电磁波测井最新进展：介电扫描仪

冉利民，刘四新，雷林林，李健伟

（1.中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074；2.中石化华北石油工程有限公司测井公司，河南 郑州 450006；3.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026）

0 引 言

电磁波测井（也称为介电测井）于20世纪70年代产生，目标是区分仅用电阻率测井难以区分的淡水和石油，可同时测量井眼周围地层电导率和介电常数。一般条件下，水的介电常数至少比石油或岩石骨架高出一阶，因此有效的地层介电常数测量对地层水含量非常敏感，与地层总孔隙度相结合，有可能直接确定含水饱和度，避免了用阿尔奇公式及电阻率测量时必需的胶结指数和饱和度指数。电磁波测井具体可以解决2方面问题，①低电阻率对比度油层识别的问题，这是一种油层和水层同为低电阻率或高电阻率的情况；②油田开发过程中水淹层评价，开发过程中注水的电阻率是不一定的。另外，电磁波测井受地层水矿化度影响较小，不受井中泥浆和套管绝缘性影响，可在油基泥浆和玻璃钢套管井环境中判断油气水［1］。

开展电磁波测井研究较早的是苏联，有关介电测井的工作是B.H.达赫诺夫开始的。后来，莫斯科地质学院、苏联科学院西伯利亚分院地质和地球物理研究所等一些单位在高频测井领域进行了大量工作，在井内顺利进行了试验工作，高频测井开始应用于生产。由此，形成了利用几百千赫到几十兆赫频率电磁波测量井内岩石介电常数和电导率的方法。斯伦贝谢公司20世纪70年代研制电磁波传播测井仪（EPT）［2］并很快推向生产，其操作频率为1.1 GHz，径向探测深度只有几英寸，能测井壁附近（主要是冲洗带）的介电常数。EPT测量受井眼尺寸、厚度大于0.4 in＊＊ 非法定计量单位，1 ft＝12 in＝0.304 8 m，下同的泥饼和井壁的不规则影响。斯伦贝谢公司还开发了25 MHz的深传播测井仪（DPT）［2－3］，在泥浆电阻率和地层电阻率满足一定条件的井中可测得原状地层的电性参数。泥浆电阻率和地层电阻率两者都对DPT的使用有限制。泥浆和地层电阻率愈低，接收的信号电平愈低；地层电阻率愈低，介电常数测量结果的分辨率愈低。阿特拉斯公司推出的47 MHz和200 MHz的双频电磁波测井仪具有不同的径向探测深度，由于2个频率的差别太大，岩性频散明显，无法组合进行有效的解释工作。斯伦贝谢以及哈里伯顿等公司等还开发了各自用于随钻测量（MWD）的操作频率为2 MHz的电阻率传感器，可对地层进行实时评价。

在中国，电磁波测井的研究和开发始于20世纪60年代［4－7］。原大庆测井公司地球物理研究所与多家单位协作，在电磁波测井方面开展了大量的研究工作，先后研制出多种频率的电磁波测井仪，其中包括测相位差求解地层介电常数的60 MHz的相位介电测井仪，试验了既测相位差又测幅度比的25 MHz的组合介电测井仪，研制成功了相当于斯伦贝谢公司1.1 GHz电磁波测井的电磁波测井仪，试验了用于随钻测井的2 MHz相位差的相位电阻率仪器。

多频电磁波测井能够测量不同深度的介电常数和电导率，该方法受制于环境对仪器的限制、仪器本身精度不够、质量控制不足而没有广泛应用。国内外对多频电磁波测井仪进行了一系列的理论研究和试验。B.R.De等进行了超宽频带电磁波测井的实验研究，给出一些实验室的结果。康国军等［9］进行了多频电磁波测井资料反演方法和井壁成像技术研究，已研制出室内的试验样机。沈金松［10］进行了多频电磁波测井资料反演成像的研究。刘四新等［11－12］在日本研究开发了基于网络分析仪的多频电磁波测井仪，并给出油水层界面以及不同厚度薄层的数值模拟结果和在日本某地的实验结果。该系统采用具有一定带宽的偶极子天线作为发射和接收天线，能够同时测量40～90 MHz范围的介电常数和电导率。本文介绍的斯伦贝谢公司2009年推出的新一代电磁波测井仪器［13－22］能克服上述限制，可更精确地评估丰富的地层岩石物理信息。该仪器提供了一些革命性进步，其一就是1 in垂直分辨率下介电频散的连续测量（地层介电性能的变化作为频率的函数），用多源距天线排布测量MHz到GHz范围内的多频率信号。

