激發(fā)極化電位測井儀研制

劉磊,王霞,葛承河,陳波

(1.中石化勝利石油工程有限公司測井公司,山東東營257096;2.中石化勝利油田東辛采油廠,山東東營257096)

0 引 言

1919年,法國地球物理學(xué)家K.斯倫貝爾[1]發(fā)現(xiàn)了激發(fā)極化效應(yīng)。在石油工業(yè)方面,基于該現(xiàn)象發(fā)展出的激發(fā)極化電位測井方法及激發(fā)極化譜分析是研究儲層孔隙結(jié)構(gòu)和地層水性質(zhì)的重要方法。激發(fā)極化測井方法最重要的應(yīng)用就是利用其所測得地層激發(fā)數(shù)據(jù)和衰減數(shù)據(jù),通過擬合之后得到地層激發(fā)極化弛豫時(shí)間譜,該譜可以計(jì)算地層孔隙結(jié)構(gòu),建立與地層滲透率、孔隙度等之間的關(guān)系[2-3]。此外,該測井方法與自然電位測井相結(jié)合可以計(jì)算地層水電阻率和陽離子交換量,從而在求得含水飽和度的同時(shí)消除黏土對飽和度的影響,進(jìn)而用于油田水淹層剩余油飽和度的評價(jià)[4]。激發(fā)極化電位測井所取得的激發(fā)電位和二次場衰減電位,經(jīng)過擬合后可以得到巖石激發(fā)極化弛豫時(shí)間譜,該譜與核磁共振測井的T2譜非常相似[5]。

針對巖石激發(fā)極化效應(yīng),該方法在金屬礦藏勘探方面取得了長足發(fā)展,但未充分用于石油地球物理測井方面[6]。本文基于巖石激發(fā)極化電位產(chǎn)生的機(jī)理,在激發(fā)極化電位測井實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,研制了激發(fā)極化電位測井儀樣機(jī),經(jīng)測試表明,該樣機(jī)可同時(shí)取得連續(xù)地層的激發(fā)電位和二次場衰減電位。

1 激發(fā)極化電位測量原理

1.1 激發(fā)極化產(chǎn)生原理

地層激發(fā)極化效應(yīng)是巖石所含水溶液受外加電場激發(fā)所產(chǎn)生的一種電化學(xué)現(xiàn)象,會以電壓響應(yīng)形式被觀測到。當(dāng)向含水巖石兩端供電時(shí),能觀測到不隨時(shí)間發(fā)生變化的電位差U1,該電位差只與地層介質(zhì)有關(guān)[7]。隨著供電時(shí)間的延長,經(jīng)過一段時(shí)間t后,電壓趨于穩(wěn)定U。在斷電后,地層通過本身和周圍溶液開始放電,此時(shí)電壓從U2開始隨著時(shí)間延長而下降,通過一段時(shí)間t后趨于零值(見圖1)。

圖1 含水巖石的激發(fā)極化效應(yīng)原理圖

理論上,充電達(dá)到飽和的二次場電位差U2(t)和斷電瞬間的二次場電位差U2(t)相等。用于表征巖石激發(fā)極化性質(zhì)的參數(shù)一般用飽和極化率或者瞬時(shí)極化率η[8]

(1)

式中,η是飽和極化率或者瞬時(shí)極化率;U是飽和電壓;U1是不隨時(shí)間變化的電位差;U2是二次場電位差。

該現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理存在很多假說和爭論,但總的來說普遍認(rèn)為含水巖石的激發(fā)極化效應(yīng)與巖石骨架顆粒和周圍溶液分界面上的雙電層的存在有關(guān)[9]。對于含水巖石激發(fā)極化現(xiàn)象的研究應(yīng)用最多、具有代表性的雙電層理論模型是STERN模型[10]。在含水巖石介質(zhì)的兩端加一穩(wěn)定的外部直流電場后,由于窄孔隙中離子的薄膜效應(yīng),會使巖石顆粒間孔隙中的離子濃度發(fā)生變化,形成一系列的濃度梯度,濃度梯度的存在會產(chǎn)生離子擴(kuò)散流,形成薄膜極化電位;同時(shí),離子濃度的變化使得巖石顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,形成雙電層形變電位。兩者最終的結(jié)果是阻礙離子的運(yùn)動,直至溶液中的離子分布達(dá)到新的動態(tài)平衡為止,形成激發(fā)電場;斷電之后,激發(fā)電場消失,在離子擴(kuò)散作用下形成擴(kuò)散電動勢,即二次場衰減電位,這就是含水巖石的激發(fā)極化效應(yīng)。

