臧德福 張福明 毛 彤 沈建國(guó)

(1.中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司 山東 東營(yíng) 257096；2.中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井公司 北京 100101；3.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院功率超聲實(shí)驗(yàn)室 天津 300072)

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·試驗(yàn)研究·

瞬變電磁測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究

臧德福1張福明1毛 彤2沈建國(guó)3

(1.中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司 山東 東營(yíng) 257096；2.中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井公司 北京 100101；3.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院功率超聲實(shí)驗(yàn)室 天津 300072)

文章給出瞬變電磁測(cè)井原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。用外徑為113 mm、壁厚6 mm、長(zhǎng)1 m的有機(jī)玻璃管模擬裸眼井井眼、用外徑350 mm、壁厚10 mm的粗有機(jī)玻璃管模擬地層，粗有機(jī)玻璃內(nèi)放置鹽水模擬地層的電阻率，用長(zhǎng)1 m的5.5 in(1 in=25.4 mm)套管制作套管模型井，同樣，用直徑300 mm、壁厚10 mm的粗有機(jī)玻璃管模擬地層。自制發(fā)射和接收線圈，用間距150 ms的方波激發(fā)，測(cè)量不同源距的接收波形，獲得了瞬變電磁響應(yīng)隨源距的衰減規(guī)律。改變鹽水的電阻率重新測(cè)量，用不同地層電阻率的響應(yīng)相減抵消瞬變電磁激發(fā)響應(yīng)的一次場(chǎng)，獲得了直接反映地層電阻率的二次場(chǎng)響應(yīng)波形。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：理論計(jì)算的二次場(chǎng)響應(yīng)波形特征與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，即裸眼井的二次場(chǎng)在瞬變激發(fā)的兩側(cè)(通斷前后)均有極值，而且符號(hào)相反；套管井的二次場(chǎng)僅僅在一側(cè)有極值。但是，由于激發(fā)電路衰減常數(shù)的影響，實(shí)際測(cè)量的二次場(chǎng)波形在電流突變一側(cè)的幅度大，在指數(shù)衰減一側(cè)的幅度小。裸眼井的二次場(chǎng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于套管井的二次場(chǎng)幅度，套管井地層電阻率測(cè)量的原始信號(hào)很小。

瞬變電磁測(cè)井；實(shí)驗(yàn)；模型井；二次場(chǎng)；衰減規(guī)律

0 前 言

瞬變電磁測(cè)井原理研究給出了瞬變激發(fā)的一次場(chǎng)和二次場(chǎng)響應(yīng)波形。這些波形特征為我們理解瞬變電磁測(cè)井原理、設(shè)計(jì)瞬變電磁測(cè)井儀器提供了重要的理論基礎(chǔ)[1～4]。理論研究建立在理想的瞬變激發(fā)基礎(chǔ)上，認(rèn)為突變是在瞬間完成的，不考慮瞬變激發(fā)的衰減過程，因此，理論響應(yīng)是理想的，是儀器設(shè)計(jì)努力的方向。

實(shí)驗(yàn)同樣是重要的，實(shí)驗(yàn)不但能夠驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，還能夠給出儀器實(shí)現(xiàn)與理論之間的差別，展現(xiàn)儀器設(shè)計(jì)面臨的具體困難。對(duì)瞬變電磁測(cè)井來講：用大電流的通斷激發(fā)瞬變電磁場(chǎng)，最有效地激發(fā)只能夠在大電流通或斷的瞬間完成，當(dāng)通斷結(jié)束以后，電路響應(yīng)以一階電路的指數(shù)衰減規(guī)律出現(xiàn)，該指數(shù)衰減導(dǎo)致其一次場(chǎng)緩慢變化，其產(chǎn)生的二次場(chǎng)幅度非常小，很難測(cè)量。這一點(diǎn)與瞬變電磁套管井套管厚度測(cè)量有根本區(qū)別。套管厚度測(cè)量采用的是一次場(chǎng)響應(yīng)，測(cè)量的是指數(shù)衰減過程中所包含的套管信息。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為瞬變電磁測(cè)井原理研究模型井。中間的有機(jī)玻璃管或鋼套管是空的，有機(jī)玻璃管和鋼套管外面充滿鹽水，模擬不同地層的電阻率。發(fā)射線圈和接收線圈分別固定在一個(gè)塑料管子上，能夠沿z軸上下移動(dòng)或者固定在z軸上，有多個(gè)不同參數(shù)的線圈用于接收瞬變電磁信號(hào)。其中：發(fā)射線圈長(zhǎng)15 cm位于最下面，直流電阻42.8 Ω；近測(cè)量線圈長(zhǎng)15 cm，直流電阻1.9 Ω；遠(yuǎn)接收線圈長(zhǎng)15 cm，直流電阻2.1 Ω。水深92 cm，水的電阻率7.68 Ω·m。

