，滿足設計要求。

表1 分辨率測試數據

5.2 現場試驗結果分析

通過油田現場測試，取得了有效的測井數據，并進行了測量數據處理，獲得了與裸眼井電阻率相吻合的地層視電阻率曲線。圖6中A曲線是裸眼井的部分測試數據，B曲線是過套管電阻率實測曲線。

圖6 過套管電阻率實測曲線圖

通過實驗得到的數據分析，可以得到結論：現場測試的套管地層視電阻率曲線與裸眼井地層電阻率曲線基本吻合；經過多次測量實驗，儀器多次測量的套管井視電阻率曲線基本相同。

6 結 論

1）試驗證明測井儀及配套軟件研制成功，整體系統的穩定性、重復性和可靠性達到設計要求。

2）研制的過套管電阻率測井儀的技術指標完全達到了預定要求，儀器刻度曲線的線性度、一致性非常好，可實現0～150歐姆米電阻率的可靠測量。

3）測試得到的過套管地層視電阻率曲線與裸眼井測試數據吻合得較好，可以明顯的得到不同井深地層電阻率的差異，為油井的開采提供可靠數據。

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Design of logging instrument for cased hole formation resistivity logging

WE Xue-liang，LI Jun-jie，CAO Wei-dong，CAO Xu-dong，CAO Sheng-biao
（College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

In order to solve the previous casing formation resistivity logging instrument of logging limitation，through the study of the resistivity logging principle and technology characteristics，combining with the logging instrument design experience of domestic and overseas，research and design a new generation instrument.Through the four-link mechanical backup devices，realize contact between electrode probe and cased，ensure the accuracy and stability of collection signal；Designing of ultra-low frequency signal detection technology，make sure the instrument resolution up to 50 nV.Laboratory measurement precision、ground test and field test results show that the measured formation resistivity curve has a good consistency with barefoot well，instrument can realize reliable measurement of 0～150 ohm meter resistivity.

cased hole resistivity logging；formation resistivity；weak signal detection；four-link device

TN06

A

1674-6236（2017）09-0087-05

2016-08-12稿件編號：201608087

國家發改委下一代互聯網技術在智慧油田的應用示范項目（CNGI-12-03-043）

魏學良（1972—），男，山東濰坊人，博士，講師。研究方向：電力電子在電力系統中的應用、新能源發電、交直流傳動、電力電子電路全數字化控制、模塊化技術等。