阵列感应测井的原理及仪器特性进展研究

荆晓林

摘要：阵列感应测井是感应测井理论上发展起来的一种成像测井技术，其主要特点是：测量精度高、分层能力强、适用范围广和丰富的曲线资源，较好的解决了常规测井仪器存在的分辨率低、探测深度浅且不固定、不能解决复杂的侵入剖面等问题。本文从分析阵列感应测井的原理、优越性入手，通过对比感应测井同阵列感应测井之间的差异，对阵列感应测井仪器特性进行了分析研究。

关键词：阵列感应、侵入剖面、探测特性、几何因子

一、引言

随着油气勘探程度的不断深入，勘探对象也变得越来越复杂，而常规电法测井仪器存在的分辨率低、探测深度浅且不固定、不能计算侵入剖面等问题，已经无法匹配勘探程度的进一步发展。阵列感应测井技术的诞生，是电法测井史上的一个质的飞跃，较好的应对了常规电法测井仪器所无法解决的问题，尤其是在砂泥岩地层、低电阻率地层和水淹层勘探开发中，阵列感应测井技术发挥了巨大的作用。

二、感应测井的原理

感应测井是利用了交流电互感原理，使得发射线圈的交变电流能在接收线圈当中感应出电动势，进而用来测量地层电导率的测井方法。因为发射线圈和接收线圈在井内，发射线圈中的交变电流必然会在井的周围地层当中感应出涡流，这个涡流又会对接收线圈的感应电动势产生影响。这个电动势就与涡流的强度有关，也就是与地层的电导率相关，因此它在接收线圈中所感应出的电动势就是周围地层的电导率的函数。给发射线圈通一个交流信号，信号经过地层的涡流之后便在接收线圈产生另外一个信号，可以通过测量这个信号的特性，经过适当的信号处理，能够把测量的电压值转换为地层的电导率值，最后可以经过一系列的推导而得出地层的一系列性质。

图1感应测井基本原理示意图

如图1所示，感应测井线圈系位于均匀均匀、各向同性、时不变的地层当中，地层环绕井轴对称，T和R分别为发射和接收线圈，匝数为NT和NR ，线圈半径都为r。发射线圈和接收线圈间的间距是L，线圈工作在一定频率下，磁导率、电导率及介电常数均是常数。发射线圈通以一等幅、稳频的交变电流I，发射电流大小为。

双线圈感应测井分辨率低，探测深度浅，受井眼、泥浆侵入以及上下围岩的影响严重；其次，其直耦信号强，导致有用信号在总信号中的比重过低，不利于实际处理；再次，纵向分辨率和径向探测深度的矛盾无法通过调节线圈间距来解决，这是实际工作当中我们通常不采用双线圈系测井而采用复合线圈系测井的主要原因。自Doll在1949年提出几何因子理论以后，人们就试图改进双线圈的特性，提高分辨率，增加探测深度，减小了环境影响和屏蔽直耦分量。其中一项重要的方法就是采用聚焦线圈系，通过多线圈系聚焦来解决双线圈感应测井中存在的问题。阵列感应测井仪器也使用了感应测井的测量原理，采用多个接收线圈共用一个发射线圈，同时在多个频率下工作，采用数学方法对测量信号进行软件聚焦处理。

三、阵列感应测井仪器特性介绍

20世纪90年代初以来，国外各大测井公司吸收了20世纪80年代几种新型感应测井仪的优点，研制出各种阵列感应成像测井仪，如：Haliburton公司高分辨率阵列感应(HRAI)，Schlumberger公司阵列感应测井仪(AIT)和Baker Atlas公司的高分辨率阵列感应测井仪(HDIL)，这三种仪器的仪器构造和基本特性如表1所示：

