EILog井徑測井儀偏心校正技術研究及應用*

王 輝,楊 凱,黨益偉,劉李春,羅成龍,王志磊,賀 劍,陳金明,吳學濤,王 煒,宗 飛,田博寧

(1.中國石油集團測井有限公司物資裝備公司中部中心 陜西 西安 710201; 2.中國石油集團測井有限公司長慶分公司 陜西 西安 710201)

0 引 言

中國石油集團測井有限公司自主研發生產的EILog井徑測井儀在直井內能夠測得較為準確的井徑值,可以用來測量鉆孔直徑,提供井眼不規則程度數據,還可根據鉆孔的不規則形態,分析判斷地下巖層裂縫的發育程度和裂縫的方向[1-5]。井徑測量結果還可以在許多定量解釋中配合其他測井資料進行井眼影響校正,如馮琳偉等用井徑值對高分辨率雙側向曲線進行井眼校正[6]。因此井徑曲線的準確性對后續的其他測井資料解釋意義重大。然而,EILog井徑測井儀在長慶油田的大斜度井和水平井測井過程中出現嚴重的縮徑現象,所測的井徑值誤差大于5%,超出井徑資料的誤差要求,急需對其進行改進和偏心校正處理。

目前對于測井偏心校正的研究,多集中在固井質量測井和雙側向等測井項目,如曾桂紅研究了水平井固井質量測井中偏心模型下井孔聲場分布,明確了偏心距與套管波幅度間的關系,形成了適用于扇區水泥膠結測井的水平井固井質量評價偏心校正技術[7]。徐建華等研究了水平井中雙側向測井儀在井內偏心時產生的電位偏心格林函數,通過數值計算,最終繪制了深、淺側向的偏心井眼校正圖版[8]。

關于井徑測井儀的偏心校正研究較少,周琦等認為井徑縮徑的根本原因在于測井儀自重過大,導致井徑臂受到的壓力大于井徑臂彈簧的支撐力,造成測井儀沒有居中,使得測量沒有得到補充[9]。歷程軍等根據四點定圓求解并刻度四臂井徑,并進行水平井校正[10],但未在EILog井徑測井儀中應用。目前國內外水平井小井眼測井儀,如吉艾、威德福、勝利偉業等公司生產的井徑測井儀,基本都采用機械扶正來克服測井儀偏心問題,但還未見開展本論文相關的偏心校正技術研究。

1 EILog井徑測井儀存在的問題

1.1 結構問題

EILog井徑測井儀由兩組互成直角(X方向與Y方向)的井徑臂組成,其中的任何一個井徑臂可以獨立運動,與其相連的電位器與對立的一個井徑臂的電位器串聯,如圖1所示,再將兩兩串聯的兩組電位器阻值轉化成電壓信號,經連斜電子線路處理計算得到井徑數據。

圖1 EILog井徑測井儀測量原理簡圖

該井徑測井儀的結構導致測井儀只能測得X方向或Y方向總的井徑值,而無法測得X方向或Y方向具體某一個井徑臂的值,因此如果處于偏心狀態,其中一條井徑臂被壓縮,雖然該方向的總的井徑值變小,但具體是該方向中兩條井徑臂中的哪一條臂被壓縮,在井徑曲線中無法得知。并且根據圓的幾何定律,根據圓上的兩條相互垂直的線段各自的總長度(即對應兩條相互垂直的井徑值),是無法求得該圓的半徑及直徑的,即無法測得井眼的直徑,故無法進行偏心校正。

1.2 井徑臂彈簧問題

EILog井徑儀存在井徑臂彈簧彈力較小的問題,在水平井或大斜度井中,測井儀受到自身重力的作用,井徑臂彈簧的彈力較小,沒有足夠的彈力將井徑臂張開,導致偏心嚴重,所測井徑值誤差較大。

1.3 刻度器問題

EILog井徑儀的刻度器為2個直徑分別為30.48 cm與20.32 cm的獨立的刻度環,該刻度環在井徑臂張開后刻度時,極易出現偏心,測井儀不居中,由此造成刻度值不準確的問題。

1.4 電位器固定架問題

EILog井徑儀的4個電位器通過固定架上的螺絲進行固定,該固定架經常出現松動現象,在測井過程中電位器位置移動,從而引起電阻值變化,造成井徑曲線測量不準確的問題。

2 EILog井徑儀偏心校正技術研究

2.1 EILog井徑儀偏心試驗

通過室內試驗模擬測井儀處于不同大小井眼中的不同偏心狀態,從而將測井儀偏心影響量化。模擬兩種偏心狀態:狀態1,測井儀所受壓力與一條井徑臂重合,如圖2所示;狀態2,測井儀所受壓力與井徑臂不重合(在2條井徑臂之間),如圖3所示。

