動電測井實驗研究Ⅱ：伴隨動電場和界面動電場

王軍， 關(guān)威， 胡恒山*， Zhenya Zhu

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院, 哈爾濱　150001 2 麻省理工學(xué)院 地球、大氣與行星科學(xué)系, 波士頓， 美國　MA02319

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動電測井實驗研究Ⅱ：伴隨動電場和界面動電場

王軍1， 關(guān)威1， 胡恒山1*， Zhenya Zhu2

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院, 哈爾濱150001 2 麻省理工學(xué)院 地球、大氣與行星科學(xué)系, 波士頓， 美國MA02319

摘要動電效應(yīng)指孔隙介質(zhì)中與固/液界面的雙電層和孔隙流體滲流有關(guān)的彈性-電磁耦合現(xiàn)象，探索基于動電效應(yīng)的勘探和測井新方法則是石油工業(yè)重點關(guān)注的研究方向之一. 本文對流體飽和孔隙介質(zhì)中的動電效應(yīng)進(jìn)行了實驗測量研究，記錄到了不同模型井中伴隨聲波的動電轉(zhuǎn)換信號和界面動電轉(zhuǎn)換信號，對比分析了這兩種動電信號的產(chǎn)生條件及傳播特性，驗證了理論分析結(jié)果，并進(jìn)一步研究了動電信號的分波成分及其與聲波信號的關(guān)系，探討了聲源激發(fā)模式、電極接收方式及數(shù)據(jù)處理方法對動電信號的影響，為動電測井儀器設(shè)計奠定實驗基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞動電效應(yīng)； 動電測井； 聲波測井； 伴隨動電場； 輻射動電場

1引言

動電效應(yīng)是指聲波在流體飽和孔隙介質(zhì)中傳播時誘導(dǎo)電磁場的現(xiàn)象(Pride，1994)，它與電化學(xué)中熟知的界面雙電層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，并能夠引起兩種不同類型的電磁場.一種是發(fā)生在均勻介質(zhì)中的不傳播電磁場，它只在聲波擾動的區(qū)域存在，且其視速度為聲波速度，這種電磁場稱為伴隨電場，這里“伴隨”的意思是針對聲波而言，如電場是由縱波在介質(zhì)中傳播引起，則為伴隨縱波電場，其視速度也為縱波速度.另一種是輻射(或傳播)的電磁場，被稱為界面電磁場，它產(chǎn)生于參數(shù)特性不同的介質(zhì)界面處，其視速度為電磁波速度.Pride(1994)給出了描述動電現(xiàn)象的彈性-電磁場控制方程組，同時預(yù)期將有兩種轉(zhuǎn)換電磁場出現(xiàn)在動電波場響應(yīng)中，即伴隨動電場和界面輻射場.基于Pride理論，胡恒山和王克協(xié)(1999, 2000)導(dǎo)出了動電測井時聲場和電磁場的計算公式，首次模擬了動電測井的全波波形，并從理論上說明了上述兩種電場的傳播特性.Zhu等(1999)也在實驗室內(nèi)進(jìn)行的動電效應(yīng)實驗中，測量到了Pride 理論中預(yù)言的兩類動電信號，從實驗角度驗證了伴隨動電信號和界面動電信號的真實性.

近年來利用動電效應(yīng)的勘探方法受到了學(xué)者們的重視，但考慮到動電耦合機(jī)理的復(fù)雜性——動電現(xiàn)象是固液界面處微觀離子相對運動的一種宏觀表現(xiàn)，受影響因素較多，且轉(zhuǎn)換效率較低，動電耦合系數(shù)通常為10-9量級(Pengra et al.，1999)等原因，人們大多從理論上對不同模型中的動電效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計算分析(胡恒山等，2003；崔志文，2004；Haartsen and Pride，1997；高永新和胡恒山，2009；關(guān)威等，2011; Guan et al.，2013).而針對動電效應(yīng)的測量工作主要通過實驗室內(nèi)的小巖樣模型(非井孔模型)或以爆炸源作為激勵測量界面動電轉(zhuǎn)換信號來實現(xiàn).Thompson和Gist(1993)在野外開展了動電效應(yīng)的現(xiàn)場測量實驗，對地下不同深度地層界面激發(fā)的動電信號進(jìn)行觀測分析.嚴(yán)洪瑞等(1999) 在大慶開展了現(xiàn)場動電測量，記錄了地震波在地下傳播時激發(fā)的界面動電轉(zhuǎn)換信號.Kulessa等(2006)在瑞士Tsanfleuron冰川上記錄到了不同交界面上的動電轉(zhuǎn)換信號，并說明利用含水?dāng)鄬娱g的動電信號可監(jiān)測冰川的斷裂情況.王軍等(2010，2011)、Wang等(2015)在實驗室內(nèi)測量了不同滲透率巖樣的流動電勢，進(jìn)而獲得了表征孔隙介質(zhì)動電轉(zhuǎn)換能力的動電耦合系數(shù)，給出其幅值的量級范圍，為理論模擬計算中動電耦合系數(shù)的選取提供參考.

