動電效應測井研究現(xiàn)狀和展望

金 鼎,孫寶佃,胡恒山,關 威

(1.中國石油天然氣集團公司科技管理部,北京100007;2.中國石油集團測井有限公司技術中心,陜西西安710021; 3.哈爾濱工業(yè)大學航天學院,黑龍江哈爾濱150001)

動電效應測井研究現(xiàn)狀和展望

金 鼎1,孫寶佃2,胡恒山3,關 威3

(1.中國石油天然氣集團公司科技管理部,北京100007;2.中國石油集團測井有限公司技術中心,陜西西安710021; 3.哈爾濱工業(yè)大學航天學院,黑龍江哈爾濱150001)

在實驗室內(nèi)利用動電效應測量了水飽和巖樣的流動電勢系數(shù)和電滲壓力系數(shù),由這些實驗系數(shù)可計算出滲透率,其值與利用達西定律測量的氣滲透率差異很小,不僅說明巖石動電效應可以定量表征,而且可用于測量滲透率;在小型孔隙地層模型井中,觀測到了聲波誘導的電磁場,也觀測到當電偶極子激發(fā)瞬變電磁場時誘導的聲場;基于聲波-電磁耦合方程組,模擬了聲誘導電磁場測井響應的全波列和電誘導聲場的測井全波列,利用理論波形可對模型井觀測現(xiàn)象中的主要部分進行解釋。

測井;動電效應;滲透率;震電;電磁場;全波列

0 引 言

自1939年前蘇聯(lián)科學家發(fā)現(xiàn)巖石的動電效應以來,國際地球物理學界就一直關注這種效應在石油勘探方面的應用潛力。1990年,前蘇聯(lián)提出了動電效應測井的現(xiàn)場實驗方案。近20年來,國際上一些著名研究機構開展了動電效應測井研究,我國也進行了持續(xù)10年的理論與實驗研究,取得了較大進展。本文就動電效應測井的研究現(xiàn)狀和前景進行介紹和分析。

1 動電效應測井的提出及其物理基礎

1.1 定常和時變動電效應

動電效應是物理化學中的1個與界面雙電層相關聯(lián)的基本概念。雙電層(electric double layer)常見于固體-流體界面[1](見圖1)。在含泥質(zhì)的砂巖中,地層孔隙水一般是含氯化鈉等物質(zhì)的電解質(zhì)溶液,黏土顆粒表面帶負電吸附溶液中的陽離子,形成一個富集陽離子的吸附層。吸附層外陽離子的濃度隨離黏土表面的距離增大而減小,呈擴散分布稱為擴散層。吸附層與擴散層一起,構成雙電層。吸附層很薄,只有nm量級的厚度,吸附層的離子只隨顆粒運動。擴散層的厚度與孔隙流體的離子濃度有關,一般遠大于吸附層。擴散層離子容易在電場力作用下移動,也可伴隨流體運動而移動。

圖1 雙電層模型示意圖

與晶體的壓電效應不同,巖石的動電效應是與雙電層結構[1-2]、溶液中離子濃度分布、孔隙連通性和滲透性有關的力學-電磁學耦合效應。當孔隙巖石中存在壓強差時,包括擴散層在內(nèi)的孔隙流體會向壓強小的一端流動,因擴散層含陽離子,就形成了對流電流,使壓強低的一端出現(xiàn)陽離子累積,壓強高的一端陰離子累積,使兩端出現(xiàn)電勢差,即所謂的流動電勢。在流動電勢的作用下,孔隙內(nèi)出現(xiàn)電場,指向壓強高的一端,在該電場作用下,孔隙流體中形成傳導電流,它降低兩端累積的凈剩離子量。傳導電流與對流電流方向相反,當二者大小相等時,達到動態(tài)平衡,流動電勢不再增加或減小?？梢?在一定的壓強差作用下,流動電勢是確定的。與上述過程相反,對巖樣兩端施加電壓,在產(chǎn)生傳導電流的同時,將由于離子拽動流體形成滲流。當滲流受到阻礙時,負極的壓強就會高于正極的壓強,形成壓強差,壓差又驅動流體反向運移,動態(tài)平衡時的壓強差稱為電滲壓力。流動電勢現(xiàn)象和電滲現(xiàn)象都是電化學領域熟知的動電現(xiàn)象。通常,這些現(xiàn)象隨時間變化緩慢,可認為是定常或直流動電效應[3-5]。

