油氣井雷達成像測井儀改進及試驗

趙永剛

油氣井雷達成像測井儀改進及試驗

趙永剛

(中石化華北石油工程有限公司測井分公司，河南 鄭州 450006)

傳統的測井儀器探測深度基本在3 m以內，大多也沒有方位分辨能力，無法實現油氣井周圍較大范圍地層結構與構造的成像，故不能解決隱蔽構造與油氣儲層的探測問題。針對上述問題，將地表地質雷達成像技術移植到測井中，研發了雷達成像測井儀。為提高雷達成像測井儀探測深度、方位分辨率和下井深度，采用納秒脈沖源與定向接收天線對井周地層進行探測和成像，在增大探測距離的同時，兼顧了分辨率；采用磁環和光耦對脈沖板做隔離，有效地壓制了噪聲；通過在電路外增加保溫瓶和優選耐高溫元器件提高了儀器的耐高溫性能；最后利用模型井對儀器進行了測試和標定，并在3口油井中進行了現場應用。改進后的雷達成像測井儀下井深度可達6 000 m，最大探測深度可達12 m，能夠對井周5 m以外孔洞、裂縫進行定位和成像，大大地拓寬了測井技術的橫向預測能力。測試與應用結果表明：該儀器能夠耐受油井下的高溫高壓環境，探測深度大且分辨率高，對鉆孔周圍地層界面、裂縫和孔洞構造成像效果較好。

雷達成像測井；儀器研發；儀器測試；現場應用；裂縫探測

常規測井方法要么側向探測深度不夠深，要么沒有方位探測能力，一些復雜縫洞型油氣藏的識別面臨很大困難，利用常規測井技術很難判別[1]。為了解決這些問題，借鑒把醫學核磁共振技術“嫁接”到測井行業的核磁共振測井技術，科研人員一直努力把基于高頻電磁波的雷達成像技術應用到測井行業，希望在油氣井中開展雷達成像測井工作。

雷達技術在地球物理領域多用于探地雷達和鉆孔雷達[2-3]，二者廣泛應用于水文地質勘察、工程勘察等領域[4-8]。目前的鉆孔雷達技術僅適用于較淺的井和地質情況較簡單的環境[9-10]，不適用于油氣井的復雜地質環境，也不能承受井深大于2 000 m的高溫高壓環境，所以還不能將普通的鉆孔雷達儀器直接應用于油氣資源勘探。因此，需要開發新的適用于油氣勘探的鉆孔雷達測井技術和裝備。

20世紀60年代人們就開始對電磁波測井技術進行研究和開發，但是進展一直比較緩慢。在國外，荷蘭的T&A 探測公司最早開展了雷達測井的研究[11]。在國內，劉四新等[12]對電磁波測井有關資料進行了綜述，對雷達測井的基本原理進行了介紹；大慶測井公司、吉林大學、中國石油大學和電子科技大學等單位都開展了雷達成像測井的研究工作，但是公開發表的資料還較少。近幾年，中石化華北石油工程有限公司測井分公司與電子科技大學聯合研發了一套雷達成像測井儀器(HB-RILT)[13]，但是該儀器的探測深度和方位分辨率均比國外的儀器差一些，也未在模型井中進行標定，在野外油井中的應用效果也不理想(耐高溫性能較差)。基于此，筆者對儀器HB-RILT的發射和接收裝置進行了改進，提高了原儀器的探測深度和方位分辨率，同時提高了儀器的耐高溫性能。并且利用模型井對儀器進行了標定，成功地將改進后的儀器應用于野外實際油井的測量，獲得了優質的雷達圖像。

