專利名稱：高分辨率靜自然電位測井儀的制作方法
技術領域：
發明領域本實用新型涉及一種測試儀器，特別是指一種石油地質勘探測井井下儀器，即高分辨率靜自然電位測井儀。
背景技術：
一般來說，在石油鉆井過程中所使用的鉆井泥漿都是水基泥漿，所以對于水基泥漿石油鉆井來說，井內自然電位SP產生的原因主要有兩個因地層水電阻率Rw和鉆井泥漿產生的泥漿濾液電阻率Rmf的不同，引起離子的擴散作用和巖石顆粒對離子的吸附作用，產生擴散吸附電位；因地層壓力與泥漿柱壓力不同時，在砂巖地層與泥漿接觸的部分會發生過濾作用，產生過濾電位。
目前，石油地質勘探中自然電位SP測井儀的測量原理如圖1所示圖1中，1--泥巖地層；2--充滿泥漿的裸眼井；3--測井凱裝電纜；4--砂巖地層；5--測井地面儀器；6--測量電極；7--地面參考電極。
在已完鉆的裸眼井2內放置一個測量電極6并通過測井凱裝電纜3連接至地面測井儀器(5)上，地面放置一個參考電極(7)并通過導線與地面測井儀器(5)連接。當測量電極(6)沿井筒移動時，測井地面儀器即可記錄下一條隨井筒深度變化的自然電位SP曲線(如圖2中(3)所示)。
實踐證明，油井的自然電位主要是擴散吸附電位，只有在泥漿柱和地層間的壓力差很大的情況下，才考慮過濾電位的影響。
在裸眼井中，自然電位SP產生的機理如圖2所示。在圖2中1--泥巖地層；2--充滿泥漿的裸眼井；3--自然電位SP測井曲線圖；4--砂巖地層；5--非滲透性致密巖性地層。
參見圖2，當地層被鉆穿后，鉆井泥漿充滿井筒內(2)，泥漿濾液和孔隙中的地層水直接接觸。由于在一般的情況下，泥漿濾液的電阻率Rmf大于地層水的電阻率Rw(鉆井泥漿濾液的礦化度Cmf小于地層水的礦化度Cw)，并假定泥漿濾液和地層水所含的鹽類都為氯化鈉NaCl，所以a.在砂巖儲集層(4)，氯離子Cl-和鈉離子Na+從礦化度較高的儲集層一側向礦化度低的井筒泥漿一側進行擴散。由于氯離子C1-的遷移速率比鈉離子Na+快，所以當擴散達到平衡時，在該層段的井筒內所聚集的帶負電荷氯離子Cl-比帶正電荷的鈉離子Na+多，從而在井眼和儲集層之間形成的負電位差為Ej，Ej被稱作擴散電位。Ej的大小與地層水的電阻率Rw和泥漿濾液的電阻率Rmf有關，即Ej=Kj×lgRmfRw---(1)]]>Kj＝11.6 (在25℃時)b.在泥巖地層(1)，由于泥巖中所含的粘土礦物對帶負電的氯離子Cl-有非常強的吸附能力，所以氯離子Cl-無法進行遷移，只有帶正電的鈉離子Na+可以遷移到井筒內，從而在井眼和泥巖地層之間形成正電位差Em，Em被稱作吸附電位。Em的大小與地層水電阻率Rw和泥漿濾液的電阻率Rmf有關，即Em=Km×lgRmfRw---(2)]]>Km＝59.1(在25℃時)c.在非滲透性致密巖性地層(5)，由于致密層沒有孔隙不含地層水，不會有擴散現象發生，所以在井筒內也不會產生電位差。
我們將負電位Ej與正電位Em的和稱作靜自然電位SSP，即SSP=Ej+Em=Kj×lgRmfRw+Km×lgRmfRw]]>SSP=K×lgRmfRw---(3)]]>或SSP=K×lgCwCmf]]>其中SSP---靜自然電位K---靜自然電位系數，在25℃時，K＝70.7Rmf---泥漿濾液電阻率Rw---地層水電阻率Cmf---泥漿濾液礦化度Cw---地層水礦化度由于靜自然電位SSP的大小與地層水電阻率Rw和泥漿濾液電阻率Rmf有關，而泥漿濾液電阻率Rmf是已知的，所以可以用靜自然電位SSP來求取地層水電阻率Rw或地層水礦化度Cw。而地層水電阻率Rw或地層水礦化度Cw是評價儲集層含油飽和度不可缺少的一個十分重要的參數。
現有自然電位SP測量技術的缺陷現有自然電位SP測量原理如圖3-1、圖3-2所示，1--泥巖地層；2--井筒內泥漿；3--泥漿濾液沖洗帶；4--砂巖原狀地層。
