CN109695448A - 一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头及其测量方法，包括发射电极、回路电极和绝缘骨架，绝缘骨架设置在发射电极和回路电极之间，回路电极为环状柱面电极，发射电极、绝缘骨架和回路电极构成圆柱体结构的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头。本发明提供的电阻率探头机械结构简单，方便实施。提供信号采集和传输系统也切实可行，测量方法为井下数字岩心提供了一整套地层原位电阻率测量方案。

Description

一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头及其测量方法

技术领域

本发明属于石油井地层参数测量技术领域，具体涉及一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头及其测量方法。

背景技术

对于非均质性严重、具有复杂的岩石矿物成分、多元化的储集空间和低孔隙度特点的复杂储层，使得建立在均质、各向同性地层基础之上的传统测井解释理论、方法和技术面临着许多的挑战。岩石物理实验是认识储层物理特征、进行测井解释建模的基础和依据，传统岩石物理实验已不能满足非均质复杂油气储层勘探开发的需求。传统岩石物理实验将岩心从地层取至地面再进行实验，岩心与地层分离，样本体积小，非均质储层代表性差；温度、压力、应力等条件由地面模拟，不能反映真实地层条件下岩石物理性质；从钻井取心到实验、应用，周期至少 3个月，应用滞后。

对地层岩石电阻率特性井下原位测量对认识非均质复杂储层具有重要意义。在井下原位测量地层电特性，可校正和刻度测井资料，并为研究非均质复杂储层测井解释模型提供依据。在井壁岩心孔洞中测量地层电阻率，为后续测井评价提供原始依据。该方法深入地层中测量，增大了测量空间和测量精度，消除了泥饼影响，更能直接反映地层的原始特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头及其测量方法，可校正和刻度测井资料，并为研究非均质复杂储层测井解释模型提供依据。

本发明采用以下技术方案：

一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，包括发射电极、回路电极和绝缘骨架，绝缘骨架设置在发射电极和回路电极之间，回路电极为环状柱面电极，发射电极、绝缘骨架和回路电极构成圆柱体结构的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头。

具体的，井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的采集电路包括二选一开关模块、自动增益模块、ADC电路和CPU，二选一开关模块的输入端分别与发射电极和回路电极连接用于获取电压信号和电流信号，输出端依次连接自动增益模块、ADC电路和CPU，经CPU与CAN总线连接，电压和电流信号首先经二选一模拟开关进行分时传输，然后信号进入自动增益模块，经过自动增益模块后信号进入ADC电路进行数字化处理，然后数字信号进入CPU进行数字相敏检波处理，得到的幅度信号通过CAN总线传输到上位机，CPU与二选一开关模块连接，用于模拟开关的控制信号。

进一步的，二选一开关模块与发射电极和回路电极的连接回路上串联有1Ω的精密电阻，通过测量电阻两端的电压采集电流信号。

进一步的，自动增益模块包括八个档位，放大倍数分别为：1、2、4、8、16、32、64、128，默认档位为0档。

具体的，井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的直径为25～35mm。

具体的，井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的长度为45～60mm。

进一步的，发射电极的长度为0.5～1mm，采用17-4不锈钢制成。

进一步的，绝缘骨架的长度为40～50mm，采用PEEK制成。

进一步的，接收电极的长度为3～5mm，采用17-4不锈钢制成。

本发明的另一技术方案是，一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的测量方法，包括以下步骤：

S1、发射电极的圆形端面发射200Hz的交流信号，电流透过地层回到回路电极；

S2、上位机发送远程帧，通过调整二选一模拟开关的控制信号选择电压信号，然后将自动增益模块设置为0档，进行电压信号的单周期采集，根据计算出来的电压信号的幅度调整自动增益模块的档位，再进行八个周期电压信号的采集并通过数字相敏检波算法计算得到电压信号的幅度，然后消除自动增益的影响，将最终的电压信号存储在相应的单元中，然后选择电流信号的采集，重复电压信号的采集过程，得到电压和电流信号存到CAN的发送邮箱进行数据传送；

S3、得到电压和电流信号后，得到地层电阻率信息如下：

R＝K*U/I

其中，K为仪器系数，U为发射电极与接收电极之间的电压，I为流过的电流。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，由发射电极、绝缘骨架和回路电极构成圆柱体结构，可以有效测量井下岩心孔洞中电阻率信息，可对测井资料进行标定和校正，为后续油气层评价奠定基础。

进一步的，信号采集电路的目的是对电阻率探头的电压和电流信号进行高精度检测，首先经过二选一模拟开关对电压和电流信号分时传输，其次针对信号的强弱对信号进行八级自动增益控制，接着经AD转换器将信号数字化送到CPU模块中进行数字相敏检波处理，可求的电压和电流的幅值，最后经CAN总线将信号传送到上位机。

进一步的，对电流检测方案采用在发射回路中串联1Ω精密电阻，然后测量1Ω精密电阻两端的电位差，最终实现对电流信号的检测，采用此检测方案的好处是测量精度较高，并便于实现。

