提高微电阻率成像测井分辨率的实现方法

于其蛟

（中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营257096）

0 引 言

中国石油储量90%以上来自陆相沉积为主的砂岩油藏，天然气来自非砂岩气藏，地质条件十分复杂［1］。油田总体规模小，储层条件差，类型多，岩性复杂，储层非均质性严重，薄层、薄互层及低渗储层普遍存在。砂泥岩薄互层储层的有效划分、裂缝性油藏的裂缝和储集性能分析及复杂岩性油藏的参数评价仍然是当前常规测井技术面临的三大地质难题［2］。

1988年斯伦贝谢公司在微电阻率扫描成像测井技术上获得突破，研发出FMS，1991年又推出了全井眼微电阻率成像测井仪FMI［3］，20世纪90年代中期哈里伯顿公司和贝克休斯公司也相继推出了EMI和1022。20世纪90年代后期微电阻率扫描成像测井在国内外得到广泛应用，已经成为直观获取井壁地层信息的测井方法。成像测井资料直观，可用来对裂缝的分布特征、类型、层理、储层有效厚度、沉积粒序的变化、砾石颗粒的大小做出正确的分析，尤其在砂泥岩薄互层储层的有效划分、裂缝性油藏的裂缝和储集性能分析及复杂岩性油藏的参数评价方面具有常规测井不可替代的作用。

国外三大测井公司的新一代FMI、XRMI、1025微电阻率扫描成像测井仪成像质量进一步提高，仍然以FMI最佳。中石化研制的HRMI测井仪器采用新的电路设计思路，提高测量数据的质量，尽可能使每个电极获取的数据在生成图像时都是有效数据，增加有效像素的数量，最终反映为井壁成像分辨率的显著提升。

1 仪器组成及测量原理

1．1 测量原理

电成像测井技术是由地层倾角测井技术发展而来，其测量原理和地层倾角测井原理基本相同。推靠器极板上的纽扣电极作为测量电极，推靠器下部裸露的金属部分和极板的金属壳体作为屏蔽电极，测量过程中形成与井壁平行的等势面，将纽扣电极的电流聚焦，并迫使其流向地层，每个纽扣电极发射电流的幅度反映了地层电阻率的大小。马龙头和电缆作为电位参考电极，马龙头和电成像电子线路之间的仪器串外壳作为回流电极，因此整个仪器串中间包括了2个绝缘短节，把参考电极和回流电极以及屏蔽电极部分隔离。同时电子线路和推靠器上部外壳采用玻璃钢使其和井眼流体绝缘，可以使电流流向地层，而不是通过泥浆直接形成回路。通过测量发射电压和每个纽扣电极流向地层的电流确定地层电阻率。该仪器的辅助测量部分提供井眼直径和井斜方位的测量，用于确定井眼几何形状、井斜方位和校正图像资料。

1．2 仪器组成

该仪器主要由电子线路部分和推靠器部分组成。推靠器为6个测量极板提供机械支撑，确保测井时能够将测量极板比较理想地贴合到井壁上。推靠器上安装了6块测量极板，每个极板镶嵌了25个与极板金属壳体绝缘的纽扣电极，机械壳体内部放置了极板前置放大器电路板。电子线路部分主要包括导航传感器和所有电子线路模块。电子线路外壳上的玻璃钢绝缘层和上部的绝缘短节在发射和回流电极之间提供电气绝缘隔离。

2 主要技术特点

该仪器采用了发射器辅助直流供电技术、极板内置模数转换技术、数字相敏检波技术和归一化技术，提高测量信号和数据的质量，减少测量数据中的坏数据，提高成像时有效像素的数量，而非通过改变极板阵列的设计提升井壁成像图片单位面积上的像素数量实现。在电子线路设计过程中，采用DSP、FPGA、CPLD等可编程器件及其开发技术，系统更加可靠和易于升级，能够随时对可编程器件的逻辑功能进行修改和系统在线远程升级［6］。

2．1 发射器辅助直流供电技术

采用发射器辅助直流供电的设计方式，可在高电导率泥浆和高电阻率地层井眼环境下提高发射功率和发射信号的幅度，拓展电阻率测量范围；能在测量端获得更好的信噪比，获得更高质量的测量数据，最终体现在成像分辨率的提升。

图1是发射器功能框图，发射器模块主要包括2个部分，发射器驱动电源路由电路和正弦波发射信号的产生、滤波、驱动以及发射电压、电流监测电路。

图1 发射器功能框图

电源路由电路主要接收地面指令，并根据指令选择使用辅助直流或仪器内部±15V电源。当地层电阻率较高或者泥浆电阻率较低时，可以通过地面发送指令，切换继电器状态，地面辅助直流经滤波后提供给发射驱动电路，此时发射器的输出可达到64W，输出发射电压可达21V。当然如果地层及井眼流体情况允许也可选择仪器内部的±15V电源作为发射器驱动电源（仪器设计的缺省工作模式），此时发射输出功率较小，小于8W，发射电压也只有4V。内部±15V或辅助直流驱动电源一旦选定后，就可经滤波后提供给发射信号驱动电路，且同时微控制器监测发射电压和电流，实时监视发射功率的变化。

