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
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