盡管定常動電現(xiàn)象早就為人們所熟知,但與地震波相關聯(lián)的交變或瞬變動電效應則1939年才發(fā)現(xiàn)。前蘇聯(lián)勘探地球物理學家 Ivanov發(fā)現(xiàn)了孔隙地層中伴隨地震波出現(xiàn)的電磁場[6]。為解釋Ivanov發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象,Frenkel[7]建立了孔隙介質(zhì)彈性動力學模型,論證了滲透性孔隙介質(zhì)中彈性波誘導電磁場的現(xiàn)象是瞬態(tài)壓強差作用下的巖石動電效應,闡明了動電效應是地震波引起電磁場的機理之一。

進入20世紀90年代,關于動電效應的理論研究取得了突破性進展。1994年,Pride[10]推導出了流體飽和孔隙介質(zhì)的彈性波-電磁耦合方程組,它是關于孔隙介質(zhì)彈性波的Biot方程組[11-12]與關于電磁場的Maxell方程組的耦合,其中體現(xiàn)耦合能力的系數(shù)稱為動電耦合系數(shù),它是隨頻率變化的。隨后, Pride和 Haartsen[13]分析了均勻孔隙介質(zhì)中耦合地震-電磁波的體波特性,從理論上說明了存在2種誘導電磁場,一種伴隨地震波出現(xiàn);另一種脫離地震波以電磁波速度傳播。Pride理論的建立為解釋動電效應的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)提供了理論框架。

1.2 動電測井

相比于在地面激發(fā)和接收波場的震電勘探方法,動電效應測井的特點是從激發(fā)源到勘探目的層位的距離小,從目的層位到接收器的距離也小,而且采用千赫茲級頻率可使分辨率提高。1990年,前蘇聯(lián)在1口113 m深的井中進行了電聲轉換測井的試驗[16]。井下儀器的核心部分是電偶極子和位于電偶極子中間的2個聲波接收器,其中一個接收縱波;另一個接收橫波(見圖2)。測量時,大功率信號發(fā)生器從地面(通過電纜)向井下發(fā)送電脈沖,電偶極子發(fā)出振幅為800 V、頻率1.25 Hz的正弦波,由于動電耦合,電磁場在地層中激發(fā)聲波,被井中聲波換能器接收并傳送到地面。

瞬變電磁場可誘導聲信號,反過來,聲波也可以誘導電磁場。當聲波換能器在井中發(fā)射聲波時,在地層中將由于動電效應產(chǎn)生電磁信號傳播至井內(nèi),可用線圈或電極接收到,實現(xiàn)聲電轉換測井。麻省理工學院地球資源實驗室的朱正亞[15]進行了一系列室內(nèi)實驗,不過,他們將其稱為震電測井(seismoelectric logging)。

上述的電聲轉換測井、聲電轉換測井和震電測井都是利用巖石動電效應的測井方法。為真實地反映這一測井技術的物理機理,建議稱為動電效應測井或簡稱為動電測井。

圖2 動電測井示意圖

由于對聲電波場在實際測井環(huán)境下的傳播和衰減特性及其與各種巖石物理參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系缺乏足夠的認識,目前還不能有效地利用動電測井數(shù)據(jù)獲得地層的各種信息。

