引言

无线随钻测井系统是20世纪90年代以来国际上广泛应用于石油钻探开发领域的随钻测量仪器，是在先期的定向钻井无线随钻测量仪，即MWD的基础上发展起来的一种井眼轨迹、地层参数和井下工程参数同时进行随钻测量的先进装备。目前，世界上主要有斯伦贝谢、哈里巴顿、贝克休斯和探路者(Pathfinder)公司能够生产这种仪器，提供这项技术服务^[1-8]

随着大斜度井和水平井的大量出现，常规的电缆测井仪器和垂直井的测量工艺已不能满足油田现场的需求。为了满足非直井的测量工艺需求，中国很多油田引进了哈里巴顿公司的FEWD测井仪器系列，并在陆上油田和海上油田测取了大量资料，但在测量过程中发现，其中的电阻率曲线经常出现一些异常变化，这些异常是代表地层的变化，还是仪器本身或者是出现的随机性异常，这些问题常困扰现场测试人员和资料解释人员。因此，从理论上分析曲线产生异常的原因，对于准确理解和解释随钻电阻率曲线非常重要。

FEWD仪器主要由以下几部分组成，双向自然伽马(DGR)、电阻率(EWR)、补偿中子孔隙度(CTN)、地层密度(SLD)测量仪、地面设备和数据处理软件等。其中EWR-Phase 4仪器测量电磁波在两个接收器之间的相位差和幅度衰减，有4种源距，每种源距的两个接收器测得两条曲线，总计测得8条。

EWR-Phase 4随钻测井仪器的传感器是高频感应电阻率传感器，仪器有4个射频发射器和2个接收天线，即四发双收。EWR-Phase 4工具的工作频率是2 MHz(超浅、浅和中等间距测量)和1 MHz(深间距测量)。4个发射线圈之间的距离为6，12，12 in.，2个接收线圈之间的距离为6 in.。仪器结构如图 1所示。

地层电导率是作为传输信号的相位差和幅度衰减的函数来计算的。通过测量每一组发射极和接收极之间的相位差和电磁波幅度衰减，得到不同深度范围(极浅、浅、中深、深)的电阻率曲线和组合电阻率曲线。其中，极浅、浅、中深探测的工作频率为2 MHz，深探测模式的工作频率为1 MHz，测量记录点在两个接收线圈中间。随钻仪器的相位差($ \Delta θ $)和幅度比(R_A)分别定义为

$ \Delta θ = {θ _2}-{θ _1} $

(1)

$ {R_{\rm{A}}} = 20\lg \frac{{\left| {{V_{{\rm{R}}1}}} \right|}}{{\left| {{V_{{\rm{R2}}}}} \right|}} $

(2)

式中：θ₁-第1接收器所接收电磁波信号的相位角，(°)；θ₂-第2接收器所接收电磁波信号的相位角，(°)；V_R1-第1接收器所接收电磁波信号的电压，V；V_R2-第2接收器所接收电磁波信号的电压，V。

频率在10 MHz以下时，地层导电率是影响电磁波传播的主要因素。因此，通过对介电常数和磁导率值作出适当的假设^[9-11]，测得的波的传播参数(相移和衰减)与地层导电能力或电阻率有关。

EWR-Phase 4测量每一组发射极和接收极之间的相位差和电磁波幅度衰减，探测不同深度范围的相移电阻率和幅度衰减电阻率。这便提供了8条具有不同探测深度的电阻率曲线。

1 EWR-Phase 4仪器响应的影响因素

有限元数值模拟和实际测量表明，无论哪种类型的电磁波测井仪器，都会受到井眼不规则、薄互层、地层倾角、厚度、井斜、泥浆侵入、地层各向异性等因素的影响，而随钻电磁波测井还会受到钻具，特别是钻铤的影响^[13-14]；电磁场的分布有时会受到钻铤不规则震动引起的非对称畸变。

(1)在薄互层段地层，相位差视电导率R_PH会在分界面处产生“极化角”，幅度比视电阻率R_AM受围岩的的影响更大(图 2)。

Wang T、Hagiwara T、Anderson B I等对砂泥岩层状进行了研究^[14-16]，通过非均质性地层有限元数值模拟，他们认为地层极化角的存在一方面反映了地层分界面的存在，另一方面，极化角实际上是地层在外加和撤去电磁场作用下的一种极化弛豫响应。实际测量和数值模拟表明，极化角的大小与相邻层的厚度、电阻率的相对大小有直接的关系。

