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随钻电磁波电阻率测量技术

一、引言

提高服务质量，降低服务成本是工程技术服务努力追求的目标。随钻测井相对于电缆测井具有多方面的优势：一是随钻测井资料是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的，能够更真实地反映原状地层的地质特征，提高地层评价精度；二是随钻测井在钻井的同时完成测井作业，减少了井场钻机占用时间，从钻井一测井一体化服务的整体上节省成本；三是在某些大斜度井或特殊地质环境(如膨胀粘土或高压地层)钻井时，电缆测井困难或风险大以致不能进行作业时，随钻测井是唯一可用的测井技术。因此，随钻测井既提高了地层评价测井数据的质量，又减少了钻井时间，降低了成本。

（一）、随钻测井技术发展 现代随钻测井技术大致可分为三代：

90年代初以前属于第一代，提供基本的方位测量和地层评价测量，在水平井和大斜度井用作“保险”测井数据。但其主要应用是在井眼附近进行地层和构造相关对比，以及地层评价。随钻测井确保能采集到在确定产能和经济性、减少钻井风险时所需要的测井数据。

90年代初和中期属于第二代，方位测量、井眼成像、自动导向马达及正演模拟软件相继推出，通过地质导向精确地确定井眼轨迹。司钻能用实时方位测量，并结合井眼成像、地层倾角和密度数据，发现目标位置。这些进展导致了多种类型的井，尤其是大斜度井、超长井和水平井的钻井取得很高的成功率。

从90年代中期到目前属于第三代，称为钻井测井(Logging for Drilling)，提供界定地质环境、钻井过程、采集实时信息时所要求的数据。

表1 随钻测井技术发展

年份 里程碑技术 年份 里程碑技术 1929 第一项随钻测量专利 1930 电缆传输的随钻电阻率测井 1969 第一代泥浆脉冲遥测系统 1970 第二代泥浆脉冲遥测系统 1978 泥浆遥测系统Teleco商业化 1984 随钻电磁波电阻率测井 1986 随钻中子孔隙度测井 1987 随钻密度测井 1993 电阻率、密度、中子三组合随钻测井 1994 硬地层随钻声波测井 1995 随钻电阻率、密度成像测井 1998 软地层随钻声波测井 2001 随钻核磁共振成像测井 2003 随钻地层压力测试 2005 新一代随钻测井系统Scope

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（二）、随钻测井的一般知识 1、随钻测量MWD

包括井眼几何形状（井眼尺寸、井斜、方位等）的测量，与钻井工程相关的工程参数（钻压、钻具扭矩、井眼压力、转速、环空压力等钻井参数）的测量，以及对自然伽马、电阻率的测量。主要是测量工程数据，并具有单一性。

2、随钻测井LWD

在随钻测量MWD的基础上，增加了识别岩性和孔隙性、判识储层的方法如中子、密度等，能对储层做出基本的评价。其测量数据具有综合性。

3、随钻地质导向测井

具有了相对完善的随钻测井系列，其数据采集和数据分析具有实时性。 地质导向是上世纪90年代发展起来的前沿钻井技术。所谓地质导向，就是使用随钻测量数据和随钻地层评价测井数据，以人机对话方式来控制井眼轨迹的技术。由美国Spsrrysun公司生产的FEWD地质参数无线随钻测量仪，是近年来在不断改进MWD和LWD工具的结构、性能和可靠性基础上发展起来的一种新型无线随钻测量仪，与LWD随钻测井仪相比，FEWD具有测点靠近钻头、探测深度大、垂直分辨率高的优点。它将地质参数测量传感器与工程参数传感器组合在一起，根据设置内容顺序采集最新的工程、地质数据，统一编码后，由脉冲信号发生器以正脉冲的方式，通过钻柱内的钻井液传至地面。地面设备对钻井液脉冲进行检波、编码、处理后，形成数据和测井曲线。FEWD除进行轨迹几何导向(三维导向)外，主要用于地质导向和随钻地层评价。

而导向钻井技术在水平井施工中是一项常用的关键技术。在轨迹控制中，根据实际情况和地层剖面要求，可采用定向造斜和转盘钻交替进行调整井身轨迹，以对井身轨迹进行有效控制，使得实钻轨迹沿设计和预测趋势发展，以达目标点，而且使井眼光滑畅通，有利于携砂、清除岩屑、保证钻进安全。

