随着勘探开发的不断深入，大庆油田、吉林油田等逐渐进入高含水后期开采阶段，剩余油在平面和空间上高度分散，为了保证稳产、增产，调整挖潜的对象已从厚油层向薄差层、表外层转移，0.2m薄差水淹层的有效识别已成为油田迫切要求(安丰全等，1994；郭兴钢，2008；Feng et al., 2010；陶宏根，2012).

双侧向测井技术是常规测井技术中的项目之一(赵延文和聂在平，1998)，在绝大部分油田勘探开发中发挥了重要的作用(丁柱等，2002a；史謌等，2004；谭茂金等，2012)，但是常规双侧向的纵向分辨率为0.6~0.9 m，难与其它高分辨率测井曲线匹配，特别在薄层、薄互层中应用，矛盾愈加突出，为了提高双侧向的纵向分辨率，国内在理论研究和样机研制等方面进行了大量的工作.现有双侧向测井仪器的测量方式和电极结构用于高分辨率仪器时，由于主监控电路的增益不能无限增大，使仪器的测量精度降低很多.丁柱等(2002b)探讨了两种解决方案：一是改变主电极系的结构，将主电极与一对监督电极互换，解决了原电极结构存在的因电极距缩短导致监督电极间距缩短的问题，降低了对仪器增益的要求，但这种方法没有从根本上消除剩余电位对测量精度的影响，仪器分辨率提高的程度是有限的；二是不改变电极的相对位置，根据电位叠加原理实现仪器的数值软聚焦，以其代替传统的电路聚焦，这种聚焦方式不要求监督电极剩余电位差为零，降低了仪器电路实现的难度，虽然从根本上消除了提高仪器分辨率的物理限制，而且大大提高了仪器的分辨率，但由于电子线路的复杂化，使仪器的研制周期延长.因此在研究中，要综合考虑电子线路的测量精度、仪器测量方式等因素的影响.丁柱等(2002a)对高分辨率双侧向进行了理论研究，采用有限元仿真模拟软件，精确模拟了多种电极系在二维地层中的响应，充分考虑仪器分辨率的提高与电路硬件聚焦的物理限制的关系，确定了电极系结构，其理论分辨率能够达到0.3 m，深、浅双侧向的探测深度分别为1.3 m和0.41 m，但是由于在仪器实现过程中，采用硬件聚焦，稳定性受到限制.王恒等(2007)开发了高分辨率双侧向测井仪器，其电极系与其它双侧向仪器的电极系不同，以监控电极M1为中心，电极对称分布为11个，并且增加一对辅助监控电极A^*₁和A^* ′1，每一对电极对称排列，仪器纵向分辨率为0.4 m. 朱军和冯琳伟(2007)对高分辨率双侧向进行了数值模拟，该仪器具有很高的纵向分层能力，在无侵入时，能识别0.1 m的薄层，并可以测到0.4 m薄层的真电阻率.钮宏等(2010)研究认为，当高分辨率双侧向与其他仪器进行组合测井时，影响因素较多，使得高分辨率双侧向测井仪器的工作状态出现异常.王昌学等(2003)也进行了高分辨率双侧向测井仪器设计，其电极系结构形式与王恒等(2007)提出的相同，纵向分辨率为0.2 m.

从定量角度以及实用角度出发，特别是当目的层与围岩电阻率对比度(R_t/R_s)比较高的情况下，目的层电阻率测量值仍然明显受围岩电阻率影响，目前国内已经开发双侧向测井仪器的纵向分辨率不能真正达到0.2 m，不能满足油田对0.2 m 薄层评价的需求.为此，需要开发纵向分辨率达到0.2 m 的双侧向测井仪器，并保证一定的探测深度.

本文采用二维有限元方法进行数值模拟，对双侧向电极系进行优化设计，得到纵向分辨率达到0.2 m的电极系，并分析了其探测深度、纵向分辨率、层厚影响以及井眼影响.仪器采用数字聚焦方式实现，对数字聚焦后得到的深浅侧向电位场合电流线分布进行了数值模拟.通过对孤立薄层和连续薄层的理论响应计算，以及现场资料分析，证实该仪器的纵向分辨率达到0.2 m.