圖2 模擬狀態1示意圖

圖3 模擬狀態2示意圖

模擬結果見表1,測井儀居中時誤差小于5%,而處于偏心狀態時誤差均大于5%,由此可知井徑無論處于何種偏心狀態,其誤差均大于井徑測井質量要求的5%,且偏心越嚴重,所測井徑值誤差越大。實際測井中也得到證實,井眼傾角越大,測井儀偏心越嚴重,所測井徑值誤差也越大。

表1 EILog井徑測井儀偏心模擬試驗結果

綜上所述,在大斜度井和水平井測井中,EILog井徑儀所測的井徑值誤差較大,所測曲線縮徑嚴重,不能滿足測井要求。隨著水平井開發力度的加大,有必要開展井徑偏心校正技術研究。

2.2 偏心校正理論方法

井徑偏心校正“四點定圓”原理如圖4所示。

圖4 井徑偏心校正“四點定圓”原理圖

EILog井徑儀4條井徑測量臂與井眼相交于A、B、C、D四點,4條井徑數值大小分別為a、b、c、d,采用 “四點定圓” 方法確定井筒橫切面,從而計算出圓的直徑,計算過程如下:

OM2+BM2=OB2=OA2=R2

(1)

式中:O為圓心,OM為AB的垂直平分線,ON為CD的垂直平分線,R為圓的半徑。

OM=EN=CN-c=((c+d)/2)-c=(d-c)/2

(2)

BM=(a+b)/2

(3)

推出圓的直徑CAL為:

(4)

同法可推出:

(5)

由此可知,只需分別測得井徑儀偏心時的4個獨立臂的大小,便可通過四點定圓計算出實際的井徑值,從而實現偏心校正。

2.3 測井儀技術改進

2.3.1 機械結構改進

對現有的EILog井徑測井儀結構進行改進,將原井徑中相對立的2組串聯的電位器相互獨立,實現4條井徑獨立運動,同時電阻值也相互獨立變化,圖5和圖6分別為改進前和改進后的原理框圖。由圖可見,原來2組兩兩串聯的電位器改進為相互獨立的4組電位器,從而實現了4條井徑臂運動時在電位器上的獨立變化。

圖5 改進前的EILog井徑測井儀原理框圖

圖6 改進后的EILog井徑測井儀原理框圖

2.3.2 采集電路改進

電位器電阻的變化引起4組電壓的變化,原來的采集電路只能采集2路電壓變化,故還需對井徑儀的采集電路進行改進。將2組井徑值的兩通道數據采集電路改為四通道數據采集電路,圖7為改進后的采集電路原理框圖,圖中模擬信號采集通道1、2、3、4分別為4條井徑的采集電路,其中虛線方框內為新增的2道采集電路。

圖7 改進后的EILog井徑測井儀4通道采集電路原理框圖

2.3.3 動態庫(軟件)的改進

與機械結構、電路的改進相對應,測井動態庫(軟件)也需做出相應的改進。編寫相對應的動態庫,部分程序代碼如圖8所示。該動態庫軟件將采集到的4組井徑值進行“四點定圓”算法的偏心校正計算,最終獲得經偏心校正后的井眼尺寸。

圖8 改進后的EILog井徑測井儀“四點定圓”動態庫程序(部分)

2.3.4 井徑臂彈簧的改進

采用彈力更大的彈簧作為井徑臂彈簧,使得井徑儀在大斜度井或水平井中處于偏心狀態下井徑臂有更大的支撐力,使測井儀盡可能居中,減少測井儀偏心程度。

彈簧的彈性系數公式如下:

(6)

式中:c為彈簧的剛度,即彈性系數,又叫倔強系數k;

F為彈簧所受的載荷;

λ為彈簧在受載荷F時所產生的的變形量;

G為彈簧材料的切變模量;

d為彈簧絲直徑;

D2為彈簧直徑;

n為彈簧有效圈數;

C為彈簧的旋繞比。

根據式(6)可知,彈簧的彈性系數與彈簧材料的切變模量和彈簧絲直徑的4次方成正比,與彈簧直徑的3次方和有效圈數成反比。在井徑儀彈簧安裝處空間有限且不易改變的情況下,即D2不變,為了增加井徑臂彈簧的彈性,可采用切變模量更大的彈簧材質、更粗的彈簧絲直徑、更少的彈簧有效圈數。其中,由于彈性系數與彈簧絲直徑的4次方成正比,因此增大彈簧絲的直徑,是效果最明顯且最簡便的方法之一。通過試驗,將彈簧絲直徑增大為原來的1.5倍時,彈性系數增大為原來的5倍,且該彈力為不改變直流電機的情況下,直流電機所能承擔的最大負載。若再繼續增大彈簧的彈性系數,原來的直流電機所能提供的動力已無法將井徑臂完全收攏,且容易造成直流電機過于疲勞而損壞。因此,改進為原來彈簧絲直徑1.5倍的彈簧,在增大彈簧彈力5倍的同時,又無需更換直流電機,是較為合適的方案。

