专利名称：超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明属于石油电法测井装备研发领域，其涉及ー种能够对全尺寸电测井探測器进行复杂地层测井响应测试的实体物理模拟装置，用于验证电测井探測器的理论推导和数值模拟计算結果，特别是涉及ー种超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置。
背景技术：
探測器物理模拟装置作为专用装备，用于对I : I全尺寸探測器进行测井响应特性(纵向、径向探測特性，測量精度，纵向分辨率，等)的物理模拟，是对探測器设计中的数值模拟算法以及探測器制作方法和エ艺的关键性验证环节，并为探测器优化设计提供可靠的依据。物理模拟过程(也称为测井方法实验)是电测井探測器尤其是高端成像电测井探测器研发中不可或缺的重要环节。目前对电测井探測器研究和生产中进行物理模拟和实验的主要方法如下。 I、导电橡胶法用导电橡胶构建电测井探测器实体物理模拟装置是ー种传统的方法，这种方法的弊端是由于橡胶的非亲水性导致导电介质往往采用金属或非金属颗粒，导致在导电机理上与石油储层的离子导电相异，不同电性模块间的耦合困难，大体积的硫化成型非常困难、均匀性差、造价较高且容易老化等；因此没有得到普遍应用，尤其是没有在近年来高端成像电测井仪器(如阵列感应、三分量感应和阵列侧向等)的物理模拟中得到应用。2、大体积水池法以一定体积(超出测井仪器有效探测范围，一般半径大于5米)的水池盛有一定矿化度的水，由于离子导电作用可以模拟无限大介质下的某个电导率环境，可用于验证仪器的K值(仪器系数，用于完成电阻与电阻率或电导与电导率之间的換算)；但这种简单体积模型装置决定了完全无法考查仪器的纵向和径向探測特性，因此对于当今主流的成像电测井仪器研发中的探測器特性验证和优化无效。3、导电环方法采用串有阻抗元件的金属导电环是传统感应式测井仪器检查和刻度的常规方法，这种方法不属于实体物理模拟。由于是采用集中參数模拟实际地层分布參数对接收线圈的贡献，因此该方法不能用于考查仪器的纵向和径向探測特性，对于当今主流的成像电测井仪器研发中的探測器特性验证和优化无效，而且此方法不适于电极式电测井仪器。4、实验井法实验井一般是指有一定深度、能够提供一定的压カ和温度环境、井中有典型岩性的地层(甚至已经部分下了套管)，可对仪器的工作进行实验检测的非生产井；实验井对于不同和相同厂家、类型、型号的仪器间的对比和仪器稳定性的考察是有效的，因此是探測器研发后期的重要技术环节；但实验井中地层的实际參数(目的层、围岩的准确几何模型和电性參数)实际上是未知的，因此不可能对电测井尤其是电成像测井探測器的几何探测特性进行验证；实验井法应用中另ー个局限是所实验的探测器实际上必须是完整的仪器，其探測器子系统(电极系，线圈系)与电子控制、信号放大、数据采集和传输系统等必须按照一定的耐温耐压标准全部成型，这对于在原始性创新研究中需要对许多不同方案进行对比验证的前期阶段实际上是不现实的。总之，目前没有任何ー种方法能够构建适用的电测井探测器实体物理模拟装置，尤其是没有能够在复杂地层模式下动态改变和实时监测模型电性參数的方法。这导致长期以来，采用数值模拟方法(研究中已经把诸 多复杂因素简化和理想化)设计的电测井探測器无法得到有效地验证和优化，限制了研发中设计水平的提高。本发明的目的即是解决高端电测井探測器研发中的重要技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是，提供一种超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，解决电测井探測器在复杂地层环境下的物理模拟难题。