图 1是高分辨率双侧向的电极系示意图.对于双侧向仪器而言，仪器的纵向分辨率主要取决于电极距L，即上下两对监督电极M1、M2和M1’、M2’中点之间的距离，电极距L越大，仪器的纵向分辨率越低，反之电极距L越小仪器的纵向分辨率越高.

图 1

Fig. 1

图 1 高分辨率双侧向电极系 Fig. 1 Electrode system of high-resolution dual laterolog tool

为了实现0.2 m的纵向分辨率，通过A0电极变窄、电极距缩短以及仪器主电极直径增加三个手段，采用二维有限元数值模拟方法，对电极系进行优化设计，得到电极系尺寸.分析了探测深度、层厚影响以及井眼影响，并计算了连续测量曲线.经过优化后的电极系总长为5.8 m，远小于常规双侧向电极系.

为了分析高分辨率双侧向的探测深度，需要计算径向伪几何因子图版，结果如图 2所示.图中横坐标是侵入带半径ri，纵坐标是伪几何因子gf，定义gf=0.5时，对应的侵入深度为径向探测深度，从图中可以看出，优化设计后的电极系，深侧向径向探测深度1.15 m，浅侧向径向探测深度0.38 m.

图 2

Fig. 2

图 2 径向伪几何因子图版 Fig. 2 Radial geometrical factor charts

为了分析仪器的纵向分辨率，计算了不同地层对比度(R_t/R_s，R_t为地层真电阻率，R_s为围岩电阻率)情况下，高分辨率双侧向的浅测量和深测量的层厚校正图版，结果如图 3和4所示.

图 3

Fig. 3

图 3 高分辨率双侧向浅侧向层厚校正图板 Fig. 3 Bed-thickness correction charts for shallow dual laterolog

图 4

Fig. 4

图 4 高分辨率双侧向深侧向层厚校正图板 Fig. 4 Bed-thickness correction charts for deep dual laterolog

由图 3和图 4可以看出，对于0.2 m的薄层，在对比度(R_t/R_s)达到30，且没有进行任何环境因素校正的条件下，R_as/R_t＞0.5，R_ad/R_t＞0.5，即浅侧向和深侧向的测量值(R_as、R_ad)均超过地层真值的50%，可见仪器的纵向分辨率达到了0.2 m，实现了设计要求.

电法测井主要用于水基泥浆钻井情况下地层电阻率的测量，无论是聚焦测井还是非聚焦测井，泥浆电阻率与地层电阻率的差异都会使测量结果降低.因此，一般电阻率测井仪器都提供井眼校正图版(朱军和冯琳伟，2007)，尤其是对于高分辨率双侧向仪器，其电极宽度变窄，受井眼影响程度要大于常规双侧向，因此更应该进行井眼校正.按经典双侧向井眼校正图版制作方法，得到深、浅双侧向测量值在不同井眼条件下的校正图版，如图 5和6所示，图中横坐标是视电阻率(R_as、R_ad)与泥浆电阻率(R_m)的比值，纵坐标是校正系数.

图 5

Fig. 5

图 5 高分辨率双侧向浅侧向井眼校正图版 Fig. 5 Borehole correction charts for shallow laterolog

图 6

Fig. 6

图 6 高分辨率双侧向深侧向井眼校正图版 Fig. 6 Borehole correction charts for deep laterolog

从图 5和图 6可以直观看到：

(1)0.2 m高分辨率双侧向具有较好的井眼适应能力，且校正关系较为简单；

(2)对于深侧向，其井眼校正图版具有和常规双侧向的深测量井眼校正图版相同的形态，但是井眼影响较大；

(3)对于浅侧向，井眼的影响也较大，当R_a/R_m>30时，井眼校正系数变化平缓；

(4)在低电阻率部分，对于深、浅双侧向测量，井眼环境对测量结果影响较大，需要进行有效校正，在R_a/R_m＜1的情况下影响关系较为复杂，不是有利测量区域.

所谓单一薄层，指的是目的层有限厚，而上下围岩无限厚.