實(shí)驗(yàn)采用的電路如圖2所示，G1、G2、G3、G4分別是兩對(duì)對(duì)管(參數(shù)相近的兩組三極管)，G1和G4同時(shí)導(dǎo)通，線圈中的電流從左向右流動(dòng)，稱為正向?qū)?；G2和G3同時(shí)導(dǎo)通，線圈中的電流從右到左流動(dòng)，稱為反向?qū)?，Rs是發(fā)射線圈的串聯(lián)等效電阻，L是等效電感，R是并聯(lián)電阻。

實(shí)驗(yàn)過程分三步。第一步：測(cè)量裸眼井、套管井響應(yīng)波形形狀。第二步：固定發(fā)射探頭，移動(dòng)接收探頭，測(cè)量響應(yīng)波形隨源距的衰減規(guī)律。第三步：固定發(fā)射和接收探頭，改變鹽水的電阻率測(cè)量不同地層電阻率的響應(yīng)波形。

圖1 瞬變電磁測(cè)井原理研究模型井

圖2 實(shí)驗(yàn)用激發(fā)電路示意圖

2 裸眼井、套管井實(shí)驗(yàn)波形

圖3所示是在裸眼模型井(有機(jī)玻璃)測(cè)量的原始波形，圖中有兩個(gè)波形，分別是兩個(gè)源距不同(0.15 m、0.3 m)的線圈同時(shí)測(cè)量到的，是瞬變電磁激發(fā)時(shí)在接收線圈所感應(yīng)的波形。兩個(gè)波形的幅度有差異，但是形狀相似。從左邊開始向下有兩個(gè)峰值，幅度差別不大，第三個(gè)峰向上、幅度最大，接著出現(xiàn)一個(gè)小的正峰，這四個(gè)峰值構(gòu)成一個(gè)周期，其它波形以該周期重復(fù)。四個(gè)峰值依次對(duì)應(yīng)的激發(fā)波形為：反向截止、正向?qū)?、正向截止和反向?qū)āＦ渲?，正向截止感?yīng)的信號(hào)最強(qiáng)，反向?qū)ǜ袘?yīng)的信號(hào)小于正向?qū)ǖ母袘?yīng)信號(hào)，所以，反向截止的感應(yīng)信號(hào)小于正向截止的感應(yīng)信號(hào)。

從波形上還可以看出：正向和反向?qū)〞r(shí)，感應(yīng)信號(hào)隨時(shí)間衰減的比較慢；正向和反向截止時(shí)，感應(yīng)信號(hào)衰減的比較快。這是因?yàn)?，?dǎo)通時(shí)，發(fā)射線圈L與其串聯(lián)等效電阻Rs的瞬態(tài)響應(yīng)決定了響應(yīng)波形形狀；關(guān)斷以后，發(fā)射線圈L中儲(chǔ)存的電能量通過Rs和R放電，其時(shí)間常數(shù)比較小。即關(guān)斷瞬間，來自三極管G1的電流減小，由于電感上的電流不能夠突變，為了保證電感電流保持不變，電阻R上必然有電流向左流動(dòng)，以便滿足基爾霍夫電流定律。這樣，電阻R上會(huì)產(chǎn)生電壓，左負(fù)右正，該電壓加到電感線圈上使線圈的電流快速減小，在此過程中，向地層輻射電能量。

