存儲(chǔ)式微電阻率成像測(cè)井儀關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)*

尹國平，陽成軍，張雄輝，蔡志明，陳 超

(中國石油測(cè)井有限公司西南分公司 重慶 400021)

0 引 言

目前，過鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井(全文簡(jiǎn)稱“存儲(chǔ)式測(cè)井”)及類似工藝的測(cè)井是解決頁巖氣等復(fù)雜長(zhǎng)水平井、大斜度井的主要工藝技術(shù)方案，具有高時(shí)效、低風(fēng)險(xiǎn)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]。由于頁巖氣井地層的特殊性，為了對(duì)頁巖氣井進(jìn)行更準(zhǔn)確、全面的精細(xì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)[2]，除常規(guī)測(cè)井資料之外，還需要獲取陣列聲波、微電阻率成像等資料。目前國內(nèi)存儲(chǔ)式測(cè)井儀器主要有自然伽馬、井斜方位、補(bǔ)償聲波、雙側(cè)向、中子、密度、陣列感應(yīng)等，無電阻率成像、陣列聲波、自然伽馬能譜等高端儀器；國外公司的存儲(chǔ)式測(cè)井除了常規(guī)測(cè)井儀器外，電阻率成像、陣列聲波、自然伽馬能譜已陸續(xù)投入使用。為了減小與國外同行的差距，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，打破國外公司在高端測(cè)井服務(wù)項(xiàng)目的壟斷地位，研制存儲(chǔ)式微電阻率成像測(cè)井儀是非常必要的。由于存儲(chǔ)式微電阻率成像測(cè)井儀的直徑小，僅60 mm，采用電池供電，發(fā)射信號(hào)弱，其研制難度大，儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理是研發(fā)的關(guān)鍵。

1 工作原理

1.1 儀器測(cè)量原理

存儲(chǔ)式微電阻率成像測(cè)井儀井下儀器串主要包括釋放短節(jié)、扶正器、成像主電路短節(jié)、絕緣短節(jié)、成像探頭和伽馬短節(jié)等，測(cè)量原理與傳統(tǒng)電纜成像測(cè)井原理相同，利用多極板上的多排鈕扣狀的小電極向井壁地層發(fā)射電流[3]。儀器測(cè)量原理和井下儀器串組合如圖1所示。由于電極接觸的巖石成分、結(jié)構(gòu)及所含流體的不同，由此引起電流的變化，電流的變化反映井壁各處的巖石電阻率的變化。在處理時(shí)通常把電流電平轉(zhuǎn)換成灰度顯示，不同級(jí)別的灰度表示不同的電流電平，這樣就可用灰度圖來顯示井壁電阻率的變化，從而實(shí)現(xiàn)電阻率的井壁成像[4]。

圖1 儀器測(cè)量原理和井下儀器串組合

1.2 井下儀器模塊框圖

整串存儲(chǔ)式微電阻率成像井下儀包括發(fā)射模塊、極板模塊、主控制板、線路電源板、極板電源板、存儲(chǔ)板和電池7個(gè)部分，如圖2所示。其中發(fā)射模塊產(chǎn)生4 kHz正弦波，發(fā)射入地層；極板模塊采集13個(gè)極豆的電流送至采集板進(jìn)行數(shù)字采集的運(yùn)算處理，結(jié)果發(fā)送到主控制板；主控制板負(fù)責(zé)各模塊數(shù)據(jù)流，匯總打包后發(fā)送至存儲(chǔ)板；電源管理板控制儀器所用模塊的加電時(shí)序、電流監(jiān)控和過流保護(hù)等；存儲(chǔ)板存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)地面數(shù)據(jù)讀出；電池給井下儀器供電，允許最小功率28 W。

圖2 井下儀器模塊框圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 儀器串結(jié)構(gòu)

如圖3所示，存儲(chǔ)式微電阻率成像井下儀器串結(jié)構(gòu)主要由成像主電路短節(jié)、探頭電子線路、極板主件、探頭主體和絕緣短節(jié)5部分組成。

2.2 井眼覆蓋率

儀器采用雙層極板錯(cuò)位設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)小直徑儀器井眼高覆蓋率目的。儀器配接兩個(gè)探頭且可以互換，每個(gè)探頭包含4個(gè)極板，每個(gè)極板包含13個(gè)測(cè)量電極發(fā)射測(cè)量電流，共獲得104條曲線以生成微電阻率圖像。井眼尺寸與覆蓋率如圖4所示。該儀器在6 in(1 in=25.4 mm)井眼的覆蓋率達(dá)55%，優(yōu)于某國外公司的微電阻率成像儀器的47%[5]。