1.2 巖石激發(fā)極化電位測量理論依據(jù)

理論分析表明,巖石中單個(gè)孔隙的激發(fā)極化二次場電位的衰減滿足單指數(shù)衰減規(guī)律[11],即

η(t)=η(0+)×exp(-t/τ)

(2)

式中,η(t)為測量得到的t時(shí)刻的極化率,滿足單指數(shù)衰減規(guī)律;τ為衰減系數(shù),描述極化率衰減的快慢。

實(shí)驗(yàn)表明,式(2)基本符合巖石極化率的時(shí)間衰減特性,能夠用衰減系數(shù)τ描述極化率衰減的快慢。但這只是在巖樣均勻的前提下才有較好的描述效果。在分選不好時(shí),顆粒大小不均勻,有各種大小不同的衰減速度,因此,綜合效果不能用一個(gè)單指數(shù)關(guān)系式來表示,否則擬合的關(guān)系式的誤差將會很大。當(dāng)分選系數(shù)不好時(shí),由于巖石內(nèi)部由一系列大小不等的孔隙群體組成,巖石的極化率η(t)是一系列單個(gè)孔隙極化率的疊加,即

(3)

式中,η(t)為測量得到的t時(shí)刻的極化率;τt為預(yù)先指定的弛豫時(shí)間布點(diǎn)序列;ηi(0+)為t=0時(shí)刻的極化率,它表示第i類孔隙在激發(fā)極化有效孔隙度中所占份額。

因此,可以從時(shí)刻t=0開始等時(shí)間間隔測量巖石激發(fā)和衰減時(shí)地層隨時(shí)間變化的電位值,然后通過數(shù)學(xué)方法求解出巖石單孔隙的激發(fā)極化場電位曲線,進(jìn)而求解出巖石的極化率等一系列參數(shù)。

2 電極系設(shè)計(jì)

激發(fā)極化電位儀器由電子線路短節(jié)、絕緣短節(jié)、陣列電極系短節(jié)組成,供電回路電極在“無窮遠(yuǎn)”處的電纜上,測量參考電極在地面上。該儀器的測量電極系采用陣列式組合結(jié)構(gòu),由主控板對地層分時(shí)供電和測量,能夠連續(xù)采集地層的激發(fā)極化數(shù)據(jù)。

圖書館界的資源共享起源于印刷型文獻(xiàn)的館際互借，隨著電子文獻(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，逐步向電子文獻(xiàn)傳遞、聯(lián)機(jī)聯(lián)合編目、數(shù)字資源聯(lián)合采購等方面發(fā)展，形成相對比較系統(tǒng)和完善的全國性、國際性的資源共享網(wǎng)絡(luò)。譬如國外的聯(lián)機(jī)計(jì)算機(jī)圖書館中心(簡稱OCLC)是國際信息資源共享的領(lǐng)頭軍。再如國內(nèi)的高等教育文獻(xiàn)保障系統(tǒng)(簡稱CALIS)是全國的信息資源共享典范，但是CALIS目前的聯(lián)合采購對象大都是數(shù)字資源，而且由各成員館共建的聯(lián)合目錄新書更新率趕不上采訪速度，無法完全作為圖書館紙質(zhì)圖書采訪依據(jù)。

2.1 電極系材料確定

對多種電極材料開展了巖樣激發(fā)極化電位衰減特性測量,測量結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,AgCl電極的測量結(jié)果比較符合巖樣的激發(fā)極化電位實(shí)際衰減特性。鑒于此,該電極系的所有測量電極材料均采用Ag電極[12],這樣可以減少電極鈍化現(xiàn)象,并提高二次場電位的測量準(zhǔn)確性。

圖2 不同電極材料巖樣的激發(fā)極化電位實(shí)際衰減特性

2.2 電極系結(jié)構(gòu)

激發(fā)極化電位測井儀能夠?qū)崿F(xiàn)工程上連續(xù)測量,其核心部分是電極系結(jié)構(gòu)。該電極排列采用陣列式結(jié)構(gòu)[13](見圖3)。電極系陣列設(shè)計(jì)為A、B、C、D共4組電極,每組電極的長度相同均為L。為保證供電的均勻性,采用大電流低壓直流電源為發(fā)射電極供電。其中A組電極,均為發(fā)射電極,每個(gè)電極之間為玻璃鋼絕緣材料,保證每個(gè)電極之間的絕緣性能;而B、C這2組電極為發(fā)射電極和測量電極間隔排列;D組電極均由測量電極組成。

