CN1712995A - 强聚焦双侧向测井仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用电流聚焦原理测量井孔周围介质电阻率的新型双侧向测井仪。本发明的结构组成主要包括绝缘短节、电子线路部分和电极系组成。其技术创新部分在于：所述的电极系包括一个主电极，并以主电极为中心，和相互对称的监督电极、屏蔽电极、辅助监督电极以及回路电极组成。与之配合的电子线路部分包括逻辑和深侧向参考电路、深侧向驱动电路、浅侧向参考电路、浅侧向驱动电路、电压前置放大电路、电流前置放大电路、测量及控制电路、刻度电路、电压补偿电路、平衡监控电路组成。该仪器增加了具有双层屏蔽的浅侧向和三层屏蔽的深侧向强聚焦模式。可以在大井眼、高矿化度泥浆、高电阻率地层情况下，减少井眼影响，更精确地反映地层电阻变化。可适应各种水基泥浆，各类不同地质条件下正常测井，可以取代各种双侧向测井仪器，具有广泛推广使用前景。

Description

强聚焦双侧向测井仪

一.技术领域：本发明涉及一种利用电流聚焦原理测量井孔周围介质电阻率的新型双侧向测井仪。

二.背景技术：双侧向测井仪是测量地层电阻率，研究地层径向电阻率变化，计算含油饱和度，确定可动油多少的主要测井仪器。其主要包括绝缘短节、电极系和电子线路部分组成。这类仪器的电极系深侧向是双层屏蔽聚焦模式，探测深度约在1.3米左右；浅侧向为单层屏蔽聚焦模式，浅侧向的探测深度为0.457-0.6米。随着石油勘探开发的发展，大井眼、小井眼钻井越来越多，钻井泥浆矿化度差别很大，常规的双侧向测井仪器存在一些固有问题，已经不能满足地质家的要求。

利用双侧向测井资料研究径向电阻率变化，求真电阻率，要求深侧向探测深度要尽可能大，浅侧向探测深度要适当，深、浅侧向的探测深度差别越大，地质效果就越明显。然而目前使用的阿特拉斯1229双侧向测井仪，在小井眼测井中地质效果比较明显，当它用到较大的井眼、泥浆矿化度较高的地层测井时，浅侧向曲线受偏心影响，随着井眼的增大而变坏，不能反映侵入带地层的真实情况。斯伦贝谢的双侧向测井仪的浅侧向探测深度为0.6米，这种仪器在测井过程中受偏心影响要比1229双侧向测井仪小得多，在大多数普通井眼中均能获得较好的地质效果。但在小井眼测井中，由于浅侧向探测深度较深，往往出现深、浅侧向曲线类同现象，在渗透性地层中并无差异，失去了浅侧向的测井目的。而在特大井眼、高矿化度井中测井，浅侧向受偏心影响，浅侧向曲线同样存在严重失真现象，虽然比1229双侧向测井仪大有改善，但还是不能反映侵入带地层的真实情况。

目前的双侧向测井仪器深侧向供电回路电极是远离仪器供电电极(仪器外壳)28米远的电缆外皮。随着测井仪器组合能力的不断提高，各种仪器组合后的总长可达数十米，双侧向仪器工作在组合仪器的下部。在测井时，当仪器回路电极进入金属套管时，双侧向的记录点还在离套管口数十米远的地层中。随着仪器的提升，深侧向受金属套管的短路作用，对深侧向的测井曲线影响加大，最后导致在套管口以下的一段地层测井曲线严重失真。在一些井中套管口下部正好是油层的顶部。为减少影响，在这些井中只能单独测量浅侧向，增加下井次数。但在套管口下十米以内仍然得不到满意的地质效果，失去了双侧向测井的使用价值。

三.发明内容：双侧向测井仪的工作环境十分复杂，要求仪器动态范围大(0.1Ω·m～10000Ω·m)、精度高、耐温高、耐压大。要求仪器的供电系统在所测地层范围内满足整个测量系统保持在线性范围之内，从而保证测量范围和测量精度。本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题，提供一种强聚焦双侧向测井仪。