进一步的，在AD转换之前对电流和电压信号进行了八级自动增益操作，其目的是增大检测系统的信号输入范围，从而扩大测量岩石电阻率的范围，另外采用八级自动增益控制可以有效提高AD转换的精度。

进一步的，采用不同直径电阻率探头的目的是使电阻率探头更好的贴靠所测量岩石壁，进而实现对岩石电阻率的准确测量。

进一步的，采用不同长度电阻率探头的目的是针对不同构造的岩石而设计的，由于不同长度电阻率探头的探测深度是不同的，电阻率探头越短，其探测深度越浅，对于之谜坚硬岩石，采用较短的电阻率探头即可得到其电阻率信息，对于疏松容易侵入的岩石，则应该采用较长的电阻率探头才能得到岩石真实电阻率信息。

进一步的，发射电极的长度设置与电阻率探头的直径是相关的，由于发射电极是一个薄片电极，直径增加，长度也应该相应增加，其目前主要是增加发射电极的机械强度。

进一步的，绝缘骨架长度设置的目的一是将发射电极和接收电极有效实现电隔离，二是通过调整绝缘骨架长度可实现不同探测深度的电阻率探头设计。

进一步的，接收电极长度设置的目的是调整接收电极与岩石的接触面积，确保接收电极与岩石接触有效。

本发明还公开一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的测量方法，该电阻率测量方法原理简单清晰，通过机电综合设计，可实现对井下孔内电阻率进行有效测量，进而为油气评价提供技术支持。

综上所述，本发明提供的电阻率探头机械结构简单，方便实施。提供信号采集和传输系统也切实可行，测量方法为井下数字岩心提供了一整套地层原位电阻率测量方案。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为电阻率探测器模型图；

图2为系统测量原理示意图，其中，(a)为系统架构设计图，(b)为电流流向示意图；

图3为探测器电位场和电流场分布图；

图4为数值计算出来的伪几何因子图；

图5为电阻率探头机械设计图，其中，(a)为A-A视图，(b)为B-B视图，(c)为侧视图；

图6为电阻率探头信号采集电路架构设计图；

图7为CPU程序设计框图。

其中：1.发射电极；2.绝缘骨架；3.回路电极。

具体实施方式

本发明提供了一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头及其测量方法，采用。

请参阅图所示，本发明一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头及其测量方法，包括三个方面的内容：1、方法分析；2、机械设计；3、信号采集方案。

下面分别阐述：

1、方法分析

本发明是利用侧向的测量方法，但在模型和使用频率上有所改动，侧向使用的频率有两种：35HZ(深侧向)和280HZ(浅侧向)，本发明电阻率探头使用的频率为200HZ。侧向使用的电极为柱状电极，本发明使用的有柱面电极和端面电极，使用的模型如图1所示。其主要有三部分构成：发射电极1、回路电极3、绝缘骨架2。

下面讲述系统架构和测量原理，如图2所示，左边为系统架构设计，绿色部分为地层，蓝色部分为井眼，黑色部分为岩心孔洞，右边为电流流向示意图，A₀为发射电极，A1为接收电极，发射电极与接收电极之间的电压为U，流过的电流为I，根据下面的公式可以得到地层的电阻率为：

R＝K*U/I (1)

其中，K为仪器系数，可通过数值模拟得到。

下面讨论电阻率探头探测深度的问题，探测深度可以用伪几何因子来衡量，设定泥浆电阻率R_m＝1Ω·m，原状地层电阻率R_t＝30Ω·m，当伪几何因子J为0.5时所对应的径向探测半径定义为探测器的探测深度。

原状地层的电阻率用下面的式子来表示

其中，R_a为计算出来的视电阻率，R_xo为冲洗带电阻率，R_t为原状地层电阻率，J为伪几何因子，D_i为侵入直径。

由式(2)可以推出伪几何因子的公式为：

利用图1的模型利用COMSOL有限元数值模拟软件得到探测器电位场和电流场分布如图 3所示。计算出来的伪几何因子如图4所示，根据探测深度的定义可以得到该电阻率探测器的探测深度为38mm，可以满足地层电阻率测量要求。

2、机械设计

结合图1的模型进行电阻率探头的机械设计，如图5所示，其中，标号1发射电极，材料为17-4不锈钢，长度为0.5～1mm；标号2为绝缘骨架，材料为PEEK，长度为40～50mm；标号3为接收电极，为环状柱面电极，材料为17-4不锈钢，长度为3～5mm，三部分组合成为圆柱体总成，圆柱体的直径为25～35mm。

图5给出的机械设计图仅仅是电阻率探头的核心部分，关于其他机械联动部分由于跟本发明关系不大，此处没有做明示。

3、信号采集设计方案

电阻率探头信号采集电路架构设计如图6所示，电压信号直接来自于发射电极和接收电极，电流信号的采集是通过在回路中串联一个1Ω的精密电阻，然后测量电阻两端的电压获得。电压和电流信号首先经过二选一模拟开关进行分时传输，模拟开关的控制信号来自于CPU，然后信号进入八级自动增益模块，该模块的控制信号来自CPU，默认的档位为0档，即信号放大倍数为1倍，没有放大，根据采集到的信号强弱进行自动增益模块的增益档位选择(共有八个档位，放大倍数分别为：1、2、4、8、16、32、64、128)，经过自动增益模块后信号进入 ADC电路进行数字化处理，然后数字信号进入CPU进行数字相敏检波处理，得到的幅度信号通过CAN总线传输到上位机。

