軟聚焦側(cè)向儀器三種模式的實(shí)現(xiàn)

作者簡(jiǎn)介：張森峰（1980—），男，山西，碩士，工程師，從事測(cè)井儀器研發(fā)工作，E-mail：zsflyn@163.com。

0   引言

軟聚焦側(cè)向儀器通過對(duì)主發(fā)射功率的調(diào)整使其適用于不同的地層電阻率測(cè)量，相對(duì)于傳統(tǒng)的側(cè)向儀器能夠提高儀器測(cè)量效果、擴(kuò)大儀器測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。軟聚焦模式的側(cè)向儀器取消了傳統(tǒng)側(cè)向中的主監(jiān)控回路，并且提高了精度。其通過改變聚焦條件允許同時(shí)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的和高分辨率的曲線，能夠更快速、清晰地反映出地層電阻率信息，更適合于小隊(duì)海外的快速作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。

圖1 儀器物理原理

1   側(cè)向儀器的物理原理

軟聚焦儀器探頭就是側(cè)向探頭。這個(gè)排列相對(duì)于探頭中心是對(duì)稱的（A0 測(cè)量電極的中心）^[1]。探頭包括一套安裝在絕緣軸芯上的電極系。上半部探頭從上到下有：電極A2 在深側(cè)向中用作屏蔽電極，而在淺側(cè)向中用作回流電極。電壓電極A1* 靠近A1 電極且電位近似相等。電極A1 用作屏蔽，在兩種測(cè)量方式中，M1 和M2 是兩個(gè)監(jiān)控電極，A0 作為復(fù)合測(cè)量電極。設(shè)計(jì)上要求M1’、M2’、A1’、A1*’、A2’ 電極相對(duì)上面的電極是對(duì)稱的（A0 電極是對(duì)稱面的中點(diǎn)）。不同深度的兩種探測(cè)曲線（深、淺）是基于在三種不同的頻率下，三種操作模式同時(shí)采集計(jì)算的結(jié)果，分別是mode 1 (35 Hz)，mode 2 (288 Hz)，modes 3 (162 Hz)。其中深側(cè)向測(cè)量電流I0 由A0 電極發(fā)射，被A1 和A2電極發(fā)射的屏蔽電流聚焦進(jìn)入地層。這里要調(diào)整保持監(jiān)控電極M1 和M2 等電位。這個(gè)監(jiān)控條件的目的是防止I0 和Ib 在泥漿中存在軸向電流^[2]。這樣迫使測(cè)量電流放射狀的離開儀器進(jìn)入地層?？傠娏鱅t = I0 + Ib，進(jìn)入很深的地層后返回到地面。儀器馬籠頭運(yùn)動(dòng)的工作方式同雙側(cè)向一樣^[3]。一個(gè)參考電極魚雷放置在馬籠頭上方的纜皮上用做參考電位，假定是無限遠(yuǎn)的^[4]。儀器的電壓測(cè)量是測(cè)量監(jiān)控電極和地面之間的電位差，其公式如下。

淺側(cè)向，屏蔽電流由A1 和A1' 發(fā)射，然后返回到A2 和A2'^[5]。監(jiān)控條件和上面的一樣。儀器電壓再次相對(duì)地面來測(cè)量。

2   聚焦三種模式聚焦組合

三種模式如圖2 所示。

圖2 軟聚焦側(cè)向原理模式組合

通過對(duì)這三種不同測(cè)量模式中的電壓和電流進(jìn)行求和，可以對(duì)聚焦深側(cè)向和淺側(cè)向進(jìn)行計(jì)算，深側(cè)向的計(jì)算推導(dǎo)如下。

監(jiān)測(cè)電壓差值dVm 和儀器相對(duì)于馬龍頭的電壓Vt是 A0 電流和總電流It (It = IA0 + IA1+IA2)乘以傳輸阻抗（關(guān)于井眼和地層的阻抗）a、b、c 和d 的一個(gè)函數(shù)式。如果我們把這個(gè)方程中的監(jiān)測(cè)條件dVm 替換為0，可以發(fā)現(xiàn)用傳輸阻抗表示的深側(cè)向電阻率：

