CN110094195B - 一种基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法 - Google Patents

Abstract

一种基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法，包括如下步骤：(1)在电成像测井仪器极板的中间位置放置两排不同凹陷距离的钮扣电极和一个屏蔽电极，在极板两端放置一对返回电极；(2)令钮扣电极和屏蔽电极等电位发射同一频率的电流，电流回流到返回电极；(3)测量钮扣电极的电位和电流大小，分别计算出两排钮扣电极的测量阻抗实部和虚部；(4)通过建立油基泥饼和地层的等效电阻和等效电容串并联模型，利用两排具有不同凹陷距离的钮扣电极的测量阻抗，计算出地层等效电阻和地层电阻率；本发明采用凹陷电极结构，减少钮扣电极的磨损程度，并且能够在一个频率条件下将地层电阻率信息分离出来，准确反映地层电阻率变化。

Description

一种基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法

技术领域

本发明涉及地球物理测井技术领域，尤其涉及一种基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法。

背景技术

测井，也称为地球物理测井，是应用地球物理学的重要分支之一，利用电化学、电磁、密度、发射性等物理学参数研究地下岩石和流体的性质来寻找油气资源及其他矿藏资源，现已经广泛的应用于油气资源、金属矿、煤矿及水文地质等许多领域。

在石油钻井中，当钻到一定地层深度时必须进行测井，利用测井仪器测量井筒附近一定距离内地层的电阻率、电导率、密度、发射性等物理学参数，从而确定地层孔隙度、含油气饱和度、渗透率、有效厚度等重要参数，这个阶段习惯上称为裸眼井测井。在井筒下入套管后进行第二次测井，利用测试仪器测量地层流体流量、密度、持水率、温度和压力等重要参数，监督生产井或注水井的流体动液面，这个阶段习惯上称为生产测井或开发测井。

测井仪器是指在石油勘探和开发中应用测量设备和技术在井筒中探测地下环境中的多种物理参数，如电阻率、密度、自然电位、发射性、温度和压力等，对这些物理数据进行处理达到确定与勘探和开采相关性能参数的目的。

在测井仪器中，电成像测井仪器利用极板上钮扣电极阵列向地层发射一定频率的电流，由于地层的非均质性，电极接触的岩石成分、结构及所含流体不同，引起地层内电流的变化，利用电流的变化反映井壁各处的岩石电阻率变化，通过不同颜色标定不同电阻率值，可以获得井筒周围地层的微电阻率成像图，为测井解释提供丰富的地质信息。

测井时，井筒内含有泥浆，起到润滑、传输、保持井内压力稳定等作用。经常使用的泥浆为低电阻率的水基泥浆，水基泥浆出现最早，应用广泛。还有一类泥浆是以油(柴油或矿物油)为连续相，水或亲油的固体(有机土、氧化沥青等)为分散相，并添加适量处理剂、石灰和加重材料所形成的分散体系。油基泥浆的主要优点是能抗高温，有很强的抑制性和抗盐、钙污染能力、润滑性好，并可有效减轻对油气层的损害。

传统适用于水基泥浆的电成像测井仪器采用的电流频率低，井壁附着的泥饼电阻率小，测量电流的变化基本反映井周地层电阻率变化。由于以油相为连续相，油基泥浆的电阻率很高，当井壁附着泥饼时，泥饼的电阻率很高，掩盖了地层(尤其是低阻地层)的电阻率变化，传统的适用于水基泥浆的电成像测井仪器在油基泥浆中不再适用。

目前，为开展油基泥浆中的电成像测井工作，所采取的措施有：开发导电型油基泥浆，四端点测量法、电容耦合法等。这些方法存在开发成本高、适用地层条件有限、不能有效实现泥饼/泥浆信号与地层信号地有效分离等缺点。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法，以便实现高阻油基泥浆中的泥饼信号和地层信号的有效分离，准确反映出地层电阻率变化。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法，包括以下步骤：

步骤A，设计一种电成像极板结构，极板主体为金属材质，在极板中间位置上下安置两排钮扣电极，上下两排钮扣电极的数量相同，上下相邻的两个钮扣电极构成一个钮扣电极对；钮扣电极的形状为矩形，钮扣电极表面由极板表面位置向极板背部方向凹陷，其中一排钮扣电极与极板表面的距离大于另一排钮扣电极与极板表面的距离；

步骤B，在两排钮扣电极的周围安置一个矩形环状的屏蔽电极，屏蔽电极与两排钮扣电极之间用绝缘材料隔开，屏蔽电极与极板主体之间也用绝缘材料分开。在极板两端对称安置一对矩形状的电流返回电极，且满足一个返回电极的表面积远大于一个钮扣电极的表面积，返回电极与极板主体之间用绝缘材料分开；

