CN106837320A - 一种极板内部发射回流的电成像测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极板内部发射回流的电成像测井装置及方法，该装置包括：极板，用于贴靠测量井壁表面和作为发射电极、屏蔽电极、回流电极以及绝缘体的载体；发射电极，用于向地层发射电流；屏蔽电极，分布在发射电极周围，对发射电流起到聚焦作用；两个回流电极，对称分布在极板两端，起到电流回流作用；还包括，用于测量各个发射电极的电流变化的电流测量装置，用于向各个发射电极提供高频交流电的高频交流电源装置，用于生成井壁成像图的信号处理装置。本发明的测量装置可对井壁实现更准确、更高分辨率的测量。

Description

一种极板内部发射回流的电成像测量装置及方法

技术领域

本发明涉及石油测井技术领域，特别涉及一种在油基泥浆环境下对井壁实现高分辨、高准确性测量的装置及方法。

背景技术

电成像测井在20世纪80年代首先由斯伦贝谢公司应用在欧洲的北海油田。电成像测井资料不是把数据处理成测井曲线，而是把数据直接变成反映地质现象的可视化图像，能更直观地反映地质特征，应用更加简便。电成像测井具有很高的纵向分辨率，可以连续揭示井筒表面岩石结构的详细特征，并具有方向性，具备能够精确分析地层倾角、方位和地层间接触关系的能力。

随着地质研究深入发展，对测井技术要求日益提高，除了采用定量方式获得地球物理响应，地质人员还需要观测井壁影像图，以便直观、细致研究测井地质剖面。在二十世纪八十年代发展起来的“地层微电阻率扫描(FMS)”和“全井眼地层微电阻率成像测井(FMI)”，在测井应用中取得了极大成功。这种成像仪器采用多个极板，每个极板上镶嵌多个钮扣电极，在保持一定电位平衡条件下，对电极各个钮扣电极的发射电流进行平衡补偿和标准化处理，可以获得井壁电阻率图像。

成像测井是指在井下采用传感器阵列扫描测量或旋转扫描测量，沿井眼纵向、周向或径向大量采集地层信息，传输到井上以后通过图像处理技术得到井壁的电性特征成像图，通过对图像信息的研究就可以详细、深入地了解地下地质现象和特征。

近年来，由于技术的进步，在水基泥浆中采集的成像数据的质量已经得到了显著地改善。然而，随着钻进工艺的改进以及勘探开发技术的发展，在某些井中需要采用油基泥浆，以便提高钻井效率和减小井壁的不稳定性。采用油基泥浆能使钻井速度更快，井壁更稳定、更规则，这样就显著地节约了钻井成本。然而采用油基泥浆，使得泥浆导电性能变差，常规成像仪器钮扣电极的电流难以从井眼进入地层，成像效果遇到挑战。

在油基泥浆环境下，对于常规成像仪器，即使一层油基泥浆薄膜也能完全隔断仪器与地层而妨碍测量，因而，油基泥浆电成像仪器采用了电容耦合原理，即利用了在油基井眼内的位移电流实现电极与地层之间电流的连续性。油基泥浆电成像仪器的工作方式在于获取各钮扣电极的电流信号，在电流从钮扣电极流出，经过泥浆、泥饼、侵入带、地层并最终回流到回流电极的情况下，钮扣电极发射电流的大小实际就反映了测量地层电阻的大小。

问世最早的是水基泥浆环境下的电成像测井仪，其大部分采用的是发射电极在仪器一端，回流电极在仪器另一端的结构形式，发射电极与回流电极间距可达到几米或十几米之多，发射电极多以阵列形式分布在极板上。之后推出的油基泥浆电成像测井仪，基本上沿用了水基泥浆电成像仪器的仪器结构，只是在电路工作原理上以及局部结构上进行了改进，其发射电极与回流电极仍是分布在仪器两端，间隔距离较大。电流的回流距离过长会导致电流流过的地层过多，围岩对当前测量点影响较大，很难得到测量点的真实电性特征。