我國主要的石油公司也注意到動電效應(yīng)在測井中的應(yīng)用前景，并寄予較大期望，但由于缺乏井中動電實驗和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的支持，且已有報道中沒有明確給出動電轉(zhuǎn)換信號與聲源激勵模式、電極接收方式以及數(shù)據(jù)處理之間的關(guān)系，導(dǎo)致研發(fā)單位無法獲得可參考的儀器設(shè)計指標(biāo)，從而限制了動電技術(shù)的應(yīng)用.而且人們對于動電測井的可行性還尚存疑議.因此，在實驗室內(nèi)進(jìn)行動電測井研究是非常有必要的.本文則從實驗角度出發(fā)，在小尺寸模型井中開展了動電測量工作，觀測了不同模型井中激發(fā)的伴隨動電場和界面輻射動電場，并進(jìn)一步分析了這兩種動電波場的傳播特性, 同時探討了動電轉(zhuǎn)換信號與聲源/接收方式之間的關(guān)系.

2動電測井實驗?zāi)Ｐ图皽y量系統(tǒng)

2.1動電實驗?zāi)Ｐ途?/p>

我們選用硬地層砂巖(Berea sandstone)和軟地層的人工膠結(jié)砂巖(Glued sandstone)、有機(jī)玻璃(Lucite)作為實驗?zāi)Ｐ途?，其物性參?shù)如表1所示，其中vp和vs分別為縱波和橫波速度；ρ為骨架密度；κ為滲透率；d為井孔直徑.由于模型井井孔約為實際井孔的1/10，考慮到幾何相似關(guān)系，實驗頻率為現(xiàn)場測井頻率的10倍左右，聲源頻率為100 kHz. 飽和溶液為去離子水.

表1　模型井物性參數(shù)表

2.2動電測井探頭

圖1為實驗用聲源換能器和接收電極示意圖，聲源是由柱狀圓管壓電片從中間切開制作，通過開關(guān)調(diào)節(jié)壓電片的激勵方式可使聲源作為單極源(M-pole)、偶極源(D-pole)聲波發(fā)射器.接收動電信號的電極為2個正方形的網(wǎng)狀A(yù)g/AgCl電極(王軍等，2010)，其面積約為0.25 cm2，厚度為0.1 cm，用環(huán)氧樹脂固定于玻璃圓管表面圓周對稱位置處，分別記為1#和2#電極.實驗時，聲源與接收器同心固定，且兩者相互斷開，以模擬電纜測井情況.

由于動電效應(yīng)是聲波在流體飽和孔隙介質(zhì)中傳播引起的，因此，為了更好地分析動電信號的特點，在完成動電測量之后，我們還在同一模型井中進(jìn)行了聲波測井實驗.此時，保持聲源的工作狀態(tài)不變，將圖1中電極改為接收壓電換能器進(jìn)行測量.

圖1　動電測井探頭

2.3實驗測量系統(tǒng)

實驗測量系統(tǒng)如圖2所示，從上至下分別為高壓脈沖信號源(350)、數(shù)字示波器(630)、濾波器(3202R)、函數(shù)信號發(fā)生器(3314A)和前置放大器(5660).脈沖發(fā)射器作為壓電片的激勵源，其輸出為負(fù)向單脈沖方波信號.被測信號經(jīng)過前置放大器和濾波器進(jìn)行放大和濾波之后，再由數(shù)字示波器進(jìn)行采集，最后利用繪圖軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.實驗中每次測量記錄512個點，采樣間隔為500 ns.本文實驗裝置及模型井均由美國麻省理工學(xué)院地球資源實驗室提供，測量工作也在該實驗室完成.

