CN114419975B - 一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置及方法 - Google Patents
一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置，包括水池、地层模型、模拟电极系以及电极系传动装置；地层模型设置在水池中，在地层模型的顶面中线处设置有用于模拟井眼的第一半圆柱形凹槽，在水池中注入有盐水溶液，盐水溶液的液面接近但不超过地层模型的顶面；模拟电极系设置在水池的上部，模拟电极系与用于带动其沿水池长度方向滑动的电极系传动装置连接；模拟电极系和电极系传动装置均与控制装置连接，控制装置连接计算机。本发明可以进行普通电阻率和双侧向测井的模拟测量，起到教学演示作用。本发明使用的地层模型由两种不同电阻率的材料组装得到，可以模拟地层的高侵和低侵特征，有利于提升双侧向测井的教学演示效果。
Description
技术领域
本发明涉及教学演示装置领域，具体地说是涉及一种在地球物理测井相关专业教学中用于演示普通电阻率测井和双侧向测井测量原理的复合教学演示装置及方法。
背景技术
电阻率测井是一类在井筒中连续测量不同深度地层电阻率的地球物理测井方法，电阻率测井资料可以为定性识别储层流体性质和定量评价储层流体饱和度提供依据。普通电阻率测井和双侧向测井是电阻率测井中最为基础和重要的两种方法，对石油工程、资源勘查工程和勘查技术与工程等能源专业的教育而言是必修核心内容。
普通电阻率测井采用四个电极，分别记为A、B、M和N。其中，B为回路电极，放在地面与信号地连接。A为供电电极，M和N为测量电极，都放在井下仪器上。测量时供电电极A产生测量电压或电流，M和N之间产生电位差，其大小与地层电阻率直接相关。井下仪器上的所有电极构成了仪器的电极系，普通电阻率测井的电极系结构如图1所示，其中(a)示出底部梯度电极系，(b)示出顶部梯度电极系。图1中A为供电电极，M和N为测量电极，B为回路电极，101为井筒，102为供电系统，103为底部梯度电极系，104为顶部梯度电极系。其中，A称为不成对电极，M和N称为成对电极。如果M和N的距离小于A到最近成对电极的距离，称为梯度电极系。如果成对电极M和N在不成对电极的上方，电极系称为顶部梯度电极系；反之，如果成对电极M和N在不成对电极的下方，电极系称为底部梯度电极系。顶部梯度电极系和底部梯度电极系的测量曲线特征因电极系结构不同而具有差异。
相比于普通电阻率测井，双侧向测井是具有聚焦功能的电阻率测井，除地面回路电极外，井下仪器具有九个电极，分别为主电极A0、四个监督电极M1、M2、M1’和M2’，以及四个屏蔽电极A1、A1’和A2、A2’，电极系结构如图2所示。双侧向测井具有深浅两种测井模式，两种测量模式同时进行，获取两种探测深度的电阻率曲线。深侧向测井时，由主电极A0发生恒定电流I0，屏蔽电极A1、A1’和A2、A2’施加与主电路I0极性相同的屏蔽电流。根据监督电极M1和M2(或M1’和M2’)之间的电位差调节屏蔽电流的大小，使得仪器聚焦平衡，此时监督电极M1和M2(或M1’和M2’)之间的电位差为零。测量任意监督电极与回路电极的电位差，其结果与地层视电阻率成正比。浅侧向测量模式的测量过程与深侧向测井类似，区别在于将屏蔽电极A2和A2’改为回路电极接地，使得探测深度变得较浅。
一般认为，深侧向和浅侧向的测量曲线分别反映原状地层和侵入带的电阻率特征。在淡水泥浆环境下，如果储层为水层，原状地层电阻率低于侵入带，深侧向的视电阻率小于浅侧向视电阻率，这种结果称为高侵现象。反之，如果储层为油气层，原状地层电阻率高于侵入带，深侧向的视电阻率大于浅侧向视电阻率，称为低侵现象。因此，根据深侧向和浅侧向视电阻率的相对大小关系可以定性识别储层流体性质。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置及方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置，包括水池、地层模型、模拟电极系以及电极系传动装置；
