王軍， 李惠， 胡恒山*， 關(guān)威， 鄭曉波

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 哈爾濱 150001 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木學(xué)院， 哈爾濱 150001

?

動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究Ⅰ:滲透率的評(píng)價(jià)

王軍1， 李惠2， 胡恒山1*， 關(guān)威1， 鄭曉波1

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 哈爾濱 150001 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木學(xué)院， 哈爾濱 150001

本文針對(duì)流體飽和孔隙介質(zhì)的動(dòng)電效應(yīng)，在砂巖模型井中開展了動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究. 記錄到滲透率不同模型中單極源動(dòng)電測(cè)井的全波波形，清晰地觀測(cè)到了伴隨縱波、橫波和斯通利波的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)，給出了本文實(shí)驗(yàn)條件下，動(dòng)電測(cè)井全波中各分波的幅度，并通過電聲比的大小說明了各分波的動(dòng)電轉(zhuǎn)換能力. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：孔隙介質(zhì)動(dòng)電效應(yīng)與滲透率密切相關(guān)，動(dòng)電信號(hào)的幅度隨著地層滲透率的增大而增加，在高滲透率地層中記錄動(dòng)電信號(hào)的幅度較大，這一特性可用于地層滲透率的井下動(dòng)電評(píng)估. 本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果還驗(yàn)證了動(dòng)電測(cè)井的可行性，同時(shí)指出：與聲波測(cè)井相比，動(dòng)電測(cè)井信號(hào)對(duì)地層滲透率更加敏感，這為滲透率等地層參數(shù)的井下動(dòng)電測(cè)量奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

動(dòng)電效應(yīng)； 測(cè)井； 滲透率

1 引言

持續(xù)充足的石油天然氣供應(yīng)對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高具有重大意義.進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)陸上多數(shù)油田的儲(chǔ)量下降，開采難度不斷增大，而新發(fā)現(xiàn)的油氣田不足，海上油田勘探開發(fā)技術(shù)也尚待提高. 這迫切需要提出新的勘探測(cè)量方法，以便更深入地認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層巖石的物理特性. 近年來一種利用固液界面彈性場(chǎng)與電磁場(chǎng)之間耦合關(guān)系(動(dòng)電效應(yīng))的測(cè)量方法受到學(xué)者們的重視，可望成為一項(xiàng)新技術(shù)——?jiǎng)与姕y(cè)井(胡恒山和王克協(xié)，1999，2000)，它由聲源換能器發(fā)射聲波信號(hào)，然后記錄聲波誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)換電場(chǎng). 人們期望這種新方法能夠獲得一些傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法獲取的信息，從而更好地描述儲(chǔ)層特性. 國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者也相繼開展了與動(dòng)電效應(yīng)有關(guān)的理論(Pride，1994；戴世坤，1996；胡恒山等2003；崔志文，2004；Haartsen et al，2007；高永新和胡恒山，2009 ；關(guān)威等，2011; Gao et al, 2013; Guan et al, 2013)和測(cè)量(劉洪，1994；劉洪和李幼銘，1994；Zhu et al，1999；嚴(yán)洪瑞等, 1999；石昆法，2001；陳本池等，2003；王軍等，2010，2011)工作.

隨著研究的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了動(dòng)電效應(yīng)在地層參數(shù)(如地層波速、滲透率等)的測(cè)量與反演方面的應(yīng)用價(jià)值。Pride和Haartsen(1997)分析了動(dòng)電耦合波場(chǎng)的傳播特性并說明聲波伴隨電磁場(chǎng)的視速度與聲波的傳播速度相同，可用于地層波速的井下測(cè)量. Berryman(2003)通過理論說明孔隙介質(zhì)動(dòng)電效應(yīng)可用于地層滲透率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量. 胡恒山和王克協(xié)(2000)模擬了井中動(dòng)電信號(hào)與地層參數(shù)之間的關(guān)系，指出伴隨井孔聲場(chǎng)中斯通利波的電場(chǎng)對(duì)地層滲透率較敏感. 關(guān)威等(2011)進(jìn)一步提出了利用動(dòng)電測(cè)井中斯通利波電聲比的相位反演地層滲透率方法. Dupuis和Butler(2006)針對(duì)冰川結(jié)構(gòu)地層的垂直動(dòng)電剖面研究表明：同震的電磁場(chǎng)信號(hào)可用于評(píng)價(jià)地層孔隙度和滲透率. Pengra等(1999)和王軍等(2010)先后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用低頻準(zhǔn)靜態(tài)的動(dòng)電效應(yīng)(流動(dòng)電勢(shì)效應(yīng)和電滲效應(yīng))測(cè)量了小巖樣的滲透率.

