油基泥浆电成像仪器的研制与应用

刘耀伟，于增辉，廖胜军，王芝江，王 蕙

(中海油田服务股份有限公司 河北 三河 065201)

0 引 言

在页岩气开发与高温深井钻探中，油基泥浆应用越来越广泛，传统的水基电成像仪器无法在油基泥浆中使用。为满足现场需求，国际大公司迅速研制出油基泥浆电成像仪器投入工业应用，典型仪器包括：斯伦贝谢的OBMI[1]、贝克休斯的Earth Imager[2]、哈利伯顿的OMRI[3]与威德福的OMI[4]。与水基电成像图像相比，这四种仪器测得的图像清晰度相对较差，仅能显示出较为明显的地层特征，难以满足精细地质评价需求。在2014年，斯伦贝谢公司在油基泥浆电成像测量方法方面取得突破，研制出了在油基泥浆井中可以测得高清晰井壁图像的仪器NGI[5]，为这项技术在现场的规模化应用创造了条件。我国在二十一世纪初开始研究油基泥浆电成像测井技术，并逐步取得突破。本文介绍了国产油基泥浆电成像测井仪器OGIT的测量原理、仪器设计与应用效果。

1 工作原理

1.1 基本介绍

OGIT仪器可以在油基泥浆体系中测得井壁电导率图像，直观显示出井壁地层特征，资料可以应用于地层岩性识别、沉积构造分析、缝洞识别评价、电阻率谱分析[6]、古水流方向判断等。除了油基泥浆外，OGIT还可以在其它非导电介质井中应用，如合成基泥浆和空气。仪器主要技术指标见表1。

表1 主要技术指标

(1 in=25.4 mm,下同)

1.2 测量原理

在水基泥浆体系中，由于泥浆是导电的，电成像仪器发射的电流可以直接穿透泥浆进入地层。在油基泥浆体系中，油基泥浆几乎是不导电的，电成像仪器只能发射高频电流，以位移电流的方式穿透泥浆进入地层。水基电成像仪器通过仪器上部的金属外壳来接收回流的电流信号，油基泥浆电成像仪器增加了专用的回流电极，须接触井壁用以接收回流的电流信号。

OGIT仪器主要由三部分构成：仪器体、测量极板与回流电极。仪器在井下工作时，测量极板与井壁之间的间隙内会被高阻的油基泥浆充填，这样测量极板、间隙流体与井壁就可以等效为一个电容，测量极板上的电极可以发射高频电流，以电容耦合原理穿透高阻的油基泥浆。电极周围的极板会发射同极性的电流，使电极电流聚焦穿透间隙中的高阻泥浆，进入地层一定深度后发散，电流到达上部地层后再穿透高阻泥浆回到回流电极，形成一个完整的电流回路。测量极板上每个电极的电流信号主要受其接触的局部地层的电阻率影响，记录每个电极的电流、电压与二者相位差，经电路系统处理后上传地面软件，通过算法处理就可以生成井壁电阻率图像，直观显示出地层特征。仪器井下工作示意图如图1所示。

图1 仪器工作示意图

假设U为仪器的发射电压，根据欧姆定律，油基泥浆电成像测量电流I可表示为：

(1)

其中Zi是仪器内部阻抗，Zg是测量电极与井壁之间的间隙流体阻抗，Zf是地层阻抗，Zr是回流电极与井壁之间的间隙流体阻抗。仪器内部阻抗Zi很小，可以忽略不计。间隙流体阻抗Zr可以等效为电阻Rr与容抗Cr的并联，表达式为：

(2)

同理，得到测量电极与地层之间的间隙阻抗表达式：

(3)

其中Rg=ρ·d/S，ρ是泥浆电阻率，CgRg就可以近似为一个常数，Zg主要受Rg影响。由于发射电极面积恒定，所以Zg的主要随着间距d的大小线性变化。在实际测量中，发射电压和电极接收到电流信号后，计算得到的是地层阻抗和发射电极与井壁间隙阻抗之和，即：

(4)

定义常数α=RgCg，可以得到式(5)。

(5)

其中σm是泥浆电导率，εm是泥浆介电常数，ε0是真空介电常数，ω是发射角频率，则推导出测量阻抗为：

(6)

Rf=A-α|B|

(7)

A和B分别是测量的总阻抗Z的实部和虚部。Z可以通过测量并计算得到。若α是已知常数，则可以得到地层电阻大小。在实际测量中，需要测量的参数是发射电压U，电极接收到的电流I，以及电流信号与电压信号的相位差φ，即：

(8)

由式(7)与(8)可以推导出：

(9)

由此就得出油基泥浆环境下测量地层电阻率的数学公式，除了生成地层电导率图像外，还可以得到电阻率图像。

1.3 测量信息

除了记录每个电极的电流值、电压值、电流与电压的相位差外，仪器还会记录加速度计三分量、磁力计三分量、各极板半径、采样时间间隔等曲线信息，用以评估测斜质量、判断井眼方位与形状、分析仪器运动状态等。

