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阵列感应测井特点与应用分析
阵列感应测井特点与应用分析
高杰
中国石油大学（北京）测井研究中心，102200
摘要：
阵列感应测井具有明显的优势，已经得到测井行业的普遍认可，本文结合阵列感应测井的实际应用效果，从阵列感应测井仪器设计（仪器结构、频率等）和数据处理方法入手，力图对其特点进行客观分析，对出现的问题（精度问题、泥浆影响问题、探测特性问题等）进行客观评价，为阵列感应测井仪器研制和测井资料的充分应用提供理论和方法依据。
主题词：
阵列感应测井软件聚焦仪器结构环境影响测量精度
前言
阵列感应测井技术出现于二十世纪九十年代初，由于比传统双感应测井测量信息多、侵入反映明显、分辨率高、探测深度深、地层电阻率测量准确以及分辨油气水明显等优点，在油气勘探开发中具有良好的应用前景[1]。
目前，商用阵列感应测井仪器主要有Schlumberger公司的AIT-B和AIT-H，BakerAtlas公司的HDIL，Halliburton公司的HRAI和俄罗斯的HIL及其高频等参数测井（VIKIZ）仪器，前三家公司的仪器均在中国油气田开展测井服务。
国内许多测井公司已经购买了阵列感应测井仪器，同时，中国已经研制完成阵列感应测井仪器，目前正在推广应用。
阵列感应测井仪器已经得到测井行业的普遍认可，为了更好地进行阵列感应测井仪器系列选择、国内阵列感应测井仪器的研制和资料实际应用，有必要结合阵列感应测井的实际应用效果和特点，从阵列感应测井仪器设计和数据处理方法入手，对现有仪器进行客观分析和评价。
本文主要以AIT、HDIL和HRAI为例，进行相关问题的说明。
一、阵列感应测井仪器设计特点
1．仪器结构和基本特性
AIT、HDIL和HRAI的仪器结构和基本特性汇总在表1中。
表1AIT、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
2．设计思想
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1AIT-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2HDIL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3HRAI线圈系分布示意图
3．原始探测特性与合成曲线探测特性
根据线圈系参数可以计算得到AIT、HDIL和HRAI的原始径向和纵向探测特性；阵列感应测井合成曲线探测特性比较固定，与原始探测特性差异较大，见表2。
在表2中，原始探测特性计算结果是根据Doll几何因子理论计算得到，是最理想的情况，在实际测井中，探测深度要减小，分辨率要好一些。
表2AIT、HDIL和HRAI的原始径向和纵向探测特性
内容
AIT
HDIL
HRAI
径向探测特性
原始径向探测深度
子阵列1到8分别为0.19m、0.31m、0.44m、0.55m、0.74m、0.98m、1.36m、2.59m
子阵列0到6分别为0.21m、0.34m、0.55m、0.86m、1.35mm、2.10m、3.28m
子阵列1到6分别为2.90m、2.25m、1.78m、1.40m、0.95m、0.44m
合成曲线径向探测深度
五种探测深度：
10in.、20in.、30in.、60in.、90in.
六种探测深度：
10in.、20in.、30in.、60in.、90in.、120in.
六种探测深度：
10in.、20in.、30in.、60in.、90in.、120in.
纵
向
分
辨
率
原始纵向分辨率
子阵列1到8分别为0.94m、1.5m、2.0m、2.7m、3.5m、4.6m、6.3m、12.0m
子阵列0到6分别为1.0m、1.7m、2.6m、4.1m、6.3m、9.8m、15.3m
子阵列1到6分别为14.0m、10.8m、8.5m、6.6m、4.7m、2.1m
合成曲线纵向分辨率
1ft.、2ft.、4ft.
1ft.、2ft.、4ft.（根据需要提供0.5ft.）
1ft.、2ft.、4ft.