滲透率是評(píng)價(jià)地層特性的重要參數(shù)，上述研究表明動(dòng)電效應(yīng)可用于地層滲透率的評(píng)估，但考慮到動(dòng)電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換能力很低，通常為10-9V/Pa量級(jí)(王軍等，2010，2011)，以及電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中衰減很快等原因，制約了動(dòng)電測(cè)井技術(shù)在實(shí)際油氣勘探中的應(yīng)用. 因此，關(guān)于井中動(dòng)電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量研究極少，而且已有的實(shí)驗(yàn)報(bào)道只觀測(cè)到測(cè)井全波中部分分波的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)(Mikhailov et al，2000；陳本池等，2003).此外，能否利用動(dòng)電測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)評(píng)價(jià)地層參數(shù)，實(shí)現(xiàn)滲透率的井下動(dòng)電測(cè)量以及對(duì)滲透率不同地層的區(qū)分，缺乏相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)的支持. 本文則從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，開展了井中動(dòng)電效應(yīng)的測(cè)量研究工作，記錄到了單極源動(dòng)電測(cè)井的全波波形(包括縱波、橫波和斯通利波的轉(zhuǎn)換電場(chǎng))，給出了井中動(dòng)電信號(hào)的幅值，并定量分析了滲透率不同模型井中動(dòng)電信號(hào)的差異.

2 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途皽y(cè)井探頭

實(shí)驗(yàn)選用2種滲透率不同的材料制作模型井，其物理參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)用自來水對(duì)巖樣進(jìn)行飽和. 實(shí)驗(yàn)探頭如圖1所示，包括聲源和接收器兩部分，分別用于聲波測(cè)井(圖1a)和動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)(圖1b). 用于聲波測(cè)井和動(dòng)電測(cè)井的聲源相同，它由4塊材料相同的圓盤狀壓電片構(gòu)成，間隔90°放置在同一圓周上構(gòu)成單極源激發(fā)模式. 聲波測(cè)井接收器為6組壓電片，其材料與聲源相同，每組2片，嵌于鋼管圓周凹槽內(nèi)，表面用環(huán)氧樹脂封裝. 動(dòng)電測(cè)井接收器為6組鍍銀點(diǎn)電極，電極突出接收器外殼2 mm，且與外殼絕緣.

表1 模型井物理參數(shù)表Table 1 Parameters of borehole models

2.2 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

已有實(shí)驗(yàn)表明動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)非常微弱，因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的性能是動(dòng)電測(cè)量的關(guān)鍵和前提，其測(cè)量精度直接決定動(dòng)電信號(hào)的有效性. 本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)主要由脈沖源(5077PR)、前置放大器(5660C)、濾波器(NF3628)、NI數(shù)據(jù)采集卡(5922)、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(AFG3022B)構(gòu)成. 下面分別介紹各儀器的功能及其在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的作用.

圖1 聲波測(cè)井探頭(a)和動(dòng)電測(cè)井探頭(b)Fig.1 The acoustic logging detector (a) and seismoelectric logging detector (b)

脈沖源：為聲源換能器提供電壓激勵(lì)，其輸出為負(fù)方波脈沖信號(hào). 中心頻率由實(shí)驗(yàn)用井孔尺寸與實(shí)際井孔尺寸的幾何相似關(guān)系確定(本文模型井內(nèi)徑約為實(shí)際井孔的10倍縮小模型)，因此，實(shí)驗(yàn)用聲源頻率約為實(shí)際測(cè)井頻率(2～20 kHz)的10倍. 通過粗略的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得出：當(dāng)聲源中心頻率選為90 kHz時(shí)，斯通利波幅度達(dá)到最大. 因此，本文中聲源的中心頻率選為90 kHz. 前人研究表明聲場(chǎng)越強(qiáng)，得到的動(dòng)電轉(zhuǎn)換也越強(qiáng)(Pengra et al，1999)，但由于高壓脈沖會(huì)在空間中產(chǎn)生電磁輻射，并被電極接收到，該輻射對(duì)動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)的測(cè)量具有較大干擾(見下文動(dòng)電信號(hào)中0時(shí)刻的波形)，很難消除. 而且電壓越高，它在時(shí)域上的延續(xù)越長(zhǎng)，可能會(huì)掩蓋到時(shí)較早的動(dòng)電信號(hào)，因此，實(shí)驗(yàn)沒有采用實(shí)際測(cè)井的千伏電壓作為激勵(lì)，而是選用200 V.