步骤C，测井时，两排钮扣电极和矩形环状的屏蔽电极以相同的电位发射同频率的电流，电流穿过极板与地层之间的高阻泥饼层进入地层，电流在地层中流动一段距离，然后再穿过极板与地层之间的高阻泥饼层回流到返回电极；

步骤D，根据测量数据计算地层电阻率，具体包括：

子步骤D1：分别测量钮扣电极的电位U，一对钮扣电极的发射电流I₁、I₂，其中，I₁表示凹陷距离较大的钮扣电极发射的电流，I₂表示凹陷距离较小的钮扣电极发射的电流。计算一对钮扣电极的测量阻抗Z₁、Z₂，分别为

子步骤D2：将钮扣电极与地层之间泥饼的阻抗等效为泥饼等效电阻和泥饼等效电容的并联，将地层阻抗等效为一个电阻。由于电流返回电极的表面积远大于钮扣电极的表面积，利用一对钮扣电极的测量阻抗计算出地层等效电阻r_f，即

其中，A₁和B₁是阻抗Z₁的实部和虚部，A₂和B₂是阻抗Z₂的实部和虚部。

子步骤D3：根据地层等效电阻r_f和电极系数K计算出地层电阻率，即

所述的子步骤D2具体包括：

在高频电流激励下，钮扣电极与地层之间的高阻泥饼层的等效阻抗Z_m分别看作是等效电阻r_m和等效电容C_m的并联，返回电极与地层之间的高阻泥饼层的等效阻抗Z_m’分别看做是等效电阻r_m’和等效电容C_m’的并联，即

式中，ω为角频率，与电流频率f之间满足关系式ω＝2πf；将钮扣电极与地层之间的泥饼层和返回电极与地层之间的泥饼层分别等效为长度为d圆柱体，则有

式中，R_m为泥浆电阻率，ε_mr为泥浆相对介电常数，S_b是钮扣电极表面积，S_r为返回电极表面积，ε₀＝8.85×10^-12F/m，为真空介电常数；将等效电阻和等效电容表达式分别代入等效阻抗表达式中，则有

由于返回电极面积S_r远远大于钮扣电极面积S_b，则满足Z_m＞＞Z_m'；另外，仪器内部的电子线路的材料为金属，是电的良导体，忽略极板内部电子线路阻抗，因此，钮扣电极的测量阻抗Z近似等效为Z＝Z_m+r_f，于是一对钮扣电极的测量阻抗分别为

将测量阻抗Z₁、Z₂改写为实部和虚部形式，满足Z₁＝A₁+jB₁，Z₂＝A₂+jB₂，则A₁、A₂、B₁、B₂的表达式分别为

根据以上表达式得出地层等效电阻为

本发明基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法，具有以下有益效果：

(1)钮扣电极采用凹陷设计方式，能够减少使用时地层对钮扣电极的磨损程度。

(2)一对钮扣电极的凹陷距离不同，利用一个电流频率，在未知油基泥浆电性参数条件下，实现地层信号从总测量信号的有效分离，可以准确反映出地层电阻率(尤其是低阻地层)的变化。

附图说明

图1为本实施例中电成像测井工作实施的整体示意图。

图2为本实施例中电成像测井仪器极板的正视和侧视的结合示意图。

图3为本实施例中电成像测井仪器极板的工作原理示意图。

图4为本实施例中电成像测井仪器的等效电路图。

图5为本实施例中不同地层电阻率条件下基于凹陷电极测量结果与传统测量结果的对比图；图5a中的凹陷差Δd为3mm，泥饼厚度为2mm；图5b中的凹陷差Δd为6mm，泥饼厚度为5mm。

图6为本实施例中一个低阻地层中基于凹陷电极测量结果与传统测量结果的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实际应用的测井场合，如图1所示。图1中，井筒1穿过地层2，井筒1内充满油基泥浆，地层2含有多层不同类型的储集层。在井筒和地层的压力差作用下，井壁上附着厚度不均匀的泥饼3。井筒1中悬挂着测井仪器4，在这里测井仪器4为电成像测井仪器。测井仪器4通过铠装电缆5与地面上的井架6连接，铠装电缆5的另一端与测井车7上的绞车8连接。测井车7上装有微机控制系统(未给出)，控制井下测井仪器4的运动状态。测井仪器4利用支撑臂9与成像极板10连接，工作时，支撑臂9推靠成像极板10，使得成像极板10与井壁紧密接触。

结合上述图1中的工作实施的整体示意图，本发明提出的是基于上述成像极板10的油基泥浆电成像测井方法，即为：一种基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法，包括如下步骤：