圖3 裸眼模型井兩個(gè)不同源距的響應(yīng)波形

圖4是套管模型井中的激發(fā)波形(最上面的線)和三個(gè)不同源距的線圈所接收到的響應(yīng)波形。從激發(fā)波形上可以看出：第一個(gè)突變位置(最左端)為正向?qū)?，第二個(gè)位置(128 ms位置)為正向截止，第三個(gè)位置(248 ms位置)為反向?qū)ǎ鋵?dǎo)通電壓比較低，第四個(gè)位置(365 ms位置)為反向截止，之后激發(fā)電壓回到0的位置。圖中三個(gè)不同源距線圈的響應(yīng)波形的形狀差異很大，第二通道的曲線的源距為0.15 m，第三通道的曲線的源距為0.30 m，第四通道的曲線為0.45 m，隨著源距的增加，響應(yīng)的極大值位置向右移動(dòng)，極大值前面的曲線上升變緩慢。該結(jié)果提示我們，套管井內(nèi)，在現(xiàn)有的激發(fā)方式和電路中，不同源距的接收波形形狀差異明顯，接收波形形狀隨源距改變，這是金屬套管高電導(dǎo)率和高磁導(dǎo)率對(duì)瞬變電磁屏蔽作用的具體表現(xiàn)。

圖4 套管模型井的實(shí)驗(yàn)波形

3 不同源距的實(shí)驗(yàn)波形

其它條件不變，僅僅改變?cè)淳鄿y(cè)量其中一個(gè)線圈的響應(yīng)波形得到圖5所示的波形。圖中不同源距的波形繪制時(shí)人為地向上移動(dòng)了一定距離，源距的變化范圍是15 cm～60 cm，最下面的黑線是最近源距的接收線圈所接收到的波形，測(cè)量過程中保持不變；其它黑線是另外一個(gè)線圈在源距逐漸增加時(shí)所測(cè)量到的響應(yīng)波形。從圖中可以看到：隨著源距的增加，整個(gè)波形的幅度在減小，峰值的最大值向后慢慢移動(dòng)。

我們將響應(yīng)波形中第一個(gè)極大峰值取出，并按照源距進(jìn)行指數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)：其幅度隨源距的變化規(guī)律滿足指數(shù)規(guī)律，如圖6、圖7所示。裸眼井的幅度比較大，也滿足指數(shù)規(guī)律。該結(jié)論與理論計(jì)算結(jié)果吻合，圖8是理論計(jì)算的套管井響應(yīng)最大值隨源距的變化規(guī)律，在半對(duì)數(shù)刻度下是一條直線。

4 不同地層電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)波形

在有機(jī)玻璃模型井內(nèi)固定發(fā)射、接收探頭之間的距離，改變鹽水的電導(dǎo)率，模擬不同地層電導(dǎo)率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，

圖5 不同源距所接收到的響應(yīng)波形

圖6 鋼套管模型井響應(yīng)幅度隨源距的衰減規(guī)律

圖7 玻璃鋼模型井響應(yīng)幅度隨源距的衰減規(guī)律

圖9(a)是實(shí)際記錄的一組波形，不同地層電導(dǎo)率的響應(yīng)基本上是重合的。在響應(yīng)中，開始位置響應(yīng)是突變的，即變化很快，到達(dá)極大值之后開始按照指數(shù)規(guī)律下降，下降的速度比較慢。將不同地層電導(dǎo)率的響應(yīng)相減得到圖9(b)，在475 ms位置，響應(yīng)差有極小值，之后接著出現(xiàn)極大值，極大值與極小值的數(shù)值差別明顯。圖10是裸眼井的理論響應(yīng)波形，其中，虛線是地層的電導(dǎo)率為0.05 S/m時(shí)0 m源距的響應(yīng)波形，實(shí)線是電導(dǎo)率為0.05 S/m的響應(yīng)減去電導(dǎo)率為2 S/m的響應(yīng)差。虛線在瞬變激發(fā)位置(300 ms)的兩邊是對(duì)稱的，相應(yīng)地，實(shí)線在瞬變激發(fā)位置(300 ms)兩邊分別出現(xiàn)極小值和極大值。這些現(xiàn)象滿足電磁感應(yīng)原理：瞬變電磁激發(fā)的二次場(chǎng)是一次場(chǎng)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。瞬變電磁測(cè)井響應(yīng)(虛線)主要由一次場(chǎng)決定，響應(yīng)差接近二次場(chǎng)。

圖8 套管井響應(yīng)最大值隨源距的變化規(guī)律(理論計(jì)算)