1 方法原理

介质介电常数与传播时间及损耗率相关，在电磁波测井中测得的物理量一般是衰减和传播时间（相移）。当前电磁波测井中比较常见的是单频仪器，包括阿特拉斯公司的双频介电测井仪也是由2个单频仪器组成。下面介绍高频代表性仪器EPT和低频代表性仪器DPT测井原理及介电扫描仪相关理论。

1.1 EPT测井原理

求取地层损耗传播时间TP0的前提是测量地层的传播时间TPL和衰减系数。按照实际测井的习惯，定义EATT为能量衰减，单位d B／m。

EPT通过微波发射天线向地层辐射1.1 GHz的单频微波能量，2个不同源距的接收天线（即近接收天线和远接收天线）接收经地层沿井轴方向传来的微波信号。设2个接收天线间的距离为z，则通过对2个接收信号的功率电平分析，可得到衰减EATT；通过对2个接收信号的相位分析，可得到2个接收信号间的相位差φ，进而求得传播时间

1.2 DPT测井原理

DPT测量岩层中电磁波的幅值衰减和相位差，从而推算出介电常数和电阻率，其原理和EPT的原理类似。这2种仪器探测深度和工作频率之间互补。该仪器选用4个接收装置，并确定它们之间的间距，采用25 MHz工作频率，可在泥浆和地层电阻率的限制条件下保证获得足够准确的深探测读数。考虑信号的起源，计算介电常数和电导率的方法有DPT远测量、交叉测量、近测量和深测量。

1.3 介电扫描仪理论

电磁波测井中相速度与频率有关，而EPT及DPT仅测量1个频率，其测井原理都是基于本身1.1 GHz或25 MHz频率，解释不能考虑构造侵入等的影响。介电扫描仪的进步是介电频散连续测量，即将介电性能加入到关于频率的函数中（见图1）。利用不同的阵列间距获得高分辨率测量，每个阵列都有4个频率和2个极化，进行径向解释以获得在每个频率下的介电常数和电导率。

介电扫描仪在每个频率上测量的介电常数和电导率都应用岩石物理模型解释。模型的输出参数为含水孔隙度（如果知道总的孔隙度就知道了水的饱和度）、水矿化度、碳酸盐岩中构造影响或砂泥岩中CEC。同时，合适的介电常数和电导率频散使得含水孔隙度不受地层水矿化度的影响。更进一步，可额外分析出地层水矿化度。对于油基泥浆井，计算出的水矿化度就是地层水矿化度。

图1 介电频散图

介电扫描仪的方法原理与频散密切相关。为此，详述与介电常数相关的频散的原理，并引出其解释方法。

介电常数测量将介质敏感度量化到电场激发，主要有3个物理现象与介电常数有关：原子中电子云的位移、原先存在的微观电偶极子相连接的方向、及界面处的极化效应。这3个机理分别是电子极化（岩石介电常数）、分子取向（水分子）和界面极化（孔隙几何形状和离子）也称为Maxwell－Wagner效应。由外电场的频率决定哪种情况占优势。每种极化经过一定频率（特定弛豫频率）都会消失，该频率是由被讨论的质点的惯性力矩、摩擦和静电力量决定的。图2表示在电磁场激发下每种极化机理所占频域中的长度。

离子的存在，即矿化度大时会大幅度增加界面极化。图3是含饱和水的岩石样本在不同矿化度下介电频散与频率的关系。

干燥后的岩石样本由于仅受电子极化的影响，其在整个频率范围内具有恒定的介电常数。一旦加入水，介电常数就会有很大程度增大。在1 GHz或更高的频率下，介电常数主要反映水的体积，而在频率为100 MHz及以下时，介电常数不仅反映水的体积，也反映与岩石结构相关的界面极化（见图2）。另一方面，1 GHz左右不论岩石中的孔隙是否连通，导电性主要对整个水体积敏感，且较低频率其对连接的水比较敏感，这种情况下达到传统电导率测量结果（感应和侧向）。