圖3 激發(fā)極化電位電極系結(jié)構(gòu)圖

電極系陣列化設(shè)計(jì)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量。結(jié)合電子線路中發(fā)射和測量的時(shí)序控制,最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量從而提高測井速度。理論上,陣列電極系設(shè)計(jì)得越長,可以獲得的測井速度越快,但是從實(shí)際工程施工和儀器可靠性方面權(quán)衡利弊,目前電極有效長度為4.8 m,完全滿足現(xiàn)場測井應(yīng)用,同時(shí)也方便野外施工。

2.3 連續(xù)測量原理

為確保陣列電極系不漏測,該測井儀工作時(shí)采用分時(shí)供電、分時(shí)測井,即供電電極發(fā)射和測量電極接收分時(shí)工作。儀器在工作時(shí),電極系向地層供電時(shí)間為t,斷電后測量時(shí)間為t。測井時(shí),儀器電子線路產(chǎn)生的時(shí)序信號先控制電源給發(fā)射電極供電,發(fā)射持續(xù)一個(gè)單位時(shí)間t,并且保證在時(shí)間t里電極系移動的深度與一組電極的長度L相等,即測井速度為L/t,然后將發(fā)射電極斷電,停止發(fā)射,通過接收電極進(jìn)行測量,持續(xù)測量單位時(shí)間t,這樣用2t的時(shí)間內(nèi)儀器移動的距離為2L,第1個(gè)時(shí)間t內(nèi)完成了2L長度井段的極化,而第2個(gè)時(shí)間t里完成了對這個(gè)2L長度井段地層的測量。這樣儀器在井眼里不間斷地連續(xù)移動,不斷重復(fù)這個(gè)過程,就實(shí)現(xiàn)了對地層的連續(xù)測量(見圖4)。

圖4 儀器工作示意圖

3 激發(fā)極化測井儀電子線路設(shè)計(jì)

3.1 電子線路組成

圖5 電子線路部分的功能框圖

該儀器由陣列電極系、電子線路2部分組成,陣列電極系上布置的發(fā)射電極和測量電極作為發(fā)射和測量傳感器;電子線路部分完成發(fā)射信號的產(chǎn)生、控制以及接收信號的放大、處理、控制、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸工作。電子線路部分的功能框圖見圖5,主要包括儲能模塊、+5 V電源模塊、±15 V模塊、發(fā)射電源模塊、發(fā)射繼電器、繼電器驅(qū)動模塊、發(fā)射器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、前置放大器模塊。其中儲能模塊輸入來自遙測短節(jié)的200 VDC主電源,為+5 V電源模塊、±15 V模塊的輸入端進(jìn)行儲能和濾波;+5 V電源模塊、±15 V模塊為發(fā)射器模塊之外的電路提供電源;發(fā)射器電源模塊為發(fā)射器提供工作電源;前置放大器接收并調(diào)理來自地層的電位信號;數(shù)據(jù)采集模塊對模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并輸出A/D轉(zhuǎn)換和繼電器控制信號;繼電器驅(qū)動模塊接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的控制信號驅(qū)動繼電器完成儀器激發(fā)和衰減的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;通訊模塊實(shí)現(xiàn)儀器與遙測短節(jié)之間的數(shù)據(jù)傳輸和通訊。

儀器陣列電極系的設(shè)計(jì)和時(shí)序控制是實(shí)現(xiàn)連續(xù)測井方法的核心,其控制和測量部分則是重要組成部分。

由于該儀器需要測量毫伏級的微弱信號,為確保測量精度,采樣數(shù)據(jù)量大,儀器內(nèi)部控制以FPGA可編程邏輯器件、ARM微控制器芯片為核心,FPGA主要完成數(shù)據(jù)收發(fā)、命令解析、控制輸出和采集協(xié)處理等功能,所有通道轉(zhuǎn)換速率為200 kbit/s。通過FPGA和ARM完成對各路信號的采集和處理,同時(shí)完成測井命令的解析處理與輸出控制等工作(見圖6)。

圖6 儀器主控板功能示意圖

3.2 激發(fā)極化的測量模式

由于外加電場對地層含水巖石激發(fā)極化效應(yīng)的影響主要存在于充放電時(shí)間、供電電流強(qiáng)度等因素影響[14-17]。因此,該儀器可以選擇適應(yīng)地層的測井模式,獲得更理想的測井效果。