为了分析高分辨率双侧向的连续响应，分别计算了该仪器对于层厚为0.2 m的单一薄层的响应，结果如图 7所示，上部为地层模型，下部为仪器深、浅电阻率测量响应，计算的条件是：目的层厚度0.2 m，目的层电阻率R_t=90 Ωm，围岩电阻率R_s=3 Ωm，即R_t/R_s=30，泥浆电阻率R_m=1 Ωm，无侵入.

图 7

Fig. 7

图 7 高分辨率双侧向对单一薄层的响应 (a)地层模型；(b)深、浅电阻率测量响应. Fig. 7 High-resolution dual laterolog response to single thin bed (a)Formation model；(b)Dual laterolog response to single thin bed.

由图 7可以看出，对于0.2 m的单一薄层，R_ad=47.1 Ωm，R_as=47.4 Ωm，R_a/R_t>0.5，也就是说，双侧向的深浅测量值均超过地层电阻率真值的50%，证明该仪器能够很好地分辨0.2 m的薄层.

分析了在不同地层对比度(R_a/R_s)情况下，层厚为0.2 m、0.25 m和0.3 m时，仪器主电极位于地层中心时，测量值与地层真值的对比情况，围岩电阻率R_s=3 Ωm.图 8和图 9所示为深、浅双侧向测量值R_a与地层真值R_t的交会图，同时图中还给出了R_a/R_t=0.5曲线，作为参比曲线.

图 8

Fig. 8

图 8 深侧向测量值(Rad)与地层真值Rt的交会图 Fig. 8 Cross plots between deep laterolog (Rad) and formation resistance(Rt)

图 9

Fig. 9

图 9 浅侧向测量值(Ras)与地层真值Rt的交会图 Fig. 9 Cross plots between shallow laterolog(Ras) and formation resistance(Rt)

从图 8中可以明显看出，当R_t/R_s≤30时(对应R_t<90 Ωm)，即使对0.2 m薄层，三条曲线均位于R_ad=R_t/2直线之上，说明R_ad/R_t>2，也就是说测量值达到真值的50%以上.

从图 9中可以看出，对于浅侧向，对0.2 m薄层，测量值R_as与地层真值R_t之比R_as/R_t>2，也就是说测量值达到真值的50%以上.

以上结果表明，在地层电阻率对比度R_t/R_s≤30的情况下，设计的高分辨率双侧向的纵向分辨率能够达到0.2 m，满足设计要求.

所谓连续薄层，指的是目的层和围岩均为有限厚地层.

另外，为了进一步考察仪器的薄层响应，还计算了仪器对不同厚度的连续薄互层的响应曲线，如图 10所示，目的 层、围岩以及泥浆的电阻率分别为90，3和1 Ωm，无侵入.图 10 的上部为地层电阻率模型，地层厚度为0.2 m、0.3 m、0.4 m、 0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1 m，围岩厚度均为0.5 m.下部是仪器深、浅电阻率测量响应.

图 10

Fig. 10

图 10 高分辨率双侧向对连续薄互层的响应 (a)地层模型;(b)深、浅电阻率测量响应. Fig. 10 High-resolution dual laterolog response to continous thin bed (a)Formation model；(b)Dual laterolog response to single thin bed.

从图 10可以看出：仪器对0.2 m的测量响应超过地层真电阻率的50%；对0.3 m薄层测量响应达到地层真电阻率的75%，和0.4 m的薄层测量响应达到地层真电阻率的90%，响应基本饱和；对0.5 m以上厚度的地层的测量响应达到饱和.

传统的双侧向都采用硬件聚焦方式.为满足监督电极等电位，理论上要求主监督电路放大器增益无限大，但为了保证电路的稳定性，这一增益往往是有限的，因此硬聚焦状态下的监督电极间必然存在剩余电位，这个剩余电位差在传统的双侧向测量中可以忽略，但对0.2 m高分辨率双侧是不容忽略的.

要实现0.2 m双侧向仪器高精度高分辨率测量，硬件聚焦方式难度很大，采用数字聚焦方式是较好选择.数字聚焦原理是采用三种独立的供电模式：

模式1： 类似传统双侧向的深侧向供电，通过A1、A2对电缆外皮B供电，主电极A0没有输出电流.