本发明的结构组成主要包括绝缘短节、电极系和电子线路部分组成。其技术创新部分在于：所述的电极系包括一个主电极，并以主电极为中心，和相互对称的监督电极、屏蔽电极、辅助监督电极以及回路电极组成。与之配合的电子线路部分包括逻辑和深侧向参考电路、深侧向驱动电路、浅侧向参考电路、浅侧向驱动电路、电压前置放大电路、电流前置放大电路、测量及控制电路、刻度电路、电压补偿电路、平衡监控电路组成。所述的逻辑和深侧向参考电路由晶振分频电路、方波发生器、有源滤波电路构成，产生深侧向32Hz、浅侧向128Hz的时钟信号并为深侧向驱动电路提供32Hz的正弦波参考信号。所述的深侧向驱动电路由运放电路、功率放大电路构成，产生深侧向32Hz的正弦波屏流信号。所述的浅侧向参考电路由方波发生器、有源滤波电路构成，产生浅侧向128Hz的正弦波参考信号。所述的浅侧向驱动电路电路由运放电路、功率放大电路构成，产生浅侧向128Hz的正弦波屏流信号。所述的电压前置放大电路由运放电路、有源滤波电路构成，对深、浅电压信号进行探测、分离、放大。所述的电流前置放大电路由运放电路、有源滤波电路构成，对深、浅电流信号进行探测、分离、放大。所述的测量及控制电路由相敏检波电路、开关电路构成，提供深浅侧向电压电流测量信号和反馈控制信号。所述的刻度电路由控制继电器和刻度电阻构成，用于刻度和测井的状态切换并为刻度状态提供标准电阻。所述的电压补偿电路由功率放大电路、开关电路构成，控制浅侧向的模式选择并提供屏蔽电极间的补偿电压。所述的平衡监控电路由高增益混合放大电路、采样电阻构成，保证主电流与屏流相位相同并使监督电极等电位。

强聚焦双侧向测井仪是通过对各种常规双侧向在使用过程中暴露出的问题进行总结分析，在保持双侧向测井的优点的基础上，针对实际中存在的问题而研制的产品。该仪器保留了常规双侧向探测深度最浅的标准模式，增加了具有双层屏蔽的浅侧向和三层屏蔽的深侧向强聚焦模式。标准模式可以保证普通井眼及小井眼测井，有利于研究径向电阻率变化。强聚焦可以在大井眼、高矿化度泥浆、高电阻率地层情况下，减少井眼影响，更精确地反映地层电阻变化。深侧向通过格罗宁根模式测井，可以保证仪器在套管口附近也能精确测量地层电阻率。仪器的电路采用了先进的多种监控电路系统，并提供了格罗宁根及相移校正信息，使仪器的测量精度和动态范围均有进一步的提高，仪器电路和电极的材料均选用了耐温200℃以上的产品，仪器的耐温、耐压、动态范围、测量精度均不低于国外同类仪器水平，该仪器可适应各种水基泥浆，各类不同地质条件下正常测井，并取得比任何常规双侧向更满意的地质效果，可以取代各种双侧向测井仪器，具有广泛推广使用前景。

四.附图说明：

图1强聚焦双侧向测井仪结构示意简图

图2电极系的分布位置简图

图3强聚焦双侧向测井仪电子线路部分原理框图

图4逻辑和深侧向参考电路原理图

图5深侧向驱动电路原理图

图6浅侧向参考电路原理图

图7浅侧向驱动电路原理图

图8电压前置放大电路原理图

图9电流前置放大电路原理图

图10测量及控制电路原理图

图11刻度电路原理图

图12电压补偿电路原理图

图13平衡监控电路原理图

五.具体实施方式：

参照附图1，强聚焦双侧向测井仪主要组成包括马龙头1、绝缘短节2、电极系4和存放电子线路部分的壳体3组成。供电和测量是通过完整的电子线路来完成的，测井状态时必须与强聚焦双侧向测井仪电极系和绝缘短节组合使用。