2 巖石動電實驗與動電滲透率

孔隙介質(zhì)中動電耦合的強弱,可以通過動電耦合系數(shù)反映出來。雖然已經(jīng)有動電耦合系數(shù)的計算公式,但是這些公式包含著必須通過實驗才能確定的參數(shù)。比如,在Pride理論中,動電耦合系數(shù)表達式含有zeta勢,是必須通過實驗確定的量。Wong領導的研究小組提出了一種獨特的實驗方法[5,17],通過測量流動電勢系數(shù)和電滲壓力系數(shù),不僅可以實現(xiàn)動電耦合系數(shù)測量,還可以實現(xiàn)滲透率測量。在國內(nèi),蔣永剛等[18]和王軍等[19]也先后開展了巖石動電實驗的研究工作。

巖石動電實驗的基本原理如圖3所示[19],包括流動電勢和電滲實驗2部分。流動電勢實驗中,巖樣每一端直接與一流體腔相連。給一端流體腔施加一個壓力作用使巖心兩端形成壓強差,流體腔內(nèi)溶液在壓強差作用下流過巖心樣品,由于巖心內(nèi)部雙電層效應的影響,擴散層中凈剩正電荷會伴隨溶液一起向壓強低的一端運移,并在這一端累積。正電荷的定向運移會在溶液中形成對流電流(亦稱為流動電流),并使巖心兩端產(chǎn)生電位差,稱之為流動電勢。而壓強高的一端,隨著凈剩正電荷的減少,使得負電荷占據(jù)優(yōu)勢。于是,就在巖心樣品中形成一個電場,并產(chǎn)生與溶液流動方向相反的傳導電流。當系統(tǒng)平衡后,2種電流相互抵消,總電流為0 A[見圖3(a)]。電滲實驗中,兩端的流體腔均密封,當電流通過巖心時,會在巖心兩端形成電位差,同時飽和巖心內(nèi)部的水分子會伴隨電流一起流動,形成電滲液流,由于整個裝置密閉,腔內(nèi)流體不能流出,這樣就會使液流流入的一端溶液受壓縮,流出的一端溶液膨脹,從而在巖心兩端形成壓強差。在壓強差的作用下又將產(chǎn)生回流液流,當系統(tǒng)達到平衡后,2種液流相互抵消,總液流為0 A[見圖3(b)]。

圖3 動電實驗中液流和電流示意圖

3 模型井動電測井實驗

麻省理工學院的朱正亞等人自1994年至今,連續(xù)報道了他們開展模型井動電測井實驗的研究成果[15,21-22]。他們在小型模型井中實驗觀測到了聲電測井信號、電聲測井信號,并考察了不同類型地層中轉換波場的特性,以及井外地層裂縫對波場的影響。

國內(nèi)的學者也注意到國外震電勘探和聲電效應測井的研究動向[23-24],并陸續(xù)開展了相關的實驗研究。石昆法[25]的實驗室?guī)r石震電實驗表明,砂體中觀測到的震電信號比在含泥砂體中的震電信號強,含油砂體的震電信號比含水砂體信號強。胡恒山等[26]利用江漢油田全直徑巖心制作模型井,進行了聲電和電聲轉換實驗。陳本池等[27]和張元中等[28]也先后采用模型井進行了動電效應的實驗觀測。

小模型井實驗采用幾何相似模型,井孔直徑約為實際井孔直徑的1/10,為有效地激發(fā)聲測井中的各個分波,將聲源的頻率提高到實際測井頻率的10倍。由于動電耦合系數(shù)是頻率的函數(shù),頻率越高,動電耦合系數(shù)越小。因此,小模型井實驗方法不能定量預測動電測井信號的強弱。

4 動電測井波場模擬

采用Pride動電耦合波控制方程組,利用井孔邊界條件,可以模擬動電效應測井。胡恒山和王克協(xié)[29-30]通過引入勢函數(shù),推導了地層中聲-電磁耦合條件下聲電測井的波場計算公式,給出了聲電測井模擬結果[31]。麻省理工學院的 M ikhailov等[32]采用簡化算法,在準靜態(tài)電磁場條件下,采用 Tang的低頻井孔斯通利波近似公式[33],模擬計算了低頻斯通利波的伴隨電磁場。胡恒山采用準靜態(tài)電磁場近似,先在解耦條件下獨立求解孔隙介質(zhì)聲波全波,再求解聲波誘導的電磁場,獲得了與求解聲-電磁完全耦合方程組一致的波場解答[34]。

