动电效应测井研究现状和展望

金 鼎,孙宝佃,胡恒山,关 威

(1.中国石油天然气集团公司科技管理部,北京100007;2.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710021; 3.哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001)

动电效应测井研究现状和展望

金 鼎1,孙宝佃2,胡恒山3,关 威3

(1.中国石油天然气集团公司科技管理部,北京100007;2.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710021; 3.哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001)

在实验室内利用动电效应测量了水饱和岩样的流动电势系数和电渗压力系数,由这些实验系数可计算出渗透率,其值与利用达西定律测量的气渗透率差异很小,不仅说明岩石动电效应可以定量表征,而且可用于测量渗透率;在小型孔隙地层模型井中,观测到了声波诱导的电磁场,也观测到当电偶极子激发瞬变电磁场时诱导的声场;基于声波-电磁耦合方程组,模拟了声诱导电磁场测井响应的全波列和电诱导声场的测井全波列,利用理论波形可对模型井观测现象中的主要部分进行解释。

测井;动电效应;渗透率;震电;电磁场;全波列

0 引 言

自1939年前苏联科学家发现岩石的动电效应以来,国际地球物理学界就一直关注这种效应在石油勘探方面的应用潜力。1990年,前苏联提出了动电效应测井的现场实验方案。近20年来,国际上一些著名研究机构开展了动电效应测井研究,我国也进行了持续10年的理论与实验研究,取得了较大进展。本文就动电效应测井的研究现状和前景进行介绍和分析。

1 动电效应测井的提出及其物理基础

1.1 定常和时变动电效应

动电效应是物理化学中的1个与界面双电层相关联的基本概念。双电层(electric double layer)常见于固体-流体界面[1](见图1)。在含泥质的砂岩中,地层孔隙水一般是含氯化钠等物质的电解质溶液,黏土颗粒表面带负电吸附溶液中的阳离子,形成一个富集阳离子的吸附层。吸附层外阳离子的浓度随离黏土表面的距离增大而减小,呈扩散分布称为扩散层。吸附层与扩散层一起,构成双电层。吸附层很薄,只有nm量级的厚度,吸附层的离子只随颗粒运动。扩散层的厚度与孔隙流体的离子浓度有关,一般远大于吸附层。扩散层离子容易在电场力作用下移动,也可伴随流体运动而移动。

图1 双电层模型示意图

与晶体的压电效应不同,岩石的动电效应是与双电层结构[1-2]、溶液中离子浓度分布、孔隙连通性和渗透性有关的力学-电磁学耦合效应。当孔隙岩石中存在压强差时,包括扩散层在内的孔隙流体会向压强小的一端流动,因扩散层含阳离子,就形成了对流电流,使压强低的一端出现阳离子累积,压强高的一端阴离子累积,使两端出现电势差,即所谓的流动电势。在流动电势的作用下,孔隙内出现电场,指向压强高的一端,在该电场作用下,孔隙流体中形成传导电流,它降低两端累积的净剩离子量。传导电流与对流电流方向相反,当二者大小相等时,达到动态平衡,流动电势不再增加或减小。可见,在一定的压强差作用下,流动电势是确定的。与上述过程相反,对岩样两端施加电压,在产生传导电流的同时,将由于离子拽动流体形成渗流。当渗流受到阻碍时,负极的压强就会高于正极的压强,形成压强差,压差又驱动流体反向运移,动态平衡时的压强差称为电渗压力。流动电势现象和电渗现象都是电化学领域熟知的动电现象。通常,这些现象随时间变化缓慢,可认为是定常或直流动电效应[3-5]。

尽管定常动电现象早就为人们所熟知,但与地震波相关联的交变或瞬变动电效应则1939年才发现。前苏联勘探地球物理学家 Ivanov发现了孔隙地层中伴随地震波出现的电磁场[6]。为解释Ivanov发现的现象,Frenkel[7]建立了孔隙介质弹性动力学模型,论证了渗透性孔隙介质中弹性波诱导电磁场的现象是瞬态压强差作用下的岩石动电效应,阐明了动电效应是地震波引起电磁场的机理之一。

