金 鼎,孫寶佃,胡恒山,關(guān) 威

(1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科技管理部,北京100007;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心,陜西西安710021; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井研究現(xiàn)狀和展望

金 鼎1,孫寶佃2,胡恒山3,關(guān) 威3

(1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科技管理部,北京100007;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心,陜西西安710021; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用動(dòng)電效應(yīng)測(cè)量了水飽和巖樣的流動(dòng)電勢(shì)系數(shù)和電滲壓力系數(shù),由這些實(shí)驗(yàn)系數(shù)可計(jì)算出滲透率,其值與利用達(dá)西定律測(cè)量的氣滲透率差異很小,不僅說(shuō)明巖石動(dòng)電效應(yīng)可以定量表征,而且可用于測(cè)量滲透率;在小型孔隙地層模型井中,觀測(cè)到了聲波誘導(dǎo)的電磁場(chǎng),也觀測(cè)到當(dāng)電偶極子激發(fā)瞬變電磁場(chǎng)時(shí)誘導(dǎo)的聲場(chǎng);基于聲波-電磁耦合方程組,模擬了聲誘導(dǎo)電磁場(chǎng)測(cè)井響應(yīng)的全波列和電誘導(dǎo)聲場(chǎng)的測(cè)井全波列,利用理論波形可對(duì)模型井觀測(cè)現(xiàn)象中的主要部分進(jìn)行解釋。

測(cè)井;動(dòng)電效應(yīng);滲透率;震電;電磁場(chǎng);全波列

0 引 言

自1939年前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)巖石的動(dòng)電效應(yīng)以來(lái),國(guó)際地球物理學(xué)界就一直關(guān)注這種效應(yīng)在石油勘探方面的應(yīng)用潛力。1990年,前蘇聯(lián)提出了動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方案。近20年來(lái),國(guó)際上一些著名研究機(jī)構(gòu)開展了動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井研究,我國(guó)也進(jìn)行了持續(xù)10年的理論與實(shí)驗(yàn)研究,取得了較大進(jìn)展。本文就動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井的研究現(xiàn)狀和前景進(jìn)行介紹和分析。

1 動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井的提出及其物理基礎(chǔ)

1.1 定常和時(shí)變動(dòng)電效應(yīng)

動(dòng)電效應(yīng)是物理化學(xué)中的1個(gè)與界面雙電層相關(guān)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(fù)電吸附溶液中的陽(yáng)離子,形成一個(gè)富集陽(yáng)離子的吸附層。吸附層外陽(yáng)離子的濃度隨離黏土表面的距離增大而減小,呈擴(kuò)散分布稱為擴(kuò)散層。吸附層與擴(kuò)散層一起,構(gòu)成雙電層。吸附層很薄,只有nm量級(jí)的厚度,吸附層的離子只隨顆粒運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散層的厚度與孔隙流體的離子濃度有關(guān),一般遠(yuǎn)大于吸附層。擴(kuò)散層離子容易在電場(chǎng)力作用下移動(dòng),也可伴隨流體運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)。