前置放大器：對(duì)高于其閾值的信號(hào)進(jìn)行放大，可有效提高信號(hào)的信噪比，由于動(dòng)電信號(hào)十分微弱，實(shí)驗(yàn)中使用前置放大器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大.

濾波器：實(shí)驗(yàn)選用雙通道的濾波器構(gòu)成一個(gè)帶通濾波器，濾波范圍在1～300 kHz之間，用于濾除工頻和高頻干擾.

NI數(shù)據(jù)采集卡：用于采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其最大分辨率為24位，考慮此時(shí)的采樣率不高，實(shí)驗(yàn)選擇的分辨率為20位，對(duì)應(yīng)采樣率為5 MS/s. 而且通過Labview軟件采用多次疊加取平均的方式來減弱隨機(jī)噪聲.

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)為脈沖源和采集卡提供觸發(fā)信號(hào)，保證兩者同步工作，同時(shí)還在聲波測(cè)井時(shí)為聲源換能器提供激勵(lì)信號(hào).

此外，針對(duì)表1給出2種模型進(jìn)行同一種測(cè)井實(shí)驗(yàn)時(shí)，如聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)，所用設(shè)備的參數(shù)(脈沖激勵(lì)電壓，放大倍數(shù)，濾波器帶寬，采樣率等)均不變. 這樣保證了實(shí)驗(yàn)條件的一致性，排除了實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器參數(shù)不同等因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，使得不同模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比更加有意義.

圖2 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)測(cè)量流程圖Fig.2 The measuring diagram for seismoelectric experiment

實(shí)驗(yàn)測(cè)量流程如圖2所示，高壓脈沖源給聲源換能器供電，使其激發(fā)聲波信號(hào).當(dāng)聲波在井孔中傳播時(shí)，由于動(dòng)電效應(yīng)的作用，在井孔中能夠產(chǎn)生電場(chǎng)，此信號(hào)為聲波在地層中傳播引起的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào). 由電極接收該信號(hào)，并經(jīng)過放大、濾波等過程，以減弱噪聲，提高信號(hào)的幅度和信噪比，之后由采集卡將數(shù)據(jù)記錄并存儲(chǔ)，以便做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析.

3 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將聲源和接收器(換能器或電極)置于井孔中，并進(jìn)行居中處理. 由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，本文測(cè)量系統(tǒng)每次只能記錄一個(gè)通道的信號(hào)，如進(jìn)行聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)圖1接收器所示結(jié)構(gòu)先在距離聲源最近的位置接收井中聲波信號(hào)，然后通過波段開關(guān)選擇下一個(gè)較遠(yuǎn)位置進(jìn)行測(cè)量，以此類推，實(shí)驗(yàn)共記錄了6條曲線. 之后，將接收換能器改為電極，重復(fù)上述測(cè)量，以完成動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn). 雖然測(cè)量過程沒有實(shí)現(xiàn)多通道同步采集，但實(shí)驗(yàn)過程中，保持聲源和接收器的位置不動(dòng)，同時(shí)保持各設(shè)備的參數(shù)不變，只通過波段開關(guān)的變化來完成不同源距的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，這樣單通道多次測(cè)量與多通道同步測(cè)量的結(jié)果是一樣的.

本節(jié)主要針對(duì)巖樣1和巖樣2模型井，進(jìn)行單極源電纜聲波測(cè)井和動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究，觀測(cè)了井中的聲波信號(hào)和聲波誘導(dǎo)的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)，并對(duì)比分析了兩者之間的關(guān)系，比較了不同滲透率模型井中動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)的差異. 詳細(xì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下.

(1)巖樣1模型井中實(shí)驗(yàn)測(cè)量

圖3給出了巖樣1模型井中聲波測(cè)井和動(dòng)電測(cè)井歸一化的測(cè)量結(jié)果. 圖3a聲波測(cè)井全波中清楚地看到3個(gè)波群，它們分別對(duì)應(yīng)地層的縱波(P波)、橫波(S波)和斯通利波(ST波)，而且通過圖中各分波到時(shí)計(jì)算出的傳播速度與表1中結(jié)果吻合. 圖3b動(dòng)電測(cè)井全波中除了0時(shí)刻的波群之外也有3個(gè)波群存在，首先從視覺上看，它們的形狀與聲波測(cè)井中3個(gè)分波(P波、S波和ST波)相似，到時(shí)也基本一致. 其次，通過計(jì)算3個(gè)波群的傳播速度可知，它們分別對(duì)應(yīng)地層縱波、橫波和斯通利波的傳播速度. 理論計(jì)算表明：聲波在井中傳播時(shí)能夠產(chǎn)生伴隨動(dòng)電場(chǎng)(胡恒山和王克協(xié)，1999，2000)，它的傳播速度與引起動(dòng)電效應(yīng)的聲波速度相同，因此，圖3b中3個(gè)波群是地層縱波、橫波和斯通利波在井中傳播時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)，即伴隨縱波電場(chǎng)、伴隨橫波電場(chǎng)和伴隨斯通利波電場(chǎng).