步骤A，针对油基泥浆电成像测井问题，本发明实施例中成像极板10的材料为金属，其具体结构如图2所示。图2给出了成像极板10的正视图和侧视图。在成像极板10的中间位置并排分布着两排钮扣电极11和12，上下两排钮扣电极的数量相同，数目不限。其中，钮扣电极11的表面与极板10的表面之间存在一个较大的凹陷13，钮扣电极12的表面与极板10的表面之间存在一个较小凹陷14，凹陷13和14的长度差为Δd。

步骤B，在两个钮扣电极阵列的周围分布着矩形环状的屏蔽电极15，钮扣电极11、钮扣电极12和屏蔽电极15之间存在绝缘材料16。通过绝缘材料17使得屏蔽电极15与极板10之间相互绝缘。在成像极板10的两端对称分布着一对返回电极18，并通过绝缘材料19与成像极板10主体之间相互绝缘。

步骤C，本发明实施例中成像极板10的具体使用过程如图3所示。图3中，成像极板10与地层2之间含有一定厚度d的泥饼3。钮扣电极11与井壁之间的距离为d₁，钮扣电极12与井壁之间的距离为d₂，当钮扣电极11与钮扣电极12之间的间距很小时，默认两个钮扣电极正对的泥饼厚度相同，并满足d₁-d₂＝Δd。工作时，钮扣电极11、钮扣电极12和屏蔽电极15以相同电位U发射同频率的电流，钮扣电极11和钮扣电极12发射的电流称为测量电流20，屏蔽电极15发射的电流称为屏蔽电流21。测量电流20和屏蔽电流22穿过泥饼3进入地层2，然后再穿过泥饼3，回流到返回电极18。

步骤D，根据测量数据计算地层电阻率，具体包括：

子步骤D1：分别测量钮扣电极11和钮扣电极12的电流I₁、I₂，计算钮扣电极11的测量阻抗Z₁和钮扣电极12的测量阻抗Z₂，分别为

子步骤D2：本发明实施例中油基泥浆电成像测井的等效电路图如图4所示。整体上，在恒压电源U的激励下，整个电路的等效阻抗Z包含四部分，分别是①钮扣电极与地层之间泥饼的等效阻抗Z_m，②地层等效阻抗Z_f，③地层与返回电极之间泥饼的等效阻抗Z_m’，④成像极板内部复杂电子线路的阻抗Z_t。在高频电流激励下，高阻泥饼层的等效阻抗Z_m分别看做是等效电阻r_m和等效电容C_m的并联，高阻泥饼层的等效阻抗Z_m’分别看做是等效电阻r_m’和等效电容C_m’的并联。即

其中，ω为角频率，与电流频率f之间满足关系式ω＝2πf。将钮扣电极与地层之间的泥饼层和返回电极与地层之间的泥饼层分别等效为长度为d圆柱体，则有

其中，R_m为泥浆电阻率，ε_mr为泥浆相对介电常数，S_b是钮扣电极表面积，S_r为返回电极表面积，ε₀＝8.85×10^-12F/m，为真空介电常数。将式(3)代入到式(2)中得到

由于返回电极面积S_r远远大于钮扣电极面积S_b，通过式(4)可以得知Z_m＞＞Z_m'。另外，仪器内部的电子线路的材料为金属，是电的良导体，因此可以忽略电流返回电极与地层之间泥饼的阻抗以及极板内部电子线路的阻抗Z_t。

经过以上分析，本发明实施例中，钮扣电极的测量阻抗Z近似等效为Z＝Z_m+r_f。因此钮扣电极11和钮扣电极12的测量阻抗分别为

将测量阻抗Z₁、Z₂改写为实部和虚部形式，满足Z₁＝A₁+jB₁，Z₂＝A₂+jB₂，则A₁、A₂、B₁、B₂的表达式分别为

根据式(6)可以得出，

子步骤D3：式(6)中r_f即是本发明实施例中得到地层等效电阻的表达式。利用电极系数K进行刻度，可以得到测量的地层电阻率R_f，电极系数K可以通过数值模拟或实验测量得到。测量地层电阻率R_f为

图5为本发明实施例中的一个数值模拟计算实例。模拟条件为：地层电阻率R_t的范围为0.1～1000Ω·m，地层相对介电常数为10，油基泥浆电阻率R_m为10000Ω·m，油基泥浆相对介电常数为6，电流频率为1×10⁶Hz。图5a中的凹陷差Δd为3mm，泥饼厚度为2mm，图5b中的凹陷差Δd为6mm，泥饼厚度为5mm。图5中采用对数坐标，横轴为地层电阻率，纵轴为视电阻率，方框点线为电极11直接测量结果，圆点线为电极12直接测量结果，三角形点线为基于凹陷电极结构的计算结果。从图中可以看出，本发明中基于凹陷电极结构的计算结果大幅度提高了对地层电阻率变化的敏感性，实现了地层电阻率的定量表征。