圖1 雙電層模型示意圖

與晶體的壓電效應(yīng)不同,巖石的動(dòng)電效應(yīng)是與雙電層結(jié)構(gòu)[1-2]、溶液中離子濃度分布、孔隙連通性和滲透性有關(guān)的力學(xué)-電磁學(xué)耦合效應(yīng)。當(dāng)孔隙巖石中存在壓強(qiáng)差時(shí),包括擴(kuò)散層在內(nèi)的孔隙流體會(huì)向壓強(qiáng)小的一端流動(dòng),因擴(kuò)散層含陽(yáng)離子,就形成了對(duì)流電流,使壓強(qiáng)低的一端出現(xiàn)陽(yáng)離子累積,壓強(qiáng)高的一端陰離子累積,使兩端出現(xiàn)電勢(shì)差,即所謂的流動(dòng)電勢(shì)。在流動(dòng)電勢(shì)的作用下,孔隙內(nèi)出現(xiàn)電場(chǎng),指向壓強(qiáng)高的一端,在該電場(chǎng)作用下,孔隙流體中形成傳導(dǎo)電流,它降低兩端累積的凈剩離子量。傳導(dǎo)電流與對(duì)流電流方向相反,當(dāng)二者大小相等時(shí),達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,流動(dòng)電勢(shì)不再增加或減小。可見,在一定的壓強(qiáng)差作用下,流動(dòng)電勢(shì)是確定的。與上述過(guò)程相反,對(duì)巖樣兩端施加電壓,在產(chǎn)生傳導(dǎo)電流的同時(shí),將由于離子拽動(dòng)流體形成滲流。當(dāng)滲流受到阻礙時(shí),負(fù)極的壓強(qiáng)就會(huì)高于正極的壓強(qiáng),形成壓強(qiáng)差,壓差又驅(qū)動(dòng)流體反向運(yùn)移,動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓強(qiáng)差稱為電滲壓力。流動(dòng)電勢(shì)現(xiàn)象和電滲現(xiàn)象都是電化學(xué)領(lǐng)域熟知的動(dòng)電現(xiàn)象。通常,這些現(xiàn)象隨時(shí)間變化緩慢,可認(rèn)為是定常或直流動(dòng)電效應(yīng)[3-5]。

盡管定常動(dòng)電現(xiàn)象早就為人們所熟知,但與地震波相關(guān)聯(lián)的交變或瞬變動(dòng)電效應(yīng)則1939年才發(fā)現(xiàn)。前蘇聯(lián)勘探地球物理學(xué)家 Ivanov發(fā)現(xiàn)了孔隙地層中伴隨地震波出現(xiàn)的電磁場(chǎng)[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(dòng)力學(xué)模型,論證了滲透性孔隙介質(zhì)中彈性波誘導(dǎo)電磁場(chǎng)的現(xiàn)象是瞬態(tài)壓強(qiáng)差作用下的巖石動(dòng)電效應(yīng),闡明了動(dòng)電效應(yīng)是地震波引起電磁場(chǎng)的機(jī)理之一。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代,關(guān)于動(dòng)電效應(yīng)的理論研究取得了突破性進(jìn)展。1994年,Pride[10]推導(dǎo)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(guān)于孔隙介質(zhì)彈性波的Biot方程組[11-12]與關(guān)于電磁場(chǎng)的Maxell方程組的耦合,其中體現(xiàn)耦合能力的系數(shù)稱為動(dòng)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(shuō)明了存在2種誘導(dǎo)電磁場(chǎng),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(dòng)電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)提供了理論框架。

1.2 動(dòng)電測(cè)井

相比于在地面激發(fā)和接收波場(chǎng)的震電勘探方法,動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井的特點(diǎn)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(jí)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(jìn)行了電聲轉(zhuǎn)換測(cè)井的試驗(yàn)[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(gè)聲波接收器,其中一個(gè)接收縱波;另一個(gè)接收橫波(見圖2)。測(cè)量時(shí),大功率信號(hào)發(fā)生器從地面(通過(guò)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(dòng)電耦合,電磁場(chǎng)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(chǎng)可誘導(dǎo)聲信號(hào),反過(guò)來(lái),聲波也可以誘導(dǎo)電磁場(chǎng)。當(dāng)聲波換能器在井中發(fā)射聲波時(shí),在地層中將由于動(dòng)電效應(yīng)產(chǎn)生電磁信號(hào)傳播至井內(nèi),可用線圈或電極接收到,實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換測(cè)井。麻省理工學(xué)院地球資源實(shí)驗(yàn)室的朱正亞[15]進(jìn)行了一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn),不過(guò),他們將其稱為震電測(cè)井(seismoelectric logging)。

上述的電聲轉(zhuǎn)換測(cè)井、聲電轉(zhuǎn)換測(cè)井和震電測(cè)井都是利用巖石動(dòng)電效應(yīng)的測(cè)井方法。為真實(shí)地反映這一測(cè)井技術(shù)的物理機(jī)理,建議稱為動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井或簡(jiǎn)稱為動(dòng)電測(cè)井。