其測量值SP的大小可用如下方程表示SP=Rm×Isp=SSP×RmRm+Rsh+Rxo+Rt---(4)]]>其中Rm----井筒內泥漿等效電阻Rsh---泥巖等效電阻Rxo---儲集層沖洗帶等效電阻Rt---儲集層原狀地層等效電阻SSP---靜自然電位SP---自然電位Isp---自然電流從(4)式中可以看出，當靜自然電位SSP、泥巖地層(1)等效電阻Rsh和井筒內泥漿(2)等效電阻Rm一定時，自然電位SP的幅值主要受儲集層的沖洗帶(3)等效電阻Rxo和原狀地層(4)等效電阻Rt大小的影響。而Rxo和Rt的大小與該儲集層的電阻率和層厚有關。當儲集層的厚度一定時，Rxo和Rt隨著儲集層電阻率的增大而增大，而自然電位SP的幅值則隨著Rxo和Rt增大而減小；當儲集層電阻率一定時，Rxo和Rt會隨著儲集層厚度的減小而增大，從而導致自然電位SP的幅值減小。
所以，現有自然電位SP測井在儲集層段的測量值并不等于靜自然電位SSP，它受井筒直徑、泥漿電阻率、儲集層電阻率和厚度的影響很大，特別是當儲集層的厚度變薄時(小于1米)，現有自然電位SP測井曲線幅度會變得非常小甚至沒有任何反應(參見圖7)。所以，現有自然電位SP測井曲線不能直接用于定量計算地層水電阻率Rw，到目前為止，也沒有任何一種其他的測井儀器能夠進行直接準確地測量地層水電阻率Rw。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種高分辨率靜自然電位測井儀，它可解決長期以來沒有任何一種測井儀器可以直接測量地層水電阻率Rw的難題，特別是，對于厚度大于0.3米的純儲集層，本實用新型所測資料可以直接用于計算地層水電阻率Rw。
從方程(4)可以看出，如果Rm＞＞Rsh+Rxo+Rt則有RmRm+Rsh+Rxo+Rt≈1---(5)]]>SP≈SSP要使(5)式成立，就必須增大泥漿等效電阻Rm。為了增大泥漿等效電阻Rm，就必然要求泥漿的電阻率非常高，而水基泥漿一般是由鈉、鈣、鎂基膨潤土和各種泥漿專用化學制劑加水調合而成，所以水基泥漿的電阻率通常都比較小，無法滿足使(5)式成立的要求。因此想要依靠增大泥漿電阻率使得(5)式成立的做法在實際工程上是難以做到的。
在本實用新型中設計了一種全新的電極系，它是利用電場疊加的原理來實現SSP的測量，并對泥漿的電阻率沒有特殊的要求。
本實用新型的技術方案是一種高分辨率靜自然電位測井儀，它包括有靜自然電位SSP電極系、測量電路，其特征在于所述的電極系是由鑲嵌在一絕緣棒上的對稱排列的9個電極環構成電極系主體，其由上至下的排列次序為A2、A1、M2、M1、M0、M1’、M2’、A1’、A2’；其中，M1、M1’；M2、M2’；A1、A1’；A2、A2’為同名電極并用導線短接；M0為靜自然電位測量電極；M2、M2’、M1、M1’為一對監督電極；A2、A2’、A1、A1’為一對屏蔽電極；電極N置于遠處；各同名電極、電極M0和電極N通過導線與測量電路相連接。
本實用新型的另一技術方案是一種高分辨率靜自然電位測井儀，它包括有靜自然電位SSP電極系、測量電路，其特征在于所述的電極系是由鑲嵌在一絕緣棒上的對稱排列的7個電極環構成電極系主體，其由上至下的排列次序為A1、M2、M1、M0、M1’、M2’、A1’；其中，M1、M1’；M2、M2’；A1、A1’為同名電極并用導線短接；M0為靜自然電位測量電極；M2、M2’、M1、M1’為一對監督電極；A1、A1’為一對屏蔽電極；A2為回路電極；電極A2和電極N置于遠處；各同名電極、電極M0、電極A2和電極N通過導線與測量電路相連接。
其中，所述的測量電路電路由運算放大器電路、運算放大器電路、信號運算放大器電路、多路開關和A/D模數轉換電路、單片計算機以及D/A數模轉換電路組成，其特征在于單片計算機是根據ΔVm的大小向屏蔽電極和回路電極之間提供電流，使得ΔVm趨近于零；并在ΔVm趨近于零時計算地層的靜自然電位的數值。
本實用新型的基本工作原理是當測井儀通過測井鎧裝電纜下放到充滿水基泥漿的井筒后，沿井筒內流動的自然電流Isp在流經電極M1、M2間的區域時，電極M1、M2之間便會產生電位差ΔVm，此時測量電路根據ΔVm的大小輸出一個合適的電流信號Ip加到電極A1、A2上并在井筒內產生一個與自然電流Isp極性相反、大小相等的電流，使得電極M1、M2之間的電位差ΔVm趨近于零，即電極M1、M2等電位。當電極M1、M2的電位相等時，只要電極M1、M2的間距選得合適，在M1、M2之間井段的區域內就不會再有電流流過，相當于該區域內的等效電阻Rm為無窮大，即Rm＞＞Rsh+Rxo+RtRmRm+Rsh+Rxo+Rt≈1]]>