进入20世纪90年代,关于动电效应的理论研究取得了突破性进展。1994年,Pride[10]推导出了流体饱和孔隙介质的弹性波-电磁耦合方程组,它是关于孔隙介质弹性波的Biot方程组[11-12]与关于电磁场的Maxell方程组的耦合,其中体现耦合能力的系数称为动电耦合系数,它是随频率变化的。随后, Pride和 Haartsen[13]分析了均匀孔隙介质中耦合地震-电磁波的体波特性,从理论上说明了存在2种诱导电磁场,一种伴随地震波出现;另一种脱离地震波以电磁波速度传播。Pride理论的建立为解释动电效应的实验现象和数据提供了理论框架。

1.2 动电测井

相比于在地面激发和接收波场的震电勘探方法,动电效应测井的特点是从激发源到勘探目的层位的距离小,从目的层位到接收器的距离也小,而且采用千赫兹级频率可使分辨率提高。1990年,前苏联在1口113 m深的井中进行了电声转换测井的试验[16]。井下仪器的核心部分是电偶极子和位于电偶极子中间的2个声波接收器,其中一个接收纵波;另一个接收横波(见图2)。测量时,大功率信号发生器从地面(通过电缆)向井下发送电脉冲,电偶极子发出振幅为800 V、频率1.25 Hz的正弦波,由于动电耦合,电磁场在地层中激发声波,被井中声波换能器接收并传送到地面。

瞬变电磁场可诱导声信号,反过来,声波也可以诱导电磁场。当声波换能器在井中发射声波时,在地层中将由于动电效应产生电磁信号传播至井内,可用线圈或电极接收到,实现声电转换测井。麻省理工学院地球资源实验室的朱正亚[15]进行了一系列室内实验,不过,他们将其称为震电测井(seismoelectric logging)。

上述的电声转换测井、声电转换测井和震电测井都是利用岩石动电效应的测井方法。为真实地反映这一测井技术的物理机理,建议称为动电效应测井或简称为动电测井。

图2 动电测井示意图

由于对声电波场在实际测井环境下的传播和衰减特性及其与各种岩石物理参数之间的内在联系缺乏足够的认识,目前还不能有效地利用动电测井数据获得地层的各种信息。

2 岩石动电实验与动电渗透率

孔隙介质中动电耦合的强弱,可以通过动电耦合系数反映出来。虽然已经有动电耦合系数的计算公式,但是这些公式包含着必须通过实验才能确定的参数。比如,在Pride理论中,动电耦合系数表达式含有zeta势,是必须通过实验确定的量。Wong领导的研究小组提出了一种独特的实验方法[5,17],通过测量流动电势系数和电渗压力系数,不仅可以实现动电耦合系数测量,还可以实现渗透率测量。在国内,蒋永刚等[18]和王军等[19]也先后开展了岩石动电实验的研究工作。

岩石动电实验的基本原理如图3所示[19],包括流动电势和电渗实验2部分。流动电势实验中,岩样每一端直接与一流体腔相连。给一端流体腔施加一个压力作用使岩心两端形成压强差,流体腔内溶液在压强差作用下流过岩心样品,由于岩心内部双电层效应的影响,扩散层中净剩正电荷会伴随溶液一起向压强低的一端运移,并在这一端累积。正电荷的定向运移会在溶液中形成对流电流(亦称为流动电流),并使岩心两端产生电位差,称之为流动电势。而压强高的一端,随着净剩正电荷的减少,使得负电荷占据优势。于是,就在岩心样品中形成一个电场,并产生与溶液流动方向相反的传导电流。当系统平衡后,2种电流相互抵消,总电流为0 A[见图3(a)]。电渗实验中,两端的流体腔均密封,当电流通过岩心时,会在岩心两端形成电位差,同时饱和岩心内部的水分子会伴随电流一起流动,形成电渗液流,由于整个装置密闭,腔内流体不能流出,这样就会使液流流入的一端溶液受压缩,流出的一端溶液膨胀,从而在岩心两端形成压强差。在压强差的作用下又将产生回流液流,当系统达到平衡后,2种液流相互抵消,总液流为0 A[见图3(b)]。