圖9(a)的瞬變電磁測(cè)井響應(yīng)和圖9(b)的響應(yīng)差滿足電磁感應(yīng)原理。響應(yīng)(主要是一次場(chǎng))在突變位置不對(duì)稱(開始一邊快速變化，結(jié)束一邊按照指數(shù)規(guī)律慢速變化)，相應(yīng)地，其對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)(響應(yīng)相減以后得到的二次場(chǎng))也是一邊有極小值，絕對(duì)值比較大，一邊有極大值，數(shù)值比較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果所展現(xiàn)出來的規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。但是，理論與實(shí)驗(yàn)之間的差異也很明顯。該差異主要來自實(shí)驗(yàn)電路本身。圖11是考慮了激發(fā)波形的衰減過程以后的響應(yīng)波形。圖中用指數(shù)函數(shù)e-pt模擬瞬變激發(fā)的衰減過程，p值的不同代表衰減系數(shù)的不同。從圖可以看到：p=0.4的響應(yīng)基本上是兩邊對(duì)稱的，p=0.04的響應(yīng)開始出現(xiàn)不對(duì)稱，p=0.01的響應(yīng)的不對(duì)稱加劇，p=0.004的響應(yīng)已經(jīng)完全不對(duì)稱。圖9(a)的響應(yīng)形狀與p=0.01的響應(yīng)相似。注意：為了對(duì)比激發(fā)波形的衰減過程，圖11中有四個(gè)瞬變激發(fā)位置(0 ms，300 ms，900 ms和1 200 ms)，我們僅僅將300 ms和1 200 ms位置的瞬變激發(fā)增加了指數(shù)衰減過程，其它兩個(gè)位置沒有考慮激發(fā)波形的衰減過程，因此，在0 ms位置，四種衰減系數(shù)的響應(yīng)是重合的，在900 ms位置，除了p=0.04的響應(yīng)受沒有歸零的影響外，其它響應(yīng)線基本上是重合的。

圖9 裸眼模型井(有機(jī)玻璃模型井)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 裸眼井的理論響應(yīng)波形 圖11 考慮激發(fā)波形衰減的響應(yīng)波形

圖12是套管模型井的瞬變電磁響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形。同樣，不同地層電導(dǎo)率的響應(yīng)曲線完全重合，根本看不出其差別。將不同地層電導(dǎo)率的響應(yīng)相減得到圖中的兩條線，由于響應(yīng)差的幅度很小，其中干擾比較嚴(yán)重，毛刺比較多。我們從響應(yīng)差的總體趨勢(shì)看，其特征與圖13的理論計(jì)算結(jié)果是一致的。圖13中虛線為源距為0 m(左,虛線除以109)，地層電導(dǎo)率為1 S/m的響應(yīng)，實(shí)線為虛線所示響應(yīng)減去地層電導(dǎo)率為10 S/m的響應(yīng)差。首先，理論計(jì)算結(jié)果的二次場(chǎng)(實(shí)線)在響應(yīng)(虛線)的后面(右邊)只有一個(gè)峰，在虛線的前面(左邊)沒有負(fù)峰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：在響應(yīng)突變位置0 ms處，響應(yīng)差沒有明顯的負(fù)峰，在之后的指數(shù)衰減過程中，p=0.04的響應(yīng)曲線(淺灰小毛刺)和p=0.01的響應(yīng)曲線(深灰大毛刺)出現(xiàn)一個(gè)峰，位于響應(yīng)(黑實(shí)線)峰的后面，這些現(xiàn)象與理論結(jié)果吻合。

圖12 套管模型井的瞬變激發(fā)實(shí)驗(yàn)波形 圖13 套管模型井的理論響應(yīng)波形

5 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)瞬變電磁測(cè)井的理論響應(yīng)波形有了一個(gè)更加全面的認(rèn)識(shí)：瞬變電磁測(cè)井響應(yīng)滿足電磁感應(yīng)原理，二次場(chǎng)是一次場(chǎng)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。二次場(chǎng)響應(yīng)的幅度比較小，套管井的二次場(chǎng)響應(yīng)幅度更小。在理論響應(yīng)波形中，如果不考慮電路對(duì)響應(yīng)的影響，裸眼井的二次場(chǎng)響應(yīng)在突變位置兩側(cè)有正、負(fù)兩個(gè)峰，而套管井因?yàn)樘坠艿钠帘危挥泻竺?右側(cè))的一個(gè)峰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了上述結(jié)論：裸眼井有正負(fù)兩個(gè)峰，套管井只有一個(gè)峰。但同時(shí)展現(xiàn)了電路對(duì)響應(yīng)的重要影響：發(fā)射線圈內(nèi)的電流關(guān)斷前、后瞬變電磁響應(yīng)嚴(yán)重不對(duì)稱。這樣，實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的二次場(chǎng)響應(yīng)的正、負(fù)兩個(gè)峰的幅度和寬度均差異比較大。電路關(guān)斷瞬間，電流突變，發(fā)射線圈上感應(yīng)電壓很高，激發(fā)出瞬變電磁場(chǎng)，向地層輻射瞬變電能量。關(guān)斷完成后，線圈中儲(chǔ)存的電能量通過電阻回路放電(放電過程與發(fā)射線圈的電路參數(shù)有關(guān))，因?yàn)榉烹娺^程比較慢，其對(duì)應(yīng)的二次場(chǎng)幅度很小。

