阵列感应测井方法和技术进展

阵列感应测井方法和技术进展

前言：就目前而言，测井的方法种类繁多，并且趋于系列化。其基本的方法有电、声、放射性测井三种。此外还有特殊方法，如电缆地层测试、地层倾角、成像、核磁共振测井。当然还存在其他形式的测井方法，如随钻测井。然而每种方法都只能反映岩层地质特性的某一侧面。在实际运用中应当综合地应用多种测井方法。[1] 阵列感应测井技术始于20世纪90年代初。阵列感应测井技术的原理是利用阵列在接受线圈集中在一侧的好处可大大缩短仪器长度。目前广泛应用的阵列感应测井有斯仑贝谢的AIT-A和AIT-H、Baker Altas的HDIL以及哈里伯顿的HRIA等。与传统的双感应和双侧向相比，具有测量信息多、分辨率高、探测深度大、反映侵入直观等优点。

一、国内外研究及应用现状

感应测井仪器经历了双感应测井、聚焦感应测井、阵列感应测井仪器等几个发展阶段[2]。感应测井解决了淡水和油基泥浆井中的电阻率测量问题，由于早期的普通电阻率测井、侧向测井，只能在导电的泥浆中进行测量，有时为了获取地层原始含油饱和度信息，需要用油基泥浆或空气钻井，针对这个问题，1949年Doll提出了感应测井及其在油基泥浆井中的应用理论，该理论的根据是电磁感应原理。如果忽略趋肤效应的影响，则依据电磁场Maxwell方程就可以推导出Doll几何因子表达式。1962年研制出具有商用价值的双感应测井仪器，但是该测井仪器在实际应用中出现了很多问题，例如不能进行薄层分析，分辨率低，受井眼、侵入、围岩以及趋肤效应环境影响严重等，这些不足导致测井曲线不能反映实际的地层信息。

作为一维的测量和处理方法，传统的聚焦感应测井方法不能有效地消除二维的井眼、围岩，侵入等环境影响以及趋肤效应的影响。为了解决测井方面遇到的问题，二十世纪九十年代出现了新的测井方法和测井仪器——阵列感应测井方法和阵列感应测井器。该测井方法在测井过程中易于获取丰富的井下地层信息。这种测井方法不仅能有效地消除二维的环境影响，获取地层的真电导率[3]，而且使感应测井的应用范围更广泛，进行薄层分析和复杂的侵入解释，对油气储藏的准确评价具有重要的作用。

1984年，BPB公司率先推出了商用的阵列感应测井仪器（Array Induction Sonde，AIS），该仪器采用一个发射线圈和四个接收线圈的结构。主接收线圈的间距是根据传统感应测井线圈系间距设计的，采用了单频率的工作方式，所有的接收信号经数字化后再传送到地面，由地面计算机进行处理。由于径向和纵向特性不可能分别达到最优，因此它的二维特性不是最优的。1990年斯伦贝谢（Schlumberger）公司推出了阵列感应成像测井仪器（Array Induction Tool，AIT）。最初其推出的

仪器称为AIT-B型，线圈系由一个主发射和上下非对称布置的8个接收线圈系组成。这8个线圈系都由一个主接收线圈和一个屏蔽接收线圈系组成。由于实际测井中往往会出现仪器不匀速、仪器遇卡以及仪器组合长等问题。1995年，该公司又研制出了井场适用最优的阵列感应测井仪器AIT-H型，该仪器继续保留了5种探测深度和3种分辨率的合成曲线，接收线圈系布置为单侧，使仪器的长度不超过5m，以便适应仪器的组合要求，使鼠洞的深度减小。同时其工作频率减少到一个（26.325kHZ）。该仪器还安装了加速度计测量仪器，可以用来解决井下仪器不匀速的问题。除此以外，还安装有串接球形电极和井径仪，分别用来测量泥浆电阻率和井径。这些使得该仪器能准确自适应井眼校正，具有遇卡处理能力。

1996年，阿特拉斯（Atlas）测井公司推出了高分辨率阵列感应测井仪器HDIL。HDIL是一种全数字化、全谱感应测井仪器，其线圈系由7个单侧布置的三线圈系子阵列组成，所有子阵列同时接收8种频率（10 kHz、30 kHz、50 kHz、70 kHz、90 kHz、110 kHz、130 kHz和150kHz）的时间序列波形，波形从模拟经过采样、量化、编码为数字化后送到地面，地面经过快速傅里叶变换将波形分解为实部和虚部信号，即每个测量深度点有112个信号；通过软件聚焦合成具有三种纵向分辨率（0.3m，0.6m 和1.2m）、六种径向探测深度（0.254m，0.508m，0.762m，1.524m，2.286m和3.048m）的响应曲线。该仪器具有井斜校正，由于井下接收波形需要进行堆栈处理，因此其抗干扰能力较强，而且易于诊断曲线的异常和控制曲线的质量。