从表2可知：
（1）仪器设计时的探测深度不是最终提供的10in.、20in.、30in.、60in.、90in.和120in.（0.25m、0.5m、0.75m、1.52m、2.29m和3.05m），只有HDIL的原始探测深度与合成曲线探测深度比较接近；
（2）按90%分辨率定义，原始信号的分辨率均较低，实际上，当给出纵向响应函数时，可以看出原始曲线上含有一部分高分辨率信息，这是合成高分辨率曲线的基础；
（3）原始信号的特性较差，仪器的最终探测深度和分辨率需要通过多个阵列的合成才可能达到。
二、阵列感应测井信号处理方法
阵列感应测井的信号处理包括多项内容，其最大特点是通过软件聚焦合成不同特性的曲线，结合测井服务公司提供的仪器指标和分析数据，AIT、HDIL和HRAI的信号处理方法总结为表3所示内容，表中同时给出了相应特点[1]。
表3AIT、HDIL和HRAI中的信号处理方法
内容
AIT
HDIL
HRAI
趋肤效应校正
（1）实部分量逐点校正。
适用范围较窄。
（2）利用虚部分量进行补偿。
虚部信号影响因素复杂，只能在低阻地层才能使用虚部分量。
多频率趋肤效应校正方法，将7个子阵列、8个频率信号处理为与频率无关的7个子阵列信号。
稳定，抗干扰能力强。
背景—扰动趋肤效应校正方法，低频和高频分别处理然后合成为与频率无关的信号。
稳定，可靠。
井眼校正
基于实验和三维模型理论计算数据的自适应校正方法，无需泥浆电阻率和井径参数。
基于三维模型理论计算数据的自适应校正方法，无需泥浆电阻率和井径参数。
不稳定，易产生错误。
（1）基于几何因子的校正方法，仪器自带泥浆电阻率参数测量。
测井数据处理表明该方法较稳定。
（2）井洞校正。
真分辨率合成
无真分辨率合成曲线，直接将28或16个信号合成处理，最终提供分辨率匹配后的具有五种探测深度的三种分辨率曲线，提供非常耗时的“MERLIN”反演方法。
二维信号软聚焦合成，六个探测深度，不同探测深度具有不同分辨率。
稳定可靠。
与HDIL类似（设计出新的处理方法）
分辨率
匹配
差值信息补偿方法+信息过校正处理技术。
信息过校正处理技术不合理，在高阻、高对比度地层易出现异常。
基于非均匀背景电导率的处理方法消除了过校正现象。
匹配过程同HDIL，但信息过校正处理技术合理，信号稳定。
径向侵入反演
（1）基于几何因子的一维反演方法。
不稳定。
（2）基于正演的二维反演处理。
非常耗时。
（1）基于几何因子和地质特点的多参数控制一维反演方法。
合理可靠。
（2）可选的二维反演处理。
基于几何因子的一维反演方法。
目前显示不合理。
无二维反演处理。
其它处理
与孔隙度测井结合生成饱和度成像。
计算背景电导率；倾角校正。
计算背景电导率。
三、阵列感应测井应用分析
1．应用特点
根据仪器设计和现场测井资料处理，AIT、HDIL和HRAI的特点列于表4中[1]。
表4AIT、HDIL和HRAI的应用特点
AIT
HDIL
HRAI
优
点
（1）分辨率高，有三种分辨率：
1ft、2ft和4ft，均优于传统双感应分辨率（8ft和6ft）；
（2）1ft、2ft和4ft分辨率真实反映分辨层厚；
（3）可以指示径向侵入；
（4）新的相量处理中对过校正进行了一定改善。
（1）分辨率高，1ft、2ft和4ft真实反映分辨层厚；
（2）在高阻侵入地层，且地层电阻率大于1Ω.m时，6条探测深度曲线真实反映侵入特征；
（3）径向侵入指示较合理；
（4）在基于非均匀背景电导率的处理中，修正分辨率匹配中的异常。
（1）曲线光滑，异常点少；
（2）侵入指示明显，不同探测深度曲线基本上有侵入分离，无侵重合；
（3）深探测90in.和120in.曲线基本读到地层真电阻率；
（4）井眼影响小，在12in井中仍能得到稳定的处理结果。
问
题
（1）地层模拟显示，在高对比度地层（Rt/Rs=100），即使无侵入，不同探测深度曲线间仍有分离；
（2）地层模拟显示，在高对比度地层（Rt/Rs=100），即使8ft厚地层也读不到真值；10ft厚地层90in.曲线出现异常；
（3）电阻性侵入地层侵入指示不清楚；导电性侵入地层，层厚小于6ft时曲线不能读到真值。