图2 极化机理

图3 含饱和水的岩石样本介电频散图

鉴于上述情况，在1 GHz下的响应相对于元素而言主要是体积上的。岩石传播常数、水和油混合物的传播常数可用下式关联

式（3）称为复折射指数模型，CRIM。需要注意的是，在该方程中限制阿尔奇公式中m＝n＝2。在频散中加入结构信息，它是作为高胶结度岩石介电常数增大的斜率，及低胶结度岩石介电常数减少的斜率。当频率降低时，岩石骨架是高胶结且为方形的情况下，电导率下降较快。

最常用的复合法则表达式为

式中，texture可以是连通性的参数，如针对碳酸盐岩等的胶结指数m，泥质砂岩情况下的CEC参数。

2 仪器介绍

2.1 EPT、DPT设计

EPT采用偏心极板装置，天线为狭缝式，自上至下按T1、R1、R2、T2的顺序将4个天线安装在一块推靠极板上，发射与接收之间的距离小，由此构成EPT仪器的天线系统。测量时贴井壁放置，发射天线T1和T2交替发射出1.1 GHz信号到接收天线R1和R2。双发双收井眼补偿工作方式可以在一定程度上消除泥饼厚度变化、极板倾斜和仪器不稳定给测量值带来的影响。

DPT采用一个圆柱形装置，由1个发射器和4个接收器组成。仪器居中放置，发射天线发出25 MHz信号，由2对（远对和近对）接收器接收，记录每对信号衰减和相移。

2.2 介电扫描仪

介电扫描仪是生产上第1次应用多频介电常数分布准确量化剩余油气体积，阿尔奇公式中的指数m、n，及地层的阳离子交换量（CEC）以前只能通过岩心分析或估计得到，现在可利用井场的连续测井得到。介电频散测量构造了近井区的一个精确径向剖面，为进一步解释岩石物性提供了在岩石性质和流体分布的新且独特的信息。

2.2.1 设计原理

对于在低频（几百千赫以下）工作模式的仪器，测量主要受导电性控制。随着频率的增加，介电效应开始出现，然后逐步占据主导地位。这种灵敏度上的改变允许同时评估电导率和介电常数。灵敏度随频率变化可清楚地通过介质的传播常数进行理解

过去有一些从几十MHz到GHz工作的仪器，但由于各种原因都没得到广泛应用。由于岩石结构的影响、黏土的存在及对剩余矿化度的依赖，其解释相当复杂。基于宽频电磁测量的新型工具能克服这些困难，不仅可解决上述未知量，并增加至关重要的岩石物理信息。在20 MHz～1 GHz间的4个离散频率下进行测量，允许界面极化敏感区之内和之外满量程的介电频散测量。近井眼通常是非常复杂的，例如泥饼累积或整个泥浆侵入、泥浆滤液侵入和过渡区侵入到原状地层等，故需要进行多源距测量。

介电扫描仪的核心在于带有多源距排布天线的极板。所有天线都是交叉偶极子，为常规磁偶极子。2个发射天线位于极板中间，接收天线围绕发射天线为中心对称排布。实际测量时，有4个工作频率和2个极化方向，这样就能得到离井壁远至4 in油藏的高分辨率、高精确度的储层属性。极板上同时包含2个电偶极子（开口同轴电缆），可在信号传播过程中测量最浅横向间距，并可测量极板前面介质（泥饼或地层）的介电性能。

为确保满足岩石物性评价所需的精度，在工具设计中优化了几个关键部件。为最好和最简单地匹配实际工具形状和分析模型，极板的形状是圆柱形且将天线设计为理想磁偶极子。由于同一位置上有纵向和横向极化，因此隔离必须达到非常高的程度。仪器包含精确的传感器，可用来测得温度，也包含获得压力的专用传感器，主要测量每个接收天线上的信号幅度和相位，每个频率能测量72种幅度和72种相位。

2.2.2 仪器用途

阵列天线极板上采用推靠装置，即使在凹凸不平的井眼中，由液压控制的推靠臂也能使极板紧贴在井壁上。在不同频率模式下，可直接测量深达4 in（10 cm）处不依赖于地层水电阻率的水体积，由此得到：①生产层内的残余油气体积；②在低电阻率或低对比度的沙泥质交互层中的油气体积；③在稠油油藏中油气的体积和流动性；④地层水矿化度。

3 测量数据处理

3.1 EPT、DPT数据处理

EPT、DPT主要测量衰减EATT和传播时间TPL。实际EPT测量到的电磁波衰减EATT是由几何扩散衰减和介质损耗衰减共同作用的结果。有必要把EATT值修正为AC值，AC应等于EATT扣除掉因几何扩散引起的衰减量。斯伦贝谢公司通过实验方法确定出该公司生产的EPT测井仪的这项修正为50 d B／m，即