圖2 動(dòng)電測(cè)井示意圖

由于對(duì)聲電波場(chǎng)在實(shí)際測(cè)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(rèn)識(shí),目前還不能有效地利用動(dòng)電測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)獲得地層的各種信息。

2 巖石動(dòng)電實(shí)驗(yàn)與動(dòng)電滲透率

孔隙介質(zhì)中動(dòng)電耦合的強(qiáng)弱,可以通過(guò)動(dòng)電耦合系數(shù)反映出來(lái)。雖然已經(jīng)有動(dòng)電耦合系數(shù)的計(jì)算公式,但是這些公式包含著必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能確定的參數(shù)。比如,在Pride理論中,動(dòng)電耦合系數(shù)表達(dá)式含有zeta勢(shì),是必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的量。Wong領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出了一種獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法[5,17],通過(guò)測(cè)量流動(dòng)電勢(shì)系數(shù)和電滲壓力系數(shù),不僅可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)電耦合系數(shù)測(cè)量,還可以實(shí)現(xiàn)滲透率測(cè)量。在國(guó)內(nèi),蔣永剛等[18]和王軍等[19]也先后開展了巖石動(dòng)電實(shí)驗(yàn)的研究工作。

巖石動(dòng)電實(shí)驗(yàn)的基本原理如圖3所示[19],包括流動(dòng)電勢(shì)和電滲實(shí)驗(yàn)2部分。流動(dòng)電勢(shì)實(shí)驗(yàn)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(gè)壓力作用使巖心兩端形成壓強(qiáng)差,流體腔內(nèi)溶液在壓強(qiáng)差作用下流過(guò)巖心樣品,由于巖心內(nèi)部雙電層效應(yīng)的影響,擴(kuò)散層中凈剩正電荷會(huì)伴隨溶液一起向壓強(qiáng)低的一端運(yùn)移,并在這一端累積。正電荷的定向運(yùn)移會(huì)在溶液中形成對(duì)流電流(亦稱為流動(dòng)電流),并使巖心兩端產(chǎn)生電位差,稱之為流動(dòng)電勢(shì)。而壓強(qiáng)高的一端,隨著凈剩正電荷的減少,使得負(fù)電荷占據(jù)優(yōu)勢(shì)。于是,就在巖心樣品中形成一個(gè)電場(chǎng),并產(chǎn)生與溶液流動(dòng)方向相反的傳導(dǎo)電流。當(dāng)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(shí)驗(yàn)中,兩端的流體腔均密封,當(dāng)電流通過(guò)巖心時(shí),會(huì)在巖心兩端形成電位差,同時(shí)飽和巖心內(nèi)部的水分子會(huì)伴隨電流一起流動(dòng),形成電滲液流,由于整個(gè)裝置密閉,腔內(nèi)流體不能流出,這樣就會(huì)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(qiáng)差。在壓強(qiáng)差的作用下又將產(chǎn)生回流液流,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)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(dòng)電實(shí)驗(yàn)中液流和電流示意圖

3 模型井動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)

麻省理工學(xué)院的朱正亞等人自1994年至今,連續(xù)報(bào)道了他們開展模型井動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)的研究成果[15,21-22]。他們?cè)谛⌒湍Ｐ途袑?shí)驗(yàn)觀測(cè)到了聲電測(cè)井信號(hào)、電聲測(cè)井信號(hào),并考察了不同類型地層中轉(zhuǎn)換波場(chǎng)的特性,以及井外地層裂縫對(duì)波場(chǎng)的影響。

國(guó)內(nèi)的學(xué)者也注意到國(guó)外震電勘探和聲電效應(yīng)測(cè)井的研究動(dòng)向[23-24],并陸續(xù)開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。石昆法[25]的實(shí)驗(yàn)室?guī)r石震電實(shí)驗(yàn)表明,砂體中觀測(cè)到的震電信號(hào)比在含泥砂體中的震電信號(hào)強(qiáng),含油砂體的震電信號(hào)比含水砂體信號(hào)強(qiáng)。胡恒山等[26]利用江漢油田全直徑巖心制作模型井,進(jìn)行了聲電和電聲轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。陳本池等[27]和張?jiān)械萚28]也先后采用模型井進(jìn)行了動(dòng)電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。