地层模型设置在水池中，在地层模型的顶面中线处设置有用于模拟井眼的第一半圆柱形凹槽，在水池中注入有盐水溶液，盐水溶液的液面不超过地层模型的顶面；
模拟电极系设置在水池的上部，模拟电极系与用于带动其沿水池长度方向滑动的电极系传动装置连接；
模拟电极系和电极系传动装置均与控制装置连接，控制装置连接计算机。
优选的，所述水池与地层模型均呈长方体形，地层模型沿水池的宽度方向布设，地层模型的长度与水池的宽度相同；地层模型在水池的长度方向上间隔设置多个。
优选的，所述地层模型包括用于模拟原状地层的拱形介质和用于模拟侵入带的半圆柱介质，在拱形介质的上部中心处设置有与半圆柱介质相适配的第二半圆柱形凹槽，半圆柱介质嵌入第二半圆柱形凹槽中；所述第一半圆柱形凹槽设置在半圆柱介质的上部中心处。
优选的，所述模拟电极系为PCB(印制电路板)式电极系。
优选的，所述模拟电极系包括主电极、第一监督电极、第二监督电极、第三监督电极、第四监督电极、第一屏蔽电极、第二屏蔽电极、第三屏蔽电极和第四屏蔽电极；
模拟电极系具有四种测量模式：
(1)深侧向模式(双侧向的一种)：第一屏蔽电极与第二屏蔽电极相连接，第三屏蔽电极与第四屏蔽电极相连接，均作为屏蔽电极；
(2)浅侧向模式(双侧向的一种)：第一屏蔽电极和第二屏蔽电极作为屏蔽电极，第三屏蔽电极和第四屏蔽电极接地作为回路电极；
(3)顶部梯度电极系模式(普通电阻率测井的一种)：主电极、第一监督电极和第二监督电极构成顶部梯度电极系，其余电极悬空不使用；
(4)底部梯度电极系模式(普通电阻率测井的一种)：主电极、第三监督电极和第四监督电极构成底部梯度电极系，其余电极悬空不使用。
需要说明的是，上述四种测量模式不能同时使用，任意时刻，只能使用一种模式，所以，有些电极需要在不同的模式承担不同的功能，具有不同的连接方式。另外，实际测量时可以是两种测井模式同时测量，但使用不同的频率。
优选的，所述电极系传动装置包括传动丝杠和用于带动传动丝杠旋转的步进电机，传动丝杠的一端与步进电机连接，在传动丝杠上设置有当传动丝杠转动时能沿其直线运动的丝母，所述模拟电极系与丝母相连接。
一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示方法，采用如上所述的装置，包括以下步骤：
(1)组装好复合教学演示装置，在水池中放入足够的盐水溶液，溶液液面接近但不高于地层模型的顶面，但需使PCB式电极系的焊盘与溶液接触；
(2)利用计算机选择模拟测井模式；
模拟测井模式一共可以演示四种测井模式：深侧向演示模式、浅侧向演示模式、顶部梯度电极系演示模式和底部梯度电极系演示模式；
在顶部梯度电极系模式下，主电极作为供电电极产生测量电压，测量第一监督电极和第二监督电极的电位差来反映地层的电阻率信息；
在底部梯度电极系模式下，主电极作为供电电极产生测量电压，测量第三监督电极和第四监督电极的电位差来反映地层的电阻率信息；
在深侧向模式下，主电极作为供电电极产生测量电压或电流，第一屏蔽电极和第二屏蔽电极产生与主电极极性相同的电压或电流信号作为屏蔽电流，测量第三监督电极和第四监督电极的电位差，或第一监督电极和第二监督电极的电位差来调节屏蔽电流的大小，最终使得采集得到的第三监督电极和第四监督电极的电位差或第一监督电极和第二监督电极的电位差等于零，测量第三监督电极或第一监督电极的电位来反映地层电阻率信息；第三屏蔽电极和第四屏蔽电极与第一屏蔽电极相连，也产生屏蔽电流；
在浅侧向模式下，除第三屏蔽电极和第四屏蔽电极接地外，其余电极的功能不变；
(3)计算机下发命令，利用控制装置控制步进电机运行，驱动PCB式电极系在水池上方运动，并不断测量不同水平位置点附近模拟地层的电阻率并形成测量曲线；
(4)计算机对测量结果进行展示及处理打印操作。
本发明的有益技术效果是：
本发明可以进行普通电阻率和双侧向测井的多种模式的模拟测量，起到教学演示作用。本发明使用的地层模型由两种不同电阻率的材料组装得到，可以模拟地层的高侵和低侵特征，有利于提升双侧向测井的教学演示效果。本发明使用的模拟电极系优选采用PCB式电极系，具有展示直观，性能突出，成本低廉的优点。