國內(nèi)外學者也陸續(xù)開展了動電測井波場的模擬研究,其中包括多極聲電測井[35-36]、井中偏心聲源激發(fā)的聲電測井[37]、SH波誘導的聲電測井[38]、交變電流源激發(fā)的電聲測井[39]、隨鉆聲電測井模擬[40]等以及聲電測井和電聲測井的有限差分模擬[41-42]。俄羅斯學者Plyushchenkov和 Turchaninov[43]也采用引入勢函數(shù)的方法求解 Pride方程組,計算了聲電測井波場。

5 動電效應測井的展望

動電效應測井的目的在于利用巖石動電效應確定或近似求出地層的參數(shù)。國際上動電測井概念提出的時間不長,但已經(jīng)取得了可喜的進展。

(1)在實驗室內(nèi)利用動電效應測量了水飽和巖樣的流動電勢系數(shù)和電滲壓力系數(shù),由這些實驗系數(shù)可計算出滲透率,其值與利用達西定律測量的氣滲透率差異很小,從而說明巖石動電效應可以定量表征,可用于測量滲透率;

(2)在小型孔隙地層模型井中,觀測到了聲波誘導的電磁場,也觀測到當電偶極子激發(fā)瞬變電磁場時誘導的聲場;

(3)基于聲波-電磁耦合方程組,模擬了聲誘導電磁場測井響應的全波列和電誘導聲場的測井全波列,利用理論波形可對模型井觀測現(xiàn)象中的主要部分進行解釋。

在此基礎上,進一步開展動電效應測井研究,需要回答下列問題:由測井響應可獲得哪些地層參數(shù)?動電效應測井應采用什么頻率,轉換信號有多大?能否利用現(xiàn)代電子技術有效地檢測,通過對動電測井信號的處理能否獲得常規(guī)測井技術不能獲得的重要地層參數(shù)。只有在上述問題的研究獲得重要的進展后,才能開展動電測井儀器研制,使之成為一項實用技術。

[1] Mo rgan FD,William s E R,Madden T R.Streaming Potential Properties of Westerly Granite w ith App lications[J].J.Geophys.Res.,1989,94:12449-12461.

[2] Kitahara A,Watanabe A.界面電現(xiàn)象:原理、測量與應用[M].鄧 彤,趙學范譯.北京:北京大學出版社, 1992.

[3] Leroy P,Revil A.A Trip le-layer Model of the Surface Electrochemical Properties of Clay M inerals[J].Journal of Colloid and Interface Science,2004,270:371-380.

[4] Revil A,Leory P.Constitutive Equations fo r Ionic Transpo rt in Po rous Shales[J].J.Geophys.Res., 2004,109:B3208.

[5] Pengra D B,Li S X,Wong P Z.Determination of Rock Properties by Low-frequency AC Electrokinetics [J].J.Geophy.Res.,1999,104:29485-29508.

[6] Ivanov A G.Effect of Electrization of Earth Layers by Elastic Waves Passing Through Them[J].Doklady Akademii Nauk SSSR,1939,24(1):42-45.

[7] Frenkel J.On the Theory of Seismic and Seismoelectric Phenomena in a Moist Soil[J].J.Physics(Soviet),1944,8(4):230-241.

[8] Martner S T,Sparks N R.The Electroseismic Effect [J].Geophysics,1959,24:297-308.

[9] Broding R,Buchanan S,Hearn D.Field Experiments on the Electroseismic Effect[J].IEEE Trans.Geosci. Electronics,1963,GE-1:23-31.