标准处理中存在如下问题：
（1）10in的1ft分辨率曲线不可靠，常出现异常尖峰和错误侵入指示；
（2）1ft分辨率曲线变化剧烈，在致密层，深探测曲线有假“薄层”指示；
（3）侵入与非侵入层不易区分；
（4）大井眼中，井眼校正常不可靠；
（5）在高电阻率对比度地层）深探测深度的1ft分辨率曲线常出现异常毛刺。
在新处理中，导电性侵入地层，深曲线不能读到真值。
（1）分辨率低，1ft、2ft和4ft没有真实反映分辨层厚；
（2）在高阻层（电阻率大于10Ω.m），10in.浅探测深度曲线大于实际深度，约15in.；
（3）径向四参数侵入指示不合理。
解
释
（1）一次合成处理很难得到分辨率匹配曲线，尤其当电导率较高时；
（2）虚部趋肤效应校正不合理；实部和虚部同时处理有问题；
（3）趋肤效应校正方法不适合多个二维信号合成处理。
（1）无泥浆电阻率和井径参数的自适应井眼校正方法不稳定；
（2）分辨率匹配过校正处理技术不合理使1ft分辨率曲线常出现异常；
（3）背景电导率选择有问题加上匹配导致处理曲线侵入指示不正确；
（4）导电性侵入降低探测深度，因而读不到真值。
（1）仪器线圈系设计结构决定最短子阵列的探测深度，无10in.原始信号；
（2）仪器上下布置方式、3接收子阵列结构和大部分子阵列探测深度保证仪器井眼影响小，原始数据合理；
（3）完善分辨率匹配技术进一步保证处理结果稳定。
2．阵列感应测井仪器特点分析
上述总结主要基于服务公司的仪器参数说明和在比较理想条件下的应用结果。
现有阵列感应测井仪器在实际使用中已经暴露出设计时未考虑到的问题和信号处理方法方面的问题，因此在实际应用时不同程度地出现了各种问题，如探测深度和分辨率问题、适应地层电阻率问题、适应泥浆条件问题等。
（1）泥浆影响分析
井眼大小影响可以与泥浆电阻率影响结合起来讨论。
尽管各测井服务公司认为不需要井眼参数就可以进行数据处理，但是，“巧妇难为无米之炊”，只要原始信号的井眼影响大，则后处理必然存在问题。
我们已经通过数值模拟计算（参看图4、图5和图6）得到如下结论：
①比较淡的泥浆或油基泥浆中，应用阵列感应测井仪器是有效的，这与以往的结论完全一致，不同间距的线圈组合均能比较好地反映地层的信息；
②随着泥浆电阻率的降低（即随着泥浆矿化度的增高），测量结果与地层真实数值差别越来越大，主要原因在于：
趋肤效应明显，探测深度降低，原始地层信息降低；
③随着频率的增高，趋肤效应更加明显，体现为模拟电阻率数值大于实际地层电阻率数值；同时，泥浆电阻率降低，使测量信号的趋肤效应影响更加明显，因此，降低了地层的信息量，提高了对信号进行趋肤效应校正处理的要求，增加信号处理的难度，从而可能影响合成曲线的质量。
④无论高频或低频，长线圈距组合原始信号对地层的反映能力要好于短线圈距的组合，这与一般的理论和理解是吻合的。
但是，当泥浆电阻率很小时，则仅有长线圈组合的数据有一定的地层信息，浅探测的结果主要反映泥浆信息或受泥浆影响极为严重，因此在合成聚焦时需要特别小心。
⑤可以说，应用阵列感应测井仪器时，对泥浆电阻率有一定要求。
从已经给出的算例可以初步断定，阵列感应测井通常不宜在高于80000ppm（80℃）的泥浆中测量，换算到地面温度（20℃），大约是60000ppm，这通常也是阵列感应测井测量电阻率的极限（0.1Ω.m）。
或者说，在60000ppm以上，合成曲线的误差明显变大，其绝对数值在测井评价时的可信度要降低，因此，超过这个数值可能需要考虑侧向类的电测井仪器；
⑥根据HRAI仪器的线圈系数据可知，其最短线圈距离为18in，因此，其所有曲线受的泥浆影响较HDIL要弱，因此，理论上，其深探测的合成曲线可能要合理一些。
图4HDIL仪器原始测量信号模拟结果（f=10kHz，Rm=0.05Ω.m）
图5HRAI仪器原始测量信号模拟结果（f=32kHz，Rm=0.02Ω.m）
图6AIT仪器原始测量信号模拟结果（f=26.325kHz，Rm=2.0Ω.m）
（2）纵向分辨率分析
原始信号的纵向分辨率必须有足够多的高分辨率信息。