此外，圖3b中0時(shí)刻出現(xiàn)一個(gè)幅度很大的波群，那是高壓脈沖在空間形成的電磁輻射干擾，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)到達(dá)6個(gè)接收電極，沒有體現(xiàn)出6次測(cè)量源距的差異，目前還沒有找到辦法將它消除，只能通過共地的方法盡量縮短它在時(shí)域上的延續(xù)時(shí)間，使其不對(duì)后面到達(dá)的動(dòng)電信號(hào)產(chǎn)生干擾. 不過該波群的存在給我們提供一個(gè)區(qū)分聲波場(chǎng)和動(dòng)電場(chǎng)的依據(jù). 而動(dòng)電測(cè)井理論計(jì)算中還有一種在井壁處產(chǎn)生的界面動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)(胡恒山和王克協(xié)，1999，2000)，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果中沒有看到該信號(hào)，那是因?yàn)榻缑鎰?dòng)電信號(hào)的到時(shí)很早(聲波沿徑向由聲源傳播到井壁的時(shí)間)，被0時(shí)刻的干擾掩蓋掉了.

圖4是單次聲波測(cè)井和動(dòng)電測(cè)井的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于手動(dòng)更換接收器，聲波和動(dòng)電測(cè)井的源距不可能完全相同，導(dǎo)致兩種情況下各分波到時(shí)有些偏差，但這不影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析. 圖4a聲場(chǎng)中縱波、橫波和斯通利波的峰峰值分別為0.237 V，1.499 V和4.945 V. 圖4b動(dòng)電場(chǎng)中伴隨縱波、橫波和斯通利波電場(chǎng)的峰峰值分別為0.859 V，3.036 V和11.593 V.

綜上，巖樣1模型中的動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了聲波在井孔中傳播產(chǎn)生的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)，并能從測(cè)井全波中清晰地區(qū)分伴隨縱波、橫波和斯通利波動(dòng)電場(chǎng)，給出了本文實(shí)驗(yàn)條件下記錄到各伴隨動(dòng)電信號(hào)的幅度. 另外，圖3和圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)動(dòng)電測(cè)量的有效性以及動(dòng)電測(cè)井的可行性. 但由于模型結(jié)構(gòu)關(guān)系，本文實(shí)驗(yàn)無法觀測(cè)界面動(dòng)電信號(hào)，因此，在王軍等(2015)工作中針對(duì)多種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，詳?xì)地分析伴隨動(dòng)電信號(hào)和界面動(dòng)電信號(hào)的傳播特性.

(2)巖樣2模型井中實(shí)驗(yàn)測(cè)量

圖5和圖6給出了巖樣2模型井中聲波測(cè)井和動(dòng)電測(cè)井的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.從圖5a和6a聲波測(cè)井全波中能夠清楚地看到單極源在井中激發(fā)的縱波(P波)、橫波(S波)和斯通利波(ST波)波群，而且通過時(shí)域波形計(jì)算出它們的傳播速度也與表1中結(jié)果吻合. 但由于巖樣2模型井的滲透率較低，動(dòng)電測(cè)井全波中(圖5b和6b)，只有伴隨ST波的動(dòng)電信號(hào)幅度較大，波形比較清晰，不同源距情況下記錄波形的到時(shí)一致性較好.伴隨P波和S波的動(dòng)電信號(hào)幅度與背景噪聲相當(dāng)，只能勉強(qiáng)將兩者從動(dòng)電測(cè)井全波中提取出來.圖6是單次聲波測(cè)井和動(dòng)電測(cè)井的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中縱波、橫波和斯通利波的峰峰值分別為0.144 V，1.322 V和5.161 V.動(dòng)電場(chǎng)中伴隨縱波、橫波和斯通利波動(dòng)電信號(hào)的峰峰值分別為0.096 V，0.156 V和0.722 V.

圖3 巖樣1模型井中歸一化實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a) 聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)； (b) 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn).Fig.3 The normalized waves of well logging in rock 1(a) Acoustic well logging； (b) Seismoelectric well logging.

圖4 巖樣1模型中測(cè)井信號(hào)的幅值(a) 聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)； (b) 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn).Fig.4 The values of well logging signals in rock 1(a) Acoustic well logging； (b) Seismoelectric well logging.