1 雷達成像測井原理

雷達成像測井是一種新型的測井技術，它根據電磁波在地層中的傳播特性來獲取地層參數，具有較高的分辨率和較大的探測范圍。由于地層中水的介電常數比石油的介電常數高出很多倍，根據地層的介電常數大小就可判斷地層孔隙中的流體性質[13-14]，還可以判別井周圍的地層構造，能為準確評價儲層提供技術支持。雷達成像測井工作的理論基礎是雷達方程[15]。雷達成像測井有跨孔–層析成像模式和單孔–反射成像兩種工作模式[1, 16]。跨孔–層析成像模式可以獲取2個井眼間的地層信息，單孔–反射成像模式主要可以獲取井周圍地層參數信息。單孔–反射模式與跨孔–層析成像模式相比，面臨信號在地層中來回減弱的問題，但能夠獲取更多的地層參數信息。單孔–反射成像模式性價比高，應用前景更廣泛。

單孔反射成像測井時，井下探測器由發射天線和接收天線組成，收發天線被隔開一定的距離，在井眼中同時移動[17-18]。發射天線發射電磁波，接收天線接收井周圍地層產生的反射電磁波(圖1)。雷達測井的3種目標模式：點目標(洞)——雙曲線；不穿過井眼的面目標體(裂縫)——直線；穿過井眼的面目標體(裂縫)——V字形線[18-19]。

圖1 雷達成像測井工作原理

2 雷達成像測井儀器系統

2.1 儀器結構與功能

雷達成像測井系統由地面和井下2部分設備構成，地面為數據收發模塊和信號處理模塊；井下為收發系統、探測電路模塊(含電源、信號控制模塊、信號傳輸模塊等)，雷達成像測井系統結構組成如圖2所示。

納秒脈沖源與定向接收天線的研發和在高溫高壓環境下采集數據是雷達成像測井系統的技術難點。

為了提高原有儀器的探測深度和方位分辨率，改進發射天線為柱狀偶極子天線(中心頻率200 MHz)，改進接收天線為定向單極子天線。采用一發三收天線系統能有效接收目標物的反射信號并表現出了良好的定向功能。在時域波形圖上，正對目標物的接收天線有著最大的信號幅度；在頻域譜上，正對目標物的接收天線有著更高的低頻功率成分。不論從時域波形分析還是從頻域功率譜分析，都能分辨出正對目標物天線所接收的信號，再與連續井斜方位測量系統旋轉角度對應則可以得到目標物的真方位。因此，提高了儀器的方位分辨能力。

圖2 雷達成像測井系統結構

脈沖板首先采用磁環做隔離，消除高壓脈沖信號對采集端觸發信號的影響，然后再采用光耦做隔離，能很好地隔離觸發信號，同時改善布線，這樣可以有效地壓制噪聲，提高信號質量。最后，脈沖板采用繼電器自動控制的雙路可調脈沖源，提高了儀器的探測深度和分辨率。

通過在數據采集與控制電路外增加保溫瓶，利用高溫實驗箱優選耐高溫元器件，選擇溫度系數較低的反射線(同軸線)制作發射源，提高原有雷達成像測井系統的耐溫耐壓指標，滿足油氣井測井的要求。

改進后的雷達成像測井儀器由發射短節、信號源、隔離短節、接收短節、方位短節、自然伽馬短節組成，儀器總長為10.7 m，外徑108 mm(圖3)。改進后的雷達成像測井系統與國外鉆孔雷達測井系統主要技術參數的對比見表1。最明顯的一點是該儀器比目前國外同類產品的測井深度都要大很多。

圖3 雷達成像測井儀樣機結構與實物

2.2 數據處理解釋軟件

根據雷達成像測井數據采集的特點，雷達成像測井數據采集軟件需要具備系統參數設置、數據顯示以及工作狀態監測等功能。數據采集軟件包含了自檢設置、串口設置、顯示模式設置、觸發模式設置、數據記錄設置、采樣設置、增益設置、延時和狀態燈控制和顯示、方位儀數據顯示、二維圖像顯示等功能。另外，借鑒地震勘探數據處理方法，依據波動成像理論，結合雷達成像測井資料的特點，還開發了具有處理與解釋功能的軟件，主要模塊有：數據輸入輸出、預處理(壞道剔除、直流消除、零時刻矯正、濾波去噪、增益等)、成像處理(偏移成像)、各種顯示(單道顯示、頻譜分析、波形顯示和井軸對稱顯示等)、解釋(裂縫和孔洞)、幫助等功能，處理與解釋軟件操作界面如圖4所示。