圖2　模型井中動電測井實驗測量系統(tǒng)

3伴隨動電場實驗測量

3.1動電信號的構(gòu)成及幅度

圖3和圖4是砂巖模型井中實驗測量結(jié)果，實驗中聲源固定，通過等間距地拖動接收器來記錄井中的聲波和動電信號.圖3是單極源聲波/動電測井結(jié)果，其中左側(cè)上下兩圖分別為聲波測井時域波形及時間-速度圖，圖中能夠看到清晰的橫波和斯通利波波群，由于縱波太弱，無法從測井全波中找到縱波波群，但在時間-速度圖中，還是發(fā)現(xiàn)了縱波的存在，而且從時間-速度圖中看出三個波群的速度與表1模型井參數(shù)吻合，這驗證了實驗測量系統(tǒng)的有效性.圖中Vp、Vs、Vf對應(yīng)的白線分別代表地層縱波、橫波、斯通利波速度.右側(cè)兩圖為動電測井時域波形及時間-速度圖，與聲波測井時域波形類似，能夠從動電測井信號中看到伴隨橫波和斯通利波的動電轉(zhuǎn)換信號，雖然橫波波群之前有擾動出現(xiàn)，那是伴隨縱波的動電轉(zhuǎn)換信號，但其一致性較差，而時間-速度圖中也只有橫波和斯通利波的傳播速度，看不到縱波對應(yīng)的速度.

圖4是偶極源電纜聲波/動電測井實驗結(jié)果，從左側(cè)的聲波信號及時間-速度圖中，能夠看到清晰的偶極彎曲波和斯通利波.而右側(cè)動電測井時域波形及時間-速度也發(fā)現(xiàn)了伴隨彎曲波和斯通利波的動電轉(zhuǎn)換信號.此外，圖3和圖4動電信號中0時刻記錄到一個幅度極大的波群，那是由高壓脈沖源在0時刻觸發(fā)引起的空間電磁輻射信號，很難消除，而且它還掩蓋了聲波剛傳到井壁時產(chǎn)生的界面動電信號(胡恒山和王克協(xié)，2000).

圖5分析了聲波信號強弱對動電信號的影響.實驗中保持源距不變，通過改變激勵脈沖輸出電壓的幅度，記錄到了不同聲場強度作用下的動電轉(zhuǎn)換信號.從圖中可以看出，單極源和偶極源在井中激發(fā)的動電轉(zhuǎn)換信號具有相似的變化規(guī)律，即隨著聲壓的增強，動電轉(zhuǎn)換信號的幅度也變大，兩者呈正比關(guān)系.這一規(guī)律也很好地解釋了圖3中沒有看到伴隨縱波動電轉(zhuǎn)換信號的原因，因為在這種巖樣井孔中，該頻率單極源激發(fā)的縱波幅度很小，進(jìn)而使得動電轉(zhuǎn)換的縱波很小，導(dǎo)致伴隨縱波的動電信號很難被測量到.

圖3　單極源電纜聲波/動電測井信號

圖4　偶極源電纜聲波/動電測井信號

圖5　聲波幅度對動電信號的影響

通過圖3—5中實驗結(jié)果可知：井中伴隨動電信號與聲源模式(單極源、偶極源)有著密切的關(guān)系，不同聲源激勵下，動電信號的形態(tài)(波群的形狀)不同，但卻與誘導(dǎo)動電轉(zhuǎn)換的聲波信號形態(tài)一致，且動電信號各分波成分與聲波信號中的分波相對應(yīng)，視速度也相同.此外，動電信號的強弱與聲波信號的幅度成正比，即聲波信號越強，其誘導(dǎo)的動電轉(zhuǎn)換信號幅度也越大.