圖5 巖樣2模型井中歸一化實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a) 聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)； (b) 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn).Fig.5 The normalized waves of well logging in rock 2(a) Acoustic well logging； (b) Seismoelectric well logging.

圖6 巖樣2模型中測(cè)井信號(hào)的幅值(a) 聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)； (b) 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn).Fig.6 The values of well logging signals in rock 2(a) Acoustic well logging； (b) Seismoelectric well logging.

4 不同模型中動(dòng)電實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了分析滲透率對(duì)動(dòng)電效應(yīng)的影響，我們對(duì)比分析了2種模型中的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果(圖4和圖6). 從這2幅圖形中(圖4a和圖6a)可以看出：在相同實(shí)驗(yàn)條件下，接收換能器記錄到聲波測(cè)井信號(hào)中對(duì)應(yīng)分波的幅度相差不大，基本都在同一個(gè)量級(jí)上，但動(dòng)電測(cè)井信號(hào)的幅度卻相差很大，比如兩巖樣聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)中橫波波群的峰峰值約為1.5 V，而動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)中伴隨橫波動(dòng)電信號(hào)的峰峰值分別為3 V和0.15 V左右，這種差別說明不同分波的動(dòng)電耦合能力不同. 由于動(dòng)電測(cè)井無法獲得地層的動(dòng)電耦合系數(shù)，胡恒山和王克協(xié)(2000)提出了“電聲比”(REP)的概念，用于分析每個(gè)分波的動(dòng)電轉(zhuǎn)換效率. 電聲比表示電場(chǎng)強(qiáng)度最大幅度與聲場(chǎng)最大幅度的比值，雖然與動(dòng)電耦合系數(shù)不同(Pride，1994；王軍等，2010，2011)，但它在一定程度上反映了孔隙介質(zhì)的動(dòng)電耦合能力，而且電聲比越大，表明該分波的動(dòng)電轉(zhuǎn)換能力越強(qiáng). 因此，對(duì)動(dòng)電測(cè)井中電聲比的分析是非常有意義的.

基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，本文計(jì)算了2種砂巖模型井中各分波的電聲比：巖樣1模型井中縱波、橫波和斯通利波波的電聲比分別為3.62, 2.03, 2.34；巖樣2中縱波、橫波和斯通利波波的電聲比分別為0.67, 0.12, 0.14. 通過計(jì)算數(shù)據(jù)知：兩種砂巖模型中實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相同的規(guī)律，即縱波的電聲比最大，如巖樣1中結(jié)果為3.62；其次是斯通利波，為2.34；橫波電聲比最小，為2.03，此結(jié)果表明了3種分波動(dòng)電耦合能力的強(qiáng)弱關(guān)系，它們由強(qiáng)而弱依次為縱波、斯通利波和橫波，該規(guī)律與胡恒山和王克協(xié)(2000)的動(dòng)電測(cè)井模擬分析結(jié)果相同.

值得注意的是，動(dòng)電信號(hào)非常微弱，雖然理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：在動(dòng)電測(cè)井過程中縱波的電聲比最大，但由于縱波在測(cè)井全波中的幅度相對(duì)最小，使得全波中伴隨縱波電場(chǎng)的幅度并不是最大的，橫波也有類似的問題，如圖6b巖樣2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中伴隨縱波和橫波的動(dòng)電信號(hào)因幅度太小導(dǎo)致這兩個(gè)信號(hào)的信噪比較低，這不利于動(dòng)電信號(hào)的測(cè)量和分析. 因此，利用伴隨縱波和橫波的動(dòng)電信號(hào)評(píng)估滲透率等地層參數(shù)不是最佳的選擇. 但通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：伴隨斯通利波動(dòng)電場(chǎng)的幅度最大，而且它對(duì)地層滲透率也非常敏感，詳見圖4b和圖6b中動(dòng)電信號(hào)的幅度. 本文還給出了兩模型中伴隨斯通利波電場(chǎng)幅度的定量結(jié)果，其中巖樣1和巖樣2的滲透率分別為15 mD和0.12 mD，聲波測(cè)井記錄到斯通利波的幅度為4.945 V和5.161 V，兩者非常接近，沒有體現(xiàn)出滲透率不同引起的斯通利波幅度變化. 而伴隨斯通利波動(dòng)電場(chǎng)的幅度為11.593 V和0.722 V，兩者相差約16.1倍，電聲比為2.34和0.14，相差約16.7倍. 這說明伴隨斯通利波動(dòng)電信號(hào)的幅度能夠反映地層滲透率的大小關(guān)系，在高滲透率的地層中獲得的動(dòng)電信號(hào)更強(qiáng)，此結(jié)果也與Wang等(2015)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)針對(duì)多塊不同滲透率小巖樣(非井孔模型)的測(cè)量結(jié)果一致. 因此，井中斯通利波引起的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)可用于地層滲透率的評(píng)價(jià)，而且通過聲波測(cè)井和動(dòng)電測(cè)井中斯通利波幅度和伴隨斯通利波電場(chǎng)幅度的對(duì)比可以得出：與聲波測(cè)井相比，動(dòng)電測(cè)井信號(hào)對(duì)地層滲透率更加敏感.

