套管油井中测量地层电阻率的方法研究

套管油井中测量地层电阻率的方法研究
黄向东;马辉;王宗锐
【摘要】通过对已有过套管测量地层电阻率测量技术的研究,结合目前比较成熟的测井仪器设计经验,建立了过套管电阻率测井系统的数学模型;利用节点电压法推算出过套管电阻率的测量公式,设计了过套管测地层电阻率微弱信号采集系统；使用该测井系统采集各测量电极的微弱电压信号,并将采集到的各电极电压参数及发射电流代入过套管电阻率测量公式推导,运算结果表明该方法测量数据准确度高,达到了电阻率微弱信号检测的要求;在石油测井领域地层电阻率测量中具有一定的实用性和推广价值.%According to the research on the existing measuring technology of formation resistivity in the steel casing wells, combined with the designed experience of logging instrument which is more mature, the mathematical model of the resistivity logging system through the casing is established, the measurement formula of resistivity in the steel casing is calculated by the node voltage method, and the acquisition system of weak signal of layer resistivity measuring through the casing is designed. Each weak signal of voltage acquired by this logging system , as wells each collected voltage and current are calculated in the measurement formula of resistivity logging system through the steel casing wells. The experimental results show that this method has a high accuracy of measuring data and reaches the detection requirements of the weak signal of resistivity, which has a certain practicality and promotional value in the measuring technology of formation resistivity in the steel casing wells.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2012(020)004
【总页数】3页(P933-934,958)
【关键词】地层电阻率;套管井;微弱信号检测;Σ-△;测井仪器
【作者】黄向东;马辉;王宗锐
【作者单位】西安科技大学电气与控制工程学院,陕西西安710054;西安科技大学
电气与控制工程学院,陕西西安710054;西安思坦仪器股份有限公司,陕西西安710065
【正文语种】中文
【中图分类】TH873.7
0 引言
测量地层的电阻率是探明油层的油量储备情况以及油层分布情况的一种重要的方法。

在已经下过套管的油井中，由于套管对电流的导电作用，很难对地层进行电阻率的测量。

但是在许多老井中，由于时间的推移以及前期进行裸眼井测量时技术的差异，许多油层并未被发现，在油气资源日渐枯竭的今天，对套管井进行重新测量以寻找剩余油就显得很有必要。

现有技术方法是对套管井施加电流，以多个测量电极以及多步的测量先确定套管的电阻率，然后再求出地层的电阻率。

这种技术要求测量电极对称放置，并且当套管电阻发生变化时，对油井周围地层的测量值会有较大的失真，需要一定的校正方法对这种情况进行校正[1－2]。

1 过套管电阻率测井原理
金属套管的电阻率要比地层电阻率低得多，所以大部分电流在金属套管中流动，但是仍然有极小部分电流透过金属套管进入地层。

如果能够检测流入地层的电流，就可以得到地层的电阻率信息。

过套管电阻率测井原理就是通过测量套管上的电压降达到测量地层电阻率目的。

测量原理如图1所示。

图1 测量原理图
如果有电流注入套管，大部分电流会沿套管向上或向下流动，只有一小部分的电流泄露到周围地层。

如果在z处的套管电流为I 1＝I（z），在z＋Δz处的套管电流I 2＝I（z＋Δz），那么在Δz距离内，泄露到周围地层的电流ΔI＝I（z＋Δz）－I （z）。

如果能够测得Δz中点附近的电位值U 0，就可以计算出地层的电阻率，
公式如下[3－5]：
2 过套管电阻率测井方法研究
依据过套管电阻率测量原理，建立如图2所示测井模型。

图2 过套管电阻率测井模型
电流源2提供测井用电流，电流大部分在油井套管3中流动，但是也会有微小的
泄露电流透过地层传输到回流电极1，4是连接井下电极与地面电源的供电与通信电缆，6为连接套管的接箍，接箍是连接两节套管的一个装置。

8是连接井下各个电极的电缆。

利用地面电源将电流通过电缆传至井下，对两个电流电极5和9进
行轮流供电，测量电极系7（包括M1、N、M2）的各点电压。

建立如图3所示
数学模型。

图3 过套管电阻率测井数学模型
A、B点分别为上下电流电极与套管接触的点，M1、N、M2分别为三个测量电极与套管接触的点，σA、σM1、σN、σM2、σB 分别为各接触点所对应地层的电导，
σAM 1、σM1 N、σNM 2、σM2B 分别为各接触点之间套管的电导，Ia、Ib分别为上下两个电流电极供电时供给电流的大小，U N为中间测量电极所对应的电位，U AN、U BN分别为电流电极相对于中间电极的电位，U M 1 N、U M 2 N分别为上下两个测量电极与中间测量电极之间的电位差，K为单刀双掷开关，控制分时向两个电流电极供电，S为电流源。

