软聚焦侧向仪器三种模式的实现

作者：张森峰,高秀晓,陈文(中国石油测井技术研究院,北京 102206) 时间：2022-04-02 来源：电子产品世界收藏

编者按：本文给出的软聚焦侧向仪器与传统双侧向仪器本质的不同，设计方法是使用软聚焦模式，不是物理硬聚焦模式。软聚焦使用的是数学计算合成的方法完成对地层电阻率的计算。其需要三种功率模式输出来产生三种不同频率的低频电信号来进行聚焦，然后对三种模式的信号进行数字合成，最后计算出四种电阻率曲线。其优点是取消了传统侧向中的主监控回路并且提高了精度。通过改变聚焦条件允许同时计算出标准的和高分辨率的曲线。

作者简介：张森峰（1980—），男，山西，硕士，工程师，从事测井仪器研发工作，E-mail：zsflyn@163.com。

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/202204/432729.htm

0 引言

软聚焦侧向仪器通过对主发射功率的调整使其适用于不同的地层电阻率测量，相对于传统的侧向仪器能够提高仪器测量效果、扩大仪器测量动态范围。软聚焦模式的侧向仪器取消了传统侧向中的主监控回路，并且提高了精度。其通过改变聚焦条件允许同时计算出标准的和高分辨率的曲线，能够更快速、清晰地反映出地层电阻率信息，更适合于小队海外的快速作业，提高生产效率。

图1 仪器物理原理

1 侧向仪器的物理原理

软聚焦仪器探头就是侧向探头。这个排列相对于探头中心是对称的（A0 测量电极的中心）^[1]。探头包括一套安装在绝缘轴芯上的电极系。上半部探头从上到下有：电极A2 在深侧向中用作屏蔽电极，而在浅侧向中用作回流电极。电压电极A1* 靠近A1 电极且电位近似相等。电极A1 用作屏蔽，在两种测量方式中，M1 和M2 是两个监控电极，A0 作为复合测量电极。设计上要求M1’、M2’、A1’、A1*’、A2’ 电极相对上面的电极是对称的（A0 电极是对称面的中点）。不同深度的两种探测曲线（深、浅）是基于在三种不同的频率下，三种操作模式同时采集计算的结果，分别是mode 1 (35 Hz)，mode 2 (288 Hz)，modes 3 (162 Hz)。其中深侧向测量电流I0 由A0 电极发射，被A1 和A2电极发射的屏蔽电流聚焦进入地层。这里要调整保持监控电极M1 和M2 等电位。这个监控条件的目的是防止I0 和Ib 在泥浆中存在轴向电流^[2]。这样迫使测量电流放射状的离开仪器进入地层。总电流It = I0 + Ib，进入很深的地层后返回到地面。仪器马笼头运动的工作方式同双侧向一样^[3]。一个参考电极鱼雷放置在马笼头上方的缆皮上用做参考电位，假定是无限远的^[4]。仪器的电压测量是测量监控电极和地面之间的电位差，其公式如下。

浅侧向，屏蔽电流由A1 和A1' 发射，然后返回到A2 和A2'^[5]。监控条件和上面的一样。仪器电压再次相对地面来测量。

2 聚焦三种模式聚焦组合

三种模式如图2 所示。

图2 软聚焦侧向原理模式组合

通过对这三种不同测量模式中的电压和电流进行求和，可以对聚焦深侧向和浅侧向进行计算，深侧向的计算推导如下。

监测电压差值dVm 和仪器相对于马龙头的电压Vt是 A0 电流和总电流It (It = IA0 + IA1+IA2)乘以传输阻抗（关于井眼和地层的阻抗）a、b、c 和d 的一个函数式。如果我们把这个方程中的监测条件dVm 替换为0，可以发现用传输阻抗表示的深侧向电阻率：

现在，由于在模式 1 中 IA0 = 0，所以传输阻抗 b和d 可以直接测量：

同样的方法，模式3 给了我们a 和c，由于在这种状态下 It = 0：

把这些测量的传输阻抗带入HLLD的表达式，得到：

式(6) 是深侧向电阻率根据测量信号的表达式。这种用于获得聚焦电阻率的方法被称为软聚焦，因为聚焦条件是在测量方程中被取代，而不是在硬件中实现。它充分使用了电磁场叠加理论。

软聚焦电流方案是通过2 个未聚焦的测量模式1 和模式3 在一定的比例下相加来组成的。浅侧向电阻率的测量可以用类似的方法来计算，使用模式2 代替模式1。这样改变了电流曲线的弯曲度，给出了更浅深度的测量。

3 三模式电路设计原理

这种模式与传统深侧向模式相似，不同的是没有电流从A0 电极发射，以及这里没有主监控回路^[6]。通过发射一个35 Hz 的电流送到A1 和A2 电极，并且返回到地面的鱼雷。辅监控回路通过保持A1* 和A2 电极具有相同的电位来控制送到A1 电极上电流的大小。特征条件如下：

这种模式与传统浅侧向模式相似，不同的是没有电流从A0 电极发射。一个288 Hz 的电流被注入到辅监回路，辅监回路根据A1* 和A2 电极之间的电位差来调整A1 到A2 的电流，以确保A1* 和A2 的电位相同。特征条件如下：

在这种模式下，电流从A0 流向A1，其中一小部分流向A2。辅助监测回路保持A1* 和A2 具有相同的电位。特征条件如下：

这么做是为了克服电极接触阻抗产生的问题^[7]。通过对这三种不同方法的测量模式中的电压和电流进行求和，就可以对聚焦深侧向和浅侧向进行计算。

图6 三种模式仿真

4 仿真数据分析

从图6 和图7 可以看到三种模式下的仿真结果，其结论和上面描述的电路设计结果一样。

图7 是对模式组和后的深侧向形成的地层电场的分布图

5 实验结果分析

胜利油田孤古8 号井的测井实验中，软聚焦双侧向测井仪器的测井功能和测井指标进行了检验。胜利测试井深3 000 m，其中1 800 m上为套管，以下为实际地层，主要测试2 500~2 000 m 深井段，该井段地层复杂，有多种典型地层，井下温度最高175 ℃。图8 中红色为浅侧向，蓝色为深侧向，可见在新的软聚焦模式下下，能够很好地反映出地层信息。