阵列电极系成象测井方法

专利名称：阵列电极系成象测井方法
本方法用于石油勘探开发中，测量电位梯度信号，计算地层电阻率进而进行径向地质剖面成象以解释判断油气水层的一种地球物理测井方法。
目前，各油田现场上，根据勘探区域地质特征和仪器组合需要所采用的直流电法测井仪器主要有普通电阻率测井仪和侧向测井仪如0.5m电位、4m梯度以及球形聚焦、三侧向、双侧向等测井仪器。这些测井仪器或能探测较深地层信息或较浅地层信息或能识别薄层，一次下井只能测出一两条测井曲线。如果想比较详细了解从井眼一直到原状地层的一系列信息必须进行组合测井，且探测曲线分辨率不匹配，给解释造成困难。
从仪器电路结构上说，对侧向仪器为了进行聚焦和探测深浅地层信息需要解决分频、选频、调相、多级放大和平衡调整等问题。
根据湖北省专利局联机检索结果，与本发明相关的记录共命中12个，其中全电极测井方法(专利申请号92106475)采用对各柱电极分时供电方法测量供电电流形成的分场，再进行线性叠加，从而得出一些测井曲线。
在国外，美国公司曾使用几个电极合成出了七侧向测井曲线(发表文章Walter W.Whitman et a1.<An Automatic Inversion of Normal Resisttivity Logs>.The Log Analyst.January-February,1990)，还有的使用多电极结构考察过电位、一次梯度、二次梯度曲线的测量效果(在英国申请的专利号2283324)。本发明所采用的软件合成多种侧向测井曲线方法以及反演成象方法目前国内外均未见报道。
本发明的目的是给出一种简单结构的电测仪器，一支仪器测量通过本文所提供的方法能同时完成多种现有侧向测井仪器的功能并提供详细直观的径向地质剖面图象。
本发明的创新之外在于，一种结构的阵列电极系测井仪器可模拟出多种侧向测井仪器的测井曲线，还可计算出不同电极距的同种侧向测井仪器测井曲线，这样就可得出具有不同分辨率和不同探测深度下的测井曲线，从而进行径向地质剖面成象。还可先合成再反演或直接对原始测量信号进行反演而进行径向地质剖面成象。该仪器结构简单，不仅提高了测井时效，还增强了测井功能。
本发明是以如下方式完成的参照附

图1，由一系列镶嵌在绝缘芯棒(1)上的金属导体环电极(2)[由电源(4)提供低频直流电，采用分时供电方法对每一个电极环进行分时供电，当其中一个电极供电时，测量供电电极及其上(或其下)的各电极电位信号。]组成的测井仪器在井下测得一系列电信号通过遥测系统(3)传输至计算机(5)中，在计算机中对这些电信号进行合成聚焦和反演成象等处理可得到常规七电极侧向、球形聚焦、三侧向、双侧向等轴对称聚焦测井仪测井曲线和径向地质剖面图等成果。
下面结合双侧向仪器测井原理说明本发明的技术原理。
参照附图2，这是双侧向测井仪电极结构示意图。A0为供电主电极，M1、M2和M1’、M2’是两对监督电极，A1、A2和A1’、A2’是两对屏蔽电极。这四对电极对称排列在A0电极两侧，每对电极用导线连接。双侧向测井仪器同时测量深、浅两条电阻率曲线。进行深侧向测量时A0电极提供一种低频电流，A1、A2和A1’、A2’之间由一电感量较小的变压器线圈连接，共同供出同频、同相的屏蔽电流，回路电极则在15m以远的地方，测量M1和M1’或M2和M2’之间的电位差来调节主电流和屏蔽电流之间的比例，并使M1和M1’或M2和M2’之间的电位差趋于零。由于回路电极远离电极系，同时由于屏蔽电流的存在，迫使主电流进入较深地层后再返回回路电极，测量监督电极和远处参考电极之间的电位差U以及A0供出的电流I0由公式Ra=KUI0]]>可计算较深地层的视电阻率Ra,K为仪器深侧向电极系数，它只与电极系尺寸有关。