附图说明
图1为现有普通电阻率测井原理及电极系结构示意图；其中，(a)主要示出底部梯度电极系，(b)主要示出顶部梯度电极系；
图2为现有标准双侧向电极系连接示意图；
图3为本发明复合教学演示装置的结构原理示意图；
图4为本发明复合教学演示装置中地层模型的结构示意图；
图5为本发明复合教学演示装置中地层模型的分解结构示意图；
图6为本发明复合教学演示装置中PCB式电极系的结构示意图；
图7为本发明使用的双侧向演示电极系连接示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于建立小型模型用以完成普通电阻率测井和双侧向测井的原理教学演示。该装置可以选择模式，进行顶部梯度电极系普通电阻率测井、底部梯度电极系普通电阻率测井、深侧向测井和浅侧向测井的模拟测量。测量结果可以体现顶部梯度电极系和底部梯度电极系测量曲线的差异，并且基于特制的模拟地层模型，双侧向的测量曲线可以呈现低侵和高侵现象。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置，包括水池1、地层模型2、模拟电极系3以及电极系传动装置。地层模型2设置在水池1中，在地层模型2的顶面中线处设置有用于模拟井眼的第一半圆柱形凹槽201，在水池中注入有盐水溶液，盐水溶液的液面不超过地层模型的顶面。模拟电极系3设置在水池的上部，模拟电极系与用于带动其沿水池长度方向滑动的电极系传动装置连接。模拟电极系3和电极系传动装置均与控制装置4连接，控制装置4连接计算机5。
上述水池1与地层模型2均呈长方体形，地层模型2沿水池1的宽度方向布设，地层模型2的长度与水池1的宽度相同。地层模型2在水池1的长度方向上间隔设置多个。
上述地层模型2包括用于模拟原状地层的拱形介质203和用于模拟侵入带的半圆柱介质202，在拱形介质203的上部中心处设置有与半圆柱介质相适配的第二半圆柱形凹槽204，半圆柱介质202嵌入第二半圆柱形凹槽204中。所述第一半圆柱形凹槽201设置在半圆柱介质202的上部中心处。本发明地层模型采用了两层设计，可以模拟侵入特征不同的地层。本发明使用的半空间地层模型整体上呈长方体状，在顶面中的中心有第一半圆柱凹槽201用以模拟井眼。地层模型由两部分组成，靠近井眼的部分为半圆柱型即半圆柱介质202，用以模拟侵入带。地层模型的另一部分为拱形结构，即拱形介质203，用以模拟原状地层。使用不同岩性的天然岩石或不同电阻率的其他材料分别制作不同部分并加以组合得到的地层模型可以模拟在淡水泥浆环境下的油层和水层呈现出的低侵和高侵特征。
上述模拟电极系3为PCB式电极系。本发明利用PCB(印制电路板)工艺制作电极系，这样的设计具有多方优点。一方面，作为教学仪器，这样的电极系可以使学生更加直观地看到各电极的结构与连接方式(如，处于关于主电极对称关系的屏蔽电极在内部是相连的)。另一方面，铁或铜等常规金属电极材料，在与盐水接触的测量环境中，电极面临的电化学腐蚀严重，使用寿命较短。PCB式电极系的电极以焊盘的方式呈现，可以在焊盘电极表面进行镀金工艺，由于其厚度和面积均较小，在极低的成本下可以获得最佳的使用效果和使用寿命。最后，PCB工艺成熟，相比于其他设计中的电极制作，批量加工的成本更低。
上述模拟电极系包括主电极A0、第一监督电极M1、第二监督电极M2、第三监督电极M1’、第四监督电极M2’、第一屏蔽电极A1、第二屏蔽电极A1’、第三屏蔽电极A2和第四屏蔽电极A2’，模拟电极系具有四种测量模式：
(1)深侧向模式：第一屏蔽电极A1与第二屏蔽电极A1’相连接，第三屏蔽电极A2与第四屏蔽电极A2’相连接，均作为屏蔽电极；
(2)浅侧向模式：第一屏蔽电极A1和第二屏蔽电极A1’作为屏蔽电极，第三屏蔽电极A2和第四屏蔽电极A2’接地作为回路电极；
(3)顶部梯度电极系模式：主电极A0、第一监督电极M1和第二监督电极M2构成顶部梯度电极系，其余电极悬空不使用；
(4)底部梯度电极系模式：主电极A0、第三监督电极M1’和第四监督电极M2’构成底部梯度电极系，其余电极悬空不使用。
