井周介质电阻率三维阵列成像测量方法

摘要

本发明公开了一种井周介质电阻率三维阵列成像测量方法，该方法包括：一、将探测器置于井内，该探测器上设有阵列方位电极系，该阵列方位电极系包含多个电极，该阵列方位电极系工作于多种不同工作模式，每种工作模式对应于一种电场分布，每种工作模式下以一种不同的工作频率发出信号；二、计算多条阵列侧向曲线；三、计算多条方位侧向曲线；四、通过上述多条方位侧向曲线经过成像处理得到井周360°数值模拟成像图；五、通过阵列侧向曲线、方位侧向曲线及井周成像图分析井周不同方位非均质地层的电阻率，并评价斜井、大斜度井、水平井、薄层、非均质地层、非诱导裂缝和孔洞以及定量解释冲洗带、侵入带、原状地层电阻率，判断侵入带半径、冲洗带半径。

说明书

技术领域

 本发明有关一种阵列方位侧向测井方法，特别是指一种井周介质电阻率三维阵列成像测量方法及用于实现该方法的阵列方位电极系。

背景技术

随着油田勘探开发需要，储层评价的精度要求越来越高，测井仪器也在不断发展。传统的一些测井仪器已经越来越不能满足测井分析的要求，尤其对斜井、大斜度井、水平井、薄层、非均质地层、非诱导裂缝和溶洞的细致描述以及定量定向解释冲洗带、侵入带、原状地层电阻率，判断侵入带半径、冲洗带半径等。

原有的阵列侧向仪器采用硬件聚焦，电路通过闭环实现主监控控制，受外围环境影响较大（如温度变化、电源波动等），硬件聚焦监督电极间残余电压无法消除，聚焦效果较差，而且受围岩影响纵向分辨率还不够高，同时不能提供井周非均质信息。微电阻率扫描仪器和井周扫描成像可以对井眼周围介质做定向分析，但是探测范围非常浅，而且对于一些钻井过程中诱导产生的诱导缝洞与地层原生的缝洞没有辨别能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能够精细评价地层并提供丰富信息的井周介质电阻率三维阵列成像测量方法。

为达到上述目的，本发明提供一种井周介质电阻率三维阵列成像测量方法，该方法包括：

步骤一、将探测器置于井内，该探测器上设有阵列方位电极系，该阵列方位电极系包含多个电极，该阵列方位电极系工作于多种不同工作模式，每种工作模式对应于一种电场分布，每种工作模式下以一种不同的工作频率发出信号；

步骤二、根据阵列方位电极系在不同工作模式下的参数生成多条阵列侧向曲线；

步骤三、根据阵列方位电极系在不同工作模式下的参数生成多条方位侧向曲线；

步骤四、通过上述多条方位侧向曲线经过成像处理得到井周360°数值模拟成像图；

步骤五、通过阵列侧向曲线、方位侧向曲线及井周成像图分析井周不同方位非均质地层的电阻率，并评价斜井、大斜度井、水平井、薄层、非均质地层、非诱导裂缝和溶洞以及定量解释冲洗带、侵入带、原状地层电阻率，判断侵入带半径、冲洗带半径。

所述阵列方位电极系包括内嵌在绝缘载体上的对称布置的侧向电极环以及位于探测器中央的方位电极环，该方位电极环包括多个方位电极，该侧向电极环由多对相对于该方位电极环对称分布的侧向电极组成，每对侧向电极包括两个对称分布于该方位电极环两侧的侧向电极，该方位电极环两侧各设有一个相对于方位电极环对称分布的主电极，该主电极位于该方位电极环与侧向电极之间，该方位电极环两侧各设有一个相对于方位电极环对称分布的监督电极，该监督电极位于该主电极与侧向电极之间；同名电极之间用导线短接以保持等电位。

所述主电极发射主电流，所述侧向电极在不同工作模式下作为发射电极发射电流，同时又是聚焦电极接收电流，其中至少一对里侧靠近所述方位电极环的侧向电极为发射电极，其他对外侧的侧向电极为聚焦电极，各发射电极与各聚焦电极分别电位相等。