HRAI的最短子阵列间距为18in.，虽然受井眼影响小，但是该最短子阵列的原始分辨率为2.1m，远比期望的1ft分辨率（0.3m）大，虽然通过调整屏蔽线圈间距使原始子阵列包含1ft分辨率的信息，但是，由于原始高分辨率测量信息不充分，包含的1ft高分辨率信息太少，信号合成处理很难得到真正1ft的合成曲线。
因此，HRAI的1ft分辨率曲线的实际分辨率大于1ft，其1ft分辨率的不同探测深度的曲线可能出现不合理的分布现象，因此可能难以真实反映地层情况。
AIT和HDIL为了得到高分辨率，能够分辨1ft薄层，均有间距为6in.的最短子阵列；AIT为了得到井眼附近的信息，有四个子阵列间距小于20in.。
因此，AIT和HDIL的井眼影响要较HRAI严重，但是，AIT和HDIL的原始子阵列1中包含了较多的高分辨率信息，合成1ft分辨率的曲线可能要合理一些。
（3）径向探测深度分析
由于阵列感应测井信号要合成到多个探测深度，因而各子阵列原始信号探测深度要与合成的理想探测深度存在合理的关系。
HRAI中原始最浅探测深度为0.44m，无10in.（0.25m）的子阵列，理论上可以通过其它子阵列合成出10in.的信号。
但是，要在实际中合成10in.的探测深度的信号，某些子阵列的加权值必须大于1，于是，必定放大噪声，使处理结果不可靠。
因此，其浅探测曲线（如10in.）不合理，包含了较深处的信息，可能在渗透地层，不同探测深度的曲线分布不合理，不能很好地反映泥浆侵入状况。
对于AIT和HDIL，合成曲线探测深度均在线圈系原始径向探测深度之间，两相邻子阵列的探测深度之间仅有一个合成探测深度，相对比较合理。
（4）频率与趋肤效应分析
HDIL所有子阵列同时使用8个频率，可以保证原始信号的正确性（可以选择合理信号进行处理），同时，通过频率与电导率的函数关系实现趋肤效应校正，将每个子阵列的8个频率信号合成为一个信号，可以大大减轻合成滤波的工作量。
这可能是HDIL仪器比较有效的重要原因。
HRAI的工作频率较少（只有8kHz和32kHz两种工作频率），一旦其中某个频率的测量出现问题，即信息不可靠，则趋肤效应校正可能出问题；而且，其目前的趋肤效应校正基于两种频率的测量结果，因此对原始测量信号的要求较高。
当地层电阻率小于0.2Ω.m时，对于长子阵列，8kHz频率仍然太高。
（5）合成曲线的乱序问题分析
合成曲线的乱序现象在AIT仪器服务的早期出现，国内有人（曾文冲、高效增等）对此提出过建议和改进意见。
本质上说，对该问题认识比较统一，即合成因子（权系数）的不合理造成合成曲线关系混乱。
另外一个原因是原始测量信号的质量问题，通常该原因易被忽略，但考虑到各种仪器的特点以及系统的差别，这种原因也值得重视。
如果是因为合成因子（权系数）的不合理而造成的乱序问题，可以从原始信号入手，通过重新进行合成聚焦处理达到解决问题的目的；而如果是原始信号的质量有问题，则乱序问题不可能彻底解决！
（6）阵列感应测井反演的应用问题分析
通常情况下，如果原始信号正确、合理、充分，软件聚焦正确、合理，那么，合成曲线就比较全面和可靠，可以用来定性判断侵入问题，如果想进一步了解侵入半径（深度），则可以考虑在合成曲线的基础上进一步做一些反演计算工作。
三家测井服务公司均提供反演处理软件，以求解侵入半径和原状地层电阻率，由于对地层模型进行了简化，提供的结果仅作为参考。
从我们的研究经历和实际应用的可能性来看，不建议在原始曲线的基础上进行反演处理，原因在于处理流程复杂、速度慢，涉及内容多，而且结果未必可信，因此实用性很差。
3．感应测井适用电阻率范围与电测井仪器精度影响分析
首先，看一组测井服务公司公布的关于感应测井仪器精度的数据：
●Schlumberger公司感应测井仪器精度：
“TheoverallRMSerrorforbothAITlogsisthesameasfortheDIT-Etool,2%or+/-0.75mS/m,whicheverishigher.”（B.Anderson,T.Barber,“InductionLogging”,©Schlumberger,1996）（“AIT仪器和DIT仪器的测量误差为2%或+/-0.75mS/m，且为其中的高者。