5 結(jié)論

針對(duì)流體飽和孔隙介質(zhì)的動(dòng)電效應(yīng)，本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立了能進(jìn)行動(dòng)電測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，并在砂巖模型井中開展了單極源動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究，清晰地觀測(cè)到了井中伴隨聲場(chǎng)的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)，包括伴隨地層縱波、橫波和斯通利波的電場(chǎng). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明：聲場(chǎng)中引起動(dòng)電效應(yīng)的各分波(縱波、橫波和斯通利波)的動(dòng)電轉(zhuǎn)換能力不同，通過計(jì)算他們的電聲比得出，縱波的動(dòng)電轉(zhuǎn)換能力最強(qiáng)，斯通利波次之，橫波最弱.

通過對(duì)比滲透率不同模型中動(dòng)電測(cè)井信號(hào)的幅度可知：動(dòng)電信號(hào)與地層滲透率密切相關(guān)，在高滲透率模型井中獲得動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)的幅度較大. 這一特性可用于地層滲透率的井下動(dòng)電評(píng)估，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在動(dòng)電測(cè)井全波中，伴隨斯通利波動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)的幅度最大，進(jìn)而最有利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量(其信噪比最高). 因此，綜合比較縱波、橫波和斯通利波的幅度大小關(guān)系及其動(dòng)電轉(zhuǎn)換能力，利用伴隨斯通利波的動(dòng)電轉(zhuǎn)換信號(hào)來評(píng)價(jià)地層滲透率更合適. 此外，考慮到實(shí)際測(cè)井儀器的性能要更好一些，如放大倍數(shù)可達(dá)110 dB，且設(shè)備噪聲更低的前置放大器；功率更大(激勵(lì)電壓幾千伏，換能器直徑更大)的換能器等因素，利用動(dòng)電測(cè)井信號(hào)評(píng)價(jià)地層滲透率是有望實(shí)現(xiàn)的. 本文結(jié)果為滲透率等地層參數(shù)的井下動(dòng)電測(cè)量奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

另外，將兩巖樣聲波測(cè)井和動(dòng)電測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分別進(jìn)行比較可知：兩巖樣聲場(chǎng)中對(duì)應(yīng)分波的幅度基本處于同一個(gè)量級(jí)上，由滲透率引起的聲場(chǎng)幅度差異很??；但伴隨聲波的動(dòng)電信號(hào)幅度卻相差十幾倍，這說明動(dòng)電信號(hào)的幅度對(duì)滲透率更加敏感，因此，與聲波測(cè)井相比，利用動(dòng)電測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)更利于地層滲透率的評(píng)價(jià).

Berryman J G. 2003. Electrokinetic effects and fluid permeability.PhysicsB.， 338: 270-273.

Chen B C，Mu Y G，Di B R. 2003. Seismoelectric measurements in a borehole model.GPP，42 (1):35-38.

Cui Z W. 2004. Theoretical and numerical study of modified Biot′s models， acoustoelectric well logging and acoustic logging while drilling excited by multipole acoustic sources [Ph.D. thesis](in Chinese). Changchun: Jilin University.

Dupuis J C，Butler K E. 2006. Vertical seismoelectric profiling in a borehole penetrating glaciofluvial sediments.Geophys.Res.Lett., 33(16): L16301.Dai S K. 1996. Seismoelectric effect in porous medium and seismoelectric wave theory [Postdoctorate research report] (in Chinese). Beijing: University of Petroleum.Gao Y X, Hu H S. 2009. Numerical simulation and analysis of seismoelectromagnetic wave field excited by a point source in layered porous media.ChineseJ.Geophysics.(in Chinese)，52(8): 2093-2104.