所述方位电极环由12个方位电极等角度间隔构成，单个方位电极弧度为10°，相邻两个方位电极中心之间为30°。

所述侧向电极环以该方位电极环为中心由里向外依次包括第一侧向电极、第二侧向电极、第三侧向电极、第四侧向电极、第五侧向电极及第六侧向电极。

所述工作模式包括：工作模式0，所述主电极发出恒定电流，返回到各侧向电极；工作模式1，第一侧向电极为发射电极，第二侧向电极、第三侧向电极、第四侧向电极、第五侧向电极及第六侧向电极为聚焦电极；工作模式2，第一侧向电极与第二侧向电极为发射电极，第三侧向电极、第四侧向电极、第五侧向电极及第六侧向电极为聚焦电极；工作模式3，第一侧向电极、第二侧向电极、第三侧向电极为发射电极，第四侧向电极、第五侧向电极及第六侧向电极为聚焦电极；工作模式4，第一侧向电极、第二侧向电极、第三侧向电极、第四侧向电极为发射电极，第五侧向电极及第六侧向电极为聚焦电极；工作模式5，第一侧向电极、第二侧向电极、第三侧向电极、第四侧向电极、第五侧向电极为发射电极，第六侧向电极为聚焦电极；各工作模式下各发射电极保持电位相等，各聚焦电极保持电位相等。

在所述步骤一中，对于不同的探测深度，分别测量各个方位电极与所述主电极之间的电位差，测量各个方位电极与所述监督电极之间的电位差，测量所述主电极与聚焦电极之间的电位差。

在所述步骤二中，利用主电极与聚焦电极之间的电位差及各个方位电极与所述监督电极之间的电位差计算多个阵列侧向曲线，在所述步骤三中，利用各个方位电极与主电极之间的电位差及各个方位电极与所述监督电极之间的电位差计算多个方位侧向曲线。

当所述主电极为发射电极，各对侧向电极为聚焦电极时，利用各个方位电极与监督电极之间的电位差及主电极的发射电流计算泥浆电阻率。

每一工作模式对应一种不同的探测深度，在每一探测深度计算对应的一条阵列侧向曲线，在每一探测深度计算对应的与所述方位电极数量相同的方位侧向曲线。

本发明的方法可以提高纵向分辨率，加深横向探测深度，缩短原有阵列侧向仪器的长度，为现场操作带来方便。根据每个探测深度井周的多条方位侧向曲线，分别画出多个探测深度的井周电阻率成像图，能够细致描述斜井、大斜度井、水平井、薄层、非均质地层、非诱导裂缝以及定量定向解释冲洗带、侵入带、原状地层电阻率，判断侵入带半径、冲洗带半径，并且可以实现具有一定分辨率的井周成像效果。

附图说明

图1为本发明井周介质电阻率三维阵列成像测量方法中使用的阵列方位电极系结构图；

图2为本发明中工作模式0电场分布图；

图3为本发明中工作模式1电场分布图；

图4为本发明中工作模式2电场分布图；

图5为本发明中工作模式3电场分布图；

图6为本发明中工作模式4电场分布图；

图7为本发明中工作模式5电场分布图；

图8为本发明中2m低侵高阻层数值仿真五条阵列侧向曲线示意图； 

图9为本发明中井旁0.2m半径孔洞数值仿真中探测深度井周成像示意图； 

图10为本发明中1m低阻60°倾角无侵入地层数值仿真中探测深度井周成像示意图； 

图11为本发明中50μm裂缝75°倾角地层数值仿真中探测深度井周成像示意图；

图12为本发明井周介质电阻率三维阵列成像测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

为便于对本发明的方法及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

结合图12与图1至图7说明本发明的井周介质电阻率三维阵列成像测量方法。本发明中首先将一个长圆柱体探测器系入井内，该探测器上设有阵列方位电极系，如图1所示，该阵列方位电极系是由内嵌在绝缘载体上的对称分布的侧向电极环以及位于探测器中央的方位电极环组成。阵列方位电极系由芯轴、金属电极和玻璃钢绝缘体或者橡胶棒绝缘体组成。位于仪器中央的方位电极环M0由12个线圈M01~M012（即12个方位电极）等角度间隔构成，单个方位电极弧度为10°，相邻两个方位电极中心之间为30°，但并不限于12个方位电极。方位电极环M0两侧为发射主电流的且对称布置的主电极A0(A0’),主电极A0（A0’）再往外依次分别布置由6对对称短路的有限长屏蔽侧向电极组成的侧向电极环，分别为第一侧向电极A1(A1’)、第二侧向电极A2(A2’)、第三侧向电极A3(A3’)、第四侧向电极A4(A4’)、第五侧向电极A5(A5’)及第六侧向电极A6(A6’)，各侧向电极包括两个布置在方位电极环M0两侧且对称分布的电极，侧向电极环的各对侧向电极在不同模式下既是发射电极，同时又是聚焦电极。在主电极A0(A0’)和第一侧向电极A1(A1’)之间设有一对监督电极M1(M1’)，电极排列关于方位电极环M0对称，同名电极之间用导线短接以保持等电位，即两个监督电极电位相等，两个主电极电位相等，每对侧向电极的两个电极电位相等。本发明中的侧向电极环并不限于6对侧向电极。