3.2動電信號的接收方式

由于井中動電波場與聲源激發(fā)模式密切相關(guān)，考慮到目前測井儀器主要是單極源和偶極源，所以本節(jié)從動電測井儀器設(shè)計角度，對單極源和偶極源激發(fā)動電信號的接收方式進(jìn)行了實驗研究.實驗測量時，將聲源和接收器(電極或換能器)放進(jìn)砂巖井孔中，通過平衡支架將兩者同心固定，使兩者的軸線與井孔的軸線重合，并構(gòu)成同向模式即圖1所示結(jié)構(gòu)，而且經(jīng)多次測量發(fā)現(xiàn)，同向模式得到的動電信號最強.在確定源距(約16 cm)后，針對每種聲源分別進(jìn)行6次測量，如單極源激勵時，先用1#和2#電極記錄井中動電信號，然后保持電極不動，將聲源沿井孔軸線旋轉(zhuǎn)180°(即圖1中T1和T2壓電片上下位置顛倒)再次記錄動電信號.之后把電極換成接收換能器置于1位置重復(fù)上述測量.圖6和圖7分別是單極源和偶極源激勵下的實驗結(jié)果.

圖6單極源模式下，1#和2#電極記錄動電信號的相位相同，如圖6b中約0.1 ms處豎線位置，兩電極記錄信號均為波峰，且與聲波信號同相，見圖6a中約0.1 ms處箭頭位置.當(dāng)聲源旋轉(zhuǎn)180°之后，得到信號的相位基本不變(見圖6c和圖6d)，而且對于任一電極(1#或2#)而言，聲源旋轉(zhuǎn)前后測量的動電信號相位不變.這說明單極源在井中激發(fā)動電信號沒有方向性，即在同一水平截面上測得的動電信號具有相同的相位.

圖7偶極源模式下，1#和2#電極記錄動電信號的相位恰好相反(圖7b)；當(dāng)聲源旋轉(zhuǎn)180°之后，兩電極記錄的動電波形的相位依舊反向(圖7d).而且1#電極在聲源旋轉(zhuǎn)前后測量到動電波形的相位也相反(見圖7b中1#與圖7d中1#)，此結(jié)果與2#電極記錄信號類似，見圖7b中2#與圖7d中2#.這說明偶極源在井中激發(fā)動電信號具有很強的方向性，在兩圓管壓電片對應(yīng)的半圓形井壁產(chǎn)生動電信號的相位完全相反.

通過分析發(fā)現(xiàn)：以上結(jié)果是由于單、偶極源振動模式不同引起.考慮井孔和換能器均為軸對稱結(jié)構(gòu)，假定由井孔指向地層的方向為“向外”，反之則為“向內(nèi)”.那么對于單極源模式，兩個半圓柱狀壓電片對稱位置處質(zhì)點的振動方向相同，即同時向外或同時向內(nèi).這樣1#和2#電極位置處的聲場同相(如圖6a和圖6c)，進(jìn)而得到的動電信號也同相；當(dāng)聲源換能器旋轉(zhuǎn)180°之后，質(zhì)點的振動形態(tài)沒有變化，使得產(chǎn)生的聲場不變，進(jìn)而得到動電轉(zhuǎn)換信號的相位也不變.

偶極源是彎曲振動模式，即一半壓電片上質(zhì)點向外振動，同時另一半壓電片上質(zhì)點向內(nèi)振動，兩個壓電片對稱位置上質(zhì)點的振動方向相反，這樣就在兩壓電片對應(yīng)的區(qū)域產(chǎn)生反相的聲場.因此，在某一水平截面上，一側(cè)液體沿著孔道向外運動，同時另一側(cè)流體則沿孔道向內(nèi)流動，根據(jù)雙電層理論(王軍等，2011)，兩側(cè)流體-井壁界面上將累積異號電荷，進(jìn)而形成反向的電場.當(dāng)聲源換能器旋轉(zhuǎn)180°后，由于偶極源激發(fā)聲場反向，測量到聲波信號的相位相反，如圖7a和圖7c所示.此時兩側(cè)井壁上的累積電荷也將同時反號，結(jié)果兩電極接收到的動電信號的相位也隨之反向.這樣便產(chǎn)生了圖7中記錄的動電轉(zhuǎn)換結(jié)果，另外，實驗中1#和2#電極記錄信號形狀的差異是由于電極靈敏度不同引起的，但這不影響上述結(jié)論的正確性，反而更方便我們分析對稱位置上動電信號的差異性.