井眼测量环境由水基泥浆转换到油基泥浆后，仪器的测量原理发生了变化，但是仪器的总体结构并未发生太大变化，由于回流距离过大仍然会导致当前测量点受回流距离内地层(围岩)影响过大，从而影响当前点测量的真实性。测量信号受回流距离内众多层地层影响，会降低仪器对地层特征的敏感度，尤其对于薄层、裂缝等本身测量信号弱的地层特征影响更大，降低了仪器的宏观分辨率。在这种情况下要进行电成像测量定量分析，尤其是通过电成像测量得到地层电阻率图像就十分困难，在测量后处理中需要对数据进行围岩校正以尽量消除围岩对目的层产生的影响，而在电流回路中包含地层数量不确定的情况下进行有效的围岩校正又是十分困难的。

图1是示出现有技术中电成像仪器的外观及电流回流情况，该仪器极板结构具有一组按两排平行分布的发射电极，电流由极板上的发射电极流经地层后回流到分布在仪器远端的回流电极上，回流距离可达几米到十几米不等。该种仪器可用于勘察油基泥浆环境下的井壁电性特征。如上所述，该现有结构具有一些缺陷。首先，发射电极分两排排列，两排电极在测量方向上存在深度差，也即上下两排电极在仪器纵向上的回流距离存在差异，各电极之间会由于该深度差产生测量差异，对测量真实信息及测量的均衡性均不利。其次，发射电流的回流距离过长，会使发射电流穿过过多的地层，而除当前测量地层以外的地层均会对当前测量点造成影响，使无法获得当前地层的真实电性特征。若要获得更为真实的地层电性信息就需要在后续过程中进行数据校正，而这种校正往往又非常难于实现或者达到好的效果的，增加了后续数据处理的难度和工作量。

发明内容

为了解决这一难题，发明人设计了一种新的测量装置和方法，将电流发射与回流电极设计在同一极板上，大大缩短了发射-回流距离，有效降低了围岩对测量产生的影响，提高了测量的准确性，并提高了仪器的宏观分辨率。

测量原理

对于常规电成像仪器，在油基泥浆环境中，即使一层很薄的油基泥浆薄膜也能完全阻断电流进入地层。因此，油基泥浆电成像仪器采用了电容耦合原理，即利用了在油基井眼内的位移电流以实现电极与地层之间的电流的连续性。电成像仪器的工作方式在于获取各钮扣电极的电流信号，在电流从钮扣电极流出，经过泥浆、泥饼、侵入带、地层并最终回流到回流电极的情况下，钮扣电极发射电流的大小实际就反映了地层电阻率的大小。

本发明实施例中测量装置的等效测量电路如图4所示，在固定测量电压的情况下，可得出：

Zi指仪器内阻，Zr指回流电极和地层之间阻抗，Zg发射电极和地层之间阻抗，Zf指地层阻抗。其中内阻Zi和回流电极阻抗Zr可以忽略。

然后利用有限元数值模拟仿真技术对设计的极板结构进行仪器特性仿真，得到该种结构下的仪器探测特性，与现有的远端回流型仪器的探测特性进行比较，显示了新型结构下仪器探测特性的优势。

仪器分辨率

电成像仪器在测量薄层时，测量信号的强度会随着地层厚度的减小而降低。在目的层比较薄时，仿真得到的视电阻率小于地层真电阻率值，随着目的层的厚度增加，模拟的视电阻率数据会逐渐接近地层真电阻率。当地层厚度变化到某个数据时，模拟视电阻率数据等于地层真电阻率的一半时，定义在这种情形下的地层厚度为仪器的分辨率。

仪器探测深度

仪器仿真中常用伪几何因子J来定义仪器探测深度，伪几何因子的定义为以下公式：

式中：Ra：不同侵入半径时的视阻抗模值；Rxo：侵入无限远时的视阻抗模值；Rt：无侵入时的视阻抗模值。定义伪几何因子J＝0.5时对应的侵入深度为探测深度。后面给出的仿真图中J＝0.5时对应的侵入深度即为该种仪器的探测深度，已通过虚线指示标出。