本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现一种超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，所述模拟装置包括由下而上连接的下围岩地层模拟层，目的层原状地层模拟层和上围岩地层模拟层，所述目的层原状地层模拟层的内侧设有目的层侵入带地层模拟层，所述模拟装置的中央轴向上设有井孔，所述探测器放置于井孔内，所述模拟装置的外围设有外环带，所述外环带放置探测器远端回路电极；所述下围岩地层模拟层，目的层原状地层模拟层，上围岩地层模拟层和目的层侵入带地层模拟层的各个模拟层分别包括由平板超滤膜用热熔或粘接法制成的容器壁，各个容器壁内分别填充有绝缘微珠，各个模拟层中分别注入相应浓度的无机盐离子溶液形成具有设定电阻率的模拟层，各个模拟层内设有多个电导率探针。如上所述的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，所述容器壁的表面设有非金属制成的拉链。如上所述的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，所述下围岩地层模拟层，目的层原状地层模拟层，目的层侵入带地层模拟层和上围岩地层模拟层的各个模拟层的外缘安装有进液管和出液管，所述进液管和出液管分别由非金属材料制成。如上所述的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，所述模拟装置还包括四个离子液浓度调节系统，每个离子液浓度调节系统分别与各个所述模拟层的进液管和出液管相连，用于调节进入各进液管中的无机盐离子溶液浓度。如上所述的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，每个所述调节系统包括盐水罐，纯水罐，调节组件和循环组件；所述调节组件包括盐水阀，纯水阀和电导仪。所述纯水罐的出口依次连接纯水阀和电导仪，电导仪的另一端连接进液管；所述盐水罐的出ロ连接盐水阀，盐水阀的另一端接往纯水阀的出ロ ；所述循环组件包括依次连接的循环阀，循环泵和排放阀，所述循环阀的另一端连接纯水阀的出口端，循环泵和排放阀的连接端同时与出液管连接。本发明实施例的特点和优点是I、能够用于对全尺寸电测井探測器的物理模拟，可用于验证包括纵向、径向探測特性，测量精度，纵向分辨率在内的探测器测井响应特性。2、在各个模拟地层模块中植入有若干个电导率探针，可通过实时监测所模拟的地层模块电性以准确验证探測器的測量性能。3、各模拟地层采用绝缘微珠填充后，管道内液体的电导率与模型实际电导率出现差异，管道内液体电导率仅作为监测，对探测器进行物理模拟时采用在每个模块内埋敷的多个电阻率探针进行实时测量。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明实施例的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置的示意图；
图2是本发明实施例的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置的电阻率调节系统不意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施方式I如图I所示，本发明实施例提出的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，其包括由下而上连接的下围岩地层模拟层1，目的层原状地层模拟层2和上围岩地层模拟层3，所述目的层原状地层模拟层2的内侧设有目的层侵入带地层模拟层4，所述模拟装置的中央轴向上设有井孔5，所述探测器6放置于井孔5内，所述模拟装置的外围设有外环带7，所述外环带7放置探测器远端回路电极。所述下围岩地层模拟层1，目的层原状地层模拟层2，上围岩地层模拟层3和目的层侵入带地层模拟层4的各个模拟层分别包括由平板超滤膜用热熔或粘接法制成的容器壁，各个容器壁内分别填充有绝缘微珠，各个模拟层中分别注入相应浓度的无机盐离子溶液形成具有设定电阻率的模拟层，各个模拟层内设有多个电导率探针。