图6为本发明实施例中另一个数值模拟计算实例。模拟条件为：地层厚度为1m，低阻地层电阻率变化范围为1～10Ω·m，地层相对介电常数10，油基泥浆电阻率为10000Ω·m，油基泥浆相对介电常数为6，电流频率为1×10⁶Hz，钮扣电极凹陷差Δd为3mm，泥饼厚度为2mm。图中，横轴采用对数坐标，为视电阻率，纵轴为深度。划线为电极11直接测量结果，实现为电极12直接测量结果，点划线为基于凹陷电极结构的计算结果。对比看出，直接测量结果基本呈直线，无波动，无法反映地层电阻率变化。基于凹陷电极结构的计算结果的变化明显，能够准确反映出地层电阻率变化。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法有了清楚的认识。

此外，上述对各种泥饼、地层、频率和凹陷距的数值大小设定并不仅限于实施例中的数值大小，本领域技术人员可以根据需要进行更改。

综上所述，本发明基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法，通过一对有一定凹陷距离差的钮扣电极，实现了地层电阻率信息从总测量信号的分离，大幅度提高了测量结果的动态变化范围，准确反映出地层电阻率变化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于凹陷电极结构的油基泥浆电成像测井方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，设计一种电成像极板结构，极板主体为金属材质，在极板中间位置上下安置两排钮扣电极，上下两排钮扣电极的数量相同，上下相邻的两个钮扣电极构成一个钮扣电极对；钮扣电极的形状为矩形，钮扣电极表面由极板表面位置向极板背部方向凹陷，其中一排钮扣电极与极板表面的距离大于另一排钮扣电极与极板表面的距离；

步骤B，在两排钮扣电极的周围安置一个矩形环状的屏蔽电极，屏蔽电极与两排钮扣电极之间用绝缘材料隔开，屏蔽电极与极板主体之间也用绝缘材料分开；在极板两端对称安置一对矩形状的电流返回电极，且满足一个返回电极的表面积远大于一个钮扣电极的表面积，返回电极与极板主体之间用绝缘材料分开；

步骤C，测井时，两排钮扣电极和矩形环状的屏蔽电极以相同的电位发射同频率的电流，电流穿过极板与地层之间的高阻泥饼层进入地层，电流在地层中流动一段距离，然后再穿过极板与地层之间的高阻泥饼层回流到返回电极；

步骤D，根据测量数据计算地层电阻率；

步骤D具体包括：

子步骤D1：分别测量钮扣电极的电位U，一对钮扣电极的发射电流I₁、I₂，其中，I₁表示凹陷距离较大的钮扣电极发射的电流，I₂表示凹陷距离较小的钮扣电极发射的电流；计算一对钮扣电极的测量阻抗Z₁、Z₂，分别为

子步骤D2：将钮扣电极与地层之间泥饼的阻抗等效为泥饼等效电阻和泥饼等效电容的并联，将地层阻抗等效为一个电阻；由于电流返回电极的表面积远大于钮扣电极的表面积，利用一对钮扣电极的测量阻抗计算出地层等效电阻r_f，即

其中，A₁和B₁是阻抗Z₁的实部和虚部，A₂和B₂是阻抗Z₂的实部和虚部；

具体包括：

在高频电流激励下，钮扣电极与地层之间的高阻泥饼层的等效阻抗Z_m分别看作是等效电阻r_m和等效电容C_m的并联，返回电极与地层之间的高阻泥饼层的等效阻抗Z_m’分别看做是等效电阻r_m’和等效电容C_m’的并联，即

式中，ω为角频率，与电流频率f之间满足关系式ω＝2πf；将钮扣电极与地层之间的泥饼层和返回电极与地层之间的泥饼层分别等效为长度为d圆柱体，则有

式中，R_m为泥浆电阻率，ε_mr为泥浆相对介电常数，S_b是钮扣电极表面积，S_r为返回电极表面积，ε₀＝8.85×10^-12F/m，为真空介电常数；将等效电阻和等效电容表达式分别代入等效阻抗表达式中，则有

由于返回电极面积S_r远大于钮扣电极面积S_b，则满足Z_m＞＞Z_m'；另外，仪器内部的电子线路的材料为金属，是电的良导体，忽略极板内部电子线路阻抗，因此，钮扣电极的测量阻抗Z近似等效为Z＝Z_m+r_f，于是一对钮扣电极的测量阻抗分别为

将测量阻抗Z₁、Z₂改写为实部和虚部形式，满足Z₁＝A₁+jB₁，Z₂＝A₂+jB₂，则A₁、A₂、B₁、B₂的表达式分别为

根据以上表达式得出地层等效电阻为

子步骤D3：根据地层等效电阻r_f和电极系数K计算出地层电阻率，即

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