在計(jì)算理論響應(yīng)時(shí)，通常不考慮該放電過程所得到的結(jié)論是比較理想的，主要刻畫瞬變電磁響應(yīng)的物理過程。實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)殡娐返臅r(shí)間常數(shù)受多種因素影響，而且每種影響因素之間又相互制約，不能夠達(dá)到理想的情況，所以，其響應(yīng)會(huì)在客觀反映物理過程的同時(shí)，還表現(xiàn)出電路參數(shù)的影響。

[1] 張庚驥.電法測(cè)井[M].北京:石油工業(yè)出版社,1984.

[2] 戈 革,謝振全.宏觀電磁場(chǎng)論[M].北京:石油工業(yè)出版社，1980.

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[4] [蘇] J.A.別索諾夫.陳偉鑫,沈麗英,譯.電工理論基礎(chǔ)(下冊(cè))——非線性電路與電磁場(chǎng)[M].北京:高等教育出版社,1986.

石油管材專標(biāo)委擬舉辦石油管重點(diǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)宣貫會(huì)

為加大標(biāo)準(zhǔn)宣貫和實(shí)施的力度，幫助用戶更準(zhǔn)確地理解和使用標(biāo)準(zhǔn)，石油管材專標(biāo)委計(jì)劃于2015年5月28～29日在蘇州舉辦非金屬及復(fù)合管重點(diǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)宣貫會(huì)和油井管重點(diǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)宣貫會(huì)，分別對(duì)非金屬及復(fù)合管專業(yè)6項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和油井管專業(yè)8項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行宣貫，屆時(shí)還將進(jìn)行相關(guān)的專題講座。歡迎從事石油管科研、生產(chǎn)、采購(gòu)、檢驗(yàn)、使用、管理和維護(hù)等工作的單位和個(gè)人踴躍參加。

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The Experimental Study on Transient Electromagnetic Logging

ZANG Defu1ZHANG Fuming1MAO Tong2SHEN Jianguo3

(1.LoggingCompanyofShengliPetroleumEngineeringCo.LTD.,Sinopec,Dongying,Shandong257096,China;2.CNPCGreatwallDrillingCompany,Beijing100101,China；3.PowerSonicLabofTianjinUniversity,Tianjin300072,China)

This paper presents experimental verification of transient electromagnetic logging principles.We use a plexiglass tube with an outside diameter of 113mm, wall thickness of 6mm, length 1m to simulates openhole borehole, and a plexiglass tube with an outside diameter of 350mm, wall thickness of 10mm thick to simulate formation, and use a one meter long of 5.5 inches casing pipe to simulate cased well.Homemade transmitter and receiver coils are motivated by a spacing of 150ms square wave.While measuring the received waveform of various source , the transient electromagnetic response attenuation law with source distance is accessed.Changing brine resistivity and measuring again with the response subtract of different formation resistivities offseting the first response field stimulated by transient electromagnetic, and obtain the secondary field response waveform which is a direct reflection of formation resistivity.It was found that: secondary field response waveform characteristics consistent with theoretical calculations and experimental results that borehole secondary field in the transient excited sides (on-off front and rear) both have extreme values, but opposite in sign; only one side of the cased well secondary field has extreme value.However, due to the decay constant of excitation circuit, the secondary field waveform magnitude is actually measured large in the current mutation side and small in exponentially decaying side.Borehole’s secondary field amplitude is much larger than the cased well’s secondary field amplitude.The original signal is small in measuring cased well formation resistivity.

transient electromagnetic logging, experiment, model well, secondary field, attenuation law

臧德福，男，1968年生，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于西北大學(xué)理論物理專業(yè)，現(xiàn)在中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司工作。E-mail:shenjianguo@tju.edu.cn

P631.8+11

A

2096-0077(2015)02-0021-05

2015-01-21 編輯：屈憶欣)