参照附图2，电极系的电极环安装在橡胶绝缘外壳上，一个主电极1#为中心，两侧对称分布着两组监督电极2#、3#，一组屏蔽电极4#，一组辅助监督电极4A#，一组屏蔽电极5#。

参照附图3，深侧向驱动电路提供出32HZ的深屏流，供电电流通过4#电极，电压补偿电路和浅侧向驱动电路，使4#、5#电极电位相等向地层提供屏流，形成三层屏蔽供电，在2#、3#电极的控制下，通过平衡监控电路到1#电极向地层供主电流。在平衡状态下，2#、3#电极的位差为0。在标准模式时，主电流和屏蔽电流通过远电极鱼雷返回，在格罗宁根模式时从仪器的底部电极返回。浅侧向驱动电路向5#电极并通过电压补偿电路的作用，使5#电极和4#电极等电位同时向地层提供出128HZ正弦波电流，4#、5#电极的电位始终在4A#电极的监控下通过电压补偿电路保持4#、5#电极电位相等，形成不受围岩和泥浆影响的双层屏蔽供电。在2#、3#电极的控制下，通过平衡监控电路到1#电极向地层供主电流，使2#和3#电极等电位，主电流和双层屏流都是通过6#电极返回。深侧向、浅侧向屏流供电的大小，均在各自的电压测量信号和主电流的测量信号经加权运算后的电压控制下，各信号“权”的选择就是要使向地层供出的电流在0.2Ω·m～40000Ω·m间，电流变化的倍数略等于测量电压变化的倍数。各测量道保持在最佳的线性区工作。深浅侧向供电在平衡监控电路和电压补偿电路的控制之下，达到动态平衡后通过测量道完成各自的处理，转换成相应的直流信号，提供给数据接口采样。主电流测量是在主电流供电回路中串联一个0.1Ω的取样电阻，将电流转换成电压，经放大选频处理后，通过相应的相敏检波得到深电流的测量信号ID和浅电流的测量信号IS。浅电压测量是测量2#电极到鱼雷间128HZ的电压信号经放大和128HZ选频及128HZ相敏检波得到浅电压信号ES，深电压测量是测量2#电极到地面电极N的电玉经放大，32HZ选频经0相角相敏检波得到电压测量信号ED，经90°相角相敏检波得到电压测量信号QED，仪器工作无相移时，QED为0。当存在相移时QED随相移的增加而加大，QED可以对ED信号因相移的偏差进行校正。辅助电压测量，当深侧向在标准模式时，测量2#电极到底部电极间的电压经放大32HZ选频、32HZ相敏检波得到辅助电压测量信号LED。LED信号可对深侧向测量的参考电极N受到干扰造成测量偏差时进行校正。经测量道得到的所有直流信号，均可应用3503、3506、3516等PCM通信接口将直流转换成数字量传送到地面，地面数控系统按常规双侧向处理方法得到强聚焦的深浅双侧向曲线。

参照图4，逻辑和深侧向参考电路由晶振分频电路、方波发生器、有源滤波电路构成，提供所有的时钟信号并为深侧向驱动电路提供参考信号。U1、U2、U3及其外围电路是数字电路部分，524.288KHz的高频信号经U2分频成128Hz信号，一路通过U4得到浅侧向时钟信号QS、-QS，另一路经U3分成32Hz信号同时得到相移90°的32Hz信号，再通过U4产生实际的深侧向时钟信号QD、-QD、QD90、-QD90。深侧向时钟信号经过U5开关电路成为双极性方波信号，最后通过有源滤波电路形成32Hz的正弦波，为深驱动电路提供参考信号。

参照图5，深侧向驱动电路由运放电路、功率放大电路构成，产生深侧向32Hz的正弦波屏流信号。运放U1和功放U2组成恒流源电路，U2的输出就是深屏流。

参照图6，浅侧向参考电路由方波发生器、有源滤波电路构成，产生浅侧向128Hz的正弦波参考信号。增强模式和标准模式根据信号“ENH/STD”确定，这个信号控制开关电路U1，同时控制U2的一部分。由U3、R10、R15、U2组成的开关电路形成双极性128Hz方波，再经过有源滤波电路形成正弦波信号，做为浅侧向参考信号。