如何进行水平井的井眼轨迹控制，是水平井施工技术的核心，并贯穿于钻井的全过程。其井眼控制工艺技术主要包括：钻具组合选用、测量技术、井底预测技术、影响轨迹控制因素分析和实时综合分析技术等几个方面。井眼轨迹控制技术，随着水平井在不同区块施工、不同区块每口井的地质情况变化、在控制过程中遇到的问题不同等，其表现有以下几个方面：一是实钻地质情况复杂多变，油层埋深与设计深度差异大，井眼轨迹需要随地质情况变化及时进行调整；二是水平段油层埋深在横向上变化不一，有从低部位到高部位的，也有从高部位到低部位的，还有先从低部位到高部位然后再下降的；三是不同区块工具造斜能力和地层对井眼轨迹的影响不同；四是测量数据的相对滞后，对地质导向和井眼轨迹的预测和调整带来的困难；五是老平台钻井的防碰问题，在水平井钻井中更为突出，在水平井的直井段、造斜段及水平段，都存在防碰问题，要特别小心。

地质导向钻井技术的关键，是把以前的几何导向变为地质导向。以前打井，

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只要钻遇事先确定的几何目标，即使没有发现油层，钻井工作也算大功告成。而随着勘探开发一体化(称为滚动勘探开发)的发展，钻井不再是单纯为了打井，“打井为了出油”的认识被更多人所重视。地质导向钻井让目标不再固定不变，而是根据油层的位置随时调整，并根据预测确定的固定“几何靶”变成了追踪目的层的实际的不确定“移动靶”；同时，部分测井项目，也由原来的完井后进行，变为随钻随测，在钻进中进行，既缩短了钻井周期，又减少了部分测井费用。

地质导向钻井技术，是以油藏为目标点，通过对实时采集的数据进行分析、研究、采用滑动和转动钻井方式，使井眼轨迹在油藏中钻进。在施工前，通过采用RTGS的软件模拟生成的邻井二维地质电阻率模型图，与实钻的地质资料进行对比，从而及时进行修正井眼轨迹。该系统的关键是对邻井资料及收集处理和实时测井数据的分析判断，确保避水高度及油层最大钻遇率。2004年12月，胜利钻井研究院研制出有自主知识产权的随钻测井仪(LWD)，它能在钻井过程中实时传输伽马和电阻率等地质参数。尤其在中17-平406钻井过程中，LWD测量信息显示情况与地质设计的情况不相吻合，守护现场的工程技术人员针对随钻测井曲线及时调整方案与参数，最终使井眼轨迹穿透了300多米油层，油层穿透率大幅度提高。

4、现代测井服务的三种方式

首先进行随钻测井服务；当随钻测井存在资料漏失、质量问题、或项目缺失时，再采用电缆测井服务，来弥补随钻测井；而完井后，相关工程和地质测井的完善等就需要进行套管井测井服务，包括下套管后的自然伽马、中子、声波、密度、电阻率等，工程测井，动态测井以及剩余油评价等项目。

二、随钻电磁波电阻率测井的物理知识

（一）、电磁波频谱分布与电阻率测井运用频段

不同的电阻率测井方法所用的电磁波的频率的频段是不同的。 电磁波频率 20Hz 200Hz 2kHz 20kHz 200kHz 2MHz 20MHz 200MHz 2GHz

（用 通传电导 极电普于流 电阻场 率的 测测 井井）（各种侧向测井）用于稳定电流场的测井（感应测井）用于稳定电磁场的测井电阻率测井用于电磁波传播的介电测井用于电磁波传播时间或

参见图1，小于200Hz频段主要用于基于传导电流场的普通电阻率测井；侧

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图1 对电阻率测井有用的电磁波频谱部分

向仪器工作频率约为10kHz左右，感应仪器工作频率约为20kHz，工作频率在50kHz以下的仪器设计尽量使波的传播效应减到最小。电磁波传播测井的可用频率范围从0.5 MHz～10 MHz,利用15 MHz～100 MHz的频率范围，就有可能测量电阻率和介电常数两种参数，从约300MHz～2GHz，介电效应超过电阻率效应，就可直接测量介电常数，当频率超过2GHz时，探测深度很小，不能得出有用的地层电阻率测量值。