模式2： 类似传统双侧向的浅侧向供电，通过A1对A2供电，主电极A0没有输出电流.

模式3： 电流从A0流出，从A1、A2返回，辅助监控保证A1^*和A2等电位.

运用电场叠加原理，通过三种独立的供电模式形成的电场两两叠加作为深、浅侧向的电场；以V_m1-V_m2=0、 V_a=0等为边界条件，分别测量3种供电模式下的主电压、监督电极电位差、主电流等信号计算得到深、浅侧向电阻率，分别如图 11和12所示.

图 11

Fig. 11

图 11 高分辨率双侧向的深侧向数字聚焦 Fig. 11 Synthetic focusing of high- resolution deep laterolg

图 12

Fig. 12

图 12 高分辨率双侧向的浅侧向数字聚焦 Fig. 12 Synthetic focusing of high- resolution shallow laterolog

高分辨率深、浅双侧向数字聚焦电阻率计算公式为

分析了数字聚焦后，深浅侧向的电位场和电流线分布特征，如图 13和14所示.

图 13

Fig. 13

图 13 数字聚焦深测量的电场分布与电流线(模式1+模式3=深侧向) (a)电场分布与电流线；(b)局部放大图. Fig. 13 Electric field distribution and current lines of synthetic-focusing deep laterolog (a)Electric field distribution and current lines；(b)Partial enlarged view.

图 14

Fig. 14

图 14 数字聚焦浅测量的电场分布与电流线(模式2+模式3=浅侧向，右图为局部放大图) (a)电场分布与电流线；(b)局部放大图. Fig. 14 Electric field distribution and current lines of synthetic-focusing shallow laterolog (a)Electric field distribution and current lines；(b)Partial enlarged view.

由图 13和14可以看出，数字聚焦后的深、浅侧向电位场和电流线，符合双侧向的深、浅测量的特征.

经过电极系优化设计、数字聚焦实现，开发了0.2 m分辨率双侧向测井仪器，进行了52口井的现场试验，并在大庆油田和吉林油田全面推广应用.

B1-J654井是一口取心井，测井曲线如图 15所示，绘图比例1100，图中给出了、微球、微电极、高分辨率声波、自然电位、自然伽马、密度、井径等测井曲线，其中微球、微电极、高分辨率声波测井曲线的分辨率已经达到0.2 m，图中还给出了岩性剖面.

图 15

Fig. 15

图 15 B1-J654测井曲线图 Fig. 15 Log curves of Well B1-J654

从图 15中的井径曲线可以看出，该井的井眼非常不规则，0.2 m分辨率双侧向仍然能够识别0.2 m的薄层.从岩 性剖面图可以看出，存在877.02~877.22 m段层厚为0.2 m 的单独发育的薄差层、887.00~887.02的薄夹层，常规曲线中仅有分辩率较高的微球聚焦和微电极(微电位和微梯度)测井曲线对岩性细微变化有响应，0.2 m分辨率双侧向测井曲线对这些细微的岩性变化也有相应变化；而且在881~886 m的深度范围内，与岩性剖面图相比较，对岩心每一个 节点的细微变化，0.2 m高分辨率双侧向曲线均有较好的测井响应，均与分辩率较高的微球聚焦、微电极曲线有非常好的匹配关系，因此，曲线和岩性剖面对比分析均表明，所研发的高分辨率双侧向测井仪器的纵向分辨率可以达到0.2 m.

本文采用二维有限元方法进行数值模拟，进行电极系优化设计，实现了0.2 m分辨率的目标得出结论如下：

(1)径向几何因子图版分析表明，高分辨率双侧向的深浅侧向的探测深度分别为1.15 m和0.38 m；

(2)层厚响应曲线和连续计算曲线分析表明，在目的层电阻率与围岩电阻率对比度为30的情况下，测量值超过真值的50%，仪器的垂直分辨率能够达0.2 m，这也得到了现场资料的证实；

(3)0.2 m分辨率双侧向较常规双侧向受井眼影响大，必须进行合理的实时井眼校正；

(4)数字聚焦对于0.2 m分辨率双侧向测井仪器实现是合适的.