本发明使用的电极结构和双侧向一致，用以模拟双侧向测井的演示。但本发明与传统双侧向测井的电极的内部连接稍有差异。本发明中处于对称位置的监督电极在内部没有相连(即第一监督电极M1和第三监督电极M1’内部没有相连，第二监督电极M2和第四监督电极M2’内部也没有相连)，这样，本发明的电极还可以模拟普通电阻率测井。在普通电阻率测井模式下，主电极A0作为供电电极，相邻的一对监督电极(M1和M2，或M1’和M2’)作为测量电极即可分别模拟顶部梯度电极系和底部梯度电极系的测井测量。
上述电极系传动装置包括传动丝杠7和用于带动传动丝杠旋转的步进电机6，传动丝杠7的一端与步进电机6连接，在传动丝杠上设置有当传动丝杠转动时能沿其直线运动的丝母，所述模拟电极系与丝母相连接。
本发明复合教学演示装置包括计算机5、控制装置4、步进电机6、传动丝杠7、PCB式电极系、地层模型2以及水池1等。计算机5用于显示控制装置4得到的测量结果，并下发控制命令，控制装置4控制步进电机6转动，步进电机6通过传动丝杠7带动PCB式电极系在水池上滑动。控制装置4与PCB式电极系连接，控制产生激励信号并完成电阻率的测量。水池中加入一定宽度的地层模型，地层模型的长度与水池宽度一致。测量时，水池中注入一定量的盐水溶液，溶液液面不超过地层模型的顶面，但可以使得PCB式电极系的焊盘沉入水中。水池和地层模型组成了模拟的地层剖面，PCB式电极系在剖面上滑动，模拟测井仪器在井筒中的运动。控制装置控制PCB式电极系在不同测量模式在测量剖面上地层模型(盐水溶液也可以模拟一种性质的地层)的电阻率形成模拟测量的视电阻率曲线。
本发明还提供一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示方法，采用如上所述的装置，包括以下步骤：
(1)组装好复合教学演示装置，在水池1中放入足够的盐水溶液，溶液液面接近但不高于地层模型2的顶面，但需使PCB式电极系的焊盘与溶液接触。
(2)利用计算机选择模拟测井模式。
模拟测井模式一共可以演示四种测井模式：深侧向演示模式、浅侧向演示模式、顶部梯度电极系演示模式和底部梯度电极系演示模式。
在顶部梯度电极系模式下，主电极A0作为供电电极产生测量电压，测量第一监督电极M1和第二监督电极M2的电位差来反映地层的电阻率信息。
在底部梯度电极系模式下，主电极A0作为供电电极产生测量电压，测量第三监督电极M1’和第四监督电极M2’的电位差来反映地层的电阻率信息。
在深侧向模式下，主电极A0作为供电电极产生测量电压或电流，第一屏蔽电极A1和第二屏蔽电极A1’产生与主电极A0极性相同的电压或电流信号作为屏蔽电流，测量第三监督电极M1’和第四监督电极M2’的电位差，或第一监督电极M1和第二监督电极M2的电位差来调节屏蔽电流的大小，最终使得测量得到的第三监督电极(M1’)和第四监督电极(M2’)的电位差或第一监督电极(M1)和第二监督电极(M2)的电位差等于或接近于零，测量第三监督电极M1’或第一监督电极M1的电位来反映地层电阻率信息。第三屏蔽电极A2和第四屏蔽电极A2’与第一屏蔽电极A1相连，也产生屏蔽电流。
在浅侧向模式下，除第三屏蔽电极A2和第四屏蔽电极A2’接地外，其余电极的功能不变。
对于双侧向和普通电阻率测井两种模式，都会用到一对监督电极和主电极。并且，无论在哪种测量模式下，主电极都用于输出测量电路，也都要测量监督电极M1’和M2’(或M1和M2)两点之间的电位差。因此，在测量模式切换下，控制装置的功能不用做太大调整。
(3)计算机5下发命令，利用控制装置4控制步进电机6运行，驱动PCB式电极系在水池上方运动，并不断测量不同水平位置点附近模拟地层(水池中的水也可作为一种模拟地层)的电阻率并形成测量曲线。
(4)计算机对测量结果进行展示及处理打印等操作。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置，其特征在于：包括水池、地层模型、模拟电极系以及电极系传动装置；
地层模型设置在水池中，在地层模型的顶面中线处设置有用于模拟井眼的第一半圆柱形凹槽，在水池中注入有盐水溶液，盐水溶液的液面不超过地层模型的顶面；