所述模拟装置在此处呈圆柱形，当然并不以此为限，模拟装置也可为其它合适的形状。所述外环带7可为地砖。本实施例中，所述下围岩地层模拟层1，目的层原状地层模拟层2，上围岩地层模拟层3和目的层侵入带地层模拟层4这四个模拟地层分别是通过各自模拟地层内的绝缘微珠以及所注入的相应浓度的无机盐离子溶液，来获得所需电阻率的模拟地层的。例如在此处，这四个模拟地层的空间内分别填充绝缘微珠，井分别注入三种不同浓度的无机盐离子溶液，来获得相应的不同电阻率的模拟地层，其中此处的上、下围岩地层模拟层3、I内的绝缘微珠的种类与注入的无机盐离子溶液的浓度是相同的。当然在其它实施例中，四个模拟地层的空间内则可分别填充四种不同的绝缘微珠，井分别注入四种不同浓度的无机盐离子溶液。
在各个模拟地层内分别埋设有多个电导率探针(也称电阻率測量探针)，在此外，每个模拟地层内预置不少于三个电导率探针，电导率探针可采用双极四线方式，一对电流回路和一对电压回路，分别接屏蔽双绞线后再整体缠绕后引出；各个模拟地层内的电导率探针沿周向均分，作为实时測量模块电阻率的传感器，这些探针由于体积很小，对模拟地层电性的影响可以忽略。其中，在超滤膜内填充的绝缘微珠是比重稍重于水的非导电性微珠，例如塑料，瓷质、玻璃、树脂、陶瓷、硬橡胶或混合物质，微珠的比重稍重于水是为了避免微珠上浮，这样能够为模型提供更合理的导电通道，尤其是有利于较高电阻率的模拟，并避免了对溶液和循环系统的微量离子污染提出过于严格的要求。微珠的直径可在O. 5-5mm之间,微珠直径太大会使其填充率较低作用不明显，微珠直径太小会使其流动性差导致系统平衡时间加长，直径大小按照一定比例混合的微珠能够有效模拟高电阻率。采用微珠填充后，管道内液体的电导率与模型实际电导率出现差异 ，管道内液体电导率仅作为监测，对探测器进行物理模拟时采用在每个模块内埋敷的多个电阻率探针进行实时测量。本实施例，在模型的制作エ艺上，超滤膜作为ー种特殊的多孔性塑料，可采用热熔或粘接的方式拼接成型，由于接缝导致的局部超滤功能丧失对模型的整体影响很小而可被忽略。换句话说，平板超滤膜采用的是过滤性能接近纳滤的超滤材料形成的，膜的厚度为亚毫米级，特点是允许水分子自由通过而在一定程度上限制离子通过，从而以此构建不同电阻率的模拟地层模块。进ー步而言，少量离子透过超滤膜是允许而且必须的。之所以能够允许是由于不同模块间的滲透，具体有两点，一是使本装置中模拟的地层模型的电阻率能够动态调节和控制(參见图2)，ニ是模块本身各自有较大的离子缓冲容量。这样，不同离子浓度的界面产生的双电层作用于实际上更接近滲透性储层的电测井响应机理。本实施例中采用超滤膜间隔不同导电性的地层的核心作用是使这种由液体离子导电构建的复杂地层物理模型不仅适用于线圈式电测井探測器(基于电磁感应原理的感应测井仪器，感生电流以井轴为中心沿周向流动)，还适用于电极式电测井探測器(基于直接传导的电流聚焦式侧向测井仪器，传导电流沿径向流动，且发散后沿层间流动)。根据本发明的一个实施方式，所述容器壁的表面设有非金属制成的拉链8。容器壁上的拉链8的开ロ长度可不小于O. 5m，其可用于填充或更换绝缘微珠，拉链8面积由于远小于模型层间相交面积，因此对层间导电的影响可以忽略。所述下围岩地层模拟层1，目的层原状地层模拟层2，目的层侵入带地层模拟层4和上围岩地层模拟层3的各个模拟层的外缘安装有进液管9和出液管10，所述进液管9和出液管10分别由非金属材料制成。进ー步而言，所述下围岩地层模拟层1，目的层原状地层模拟层2，目的层侵入带地层模拟层4和上围岩地层模拟层3这四个模拟层的外侧分别安装有各自的进、出液管9、10,即整个装置共有四个进液管9和四个出液管10。其中一个较特殊结构是，目的层侵入带地层模拟层4的进液、出液管要穿过目的层原状地层模拟层2。本实施例中，各个模拟地层的进液管和出液管可分别呈180度设置，使得具有相对应浓度的无机盐离子溶液从进液管进入相应模拟地层内，经过绝缘微珠，并从另ー端的出液管流出。其中，进液管9和出液管10的管子直径可不大于2. 5cm，管的端点装有非金属过滤网，管的孔径小于绝缘微珠直径，以防止微珠溢出。