圖6　單極源電極接收方式的影響

圖7　偶極源電極接收方式的影響

以上結(jié)論為動電測井儀器的設(shè)計提供了參考，如果測量電極需裝配兩個陣列，那么電極最好處于圓周的對稱位置，并與聲源換能器要處于同向方式.而且在數(shù)據(jù)處理過程中，對于單極源，需將兩電極記錄的信號相加，而偶極源則要將兩電極記錄信號相減，這樣可以使有用信號幅度增大一倍，同時改善信號的信噪比.

4界面動電效應(yīng)實驗

本節(jié)設(shè)計了兩個實驗來研究界面動電場的特性，實驗對象分別為有機(jī)玻璃模型井(圖8)和膠結(jié)砂巖模型井(圖9).聲源為單極源模式.兩圖中箭頭右側(cè)的圖標(biāo)表示聲源或接收器被等間距的拖動，箭頭的方向表示聲源和接收器移動的方向.

4.1有機(jī)玻璃模型井中動電實驗

圖8(a、b、c)3個實驗?zāi)Ｐ偷臏y量結(jié)果見圖10，實驗分析如下.

(1)固定聲源，移動接收換能器

采用電纜聲波測井方法記錄了有機(jī)玻璃模型井中單極源激發(fā)聲場，結(jié)果如圖10a所示，由于軟地層有機(jī)玻璃中測不到單極源激發(fā)橫波，接收換能器只記錄到了縱波和斯通利波，其速度分別為2660 m·s-1和1160 m·s-1，時間-速度圖中也看到了這兩個波群對應(yīng)的速度.這與有機(jī)玻璃參數(shù)吻合，同時為圖8b和圖8c中動電場分析提供參考.

(2)固定接收電極，移動聲源

圖10b中電極記錄到的動電信號與圖10a時域波形類似，但由于非孔隙介質(zhì)的有機(jī)玻璃不會產(chǎn)生動電效應(yīng)(Pride，1994)，因此，圖中動電轉(zhuǎn)換信號不是伴隨聲波的動電信號，而是聲波傳播到有機(jī)玻璃底部的砂巖界面激發(fā)的界面輻射動電信號.兩圖中波形相似是由于測量方式引起的.此模型中，電極固定，聲源逐漸遠(yuǎn)離界面，即源距逐漸增大，這種情況下，若將電極改為換能器，記錄到的聲場將與圖10a一致.前文結(jié)果表明，動電轉(zhuǎn)換信號與聲波的形狀相同，所以，雖然圖10b中動電信號與圖10a時域波形類似，卻是界面輻射動電信號.

圖8　有機(jī)玻璃模型井中動電實驗(a) 裸眼井模型； (b)存在界面情況測井模型； (c) 存在界面情況測井模型.

圖9　砂巖模型井中動電實驗(a) 裸眼井聲波測井模型； (b) 裸眼井動電測井模型； (c) 存在界面情況測井模.

圖10　有機(jī)玻璃模型中動電實驗結(jié)果

(3)固定聲源，移動接收電極.

聲源處于圖10b中第四個接收位置(圖10b中黑線).此時，由于聲源不動，聲波到達(dá)界面的時間不變，雖然接收電極逐漸遠(yuǎn)離界面，但每次僅移動1 cm，對于以光速傳播的電磁波而言，如此短距離引起的時間差是微乎其微的，所以圖10c中5個接收位置時域波形中兩個波群(兩豎線對應(yīng)位置)的到時一致，為縱波和斯通利波從聲源傳播到有機(jī)玻璃-砂巖界面的時間.由于電磁波速度遠(yuǎn)超出了圖10c中5000 m·s-1的范圍，因此時間-速度圖中沒有看到任何亮點.利用電磁波的到時，以及聲波的傳播速度便可計算出聲源與邊界之間的距離，約為1160×0.09=10.44 cm，而此實驗中兩者之間實際距離為10 cm.并且通過對比圖8b和圖8c兩種模型下記錄到動電信號的差異，也能夠很好地說明圖10b中動電信號是由于底部砂巖界面產(chǎn)生的界面電磁場，而不是伴隨電磁場.