此時電極M0與電極N之間的電位差為SP=Rm×Isp=SSP×RmRm+Rsh+Rxo+Rt≈SSP]]>通過這種方法可測量到靜自然電位SSP即當電極M1、M2之間的電位差ΔVm趨近于零時，電極M0與電極N之間的電位差即為靜自然電位SSP。
根據公式(6)(7)可計算出地層水電阻率Rw或地層水礦化度Cw。
Rw=10-SSPK×Rmf---(6)]]>或Cw=10SSPK×Cmf---(7)]]>式中K----靜自然電位系數，在25℃時，K＝70.7本實用新型的優點在于本實用新型解決了長期以來沒有任何一種測井儀器可以直接測量地層水電阻率Rw或地層水礦化度Cw的難題。由于本實用新型具有高分辨率的性能，可為描述薄儲集層的含油特性提供有價值的測井資料。
圖1是現有自然電位SP測量方法示意圖；圖2是自然電位產生的原理示意圖；圖3-1、圖3-2是現有自然電位SP測量原理的示意圖；圖4是本實用新型高分辨率靜自然電位SSP測井儀實施例1的原理框圖；圖5是本實用新型高分辨率靜自然電位SSP測井儀實施例2的原理框圖；圖6是本實用新型所測資料計算出的地層水礦化度Cw與實驗室通過巖芯分析得到的地層水礦化度對比圖；圖7是本實用新型在實際裸眼井中的測井曲線資料與傳統自然電位SP測井及其它測井方法的曲線資料的對比圖。
具體實施方式
下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明。
實施例1本實用新型高分辨率靜自然電位SSP測井儀實施例1的原理框圖，如圖4所示。在圖4中電極系部分10包括電極M0(11)、電極M1(12)、電極M1’(12’)、電極M2(13)、電極M2’(13’)、電極A1(14)、電極A1’(14’)、電極A2(15)、電極A2’(15’)、電極N(16)。
本實用新型由靜自然電位SSP電極系10、測量電路20組成。所述的電極系10是由鑲嵌在一絕緣棒上的對稱排列的9個電極環構成電極系主體，其由上至下的排列次序為A2(15)、A1(14)、M2(13)、M1(12)、M0(11)、M1’(12’)、M2’(13’)、A1’(14’)、A2’(15’)。其中，M1(12)、M1’(12’)；M2(13)、M2’(13’)；A1(14)、A1’(14’)；A2(15)、A2’(15’)為同名電極并用導線短接；M0(11)為靜自然電位測量電極；M2(13)、M2’(13’)、M1(12)、M1’(12’)為一對監督電極；A2(15)、A2’(15’)、A1(14)、A1’(14’)為一對屏蔽電極；電極N(16)置于遠處；各同名電極、電極M0(11)和電極N(16)通過導線與測量電路相連接。
測量電路實現的功能是在地層中建立一個電場同時測量電場中各電極之間的電位差，并通過單片計算機計算來得到地層的靜自然電位的數值。所述的測量電路20由以下電路構成運算放大器電路21；運算放大器電路22；信號運算放大器電路23；多路開關和A/D模數轉換電路24；單片計算機25；D/A數模轉換電路26。單片計算機25是根據ΔVm的大小向屏蔽電極和回路電極之間提供電流，使得ΔVm趨近于零；并在ΔVm趨近于零時計算地層的靜自然電位的數值。
各電路的功能描述如下運算放大器電路22放大電極M0(11)、N(16)上的電位差信號；運算放大器電路23放大電極M1(12)、M2(13)上的電位差信號；多路開關和A/D模數轉換電路24完成模擬信號/數字信號的轉換；單片計算機25完成對儀器進行系統控制和對測量數據的處理；D/A數模轉換電路完成數字信號/模擬信號的轉換；運算放大器電路21向電極A1(14)、A2(15)提供聚焦電流Ip。