(2)地层的倾斜会导致目的层的视厚度增大，不论是普通双感应测井、还是随钻电阻率测井，随着地层倾斜和井斜角的变化，电磁场在界面处产生畸变、导致过渡曲线不再完全重合，从而使得电阻率响应受到影响。在随钻电阻率测量过程中，幅度差和相位移电阻率同样也要受到地层倾斜影响，但是受影响的程度并不相同，探测越深，地层倾角越大，视电阻率的异常幅度就越大。这与普通感应测井的电阻率响应非常类似。Anderson B、Xiong Z等对感应测井进行了数值模拟研究，并特别模拟了近地表目标响应信号，结果显示，当井眼倾斜角超过50°时，井斜角对深感应电阻率数值的改变已经非常明显^[17-18]。诸多学者通过对EWR-Phase 4型随钻测井数值模拟就证实了这一点^[19-23]。极浅(Xshallow)、浅(shallow)、中(mediate)、深(deep)幅度衰减电阻率受地层倾角的影响如图 3所示，图中的横坐标z表示模拟地层的厚度、纵坐标是幅度衰减或相位移电阻率。从图 3可以看出：

①同等条件下，相位移电阻率的极化角明显地大于幅度衰减电阻率的相位角异常；

②地层的倾斜对极浅和浅幅度衰减电阻率几乎没有影响；

③当地层倾角大于45°时，倾角对相位移电阻率测井响应影响变得明显，当地层倾角大于60°时，中、深电阻率曲线就已经变形，倾角在75°时，变异数据是正常值的2倍，或更高，此时数据已经完全不可用了。如图 3e中，实际电阻率为20 Ω·m，而模拟的结果却是在上界面处接近100 Ω·m，是实际电阻率的5倍，在下界面处，电阻率接近于45 Ω·m。

④图中模拟结果还表明，异常大小与所测量的地层厚度有关，地层越薄、仪器响应对倾角越敏感。

此外，实际测量表明，各向异性地层会扩大地层倾角的影响，使得水平电阻率R_H和垂直电阻率R_V的差异增大，并且接收线圈到发射线圈的距离越大，仪器响应受到各向异性影响也越大。

(3)大多数情况下，钻铤的存在对幅度比和相位差都有一定的影响，有钻铤时幅度比增大，相位差在低阻地层时增大、高阻地层时减小。另外，钻铤的侧向振动会对发射器和接收器之间的电磁场造成畸变，从而导致所反映的地层的电阻率失真^[24-26]。钻铤的震动是由x、y、z 3个方向的加速度计传感器记录的，内存记忆功能系统根据3个加速计的数据组合可判断井下钻具振动，即：

①轴向振动；

②不均匀转动；

③横向摆动；

④ 3种方式的组合振动。

进一步的数值模拟表明，轴向线圈响应曲线能反映水平电导率的变化趋势。横向线圈响应曲线反映垂直电导率的变化趋势；横向线圈响应在薄互层分界面上会产生非常大的极化角；当地层较薄时，横向线圈响应受围岩影响非常大，要获得地层真实的水平电导率和垂直电导率以及精确区分各向异性层还需进一步的数据处理，如采用反演的方式能够求得地层真实电导率。

2 渤中地区电阻率异常响应特征

渤中地区部分井采用哈里巴顿的EWR-Phase 4随钻测井技术，主要进行了双向自然伽马、补偿中子孔隙度、地层密度和EWR-Phase 4电阻率测井。分析发现，电阻率曲线出现严重异常，异常率接近1/3，主要表现为幅度电阻率曲线和其他曲线显示的岩性分界面不一致、电阻率极化角现象(Polarization Horns)、电阻率佐罗效应(Zorro effect)以及中幅度电阻率异常起伏。