現(xiàn)在，由于在模式 1 中 IA0 = 0，所以傳輸阻抗 b和d 可以直接測(cè)量：

同樣的方法，模式3 給了我們a 和c，由于在這種狀態(tài)下 It = 0：

把這些測(cè)量的傳輸阻抗帶入HLLD的表達(dá)式，得到：

式(6) 是深側(cè)向電阻率根據(jù)測(cè)量信號(hào)的表達(dá)式。這種用于獲得聚焦電阻率的方法被稱為軟聚焦，因?yàn)榫劢箺l件是在測(cè)量方程中被取代，而不是在硬件中實(shí)現(xiàn)。它充分使用了電磁場(chǎng)疊加理論。

軟聚焦電流方案是通過2 個(gè)未聚焦的測(cè)量模式1 和模式3 在一定的比例下相加來組成的。淺側(cè)向電阻率的測(cè)量可以用類似的方法來計(jì)算，使用模式2 代替模式1。這樣改變了電流曲線的彎曲度，給出了更淺深度的測(cè)量。

3   三模式電路設(shè)計(jì)原理

這種模式與傳統(tǒng)深側(cè)向模式相似，不同的是沒有電流從A0 電極發(fā)射，以及這里沒有主監(jiān)控回路^[6]。通過發(fā)射一個(gè)35 Hz 的電流送到A1 和A2 電極，并且返回到地面的魚雷。輔監(jiān)控回路通過保持A1* 和A2 電極具有相同的電位來控制送到A1 電極上電流的大小。特征條件如下：

這種模式與傳統(tǒng)淺側(cè)向模式相似，不同的是沒有電流從A0 電極發(fā)射。一個(gè)288 Hz 的電流被注入到輔監(jiān)回路，輔監(jiān)回路根據(jù)A1* 和A2 電極之間的電位差來調(diào)整A1 到A2 的電流，以確保A1* 和A2 的電位相同。特征條件如下：

在這種模式下，電流從A0 流向A1，其中一小部分流向A2。輔助監(jiān)測(cè)回路保持A1* 和A2 具有相同的電位。特征條件如下：

這么做是為了克服電極接觸阻抗產(chǎn)生的問題^[7]。通過對(duì)這三種不同方法的測(cè)量模式中的電壓和電流進(jìn)行求和，就可以對(duì)聚焦深側(cè)向和淺側(cè)向進(jìn)行計(jì)算。

圖6 三種模式仿真

4   仿真數(shù)據(jù)分析

從圖6 和圖7 可以看到三種模式下的仿真結(jié)果，其結(jié)論和上面描述的電路設(shè)計(jì)結(jié)果一樣。

圖7 是對(duì)模式組和后的深側(cè)向形成的地層電場(chǎng)的分布圖

5   實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

勝利油田孤古8 號(hào)井的測(cè)井實(shí)驗(yàn)中，軟聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀器的測(cè)井功能和測(cè)井指標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)。勝利測(cè)試井深3 000 m，其中1 800 m上為套管，以下為實(shí)際地層，主要測(cè)試2 500~2 000 m 深井段，該井段地層復(fù)雜，有多種典型地層，井下溫度最高175 ℃。圖8 中紅色為淺側(cè)向，藍(lán)色為深側(cè)向，可見在新的軟聚焦模式下下，能夠很好地反映出地層信息。

圖6 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)

6   結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)的側(cè)向儀器控制速度慢，控制精度低，自適應(yīng)能力弱等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了軟聚焦模式的新型側(cè)向儀器，該儀器能通過軟聚焦合成出四種曲線，分別是深側(cè)向，淺側(cè)向，高分辨率深側(cè)向，高分辨率淺側(cè)。能夠很好地滿足油田作業(yè)的要求。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期）