本實用新型的工作原理單片計算機25控制D/A轉換電路26產生一聚焦電流Ip信號，該信號經運算放大器電路21放大后輸出至電極系的電極A1、A2上，便在井筒內建立一電場，此電場與井筒內自然電位建立的電場疊加，在電極M0和N之間及M1和M2之間產生的電位差VM0及ΔVM也是兩電場的疊加；VM0和ΔVM信號經運算放大器電路22、23分別放大后再由多路開關和A/D轉換電路24轉換為數字信號送至單片計算機中；單片計算機根據ΔVM信號的大小調整D/A轉換電路輸出信號Ip的大小，使得ΔVM/VM0≤0.0001。當ΔVM滿足ΔVM/VM0≤0.0001要求后，在電極M0和N上測量到的信號VM0的數值，即為靜自然電位SSP的近似數值。單片計算機將靜自然電位SSP測量值通過測井專用的數據傳輸儀器27及測井專用鎧裝電纜傳輸至測井專用的測井地面儀器(28)中進行記錄。
通過公式(6)或(7)可計算得到地層水電阻率Rw或地層水礦化度Cw。
Rw=10-SSPK×Rmf---(6)]]>或Cw=10SSPK×Cmf---(7)]]>式中K----靜自然電位系數，在25℃時，K＝70.7SSP----靜自然電位Rmf----泥漿濾液電阻率實施例2本實用新型高分辨率靜自然電位SSP測井儀實施例2的原理框圖，如圖5所示。在圖5中電極系部分10包括電極M0(11)、電極M1(12)、電極M1’(12’)、電極M2(13)、電極M2’(13’)、電極A1(14)、電極A1’(14’)、電極A2(15)、電極N(16)。
本實用新型由靜自然電位SSP電極系10和測量電路20。所述的電極系10是由鑲嵌在一絕緣棒上的對稱排列的7個電極環構成電極系主體，其由上至下的排列次序為A1(14)、M2(13)、M1(12)、M0(11)、M1’(12’)、M2’(13’)、A1’(14’)。其中，M1(12)、M1’(12’)；M2(13)、M2’(13’)；A1(14)、A1’(14’)為同名電極并用導線短接；M0(11)為靜自然電位測量電極；M2(13)、M2’(13’)、M1(12)、M1’(12’)為一對監督電極；A1(14)、A1’(14’)為一對屏蔽電極；A2(15)為回路電極；電極A2(15)和電極N(16)置于遠處；各同名電極、電極M0(11)、電極A2(15)和電極N(16)通過導線與測量電路相連接。
測量電路20與實施例1相同，故不再贅述。
實施例1和實施例2中的兩種電極系的區別在于A2(15)電極既可以作為一對同名電極A2(15)、A2’(15’)對稱置于電極系主體的兩端(參見圖4)，也可作為單一的一個電極A2(15)置于電極系主體之外(參見圖5)，這兩種電極系配合測量電路20都可實現本發明的目的。
本實用新型在完鉆的裸眼井中進行了測井，得到的測井曲線資料參見圖6和圖7。
圖6是本實用新型所測資料計算出的地層水礦化度Cw與實驗室通過巖芯分析得到的地層水礦化度對比圖。在圖6中Cw--用SSP曲線計算出的地層水礦化度，橫直線表示實驗室分析的地層水礦化度；SP--自然電位測井曲線；SSP--高分辨率靜自然電位測井曲線；RMG--微梯度測井曲線；RMN--微電位測井曲線。
圖7是在同一口裸眼井中本實用新型所測的曲線資料與傳統自然電位SP測井及其它測井方法的曲線資料的對比圖。在圖7中CAL--井徑測井曲線；GR--自然伽瑪測井曲線；AC--聲速測井曲線；RMG--微梯度測井曲線；RMN--微電位測井曲線；SP--自然電位測井曲線；SSP--高分辨率靜自然電位測井曲線；MSFL--微球形聚焦測井曲線；LL3D--高分辨率深側向測井曲線；LL3S--高分辨率淺側向測井曲線。
通過上述兩口井的測井曲線資料，可以得到以下結論1、由圖6中(1)(2)(3)處可以看到，在純砂巖地層，利用本發明所測資料計算出的地層水礦化度Cw與實驗室通過巖芯分析得到的地層水礦化度相符。說明本實用新型解決了長期以來沒有任何一種測井儀器可以直接測量地層水電阻率Rw或地層水礦化度Cw的難題。
2、本實用新型所測資料的分辨率與微電位、微梯度測井曲線的分辨率相當。參見圖7。例如在圖7中(1)處，該地層的厚度約為0.3米，本發明所測曲線有明顯的反映，而傳統SP曲線在該層幾乎沒有反映。這說明本實用新型所測曲線的分辨率已經達到了本發明的要求。
