随钻电阻率测量技术研究(一).

随钻电阻率测量技术研究(一)

随钻电阻率测量技术研究张振华摘要：随钻测井LWD(logging while drilling)是在钻井的过程中，同时进行的用于评价所钻穿地层的地质和岩石物理参数的测量，主要有电阻率、放射性、声波及核磁等随钻测井技术。本文简要的介绍了贝壳NAVITRAK的结构组成；主要分析了补偿式天线和电阻率电子部分的工作原理。关键词：LWD；电阻率（MPR）；衰减；相位；SONDE；PADDLE 1 前言由于油田区块的开发己经到了中后期，为了开发薄油层以及残余油，地质导向仪器己经变得相当重要。另外这些区块的地质构成及地层描述都已相当清楚，再利用邻井的测井资料，就可以定性和定量描述开发地层的地质构成、各层位的孔隙度、地层骨架的岩性及密度。在这种情况下，只要使用MWD+自然伽玛+电阻率组成的LWD，就可以满足定向轨迹测量和地质导向的要求。图1 贝壳休斯LWD井下仪器示意图 2 NAVIMPR仪器简介贝克休斯公司（Baker- Hughes）的随钻测井系统NAVIMPR的井下仪器主要由脉冲发生器（UPU）、探管（PROBE）、M30短节、MPR电阻率和井斜伽玛（SRIG）几大模块组成，探管由整流模块（SNT）、驱动模块（SDM）、存储器（MEM）、定向模块（DAS）和伸展电子连接头（EEJ）等组成，仪器总长13. 02 m。井下仪器示意图如图1所示。仪器中有一个涡轮发电机，钻井液冲击涡轮产生交流电，经SNT整流后，供给各个电路模块。MPR( Multiple Propagation Resistivity )有4个发射极、2个接收极，可以发射和接收频率为2 MHz和400 kHz的两种脉冲，考虑到相位延迟和衰减，共可接收32种脉冲信号。由4个发射极向地层分别发射2 MHz和400 kHz的电磁波，不同岩性的地层对电磁波的相位延迟或衰减不同的，从而通过泥浆脉冲经过地而传感器传到地面设备中，进行解

码。MPR技术的引进提高了电阻率测量的精度，增强了薄层及其流体界面划分的能力，使储层综合解释及详细的油气水分析技术得到改进及完善。 3 随钻电阻率测井原理根据物理学，凡能在电场中极化的物质叫电介质。物质的介电性质也就是它的极化能力，用介电常数来表示。通常，泥饼的介电常数大于地层的介电常数。因此，在泥饼和地层之间会产生全反射，一部分波经泥饼传播；另一部分波进入地层，并沿泥饼和地层的界面传播，即所谓的侧面波。测量侧面波的幅度衰减和相位变化，就可求得地层的介电常数和电阻率。电磁波传播测井仪器采用双发双收补偿式测量（如图2）。图2 MPR双发双收补偿式天线 3.1衰减的测量与补偿电磁波在介质中传输能量衰减。衰变或衰减速度与介质（地层）的导电率成正比。衰减（有时称为振幅比）是根据两个接收天线所检测到信号的振幅计算得来的，和发射天线的距离有关。量化衰减水平最常用的单位是分贝（dB）。“振幅比”定义为：振幅比＝20 X log

() （1）其中，A代表振幅，单位是伏特。T1天线发射，近接收天线（R1）和远接收天线（R2）分别测得电压信号，根据公式1得到的振幅比分别为A11和A12。T2天线发射，近接收天线（R1）和远接收天线（R2）分别测得电压信号，根据公式1得到的振幅比分别为A22和A21。在T1和T2交替发射一次后，得出补偿后的衰减值：在高导电率地层，由于远接收器信号振幅比近接收器信号振幅

弱，远接收器的衰减较大。电阻率高时，发送器信号衰减较少，远接收器振幅将只比近接收器振幅小一点。 3.2 相移的测量与补偿电磁波在介质中传输除了有能量衰减，还有相位的移动。如图3所示。T1天线发射，远接收天线测得的相位差为P12，近接收天线测得的相位差为P11；T2天线发射，远接收天

线测得的相位差为P21，近接收天线测得的相位差为P22。在T1和T2交替发射一次后，得出补偿后的相位差值为：虽然电磁波的传播速度一般被认为是一个常数（300,000千米/秒，通常被认为是光速），但这是实际上仅适用于在真空里传播的电磁波（EM）。在电导体中，传导电磁波的速度依照材料导电性的比例放慢。扩散波的波长、频率和速度都通过以下方程式联系在一起：V = ω * λ 或V = 2πf * λ 电磁波在高阻地层中的传播速度比在低阻地层快。因此，仪器传送的信号在较高电阻率地层将有更长的波长，在较低的电阻率地层有较短的波长。图3 相位信号示意图 4 随钻电阻率工作原理MPR

短节由探管（SONDE）和天线壳体组成。SONDE安置在天线壳体的内部，在壳体的内侧通过PADDLE与壳体固定在一起。SONDE包括三个主要部分，它们都同PADDLE相连接：①发送器的上半部分，放置T2和T4的发射电路板；②发送器的下半部分，放置T1和T3的发射电路板；③接收器部分，放置主控板，接收板，电源板和调制解调器；PADDLE主要有以下四个功能：同两个发射骨架

和一个接收骨架相连接；提供各模块之间的电气连接；提供发射和接收天线间的电气连接；给记忆存储提供通信的通道。在MPR钻铤中，PADDLE的一个插针与M30滑环相连接，通过此线与上面的探管（MASTER）进行串行通讯。68332芯片安装在主控的电路板上，它控制每一个在发送和接收电

路板上的68HC11芯片。每一个68HC11芯片都控制着一个数控振荡器（NCO），68332通过总线直接和68HC11通信；68HC11会解码一系列指令，并承载一些数据进入NCO寄存器，以产生特定的频率：2MHz或400KHz。获取的数据必须保证同发送信号是完全的同步，这是由在处理器主板上的一个晶体振荡器来完成的。时钟频率是12.288MHz，这个频率允许数控振荡器以最小的失真产生2MH

和400KHz的输出信号。 4.1 电源板和调制解调板图4 供电与信号框图 1）

电源板和调制解调板的组成及工作原理电源板主要由变压器和开关电路组成。调制解调板主要由ACTEL芯片和运放电路组成。MPR电阻率上有1个电源板和1个调制解调板。LWD的主处理器（MASTER）与MPR通过一根线进行串

口通讯，这根线上同时走30V直流电和通讯信号，M30即为这根线。M30通过低通滤波器滤掉信号，剩下30V直流电进入电源板，通过变压器和开关电路产生

5V、+5V、-5V、+12V和-12V直流电，为主控板、接收板和调制解调板供电。

M30通过高通滤波器滤掉30V直流电，剩下信号进入MODEM，转换为MPR主控可识别的1039信号。MPR测得的数据通过MODEM将信号转换成M30送给LWD的主处理器。

图5 电源电路板图6 井下数据及信号通讯传输电路板 2）调试过程中遇到的问题①电源板变压器的缠制：变压器缠不好就得不到规定的输出电压，同时变压器会发热，影响变压器的工作寿命和工作的可靠性，还会造成功耗大的问题，此变压器还会影响信号的处理。为此，我们缠了100多个变压器进行试验，解决了此问题。②ACTEL芯片的解密：在世界范围内，还没有人能对ACTEL芯片进行解密，我们在掌握其工作原理和通信原理后，历时3个多月完成了解密。 4.2 发射板