2.3.5 刻度器的改進

原EILog井徑儀刻度器為2個獨立的刻度環,如圖9(a)所示。將2個獨立的刻度環做成一體式,中心為與測井儀直徑大小相同的圓柱體,其外部為兩層直徑分別為20.32 cm和30.48 cm的圓柱體,如圖9(b)所示?？潭葧r,與測井儀直徑大小相同的圓柱體套在測井儀上可以使刻度器始終處于居中狀態,有效解決了因刻度環偏心而引起的刻度不準確問題。

圖9 改進前后的井徑刻度器

2.3.6 電位器固定架的改進

將EILog井徑測井儀的電位器固定架進行改進,采用兩段卡死的結構對電位器進行固定,避免了因螺絲松動造成的電位器滑動,從而減少了因電位器位置移動造成的井徑測值不準確問題。

3 室內實驗

為了檢驗改進后的EILog井徑測井儀偏心校正效果,進行室內刻度和偏心實驗,計算其測量誤差。實驗中分別采用直徑為30.48 cm的大環和直徑為20.32 cm的小環對井徑進行偏心試驗,使不同的井徑臂處于不同的壓縮狀態,模擬測井儀在大斜度井或水平井中所處的不同偏心狀態,記錄相應狀態時的井徑值,計算其誤差,部分測試數據見表2。

表2 改進后的EILog井徑測井儀室內實驗結果

由表2可以看出,無論是在大井眼(直徑30.48 cm),還是小井眼(直徑20.32 cm)中,無論處于何種偏心狀態,經改進后的EILog測井儀(采用4點共圓偏心校正方法),所測的井徑值誤差全部小于5%,遠小于改進前所測的井徑值誤差(表1),測量精度有顯著提高,偏心校正效果顯著,室內實驗成功。

4 測井應用

室內實驗成功后,將改進后的EILog井徑測井儀進行測井驗證。在蘇里格氣田某區塊測井數十口,所測資料無論是在直井段,還是在井斜較大的井段誤差均在允許的范圍內,全部驗收通過。選取其中任意一口井井斜較大井段的任意幾個深度點的井徑值進行誤差計算,計算結果見表3,井斜在32°左右時,實測井徑值與鉆頭直徑的誤差全部小于5%。

表3 改進后的EILog井徑測井儀測井驗證結果

綜合該井2 530～2 630 m井段井徑曲線,如圖10所示,井斜31°～32°,大部分井段井徑曲線與鉆頭尺寸較為接近,誤差較小,無縮徑。僅在2 530～2 538 m與2 585～2 595 m井段井徑曲線出現比鉆頭尺寸大約3 cm左右的誤差(誤差13.9%),但經測井資料解釋,該井段井徑曲線與聲波時差、雙側向等其他測井曲線有較好的對應關系,可能為擴井或井眼垮塌等真實井況的反映,整個井段無縮徑等情況,符合該地區的地質特征。在后續的其他大斜度井和水平井測井中,改進后的井徑測井儀所測井徑值誤差均在5%以內,在誤差較大的井段,井徑曲線也與其他曲線具有良好的對應關系,符合井眼垮塌等擴井的實際井況特征,因此改進后的井徑測井儀具有較好的偏心校正效果。

圖10 改進后的EILog井徑測井儀測井曲線

5 討 論

本文中所采用的“四點定圓”方法由于理論模型限制,僅適用于圓形井眼且井眼規則情況下的測井儀偏心校正,對于井眼垮塌造成的非圓形井眼或不規則井眼不適用。對于井眼垮塌造成的非規則井眼,因為井眼垮塌具有隨機性,難以用確定性的數學模型準確計算,一般測量方法是加密井眼圓周上的采樣點,即從4臂井徑加密到6臂、8臂、12臂等,以盡可能多地采集到不規則井眼處的真實值,提升測量準確性。這也是哈利伯頓公司研制的LOG-IQ測井儀將井徑儀的4臂增加到6臂的原因之一。

6 結 論

1)采用“四點定圓”方法實現了測井儀偏心時的井眼校正,對EILog 4臂井徑測井儀的機械結構和電路結構進行了改進,解決了EILog井徑儀在大斜度井、水平井規則井眼測量中的嚴重縮徑問題,使得到的井徑值誤差滿足測井要求。

2)經過室內實驗驗證,改進后的4臂獨立的EILog井徑測井儀處于不同偏心狀態時,所測的井徑值均能反映實際的井眼大小,誤差更小,精度更高。

3)改進后的井徑測井儀經上井試驗驗證,無論在大斜度井或水平井中,所測井徑曲線與鉆頭直徑誤差均在5%以內。在個別井段,井徑曲線誤差較大時,其與其他測井曲線具有較好的對應關系,符合擴井等實際井況特征,具有實際應用和推廣價值。

4)“四點定圓”的數學模型決定了本研究中的井徑偏心校正方法只適用于規則的圓形井眼,對于井眼垮塌造成的不規則井眼或非圓形井眼不適用。