经试验室验证，发射器模块在使用辅助直流供电方式时，电阻率测量值可达10000Ω·m，能在泥浆电阻率和地层电阻率比值高达百万的条件下获得清晰的图像资料。

2．2 极板内置模数转换技术

极板前置放大器电路中不但包括了增益放大电路，而且内置了模数转换电路，将接收到的正弦波模数转换为数字时间序列，每50ms内对每个纽扣电极的正弦波信号进行连续3个信号周期的模数转换，其中每个正弦波周期进行20次采样和模数转换，并得到相应的数字时间序列。模数转换得到的数字时间序列以串行方式通过极板线高速传送给电子线路中的信号处理模块。极板前置放大电路采用双通道设计使其能够同时对2个纽扣电极进行采样以增加每次采样时间。通过将测量信号以数字信号传输，消除了模拟信号在传输过程中产生的串扰和漂移。

2．3 数字相敏检波技术

该仪器信号处理器模块采用了数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA进行设计。DSP负责接收和处理测量数据，FPGA通过硬件描述语言Verilog编程，实现DSP和测量极板之间通讯接口及数据检错功能。

传统的模拟相敏检波硬件电路复杂，精度低，而数字相敏检波硬件电路简单，频率选择性强，响应速度快［4］。为了简化硬件电路设计，提高测量准确性，利用DSP实现数字相敏检波功能。由A／D转换为数字时间序列，经FPGA串并转换后，DSP接收并进行数字滤波和相敏检波，最终计算获得信号幅值。该模块中的DSP主要进行数值积分和数字信号的处理与幅值计算。这里很难用牛顿—莱布尼兹公式求取积分值，而是通过数值方法求取，因此选择合适的求积方法非常重要，以获得较小的截断误差、较高的代数精度［5］。计算公式为

式中，C为比例常数，根据信号增益确定；f0为发射频率；T＝n／f0（n是发射信号的周期数）；S（t）为纽扣电极信号。

可通过数值积分公式（1）和幅度计算公式（2）计算获得纽扣电极的幅度值。

采用数字相敏检波技术省掉了硬件相敏检波电路的设计，减少了硬件相敏检波电路中信号瞬变和漂移引起的误差，测井数据更加真实。

2．4 归一化技术

为了避免由于纽扣电极之间、不同极板之间因为电路参数差异导致的成像色差，对极板纽扣电极信号进行了归一化处理。这样，使得所有的纽扣电极测量相同信号时具有相同的响应，实现成像图上各像素的对比度一致，消除了不同纽扣电极之间的成像色差。在试验室对极板前置放大器总成进行信号归一化分析，获取每个纽扣电极的归一化因子，将其存放在极板前置放大器板的存储器里，极板上电时会自动把归一化因子读出来，在进行幅度计算时，利用归一化因子进行幅度值校正，测量数据更真实，从而消除不同纽扣电极以及不同极板间成像色差。

3 资料对比及应用效果

HRMI高分辨率微电阻率扫描成像测井仪自研制成功以来，进行了孤古8、盐104、龙深2、梨5等90井次现场测井实验，最大井深4830m，最高温度161℃，测井资料符合验收标准。

在胜利孤古8试验井与哈里伯顿公司的XRMI进行了对比测试（见图2）。图2（a）为XRMI的动态和静态图像，图2（b）为HRMI图像资料。对比发现XRMI图像略显模糊，而HRMI图像对比度明显、地层特征非常清晰。

图2 HDMI与XRMI资料对比

如图3所示，在胜利油田某井中与斯伦贝谢公司的FMI进行了对比测试。图3（a）为FMI的动态和静态图像，图3（b）为HRMI的动态和静态图像。从图3中可以看出HRMI与FMI图像特征吻合，均能清晰反映地层特征。

图3 HDMI与FMI资料对比

图4所示是HRMI在西北油气分公司采集的成像测井资料，根据图像资料进行了裂缝和孔洞型储层类型识别，并划分了储层发育段。

图4 裂缝及孔洞型储层类型识别

根据胜利西部探区HRMI成像资料进行了井旁构造分析，有助于认知山前带复杂构造。

通过对HRMI成像测井资料的诱导缝和井径崩落分析，确定了胜利油田西部某探区的地应力方向。

应用HRMI对4口中国科学院汶川地震断裂带科学钻探井进行了10井次现场测井作业（见图5），通过图像破碎特征并结合其他测井资料确定了主断裂带位置。

图5 汶川地震断裂带科学钻探井HDMI图像

4 结 论

（1）HRMI的设计没有从提高井壁成像单位面积上的像素数量方面入手，而是采用独特的电路设计方案，拓宽电阻率测量范围，提升测量数据的质量，减少测量数据中的无效数据，最终表现为成像分辨率的提高。

（2）通过仪器的开发设计将新的思路进行实践检验，经过90余口井的测井验证，井壁成像分辨率显著提高。

（3）在井眼覆盖率方面该仪器成像井眼覆盖率方面仍然与FMI存在一定的差距，今后可以通过优化机械设计、增加测量极板数量的方法得到进一步提升。

［1］方朝亮，吴铭德，冯启宁．测井关键技术展望［J］．石油科技论坛，2005（2）：32－35．

［2］王珺，王长春，许大华，等．微电阻率扫描成像测井方法应用及发展前景［J］．地球物理学进展，2005，20（2）：357－364．

［3］付建伟，肖力志，张元中．井下声电成像测井仪的现状与发展趋势［J］．地球物理学进展，2004，19（4）：730－738．

［4］石军，曹伟锋，徐方友，等．数字相敏检波在DSP中的实现［J］．郑州轻工业学院学报：自然科学版，2010（2）：85－87．

［5］黄金奎．计算方法［M］．东营：中国石油大学出版社，1993．

［6］康华光，邹寿彬，秦臻．电子技术基础［M］．北京：高等教育出版社，2006．