Gao Y , Chen X, Hu H S, et al. 2013. Early electromagnetic waves from earthquake rupturing: I.theoretical formulations.Geophys.J.Int., 192 (3), 1288-1307.Gao Y, Chen X, Hu H S,et al. 2013. Early electromagnetic waves from earthquake rupturing: Ⅱ. validation and numerical experiments.Geophys.J.Int, 192(3), 1308-1323.Guan W, Hu H S, Tang T Z, et al. 2011.The ratio of the acoustoelectric field to the acoustic pressure in the borehole and its dependence on permeability.ChineseJ.Geophysics(in Chinese), 54(6): 1660-1671.Guan W, Hu H S, Zheng X B. 2013a. Theoretical simulation of the multipole seismoelectric logging while drilling.GeophysicalJournalInternational. 195:1239-1250.

Guan W, Hu H S, Wang Z. 2013b. Permeability inversion from the low-frequency seismoelectric logs in fluid-saturated porous formations.GeophysicalProspecting, 61:120-133.

Hu H S，Wang K X. 1999. Coupled acoustic and electromagnetic waves around a borehole embedded in a porous formation: Part 1. theory.WellLoggingTechnology(in Chinese)，23(6): 427-432.Hu H S, Wang K X. 2000. Coupled acoustic and electromagnetic waves around a borehole embedded in a porous formation : part 2. numerical simulation of acoustically induced fields.WellLoggingTechnology，24(1) : 3-13.Hu H S， Liu J Q， Wang H B，et al. 2003. Simulation of acoustic-electric well logging based on simplified pride equations.ChineseJ.Geophysics(in Chinese)，46(2):259-264

Haartsen M W, Pride S R. 1997. Electroseismic waves from point sources in layered media.J.Geophys.Res.，102:24745-24769.

Haines S S，Pride S R, Klemperer S L. 2007. Seismoelectric imaging of shallow targets.Geophysics，72: G9-G20.Liu H. 1994. The possibility of high resolution detection for subsurface oil，gas and water by means of natural electromagnetic field.ChineseJ.Geophys.(in Chinese)， 37(6) :828-835.Liu H，Li Y M. 1994.Comments on exploring oil， gas and water using seismoelectric effects.GPP，33(2):94-101.

Mikhailov O V ，Queen J，Toks?z M N. 2000. Using borehole electroseismic measurements to detect and characterize fractured (Permeable) zones.Geophysics，65: 1098-1112.

Pengra D B， Li S X, Wong P Z. 1999. Determination of rock properties by low-frequency AC electrokinetics.J.Geo.Res.，104:29485-29508.Pride S R. 1994. Governing equations for the coupled electromagnetics and acoustics of porous media.Phys.Rev.B.，50:15678-15696.

Shi K F. 2001. Seismo-electric effect theory and preliminary experimental results.ChineseJ.Geophysics.(in Chinese)，44(5):720-728.

Wang J，Hu H S，Xu X R，et al. 2010. Experimental measurement study on rock permeability based on the electrokinetic effect.ChineseJ.Geophys. (in Chinese)，53(8): 1953-1960.

Wang J，Hu H S，Yang G，et al. 2011. Experimental measurements on streaming current and zeta-potential of core samples under the excitation of low-frequency sinusoidal pressure.ChineseJ.Geophysics.(in Chinese)，54 (8): 2169-2176.

Wang J，Hu H S，Guan W，Li H. 2015. Electrokinetic experimental study on saturated rock samples: zeta potential and surface conductance.Geophys.J.Int., 201: 869-877.

Wang J，Guan W，Hu H S，Zhu Z. 2015. Electrokinetic experimental studies in borehole model II: localized and radiated seismoelectric field.ChineseJ.Geophysics.(in Chinese), Accepted.Yan H R，Liu H， Li Y M ,et al . 1999. Daqing oilfield experiment of seismo-electric exploration.ChineseJ.Geophys. ( in Chinese)，42(2) : 257-267.Zhu Z，Haartsen M W，Toks?z M N. 1999. Experimental studies of electrokinetic conversions in fluid-saturated borehole models.Geophysics，64:1349-1356.

附中文參考文獻(xiàn)

崔志文. 2004. 多孔介質(zhì)聲學(xué)模型與多極源聲電效應(yīng)測(cè)井和多極隨鉆聲測(cè)井的理論與數(shù)值研究[博士論文].長(zhǎng)春:吉林大學(xué).

陳本池，牟永光，狄?guī)妥? 2003. 井中震電勘探模型實(shí)驗(yàn)研究.石油物探，42 (1):35-38.

戴世坤. 1996. 雙相介質(zhì)中的震電效應(yīng)和震電波場(chǎng)傳播理論[博士后研究工作報(bào)告] . 北京:石油大學(xué).

高永新，胡恒山. 2009. 水平分層孔隙介質(zhì)中點(diǎn)源激發(fā)的震電波場(chǎng)數(shù)值模擬及分析.地球物理學(xué)報(bào)，52(8):2093-2104.