表1  AIT、HDIL和HRAI的仪器结构和基本特性

名称	AIT	HDIL	HRAI
基本子阵列	1个发射2个接收的三线圈子阵列。	1个发射2个接收的三线圈子阵列。	五个子阵列为四线圈子阵列；一个子阵列为三线圈子阵列。
子阵列分布方  式	AIT-B是双侧非对称分布； AIT-H是单侧非对称分布。	单侧非对称分布。	1至4长子阵列两侧对称分布，5和6短子阵列两侧非对称分布。
子阵列数	共8个子阵列	共7个子阵列	共10个子阵列
主发射与主接收间距	6in、9in.、12in.、15in.、21in.、27in.、39in.、72in.	6in.、10in.、15.7in.、24.5in.、38.5in.、60in.、94in.	18in.、30in.、42in.、54in.、69in.、78in.
测量信号	AIT-B：子阵列1和2用1个频率（105.3kHz）；子阵列3和4用2个频率（52.65、105.3kHz）；其余4个子阵列用两个频率（26.325、52.65kHz）。28个信号。 AIT-H：1个频率，26.325kHz。实部和虚部共16个信号。	8个频率：10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、90kHz、110kHz、130kHz、150kHz。实部和虚部共112个信号。	2个频率：8kHz、32kHz。实部和虚部共40个信号。
使用信号	实部信号+虚部信号	实部56个信号	实部20个信号
线圈系长度	AIT-B：8.25ft；AIT-H：6ft	7.83ft	13ft

阵列感应测井的最基本原理与普通感应测井原理类似，但它在硬件上采用简单的三线圈系结构，这种线圈没有硬件聚焦的功能，它采用数学方法对呈不对称形状的纵向响应曲线进行软件聚焦处理。它由数对接收线圈和1个共用发射线圈组成，实际上相当于具有数种线圈距的三线圈系。在接收线圈系的设计上充分考虑并解决了下面几个问题：（1）消除直耦信号；（2）各接收子阵列之间的间距应按照一定的规律来排列；（3）三线圈子阵列纵向特性的频率响应没有盲频；（4）离发射线圈较远的接收子阵列要考虑发射功率和接收信号的强度；（5）要有若干子阵列分别来反映深部地层信号和浅部地层信号。

它们采用几种不同的工作频率，以控制探测深度，并扩大了电阻率测量的动态范围。使用阵列感应图系，在测量R分量的同时，也测量X分量，可以获得几组具有相同垂向分辨率，但探测深度不同的电阻率曲线。经测井系统送至地面，进行数据处理，可得到一幅径向含水饱和度的垂向剖面，使油水层判断一目了然，并能看到侵入带的全貌。

三家测井服务公司的商用阵列感应测井仪器，均采用Poupon提出的思想：先井下采集信号，传到地面，通过处理提出所需信号；同时强调尽可能多的采集井下地层信息，通过地面信号处理提取测井解释所需的信息。但是在具体实现时采用手段和技术水平不一样，下面分别说明。

AIT的线圈系布置方式如图1所示。对于AIT-B型仪器，三种工作频率，发射线圈在中间，8个子阵列，3个在左侧，5个在右侧；对于AIT-H型仪器，一种工作频率，8个子阵列分布在右侧。AIT的子阵列由1个发射和2个接收线圈组成，其中一个为主接收线圈，另一个为屏蔽线圈，抵消直耦分量。在线圈设计时，分辨率和探测深度由子阵列的主接收与发射线圈的间距控制。若间距短，则分辨率高，但探测深度浅；若间距长，则探测深度深，但分辨率低。

（b）  AIT-H

图2 AIT-B（上图）和AIT-H（下图）线圈系分布示意图

HDIL仪器有八种工作频率，图3是HDIL的线圈系分布图，7个子阵列均在同一侧，基本子阵列也是由一个发射和两个接收的三线圈系组成。不同子阵列的间距从短到长按对数等间距分布。

图3 HDIL线圈系分布示意图

HRAI的线圈系设计思想与AIT和HDIL完全不同，主要来自于其已有的高分辨率感应测井仪器HRI。HRAI的线圈系分布如图4所示，共有10个独立的子阵列，发射线圈T在中间，上、下个4个长子阵列对称布置，上、下两个短子阵列非对称布置，除上、下两个最长子阵列为三线圈系子阵列外，其余阵列均为四线圈系子阵列。

图4  HRAI线圈系分布示意图

参考文献

[1]肖向阳,孙衍东.SL6000阵列感应测井仪器常见故障处理[J].中国石油和化工标准与质量,2018,38(03):28-29.

[2]陈章龙,陈涛,刘枭,李玉宁,樊琦,王丽.阵列感应测井仪器两种组合线圈的对比与应用[J].测井技术,2014,38(05):605-610.

作者简介：姓名：荆晓林 1969年 男  汉族  河南省灵宝市  助力工程师

中专   主要研究方向：测井