圖4 井眼覆蓋率

2.3 極板耐高壓設(shè)計(jì)

儀器極板采用自承壓技術(shù)，即外殼本身既做承壓保護(hù)殼體，同時(shí)也兼做屏蔽電極，用來聚焦發(fā)射電流，聚焦電流和測(cè)量電流一同在推靠器上端的電子線路外殼返回。如圖5所示，極板外殼選用高強(qiáng)度耐磨損合金材料，外部均布鑲嵌耐磨豆，極大地提高了極板的使用壽命。極板采用電路整體注塑工藝，提高極板承壓?jiǎn)栴}，極板封裝后經(jīng)高壓測(cè)試，耐壓超過120 MPa，遠(yuǎn)高于某國外公司微電阻率成像儀器的86 MPa，同時(shí)該極板還具有安裝拆卸方便和檢測(cè)維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 極板結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 推靠設(shè)計(jì)

儀器的推靠采用板簧設(shè)計(jì)，純機(jī)械結(jié)構(gòu)，無需電動(dòng)或者液壓輔助，儀器泵出后能緊貼井壁，安全性和可靠性高。基于60 mm外徑的嚴(yán)苛需求，推靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能小型化。推靠器小型化設(shè)計(jì)在考慮優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)，采用高屈服強(qiáng)度彈簧鋼，在板簧上設(shè)計(jì)有耐磨塊確保板簧不會(huì)與井壁接觸損傷板簧，儀器工作時(shí)板簧一端固定，滑動(dòng)塊根據(jù)井徑變化移動(dòng)，最大開腿尺寸280 mm，確保極板與井壁貼合，滿足測(cè)井要求，其推靠結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 推靠結(jié)構(gòu)示意圖

3 微弱信號(hào)處理

對(duì)于高阻地層，發(fā)射信號(hào)被極大衰減，極端情況有效測(cè)量信號(hào)僅有微伏級(jí)別，不僅如此，儀器為了滿足測(cè)井速度還要求快速測(cè)量，這對(duì)電路的微弱信號(hào)處理提出極端的要求。一方面，采用最精密的模擬電路器件，并在設(shè)計(jì)中避免電路自身熱噪聲、散粒噪聲，低頻噪聲等的影響；第二方面，微弱信號(hào)處理部分高度集成，避免分散的電路受到來自外部的輻射干擾；第三方面，增加精密低漂的模擬帶通濾波器及數(shù)字濾波器，以最大限度濾出無用信號(hào)，提高信噪比。存儲(chǔ)式微電阻率成像極板電路信號(hào)流程如圖7所示。

圖7 極板電路信號(hào)流程

儀器極板前放電路具備18BITs的分辨能力。通過芯片的高集成度降低電路板的密度，進(jìn)而提高可靠性，同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)本地運(yùn)算后上傳至線路。微弱的發(fā)射電流信號(hào)經(jīng)過IV變換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該信號(hào)放大后經(jīng)濾波處理，濾除不需要的干擾信號(hào)，之后再做模數(shù)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字的測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)增加4 kHz頻率的濾波處理；然后測(cè)得的信號(hào)為矢量信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算其模與相位最終求得真實(shí)信號(hào)的有效值。

圖7中的極豆規(guī)一化的目的是處理不同鈕扣電極通過不同模擬采集通道存在的采集誤差。規(guī)一化處理就是能通過數(shù)字的辦法，出廠前測(cè)量極板前放每個(gè)通道的零點(diǎn)偏移參數(shù)，線性誤差參數(shù)，存儲(chǔ)在FLASH中，在測(cè)量時(shí)調(diào)出相應(yīng)的參數(shù)換算最終的測(cè)量值。

由于發(fā)射的正弦4 kHz信號(hào)做不到純凈正弦波，存在三次諧波12 kHz信號(hào)干擾測(cè)量，利用FFT(快速傅里葉變換)頻率抽取算法[6]的目的就是剔除干擾信號(hào)，提取有用的頻率分量。

4 結(jié) 論

存儲(chǔ)式微電阻率成像測(cè)井儀通過極板自承壓設(shè)計(jì)技術(shù)保證了極板承壓指標(biāo)；通過配接多個(gè)探頭提高了測(cè)量覆蓋率；通過燈籠型板簧解決小尺寸成像推靠問題；通過IV轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理、數(shù)字濾波、歸一化和FFT處理等信號(hào)處理措施獲得有效的地層信息。樣機(jī)室內(nèi)測(cè)試證明，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，該儀器的推靠系統(tǒng)在模擬井下環(huán)境中工作正常，信號(hào)調(diào)理方法可解決微弱信號(hào)處理難題，可進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。