图3 动电实验中液流和电流示意图

3 模型井动电测井实验

麻省理工学院的朱正亚等人自1994年至今,连续报道了他们开展模型井动电测井实验的研究成果[15,21-22]。他们在小型模型井中实验观测到了声电测井信号、电声测井信号,并考察了不同类型地层中转换波场的特性,以及井外地层裂缝对波场的影响。

国内的学者也注意到国外震电勘探和声电效应测井的研究动向[23-24],并陆续开展了相关的实验研究。石昆法[25]的实验室岩石震电实验表明,砂体中观测到的震电信号比在含泥砂体中的震电信号强,含油砂体的震电信号比含水砂体信号强。胡恒山等[26]利用江汉油田全直径岩心制作模型井,进行了声电和电声转换实验。陈本池等[27]和张元中等[28]也先后采用模型井进行了动电效应的实验观测。

小模型井实验采用几何相似模型,井孔直径约为实际井孔直径的1/10,为有效地激发声测井中的各个分波,将声源的频率提高到实际测井频率的10倍。由于动电耦合系数是频率的函数,频率越高,动电耦合系数越小。因此,小模型井实验方法不能定量预测动电测井信号的强弱。

4 动电测井波场模拟

采用Pride动电耦合波控制方程组,利用井孔边界条件,可以模拟动电效应测井。胡恒山和王克协[29-30]通过引入势函数,推导了地层中声-电磁耦合条件下声电测井的波场计算公式,给出了声电测井模拟结果[31]。麻省理工学院的 M ikhailov等[32]采用简化算法,在准静态电磁场条件下,采用 Tang的低频井孔斯通利波近似公式[33],模拟计算了低频斯通利波的伴随电磁场。胡恒山采用准静态电磁场近似,先在解耦条件下独立求解孔隙介质声波全波,再求解声波诱导的电磁场,获得了与求解声-电磁完全耦合方程组一致的波场解答[34]。

国内外学者也陆续开展了动电测井波场的模拟研究,其中包括多极声电测井[35-36]、井中偏心声源激发的声电测井[37]、SH波诱导的声电测井[38]、交变电流源激发的电声测井[39]、随钻声电测井模拟[40]等以及声电测井和电声测井的有限差分模拟[41-42]。俄罗斯学者Plyushchenkov和 Turchaninov[43]也采用引入势函数的方法求解 Pride方程组,计算了声电测井波场。

5 动电效应测井的展望

动电效应测井的目的在于利用岩石动电效应确定或近似求出地层的参数。国际上动电测井概念提出的时间不长,但已经取得了可喜的进展。

(1)在实验室内利用动电效应测量了水饱和岩样的流动电势系数和电渗压力系数,由这些实验系数可计算出渗透率,其值与利用达西定律测量的气渗透率差异很小,从而说明岩石动电效应可以定量表征,可用于测量渗透率;

(2)在小型孔隙地层模型井中,观测到了声波诱导的电磁场,也观测到当电偶极子激发瞬变电磁场时诱导的声场;

(3)基于声波-电磁耦合方程组,模拟了声诱导电磁场测井响应的全波列和电诱导声场的测井全波列,利用理论波形可对模型井观测现象中的主要部分进行解释。

在此基础上,进一步开展动电效应测井研究,需要回答下列问题:由测井响应可获得哪些地层参数?动电效应测井应采用什么频率,转换信号有多大?能否利用现代电子技术有效地检测,通过对动电测井信号的处理能否获得常规测井技术不能获得的重要地层参数。只有在上述问题的研究获得重要的进展后,才能开展动电测井仪器研制,使之成为一项实用技术。

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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,硕士,高级工程师,从事测井科研管理工作。

2010-05-10 本文编辑 王 环)