图 4是渤海湾渤中地区随钻测量的XX1h井的测井曲线。该井的电阻率曲线异常响应表现为：相位电阻率曲线在2249.60 m和2257.50 m处都出现尖角，2249.60 m处这种电阻率响应的极化角现象，通常出现在仪器穿过地层界面或薄的隔夹层时。对应同一深度处的GR曲线可以知道，在2249.00~2250.00 m附近，地层岩性较上下段发生变化，可以看到幅度衰减电阻率所受影响小，而相位移电阻率影响大。对比同一探测深度的电阻率可以看出，深相位移电阻率出现很明显的极化角。在2257.50 m处，地层GR明显增大，分界明显。实际上，极化角对应着岩性分层界面处。本井所出现的极化角表明，上下两个地层岩性交互变化明显，这可以从GR曲线得到证实。在2257.00 m附近，地层是由泥岩进入砂岩地层，下部2257.50~2272.00 m段，根据GR曲线和本段录井描述可知，岩性主要为泥岩，泥岩较厚，约15.00 m，其上覆地层2256.00~2258.00 m，这一段石英含量增加，电阻率升高，这一段相对于下部的泥岩地层，厚度较薄，由于相位移电阻率探测的更深，受原状地层影响更大，所以，深探测相位电阻率出现明显异常，即电阻率极化角现象。

从曲线来看，2258.00 m下部泥岩地层与上覆地层GR最大相差近60 API，说明这两段地层岩性变化很大，幅度衰减电阻率变化较稳定，在下部的泥岩地层里，幅度衰减浅电阻率、中电阻率和深电阻率基本完全重合，平均3.52 Ω·m，上覆地层中极浅电阻率约为3.00 Ω·m和浅电阻率约为5.00 Ω·m，中电阻率和深电阻率平均为7.58 Ω·m，这两个电阻率几乎重合，说明这是一段渗透性较好的地层。而对应的相位移电阻率变化却大得多，以相位移中电阻率和相位移深电阻率为例，在泥岩段中电阻率相对稳定，平均为2.78 Ω·m，最大值为3.00 Ω·m，在上部渗透层段，中电阻率最大值突变为1000.00 Ω·m；同样的，深电阻率在泥岩段平均为3.10 Ω·m，最大值为3.80 Ω·m，而在上覆的渗透层段，深电阻率最大值成果2000.00 Ω·m。这说明由于岩性变化、地层厚度对比以及相邻两层渗透性的变化，引起了较强的极化角现象。

由于同样的原因，在2249.00 m附近出现类似的极化角异常响应特征，这两段地层所表现的曲线异常现象都是因为电阻率在地层岩性界面处的导电性变化引起的过度响应造成的^[14-16]。此外，前面的数值模拟也表明，极化角的大小与井斜角还有很大的关系，本井是一口水平井，在1336.22 m处测量，井斜角为40.09°，在2250.47 m处，井斜角已经达到了74.52°，井斜角已很大，所以电阻率的极化角相当明显。

图 5是渤海湾渤中地区随钻测量的XX3井的测井曲线。该井的电阻率曲线异常响应表现为：幅度比曲线和相位移曲线形态出现周期性变化，通常称为“窗帘花边”效应(lace curtain effect)。

从GR曲线来看，这段地层岩性较均匀，GR的变化范围在100~140 API，在3305.00 m之上，GR较高，在120~140 API，主要是泥岩；两条密度曲线变化幅度不大，平均在2.25 2.35 g/cm³，根据录井资料显示，本段地层主要是灰色泥岩和粉砂质泥岩。在3305.00 m之上，电阻率曲线基本完全重合，幅度衰减和相位移电阻率基本上相等，为2.00 Ω·m，密度约2.35 g/cm³，说明岩性较致密，为纯泥岩的特征，岩层渗透性差，所以电阻率没有幅度差。但与图 4不同的是，本井的随钻电阻率曲线，不论是幅度衰减(amplitude attenuation)，还是相位移(phase shift)，不同探测深度的电阻率曲线都呈现相同的变化特征，即无论是幅度衰减，还是相位移电阻率曲线，无论是浅电阻率还是深电阻率(EDA、EMA、ESA和EXA)，均呈现规律性小幅度升高和降低的震荡形态；从其变化幅度来看，衰减电阻率震荡幅度较小，在±2.00 Ω·m左右，但是相位电阻率震荡幅度相对较大，在±4.00 Ω·m左右。在3305.00~3316.00 m这一段，GR曲线降低，平均值在110 API左右，属于粉砂质泥岩，地层的孔隙性和渗透性要好于上覆地层，所以电阻率曲线略有差异。其中，幅度衰减约3.00~5.00 Ω·m，相位移电阻率约为3.00~7.00 Ω·m。