3、對于含泥質較重的儲集層，利用本實用新型所測資料計算地層水電阻率Rw或地層水礦化度Cw時，要進行必要的泥質校正。
通過圖6、圖7所示的實測測井曲線資料說明上述實施方案實現了本實用新型的目的。
權利要求1.一種高分辨率靜自然電位測井儀，它包括有靜自然電位SSP電極系(10)和測量電路(20)，其特征在于所述的電極系(10)是由鑲嵌在一絕緣棒上的對稱排列的9個電極環構成電極系主體，其由上至下的排列次序為A2(15)、A1(14)、M2(13)、M1(12)、M0(11)、M1’(12’)、M2’(13’)、A1’(14’)、A2’(15’)；其中，M1(12)和M1’(12’)；M2(13)和M2’(13’)；A1(14)和A1’(14’)；A2(15)和A2’(15’)為同名電極并用導線短接；M0(11)為靜自然電位測量電極；M2(13)、M2’(13’)和M1(12)、M1’(12’)為一對監督電極；A2(15)、A2’(15’)和A1(14)、A1’(14’)為一對屏蔽電極；電極N(16)置于遠處；各同名電極、電極M0(11)和電極N(16)通過導線與測量電路相連接。
2.一種高分辨率靜自然電位測井儀，它包括有靜自然電位SSP電極系(10)、測量電路(20)，其特征在于所述的電極系(10)是由鑲嵌在一絕緣棒上的對稱排列的7個電極環構成電極系主體，其由上至下的排列次序為A1(14)、M2(13)、M1(12)、M0(11)、M1’(12’)、M2’(13’)、A1’(14’)；其中，M1(12)和M1’(12’)；M2(13)和M2’(13’)；A1(14)和A1’(14’)為同名電極并用導線短接；M0(11)為靜自然電位測量電極；M2(13)、M2’(13’)和M1(12)、M1’(12’)為一對監督電極；A1(14)、A1’(14’)為屏蔽電極；A2(15)為回路電極；電極A2(15)和電極N(16)置于遠處；各同名電極、電極M0(11)、電極A2(15)和電極N(16)通過導線與測量電路相連接。
3.根據權利要求1或2所述的高分辨率靜自然電位測井儀，所述的測量電路(20)，它由運算放大器電路(21)、運算放大器電路(22)、信號運算放大器電路(23)、多路開關和A/D模數轉換電路(24)、單片計算機(25)以及D/A數模轉換電路(26)組成，其特征在于單片計算機(25)是根據電極M1、M2之間產生的電位差ΔVm的大小向屏蔽電極和回路電極之間提供電流，使得ΔVm趨近于零；并在ΔVm趨近于零時計算地層的靜自然電位的數值。
4.根據權利要求1或2所述的高分辨率靜自然電位測井儀，其特征在于它包括運算放大器電路(21)的輸入端與D/A數模轉換電路(26)相連接，輸出端與電極A1(14)和電極A2(15)相連接；運算放大器電路(22)的輸入端與電極M0(11)和電極N(16)相連接，輸出端與多路開關和A/D模數轉換電路(24)相連接；信號運算放大器電路(23)的輸入端與電極M1(12)和電極M2(13)相連接，輸出端與多路開關和A/D模數轉換電路(24)相連接；多路開關和A/D模數轉換電路(24)的輸出端與單片計算機(25)相連接。
專利摘要一種高分辨率靜自然電位測井儀，它包括有靜自然電位SSP電極系和測量電路。電極系是由鑲嵌在一絕緣棒上的對稱排列的9個電極環構成電極系主體，其由上至下的排列次序為A2、A1、M2、M1、M0、M1'、M2'、A1'、A2'；其中，M1、M1'；M2、M2'；A1、A1'；A2、A2'為同名電極并用導線短接；M0為靜自然電位測量電極；電極N置于遠處；各同名電極、電極M0和電極N通過導線與測量電路相連接。測量電路電路根據ΔVm的大小向A1電極和A2電極之間提供電流，使得ΔVm趨近于零；并在ΔVm趨近于零時計算地層的靜自然電位的數值。本實用新型具有高分辨率的性能，可為描述薄儲集層的特性提供可靠數據資料。
文檔編號G01V3/08GK2911178SQ20052012873
公開日2007年6月13日 申請日期2005年12月30日 優先權日2005年12月30日
發明者聶國柱 申請人:聶國柱