进行浅侧向测量时，A1’、A2’变成回路电极，A0电极提供另一种低频主电流，A1、A2供出同频、同相的屏蔽电流，按和深侧向测量的同样步骤，测量出监督电极和远处参考电极之间的电位差U以及A0供出的电流I0由上面公式可计算出较浅地层的视电阻率Ra，不同的是K为仪器浅侧向电极系数。
从数值模拟角度来看，对一给定地层模型计算深浅侧向测井曲线是通过计算各供电电极在地层中形成的分电场，再计算测量电极上的测量响应，根据电流电压平衡条件及边界条件来实现的。如计算深侧向测井曲线，在地层中共存在主电流和两对屏蔽电流共五个电流形成的电场，令无穷远处电位为零，由供电电流大小可计算所形成的电场在地层中的电势分布。假设回流电极和参考电极选在无穷远，设A1’、A1、M1、M1’、A0、M2、M2’、A2、A2’上总电位分别为U1、U2……U9，则Ui=Σj=15WjUji(i=1,2,~,9)]]>式中Uji为第j个分场在某个电极上产生的电位，根据一系列电流电压平衡条件及边界条件可解出Wj，即可得出监督电极上的电位值，从而算出对应的视电阻率值。
从电极结构看，所有轴对称侧向测井仪除七侧向电极为环状外，其余皆为柱状，对柱状电极又可以看作由一个个环状电极构成(数值计算时即作如此处理)。
由上可以看出，侧向测井曲线的计算必须满足三个基本条件其一，已知电极结构；其二，须计算各供电电流形成的分场；其三，已知平衡条件及边界条件。这些条件就构成了阵列电极系计算的基础。
阵列电极系成象测井仪电极系由一系列环状电极组成，由于柱状电极可看作由一个个环状电极组成，即根据柱状电极的长度，对应长度内的环状电极可近似看作柱状电极，那么一定长度的柱状电极该由多少环状电极代替，理论上说，环状电极越多引起的误差越小，但考虑到现场实用性和电极结构上的复杂性以及设计计算上的考虑，以几个环电极代替柱电极对结果影响不大，由附图可看到这种结果。
关于分场的形成问题，还是以双侧向为例来说明。现把双侧向各电极看作环状电极，参照附图3，对深侧向来说，共有五个供电电流，即有五个分场必须计算。首先A2’供电，其余皆为测量电极，可计算出第一个分场。同理，A1’电极供电可算出第二个分场，以下类推可分别计算出主电极A0、屏蔽电极A1、A2形成的分场。同样地，阵列电极系模拟环状双侧向分场要根据互易性原理经过连续采样而形成。假设阵列电极系由9个环状电极组成。参照附图4，仪器在某一深度上，首先M0电极供电可算出第一个分场，然后M1电极供电，测出M1、M2…M8电极上的电势(不用测出M0电极电位)，由电极互易性原理可得出M0电极电势，这样就得到第二个分场。同理可得出M4、M7、M8电极形成的第三、四、五个分场。根据双侧向电流电压平衡条件及边界条件可得出此时的环状深侧向测井值(记录点在M3或M5处)。电极连续移动和计算即可得出深侧向测井曲线。至于模拟柱状电极双侧向测井曲线可用几个环电极代替，依此类推，在对应点测量形成分场即可求出。
为了能同时模拟出所有轴对称侧向曲线，可以考虑电极结构比较规则的侧向仪器，这样，阵列电极系电极结构就比较好设计了。实际设计时，考虑到电极排列较多会带来很多困难，可在离主电极比较远的地方设计少量电极，在计算分场时以插值形式可得出等间距电势分布。
实际计算时，参照附图5，通过阵列电极系的连续采样，根据所模拟的侧向测井仪器电极特征形成一个个分场进而形成一个个矩阵，图中矩阵每一行代表一个分场，对每一个矩阵根据所模拟的侧向测井仪器平衡条件及边界条件可得出对应记录点的测井值。
当设计的阵列电极较多时，还可模拟出多种结构的同类仪器测井曲线，比如七侧向测井仪，采用七个电极即可模拟出，但当有13个电极时可模拟出两种不同电极结构的七侧向测井曲线，只不过它们的电极距不一样，一种七侧向的电极距是另一种七侧向电极距的2倍，它们对地层的分辨能力也是2倍的关系，而且探测深度也不一样。
由于阵列电极测井仪电极系是以普通电阻率测井仪电极系为基础，因而它还能进行不同电极距的梯度和电位信号测量，这样使得该仪器在某种程度上改善了径向探测深度和纵向分辨率。