取传播时间的单位为ns，并考虑到微波频率f＝1.1 GHz，无损耗传播时间TP0为

DPT数据处理与之类似。但是由于解释方法的侧重点不同，二者之后的处理有所不同。

3.2 介电扫描仪数据处理

3.2.1 衰减和相移

测量的幅度和相位依赖于发射天线和接收天线各自的增益。阵列天线的布局允许创建与增益无关的差分测量组合。每个接收天线提供对应2个发射天线的2个复值的测量，测得的信号可以写为

式中，S＊为测量的复值信号；GXX为接收天线和发射天线的复增益；P（）为介质响应函数，其与角频率ω、复相对介电常数ε＊及几何参数相关；r为接收距；δ为发射天线间距。

得出的差分量M无增益且仅依赖于介质响应函数P（）

M是对应与发射天线距的差分传播量，M的自然对数提供信号衰减；AT单位为d B；信号的相移PS单位为度。这2个量是介电扫描仪数据处理的根本，数据处理中同时考虑了一些特殊因素，如各向异性响应、径向勘探、不确定性控制等，并由此得到仪器的空间灵敏度函数及垂直分辨率。以下给出各向异性的特点以及仪器的空间灵敏度图版。

3.2.2 各向异性响应

纵向和横向排布对地层中相同张量组成部分的敏感度不同。纵向极化仅探测正交于测量工具轴平面上的介电常数和电导率，通常标记为水平。而横向极化能探测水平和垂直2个方面的介电常数和电导率。探测目标的不同源于发射天线引起的电场线。介电扫描仪能进行这2种极化方式的测量（见图4）。

图4 纵向极化和横向极化下发射天线的辐射模式

3.2.3 空间灵敏度函数

从单对发射天线－接收天线（T－R）测量响应看，差分测量的空间灵敏度函数显著不同（见图5）。在给定位置，空间灵敏度函数反映测量方法对介质中复介电常数微小变化的灵敏程度。图5中模版是在低频20 MHz下，测量工具的轴方位角对纵向极化为0而言的。

图5 纵向极化下空间灵敏度函数图

另外，由于在给定频率下不同间距和极化方向的数据中展现出丰富的径向信息，解释数据时创建了同时使用所有测量结果的径向反演；在该系统中，从数据采集到岩石物理参数的输出都有控制参数的不确定性设置。

4 解释及实例

4.1 EPT、DPT解释

数据处理与解释是相关的，探测环境不同，侧重点不同就有不同的解释方法，相应的处理也不一样。第3章第1节中引出了常用的解释方法，即TP0法，EPT中常用的解释方法还有CRIM法、TP0和衰减AC法及发展到可应用于碳酸盐岩或砂岩等中的CTA方法；DPT中常用的解释方法如改进的TP0法、改进的双水TP0法、pa－Rfa交会图、双饱和度法等。

4.2 介电扫描仪解释方法及应用实例

式（4）即为介电扫描仪解释所用的方法，是CRIM方法的进一步优化，加入了结构参数texture，该方法的结构模型能考虑岩石成分及岩石颗粒形状。通过在径向反演输出中应用频散结构实现解释。反演时将估计出的每一层的介电常数和电导率转变为岩石物性参数。最基本的解释是基于1 GHz测量的CRIM模型，利用总孔隙度、骨架介电常数（由岩性推导出）和环境参数（如温度和压力）评估出非结构参数（如含水饱和度和水电导率，通常表示为与NaCl等效的矿化度）。综合运用结构模型和其他频散模型能充分利用测量数据。结构模型最大的优势是可估计出阿尔奇胶结指数m。需要注意的是，反演参数的数目影响反演效率和精确度。在岩石物理结构模型反演中，可将不同频率下各层的介电常数和电导率联系在一起，而且在深、浅区一些结构参数是通用的，由此显著降低需要反演的参数数目，提高反演效率。

利用岩石物理解释模型可反演出矿化度、电导率、薄层厚度、饱和度、孔隙度等参数，并可应用到水矿化度变化的地层、含页岩薄层的砂岩储层、稠油油藏及碳酸盐岩结构中等。与EPT、DPT、中子密度测井、电阻度测井等传统测井方法相比较，显示出极大的准确率及优势。下面仅举出介电扫描仪在稠油油藏中计算饱和度的实例。