随着频率的增大，介质的介电效应显著增大。

在高电阻率地层中，介电常数对电磁波电阻率仪器的响应有一些影响，介电常数使所测得电阻率小于实际的地层电阻率。

随钻电阻率测量技术是对地层的电磁波传播特性响应，而不是直接对地层电阻率特征响应。

（二）、随钻电磁波电阻率测井仪器的基本结构与基本性能 1、基本方法

随钻电磁波电阻率测井仪器的载体是由一种被称为蒙乃尔合金的金属材料制成的无磁钻铤。电磁波电阻率仪器EWR测量多采用多个发射器和接收器，接收器一般有两个，补偿式测量地层不同深度的电阻率。图2是具有单发射器和双接收器仪器（EWR）的示意图，发射天线与接收天线实际上就是由几根铜线绕成的线圈，将其镶嵌在无磁钻铤上，并进行密封。天线与钻铤之间留有足够的间隙，因此保护天线与钻井环境绝缘的材料必须是不导电的，天线与钻铤也必须是绝缘的。

用此装置来测量电阻率有三种途径，一是从两个接收天线的信号之间的相位差推算电阻率（该方法具有某些优越性）；二是从两个接收天线信号的幅度比推算电阻率；三是从相位和幅度比测量值的组合推算电阻率。

图2 EWR 仪器示意图

发射器天线 近接收器天线 远接收器天线

Z1 Z2 发射天线中的电流是测量系统的“波源”，其发射的电磁波在地层中向四面八方传播，波的衰减率和相位移与地层电导率具有密切关系，受井内流体影响比较小，通过接收两个接收天线衰减率和相位差，即可计算出地层电导率。

EWR仪器主要响应电阻率，补偿原理类似于电缆式补偿中子和补偿声波仪器。对两个接收器共同的井眼效应和其他效应，通过取得相位差或幅度比加以抵消。因此，接收器收到的信号仅仅受两个信号所通过的地层的影响。

2、技术特点

电磁波电阻率仪器具有以下特点： ①减小了井径的影响

②减小了井内流体及其侵入的影响

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对小于13?″的井眼，Rt小于50欧姆米的地层，其校正量小于10%，如图3所示。

③钻井液侵入较小 通常仪器探头距钻头10英尺，若钻速为60英尺小时，EWR测量之前侵入作用只经历了10分钟。

④受钻井液侵入影响小

电阻率测量值相当于深感应的测量值。

⑤EWR视探测深度大约在50英寸（127cm）左右

当侵入深度小于30 cm时，不需要对测量结果做校正；当侵入深度大于120cm时，测量不到侵入带以外的地层电阻率（原状地层电阻率）。

⑥具有良好（较高）的垂向（纵向）分辨率，对薄层和夹层的细分非常有利 中感应的垂向分辨率为25英寸（63.5cm），深感应的垂向分辨率为40英寸（101.6cm）, EWR的垂向分辨率为8英寸（20.3cm）。

3、对仪器设计的基本考虑

图4假设发射频率为2兆赫，平面波界限是指Z1和Z2→∞，相位探测器的范围为90度，被测量的最大幅度比为1。可以看出，相位测量技术比幅度比测量技术优越，而只有当地层电阻率很小时幅度比测量才具有一些优势，因为当地层电阻率大于20欧姆米时，曲线斜率趋近于0。

两个接收天线的间距选择为6英寸，是基于两方面的考虑：一是可使仪器强度足够大，二是在2兆赫频率下可以取得良好的相位响应（接近于90度的最大相位差）。

从发射天线至近接收天线的距离定为24英寸，这是能得到足够的发射器功率和接收器动态范围的最大间距。如果大于这一间距，介电效应将随之增大，而与井眼和侵入带有关的效应将随之减小，因此，与电子线路相协调，此距离选择得越大越好。

若增加频率，则会提高灵敏度，但影响动态范围；若使用较低的频率，天线效率也将随之降低，要得到满意的相位灵敏度还必须加长仪器。

图3 EWR仪器井眼校正

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