该井完钻井深3375.00 m，泥浆密度1.2 g/cm³，在25℃时，测量泥浆电阻率为0.40 Ω·m，井斜角在2770.10 m处为73.0°，在3139.90 m处为69.4°，井况基本正常，地层岩性变化不大，相对均质地层，因此尽管井斜角较大，但并不存在像XX1h井那样的在层界面处出现的极化角。那么，使得电阻率曲线产生如此规则变化的原因究竟是什么呢？

应该首先排除那些不规则突变因素，如井壁的垮塌、泥浆的侧向突进或由于重力作用而产生的底部泥浆侵入。经仔细分析该井所有测量参数发现，钻井机械钻速ROP在3295.00~3325.00 m井段内存在较规则的异常变化，测试数据表明，在3295.00 m以上井段，ROP在横向上变化剧烈，几乎从0升高到大于200 mph，纵向上基本上是等间距出现异常。大约间隔6.00~8.00 m出现一次钻速跳变，分析认为，钻速的这种周期性变化，是由于钻铤轴向上的钻进，受到其本身侧向上周期性微小震动造成的。即钻铤存在较为明显的侧向运动，这使得井眼附近的电磁场响应也出现近似周期性的响应特征。

图 6是渤海湾渤中地区随钻测量的XX4h井的测井响应曲线。该井在1270.00~1300.00 m段地层录井显示，岩性主要是粉砂岩和泥质粉砂岩。从曲线来看，GR读范围82~95 API，地层岩性变化不明显。在1287.00~1289.50 m井段内，电阻率曲线也存在微小的极化角的响应，但是变化不大。在1293.20~1295.50 m井段，储层厚度约2.30 m。曲线出现不明显的佐罗效应。而从本井地层特征来看，首先上下GR最大值相差约35 API左右，下部地层GR平均约为100 API，为泥质粉砂岩，仍具有一定的渗透性。上覆地层渗透性较好，极浅、浅电阻率和中、深电阻率之间的幅度差很明显，但中深电阻率幅度差很小，说明泥浆侵入不深。以幅度衰减中深电阻率为例，下部泥质粉砂岩电阻率约为3.00 Ω·m，上覆渗透段中深电阻率最大值约11.00 Ω·m。但是对应的相位移电阻率变化较大，下部泥质粉砂岩相位移电阻率约为3.30 Ω·m，而上部渗透层段相位移深电阻率最大值为20.00 Ω·m，表现为微弱的佐罗效应。

这一现象与XX1h井很相似，但是不同的是XX3井佐罗效应并不明显，而在XX1井异常响应非常显著。这其中一个原因是在XX1h井，下部地层的GR比上覆的地层的GR最大相差近60 API，说明岩性变化较大，渗透性相差也较大，这从上面分析的电阻率的差异可以得到证实。

在1281.0~1286.00 m井段处，GR曲线读值约为83 API，为泥质粉砂岩，如果不考虑异常变化，本段地层深幅度衰减电阻率(EDA)大约为2.20~3.20 Ω·m，而深相位移电阻率曲线(EDP)大约为4.00 Ω·m。而电阻率曲线在这一段出现的异常特征是，幅度衰减和相位移电阻率都出现鱼刺状突变，且同一探测深度曲线之间变化幅度基本相同，不同探测深度曲线，探测越深，异常幅度越大，曲线读值异常幅度在5倍左右。

本井完钻井深3381.00 m，在1503.23 m处测得井斜为50.77°，2574.44 m处测得井斜73.99°。在25℃测得泥浆电阻率为0.25 Ω·m，泥浆滤液电阻率为0.21 Ω·m。机械钻速在1260.00~1290.00 m井段很稳定，没有大的变化。从这些情况来讲，电阻率的异常不是由于井眼和钻铤的侧向震动引起的。

通过与油田现场工程师和哈里伯顿仪器工程师咨询和分析，认为这类异常，可能是由仪器本身记录系统不稳定造成的。这类异常在所统计的46口井中，只有这一段存在这类现象。

3 结论

(1)在薄互层的层界面，电阻率曲线出现极化角，极化角的大小与地层厚度和上下围岩渗透性和导电特性有关。

(2)规则性变化的井眼，如螺纹井眼会导致所有电阻率曲线都呈现周期性变化，产生“窗帘花边”效应。

(3)井眼的倾斜导致地层厚度发生变化，引起曲线异常的特征与层界面处异常类似，薄互层和倾斜地层容易使得曲线呈现佐罗效应。

(4)钻铤的侧向震动对曲线的影响与螺纹井眼的影响相同，曲线的异常特征为出现周期性增大或减小。