模拟电极系设置在水池的上部，模拟电极系与用于带动其沿水池长度方向滑动的电极系传动装置连接；
模拟电极系和电极系传动装置均与控制装置连接，控制装置连接计算机；
所述模拟电极系为PCB式电极系；
所述模拟电极系包括主电极(A0)、第一监督电极(M1)、第二监督电极(M2)、第三监督电极(M1’)、第四监督电极(M2’)、第一屏蔽电极(A1)、第二屏蔽电极(A1’)、第三屏蔽电极(A2)和第四屏蔽电极(A2’)；
模拟电极系具有四种测量模式：
(1)深侧向模式：第一屏蔽电极(A1)与第二屏蔽电极(A1’)相连接，第三屏蔽电极(A2)与第四屏蔽电极(A2’)相连接，均作为屏蔽电极；
(2)浅侧向模式：第一屏蔽电极(A1)和第二屏蔽电极(A1’)作为屏蔽电极，第三屏蔽电极(A2)和第四屏蔽电极(A2’)接地作为回路电极；
(3)顶部梯度电极系模式：主电极(A0)、第一监督电极(M1)和第二监督电极(M2)构成顶部梯度电极系，其余电极悬空不使用；
(4)底部梯度电极系模式：主电极(A0)、第三监督电极(M1’)和第四监督电极(M2’)构成底部梯度电极系，其余电极悬空不使用；
采用该装置进行复合教学演示，包括以下步骤：
(1)组装好复合教学演示装置，在水池中放入足够的盐水溶液，溶液液面接近但不高于地层模型的顶面，但需使PCB式电极系的焊盘与溶液接触；
(2)利用计算机选择模拟测井模式；
模拟测井模式一共可以演示四种测井模式：深侧向演示模式、浅侧向演示模式、顶部梯度电极系演示模式和底部梯度电极系演示模式；
在顶部梯度电极系模式下，主电极(A0)作为供电电极产生测量电压，测量第一监督电极(M1)和第二监督电极(M2)的电位差来反映地层的电阻率信息；
在底部梯度电极系模式下，主电极(A0)作为供电电极产生测量电压，测量第三监督电极(M1’)和第四监督电极(M2’)的电位差来反映地层的电阻率信息；
在深侧向模式下，主电极(A0)作为供电电极产生测量电压或电流，第一屏蔽电极(A1)和第二屏蔽电极(A1’)产生与主电极(A0)极性相同的电压或电流信号作为屏蔽电流，测量第三监督电极(M1’)和第四监督电极(M2’)的电位差，或第一监督电极(M1)和第二监督电极(M2)的电位差来调节屏蔽电流的大小，最终使得采集得到的第三监督电极(M1’)和第四监督电极(M2’)的电位差或第一监督电极(M1)和第二监督电极(M2)的电位差等于零，测量第三监督电极(M1’)或第一监督电极(M1)的电位来反映地层电阻率信息；第三屏蔽电极(A2)和第四屏蔽电极(A2’)与第一屏蔽电极(A1)相连，也产生屏蔽电流；
在浅侧向模式下，除第三屏蔽电极(A2)和第四屏蔽电极(A2’)接地外，其余电极的功能不变；
(3)计算机下发命令，利用控制装置控制步进电机运行，驱动PCB式电极系在水池上方运动，并不断测量不同水平位置点附近模拟地层的电阻率并形成测量曲线；
(4)计算机对测量结果进行展示及处理打印操作。
2.根据权利要求1所述的一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置，其特征在于：所述水池与地层模型均呈长方体形，地层模型沿水池的宽度方向布设，地层模型的长度与水池的宽度相同；地层模型在水池的长度方向上间隔设置多个。
3.根据权利要求1所述的一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置，其特征在于：所述地层模型包括用于模拟原状地层的拱形介质和用于模拟侵入带的半圆柱介质，在拱形介质的上部中心处设置有与半圆柱介质相适配的第二半圆柱形凹槽，半圆柱介质嵌入第二半圆柱形凹槽中；所述第一半圆柱形凹槽设置在半圆柱介质的上部中心处。
4.根据权利要求1所述的一种用于普通电阻率测井和双侧向测井的复合教学演示装置，其特征在于：所述电极系传动装置包括传动丝杠和用于带动传动丝杠旋转的步进电机，传动丝杠的一端与步进电机连接，在传动丝杠上设置有当传动丝杠转动时能沿其直线运动的丝母，所述模拟电极系与丝母相连接。
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