小模型井實(shí)驗(yàn)采用幾何相似模型,井孔直徑約為實(shí)際井孔直徑的1/10,為有效地激發(fā)聲測(cè)井中的各個(gè)分波,將聲源的頻率提高到實(shí)際測(cè)井頻率的10倍。由于動(dòng)電耦合系數(shù)是頻率的函數(shù),頻率越高,動(dòng)電耦合系數(shù)越小。因此,小模型井實(shí)驗(yàn)方法不能定量預(yù)測(cè)動(dòng)電測(cè)井信號(hào)的強(qiáng)弱。

4 動(dòng)電測(cè)井波場(chǎng)模擬

采用Pride動(dòng)電耦合波控制方程組,利用井孔邊界條件,可以模擬動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井。胡恒山和王克協(xié)[29-30]通過(guò)引入勢(shì)函數(shù),推導(dǎo)了地層中聲-電磁耦合條件下聲電測(cè)井的波場(chǎng)計(jì)算公式,給出了聲電測(cè)井模擬結(jié)果[31]。麻省理工學(xué)院的 M ikhailov等[32]采用簡(jiǎn)化算法,在準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)條件下,采用 Tang的低頻井孔斯通利波近似公式[33],模擬計(jì)算了低頻斯通利波的伴隨電磁場(chǎng)。胡恒山采用準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)近似,先在解耦條件下獨(dú)立求解孔隙介質(zhì)聲波全波,再求解聲波誘導(dǎo)的電磁場(chǎng),獲得了與求解聲-電磁完全耦合方程組一致的波場(chǎng)解答[34]。

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

5 動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井的展望

動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井的目的在于利用巖石動(dòng)電效應(yīng)確定或近似求出地層的參數(shù)。國(guó)際上動(dòng)電測(cè)井概念提出的時(shí)間不長(zhǎng),但已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展。

(1)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用動(dòng)電效應(yīng)測(cè)量了水飽和巖樣的流動(dòng)電勢(shì)系數(shù)和電滲壓力系數(shù),由這些實(shí)驗(yàn)系數(shù)可計(jì)算出滲透率,其值與利用達(dá)西定律測(cè)量的氣滲透率差異很小,從而說(shuō)明巖石動(dòng)電效應(yīng)可以定量表征,可用于測(cè)量滲透率;

(2)在小型孔隙地層模型井中,觀測(cè)到了聲波誘導(dǎo)的電磁場(chǎng),也觀測(cè)到當(dāng)電偶極子激發(fā)瞬變電磁場(chǎng)時(shí)誘導(dǎo)的聲場(chǎng);

(3)基于聲波-電磁耦合方程組,模擬了聲誘導(dǎo)電磁場(chǎng)測(cè)井響應(yīng)的全波列和電誘導(dǎo)聲場(chǎng)的測(cè)井全波列,利用理論波形可對(duì)模型井觀測(cè)現(xiàn)象中的主要部分進(jìn)行解釋。

在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井研究,需要回答下列問(wèn)題:由測(cè)井響應(yīng)可獲得哪些地層參數(shù)?動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井應(yīng)采用什么頻率,轉(zhuǎn)換信號(hào)有多大?能否利用現(xiàn)代電子技術(shù)有效地檢測(cè),通過(guò)對(duì)動(dòng)電測(cè)井信號(hào)的處理能否獲得常規(guī)測(cè)井技術(shù)不能獲得的重要地層參數(shù)。只有在上述問(wèn)題的研究獲得重要的進(jìn)展后,才能開展動(dòng)電測(cè)井儀器研制,使之成為一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。

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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(jí)工程師,從事測(cè)井科研管理工作。

2010-05-10 本文編輯 王 環(huán))