参照图7，浅侧向驱动电路由运放电路、功率放大电路构成，产生浅侧向128Hz的正弦波屏流信号。根据操作模式的不同产生实际的浅侧向电流源或电压源。

参照图8，电压前置放大电路由运放电路、有源滤波电路构成，对深、浅电压信号进行探测、分离、放大，为相敏检波电路提供电压测量信号。为了测量ED、LED、ES，共有三路信号都各自经过一个集成电路放大，通过有源滤波电路分别得到深、浅电压信号。

参照图9，电流前置放大电路由运放电路、有源滤波电路构成，对深、浅电流信号进行探测、分离、放大，为相敏检波电路提供电流测量信号。电流信号经过U1放大分成两路，分别经过两个有源滤波电路得到128Hz和32Hz的深浅电流测量信号。

参照图10，测量及控制电路由相敏检波电路、开关电路构成，提供所有波形的调整和滤波输出并为参考电路提供反馈控制信号。这个系统电路提供6个直流电压测量信号：深电压ED、深电流ID、浅电压ES、浅电流IS及QED、LED。每路都通过相同电路即通过相敏检波变压器、开关电路检波滤波后得到测量信号直流量。ED、ID、ES、IS又经过组合产生反馈信号V2DD、V2S、V2DS。

参照图11，刻度电路由控制继电器和刻度电阻构成，用于刻度和测井的状态切换并为刻度状态提供标准电阻，并能根据不同组合变换部分电路接法。仪器刻度状态是将屏流与电极系断开，使各屏蔽电流流过刻度电阻，系统内部刻度信号的各参考点接通。高刻时继电器KL3、KL4换挡至常开状态，低刻时KL1、KL2换挡至常开状态，测量系统测出标准电阻上的电压和电流值。继电器KN1控制SW1在与不同的仪器组合时变换位置。

参照图12，电压补偿电路由功率放大电路、开关电路构成，控制浅侧向的模式选择，根据浅模式的不同调整电路，提供4#、5#电极间的补偿电压，板上U1位置确定是浅标准模式还是浅增强模式，U2、U3及其外围电路组成电压补偿电路，在增强模式保证5#、4A#电极等电位。

参照图13，平衡监控电路由高增益混合放大电路构成，保证1#、2#、3#电极等电位同时为电流测量提供采样电阻。平衡监控电路运用直接放大的方式，把监督电极2#、3#上的电位经过放大自动调节主电流的大小，使二者电位差趋于零，以达到平衡的目的。电路实现对主电流供电电流的补偿，确保主电流与屏流的相位相同并且使2#、3#电极电位相等。

1、浅侧向有两种操作模式：

a.浅标准模式：保持常规双侧向浅侧向一样的测井模式选用的探测深度为常规双侧向浅探测最浅的一种，其探测深度为0.457米，运用于小井眼测井，有更好的地质效果。

b.浅增强模式：将标准模式中浅侧向的回路电极5号电极转换为第二屏蔽电极，形成对主电流的双屏蔽，第二屏蔽电极是仪器线路的外壳，在2.5米左右。由于有较长的第二屏蔽电极，在大井眼、高矿化度泥浆井中，泥浆分流的影响全被第二屏蔽电极所补偿。主电流在双层屏蔽的作用下大大增强了聚焦强度。使主电流按深侧向的轨迹流进地层，加强了浅侧向的探测深度。为了使浅侧向主电流流进地层后尽快发散(只要求流过侵入带)，在第二屏蔽电极的上端设有绝缘短节，其绝缘长度为15公分左右。绝缘短节上端为仪器的6号电极，它是浅增强模式的回路电极。6号电极是仪器通讯电路的外壳，其长度在2米以上。由于6号回路电极的作用，主电流进入地层后得到了快速发散，它的探测深度还是远小于深侧向。最终浅侧向的探测深度为0.787米。