σN最终需要计算得出的结果。

这样建立模型的优点为：将各电极之间的套管的电阻作为一个整体进行计算，避开了套管电阻因为各种原因发生变化而引起的计算结果的变化，并且基于同样的原理，各个电极可以随便放置而不需要进行对称放置。

当上电流电极通以大小为Ia的电
流时，对各接触点列节点电压方程如下：
其中，U Aa、U M1a、U Na、U M2a、U Ba 分别为上电流电极供电时，各接触点的电位，U AM 1a、U M1 Na、U NM 2a、U M 2Ba 分别为上电流电极供电
时各接触点之间的电位差，Ia为上电流电极供给电流的大小。

同理，当下电流电极供给大小为Ib的电流时，可以对各节点列节点电压方程如下：
其中的标号意义与上电流电极供电时意义相同，只是上电流电极供电时用a标号
表示，下电流电极供电时用b标号表示。

用各节点与中间测量电极之间的电位差来替换出各节点之间的电位差，其表达式如下：
将此表达式代入到由上下电流电极供电而分别得到的节点电压方程组并将两个方程组进行合并，可以得到如下的方程组：
求解冗余方程组并对求解结果进行平均，根据实际的视电阻率（K为仪器系数），
可以得到最终的结果为：
需要测量的值为中间测量电极的电位，其余各接触点与中间测量电极之间的电位差，由于各接触点之间的电阻并没有在公式中体现出来，所以与测量结果无关，这样就在使得可以随意地改变各个电极之间的距离并且套管的电阻变化对最终的结果也没有影响。

为了不损失精度，在计算各个接触点之间的电位差时，并不是直接进行采样计算，而是经过差分放大电路进行处理后再进行采样处理与结果的计算。

3 过套管测地层电阻率信号采集系统设计
过套管测井的测量信号水平非常低，与其它测井仪器相比，它的信号要小10到100倍，是极微弱信号，幅值极低，一般在纳伏级。

因此要求数据采集系统尽可
能简单，信号流经的中间环节电路越少越好。

如果中间环节电路过多，会引入附加误差、漂移、增加成本，并使电路变得复杂而降低系统的性能[6]。

图4 微弱信号检测系统框图
信号检测的初期需要对这个极微弱信号进行低噪声前置放大，然后对放大后的信号进行处理。

为保证测量信号的精度，前置放大电路采用低噪声前置放大电路，否则会由于前置放大器本身的噪声使原来被噪声淹没的信号淹没得更深。

放大后的信号是模拟信号，首先要对它进行模数转换，且需要很高的转换精度。

分辨率问题主要体现在模数转换技术上，传统的转换方法有双积分、逐次比较、V－
F等等。

事实证明，传统的方法或是在理论上受到限制，或是在工艺上存在困难，基本上无法达到20位以上的分辨率指标。

∑－Δ技术的检测方法采取增量调制式（简称为Δ），而其电路结构运用积分反馈求和式（简称为∑），因而选用了一种美国AD公司推出的一款基于∑－Δ技术的高分辨率24位模数转换器进行测量。

此AD内部具有自校准、系统校准和背景校准等功能。

自校准能消除芯片本身的零点误差和增益误差，系统校准能消除输入通道的失调和增益误差，背景校准能消除
温度漂移、电源波动和时间漂移的误差。

这些校准均由微控制器的软件来实现。

4 结论
在过套管测地层电阻率信号采集系统的硬件基础上，测量各电极的微弱电压信号，利用推算出的电阻率公式对地层电阻率进行了测量，得到的电阻率数据准确度高，达到了检测地层电阻率的要求。

测量结果的正确性证明了式（1）的适用性、可靠性以及信号采集系统的稳定性。

提出的方法可以在过套管电阻率测井仪器中推广应用，并对于在套管井中的重新测量以寻找剩余油具有重要意义。

【相关文献】
[1] 吴银川，张家田，严正国.过套管地层电阻率测井技术综述 [J].石油仪器，2006，20 （5）：1－5.
[2] 包德州，程希.过套管电阻率测井技术研究 [J].西安石油大学学报，2002，22 （5）：41－46.
[3] Kaufman A A.Wightman W E.A Transmission－line Model for Electrical Logging through Casing [J].Geophysics，1993，58（12）：1739－1747.
[4] Vail W B.Formation Resistivity Measurements through Metal Casing at the MWXO2 in Rifle [A].Colorado SPWLA 36th Annual Logging Symposium [C].June 26－29，1995.
[5] 高杰，刘福平.过套管电阻率测井方法研究 [J].测井技术，2007，31 （3）：229－232.
[6] 高晋占.微弱信号检测 [M].北京：清华大学出版社，2011.。