CPU程序设计框图如图7所示，主程序开始后，开始等待上位机的远程帧，在远程帧到来前，程序进行空循环。远程帧带来后，程序通过调整二选一模拟开关的控制信号选择电压信号，然后将自动增益模块设置为0档(即不作放大处理)，然后进行电压信号的单周期采集，根据计算出来的电压信号的幅度来调整自动增益模块的档位，接着进行八个周期电压信号的采集并通过数字相敏检波算法计算得到电压信号的幅度，然后消除自动增益的影响，将最终的电压信号存储在相应的单元中，然后选择电流信号的采集，重复上面电压信号的采集流程，将最终得到的电压和电流信号存到CAN的发送邮箱进行数据传送。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明一种井下岩心孔洞地层电阻率的测量方法，包括下述步骤：

步骤1、按照图5所示结构图进行电阻率探头机械设计。

具体的，电阻率探头包括发射电极1、回路电极3和中间的绝缘骨架2，其中，发射电极 1和回路电极3的材质为17-4不锈钢，绝缘骨架2的材质为PEEK材料，电阻率探头工作时，发射电极1发射200HZ的交流信号，电流主要从发射电极1的圆形端面发射出来，这是和双侧向测井仪器相区别的地方，电流透过地层回到回路电极3上，回路电极3为传统的柱面电极。

步骤2、根据发明内容中所阐述的电阻率探头的测量原理，对发射电压和发射电流进行测量，图6所示为信号处理和采集的整体设计框图，核心模块为自动增益模块、AD模块、CPU 数字信号处理模块，其中，CPU数字信号处理模块的程序设计的流程图如图7所示。最终可以得到电压和电流信号，通过上位机最终将数据传到地面系统。

步骤3、得到电压和电流信号后，通过式1可以得到地层电阻率信息，其中，K值由数值模拟得到。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，包括发射电极(1)、回路电极(3)和绝缘骨架(2)，绝缘骨架(2)设置在发射电极(1)和回路电极(3)之间，回路电极(3)为环状柱面电极，发射电极(1)、绝缘骨架(2)和回路电极(3)构成圆柱体结构的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头。

2.根据权利要求1所述的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的采集电路包括二选一开关模块、自动增益模块、ADC电路和CPU，二选一开关模块的输入端分别与发射电极(1)和回路电极(3)连接用于获取电压信号和电流信号，输出端依次连接自动增益模块、ADC电路和CPU，经CPU与CAN总线连接，电压和电流信号首先经二选一模拟开关进行分时传输，然后信号进入自动增益模块，经过自动增益模块后信号进入ADC电路进行数字化处理，然后数字信号进入CPU进行数字相敏检波处理，得到的幅度信号通过CAN总线传输到上位机，CPU与二选一开关模块连接，用于模拟开关的控制信号。

3.根据权利要求2所述的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，二选一开关模块与发射电极(1)和回路电极(3)的连接回路上串联有1Ω的精密电阻，通过测量电阻两端的电压采集电流信号。

4.根据权利要求2所述的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，自动增益模块包括八个档位，放大倍数分别为：1、2、4、8、16、32、64、128，默认档位为0档。

5.根据权利要求1所述的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的直径为25～35mm。

6.根据权利要求1所述的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的长度为45～60mm。

7.根据权利要求6所述的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，发射电极(1)的长度为0.5～1mm，采用17-4不锈钢制成。

8.根据权利要求6所述的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，绝缘骨架(2)的长度为40～50mm，采用PEEK制成。

9.根据权利要求6所述的井下岩心孔洞地层电阻率测量探头，其特征在于，接收电极(3)的长度为3～5mm，采用17-4不锈钢制成。

10.一种如权利要求2所述井下岩心孔洞地层电阻率测量探头的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、发射电极的圆形端面发射200Hz的交流信号，电流透过地层回到回路电极；

S2、上位机发送远程帧，通过调整二选一模拟开关的控制信号选择电压信号，然后将自动增益模块设置为0档，进行电压信号的单周期采集，根据计算出来的电压信号的幅度调整自动增益模块的档位，再进行八个周期电压信号的采集并通过数字相敏检波算法计算得到电压信号的幅度，然后消除自动增益的影响，将最终的电压信号存储在相应的单元中，然后选择电流信号的采集，重复电压信号的采集过程，得到电压和电流信号存到CAN的发送邮箱进行数据传送；

S3、得到电压和电流信号后，得到地层电阻率信息如下：

R＝K*U/I

其中，K为仪器系数，U为发射电极与接收电极之间的电压，I为流过的电流。