2 仪器设计与研制

油基泥浆电成像仪器的技术性能主要由成像测量极板与核心测量电路决定，成像测量极板负责采集井壁地层的成像数据，核心测量电路负责信号发射与处理、仪器工作控制等。电成像仪器控制复杂，且测量的数据量庞大，通过集成FPGA、DSP、PIC、DPSD、PWM等技术，实现了仪器的操作控制、电流激励信号发射、大数据处理等功能。

2.1 成像测量极板

OGIT的测量极板由极板体、测量电路与极板底盖三部分组成。为增强电流信号，极板体外侧设计了15个面积相对较大的长方形发射电极，可以向地层发射高频电流，在纵向与周向分别可以达到0.2～0.33 in的测量分辨率。

测量极板内置信号采集电路，可以记录每个电极的电流计数值。为提高采集电路的耐温性能，设计了一种基于陶瓷基板的厚膜集成电路，具有高温条件下稳定、散热效率高与抗干扰性能力强的优点，能在有限物理空间内集成大量器件，实现了多通道大动态范围微弱信号的调理、放大和数字化。陶瓷基片与电路芯片的硅片热膨胀系数非常接近，保证了采集电路具有较好的高温结构稳定性。 如图2和图3所示。

图2 测量极板电极系设计图

图3 厚膜集成成像采集电路

2.2 核心测量电路

除了采集电路模块外，仪器核心电路还包括主控模块、处理模块、发射模块与电源模块等。主控模块起到“承上启下”的作用，将地面系统下发的命令进行解码，实现对仪器的控制，同时采集方位磁力加速度信息、辅助监控数据等，再将仪器采集到的数据及状态信息进行组合打包，通过EDIB总线传回地面系统。处理模块接收主控模块的命令，通过控制极板电源监控板板达到对采集模块供电，按照一定时序发送命令给采集模块并接收采集到的数据，同时对发射电压和相位等信号进行采集，将所有测得数据处理后传送给主控板。发射模块的主要功能是产生高频载波、低频调制波，最后生成功率调幅信号，用于激励地层。这些电路模块实现了油基泥浆井况下的井壁电阻率信息测量，通过软件处理即可得到井壁地层的电阻率图像，如图4所示。

3 模拟井测试

3.1 模拟井简介

模拟井是采用野外天然岩石建造的油基泥浆试验井，用于测试油基泥浆电成像仪器的成像效果。在井眼内壁上雕刻了各种图案，用以模拟井下的裂缝、孔洞等地层特征。根据雕刻图案的深度、方位与面积制作了井壁

图4 仪器核心测量电路

特征图，用以判断仪器测量图像与井壁特征的一致性。

3.2 测试效果

使用OGIT仪器在模型井进行了测试，截取典型图像与设计图进行对比，如图5所示，图像上清晰显示了井壁的各种图案特征，与设计图基本一致，验证了仪器可以在油基泥浆井况下测得井壁电阻率图像。

图5 设计图与实测图像

4 现场应用

4.1 XX井简介

XX井是一口岩性以砂泥岩为主的油基泥浆探井，井深约6 000 m，井底温度150 ℃。在本井使用OGIT作业的目的是识别裂缝与层理，进行裂缝定量评价与地层沉积构造分析，同时检验仪器在高温高压真实井况下的成像效果。

4.2 应用效果

在通常的水基泥浆井中，由于泥浆侵入影响，张开裂缝在图像上呈暗色特征，在油基泥浆井中，由于侵入泥浆是高电阻率，所以张开裂缝在图像上呈亮色特征。张开裂缝的产状一般没有规律性，既有低角度裂缝，也有高角度裂缝，经常会与地层层理交叉，诱导缝通常在图像上表现为一组平行的正弦线特征。张开缝与诱导缝图像分别如图6与图7所示。

图6 张开缝

图7 诱导缝

层理是岩石在垂向上岩性变化产生的层状构造，是沉积岩的重要成因标志。层理在图像上一般表现为一组近似平行的正弦特征，类型包括水平层理、平行层理、交错层理等，典型层理特征如图8所示。在图像上也识别出一些高阻砾岩，表现为亮色团块状特征，如图9所示。

图8 层理

图9 砾岩

4.3 与同类仪器对比

为了检验OGIT与国际商业仪器成像效果的差异，在该井同时使用进口商业仪器进行成像测量，两种仪器测得的全境段图像特征基本相当，均能显示出井壁地层的裂缝与层理等特征，典型对比图像如图10所示。

图10 与同类仪器图像对比

在6 606～6 607.5 m深度段内，两个图像均存在一条清晰的亮色正弦线特征，这是典型的张开裂缝，由于被高阻的油基泥浆充填所致。在6 608～6 609 m深度段内，可以观察到一组层理发育，在图像上表现为一组近似平行的正弦特征。

5 结束语

在油基泥浆钻井日渐增多的背景下，研制出了国产油基泥浆电成像仪器，在模拟井中测得了清晰的井壁图像，在随后的现场作业中取得了合格的成像资料，并与国际同类仪器的测井资料进行了对比分析。两次测量结果表明研制的仪器能对井壁地层特征进行清晰成像，并且能适用于现场高温高压测量环境，成像效果与国际同类商业化仪器基本相当。