2000年，Halliburton公司继其高分辨率感应测井仪器HRI之后，研发出了新型阵列感应测井仪器HRAI，该仪器也属于高分辨率测井仪器，它的线圈系以原高分辨率双感应仪器为基础，由四个线圈系组成，主发射线圈位于中部，上下分别布置了5个接收线圈，工作频率有8kHz和32kHz两种，这样实部信号和虚部的信号就可以同时测量得到。井下的数字电路将模拟数据数字化后传到地面处里。除测量感应数据以外，还能测量泥浆电阻率、仪器加速度、仪器内部温度、井径和自然电位。

2003年，中国石油集团测井公司研制成功的阵列感应测井仪器MIT，与西方斯伦贝谢公司的阵列感应测井仪器AIT类似，个3线圈的子阵列组成了其线圈系，其工作频率有三种（25.325kHz、52.65kHz和105.3kHz），五种径向探测深度（0.25m，0.50m，0.75m，1.50m，2.25m）和三种纵向分辨率（0.3m，0.6m和1.2m）的合成曲线是利用软件聚焦得到的。MIT测井仪器的信号处理结果比AIT更加稳定可靠。

三分量感应测井仪器的发射线圈由3个沿ｘ、ｙ和ｚ3个方向且相互正交的磁偶极子和5个接收线圈组成。[4]3个相互正交的接收线圈分别接收ｘ、ｙ和ｚ3个方向的信号,另外两个分别接收ｘｙ和ｘｚ交叉耦合分量,从而完全测量各向异性张量矩阵中的9个分量,这种仪器也称为三分量感应测井仪器,其目的是测量交互薄层和各

向异性地层的电阻率。贝克-阿特拉斯公司2000年率先推出三分量感应测井仪器,称为3ＤＥｘｐｌｏｒｅ或3ＤＥＸ。与常规感应仪器的发射和接收线圈平行于井轴放置方式不同,3ＤＥＸ使用三对发射-接收线圈对,一对平行于井轴,测量常规磁场分量Ｈｚｚ,用于推导地层水平电阻率Ｒｈ;另外两对相互正交,且垂直于井轴,测量磁场的垂直分量Ｈｘｘ和Ｈｙｙ,用于推导地层垂直电阻率Ｒｖ。2004年,Ｓｃｈｌｕｎｂｅｒｇｅｒ公司研制出一种新的三分量感应测井仪器,它由3个正交发射线圈、3个沿ｚ方向的短接收线圈和6组全三轴正交的接收线圈组成。比Ａｔｌａｓ的三分量感应有很大的改进。①三轴正交发射和接收线圈做到在同一位置,Ａｔｌａｓ的三轴是分离的;②三个常规短子阵列用于井眼校正。三分量感应中,井眼影响是必须考虑的重要因素,是测量误差的重要来源;③6组三轴正交的接收线圈组成阵列感应阵列,其ｚ方向信号合成阵列感应的5种不同探测深度曲线,便于侵入分析以及与常规阵列感应测井结果比较;④2个工作频率,覆盖较宽的地层电阻率范围。Ｓｃｈｌｕｎｂｅｒｇｅｒ公司设计三分量感应测井仪器的最初目的是确定地层电阻率的各向异性、测量地层倾角、产生井眼周围的地质成像。其仪器称为新一代阵列感应测井仪器。事实上,新的三份量感应测井仪器提供234条曲线,其信息不但供测井岩石物理学家使用,而且地质学家也可使用。现场算法提供地层各向异性电阻率、侵入参数、倾角和方位,以及标准阵列感应测井曲线。计算中心通过1Ｄ、2Ｄ和3Ｄ反演处理提供高分辨率的各向异性电阻率。其井眼周围地层电阻率成像对了解储层结构十分有用。

二、阵列感应测井方法的原理

阵列感应测井是以电磁感应原理为理论基础，它是通过在发射线圈中加一个幅度和频率恒定的交流电时，这个电流将在周围介质中产生一个交变磁场，这个交变磁场在介质中形成以井轴为中心的环形涡流，其强度与地层的电导率成正比，而涡流又会产生二次交变电磁场，在接收线圈中又会产生感应电动势，该电动势的大小与涡流强度有关，即与地层的电导率有关。[5]