径向介电扫描仪在含高黏度油储层中的数据处理见图6［15］。深区和浅区的含水孔隙度（右侧道）远低于总孔隙度，表示含大量的油，且值约为10～15 p.u.时表示可移动油。图6中第3道显示对应的饱和度。标准的电阻率曲线观察到大的变化时，整个储层的饱和度基本保持不变。在这种淡水储层，页岩含量的较小变化也会对电阻率产生非常大的影响，并提供对解释人员产生误导的饱和度图，所以电阻率很难做出准确饱和度的评估。计算的侵入深度（见图6第2道）大约是2～2.5 in。在这种浅侵入情况下，普通微电阻率测量可读至深到足够准确估计可移动油的程度。计算出的泥饼厚度（黑色曲线）与密度测井计算出的泥饼厚度（红色曲线）和从微电阻率测井计算出的泥饼厚度（绿色曲线）吻合得非常好。图6第1道中体现了2种矿化度。浅层区域矿化度与泥浆样本上测得的泥浆滤液矿化度结果相一致。深层区域含盐量虽然相当嘈杂（在深层区域含水量低，不到5 p.u.，故很难精确评估矿化度），但清楚地表明地层水比泥浆滤液稍咸。自然电位测量确认了此对比。

介电扫描仪测井最显著的应用是在碳酸盐岩储集层中。碳酸盐岩储集层包含了全球60%的剩余油，世界上大约一半的油产自于灰岩和白云岩储集层［14］。结构频散模型所测的结构参数如阿尔奇胶结指数对碳酸盐岩地层的介电测井解释意义重大。包括其在水矿化度变化的地层、含页岩薄层的砂岩储层中及碳酸盐岩地质中通过测量饱和度、孔隙度及矿化度解释出的水区位置、油量及位置、页岩薄片厚度、碳酸盐的结构信息等都经过了验证，证明该仪器是有效的。

图6 含高黏度油诸层中介电测井曲线的径向处理解释

综合介电扫描仪所能提供的解释成果可归纳为以下3类。

（1）由多源距高频测量得到的孔隙流体分析，可测量剩余油气饱和度和侵入带地层水矿化度，描述侵入剖面，即稠油储层的含油饱和度剖面。

（2）由介电频散测量数据进行骨架分析，得到碳酸盐岩骨架的结构信息（阿尔奇胶结因子m），得到泥质砂岩地层的高分辨率泥质含量、各向异性和离子交换量CEC。

（3）根据多极化模式和高分辨率测量数据进行地质构造分析。薄层分析、超薄层的构造分析、各向异性测量、地质特性提取、碳酸盐岩分类。

5 结 论

（1）斯伦贝谢公司介电扫描仪为有推靠臂的双发八收系统，8个接收器对称得排布在发射器中心的周围，4种源距的发射－接收模式，测量20 MHz～1 GHz 4个频率下的数据，并能提供不同的径向探测深度（1～4 in），垂直分辨率为1 in。

（2）介电扫描仪允许对频散进行连续测量，这种新型多频电磁波传播测井技术推动了多频解释模型的建立。根据介电频散理论，建立了适用宽频范围（20 MHz～1 GHz）的频散解释模型，发展了包含岩石颗粒及构造的结构解释模型。应用这2种解释模型可得到地层的各种参数（如饱和度、胶结指数等），进行先进的岩石物理解释和储层评价，得到骨架结构信息、孔隙流体信息、地质构造信息等，由此得到新的独特的岩石性质和流体分布信息。提供了近井区准确的径向剖面，配合传统测井，介电频散测量可进行更准确的岩石物性油藏描述。在岩石储层解释中，频率对介电常数、电导率有很大影响，其建立的频散模型体现了较强的适用性。

（3）介电扫描仪首次提供了介电频散的原位测量，并能直接估计m值。在碳酸盐岩储层，阿尔奇胶结指数是准确确定饱和度的关键参数。在稠油油藏，在所有间距和频率下反演出准确的径向饱和度和矿化度，可在非可移动油区域中区分出可移动油，并有助于了解储集层水动力学及在大多数情况下确定原状地层高分辨率的油气饱和度，在产量预测及二、三次石油开采中体现重要作用。

研究发现，该仪器的径向探测深度并不大，最低频率下仅为4 in，鉴于其优良的性能和应用潜力，增大探测深度是进一步需要解决的问题。

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