2、深侧向也有两种操作模式：

a.深标准模式：强聚焦双侧向深侧向在常规深侧向两个屏蔽电极的基础上增加了一个绝缘柱后组成三个屏蔽电极，其探测深度得到进一步加深。当深侧向供电的回路电极为加长电极(28米)上端的鱼雷时，就构成深标准模式。深标准模式探测深度最深(1.397米)，在通常情况下一般采用深标准模式。

b.深格罗宁根模式：深侧向供电电极不变，把回路电极(鱼雷)切换到仪器最下端的格罗宁根电极时，就构成了格罗宁根模式。在格罗宁根模式测井时，只要仪器的主电极系不进入套管，供电和测量系统均能正常工作。因此，在套管口附近也能精确测量地层的电阻率，这是常规双侧向测井仪器办不到的。

3、采用多个反馈控制电路提高了仪器的测量动态范围和测量精度。深侧向和浅侧向的供电系统均受各自的主电流测量信号和测量电压的同时控制。通过正确选择各自的控制强度，使整个仪器在0.2Ω·m～40000Ω·m范围内电流的变化倍数近似等于测量电压的变化倍数，从而保证在0.2Ω·m～40000Ω·m范围内电流测量电路和电压测量电路始终保持在线性工作范围之内，提高了仪器的动态范围和精度，达到恒功率控制的效果，可去掉恒功率控制电路，仪器可以不用保温瓶而长时间在较高温度下工作。

在双层屏蔽的4号电极和5号电极之间增加了监控补偿电路，确保双屏蔽电极之间的电位不受围岩和泥浆矿化度的影响，从而保证仪器测量结果不受围岩和泥浆矿化度的影响，提高目的地层的精度。

4、仪器可以提供格罗宁根效应的校正值。在深侧向的参考电极电位受到格罗宁根干扰时进行校正，确保深侧向值的准确性。

5、仪器在测量电路中运用了零相角相敏检波的同时，增加了90度相位的相敏检波。当仪器在测井过程若产生了相移，可以通过90度相位的相敏检波值进行校正，从而消除因相移带来的测量误差。

Claims (11)

1.一种强聚焦双侧向测井仪，包括绝缘短节、电子线路部分和电极系组成，其特征是：所述的电极系包括一个主电极，并以主电极为中心，和相互对称的监督电极、屏蔽电极、辅助监督电极以及回路电极组成，所述的电子线路部分包括逻辑和深侧向参考电路、深侧向驱动电路、浅侧向参考电路、浅侧向驱动电路、电压前置放大电路、电流前置放大电路、测量及控制电路、刻度电路、电压补偿电路、平衡监控电路组成。

2.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的逻辑和深侧向参考电路由晶振分频电路、方波发生器、有源滤波电路构成，产生深侧向32Hz、浅侧向128Hz的时钟信号并为深侧向驱动电路提供32Hz的正弦波参考信号。

3.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的深侧向驱动电路由运放电路、功率放大电路构成，产生深侧向32Hz的正弦波屏流信号。

4.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的浅侧向参考电路由方波发生器、有源滤波电路构成，产生浅侧向128Hz的正弦波参考信号。

5.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的浅侧向驱动电路电路由运放电路、功率放大电路构成，产生浅侧向128Hz的正弦波屏流信号。

6.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的电压前置放大电路由运放电路、有源滤波电路构成，对深、浅电压信号进行探测、分离、放大。

7.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的电流前置放大电路由运放电路、有源滤波电路构成，对深、浅电流信号进行探测、分离、放大。

8.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的测量及控制电路由相敏检波电路、开关电路构成，提供深浅侧向电压电流测量信号和反馈控制信号。

9.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的刻度电路由控制继电器和刻度电阻构成，用于刻度和测井的状态切换并为刻度状态提供标准电阻。

10.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的电压补偿电路由功率放大电路、开关电路构成，控制浅侧向的模式选择并提供屏蔽电极间的补偿电压。

11.根据权利要求1所述的强聚焦双侧向测井仪，其特征是：所述的平衡监控电路由高增益混合放大电路、采样电阻构成，保证主电流与屏流相位相同并使监督电极等电位。

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