關(guān)威，胡恒山，湯天知等. 2011. 聲電效應(yīng)測(cè)井電聲比及其與地層滲透率的關(guān)系.地球物理學(xué)報(bào)，54(6):1660-1671.

胡恒山，王克協(xié). 1999. 井孔周圍軸對(duì)稱聲電耦合波:理論(Ⅰ).測(cè)井技術(shù)，23 (6):427-432.

胡恒山， 王克協(xié). 2000. 井孔周圍軸對(duì)稱聲電耦合波: (Ⅱ) 聲電效應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)值模擬. 測(cè)井技術(shù)，24(1) :3-13.

胡恒山，劉家琦，王洪濱等．2003. 基于簡(jiǎn)化的Pride理論聲電效應(yīng)測(cè)井響應(yīng). 地球物理學(xué)報(bào)，46(2):259-264

劉洪. 1994. 利用天然電磁場(chǎng)高分辨率探測(cè)地下油氣水的可能性. 地球物理學(xué)報(bào)， 37(6) :828-835.

劉洪，李幼銘. 1994. 對(duì)利用震電效應(yīng)勘探油氣水的幾點(diǎn)看法.石油物探，33(2):94-101.

石昆法. 2001. 震電效應(yīng)原理和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 地球物理學(xué)報(bào)，44(5):720-728.

王軍， 胡恒山，徐小蓉等. 2010. 基于動(dòng)電效應(yīng)的巖心滲透率實(shí)驗(yàn)測(cè)量. 地球物理學(xué)報(bào)，53(8): 1953-1960.

王軍， 胡恒山，楊光等. 2011. 低頻交變壓差作用下巖心流動(dòng)電流和zeta電勢(shì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量. 地球物理學(xué)報(bào)，54 (8): 2169-2176.

王軍，關(guān)威，胡恒山，Zhenya Zhu. 2015. 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究Ⅱ:伴隨動(dòng)電場(chǎng)和界面輻射場(chǎng).地球物理學(xué)報(bào)，已錄用.

嚴(yán)洪瑞， 劉洪， 李幼銘等. 1999. 震電勘探方法在大慶油田的實(shí)驗(yàn)研究. 地球物理學(xué)報(bào)，42(2) :257-267.

(本文編輯 胡素芳)

Electrokinetic experimental studies in borehole model Ⅰ：the evaluation of rock permeability

WANG Jun1， LI Hui2， HU Heng-Shan1*， GUAN Wei1， ZHENG Xiao-Bo1

1DepartmentofAstronauticsandMechanics，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China2SchoolofCivilEgnineering，HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China

In this paper，an experimental system is built based on the electrokinetic theory in the lab, then the electrokinetic experiments are carried out in two sandstone models with seismoelectric well logging technique. The two boreholes have different parameters, such as formation wave velocity, permeability and so on. The localized electric fields that accompany compressional wave, shear wave and stoneley wave are observed and recorded in these two models with the monopole source. The amplitude of each wave is given in our experimental conditions and stored by the data acquisition card. The electrokinetic coupling ability of these waves is also analyzed from the ratio of the electrokinetic signal to wave pressure. The experimental results show that the electrokinetic effect is closely related to the permeability of porous medium, and the amplitude of electrokinetic signal is proportional to the formation permeability, it becomes larger in the higher permeability model, which can be used to measure formation permeability in the field exploration . This work verifies the feasibility of seismoelectric well logging, and also points out that seismoelectric logging signals are more sensitive to the formation permeability compared with the signals obtained from acoustic logging.

Electrokinetic effect； Well logging； Permeability

10.6038/cjg20151035.

Wang J, Li H, Hu H S, et al. 2015. Electrokinetic experimental studies in borehole model Ⅰ：the evaluation of rock permeability.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(10):3855-3863,doi:10.6038/cjg20151035.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41304091、11372091、41204092)，國(guó)家54批博士后基金(2013M541357)，黑龍江省留學(xué)歸國(guó)科學(xué)基金(LC201420)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(HIT.NSRIF.2014028)資助.

王軍,男,1982年生，講師，主要從事巖石物理實(shí)驗(yàn)和聲波/動(dòng)電測(cè)井研究.E-mail:wangjun2012@hit.edu.com

*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(cè)井研究.E-mail:hhs@hit.edu.com

10.6038/cjg20151035

P631

2015-01-15，2015-07-08收修定稿

王軍，李惠，胡恒山等. 2015. 動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究Ⅰ:滲透率的評(píng)價(jià).地球物理學(xué)報(bào)，58(10):3855-3863,