本发明的目的在于提供一种用于在井眼内部对井壁实现电性特征测量的装置和方法，既能提高测量的分辨率，又能获得更为准确的地层电性特征。为此，本发明提出一种用于勘察井眼中井壁电性特性的测量装置，所述测量装置包括:

极板，所述极板具有内表面和外表面，用于贴靠测量井壁表面和作为发射电极、屏蔽电极、回流电极以及绝缘体的载体；

安装在极板外表面上的发射电极，用于向地层发射电流，并测量流经所述电极的电流大小；

屏蔽电极，屏蔽电极环绕发射电极分布，与发射电极之间有绝缘体分隔，对发射电流起聚焦作用；

绝缘体，绝缘体分布在屏蔽电极与发射电极之间，对各发射电极以及屏蔽电极起到绝缘分隔作用。

两个回流电极，对称分布在极板的两端，起到电流回流作用；

进一步还包括：连接到发射电极上的电流测量装置，用于测量各个发射电极的电流变化；

连接到发射电极上的高频交流电源装置，用于向各个发射电极提供高频交流电，交流电的频率大致在1MHZ及以上。高频率便于形成电容耦合，实现测量电流进入井壁形成回路；

连接到所述发射电极的信号处理装置，可根据测量电流值生成井壁成像图。

采用本发明设计的测量装置，将电流发射与回流电极设计在同一极板上，大大缩短了发射-回流距离，提高了测量的准确性。

根据本发明实施例，还包括连接到极板内侧的支撑臂及推靠装置，可用于使极板外表面贴靠井壁。

根据本发明实施例，所述一组发射电极包括水平分布的一行电极，各电极大小完全相同，电极分布在极板的纵向中心位置，使得极板具有完全的对称性，各个电极之间间隔狭小，间隔中填充绝缘体。

根据本发明实施例，所述一组发射电极排列成一行分布，可以使电极周向的测量范围更大，有利于获得更高的井眼覆盖率。

根据本发明，所述一组发射电极单行排列在极板的中心位置，可以使极板结构具有绝对的对称性，各发射电极之间由于纵向深度上的差异引起的测量误差更小。

根据本发明，回流电极与发射电极同处于同一极板上，电流回流距离在纵向上不大于极板长度的一半，这大大缩短了电流的回流距离，有效减少了电流流过的地层的数量，有效降低了当前测量地层以外地层对测量的影响。

附图说明

通过参考所提供的附图的详细的描述，本发明的优势将能够表述的更加清楚。

图1表示现有技术的仪器外观以及测量电流回路情况以及原有电极。

图2表示本发明实施例仪器的极板外观，图中给出了各个电极的分布位置以及发射电极的排列方式。

图3表示本发明实施例的电流回路示意，发射电流由位于极板中央的发射电极回到位于极板两端的回流电极。

图4表示本发明实施例中发明装置在实际测量时的电流流经过程示意和电流信号的处理流程示意。

图5表示本发明实施例仪器的测量等效电路，测量根据电容耦合原理形成电流回路。

图6是考察仪器探测特性而建立的井眼环境模型，根据此模型进行仪器分辨率、探测深度的仿真。

图7是图1所示的现有仪器结构下的分辨率考察结果。

图8是本发明实施例仪器在不同层厚下仿真得到的测井响应结果，以验证该种仪器结构对薄层的分辨能力。图中给出的是发射电极中的1号和2号电极对薄层的分辨能力的考察结果。从图中可以看出该种仪器结构在遇到10cm以下厚度的薄层时，随着层厚的减小其响应信号并没有出现急速下降的情况，其信号减弱速度相对均衡，在遇到2cm(0.79in)厚度以下的薄层时信号的相对大小(相对10cm厚地层)仍然在合理范围内，在成像图中仍可以显示出该薄层特征。