阵列电极系测量信息可合成出具有不同电极结构的双侧向、三侧向等测井曲线，还能进行梯度和电位信号测量。也就是说，该仪器可探测出多种纵向分辨率和多种探测深度下的测井曲线，该探测深度下的电阻率值以不同的颜色灰度显示，从而可进行地层径向剖面成象，结合其它测井曲线还能进行含水(油气)饱和度成象。
使用阵列电极系测量信号进行反演成象可先通过阵列电极信息的不同组合灵活地合成出多种高分辨率的对地层界面很敏感的测井曲线和探测深度较深的测井曲线。这些曲线可用来确定反演区域内的层边界和地层层数，其电阻率值可作为反演区域内的初始迭代值，这些值就与地层真电阻率值比较接近了，起码可反应出地层电阻大致分布是环带、是逐渐增加的还是逐渐减小的，因而大大减少了迭代次数，所求出的区域电阻率值也更加可靠。或者直接对原始测量信息进行反演求出区域电阻率分布从而提供详细而直观的地质剖面图象。
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
附图1是阵列电极系成象测井仪测井系统结构图；图中1．绝缘芯棒，2．金属导体环电极，3．遥测系统，4．电源，5．计算机，6．成果输出。该下井仪器由一系列镶嵌在绝缘芯棒(1)上的金属导体环电极(2)组成。测量时，电源(4)为下井仪各电极分时提供低频直流电，当其中一个电极供电在地层中形成电场时，测量供电电极及其上(或其下)的各电极电位信号，将测得的所有电位信号通过遥测系统(3)传输至计算机(5)中，在计算机中对这些电位信号进行合成聚焦和反演成象等处理可得到常规七电极侧向、球形聚焦、三侧向、双侧向等轴对称聚焦测井仪测井曲线和径向地质剖面图等成果(6)。
附图2是双侧向电极系和电流分布示意图；A0为供电主电极，M1、M2和M1’、M2’是两对监督电极，A1、A2和A1’、A2’是两对屏蔽电极。这四对电极对称排列在A0电极两侧，每对电极用导线连接。深侧向测量时，A0、A1、A2、A1’和A2’电极都供有电流，因而共要形成五个分场。浅侧向测量时，由于A1’和A2’电极作为回流电极，共有三个分场。
附图3是环状电极双侧向分场形成示意图；图中右边五个电极位置分别表示五个单独的分场，计算时单独计算分场，再根据双侧向聚焦原理进行分场合成即可得出测量响应。
附图4是阵列电极系分场形成示意图；图中仪器在五个位置分别表示五个分场。为模拟双侧向响应，实际测量时只需要测量斜虚线以上(或以下)各电极电位信号，在地面再根据电极互易性原理补齐斜虚线以下(或以上)缺损的电极电位分布值，从而形成一个个分场。
附图5是阵列电极系测井曲线计算示意图；图中的每一个方框表示一个矩阵，每一个矩阵对应着仪器一次采样的全部数据。在每一个矩阵里，第二行以后的每一行数据需要根据第一行起始数据点补齐缺省的电位分布值。
附图6是进行模拟计算所采用的地层模型；图中横坐标为地层电阻率，泥浆电阻率设为1Ω.m，纵坐标为地层深度。
附图7是阵列电极系测井仪在图6地层模型中进行数值模拟出的原始响应曲线；阵列电极系结构采用了43个电极，其中第5～11、13～30、32～39个电极以0.1m间距排列，第31～32个电极以0.3m间距排列，第11～13、30～31个电极以0.4m间距排列，第1～5、39～43个电极以0.6m间距排列，这样一次测量可得到946条电位曲线，测量时以0.1m间距采样。图中横坐标为地层深度，纵坐标为所测电位值。
附图8是阵列电极系响应曲线合成聚焦结果；图中横坐标为地层深度，纵坐标(对数)为合成视电阻率与泥浆电阻率之比值，以下各图横坐标与纵坐标意义均与此同。L7为类深七侧向合成曲线，Rf为地层电阻率曲线，L0为类球形聚焦合成曲线。
附图9是七侧向测井仪和球形聚焦测井仪在图6地层模型中进行数值模拟的结果；L7为深七侧向测井曲线，Rf为地层电阻率曲线，L0为球形聚焦测井曲线。