表1 改進后的雷達成像測井儀器系統與國外產品性能比較

3 模型井測試

3.1 測試方案

采用模型井對測井儀器進行刻度和標定是比較常用的方法。模型井是在實驗室條件下人工建立的井筒物理模型，用來刻度和標定測井儀器。為驗證雷達成像測井儀器的性能，建立了一口包含孔洞和裂縫的模型井，背景介質為石灰巖。雷達成像測井儀器在模型井中進行測試的方案如下：

①在模型井中充填空氣，儀器放入模型井中，沿著鉆孔移動儀器，采集背景數據，并且重復測量；

②在模型井中充填其他介質(如水、煤、油等)，沿著鉆孔移動儀器，采集數據，并且可以重復測量；

③以不同速度移動儀器，采集波形數據；

④對比不同回次測量數據，計算重復誤差，對比背景數據和充填其他介質后雷達數據的變化。

3.2 測試結果

在井眼和目標體內分別填充空氣和水時，雷達成像測井儀器測量的重復性、相關性和一致性都較好，誤差率小于8%，說明采集到的數據有效、可靠。

雷達成像測井儀器系統在模型井中的測試以井眼充填水，目標體充填空氣時為例，孔洞1、孔洞2都為“雙曲線”狀點目標，孔洞3、裂縫1、裂縫2為“直線”狀不穿過井眼的面目標體，其中孔洞3因為直徑大，可認為是裂縫，標準測試井模型和測試結果如圖5所示。

圖5 雷達成像測井儀器系統在模型井的測試結果及模型井的結構

經過模型井測試實驗的驗證，雷達成像測井儀器系統工作性能良好，穩定可靠；雷達成像測井儀器采集到的回波信號中包含目標體的有效回波信號；模型井中界面的反射波對小目標體的回波信號影響較為顯著，能識別徑向距離5.3 m處直徑10 cm的孔洞(孔洞1)。

4 雷達成像測井應用效果

為了驗證雷達成像測井儀器系統的性能，并為儀器后期改進積累經驗，以及為下一步工業化推廣應用做準備，在多口油氣田作業井中進行了現場測井試驗。經入井測試，碎屑巖地層中實測徑向探測距離達到6.9 m，碳酸鹽巖地層中實測徑向探測距離達到9.4 m，能有效識別油氣井旁5 m的裂縫發育帶。該雷達成像測井儀器已在大牛地氣田、東勝氣田、西北油田、河南油田等油氣田的6口井中進行了試驗，最深下井深度6 568 m，測井速度600 m/h，成功完成雷達成像測井各項數據采集，雷達成像測井資料與電成像測井資料對應性好。為展示雷達成像測井的效果，本文列出了部分井的測井結果。

4.1 地層劃分

井A位于山西省晉中市榆社縣，井深2 300 m，泥漿類型為水基聚合物，泥漿密度為1.23 g/cm3，井底溫度50.6℃，1 734 m以下為碳酸鹽巖地層，以上為碎屑巖地層。在兩層石灰巖處，雷達成像和能量曲線上都有明顯的異常反映，從雷達提取的電阻率t也能看出，灰巖段高。井A雷達成像測井試驗是一次成功的現場測井試驗，利用雷達成像測井資料能有效識別出灰巖和砂泥的巖性界面(圖6)。灰巖地層電阻率高于砂巖和泥巖地層，而且灰巖層含水飽和度低，這種情況下對電磁波吸收作用減小，所以灰巖地層中雷達回波幅度明顯高于砂巖和泥巖地層。

圖6 井A常規測井、雷達成像測井與電成像測井對巖性的識別

井B為清水井，井深2 000 m，井底溫度70 ℃，井B的常規測井劃分的巖性界面與雷達成像測井劃分的巖性界面基本吻合，1 506 m和1 510 m的兩段薄泥巖夾層在雷達成像圖中有明顯的界線(圖7)。泥巖地層雷達回波幅度明顯減弱，白云巖層段雷達回波幅度明顯增強。