图9是定量考察图2所示结构下仪器定量的分辨率大小，根据测量信号计算得到的地层电阻率达到模型设定值50％时的地层厚度，定义为该仪器的测量分辨率。

图10是在给定模型下对图1所示现有结构进行的探测深度仿真结果，根据伪几何因子定义，仿真得到其探测深度约为18cm。

图11是在给定模型下对图2所示结构进行的探测深度考察结果，根据伪几何因子定义，仿真本发明实施例中仪器结构的探测深度约为1.7cm左右。

具体实施方式

图2是本发明实施例中仪器的极板结构图，图给出了各个电极的分布位置以及排列方式等情况。该极板包括安装在极板外表面上的一组发射电极，发射电极排列成一排，均匀地分布在极板的中心位置。极板还包括一个整体的屏蔽电极，屏蔽电极环绕发射电极分布，与发射电极之间通过绝缘体分隔。屏蔽电极大致与发射电极的外表面平齐，屏蔽电极由导电材料制成，对发射电流起聚焦作用。该极板还包括一个整体的绝缘体，绝缘体分布在屏蔽电极与发射电极之间，对发射电极以及屏蔽电极起到绝缘分隔作用。极板还包括两个回流电极，两个回流电极对称的分布在极板的两端，起到电流回流作用。回流电极由导电材料制成，回流电极的外表面与发射电极外表面平齐或大致平齐。本实施例的发射电极、回流电极、屏蔽电极、绝缘体之间均与极板外表面平齐或大致平齐，首先，可以降低极板外表面与井壁之间的摩擦阻力，降低仪器测量时的遇卡情况，其次，发射电极、回流电极、屏蔽电极、绝缘体之间均与极板外表面平齐或大致平齐可以使各电极与井壁之间的测量间隙均衡，减少由于由于测量间隙不均衡导致的各发射电极之间的测量差异。

图3是本发明实施例中仪器测量电流回流情况示意，说明本发明实施例中测量测量电流的回流情况。图中示出了发射电极发出的测量电流的回流情况，其实屏蔽电极与回流电极之间亦存在电流回路，该电流由屏蔽电极发出并回流到回流电极，该电流对发射电极发出的电流起聚焦作用。

图4是本发明实施例中的电流流经过程示意图，说明仪器在实际测量时电流的流程示意以及测量到的电流信号的处理流程。其中电压为高频交流电源，同时提供给发射电极和屏蔽电极，形成的交变电流流经地层后通过回流电极回流，同时通过连接到发射电极的电流测量装置测量流经发射电极的电流大小，传送给后续的数据校正和预处理装置进行数据处理，最终经过成像处理装置进行成像显示。

图5表示本发明实施例中仪器在实际测量时的等效电路，测量根据电容耦合原理形成电流回路。根据测量等效电路可以得出测量电流I＝U/(Z_i+Z_g+Z_r+Z_f),其中Z_i表示仪器内阻，Z_g表示发射电极与井壁之间的阻抗，Z_f表示电流流过的地层的阻抗，Z_r表示井壁与回流电极之间的阻抗。

在理想情况下电路中只存在地层阻抗Z_f，则可以求得准确的只受地层阻抗影响而产生的电流，但实际情况是电路中不可避免的存在各种阻抗的干扰。我们只能尽量降低其它阻抗干扰，以求得近似的地层电性特征。实际情况下，根据相关设备检测仪器内部电路总的阻抗值比较小，所以仪器内阻Z_i可以忽略。井壁与回流电极之间的阻抗Z_r，由于采用电容耦合原理实现电流回路，Z_r中主要是容抗性质的阻抗，容抗计算公式X_c＝1/2πfc,又电容值c＝εS/4πkd(其中ε为介电常数，k为静电力常数，S为电容极板面积)。回流电极较长表面积较大，故等效的容抗值C比较大，而且仪器的测量频率也较高，所以回流端等效的容抗值也很小，也可以忽略不计。发射电极表面积较小，故发射阻抗抗大小不可忽略。