[10]Pride SR.Governing Equations for the Coup led Electromagnetics and Acoustics of Po rous Media[J]. Phys.Rev.B,1994,50:15678-15696.

[11]Biot M A.Theory of Propagation of Elastic Waves in a Fluid-saturated Po rous Solid. Ⅰ:Low-f requency Range[J].J.Acoust.Soc.Am.,1956,28:168-178.

[12]Biot M A.Theory of Propagation of Elastic Waves in a Fluid-saturated Porous Solid. Ⅱ:Higher-f requency Range[J].J.Acoust.Soc.Am.,1956,28:178-191.

[13]Pride SR,Haartsen M W.Electroseismic Wave Properties[J].J.Acoust.Soc.Am.,1996,100(3):1301-1315.

[14]Thompson A,Gist G.Geophysical App lications of Electrokinetic Conversion[J]. The Leading Edge, 1993,12:1169-1173.

[15]Zhu Z,Haartsen M W,Toks?z M N.Experimental Studies of Electrokinetic Conversions in Fluid-saturated Bo rehole Models[J].Geophysics,1999,64:1349-1356.

[16]поляковаТА,чернякГЯ.脈沖-諧波激勵的電聲測井[J].王勛弟譯.國外測井技術,1991,6(1):11-15.

[17]Li SX,Pengra D B,Wong P Z.Onsager’s Recip rocal Relation and the Hydraulic Permeability of Po rous Media[J].Phys.Rev.E,1995,51:5748-5751.

[18]Jiang Y G,Shan F K,Jin H M,et al.A Method for Measuring Electrokinetic Cofficients of Po rous M edia and its Potential Application in Hydrocarbon Exp lo ration[J].Geophysical Research Letters,1998,25: 1581-1584.

[19]王 軍,胡恒山,孫寶佃,等.基于動電效應的巖心滲透率實驗測量[J].地球物理學報,2010已接受.

[20]Sp runt E S,Mercer T B,Djabbarah N F.Streaming Potential f rom M ultiphase Flow[J]. Geophysics, 1994,59:707-711.

[21]Zhu Z,Toks?z M N.Crosshole Seismoelectric M easurements in Bo rehole Models w ith Fractures[J].Geophysics,2003,68:1519-1524.

[22]Zhu Z,Toks?z M N.Seismoelectric and Seismomagnetic Measurements in Fractured Bo rehole Models[J]. Geophysics,2005,70:F45-F51.

[23]陳本池.震電效應在油氣勘探開發(fā)中的應用[J].物探與化探,2007,31(4):333-338.

[24]劉 洪.震電效應研究在資源勘探中的應用前景[J].地球物理學進展,2002,17:211-217.

[25]石昆法.震電效應原理和初步實驗結果[J].地球物理學報,2001,44(5):720-728.

[26]胡恒山,李長文,王克協(xié),等.聲電效應測井模型實驗研究[J].測井技術,2001,25(2):89-95.

[27]陳本池,牟永光,狄?guī)妥?井中震電勘探模型實驗研究[J].石油物探,2003,42(1):35-38.

[28]張元中,肖立志,楚澤涵,等.模型井聲電效應的實驗研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(14):2434-2438.

[29]胡恒山,王克協(xié).井孔周圍軸對稱聲電耦合波(Ⅰ):理論[J].測井技術,1999,23(6):427-432.

[30]胡恒山,王克協(xié).井孔周圍軸對稱聲電耦合波(Ⅱ):聲電效應測井數(shù)值模擬[J].測井技術,2000,24:3-13.

[31]Hu H,Wang K,Wang J.Simulation of Acoustically Induced Electromagnetic Field in a Borehole Embedded in a Po rous Fo rmation[C]∥Earth Resources Labo rato ry,M assachusetts Institute of Technology,2000.

[32]M ikhailov O V,Queen J,Toks?z M N.Using Borehole Electroseismic Measurements to Detect and Characterize Fractured(Permeable)Zones[J].Geophysics, 2000,65:1098-1112.