本发明井周介质电阻率三维阵列成像测量系统采用多种不同的工作频率发出信号，每种工作频率的信号对应一种工作模式，每种工作模式对应一种电场分布，本发明中以35HZ、70HZ、105HZ、140HZ、210HZ、280HZ六种工作频率的信号为例，但并不以此为限，还可以为其他多种更佳的工作频率，六种工作模式对应的六种不同电场分布分别称为AL0~AL5，如图2至图7所示。

如图2所示，本发明的工作模式AL0，信号频率采用35HZ，主电极A0（A0’）发出主电流，电流从A0(A0’)流出，返回到电极A1-A6(A1’-A6’)，保持A1-A6(A1’-A6’)电位相等。测量各个方位电极（M01-M012）与主电极A0之间的电位差，得到                                               ；测量各个方位电极（M01-M012）与监督电极M1之间的电位差，得到；测量主电极A0与第六侧向电极A6之间的电位差，得到。

如图3所示，本发明的工作模式AL1，信号频率采用70HZ，第一侧向电极A1(A1’)发射电流，第二侧向电极A2(A2’)、第三侧向电极A3(A3’)、第四侧向电极A4(A4’)、第五侧向电极A5(A5’)及第六侧向电极A6(A6’)作为聚焦电极接收电流，测量时保持A2(A2’)、A3(A3’)、A4(A4’)、A5(A5’)、A6(A6’)电位相等。测量各个方位电极与主电极A0之间的电位差，得到；测量各个方位电极与监督电极M1之间的电位差，得到；测量主电极A0与第六侧向电极A6之间的电位差，得到。

如图4所示，本发明的工作模式AL2，信号频率采用105HZ，第一侧向电极A1(A1’)、第二侧向电极A2(A2’)发射电流，第三侧向电极A3(A3’)、第四侧向电极A4(A4’)、第五侧向电极A5(A5’)、第六侧向电极A6(A6’)接收，测量时保持A1(A1’)、A2(A2’)电位相等，同时保持A3(A3’)、A4(A4’)、A5(A5’)、A6(A6’)电位相等。测量各个方位电极与主电极A0之间的电位差，得到；测量各个方位电极与监督电极M1之间的电位差，得到；测量主电极A0与第六侧向电极A6之间的电位差，得到。

如图5所示，本发明的工作模式AL3，信号频率采用140HZ，第一侧向电极A1(A1’)、第二侧向电极A2(A2’)、第三侧向电极A3(A3’)发射电流，第四侧向电极A4(A4’)、第五侧向电极A5(A5’)、第六侧向电极A6(A6’)接收，测量时保持A1(A1’)、A2(A2’)、A3(A3’)电位相等，同时保持A4(A4’)、A5(A5’)、A6(A6’)电位相等。测量各个方位电极与主电极A0之间的电位差，得到；测量各个方位电极与监督电极M1之间的电位差，得到；测量主电极A0与第六侧向电极A6之间的电位差，得到。

如图6所示，本发明的工作模式AL4，信号频率采用210HZ，第一侧向电极A1(A1’)、第二侧向电极A2(A2’)、第三侧向电极A3(A3’)、第四侧向电极A4(A4’)发射电流，第五侧向电极A5(A5’)、第六侧向电极A6(A6’)接收，测量时保持A1(A1’)、A2(A2’)、A3(A3’)、A4(A4’)电位相等，同时保持A5(A5’)、A6(A6’)电位相等。测量各个方位电极与主电极A0之间的电位差，得到；测量各个方位电极与监督电极M1之间的电位差，得到；测量主电极A0与第六侧向电极A6之间的电位差，得到。

如图7所示，本发明的工作模式AL5，信号频率采用280HZ，第一侧向电极A1(A1’)、第二侧向电极A2(A2’)、第三侧向电极A3(A3’)、第四侧向电极A4(A4’)、第五侧向电极A5(A5’)发射电流，第六侧向电极A6(A6’)接收，测量时保持A1(A1’)、A2(A2’)、A3(A3’)、A4(A4’)、A5(A5’)电位相等。测量各个方位电极与主电极A0之间的电位差，得到，测量各个方位电极与监督电极M1之间的电位差，得到，测量主电极A0与第六侧向电极A6之间的电位差，得到。

在工作模式AL0下，由于主电流没有聚焦，返回电极又很近，该工作模式下主要探测泥浆和井眼影响。得到的泥浆电阻率计算公式为：

其中为模式AL0下泥浆电阻率、为模式AL0下泥浆电阻率刻度系数，为模式AL0下主电极A0的电流。

将AL0模式与AL1~AL5模式分别组合得到五种不同探测深度的阵列侧向曲线和方位侧向曲线。

令，其中

五条阵列侧向曲线计算公式为：

。

五个探测深度上的方位侧向曲线计算公式为：    

，此处N=12，为方位电极的数量。

其中、分别为第个探测深度的阵列侧向曲线和电阻率刻度系数，、分别为第个探测深度第个方位侧向曲线和电阻率刻度系数，因此，本发明中可得到五个不同探测深度的5条阵列侧向曲线与60条方位侧向曲线。