为了防止装置中的各模拟层的内外壁因为重力而变形，可以在模拟层的内侧(即井孔5的内壁)和模拟层的外侧(即外环带的内侧)分别安放硬塑料卡箍环。其中，内侧的卡箍环的高度应小于Icm,厚度小于O. 5cm,每个卡箍环的间距不小于20cm,对模拟结果影响即可以忽略；外侧的卡箍环的放置则自由的多，这是因为外侧卡箍环的位置已经超出了探测器的几何探测范围，可采用5cm高度，按照间距20cm连续放置，并注意让开模块的进出液管路。本装置的中心具有井孔5，如果装置是架设的，探测器则很方便设置在井孔5内；如果装置是直接放置在基础物(例如地面)上，那么需要在基础物上设置井孔延长部分11，井孔延长部分11是从井孔5向下延伸，井孔延长部分是为了方便放置探测器。下面给出本装置的具体示例，其模拟的是典型的高阻围岩、(钻井液)低浸、油水混合的砂泥岩储层。 本装置的井孔5的直径可为0.2m，井液典型电阻率为2Ω ·πι。上围岩地层模拟层3的厚度可为大于探测器1/2长度，典型电阻率50 Ω ·πι。目的层侵入带地层模拟层4的层厚可为lm，侵入带典型电阻率5Ω ·πι。目的层原状地层模拟层2的层厚可为lm，典型电阻率10Ω ·πι。下围岩地层模拟层I的厚度可大于探测器1/2长度，典型电阻率50 Ω ·πι。井孔延长部分的深度可大于探测器1/2长度，外环带7的厚度可为O. 5m，电阻率小于I Ω -m,放置探测器远端回路电极。本实施例能够用于对全尺寸电测井探测器的物理模拟，可用于验证包括纵向、径向探测特性，测量精度，纵向分辨率在内的探测器测井响应特性。本实施例为可进行复杂地层测井响应测试的实体物理模拟装置，可用于验证电测井探测器(包括电极式和线圈式)的理论和数值模拟结果，改进和优化探测器设计参数，该装置对于石油电法测井装备尤其是高端装备的研发具有重要的实用价值。此外，本实施例是采用超滤薄膜制作所模拟的地层框架(包括了上下围岩、侵入带和原状地层、井筒等)，各地层模块内部充盈一定浓度的无机盐溶液模拟不同电阻率，每个模块内的电性参数可以通过调节系统动态控制和监测，从而实现复杂地层的实体物理模型。实施方式2如图2所示，本实施例的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置A还包括离子液浓度调节系统。所述调节系统包括盐水罐12，纯水罐13，调节组件和循环组件。所述调节组件包括盐水阀16，纯水阀14和电导仪15。所述纯水罐13的出口依次连接纯水阀14和电导仪15，电导仪15的另一端连接进液管9。所述盐水罐13的出口连接盐水阀16，盐水阀16的另一端接往纯水阀14的出口。所述循环组件包括依次连接的循环阀17，循环泵18和排放阀19，所述循环阀17的另一端连接纯水阀14的出口端，排放阀19的另一端连接出液管10。本实施例中，通过控制纯水阀14和盐水阀16可以调节输往进液管9中的离子液浓度。进一步而言，装置中的每个模拟地层充盈导电液体，其纯水和饱和盐水(根据需要配制的无机盐溶液，可模拟不同离子类型，测井中最常见的是钠、钙、镁、钾的氯化物)的比例根据所设计的电阻率模拟值混合，并可根据需要随时动态调整。通过循环组件实现的自循环过程保证了模块内电阻率的均匀性。为了描述的方便，上述实施例的描述以及图2所示只是显示了其中一套进液管9和出液管10，在这套进液管9和出液管10中连接了一个离子液浓度调节系统。而本实施例中共有四套进液管9和出液管10，每一套进液管9和出液管10均连接了一个离子液浓度调节系统。当然在实现时，各套离子液浓度调节系统的纯水罐12和盐水罐13可共用，即四套离子液浓度调节系统使用一个纯水罐12和盐水罐13。