4.2砂巖模型井中動電實驗

圖9(a、b、c)人工膠結(jié)砂巖模型井中3次實驗均采用固定聲源、移動接收器的方式進(jìn)行測量，實驗結(jié)果如圖11所示.

(1) 測量了模型井中聲場的時域波形.由于模型井為軟地層結(jié)構(gòu)，而且是人工膠結(jié)制作，所以，在單極源激發(fā)情況下，圖11a中只記錄到了井中的縱波波群，其傳播速度約為2000 m·s-1，再沒有看到其他明顯的波群存在.

(2) 測量了模型井中的動電轉(zhuǎn)換信號，如圖11b所示.由于模型井底部沒有界面存在，接收電極只記錄到了砂巖模型井中伴隨縱波的電磁場信號，其視速度與圖11a中聲波的傳播速度相同.

(3)由于人工膠結(jié)砂巖模型井放置在另一塊砂巖的上部，依據(jù)動電效應(yīng)原理，這樣的模型中不僅能夠產(chǎn)生伴隨聲波的電磁場，還能在界面處產(chǎn)生界面電磁波.因此，本文實驗結(jié)果中電極不但記錄到了圖11b中清晰的伴隨電場信號，還記錄到了界面處產(chǎn)生的界面輻射電磁場，見圖11c中橢圓區(qū)域內(nèi)波群.圖中界面電磁場均在0.1 ms左右到達(dá)，而且相位相同.同樣地，由于程序中速度范圍的限制，在時間-速度圖中只看到了伴隨電場對應(yīng)的亮點，看不到界面電磁波的速度.

此外，從圖11b和圖11c中我們還可以看出：隨著源距增大，伴隨電場信號減弱，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于：在其他因素不變情況下，動電轉(zhuǎn)換信號與聲波強度成正比，因此，對伴隨電場而言，隨著源距增大，沿井壁傳播的聲波衰減增大，進(jìn)而伴隨電場的幅度相應(yīng)減弱，且本文人工砂巖的衰減系數(shù)較大，

圖11　砂巖模型中動電實驗結(jié)果

使得波形幅度變化較明顯.但對界面輻射場而言，此過程中聲源與界面的距離不變，這意味著傳播到界面處直達(dá)聲波的強度不變，那么此聲波在界面產(chǎn)生電磁波的幅度也不變.若將此界面動電場看做源的話，隨著電極向下移動，電極與界面之間的距離減小，即源距在逐漸減小，那么電磁波的衰減也相應(yīng)減小，這樣電極接收到界面電磁波的幅度逐漸增強.而且由于界面的存在，界面反射聲波與井中聲場相互疊加，使得界面附近井孔聲場發(fā)生變化，導(dǎo)致圖11c中伴隨電場波形與圖11b不一致，特別是靠近界面處記錄到波形中此現(xiàn)象非常明顯，如11c中最上面兩條波形.通過實驗計算出聲源到界面的距離約為2000 m·s-1×0.1 m·s-1=0.2 m，這與實驗設(shè)定的距離相吻合，這一特性可用于不同介質(zhì)分界面的判斷.

5總結(jié)與討論

本文對模型井中動電效應(yīng)進(jìn)行了實驗觀測研究，測量到了不同井孔模型中伴隨聲波的動電轉(zhuǎn)換信號和界面動電轉(zhuǎn)換信號，實驗分析結(jié)果及討論如下.

動電轉(zhuǎn)換信號與誘導(dǎo)動電效應(yīng)的聲波信號具有相同的分波成分，且伴隨聲波動電信號的視速度與聲波傳播速度相同，因此，動電測井技術(shù)可用于地層縱、橫波速度的提取.特別在隨鉆情況下，由于非孔隙介質(zhì)的金屬鉆鋌不能產(chǎn)生動電效應(yīng)，那么沿鉆鋌傳播的直達(dá)鉆鋌波將不會誘導(dǎo)動電轉(zhuǎn)換信號，從而可使測井全波中伴隨鉆鋌波動電信號的能量大幅減弱，隨鉆動電測井也有望成為一種新的技術(shù)(鄭曉波等，2014)，用于地層縱橫波速度的測量.