得到的五条阵列侧向曲线和六十条方位侧向曲线探测深度逐步加深，地层的渗透层、非渗透层得到精细化分，同时可以得到不同探测深度上的方位信息。 

下面的具体实施例都是通过分别设置特定地质模型的地质参数，运用前述计算方法和优化后的仪器结构参数得到的信号数值响应，通过处理分析这些信号数值可以得到准确有效的数值曲线和成像图形，很好的说明了本发明方法的准确性和有效性。

图8给出的算例是储层厚度为2m，侵入带深度为0.5m，泥浆电阻率R_mf为0.1Ω·m，围岩电阻率R_s为1Ω·m，侵入带电阻率R_xo为10Ω·m，原状地层电阻率R_t为30Ω·m，在这种情况下得到的五条高分辨阵列侧向曲线示意图，实际应用中可以根据这些不同曲线的反演计算来定量解释冲洗带、侵入带、原状地层电阻率，判断侵入带半径、冲洗带半径。

图9给出的算例是井旁某方位孔洞边界距离井眼边界0.05m处有一个半径为0.2m的孔洞，孔洞内填充物电阻率为1Ω·m，围岩电阻率为3000Ω·m，根据中探测深度的12条方位侧向曲线经过成像处理得到的井周360°数值模拟成像图。本发明中可以得到五个不同探测深度的成像图，此处只取中探测深度的成像图做说明。通过观测仪器得到的成像信息的数值和形态，有助于判断孔洞深度、方位、大小和孔洞电阻率。首先可以直观的在成像图上看出是一个孔洞存在，其中数值明显变小的深度为99.8m~100.2m之间，方位在330°~30°之间，方位电阻率最低降到1500Ω·m，这些都和设置的孔洞信息相符合，实际使用时得到的这些资料都是判断孔洞深度、方位、大小和孔洞电阻率的有益信息。

图10给出的算例是层厚为1m的无侵入低阻储层，储层电阻率2Ω·m，围岩电阻率为20Ω·m，在储层倾斜60°的情况下中探测深度得到的井周360°数值模拟成像图，通过仪器得到的成像信息的数值大小和成像形态，有助于描述储层的地层深度、方位走向和倾斜大小，细致描述大斜度井和水平井的方位差异信息。首先可以直观的在成像图上看出是一个大斜度地层的存在，其中数值明显变小的深度为99.5m~100.5m之间，在方位0°~360°之间的地层界面形态为下凹，方位电阻率最低降至2Ω·m左右，这些都和设置的斜地层信息相符合，实际使用时得到的这些资料都是判断斜地层深度、方位走向和倾斜大小的有益信息。

图11给出的算例是微裂缝的张开宽度为50μm，储层电阻率为3000Ω·m，微裂缝的电阻率为1Ω·m，在微裂缝倾斜75°的情况下中探测深度得到的井周360°数值模拟成像图，通过仪器得到的成像信息的数值大小和成像形态，有助于描述地层裂缝的地层深度、方位走向和倾斜大小，细致描述地层非诱导裂缝的方位信息。首先可以直观的在成像图上看出是一个高角度裂缝的存在，其中数值明显变小的深度为99.6m~100.6m之间，在方位0°~360°之间的地层界面形态为明显下凹，方位电阻率最低降至100Ω·m左右，这些都和设置的高角度微裂缝信息相符合，实际使用时得到的这些资料都是判断裂缝地层深度、方位走向和倾斜大小的有益信息。

本发明通过改变电极系结构，缩短了阵列侧向仪器长度，提高纵向分辨率，增强横向探测深度，采用软硬聚焦结合，利用电场叠加原理聚焦电流，聚焦条件被无条件满足，提高了测量精度，也弥补了硬聚焦的不足，从而受围岩影响减小，成为提高纵向分辨率的有效实现方法。在得到高分辨率阵列侧向曲线的同时，可以通过阵列方位电极系得到五个不同探测深度阵列侧向曲线、方位侧向曲线和井周成像图，为测井评价提供更加丰富有效的测井信息，可以得到井周不同方位非均质地层的电阻率，从而能够精细评价斜井、大斜度井、水平井、薄层、非均质地层、非诱导裂缝和溶洞以及定量解释冲洗带、侵入带、原状地层电阻率，判断侵入带半径、冲洗带半径。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。