(1)自動模式。地面系統(tǒng)給井下儀器發(fā)送一個(gè)深度脈沖信號,井下儀器對該脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值,儀器已經(jīng)完成了對2L長度井段地層的極化,此時(shí)儀器停止發(fā)射后同時(shí)開始測量,計(jì)數(shù)器清零重新計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到指定的數(shù)值,2L深度的地層測量完成,然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。這種模式,是以測井速度為主,儀器能夠自動實(shí)現(xiàn)極化、測量時(shí)間與測井速度相匹配。

(2)固定測量模式。極化和測量時(shí)間t為一恒定值,一旦選定這種模式,必須調(diào)節(jié)測井速度與該模式匹配進(jìn)行測井。定時(shí)模式測井時(shí),不對地面深度系統(tǒng)來的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù),井下儀器根據(jù)地面系統(tǒng)軟件下達(dá)的指令使其工作在定時(shí)工作模式,操作工程師可以根據(jù)地層的地質(zhì)特點(diǎn)選擇合適的t,測速為L/t。該模式必須控制測井速度與選擇的極化、測量時(shí)間相匹配。

該儀器還包括多種固定模式,每一種固定模式具有不同的極化和測量時(shí)間,可以通過地面系統(tǒng)的指令切換井下儀器至相應(yīng)的工作模式,滿足不同地質(zhì)特性的地層測井需要。

3.3 激發(fā)極化電位測井儀典型時(shí)序

激發(fā)極化電位測井儀掛接于勝利測井公司自主研發(fā)的SINOLOG900測井系統(tǒng)下。該儀器目的是把地層在外界電場作用下的充、放電過程測量出來,因此時(shí)序控制較為簡單,為了精確測量該過程和保證儀器連續(xù)在地層中移動,采用多路A/D同時(shí)測量,數(shù)據(jù)量較大,平均上傳速率大約800 kbit/s。圖7為激發(fā)極化電位典型時(shí)序圖。地面設(shè)備通過控制繼電器的開關(guān),完成對地層的激發(fā)電位和衰減電位數(shù)據(jù)采集。

圖7 激發(fā)極化電位典型時(shí)序圖

4 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

該激發(fā)極化電位測井儀在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場測井,測量井段2 300～2 100 m(見圖8)。樣機(jī)實(shí)時(shí)輸出該井某個(gè)深度地層實(shí)時(shí)激發(fā)電位曲線和衰減電位曲線,圖8中縱坐標(biāo)是電位幅度,橫坐標(biāo)是時(shí)間(時(shí)間0～45 s可調(diào),圖8中曲線最右端對應(yīng)15 s,紅線是0 mV)。

圖8 儀器實(shí)時(shí)所測某深度激發(fā)曲線和衰減曲線

圖9是儀器在地層中連續(xù)移動時(shí),所測得地層激發(fā)電位(見圖9中Track2)和衰減電位(見圖9中Track3),說明該儀器能夠?qū)崟r(shí)測量地層激發(fā)極化數(shù)據(jù)等參數(shù)。

5 討論與結(jié)論

(1)闡述的激發(fā)極化電位連續(xù)測井儀在井眼里連續(xù)移動的過程中對地層的連續(xù)極化和連續(xù)測量,突破了長期制約激發(fā)極化電位測井技術(shù)發(fā)展的瓶頸,研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

(2)該樣機(jī)為巖石激發(fā)極化效應(yīng)進(jìn)一步建立了測井實(shí)驗(yàn)平臺,將所測得的資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,可得到地層電弛豫時(shí)間譜,進(jìn)而在水淹層、剩余油飽和度以及低孔隙度滲透率儲層有效性評價(jià)等方面發(fā)揮積極作用。

(3)地層激發(fā)極化現(xiàn)象影響因素復(fù)雜,極化率(包括頻散率)受地層礦化度、井液礦化度、離子類型、巖性、陽離子交換量、孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響,有些甚至呈現(xiàn)非單調(diào)特性,因此,測量數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的多解性。應(yīng)繼續(xù)通過大量實(shí)驗(yàn),建立衰減率計(jì)算方法、衰減率與地層水礦化度的關(guān)系、衰減率與陽離子交換量等關(guān)系,為油田的水淹層評價(jià)提供一條新的途徑。