4.2 裂縫帶延展性預測

井C為一口有裂縫發育的井段，圖8為該井雷達成像測井與電成像測井裂縫異常對比。裂縫F1和裂縫F2在雷達成像和電成像測井圖上都有異常顯示，裂縫F3僅在雷達成像測井圖上有異常顯示。裂縫F1和裂縫F2比裂縫F3具有更好的延展性(連通性)。電成像測井反映井壁上裂縫的發育情況，雷達成像測井反映井周裂縫延伸情況，兩者結合可以對裂縫的延展性進行判斷，更好地判斷儲層有效性，對后期壓裂施工有很好的指導意義。

5 結論

a. 采用在數據采集與控制電路外增加保溫瓶，利用高溫實驗箱優選耐高溫元器件，選擇溫度系數較低的反射線(同軸線)制作發射源等方法，可提高雷達成像測井儀器的耐溫耐壓性能。

b. 采用納秒脈沖源與定向接收天線對井周地層進行探測和成像，在增大探測距離的同時，兼顧了分辨率。

c. 該儀器在深度1 500 m與3 300 m的油井中均成功采集到高質量數據，表明該儀器能夠耐受大多數油井下的高溫高壓環境。

圖7 井B雷達成像測井與常規測井地層劃分對比

圖8 井C中裂縫在雷達成像測井與電成像測井上的顯示

d. 在油井中的應用結果表明：該儀器在孔洞與裂縫帶識別和井旁裂縫延伸性預測等方面具有很好的效果，最大探測深度可達12 m，可識別直徑10 cm及以上的孔洞。

致謝：感謝雷達成像測井儀器研發團隊(冉利民、李功強、趙青、劉四新等)的辛勤工作，感謝審稿人和編輯提出的寶貴意見和建議。

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Improvement and test of radar imaging logging tool for oil and gas wells

ZHAO Yonggang

(Well Logging Company, North China Petroleum Engineering Limited Company of SINOPEC, Zhengzhou 450006, China)

The detection depth of traditional logging tools is basically less than 3 m, and without azimuth resolution, the formation structure in larger area around wells cannot be imaged. Therefore the problems arising in the detection of subtle structure and oil and gas reservoirs can not be solved. In response to such problems, radar imaging logging tool is developed by applying ground penetrating radar imaging technology to logging. In order to improve the detection depth, azimuth resolution and downhole depth of the tool, a nanosecond pulse source and directional receiving antennae are used to detect and image the formation around the well, increasing the detection distance while improving the resolution. Magnetic rings and optocouplers are used to isolate the pulse plate, which effectively suppresses the noise. The high temperature resistance of the tool is improved by adding thermos and selecting high temperature resistant components outside the circuit. Finally, the tool is tested and calibrated by using model wells, and has been applied in three oil wells. The downhole depth of the improved radar imaging logging tool can reach 6 000 m, and its maximum transverse detection depth can reach 12 m. It can locate and image holes and fractures 5 m away from the wellbore, significantly improving the lateral prediction ability of logging technology. The testing results show that as the tool can withstand high temperature and high pressure environment of oil wells with a large detection depth and high resolution, and it has a good imaging effect on the formation interface, fractures and pore structure around the borehole.

radar imaging logging; instrument development; instrument test; field application; fracture detection

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語音講解

P631

A

1001-1986(2021)05-0253-07

2020-10-14；

2021-05-10

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2013AA064603)；中石化科技項目(JPE19004)

趙永剛，男，1968年生，甘肅平涼人，博士，高級工程師，從事科研管理及測井技術研究工作. E-mail：zhao.y.g@163.com

趙永剛. 油氣井雷達成像測井儀改進及試驗[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(5)：253–259. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.028

ZHAO Yonggang. Improvement and test of radar imaging logging tool for oil and gas wells[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：253–259. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.028

(責任編輯 聶愛蘭)