[33]Tang X M,Cheng C H,Toks?z M N.Dynamic Permeability and Borehole Stoneley Waves:A Simp lified Biot-Rosenbaum Model[J].J.Acoust.Soc.Am., 1991,90:1632-1646.

[34]Hu H,Liu J.Simulation of the Converted Electric Field During Acoustoelectric Logging[C]∥SEG Expanded Abstracts,2002,21:348-351.

[35]崔志文.多孔介質(zhì)聲學模型與多極源聲電效應測井和多極隨鉆測井的理論與數(shù)值研究[D].長春:吉林大學,2004.

[36]關 威,胡恒山,儲昭坦.聲誘導電磁場的赫茲矢量表示與多極聲電測井模擬[J].物理學報,2006,55:267-274.

[37]Cui ZW,Wang K X,Hu H S,et al.Acousto-electric Well Logging by Eccentric Source and Extraction of Shear Wave[J].Chinese Physics,2007,16(3):746-752.

[38]Cui ZW,Wang K X,Sun J G,et al.Numerical Simulation of Shear-Ho rizontal-Wave-Induced Electromagnetic Field in Bo rehole Surrounded by Po rous Fo rmation[J].Chinese Physics Letters,2007,24(12):3454-3457.

[39]Hu H,Guan W,Harris J.Theoretical Simulation of Electroacoustic Bo rehole Logging in a Fluid-saturated Po rous Fo rmation[J].Journal of the Acoustic Society of America,2007,122(1):135-145.

[40]Zhan X,Chi S.Simulation of the Converted Electric Field during M ultipole Logging While Drilling(LWD) [C]∥SEG Expanded Abstracts,2006,25:446-450.

[41]Guan W,Hu H.Finite-Difference Modeling of the Eelectroseismic Logging in a Fluid-saturated Po rous Formation[J].Journal of Computation Physics,2008, 227(11):5633-5648.

[42]關 威.孔隙介質(zhì)彈性波-電磁場耦合效應測井的波場模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2009.

[43]Plyushchenkov B D,Turchaninov V I.Solution of Pride′s Equations Through Potentials[J].International Journal of Mordern Physics C,2006,17:877-908.

[44]Berryman J G.Electrokinetic Effects and Fluid Permeability[J].Physica B,2003,338:270-273.

Electrokinetic Logging:State of the Art and Future Challenges

JIN Ding1,SUN Baodian2,HU Hengshan3,GUAN Wei3
(1.China National Petroleum Corporation,Beijing 100724,China; 2.Technology Center,China Petroleum Logging CO.L TD.,Xi’an,Shaanxi 710021,China; 3.Department of Astronautics and Mechanics,Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang 150001,China)

Great p rogress has been made in the past twenty years on electrokinetic logging.The Streaming potential and osmotic p ressure coefficientsof rock samp lesobtained through laboratory electrokinetic experiments.Permeability is computed f rom these coefficiencts and compared w ith the permeability conventionally measured acco rding to the Darcy’s law.From the good agreement between these two permeabilities,it is clear that rock electrokinetic effects can be quantitatively delineated,and can be utilized to measure permeability.The second aspect of p rogress comes from experiments in scaled boreholes in porous formations.Electric and magnetic signals accomanying acoustic w aves are observed w hen an acoustic monopole transmits waves in the borehole,and inversely,acoustic signals are recorded w hen an alternating dipole excites electric field.Thirdly,by solving the coup led aocustic and electromagnetic equations under the bo rehole condition,full waveform s are simulated both for the acousto-electromagntic log and for the elctromagnetic log.Theoretical modeling exp lained most phenomena observed in laboratory experiments.

logging,electrokinetic effects,permeability,seismoelectric,electromagnetic field, full waveform s

1004-1338(2010)04-0309-05

P631.84

A

金 鼎,男,1968年生,碩士,高級工程師,從事測井科研管理工作。

2010-05-10 本文編輯 王 環(huán))