界面動電信號產(chǎn)生于不同介質(zhì)的界面處，具有電磁波的傳播速度，并可在遠(yuǎn)離聲波擾動地方被接收到，且不同源距位置處記錄波形中各分波的到時相同，此特性與伴隨動電信號不同，因此，可利用界面動電信號對不同儲層邊界進(jìn)行判斷，如油-水界面、儲層-分隔層界面等.這在隨鉆測井的鉆頭導(dǎo)向方面具有潛在應(yīng)用價值.此外，界面動電信號還可用于裂隙的定位，對水利壓裂過程中，裂紋位置及其走向的判斷有幫助作用.

井中動電信號的特性，如動電信號的強度、方向性等，與聲源激發(fā)模式密切相關(guān)，而且接收電極的位置、測井?dāng)?shù)據(jù)的處理方式也由聲源模式?jīng)Q定.單極源在井中激發(fā)動電信號沒有方向性，但偶極源激發(fā)動電信號的方向性很強，在兩圓管壓電片對應(yīng)的半圓形井壁產(chǎn)生動電信號的相位完全相反.因此，動電測井的測量電極最好裝配兩個陣列，在數(shù)據(jù)處理過程中，對于單極源，需將兩陣列記錄的信號相加，而偶極源則要將兩陣列記錄信號相減，這樣可以使有用信號幅度增大一倍，同時改善信號的信噪比.本文實驗結(jié)果可為動電測井儀器設(shè)計及測井?dāng)?shù)據(jù)解釋提供參考.

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(本文編輯胡素芳)

基金項目國家自然科學(xué)基金(41304091、11372091、41204092),國家54批博士后基金(2013M541357)，黑龍江省留學(xué)歸國科學(xué)基金(LC201420)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(HIT.NSRIF.2014028)資助.

作者簡介王軍,男,1982年生，講師.主要從事巖石物理實驗和聲波/動電測井研究.E-mail:wangjun2012@hit.edu.cn *通訊作者胡恒山,男,教授.主要從事孔隙介質(zhì)力學(xué)與聲學(xué)及石油測井研究.E-mail:hhs@hit.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160132 中圖分類號P631

收稿日期2015-01-19，2015-08-05收修定稿

Electrokinetic experimental studies in borehole model Ⅱ:localized and radiated seismoelectric field

WANG Jun1, GUAN Wei1, HU Heng-Shan1*, Zhenya ZHU2

1DepartmentofAstronauticsandMechanics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China2DepartmentofEarth,AtmosphericandPlanetaryScience,MassachusettsInstituteofTechnology,Boston,MA02319,USA

AbstractElectrokinetic effects which refer to the coupling between elastic and electromagnetic fields in fluid-saturated porous media have wide geophysical applications, and potential usage in the petroleum exploration. Such effects are related to the relative motion between the solid phase and the pore fluid, due to the electric double layer existing nearby the solid-fluid surface. In this study, electrokinetic measurements are conducted in different borehole models, the localized electrokinetic signals generated in homogeneous medium and radiating electrokinetic signals generated at an interface between different media are recorded and analyzed.

Then the conditions of these two kinds of electrokinetic signal and its propagation properties are compared with electrokinetic theory. The relationship between electrokinetic signals and acoustic signals is studied based on experimental data. Then we discuss the influences of source excitation mode, electrode reception mode on electrokinetic signals. The results show that the source modes(monopole or dipole) have great influences on the propagation properties of electrokinetic signals, which is important for the design of electrokinetic logging instrument and the logging data process. The experimental measurements in different boreholes also suggested that the electrokinetic logging might be a potential technique for the oil exploration.

KeywordsElectrokinetic effect； Electrokinetic well logging； Acoustic well logging； Localized seismoelectric field； Radiated seismoelectric field

王軍， 關(guān)威， 胡恒山等. 2016. 動電測井實驗研究Ⅱ：伴隨動電場和界面動電場.地球物理學(xué)報，59(1):381-390,doi:10.6038/cjg20160132.

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