综上，测量电流计算公式可以简化为I＝U/(Z_g+Z_f)。故需要在测量中尽量降低Z_g，提高地层阻抗Z_f在总阻抗中的比重，以测得更准确的地层电性特征。更高的测量频率有利于降低发射电极与地层之间的阻抗Z_g的大小，可以使测量地层的电性特征更加准确。

图6表示对本发明实施例中仪器的探测特性进行仿真所使用的井眼环境模型。该模型包含井眼特征、泥浆特征、侵入特征、地层特征、间隙特征等相关信息，该模型考虑了多种实际测量环境中的因素，在该模型下可获得较为真实仿真结果。通过分析在不同地层层厚下的正演响应信号，考察仪器结构的仪器分辨率优劣情况。设计的地层模型为：目的层层厚依次为10cm，5cm，4cm，3cm，2cm，1cm，0.8cm，0.5cm，目的层电阻率Rt＝10Ω·m，目的层介电常数10；围岩电阻率Rs＝3Ω·m，围岩介电常数10；泥浆电阻率Rm＝1000Ω·m，泥浆介电常数10，井眼直径8.875in，测量间隙0.5mm。

本发明实施例还包括连接到极板内表面的仪器支撑臂及推靠装置，用于使极板外表面与井壁贴靠。见图6。

图7是图1所示的现有仪器结构下的仪器分辨率考察结果。横轴表示测井深度，纵轴表示地层测量阻抗值。从图中可以看出该种仪器结构在遇到10cm(3.94in)以下厚度的薄层时，信号下降的速度很快，在2cm(0.79in)厚度以下的薄层时信号的强度已变得相对较弱(相对10cm厚地层)，在成像图中很难再显示出该特征。

图8是本发明实施例中仪器在不同层厚模型下仿真得到的测井响应结果，以验证该种仪器结构对薄层的分辨能力。横轴表示测井深度，纵轴表示地层测量阻抗值。在图5所示地层模型下，对不同目的层的测井响应情况进行模拟仿真，得到该种结构下仪器对不同层厚地层的响应情况。通过现有仪器结构(远端回流)和本发明实施例中的仪器结构(极板内回流)在不同层厚模型下的响应模拟。通过对比可以发现，相对于回流到远端的仪器来说，回流到极板内部的仪器结构在层厚逐渐减小的情况下，信号减弱幅度降低，各层厚下仪器的测量信号更加均衡，没有出现测量信号急速减弱的情况，即回流到极板内部的结构对薄层的识别能力更强。

图9是定量考察本发明实施例中所示结构的仪器分辨率大小。横轴表示测井深度，纵轴表示地层视电阻率值。根据上述仪器分辨率大小的定义，在给定模型下对仪器进行仿真，再使用仪器常数将测量信号刻度为地层视电阻率值，再将视电阻率与模型真电阻率值进行比较，得到该结构下的仪器分辨率大小为0.14in左右。

图10是考察现有技术中相关仪器结构下的仪器探测深度大小。横轴表示测井深度，纵轴表示伪几何因子大小，1#-8#表示发射电极的编号。根据上述仪器分辨率大小的定义，在给定模型下对仪器进行仿真，得到该结构下的仪器探测深度大小约为18cm。

图11是考察本发明实施例中所示结构的仪器探测深度大小。横轴表示测井深度，纵轴表示伪几何因子大小，1#-15#表示发射电极的编号。根据上述仪器分辨率大小的定义，在给定模型下对仪器进行仿真，得到该结构下的仪器探测深度大小约为1.7cm。更小的仪器探测深度更有利于获得井壁的真实电性特征。

本发明实施例的另一个目的是提供一种用于勘察井眼内井壁电性特征的方法，所述方法实施步骤包括:

1)将极板压向测量井壁，使极板与井壁贴靠。此处所指极板与井壁贴靠，由于井壁的不规则性，其贴靠将不可避免的会产生间隙，间隙中充满油基泥浆。

2)在所述发射电极施加交变电流，通过电容耦合原理产生一电流经由所述发射电极与所述返回电极流入地层内。所述交流电是由交流电源产生，故而电路中的电流同样为交变电流。

3)测量发射电极与回流电极之间的压差，并在测量时保持发射电极与回流电极之间压差的稳定性。本实施例通过连接到发射电极上的高频交流电源装置，以向各个发射电极提供高频交流电，交流电的频率大致在1MHZ及以上。

4)测量流经所述发射电极的电流的大小。进而得到图4中地层阻抗和发射电极与井壁间阻抗的综合大小，将该值作为地层的视阻抗大小。

5)由于在高频环境下地层的介电常数将对测量产生较大的影响，故在该测量环境下需要对测量数据进行介电校正，以尽量消除介电常数对测量产生的影响。

6)步骤5中所述介电校正方法又具体包含以下步骤：a)通过正演仿真建立响应信号-介电常数-地层电阻率三者之间的交汇图版。正演仿真的其主要通过有限元原理对仪器进行探测特性仿真，在多种模型下仿真得到地层的响应信号，进而建立不同参数之间的交汇图版。b)根据实际响应信号查询交汇图版得到经过校正的地层电阻率值。

7)对测量到的所述发射电极上的电流信号或者计算得到的视阻抗值进行数据预处理和成像显示。

本发明实施例提供的一种极板内部发射-回流的电成像测井装置及方法，特别适合于勘测油基环境下井眼井内井壁的电性特征，其较短的电流回路可以有效的降低围岩对目的层测量的干扰，可得到更为真实的井壁电性特征。同时，本发明实施例的测量装置其还具有更高的仪器分辨率，尤其对于薄层、裂缝等测量信号较弱的地层特征，其具有更优的测量效果。

Claims (7)

1.一种极板内部发射回流的电成像测井装置，其特征在于包括：

极板，所述极板具有内表面和外表面，用于贴靠测量井壁表面和作为发射电极、屏蔽电极、回流电极以及绝缘体的载体；

发射电极，用于向地层发射电流；

屏蔽电极，分布在发射电极周围，对发射电流起到聚焦作用；

两个回流电极，对称分布在极板两端，起到电流回流作用；

还包括，

连接到发射电极上的电流测量装置，用于测量各个发射电极的电流变化；

连接到发射电极上的高频交流电源装置，用于向各个发射电极提供高频交流电；

连接到所述发射电极的信号处理装置，根据处理后的测量信号生成井壁成像图；

所述屏蔽电极与发射电极之间设有绝缘体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述发射电极包括大致水平分布的一组电极，各电极大小完全相同，电极分布在极板的纵向中心位置；各个发射电极之间间隔狭小，间隔中填充绝缘体。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述屏蔽电极和回流电极的外表面与发射电极外表面平齐或大致平齐。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于包括连接到极板内表面的仪器支撑臂及推靠装置，用于使极板外表面与井壁贴靠。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述高频交流电源装置向各个发射电极提供的高频交流电频率不低于1MHZ。

6.一种用权利要求1-5任一项测量装置测量油基泥浆环境下的井壁电性特征的方法，所述方法包括：

1)将所述极板压向或贴靠井壁；

2)对所述发射电极施加交变电流，通过电容耦合原理使电流进入井壁内部。

3)测量发射电极与回流电极之间的压差，在测量时使两者之间压差保持稳定；

4)测量流经发射电极的电流大小；

5)对测量信号进行介电校正处理；

6)对测量电流信号进行成像预处理和成像处理，得到井壁成像图。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤5)中所述介电校正方法包含以下步骤：

a)通过正演仿真建立响应信号-介电常数-地层电阻率三者之间的交汇图版；正演仿真主要是通过有限元原理对仪器进行探测特性仿真，在多种模型下仿真得到地层的响应信号，进而建立不同参数之间的交汇图版；

b)根据实际响应信号查询交汇图版得到经过校正的地层电阻率值。