”）
●Halliburton公司感应测井仪器精度：
“TheaccuracyofHRIis1%or+/-1.0mS/m,whicheverishigher.”（©Halliburton,1997）（“HRI仪器测量精度为1%或+/-1.0mS/m，且为其中的高者。
”HRAI是在HRI基础上发展起来的，二者测量精度一致。
）
其次，根据上述精度数据，我们可以进行地层分辨能力、测量误差分析和对饱和度求解的影响分析：
（1）地层分辨能力的讨论
简单讨论一砂/泥岩互层的地层模型，砂、泥体积含量均为50%，其它参数见下表，如果采用并联电导率模型：
Ca=Vsh*Csh+Vsd*Csd，计算结果同时在表中给出。
Rsh（Ω.m）
Rsd（Ω.m）
Ra//（Ω.m）
Ca//（mS/m）
1.0
10.0
1.818
550
1.0
100.0
1.980
505
1.0
1000.0
1.998
500.5
根据上表可以看出，对于泥岩和砂岩分别为1.0Ω.m和100.0Ω.m的模型以及泥岩和砂岩分别为1.0Ω.m和1000.0Ω.m的模型，其理想测量值的差别仅为4.5mS/m，均比Schlumberger公司的感应测井仪器测量误差（500mS/m2%10mS/m）和Halliburton公司的感应测井仪器测量误差（500mS/m1%5.0mS/m）小。
因此，由于仪器本身分辨率的局限性，是很难区分上述两种地层的。
（2）测量相对误差的讨论
图7Schlumberger公司感应测井仪器无限大均匀介质的精度分析结果
图8Halliburton公司感应测井仪器无限大均匀介质的精度分析结果
根据图7和图8分析结果可以看出，对于Schlumberger公司的感应测井仪器，当地层电阻率达到100.0Ω.m时，电阻率测量的相对误差仅为7.5%，而当地层电阻率达到1000.0Ω.m时，电阻率测量的相对误差高达75%；而对于Halliburton公司的感应测井仪器，当地层电阻率达到100.0Ω.m时，电阻率测量的相对误差仅为10%，而当地层电阻率达到500.0Ω.m时，电阻率测量的相对误差达到50%，当地层电阻率达到1000.0Ω.m时，测量电阻率的相对误差高达100%。
（3）对饱和度计算影响的讨论
根据Archie公式得到误差估计：
绝对误差为：
相对误差为：
如果仅讨论电阻率带来的Sw的相对误差：
，利用该式得到的计算结果见下图。
图9Schlumberger公司感应测井仪器精度对Sw的影响
图10Halliburton公司感应测井仪器精度对Sw的影响
在n=2的条件下，对于Schlumberger公司的感应测井仪器，当地层电阻率为100.0Ω.m时，Sw的相对误差仅为3.75%，而当地层电阻率达到1000.0Ω.m时，Sw的相对误差高达37.5%；而对于Halliburton公司的感应测井仪器，当地层电阻率为100.0Ω.m时，Sw的相对误差仅为5%，而当地层电阻率达到500.0Ω.m时，Sw的相对误差为25%，当地层电阻率达到1000.0Ω.m时，Sw的相对误差为高达50%。
可以明显看出，仪器的测量精度对饱和度的计算影响极为显著，从而可以直接影响流体性质的判别结果。
总之，测井服务公司宣称其阵列感应测井仪器的地层电阻率范围为0.1~2000Ω.m，而真正实用的范围可能在1~100Ω.m之间。
尤其是超过1000Ω.m时，测量数值只有相对意义。
四、结论与讨论
西方测井服务公司的阵列感应测井已经得到国内测井行业的普遍认可；俄罗斯的高频等参数测井仪器（VIKIZ）及其阵列感应测井仪器（HIL）等也已经开始在国内应用，并且见到不同程度的效果。
基于这样的现实和本文的分析，给出如下建议供参考：
（1）阵列感应测井替代常规双感应测井是一个必然的趋势，其优越性已经得到普遍和广泛认可；
（2）国内油公司和测井服务公司应该重视阵列感应测井仪
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