按照本发明所示的原理，将阀门组用电磁阀代替，对电阻率信号进行数据采集，就能组成模块电性自动控制系统。模型在制造尺寸上的一定误差和充填微珠后的不平度如不大于±3cm，所造成的影响(对径向和纵向响应特征)是可以忽略的，因为任何电测井探测器受物理方法和响应机理的限制其测量精确度和空间分辨率并不高，相对误差通常在±2% ±10% (在测量动态范围的两端误差甚至还要大得多)。本实施方式的其他结构、工作原理和有益效果与实施方式I的相同，在此不再赘述。 以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括由下而上连接的下围岩地层模拟层，目的层原状地层模拟层和上围岩地层模拟层，所述目的层原状地层模拟层的内侧设有目的层侵入带地层模拟层，所述模拟装置的中央轴向上设有井孔，所述探测器放置于井孔内，所述模拟装置的外围设有外环带，所述外环带放置探测器远端回路电极； 所述下围岩地层模拟层，目的层原状地层模拟层，上围岩地层模拟层和目的层侵入带地层模拟层的各个模拟层分别包括由平板超滤膜用热熔或粘接法制成的容器壁，各个容器壁内分别填充有绝缘微珠，各个模拟层中分别注入相应浓度的无机盐离子溶液形成具有设定电阻率的模拟层，各个模拟层内设有多个电导率探针。
2.根据权利要求I所述的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，其特征在于，所述容器壁的表面设有非金属制成的拉链。
3.根据权利要求I所述的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，其特征在于，所述下围岩地层模拟层，目的层原状地层模拟层，目的层侵入带地层模拟层和上围岩地层模拟层的各个模拟层的外缘安装有进液管和出液管，所述进液管和出液管分别由非金属材料制成。
4.根据权利要求3所述的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括四个离子液浓度调节系统，每个离子液浓度调节系统分别与各个所述模拟层的进液管和出液管相连，用于调节进入各进液管中的无机盐离子溶液浓度。
5.根据权利要求4所述的超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，其特征在于，每个所述调节系统包括盐水罐，纯水罐，调节组件和循环组件；所述调节组件包括盐水阀，纯水阀和电导仪。所述纯水罐的出口依次连接纯水阀和电导仪，电导仪的另一端连接进液管；所述盐水罐的出口连接盐水阀，盐水阀的另一端接往纯水阀的出口 ；所述循环组件包括依次连接的循环阀，循环泵和排放阀，所述循环阀的另一端连接纯水阀的出口端，循环泵和排放阀的连接端同时与出液管连接。
全文摘要
本发明公开了一种超滤法构建电测井探测器实体物理模拟装置，其包括由下而上连接的下围岩地层模拟层，目的层原状地层模拟层和上围岩地层模拟层，所述目的层原状地层模拟层的内侧设有目的层侵入带地层模拟层，所述模拟装置的中央轴向上设有井孔，所述探测器放置于井孔内，所述模拟装置的外围设有外环带，所述外环带放置探测器远端回路电极；所述下围岩地层模拟层，目的层原状地层模拟层，上围岩地层模拟层和目的层侵入带地层模拟层的各个模拟层分别包括由平板超滤膜用热熔或粘接法制成的容器壁，各个容器壁内分别填充有绝缘微珠，各个模拟层中注入相应浓度的无机盐离子溶液形成具有设定电阻率的模拟层，各个模拟层内设有多个电导率探针。
文档编号E21B49/00GK102865062SQ201210369469
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者鞠晓东, 乔文孝, 卢俊强 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油大学(北京)