附图10是阵列电极系响应曲线合成聚焦结果；Rf为地层电阻率曲线，L3S为类浅三侧向合成曲线，L3D为类深三侧向合成曲线。
附图11是三侧向测井仪在图6地层模型中进行数值模拟的结果；Rf为地层电阻率曲线，L3S为浅三侧向测井曲线，L3D为深三侧向测井曲线。
附图12是阵列电极系响应曲线合成聚焦结果；Rf为地层电阻率曲线，L9S为类浅双侧向合成曲线，L9D为类深双侧向合成曲线。
附图13是双侧向测井仪在图6地层模型中进行数值模拟的结果；Rf为地层电阻率曲线，DLLS为浅双侧向测井曲线，DLLD为深双侧向测井曲线。附图参数表图6横坐标DEP深度(单位米)纵坐标Rf地层电阻率(单位欧姆米)Rm泥浆电阻率(单位欧姆米)图7横坐标DEP深度(单位米)纵坐标U电压信号(单位伏)图8横坐标DEP深度(单位米)纵坐标Ra/Rm合成视电阻率与泥浆电阻率之比值L7类深七侧向合成曲线Rf地层电阻率曲线L0类球形聚焦合成曲线图9横坐标DEP深度(单位米)纵坐标Ra/Rm；合成视电阻率与泥浆电阻率之比值L7深七侧向测井曲线Rf地层电阻率曲线L0球形聚焦测井曲线图10横坐标DEP深度(单位米)纵坐标Ra/Rm合成视电阻率与泥浆电阻率之比值Rf地层电阻率曲线L3S类浅三侧向合成曲线L3D类深三侧向合成曲线图11横坐标DEP深度(单位米)纵坐标Ra/Rm合成视电阻率与泥浆电阻率之比值Rf地层电阻率曲线L3S浅三侧向测井曲线L3D深三侧向测井曲线图12横坐标DEP深度(单位米)纵坐标Ra/Rm合成视电阻率与泥浆电阻率之比值Rf地层电阻率曲线L9S类浅双侧向合成曲线L9D为类深双侧向合成曲线图13横坐标DEP深度(单位米)纵坐标Ra/Rm合成视电阻率与泥浆电阻率之比值Rf地层电阻率曲线DLLS浅双侧向测井曲线DLLD深双侧向测井曲线
权利要求
1．一种阵列电极系成象测井方法其特征在于测井仪器电极系是由一系列电极环组成，各电极按一定间距排列；采用了阵列信号测量方法；采用了阵列测量信号合成聚焦方法；采用了合成测井曲线径向剖面成象方法或反演成象方法。
2．根据权利要求1所述的阵列电极系成象测井方法，其特征在于按一定间距排列的阵列电极结构，各电极均由小环构成，各电极之间绝缘。
3．根据权利要求1所述的阵列电极系成象测井方法，其特征在于仪器测量时下井仪器在井眼内连续移动进行采样。在每一个采样点，仪器采用分时供电方法对每一个电极环进行分时供电，当其中一个电极供电时，测量供电电极及其上(或其下)的各电极电位信号。在地面，形成的测量信号有阵列电位信号、阵列梯度信号和阵列二次电位差信号。
4．根据权利要求1所述的阵列电极系成象测井方法，其特征在于根据电极测量的互易性原理而形成等效供电电极、等效监督电极和等效屏蔽电极，从而合成出仿传统的七电极侧向、球形聚焦、三侧向和双侧向等轴对称聚焦测井仪器测井曲线。
5．根据权利要求1所述的阵列电极系成象测井方法，其特征在于根据测量的大量信号可合成出不同电极距的同类侧向测井曲线从而进行径向地质剖面成象。
6．根据权利要求1所述的阵列电极系成象测井方法，其特征在于对阵列电极系列原始测量信号进行合成聚焦，得出的测井曲线定出层界面位置，视电阻率值作为初始预置参数值进行反演从而进行径向地质剖面成象或直接对原始测量信号进行反演成象。
全文摘要
本发明是一种地球物理测井方法。该方法采用由一系列电极环组成的测井仪器结构在地层中测量出一系列电位和梯度信号,经过合成聚焦处理可模拟出不同结构的传统的七电极侧向、球形聚焦、三侧向和双侧向等轴对称聚焦测井仪器侧井曲线,对所测大量信号进行不同组合还可得到不同分辨率、不同探测深度下的测井曲线，从而进行径向地质剖面成象或进行反演以得到径向地质剖面图象。
文档编号E21B49/00GK1209499SQ9710924
公开日1999年3月3日 申请日期1997年9月17日 优先权日1997年3月19日
发明者王昌学, 储昭坦, 谢树棋 申请人:江汉石油管理局测井研究所